基于单片机的烟雾传感器报警系统设计.doc

南京信息工程大学滨江学院20112012学年第 一 学期学年论文课题名称：基于单片机的烟雾传感器报警系统系 部： 电子信息工程系 班 级： 电子信息工程2班 姓 名： 尹丽 学 号： 20082305049 指导教师： 吴大中 目 录第一章 绪论11. 1课题简介11. 1. 1课题来源11. 1. 2市场情况11. 1. 3技术现状11. 2 传感器定义与组成11. 3传感器的基本特性21. 4 传感器分类41. 5 传感器的发展趋势4第二章 硬件电路设计72. 1单片机定义722 单片机的特点及应用72. 3 MCS-51单片机的结构82. 4电源部分的设计112. 4. 1气敏传感器检测系统的设计152. 4. 2气敏传感器制作设计162. 4. 3继电器的设计172. 5 AT89C51单片机的控制电路设计182. 5. 1时钟电路的设计182. 5. 2 复位电路的设计182. 5. 3 报警控制系统电路的设计19第三章 软件程序设计213. 1应用程序的设计21第四章 调试过程234. 1 硬件调试（可以做出实物）234. 2 软件调试234. 3 联机调试27总 结28致 谢29参考文献30基于单片机的烟雾传感器报警系统设计尹丽08电子信息工程摘 要: 本文介绍一种新型的气敏传感器测试系统的设计方法。该系统基于MCS-51单片机原理和控制理论，进行气敏传感器测试、过程控制，及继电器电压控制，并能进行监控报警，克服了目前气敏传感器人工操作测试带来的效率低、误差大、操作人员长时间工作等问题。该系统结构简单，抗干扰能力强，适合于医院、学校、宿舍、家庭等环境下进行气体检测，有广泛的应用前景。关键词: 烟雾传感器、单片机、汇编语言Based On SCMs Smog Sensor Design For Alarm SystemYin LiAbstract: This article introduces one new gas sensor test systems design method. This system based on the MCS-51 monolithic integrated circuit principle and the control theory, carries on the gas sensor test, the process control, and with the relay establishment voltage control, and can carry on the monitoring warning, overcame the efficiency which the present gas sensor manual control test brought to be low, the error was big, questions and so on operators long-firing operation. This system structure is simple, anti-jamming ability, suits under environment and so on hospital, school, dormitory, family carries on the gas examination, has the widespread application prospect.Key words: Smog sensor、MCU、Assembly language第一章 绪论1. 1 课题简介1. 1. 1 课题来源本课题源于在科技高度发达的今天,火灾对人生命和财富造成的伤害越来越严重,使用一定报警装置来减少甚至防止火灾的发生是非常必要的。烟雾报警器可以在一定程度上有效的对意外燃烧、爆炸、中毒进行提醒，提醒人们采取有效的办法防止意外发生。 1. 1. 2 市场情况近年来，随着半导体、计算机技术的发展，新型或具有特殊功能的传感器不断涌现出来，单片机检测装置也向小型化、固体化及智能化方向发展，应用领域也更加宽广。上至茫茫太空，下至海底、井下，大至工业生产系统，小至家用电器、个人用品，我们都可以发现单片机检测技术的广泛应用。我所设计的单片机控制烟雾传感器报警系统就是能使用在家庭、办公室、学校等环境下，将实现检测、控制、报警功能，方便人们及时有效的采取有效措施防止事故发生。1. 1. 