單片機多路巡回檢測與控制報警裝置的研制

1、桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙第2頁共50頁1緒論1.1倉庫煙霧警報器的設計背景隨著社會的發(fā)展，經濟區(qū)域不斷的擴展，大型倉儲、物流、加工型企業(yè)和物流工業(yè) 區(qū)越來越多。所以，我們應該把在這些區(qū)域的消防工作放在首要的位置。倉庫指儲藏和放置物資的場所和建筑物，是物資高度集中的地方，火災一旦發(fā)生， 經濟損失將會十分嚴重。近年來，在我國發(fā)生的特大火災事故中，倉庫火災占有相當比 例。如上海紫興藥業(yè)有限公司的倉庫發(fā)生火災，造成2人死亡和7人受傷。隨州市曾都區(qū)的供銷社資產管理中心所屬倉庫發(fā)生火災，燒毀100多臺電視機、大量的木制家俱還有固體酒精等，造成的損失不低于100萬元。倉庫火災的損失如此嚴重，

2、主要是由于其 物資高度集中的特點所造成。本文設計了一套適用于倉庫火災的自動報警裝置 ，對于火災的及早發(fā)現和對火災進 行早期的撲滅，減小火災造成的損失有重要的意義。煙霧檢測報警裝置是一種能夠檢測 環(huán)境中的煙霧濃度并且具有報警功能的儀器。該報警裝置可用于石油化學工業(yè)、可能有 氣體泄漏的生產工廠及家庭防火防爆。煙霧報警器歸屬于中華人民共和國強制檢定的 工作計量器具目錄中第 46項，歸類于物理化學計量器具。建筑設計防火規(guī)范（GBJ16-87）第1032條明確規(guī)定：“散發(fā)可燃煙霧、可燃蒸汽的甲類廠房和場所，應設 置煙霧濃度檢測報警裝置”。2003年12月，國家執(zhí)行了新的煙霧探測器標準（GB15322-2

3、003）可燃煙霧探測器，2004年10月國家頒布可燃煙霧檢測報警器規(guī)程 JJG693-2004，研究新型、性能穩(wěn)定、能準確監(jiān)測可燃性氣體，并合乎國家相關規(guī)定的 報警器具有極其重要得意義。1.2倉庫煙霧警報器的設計目的火災警報系統(tǒng)可以在火災早期將火情及時的通知管理人員，使火災能夠在早期就被抑制，延長貨物的疏散的時間。設計一種能夠在火災初期發(fā)生時或者有可燃氣體堆積引 起的火災隱患時就能發(fā)出報警的報警器，使人們能夠及時發(fā)現火災，并及時采取有效措 施，撲滅初期火災，最大限度的減少或消除因火災造成的生命危害和財產的損失，是人 們同火災做斗爭的有力工具?；馂淖詣訄缶到y(tǒng)一般是由觸發(fā)器件、火災報警裝置及其

4、他聯動控制系統(tǒng)部分等組成。由于物資倉庫面積很大，存放的物品密集而且易燃，物資 倉庫的火災危險性一般具有以下特征：（1）火勢蔓延快，煙氣擴散快；（2）火災形成后 撲救難度大；（3）火險的隱患多，災后損失嚴重。根據物資倉庫的建筑結構和火災危險 性，觸發(fā)器件選用了普敏式煙霧警報器，使其可以及早發(fā)現火災還能減小火災的誤報率。 同時采取火災報警控制器和集中火災控制報警器的分布式結構，以提高火災自動報警系統(tǒng)的工作效率，使其能及時滅火，減小火災造成的損失。1.3設計的主要任務我們已經學習了很多比如單片機控制電路、傳感器電路、A/D和D/A轉換電路、信號放大電路等相關的知識，具備了設計對信號采集、放大、轉換、

5、處理、控制以及顯示 電路的能力。通過對傳感器電路，微控制器電路，數據存儲電路，顯示電路和警報電路的整合， 可以設計出一個具有良好性能且穩(wěn)定性高的電路，以實現對煙霧濃度的檢測以及對數據的顯示和存儲功能。本設計以單片機為核心，通過煙霧傳感器對煙霧進行檢測其濃度并 進行警報和實時顯示，以達到對煙霧的監(jiān)測警報的目的。主要研究的內容有：以單片機為主控制器，設計、制作一套控制系統(tǒng)，實現電動車 的電氣控制，要求：1 輸入電源：交流220V;2可巡回檢測儲藏庫的四個不同位置的煙霧及煤氣濃度；3 可實時顯示各處煙霧及煤氣濃度；4 檢測精度吃 FS;5可實現數據的保存及調用歷史數據；6當煙霧及煤氣濃度超過一定值時

