【正文】 設計要求的功能。硬件設計是通過對設計要求的分析，對各種元器件的了解，而得出分立元件與集成塊的某些連接方法，以達到設計的功能要求。它包括對各種元器件的功能和接法的了解，以及對各種元器件的選擇和設計方案的選擇。 設計要求設計的監(jiān)測報警系統(tǒng)應實現(xiàn)如下功能：系統(tǒng)能檢測三個不同位置的煙霧濃度，把檢測到的信號送單片機處理，處理過的數(shù)據送顯示器顯示，在煙霧濃度達到設置值時系統(tǒng)啟動聲光報警，實現(xiàn)串口通信功能。①信號采集部分即通過氣體傳感器檢測氣體濃度，將這種變化量轉化成電壓模擬量的變化，然后通過運放進行必要的放大。③系統(tǒng)報警部分是通過預定控制方式并利用蜂鳴器和發(fā)光二極管報警實現(xiàn)系統(tǒng)的準確操作。②信號處理部分為了實現(xiàn)精確控制，采用單片機較為合適。③系統(tǒng)設置報警部分可以考慮采用蜂鳴器和發(fā)光二極管報警根據對上面設計系統(tǒng)的分析，我們得到該設計思想框圖如下圖21所示：圖21 思想框圖將上述設計思想結合設計要求總結為：單片機電路制作變電站火災煙霧故障監(jiān)測報警系統(tǒng)對三個不同位置的煙霧濃度進行監(jiān)測；煙霧信號采集電路一般由電阻型半導體氣體傳感器和模擬放大電路組成，將煙霧信號轉化為模擬的電信號。單片機對該數(shù)字信號進行處理，并對處理后的數(shù)據進行分析比較，是否大于或等于某個預設值(也就是報警限)，如果大于則啟動報警電路發(fā)出報警聲音，反之則為正常狀態(tài)。為使報警裝置更加完善，可以在聲音報警基礎上，加入光報警，光信號可以引起工作人員注意，彌補嘈雜環(huán)境中聲音報警的局限。煙霧傳感器及單片機是可燃煙霧檢測報警器的兩大核心，根據報警器功能的需要，選擇合適、精確、經濟的煙霧傳感器及單片機芯片是至關重要的。分析：此設計雖然簡單，但是存在著嚴重的問題。氣體傳感器所測量的值經常會發(fā)生變化。氣體傳感器主要通過兩個基本特性靜態(tài)特性和動態(tài)特性來反映傳感器的這種變動性。所謂的靈敏度，是指在靜態(tài)工作條件下，其單位輸入所產生的輸出，用S表示。動態(tài)特性好的煙霧傳感器，其輸出特性曲線隨時間變化很小。如式（2）： （2）此可見，煙霧傳感器的輸入和輸出關系并非簡單的線性或曲線關系，要對煙霧傳感器建立一個準確的溫度修正數(shù)學模型是很困難的。如通過溫度傳感器測出環(huán)境的溫度，對煙霧傳感器的輸出特性曲線進行修正；或者直接對傳感器進行硬件補償。本設計主要考慮如何有效實現(xiàn)傳感器的溫度補償。所謂硬件補償是指直接使用溫度傳感器在電路中對氣體傳感器進行補償，這種方式雖然簡單，但只有在溫度傳感器和氣體傳感器的溫度特性一致時，才能很好地補償；很難實現(xiàn)寬范圍的氣體傳感器和溫度傳感器的特性匹配。該方式較為復雜，對特性離散的傳感器，擬合效果差。這樣的補償方式，不僅能較好地擬合氣體傳感器的靜態(tài)溫度特性，而且對傳感器的動態(tài)溫度響應也能同步實現(xiàn)補償。采用普通雙傳感器，采用相互補償?shù)姆椒z測房間氣體濃度，將檢測的到濃度信號送入A/D芯片中進行模數(shù)轉換，利用AT89S51單片機控制聲音報警以及將氣體傳感器檢測到的濃度值在顯示器顯示出來。由于本課題要求采用四路巡回檢測，如果采用本方案那么就需要8個特性相同的半導體氣體傳感器（4個密封檢測氣體濃度，另外4個做補償），為了達到更好的溫度修正效果，往往需要傳感器廠家的配合，在生產時對傳感器進行成對生產，以保證傳感器特性的一致性。單單采用此種方法并不能更好的提高測量性能，還需要加以軟件補償。采用高性能半導體氣體傳感器，采用三路傳感器檢測不同地方的煙霧濃度，將檢測的到濃度信號送入A/D芯片中進行模數(shù)轉換，利用AT89S51單片機控制聲光報警，并且將氣體傳感器檢測到的濃度值在LCD顯示器上顯示出來，并且實現(xiàn)串口通信。