烟雾超标报警自动排气电路的设计与制作毕业设计

陕西理工学院毕业设计PAGEII烟雾超标报警自动排气电路的设计与制作[摘要]为了有效的降低火灾带来的损失，利用单片机AT89S51设计了一种烟雾超标报警自动排气电路。它主要由单片机最小系统、烟雾检测电路、语音报警电路、自动排气电路等组成。软件用C语言编写程序，在keil中进行程序的编译并下载到AT89S51芯片中。先用proteus进行硬件仿真，通过后将下载的单片机和相关元器件焊接在PCB板上，上电后可以实现烟雾检测，语音报警和自动排气控制等功能。[关键词]单片机；烟雾检测电路；语音报警电路；自动排气电路

Designandproductionofexcessivesmokealarmandautomaticexhaustcircuit[Abstract]Inordertoreducefirelosses,theexcessivesmokealarmandautomaticexhaustcircuitisdesignedusingMCUAT89S51,whichismainlycomposedofMCUminimumsystem,smokedetectioncircuit,avoicealarmcircuit,automaticexhaustcircuit.etc.ThesoftwarewaswritteninClanguage,theprogramiscompiledontheKeilenvironmentanddownloadedtoAT89S51chip.ThehardwarepartissimulationintheProteusenvironment,whenpassingthrough,theMCUwhicharedownloadedandsomerelatedcomponentsareweldedinthePCBboard,onelectrifyingitcanbeachievedthatthesmokedetection,thevoicealarmcircuitandtheautomaticexhaustcontrolfuctions,etc..[Keywords]MCU,Smokedetectioncircuit,Voicealarmcircuit,Automaticexhaustcircuit陕西理工学院毕业设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：

学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期：年月日导师签名：日期：年月日

目录1．引言 12．方案论证及选择 32.1方案一：基于SOPC设计的烟雾超标报警自动排气电路 32.2方案二：基于放大器和比较器的烟雾超标报警自动排气电路 32.3方案三：基于气敏传感器设计的烟雾超标报警自动排气电路 42.4方案选择 53．硬件电路的设计 63.1单片机最小系统电路的设计 63.2烟雾检测电路的设计 73.2.1烟雾传感器的选择 73.2.2烟雾传感器电路 83.3语音报警电路的设计 93.3.1语音录放音电路 93.3.2音频放大电路 103.4自动排气电路的设计 114．系统软件设计 134.1程序设计 134.2编译及下载 145．装配与调试 165.1Proteus仿真 165.2硬件制作 175.3系统调试 175.3.1单片机最小系统电路的调试 175.3.2烟雾检测电路的调试 185.3.3语音报警电路的调试 19结束语 20致谢 21参考文献 22附录A英文文献原文 23附录B英文文献译文 31附录C整体电路图 38附录D元器件清单 39第43页共39页1.引言随着现在家庭中家用电器的使用量逐渐增加，用电量也随之增加。而用电量的大幅增加也会增高火灾发生的频率。如果在一般家庭中发生火灾，就会很大程度上出现扑救不及时的情况。由于许多场合缺乏灭火器材以及人们在逃生时的惊慌失措，和外界逃生环境迟缓等不利因素，最终就会给人们的生活和财产带来重大的损失。美国消防协会（NFPA）强调烟雾报警器在拯救生命方面发挥着越来越重要的作用，NFPA指出美国家庭火灾死亡人数的40％是由于未安装报警器造成的[4]。随着经济的发展、大量楼宇的建成与使用，用于保障人身和财产安全的火灾报警系统显得越来越必要。但火灾报警系统设置后,往往会发觉系统有些不尽如人意的地方。如:探测器经常误报警,经常演绎“狼来了”的故事,使得消防值班人员饱受困扰。排除了设备质量不过关等情况后,我们发现这些情况往往是由于探测设备受到干扰而造成的。下面将从火灾探测器的工作原理和结构入手,逐步分析探测器的部分和主要干扰来源，并对由此产生的误报警提出一些改进的方法。火灾探测器的工作原理火灾探测器顾名思义就是探测是否有火灾可能或火灾正在发生的设备,根据火灾的特点及其产生物(例如:烟、热、火焰等)的特性，可分为：烟雾探测器、温度探测器及火焰探测器三类。其中烟雾探测器和温度探测器用的地方占绝大部分[8]。研究烟雾超标报警和自动排气电路对减低火灾损失有着非常重要的现实意义。目前，火灾自动报警控制系统已广泛应用于商场、仓库、宾馆等场所，采用集中报警控制方式的总线控制系统。随着人们生活水平及家居环境的提高，廉价实用的火灾自动报警器将进入家庭，而且需求量很大[3]。(1)研究现状随着经济的发展、大量楼宇的建成与使用，用于保障人身和财产安全的火灾报警系统显得越来越必要。但火灾报警系统设置后,往往会发觉系统有些不尽如人意的地方。如:探测器经常误报警,经常演绎“狼来了”的故事,使得消防值班人员饱受困扰。排除了设备质量不过关等情况后,我们发现这些情况往往是由于探测设备受到干扰而造成的。