多功能报警系统设计毕业论文.doc

湖南商学院毕业设计(论文) 多功能报警系统设计毕业论文1.绪论随着我国燃气的变革及西气东输工程的进行，煤气或天燃气已成为多数家庭的燃 料。每年，因煤气泄露造成的煤气中毒事故中，因使用热水器不当或产品本身的质量问 题,造成的一氧化碳中毒事故，全国均有不少事例.更有甚者,因室内煤气浓度过高，引起煤 气爆炸的事故也不少见。所以怎样防止煤气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要。为此我们开发研制了智能煤气报警系统。计算机的普及和信息技术的迅猛发展，人们己不满足于传统的居住环境，对家庭及住宅小区提出了更高的要求，智能化被引入家庭，并迅速在世界各地发展起来人们对居住环境要求的日见增高，体现在希望住宅不仅更便利、舒适而且更安全。煤气泄漏自动报警实现智能化势在必行。在社会信息化进程日益发展的今天，信息技术应用己渗透到人类生存、活动的各个领域，在建筑领域，人们的现代生活、工作对居住要求舒适健康、安全可靠、高效便利。这时候气体燃料的应用也越来越广泛。目前家用煤气，液化器、天然气作为气体燃料，已用与家庭旅馆，深入人民的生活之中。气体燃料的应用和普及，伴之而来的是气体泄 漏造成的中毒、爆炸、火灾等事故也时有发生。其中由于一氧化碳泄漏中毒死亡尤为严重。众多周知由于CO与血液中的血红素的结合能力是氧的240倍,因此,当它进入人体血液循环系统后,就会大量取代氧而与血红素结合,抑制血液中氧气的释放,从而导致发生头痛、耳鸣、呕吐、血压降低等不同程度的症状发生。如果CO中毒严重,轻者于康复过程 中可能会头昏眼花、丧失记忆或引起视觉及神经上的障碍,严重者会导致脑部受损甚至发生死亡。这就对煤气自动报警的器的设计更加迫切。为了预防一氧化碳的泄漏，人们采用了各种措施。家用智能煤气报警器是为了预防气体中毒的一种家用的自动报警器，也是一种高灵敏度的气体探测器，一般都是应用高灵敏度的气敏元件作气电转换元件，并配以电路和声光报警部分组成。当泄漏的气体达到危险极限值时报警器就会发生鸣响和声光报警。1.1 课题研究的意义测控技术与仪器仪表技术已经是现在社会不可缺少的重要组件。从今天进入信息 科技时代来看，仪器仪表是实现信息的获取、转换、存贮和揭示物质运动的必备工具，是当今普遍称之为时代标志的信息科技的三大支柱（信息获取及处理、信息传 输与通信、电子技术及计算机）的必要手段，也是新技术革命的一项重要内容。 在现代化建设中，人们对仪器仪表所能起到的监控作用，在技术上有着高层次的要求，因而仪器仪表工业是促进国民经济各部门技术进步，进行技术改造，提高 劳动生产率和社会经济效益，开发与节约能源和材料的先导工业。仪器仪表的装备水平在很大程度上反映出一个国家的生产力的发展和科学技术的现代化水平。 随着科技的发展，计算机技术的应用，测试技术与仪表专业的趋势越来越向智能化转变为智能仪表。1.2 研究内容 本设计主要研究并设计一个基于单片机的煤气报警系统，并实现对AD数据的采集和声光的报警控制。控制系统主要是由MCS-52系列单片机电源、以AT89S52作为中央处理器，对系统进行控制操作，并设计相应的传感器电路、模数转换电路、单片机电路、声光报警电路并在上位PC机进行显示的报警器。2. 报警器系统设计方案2.1方案论证报警器一般由报警控制器(简称“控制器”)、探测器两大部分组成。“探测器十控制器，这是在工业装置上和生产过程中使用最多的检测仪器。这种仪器大都装设在油库、乙炔站、液化气站和煤气站等易燃易爆的危险场所。探测器安装在可能发生危险的现场，控制器放在值班室等有人值守的地方，二者采用屏蔽电缆线连接。当在现场的探测器探测到危险信号之后，通过屏蔽电缆线将信号传到控制器，控制器发出声光报警。目前，对于“探测器+控制器”这一系列产品，主要采用以下三大实现方案:方案一，通过传感器感受到可燃性气体，降低自身的阻值，来增大电流，并且驱动 蜂鸣器报警。电路简单、可靠但是灵活性和实用性差。 方案二，可以通过传感器感知信号多级放大电路，并用电位器调节得到固定的电压 值，当得到可燃性气体信号时，电阻值立刻变小，放大器的放大倍数增加，电压也就随 着增加，驱动三极管导通报警电路。该方案有一定的灵活性和可执性，但是电路比较复杂，智能性差。方案三，通过51系列单片机作为主控单元，并且能够通过传感器把模拟信号通过 A/D 信号转换为数字信号，并且读取和显示出来。键盘可以通过不同的应用场合和针对 不同气体做出不同的浓度设定，并且储存报警的上限和报警时间，方便查询和日后的工作调查。 综合考虑，由于使用单片机设计灵活性更强、用途更宽广，所以本设计采用方案三。