毕业设计（论文）-基于单片机的火灾报警器的设计.doc

中北大学2013届毕业设计说明书1 引 言全套设计加扣3012250582 1.1 选题背景及意义火灾是可燃物在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害，是威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。火，在给人类带来文明进步、光明和温暖的同时也在其失去控制之时给人类造成了巨大的灾难。据统计，我国70年代火灾平均损失不到2.5亿元，80年代火灾平均损失接近3.2亿元。进入90年代，特别是1993年以来，火灾造成的直接损失上升到年均十几亿元，年均死亡2000多人。严峻的事实证明，随着社会和经济的发展，社会财富日益增加，火灾给人类、社会和自然造成的危害范围不断扩大，它不仅毁坏物质财产，造成社会秩序的混乱，还直接威胁生命安全，给人们的心灵造成极大的伤害。残酷的现实让人们逐渐认识到监控预警和消防工作的重要性，良好的监控系统和及时的报警机制可以大大降低人员的上网，为社会减少不必要的损失。随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，由此引起的火灾也越来越多，在我们生活的四周到处潜伏着火灾隐患。智能化火灾报警系统已并非传统意义上的简单的报警设备，而是融入了计算机技术、电子技术、自动控制技术、传感器的应用等各领域知识。伴随着科学技术的不断进步，火灾报警系统必将得到更快的发展。1.2 设计内容选用温度传感器、烟雾传感器、AT89S52单片机以及LED显示灯模块设计了一种智能火灾报警器，可以实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。设计一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的火灾报警器。本系统采用AT89S52单片机作为处理器，主要完成以下工作：1. 基于AT89S52的火灾报警检测设计方案。2. 温度传感器、烟雾传感器、A/D转换芯片ADC0832的选择以及与单片机的接口电路设计。3. 编写好单片机的控制程序。2 火灾报警器系统的工作原理2.1 系统总体功能概述火灾报警系统一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成。火灾探测器通过对火灾发出的物理、化学现象气（燃烧气体）、烟（烟雾粒子）、热（温度）、光（火焰）的探测，将探测到的火情信号转化成火警电信号传递给火灾报警控制器。区域报警器将接收到火警信号后经分析处理发出声光报警信号，警示消防控制中心的值班人员，并在屏幕上显示出火灾的房间号。集中报警是将接收到的信号以声光形式表现出来，其屏幕上也显示出着火的楼层和房间号，利用本机专用电话还可迅速发出指示和向消防队报警。此外，也可以控制有关的灭火系统或将火灾信号传输给消防控制室。整体电路的框图如图2-1所示：烟雾传感器A/D转换单片机AT89S52温度显示声音报警浓度显示按键温度采集图2-1 系统原理及组成框图 2.2 火灾报警系统的类型 根据火灾报警系统中所使用的探测器种类的不同，火灾报警系统可以分为以下四种：（1）感温型火灾报警系统 由于火灾发生时燃烧物会产生大量的热量，使得周围温度迅速变化。感温型火灾报警系统就是通过判断周围温度变化而产生响应的火灾报警系统，再把温度的变化转换为电信号以达到判断报警的目的。根据探测温度参数的不同，一般可以将感温型火灾报警系统分为定温式、温差式等几种。(2)感烟型火灾报警系统烟雾是早期火灾的重要特征之一。在火灾发生的初期，由于温度比较低，许多物质都处于阴燃阶段，产生大量的烟雾。感烟型火灾报警系统就是对空气中可见或不可见的烟雾粒子进行探测，然后将烟雾浓度的变化转换为电信号来触发报警。感烟型火灾报警系统主要有激光感烟式、光电感烟式和离子感烟式等。（3）感光型火灾报警系统 物质燃烧不但会产生烟雾和热量，同时也会产生可见或不可见的光辐射。感光型火灾报警系统就是通过响应火灾中产生的光特性，即扩散火焰的光强度和闪烁频率，来触发报警系统的。根据感应的敏感波长，可以将感光型火灾报警系统分为对波长较短的光辐射敏感的紫外报警系统和对波长较长的光辐射敏感的红外报警系统。（4）复合型火灾报警系统 如果报警系统同时对温度、烟雾和光辐射中的两种或两种以上参数做出响应，那么它就是复合型火灾报警系统。目前复合型火灾报警系统有感温感烟型、感烟感光型、感温感光型等多种形式。2.3 火灾探测器的原理火灾发生时，必然会伴随着产生烟雾、高温和火光，探测器对这些都很敏感。当有烟雾、高温、火光产生的时候，它就改变平时的正常状态，引起电流、电压或机械部分发生变化或位移，再通过放大、传输等过程发出警报声，有的还能同时发出灯光信号并显示发生火灾的部位、地点。火灾探测器主要分感烟、感温、光辐射三大类： （1）感烟探测器。一种是离子感烟探测器，它在内外电离室里面有放射源镅，电离产生的正负离子，在电场的作用下各向正负电极移动。在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。一旦有烟雾窜逃外电离室，干扰了带电粒子的正常运动，电流、电压就有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是就发出了信号。