下面将从火灾探测器的工作原理和结构入手,逐步分析探测器的部分和主要干扰来源，并对由此产生的误报警提出一些改进的方法。火灾探测器的工作原理火灾探测器顾名思义就是探测是否有火灾可能或火灾正在发生的设备,根据火灾的特点及其产生物(例如:烟、热、火焰等)的特性，可分为：感烟探测器、感温探测器及火焰探测器三类。其中感烟探测器和感温探测器用到的地方占绝大部分[8]。我国烟雾超标报警自动排气工程应用技术实现了较快发展，但由于在实际应用中，烟雾超标报警系统的通讯协议不一致，烟雾超标报警自动排气工程技术水平还相对落后，还存在着一些比较突出的问题。如适用范围过小、智能化程度低、网络化程度低、组件连接方式有待改善、烟雾超标报警自动排气系统误报、漏报问题较多、超早期烟雾探测报警技术应用还几乎处于空白。(2)发展趋势针对当前烟雾超标报警自动排气系统存在的误报漏报频繁、智能化和网络化程度低、特殊恶劣条件下烟雾探测报警抗干扰能力弱等问题，烟雾超标报警自动排气系统应用技术应进一步着眼于当前国际发展的新形势，加快更新改造进程，加强对数字技术和新工艺、新材料的应用，改进系统能力，使烟雾超标报警自动排气系统应用技术向着高可靠、低误报和网络化、智能化方向发展。新技术、新工艺、新材料和新设备的应用研究势在必行[7]。(3)课题研究意义烟雾超标报警器的意义在于可以实现对普通环境中烟雾浓度进行实时检测，以减少烟雾有毒气体对人体的伤害，通过报警来警示人们所处环境的烟雾浓度过高，并通过单片机来控制环境的有毒气体浓度，如完成开风扇通风、切断有毒气体来源等由单片机控制的部分。现在家具产品多种多样，智能化、小型化的节能、绿色、安全产品越来越受到普通大众的青睐。该设计以其小型化、智能化并且设计的电路系统简洁明了、电路构成简单、易于维护、实用性强等特点能够广泛的应用于居民、企事业单位等多方面的安全防范。(4)论文结构论文主要从方案论证及选择、硬件电路设计、系统软件设计、制作与调试等几大方面来介绍烟雾超标报警点的设计和制作过程。其中方案论证及选择主要从三种可以实现烟雾超标报警自动排气功能的方案中选择一个成本低、易操作、系统性能较高的方案。硬件电路设计主要是针对选择的方案进行具体的电路设计。其中主要设计的电路包括：单片机最小系统电路，烟雾检测电路，语音报警电路，自动报警电路等以及一些外围辅助电路。系统软件设计则主要是设计单片机进行控制所需要的相关程序，这部分程序采用C语言进行编写。最后的制作与调试主要是进行硬件仿真与制作，并对硬件进行相关功能的测试，检测是否能达到设计所要实现的功能。最后对全文进行概括的总结，并提出相关扩展功能，有待进一步完善。

2．方案论证及选择2.1方案一：基于SOPC设计的烟雾超标报警自动排气电路基于SOPC设计的烟雾超标报警自动排气电路原理框图如图2.1所示。图2.1基于SOPC设计的烟雾超标报警自动排气电路原理框图基于SOPC的烟雾报警系统。SOPC（System-on-a-Programmable-Chip）可编程片上系统。SOPC是在一块硅片上利用可编程逻辑技术来设计和开发一个完整的可编程片上系统。可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式开发系统。SOPC可编程片上系统其整个系统主要逻辑功能是由单个芯片完成之间的共同作用来完成的；SOPC可编程片上系统是可以自主进行编程的系统，具有灵活的可裁减、可扩充、可升级的自主编程设计方式，同时也可以在软硬件方面实现系统的可编程功能。QuartusⅡ是最高级和复杂的用于SOPC的设计环境。QuartusⅡ可编程逻辑软件属于第四代PLD开发平台。QuartusⅡ平台支持一个工作组环境下的设计要求，其中包括支持基于Internet的协作设计。该系统由图中所示的几个部分构成。烟雾传感器安装于检测现场，通过导线连接到主板传感器的驱动电路，传感器检测的信号送到放大电路将信号进行放大，A/D转换电路将放大后的信号转换为0~5V的电平信号，并由A/D转换芯片将转换的数字信号送入SOPC控制器。系统的其它部分均安装在主板上，SOPC控制器接受到来自传感器的数据后将数值显示，并根据事先定制好的规则判断烟雾是否超标，如果有烟雾超标则将发出报警信息，并驱动语音报警电路发出报警，同时驱动自动排气电路开始工作。2.2方案二：基于放大器和比较器设计的烟雾超标报警自动排气电路基于放大器和比较器的设计的烟雾超标报警自动排气电路原理框图如图2.2所示。图2.2基于放大器和比较器的设计的烟雾超标报警自动排气电路原理框图电化学传感器的工作原理是：电化学传感器内部的物理结构可以与被测气体发生反应，能产生与检测空气中气体的浓度成正比的电信号来工作。电化学传感器主要包括两部分：传感电极（又称工作电极）和反向电极。传感电极和反向电极中有一层薄的电解层，这层薄的电解层将传感电极和反电极隔开。空气中的待检测气体通过网孔与传感器内部结构能够发生一定的化学反应反应，这种反应会形成一层憎水屏障，这层憎水屏障就会形成一种电极表面。这样就完成了传感器的传感电极与空气中某种气体的发生的电化学反应。电化学反应会形成一定的电信号，这种电信号就可以防止传感器中的电解质泄漏出传感器。空气中的待检测气体透过网孔与传感电极发生电化学反应产生传感电极，这种电化学传感电极主要是应用的氧化机理和还原机理。这两种催化反应主要是针对不同的被测气体以及不同的电极材料反应所生成的各种不同的电化学反应。正负极之间通过电极间连接的电阻，产生的与被测气浓度成正比的电流会在正极与负极之间流动。如果测量该电流的大小，就可根据电流的大小与气体浓度的换算关系来确定空气中某种气体浓度。由于电化学传感器在进行浓度监测的过程中会产生一定大小的电流，所以电化学传感器又被称为电流气体传感器。