2.2 系统结构框图该多功能报警器的主要功能是检测环境中的烟雾和一氧化碳浓度,并将浓度通过单片机的串行口上传给上位PC机显示，如果浓度超出安全范围则报警器发出声光报警信息,报警器主要由烟雾传感器、一氧化碳传感器、模数转换器、单片机、标准通信接口、上位PC机等部分组成. 烟雾传感器一氧化碳传感器AD转换器单片机通信接口模块上位PC机声光报警装置图2.1 系统结构原理图3.报警器硬件电路设计3.1 主控器设计3.1.1芯片介绍该报警器的中央处理器选用AT89S51单片机，它是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(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，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,1个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器，此外，AT89S51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可以下降到0HZ,并提供两种可用软件来选择的省电方式空闲方式和掉电方式。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，掉电模式下，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。AT89S51采用双列直插式封装，40个引脚，其引脚图如下图3.1所示，图3.1 AT89S51引脚图 在该系统中AT89S51的资源分配如下：P0口：数据、地址总线P1.0、P1.1、P1.2、P1.3：声光报警位，P1.5：ADC0809的地址锁存以及启动信号P1.4: ADC0809转换完成后的允许输出位P2.5、P2.6:ADC0809通道地址选择信号。RXD（P3.0）、TXD（P3.1）：与MAX232连接实现单片机与上位PC机的通信。INT0（P3.2）：ADC0809转换完成的中断位，与ADC0809的EOC相连，当ADC转换完成后EOC由0变1，经反相后给INO，通知单片机读娶转换完成后的数字量，INO的触发方式为电平触发方式，即当IN0上的电平为0时产生中断信号.XTAL1：接外部晶体和微调电容的一端。在片内它是震荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚输入外部时钟脉冲。XTAL2：接外部晶体和微调电容的另一端。RESET：该引脚是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。另外单片机中的定时器1用作波特率发生器，工作在方式2下，初值为0XE6E6.定时器0用于产生一氧化碳与烟雾循环检测的时间间隔T=1s,工作在方式1下.由于定时器中断一次最多只能定时65.536ms,因此1s的定时分两次产生中断，即定时器初值设为0X3CB0每次产生50ms的定时，设置times为定时器0中断次数标志位，定时器0每中断一次则times加1，直到times=20时才表示1s时间到，从而进行相应的处理，并使times=0,因此单片机应设置的寄存器设置为：TCON=0X00;PCON=0X00;TMOD=0X21;TH0=0X3C;TL0=0XB0;TH1=0xe6;TL1=0xe6;SCON=0X50;IE=0X振荡电路设计单片机的XTAL1与XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。电容C1、C2取30pF，可稳定频率并对振荡器有微调作用。在该单片机中晶振采用12MH频率的石英晶体。振荡电路图下图3.2所示图3.2 AT89S51的振荡电路3.1.3复位电路设计复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。 图3.3 上电自动复位 图3.4 按键电平复位（1）上电自动复位上电自动复位是在加电瞬间电容通过充电来实现。其电路图如图3.3所示。在通电瞬间，电容C通过电阻R充电，RST端出现正脉冲，用以复位。只要电源VCC的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的复位初始化。在振荡稳定后应保证复位高电平持续时间（即正脉冲宽度）大于2个机器周期，由于该系统采用12M的晶振，因此取C=10uF,R=1K.