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1929_基于单片机的烟雾检测系统,1929,基于,单片机,烟雾,检测,系统
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单位代码 02 学 号 080105026 分 类 号 TH6 密 级 毕业论文基于单片机的烟雾检测系统 院（系）名称 工学院机械系 专业名称机械设计制造及其自动化 学生姓名胡新新 指导教师蔡超峰 2012年 5 月 15 日 黄河科技学院毕业论文 第 页基于单片机的烟雾检测系统摘要吸烟有害健康。尤其，在一些公共场所，个别人的吸烟所产生的烟雾也会危害到周围不吸烟人的健康，可见，这是一种不道德的行为。随着“室内公共场所禁烟”等规定的正式生效，在公共场所禁烟已经成为一种趋势，公共场所的烟草影响着人们的健康，因此在公共场所的烟雾报警也成为了一种需要。论文介绍了烟雾报警器的发展前景，研究了烟雾传感器和单片机的选择，分析了硬件部分的电路和作用，给出了系统硬件设计方案与系统软件的程序流程。采用MQ-7型半导体电阻式烟雾传感器和AT89C2051单片机为核心技术设计的烟雾报警器，实现了烟雾报警、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能，对烟雾检测报警的实现技术进行了的有意义的探索与研究，在有害气体监测实现方面有一定的参考价值。经过实验证明，可燃性报警器满足检测要求。 关键词：烟雾，报警器，AT89C2051，传感器 SMOKE DETECTION SYSTEM BASED ON SINGLE CHIPAbstractSmoking is harmful to health. In particular, in some public places, some individuals smoke generated by smoking may endanger the health of people around non-smokers, we can see, this is an immoral act. With the smoking ban in indoor public places and other rules come into effect, smoking in public places has become a trend growing in todays society, so the smoke alarms in public places has become a need. This paper introduces the development prospects of smoke alarms, the smoke sensor and microcontroller of choice, analyzes the role of the hardware part of the circuit and the given hardware design and software program flow. With MQ-7-type semiconductor resistance sensor and smoke AT89C2051 MCU core technology smoke alarm designed to achieve a smoke alarm, alarm limit settings, delay alarm and serial communication with the host computer and other functions, the implementation of the smoke detection alarm technology conducted a meaningful exploration and research, monitoring the achievement of the harmful gas have some reference value. In the experiment, flammability alarm to meet the testing requirements, the design scheme is reasonable.Key words: smoke alarm, AT89C2051, sensor目 录1 绪论11.1 问题由来11.2 课题现状21.3 论文的主要任务32 系统原理概述42.1 烟雾检测报警器的设计思路42.2 系统硬件组成原理42.3 软件系统工作流程52.3.1系统应用情况分析52.3.2 工作过程及程序设计53 系统硬件设计63.1烟雾传感器的选择73.2运放与A/D的选择83.3 单片机系统部分113.3.1 AT89C51单片机介绍113.3.2 定时/计数器的结构及控制123.3.3 中断控制143.4 单片机外围电路介绍143.4.1 复位电路143.4.2 晶振电路153.5报警部分164软件设计194.1A/D采样双通道流程204.2报警流程设计215 设计总结235.1 实现目标与特点235.2 结论及不足24致谢26 黄河科技学院毕业论文 第 40 页 1 绪论1.1 问题由来 随着社会的发展，吸烟的人群越来越多，吸烟的危害，吸烟不仅危害自己的身体，也会对他人造成伤害，也会产生不良社会影响。吸烟有一定的社会性，在社交中具有一定的社会功能，但同时又可能诱发多种疾病，对个体健康危害极大。吸烟可以致癌，提高心、脑血管疾病的发病率，引起呼吸道疾病等多种危害。 2007年5月29日，卫生部发布2007年中国控制吸烟报告。报告指出，我国有5.4亿人遭受被动吸烟之害，其中15岁以下儿童有1.8亿，每年死于被动吸烟的人数超过10万，而被动吸烟危害的知晓率却只有35%。二手烟既包括吸烟者吐出来的主流烟雾，也包括从纸烟、雪茄或烟斗中直接冒出来的侧流烟。二手烟中包含4000多种物质，其中包括40多种与癌症有关的有毒物质。在二手烟中，许多化合物在侧流烟中的释放率往往高于主流烟。世界卫生组织的报告表明，吸烟对人类的危害是多方面的，主要导致哮喘、肺炎、肺癌、高血压、心脏病和生殖发育等。