【正文】 機(jī)最小系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì) 6 煙霧檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 7 7 8 語(yǔ)音報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 9 9 10 自動(dòng)排氣電路的設(shè)計(jì) 114．系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 13 13 編譯及下載 145．裝配與調(diào)試 16 Proteus仿真 16 硬件制作 17 系統(tǒng)調(diào)試 17 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路的調(diào)試 17 煙霧檢測(cè)電路的調(diào)試 18 語(yǔ)音報(bào)警電路的調(diào)試 19結(jié)束語(yǔ) 20致 謝 21參考文獻(xiàn) 22附錄A 英文文獻(xiàn)原文 23附錄B 英文文獻(xiàn)譯文 31附錄C 整體電路圖 38附錄D 元器件清單 39隨著現(xiàn)在家庭中家用電器的使用量逐漸增加，用電量也隨之增加。如果在一般家庭中發(fā)生火災(zāi)，就會(huì)很大程度上出現(xiàn)撲救不及時(shí)的情況。美國(guó)消防協(xié)會(huì)（NFPA）強(qiáng)調(diào)煙霧報(bào)警器在拯救生命方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，NFPA指出美國(guó)家庭火災(zāi)死亡人數(shù)的40％是由于未安裝報(bào)警器造成的[4]。但火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)置后,往往會(huì)發(fā)覺(jué)系統(tǒng)有些不盡如人意的地方。排除了設(shè)備質(zhì)量不過(guò)關(guān)等情況后,我們發(fā)現(xiàn)這些情況往往是由于探測(cè)設(shè)備受到干擾而造成的?；馂?zāi)探測(cè)器的工作原理火災(zāi)探測(cè)器顧名思義就是探測(cè)是否有火災(zāi)可能或火災(zāi)正在發(fā)生的設(shè)備,根據(jù)火災(zāi)的特點(diǎn)及其產(chǎn)生物(例如:煙、熱、火焰等)的特性，可分為：煙霧探測(cè)器、溫度探測(cè)器及火焰探測(cè)器三類。研究煙霧超標(biāo)報(bào)警和自動(dòng)排氣電路對(duì)減低火災(zāi)損失有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著人們生活水平及家居環(huán)境的提高，廉價(jià)實(shí)用的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警器將進(jìn)入家庭，而且需求量很大[3]。但火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)置后,往往會(huì)發(fā)覺(jué)系統(tǒng)有些不盡如人意的地方。排除了設(shè)備質(zhì)量不過(guò)關(guān)等情況后,我們發(fā)現(xiàn)這些情況往往是由于探測(cè)設(shè)備受到干擾而造成的?；馂?zāi)探測(cè)器的工作原理火災(zāi)探測(cè)器顧名思義就是探測(cè)是否有火災(zāi)可能或火災(zāi)正在發(fā)生的設(shè)備,根據(jù)火災(zāi)的特點(diǎn)及其產(chǎn)生物(例如:煙、熱、火焰等)的特性，可分為：感煙探測(cè)器、感溫探測(cè)器及火焰探測(cè)器三類。我國(guó)煙霧超標(biāo)報(bào)警自動(dòng)排氣工程應(yīng)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了較快發(fā)展，但由于在實(shí)際應(yīng)用中，煙霧超標(biāo)報(bào)警系統(tǒng)的通訊協(xié)議不一致，煙霧超標(biāo)報(bào)警自動(dòng)排氣工程技術(shù)水平還相對(duì)落后，還存在著一些比較突出的問(wèn)題。(2)發(fā)展趨勢(shì)針對(duì)當(dāng)前煙霧超標(biāo)報(bào)警自動(dòng)排氣系統(tǒng)存在的誤報(bào)漏報(bào)頻繁、智能化和網(wǎng)絡(luò)化程度低、特殊惡劣條件下煙霧探測(cè)報(bào)警抗干擾能力弱等問(wèn)題，煙霧超標(biāo)報(bào)警自動(dòng)排氣系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)應(yīng)進(jìn)一步著眼于當(dāng)前國(guó)際發(fā)展的新形勢(shì)，加快更新改造進(jìn)程，加強(qiáng)對(duì)數(shù)字技術(shù)和新工藝、新材料的應(yīng)用，改進(jìn)系統(tǒng)能力，使煙霧超標(biāo)報(bào)警自動(dòng)排氣系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)向著高可靠、低誤報(bào)和網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。 (3) 課題研究意義煙霧超標(biāo)報(bào)警器的意義在于可以實(shí)現(xiàn)對(duì)普通環(huán)境中煙霧濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，以減少煙霧有毒氣體對(duì)人體的傷害，通過(guò)報(bào)警來(lái)警示人們所處環(huán)境的煙霧濃度過(guò)高，并通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制環(huán)境的有毒氣體濃度，如完成開(kāi)風(fēng)扇通風(fēng)、切斷有毒氣體來(lái)源等由單片機(jī)控制的部分。該設(shè)計(jì)以其小型化、智能化并且設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)簡(jiǎn)潔明了、電路構(gòu)成簡(jiǎn)單、易于維護(hù)、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)能夠廣泛的應(yīng)用于居民、企事業(yè)單位等多方面的安全防范。其中方案論證及選擇主要從三種可以實(shí)現(xiàn)煙霧超標(biāo)報(bào)警自動(dòng)排氣功能的方案中選擇一個(gè)成本低、易操作、系統(tǒng)性能較高的方案。其中主要設(shè)計(jì)的電路包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)電路，煙霧檢測(cè)電路，語(yǔ)音報(bào)警電路，自動(dòng)報(bào)警電路等以及一些外圍輔助電路。最后的制作與調(diào)試主要是進(jìn)行硬件仿真與制作，并對(duì)硬件進(jìn)行相關(guān)功能的測(cè)試，檢測(cè)是否能達(dá)到設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的功能。2．方案論證及選擇：基于SOPC設(shè)計(jì)的煙霧超標(biāo)報(bào)警自動(dòng)排氣電路。SOPC（SystemonaProgrammableChip）可編程片上系統(tǒng)?？删幊唐舷到y(tǒng)（SOPC）是一種特殊的嵌入式開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。Quartus Ⅱ是最高級(jí)和復(fù)雜的用于SOPC的設(shè)計(jì)環(huán)境。Quartus Ⅱ平臺(tái)支持一個(gè)工作組環(huán)境下的設(shè)計(jì)要求，其中包括支持基于Internet的協(xié)作設(shè)計(jì)。煙霧傳感器安裝于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)導(dǎo)線連接到主板傳感器的驅(qū)動(dòng)電路，傳感器檢測(cè)的信號(hào)送到放大電路將信號(hào)進(jìn)行放大，A/D轉(zhuǎn)換電路將放大后的信號(hào)轉(zhuǎn)換為0~5V的電平信號(hào)，并由A/D轉(zhuǎn)換芯片將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)送入SOPC控制器。：基于放大器和比較器設(shè)計(jì)的煙霧超標(biāo)報(bào)警自動(dòng)排氣電路。電化學(xué)傳感器主要包括兩部分：傳感電極（又稱工作電極）和反向電極?？諝庵械拇龣z測(cè)氣體通過(guò)網(wǎng)孔與傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)，這種反應(yīng)會(huì)形成一層憎水屏障，這層憎水屏障就會(huì)形成一種電極表面。電化學(xué)反應(yīng)會(huì)形成一定的電信號(hào)，這種電信號(hào)就可以防止傳感器中的電解質(zhì)泄漏出傳感器。這兩種催化反應(yīng)主要是針對(duì)不同的被測(cè)氣體以及不同的電極材料反應(yīng)所生成的各種不同的電化學(xué)反應(yīng)。如果測(cè)量該電流的大小，就可根據(jù)電流的大小與氣體濃度的換算關(guān)系來(lái)確定空氣中某種氣體濃度。在具體的實(shí)際應(yīng)用中，由于電化學(xué)傳感器在檢測(cè)電路中使用時(shí)電極表面會(huì)連續(xù)發(fā)生電化學(xué)發(fā)應(yīng)，傳感電極電勢(shì)會(huì)處于不斷變化的狀態(tài)，所以當(dāng)電化學(xué)傳感器在使用一段較長(zhǎng)時(shí)間后，傳感器的檢測(cè)性能會(huì)逐漸退化。 基于氣敏傳感器設(shè)計(jì)的煙霧超標(biāo)報(bào)警自動(dòng)排氣電路原理框圖采用基于單片機(jī)的煙霧報(bào)警器。