在具体的实际应用中，由于电化学传感器在检测电路中使用时电极表面会连续发生电化学发应，传感电极电势会处于不断变化的状态，所以当电化学传感器在使用一段较长时间后，传感器的检测性能会逐渐退化。2.3方案三：基于气敏传感器设计的烟雾超标报警自动排气电路基于气敏传感器设计的烟雾超标报警自动排气电路原理框图如图2.3所示。图2.3基于气敏传感器设计的烟雾超标报警自动排气电路原理框图采用基于单片机的烟雾报警器。整体方案设计：首先需要把烟雾信号转化成单片机[9]（AT89S52）可识别的数字信号，这部分电路就需要烟雾检测电路、放大电路和数模转换电路组成。其次由单片机中的程序判断传输的烟雾信号是否超标，最后在超标的情况下，由单片机控制启动报警和排气电路。烟雾超标报警自动排气装置的最基本组成部分应包括：它由光电式烟雾检测电路、语音发声电路、音频功放电路、排气控制电路和交流降压整流及稳压电路等组成[1]。原理框图说明：烟雾信号采集电路一般由气敏管[6]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。再用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处理，并对处理后的数字信号进行分析比较，看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并自动排气电路，反之则为正常状态。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计和需要解决的问题。2.4方案选择方案一：基于SOPC设计的烟雾超标报警自动排气电路系统的可靠性不高。由于可能会有因某种特定原因产生的类似火灾的干扰源触发报警系统。所以不采取此方案。方案二：基于放大器和比较器的设计的烟雾超标报警自动排气电路采用电化学传感器。电化学传感器有一个恒定的检测范围。当检测的气体浓度处在这个范围之中时，检测到的气体浓度的可靠性最高。当被测气体浓度超过电化学传感器的检测范围时，产生的电流大小不能准确的反应出气体浓度的大小，电化学传感器这时就会产生处于饱和状态的电流值。当气体浓度低于范围的最小值时，就会削弱电化学传感器产生的反映信号，还有一些不可避免的环境噪声干扰，仪器的使用有误从而使读数不准确，也会降低电化学传感器的准确性和分辨率。如果空气中的待测气体有交叉影响，电化学传感器回合很多气体都可以产生氧化还原反应并产生一定大小的电流。待测气体的交叉影响使检测结果不能反映检测气体的实际含量，检测结果就会失去科学价值和原有的合理性。此外传感器的零点漂移问题也是影响的主要因素，传感器的零点漂移是传感器以前曝光的时间和温度相互交叉影响的结果。零点漂移是二个变数交互作用的结果，所以它不能够通过温度补偿来解决。综上所述本设计的稳定性不高，存在的干扰因素较大，所以不采取此方案。方案三：基于气敏传感器设计的烟雾超标报警自动排气电路，首先传感器选用MQ-2型半导体烟雾气敏传感器，其在常温条件工作时不需要温度补偿电路，因此选此传感器省去了设计温度补偿电路的麻烦。单片机采用AT89S51单片机为控制核心，完成数据的处理工作。复位电路可以采用典型的上电复位或者是按键复位电路。整体电路设计简单，可靠性较高，易于实现。因此，综合考虑成本、易操作性、系统性能等因素，最终选择方案三。

3.硬件电路的设计3.1单片机最小系统电路的设计单片机最小系统的具体电路图如图3.1所示。电路主要包括：单片机、时钟电路、复位电路。图3.1单片机最小系统电路图(1)AT89S51单片机AT89S51是一个低功耗，高性能的CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，AT89S51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ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机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具有的特点为：40个引脚，4KB片内程序存储器，128比特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，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。AT89S51可以通过硬件设置振荡频率可为0Hz，也可通过软件设置进入省电模式。在空闲模式下，单片机的CPU就会停止工作而RAM定时计数器、串行口以及外部中断系统是继续工作，这样就可以在掉电的情况下使振荡器冻结，将数据保存在RAM中，掉电的时候系统会停止芯片的其它功能，直至外部中断响应或硬件电路进行复位。AT89S51芯片有三种封装形式PDIP、TQFP和PLCC，这三种不同的封装形式适应不同产品的需求。特别注意：31脚(/EA/Vpp)是选择片内外存储器的引脚，当/EA/Vpp接高电平时，单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行；当/EA/Vpp接低电平时，复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。(2)复位电路：单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作,复位后PC＝0000H，使单片机从第—个单元取指令。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位。