【正文】 實際操作能力。 主要應用方向與設計構思 本設計主要用于居民住宅區(qū)、機房、辦公室等小型防火單位，是為人們提供的一種簡單的、廉價實用的火災自動報警裝置。觸發(fā)器件包括 自動或者手動產生報警信號的器件，如 DS18B20 溫度傳感器， MQ2氣體傳感器，手動報警按鈕。顯示裝置是 CAI3461BH 數碼管 模塊，能夠實時顯示由 DS18B20 溫度傳感器和MQ2 氣體傳感器所傳送的數據。其中 MQ2 氣體傳感器需要配置放大電路和 A/D 轉換模塊對其信號進行處理，采用 LM324 芯片做放大電路， ADC0804 芯片制作 A/D 轉換模塊。 DS18B20 采集的數據為數字信號，可以直接發(fā)送至單片機進行處理。 MQ2 半導體煙霧傳感器屬于電阻型，因此只需串聯(lián)一個參考電阻，再經過一個放大電路即可發(fā)送給 ADC0804 采集，信號經過 A/D 轉換模塊后傳送進入單片機進行 4 處理。單片機正常工作后，判斷所接收到的數據是否達到報警臨界值，如果到達報警值單片機控制蜂鳴器和 LED 燈進行報警，如果沒有達到報警值單片機繼續(xù)接收并處理新數據。單片機實時向 CAI3461BH 數碼管 顯示模塊輸出顯示信號，液晶顯示模塊顯示周圍環(huán)境溫度和氣體數值。單片機一 方面要接收來自傳感器送來的感應信號和故障檢測信號，另一方面要對不同信號分別進行處理，控制后續(xù)電路的相應工作，同時還要查詢是否有按鍵按下的請求。 89S51 單片機應用普遍，工具多，易上手，片源廣，價格低，編程靈活，控制簡單，很適合我們所要制作的火災自動報警系統(tǒng)。它與通用 80C51 系列單片機的指令系統(tǒng)和引腳兼容。他將通用 CPU和在線可編程 Flash集成在一個芯片上，形成了功能強大、使用靈活和具有較高性能性價比的微控制器 [4]。 89S51 相對于 89C51 增加的新功能包括：新增加很多功能，性能有了較大提升，價格基本不變，甚至比 89C51 更低； ISP 在線編程功能，這個功能的優(yōu)勢在于改寫單片機存儲器內的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離，是一個強大易用的功能；最高工作頻率為 33MHz，大家都知道 89C51 的極限 工作頻率是 24M，就是說 S51 具有更高工作頻率，從而具有了更快的計算速度；具有雙工 UART 串行通道；內部集成看門狗計時器，不再需要像 89C51 那樣外接看門狗計時器單元電路；雙數據指示器；電源關閉標識；全新的加密算法，這使得對于 89S51 的解密變?yōu)椴豢赡?，程序的保密性大大加強，這樣就可以有效的保護知識產權不被侵犯。 顯示模塊設計 本火災自動報警系統(tǒng)需要實現(xiàn)對周圍環(huán)境溫度和氣體的實時監(jiān)測，故需要顯示模塊來顯示周圍環(huán)境的溫度和氣體變量。 CAI3461BH 數碼管介紹 其主要技術參數如下： 模塊工作電壓： ~ 工作電流： 80ma,每段 10ma 字 高： 環(huán)境相對濕度： 85％ 視角： 6:00 工作溫度： 10~+50176。C 接口方式： 8 線并行接口 圖 數碼管內部結構圖 7 圖 數碼管結構圖 數碼管引腳圖數碼管使用注意事項說明： （１）數碼管表面不要用手觸摸，不要用手去弄引角； （２）焊接溫度：２６０度；焊接時間：５Ｓ （３）表面有保護膜的產品 ,可以在使用前撕下來。圖中的 8 個 LED 分別與上面那個圖中的 A~DP 各段相對應，通過控制各個 LED 的亮滅來顯示數字。注意， 3 腳和8 腳是連通的，這兩個都是公共腳。 溫度采集模塊設計 8 本設計的測溫元件采用 DS18B20 數字溫度傳感器，該產品采用美國 DALLAS 公司生產的 DS18B20 可組網數字溫度傳感器芯片封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域。 DS18B20 介紹 DS18B20 數字溫度計提供 9 位溫度讀數，指示器件的溫度。讀、寫和完成溫度變換所需的電源可以由數據線本身提供，而不 需要外部電源。等效的華氏溫度范圍是 67176。F；以 9位數字方式讀出溫度；在 1 秒（典型值）內把溫度變換為數字；用戶可定義的，非易失性的溫度告警設置；告誡搜索命令識別和尋址溫度在編定的極限之外的器件（溫度告警情況）；應用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費類產 品，溫度計或任何熱敏系統(tǒng)。一個工作周期可分為兩個部分，即溫度檢測和數據處理。數據在出產時設置不由用戶更改。 