【正文】 可以直接驅動而無需 輔助電路許多端口內部都集成了上拉電阻可以方便地與外圍器件相接 4 AD 模數轉換寄存器 STC12C5410AD 單片機的 AD 轉換口在 P1 口 P17P10 有 8 路 10 位高速 AD 轉換器 STC12C5410AD 系列是 10 位精度的 AD 速度 均可達到 100KHz 10 萬次秒 8路電壓輸入型 AD 可以完成溫度檢測 電池電壓檢測按鍵掃描頻譜檢測等功能上電復位后 P1 口是弱上拉 型的 IO 口可以通過軟件設置將 8 路中的任何一路設置為 AD轉換不需作為 AD使用的口可繼續(xù)作為 IO口使用這樣 AD轉換和 IO口 可以靈活的運用節(jié)省了軟件及時間 5 有配套的仿真開發(fā)工具 STC12C5410AD的 Flash存儲器給用戶的開發(fā)帶來方便用戶可以將 芯片焊接在線路板上后進行下載程序調試程序和修改程序同時 STC12C5410AD 的片內已集成了程序斷點控制等邏輯功能因此它的 開發(fā)工具較為簡單只需 1套 PC環(huán)境下的調試軟件和 1 個連接于并口的仿真器仿真器與 STC12C5410AD 經串口連接因此用戶只要在設計應用系統(tǒng)時為調試需要預留好 STC12C5410AD 的 串口接口的引出插座即可實現系統(tǒng)的程序下載調試系統(tǒng)現場編程硬件仿真或軟件升級功能 而且無需外加編程電壓 32 煙霧檢測報警器硬件電路設計 集及前置放大電路 傳感器輸出信號一般比較微弱需要經過前置電路對其進行放大濾波電平調整滿足單片機對輸入信號的要求本系統(tǒng)采用的半導體煙霧 傳感器屬于電阻型因此只需串聯一個參考電阻再經過一個放大電路即可發(fā)送給 ADC 采集由于系統(tǒng)采用的是單極性供電所以采用同相比例 放大電路可以減少硬件開銷反之如果采用反相放大則一般需要利 用雙極性供電這就需要系統(tǒng)額外的利用變壓芯片產生一個負 壓這顯然 會造成浪費常見的運算放大器中 LM324 價格低廉使用簡單等優(yōu)點 比較突出所以本設計中的前置放大電路采用 LM324 作為電路的運算放大器 LM324 是單片高增益四運算放大器可在較寬電壓范圍內的單電源 或雙電源下工作其電源電流很小且與電源電壓無關四個運放一致性好 其輸入偏流電阻是溫度補償的也不需外接頻率補償可做到輸出電平與 數字電路兼容 下面詳細介紹運算放大電路 如圖 32 所示從傳感器的上端出來的信號 Vi經過運算放大器的同相 輸入端但是為保證引入的是負反饋輸出電壓 Vo通過電阻 R4接到反相輸入端同時反相 輸入端通過電阻 R3 接到參考電壓 Vref 同相比例運算電路中反饋的組態(tài)為電壓串聯負反饋同樣可以利用理 想運放工作在線性區(qū)時的兩個特點來分析其電壓放大倍數 在圖 32 中根據運放的虛短和虛斷的特點可知 I I 0 所以 V VoR3R3 R4 VrefR4R3 R4 31 而且 V V Vi Vo ViR3 R4R3 32 由以上兩式可求出 Vo VrefR4R3 33 所以本放大電路的放大倍數 A 1 R4 R3 此放大電路為同相比例放大電路它的放大倍數總是大于或等于 1 同相比例運算電路有以下幾個特點 1 同相比例運算放大電路是一個深度的電壓串聯負反饋電路因為不存在虛地現象所以其輸入端有較高的共模輸入電壓 2 電壓放大倍數 A 1 R4 R3 即輸出電壓與輸入電壓的幅值成正比且相位相同所以此電路實現了同相比例放大如果不接 R3 和 R4則此電 路就成了電壓跟隨器它可以減少電路模塊間由于阻抗引起的干擾 3 由于引入了深度電壓串聯負反饋因此電路的輸入阻抗很高輸出阻抗很低高輸入阻抗就可以減少放大電路對前端電路的 影響同時低輸出阻抗也可以提高自身的抗干擾性這顯然有利于電路中其他模塊的設 計 此放大電路還加了參考電壓引入了零點調節(jié)功能這樣可以更方便 的調整由于不同傳感器導致的零點變化問題它利用滑動變阻器產生一個參考電壓 Vref 再利用電壓跟隨器把電壓輸入到運算放大電路的電壓參考 端所以調節(jié)滑動變阻器就可以直接改變放大電路的參考電壓而電壓 跟隨器的作用就如上面介紹的它只是用來匹配阻抗用的防止R3 