毕业设计任务书 一、设计题目：烟雾报警器设计 二、设计目的 设计一个由单片机控制的烟雾报警器，可以对房间的烟雾浓度进行检测，如果超过设定浓度，可以进行声、光报警。通过设计，掌握数据采集系统的工作原理、掌握计算机控制系统的设计原理、设计步骤，进一步提高综合运用知识的能力。 三、设计内容和要求 （1）选择传感器，设计接口电路，要求烟雾浓度的范围。 （2）设计声光报警电路，要求达到设定浓度就进行报警。 （3）烟雾报警器的信号采集模块设计； 烟雾报警器的报警模块设计；烟雾报警器的软件设计。 四、设计工作任务进度 第一周：查阅资料、调研、确立设计方案；选择器件。 第二周：系统总体方案和硬件的设计。 第三周：系统软件的设计，并加以完善整个设计。 第四周：修改整个设计，最后进行答辩。 摘要 随着社会和经济的发展，防火工作越来越重要，但是目前国内的许多研发都侧重于大型场所的火灾报警。因此，我们就有必要研制一种结构简单、经济实用的家庭烟雾报警器以适应市场的需求。基于供家庭使用的烟雾报警器应该具备的基本要求和功能，文章设计了一种比较适合的烟雾报警器。 本设计以传感器和单片机作为烟雾报警器设计的核心器件，配合其它器件即可实现声光报警、自动排烟换气和消防灭火等功能。设计中单片机选用ATC51作为控制器件，传感器选用QM-N5型气体传感器实现对烟雾的检测。烟雾报警器主要由烟雾信号采集及前置放大电路、模数转换电路、 单片机控制电路、显示电路、声光报警电路和安全保护电路构成，设计合理、简单易懂、价格低廉，使单片机在烟雾报警系统的控制中得到充分应用，具有一定的实用价值。论文主要针对烟雾报警系统中的各个组成部分及功能进行了详细的介绍和说明，并对其主控电路和外围设备电路之间的接口连接方式，以及系统软件设计进行了重点的分析和讲解。 关键词：烟雾报警器；单片机；传感器 Abstract With the development of social and economic， Which the sensor and the microcontroller of the design is the most important part of alarm devices, with other devices can achieve alarming with sound and light, automatically reducing smoke and fighting fire ,etc. IN design, microcontroller used ATC51 and select QM-N5 Gas Sensor to detect smoke. Smoke alarm mainly by the signal acquired circuit, A/D converted circuit, MCU controlled circuit,displayed circuit and alarming with sound and light circuit,reasonable design, simple structure, easy to use, inexpensive. As a result, the microcontroller in the control of the smoke alarm system is fully applied. Therefore, this design about smoke alarm has practical value. Thesis give detailed introduction for the function and theory of the various component parts of the alarm system, focus on the interface technology between its main controlled circuit and peripheral circuit, also give explanation of the software . Key words ：Smoke Alarm;MCU; sensor 目 录 前言 ······················································ 3 第1章 报警器的概述 ······································ 4 ·························· 4 ······························ 4 ································· 5 第2章 系统的总方案设计··································· 6 ·························· 6 ···································· 7 烟雾传感器的介绍·································· 7 MQ-5半导体气体烟雾传感器·························10 ········································· 11 TC51内部结构及功能····························12 中断与定时系统··································· 14 单片机外围电路的扩展····························· 15 时钟电路和复位电路······························· 16 /D转换器的选型····································18 ······································· 21 ······································· 22 ··························· 22 第3章 系统的硬件设计····································· 24 ········································ 24 C51的时钟电路和复位电路························ 24 信号采集及前置放大电路······························ 25 /D转换电路········································ 26 ································ 27 ········································ 27 ········································ 28 ········································ 28 ···································29 ································ 29 第4章 系统的软件设计····································· 31 ······························ 31 ·································· 32 ······························ 32 ···························· 34 附录 ······················································ 35 总结 ·······················································39 参考文献···················································40 前言 单片机及烟雾传感器是烟雾报警器系统的两大核心。单片机好比一个桥梁，联系着传感器和报警电路设备。近几年来，单片机已逐步深入应用到工农业生产各部门及人们生活的各个方面。各种类型的单片机也根据社会的需求而开发出来。单片机是器件级计算机系统，实际上它是一个微控制器或微处理器。由于它功能齐全，体积小，成本低，因此它可以应用到所有电子系统中。同样，它也可以广泛应用于报警技术领域，使各类报警装置的功能更加完善，可靠性大大提高，以满足社会发展的需要。