根据实际情况选择如图3.1所示的复位电路，该电路在最简单的复位电路下增加了手动复位按键，在接通电源瞬间，电容C1上的电压很小，复位下拉电阻R2上的电压接近电源电压，即RST为高电平，在电容充电的过程中RST端电压逐渐下降，当RST端的电压小于某一数值后，CPU脱离复位状态，由于电容C1足够大，可以保证RST高电平有效时间大于10ms，CPU能够可靠复位。增加手动复位按键是为了避免死机时无法可靠复位。当复位按键按下后电容C1通过R1放电。当电容C1放电结束后，RST端的电位由R1与R2分压比决定。由于R1<<R2因此RST为高电平，CPU处于复位状态，松手后，电容C1充电，RST端电位下降，CPU脱离复位状态。R1的作用在于限制按键按下瞬间电容C1的放电电流，避免产生火花，以保护按键触电。最小系统中复位电路的电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用10uF左右极性电容，单片机最小系统的电容值越大复位的时间越短。在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。(3)时钟电路：单片机的定时控制功能是由片内的时钟电路和定时电路来完成的，而片内的时钟产生方式有两种：内部时钟方式和外部时钟方式。本文就采用内部时钟方式。内部时钟方式片内高增益反相放大器通过XTAL1和XTAL2外接作为反馈元件的晶体与电容组成的并联谐振回路，构成一个自激振荡器向内部时钟电路提供振荡时钟。振荡器的频率主要取决于晶体的振荡频率，晶体选择11.0592MHz；电容C2、C3的值则有微调作用，通常取30pF左右的瓷片电容。3.2烟雾检测电路的设计3.2.1烟雾传感器的选择烟雾传感器的主要分为离子式烟雾传感器、光电式烟雾传感和气敏式烟雾传感器。（1）离子式烟雾传感器：离子式烟雾传感器是一种先进的技术，是一种工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，它的性能远优于由光电式烟雾传感器构成的火灾报警器。（2）光电式烟雾传感：该烟雾传感器内部有一个光学迷宫，安装有红外对管，没有烟雾时红外接收管接收不到红外发射管发射出来的红外光线，当烟雾进入光学迷宫时，通过折射、反射后，接收管将接收到红外光线，报警电路判断是否超过阈值，超过则发出警报，反之则不然。（3）气敏式烟雾传感器：该烟雾传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。半导体气敏元件有N型和P型之分。N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小，P型阻值随气体浓度的增大而增大。当温度在200～300℃时半导体气敏元件让空气中的氧吸附在元件表面，当氧负离子吸附在半导体气敏元件表面可以形成氧负离子吸附，氧负离子的减少就会使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当遇到空气中可燃气体时，由于可燃气体能够提供给电子，可燃气体中就会有正离子吸附在金属氧化物半导体表面，氧负离子放出电子使可燃气体以正离子的吸附也要放出电子，电阻值下降就是因为半导体电子密度增加。当气体中可燃气体的浓度减少或可燃性气体不存在了，半导体气敏元件中金属氧化物半导体就能恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是半导体气敏元件检测可燃气体的基本原理[6]。此次使用的气敏式烟雾传感器选择的具体型号为MQ-2。该传感器常用于家庭和工厂的气体泄漏装置，适宜于烟雾、液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气等的探测。本设计选用的MQ-2型气体传感器，这种型号的传感器的特点是灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长、价格低廉等优点。MQ-2气体传感器是SnO2(氧化锡)半导体气敏传感器属于电阻型气敏元件。它是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化。若气浓度发生变化，其阻值也将随之变化。根据这一变化，可以从阻值的变化得出吸附气体的种类和浓度。MQ-2的主要特点：(1)具有信号输出指示。(2)双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）(3)TTL输出有效信号为低电平。（当输出为低电平时信号灯亮，可直接单片机）(4)模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压值越高。(5)快速的响应恢复特性。(6)具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。(7)适宜于烟雾、液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气等的探测。3.2.2烟雾传感器电路烟雾检测电路图如图3.2所示。主要由烟雾传感器MQ-2和相关元器件构成。图3.2烟雾检测电路图传感器的电导率是随空气中可燃气体浓度的增大而增大，再使用相应的外围电路就可将电导率的变化转变成与该气体浓度变化相对应的电信号。一般情况下，传感器输出的信号会比较弱，而且其中还包括了一些避免不了的干扰，对这种信号的放大就需要有很好的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗的放大电路。当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、电平调整后，输出的信号才能满足单片机对输入信号的要求。