基于單片機(jī)火災(zāi)報警器的設(shè)計(jì)

1、單位代碼 10642 密 級 公 開 學(xué) 號 5 學(xué)士學(xué)位論文 基于單片機(jī)火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 論文作者： 指導(dǎo)教師：學(xué)科專業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù)提交論文日期：2012年 3 月 24 日 論文答辯日期：2012年 4 月 9 日 學(xué)位授予單位：重慶文理學(xué)院 中 國 重 慶2012 年 4 月目 錄中文摘要IIIAbstractIV1緒論11.1 概述11.2 火災(zāi)報警器的發(fā)展趨勢11.3 火災(zāi)報警器的現(xiàn)狀及特點(diǎn)12煙霧檢測報警器的方案設(shè)計(jì)22.1 煙霧檢測報警器設(shè)計(jì)思路22.2 煙霧傳感器的選型22.2.1煙霧傳感器介紹22.2.2煙霧傳感器的選定52.2.3 MQ-2型煙霧傳感器的工作原理6

2、2.2.4 MQ-2型煙霧傳感器的特性及性能指標(biāo)73煙霧檢測報警器的整體設(shè)計(jì)方案93.1 煙霧檢測報警器原理圖93.2單片機(jī)的選型93.2.1 STC89C52RC單片機(jī)的結(jié)構(gòu)93.3 ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換電路123.3.1 ADC0832功能特點(diǎn)123.3.2 ADC0832外部引腳及說明133.3.3 單片機(jī)對ADC0832的控制原理133.3.4 ADC0832典型應(yīng)用143.4 聲音報警器電路153.5 狀態(tài)指示燈及控制鍵電路154煙霧檢測報警器的軟件設(shè)計(jì)164.1 AT89S52單片機(jī)調(diào)試及開發(fā)工具164.2 煙霧檢測報警器軟件流程及設(shè)計(jì)164.2.1 主程序設(shè)計(jì)及流程圖175結(jié)論

3、17參考文獻(xiàn)19致謝20單片機(jī)火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計(jì)電子信息科學(xué)與技術(shù)（職教師資）專業(yè)1班 陳元龍 指導(dǎo)教師 鄧 于摘要：隨著“信息時代”的到來，作為獲取信息的手段傳感器技術(shù)得到了顯著的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，對其要求越來越高，需求越來越迫切。傳感器技術(shù)已成為衡量一個國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。因此，了解并掌握各類傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。 本論文以MQ-2型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器和STC89C52RC單片機(jī)技術(shù)為核心并與其他電子技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一種技術(shù)水平較好的煙霧報警器。其中選用MQ-2型半導(dǎo)體可燃?xì)怏w敏感元件煙霧傳感器實(shí)現(xiàn)煙霧的檢測，具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、響

4、應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、智能化、實(shí)用價值高等優(yōu)點(diǎn)，而且價格低廉，使用壽命長。關(guān)鍵詞：煙霧，報警器，STC89C52RC，傳感器The design of fire alarm system based on single chip microcomputerMajor: ElecElectronic information science and Technology ( teachers professional class 1) Author: Chen Yuanlong Supervisor: Deng YuAbstract: with the advent of informat

5、ion times, as a means of accessing information - sensor technology has been significant progress, its application field is more and more extensive, the requirement is more and more high, more and more urgent need. The sensor technology has become a national science and technology development level o

6、f one of the important symbols. Therefore, understanding and mastering of sensors structure, working principle and characteristic is very important.In this paper, a MQ-2 type semiconductor resistor type smoke sensor and STC89C52RC single chip as the core technology and electronic technology, designs

7、 a technology better smoke alarm. The selection of MQ-2 type semiconductor gas sensitive element smoke sensor smoke detection, which has high sensitivity, simple structure, quick response, strong anti-interference ability, stable performance, intelligent, practical value is high, and the price is lo