在该系统中采用手动复位和上电自动复位组合，其电路图如图3.4所示通过以上对主控器单片机外围电路的设计，单片机小系统电路如下图3.5所示图3.5 单片机外围电路3.1.4 电源电路 电源采用直流电源变压器输出 12V 的电压，其电源连接电路如图 3-9 所示，并由去 耦电容、开关、7085 稳压器及电源指示灯组成。直流 12V 再经过电容滤波，7805 集成稳 压器稳压成为稳定的+5V 电源，用一个发光二极管指示灯指示电源状态。电路安全稳定 可靠，测试电压为+5V，并且在 12V 和 5V 电路中引线排针，以供日后使用。3.2 传感器设计传感器部分包括烟雾传感器和一氧化碳传感器，分别用于检测烟雾和一氧化碳浓度。对于煤气报警器的实现，感应器的选择也相当的重要， 是系统重要的组成部分之一， 其性能对于系统的精确度和实现范围有这相当大的影响，也是体现煤气监控发展现状的 标志。可燃气体的危险性主要视其爆炸极限，爆炸下限数值越小、爆炸下限与上 限之间的范围越大，越危险。有许多可燃气体同时具有毒性。3.2.1烟雾传感器烟雾传感器采用MQ-2型烟雾传感器, 它探测范围广、灵敏度高、响应恢复速度快、稳定性好、寿命长、驱动电路简单.探测浓度范围为100ppm-10000ppm符合系统要求，但是MQ-2型气敏元件对不同种类、不同浓度的气体有不同的电值。 因此，在使用此气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。 可以用1000ppm氢气或1000ppm丁烷校准传感器。同时当精确测量时，报警点的设定应考虑温度的影响.其技术参数如下表3.1、表3.2、和图3.6所示表3.1 MQ-2的工作条件符号参数名称技术条件备注 Vc 回路电压15VAC or DC VH加热电压5.0V0.2 VAC or DC RL负载电阻可调 RH加热电阻313室温 PH加热功耗900mW表3.2 MQ-2的灵敏度特性符号参数名称技术参数备注Rs敏感体表面电阻3K-30K(1000ppm 异丁烷 )探测浓度范围100ppm-10000ppm(3000/1000)异丁烷浓度斜率0.6标准工作条件温度： 202 Vc:5.0V0.1V相对湿度： 65%5% Vh: 5.0V0.1V预热时间不少于24小时图3.6 MQ-2型气敏元件的灵敏度特性。 注： 其中 温度：20、相对湿度：65%、氧气浓度：21% 、RL=5k、Rs：元件在不同气体不同下电阻值R0: 元件在洁净空气中的电阻值。3.2.2 一氧化碳传感器1）传感器基本结构： 气体传感器由工作电极、对电极、参比电极、电解质、液体保持材料、过滤干扰气 体物质、贵金属引线、接线柱等组成，使用的典型电极材料包括铂、金、银、铑、碳、 钌、钯等，传感器信号通过引线传导到外部电路，通过放大等处理进行显示， 如图 3-22 所示。为了提高对被测气体的选择性，通常在传感器通气孔位置设置过滤剂，以消除干 扰气体造成的不准确信号 。（2） 电化学气体传感器优点：1）对于气体的浓度能够线形输出信号重现性好2）对被测气体具有良好选择性，不受温湿度的影响 3） 空气中的输出值漂移小，可以获得稳定的输出信号 4）功耗低，电池即可驱动器工作 5）体积小，重量轻，作为便携式仪器首选 6）本质安全结构，机械性能稳定 电化学一氧化碳气体传感器基本特点： 本质特征：NAP-505 型电化学一氧化碳气体传感器属工业级别产品，通过成熟的电 极制备处理技术及传感器结构设计，使其具有长寿命、高灵敏度、液体密闭性良好等技 术特点。传感器与外部电路连接部位通过接插元件完成，利于传感器与电子线路的兼容 与互换。产品组装工艺简化，有利的降低了产品成本。 用途：工厂一氧化碳浓度检测仪器；气体计量器具；空气质量监测器；气体变送器； 便携式仪器配套元件等等。 NAP-505 的工作及保存条件： 工作温度 -2050 工作湿度 1590%RH保存环境温度 020 工作气压 1atm 10% 检知对象气体 一氧化碳 测定范围 01000ppm 输出电流 4010nAppm 重复性误差 2% 响应时间(t90) 30 秒 基准线位移(-2050) 100ppm3.3 模数转换设计模数转换部分采用ADC0809模数转换芯片，它由8路模拟信号分时采集信号，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100s左右。芯片封装形式为28引脚双列直插式，其引脚排列见图3.9。图3.9 ADC0809引脚图模数转换器与单片机的电路连接主要涉及两个问题。