其次由單片機(jī)中的程序判斷傳輸?shù)臒熿F信號(hào)是否超標(biāo)，最后在超標(biāo)的情況下，由單片機(jī)控制啟動(dòng)報(bào)警和排氣電路。原理框圖說(shuō)明：煙霧信號(hào)采集電路一般由氣敏管[6]傳感器和模擬放大電路組成，將煙霧信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬的電信號(hào)。單片機(jī)對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，并對(duì)處理后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析比較，看是否大于或等于某個(gè)預(yù)設(shè)值(也就是報(bào)警限)，如果大于則啟動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警聲音并自動(dòng)排氣電路，反之則為正常狀態(tài)。 方案選擇方案一：基于SOPC設(shè)計(jì)的煙霧超標(biāo)報(bào)警自動(dòng)排氣電路系統(tǒng)的可靠性不高。所以不采取此方案。電化學(xué)傳感器有一個(gè)恒定的檢測(cè)范圍。當(dāng)被測(cè)氣體濃度超過(guò)電化學(xué)傳感器的檢測(cè)范圍時(shí)，產(chǎn)生的電流大小不能準(zhǔn)確的反應(yīng)出氣體濃度的大小，電化學(xué)傳感器這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生處于飽和狀態(tài)的電流值。如果空氣中的待測(cè)氣體有交叉影響，電化學(xué)傳感器回合很多氣體都可以產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)并產(chǎn)生一定大小的電流。此外傳感器的零點(diǎn)漂移問(wèn)題也是影響的主要因素，傳感器的零點(diǎn)漂移是傳感器以前曝光的時(shí)間和溫度相互交叉影響的結(jié)果。綜上所述本設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性不高，存在的干擾因素較大，所以不采取此方案。單片機(jī)采用AT89S51單片機(jī)為控制核心，完成數(shù)據(jù)的處理工作。整體電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可靠性較高，易于實(shí)現(xiàn)。 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)。 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖 (1)AT89S51單片機(jī)AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能的CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，AT89S51采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。 AT89S51可以通過(guò)硬件設(shè)置振蕩頻率可為0Hz，也可通過(guò)軟件設(shè)置進(jìn)入省電模式。AT89S51芯片有三種封裝形式PDIP、TQFP和PLCC，這三種不同的封裝形式適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。(2) 復(fù)位電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)在啟動(dòng)時(shí)都需要復(fù)位，以使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開(kāi)始工作,復(fù)位后PC＝0000H，使單片機(jī)從第—個(gè)單元取指令。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個(gè)高電平并維持2個(gè)機(jī)器周期(24個(gè)振蕩周期)以上，則CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。，該電路在最簡(jiǎn)單的復(fù)位電路下增加了手動(dòng)復(fù)位按鍵，在接通電源瞬間，電容C1上的電壓很小，復(fù)位下拉電阻R2上的電壓接近電源電壓，即RST為高電平，在電容充電的過(guò)程中RST端電壓逐漸下降，當(dāng)RST端的電壓小于某一數(shù)值后，CPU脫離復(fù)位狀態(tài)，由于電容C1足夠大，可以保證RST高電平有效時(shí)間大于10ms，CPU能夠可靠復(fù)位。當(dāng)復(fù)位按鍵按下后電容C1通過(guò)R1放電。由于R1R2 因此RST為高電平，CPU處于復(fù)位狀態(tài)，松手后，電容C1充電，RST端電位下降，CPU脫離復(fù)位狀態(tài)。