而传感器作为信息技术系统的“感官”器件，如果没有“感官”感受信息，或者“感官”迟钝，都难以形成高精度、高速度的控制系统。美国曾把二十世纪八十年代称为传感技术时代，日本更是把传感技术列为十大技术之首。所以，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的烟雾传感器和单片机芯片是至关重要的。在本论文中的最主要的设计是选ATC51单片机和QM-N5半导体气体烟雾传感器为核心器件。 ATC51单片机兼容标准MCS-51指令系统，功能强大，可供许多高性价比的场合应用，能够灵活应用于各种控制领域。QM-N5半导体气体烟雾传感器在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，寿命长，成本低，非常适用于家庭使用的气体泄漏报警器。由这两个核心器件设计而成的整个烟雾报警器系统可实现声光报警、报警状态字符显示、换气扇排烟和喷水灭火等烟雾报警器应有的功能，是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾报警器，具有一定的实用价值。 目前，现代建筑都会有选择地安装不同功能的火灾自动报警系统。因为火灾自动报警系统是建筑物的神经系统，它能够感受、接收着发生火灾的早期信号并及时报警，发出警报同时告知用户和周边居民。它就像是一个个称职的更夫，给居住、忙碌或是休息在家庭中的人们以极大的安全感。在火灾的早期阶段，准确的探测到火情并迅速报警，对于及时组织有序快速疏散、积极有效地控制火灾的蔓延、快速灭火和减少火灾对居住人群的损失都具有重要的意义。 第1章 报警器的概述 随着社会和经济的发展，家庭火灾防不胜防，防火工作也就越来越重要。据美国消防学会统计，最近十多，确实起到了保证建筑物消防安全的作用。这是因为火灾自动报警系统能够及时将火灾迹象通知用户及有关管理人员，以便他们准备疏散或组织灭火，延长了建筑物可供疏散的时间并通过联动系统启动其他消防设施。所以，设计一种能够在火灾刚刚发生时或者有可燃气体堆积引起的火灾隐患时就能报警的报警器就能使人们能够及时发现火灾，并及时采取有效措施，扑灭初期火灾，最大限度的减少或消除因火灾造成的生命危害和财产的损失，是人们同火灾做斗争的有力工具。 目前我国火灾自动报警系统只被安装在重要建筑上，而在美国、日本等发达国家，包括许多居民家庭都安装了火灾自动报警系统。近几年，国内主要侧重于大型场所的大型火灾报警系统的研发，而在居民住宅区等小型防火单位，却需要安装廉价实用的烟雾自动报警装置。由于我国人口不断的增长，土地也开始的稀缺，所以为了缓解城市用地的紧张，居住的楼层不断加高，这不但便于集中供电、供热、供气，而且也可以集中控制和管理。但是，人们在享受这些现代设施带来了便利的时候，却也增加了火灾隐患。楼层多、人员密集，一旦发生火灾，疏散困难，容易造成经济和人员的损失。如果在家庭中没有安装火灾自动报警器，一旦在家庭中发生火灾，火灾容易由不被发现的早期火灾而演变成为更大、更严重的大型火灾。结果是由于一家的起火，而火势不能得到有效控制，使得火势迅速蔓延并很快出现大面积燃烧。这不仅使的用户本身遭受重大的损失，还容易形成“火烧连营”的局面，给周边家庭和场所造成无法估计的损失和严重的影响。据消防局2011统计，近年来，我国每年发生家庭火灾5万余起，死亡800余人，占火灾死亡人数的70%以上。根据网络新闻报道可知，英国每年发生50000起以上的严重家庭火灾，其中大部分火灾造成伤亡和重大的家庭财产损失，甚至连累左邻右舍。由此可见：家庭防火同样是现今社会的重要家庭安防问题，而且刻不容缓。家庭防火重在防患于未然，因此，我们就有必要研制一种结构简单、价格低廉的烟雾自动报警器，以适应市场的需求。 火灾自动报警系统作为重要的建筑自动消防设施，其技术进步性表现报警时间提前、报警可靠性提高、特殊场所火灾的探测报警、报警系统网络化、消防联动控制智能化、消防通信网络技术与计算机接警指挥管理等。 在国外，现在的火灾自动报警系统已达到智能型、全总线型和综合型，系统一旦报警，马上在显示器上出现报警探测器的具体地址，一目了然。近年来，我国火灾自动报警工程应用技术实现了较快发展，但由于在实际应用中，火灾自动报警系统的通讯协议不一致，火灾自动报警工程技术水平还相对落后，还存在着一些比较突出的问题。现阶段，我国火灾自动报警系统的主要问题有以下几点： 1.适用范围过小。 我国火灾自动报警系统技术比美、英等发达国家起步较晚，适用范围过有限，使得一般家庭用户未能普及使用火灾自动报警器。由于家庭住宅等小单位的防范措施不到位，给家庭生活带来了许多的不方便和一定的损失。 2.智能化程度低。 我国使用的火灾探测器虽然都进行了智能化设计，但由于传感器件探测的参数较少、支持系统的软件开发不成熟、各种 算法的准确性缺乏足够验证、火灾现场参数数据库不健全等，火灾自动报警系统难以准确判定粒子(烟气)的浓度、现场温度、光波的强度以及可燃气体的浓度、电磁辐射等指标，造成迟报、误报、漏报情况较多。 3.网络化程度低。 我国应用的火灾自动报警系统形式基本上以区域火灾自动报警系统、集中火灾自动报警系统和控制中心火灾自动报警系统为主，安装形式主要是集散控制方式，自成体系，自我封闭，尚未形成区域性网络化火灾自动报警系统。 4.组件连接方式有待改善。 火灾自动报警系统以多线制和总线制连接方式为主，探测器和报警器及控制器之间是采用两条或多条的铜芯绝缘导线或铜芯电缆穿管相接，存在耗材多、成本高、抗干扰能力差的缺点。同时，铜导线耐高温性能差、易磨损，系统施工维修复杂，影响了火灾自动报警系统的可靠性和更广泛的应用。 5.火灾自动报警系统误报、漏报问题较多。 由于火灾探测器的安装环境极其复杂，加之各种传感器在探测火灾方面存在着某些先天不足，无法准确地感应各种物质在燃烧过程中所特有的声波、光谱、辐射、气味等诸多方面发生的微妙变化，对火灾发生过程中所产生的不同粒径和颜色的烟雾存在探测“盲区”，误报、漏报现象时有发生。 发展趋势 面对人类社会经济与技术急速发展的时代，伴随这电子、计算机、通讯和现代控制技术的迅速发展，现代火灾自动报警应用技术发展趋势正在向着全总线制、软件编程、网络化、智能化、多样化、小型化、社区化、蓝牙技术无线化、高灵敏化、综合化等方面发展。 针对当前火灾自动报警系统存在的通讯协议不一致，系统误报、漏报频繁，智能化程度低，网络化程度低、特殊恶劣环境的火灾探测报警抗干扰等问题较为突出的现象，提出在符合国家消防规范的基础下采用统一、标准、开放的通讯协议。通过对新技术、新工艺、新材料和新设备的应用研究，对系统方案、设备选型的优化组合，改进火灾自动报警系统的工作性能、减少维护费用和维护要求，向着高可靠性、高灵敏性、低误报率、系统网络化、技术智能化方向发展，为更好的预防和遏制建筑火灾提供了强有力的保障，从而更好的保护国家和人民的生命、财产安全。 第2章 系统总体方案的设计 烟雾报警器是能够检测环境中的烟雾浓度，并具有报警功能的仪器。该报警系统的最基本组成部分应包括：信号采集及前置放大电路、模数转换电路、单片机控制电路、字符显示电路、声光报警电路和安全保护电路等部分组成。 为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的烟雾报警器具有显示报警状态、故障自检、换气排烟和自动灭火等功能。报警器采用延时的工作方式，烟雾检测报警器以单片机为控制核心，烟雾传感器采集烟雾浓度信息，配合外围电路构成烟雾报警系统。报警器系统结构如图2-1。 烟 雾 传 感 器 放大电路 调 节 阀 换 气 扇 A/ D 转换 单 片 机 LED状态指示数码管字符蜂鸣器 图2-1 可燃烟雾报警器系统结构框图 该系统的工作由烟雾信号采集及放大电路将采集到的烟雾浓度信息转化为放大的模拟电信号。模数转换电路再将该模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。单片机对该数字信号进行处理，并对处理后的数据进行分析。当输入A/D转换器的放大信号不为零时，启动报警电路。反之则为正常工作状态。 设计中为了方便检测与监控，使仪器测试人员及用户能够间接知道环境中的烟雾浓度，所以用数码管显示字符来指示报警状态。系统采用蜂鸣器声音报警和LED闪烁状态作为警报信号。这种报警方法是在声音报警基础上，加入光闪报警。因为变化的光信号可以引起用户和家庭邻居的注意，弥补了在嘈杂环境中声音报警的局限，使得报警装置更加完善。在报警启动的同时，单片机控制器还可以控制调节阀喷水灭火和换气扇排烟动作。 系统中留有继电器接口，使单片机能够控制换气风扇和调节阀的工作状态，让系统在报警的同时自动启动相关安全装置。