6、報警；2系統(tǒng)原理的概述煙霧警報器可以檢測環(huán)境中的煙霧， 能夠實時的顯示濃度并且能夠在濃度達到一定 程度的時候發(fā)出警報，其組成部分包括：煙霧信號采集電路，單片機控制電路，顯示電 路，警報電路，數據存儲電路。煙霧信號采集電路是由煙霧傳感器和模擬放大電路組成的，煙霧信號會被轉化成模擬電信號。模擬信號將通過模數轉換電路轉換成單片機可以識別的數字信號，然后傳入 單片機內。數字信號通過單片機的濾波處理，并分析處理后的數據，數據將在顯示電路 的顯示屏上實時顯示數據，如果其大于預設值（就是警報值），則會出發(fā)警報電路發(fā)出警報，反之就是正常狀態(tài)。實時的數據也將會在數據存儲電路中存儲。煙霧警報器的兩大核心是是單片機

7、和煙霧傳感器，選擇好的傳感器，對警報器的穩(wěn) 定性和精確度非常重要。2.1硬件的原理和結構本文中的煙霧警報器是以STC12C5A60S2單片機為核心，采用MQ-2型普敏式半導 體傳感器采集煙霧信息。首先，傳感器 采集來的煙霧濃度電 壓信號很小，經過電 壓信號放大后送入 STC12C5A60S2單片機中；然后，信號在單片機內經過 A/D轉換、濃度比較后，對數據 進行線性化的處理，把已經數字化的信號轉化為相對應十進制的濃度值；最后，把實際 測得的氣體濃度信息通過液晶顯示器實時顯示出來，并同時判斷這個濃度值是否超過警 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙第8頁共50頁報限，當超過是，警報器被觸發(fā)響

8、起。另外因為煙霧傳感器工作的時候需要預熱，溫度 也高，反應也快，響應和回復時間也越迅速。為了使警報器反應迅速，需要向其持續(xù)的 提供一個5v的電壓。為了適應工廠、倉庫場所對可燃性易爆性煙霧氣體的安全要求，我們設計的煙霧報 警器不僅要工作范圍寬廣，而且應具有實時顯示煙霧濃度、故障自檢、延時報警功能及 數據保存調用和實時控制等功能。使其在傳統(tǒng)的煙霧報警儀的基礎上，具有更高的準確 性，低成本，體積小。本系統(tǒng)是以單片機為核心，與外圍電路共同完成信號采集、濃度顯示、時間顯示、 狀態(tài)顯示、聲音報警、按鍵輸入等功能。報警器采用自動巡檢的工作方式，進行報警值 設定。系統(tǒng)采用了具有高性能的STC12C5A60S2

9、單片機，因為其工作穩(wěn)定、測量精度高、 通用性強、功耗低，可以保證報警器的可靠性及精確性，而且體積小，成本低，有利于 減少報警器的體積，節(jié)約報警器的成本。報警器系統(tǒng)結構框圖如圖2-1所示：圖2-1可燃煙霧報警器系統(tǒng)結構框圖串口通信蜂鳴器液晶濃度顯示LED狀態(tài)指示燈煙霧傳感器2.2煙霧警報器的類型 2.2.1煙霧傳感器介紹(1) 煙霧傳感器的分類從檢測原理上，煙霧傳感器有很多種，主要可以分為三大類： 利用物理化學性質的煙霧傳感器：如接觸燃燒煙霧傳感器、半導體煙霧傳感器等。 利用物理性質的煙霧傳感器：如光干涉煙霧傳感器、熱導煙霧傳感器、紅外傳感 器等。 利用電化學性質的煙霧傳感器：如電勢型氣體傳感器

10、、電流型煙霧傳感器等。(2) 煙霧傳感器需要滿足的基本條件：一個煙霧傳感器可能是單功能的，也可能是多功能的；可以是單一的實體，也可以 是由多個具有不同功能傳感器組成的傳感器陣列。不過，一個完整的煙霧傳感器都應該具備以下條件： 可以選擇性地檢測某種單一煙霧，而對伴隨的其它煙霧不響應或低響應； 對被測煙霧氣體具有較高的靈敏性，能有效地檢測范圍內的煙霧濃度； 能快速響應檢測信號，而且具有較好的重復性； 能夠穩(wěn)定的長期的工作； 使用壽命長； 制做成本低，能夠使用與維護。（3）常見煙霧傳感器簡介下面對工業(yè)上常用的幾種煙霧傳感器作簡單介紹。 半導體煙霧傳感器半導體煙霧傳感器包括用單晶半導體器件制作的煙霧傳