一是8路模拟信号通道的选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。下面是关于模数转换器与单片机之间的接口介绍。IN7IN0：模拟量输入通道，这8路模拟量输入通道由地址锁存与译码电路对A、B、C 3个地址位进行锁存和译码得到通道的选择，它们共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。ALE：地址锁存允许信号，对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。因此将ALE与单片机的P1.5相连，先给P1.5引脚赋0，再给它赋1使ALE上产生一个正跳变，这时，便可以将A、B、C的地址送入地址锁存器中。START：转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。启动A/D转换只需要一条指令将START引脚置高电平即可启动A/D0809转换，在此连接电路中将START 与P1.4相连，因此先将所选择的通道对应的口地址送入数据指针DPTR中，再使P1.5引脚产生一个负跳变，即可以启动芯片转换，例如要选择IN0通道时，可采用“XBYTIE9FFFH=0”指令即可启动A/D转换A、B、C：地址线。 通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。不同编码选择相应的通道。通道选择如下表所示。表3.5 ADC0809通道选择ABC选择通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7其中INO为一氧化碳传浓度检测的输入通道，与一氧化碳传感器相连。IN1为烟雾浓度检测的输入通道，与烟雾传感器相连。因此一氧化碳检测通道的地址为0X9FFF；烟雾检测通道的地址为0XAFFF。CLK：时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号，在该系统中时钟信号由单片机的ALE经4分频后提供。OE：输出允许信号。用于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；OE=1，输出转换得到的数据。在系统中使OE与单片机的P1.4引脚相连，当要读取数据使只要将P1.4引脚置高电平即可读取数据。EOC：转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。在该系统中采用中断请求，将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。数据未转换之前EOC为低电平，当数据转换完成后EOC变为高电平，单片机的外部中断0设置为边沿触发，因此将EOC接反向器后与INTO相连，只要A/D数据转换完成后立即产生中断信号，通知单片机接收数据。D7D0：数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据总线直接相连。D0为最低位，D7为最高。 Vcc： +5V电源。 Vref：参考电源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。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V).通过上面对ADC0809引脚的介绍，ADC0809与AT89S51单片机的连接如图3.10所示图3.10 ADC0809与AT89S51的连接3.4数据处理模块 在许多需要用 A/D 转换和数字采集的单片机系统中，多数情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足 A/D 转 换器对输入信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。本设计 中涉及到多个传感器，而且每个传感器的输出信号不一，有些是输出电压信号，有些是输出电流信号（工业用） ，所以本设计中采用不同的方法作为信号处理。 工业模式所输出的是 4-20mA，可通过精密电阻 250 欧变成 1-5v 的电压信号，再经 过阻容滤波的电压信号传给 A/D 转换芯片。这就需要两个基准电压，+5v 和+1v。而本设 计的 NAP-505 是输出 0-50uA，则可通过精密电阻 100k 来解决。电压信号输出时，需要采用放大器，才能够正常给 A/D 芯片使用。本设计采用的是 LM358 放大器。 