最小系統(tǒng)中復(fù)位電路的電容C1的大小直接影響單片機(jī)的復(fù)位時(shí)間，一般采用10uF左右極性電容，單片機(jī)最小系統(tǒng)的電容值越大復(fù)位的時(shí)間越短。(3) 時(shí)鐘電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)的定時(shí)控制功能是由片內(nèi)的時(shí)鐘電路和定時(shí)電路來(lái)完成的，而片內(nèi)的時(shí)鐘產(chǎn)生方式有兩種：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。內(nèi)部時(shí)鐘方式片內(nèi)高增益反相放大器通過(guò)XTAL1和XTAL2外接作為反饋元件的晶體與電容組成的并聯(lián)諧振回路，構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器向內(nèi)部時(shí)鐘電路提供振蕩時(shí)鐘。 煙霧檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)煙霧傳感器的主要分為離子式煙霧傳感器、光電式煙霧傳感和氣敏式煙霧傳感器。（2）光電式煙霧傳感：該煙霧傳感器內(nèi)部有一個(gè)光學(xué)迷宮，安裝有紅外對(duì)管，沒(méi)有煙霧時(shí)紅外接收管接收不到紅外發(fā)射管發(fā)射出來(lái)的紅外光線，當(dāng)煙霧進(jìn)入光學(xué)迷宮時(shí)，通過(guò)折射、反射后，接收管將接收到紅外光線，報(bào)警電路判斷是否超過(guò)閾值，超過(guò)則發(fā)出警報(bào)，反之則不然。它主要包括半導(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學(xué)氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。N型在檢測(cè)時(shí)阻值隨氣體濃度的增大而減小，P型阻值隨氣體濃度的增大而增大。當(dāng)遇到空氣中可燃?xì)怏w時(shí)，由于可燃?xì)怏w能夠提供給電子，可燃?xì)怏w中就會(huì)有正離子吸附在金屬氧化物半導(dǎo)體表面，氧負(fù)離子放出電子使可燃?xì)怏w以正離子的吸附也要放出電子，電阻值下降就是因?yàn)榘雽?dǎo)體電子密度增加。這就是半導(dǎo)體氣敏元件檢測(cè)可燃?xì)怏w的基本原理[6]。該傳感器常用于家庭和工廠的氣體泄漏裝置，適宜于煙霧、液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣等的探測(cè)。MQ2氣體傳感器是SnO2(氧化錫)半導(dǎo)體氣敏傳感器屬于電阻型氣敏元件。若氣濃度發(fā)生變化，其阻值也將隨之變化。MQ2的主要特點(diǎn)：(1)具有信號(hào)輸出指示。（當(dāng)輸出為低電平時(shí)信號(hào)燈亮，可直接單片機(jī)）(4)模擬量輸出0~5V電壓，濃度越高電壓值越高。(6)具有長(zhǎng)期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。 煙霧傳感器電路。 煙霧檢測(cè)電路圖傳感器的電導(dǎo)率是隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增大而增大，再使用相應(yīng)的外圍電路就可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)變成與該氣體濃度變化相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。當(dāng)傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大電路對(duì)其進(jìn)行的放大、濾波、電平調(diào)整后，輸出的信號(hào)才能滿足單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的要求。一個(gè)煙霧傳感器既可以只實(shí)現(xiàn)單個(gè)功能，也可以實(shí)現(xiàn)多種功能的。 語(yǔ)音報(bào)警電路的設(shè)計(jì)。 語(yǔ)音報(bào)警電路 語(yǔ)音錄放音電路語(yǔ)音錄放音電路主要由語(yǔ)音芯片以及一些外圍電路組成。其中語(yǔ)音芯片ISD1820PY是美國(guó)ISD公司于2001年最新推出一種可錄放一段8～20秒的語(yǔ)音的芯片，它的基本結(jié)構(gòu)與ISD111420完全相同，采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含振蕩器，話筒前置放大，自動(dòng)增益控制，防混淆濾波器，揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)及FLASH陣列。模擬電路和數(shù)字電路分別使用了不同電源線，兩路電路的電源總線在此引腳匯合。電源端的去耦電容回路應(yīng)該盡量靠近芯片，從而有效的減少電源中的各種干擾。Vssd是芯片內(nèi)部的數(shù)字電路的地線匯接引腳。整個(gè)錄音期間，REC要一直保持為高電平。