3 技术现状本课题与同类相比，优越性更大，目前，人们对气敏传感器的测试方法主要停留在用人工手动的方式来操作，开发出一种实用高效的智能化传感器测试装置是极为必要的，这将给操作人员带来极大方便，而本设计是基于单片机做的，是用单片机的硬件和软件结合起来。这样的设计可以检测和控制烟雾浓度，相比之下，实用性和操作性更高一些。1. 2 传感器定义与组成 传感器是一种能感受规定的被测量，并按找一定的规律装换成可用输出信号的器件或装置。常用传感器的输出信号多为易于处理的电量，如电压、电流、频率等。传感器有敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成，如图1-1所示。图1-1 传感器的组成原理框图图中的敏感元件是在传感器中直接感受被测量的元件，即被测量通过传感器的敏感元件转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。这一非电量通过传感元件后就被转换成电参量。测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。但不是所有的传感器都有敏感、传感元件之分，有些传感器是将这两者合二为一的 。1. 3 传感器的基本特性 传感器的特性一般指输入、输出特性。它有静态、动态之分。其重要特性主要表现在以下方面。（1） 灵敏度（sensitivity）灵敏度是指传感器在稳态下输出变化值与输入变化值之比，用K来表示 式中 X输入量的变化值；Y输出量的变化值。对线性传感器而言，灵敏度为一常数；对非线性传感器而言，灵敏度随输入量的变化而变化。从输出曲线看，曲线越陡，灵敏度越高。（2） 分辨力（Resolution）分辨力是指传感器能检出被测信号的最小变化量，是有量纲的数。当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，一般可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。一般地说，分辨力的数值小于仪表的最大绝对误差。但是若没有其他附加说明，有时也可以认为分辨力就等于它的最大绝对误差。将分辨力除以仪表的满度量程就是仪表的分辨率，它常以百分比或几分之一表示。（3） 线性度（Linearity）线性度又称非线性误差，是指传感器实际特性曲线与拟合直线（有时也称理论直线）之间的最大偏差与传感器量程范围内的输出之百分比。如图1-2所示，它可用下式表示，且多取其正值。式中 Lmax-最大非线性误差 Ymax-Ymin -输出范围拟合直线的选取有多种方法，图1-2是将传感器输出起始点与满量程点连接起来的直线作为拟合直线，这条直线称为端基理论直线，按上述方法得出的线性度称为端基线性度。图1-2 传感器线性度示意图（4） 稳定性（Regulation）稳定性指在室温条件下，经过相当长的时间后，传感器输出与起始标定时输出之间的差异。差异越小，稳定性越好。稳定性一般以仪表的示值变化量和时间的长短之比来表示。例如，某仪表输出电压值在8h内的变化量为1.3mv，则表示为 1.3mv/8h。环境影响是由外界环境变化而引起示值变化，示值的变化由两个因素构成：一是零漂，二是灵敏度漂移。零漂是指原先已调零的仪表在受外界影响后，输出不再等于零，而有一定的漂移。造成环境影响量的因素有温度、湿度、气压、电源电压、电源频率等。在这些因素中，温度变化对仪表的影响最难克服，必须予以特别的重视。（5） 可靠性（Reliability）可靠性是反映检测系统在规定的条件下，在规定时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。（6） 精确度（Accurately）精确度表示传感器的输出与被测量的对应程度。传感器处于测试系统的输入端，因此，能否真实地反映与被测量值，对整个系统具有直接影响。然而，也并非要求传感器的精确度越高越好，因为还应考虑到经济性。传感器精确度愈高，价格越昂贵。因此应从实际出发。传感器在实际条件下的工作方式，也是选用传感器时应该考虑的重要因素。例如，接触测量与非接触测量，在线与非在线测量等。因为条件不同对传感器要求亦不同。除了以上选用传感器时应充分考虑的一些因素外，还应尽可能兼顾结构简单、体积小、质量小、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。此外，还要合理选择设置场所，了解传感器的外形尺寸和质量，注意安装方法；注意从传感器的工作原理出发，分析被测物体中可能会产生的负载效应等问题，1. 