11、感器以及用氧化物半導體 陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器。從1962年半導體金屬氧化物煙霧傳感器問世以來，因為具有高靈敏度、響應速度快、輸出信號強、結構簡單、耐久性強、價格便宜 等優(yōu)點，使其得到了廣泛的應用。按照敏感機理分，可將其分為電阻型和非電阻型兩種。 固體電解質煙霧傳感器固體電解質煙霧傳感器把固體電解質氣敏材料作為氣敏元件，原理是利用氣敏材料在通過煙霧時會產生電阻，測量其形成電動勢從而測量煙霧濃度。由于這種傳感器電導 率高，靈敏度和選擇性比較好，得到了廣泛的應用，進入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個領 域，是產量僅次于半導體煙霧傳感器的傳感器。但是這種傳感器制造成本較高，檢測煙 霧范圍也有限，

12、在檢測環(huán)境污染領域中有優(yōu)勢。 接觸燃燒式傳感器當易燃煙霧接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時會發(fā)生氧化反應而燃燒，故得名接觸燃燒式傳感器。接觸燃燒式煙霧傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲（也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層），使用時將鉑絲通電，保持 300C400C的高溫，此時若與煙霧 接觸，煙霧就會在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會上升，鉑絲的電阻值也上 升；通過測量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道煙霧的濃度。 高分子煙霧傳感器利用高分子氣敏材料制作的煙霧傳感器近年來得到很大的發(fā)展。高分子氣敏材料在遇到特定煙霧時，其電阻、介電常數、材料表面聲波傳播速度和頻率、材料重量等物理性能發(fā)生變化。高分子氣

13、敏材料由于具有易操作性、工藝簡單、常溫選擇性好、價格低廉、易與微結構傳感器和聲表面波器件相結合，在毒性煙霧和食品鮮度等方面的檢 測中具有重要作用。高分子煙霧傳感器具有對特定煙霧分子靈敏度高，選擇性好，且結 構簡單，能在常溫下使用，可以彌補其它煙霧傳感器的不足。 電化學傳感器電化學傳感器由膜電極和電解液封裝而成。 煙霧濃度信號將電解液分解成陰陽帶電 離子，通過電極將信號傳出。它的優(yōu)點是：反映速度快、準確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢 測，但壽命較短（大約兩年）。它主要適用于毒性煙霧檢測。目前國際上絕大部分毒氣檢 測采用該類型傳感器。 熱傳導傳感器熱傳導傳感器與接觸燃燒式傳感器具有類似的結構形式，但是測量

14、原理不同。它的 測量原理是：將加熱后的鉑電阻線圈置于目標煙霧中，由于向目標煙霧傳送熱量造成溫 度降低，引起電阻值變化，傳感器即測量電阻值的變化情況。溫度的變化情況是目標煙霧熱傳導率的函數，而對于一種給定的煙霧或汽化物，熱傳導率是它固有的物理特性。 紅外傳感器紅外傳感器通常用兩束紅外光進行煙霧測量，主光束通過測量元件內的目標煙霧， 參考光束通過比較元件內的參考煙霧。在測量和比較元件中，紅外射線被煙霧有選擇地 吸收了。未吸收的紅外光由光電探測器測量，產生一個正比于目標煙霧濃度的差分信號。 非擴散式紅外探測器NDIR （non-dispersive IR ）是其中的一種，所有的未吸收光全部以最 小的

15、擴散和損耗被記錄下來。不同的煙霧吸收不同波長的IR,所以傳感器根據目標煙霧而調整，典型應用包括測 量CO和C02、冷凍劑煙霧和一些易燃氣。由于非碳氫化合物易燃煙霧（如氫）不吸收電磁譜中IR部分的能量，所以這種傳感器可以精確地測量碳氫化合物，并具有最小的交 叉靈敏度，而且不受其它煙霧的腐蝕以及高濃度目標煙霧的影響。（4）常見煙霧傳感器可檢測煙霧種類因為煙霧種類繁多，一種類型的煙霧傳感器不能檢測所有的氣體，一般只能檢測某 一種或者兩種特定性質的煙霧。例如氧化物半導體煙霧傳感器主要檢測的是各種還原性 煙霧，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固體電解質煙霧傳感器主要檢測無機煙霧， 如O2、CO