具體電路設計將在下文中給出。鑒于對以上三個方案的對比分析，方案三最符合設計要求，所以我選擇使用方案三來設計本次畢業(yè)設計的主體電路。傳感器作為煙霧檢測報警器的信號采集部分，是儀表的核心組成部分之一。 (1)煙霧傳感器的分類[２]： 煙霧傳感器種類繁多，從檢測原理上可以分為三大類： (a)利用物理化學性質的煙霧傳感器：如半導體煙霧傳感器、接觸燃 燒煙霧傳感器等。 (c)利用電化學性質的煙霧傳感器：如電流型煙霧傳感器、電勢型氣 體傳感器等。但是，任何一個完整的煙霧傳感器都必須具備以下條件： (a)能選擇性地檢測某種單一煙霧，而對共存的其它煙霧不響應或低 響應； (b)對被測煙霧具有較高的靈敏度，能有效地檢測允許范圍內的煙霧 濃度；(c)對檢測信號響應速度快，重復性好；(d)長期工作穩(wěn)定性好； (e)使用壽命長； (f)制造成本低，使用與維護方便。 (a) 半導體煙霧傳感器半導體煙霧傳感器包括用氧化物半導體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器，以及用單晶半導體器件制作的煙霧傳感器。該傳感器己成為世界上產量最大、使用最廣的煙霧傳感器之一。 (b)固體電解質煙霧傳感器 固體電解質煙霧傳感器使用固體電解質氣敏材料作為氣敏元件，其原理是利用氣敏材料在通過煙霧時產生電阻，測量其形成電動勢從而測量氣體濃度。但這種傳感器制造成本高，檢測煙霧范圍有限，在檢測環(huán)境污染領域中有優(yōu)勢。接觸燃燒式煙霧傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲(也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層)，使用時將鉑絲通電，保持300176。C的高溫，此時若與煙霧接觸，煙霧就會在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會上升，鉑絲的電阻值也上升；通過測量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道煙霧的濃度。高分子氣敏材料在遇到特定煙霧時，其電阻、介電常數(shù)、材料表面聲波傳播速 度和頻率、材料重量等物理性能發(fā)生變化。高分子煙霧傳感器具有對特定煙霧分子靈敏度高，選擇性好，且結構簡單，能在常溫下使用，可以彌補其它煙霧傳感器的不足。煙霧濃度信號將電解液分解成陰陽帶電離子，通過電極將信號傳出。它主要適用于毒性煙霧檢測。 (f)熱傳導傳感器 熱傳導傳感器與接觸燃燒式傳感器具有類似的結構形式，但是測量原理不同。溫度的變化情況是目標煙霧熱傳導率的函數(shù)，而對于一種給定的煙霧或汽化物，熱傳導率是它固有的物理特性。在測量和比較元件中，紅外射線被煙霧有選擇地吸收了。非擴散式紅外探測器NDIR (nondispersive IR )是其中的一種，所有的未吸收光全部以最小的擴散和損耗被記錄下來。由于非碳氫化合物易燃煙霧(如氫)不吸收電磁譜中IR部分的能量，所以這種傳感器可以精確地測量碳氫化合物，并具有最小的交叉靈敏度，而且不受其它煙霧的腐蝕以及高濃度目標煙霧的影響。例如氧化物半導體煙霧傳感器主要檢測各種還原性煙霧，如CO、HC2H5OH、CH3OH等。下表簡要列舉出已經研究、開發(fā)的各類煙霧傳感器及其可檢測的氣體種類[5]。使用接觸燃燒式傳感器，其探頭的阻緩及中毒，是不可避免的問題。雖然將阻緩的傳感器再放回新鮮空氣環(huán)境中有得到某種程度的恢復的可能，但是如果長期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會不斷下降，導致傳感器最終喪失檢測煙霧的能力。當懷疑檢測環(huán) 境中存在這些物質時，經常對探頭進行標定，是必須且有效的辦法。