LM358（图 3-19）内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器， 适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。它的使用范围包括 传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。3.5 声光报警模块 报警电路采用发光二极管做为光报警信号，蜂鸣器作为声报警信号，发光二极管选用三种不同的颜色来区分各种状态，当只有P1.0引脚上的绿色指示灯亮时表示一氧化碳与烟雾的浓度均正常；当只有P1.1引脚上的红色指示灯亮时表示一氧化碳的浓度超出安全范围，同时P1.3引脚上的蜂鸣器响；当只有P1.2引脚上的黄色指示灯亮时表示烟雾的浓度超出安全范围，同时P1.3引脚上的蜂鸣器响；当引脚P1.1与P1.2引脚上的红色指示灯与黄色指示灯都亮时表示一氧化碳与烟雾的浓度均超出了安全范围，同时P1.3引脚上的蜂鸣器响。报警电路如下图3.11所示图3.11 报警电路3.6 通信接口设计串行通信接口基本功能是:在发送时,把CPU送来的并行码转换成串行码, 逐位地依次发送出去;在接收时,把发送过来的串行码逐位接收,组装成并行码,并行地发送给CPU 去处理。这种串行到并行的转换功能当然可以用软件来实现, 但是这样会降低CPU的利用率，所以常用硬件电路来实现这一功能, 这种硬件电路叫做串行通信接口。普通的单片机都是通过RS- 232C串行口信号线与计算机相连。RS一232C标准说明的是DTE与DCE 之间的连接规定,包括两设备接口电路的机械特性、信号线功能描述以及电信号特性。在输入过程中，数据从外部设备通过传输数据线逐位进入接口的移位寄存器。当接收完一个字节数据后，数据就从移位寄存器送到输入寄存器，再等CPU来取走。输出过程与输入过程类似，在输出过程中，数据输出寄存器和并行输入/串行输出移位寄存器配对使用。当CPU往数据输出寄存器输出一个数据后，数据便并行传输到移位寄存器，然后一位一位地通过输出线传送外设。3.6.1 PC机的串行接口设计PC机有两个标准的RS-232串行口,其电平采用的是EIA电平。PC机的可编程串行接口芯片内部结构比较复杂，它除了包括数据总线缓冲器、读写控制逻辑和波特率发生器外，还有组成单元模块：收发模块、线路模块、Modem控制模块、中断模块和除法器模块。并有多个控制寄存器控制串行口通信。（1）FIFO控制寄存器FIFO控制寄存器用来控制接收FIFO缓冲区和发送FIFO缓冲区，该寄存器各位的定义如图3.12：图3.12 FIFO控制寄存器格式 FIFO寄存器的地址为0X3FA，由于本系统是采用FIFO方式控制，且在发送和接收数据前应该使发送器和接收器都复位，因此可以设置FIFO的内容为0X0F，即可以写成outportb(0X3FA,0X0F).（2） 线路模块线路模块包含线路控制寄存器和线路状态寄存器。线路控制寄存器用来存放CPU写入的命令字，其格式如图3.13：图3.13 线路控制寄存器格式线路控制寄存器的地址为0X3F8，当要设置波特率时，就要访问除数寄存器，此时必须设置线路控制寄存器的最高位为1允许访问除数寄存器。当波特率设置完成后，又应该使线路控制寄存器的最高位为0禁止访问除数寄存器。在该系统中，数据通信格式采用1位停止位、8位数据位、无校验，因此最终线路控制寄存器应该设置为0X03。线路状态寄存器则用来记录串行数据发送与接收的状态，以便CPU查询。线路状态寄存器的格式如图3.14：图3.14 线路状态寄存器格式（3） Modem控制模块可编程串行接口芯片多控制模块由Modem控制寄存器和Modem状态寄存器组成。Modem控制寄存器的地址为0X3FC，Modem状态寄存器地址为0X3FE。Modem控制寄存器功能是用来设置可编程串行接口芯片与通信设备之间的联络信号，其格式如图3.15：图3.15 Modem控制寄存器格式Modem控制寄存器的自检控制位LOOP设置为1时，数据输出脚SOUT设置高电平，数据输入脚SIN与芯片断开，而发送移位器与接收移位器内部直接连接，Modem控制输入引脚CTS、DSR、RI、RLSD与可编程串行接口芯片内部逻辑断开，Modem控制输出引脚信号RTS、DTR、在芯片内部与对应输入引脚连接。这样，发送的串行数据立即被接收，实现自发自收，从而可验证芯片发送与接收功能的正确性。Modem状态寄存器用来存放芯片与通信设备之间的联络信号输入线的状态及变化情况，其格式如图3.16：图3.16 Modem状态寄存器格式Modem状态寄存器高4位分别反映通信设备输入信号的状态。