另外由于烟雾传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反应越快，响应时间和恢复时间就越快。为提高响应时间，保证传感器准确地、稳定地工作，报警器需要向烟雾传感器持续输出一个5V的电压。为了保证其可靠性，在输出5V的电压的同时，进行故障监测。当传感器加热丝或电缆线和传感器断线或接触不良时，进行故障报警。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。 2.2 烟雾传感器的选型 烟雾传感器是测量装置和控制系统的首要环节。而烟雾报警器的信号采集由烟雾传感器负责。烟雾传感器能够将气体的种类及其浓度有关的信息转换为电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在的情况有关的信息，从而达到检测、监控、报警的功能。可以说，没有精确可靠的传感器，就没有精确可靠的自动检测、控制和报警系统。烟雾传感器作为报警器中不可缺少的核心器件，它决定了所采集的烟雾浓度信号的准确性和可靠性。 2.2.1 烟雾传感器的介绍 烟雾传感器是模拟传感器。它能将空气中的烟雾浓度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。烟雾传感器就是通过监测环境中烟雾的浓度来实现火灾防范的。当烟雾探头碰到烟雾或某些特定的气体，烟雾探头内部阻值发生变化，产生一个模拟值，从而对其进行控制。烟雾传感器利用烟雾敏感元件的电阻受烟雾（主要是可燃颗粒）浓度影响阻值变化的原理向单片机发送烟雾浓度相应的模拟信号。 在智能建筑中对火灾探测器的应用主要以感烟火灾探测器选用为主。随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得烟雾探测器的体积也逐渐变小，提高了烟雾探测器的便携性，更加利于生产、运输和市场推广。目前，烟雾传感器广泛应用在城市安防、小区、工厂、公司、学校、家庭、别墅、仓库、资源、石油、化工、燃气输配等众多领域。 1.烟雾传感器应满足的基本条件 一个烟雾传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。 但是，任何一个完整的烟雾传感器都必须具备的条件： (1)能选择性地检测某种单一烟雾，而对共存的其它烟雾不响应或低响应；(2)对被测烟雾具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的烟雾浓度；(3)对检测信号响应速度快，重复性好；(4)长期工作稳定性好；(5)使用寿命长；(6)制造成本低，使用与维护方便。 2.烟雾传感器的分类 从构成气体传感器材料的形态上通常将它们分为干式和湿式气体传感器。由于对不同气体的检测方法不尽相同，目前主要的方法有：利用半导体气体器件检测的电气法；使用电极和电解液对气体进行检测的电化学法；利用气体对光的折射率或光吸收等特性来检测气体的光学法。 3.常见的烟雾探测器种类及工作原理 为了确保家庭环境的安全，需要对各种可燃性气体、有毒性气体进行检测。但是，由于烟雾的种类繁多，一种类型的烟雾传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的烟雾。例如氧化物半导体烟雾传感器主要检测各种还原性烟雾，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固体电解质烟雾传感器主要用于检测无机烟雾，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。因此目前使用的烟雾传感器有很多种，各自的检测原理也各不相同，下面就对一些常用的烟雾传感器进行介绍。 (1)半导体烟雾传感器（半导体气敏传感器） 半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感作的烟雾传感器，以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器。半导体烟雾传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。按照敏感机理分类，半导体烟雾传感器可分为电阻式和非电阻式。当半导体接触到气体时，半导体的电阻值将发生变化，利用传感器输出端阻值的变化来测定或控制气体的有关参数，这种类型的传感器称为电阻式半导体气敏传感器。当MOS场效应管在接触到气体时，场效应管的电压将随周围气体状态的不同而发生变化，利用这种原理制成的传感器被称为非电阻式半导体气敏传感器。半导体气敏元件也有N型和P型之分；N型在检测时阻值随烟雾浓度的增大而减小；P型阻值随烟雾浓度的增大而增大。半导体气敏传感器的分类如表2-1所示。 表2-1半导体气敏传感器的分类 类型 电 阻 式 非电 阻式 所利用的特性 表面电阻控制 体电阻控制 二极管整流特性 晶体管特性 工作温度 300~450℃ 300~450℃ 室温~200℃ 150℃ 代表性被测气体 可燃性气体 乙醇、可燃性气体 H2、CO、乙醇 H2、H2S 半导体金属氧化物烟雾传感器具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、体积小、维修方便、价格便宜等诸多优点，从而得到了广泛的应用。但是其最大的缺点就是选择性较差。该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的烟雾传感器之一。 (2)接触燃烧式传感器 当易燃烟雾接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧。接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通电流，保持300℃～400℃的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。使用接触燃烧式传感器，其最大的缺点是探头很容易发生阻缓和中毒现象。一般在连续使用两个月后应对该传感器进行维护。这无形中加大了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。 (3) 电化学传感器 电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。电化学气敏传感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流，也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。即烟雾浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。它的优点是：反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短(大约两年)。它主要适用于毒性烟雾检测。目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。 (4) 高分子烟雾传感器 利用高分子气敏元件制作的烟雾传感器近年来得到很大的发展。高分子气敏元件在遇到特定烟雾时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。高分子气敏元件由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性烟雾和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。高分子烟雾传感器具有对特定烟雾分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它烟雾传感器的不足。 (5) 红外吸收型传感器 红外传感器通常用两束红外光进行烟雾测量，主光束通过测量元件内的目标烟雾，参考光束通过比较元件内的参考烟雾。在测量和比较元件中，红外射线被烟雾有选择地吸收了。未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目标烟雾浓度的差分信号。非扩散式红外探测器NDIR (non-dispersive IR )是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。 由于不同的烟雾吸收不同波长的IR，所以传感器根据目标烟雾而调整，典型应用包括测量CO和CO2、冷冻剂烟雾和一些易燃气。