【正文】 工作時，傳感器送來的氣體濃度對應的微小的電壓信號經(jīng)過放大電路放大，轉化成較大的模擬電壓信號后送入A/D轉換器，然后再送給AT89C51單片機處理。當單片機檢測到輸入ADC0809的放大信號不為零時，系統(tǒng)啟動報警。報警時，LED紅燈點亮并持續(xù)閃爍60min，數(shù)碼管顯示氣體濃度，蜂鳴器啟動并持續(xù)鳴叫60min，報警系統(tǒng)只能啟動聲光報警功能而無法進行滅火動作。反之，報警器不發(fā)出警報，LED狀態(tài)指示燈綠燈常亮且不閃爍，數(shù)碼管不顯示字符，蜂鳴器不發(fā)出聲響。為了區(qū)別正常的工作的報警，在誤報警和不正常的工作狀態(tài)警報時，蜂鳴器聲音報警持續(xù)30min，以提醒用戶檢查傳感器或者電路連線情況，及時排除故障，保證安全。另外，系統(tǒng)還設有一個消音功能的按鍵，當報警器發(fā)出鳴叫時，用戶到達現(xiàn)場，可按下按鍵（消音鍵）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。 上述中的聲光警報能夠根據(jù)氣體傳感器所檢測到的氣體濃度的信號變化，隨單片機控制電路及時的做出相應調(diào)整而改變。3 系統(tǒng)的硬件電路 系統(tǒng)電源電路任何電子設備都需要穩(wěn)定的直流電源供電，直流穩(wěn)壓電源是將交流電壓轉換成穩(wěn)定的直流電壓的設備。一般直流穩(wěn)壓電源是由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成。其組成方框圖如圖31所示。交流變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路交流電源 負載圖31 直流穩(wěn)壓電源組成方框圖電源變壓器的作用是，改變電網(wǎng)的交流電壓的大小，將220V、50Hz的市電進行降壓，使變壓器的副邊輸出的交流電壓符合設計要求。然后利用二極管的單向導通性，將交流電壓變換為單方向的脈沖直流電壓，再利用電容儲能元件組成的濾波電路，將脈動大的直流電壓處理成平滑的脈動小的直流電壓，即將整流電路輸出的脈動直流電壓中的交流成分濾掉，只留下比較平滑的直流電壓，最后利用集成穩(wěn)壓器W7805，讓電源電路的輸出電壓穩(wěn)定為5V，以此作為系統(tǒng)各個部分電路的電源。以下是一般設計所采用的電源電路圖，本設計為了簡便起見，電源就直接用五伏電源代替。系統(tǒng)里面的電源將交流電源通過交流變壓器變換成整流電路，因為日常的電壓220V太過高了，本設計所需要的電壓僅僅5V就夠了，所以先通過變壓器改變電壓，由于轉變后還有一部分從整流電路中以脈動交流電壓，通過濾波電路處理過濾掉就安全了，為了讓電壓更加的穩(wěn)定平和，所以再加上個穩(wěn)壓電路以防萬一，僅僅一個小的故障就可以導致AT89C51單片機的燒毀，對于整個電源的選擇一定要慎重，不可掉以輕心。通過介紹我們了解到了系統(tǒng)電源的大概元器件構成，下面是系統(tǒng)電源的電路圖如圖32所示。圖32系統(tǒng)電源電路圖 AT89S51的時鐘電路和復位電路 （1）時鐘電路：AT89S51單片機芯片內(nèi)部設有一個由反向放大器構成的振蕩器，XTAL1和XTAL2分別為振蕩電路的輸入端和輸出端，時鐘可由內(nèi)部或外部生成，在XTAL1和XTAL2引腳上外接晶體振蕩器Y，內(nèi)部振蕩電路就會產(chǎn)生自激振蕩。系統(tǒng)采用的定時元件為石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶振頻率選擇12MHZ，CC2的電容值取30pF，電容的大小起頻率微調(diào)的作用。 （2）復位電路：單片機有多種復位電路，本系統(tǒng)采用自動復位（上電復位）與手動復位方式，當上電時，C3充電，電源經(jīng)過電容器C3加到RESET引腳，使單片機復位；在正常工作時，按下復位鍵時單片機復位。任何單片機在工作之前都要進行復位，復位對單片機來說就像計算機的重新啟動，是在做一些準備工作。一般來說，AT89C51單片機的復位時間為5ms。只要將AT89C51單片機的RST引腳上加負脈沖就完成了復位，前提是加高電平的時間要大于5ms。單片機AT89C51的上電復位是當檢測到VDD上升時（～），片上上電復位脈沖產(chǎn)生。為了獲得POR的優(yōu)越性，只要把MCLR引腳直接（或通過電阻）連接到VDD。這將簡化要形成一個上電復位所需的外部RC元件。時鐘電路和復位電路的電路圖如圖33所示。圖33 時鐘電路和復位電路圖 本設計采用的液化氣傳感器模塊主要由MQN5氣體傳感器、LM393芯片構成。工作電壓：直流5伏具有以下特點：（1）具有信號輸出指示。（2）雙路信號輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）（3）TTL輸出有效信號為低電平。（當輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機） （4）模擬量輸出0~5V電壓，濃度越高電壓越高。