16、2、H2、CI2、SO2等。表2-1簡要列舉出已經研究、開發(fā)的各類煙霧傳感器 及其可檢測的氣體種類。表2-1傳感器種類COC02H2SNH3HCNHCICOCI2CI2NOXSO202CH4C3H2H2H20半導體氣體傳感器OOOOOOOOOO高分子電解質氣體傳感器OOOOO接觸燃燒式傳感器OOO電化學式傳感器OOOOOOOO固體電解質傳感器OOOO注：C好不太好222煙霧傳感器的選定煙霧檢測報警器主要應用在工廠、倉庫、石油、化工、冶金、油庫、液化氣站等易 發(fā)生可燃氣體和煙霧泄漏的場所，根據報警器檢測煙霧種類的要求，一般選用接觸燃燒 式煙霧傳感器和半導體煙霧傳感器。使用接觸燃燒式傳感器，有兩個

17、不可避免的問題是探頭的阻緩及中毒。阻緩是當在煙霧與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質的時，有可能在無焰燃燒的同時，一些 固態(tài)物質會附著在催化元件表面，阻塞載體的網格微孔，從而使得傳感器響應緩慢反應 滯緩，靈敏度降低。雖然把阻緩的傳感器放回新鮮空氣環(huán)境中有可能得到一定程度的恢 復，但是長期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度就會不斷下降，傳感器最終檢測煙霧的能 力會喪失。中毒是如果環(huán)境空氣中含有硅烷之類的物質時，則傳感器將使催化元件產生 不可逆轉的中毒，以致靈敏度很快就喪失。當懷疑檢測環(huán)境中存在這些物質時，經常對 探頭進行標定，是必須且有效的辦法。因此，經常對傳感器進行標定，是保證其準確性的必要的途徑。

18、一般連續(xù)使用兩個 月后應對傳感器進行量程校準，這種經常性對傳感器的維護，無形中加大了工作人員的工作量，同時增加了報警器的維護成本。半導體煙霧傳感器包括用氧化物半導體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以 及用單晶半導體器件制作的煙霧傳感器，它具有靈敏度高，響應快、體積小、結構簡單，使用方便、價格便宜等優(yōu)點，因而得到廣泛應用。半導體煙霧傳感器的性能主要看 其靈敏度、選擇性（抗干擾性）和穩(wěn)定性（使用壽命）。經過對比上述兩種煙霧傳感器的應用特性，發(fā)現半導體煙霧傳感器的優(yōu)點更加突 出：靈敏度高、響應快、抗干擾性好、使用方便、價格便宜，且不會發(fā)生探頭阻緩及中 毒現象，維護成本較低等。因此，本設計采用半導體

19、煙霧傳感器作為報警器煙霧信息采 集部分的核心。而在眾多半導體氣體傳感器中，本設計選用MQ-2型煙霧傳感器，這種型號的傳感器不但具備一般半導體煙霧傳感器靈敏度高、響應快、抗干擾能力強、壽命 長等優(yōu)點。223報警器工作特性本次設計是針對倉庫中的煙霧及煤氣的檢測，倉庫煙霧中所含的一般是混雜，所以 采用普敏式煙霧傳感器 MQ-2。MQ-2的特點是：探測范圍廣，高靈敏度/快速響應恢復， 優(yōu)異的穩(wěn)定性/壽命長，驅動電路簡單?？捎糜诩彝ズ凸S的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測。其靈敏特性如下表： 表2-2符號參數名稱技術參數備注Rs敏感體表面電阻3K Q -30K

20、Q(1000ppm 異丁烷)探測濃度范圍100ppm-10000ppm液化氣和丙烷300ppm-5000ppm 丁烷5000ppm-20000ppm 甲烷300ppm-5000ppm 氫氣100ppm-2000ppm 酒精a (3000/1000)異丁烷濃度斜率 0.6標準工作條件溫度：20 C 2C Vc:5.0V 0.1V相對濕度：65% 5% Vh: 5.0V 0.1V預熱時間不少于24小時特別注意的是MQ-2煙霧傳感器需要不斷電的預熱 24小時，這會對于系統(tǒng)的演示 會造成影響。如果采用工業(yè)板，側靈敏度較高，預熱的時間將大大減少，節(jié)約系統(tǒng)運行 時需要的時間，更有效的實現運作。圖2-3給出