烟雾传感器是气-电变换器，它属于气敏传感器，它将空气中烟雾或可燃性气体的含量(即浓度)转化成对应的电压或者电流信号，传感器作为烟雾报警器的信号采集部分，是整个系统的核心组成部分之一。一个烟雾传感器既可以只实现单个功能，也可以实现多种功能的。一个完整的烟雾传感器都必须具备：(a)能够检测某种单一烟雾，而对共存的其它烟雾不响应或低响应；(b)对被测烟雾具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的烟雾浓度；(c)对检测信号响应速度快，重复性好；(d)长期工作稳定性好，制造成本低，使用与维护方便等条件。3.3语音报警电路的设计设计的语音报警电路如图3.3所示。语音报警电路主要由语音录放音电路和音频放大电路组成。图3.3语音报警电路3.3.1语音录放音电路语音录放音电路主要由语音芯片以及一些外围电路组成。语音报警电路中采用的语音芯片为ISD1820PY。其中语音芯片ISD1820PY是美国ISD公司于2001年最新推出一种可录放一段8～20秒的语音的芯片，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。语音芯片ISD1820PY管脚功能为：电源(VCC)：芯片内部的有两路电路分别是：模拟电路和数字电路。模拟电路和数字电路分别使用了不同电源线，两路电路的电源总线在此引脚汇合。电源线的汇合这样接法会使得噪声的影响减少到最小。电源端的去耦电容回路应该尽量靠近芯片，从而有效的减少电源中的各种干扰。地线(Vssa，Vssd)：Vssa是芯片内部的模拟电路的地线汇接引脚。Vssd是芯片内部的数字电路的地线汇接引脚。录音(REC)：REC高电平有效，不管芯片处在节电状态还是正在放音的状态只要REC变为高电平，芯片就开始录音。整个录音期间，REC要一直保持为高电平。直到REC变低或芯片内存录满后，录音结束，芯片自动写入一个信息结束标志(EOM)，以后的放音操作当遇到结束标志(EOM)就会停止，芯片进入节电状态。注：REC的上升沿有84毫秒防颤，防止按键误触发。边沿触发放音(PLAYE)：当此管脚有一个上升沿时，可以驱动芯片开始进行放音。放音一直持续到EOM标志，放音结束后芯片自动进入节电状态。放音后，可自动释放PLAYE。电平触发放音(PLAYL)：此端从低变高时，芯片开始放音。持续至此端回到低电平，或遇到EOM标志，或内存结束，放音结束后自动进入节电状态。录音指示(/RECLED)：当芯片处于录音状态时，此端为低电平，可驱动LED发光。此外，放音遇到EOM标志时，此端输出一个低电平脉冲。此脉冲可用来触发PLAYE，实现循环放音。话筒输入(MIC)：此端连至片内前置放大器。片内自动增益控制电路(AGC)控制前置放大器的增益。外接话筒应通过串联电容耦合到此端。耦合电容值和此端的10KΩ输入阻抗决定了芯片频带的低频截止点。话筒参考(MICREF)：此端是前置放大器的反向输入。当以差分形式连接话筒时，可减小噪声，提高共模抑制比。自动增益控制(AGC)：AGC动态调整前置增益以补偿话筒输入电平的宽幅变化，使得录制变化范围很大的音量(从耳语到喧嚣声)时失真都能保持最小。通常4.7uF的电容器在多数场合下可获得满意的效果。喇叭输出(SP+，SP-)：输出端可以直接驱动8Ω以上的喇叭。单端使用必须在输出端和喇叭之间接耦合电容，而双端输出既不用电容又能将功率提高至4倍。SP+和SP-之间通过内部的50KΩ的电阻连接，不放音时为悬空状态。振荡电阻(ROSC)：此端接振荡电阻至VSS，由振荡电阻的阻值决定录放音的时间。直通模式(FT)：此端允许接在MIC输入端的外部语音信号经过芯片内部的AGC电路、滤波器和喇叭驱动器后直接到达喇叭输出端。平时FT端为低，要实现直通功能，需将FT端接高电平，同时REC、PLAYE和PLAYL保持低。图3.3中的三个按键S1、S2、S3分别是录音键、边沿触发放音、电平触发放音。按住S1(REC)录音按键不放即录音，RECLED灯会亮起，松开按键录音停止。沿触发放音，按S2(PE)键一下即将全段放音，除非断电或放音结束，否则不停止放音；电平触发放音，按住S3(PL)键时即放音，松开按键即停止。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。3.3.2音频放大电路音频放大电路主要有音频放大芯片和相关元器件构成。音频放大电路中采用的芯片为LM386。LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，是一种音频集成功放，具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少及总谐波失真小等优点的功率放大器。为使外围元件最少，电压增益内置为20。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5V电源电压下，它的静态功耗为24mW，使得LM386特别适用于电池供电的场合。LM386引脚图如图3.4。LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。静态功耗低，约为4mA，可用于电池供电；工作电压范围宽，4-12V或5-18V；电压增益可调，20-200；失真度低；图3.4LM386引脚图LM386的应用非常简单，但是在器件上电、断电的时候，甚至芯片工作稳定后的一些操作（如插拔音频插头、旋音量调节钮）都会带来的瞬态冲击，在输出端的喇叭上能够产生不理想的噪声。通过接在1管脚和8管脚间接电解电容（1脚接电容+极）来改变增益，断开时增益为20。采用双音频输入/输出。