其中，二手烟对被动吸烟者的危害一点也不比主动吸烟者轻，特别是对少年儿童的危害尤其严重。调查显示，在我国，被动吸烟的主要受害者是妇女和儿童，尽管她们自己并不吸烟，但经常在家庭、公共场所遭受他人的二手烟。除此之外，职场、会场等，也经常会成为二手烟泛滥的场所。虽然没有直接吸食香烟，可是呼入体内，仍能对身体造成危害，甚至比吸烟者的危害更大。中国是世界头号烟草生产与消费大国，烟民数量居全球之冠。2011年5月1日卫生部公布修订后的公共场所卫生管理条例实施细则，其中新增加了“室内公共场所禁止吸烟”等规定。这是中国为兑现世界卫生组织控烟框架公约采取的最新举动。在公共场所中，创造无烟环境是一种社会发展的趋势。目前，国内外都在不断的制定法律条款来限制吸烟人群，以形成良好的无烟环境。同时，在各公共场所到处可见的是“禁止吸烟”的纸质标语和警示符号，但效果一般。如果采取人员巡检，则会占用大量人力资源，且许多时候会引起纠纷。通过一段时间的调查研究，我们发现吸烟人群对标语警示很不敏感，而在此相关领域中，也没有此类电子产品。为此，我们提出声光警示的吸烟警示器，可以通过对空气中烟雾粒子浓度进行检测，一旦检测到有人吸烟，则会在第一时间给吸烟者发出最为有效的语音警示，效果将优越于标语警示。我们相信，吸烟警示器的出现，将在公共场所对吸烟人群有很好的警示作用，同时，它还拥有广阔的市场空间，可以形成良好的经济效益和社会效益。在一定程度上，它也有着很好的可行性和必要性。如果该项目研究成功，可以安装在大厅、会议室、走廊等室内公共场所,当检测到烟雾粒子达到一定程度时，会自动发出禁止吸烟的警示。如果能够大量应用，不仅保护了非吸烟者身体健康，而且，对吸烟者起到警示和提示吸烟有害自己和他人健康的作用；从心理学角度分析，这样更便于吸烟人群接受，更有利于创造出良好的无烟环境，也有利于提高人们的素质。1.2 课题现状 国外从20世纪30年代开始研究及开发烟雾传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动1。据有关统计，美国1996年至2002年烟雾传感器年均增长率为27%30%。随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得烟雾检测 仪器的体积也逐渐变小，提高了烟雾检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推广。1963年5月，日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，次年12月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体，可以安装在浴室或者采用集中监视。在很多国外家庭，国家强制规定必须要安装烟雾报警器，目的就是为了防止火灾的发生，本产品在火灾发生的早期一旦有烟雾发生就可感应到烟雾，同时发出85分贝的声音和发出光报警告知用户发生了火灾，应及时采取措施。 我国在70年代初期开始研制烟雾报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色。近年来，在烟雾选择性和产品稳定性上也有很大进步。中国烟雾探测报警系统产业发展研究报告阐述了世界烟雾探测报警系统产业的发展历程，分析了中国烟雾探测报警系统产业发展现状与差距，开创性地提出了“新型烟雾探测报警系统产业” 及替代品产业概念，在此基础上，从四个维度即“以人为本”、“科技创新”、“环境友好”和“面向未来”准确地界定了“新型烟雾探测报警系统产业” 及替代产品的内涵。根据“新型烟雾探测报警系统产业” 及替代品的评价体系和量化指标体系，从全新的角度对中国烟雾探测报警系统产业发展进行了推演和精准预测，在此基础上，对中国的行政区划和四大都市圈的烟雾探测报警系统产业发展进行了全面的研究。1.3 论文的主要任务目前，我们已经学习了许多相关知识，如单片机与单片机控制电路，传感器与其相关电路，D/A转换电路，A/D转换电路，放大电路设计，以及语音芯片等，已经具备对信号的采集、放大、传输控制，语音芯片的语音录制及放音控制，微控制电路的应用设计等能力，并具备一定的实践创新能力。通过对微控制器，语音电路，烟雾传感器电路以及报警电路的整合，形成一个可靠性好稳定度高，性能优良的电路，能够实现对低浓度烟雾的有效检测，并给予语音警示的功能。如果配以精美的外壳，则可以形成一个优秀的有良好社会效益和经济效益的产品。本设计是以单片机为核心，通过烟雾传感器发出的信号对烟雾进行报警，最后通过语音报警电路报警，达到对烟雾报警的目的。研究内容：1. 电子语音芯片的录音和放音控制，以及音效的处理和信号的放大。2. 烟雾检测装置的选型以及在低浓度下灵敏度域有效检测的方法与算法。3. 控制电路的实现方式以及MCU的选型。4. 电路的抗干扰能力和可靠性 2 系统原理概述2.1 烟雾检测报警器的设计思路吸烟警示器是能够检测环境中的烟雾，并具有报警功能的仪器，仪器的最基本组成部分应包括：烟雾信号采集模数转换电路、单片机控制电路、录音报警电路。烟雾信号采集电路一般由烟雾传感器和模拟放大电路组成，将烟雾信号转化为模拟的电信号。模数转换电路将从烟雾检测电路送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。单片机对该数字信号进行滤波处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值(也就是报警限)，如果大于则启动报警电路发出报警声音，反之则为正常状态。为方便检测与监控为使报警装置更加完善，可以在声音报警基础上，加入光闪报警，变化的光信号可以引起用户注意，弥补嘈杂环境中声音报警的局限。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。烟雾传感器及单片机是可燃烟雾检测报警器的两大核心，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的烟雾传感器及单片机芯片是至关重要的。2.2 系统硬件组成原理本系统由烟雾传感器、A/D转换电路、MCU控制电路、语音模块及功放电路组成。系统组成框图如图2-1所示。图2-1 系统构成框图前向通道：烟雾传感器电路主要负责探测空气中CO的气体浓度，能够随着CO浓度的不同，体现出不同的变化，将变化信号转化为易于MCU处理的电压信号。