还有一种叫光电感应探测器，它有一个发光元件和一个光敏元件，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著减弱，于是光敏元件就把光强的变化变成电的变化，通过放大电路向人们报警。还有一种叫管道抽吸式感烟探测器，他的工作原理与光电感应探测器中另一种散射型相似，通过烟雾的反射或散射产生光敏电流，主要用在船舶上。近年来还出现了激光感烟探测器，它也是利用光电感应原理，不同的是光源改用激光束。这种探测器采用半导体器件，体积小、价格低、耐震动、寿命长，很有发展前途。 （2）感温探测器。一种是运用金属热胀冷缩的特性。正常的情况下，探测器的电路断开，当温度升到一定值时，由于金属膨胀、延伸，导体接通，于是发出了信号。一种是利用某些金属易熔的特性，在探测器里固定一块低熔点合金，当温度升到它的熔点（7090）时，金属熔化，借助弹簧的作用力，使触头相碰，电路接通，发出信号。这两种探测器都属定温型，即当外界温度超过某一限值时就会报警；还有一类是差温型，升温的速度超过特定值时，便会感应报警。如将两者结合起来，便成为差定温组合式。 （3）光辐射探测器。一种是红外光辐射探测器。物质在燃烧时，由化学反应产生闪烁的红外光辐射使硫化铅红外光敏元件感应，转变成电信号，经放大后，就能向人们报警。另一种是紫外光辐射探测器，则利用有机化合物燃烧时，火光中的紫外光，使紫外光敏管的电极激发出离子，通过继电器等，就能打开开关电路报警。火灾报警器是重要的安全设备，一切重要的场所，如大型物资仓库、隧道、大型船舶、高层建筑都应该安装。它还可以与自动灭火设备一起组成自动报警、自动灭火的“自动消防队”。3 系统硬件的选择3.1 AT89S52单片机 1. AT89S52单片机的选择与介绍在火灾报警器的设计中，单片机是其核心部件。它一方面要接收来自传感器送来的温度、烟雾对应的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对这两种信号分别进行处理，以控制后续电路进行相应动作；与此同时查询是否有键按下的请求。在单片机完成这些工作的过程中，尤其是信号处理中，比较浓度值后送入显示的软件实现比较复杂，要求单片机具备较快的运算速度，使检测人员能够较准确地观测到烟雾浓度，并根据情况进行相应的处理。并且也要考虑选择低价实用的机型，并为研制同一系列的低功耗产品做准备。根据多方面的比较，本设计选用ATMEL公司的AT89S52单片机作为控制器。 AT89S52是一个低功耗、高性能的CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的计算机AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案1。AT89S52片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间，支持最大64K外部存储扩展。根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在0-33M之间。片内资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。根据本次设计的具体情况，采用双列直插DIP-40封装13。AT89S52的引脚图如图3-1所示，结构框图如3-2所示： 图3.1 AT89S52引脚图图3.2 AT89S52结构框图 此外，AT89S52设计和配置了震荡频率可为12MHZ并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 2.主要功能特性： 兼容MCS-51指令系统 4k可反复擦写(1000次）Isp Flash Rom 32个双向I/O口 4.5-5.5v工作电压 2个16位可编程定时/计数器 时钟频率0-33mHz 全双工UART串行中断口线 128x8Bit内部RAM 2个外部中断源 低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式 3级加密位 看门狗（WDT）电路 软件设置空闲和省电功能 灵活的ISP字节和分页编程 双数据寄存器指针按照功能，AT89S52的引脚可分为主电源、外接晶体振荡或振荡器、多功能I/O口、控制和复位等13。3. 多功能I/O口AT89S52共有四个8位的并行I/O口：P0、P1、P2、P3端口，对应的引脚分别是P0.0 P0.7、P1.0 P1.7、P2.0 P2.7、P3.0 P3.7，共32根I/O线。每根线可以单独用作输入或输出。(a)P0端口，该口是一个8位漏极开路的双向I/O口。在作为输出口时，每根引脚可以带动8个TTL输入负载。当把“1”写入P0时，则它的引脚可用作高阻抗输入。当对外部程序或数据存储器进行存取时，P0可用作多路复用的低字节地址/数据总线，在该模式，P0口拥有内部上拉电阻。在对Flash存储器进行编程时，P0用于接收代码字节；在校验时，则输出代码字节；此时需要外加上拉电阻。