8、w, long service life.Key word: Smog, alarm apparatus,STC89C52RC, sensor1 緒論1.1 概述 火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，一般由火災(zāi)探測器、區(qū)域報警器和集中報警器組成；也可以根據(jù)工程的要求同各種滅火設(shè)施和通訊裝置聯(lián)動，以形成中心控制系統(tǒng)。即由自動報警、自動滅火、安全疏散誘導(dǎo)、系統(tǒng)過程顯示、消防檔案管理等組成一個完整的消防控制系統(tǒng)。 火災(zāi)探測器是探測火災(zāi)的儀器，由于在火災(zāi)發(fā)生的階段，將伴隨產(chǎn)生煙霧、高溫格火光。這些煙、熱和光可以通過探測器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枅缶蚴棺詣訙缁鹣到y(tǒng)啟動，及時撲滅火災(zāi)。 1.2火災(zāi)報警器的發(fā)展趨勢 二十多年前，中國的

9、消防報警產(chǎn)品剛剛起步，無論產(chǎn)品技術(shù)含量、產(chǎn)品系列完整性、使用性，還是社會影響程度都是相當(dāng)?shù)偷?。國外的產(chǎn)品和品牌一統(tǒng)天下，占領(lǐng)中國的大部分市場。由于中國的建設(shè)正在飛速發(fā)展，市場大的驚人，難道這由中國發(fā)展帶來的成果只能由外國企業(yè)來瓜分？可幸的是中國企業(yè)抓住了機(jī)遇，頂住了挑戰(zhàn)，先是一批國家的科研院所，后是一批國營企業(yè)、民營企業(yè)，業(yè)內(nèi)也吸引和凝聚一大批國內(nèi)的技術(shù)和管理精英，花了十多年時間，通過幾次產(chǎn)品更新?lián)Q代，就使自己的產(chǎn)品緊緊跟上了國際水平，并且奪回了大部分國內(nèi)市場，使得現(xiàn)在大多國外產(chǎn)品只有招架之功，這是典型的自力更生，走自己的路。當(dāng)然目前而言，我們基本占據(jù)的是國內(nèi)市場，對外還剛啟動。中國企業(yè)正虎視

10、眈眈，準(zhǔn)備進(jìn)軍海外市場。1.3火災(zāi)報警器的現(xiàn)狀及特點(diǎn) 消防報警產(chǎn)品是一個系列產(chǎn)品，包括火災(zāi)探測設(shè)備、信息傳輸設(shè)備、報警分析控制器、消防控制聯(lián)動。是物理傳感技術(shù)、自動控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸和管理、智能樓宇等技術(shù)的綜合集成，屬于高新技術(shù)。依托中國多年的基本建設(shè)的發(fā)展，這個行業(yè)也得到發(fā)展，具備了和國外知名企業(yè)抗衡的能力。在目前中國許多冠名以高新技術(shù)的行業(yè)中，中國企業(yè)大多做的是下游的制造和服務(wù)，分取極少一部分的利潤，象消防報警產(chǎn)品那樣又擁有自我知識產(chǎn)權(quán)，又擁有大量市場的行業(yè)其實(shí)是很少的。在消防報警產(chǎn)品的技術(shù)含量上，國內(nèi)產(chǎn)品和國外產(chǎn)品差距不是很大，許多指標(biāo)已經(jīng)超越，存在的問題是：類似于國外消防報警產(chǎn)

11、品的大批量規(guī)?；纳a(chǎn)才剛起步，有待于積累經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)；也因此在產(chǎn)品一致性和長期穩(wěn)定性上有一些差距；國內(nèi)正在形成權(quán)重的大型企業(yè)和集團(tuán)，這樣可以帶領(lǐng)國內(nèi)的各家企業(yè)去沖擊海外市場，并最終占領(lǐng)海外的消防報警市場。2 煙霧檢測報警器的方案設(shè)計(jì)2.1煙霧檢測報警器設(shè)計(jì)思路煙霧檢測報警器是能夠檢測環(huán)境中的煙霧濃度，并具有報警功能的儀器，儀器的最基本組成部分應(yīng)包括：煙霧信號采集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路。煙霧信號采集電路一般由煙霧傳感器，將煙霧信號轉(zhuǎn)化為模擬的電信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路ADC0832將從煙霧檢測電路送出的模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識別的數(shù)字信號后送入單片機(jī)。單片機(jī)對該數(shù)字信號進(jìn)行 濾波處理，并對