21、了 MQ-2型氣敏元件的溫濕度特性0比1I7C-1十:i泅亠f1.2e1* |D. tU. fl廠】d憐CT-必-10010丹30機50CO圖2-3MQ-2型氣敏元件的溫濕度特性Ro: 20C，33%RH條件下，1000ppm氫氣中元件電阻。Rs:不同溫度，濕度下，1000ppm氫氣中元件電阻。靈敏度調整：MQ-2型氣敏元件對不同種類、不同濃度的氣體有不同的電阻值。因此，在使用此類型氣敏元件時，靈敏度的調整是很重要的。當精確測量時，報警點的設 定應考慮溫濕度的影響。MQ-2元件外形結構如圖2-4所示：siHn圖a圖b圖2-4 MQ-2元件外形結構圖MQ-2氣敏元件的結構和外形如圖 a所示（結構

22、AorB）,由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感層，測量電極和加熱器構成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內，加熱器 為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個用于信號取出，2個用于提供加熱電流。3煙霧檢測報警器的硬件設計在報警儀的設計中，單片機是其核心部件。它一方面要接收來自傳感器送來的煙霧濃度 對應的模擬信號和故障檢測信號，另一方面要對兩種信號分別進行處理，控制后續(xù)電路 進行相應動作；與此同時查詢是否有鍵按下的請求。桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙第14頁共50頁3.1單片機的選型在單片機完成指定的工作時，尤其是信號處理，比較濃度值后送入顯示的軟

23、件實 現比較復雜，要求單片機具備較快的運算速度，使檢測人員能夠較準確地觀測到煙霧濃 度，并根據情況做進行相應處理。并且也要考慮選擇低價實用的機型，并為研制同一系 列的低功耗產品做準備。根據多方面的比較，本設計選用宏晶科技生產的STC12系列單片機。3.1.1 STC12C5A60S2 單片機的介紹為適用于本論文設計的煙霧檢測報警器，應選擇一種比8051系列速度快，功耗低，抗干擾性好，而又避免 C語言編程溢出問題的單 片機。宏晶科技新推出的STC12系列 單片機具有高速、低功耗、超強抗干擾等優(yōu)點，是的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,速度卻比8051單片機快812倍。而且STC

24、12系列下屬的STC12C54xxAD 系列單片機是低功耗Flash單片機，它的高效尋址方式、大容量 Flash、EEPROMA/D 轉換、硬件乘法器、硬件脈寬調制器(PWM等功能特點，較好的實現了強大的功能與超 低功耗的結合。而且在功能同樣的情況下，管腳較少封裝體積小，價格比其他型號便宜， 因此具有很好的性價比和應 用適應性。STC12C5A60S2/AD/PWM片機是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機， 是新一代高速/低功耗/超強抗干擾的8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051，但 速度要快8-12倍。內部集成有MAX810專用的復位電路，有2路PWM,8路高速10位A/

25、D 轉換(250K/S)，專門針對電機控制，強干擾場合。其特點是：(1) 有增強型8051 CPU 1T,單時鐘/機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051單 片機；(2) 工作電壓：STC12C5A60S系列工作電壓：5.5V - 3.3V( 5V單片機)；(3) 工作頻率范圍：035MHz相當于普通8051單片機的0420MHz用戶應用程序空間為 8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字(5) 片上集成1280字節(jié)RAM(6) 通用I/O 口(36/40/44個)，復位后為： 準雙向口 /弱上拉(普通8051傳統(tǒng) I/O 口)可設置

26、成四種模式：準雙向口 /弱上拉，推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開 漏每個I/O 口驅動能力均可達到20mA但整個芯片最大不要超過55mA(7) I S P(在系統(tǒng)可編程)/IAP (在應用可編程)，無需專用編程器，無需專用仿真器可通過串口( P3.0/P3.1 )直接下載用戶程序，數秒即可完成一片；(8) 有 EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PW無內部 EEPROM)(9) 看門狗；（10）內部集成MAX810專用復位電路（外部晶體12M以下時，復位腳可直接1K電 阻到地）；（11）外部掉電檢測電路：在P4.6 口有一個低壓門檻比較器5V單片機為1.32V， 誤差為+/-5%

27、,3.3V 單片機為1.30V，誤差為+/-3% ；（12）時鐘源：外部高精度晶體/時鐘，內部R/C振蕩器（溫漂為+/-5%到+/-10%以內）用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內部R/C振蕩器還是外部晶體/時鐘常溫下內部 R/C振蕩器頻率為：5.0V單片機為：11MHz15.5MHz 3.3V單片機為：8MHz12MHz精度要求不高時，可選擇使用內部時鐘，但因為有制造誤差和溫漂，以實際測試為準；（13）共4個16位定時器兩個與傳統(tǒng)8051兼容的定時器/計數器,16位定時器 T0和T1，沒有定時器2,但有獨立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器；再加上2路PCA模塊可再實現2個16位定時器；（