(b)P1端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P1口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P1口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在对Flash编程和程序校验时，P1口接收低8位地址13。另外，P1.0与P1.1可以配置成定时/计数器2的外部计数输入端（P1.0/T2）与定时/计数器2的触发输入端（P1.0/T2EX），如表3.1所示。 表3.1P1口管脚复用功能端口引脚复用功能P1.0T2（定时器/计算器2的外部输入端）P1.1T2EX（定时器/计算器2的外部触发端和双向控制）P1.5MOSI（用于在线编程）P1.6MISO（用于在线编程）P1.7SCK（用于在线编程） (c)P2端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P2口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址，在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对Flash编程和程序校验期间，P2口也接收高位地址或一些控制信号。(d)P3端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P3口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P3口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在AT89S52中，同样P3口还用于一些复用功能，如表3.2所列。在对Flash编程和程序校验期间，P3口还接收一些控制信号。 表3.2 P3端口引脚与复用功能表端口引脚复用功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4 T0（定时器0的外部输入）P3.5 T1（定时器1的外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通） 4. RST复位输入端。在振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使其单片机复位。看门狗定时器（Watchdog）溢出后，该引脚会保持98个振荡周期的高电平。在SFR AUXR（地址8EH）寄存器中的DISRTO位可以用于屏蔽这种功能。DISRTO位的默认状态，是复位高电平输出功能使能。5. ALE/PROG地址锁存允许信号。在存取外部存储器时，这个输出信号用于锁存低字节地址。在对Flash存储器编程时，这条引脚用于输入编程脉冲PROG。一般情况下，ALE是振荡器频率的6分频信号，可用于外部定时或时钟。但是，在对外部数据存储器每次存取中，会跳过一个ALE脉冲。在需要时，可以把地址8EH中的SFR寄存器的0位置为“1”，从而屏蔽ALE的工作；而只有在MOVX或MOVC指令执行时ALE才被激活。在单片机处于外部执行方式时，对ALE屏蔽位置“1”并不起作用。6. PSEN程序存储器允许信号。它用于读外部程序存储器。当AT89S52在执行来自外部存储器的指令时，每一个机器周期PSEN被激活2次。在对外部数据存储器的每次存取中，PSEN的2次激活会被跳过。7.EA/Vpp 外部存取允许信号。为了确保单片机从地址为0000HFFFFH的外部程序存储器中读取代码，故要把EA接到GND端，即地端。但是，如果锁定位1被编程，则EA在复位时被锁存。当执行内部程序时，EA应接到Vcc。在对Flash存储器编程时，这条引脚接收12V编程电压Vpp。8.XTAL1 振荡器的反相放大器输入，内部时钟工作电路的输入。9.XTAL2 振荡器的反相放大器输出1。3.2 温度传感器DS18B20 1. DS18B20的介绍 DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。 TO92封装的DS18B20的外观图见图3.3，引脚排列见图3.4，其引脚功能描述见表3.3。 图3.3 温度传感器DS18B20外观图 图3.4 DS18B20 （底视图） 表3.3DS18B20详细引脚功能描述序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。 2. DS18B20的性能特点如下： 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信； 多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能； 无须外部器件； 可通过数据线供电，电压范围为3.05.5； 零待机功耗； 温度以9或12位数字； 用户可定义报警设置； 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件； 负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作15； DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图3.5所示。 