注：REC的上升沿有84毫秒防顫，防止按鍵誤觸發(fā)。放音一直持續(xù)到EOM標(biāo)志，放音結(jié)束后芯片自動(dòng)進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)。電平觸發(fā)放音(PLAYL)：此端從低變高時(shí)，芯片開(kāi)始放音。錄音指示(/RECLED)：當(dāng)芯片處于錄音狀態(tài)時(shí)，此端為低電平，可驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光。此脈沖可用來(lái)觸發(fā)PLAYE，實(shí)現(xiàn)循環(huán)放音。片內(nèi)自動(dòng)增益控制電路(AGC)控制前置放大器的增益。耦合電容值和此端的10KΩ輸入阻抗決定了芯片頻帶的低頻截止點(diǎn)。當(dāng)以差分形式連接話筒時(shí)，可減小噪聲，提高共模抑制比。喇叭輸出(SP+，SP)：輸出端可以直接驅(qū)動(dòng)8Ω以上的喇叭。SP+和SP之間通過(guò)內(nèi)部的50KΩ的電阻連接，不放音時(shí)為懸空狀態(tài)。直通模式(FT)：此端允許接在MIC輸入端的外部語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)芯片內(nèi)部的AGC電路、濾波器和喇叭驅(qū)動(dòng)器后直接到達(dá)喇叭輸出端。、SS3分別是錄音鍵、邊沿觸發(fā)放音、電平觸發(fā)放音。沿觸發(fā)放音，按S2(PE)鍵一下即將全段放音，除非斷電或放音結(jié)束，否則不停止放音；電平觸發(fā)放音，按住S3(PL)鍵時(shí)即放音，松開(kāi)按鍵即停止。 音頻放大電路音頻放大電路主要有音頻放大芯片和相關(guān)元器件構(gòu)成。LM386是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、更新內(nèi)鏈增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少及總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)的功率放大器。輸入端以地位參考，同時(shí)輸出端被自動(dòng)偏置到電源電壓的一半，在5V電源電壓下，它的靜態(tài)功耗為24mW，使得LM386特別適用于電池供電的場(chǎng)合。靜態(tài)功耗低，約為4mA，可用于電池供電；工作電壓范圍寬，412V或518V；電壓增益可調(diào)，20200；失真度低； LM386引腳圖LM386的應(yīng)用非常簡(jiǎn)單，但是在器件上電、斷電的時(shí)候，甚至芯片工作穩(wěn)定后的一些操作（如插拔音頻插頭、旋音量調(diào)節(jié)鈕）都會(huì)帶來(lái)的瞬態(tài)沖擊，在輸出端的喇叭上能夠產(chǎn)生不理想的噪聲。采用雙音頻輸入/輸出。BYPASS端外接一個(gè)電解電容到地，可以起到濾除噪聲的作用。在芯片上電、掉電時(shí)產(chǎn)生的噪聲就是由該偏置電壓的瞬間跳變所致，減少輸出耦合電容可以有效地降低噪聲。如果直流電壓過(guò)大有可能會(huì)損壞喇叭線圈；耦合音頻的交流信號(hào)是它與揚(yáng)聲器負(fù)載構(gòu)成了一階高通濾波器。 自動(dòng)排氣電路的設(shè)計(jì)。 自動(dòng)排氣電路圖排氣電路主要由三極管、繼電器、電機(jī)組成，在這部分電路中，繼電器和三極管相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān)，可開(kāi)通或關(guān)斷電機(jī)連接的5伏直流電源。當(dāng)三極管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，繼電器中無(wú)電流通過(guò)，故而繼電器開(kāi)關(guān)無(wú)法動(dòng)作，導(dǎo)致電機(jī)回路開(kāi)路，無(wú)電流通過(guò)，電機(jī)不工作。當(dāng)基極B電壓處于高電平時(shí)，其值高于集電極C的電壓，而且大于三極管的開(kāi)啟電壓Uon，三極管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，集電極上的繼電器中有電流通過(guò)；當(dāng)基極B處于低電平狀態(tài)時(shí)，其值小于三極管開(kāi)啟電壓Uon，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，其集電極中無(wú)電流，三極管這個(gè)“開(kāi)關(guān)”處于斷開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)三極管T2飽和導(dǎo)通時(shí)，繼電器中有電流通過(guò)，此時(shí)是二極管D2相當(dāng)于開(kāi)路，對(duì)電路無(wú)影響；當(dāng)三極管在轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)的瞬間，由于