28、14）2 個時鐘輸出口，可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時鐘，可由T1的溢出在 P3.5/T1輸出時鐘；（15）外部中斷I/O 口 7路,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并新增支持上升沿中斷的 PCA模塊，Power Dow n模式可由外部中斷喚醒，INT0/P3.2, INT1/P3.3,T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/P1.3（也可通過寄存器設置到P4.2 ）, CCP1/P1.4（也可通過寄存器設置到P4.3）；（16）PWM（2路）/PCA （可編程計數器陣列，2路）也可用來當2路D/A使用，也 可用來再實現2個定時器，也可用來再實現2個外部中斷（上

29、升沿中斷/下降沿中斷均 可分別或同時支持）；（17）A/D轉換，10位精度ADC共8路，轉換速度可達250K/S（每秒鐘25萬次）；（18）通用全雙工異步串行口（UART）,由于STC12系列是高速的8051，可再用定 時器或PCA軟件實現多串口；（19）STC12C5A60S2系列有雙串口，后綴有 S2標志的才有雙串口， RxD2/P1.2（可 通過寄存器設置到P4.2），TxD2/P1.3（可通過寄存器設置到P4.3）；（20）工作溫度范圍：-40 - +85 C （工業(yè)級）/ 0 - 75 C （商業(yè)級）；（21）封裝：PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48;I/O 口不夠時，可

30、用2到3根普通I/O 口線外接74HC164/165/595 （均可級聯） 來擴展I/O 口，還可用A/D做按鍵掃描來節(jié)省I/O 口，或用雙CPU三線通信，還多 了串口。STC12C5A60S的引腳排列如圖3-1所示：圖3-1 STC12C5A60S2的引腳排列圖STC12C5A60S單片機中包含中央處理器（CPU、程序儲存器（Flash ）、數據存儲器 （SRA） 定時/計數器、UART串 口、串口 2、I/O接口、告訴A/D轉換、SPI接口，PCA 看門狗及片內R/C振蕩器和外部晶體振蕩模塊。STC12C5A60S單片機幾乎包含了數據采 集和控制中所需的各種單元模塊，可以說是一個片上系統(tǒng)。

31、3.1.2中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)是為了使CPUM有處理外界異步事件的能力而設置的。當中央處理機CPU正在處理某個事件的時候外界提出了緊急事件請求，要求CPU暫時停止當前的工作，而轉去處理這個緊急事件，處理完這事件之后，再回到原來被中斷的程序，繼續(xù)原來的動 作，這樣的過程稱為中斷。實現這樣功能的部件叫做中斷系統(tǒng)，請示CPI中斷的請求源稱為中斷源，微型機中斷系統(tǒng)一般允許多個中斷源，當幾個中斷源同時向CPU青求中斷要求為其服務時，就存在CPU優(yōu)先相應哪個中斷源請求的問題，通常根據中斷源的輕重 緩急列隊，優(yōu)先處理最緊急事件的中斷請求源，也就是預先規(guī)定每一個中斷請求源有一 個優(yōu)先級別。CPU是先響應優(yōu)先級別最

32、高的中斷請求。當CPU正在處理一個請求源時（即執(zhí)行相應的中斷服務程序），產生了一個優(yōu)先級 別比它要高的中斷請求源時，CPU能夠暫停對原來的中斷服務程序，轉去執(zhí)行處理優(yōu)先 級別更高的中斷請求源，等到處理完之后，再去處理原來的低級中斷服務程序，這樣的 過程叫做中斷嵌套，這樣的中斷系統(tǒng)叫做多級中斷系統(tǒng)，沒有中斷嵌套功能的中斷系統(tǒng) 就叫做單級中斷系統(tǒng)。STC12C5A60S系列單片機提供了 10個中斷請求源，它們分別是：外部中斷0（）、 外部中斷1（而）、定時器0中斷、定時器1中斷、串口 1（UART1中斷、A/D轉換中斷、PCA中斷、低壓檢測（LVD中斷、串口 2中斷及SPI中斷。所有的中斷都具有四

33、 個中斷優(yōu)先級。用戶可以用關總中斷允許位（EA/IE.7、或者相應中斷的允許位來屏蔽 所有中斷請求，也可以用打開相應的中斷允許來讓CPUP向應相應的中斷請求；每一個中斷源可以用軟件來獨立地控制為開中斷或者關中斷狀態(tài)；每一個中斷優(yōu)先級別都可以通過軟件設置。高優(yōu)先級的中斷請求可以打斷低優(yōu)先級的中斷，相反，低優(yōu)先級中斷請求 不可以打斷高優(yōu)先級以及同優(yōu)先級的中斷。當兩個相同優(yōu)先級中斷在同時產生時，將由 查詢次序來決定系統(tǒng)先響應哪個中斷。STC12C5A60S系列單片機的各個中斷查詢次序如下表示: 表3-1中斷查詢次數中斷源中斷向量地址相同優(yōu)先級內的查詢次數中斷優(yōu)先級設置（IPH,IP ）優(yōu)先級0優(yōu)先級