C64 位ROM和单线接口高速缓存存储器与控制逻辑温度传感器高温触发器TH低温触发器TL配置寄存器8位CRC发生器Vdd 图3.5 DS18B20内部结构3.3 MQ-2型烟雾传感器 1. 烟雾传感器分类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。表3.4 简要列举出已经研究、开发的各类烟雾传感器及其可检测的气体种类。 表3.4 各种烟雾传感器可检测的烟雾种类传感器种类C0CO2 H2S NH3 HCNHCICOCI2CI2 NOX SO2O2CH4C3H2H2H2O半导体气体传感器固体电解质传感器接触燃烧式传感器电化学式传感器高分子电解质气体传感器注：好 不太好 2. MQ-2型烟雾传感器的工作原理 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体制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。按敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。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3.5所示。 表3.5 半导体气敏传感器的分类类型所利用的特性工作温度代表性被检测气体电阻型电阻表面电阻控制器300450C可燃性气体体电阻控制器300450C700C以上乙醇、可燃性气体非电阻型二极管整流特性室温200CH2、CO、乙醇晶体管特性150CH2、H2S 本设计中采用的MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。当处于200300C温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少， 从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受 到该烟雾的调制而变化，就会引起表而电导率的变化。利用这一点就可以 获得这种烟雾存在的信息。遇到可燃烟雾（如CH4等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃烟雾以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面；氧脱附放出电子，烟雾以正离子状态吸附也要放出电子，从而使二氧化锡半导体导带电子密度增加，电阻值下降。而当空气中没有烟雾时，二氧化锡半导体又会自 动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态7。 图3.6 MQ-2型传感器的外观图 图3.7 MQ-2型传感器的结构图 3. MQ-2型传感器的一般特点 (a) MQ-2型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感。 (b) MQ-2型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定， 响应时间短，长时间工作性能好。 (c) MQ-2型传感器具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例如酒精和烟雾等。 (d)电路设计电压范围宽，24V以下均可；加热电压50.2V。 4. MQ-2型传感器的基本特性 (a) 灵敏度特性 烟雾传感器在最佳工作条件下，接触同一种烟雾，其电阻值RS随气 体浓度变化的特性称之为灵敏度特性，用K表示。 K=RS / R0 (2-1) 式中，R0为烟雾传感器洁净空气条件下的电阻值，RS为烟雾传感器在一定浓度的检测烟雾中的电阻值。 虽然对于不同的烟雾，器件灵敏度特性K的值也会各有差异，但是它们都遵循同一规律， log RS = m logC + n (2-2) 式中，m为器件相对烟雾浓度变化的敏感性，又称烟雾分离能，对于 烟雾，m值为1/21/3；C为检测烟雾的浓度。n为与检测烟雾，器件材料有关，并随测试温度和材料中有无增感剂而有所不同。 (b)初期稳定特性 半导体烟雾传感器在不通电状态存放一段时间后，再通电时，器件并不能立即投入正常工作。这是因为烟雾传感器中的二氧化锡在不通电的状态下会吸附空气中的水蒸气，当再次通电时需要预热几分钟使水蒸气蒸发后，气敏电阻才能正常工作。再通电工作时气敏电阻值达到稳定时所需要的时间，定义为初期稳定时间。一般情况下，不通电时间越长，初期稳定时间也越长，当不通电存放时间达到15天左右时，初期稳定时间一 般需要5分钟左右。 (c)加热特性 半导体烟雾传感器一般要在较高的温度(200450C)下工作，所以需要对其加热。由于传感器一般工作在易燃易爆环境下，若加热丝直接与电源相接，当加热丝局部短路造成器件过热或放电时，可能引发事故。所以必须使用传感器生产厂家推荐的加热电压，使其工作在较安全的范围内。MQ-2型烟雾传感器加热电压为50.2V，加热电阻为313欧姆。当加热丝断路时，由于热惰性缘故，烟雾传感器的气敏特性并不立即消失，此时检测必出现较大的误差。为避免出现这种情况，并及时发现气敏元件的故障， 需要设计加热丝故障诊断报警电路6。 