和 R4 對 滑動變阻器輸出電壓的影響 圖 32 前置放大電路圖 警電路 聲音報警電路圖如圖 33所示報警裝置采用無源壓電式 KM3712x型蜂鳴器 [26]較一般的蜂鳴器體積大聲音響亮適用于家用煤氣報警 器的報警聲音源當單片機STC12C5410AD 的 17 腳 P37 置 1 時三極 管 Q1 導通蜂鳴器報警本報警器采用單片機 STC12C5410AD的 PWM功 能如果煙霧濃度達到報警限單片機控制 P37 PWM 口輸出占空比一定 的脈沖報警時蜂鳴器會發(fā)出如警車警笛的聲音 圖 33 聲音報警電路圖 顯示電路 報警器濃度顯示采用共陽數碼管顯示濃度級別其主要技術參數如下 模塊工作電壓 2755V 工作電流 80ma 每段 10ma 字高 114mm 環(huán)境相 對濕度 85％ 視角 600 工作溫度 1050176。 C 接口方式 8 線并行接口 圖 311 數碼管結構圖 示燈及控制鍵電路 狀態(tài)指示燈及控制鍵電路圖如圖 35 所示單片機 STC12C5410AD 的 18 腳 P10 12 腳 P24 13 腳 P25 控制輸出的狀態(tài)指示燈綠燈常亮表示正常狀態(tài)環(huán)境中可燃煙霧濃度極低黃燈閃亮表示傳感器加熱 絲或者電纜發(fā)生斷線或者接觸不良紅燈閃亮表示環(huán)境中可燃煙霧濃度超 過報警限值提醒用戶盡快作相應安全措施 當煙霧濃度超過報警限報警器發(fā)出 鳴叫用戶到達現場可按下按鍵停止報警器鳴叫若過一點時間濃度仍超出報警限報警器會再次鳴叫提醒用戶 圖 35 狀態(tài)指示燈電路圖 圖 36 控制按鍵連接示意圖 故障自診斷電路 1 判斷傳感器電源連接情況 在傳感器的地端串聯一個電阻 R6 當傳感器正常連接時電阻和傳感器分壓此時電阻兩端有微弱的電壓單片機可以通過 P11 AD 口檢測到 如果傳感器電源連接不正常則會產生斷路檢測到電阻兩端電壓為 0 圖 37 傳感器電源連接自診斷電路 2 判斷傳感器信號端連接情況 另一種情況是判斷傳感器信號端是否連接正確此時不需要外加 電路在傳感器預熱 2 分鐘后測量傳感器信號的輸出電壓如果電壓為 5V則說明傳感器的信號端連接不正常 當報警器自診斷發(fā)現傳感器連接不正常就會發(fā)出長鳴聲音警報并 伴隨黃燈閃爍提醒用戶及時排除傳感器連接問題 33 本章小結 本章闡述了煙霧報警器的硬件設計首先介紹了 STC12 系列 單片機系統(tǒng)的結構特點技術性能特點從設計要求及對 STC12 系列單 片機性能指標價格及節(jié)省儀表空間考慮選用 STC12C5410AD 單片機 作為該報警系統(tǒng)的核心控制器然后詳細地闡述了煙霧報警器電 路設計分為信號采集及前置放大電路 STC12C5410AD 單片機接口電路聲音報警電路顯示電路狀態(tài)指示燈及鍵盤控制電路 第四章 煙霧檢測報警器的軟件設計 41 STC12 系列單片機調試及開發(fā)工具 本系統(tǒng)的軟件編程使用的是美國 Keil Software 公司出品的 Keil C51 是 51系列兼容單片機 C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)與匯編相比 C語言在功能上結構性可讀性可維護性上有明顯的優(yōu)勢 Keil C51軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發(fā)調試工具全 Windows界面另外重要的一點 Keil C51生成的目標代碼效率非常之 高多數語句生成的匯編代碼很緊湊容易理解在開發(fā)大型 軟件時更能 體現高級語言的優(yōu)勢 C51 工具包的整體結構中μ Vision 與 Ishell 分別是 C51 for Windows 和 for Dos 的集成開發(fā)環(huán)境 IDE 可以完成編輯編譯連接調試仿真等整個開發(fā)流程開發(fā)人員可用 IDE本身或其它編輯器編輯 C或匯編源文件然后分別由 C51及 A51編譯器編譯生成目標文件 OBJ 目標文件可由 LIB51 創(chuàng)建生成庫文件也可以與庫文件一起經 