RAM 數據暫存器，用于內部計算 9 和數據存取，數據在掉電后丟失， DS18B20 共 9 個字節(jié) RAM，每個字節(jié)為 8 位。在上電復位時 其值將被刷新。第 8 個字節(jié)為計數寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設計的，同樣也是內部溫度轉換、計算的暫存單元。 EEPROM 非易失性記憶體，用于存放長期需要保存的數據，上下限溫度報警值和校驗數據， DS18B20 共 3 位 EEPROM，并在 RAM 都存在鏡像，以方便用戶操作。 氣體采集模塊設計 氣體采集模塊是能夠檢測環(huán)境中的煙霧等氣體的濃度，并將其轉換為數字信號傳送至主控芯片，其最基本組成部分應包括：氣體信號采集電路、模擬放大電路、模數轉換電路、單片機控制電路。模數轉換電路將從煙霧檢測電路送出的模擬信號轉換成單片機可識別的數字信號后送入單片機 [6] [7]。 MQ2 型半導體可燃氣體 敏感元件 煙霧傳感器具有靈敏度高、響應快、抗干擾性好、使用方便、價格便宜，且不會發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護成本較低等優(yōu)點。 MQ2 型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導體氣敏材料，屬于表面離子式 N 型半導體。C 溫度時，二氧化錫吸附空氣中的 氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。利用這一點就可以獲得這種煙霧存在的信息。而當空氣中沒有煙霧時，二氧化錫半導體又會自動恢復氧的負離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。 圖 MQ2 型傳感器的外觀 圖 MQ2 型傳感器的結構圖 MQ2 傳 感器的特性及主要技術指標 MQ2 型傳感器的一般特點： 對天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對烷類煙霧更為敏感；具有良好的重復性和長期的穩(wěn)定性，初始穩(wěn)定，響應時間短，長時間工作性能好；電路設計電壓范圍寬， 24V 以下均可；加熱電壓 5177。這 是因為煙霧傳感器中的二氧化錫在不通電的狀態(tài)下會吸附空氣中的水蒸氣，當再次通電時需要預熱幾分鐘使水蒸氣蒸發(fā)后，氣敏電阻才能正常工作。一般情況下，不通電時間越長，初期穩(wěn)定時間也越長，當不通電存放時間達到 15 天左右時，初期穩(wěn)定時間一般需要五分鐘左右 [9]。C)下工作，所以需要對其加熱。所以必須使用傳感器生產廠家推薦的加熱電壓，使其工作在較安全的范圍內 [10]。本系統(tǒng)采用的 MQ2 半導體煙霧傳感器屬于電阻型，因此只需串聯(lián)一個參考電阻，再經過一個放大電路即可發(fā)送給 ADC 采集。 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。 圖 氣體采集電路圖 ADC0804 是用 CMOS 集成工藝制成的逐次比較型摸數轉換芯片。該芯片內 有輸出數據鎖存器，當與計算機連接時，轉換電路的輸出可以直接連接在 CPU 數據總線上，無須附加邏輯接口電路。 PIN2(RD)： Read。 PIN3(WR)：啟動轉換的控制訊號。當 WR 由 0→1 且 CS＝ 0 時， ADC0804 會開始轉換信號，此時 INTR 設定為高位準 (high)。頻率輸入可連接處理單元的訊號頻率范圍為 100kHz 至 800kHz。若在 CLK R 及 CLK IN 加上電阻及電容，則可產生 ADC工作所需的時序。轉換期間為高位準 (high)，等到轉換完畢時 INTR 會變?yōu)榈臀粶?(low)告知其它的處理單元已轉換完成，可讀取數字數據。輸入電壓 VIN＝ VIN(+)－ VIN()，通常使用單端輸入，而將 VIN()接地。 PIN9(VREF∕2)︰模擬參考電壓輸入端。若PIN9 空接，則 VIN 的上限值即為 VCC。 PIN11~PIN18(DB7~DB0)︰轉換后之數字數據輸出端。 報警電路模塊設計 本設計采用蜂鳴器和 LED 流水燈作為報警裝置。 蜂鳴器 當單片機接收到超額溫度信號或氣體信號時 ,輸出腳 BELL 輸出高電平 ,Q1 導通，致使蜂鳴器 BELL 得電工作，發(fā)出報警聲。 當接收到易燃氣體濃度達到設定值信號的時候， LED 燈緩慢閃爍報警。 當接收到溫度超額信號時候， LED 燈急速閃爍報警。 圖 LED 燈電路 按鍵報警 當有人提前發(fā)現(xiàn)火災隱情時候，可以按動報警按鍵發(fā)出報警信號，以提醒其他人注意安全。 