34、1優(yōu)先級2優(yōu)先級3中斷請求標志位中斷允許控制位INT00003H0(highest)PX0H,PX00,00,11, 01,1IE0EX0/EATimer。000BH1PT0H,PT00,00,11, 01,1TF0ET0/EAINT10013H2PX1H,PX10,00,11, 01,1IE1EX1/EATimer1001BH3PT1H,PT10,00,11, 01,1TF1ET1/EAUART10023H4PSH,PS0,00,11, 01,1RI+TIADC002BH5PADCH,PADC0,00,11, 01,1ADC+FLAGEADC/EALVD0033H6PLVDH,PLVD0,0

35、0,11, 01,1LVDFELVD/EAPCA003BH7PPCAH,PPCA0,00,11, 01,1CF+CCF0(ECF+ECCF0+CCF1+ECCF1)/EAS2(UART2)0043H8PS2H,PS20,00,11, 01,1S2T1+S2R1ES2/EASPI004BH9(lowest)PSP1H,PSP10,00,11, 01,1SP1FESP1/EA3.1.3定時器/計數器STC12C5A60S系列單片機有4個定時器，其中定時器0和定時器1兩個16位定時 器，與傳統(tǒng)的8051的定時器完全兼容，也可以設置為IT模式，當在定時器1做波特率 發(fā)生器時，定時器0可以當兩個8位定時

36、器使用（另外兩路PCA/PWI可以再實現兩個16 位定時器）。STC12C5A60S系列單片機內設置有兩個16位定時器/計數器T0和T1,它們都具有 技術方式和定時方式兩種工作方式。每個定時器 /計數器（T0/T1、，在特殊功能寄存器 TM0D中都有一控制位（、來選擇T0或T1為定時器還是計數器。定時器/計數器的核心部件是一個加法（也有減法）的計數器，其本質是對脈沖進行計數。只是計數脈沖來 源不同：如果計數脈沖來自系統(tǒng)時鐘，貝U為定時方式，此時定時器/計數器每12個時鐘或者每一個時鐘得到一個計數脈沖，計數值加1 ;如果計數脈沖來自單片機的外部引腳（T0為P3.4，T1為P3.5），則為計數方式

37、，每一個脈沖加 1。當定時器/計數器工作為定時模式時，特殊功能寄存器 AUXR的T0x12和1x12分 別是系統(tǒng)時鐘/12還是系統(tǒng)時鐘/1 （不分頻）后讓T0和T1進行計數。當定時器/計數器 工作在計數模式時，對外部脈沖計數不分頻。定時器/計數器0有四種工作模式：模式0 （13位定時器/計數器），模式1 （16位 定時器/計數器模式），模式2 （8位自動重裝模式），模式3 （兩個定時器/計數器）。定 時器/計數器1除了模式3外，其他工作模式與定時器/計數器0相同，T1在模式3時無 效，停止計數。3.1.4單片機的A/D轉換器STC12C5A60S系列單片機帶 A/D轉換的單片機的 A/D轉換口

38、在P1 口（P1.7-P1.0）， 有8路8位高速A/D轉換器，速度可達到300KHz（30萬次/秒）。8路電壓輸入型A/D， 可做溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等。上電復位后 P1口為弱上拉型 I/O 口，用戶可以通過軟件設置將8路中的任何一路設置為A/D轉換，不需作為A/D使 用的口可繼續(xù)作為I/O 口使用。需作為A/D使用的口需先將P1ASF特殊功能寄存器中的相應位置為 1將相應 的口設置為模擬功能。STC12C5A60S系列單片機P1 口模擬功能控制寄存器（該寄存器 是只寫寄存器,讀無效）。當P1 口中的相應位作為A/D使用時，要將P1ASF中的相應位 置1。如果要允許A/