由于烟雾传感器的输出信号不大，经过运放比例放大电路，适当放大所得的电压信号，通过A/D转换器将模拟电压信号转换为数字电压信号，便于MCU处理。MCU接收前向通道输入的数字信号，经过运算、处理，输出控制给后向通道(LED显示、语音芯片)等。后向通道：语音电路，主要负责语音滤波和受控放音功能，配合功放电路，放大音频信号，输出给喇叭，实现良好的放音效果。2.3 软件系统工作流程在硬件设计完毕之后，接下来就是设计中最核心和最为主要的软件部分设计。所谓软件设计就是把软件需求变换成软件的具体设计方案（即模块结构）的过程。产品犹如我们人类一样，硬件系统是整个外形，软件系统则是大脑，程序犹如思维。整个系统的工作流程，保证了系统的正常运行；想要充分利用好MCU，就要将其资源按需分配，有条有理，这就需要将MCU的内存详细合理分配，各个单元各尽其责；MCU的端口分配，不仅有助于程序控制，而且对PCB制版大有裨益。2.3.1系统应用情况分析本系统主要分为2个状态：烟雾浓度较低时的正常状态和烟雾浓度较高时的报警状态。正常状态时，为了能够指示整个系统是在正常工作的，采用绿色LED指示此状态，同时考虑到功耗问题，控制绿色LED一秒钟闪烁一次，定时器T0配合工作。报警状态时，红色有警示作用，所以利用红色LED指示此状态，并使其一直亮着，同时，控制语音芯片放音，通过喇叭音频输出。定时器T0配合工作，报警状态时，若烟雾浓度一直较高，则只报警一次。10秒钟后，若烟雾浓度较低，则恢复正常状态；若烟雾浓度仍较高，则再报警。2.3.2 工作过程及程序设计本系统主要分为2个状态：烟雾浓度较低时的正常状态和烟雾浓度较高时的报警状态。正常状态时，为了能够指示整个系统是在正常工作的，采用绿色LED指示此状态，同时考虑到功耗问题，控制绿色LED一秒钟闪烁一次，定时器T0配合工作。报警状态时，红色有警示作用，所以利用红色LED指示此状态，并使其一直亮着，同时，控制语音芯片放音，通过喇叭音频输出。定时器T0配合工作，报警状态时，若烟雾浓度一直较高，则只报警一次。10秒钟后，若烟雾浓度较低，则恢复正常状态；若烟雾浓度仍较高，则再报警。图2-2为整个系统工作的主流程。MCU初始化完成了内存清空，端口配置，AD配置，定时、中断设置等操作；AD转换包括通道0、通道1的采样；数据处理包括报警值的滑动滤波、烟雾浓度信号的滑动滤波、有符号增量计算等一系列计算。放音和LED控制由MCU通过I/O口直接控制。图2-2 系统工作流程图3 系统硬件设计 本系统采用的是以mq-7为传感器，以AT89C2051作为系统的主控芯片，通过语音录放电路报警的过程。3.1烟雾传感器的选择 由于本次设计的是针对公共场所的烟雾，而这些烟雾大多都含有一氧化碳，所以就选用对一氧化碳具有很高灵敏度的mq-7气体传感器。Mq-7气体传感器特点：对一氧化碳具有很高的灵敏度和良好的选择性； 具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。 传感器的表面电阻Rs，是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号VRL输出而获得的。二者之间的关系为： Rs/RL = (Vc-VRL) / VRL图3-1 电压与co浓度的关系图2-3为利用回路测得在传感器由洁净空气转移至一氧化碳气氛中时，RL上的信号输出变化情况，输出信号的测定是在一个完整的加热周期（由高电压至低电压2.5分钟）或在两个完整的加热周期内测得。灵敏度调整：MQ-7型气敏器件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。 因此，在使用此类型气敏器件时，灵敏度的调整是很重要的。 我们建议您用200ppmCO校正传感器。当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。灵敏度的调整程序：a. 将传感器连接在应用回路中。.b. 接通电源，通电老化48小时以上。.c. 调整负载电阻RL至获得对应于某一个一氧化碳浓度时所需要的信号值。 MQ-7型气敏元件的敏感层是用非常稳定的二氧化锡制成的。因此，它具有优秀的长期稳定性，在正常使用条件下，其使用寿命可达5年。根据MQ-7型烟雾传感器的工作原理，烟雾浓度的变化体现于其自身电阻的变化，将MQ-7与电阻串联构成分压电路。考虑到整个系统的灵敏度，通过多次调试和测试，得到MQ-7型烟雾传感器与20K电阻串联的效果较好，为了保证采样数据的稳定性和可靠性，将分压输出的电压信号经由运放LM358构成的电压跟随电路跟随输出，减小电源波动、外界因素对采样数据的影响。3.2运放与A/D的选择图3-2 LM358引脚图LM358 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，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。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。LM358封装有塑封8引线双列直插式和贴片式两种。LM358的特点: . 内部频率补偿. 低输入偏流. 低输入失调电压和失调电流. 共模输入电压范围宽，包括接地. 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围. 直流电压增益高(约100dB) . 单位增益频带宽(约1MHz) . 电源电压范围宽：单电源(330V)；. 双电源(1.5 一15V). 低功耗电流，适合于电池供电. 输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V) 图3-3 LM386的管脚图LM386是美国国家半导体公司生产的功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器,主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少,电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容,便可将电压增益调为任意值,直至200。