基于单片机的火灾报警器的设计

中北大学 2013 届毕业设计说明书第 1 页 共 51 页基于单片机的火灾报警器的设计摘要：系统用单片机作为核心，其容量大、数据处理速度快、适合运行较为复杂的算法；采用高灵敏度的温度传感器与烟雾传感器作为探测器。报警系统将传感器输出的电信号经放大滤波处理后送入 ADC0832 转换，得到的数字信号由单片机进行处理分析，判断是否发生火灾。火灾自动报警系统通过对传感器采集火情信息,采用多传感器信息融合技术,使用智能识别算法实现对火灾的监测。当报警器监测到火情信息后, 立即产生声光报警信号。系统具有声光报警、故障自诊断等功能，系统的结构简单、性能稳定，使用方便，智能化程度高。由于采用了感温和感烟探测器相结合探测方法，比使用单一的探测器能更加准确报警、降低了误报率。关键词：单片机，温度传感器，烟雾传感器 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 2 页 共 51 页DESIGN OF FIRE ALARM SYSTEM BASED ON SINGLE CHIP MICROCOMPUTER Abstract： System uses the command as the core, because of its large capacity, data processing speed, suitable for operation more complex algorithms. System uses sing high sensitivity of the temperature sensor and smoke sensor as detectors. Alarm system will send sensor output signal after filtering processing enlargement to ADC0809 conversion. The single-chip microcomputer analysis the digital signal processed, and it determine whether fires. FAS collect fire information through sensors, using multi-sensor information fusion technology, and use intelligent identification algorithm for fire monitoring. When the alarm monitors the fire information, it produces sound-light alarm signal immediately. System has the acousto-optic alarm, fault diagnosis system. The system has simple structure and stable performance, and it is easy to use and intelligent. In this paper, it uses the method of combining temperature detector and smoke detector to detect, and can be a more accurate report than using a single detector, while reduced the false rate.Key words： The command，Temperature detectors，Smoke detectors 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 3 页 共 51 页目 录1 引言 .11.1 选题背景及意义 .11.2 设计内容 .12 火灾报警器系统的工作原理 .22.1 系统总体功能概述 .22.2 火灾报警系统的类型 .22.3 火灾探测器的原理 .33 系统硬件的选择 .53.1 AT89S52 单片机 .53.2 温度传感器 DS18B20.103.3 MQ-2 型烟雾传感器 .123.4 LED 数码管 .163.5 ADC0832A/D 转换芯片 .194 硬件电路设计 .224.1 单片机外围接口电路 .224.2 DS18B20 测温电路 .224.3 四位数码管显示电路 .234.4 设定按键电路 .234.5 A/D 转换模块 .244.6 声音报警电路 .245 软件设计 .265.1 proteus 软件 .265.2 主程序设计及流程图 .285.3 报警子程序 .295.4 键盘处理子程序 .31结 论 .32附录 A 程序源代码 .33附录 B 电路图 .43附录 C PCB 图 .44参考文献 .45致 谢 .46附录 B 电路图 .43附录 C PCB 图 .44参考文献 .45致 谢 .46 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 4 页 共 51 页1 引 言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。 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 5 页 共 51 页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：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，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 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 6 页 共 51 页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 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 7 页 共 51 页变化变成电的变化，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”。 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 8 页 共 51 页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 ： 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 9 页 共 51 页图 3.1 AT89S52 引脚图 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 10 页 共 51 页图 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 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 11 页 共 51 页 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， 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 12 页 共 51 页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 3.1 P1 口管脚复用功能端口引脚 复用功能P1.0 T2（定时器/计算器 2 的外部输入端）P1.1 T2EX（定时器 /计算器 2 的外部触发端和双向控制）P1.5 MOSI（用于在线编程）P1.6 MISO（用于在线编程）P1.7 SCK（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P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口） 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 13 页 共 51 页P3.2 INT0（外部中断 0）P3.3 INT1（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）P3.6 WR（外部数据存储器写选通）P3.7 RD（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 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 14 页 共 51 页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1 GND 地信号2 DQ 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。3 VDD 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； 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 15 页 共 51 页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。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C0 CO2 H2S NH3 HCN HCI COCI2 CI2 NOX SO2 O2 CH4 C3H2 H2 H2OC64 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 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 16 页 共 51 页半导体气体传感器 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 代表性被检测气体表面电阻控制器 300450C 可燃性气体电阻型电阻体电阻控制器 300450C700C 以上乙醇、可燃性气体二极管整流特性 室温200C H2、CO、乙醇非电阻型晶体管特性 150C H2、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， 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 17 页 共 51 页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。 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 18 页 共 51 页(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 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 19 页 共 51 页种情况，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： Trec 30 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。 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 20 页 共 51 页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 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 21 页 共 51 页这 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P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0e d dp c g b f a0 0 0 1 0 1 0 0 0 28H1 1 1 1 0 1 0 1 1 EBH2 0 0 1 1 0 0 1 0 32H3 1 0 1 0 0 0 1 0 A2H4 1 1 1 0 0 0 0 1 E1H5 1 0 1 0 0 1 0 0 A4H6 0 0 1 0 0 1 0 0 24H7 1 1 1 0 1 0 1 0 EAH8 0 0 1 0 0 0 0 0 20H 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 22 页 共 51 页9 1 0 1 0 0 0 0 0 A0HH 0 1 1 0 0 0 0 1 61HL 0 0 1 1 0 0 0 1 3DH- 1 1 1 1 0 1 1 1 F7HC 0 0 1 1 1 1 0 0 3CH3.5 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 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 23 页 共 51 页 a 、 片选使能，低电平芯片使能。 CS 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） 。 CVREFADC0832 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 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 24 页 共 51 页图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。 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 25 页 共 51 页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 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 26 页 共 51 页图 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 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 27 页 共 51 页图 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， 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 28 页 共 51 页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。 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 29 页 共 51 页图 4.6 声音报警电路图 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 30 页 共 51 页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