12、處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，是否大于或等于某個預(yù)設(shè)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)。2.2煙霧傳感器的選型 煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，是氣-電變換器，它將可燃性氣 體在空氣中的含量(即濃度)轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號，通過A/D轉(zhuǎn)換電路 將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到單片機(jī)，進(jìn)而由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、濃度 處理及報警控制等工作。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。由此可見，傳感器的選型是非常重要的。2.2.1煙霧傳感器介紹 (1)煙霧傳感器的分類 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(xué)性質(zhì)的煙霧傳感器：如半導(dǎo)

13、體煙霧傳感器、接觸燃 燒煙霧傳感器等。 (b)利用物理性質(zhì)的煙霧傳感器：如熱導(dǎo)煙霧傳感器、光干涉煙霧傳 感器、紅外傳感器等。 (c)利用電化學(xué)性質(zhì)的煙霧傳感器：如電流型煙霧傳感器、電勢型氣 體傳感器等。 (2)煙霧傳感器應(yīng)滿足的基本條件 一個煙霧傳感器可以是單功能的，也可以是多功能的；可以是單一的實(shí)體，也可以是由多個不同功能傳感器組成的陣列。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(yīng)或低 響應(yīng)； (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(nèi)的煙霧 濃度；(c)對檢測信號響應(yīng)速度快，重復(fù)性好；(d)長期工作穩(wěn)定性好；

14、 (e)使用壽命長； (f)制造成本低，使用與維護(hù)方便。 (3)常見煙霧傳感器簡介 下面對工業(yè)上常用的幾種煙霧傳感器作簡單介紹。 (a)半導(dǎo)體煙霧傳感器半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)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(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器。自1962年半導(dǎo)體金屬氧化物煙霧傳感器問世以來，由于具有靈敏度高、響應(yīng)快、輸出信號強(qiáng)、耐久性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。該傳感器己成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的煙霧傳感器之一。按照敏感機(jī)理分類，可分為電阻型和非電阻型。 (b)固體電解質(zhì)煙霧傳感器 固體電解質(zhì)煙霧傳感器使用固體電解質(zhì)氣敏材料作為氣敏元件，其原理是利用

15、氣敏材料在通過煙霧時產(chǎn)生電阻，測量其形成電動勢從而測量氣體濃度。由于這種傳感器電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，因而得到了廣 泛的應(yīng)用，幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個領(lǐng)域，其產(chǎn)量僅次于半導(dǎo)體煙霧傳感器的一類傳感器。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(lǐng)域中有優(yōu)勢。 (c)接觸燃燒式傳感器 當(dāng)易燃煙霧接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時會發(fā)生氧化反應(yīng)而燃燒，故得名接觸燃燒式傳感器。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300C400C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

16、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。 (d)高分子煙霧傳感器 利用高分子氣敏材料制作的煙霧傳感器近年來得到很大的發(fā)展。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。高分子氣敏材料由于具有易操 作性、工藝簡單、常溫選擇性好、價格低廉、易與微結(jié)構(gòu)傳感器和聲表面波器件相結(jié)合，在毒性煙霧和食品鮮度等方面的檢測中具有重要作用。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(jié)構(gòu)簡單，能在常溫下使用，可以彌補(bǔ)其它煙霧傳感器的不足。 (e)電化學(xué)傳感器 電化學(xué)傳感器由膜電極和電解液封裝而成。煙霧濃度信號將電解

17、液分解成陰陽帶電離子，通過電極將信號傳出。它的優(yōu)點(diǎn)是：反映速度快、準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測，但壽命較短(大約兩年)。它主要適用于毒性煙霧檢測。目前國際上絕大部分毒氣檢測采用該類型傳感器。 (f)熱傳導(dǎo)傳感器 熱傳導(dǎo)傳感器與接觸燃燒式傳感器具有類似的結(jié)構(gòu)形式，但是測量原理不同。它的測量原理是：將加熱后的鉑電阻線圈置于目標(biāo)煙霧中，由于向目標(biāo)煙霧傳送熱量造成溫度降低，引起電阻值變化，傳感器即測量電阻 值的變化情況。溫度的變化情況是目標(biāo)煙霧熱傳導(dǎo)率的函數(shù)，而對于一種給定的煙霧或汽化物，熱傳導(dǎo)率是它固有的物理特性。 紅外傳感器 紅外傳感器通常用兩束紅外光進(jìn)行煙霧測量，主光束通過測量元件內(nèi)的目標(biāo)煙霧，