5. MQ-2型传感器的特性参数 (a)回路电压：(Vc) 524V (b)取样电阻：(RL) 0.120K (c)加热电压：(VH)50.2V (d)加热功率：(P)约750mW (e)灵 敏 度：以甲烷为例R0(air)/RS (0.1%CH4)5 (f)响应时间：Tres10秒 (g)恢复时间：Trec30秒 3.4 LED数码管 1.LED数码管主要技术参数 图3.8 数码管 2.数码管使用条件： a、段及小数点上加限流电阻 b、使用电压：段：根据发光颜色决定； 小数点：根据发光颜色决定 c、使用电流：静态：总电流80mA（每段 10mA）；动态：平均电流4-5mA；峰值电流100mA 上面这个只是七段数码管引脚图，其中共阳极数码管引脚图和共阴极的是一样的，4位数码管引脚图数码管使用注意事项说明： （1）数码管表面不要用手触摸，不要用手去弄引角； （2）焊接温度：260度；焊接时间：5s （3）表面有保护膜的产品,可以在使用前撕下来7。 3. LED数码管的引脚说明 这类数码管可以分为共阳极与共阴极两种，共阳极就是把所有LED的阳极连接到共同接点com，而每个LED的阴极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp（小数点）；共阴极则是把所有LED的阴极连接到共同接点com，而每个LED的阳极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp（小数点），如下图所示。图中的8个LED分别与上面那个图中的ADP各段相对应，通过控制各个LED的亮灭来显示数字。图3.9 共阳数码管内部结构图3.10 共阴数码管内部结构 对于单个数码管来说，从它的正面看进去，左下角那个脚为1脚，以逆时针方向依次为110脚，左上角那个脚便是10脚了，上面两个图中的数字分别与这10个管脚一一对应。注意，3脚和8脚是连通的，这两个都是公共脚6。 还有一种比较常用的是四位数码管，内部的4个数码管共用ADP这8根数据线，为人们的使用提供了方便，因为里面有4个数码管，所以它有4个公共端，加上ADP，共有12个引脚，下面便是一个共阴的四位数码管的内部结构图（共阳的与之相反）。引脚排列依然是从左下角的那个脚（1脚）开始，以逆时针方向依次为112脚，下图中的数字与之一一对应。图3.11 位共阳数码管内部结构 4.数码管编码说明4位数码管编码说明，如表3.6所示： 表3.6 控制命令表P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0eddpcgbfa00010100028H111101011EBH20011001032H310100010A2H411100001E1H510100100A4H60010010024H711101010EAH80010000020H910100000A0HH0110000161HL001100013DH-11110111F7HC001111003CH3.5 ADC0832A/D转换芯片 1. ADC0832的介绍及接口 ADC0832是一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性，性价比高，其目前已经有很高的普及率。学习并使用ADC0832可是使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高3。ADC0832芯片的特点： 8位分辨率； 双通道A/D转换； 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容； 5V电源供电时输入电压在05V之间； 工作频率为250KHZ，转换时间为32S； 一般功耗仅为15mW； 8P、14PDIP（双列直插）、PICC多种封装； 商用级芯片温宽为0C 70C，工业级芯片温宽为40C 85C； 图3.12 ADC0832接口示意图 a 、片选使能，低电平芯片使能。 b、CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。 c、CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。 d、GND 芯片参考0电位（地）。 e、DI 数据信号输入，选择通道控制。 f、DO 数据信号输出，转换数据输出。 g、CLK 芯片时钟输入。 h、（） 电源输入及参考电压输入（复用）。 ADC0832 A/D转换器为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05V之间。芯片转换时间仅为32S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。 2. ADC0832数据读取程序流程 图3.13 ADC0832数据读取程序流程 为了高速有效的实现通信，我们采用汇编语言编写接口程序。由于ADC0832的数据转换时间仅为32S，所以A/D转换的数据采样频率可以很快，从而也保证的某些场合对A/D转换数据实时性的要求。数据读取程序以子程序调用的形式出现，方便了程序的移植11。 程序占用资源有累加器A，工作寄存器R7,通用寄存器B和特殊寄存器CY。通道功能寄存器和转换值共用寄存器B。在使用转换子程序之前必须确定通道功能寄存器B的值，其赋值语句为“MOV B,#data”（00H03H）。