若某位为1，表示该位的输入信号有效。如DCD=1，表示引脚RLSD输入低电平；RI=1；表示引脚R1输入有效信号低电平；DSR=1，表示引脚=输入有效信号低电平；CTS=1，表示引脚CTS输入有效信号低电平。Modem状态寄存器低4位则分别反映这4个输入信号自上次CPU读取Modem状态寄存器后，相应位发生变化。这低4位中任一位为1，将产生一个Modem状态中断请求。（4）中断模块可编程串行接口芯片的中断模块由中断允许寄存器、中断标识寄存器和中断逻辑组成。中断允许寄存器的地址为0X3F9，中断标识寄存器的地址为0X3FA，中断允许寄存器功能是用来设置可编程串行接口芯片的某些部件或禁止中断，其格式如图3.17图3.17 中断允许寄存器格式可编程串行接口芯片的四种中断源通过一条中断请求信号线INTRPT输出，需要使用中断标识寄存器来识别当前请求的中断类型，其格式如图3.18： 图3.18 中断标识寄存器格式（5）波特率发生器和除数寄存器可编程串行接口芯片使用18.432MHz的基准输入时钟，分频后产生的内部基准时钟作为接收器和发送器的同步时钟，以控制接收移位寄存器和发送移位寄存器的移位操作。发送或接收串行数据时使用的时钟频率是数据传输波特率的16倍。因此，当设定串行数据传输速率时，需根据其使用的波特率确定分频器的系数值。这个系数值将被写入除数寄存器。系数值可由如下公式求出：系数值=18.432MHz /（波特16） 表3.6 波特率与除数寄存器的系数值关系波特率系数值波特率系数值110104739600120300380019200601200920384003024004805760020480024011520010在该系统中波特率采用19200b/s,因此在出发寄存器中应设置系数为0X60，但是当要设置除数寄存器时先要使线路控制模块最高位为1允许访问除数寄存器，即指令为outportb(0X3FB,0x80);outportb(0X3F8,0X60).因此PC机寄存器的设置如下： outportb(port+3,0x80); outportb(port,0x60); outportb(port+1,0x00); outportb(port+3,0x03); outportb(port+4,0x03); outportb(port+2,0x0f); outportb(port+1,0x00);3.6.2 单片机串行接口设计 AT89S51 单片机有一个全双工的串行通讯口UART,利用RXD和TXD与外界进行通信,其内部有2个物理上完全独立的接收、发送缓冲器SBUF,可同时发送和接收数据。所以单片机和PC机之间可以方便地进行串口通讯。单片机串口有3条引线: TXD (发送据) 、RXD (接收数据)和GND(信号地) 。因此在通信距离较短时可采用零MO2DEM方式,简单三连线结构。而MCS251单片机的串行通信是TXD (发送数据)和RXD (接收数据)来进行全双工通信的,它们的电平是TTL电平。AT89S5串行口是可编程接口，对它初始化编程只用两个控制字分别写入特殊功能寄存器SCON和电源控制寄存器PCON中即可。AT89S51串行通信的方式选择，接收和发送以及串行口的状态标志等均由特殊功能寄存器SCON控制和指示，其控制字格式如表3.7所示:表3.7 SCON控制字格式SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI工作方式控制工作方式控制多机通信1：允许；0：不允许接收控制1：允许；0：不允许发送数据第九 位接收数据第九位发送中断标志接收中断标志串行口工作方式选择位。两个选择位对应4种通信方式如表3.8所示 表3.8 串行口工作方式SM0 SM1工作方式说明波特率0 0方式0同步移位寄存器Fosc/120 1方式110位异步收发由定时器控制1 0方式211位异步收发Fosc/32或 Fosc/641 1方式311位异步收发由定时器控制该系统中单片机与上位PC机的串行通信采用方式一,即传输格式为:一个起始位、8个数据位、一个停止位，波特率由定时器1产生。由于单片机不用接受外来的数据，因此REN设为0禁止接收。由于不用多机通信，因此SM2设为0禁止多机通信.PCON中的SMOD位为波特率的加倍位，当SMOD=1是，方式1、方式2、方式3的波特率加倍，在该系统的通信中波特率不需要加倍，因此可设置SCON=0X40，PCON=0X0 单片机与PC机的接口电路 该系统中A/D转换器转换的数据要传送给上位PC机从而显示，由于单片机输入输出电平为TTL电平，而PC机配置的是RS-232标准串行接口，二者的电气规范不一致，因此如果要完成PC机与单片机的数据通信的话，必须进行电平的转换。