18、參考光束通過比較元件內(nèi)的參考煙霧。在測量和比較元件中，紅外射線被煙霧有選擇地吸收了。未吸收的紅外光由光電探測器測量，產(chǎn)生一個正比于目標(biāo)煙霧濃度的差分信號。非擴(kuò)散式紅外探測器NDIR (non-dispersive IR )是其中的一種，所有的未吸收光全部以最小的擴(kuò)散和損耗被記錄下來。 不同的煙霧吸收不同波長的IR，所以傳感器根據(jù)目標(biāo)煙霧而調(diào)整，典型應(yīng)用包括測量CO和CO2、冷凍劑煙霧和一些易燃?xì)?。由于非碳?xì)浠衔镆兹紵熿F(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?xì)浠衔?，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(biāo)煙霧的影響。 (4)常見煙霧傳感器可檢

19、測煙霧種類 由于煙霧的種類繁多，一種類型的煙霧傳感器不可能檢測所有的氣體，通常只能檢測某一種或兩種特定性質(zhì)的煙霧。例如氧化物半導(dǎo)體煙霧傳感器主要檢測各種還原性煙霧，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固體電解質(zhì)煙霧傳感器主要用于檢測無機(jī)煙霧，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。表2.1簡要列舉出已經(jīng)研究、開發(fā)的各類煙霧傳感器及其可檢測的氣體種類。傳感器種類C0CO2 H2S NH3 HCNHCICOCI2CI2 NOX SO2O2CH4C3H2H2H2O半導(dǎo)體氣體傳感器固體電解質(zhì)傳感器接觸燃燒式傳感器電化學(xué)式傳感器高分子電解質(zhì)氣體傳感器注：好 不太好表2.1各種煙霧傳感器可檢測的煙霧

20、種類2.2.2煙霧傳感器的選定煙霧檢測報警器主要應(yīng)用在石油、化工、冶金、油庫、液化氣站、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃煙霧泄漏的場所，根據(jù)報警器檢測煙霧種類的要求，一般選用接觸燃燒式煙霧傳感器和半導(dǎo)體煙霧傳感器。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。 阻緩是當(dāng)在煙霧與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下，則有可能在無焰燃燒的同時，有些固態(tài)物質(zhì)附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應(yīng)緩慢反應(yīng)滯緩，靈敏度降低。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(fù)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(dǎo)致傳感器最終喪失檢測煙霧的能力。中毒是如果環(huán)

21、境空氣中含有硅烷之類的物質(zhì)時，則傳感器將 使催化元件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的中毒，以致靈敏度很快就喪失。當(dāng)懷疑檢測環(huán) 境中存在這些物質(zhì)時，經(jīng)常對探頭進(jìn)行標(biāo)定，是必須且有效的辦法。 因此，經(jīng)常對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是保證其準(zhǔn)確性的必要的途徑。一般連續(xù)使用兩個月后應(yīng)對傳感器進(jìn)行量程校準(zhǔn)，這種經(jīng)常性對傳感器的維護(hù)，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(hù)成本。半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)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(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器，它具有靈敏度高， 響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體煙霧傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性(抗干擾

22、性)和穩(wěn) 定性(使用壽命)。 經(jīng)過對比上述兩種煙霧傳感器的應(yīng)用特性，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體煙霧傳感器的優(yōu)點(diǎn)更加突出：靈敏度高、響應(yīng)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(hù)成本較低等。因此，本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體煙霧傳感器作為報警器煙霧信息采集部分的核心。而在眾多半導(dǎo)體氣體傳感器中，本設(shè)計(jì)選用MQ-2型煙霧傳感器，這種型號的傳感器不但具備一般半導(dǎo)體煙霧傳感器靈敏度 高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。 2.2.3 MQ-2型煙霧傳感器的工作原理 半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)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(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器。按敏感機(jī)理分類，可分為電阻型和