（5）對液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度。（6）具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性（7）快速的響應恢復特性適用于家庭或工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣等監(jiān)測裝置。由于液化氣傳感器MQN5不能自行人工設計，本人目前還不具備這樣的能力，所以只好從實物店購買一個來，購買的MQN5傳感器功能穩(wěn)定，性價比不錯，里面還自帶放大電路，液化氣傳感器的木塊實物圖如圖34所示。圖34 液化氣傳感器模塊實物圖 在許多檢測技術的應用場合，傳感器輸出的信號比較弱，而且其中還包括了工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對這種信號的放大就需要放大電路具有很好的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗。只有傳感器輸出的信號經(jīng)過前置放大電路對其進行的放大、濾波、電平調(diào)整，才能滿足單片機對輸入信號的要求。設計中采用LM393作為電路的運算放大器。LM393是價格便宜的帶差動輸入功能的高增益四運算放大器。LM393的靜態(tài)功耗小、價格低廉，可在較寬電壓范圍內(nèi)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?shù)模膊恍柰饨宇l率補償，可做到輸出電平與數(shù)字電路兼容。IC2A作為電壓跟隨器，通過滑動變阻器Rp2產(chǎn)生的參考電壓Vref接入IC2B的反相輸入端，從傳感器輸出的信號經(jīng)過運算放大器LM393的同相輸入端，為保證電路引入負反饋，在IC2B中，輸出電壓Vo通過電阻R22接到反相輸入端，由此組成差分比例運算電路。該電路的反饋組態(tài)為電壓串聯(lián)負反饋。信號采集及前置放大電路的電路圖如果35所示。圖35 信號采集及前置放大電路圖 設計中采用的信號放大電路有以下幾個特點： （1）由于電路不存在“虛地”現(xiàn)象，所以其兩個輸入端都有較高的共模輸入電壓，這對放大電路的穩(wěn)定性和運算的精度都有影響。（2）電電路中IC2A構成了的“電壓跟隨器”可以減少電路模塊間由于阻抗引起的干擾。用來匹配阻抗用的，防止滑動變阻器輸出電壓受到影響。（3）由于引入了深度電壓串聯(lián)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。由于放大電路還增加入了參考電壓，引入了零點調(diào)節(jié)功能，這樣可以更方便地調(diào)整由于不同傳感器導致的零點變化問題。它利用通過滑動變阻器Rp2產(chǎn)生的參考電壓Vref和傳感器的輸出電壓分別輸入到運算放大電路的兩個輸入端，由此得到的輸出電壓Uo與兩個輸入端之差成正比而實現(xiàn)差分比例電路。所以調(diào)節(jié)滑動變阻器Rp2，就可以直接改變放大電路的參考電壓值，使報警系統(tǒng)可以在可燃氣體的不同濃度下工作，即用氣敏傳感器實現(xiàn)對不同氣體濃度的測量。 A/D轉換電路在高精度的數(shù)字測量及輸出電路中，A/D 或 D/A 轉換器的精度都依賴于它的基準參考電壓，基準源是一類專用的芯片。選擇電壓基準源時，應當針對系統(tǒng)的要求，綜合考慮電壓基準源的技術指標。電壓基準源的技術指標很多，主要的指標是：初始精度、輸出電壓溫度漂移、提供電流以及吸入電流的能力、靜態(tài)電流、長期穩(wěn)定性、輸出電壓溫度遲滯、噪音等。 早期的穩(wěn)壓器件是齊納二極管，盡管它在電路中可以作為穩(wěn)壓器件使用，但是要作為系統(tǒng)的基準源還是不行的，原因是它的溫漂系數(shù)過大，達到2mV/℃，同時它的負載調(diào)整率也很差。通過一些補償?shù)姆椒?，早期的設計人員還是設計出了一些齊納式基準，比如國產(chǎn)的2DW7就是采用了雙齊納管反相串聯(lián)的補償方法，用硅二極管的正向2mV/℃的溫漂和齊納擊穿的正溫漂進行補償。還有NSC的LM393，是采用了90℃溫度穩(wěn)定的方法來設計基準源， ADC0809是一種逐次逼近式8路模擬輸入、8位數(shù)字量輸出的A/D轉換器。ADC0809的轉換速度較快，完成一次的轉換時間為100μs左右，可對05V的模擬信號進行轉換。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉換器進行轉換，這是一種經(jīng)濟的多路數(shù)據(jù)采集方法。 ADC0809的主要引腳功能如下。（1）IN0～IN7是8路模擬信號輸入端。D0～ D7是8位數(shù)字量輸出端。（2）A,B,C分別是ALE控制8路模擬通道切換，A,B,C分別與三根地址線或數(shù)字線相連，三者編碼對應8個通道地址口。C,B,A=000～111分別對應IN0～IN7通道地址。（3）OE,START,CLK,EOC為控制信號端，OE為輸出允許端，START為啟動信號端，CLOCK為時鐘信號輸入端, EOC為轉換結束信號端。