在该系统中采用MAX232单芯片实现单片机也PC机的RS-232标准接口电路。MAX232芯片是MAXIM公司生产的、包含两路接收器和驱动器的IC芯片，适用于各种EIA-232C和V.28/V.24的通信接口。MAX232芯片内部有一个电源电压转换器，可以把输入的+5V电源电压变换成RS-232C输出电平所需的+10V电压。MAX232的主要特点1、单5V电源工作 2、LinBiCMOSTM 工艺技术3、两个驱动器及两个接收器4、30V 输入电平5、 低电源电流：典型值是8mA6、符合甚至优于 ANSI 标准 EIA/TIA-232-E 及 ITU 推荐标准 V.28 7、ESD保护大于MIL-STD-883（方 法 3015）标准的 2000V 下图为 MX232 双串口的连接图，可以分别接单片机的串行通信口或者实验板的其 它串行通信接口。采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的+5V电源就可以了。MAX232实现单片机与PC机通信的连接如下图3.19所示 图3.19 MAX232实现单片机与PC机通信的电路连接由图可得， MAX232的一个接收输入端R1 IN与RS-232接口引脚第3脚相连； MAX232的一个发送输出端T1 OUT与RS-232接口引脚第2脚相连相连. MAX232的一个接收输出端R1 OUT与单片机RXD引脚相连； MAX232的一个发送输入端T1 IN与单片机TXD引脚相连相连.即单片机的发送和接收端、PC机的发送和接收端都与MAX232相连，单片机与PC之间的不同电平通过MAX232转换 。4.报警器软件设计 ADC0809对两个传感器的检测采用定时循环检测方式，每隔1S检测一次，由定时器0定时。数据读取采用中断方式，ADC0809的数据转换标志经反向器后接IN0，当数据转换完后转入中断程序读取数据，单片机将转换后的数据与预先设定的相应值比较，如果大于设定值则产生声光报警，并把数据传送到上位机显示浓度值，如果小于设定值，则只传送给上位机显示而不报警。因此，该报警器的软件分为主程序、定时循环检测程序、模数转换后的数据读取程序、通信程序、声光报警程序、上位机显示程序等。4.1 主程序设计在主程序中主要包括定时器、波特率、串口寄存器、中断寄存器等相关初始值的设定。其中定时器0用做定时循环检测的定时器，定时器1作为波特率发生器，外部中断0用作ADC0809数据转换后的数据读取。另外，在主程序中还判断检测的相应浓度值是否超出设置的最大值，如果超出最大值则发出声光报警信号，如果没有超出最大值则显示正常状态。设置一个标志信号flag指示正在处理的信号是一氧化碳还是烟雾的浓度。如果flag=0,表示检测到的信号是一氧化碳的浓度，从而对一氧化碳的相关参数进行判断，并发出相关信息。如果flag=1，表示检测到的信号是烟雾的浓度，从而对烟雾的相关参数进行判断，并发出相关信息。主程序的程序流程图如图4.1所示图4.1 主程序流程图4.2 数据采集程序设计 当ADC0809转换完成后，将产生相应的中断信号进入中断程序，在中断程序中主要是读取数据，当 flag=0时，读取转换后一氧化碳的浓度值，当flag=1时，读取转换后的烟雾浓度值，数据读取完成后，再将浓度值发送给上位机显示，首先发送标志信号 flag,通知上位机准备接受哪个对象的浓度值，再发送相应的浓度值给上位机进行显示。其流程图如图4.2所示图4.2 数据采集程序流程图4.3 定时程序设计 定时器0用于循环检测的定时信号，定时为1秒钟，定时器初值设为50ms，因此定时器0要中断20次才能达到1S，由此设置一个标志信号times,定时器0中断一次，则times加1，当times=20时，使times为0，并使flag 取反。其流程图如图4.3所示图4.3 定时程序流程图4.4 上位机显示程序设计上位PC机接收单片机发送过来的数据，并进行显示，由于单片机发送过来的有两个对象一氧化碳和烟雾，并且每个对象有两个参数，即标志值和浓度值。因此可以设计一个标志n,当n为0时表示PC正要接收的数据是标志值，当n为1时表示PC机正要接收的数据是单片机发送过来的与标志值相对应的浓度值。其程序流程图如图4.4所示图 4.4 上位机显示程序流程图 结合单片机与PC机的通信，报警器在上位机上显示的结果如下图1.5所示图 上位机显示结果如上图所示，在type栏中显示报警器检测元素的种类，在chroma栏中显示该元素在环境中的浓度值，经过判断其浓度值是否超出安全范围，如果超出安全范围，则在state栏中提示dangerous,如果没有超出安全范围，表示环境中该元素的浓度值正常，则在state栏中显示natural,同时在time栏中显示检测的时间，在address栏中显示检测的地点。