23、非電阻型。半導(dǎo)體氣敏元件也有N型和P型之分。N型在檢測時阻值隨煙霧濃度的增大而減小；P型阻值隨煙霧濃度的增大而增大。半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類如表2.2所示。表2.2半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類 所利用的特性工作溫度表面電阻控制器300450C類型所利用的特性工作溫度代表性被檢測氣體電阻型電阻表面電阻控制器300450C可燃性氣體體電阻控制器300450C700C以上乙醇、可燃性氣體非電阻型二極管整流特性室溫200CH2、CO、乙醇晶體管特性150CH2、H2S表2.2半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類本設(shè)計(jì)中采用的MQ-2型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，屬于表面離子式N型半導(dǎo)體。當(dāng)處于200300C溫度時

24、，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少， 從而使其電阻值增加。當(dāng)與煙霧接觸時，如果晶粒間界處的勢壘受 到該煙霧的調(diào)制而變化，就會引起表而電導(dǎo)率的變化。利用這一點(diǎn)就可以 獲得這種煙霧存在的信息。遇到可燃煙霧（如CH4等）時，原來吸附的氧脫附，而由可燃煙霧以正離子狀態(tài)吸附在二氧化錫半導(dǎo)體表面；氧脫附放出電子，煙霧以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子，從而使二氧化錫半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加，電阻值下降。而當(dāng)空氣中沒有煙霧時，二氧化錫半導(dǎo)體又會自 動恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是MQ-2型燃性煙霧傳感器檢測可燃煙霧的基本原理。MQ-2型傳感器的結(jié)構(gòu)圖如 圖2.

25、1所示，其外觀如2.2所示。圖2.1MQ-2型傳感器的結(jié)構(gòu)圖圖2.2 MQ-2型傳感器的外觀2.2.4 MQ-2型傳感器的特性及主要技術(shù)指標(biāo) （1）MQ-2型傳感器的一般特點(diǎn) （a）MQ-2型傳感器對天然氣、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。 （b）MQ-2型傳感器具有良好的重復(fù)性和長期的穩(wěn)定性。初始穩(wěn)定， 響應(yīng)時間短，長時間工作性能好。 （c）MQ-2型傳感器具有良好的抗干擾性，可準(zhǔn)確排除有刺激性非可燃性煙霧的干擾信息，例如酒精和煙霧等。 （d）電路設(shè)計(jì)電壓范圍寬，24V以下均可；加熱電壓50.2V。 （2）MQ-2型傳感器的基本特性 （a）靈敏度特性 煙霧傳感器在最佳

26、工作條件下，接觸同一種煙霧，其電阻值RS隨氣 體濃度變化的特性稱之為靈敏度特性，用K表示。 K=RS / R0 (2-1) 式中，R0為煙霧傳感器潔凈空氣條件下的電阻值，RS為煙霧傳感器在一定濃度的檢測煙霧中的電阻值。 雖然對于不同的煙霧，器件靈敏度特性K的值也會各有差異，但是它們都遵循同一規(guī)律，log RS = m logC + n (2-2)式中，m為器件相對煙霧濃度變化的敏感性，又稱煙霧分離能，對于 煙霧，m值為1/21/3；C為檢測煙霧的濃度。n為與檢測煙霧，器件材料有關(guān)，并隨測試溫度和材料中有無增感劑而有所不同。 （b）初期穩(wěn)定特性 半導(dǎo)體煙霧傳感器在不通電狀態(tài)存放一段時間后，再通電