一般連續(xù)使用兩個月后應對傳感器進行量程校準，這種經常性對傳感器的維護，無形中加大了工作人員的工作量，同時增加了報警器的維護成本。半導體煙霧傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性(抗干擾性)和穩(wěn)定性(使用壽命)[4]。因此，本設計采用半導體煙霧傳感器作為報警器煙霧信息采集部分的核心。下面介紹MQ2型煙霧傳感器的技術資料。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。MQ2/MQ2S氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。靈敏性圖22是傳感器典型的靈敏度特性曲線。Rs 表示傳感器在不同濃度氣體中的電阻值，Ro 表示傳感器在1000ppm 氫氣中的電阻值，圖中所有測試都是在標準試驗條件下完成的。圖中縱坐標是傳感器的電阻比（Rs/Ro）。結構外形MQ2/MQ2S氣敏元件的結構和外形如圖4所示(結構 A 或 B), 由微型Al203陶瓷管、SnO2 敏感層,測量電極和加熱器構成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。圖22 MQ2/MQ2S氣體傳感器的靈敏度特性 圖23 MQ2/MQ2S氣體傳感器的溫度/濕度特性曲線圖24 MQ2/MQ2S氣敏元件的結構和外形 MQ2/MQ2S氣敏元件的規(guī)格MQ2/MQ2S氣敏元件的規(guī)格如表21所示：表22 MQ2/MQ2S氣敏元件的規(guī)格 煙霧檢測報警器具體設計方案 本設計屬于單片機應用系統(tǒng)。通常將滿足海量高速數(shù)值計算的計算機稱為通用計算機系統(tǒng)；而把面向工控領域對象，嵌入到工控應用系統(tǒng)中，實現(xiàn)嵌入式應用的計算機稱之為嵌入式計算機系統(tǒng)，簡稱嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)具有以下特點：(1)面對控制對象。(2)嵌入到工控應用系統(tǒng)中的結構形態(tài)。(4)突出控制功能。單片機有惟一的專門為嵌入式應用系統(tǒng)設計的體系結構與指令系統(tǒng)，最能滿足嵌入式應用要求。 本論文中的煙霧檢測報警器以8051單片機為控制核心，采用MQ2型電阻式半導體傳感器采集煙霧信息。另外由于煙霧傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反應越快，響應時間和恢復時間就越快。與此同時通過max232與上位機通信。(1)單片機：通常指應用系統(tǒng)主處理機，即所選擇的單片機器件。(3)單片機應用系統(tǒng)：指能滿足嵌入對象要求的全部電路系統(tǒng)。單片機應用系統(tǒng)三個層次的關系如圖23所示。其中以AT89S51單片機為核心構成單片機系統(tǒng)。為了更好的理清設計思路，將整個系統(tǒng)細分為三部分加以設計說明。在本次設計中，使用的核心器件是AT89S51單片機和MQ2型氣體傳感器。其中，濃度檢測及顯示模塊所實現(xiàn)的功能是將煙霧濃度值轉換成為單片機能夠處理的數(shù)字信號，并且將濃度值顯示出來；主控模塊以單片機為主，對其他模塊的運行進行控制；外圍報警模塊是此系統(tǒng)的外圍電路，它的功能實現(xiàn)形式最人性化，體現(xiàn)了智能控制，在檢測到煙霧濃度超過設定值時會啟動蜂鳴器報警。其目標是在傳統(tǒng)的煙霧報警儀的基礎上，盡量提高準確性，降低成本，縮小體積。系統(tǒng)應采用高性能的單片機，要求工作穩(wěn)定、測量精度高、通用性強、功耗低，保證報警器的精確性及可靠性，而且最好體積小，成本低，有利于減少報警器的體積，降低報警器的成本。 (2)煙霧報警功能 當煙霧濃度處于報警限值之上，蜂鳴器開始報警，并且伴隨紅燈亮。(3)與上位機通訊功能可以實現(xiàn)與計算機串口通訊，對報警器采取統(tǒng)一控制，以及便于采集和處理數(shù)據。3 .1 煙霧檢測報警器系統(tǒng)模塊設計整個監(jiān)測報警系統(tǒng)由三個部分組成，分為三大模塊：氣體濃度檢測模塊、主控模塊和報警模塊，下面依次介紹。前面在第二章第四節(jié)方案的設計中已經介紹了MQ2型煙霧傳感器的具體資料，由于條件原因沒有買到MQ2型煙霧傳感器，所以根據其技術資料和規(guī)格，用變阻器來代替模擬MQ2煙霧傳感器，可以假設其在理想條件下不考慮溫度和濕度的影響，在MQ2中測得的煙霧濃度隨輸出電壓的變化而變化，根據圖濃度與電壓之間的變化關系，用變阻器來模擬MQ2煙霧傳感器。如圖32所示。它的主要功能即接收ADC0809芯片送來的數(shù)字信號，又可以通過對數(shù)字信號的處理來控制外圍電路以及顯示電路。下面來詳細介紹一下AT89S51單片機AT89S51單片機簡介AT89S51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓,高性能CMOS8位微處理器,俗稱單片機。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中,ATMEL的AT89S51是一種高效微控制器。所以本設計我們選擇AT89S51單片機作為控制器的核心芯片[9]。（1）主電源引腳Vss，VccVss(20腳):接地。（2）外接晶振引腳XTAL1（19腳），XTAL2(18腳)XTAL1：在單片機內部，它是一反相放大器輸入端，這個放大器構成了片內振蕩器。XTAL2：在片內接至振蕩器的反相放大器輸出端和內部時鐘發(fā)生器輸入端。（3）輸入/輸出引腳P0，P1，P2，P3～(39～32腳):P0是一個8位漏極開路型雙向I/O端口。在EPROM編程時，從P0輸入指令字節(jié)，在驗證程序時，則輸出指令字節(jié)(驗證時，要外接上拉電阻)。在EPROM編程和驗證程序時，它輸入低8位地址。在訪問片外存儲器時，它輸出高8位地址，即A8～A15?！?10～17腳):P3是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。（4）控制線（4條）RST：AT89S51的復位信號輸入引腳，高電位工作，當要對芯片又時，只要將此引腳電位提升到高電位，并持續(xù)兩個機器周期以上的時間，AT89S51便能完成系統(tǒng)復位的各項工作，使得內部特殊功能寄存器的內容均被設成已知狀態(tài)。當訪問外部存儲器時，ALE信號負跳變來觸發(fā)外部的8位鎖存器(如74LS373)，將端口P0的地址總線(A0A7)鎖存進入鎖存器中。當問外部存儲器期間，將以1/12振蕩頻率輸出。因此在8031中，EA引腳必須接低電位，因為其內部無程序存儲器空間。PSEN：此為Program Store Enable的縮寫。在訪問外部程序存儲器讀取指令碼時，每個機器周期產生二次PSEN信號。單片機的工作方式單片機的工作方式包括：復位方式，程序執(zhí)行方式，單步執(zhí)行方式，掉電、節(jié)電方式以及EEPROM編程和校驗方式。復位信號是高電平有效，高電平的持續(xù)時間應該在24個時鐘周期以上，若時鐘頻率為6MHz,則復位信號至少應持續(xù)4us以上，才可以使單片機可靠復位。只要Vcc上升時間不超過1ms，通過在Vcc和RST引腳之間一個10uF電容，RST和Vss引腳（即地）之間加一個10kΩ的電阻，就可以實現(xiàn)自動上電復位，即打開電源就可以自動復位。復位電路可以參考圖34：圖34 單片機復位電路（2）程序執(zhí)行方式 程序執(zhí)行方式是單片機的基本工作方式。若程序全部放在外部ROM中（如對8031），則應使EA=0；否則，可令EA