4 传感器分类 传感器的种类名目繁多，分类不尽相同。常用的分类方法有： （1） 按被测量分类 可分为位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。（2） 按测量原理分类 可分为电阻、电容、电感、光栅、热电偶、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。（3） 按输入信号形式分类 物理量传感器（力、位移、光、声、色等传感器），化学量传感器（气体、湿度、离子等传感器），生物量传感器（蛋白质、酶、组织等传感器）。（4） 按输出信号形式分类 模拟量传感器和数字量传感器。（5） 按其他形式分类 用途类、科目类、功能类等传感器。1. 5 传感器的发展趋势 传感器技术是21世纪人们在高新技术领域争夺的一个制高点。21世纪是人类全面进入信息电子化的时代，作为现代信息技术的三大支柱之一的传感器技术必将有较大的发展。我国今后传感器方面的研究和开发方向应是：微电子机械系统七辰传感器环保传感器工业过程控制传感器医疗卫生和食品业检测传感器新型敏感材料等。 下面将传感器的发展趋势概括为以下几个方面。（1） 向结构型传感器方向发展目前，大多数使用的是结构型传感器，由于结构型传感器在原理、材料和结构形式等方面都不断发生变化，除主要向高稳定性，高可靠性和高精度方向发展外，正在向有源化方向发展。即将敏感元件和电路组装在一起，减小装置体积，提高信噪比。结构传感器由于采用新结构、新材料和新工艺，可以大幅度提高传感器的性能。（2） 向小型化、集成化方向发展由于航天和航空技术的发展以及医疗器件的需要，传感器必须向小型化方向发展，以便减小体积和质量。而小型化的基础是集成化，它分为传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化。集成化传感器由低级发展到高级，把各种调节和补偿电路与传感器集成在一起，降低了对环境的要求，提高了信噪比和精度。（3） 向智能化方向发展将传统的传感器和微处理器及相关电路组成一体化的结构就是智能传感器。智能传感器可以分为三种类型，即具有判断能力的传感器、具有学习能力的传感器和具有创造能力的传感器。它主要有以下功能： 自校准功能 操作者输入零值或某一标准量值后，自校准软件可以自动地对传感器进行在线校准。 自补偿功能 智能传感器在工作中可通过软件对非线性、温度漂移、响应时间等，进行自动补偿。 自诊断功能 智能传感器在接通电源后，可以对传感器进行自检，检查各部分是否正常。在内部出现操作问题时，能够立即通知系统，通过输出信号表明传感器发生故障，并可诊断发生故障的部件。 数据处理功能 智能传感器可以根据内部的程序，自动处理数据。例如进行统计处理、剔除异常数据等。 双向通信功能 智能传感器的微处理器与传感器之间构成闭环，微处理器不但接收、处理传感器的数据，还可以将信息反馈至传感器，对测量过程进行调节和控制。 信息存储和记忆功能 数字信号输出功能 智能传感器输出数字信号，很方便地和计算机或接口总线相连。（1） 向开发新型传感器方向发展利用具有新效应的敏感功能材料或开发新的敏感功能材料研制新型传感器。如：利用量子力学效应研制高灵敏度传感器；利用核磁共振吸收效应研制的磁敏传感器，可将检测范围扩展到地磁场强度的千万分子一；利用约瑟夫效应研制的热噪声温度传感器，可测超低温；利用光子滞后效应研制快速红外传感器等。（2） 向研究开发生物传感器方向发展研究人类和动物的器官，利用仿生学开发仿生传感器。（3） 向多维化与灵巧化方向发展多维化传感器是把多个传感器单元合做在一起，则可识别空间和复杂的环境状态，X射线的CT即为此种传感器。 灵巧传感器属于智能传感器的一种，具有可程控与自适应功能，是计算机技术和传感器技术的进一步结合，使传感器的作用更为重要。 随着微电子技术的发展，可将十分复杂的信号处理和控制电路集成到单块芯片中去。可以通过Internet网，实现多个系统之间的数据交换和共享，从而构成网络化的检测系统。还可以远在千里之外，随时随地浏览现场工况，实现远程调试、远程故障诊断、远程数据采集和实时操作等。 总之，传感器检测技术的蓬勃发展适应了我国国民经济的迫切需要，是一门充满希望和活力的新兴技术，目前取得的进展已十分瞩目，今后还将有更大的飞跃。第二章 硬件电路设计2. 