因此，通过这几项功能显示，我们可以很清楚的得知，是否有火灾和煤气泄漏的危险事件发生，在什么地点、什么时候发生了火灾或者煤气泄漏事件，并且能通过浓度的显示得知这种危险事件的严重性。结束语本课题考虑到家居生活的安全因素，由于在家庭中使用煤气和液化气的比较多，而由此产生的煤气、液化气泄露、火灾等灾难严重损害了家庭成员的生命财产安全。因此结合这两种比较常见的危险因素，研制一款集检测煤气泄露、火灾危险信号于一体的报警器。根据本次设计的功能要求分为硬件电路设计和软件设计两部分，其中硬件电路设计部分主要包括传感器信号采集模块、A/D转换模块、单片机模块、数据显示模块、通信模块等，系统软件设计部分主要包括：主程序，中断服务子程序，数据采集子程序，显示子程序等程序设计。最后经过调试，所设计的报警器能够检测环境中一氧化碳和烟雾的浓度，传给上位PC机显示，并且当检测的浓度值超过预先设定的上限值时，报警器还会发出声光报警信息。是一个集火灾报警器和煤气泄漏报警器于一体的多功能报警器。经过这一次，我对硬件电路理解的更加透彻，对软件的纠错能力也有了进一步的提高， 并且熟悉了操作，使自己对单片机煤气警报系统认识更加深刻。针对以上的不足，我提出以下改进的措施： 首先，针对火灾发生的现象，由于火灾发生是伴随有大量的烟雾、二氧化碳，同时周围温度大幅度升高，因此可以综合采集烟雾浓度、二氧化碳浓度、温度这三个参数，当这三个参数都超过上限值时才发出报警信号，这样可以有效的减少误报率。其次，可以给该报警器配置一些自动的灭火器等，当检测到有危险信号时，报警器不仅能发出报警信号，同时还能自动的进行一些相应的紧急措施处理，使其成为一个定需要人工操作的智能报警器。参考文献1 潘新民.王燕芳. 微型计算机控制技术M. 北京：高等教育出版社, 2001.72 徐玉琦，朱晓明，朱成.电起火的分析及预防M. 北京：纺织工业出版社， 13 将永琨，朱嘉福.工业企业防火技术M.水力电力出版社，19904 刘军华.智能传感器系统M.西安：西安电子科技大学出版社，19995 吴兴惠，王彩君.传感器与信号处理M. 北京：电子工业出版社，19986 国家技术监督局.GB12978-91火灾报警设备检验规则. 1991 7 瞿贵荣. 家庭实用报警器 J.家庭电子， 2005，（10）8 李朝青. 单片机原理及接口技术M. 北京：北京航空航天大学出版社， 2000.109 杨全胜. 现代微机原理及接口技术M. 北京：电子工业出版社, 2002.310 陆鑫，廖建明，李巧勤.微机原理与接口技术M. 北京：机械工业出版社，2005.911 于永，戴佳，常江.51单片机实例精讲M. 北京：电子工业出版社，2007.412 清源计算机工作室.Protel 99 SE原理图与PCB及仿真M. 北京：机械工业出版社，2006.813 康华光，陈大钦.电子技术基础M. 北京：高等教育出版社，2005.1214 腾滨玉，寇云超，黎丽琳.一氧化碳中毒和家用气体报警器J.黑龙江电子技术1994，（10）15 杨刚，周群.电子系统设计与实践M.北京：电子工业出版社.2004.116 陈悦，刁若菲，刘志伟，常鸿飞.烟雾检测火灾报警系统的设计J.单片机开发与应用，2007，（8）17 姚丰，刘念聪.一种单片机智能煤气监控系统的设计J.高等职业教育天津职业大学学报，2004.618 缪顺兵，熊光明，李永萍，鲁霞.自动火灾报警器系统设计与研究J. 装备制造技术，2006.419 Dae Sik Lee,Jeung Soo Huh,Duk Dong Lee.Classifying Combustible Gases Using Microgas Sensor ArrayJ.Sensorsand Actuators.2003,(93)20 J.R.McBride,K.E.Nietering,K.R.Ellwood.Design Considerations for Optimizing the Sensitivity of Catalytic Calorimetric Gas Sensors:Modeling and Experimental Results.Sensors and ActuatorsJ.2000,(73)21 Aaron Norma,Frank Stama,Anthony Morrissey,Monika Hirschfelder,Dirk