由于非碳氢化合物易燃烟雾(如氢)不吸收电磁谱中IR部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物，并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其它烟雾的腐蚀以及高浓度目标烟雾的影响。 （6）离子感烟传感器 它在内外电离室里面有放射源镅241。由于它能使两极板间空气分子电离为正、负离子，使电极之间原来不导电的空气具有导电性。在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。当火灾发生时，烟雾粒子进入电离室后，电力部分（区域）的正离子和负离子被吸附到烟雾粒子上，使正、负离子相互中和的概率增加，从而将烟雾粒子浓度大小以电流变化量大小表示出来，实现对火灾参数的检测。 （7）光电式感烟传感器 光电式感烟传感器由光源、光敏元件和电子开关组成。平常光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如果有烟雾从中阻隔，到达光敏元件上的光就显着减弱，于是光敏元件就把光强的变化变成电的变化，利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测，并及时发出报警信号。按照光源不同，可分为一般光电式、激光光电式、紫外光光电式和红外光光电式等4种。 光电式感烟探测器发展很快，种类不断增多，就其功能而言，它能实现早期火灾报警，除应用于大型建筑物内部外，还特别适用于电气火灾危险性较大的场所，如计算机房、仪器仪表室和电缆沟、隧道等处。 根据报警器检测烟雾种类的不同要求，很多场合都会选择使用半导体烟雾传感器。经过对比众多烟雾传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出。半导体烟雾传感器具有灵敏度高、响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低，因而得到广泛应用。因此，本设计中的烟雾传感器选用MQ-5半导体气体烟雾传感器。 MQ-5半导体气体烟雾传感器 MQ-5半导体传感器是以清洁空气中电导率较低的金属氧化物二氧化锡(SnO2)为主体的N型半导体气敏元件。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。在设计报警器时只有使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。该传感器具备一般半导体烟雾传感器灵敏度高、电导率变化大、响应和恢复时间短、抗干扰能力强、输出信号大、寿命长和工作稳定等优点，在市面上应用十分广泛。 图2-2 MQ-5半导体气体烟雾传感器结构 二氧化锡(SnO2)半导体气敏元件特点:(1) SnO2材料的物理、化学稳定性较好，与其他类型气敏元件相比，SnO2气敏元件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。(2) SnO2气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、脱离时间短，可连续长时间使用。(3) SnO2气敏元件结构简单，成本低，可靠行较高，机械性能良好。 MQ-5气敏元件的结构和外形如图2-3所示，由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中４个用于信号取出，2个用于提供加热电流。 MQ-5半导体气体烟雾传感器适用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气、烟雾等的检测，对可燃性气体的（CH4、C4H10、H2等）的检测很理想。这种传感器在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，能够检测多种可燃性气体，十分适合应用在家庭的气体泄漏报警器中。是一款便携式气体检测器，非常适合多种应用的低成本传感器。其技术指标表2-2。 表2-2 MQ-5的技术指标 加热电压（Vh） 回路电压（Vc） 负载电阻（R1） 清洁空气中电阻（Ra） 灵敏度（S=Ra/Rdg） 响应时间（trec） 恢复时间（trec） 原件功耗 检测范围 使用寿命 AC或V 最大DC24V 2 KΩ ≤2000 KΩ ≥4（在1000ppmC4H10中） ≤10S ≤30S ≤0.7W 50~10000ppm 2年 由于物理量和测量范围的不同，传感器的工作机理和结构就不同。通常烟雾传感器输出的电信号是模拟信号（已有许多新型传感器采用数字量输出）。当信号的数值符合A/D转换器的输入等级时，可以不用放大器放大；当信号的数值不符合A/D转换器的输入等级时，就需要放大器放大。所以MQ-5半导体气体烟雾传感器要想把采集到的烟雾浓度模拟信号传送给单片机控制器就必须经过放大器进行放大处理，之后才能将模拟信号经过A/D转换器转化为可以识别的电信号给单片机。 设计时应注意，气敏元件开机通电时，其内阻很小，但经过一段时间后，才能恢复到原来的稳定状态。因此，MQ-5气体传感器需开机预热几分钟，才可投入使用，以免造成误报。 单片机是烟雾报警系统的心脏，用来接收火灾型号并启动报警装置显示和执行相应的保护和消防动作。在单片机实现的控制功能中，需要单片机有较快的运算速度，是检测人员和用户在报警系统正常工作是能够及时地观测到实时的烟雾浓度等级，并进行相应处理。同时，在能够满足报警系统设计的计算速度及接口功能要求的同类型单片机中，要求考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证报警器的精准性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不断提高成本，缩小体积。 由于单片机技术在各个领域得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机家族的众所成员中，Intel公司的MCS-51和ATMEL公司的系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。它们的功能、指令、管脚基本相同，主要差别在于ROM和RAM。8031、8032片内无ROM，需要外扩程序存储器；8051、8052为片内掩膜ROM，供一次程序固化；8751、8752为光可擦片内ROM，由于擦写不方便，厂家生产家少；ATMELC51、C52为Flash存储器，擦写方便，为市场流行主流品种。 因此，测控系统中，使用ATMEL公司的系列单片机是最理想的选择，又在根据本设计对单片机在系能上、可靠性和性价比上，因此本设计采用单片机ATC51型号。 ATC51内部结构及功能部件 1.ATC51内部结构 ATC51内部结构框图如图2-3所示，它包括CPU、存储器（ROM、RAM）、I/O接口、定时/计数器、中断控制器等。这些部件集成在一块芯片上，片内各功能部件通过内部总线相互连接。 单片机在存储结构上，严格地将程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）在空间上分开，并使用不同的寻址方式和地址指针。ROM用来存放调试好的程序指令、常数和数据表格，RAM则用来存放少量的随机数据。采用这种存储器结构主需要较大的程序空间和较小的随机数存储空间。 INT0 INT1 T0 T1 XTAL1 XTAL2 ALE PSEN RD WR P0 P1 P2 P3 RXD TXP 4KB 128B 定时/计数中断控制 图2-3 C51结构方框图ROM RAM 器 2.ATC51单片机的主要功能部件： (1) 8位CPU。 CPU (2) 片内振荡器：振荡频率0~24MHz。 (3) 4KB片内Flash ROM,片内数据存储器寻址范围KB。 (4) 128B片内RAM，片内数据存储器寻址范围KB。 OSC 总线控4个I/O串行口 (5) 21个专用存储器。 制 口 (6) 4个8位并行I/O接口：P0、P1、P2、P3。 (7) 1个全双工串行接口。 (8) 2个16位定时／计数器。 (9) 5个中断源，可编为两个优先级。 (10)111条指令，含乘、除法各1条。 (11)单总线结构。 (12)单一 +5V电源。 ————————————__________________3.引脚及功能 ATC51单片机有40个引脚，如图2-4所示。根据功能不同，40个引脚可分为四类。 