1 单片机定义计算机的发展经历了从电子管到大规模集成电路等几个发展阶段，随着大规模集成电路技术的发展，使计算机向性能稳定可靠、微型化、廉价方向发展，从而出现了单片微型计算机。所谓单片微型计算机，是指将组成微型计算机的基本功能部件，如中央处理器CPU、存储器ROM和RAM、输入/输出（I/O）接口电路等集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，简称单片机。总体来讲，单片机可用如下“表达式”来表示： 单片机=CPU+ROM+RAM+I/O+功能部件22 单片机的特点及应用 一、单片机的特点随着半导体、计算机科技技术的发展，单片机的集成度越来越高，CPU的位数也越来越高，已能将所有主要部件都集成在一块芯片上，使其应用模式多、范围广，并具有以下特点：（1） 低电压，低功耗，优异的性能价格比，重量轻，易于产品化。（2） 控制功能强，运行速度快，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制问题，满足工业控制要求，并有很强的位处理和接口逻辑操作等多种功能。（3） 抗干扰能力强，适用温度范围宽。由于许多功能部件集成在芯片内部，受外界影响小，故可靠性高。（4） 虽然单片机内存储器的容量不可能很大，但存储器和I/O接口都易于扩展。（5） 可以方便的实现多机和分布式控制。二、单片机的应用单片机的应用具有面广、量大的特点，目前广泛应用于国民经济各个领域，对技术改造和产品的更新起着重要作用。主要表现在以下几个方面：（1） 单片机在智能化仪器、仪表中的应用：由于单片机有计算机的功能，它不仅能完成检测，还既有数据处理、温度控制功能，易于实现仪器、仪表的数字化和智能化。（2） 单片机在实时控制中的应用：单片机可以用于各种不太复杂的实时控制系统中。将测量技术、自动控制技术和单片机技术相结合，充分发挥单片机的数据处理和实时控制功能，使系统工作于最佳状态。（3） 单片机在机电一体化中的应用：单片机有利于机电一体化技术的发展，已广泛应用于数控机床、医疗设备、汽车设备等。（4） 单片机在多机系统中的应用：单片机在多机系统中的应用是将来单片机发展的主要模式，它可以提高单片机的可靠性，使系统运行速度更快。（5） 单片机在计算机外围设备中的应用：单片机广泛应用于打印机等多种计算机的外围设备，特别是用于智能终端，可大大减轻主机负担，提高系统的运行速度。（6） 单片机在家用电器中的应用：单片具有体积小、重量轻、价格便宜等特点，所以家电产品中配上微电脑后，使其身价百倍，功能强，使用方便，深得用户欢迎。（7） 单片机在通信中的应用：单片机广泛应用于移动通信领域，使移动电话的功能更强大，操作更方便。2. 3 MCS-51单片机的结构MCS-51单片机内部结构如图2-1所示：图2-1 MCS-51单片机内部结构图方框图MCS-51系列单片机的最典型的产品有内部无ROM的8031、内部具有4KB片内ROM的8051及内部具有4KB字节EPROM的8751，这三种型号的单片机除内部程序存贮器ROM不同外其它内部资源相同。8051主要包含以下功能部件：（l） 一个8位CPU；（2） 4KB片内ROM程序存贮器；（3） 128字节内部RAM数据存贮器；（4） 2个16位的定时器/计数器；（5） 4个8位的并行口P0、P1、P2和P3；（6） 1个全双工的串行口；（7） 5个中断源、2级中断优先级的中断控制器；（8） 21个专用寄存器（SFR）。一、MCS-51引脚及功能如下：（1） 电源及时钟引脚，如图2-2所示：包括电源引脚Vcc、Vss及时钟引脚XTAL1、XTAL2。电源引脚接入单片机的工作电源。Vcc(40脚)：接+5V电源； Vss(20脚)：接地。时钟引脚(18、19脚)外接晶体时与片内的反相放大器构成一个振荡器。XTAL1(19脚)：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端。当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。XTAL2(18脚)：接外部晶体的另一端，在单片机内部接至反相放大器的输出端。若采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号。图2-2 电源、时钟引脚、控制引脚以及输入/输出引脚（2） 控制引脚，如图2-2所示:（3） 输入输出引脚，如图2-2所示:输入输出(IO)口引脚包括P0口、P1口、P2口和P3口。