“+”、“－”输出端可以很好地抵消共模信号，有效抑制共模噪声。BYPASS端外接一个电解电容到地，可以起到滤除噪声的作用。芯片稳定工作后，BYPASS的电压值约为VCC的一半，改变BYPASS外接电容的容值大小，可以有效抑制噪声。在芯片上电、掉电时产生的噪声就是由该偏置电压的瞬间跳变所致，减少输出耦合电容可以有效地降低噪声。此电容可以有隔直（隔断直流电压）和耦合（耦合音频的交流信号）。如果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是它与扬声器负载构成了一阶高通滤波器。减小该电容值，可使噪声能量冲击的幅度变小、宽度变窄；故选用10uF/4.7uF。3.4自动排气电路的设计自动排气电路图如图3.5所示。自动排气电路主要包括5V继电器和排气扇。图3.5自动排气电路图排气电路主要由三极管、继电器、电机组成，在这部分电路中，继电器和三极管相当于一个开关，可开通或关断电机连接的5伏直流电源。继电器中开关动作受三极管控制，当三极管处于饱和导通状态时，集电极电流驱动继电器动作，开关闭合，电机回路导通，电机开始工作。当三极管处于截止状态时，继电器中无电流通过，故而继电器开关无法动作，导致电机回路开路，无电流通过，电机不工作。三极管是处于饱和导通还是处于截止断开，则由其基极B控制。当基极B电压处于高电平时，其值高于集电极C的电压，而且大于三极管的开启电压Uon，三极管处于饱和导通状态，集电极上的继电器中有电流通过；当基极B处于低电平状态时，其值小于三极管开启电压Uon，三极管处于截止状态，其集电极中无电流，三极管这个“开关”处于断开状态。二极管D2的作用是保护继电器。当三极管T2饱和导通时，继电器中有电流通过，此时是二极管D2相当于开路，对电路无影响；当三极管在转换到截止状态的瞬间，由于继电器中含有电感元件，那么必然会在此刻产生极大的电流，如果不加二极管D2，电路可能会因电流过大而损坏，而加上二极管后，电流改变流向，通过二极管D2和继电器中的电感组成的回路完成放电过程，不会损坏电路。

4．系统软件设计4.1程序设计程序流程图如图4.1所示。图4.1整体软件流程图因为首先要给传感器预热，QM-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，需要一段时间的预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。当检测到烟雾时，烟雾传感器会将信号传输到单片机，单片机再控制语音报警电路和自动排气电路工作。根据整体软件流程图用C语言编写程序。编写的程序为：#include<reg51.h>//包含头文件#defineucharunsignedchar //宏定义#defineuintunsignedintsbityanwu=P1^0;sbityuyin=P1^1; sbitjidianqi=P1^2;voiddelay1(uintz)//延时子程序 1ms{ uintx,y; for(x=z;x>0;x--) for(y=110;y>0;y--);}voidmain()//主函数{ yanwu=1; jidianqi=0; yuyin=0;while(1){ if(yanwu==0){yuyin=1; jidianqi=1;}else{yuyin=0;jidianqi=0;} }}4.2编译及下载在keil软件中对程序进行编译及调试，具体编译及调试界面如图4.2。图4.2程序编译及调试界面编译及调试具体的步骤首先打开KeiluVision。新建工程project->newproject将弹出creatnewproject框，写入工程名称。为了便于集中管理建议新建一个文件夹（上面第二个图标）。点击确定后弹出一个芯片选择项，选atmelAT89S51。弹出一个框，选择“否”。新建文件file--new将弹出一个文本框，输入程序。然后保存这个文件file--save弹出框saveas填写你要保存的文件名。注意一定要带上后缀.c。加载程序，把我们编写的c文件加载进入看到左边sourcegroup1，点击右键，选择倒数第四项“addfiles”进入add框，选择你刚才保存的main.c文件，然后add看到左边sourcegroup1下面是不是加载上main.c了。编译前要进行一个重要的操作。生成HEX文件。右边target1右键弹出框，找到output，再找到creathexfi:前面复选框选中OK。开始编译了，project--buildtarget或者按F7或者看到上面图标（一个图标有两个方向向下的箭头）编译的时候，你会发现最前面编译结果0Errors就表示程序没有错误。最后通过progisp把编译、调试正确的程序下载到AT89S51芯片中。Progisp程序下载界面如图4.3。图4.3Progisp程序下载界面

5.装配与调试5.1Proteus仿真Proteus软件是英国LabcenterElectronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件，它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。用Proteus仿真的整体电路仿真图如图5.1所示。（由于语音芯片、烟雾传感器以及风扇等元器件在Proteus元器件库中没有收录，此次仿真过程中用电位器表示烟雾传感器，用蜂鸣器表示语音报警，用发光二极管代表风扇。）图5.1整体电路仿真图Proteus仿真步骤：创建文件并命名“yanwubaojing.dsn”。在元器件库中选择需要的元器件，再摆放好元器件，设定好参数，最后连接电路图。双击单片机芯片，添加“.hex”文件。