图2-4 ATC51芯片引脚图 （1）电源引脚 1）Vcc（40）：接 +5 V电源。 2）GND（20）：接地。 （2）外接晶振引脚 1）XTAL1（19）：片内反相放大器输入端。 2）XTAL2（18）：片内反相放大器输出端。 通过XTAL1、 XTAL2外接晶振后，即可构成自激振荡器，驱动内部时钟发生器向主机提供时钟信号。 （3）输入/输出引脚 ~~32)：P0口是一个8为双向I/O口。在访问外部存储器或进行I/O扩展时，它分为低8位地址中线和双向数据总线。 ~~8)：P1口是一个8位准双向I/O口。 ~P~28)：P2口是一个8位准双向I/O口。在访问外部存储器时，它作为高8位地址总线。 ~~17)：P3口除作为普通8位准双向I/O口外，还具有第二功能。 （4）控制引脚 1）AEL/PROG(30)：地址锁存控制信号。 —————2）PSEN（29）：外部程序存储器选通信号。是外部ROM的读选通信号，低电平时有效。 ————3）EA/Vpp(31)：访问存储器控制信号。当EA = 0时，单片机只能访——问片外程序存储器；当EA = 1时，单片机访问内部程序存储器后，访问片外程序存储器。 4）RST（9）：复位信号输入端。高电平时完成复位，使单片机回复到初始状态。 ATC51单片机提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I／O 口线，两个16位定时／计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，ATC51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 中断与定时系统 1.中断系统 所谓中断，就是在CPU执行程序过程中，由于某些事件发生，强迫CPU暂时停止正在执行的程序转而去发生的事件进行处理，事件处理结束后又回到原中止的程序，接着中止前的状态继续执行原来的程序，这一过程称为中断。 （1）中断系统结构 —————单片机ATC51中断系统内部结构如图2-5所示。单片机芯片中有5个中断源，由特殊功能寄存器TCON（定时/计数器控制寄存器）和SCON(串行口控制寄存器)的相应表示了各中断源的状态。中断源具有高、低两个中断优先级，由中断优先级控制器寄存器IP来设置，可实现2级中断服务程序嵌套。 单片机是通过控制寄存器来实现对中断源的控制。用于中断控制的控制寄存器共四个，即定时/计数器控制寄存器（TOCON）、串行口控制寄存器（SCON）、中断允许控制寄存器（IE）以及中断优先级控制寄存器。 图2-5 单片机ATC51中断系统内部结构图 单片机的五个中断源可分为三类：外部中断（2个）、定时中断（2个）和串行中断（1个）。 外部中断是由外部信号引起的，共有两个中断源： ————1）外部中断“0”，其中断请求信号由引脚INT0 ————2）外部中断“1”，其中断请求信号由引脚INT1 定时中断是为了满足完成定时或者计数的需要而设置的，共两个中断源： 1）定时/计数器T0溢出中断请求，中断请求标志位为TF0。 2）定时/计数器T1溢出中断请求，中断请求标志位为TF1。 串行中断是为满足串行数据传送的需要为设置的。每当串行口接收或收获完一组串行数据时，就产生一个中断请求。中断请求标志位为TI或RI。 （2）中断处理过程 中断处理过程可分为三个阶段：中断响应、中断处理和中断返回。 中断响应就是CPU对对中断源提出的中断请求的接受。也就是当CPU查询到有效的中断请求，并满足中断响应条件时，紧接着就进行中断响应。但CPU响应中断请求后，在中断返回前必学必须进行撤销请求，否则会错误的再一次引起中断。从中断服务程序的第一条指令开始到返回指令为止，这个过程称为中断处理或中断服务。 2.定时系统 单片机共有两个可编程的定时/计数器，分别称定时/计数器0和定时/计数器1。他们都是十六位加法计数结构，分别由TH0和TL0及TH1和TL1两个8位计数器组成。每个定时/计数器都具有定时和计数两种功能。 定时功能就是通过计数器的计数来实现的。不过此时的技术脉冲来自单片机的内部，即每个机器周期产生一个计数脉冲。也就是每个机器周期计数器加1.由于一个机器周期等于12个振荡脉冲周期，因此计数频率为振荡频率的1/12。 定时/计数器有三个控制寄存器，分别是定时器控制寄存器（TCON）、工作方式控制寄存器（TMOD）和中断允许控制器（IE）。 TMOD是8位的控制寄存器，低4位控制T0的工作方式，高4位控制T1的工作方式，其中：M1、M0是工作方式选择位，决定定时器的4种工作方式。 方式0：（M1=0、M0=0）：13位定时/计数器 方式1：（M1=0、M0=1）：16位定时/计数器 方式2：（M1=1、M0=0）：8位定时/计数器（定时常数自动装入） 方式3：（M1=1、M0=1）：把T0分为两个8位计数器 单片机外围电路的扩展 单片机中虽然已经集成了CPU、I/O口、定时/计数器、中断系统、存储器等计算机的基本部件，但是对一些较复杂的应用系统来说，有时感到以上资源中的一种或几种不够用，这就是需要在单片机芯片外加相应的芯片、电路，使得有关功能得以扩充，称为系统扩展。扩展内容包括程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、I/O接口部件及I/O设备等。 1.存储器的扩展 ATC51只有4KB的内部ROM,128B的内部RAM，这对于复杂一些的应用是不够的，为此，单片机ATC51应该在芯片之外另行扩展存储器。根据选用的单片机和考虑存储器的成本功能特性等，因此，本设计选用锁存器74LS373型号。 373为三态输出8D透明锁存器，共/74S373和/74LS373两种线路结构型式，其工作条件如图表2-3所示。 表2-3 373的工作条件表 各种条件 74 输入高平电压ViH 输入低电平电压74 电源电压Vcc ViL 输出高电平电流IOH 输出低电平电流IOL LE(H) 6 15 ns LE(H) 15 保持时间tH 10 10 ns 建立时间tSCT 10 0 ns （1）74LS373引脚及功能 74LS373是常用的地址锁存器芯片，它实质是一个是带三态缓冲输出的8D触发器，在单片机系统中为了扩展外部存储器。外围管脚图和逻辑图分别如图2-6和2-7所示。 图2-6 外围管脚图 图2-7 逻辑图 各个引脚的作用： IN0~IN7：输出端，可直接与总线相连。 D0~D7：数据输入端，可直接与总线相连。 脉冲宽度tw 74 20 20 12 24 mA 74 -2 -1 mA /74S373 最小 额定 最大 5 5 2 LS373/74LS373 单位 最小 额定 最大 5 V 5 2 V V OE：三态允许控制端，当OE为低电平时，O1~O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线；当OE为高电平时，O0~O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。 LE：锁存允许端，当LE为高电平时，O随数据D而变；当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平。 当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使得交流和直流噪声抗扰度被改善400Ma 。 （2）锁存器的工作原理 锁存端LE 由高变低时，输出端8 位信息被锁存，直到LE 端再次有效。 当三态门使能信号OE为低电平时，三态门导通，允许O0~O7输出，OE为高电平时，输出悬空。当74LS373用作地址锁存器时，应使OE为低电平，此时锁存使能端C为高电平时，输出O0~O7 状态与输入端D1~D7状态相同；当C发生负的跳变时，输入端D0~D7 数据锁入O0~O7。51单片机的ALE信号可以直接与74LS373的C连接。 时钟电路和复位电路 1.时钟电路 在设计中时间值是必不可少，时钟电路必然不能少。所以要在ATC51单片机芯片内部设有一个由高增益反相放大器构成的振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端。在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器（晶振）和微调电容，从而构成一个未定的自激振荡器，就是单片机的时钟电路。时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分屏之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。