P0口为双向8位三态IO口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是地址总线低8位及数据总线分时复用口，可驱动8个TTL负载。一般作为扩展时地址/数据总线口使用。P0端口的每一位都有一个为锁存器，一个输出驱动器和一个输入数据缓冲器。有两种功能：一是作为外部地址/数据总线使用；二是作为通用I/O端口使用。当系统需要扩展时，P0端口具有外部地址/数据总线的分时复用功能，既是外部地址总线的低8位地址，又是片外数据总线。当作为通用I/O端口使用时，是一个三态的I/O端口。如果是用作输出口，则需要外接上拉电阻才能驱动负载；而用作输入口时，必须保证P0端口锁存器的初始状态是1，否则在读操作之前，应先向P0端口锁存器写入1（单片机复位后，P0P3端口的锁存器状态都是1）。P1口为8位准双向IO口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线(作为输入时，端口锁存器必须置1)，可驱动4个TTL负载。与P0端口不同的是它具有上拉电阻，失准双向通用I/O端口。作为输出口时，直接驱动负载。作为输入口时，应该先向P1端口写入1，以关闭输出驱动场效应管，这时端子可被内部上拉电阻拉为高电平，同样也可以由外部信号拉为低电平。只有这样才能保证端子信号的正确读入。P2口为8位准双向IO口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是与地址总线高8位复用，可驱动4个TTL负载。一般作为扩展时地址总线的高8位使用。有两种功能：一是作为外部地址总线的高8位地址使用；二是作为通用I/O端口使用。当系统需要扩展时，P2 是外部地址总线的高8位地址线。当作为通用I/O端口时，是一个准双向I/O端口，与P1功能类似。P3口为8位准双向IO端口，同时还具有第二功能。可驱动4个TTL负载。用作I/O端口时，与P1端口一样是准双向I/O端口。二、负载能力P0端口的输出级与P1P3端口的输出级在结构上是不同的，因此他们的负载能力也不同。通常把100A的电流定义为一个TTL负载的电流。P1P3端口输出电流都不小于400A，所以它们的每一位输出都可驱动4个LSTTL（低功耗肖特基）负载。P1P3端口内部都有上拉电阻，因此作为输入时，无需加上拉电阻。P0端口的输出电流不小于800A，所以它的一位输出可驱动8个LSTTL负载。但它内部没有上拉电阻，所以如果输入由电极开路或漏极开路电路驱动时，应外加上拉电阻。当输出MOS驱动电路时，也应加上拉电阻。2. 4 电源部分的设计在电子设备上一般都需要直流电源供电。这些直流电除了少数直接利用电池和直流发电机外，大多数是采用把交流电（市电）转变为直流电的直流稳压电源。根据交流电源的相数不同，整流电路可分为单相整流电路和三相整流电路两种。本毕业设计的电源部分采用的是单相桥式整流电路，通过电容滤波、集成三端稳压器来完成电源部分的设计。 220V50HZ交流输入电源变压器整流电路滤波电路稳压电路直流输出 图2-3 直流稳压电源图 直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成，其原理框图如图2-3所示。电网供给的交流电压（220V，50HZ）经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压U2,然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压U3,再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压Uo.一、单相桥式整流电路的设计单相桥式整流电路如图2-4所示。图2-4单相桥式整流电路它利用4只二极管组成两个回路，轮流工作。设变压器的二次绕组电压为 当变压器的 电压为正半周时，变压器的极性为上正下负。二极管VD1、VD3受正向电压而导通，电流自变压器的a端流出，经VD1、VD3而流进变压器b端，此时VD2、VD4受反向电压而截止。当变压器的为负半周时，变压器的极性为上负下正，二极管VD2、VD4受正向电压而导通，VD1、VD3受反向电压而截止。电流自变压器的b端流出，经VD2、VD4流进a端，负载上又得到半周期波形。整流电路在一个周期内，4个二极管分为两组，轮流导通，轮流截止，这样不断重复，负载上就能得到单一方向的全波脉动电压和电流。