输入端以地位参考,同时输出端被自动偏置到电源电压的一半,在6V电源电压下,它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。 LM386的管脚说明引脚序号符号功能引脚序号符号功能1GAIN增益调整5OUT输出2N.F负反馈6VCC电源3IN输入7FC滤波4GND地8GAIN增益调整A/D转换选用MCP3002，MCP3002器件提供了两种选择，可将模拟输入通道配置2个单端输入（由VSS 提供参考电压）或一个伪差分输入对。通信配置作为串行命令的一部分在转换开始之前完成。当用于伪差分模式时，通过发送给器件的命令字符串，将CH0 和 CH1 通道配置为 IN+ 和 IN- 输入。 IN+ 输入的范围从IN- 至参考电压VDD。IN- 输入被限定在VSS满幅值 100mV 的范围内。IN- 输入可用于消 除IN+ 和 IN- 输入端都存在的小信号共模噪声。 为了适应不同环境及不同的报警门限要求，方便使用者自定义调节，接入一个滑动变阻器，以简单而有效的实现报警门限可调功能。名称功能VDDCH0CH1CLKDINDOUTCS/SHDN+2.7v至5.5v电源和参考电压输入通道0模拟输入通道1模拟输入串行时钟串行数据输入串行数据输出片选、关断输入MCP3002的特性10 位分辨率 1 LSB DNL （最大值） 1 LSB INL （最大值） 模拟输入可编程为单端输入或伪差分输入对 片上采样和保持电路 SPI 串行接口（模式0,0 和模式 1,1） 单电源供电的电压范围：2.7V 至5.5V 在VDD = 5V 时的最大采样速率为200 ksps 在VDD = 2.7V 时的最大采样速率为75 ksps 低功耗 CMOS 技术： - 5 nA 典型待机电流，最大2 A - 5V 时，工作电流最大为550 A 工业级温度范围：-40C 至 +85C 8 引脚MSOP、PDIP、SOIC 和TSSOP 封装 传感器接口 数据采集 电池供电系统 过程控制MCP3002的模拟输入通道CH0接入烟雾浓度信号，模拟输入通道CH1接入报警门限可调电阻。具体电路，如图2-2所示。图3-4 传感器连接电路3.3 单片机系统部分3.3.1 AT89C51单片机介绍 AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图3-5AT89C51引脚图3.3.2 定时/计数器的结构及控制定时/计数器的实质是加1计数器（16位），由高8位和低8位两个寄存器组成。TMOD是定时/计数器的工作方式寄存器，确定工作方式和功能；TCON是控制寄存器，控制T0、T1的启动和停止及设置溢出标志。定时/计数器结构如图3-9所示： 图3-6 定时/计数器结构图AT89S52单片机定时/计数器的工作由两个特殊功能寄存器控制。TMOD用于设置其工作方式；TCON用于控制其启动和中断申请9。1.工作方式寄存器TMOD工作方式寄存器TMOD用于设置定时/计数器的工作方式，低四位用于T0，高四位用于T1。其格式如表3-2： 表3-2 TMOD寄存器的格式 位号D7D6D5D4D3D2D1D0符号GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0GATE：门控位。GATE0时，以运行控制位TRX(X=0，1)来启动定时/计数器运行；GATA1时，要用软件使TR0或TR1为1，同时外部中断引脚或也为高电平时，才能启动定时/计数器工作；C/T计数器模式和定时器模式选择位C/T=1时，选择计数器模式，计数器对外部输入引脚T0（P3.4）或T1（P3.5）的外部脉冲计数；C/T=0时，选择定时器模式。M1M0：工作方式设置位。定时/计数器有四种工作方式，由M1M0进行设置。表3-3 定时/计数器工作方式M1 M0 工作方式功能0 0工作方式013位计数器0 1工作方式116位计数器 1 0工作方式2自动再装入8位计数器 1 1工作方式3定时器0：分成两个8位计数器定时器1：停止计数2.控制寄存器TCON TCON的低4位用于控制外部中断,已在前面介绍。TCON的高4位用于控制定时/计数器的启动和中断申请。其格式如下：表3-4 TCON的格式位D7D6D5D4D3D2D1D0字节地址：88HTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0TF1（TCON.7）：T1溢出中断请求标志位。T1计数溢出时由硬件自动置TF1为1。CPU响应中断后TF1由硬件自动清0。T1工作时，CPU可随时查询TF1的状态。所以，TF1可用作查询测试的标志。TF1也可以用软件置1或清0，同硬件置1或清0的效果一样。TR1（TCON.6）：T1运行控制位。TR1置1时，T1开始工作；TR1置0时，T1停止工作。TR1由软件置1或清0。所以，用软件可控制定时/计数器的启动与停止。TF0（TCON.5）：T0溢出中断请求标志位，其功能与TF1类同。TR0（TCON.4）：T0运行控制位，其功能与TR1类同。3.3.3 中断控制CPU对中断系统所有中断以及某个中断源的开放和屏蔽是由中断允许寄存器IE控制的。表3-5 寄存器格式 位76543210字节地址：88HEAESET1EX1ET0EX0IEEX0(IE.0)，外部中断0允许位；ET0(IE.1)，定时/计数器T0中断允许位； EX1(IE.2)，外部中断0允许位；ET1(IE.3)，定时/计数器T1中断允许位；ES（IE.4)，串行口中断允许位；EA (IE.7)， CPU中断允许（总允许）位。3.4 单片机外围电路介绍3.4.1 复位电路AT89C51单片机的复位输入引脚RST为AT89C51提供了初始化的手段。有了它可以使程序从指定处开始执行，即从程序存储器中的0000H地址单元开始执行程序。在89C51的时钟电路工作后，只要在RST引脚上出现两个机器周期以上的高电平时，单片机内部则初始复位。只要RST保持高电平，则89C51循环复位。只有当RST由高电平变成低电平以后，89C51才从0000H地址开始执行程序。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。本系统的复位电路是采用按键复位的电路，如图3-10所示，是常用复位电路之一。单片机复位通过按动按钮产生高电平复位称手动复位。