晶振频率选择12MHZ，C1、C2的电容值取30pF，电容的大小起频率微调的作用。所以系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。 2.复位电路 复位是单片机的初始化操作，器主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键重新启动。 (1)复位方式 单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位。 1)上电复位 图2-8是单片机的上电复位电路。上电时复位电路通过电容加到RST端上一个高电平复位信号，高电平持续时间取决于RC电路参数。为了保证系统能可靠的复位，RST端上高电平信号必须有足够长的时间。 2)按键操作复位 按键操作复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位则是利用与Vcc电源接通而实现的，如图2-9a）所示。而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，如图2-9b）所示。 图2-8 上电复位电路图 a) 按键电平复位 b) 按键脉冲复位 图2-9 按键操作复位电路 对于AT系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以响应并将系统复位。根据以上内容相对比，本系统采用按键电平复位方式。 A/D转换器的选型 将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC. A/D转换器已成为信息系统中不可缺少的接口电路。 模数转换亦称模拟一数字转换，与数/模（A/D)转换相反，是将连续的模拟量（如象元的灰阶、电压、电流等）通过取样转换成离散的数字量。模数转换包括采样、保持、量化和编码四个过程。在某些特定的时刻对这种模拟信号进行测量叫做采样。要把一个采样输出信号数字化，需要将采样输出所得的瞬时模拟信号保持一段时间，这就是保持过程。 量化是将连续幅度的抽样信号转换成离散时间、离散幅度的数字信号。编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。这些过程有些是合并进行的，例如，采样和保持就利用一个电路连续完成，量化和编码也是在转换过程中同时实现的， 且所用时间又是保持时间的一部分。 在本设计中，烟雾传感器收集到的信号是模拟量，而单片机处理的数字量，所以两者之间要进行信号转换，那模塑转换器是必不可少的，此设计选用ADC0809型号。 1.ADC0809的内部结构 ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构图如图2-10所示。它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。 图2-10 ADC0809内部结构图 ADC0809虽然有8路模拟通道可以同时输入8路模拟信号，但每个瞬间只能转换一路，各路之间的切换由软件变换通道地址实现。地址锁存与译码电路完成对 A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 由于ADC0809片内无时钟，可利用ATC51提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得，ALE脚的频率是ATC51单片机的时钟频率的1/6。由于单片机频率采用6MHz,则ALE脚的输出频率为1MHz，在经二分频后为500kHz，恰好符合ADC0809对时钟频率的要求。由于ADC0809具有输出三态锁存器，因此其8位数据输出引脚可直接与数据总线相连。 1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。 2）具有转换起停控制端。 3）低功耗，约15mW。 4）单个+5V电源供电。 5）模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-40～+85摄氏度。 7）转换时间为100μs(时钟为0kHz时)，130μs（时钟为500kHz时）。 3.外部特征（引脚功能） ADC0809芯片有2引脚，采用双列直插式封装，如图2-11所示。 图2-11 ADC0809引脚图 各引脚功能： 1）IN0～IN7：模拟量输入端。 2）D0～D7：8位数字量输出端。 三态缓冲输出形式，与单片机的数据线可以直接相连。 3）ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线。用于选通8路模拟输入中的一路。 4）ALE：地址锁存允许信号输入端。在ALE信号的上升沿将通道地址锁存至地址锁存器。 5）START：启动A/D转换控制信号输入端。在STRAT信号的上升沿，所有内部寄存器清0,；在STRAT下降沿时，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，STRAT保持低电平。 6）EOC：转换结束信号输出端。EOC=0，正常进行转换；EOC=1,转换结束；EOC信号可作为查询的状态标志，也可作为中断请求信号使用。 7）OE：输出允许控制端。控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻态；OE=1，输出转换得到的数据。 8）CLOCK：时钟脉冲输入端。ADC0809内部没有时钟电路，需要外接时钟信号，通常使用频率为500kHz的时钟信号。 9）VREF（+）、：参考电压。参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准，其典型值分别为 VREF（+）为+5V、VREF（-）为0V。 10）Vcc：电源，单一+5V。 11）GND：地。 首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 转换数据的传送 A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。 （1）定时传送方式 对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。 （2）查询方式 A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。 （3）中断方式 把转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。 A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。设计中采用中断方式进行数据传送。 在单片机应用系统中，常用来显示各种数字或符号的显示器有：发光二极管显示器（LED）、液晶显示器（LCD）、CRT显示器等。由于LED显示器具有显示清晰、亮度高、寿命长等优点，使用非常广泛。 1.LED显示器结构和显示原理 （1）LED显示器的结构 图2-12 LED显示器结构示意图 发光二极管（LED）是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件。LED显示器由8个发光二极管组成，所以又称8段LED显示器。其中7个长条形的发光管排列成“日”字形，另一个圆点的发光管在显示器的右下角作为显示器小数点用，它能显示各种数字及部分英文字母。LED显示器结构上有两种不同的形式：一种是8个发光二极管的阳极都连接在一起，称之为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二级管的阴极都连接在一起的，称之为共阴极LED显示器。 （2）工作原理 共阴极结构和共阳极结构的LED显示各笔画段和安排位置是相同的。当二极管导通时，相应的笔画段发亮，有发亮的笔画段组合显示各种字符。8个笔画段h、f、e、d、c、b、a各段为01110011时，显示器显示“P”字符，即对于共阴极LED显示器“P”字符的字形码是73H。如果是共阳LED显示器，公共阳极接高电平，显示“P” 2．显示方式 在单片机应用系统中，显示器显示常用两种方式：静态显示和动态扫描显示。 静态显示是每个显示器都必须接一个带锁存的8位I/O接口，用来锁存待显示的字形笔画段的代码。