27、時，器件并不能立即投入正常工作。這是因?yàn)闊熿F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(dāng)再次通電時需要預(yù)熱幾分鐘使水蒸氣蒸發(fā)后，氣敏電阻才能正常工作。再通電工作時氣敏電阻值達(dá)到穩(wěn)定時所需要的時間，定義為初期穩(wěn)定時間。一般情況下，不通電時間越長，初期穩(wěn)定時間也越長，當(dāng)不通電存放時間達(dá)到15天左右時，初期穩(wěn)定時間一 般需要5分鐘左右。 （c）加熱特性 半導(dǎo)體煙霧傳感器一般要在較高的溫度(200450C)下工作，所以需要對其加熱。由于傳感器一般工作在易燃易爆環(huán)境下，若加熱絲直接與電源相接，當(dāng)加熱絲局部短路造成器件過熱或放電時，可能引發(fā)事故。所以必須使用傳感器生產(chǎn)廠家推薦的加熱電壓，使其

28、工作在較安全的范圍內(nèi)。MQ-2型煙霧傳感器加熱電壓為50.2V，加熱電阻為313?。當(dāng)加熱絲斷路時，由于熱惰性緣故，煙霧傳感器的氣敏特性并不立即消失，此時檢測必出現(xiàn)較大的誤差。為避免出現(xiàn)這種情況，并及時發(fā)現(xiàn)氣敏元件的故障， 需要設(shè)計(jì)加熱絲故障診斷報警電路。 （3）MQ-2型傳感器的特性參數(shù) （a）回路電壓：(Vc) 524V （b）取樣電阻：(RL) 0.120K（c）加熱電壓：(VH)50.2V（d）加熱功率：(P)約750mW （e）靈 敏 度：以甲烷為例R0(air)/RS (0.1%CH4)5 （f）響應(yīng)時間：Tres10秒 （g）恢復(fù)時間：Trec30秒 3 煙霧檢測報警器整體設(shè)計(jì)方

29、案3.1煙霧檢測報警器原理圖 本論文中的煙霧檢測報警器以STC89C52RC單片機(jī)為控制核心，采用MQ-2型電阻式半導(dǎo)體傳感器采集煙霧信息。 首先，傳感器送來的煙霧濃度對應(yīng)的微小的電壓信號經(jīng)過放大，轉(zhuǎn)化成較大的電壓信號送入ADC0832；然后，在ADC0832內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換、然后送入單片機(jī)進(jìn)行濃度比較，并判斷濃度值是否超出報警限，當(dāng)濃度處于正常狀態(tài)綠燈長亮，當(dāng)煙霧濃度超出設(shè)定的限定值時，發(fā)出聲音報警并伴隨紅燈閃亮。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(yīng)越 快，響應(yīng)時間和恢復(fù)時間就越快。為提高響應(yīng)時間，保證傳感器準(zhǔn)確地、 穩(wěn)定地工作，報警器需要向煙霧傳感器持續(xù)輸出一個5V的電壓。報

30、警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.3所示，系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，配合外圍電路共同完成信號采集、狀態(tài)顯示、報警、按鍵輸入等功能。圖2.3 煙霧傳感器檢測報警器結(jié)構(gòu)框圖3.2單片機(jī)的選型 3.2.1 STC89C52RC單片機(jī)的結(jié)構(gòu)STC89C52RC單片機(jī)是一款低功耗、低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8KB（可經(jīng)受1000次擦寫周期）的FLASH可編程可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（EPROM），器件采用CMOS工藝和ATMEL公司的高密度，非易失性存儲器（NURAM）技術(shù)制造，其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS-51兼容，片內(nèi)的FLASH存儲器允許在系統(tǒng)內(nèi)可改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲編程器來編程。因此

31、，STC89C52RC是一種功能強(qiáng)，靈活性高且價格合理的單片機(jī)，可方便的應(yīng)用在各個控制領(lǐng)域1。STC89C52RC具有以下主要性能：1.8KB可改編程序FLASH存儲器；2.全表態(tài)工作 ：024HZ；3.256X8字節(jié)內(nèi)部RAM；4.32個外部雙向輸入，輸出（I、O）口；圖2-2 STC89C52RC引腳說明2-2引腳說明如圖引腳功能說明如下：VCC：電源電壓。GND：地。P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)線復(fù)用口。作為輸出口時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端。在訪問外部數(shù)據(jù)儲存器或程序儲存器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（

32、低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。FLASH編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時，要求外接上拉電阻。P1口：P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。作為輸入口使用時，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。FLASH編程和程序校驗(yàn)期間，P1接收低8位地址。P2口：P2是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的