负载平均电压，负载电流为 ，整流二极管由于是轮流工作，故二极管中电流只为负载电流的一半，即，整流二极管所能承受的最高反向电压电压的最大值，即。桥式整流电路克服了半波整流电路输出电压脉动性大和变压器利用率低的缺点，所以得到广泛应用。 二、电容滤波的设计利用整流电路得到的直流电压和电流，由于脉动性较大，只适用于电解、电镀、充电等对电压平滑性要求不高的场合，不适用于电子仪器、自动控制装置及音像设备等对电压平滑性要求较高的负载电路。为此在为传感器检测系统的电源部分增加了滤波环节，通过滤波作用，将脉动的直流电变为平滑的直流电。将电容器并联在负载两端，就构成了电容滤波电路，如图2-5所示。此为单相桥式整流电路。当电容两端电压上升时，电容器充电，电场储能；当下降时，电容器放电，电场释放能量。在电压波形中，这段时间内，变压器的电压正向升高，二极管VD导通，变压器一方面给负载供电，一方面给电容器充电，电容器两端的电压（即负载两端的电压）随电压上升到的最大值。当电压达到最大值以后即开始下降，此时电容器两端的电压大于，二极管受反向电压而截止，电容器从时刻开始通过负载电阻放电。当放电到 时，电压大于，二极管导通变压器又一方面给负载电阻供电，一方面给电容器充电，重复上述过程。 图2-5电容滤波电路电容器放电过程中，其两端电压下降的快慢取决于电容器的电容量与负载阻值的乘积，RC乘积称为电路的时间常数，用 表示，=RC，的单位为s（秒）。如果滤波电容器的容量比较大，负载电阻的阻值也比较大，电容器两端电压下降的就慢，反之下降的就快，电容器两端电压下降的越慢，反之两端的电压越平滑，滤波效果越好。在带有电容滤波的整流电路中，由于滤波电容对负载放电，使负载上的电压变得平滑，从而使负载上的电压平均值增加。从滤波后的波形可知，当值足够大时，负载上电压的平均值可接近的最大值。为了获得较好的滤波效果，一般选择较大的滤波电容。在工程上桥式整流滤波电容一般按照下式计算C (35)T/2式中，T为电压U2的周期。若电源频率为50HZ，则T=0.02s，于是C （0.030.05）s在已知Rl的情况下，便可以估算电容值。一般滤波电容在几百微法到几千微法。由于滤波电容的容量较大，通常选用电解电容器，电解电容器是有极性的电容器，使用时注意正负极不要接错，否则会使电容器击穿损坏。整流电路加入滤波电容之后，其输出电压的平均值可按下面公式计算电容滤波整流电路中，当交流电源接通的瞬间，由于电容器两端电压的初始值为零，电容相当于短路，整流二极管此时通过的冲击电流很大，可能会造成二极管的损坏。因此在选用整流二极管时，要留有适当的裕量。电容滤波适用于负载较小且基本不变的电路，因为负载很大（即负载电阻小，负载电流大），电容器放电很快，滤波效果差；如果负载变化很大，不但滤波效果差，而且负载两端的电压波动大。三、集成稳压电路的设计集成稳压电路应用集成电路的制造工艺，将很多微小的电阻、电容及半导体器件制作在一片硅片上，加上功能引脚，然后封装而成。集成稳压电路具有稳压功能，作为使用者在此我们不必深究它的内部结构，只要掌握了它的外部引脚功能的正确使用就可以了。集成稳压电路种类很多，在这里我们选用的是7800系列的三端固定稳压器。7800系列三端固定稳压器是正电压稳压器，其输入电压为正值。它有3个外接引脚，1脚接输入电压；2脚接输出电压；3脚接公共端（地）。它的输出电压有很多种规格，输出电压值由型号后面的数字来表示。如图2-6就是三端稳压器在传感器检测电源中的具体应用。图2-6 W7800系列稳压电源在检测系统中的应用2. 4. 1 气敏传感器检测系统的设计 气敏传感器是用来测量气体的类型、浓度和成分的传感器，是一种能把气体（空气）中的特定成分检测出来，并将成分参量装换成电信号器件或装置，以便提供有关待测气体的存在及其浓度大小的信息。能实现气电转换的传感器种类很多，按构成气敏传感器的材料分为半导体和非半导体两大类。目前实际中使用最多的是半导体气敏传感器。 最初的气敏传感器用于可燃性气体和瓦斯泄露报警。后来推广应用于有毒气体的检测，容器或管道泄露的检测，环境监测（粉尘、油雾）等。近年来在空气净化、家电用品、宇宙探测等方面使用逐渐增多。半导体气敏传感器是利用气体在半导体敏感元件表面的氧化和还原反应导致敏感元件电阻值、电阻率或电容发生变化而制成的，借此测定气体的成分或浓度。按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控型，前者半导体材料表面吸附的气体与组成原子间发生电子交换，结果使半导体的电导率等物理性质发生变化，但内部化学组成不变；后者半导体材料与气体的反应，使半导体内部组成发生变化。