这种方法的优点是占用单片机CPU的时间少，显示稳定和便于检测；缺点是硬件电路比较复杂，占用I/O接口多，成本较高。所以静态显示方式适合显示位数较少且要求显示亮度较高的场合。当显示位数较多时，一般采用动态扫描显示方式。 所谓的动态扫描就是指采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮。在轮流点亮扫描过程中，每个显示器的点亮时间是极为短暂的（约为1ms）。 根据以上所述的内容，本设计选用八段LED段显示器，其型号为光普派CPS08011。它是LED共阳极数码管，采用静态显示的。其参数特点如下： 大 显示方式： 静态显示 显示颜色： 红色 显示位数： 1位 在许多检测技术的应用场合，传感器输出的信号比较弱，而且其中还包括了工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很好的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。只有传感器输出的信号经过前置放大电路对其进行的放大、滤波、电平调整，才能满足单片机对输入信号的要求。 a）LM324四运放引脚图 b）LM324四运放结构图 图2-13 LM324四运放引脚图和结构图 设计中采用LM324作为电路的运算放大器。LM324是价格便宜的带差动输入功能的高增益四运算放大器。LM324的静态功耗小、价格低廉，可在较宽电压范围内的单电源或双电源下工作，其电源电流很小且与电源电压无关，四个运放一致性好；其输入偏流电阻是温度补偿的，也不需外接频率补偿，可做到输出电平与数字电路兼容。 报警器正常工作时，传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过放大电路放大，转化成较大的模拟电压信号后送入A/D转换器，然后再送给ATC51单片机处理。 当单片机检测到输入ADC0809的放大信号不为零时，系统启动报警。报警时，LED红灯点亮并持续闪烁60min，蜂鸣器启动并持续鸣叫60min，LED数码管显示符号“1”，并且换气扇自动运行，以达到改善环境中的空气质量的目的。同时，若自来水或家庭储水管道有水，则单片机调用延时子程序,经延时600s由单片机通过继电器控制调节阀进行喷水灭火动作。否则，报警系统只能启动声光报警和换气扇自动排烟功能而无法进行灭火动作。反之，报警器不发出警报，LED状态指示灯绿灯常亮且不闪烁，数码管不显示字符，蜂鸣器不发出声响。 为了区别正常的工作的报警，在误报警和不正常的工作状态警报时，LED数码管显示符号“0”，蜂鸣器声音报警持续30min，同时LED黄灯点亮且闪烁30min，以提醒用户检查传感器或者电路连线情况，及时排除故障，保证安全。另外，系统还设有一个消音功能的按键，当报警器发出鸣叫时，用户到达现场，可按下按键（消音键）停止报警器鸣叫。若过一点时间浓度仍超出报警限，报警器会再次鸣叫提醒用户。 上述中的声光警报、显示和执行动作能够根据烟雾检传感器所检测到的烟雾浓度的信号变化，随单片机控制电路及时的做出相应调整而改变。 第3章 系统的硬件设计 任何电子设备都需要稳定的直流电源供电，直流稳压电源是将交流电压转换成稳定的直流电压的设备。一般直流电稳压电源是由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。其组成方框图如图3-1所示。 交流变 整流 滤波 稳压 交流电源 负载 压器 电路 电路 电路 图3-1 直流稳压电源组成方框图 电源变压器的作用是：改变电网的交流电压的大小，将220V、50Hz的市电进行降压，是变压器的副边输出的交流电压符合设计要求。然后利用二极管的单项导通性，将交流电压变换为单方向的脉冲直流电压，即将整流电路输出的脉动直流电压中的交流成分滤掉，只留下比较平滑的直流电压，最后利用集成稳压器W7805，让电源电路的输出电压稳定为5V，以作为系统各部分电路的电源。以下是本设计所采用的电源电路图3-2。 图3-2 系统电源电路图 C51的时钟电路和复位电路 1.时钟电路 ATC51单片机行骗内部设有一个反向放大器构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端，时钟可由内部或外部生产，在XTALE1和XTAL2引脚上外接晶体振荡器Y，内部振荡电路就会产生自激震荡。系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振频率选择12MHz，C1、C2的电容值取30pF，电容的大小起频率微调的作用。时钟电路如图3-3所示。 图3-3 时钟电路和复位电路 2．复位电路 单片机有做多种复位电路，本系统采用自动复位（上电复位）与手动复位方式，电路如图3-3所示。当上电时，C3充电，电源经过电容器C3加到RESET引脚，是单片机复位；在正常工作时，按下复位键时单片机复位。 信号采集及前置放大电路 如图3-5所示，IC2A作为电压跟随器，通过滑动变阻器Rp2产生的参考电压Vref接入IC2B的反相输入端，从传感器输出的信号经过运算放大器LM324的同相输入端，为保证电路引入负反馈，在IC2B中，输出电压V0通过电阻R22接到反相输入端，由此组成查分比例运算电路。该电路的反馈组态为电压串联负反馈。 图3-5 信号采集及前置放大电路图 设计中采用的信号放大电路有一下几个特点： （1）由于电路不存在“虚地”现象，所以其两个输入端都有较高的共模输入电压，这对放大电路的稳定性和运算的精确都有影响。 （2）电路中IC2A构成的“电压跟随器\"可以减少电路模块间由于阻抗引起的干扰。用来匹配阻抗用的饿，防止滑动变阻器输出电压受到影响。 （3）由于引入了深度电压串联负反馈，因此电路的输入阻抗很高，输出阻抗很低。高输入阻抗可以减少放大电路对前端电路的影响，同时低输出阻抗也可以提高自身的抗干扰性，这显然有利于电路中其他模块的设计。 由于放大电路还增加了参考电压，引入了零件调节功能，这要可以更方便的调整由于不同传感器导致的零点变化问题。它利用通过滑动变阻器Rp2生产的参考电压Vref和传感器的输出电压分别输入到运算放大电路的两个输入端，由此得到的输出电压U0与两个输入端之差成正比而实现差分比例电路。所以调节滑动变阻器Rp，可以直接改变放大电路的参考电压值，使报警系统可以子啊可燃烟雾气体的不同浓度下工作，即用气敏传感器实现对不同浓度的测量。 /D转换电路 单片机与A/D 的接口电路如图3-6所示。 图3-6 ADC0809与单片机的接口电路图 在单片机扩展连接ADC0809电路中，地址译码引脚A、B、C 如下表： 额定电压 额定电流 ≤10mA或≤70Ma 声压电平 线圈电阻 ≥75或≥85 ±1Ω~60±2Ω 谐振频率 重量 2048Hz 系统设有一个消音按键，当报警器发出鸣叫时，用户到达现场，可按下消音按键停止报警器鸣叫。若过一点时间浓度仍超出报警限，报警器会再次鸣叫提醒用户。 图3-7 声音报警电路 图3-8 消音按键连接电流 报警器浓度等级显示采用一个八段共阳极数码管显示。由于不显示小数点，所以不接dp段。电路采用型号为CPS08011BR的光普牌 LED共阳极数码管。 图3-9 数码管字符显示电路 绿灯常亮表示正常状态，环境中可燃烟雾浓度极低；黄灯闪烁表示传感器连接故障或是线路接触不良；红灯闪烁表示环境中烟雾浓度超过报警最低预设值，提醒用户尽快做出相应安全防范措施。 图3-11 指示灯电路图 在安全保护电路中，继电器（电磁继电器）是否动作是保护动作是否执行的唯一条件。当被检测到的现场烟雾浓度达到给定装置所设定的报警预设值时，继电器KA1动作，自动换气风扇启动。此时，单片机调用延时子程序，经延时600s后，继电器KA2动作，调节阀打开同时洒水灭火。 图3-12 继电器连接及控制电路图 继电器的工作原理是利用低压控制电路来控制高压工作电路。在继电器的输入回路中，当流经线圈的电流变化时，线圈会产生自激电压来抑制电流的变化，线圈中的电流变化越快，所产生的电压越高。所以在设计中，单片机驱动继电器时，需要并联一个二极管，利用二极管的反向击穿能力，来消除自激电压，达到稳定线圈电压和保护晶体管的目的。当晶体管C8550由导通变为截止时，流经继电器线圈的电流将迅速减小，这时线圈会产生很高的自感电动势与电源电压叠加后加在晶体管的c、e两极间，会使晶体管击穿，继电器并联上二极管后，即可将线圈的自感电动势钳位于二极管的正向导通电压，从而避免击穿晶体管。并联二极管时一定要注意二极管的极性不可接反，否则容易损坏晶体管等驱动元器件。 1.判断传感器电源连接情况 在传感器的地端串联一个电阻R16。