C51 連接定位生成絕對目標文件 ABS ABS 文件由 OH51 轉換成標準的 Hex文件以供調試器 dScope51或 tScope51使用進行源代碼級調 試也可由仿真器使用直接對 目標板進行調試也可以直接寫入程序存貯器如 EPROM 中 STC12 系列單片機下載程序使用的是宏晶科技自行開發(fā)的 STC 單片 機 ISP下載編程軟件本論文程序調試過程中使用的是 STCISPv31版 ISP工具的功能主要是將由 PC機串接來的 8位并行數據與單片機的 串行數據進行相互轉換以實現PC 機與 STC12C5410AD 的 RXD 及 TXD 口通訊 當用戶將源程序 匯編語言或 C 語言 經語法檢查無誤并生成代碼時 就可以將程序代碼下載到 Flash 芯片中 [31]而用戶的系統(tǒng)可以是在線狀態(tài) 用戶可以通 過調試環(huán)境軟件的人機對話界面在程序中設置斷點在STC12C5410AD 中可以同時設置 3 個硬件斷點它是經過串口的傳輸由芯片中的幾組斷點條件寄存器實現的 用戶可以通過調試環(huán)境軟件的人機對話界面檢查或修改 Flash 芯片 內的各種存儲器寄存器的數據 42 煙霧檢測報警器軟件流程及設計 本論文中軟件解決的主要問題是檢測煙霧傳感器的煙霧濃度信號然后對信號進行 AD 轉換數字濾波線性化處理段式液晶濃度 顯示按鍵功能設置以及報警器聲光警報 設計及流程圖 主程序流程圖如圖 41所示首先要給傳感器預熱三分鐘因為 MQ2型半導體電阻式煙霧傳感器在不通電存放一段時間后再次通電時傳感器不能立即正常采集煙霧信息需要一段時間預熱程序初始化結束后系統(tǒng)進入監(jiān)控狀態(tài)本論文的主程序設計先對傳感器預熱三分鐘 預熱同時對傳感器加熱絲故障檢測采用軟件方式檢測傳感器加熱絲或 電纜線是否斷線或者接觸不良 STC12C5410AD 單片機對傳感器檢測的煙霧濃度信號進行 AD 轉 換平均值法濾波線性化處理后將濃度值與報警限設定值相比較判斷是否報警同時送入段式液晶顯示煙霧濃度值主程序還包括狀態(tài)指示燈及按鍵功能設置中斷子程序等使報警器功能更加完善給用戶帶來便利 圖 41 主程序流程圖 初始化流程圖 主程序初始化流程圖如圖 42 所示給傳感器預熱后程序開始執(zhí)行 初始化子程序這部分實現的功能包括各種 IO 口輸入輸出狀態(tài)的設定 寄存器初始化中斷使能等首先設定定時初值 50ms利用 IAP寫入 EEPROM作為取值間隔然后設置定時器 0選擇方式 1方式 1狀態(tài)下定時器的工作寄存器 TH1TL1是全 16位參與操作接下來定時器 0 中斷允許位置 1 打開定時器 0 關閉蜂鳴器開啟綠燈設置報警限初 值 圖 42 主程序初始化流程圖 平均濾波法數字濾波子程序設計及流程圖 在煙霧傳感器對煙霧濃度采樣時可 能會遇到尖脈沖干擾的現象干擾通常只影響個別采樣點的數據此數據與其他采樣點的數據相差比較大 如果采用一般的平均值法則干擾將平均到計算結果上去故平均值法不易消除由于脈沖干擾而引起的煙霧濃度采樣值的偏差 為此可采取中位值平均濾波法 又稱防脈沖干擾平均濾波法 先對 N 個采樣數據進行比較去掉其中的最大值和最小值然后計算余下的 N– 2 個數據的算術平均值這種方法既可濾去脈沖干擾又可濾去小的隨機 干擾保證報警器檢測煙霧濃度的準確性減小誤報錯報的可能 在實際應用中 N 可取任何值但為了加快測量計算速度本論文數字濾波的設計中 N 取 10 即調用 AD 連續(xù)進行 10 次采樣去掉其中的最大值和最小值計算其余8 個值的平均值將這個平均值送入寄存器 中位值平均濾波法的程序流程圖如圖43 所示 圖 43 中位值平均濾波法程序流程圖 線性化處理子程序設計及流程圖 在單片機測控系統(tǒng)中使用之前必須進行靜態(tài)標定以得到輸出信號與被測信號的關系輸出曲線用來作為使用過程中的計量依據但是標定時輸出曲線往往不是一條理想的直線所以要對標定曲線進行線性化處理用一條擬合直線近似代替輸出曲線線性化是智能儀表的典型功能之一該報警器主要針對甲烷煙霧檢測在軟件線性化處理時以傳感器對甲烷的響應曲線為依據 本論文報警器使用的 MQ2 型傳感器的電阻是隨著煙