按半导体变化的物理特性，又可分为电阻型和非电阻型。电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度；非电阻型半导体气敏元件是利用其他参数，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阀值电压变化来检测被测气体。表2-1为半导体气敏传感器的分类。 表-1半导体气敏传感器的分类主要物理特性类型检测气体气敏元件电阻型电阻特性表面检测型可燃性气体SnO、ZnO、等的烧结体、薄膜、厚膜体控型酒精可燃性气体氧气（O）氧化镁（MgO）、SnO氧化钛（烧结体）TFeO非电阻型二极管整流特性表面控制型氢气（H）一氧化碳（CO）酒精（CHOH）铂硫化硒铂氧化钛（金属半导体烧结二极管）晶体管特性氢气（H）、硫化氢（HS）铂栅、钯栅MOS场效应管2. 4. 2 气敏传感器制作设计测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO、ZnO、或FeO等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂及其他添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。图2-7是烟雾传感器测量转换电路简图。图2-7烟雾传感器电路图烟雾传感器器件是由塑料底座电机引线气敏烧结体以及包裹在烧结体中的两组铂丝组成。一组铂丝为工作电极，另一组为加热电极兼工作电极。工作时气敏电阻必须加热到200300，其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程。表2-2烟雾气敏电阻的主要特性测量回路电压/V91.5加热回路电压/V50.5加热电流/mA160180环境温度/-10+50环境湿度/RH0.95当半导体的表面在高温下遇到离解能较小（易失去电子）的烟雾气体时，气体分子中的电子将向气敏电阻表面转移，使气敏电阻中的自由电子浓度增加，电阻率下降，A-B间电阻减小，电位器RP滑动端电压升高，还原性气体浓度越高，电阻下降就越多。这样，就把气体的浓度信号转换成电信号，送到+5V过电压继电器。2. 4. 3 继电器的设计继电器是一种根据（电流、电压）或非电量（时间、速度、温度、压力）的变化自动接通和断开控制电路，以完成控制或保护任务的电器。可对各种电量或非电量的变化作出反应，用于切换小电流的控制电路。继电器用途广泛，种类繁多。按反应的参数不同可分为电压继电器、电流继电器、中间继电器、热继电器、时间继电器和速度继电器等；按动作原理不同可分为电磁式、电动式、电子式和机械式等。其中电压继电器、电流继电器、中间继电器均为电磁式。此设计系统的传感器输出装置接+5V过电压继电器线圈，并有常开触点和常闭触点。当传感器检测到周围环境浓度达一定时（危害环境的范围），即电位器RP滑动端电压升高到+5V，过电压继电器线圈得电导通，常开触点闭合，常闭触点断开。如下图示：图2-8 继电器电路图 继电器电路中一般都要在继电器的线圈两头加个二极管以吸收继电器线圈断电时产生的反电势。2. 5 AT89C51单片机的控制电路设计2. 5. 1 时钟电路的设计如图2-9所示。单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的。在单片机的XTAL1和XTAL2两个引脚间，接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路。电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的参数。电路中，电容器C1和C2对振荡器频率有微调作用，通常的取值范围3010pF；石英晶体选择6MHZ或12MHZ都可以。其结果只是机器周期时间不同，影响计数器的计数初值。图2-9 时钟电路的设计2. 5. 2 复位电路的设计如图2-10所示。单片机的RET引脚为主机提供一个外部复位信号输入端口。复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间应为2个机器周期以上。复位以后，单片机内各部件恢复到初始状态，单片机从ROM的0000H开始执行程序。单片机的复位方式有上电自动复位和手工复位两种。