运行转换子程序后的转换数据值被放入B中。子程序退出后即可以对B中数据处理。 4 硬件设计4.1 单片机外围接口电路AT89S52单片机外围接口电路如图4.1所示，主要包括：1.晶振电路：内部时钟电路的晶振频率一般选择在4MHZ12MHZ之间（该设计选用6MHZ），外接两个谐振电容。该电容的典型值为30pF,该设计选用33pF。2.复位电路：单片机复位采用按键高电平复位，而单片机在平时则复位端为低电平0。3.直流电源 图4.1 单片机外围接口电路 4.2 DS18B20测温电路 图4.2 DS18B20电路 DS18B20的1脚接地，2脚数据端接单片机的P3.3，3脚接Vcc，为了确保DS18B20工作可靠，2脚可以接10K的上拉电阻。4.3 四位数码管显示电路图4.3 数码管显示电路4位数码管为共阳管，由于单片机输出电流比较小，故用4个PNP型的三极管9015来驱动数码管。单片机输出低电平时三极管导通，使数码管的4各公共端为高电平，此时数码管的数据端输入低电平后数码管被点亮，120欧电阻R6、R7、R9到R14为三极管的限流电阻，其分别接单片机的P2.7P2.0。4.4 设定按键电路 图4.4 按键电路 报警温度用按键S2，S3，S4来设置，S2为调整键，按一次可调整报警上限温度值，按两次可调整报警下限温度值，按三次数码管恢复到正常温度显示。S5是紧急呼叫按键。4.5 A/D转换模块经气敏传感器所检测的电压信号为模拟信号，无法直接被单片机所识别，所以在经过放大电路后对信号进行A/D装换，将模拟信号转化为数字信号输入单片机。烟雾传感器MQ-2是电阻类元件，当有烟雾的时候，MQ-2内部电阻值变化，从而导致6脚输出电压变化，通过ADC0832的转换，将电压模拟量转化成数字量给单片机。 图4.5 ADC0832A/D转换电路4.6 声音报警电路由AT89S52的21脚实现声音报警控制。当可燃性气体浓度或温度超过限定值时，将P2.0置为低电平，三极管导通，扬声器发出鸣叫报警。其电路原理图如图3-8所示。 图4.6 声音报警电路图 5 软件设计5.1 PROTEUS软件 1. Proteus软件的介绍 Proteus软件是来自英国Labcenter electronics公司的EDA工具软件，它组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真,PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。此系统受益于15年来的持续开发,被电子世界在其对PCB设计系统的比较文章中评为最好产品“The Route to PCB CAD”。Proteus 产品系列也包含了我们革命性的VSM技术,用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。Proteus软件由ISIS和ARES两个软件构成，其中ISIS是一款便捷的电子系统仿真平台软件，并且是一个操作简便且功能强大的原理绘图工具，它整合了SPICE的仿真模型，拥有超过8000个元件的庞大库结构。ARES 是一款高级的布线编辑软件，可将ISIS的仿真原理图生成PCB版图2。Protues提供了丰富的资源:(1)Protues可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。(2)Protues可提供的仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。(3)除了现实存在的仪器外，Protues还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。(4)Protues可提供的调试手段 Protues提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号2。 其功能模块:个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具；PROSPICE混合模型SPICE仿真；ARES PCB设计。PROSPICE 仿真器的一个扩展PROTEUS VSM:便于包括所有相关的器件的基于微处理器设计的协同仿真。此外，还可以结合微控制器软件使用动态的键盘，开关，按钮，LED甚至LCD显示CPU模型。支持许多通用的微控制器,如PIC，AVR，HC11以及8051。最新支持ARM。交互的装置模型包括：LED和LCD显示，RS232终端，通用键盘，I2C，SPI器件。强大的调试工具，包括寄存器和存储器，断点和单步模式。IAR C-SPY 和Keil uVision2等开发工具的源层调试。应用特殊模型的DLL界面-提供有关元件库的全部文件6。 3. Keil软件Keil软件支持C 语言和汇编语言编写程序，并且成功的将编译和仿真软件统一为Vision。Keil 提供包括C 编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，由以下几部分组成：Vision IDE 集成开发环境（包括工程管理器、源程序编辑器、程序调试器）、C51 编译器、A51 汇编器、LIB51 库管理器、BL51 连接/定位器、OH51 目标文件生成器以及Monitor-51、RTX51 实时操作系统。