圖 313 按鍵電路 S44 GND P 31 15 4 系統(tǒng)的應用軟件設計 AT89S51 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。 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(xiàn) PC 機與AT89S51 的 RXD 及 TXD 口通訊。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。 主程序流程 本論文中，軟件解決的主要問題是檢測溫度傳感器和氣體傳感器的溫度信號和氣體信號，然后對信號進行顯示和判斷，在超出預設報警值時候發(fā)出報警。 報警判斷 開始 初始化 第一次溫度與煙霧信號與判斷 第二次溫度與煙霧信號與判斷 正常 異常報警 火災報警 復位 17 5 系統(tǒng)調試 根據查閱的 MQ2 資料顯示其最佳工作時間為預熱時間不少于 24 小時。實驗中使用了一級運放對 MQ2 低電壓信號進行放大，然后將放大值送給 A/D 進行處理，將處理結果送給單片機進行處理，單片機處理后將結果顯示在液晶上，其結果僅是一個相對量，并沒有任何可比性，但能反映和解決實際問題。故可以連接在排氣扇上在此時予以排氣換氣。 此裝置可對液化氣，丙烷，丁烷，甲烷，氫氣和酒精等危險氣體進行檢查，并能自定義的設置器報警門限值（需進行程序數據調整），反應靈敏度較高，可在危險到來前最大限度的提醒人們注意，以最大程度的避免危險的發(fā)生。 本論文設計的火災自動報警系統(tǒng)主要由溫度信號采集電路、氣體信號采集電路與單片機控制電路構成。 DS18B20 數字溫度傳感器采用 DS18B20 可組網數字溫度傳感器芯片封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適 用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域。 MQ2 型半導體可燃氣體敏感元件煙霧傳感器具有靈敏度高、響應快、抗干擾性好、使用方便、價格便宜，且不會發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護成本較低等優(yōu)點。 在本論文研制的報警系統(tǒng)的基礎上，可以再做適當的功能擴展，使火災自動報警系統(tǒng)的功能更加完善，安全性更高，使用更加方便等，例如增加消防聯(lián)動裝置，在火災發(fā)生時可以直接對火災進行控制，降低火災的損失。自始至終關心督促畢業(yè)設計進程和進度。還不斷向我傳授分析問題和解決問題的辦法，并指出了正確的努力方向，使我在畢設過程中少走很多 彎路。在這里非常感謝 張 老師的指導和幫助，并致以誠摯的謝意！ 同時，身邊的同學給了我許多的幫助。 20 參考文獻 1 GB5011698 火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范 [M].北京 :中國計劃出版社 . 2 李群芳 ,肖看 .單片機原理、接口及應用 —— 嵌入式系統(tǒng)技術基礎 .北京 :清華大學出版社 ,2020. 3 譚浩強著 .C 語言程序設計 .北京 :清華大學出版社 ,2020 4 張義和 ,王敏男 ,許宏昌，等 .例說 51 單片機 .北京 :人民郵電出版社 ,2020. 5 周麗娜 .Protel99SE 電路設計技術 .北京 :中國鐵道出版社 ,2020 6 郁有文 ,常健，程繼紅等 .傳感器原理及工程應用（第三版） .西安 :西安電子科技大學出版社 ,2020. 7 謝望 .煙霧傳感器技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 .儀器儀表用戶 ,2020,13(5):12. 8 李永生 ,楊莉玲 .半導體氣敏元件的選擇性研究 .傳感器技術 , 2002(3): 1~3. 9 Yoon D h, Yu J h, Choi Gm. CO Gas Sensing Properties of Zn0CuO Composite. Sensors and Actuators. 1998(46): 1523. 10 Wang Xihuai， Xiao Jianmei， Bao Minzhong. Multisensor Fire Detection Algorithm for Ship Fire Alarm System Using Neural Fuzzy Network. Signal Processing Proceedings. 2000(3):16021605. 21 附錄一 原理圖 附圖 1 設計電路圖 附錄二 程序 includ