图2-10是51系列单片机常用的上电复位和手动复位的组合电路，只要VCC上升时间不超过1ms，它们都能很好地工作。阻容器件的参考值为，R1=200，R2=1K，C3=22uF。图2-10 复位电路的设计2. 5. 3 报警控制系统电路的设计设计要求烟雾浓度达到一定时要有声音提醒信号产生，可选择一只蜂鸣器来实现这一功能。压电式蜂鸣器工作时约需10mA的驱动电流，并设计一个相应的驱动及控制电路。电路设计如图2-11所示，蜂鸣器作为三极管VT1的集电极电极负载，当VT1导通时，蜂鸣器发出鸣叫声音，VT1截止时，蜂鸣器不发声。蜂鸣器电路与单片机的接口P0.0相连：VT1的基极接到单片机P0口的P0.0引脚，P0.0引脚作为输出口使用。当P0.0=1时，VT1截止，蜂鸣器的两引脚间的直流电压接近于0V，蜂鸣器不发声。当P0.0=0时，VT1导通时，使蜂鸣器的两个引脚间获得将近5V的直流电压，蜂鸣器中有电流通过，而产生蜂鸣音。在此单片机应用系统中，通过P1口对输入电压信号进行有和无控制，P0口对输出的高低电平进行控制。P1.0端口接继电器常开触点，正端接电压，与常闭触点接一安全警示绿灯，正常情况下，绿灯发光，代表烟雾浓度在正常范围之内，说明环境是良好的；当环境周围烟雾浓度升高，经检测浓度达到500ppm时，传感器电阻急剧降低，同时电位器两端电压迅速升高，继电器线圈得电，并触动常开开关吸合，常闭按钮断开，断开同时绿灯熄灭。在此过程，P1.0口接的是常开按钮，闭合时，送一低电平信号给P1.0，同时驱动P0.0口有10，使P0.0口输出电路导通，并使报警电路发生报警，P0.0口输出电路以方波形式频繁导通截止，蜂鸣器进行嘟嘟报警，通知周围此处将有危险情况，并积极采取有效措施加以制止。图2-11 报警控制系统电路的设计原理图第三章 软件程序设计3. 1 应用程序的设计 主程序的内容一般包括：主程序的起始地址，中断服务程序的起始地址，有关内存单元及相关部件的初始化和一些子程序调用等等。（1）程序的起始地址MCS-51系列单片机复位后，（PC）=0000H，而0003H002BH分别为各中断源的入口地址。所以，编程时应在0000H处写一跳转指令。（2）主程序的初始化内容所谓初始化，是对将要用到MCS51系列单片机内部部件或扩展芯片进行初始化工作状态设定。MCS51系列单片机复位后，特殊功能寄存器IE，IP的内容均为00H。（3）主程序设计框图 开始跳到主程序等待P1.0口设置P0.0口循环延时1清除P0.0口继续判断等待调用报警指令ling令循环延时2图3-1 主程序设计框图（4）程序清单 ORG 0000H ；定义起始地址 AJMP START ；跳转至主程序 ORG 0030H ；为下面程序定义地址START： JB P1.0 , $ ；等待判断P1.0口电平变化 ACALL SPEAKER ；调用子程序SPEAKER： CLR P0.0 ； 对P0.0清零 ACALL DELAY ； 调用延时子程序 SETB P0.0 ； 设置P0.0口 ACALL DELAY LJMP START ； 跳回继续判断P1.0口电平变化，若是低电平，蜂鸣器一直报警DELAY： ；延时子程序 MOV R1 , #0FFH ；对寄存器赋初值DELAY1： MOV R2 ， #0FFHDELAY2： DJNZ R2 , DELAY2 ；判断循环是否结束 DJNZ R1 , DELAY1 RET ； 返回 END第四章 调试过程4. 1 硬件调试（可以做出实物）硬件组装前首先要仔细核对硬件系统设计原理的正确性，包括参数选用的正确性和原理的正确性，这取决于设计者的学识和经验积累。对没有把握的电路可以通过实验板上直接焊接实际电路来进行调试和验证。在系统通过理论分析后，便可进行印刷电路设计和加工。第一步：断电调试为安全起见，首先必须进行断电调试。断电调试的内容至少包含短路检测和原理的正确性确认。（1）短路检测系统电路焊接完成后，必须进行短路检测。检测的方法很简单，选用合适的万用表欧姆挡（例如，20K挡或200K），用红黑表笔接电路板的+5V电源的+、-极，如果存在充放电现象（即电阻指示从大到小再到大或从小到大）。最后电阻稳定的一个适当的位置（一般为几千欧姆），即可排除系统短路现象。如果无充放电现象或电阻值稳定在很小的位置，则说明系统中可能存在短路故障，不能通电试验，必须对系统进行彻底检查，直至解决。（2）原理正确性确认关于这个问题，不同的电路有不同的工作原理，因此，必须针对具体电路进行具体分析。第二步 通电调试（1）复位是否正常复位不正常也会导致系