33、上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。作為輸入口使用時，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。在訪問外部程序儲存器或16位地址的外部數(shù)據(jù)儲存器（例如執(zhí)行MOVXDPTR指令）時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)儲存器（例如執(zhí)行MOVXRI指令）時，P2口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中R2寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。FLASH編程或校驗(yàn)時，P2亦接收高位地址和其他控制信號。P3口：P3是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口

34、拉到高電平，此時可作為輸入口。作為輸入口使用時，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。P3除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，具體功能說明如表2-1。P3口還接收一些用于FLASH閃速存儲器編程和程序校的控制信號。RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。表2-1 P3口的第二功能表端口引腳第二功能P3.0RXD(穿行輸出口)P3.1TXD(穿行輸入口)P3.2INT0（外部中斷0）P3.3INT1

35、（外部中斷1）P3.4T0(定時/計(jì)數(shù)器0)P3.5T1(定時/計(jì)數(shù)器0)P3.6WR(外部數(shù)據(jù)寫選通)P3.7RD(外部數(shù)據(jù)讀選通)即使不訪問外部存儲器，ALE仍以是時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號，因此他可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對FLASH存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令A(yù)LE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE無效。PSEN：程序

36、儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT80C51由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的PSEN信號不出現(xiàn)。EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序儲存器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需要注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序儲存器中的指令。FLASH儲存器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12v編程電壓。XTAL1：振蕩器反相放大

37、器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端3.3 ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 ADC0832 簡介：ADC0832是NS(National Semiconductor)公司生產(chǎn)的串行接口8位A/D轉(zhuǎn)換器，通過三線接口與單片機(jī)連接，功耗低，性能價格比較高，適宜在袖珍式的智能儀器儀表中使用。ADC0832 為8位分辨率8位串行A/D轉(zhuǎn)換器ADC08323.3.1 功能特點(diǎn)A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。芯片具有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立的芯片使能輸入，使多器件連接和處理器控制變得更加方便。通過

38、DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。其主要特點(diǎn)如下： 8位分辨率，逐次逼近型，基準(zhǔn)電壓為5V； 5V單電源供電； 輸入模擬信號電壓范圍為05V； 輸入和輸出電平與TTL和CMOS兼容； 在250KHZ時鐘頻率時，轉(zhuǎn)換時間為32us； 具有兩個可供選擇的模擬輸入通道； 功耗低，15mW。3.3.2.外部引腳及其說明ADC0832有DIP和SOIC兩種封裝，DIP封裝的ADC0832引腳排列如圖6.21所示。各引腳說明如下： CS片選端，低電平有效。 CH0，CH1兩路模擬信號輸入端。 DI兩路模擬輸入選擇輸入端。 DO模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果串行輸出端。圖6.21 ADC0832引腳圖 CLK串

39、行時鐘輸入端。 Vcc/REF正電源端和基準(zhǔn)電壓輸入端。 GND電源地。3.3.3 單片機(jī)對ADC0832 的控制原理一般情況下ADC0832與單片機(jī)的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時可以將DO和DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當(dāng)ADC0832未工作時其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時芯片禁用，CLK 和DO/DI 的電平可任意。當(dāng)要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時，須先將CS端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端CLK提供時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通

40、道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。在第1個時鐘脈沖到來之前DI端必須是高電平，表示啟動位。在第2、3個時鐘脈沖到來之前DI端應(yīng)輸入2位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能，其功能項(xiàng)見表6.4。輸入形式 配置位選擇通道CH0CH1CHOCH1差分輸入00+-01-+單端輸入10+11+表6.4 ADC0832配置位如表6.4所示，當(dāng)配置位2位數(shù)據(jù)為1、0時，只對CH0 進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)配置2位數(shù)據(jù)為1、1時，只對CH1進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)配置2位數(shù)據(jù)為0、0時，將CH0作為正輸入端IN+，CH1作為負(fù)輸入端IN-進(jìn)行輸入。當(dāng)配置2位數(shù)據(jù)為0、1時，將CH0作為負(fù)輸入端IN-，CH1 作為正輸入端IN+進(jìn)行輸入。到第3個時鐘