仿真运行，“debug”—“execute”。检查错误直至达到要求。5.2硬件制作在Proteus软件中仿真无误后就可以进行安装、焊接元器件。焊接前首先需要检测元器件是否合格，元器件检验合格后在面包板上按照整体电路图（附录C）连接电路图并检测电路是否工作。如果经检测没有问题可以工作，就可以在焊接板上开始对元器件进行焊接。焊接一般遵循先低后高，一个方向的原则。根据本设计的实际情况，就要先焊电阻、插槽、晶振、瓷片电容、电解电容，最后焊接烟雾传感器和喇叭。焊接好的实物图如图5.2所示。图5.2实物图5.3系统调试5.3.1单片机最小系统电路的调试单片机最小系统电路的调试需要从以下几个方面进行：(1)用万用表检测电源是否接通，检测VCC(40脚)和GND(20脚)之间是否有5V电压。(2)用万用表检测31引脚是否有5V电压。目的是确保使用了片内存储器。(3)检测P3口或P2口的空闲电压是否有5V电压，如果没有，说明单片机系统没有工作。(4)用万用表检测复位电路，通过复位按键，检测9引脚的电压是否会变化，如果按键没有按下，电压为0V，按键按下后，电压立刻变为5V，之后很快的降为0V，则表示复位电路正常。(5)用示波器检测振荡电路，主要是检测18、19引脚。检测是否有振荡波产生。如果有，则表示振荡电路正常。5.3.2烟雾检测电路的调试烟雾检测电路主要通过调试可变电阻，可以调节烟雾传感器的灵敏度，以获得满意的烟雾浓度风扇启动点。MQ-2为烟雾传感器，电路采用交流供电，220V交流市电从插头引入电路，经电源变压器降压后变为直流，直流电压直接供传感器MQ-2的加热丝h-h工作，加热丝给传感器MQ-2预热一定时间后，才能正常检测烟雾。因为家用煤气中主要成分为甲烷，所以本实验在烟雾标定时，选用甲烷烟雾。实际甲烷烟雾与进入到单片机输入端的电压值对应数据如表5.1所示。表5.1实际烟雾与送入单片机的电压值对应数据浓度（%）电压（V）03.70103.65203.60303.48403.30502.98602.61702.22801.80901.201000从该表中可以看出，电压值与烟雾浓度之间是非线性关系，为了实时显示气体浓度，需要对其进行线性化处理，使显示的烟雾浓度与实际误差在±5%范围内。经实验的标定，分段线性化误差数据如表5.2所示：表5.2分段线性化误差数据浓度（%LEL）浓度误差浓度（%LEL）浓度误差005055355310-160015465220370325-175530580-2353854402903455955经计算烟雾浓度与实际浓度之间的误差为2.55%，在所规定误差范围±5%之内。因此，本论文中的可燃性报警器满足检测要求。5.3.3语音报警电路的调试语音报警电路中语音芯片的选型很重要，不同型号的芯片功能和连接电路都不相同。语音报警中的退耦电容可以改变音质。如果播放出来的声音很小可以通过调节图3.3中电位器R4的大小来改变声音的大小。焊接时，所有外围元件尽可能靠近LM386；地线尽可能粗一些；输入音频信号通路尽可能平行走线，输出亦如此。

结束语设计的烟雾超标报警自动排气电路，选用MQ-2烟雾传感器，AT89S51单片机、语音芯片ISD1820PY等器件，实现了烟雾检测、语音报警、自动排气等功能。但未实现液晶显示、远程报警等扩展功能，有待进一步完善。

致谢致谢人：

参考文献[1]祝敏.烟雾超标报警自动排气电路[J].电子制作,2007,154(1):12-12.[2]陆东旭.简易的烟雾报警器[J].电子制作,2006,149(8):62-63.[3]叶明启.实用的火灾烟雾报警器[J].家庭电子,2004,156（2）:19-20[4]赵婷.美国烟雾报警器的统计报告[J].消防科学与技术,2010,151(3):183-184[5]李增国.传感器与测试技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.[6]李永生,杨莉玲.半导体气敏元件的选择性研究[J].仪表技术传感器,2002,148(3):1-9.[7]谢望.烟雾传感器技术的现状和发展趋势[J].仪器仪表用户,2006,13(5):1-2.[8]胡显华.火灾探测器误报警的原因及改进方法[J].电脑开发与应用,2007,20(11):60-62.[9]柴钰.单片机原理及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社，2009.[10]阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2006.5[11]华成英,童时白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2006.5[12]WangXihuai，XiaoJianmei，BaoMinzhong.Multi-sensorFireDetectionAlgorithmforShipFireAlarmSystemUsingNeuralFuzzyNetwork[J].SignalProcessingProceedings.2000，16(11):1602-1605.[13]JamesA.Milke.MonitoringMultipleAspectsofFireSignaturesforDiscriminatingFireDetection[J].FireTechnology,1999,35(3)：25-26.[14]TomkewitschR.FiredetectionsystemswithdistributedIntelligencethepulspollingsystem[J].FireSafetyJournal,1993,96(6):225-231.