上电时，刚接通电源，电容C相当于瞬间短路，+5V立即加到RESET端，该高电平使89C51全机自动复位，这就是上电复位；若运行过程中需要程序从头执行，只需按动按钮即可。按下按钮，则直接把+5V加到了RESET端从而复位称为手动复位。复位后，P0到P3并行I/O口全为高电平，其它寄存器全部清零 。图3-7 AT89C51复位电路按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。时钟频率选用6MHZ时，C取22uF,Rs取200，RK取1K。3.4.2 晶振电路晶振电路由晶振和两个负载电容组成。晶振电路部分电路连接如图3-11所示。图3-8 晶振电路晶振是给单片机提供工作信号脉冲的，这个脉冲就是单片机的工作速度。比如此系统所用的12MHz晶振，单片机工作速度就是每秒12M。在调试时要注意将PC串口波特率设为1200。至于两个电容的大小，它是根据晶振厂家提供的晶振要求选值的，换句话说，晶振的频率就是在它提供负载电容下测得，能最大限度的保证频率值误差。两个电容取值都是相同的，大部分在20-30pF，没有相同电容的情况下，可以用两个相差不大电容代替，但不能相差太大，容易造成谐振不平衡，容易造成停振或者干脆不起振。晶振电路在本系统中是并联方式，连接在AT89c51的XTAL1和XTAL2引脚。3.5报警部分美国 ISD 公司于 2001 年最新推出一种单片 820 秒单段语音录放电路 ISD1810，它的基本 结构与 ISD1110、1420完全相同，采用 CMOS 技术，内含振荡器，话筒前置放大，自动增益控制，防混淆滤波器，扬声器驱动及 FLASH 阵列。 一、 主要特性 （1）使用方便的单片8至20秒语音录放；（2）外接电阻调整录音时间，高质量，自然的语音还原技术；（3）内置喇叭驱动放大电路； （4）边沿、电平触发放音 10000次录音周期（典型）；（5）自动节电，维持电流0.5uA，3-5v单电源工作；（6）不耗电信息保存100年（典型值） ，借助专用设备可以批量拷贝。二、 封装形式 现在有四种形式的封装供客户选择: （1）、通用的，硬包封双列直插 14脚的 DIP14，字符标记为 ISD1820P； （2）、通用的，软包封单列直插 12脚的 COB12，字符标记为 1810COB； （3）、录音喊话器及录音门铃专用的，软包封单列直插 10脚的，字符标记为 VT8375； （4）、通用的，软包封双列直插 12脚的组件板 M12，字符标记为 ISD1810M。在此选用的是第3种封装方式如下图3-9 元件的封装七、使用操作 电源电压3-5V，在录放模式下，按住 REC 录音按键不放即录音，RECLED 灯会亮起，录音在该组件只需外 加电池、按键、喇叭、话筒即可使用。松开按键时停止，放音有三种情况： 1、边沿触发放音，按 PE 键一下即将全段语音放出，除非断电或语音结束不能停止放音； 2、电平触发放音，按住 PL 键时即放音，松开按键即停止； 3、循环放音，置循环放音开关闭合，按动 PE 键即开始循环放音，只能断电才能停止。 在直通模式下，直通开关闭合，对话筒说话会从喇叭里扩音播放出来，构成喊话器功能，由于该模式下的话筒放大同时经过AGC 自动增益调节和带通滤波器，其音质比通常的话筒放大器要好很多，而且不会出现喇叭过载的情况。 如果用户不需要直通模式，而且对电路的静态耗电有要求，就可以改变话筒的接入方 式，将话筒下端的偏置电阻接到 RECLED 端，这样，在平时由于 RECLED 端为高电平话筒没有电压电流，整个电路的耗电几乎为零。但这种方式下直通模式不能工作。如果用户只需要电路做放音用，可以在芯片录好音测试无误后，将芯片的 REC 端长期接低电平。取消 REC 按键，这样可以防止意外抹音。条件参数工作温度0+50录放音电源电压+2.7 +4.5V地电平0V如果用户想制作变调电路，现在 ISD 芯片也可以了，原来的 ISD 系列芯片的内部时钟固定，几乎不能产生变调效果，而 ISD1820P可以方便的实现，只需要录音和放音时的外部振荡电阻不同就能改变声音的录入和播放速度，详见振荡电阻和取样率表。将 ROSC 端所接的振荡电阻改为电位器可以无级调节语音的快慢，录入的时间越短音质越好，录入的时间越长音质越差。Rosc录放时间采样频率典型带宽80K88.0KHZ3.4KHZ100K106.4KHZ2.6KHZ120K125.3KHZ2.3KHZ160K164.0KHZ1.7KHZ200K203.2KHZ1.3KHZISD1820P 的批量拷贝，可以借助 ISD1425 编程拷贝机加 ISD1820P 拷贝模块的方案。用户可以先将需要的语音编程制作在ISD2532或 ISD2560 芯片上，然后即可向 ISD1820P拷贝模块上的芯片拷贝即可，时间长度在模块上事先设定。语音录放电路中音频信号由J1接入麦克风，通过1K和4.7K电阻形成串联分压，以给音频信号直流偏置；将振荡电阻调整为100K，使得录放时间大致为10秒；AGC端接入22uF的电容，动态调整前置增益以补偿话筒输入电平的宽幅变化，使得录制变化很大的音量时失真都能保持最小录音时；按下开关KEY，红色LED亮，表明已进入录音状态，可以语音输入要录制的音频；放音时，按一下按键AN即可实现一次放音操作，在结束放音时红色LED会闪烁一下，表明放音结束。其具体电路，如图2-9所示：图3-10 语音录放电路为了有效地抑制共模噪声，采用双音频输入输出。通过接在1脚、8脚间的电容来改变增益，经过测试发现，接入大小为10uF的电解电容，效果较好。BYPASS引脚接大小为470u的电解电容能够起到不错的滤噪效果。输出端接入耦合电容，作用之一是隔直耦合，隔断直流电压，直流电压过大有可能会损坏喇叭线圈；耦合音频的交流信号。通过电阻和电容构成了一阶高通滤波器，输出给扬声器负载，能够起到良好的滤波效果。减小电容C14的值，可使噪声能量冲击的幅度变小、宽度变窄；但调试发现C14太低则会使截止频率提高。经反复测试发现10uF时效果较为合适。经过反复的调试，确定LM386音频功放电路设计如图2-3所示。图3-11 音频功放电路如此设计，明显改善了音频的输出效果，由于录音环境的较差，使得录音质量不是很好，但其放音效果已经达到预期的设计目标。4软件设计系统的软件编程设计运用的是汇编语言，因为自己学过所以比较容易，汇编语言有一定的优越点，汇编语言直接同计算机的底层软件甚至硬件进行交互，它具有如下一些优点 汇编语言比机器语言易于读写、调试和修改，同时具有机器语言全部优点。