自动烟雾报警器1

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1报警器设计背景1.1概述

1.2设计烟雾报警器的目的及意义2系统的总体方案设计

2.1烟雾报警器的工作结构和原理2.2烟雾传感器的选型2.3单片机的选型3系统的硬件电路3.1系统电源电路

3.2AT89C51的时钟电路和复位电路3.3信号采集及前置放大电路3.4A/D转换电路

3.5声音报警及消音键电路3.6字符显示电路3.7状态指示灯电路3.8安全保护电路

3.9报警器故障自诊断电路3.10烟雾报警器硬件总电路4系统的软件的设计4.1系统主程序设计及流程图4.2主程序初始化流程图4.3报警子程序设计及流程图4.4按键输入设计子程序流程图5装配与调试6元件清单7

图2-4AT89C51的引脚排列图

AT89C51单片机提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I／O口线，两个16位定时／计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态规律操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式中止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器中止工作并阻止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。时钟源T0T1两个16位128B128B4KB震荡与定时0计数RAMSFRROM定时电路器系统总线CPU总线控制并行端口串行端口外部内部中断中断P0P1P2P3TXD信号控制信号信号RXD图2-5AT89C51单片机的基本组成图

（2）AT89C51的内存空间

1、内部程序存储器（FLASH）4K字节。2、外部程序存储器（ROM）64K字节。3、内部数据存储器（RAM）256字节。4、外部数据存储器（RAM）64K字节。

表3-2程序存储器的6个特别地址

0000H0003H000BH0013H001BH0023H上电或复位入口地址外部中断0入口地址定时器T0中断入口地址外部中断1入口地址定时器T1中断入口地址串口中断入口地址

在上述事件发生时，PC指针获得固定的地址，然后CPU执行PC指针所指地址单元内的程序。

图2-6AT89C51的存储器结构

3系统的硬件电路

3.1系统电源电路

任何电子设备都需要稳定的直流电源供电，直流稳压电源是将交流电压转换成稳定的直流电压的设备。一般直流稳压电源是由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。其组成方框图如图3-1所示。

交流变交流电源整流电路滤波电路稳压电路负载

压器

图3-1直流稳压电源组成方框图

电源变压器的作用是，改变电网的交流电压的大小，将220V、50Hz的市电进行降压，使变压器的副边输出的交流电压符合设计要求。然后利用二极管的单向导通性，将交流电压变换为单方向的脉冲直流电压，再利用电容储能元件组成的滤波电路，将脉动大的直流电压处理成平滑的脉动小的直流电压，即将整流电路输出的脉动直流电压中的交流成分滤掉，只留下比较平滑的直流电压，最终利用集成稳压器W7805，让电源电路的输出电压稳定为5V，以此作为系统各个部分电路的电源。以下是本设计所采用的电源电路图。

12VIC6240R15VOUTINGNDW780532５ＶJ121CON2～220V18～9VBRIDGET43C41000uFDzC50.33uFC60.1uF

图3-2系统电源电路图

3.2AT89C51的时钟电路和复位电路

（1）时钟电路：

AT89C51单片机芯片内部设有一个由反向放大器构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端，时钟可由内部或外部生成，在XTAL1和XTAL2引脚上外接晶体振荡器Y，内部振荡电路就会产生自激振荡。系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振频率选择12MHZ，C1、C2的电容值取30pF，电容的大小起频率微调的作用。时钟电路如图3-3。

X130pFC2C1X230pFS15VY12MHz手动复位R13470Ω+C322uFRESETR141KΩ

图3-3时钟电路和复位电路图

（2）复位电路：

单片机有多种复位电路，本系统采用自动复位（上电复位）与手动复位方式，电路如图3-3。当上电时，C3充电，电源经过电容器C3加到RESET引脚，使单片机复位；在正常工作时，按下复位键时单片机复位。3.3信号采集及前置放大电路

在大量检测技术的应用场合，传感器输出的信号比较弱，而且其中还包括了工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很好的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。只有传感器输出的信号经过前置放大电路对其进行的放大、滤波、电平调整，才能满足单片机对输入信号的要求。

图3-4LM324四运放引脚图和结构图

设计中采用LM324作为电路的运算放大器。LM324是价格低廉的带差动输入功能的高增益四运算放大器。LM324的静态功耗小、价格低廉，可在较宽电压范围内的单电源或双电源下工作，其电源电流很小且与电源电压无关，四个运放一致性好；其输入偏流电阻是温度补偿的，也不需外接频率补偿，可做到输出电平与数字电路兼容。