41、脈沖到來之后DI端的輸入電平就失去輸入作用，此后DO/DI端則開始利用數(shù)據(jù)輸出DO進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第4個時鐘脈沖開始由DO端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位D7，隨后每一個脈沖DO端輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第11個脈沖時發(fā)出最低位數(shù)據(jù)D0，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從此位開始輸出下一個相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第11個時鐘脈沖輸出D0。隨后輸出8位數(shù)據(jù)，到第19 個脈沖時數(shù)據(jù)輸出完成，也標(biāo)志著一次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束。最后將CS置高電平禁用芯片，直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就可以了。圖6.22為ADC0832時序圖。圖6.22 ADC0832時序圖3.3.4 ADC0832典型應(yīng)用 SPI串行接口方式SPI是MO

42、TOROLA公司推出的一種同步串行外設(shè)接口，允許MCU也各個廠家生產(chǎn)工具的標(biāo)準(zhǔn)外圍設(shè)備直接接口，以串行方式交換信息。SPI使用4條線與主機(jī)（MCU）連接：串行時鐘SCK，主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線SO，主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線SI和低電平有效的從機(jī)選擇線CS。SPI串行擴(kuò)展系統(tǒng)的主器件單片機(jī)，可以帶有SPI接口，也可以不帶SPI接口，但從器件必須具有SPI接口。 圖6.24 STC89C52RC與ADC0832的SPI方式連接 3.4 聲音報警電路 圖3.3聲音報警電路圖3.5 狀態(tài)指示燈及控制鍵電路 狀態(tài)指示燈及控制鍵電路圖如圖3.5所示。單片機(jī)STC89C52RC的21腳(P2.0)、22腳

43、(P2.1)，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。紅燈亮表示環(huán)境中可燃煙霧濃度超過報警限值，提醒用戶盡快作相應(yīng)安全措施。 圖3.5 狀態(tài)指示燈電路圖 圖3.6 控制緊急按鍵連接示意圖4. 煙霧檢測報警器的軟件設(shè)計(jì)4.1 STC89C52RC單片機(jī)調(diào)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(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢。 Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，Keil

44、C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之 高，多數(shù)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(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。 4.2煙霧檢測報警器軟件流程及設(shè)計(jì) 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(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，數(shù)字濾波，線性化處理，段式液晶濃度 顯示，按鍵功能設(shè)置，以及報警器聲光警報。 4.2.1主程序設(shè)計(jì)及流程圖 主程序流程圖如圖4.1所示。首先要給傳感器預(yù)熱三分鐘，因?yàn)镸Q-2型半導(dǎo)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(yù)熱。程序初始化結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。本論文的主程序設(shè)計(jì)先對傳感器預(yù)熱三分鐘。

45、 傳感器送來的煙霧濃度對應(yīng)的微小的電壓信號經(jīng)過放大，轉(zhuǎn)化成較大的電壓信號送入ADC0832；然后，在ADC0832內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換、然后送入單片機(jī)進(jìn)行濃度比較，并判斷濃度值是否超出報警限，當(dāng)濃度處于正常狀態(tài)綠燈長亮，當(dāng)煙霧濃度超出設(shè)定溫度時，發(fā)出聲音報警并伴隨紅燈亮。圖4.1 主程序流程圖5. 結(jié) 論煙霧檢測報警器可保障生產(chǎn)與生活的安全，避免火災(zāi)和爆炸事故以及煤氣中毒的發(fā)生，它是防火、防爆和安全生產(chǎn)所必備的儀器，具有廣闊的市場空間與發(fā)展前景。 本論文在對煙霧傳感器和報警技術(shù)進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，全面比較國內(nèi)外同類產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)，合理地確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。并對儀 器的整體設(shè)計(jì)和各個組成部分進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)。 本論文設(shè)計(jì)的煙霧報警器由煙霧信號采集電路與單片機(jī)控制電路兩大部分構(gòu)成。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求、使用環(huán)境、成本等因素，選用MQ-2型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器。該傳感器是對以烷類煙霧為主的多種煙霧有良好敏