但在编写复杂程序时，相对高级语言代码量较大，而且汇编语言依赖于具体的处理器体系结构，不能通用，因此不能直接在不同处理器体系结构之间移植。 汇编语言的特点: 1.面向机器的低级语言，通常是为特定的计算机或系列计算机专门设计的。 2.保持了机器语言的优点，具有直接和简捷的特点。 3.可有效地访问、控制计算机的各种硬件设备，如磁盘、存储器、CPU、I/O端口等。 4.目标代码简短，占用内存少，执行速度快，是高效的程序设计语言。 5.经常与高级语言配合使用，应用十分广泛。 系统的电路图用的是protel，在有一定的基础后，画电路图就不再那么的难。 4.1A/D采样双通道流程将模拟量或连续变化的量进行量化（离散化），转换为相应的数字量的电路。 A/D变换包含三个部分：抽样、量化和编码。一般情况下，量化和编码是同时完成的。 抽样是将模拟信号在时间上离散化的过程； 量化是将模拟信号在幅度上离散化的过程； 编码是指将每个量化后的样值用一定的二进制代码来表示。图2-14为AD采样双通道的流程，两个通道要轮流切换采样，且两个通道的配置数据不同。图4-1 AD转换流程 4.2报警流程设计在单片机测控系统中，使用之前必须进行静态标定，以得到输出信号与被测信号的关系输出曲线，用来作为使用过程中的计量依据。但是标定时输出曲线往往不是一条理想的直线，所以要对标定曲线进行线性化处理，用一条拟合直线近似代替输出曲线，线性化是智能仪表的典型功能之一19。该报警器主要针对一氧化碳烟雾检测，在软件线性化处理时，以传感器对一氧化碳的响应曲线为依据。 本论文报警器使用的MQ-7型传感器的电阻是随着烟雾浓的升高而降低的，因此，输入单片机的电压也是随之降低的。图4.4为单片机采集电压值与烟雾浓度百分比的对应曲线，可以看出，电压值与烟雾浓度之间是非线性的关系，为了实时显示烟雾浓度.需要对其进行线性化处理。在误差许可范围内，根据标定曲线形状，以及单片机处理能力，把曲线分成若干小段，对每小段分别线性化20。图4-2 单片机采集电压值与烟雾浓度百分比线性化曲线在单片机进行数据采集时，会遇到数据的随机误差，随机误差是由随机干扰引起的，其特点是在相同条件下测量同一量时，其大小和符号会现无规则的变化而无法预测，但多次测量的结果符合统计规律。为克服随机干扰引起的误差，硬件上可采用滤波技术，软件上可采用软件算法实现数字滤波。滤波算法往往是系统测控算法的一个重要组成部分，实时性很强。图2-15为滤波算法及报警判断流程，滤波算法是将每次的采集的烟雾值与这次前的32次平均值相减得到变化量，并累加变化量，将变化量累加和作为报警的判别依据。 图4-3 滤波算法及报警判断流程5 设计总结5.1 实现目标与特点本研究产品是一种新型吸烟警示器，采用烟雾传感器，通过对空气中烟雾粒子的浓度的检测来判别是否有人吸烟，采用MCU电路来控制语音芯片完成播放警示音，并发出光警信号， 展现声光警示劝告。希望研究成功后，可以形成一个新型的小产品。它主要用于大厅、会议室、走廊等室内公共场所，对吸烟人群提出警示劝告，将有利于在全社会形成更多的无烟环境，并且，对此产品配以精美外壳，加以包装，可以成为适应多种场合的系列产品，形成良好的经济效益和社会效益。该课题的主要任务是开发一个以MCS-51单片机为核心的烟雾报警器，本设计主要分为硬件部分和软件部分，硬件部分着重考虑硬件电路的实用性和简单性，故在实用的基础上尽可能的简化硬件电路，节省线路板空间，达到硬件电路最优化设计。软件采用汇编语言编写，采用模块话设计思想，程序可读性强，通过仿真，实验验证了系统的可行，能满足设计要求，达到设计指标，实现对烟雾报警的功能。系统正常工作时，即烟雾浓度较低，未达到报警门限，绿色LED一秒闪烁一次，红色LED灭，吸口烟吐在烟雾传感器上面，虚拟一个烟雾浓度高的场合，系统进入报警状态，超过了使用者调节的报警门限，绿色LED灭，红色LED常亮，单片机控制语音芯片放音操作，喇叭输出已录制的“公共场所，请勿吸烟”音频，通过以上的系统联调，可以实现检测烟雾浓度高低，当烟雾浓度较高时，能够实现语音报警操作，达到了预期的设计效果。设计特点（1） 利用对一氧化碳灵敏度高的气体传感器，当有烟雾时，迅速将信号传递到单片机中。（2） 运用A/D转换电路MCP3002可以进行设定，当烟雾浓度低时绿色灯开始闪烁，当达到报警值时，红色灯常量，语音芯片开始报警，简单而方便。（3） 运用语言芯片ISD1820可以自己录音用来报警，有效的抑制了共模噪声，这样更加人性化。5.2 结论及不足本设计以AT89C2051为核心，通过烟雾传感器mq-7来检测周围环境中是否有烟雾，最后通过录音功放电路发出警报声音，从而达到烟雾报警的目的。 存在问题及不足：（1）烟雾传感器存在一定的误差，在特殊环境的温度和湿度对传感器有一定的影响，有可能造成的不精确。传感器输出信号一般比较微弱，需要过数据采集前置电路对其进行放大、滤波、电平调整，满足单片机对输入信号的要求。运放误差是造成前置放大误差的主要原因，运放的输入失调电压，输入失调电流是影响电路精度的重要因素。本设计选用高输入阻抗、低噪声的放大器，可以满足要求。另外所选的阻容器件都是经过精确测量后再焊接上去的，并经过仔细调试以获得最佳性能。 （2）录音报警电路在使用交流电路时有可能造成的共模噪声。虽然系统采用直流电源供电，但电源不可避免地残留一定的交流成分而形成噪声信号。它们对测控系统的正常运行危害很大。本系统选用ACDC电源模块，将220V市电转化为5V直流电压，分别给模拟电路和数字电路供电。为了尽量减小噪声，数字地和模拟地要一点接地，每个芯片的电源就近接退耦电容。（3）环境因素包括环境温度、湿度、空气中的尘埃等。对本系统来说，空气中的成分对系统的探头和单片机及其外围电路影响很小，在进行测量时不用进行补偿。但环境温度、湿度对传感器有一定的影响。但是温湿度的影响相对于系统5%LEL的精度要求，可以忽略不计。另外，系统还受到各种外部电磁噪声的干扰，设计上，把探测器与控制器之间的信号线用屏蔽电缆连接。在电路板布线时，注意抗干扰设计。致谢大学生活一晃而过，回首走过的岁月，心中倍感充实，当我写完这篇毕业论文的时候有种如释负重的感觉感慨良多。从论文的方案提出，方案讨论，到方案确定，还有原理图的绘制，程序的编写，最后完成论文，这整个过程让我倍感充实。首先诚挚的感谢我的论文指导老师蔡超峰老师。