（4）Vref(+)和Vref()為參考電壓輸入端。ADC0809雖然有8路模擬通道可以同時輸入8路模擬信號，但每個瞬間只能轉換一路，各路之間的切換由軟件變換通道地址實現(xiàn)。地址鎖存與譯碼電路完成對 A、B、C 3個地址位進行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉換結果通過三態(tài)輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。ADC0809引腳圖和內(nèi)部邏輯結構圖如圖36所示。 圖36 ADC0809引腳圖和內(nèi)部邏輯結構圖A/D轉換后得到的數(shù)據(jù)應及時傳送給單片機進行處理。數(shù)據(jù)傳送的關鍵問題是如何確認A/D轉換的完成，因為只有確認完成后，才能進行傳送。設計中采用中斷方式進行數(shù)據(jù)傳送。擴展中地址鎖存器使用74LS373。74LS373是八D鎖存器，常應用在地址鎖存及輸出口的擴展中。其主要特點在于：控制端G為高電平時，輸出Q0～Q7跟隨輸入信號D0～D7的狀態(tài)。G下跳沿時，D0～D7的狀態(tài)被鎖存在Q0～Q7上。由于ADC0809片內(nèi)無時鐘，可利用AT89C51提供的地址鎖存允許信號ALE經(jīng)D觸發(fā)器二分頻后獲得，ALE腳的頻率是AT89C51單片機的時鐘頻率的1/6。由于單片機頻率采用6MHz,則ALE腳的輸出頻率為1MHz，在經(jīng)二分頻后為500kHz，恰好符合ADC0809對時鐘頻率的要求。由于ADC0809具有輸出三態(tài)鎖存器，因此其8位數(shù)據(jù)輸出引腳可直接與數(shù)據(jù)總線相連。在單片機擴展連接ADC0809電路中，地址譯碼引腳A、B、C分別與地址總線的低三位A0,A1,A2相連，以選通IN0～IN7中的一路。（地址總線A15）作為片選信號，在啟動A/D轉換時，由于ALE和START連在一起，因此ADC0809在鎖存通道地址的同時，啟動轉換。在讀取轉換結果時，產(chǎn)生的正脈沖作為OE信號，用以打開三態(tài)輸出鎖存器。轉換結束信號EOC經(jīng)反向后送到單片機的/INT0引腳，單片機讀取A/D轉換結果并將結果送P1端口顯示。ADC0809與單片機的接口電路圖如圖37所示。圖37 ADC0809與單片機的接口電路圖 。報警裝置采用電磁式無源蜂鳴器 HC12075B其參數(shù)特點如下：額定電壓：額定電流：=10mA～=70Ma聲壓電平：=75～=85諧振頻率：2048Hz線圈電阻：177。1Ω～60177。2Ω重 量 ：系統(tǒng)設有一個消音按鍵，當報警器發(fā)出鳴叫時，用戶到達現(xiàn)場，可按下消音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。 聲音報警電路圖如圖38所示。圖38 聲音報警電路圖 消音按鍵電路圖如圖39所示。 圖39 消音按鍵連接電路圖 報警器濃度等級顯示采用一個八段共陰極數(shù)碼管顯示。由于不顯示小數(shù)點，所以不接dp段。其參數(shù)特點如下:大 小 : 顯示方式：靜態(tài)顯示顯示顏色：紅色顯示位數(shù)： 1位數(shù)碼管字符顯示電路圖如圖310所示。圖310 數(shù)碼管字符顯示電路圖4 系統(tǒng)的軟件的設計 主程序流程圖如下圖所示。首先要給傳感器預熱，因為MQN5型半導體電阻式氣體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氣體信息，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)。主程序設計先對傳感器預熱，預熱同時，對傳感器進行故障檢測，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。 主程序硬件電路圖如圖41所示。 圖41 主程序硬件電路圖在整個報警器系統(tǒng)工作中，AT89C51單片機對傳感器檢測的氣體濃度信號進行信號放大、A/D轉換處理后，由單片機進行分析處理，判斷系統(tǒng)是否啟動聲光報警。主程序還包括LED八段式數(shù)碼管濃度字符顯示功能、消音按鍵功能、安全聯(lián)動裝置，中斷子程序等，使報警器功能更加完善，給用戶帶來便利。主程序初始化流程圖。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(xiàn)的功能包括各種I/O口輸入輸出狀態(tài)的設定、 寄存器初始化、中斷使能等。主程序初始化流程圖如圖42所示。開始 設置定時器0，選擇方式1允許定時器中斷0點亮綠燈，熄滅紅燈關閉蜂鳴器關閉安全聯(lián)動裝置熄滅數(shù)碼管結束 圖42 主程序初始化流程圖 算法實現(xiàn)以及主程序流程圖由傳感器曲線和放大器增益計算得到的斜率一般為小數(shù)，而浮點計算程序比較復雜，所以可以將斜率和采樣數(shù)據(jù)同時放大1000倍，將浮點計算轉換為定點計算。