如图3-5所示，IC2A作为电压跟随器，通过滑动变阻器Rp2产生的参考电压Vref接入IC2B的反相输入端，从传感器输出的信号经过运算放大器LM324的同相输入端，为保证电路引入负反馈，在IC2B中，输出电压Vo通过电阻R22接到反相输入端，由此组成差分比例运算电路。该电路的反馈组态为电压串联负反馈。

5VR2IC2A:1Rp21320KLM324R221MVrefR181M1MR1965IC2B:1LM3247IN0AKGRp120KIN1IN2R161KR175.1KR205.1KR211M

图3-5信号采集及前置放大电路图

设计中采用的信号放大电路有以下几个特点：

(1)由于电路不存在“虚地〞现象，所以其两个输入端都有较高的共模输入电压，这对放大电路的稳定性和运算的精度都有影响。

(2)电电路中IC2A构成了的“电压跟随器〞可以减少电路模块间由于阻抗引起的干扰。用来匹配阻抗用的，防止滑动变阻器输出电压受到影响。

(3)由于引入了深度电压串联负反馈，因此电路的输入阻抗很高，输出阻抗很低。高输入阻抗就可以减少放大电路对前端电路的影响，同时低输出阻抗也可以提高自身的抗干扰性，这显然有利于电路中其他模块的设计。

由于放大电路还增参与了参考电压，引入了零点调理功能，这样可以更便利地调整由于不同传感器导致的零点变化问题。它利用通过滑动变阻器Rp2产生的参考电压Vref和传感器的输出电压分别输入到运算放大电路的两个输入端，由此得到的输出电压Uo与两个输入端之差成正比而实现差分比例电路。所以调理滑动变阻器Rp2，就可以直接改变放大电路的参考电压值，使报警系统可以在可燃烟雾气体的不同浓度下工作，即用气敏传感器实现对不同烟雾浓度的测量。

3.4A/D转换电路

ADC0809是一种逐次迫近式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。ADC0809的转换速度较快，完成一次的转换时间为100μs左右，可对0-5V的模拟信号进行转换。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，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。如图3-6所示，ADC0809的主要引脚功能如下。

(1)IN0～IN7是8路模拟信号输入端。D0～D7是8位数字量输出端。

(2)A,B,C分别是ALE控制8路模拟通道切换，A,B,C分别与三根地址线或数字线相连，三者编码对应8个通道地址口。C,B,A=000～111分别对应IN0～IN7通道地址。

(3)OE,START,CLK,EOC为控制信号端，OE为输出允许端，START为启动信号端，CLOCK为时钟信号输入端,EOC为转换终止信号端。

(4)Vref(+)和Vref(-)为参考电压输入端。

ADC0809虽然有8路模拟通道可以同时输入8路模拟信号，但每个瞬间只能转换一路，各路之间的切换由软件变换通道地址实现。地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。

A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，由于只有确认完成后，才能进行传送。设计中采用中断方式进行数据传送。

扩展中地址锁存器使用74LS373。74LS373是八D锁存器，常应用在地址锁存及输出口的扩展中。其主要特点在于：控制端G为高电平日，输出Q0～Q7跟随输入信号D0～D7的状态;G下跳沿时，D0～D7的状态被锁存在Q0～Q7上。由于ADC0809片内无时钟，可利用AT89C51提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得，ALE脚的频率是AT89C51单片机的时钟频率的1/6。由于单片机频率采用6MHz,则ALE脚的输出频率为1MHz，在经二分频后为500kHz，恰好符合ADC0809对时钟频率的要求。由于ADC0809具有输出三态锁存器，因此其8位数据输出引脚可直接与数据总线相连。

如图3-7所示，在单片机扩展连接ADC0809电路中，地址译码引脚A、B、C分别与地址总线的低三位A0,A1,A2相连，以选通IN0～IN7中的一路。将P2.7（地址总线A15）作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号和P2.7控制ADC的地址锁存和转换启动，由于ALE和START连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时，启动转换。在读取转换结果时，用低电平的读信号和P2.7脚经一级或非门后，产生的正脉冲作为OE信号，用以开启三态输出锁存器。转换终止信号EOC经反向后送到单片机的/INT0引脚，单片机读取A/D转换结果并将结果送P1端口显示。

IC4212023188151417IC3111IC1123456781312151431191891716P10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWRAT89C513RXDTXDALE/PPSEN10113029P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P2739383736353433322122232425262728347813141718OCC1D2D3D4D5D6D7D8D74LS37371Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q256912151619252423229610msb2-12-22-32-42-52-62-7lsb2-8EOCIN-5ADD-AADD-BADD-CALEENABLESTARTCLOCKADC0809ref(-)ref(+)1612IN-6IN-7IN-0IN-1IN-2IN-3IN-426272812345IC5A:121374ALS02IC5B:121374ALS025IC6:1DCLK401331IC5C:174ALS02212图3-7ADC0809与单片机的接口电路图