他在忙碌的教学工作中挤出时间来审查修改我的论文。还有教过我的所有的老师，你们严谨细致一丝不苟的作风一直是我工作学习中的榜样；他们循循善诱偶的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，方案的确定，在整个过程中都有您的细心指导。大学四年匆匆而过，在这四年中许多的老师用他们的辛劳交给我许多的专业知识，培养了我们正确的人生观与价值观，在本次毕业设计中，我不仅提高了自己的自学能力而且还体会了怎样做事做人，我所取得的成果与导师的教导是分不开的，这对将来在社会上的发展会有多帮助。感谢四年中陪伴在我身边的同学朋友，感谢他们为我提出了友谊的建议和意见，有了他们的支持鼓励和帮助让我顺利的完成了毕业设计论文。最后，感谢各位评审老师的评阅。由于本人水平有限，论文中难免存在一些不足和错误，请各位老师批评指正。参考文献1 谢望. 烟雾传感器技术的现状和发展趋势. 仪器仪表用户, 2006 2 陈杰，黄鸿.传感器与检测技术.高等教育出版社，20023 王福瑞单片微机测控系统设计大全M北京航空航天大学出版社，1999:4-94 彭军.传感器与检测技术:西安电子科技大学出版社, 2003:2633155 蔡文斋. 专业级串口调试器设计:现代电子技术, 2006(23): 6972 6 郑郁正. 单片机原理及应用:四川大学出版社, 2003: 2556 7 求是科技. 单片机应用系统开发实例导航:人民邮电出版社, 2003. 8 何衍庆. 控制系统分析设计和应用:化学工业出版社, 2003. 9 孙育才.ATMEL新型AT89S52系列单片机及其应用M.清华大学出版社，2006:10-2010 于冶会. 对调整仪表用蜂鸣器振动规范的探讨:传感器世界, 2000(1): 3538 11 曹乐南, 霍大勇. 单片机与PC机串行通信的实现:中国科技信息, 2006(11): 192, 203 12 邵子扬, 黄保明, 刘海涛. Keil软件仿真的串口调试技巧:单片机与嵌入式系统应用, 2006(7): 7678 13 张鹏翼, 罗卫兵, 楼超英. 基于STC单片机的无人飞机控系统设计:设计参考, 2006, 18: 232514 Wang Xi huai，Xiao Jian mei，Bao Minzhong. Multi-sensor Fire Detection Algorithm for Ship Fire Alarm System Using Neural Fuzzy Network. Signal Processing Proceedings. 2000(3):1602160515 Keil Software. Macro Assembler and Utilities Users Guide. Keil Software, 200116 Keil Software. Cx51 Complier Users Guide. Keil Software, 2001附录1附录2 W_DAT EQU 30H W_CS EQU 31H WZ EQU 33H DZ_WZ EQU 34H LEDCS1 EQU 39H;1S延时 LEDCS2 EQU 3AH;结束红灯; FHW EQU 3BH CH1_DZ EQU 32H BZ_Z BIT 00H BZ_ZC BIT 02H ;标志，正常:为0不正常；为1正常 BZ_DD BIT 03H ;等待标志： 为0不等待；为1等待 OVER BIT 04H CH1 BIT 05H FY_W BIT 06H;放音位 R_LED BIT P3.1; G_LED BIT P3.0; YY_KZ BIT P3.5 CS BIT P1.7 CLK BIT P1.6 DI BIT P1.4 DO BIT P1.5 LATCH BIT P1.2 DI_595 BIT P1.3 CP_595 BIT P1.1 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH LJMP LED_T0 ORG 0030HMAIN: LCALL QNC MOV DZ_WZ,#40H MOV CH1_DZ,#25H MOV FHW,#00H ;LCALL XS MOV TMOD,#11H MOV TH0,#3CH MOV TL0,#0B0H CLR TR0 CLR ET0 CLR EA SETB OVER SETB R_LED SETB G_LED CLR BZ_DD SETB FY_W MOV P1,#0FFH MOV P3,#0FFH CLR CH1 LCALL CGQ_CSH ;传感器初始化 CLR OVER ; SETB TR0 SETB ET0 SETB EA MOV LEDCS1,#20MA_1: LCALL PJ_CL;平均处理 LCALL MCP3002 JNB CH1,CH_8 LCALL LJ CPL CH1 ; LJMP MA_1CH_8: LCALL D_JH ;D加和 LCALL JB_PD;级别判断; LCALL XS ;显示 CPL CH1 LJMP MA_1;=;子程部分=QNC: MOV R0,#20H MOV R5,#60HQNC_1: MOV R0,#00H INC R0 DJNZ R5,QNC_1 RET;=MCP3002:CLR EA CLR TR0 CLR ET0 SETB CS CLR CS ;片选 CLR CLK JB CH1,CH_1 ; MOV W_DAT,#0D0H;写入要发送的数据 1101 LJMP CH_11CH_1: MOV W_DAT,#0F0H;取CH1通道的数据;CH_11: MOV W_CS,#04H LCALL FS_SJ ;以上发送数据 ;空操作位 CLR CLK NOP SETB CLK ;接收数据 LCALL JS_SJ ;状态复位 SETB CS CLR CLK NOP JB OVER,MCP_3 SETB TR0 SETB ET0 SETB EAMCP_3: JB CH1,CH_4 ; MOV A,DZ_WZ ;判断是否到7FH单元 CJNE A,#80H,MCP_2 MOV DZ_WZ,#40H LJMP MCP_2CH_4: MOV A,CH1_DZ ; CJNE A,#2DH,MCP_2; MOV CH1_DZ,#25H;MCP_2: RET;=FS_SJ: MOV A,W_DAT MOV R2,W_CSFS_1: RLC A MOV DI,C SETB CLK CLR CLK DJNZ R2,FS_1 RET;=;接收数据放40H开始的单元-7FH单元，64个单元JS_SJ: PUSH 00H MOV R3,#8 JB CH1,CH_2; MOV R0,DZ_WZ ;给首址 LJMP CH_22CH_2: MOV R0,CH1_DZ;CH_22: MOV A,R0 CLR CLK SETB CLK MOV C,DO RLC A CLR CLK SETB CLK MOV C,DO RLC A ANL A,#02H MOV R0,A ;以上接收高2位;MOV23H,A INC R0 ;指向下一个，存储单元JS_1: CLR CLK SETB CLK MOV C,DO RLC A DJNZ R3,JS_1 MOV R0,A ;以上接收低8位; MOV24H,A; LCALLBIJIAO JB CH1,CH_3 ;数据接收完毕，需求(X-X) LCALL CZ_D ;求一次的差值D INC DZ_WZ ;指向下一个，存储单元首址 INC DZ_WZ LJMP CH_33CH_3: INC CH1_DZ ; INC CH1_DZ ;CH_33: POP 00H RET;=PJ_CL: PUSH 00H PUSH 01H MOV 3EH,#00H MOV 3FH,#00H ;累计单元清零 MOV WZ,#41H ;数据，低位起址 MOV R2,#32 ;数据加32次PJ_1: MOV R0,#3EH ;目的地址，低位 MOV R1,WZ ;(3eh)+(41h)+(43h)+. MOV A,R0 ;(3fh)+(40h)+(42h). ADD A,R1 MOV R0,A INC R0 DEC R1 MOV A,R0 ;目的地址，高位 ADDC A,R1 MOV R0,A INC WZ INC WZ ;位置双加 DJNZ R2,PJ_1 ;以上加和完成，和数存于3EH、3FH单 MOV R2,#5YW_1: MOV R0,#3FH MOV A,R0 RRC A MOV R0,A DEC R0 MOV A,R0 RRC A MOV R0,A DJNZ R2,YW_1 MOV A,3FH ;32次的双字节加/32后的数据，存放于3EH(低)、3FH(高) ANL A,#03H MOV 3FH,A ;+ MOV 23H,3EH MOV 24H,3FH LCALL BIJIAO ;+ POP 01H POP 00H RET ;平均值 =;=;报警值放于2DH(高) 2EH(低)LJ: PUSH 00H PUSH 01H PUSH 32H MOV 2DH,#00H MOV 2EH,#00H ;累计单元清零 MOV CH1_DZ,#26H ;数据，低位起址 MOV R2,#4 ;数据加4次PJ_11: MOV R0,#2DH ;目的地址，低位 MOV R1,CH1_DZ MOV A,R0 ADD A,R1 MOV R0,A INC R0 DEC R1 MOV A,R0 ;目的地址，高位 ADDC A,R1 MOV R0,A INC CH1_DZ INC CH1_DZ ;位置双加 DJNZ R2,PJ_11 ;以上加和完成，和数存于3EH、3FH单元 MOV R2,#2YW_11: MOV R0,#2EH MOV A,R0 RRC A MOV R0,A DEC R0 MOV A,R0 RRC A MOV R0,A DJNZ R2,YW_11 ;MOV 2FH,2DH ;报警高位赋给2FH POP 32H POP 01H POP 00H RET;=D_JH: ;计算D=和(X-X) ;PUSH 00H ;保护R0 MOV A,3FH CJNE A,#01H,D_X11 ;判断是否大于256D_X11: JNC D_X1 ;小于256 ; MOV A,FHW CJNE A,#0FFH,D_42_X1;判断是正是负 ;为负，小于2，舍弃 MOV A,3EH CJNE A,#02H,D_42_X2D_42_X2:JNC D_X1 LJMP D_FH ; ;为正，小于4，舍弃D_42_X1:MOV A,3EH CJNE A,#04H,D_X2;D_X2: JNC D_X1;差值门限修改 LJMP D_FHD_X1: MOV A,FHW CJNE A,#0FFH,D_JH_1 ;集合为负部分： JNB BZ_Z,JH_2 ;4.;即和-，新值- MOV R0,#3EH MOV A,3DH CLR C ADD A,R0 MOV 3DH,A INC R0 MOV A,3CH ADDC A,R0 MOV 3CH,A JC JH_2_2 LJMP D_FHJH_2_2: MOV 3CH,#0FFH MOV 3DH,#0FFH LJMP D_FHJH_2: ;3.;即和-，新值+ MOV R0,#3EH MOV A,3DH CLR C SUBB A,R0 MOV 3DH,A INC R0 MOV A,3CH SUBB A,R0 MOV 3CH,A JC JH_2_1 LJMP D_FHJH_2_1: MOV FHW,#00H MOV A,#0FFH CLR C SUBB A,3CH MOV 3CH,A MOV A,#0FFH SUBB A,3DH INC A MOV 3DH,A LJMP D_FH ;集合为正D_JH_1: JNB BZ_Z,JH_1 ;2.;(X-X)为负，即和+，新值- MOV R0,#3EH MOV A,3DH CLR C SUBB A,R0 MOV 3DH,A INC R0 MOV A,3CH SUBB A,R0 MOV 3CH,A JC JH_1_2 LJMP D_FHJH_1_2: MOV FHW,#0FFH MOV A,#0FFH CLR C SUBB A,3CH MOV 3CH,A MOV A,#0FFH SUBB A,3DH INC A MOV 3DH,A LJMP D_FH ;1.;(X-X)为正，即和+，新值+JH_1: MOV R0,#3EH MOV A,3DH CLR C ADD A,R0 MOV 3DH,A INC R0 MOV A,3CH ADDC A,R0
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