应用Keil 进行软件程序编写的主要步骤为：编写源程序并保存、建立工程并添加源文件、设置工程、编译/汇编、连接、产生目标文件、程序调试。Keil 使用“工程”（Project）的概念，对工程进行编译/汇编、连接等操作。工程的建立、设置、编译/汇编及连接产生目标文件的方法如下：(1)选择菜单FileNew，在源程序编辑器中输入汇编语言或C 语言源程序（或选择FileOpen，直接打开已用其他编辑器编辑好的源程序文档）并保存，注意保存时必须在文件名后加上扩展名.asm（.a51）或.c；(2)选择菜单ProjectNew Project，建立新工程并保存（保存时无需加扩展名，也可加上扩展名.uv2）；(3)工程保存后会立即弹出一个设备选择对话框，选择CPU 后点确定返回主界面。这时工程管理窗口的文件页（Files）会出现“Target1”，将其前面+号展开，接着选择Source Group1，右击鼠标弹出快捷菜单，选择“Add File to Group Source Group1”，出现一个对话框，要求寻找并加入源文件（在加入一个源文件后，该对话框不会消失，而是等待继续加入其他文件）；(4)加入文件后点close 返回主界面，展开“Source Group1”前面+号，就会看到所加入的文件，双击文件名，即可打开该源程序文件；(5)对工程进行设置，通过选择工程管理窗口的Target1，再选择ProjectOptionfor Target Target1，打开工程属性对话框，共有8个选项卡，这些设置工作包括在Target选项卡中设置晶振频率、在Debug选项卡中设置实验仿真板等，如要写片，还必须在Output 选项卡中选中“Creat Hex Fi”；其他选项卡内容一般可取默认值。工程设置结束后进行编译/汇编、连接以及产生目标文件。(6)成功编译/汇编、连接后，选择菜单DebugStart/Stop Debug Session（或按Ctrl+F5键）进入程序调试状态，Keil提供对程序的模拟调试功能，内建一个功能强大的仿真CPU以模拟执行程序。Keil能以单步执行（按F11 或选择DebugStep）、过程单步执行（按F10或选择DebugStep Over）、全速执行等多种运行方式进行程序调试。如果发现程序有错，可采用在线汇编功能对程序进行在线修改（DebugInline Assambly），不必执行先退出调试环境、修改源程序、对工程重新进行编译/汇编和连接、然后再次进入调试状态的步骤。对于一些必须满足一定条件（如按键被按下等）才能被执行的、难以用单步执行方式进行调试的程序行，可采用断点设置的方法处理（DebugInsert/Remove Breakpoint 或DebugBreakpoints等）。在模拟调试程序后，还须通过编程器将hex目标文件烧写入单片机中才能观察目标样机真实的运行状况。5.2主程序设计及流程图 主程序流程图如图5.1所示。首先要给传感器预热三分钟，因为MQ-2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。本论文的主程序设计先对传感器预热三分钟，预热同时，对传感器加热丝故障检测，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。 AT89S52单片机对传感器检测的烟雾浓度信号进行A/D转换、平均值法滤波、线性化处理后，将浓度值与报警限设定值相比较，判断是否报警。同时送入段式液晶显示烟雾浓度值。主程序还包括状态指示灯及按键功能设置，中断子程序等，使报警器功能更加完善，给用户带来便利。Y发DS18B20复位命令发跳过ROM命令发读取温度命令读取操作，CRC校验9字节完？CRC校验正？确？移入温度暂存器结束NNY 图5.1 主程序流程图 图5.2 读温度流程图5.3 报警子程序当烟雾浓度或温度值超过报警限设定值时，蜂鸣器发声，对应通道的红灯闪亮，以提示操作人员采取安全对策或自动控制相关安全装置，从而保障生产安全，避免火灾和爆炸事故的发生。为防止误报，在程序设计上，对烟雾浓度和温度进行快速重复检测和延时报警，以区别出时管道中烟雾的泄露，还是由于暂时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5.3所示。图5.3 报警子程序流程图NYNYY开始读取处理后的气体浓度值或温度值延迟20秒后采集一组数据YN是否烟雾浓度0.06或温度100传感器故障自诊断传感器有问题返回启动故障报警复位键是否按下烟雾浓度0.06或温度100温度100N启动火灾报警5.4 键盘处理子程序 按键处理子程序流程图如图5.3所示。开始扫描键值是否有键按下延时10ms消抖是否有键按下提取键值调用键盘处理子程序结束NNYYY 图5.3 键盘处理子程序流程图结 论火灾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备的仪器，具有广阔的市场空间与发展前景。本论文是在对烟雾、温度传感器和报警技术进行深入研究的基础上，全面比较国内外同类产品的技术特点，合理地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。本次毕业设计经过努力，整个系统实现了预期的目标。本系统通过设计一个以AT89S52