3.5声音报警及消音键电路

电路通过三极管基极串连一个电阻与单片机P2.3端口连接从而达到控制蜂鸣器是否报警。报警装置采用电磁式无源蜂鸣器HC-12075-B其参数特点如下：

额定电压：1.5V

额定电流：==75～>=85谐振频率：2048Hz

线圈电阻：6.5±1Ω～60±2Ω重量：1.5g

系统设有一个消音按键，当报警器发出鸣叫时，用户到达现场，可按下消音按键中止报警器鸣叫。若过一点时间浓度仍超出报警限，报警器会再次鸣叫提醒用户。

5V蜂鸣器R8C8550PNP47KP2.3图3-8声音报警电路图

5VR12470ΩP1.7S2消音按键

图3-9消音按键连接电路图

3.6字符显示电路

报警器浓度等级显示采用一个八段共阳极数码管显示。由于不显示小数点，所以不接dp段。8段LED数码管字符显示与比划编码对应关系如表3-1所示。

表3-18段共阳极LED数码管显示字符与比划编码对应表数字dpgfedcba0×10000001×1111001COHF9H编码

电路采用型号为CPS08011BR的光普牌LED共阳极数码管。其参数特点如下:

大小:0.8寸显示方式：静态显示显示颜色：红色显示位数：1位

5VDSP1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0R1R2R3R4R5R6R71K1K1K1K1K1K1K12345678abcdefgdpVCCafegdbcdp9图3-10数码管字符显示电路图

3.7状态指示灯电路

5VR9470ΩR10470ΩR11470ΩLED1P2.6红灯LED2P2.5黄灯LED3P2.4绿灯

图3-11指示灯电路图

绿灯常亮表示正常状态，环境中可燃烟雾浓度极低；黄灯闪烁表示传感器连接故障或是线路接触不良；红灯闪烁表示环境中烟雾浓度超过报警最低预设值，提醒用户尽快做出相应安全防范措施。

3.8安全保护电路

在安全保护电路中，继电器（电磁继电器）是否动作是保护动作是否执行的唯一条件。当被检测到的现场烟雾浓度达到给定装置所设定的报警预设值时，继电器KA1动作，自动换气风扇启动。此时，单片机调用延时子程序，经延时600s后，继电器KA2动作，调理阀开启同时洒水灭火。

5VP2.0R2347KC8550PNPJ2CON2D1KA1继电器KA15VKA2P2.147KR24C8550PNP调理阀M1换气扇M2KA2D2继电器12

图3-12继电器连接及控制电路图

继电器的工作原理是利用低压控制电路来控制高压工作电路。在继电器的输入回路中，当流经线圈的电流变化时，线圈会产生自激电压来抑制电流的变化，线圈中的电流变化越快，所产生的电压越高。所以在设计中，单片机驱动继电器时，需要并联一个二极管，利用二极管的反向击穿能力，来消除自激电压，达到稳定线圈电压和保护晶体管的目的。当晶体管C8550由导通变为截止时，流经继电器线圈的电流将迅速减小，这时线圈会产生很高的自感电动势与电源电压叠加后加在晶体管的c、e两极间，会使晶体管击穿，继电器并联上二极管后，即可将线圈的自感电动势钳位于二极管的正向导通电压，从而避免击穿晶体管。并联二极管时一定要注意二极管的极性不可接反，否则简单损坏晶体管等驱动元器件。

3.9报警器故障自诊断电路

(1)判断传感器电源连接状况

在传感器的地端串联一个电阻R16。当传感器正常连接时，电阻和传感器分压，此时电阻两端有微弱的电压，单片机可以通过ADC0809的IN2口检测到；假使传感器电源连接不正常，则会产生断路，检测到电阻两端电压为0。

5VR2IC2A:113AKLM324GRp120KIN1IN2R161KR175.1K图3-13传感器故障自诊断电路图

(2)判断传感器信号端连接状况

另一种状况是判断传感器信号端是否连接正确，此时不需要外加电路，在传感器预热1～2分钟后，通过与ADC0809的IN1输入端口连接，测量传感器信号的输出电压，假使电压为5V，则说明传感器的信号端连接不正常，此时系统发出警报。

3.10烟雾报警器硬件总电路

把上述各个部分电路结合到一起，就是所设计的可燃烟雾报警器总电路。通过各自分工，最终实现声光报警、字符显示、自动换气排烟和灭火功能。

4)检查控制信号电平是否符合设计要求。

5)对消防报警主机进行编程，并进行汉化图形显示。

6)对系统每一回路