附录A英文文献原文Multiplesingle-chipmicrocomputerapproachtofiredetectionandmonitoringsystemA.J.AI-Khalili,MSc,PhDD.AI-Khalili,MSc,PhDM.S.Khassem,MScIndexingterm:Hazards,Design,PlantconditionmonitoringAbstract:Acompletesystemforfiredetectionandalarmmonitoringhasbeenproposedforcomplexplants.Thesystemusesmultiplesinglechiparchitectureattachedtoapartyline.Thecontrolalgorithmisbasedonatwo-levelhierarchyofdecisionmaking,thusthecomplexityisdistributed.Acompletecircuitdiagramisgivenforthelocalandthecentralstationwithrequirementsforthesoftwarestructure.Thedesigniskeptingeneralformsuchthatitcanbeadaptedtoamultitudeofplantconfigurations.Itisparticularlyshownhownewdevelopmentsintechnology,especiallyCMOSsinglechipdevices,areincorporatedinthesystemdesigntoreducethecomplexityoftheoverallhardware,e.g.bydecomposingthesystemsuchthatlowerlevelsofhierarchyareabletohavesomeautonomyindecisionmaking,andthusamorecomplexdecisionissolvedinasimpledistributedmethod.1IntroductionRegulatoryrequirementsformosthighriskplantsandbuildingsmandatetheinstallationoffiredetectionandwarningsystemsforallsensitiveareasoftheplantorthebuilding.Mostfirecodesstatetherequirementformonitoringandcontrolspecificallyrelatedtoatypeofaplantorbuildingsuchaschemicalplants,petroleum,nuclearplants,residentialhigh-risesetc.Ageneralconclusionofthesecodescanbespecifiedasthefollowingrequirements:(a)Thesourceofalldetectorsignalsshouldbeexactlyidentifiablebythecentralstation(b)Anextrapathofcommunicationbetweenthecentralstationandalllocalcontrollers(c)Directmeansofcontrolofalarmandcentralequipmentbythecentralstation(d)Meansofcommunicationbetweenthecentralstationandthefiredepartment(e)Availabilityofemergencypowersupply.Thecodesusuallyalsospecifythetypesandfrequencyoftestsforallequipment.Afiredetectionandalarmsystemisacombinationofdevicesdesignedtosignalanalarmincaseofafire.Thesystemmayalsoaccomplishfancontrol,firedoorholdorrelease,elevatorrecall,emergencylightingcontrolandotheremergencyfunctions.Theseadditionalfunctionssupplementthebasicsystemwhichconsistsofdetectionandalarmdevicesandcentralcontrolunit.Technologyhasaninfluenceonsystemarchitecture.Whentechnologychanges,thearchitecturehastoberevisedtotakeadvantageofthesechanges.Inrecentyears,VLSItechnologyhasbeenadvancingatanexponentialrate.FirstNMOSand,inthelastyearortwo,CMOSchipshavebeenproducedwiththesamepackingdensitywithmoregatesperchipyetatalowerpowerconsumptionthanNMOS.Surelythischangeintechnologymustaffectourdesignofhardwareatboththechipandthesystemlevel.Atthechiplevel,singlechipsarenowbeingproducedwhichareequivalenttoboardlevelsofonlythepreviousyearortwo.Thesechipshavemicroprocessor,memoryinRAMandROM,IOPortsbothserialandparallel,A/Dtimer,flagsandotherfunctionsonchip.Atthesystemlevel,thenewchipsmakenewarchitecturespossible.Theobjectiveofthispaperistoshowhowtechnologycaninfluencesystemarchitectureinthefieldoffirecontrol.Thenewhighdensitysinglechipmicrocontrollersareincorporatedinthedesignofalargescalesystemandyetweobtainasmallersystemwithabetterperformance.Intermsoffiredetectionandalarmmonitoring,thisisreflecteddirectlyinthelocalstationhardware,becauseoftheirremotenessandpowersupplyrequirements.AcompletelocalstationcanbedesignedaroundasingleCMOSchipwithpowerconsumptionofafewmWdependingonsystemoperation.Thisapproachreducesthecostandcomplexityofdesign,implementationandmaintenanceandprovideseasilyexpandableandportabledesign.Thisimplementationwasnotpossiblewitholdtechnology.Mostoffiredetection/monitoringsystemsavailablearetailoredtowardsaspecificapplicationandlacktheuseofrecentadvancesinCMOSVLSItechnology.Inthisstudy,wedevelopafiredetection/monitoringsystemwhichisgeneralinconcept,readilyimplementableinamultitudeofapplicationsforearlydetectionofafirebeforeitbecomescritical,forequipmentandevacuationofpersonnel.Here,weproposeacentralcontrolanddistributedcontrol/detection/monitoringwithadequatecommunication,whereuseismadeofsingle-chipmicrocontrollersinthelocalstations,thusimprovingcontrollabilityandobservabilityofthemonitoringprocess.2DetectionandalarmdevicesAbasicfiredetectionsystemconsistsoftwoparts,detectionandannunciation.Anautomaticdetectiondevice,suchasaheat,smokeorflamedetector,ultravioletorinfrareddetectorsorflameflicker,isbasedondetectingthebyproductofacombustion.Smokedetectors,ofbothionizationandopticaltypes,arethemostcommonlyuseddetectordevices.WhenatypicaldetectorofthistypeentersthealarmstateitscurrentconsumptionincreasesfromthepAtothemArange(say,fromamere15pAinthedormantmodeto60mA)intheactivemode.Inmanydetectorsthedetectoroutputvoltageiswelldefinedundervariousoperatingconditions,suchasthosegiveninTable1:Table1TypicaldetectorvoltageoutputlevelsvoltagelevelDetectorcondition22VDetectorisinopencircuitcondition13V~22Vdetectorisnormal1V~13Vdetectorisinanalarmstate1VdetectorisinshortcircuitconditionThemoresensitivethedetector,themoresusceptibleitistofalsealarms.Inordertocontrolthedetectorprecisely,eitherofthef