当传感器正常连接时，电阻和传感器分压，此时电阻两端有微弱的电压，单片机可以通过ADC0809的IN2口检测到；如果传感器电源连接不正常，则会产生断路，检测到电阻两端电压为0。 图3-13 传感器故障自诊断 2.判断传感器信号端连接情况 另一种情况是判断传感器信号端是否连接正确，此时不需要外加电路，在传感器预热1～2分钟后，通过与ADC0809的IN1输入端口连接，测量传感器信号的输出电压，如果电压为5V，则说明传感器的信号端连接不正常，此时系统发出警报。 把上述各个部分电路结合到一起，就是所设计的可燃烟雾报警器总电路。通过各自分工，最终实现声光报警、字符显示、自动换气排烟和灭火功能。 图3-14 烟雾报警器硬件电路设计图 第4章 系统的软件设计 主程序流程图如下图所示。首先要给传感器预热，因为QM-N5型半导体电阻式烟雾传感器在不通电存放一段时间后，再次通电时，传感器不能立即正常采集烟雾信息，需要一段时间预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。主程序设计先对传感器预热，预热同时，对传感器进行故障检测，采用软件方式检测传感器加热丝或电缆线是否断线或者接触不良。 Yes 开始 No Yes No 程序初始化 图4-1 主程序流程图 在整个报警器系统工作中，ATC51单片机对传感器检测的烟雾浓度信号进行信号放大、A/D转换处理后，由单片机进行分析处理，判断系统传感器预热及故障检测 是否启动声光报警。主程序还包括LED八段式数码管浓度字符显示功能、消音按键功能、安全联动装置，中断子程序等，使报警器功能更加完善，给用户带来便利。 主程序初始化流程图如图4-2所示。给传感器预热后，程序开始执行传感器是 初始化子程序，这部分实现的功能包括各种否故障 I/O口输入输出状态的设定、 寄存器初始化、中断使能等。 信号采集及放大 A/D转换 放大信号是否为零 进入报警子系统 开始 设置定时器0，选择方式1 允许外部中断0 点亮路灯，熄灭黄灯和红灯 关闭蜂鸣器 关闭安全联动装置 熄灭数码管 结束 图4-2 主程序初始化流程图 当放大后的信号不为零时，即烟雾浓度达到系统的报警预设值，此时报警器发出一种近似警笛的鸣叫声，对应输出通道的红灯闪亮，换气扇自动运行，并且延时打开调节阀。为防止误报，在程序设计上，对烟雾浓度进行快速重复检测和延时报警，以区别出是管道中烟雾的泄漏，还是由于暂短打开阀门产生的可燃烟雾的微量散失，防止误报。报警子程序流程图如图4-3所示。 开始 Yes No Yes 放大信号不为0 No No Yes 图熄灭绿灯4-3 报警子程序流程图 本报警器设计附加一个消音功能按键。按键由于弹性作用的影响，在闭合及断开均有抖动过程，从而使电压也出现抖动，所以在识别按键时要延时20s子程序 消除抖动的影响。按键的识别方法采用扫描法，按键处理程序流程图如图4-4所示。 信号采集 开始 放大信号 数码管显示字 No Yes No Yes 图4-4 键盘扫描子程序流程图 附录1 代码功能简单描述： 1. 程序初始化 2. 传感器预热及故障检测 3. 判断传感器是否故障 Yes： 1.进入报警系统 a.鸣叫声 b.红灯闪亮 c.换气扇运行 d.延时打开调节阀 2.继续检测 a.传感器预热及故障检测 b.判断传感器是否故障 No： 1.信号采集及放大 3.判断放大型号是否为零 Yes： a.信号采集及放大 () No： 1.进入报警系统 a.鸣叫声 b.红灯闪亮 c.换气扇运行 d.延时打开调节阀 2.继续检测 a.信号采集及放大 以下是程序代码： using System; namespace 烟雾报警器 { class Detection //检测类 { public bool 传感器故障检测_Result; //三个返回字段 public int AD_Result; public bool 重复检测_Result; public void 初始化() { //单片机内部初始化 } public bool 传感器预热和故障检测() { //故障检测，返回一个bool值 return 传感器故障检测_Result; } public void 信号采集及放大() { //信号采集及放大，无返回值。 } public int AD转换() { //A/D转换,返回一个double值 return AD_Result; } public bool 重复检测() { //重复检测方法，返回bool值 return 重复检测_Result; } } class Ring //报警类 { public double delay; //申明延时字段 public double Delay //延时自定义设置 { get { return delay; } set { delay=value; } } public void 鸣叫声() { //鸣叫方法 } public void 红灯闪亮() { //红灯闪亮方法 } public void 换气扇运行() { //换气扇运行方法 } public void 延时打开调节阀() { //延时打开调节阀方法 } } class Test { static void Main(string[] args) { Detection p1 = new Detection(); Ring r1 = new Ring(); p1.初始化(); //程序初始化 p1.传感器预热和故障检测(); //传感器预热和故障检测 if (p1.传感器故障检测_Result == true && p1.重复检测_Result == true) //如果传感器出现故障，并且循环检测为真 { ay == 100) //假设延迟到达100，进入报警系统 { r1.鸣叫声(); r1.红灯闪亮(); r1.换气扇运行(); r1.延时打开调节阀(); p1.重复检测(); } } else //传感器检测没有出现故障 { p1.信号采集及放大(); // 信号采集及放大 (); // 进行A/D 转换 D_Result == 0) //如果放大信号为零，进入报警系统 { r1.鸣叫声(); r1.红灯闪亮(); r1.换气扇运行(); r1.延时打开调节阀(); } else //放大信号不为零，继续检测 { p1.信号采集及放大(); } } } } 总结 烟雾检测报警器可保障生产与生活的安全，避免火灾和爆炸事故以及煤气中毒的发生，它是防火、防爆和安全生产所必须的仪器，具有广阔的市场空间与发展前景。其中电子元件是其核心部分，那就是单片机。现代电子系统的基本核心是嵌入式计算机系统(简称嵌入式系统)，而单片机是最典型、最广泛、最普及的嵌入式系统。 本设计是对烟雾传感器和报警技术进行深入研究的基础上，全棉比较国内外同类产品的技术特点，合理的确定系统的设计方案。并对仪器的整体设计和各个组成部分进行了详细的分析和设计。 本设计的烟雾报警器有烟雾信号采集电路与单片机控制电路两大部分构成。根据设计要求、使用环境、成本等因素，选用MQ-5型半导体电阻式烟雾传感器，该传感器是以对烷类烟雾为主的多种烟雾有良好敏感特性的广谱型半导体敏感器件。这种传感器有良好的灵敏度，能够检测多种可燃性气体，十分适合应用在家庭的气体泄漏报警器中。是一款便携式气体检测器，非常适合多种应用的低成本传感器。 本文在对烟雾传感器和报警技术进行深入研究的基础上，详细地阐述了基于单片机控制的烟雾报警器的设计目的和实现方法。通过系统方框图、硬件电路图和软件流程图的表示，全面、具体地阐述了系统中各个部分的原理和功能。设计简单易懂，功能齐全，十分适合在家庭生活中使用。尽管如此，实际上本设计还有很多的不足的地方。所以，为了进一步提高系统的安全性和可靠性，可以在本论文设计的报警器的基础上做些改动。如设计换气扇根据不同的烟雾浓度实现自动调速，使环境中的空气质量能够得到适度的改善；设计数码管直接显示环境中的烟雾浓度值，让用户或者赶到现场的人能够直接地知晓环境中的烟雾浓度值，以便做出更好、更合适的判断和处理；设计报警系统实现自动拨号功能，使用户和管理员能够及时地知道火灾情况并赶到现场，迅速地做处理；设计报警系统能够自动检测管道的水压，让单片机控制调节阀的不同输出实现出水量自由变化，若水压不足就可以及时地通知用户储水，以免发生火灾时措手不及等。 参考文献 [1] 谢敏. 单片机应用技术. 北京：机械工业出版社，2008. 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说 明 书
设计题目： 基于单片机的烟雾报警器设计 系别专业：班 级：学 号：学 生：指导教师： 机电工程系电气自动化 电气自动化