39、D轉換中斷則需要將相應的控制位置 1:1、將EADC置1,允許ADC中斷，這是ADC中斷的中斷控制位。2、 將EA置1,打開單片機總中斷控制位，此位不打開，也是無法產生 ADC中斷的 A/D中斷服務程序中要用軟件清 A/D中斷請求標志位ADC_FLA（也是A/D轉換結束標 志位）。ADC_CONT特殊功能寄存器：A/D轉換控制特殊功能寄存器,地址在0BCh單元。3.2煙霧警報器的硬件電路設計3.2.1單片機的復位電路單片機復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種。在本系統(tǒng)中采用的復位電路是按鍵復位電路，是常用的復位電路之一。單片機復位 通過按下按鈕產生高電平復位稱手動復位。當上電時，剛接通電

40、源，電容C相當于瞬間短路，+5V立即加到RST端，這個高電平會使單片機全機自動復位，這稱為上電復位； 若運行過程中需要程序從頭開始執(zhí)行，則只需按動按鈕即可。按下按鈕，則直接把+5V加到了 RST端從而復位稱為手動復位。復位后，P0P3并行I/O 口全部變?yōu)闉楦唠娖剑?其它寄存器全部清零。如圖3-2所示：圖3-2復位電路3.2.2單片機的時鐘電路STC12C5A60S單片機芯片內設有一個由反向放大器構成的振蕩器，引腳XTAL1和XTAL2分別是振蕩電路的輸入端和輸出端，時鐘可以由內部或外部生成，在XTAL1和XTAL2引腳上外接晶體振蕩器XTAL內部振蕩電路就會產生自激振蕩。系統(tǒng)采用的定時 元件

41、是由石英晶體和電容組成的并聯諧振回路。晶振的頻率選擇為12MHZ C1、C2的電容值取為30pF,兩個電容的大小起頻率微調作用。時鐘電路如圖3-3。圖3-3時鐘電路3.2.3警報與顯示部分電路通過三極管基極串連一個電阻與單片機P3.7端口連接從而達到控制蜂鳴器是否報警。蜂鳴器一端接電源，另一點接三極管集電極，是在單片機低電平是有效，警報 電路如圖3-4所示圖3-4聲音警報電路桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙第21頁共50頁報警裝置采用電磁式無源蜂鳴器 HC-12075-B其參數特點如下：額定電壓：1.5V;額定電流：=10mAr =75=85;諧振頻率：2048Hz 線圈電阻：6.5

42、1Q60 2Q ;重 量：1.5g顯示部分在系統(tǒng)顯示部分采用了諾基亞 5110 LCD液晶顯示模塊，LPH7366是諾基亞公司生產 的可用于5110、6150、6100等系列的移動電話的液晶顯示模塊，該產品除了應用于移 動電話外，也廣泛應用在各類便攜式設備的顯示系統(tǒng)中。圖3-5諾基亞5110實物圖與其他類型的產品比較，其具有下面的特點：(1) 84*48的點陣LCD能顯示4行漢字；(2) 采用串行接口與主處理器進行通信，接口信號線數量大幅度減少，包括電源和 地在內的信號線僅有9條。支持多種串行通信協(xié)議(如 AVR單片機的SPI、MCS51的串 口模式0等)，傳輸速率高達4Mbps可全速寫入顯示

43、數據，無等待時間。(3) 可通過導電膠連接模塊與印制板，而不用連接電纜，用模塊上的金屬鉤可以將 模塊固定在印制板上，因而非常便于安裝和更換。(4) LCD控制器/驅動器芯片都已經綁定在LCD晶片上，模塊的體積很小。(5) 采用低電壓供電，正常顯示時的工作電流在200卩A以下，且具有掉電模式。LPH7366的這些特點非常適合于電池供電的便攜式通信設備和測試設備中。表3-4諾基亞5110液晶顯示引腳引腳序列引腳名稱功能1SDIN串行數據線2SCLK串行時鐘線3D/C模式選擇4SCE芯片使能5RES復位6VCC電源正7LIGHT背光燈8GND電源地5110與LCD1602比較具有以下優(yōu)點：（1）性價

44、比高，LCD1602可以顯示32個字符，而5110可以顯示15個漢字，30個字 符，5110裸屏的價錢比LCD1602便宜。（2）接口簡單，僅要4根I/O線就能驅動，LCD1602需要11根I/O線。（3）速度快，速度是LCD1602的 40倍。（4）5110工作電壓是3.3v，正常顯示時工作電流是200卩A以下，具有掉電模式， 適合電池供電的便攜式移動裝備。所以，經過比較，采用性價比比較高的諾基亞5110液晶顯示模塊.3.2.4指示燈電路指示燈電路采用發(fā)光二極管組成，單片機的24腳（p2.3）;25腳（p2.4）;26腳（p2.5）; 27腳（p2.6），控制輸出的狀態(tài)指示燈。綠燈表示正常狀

45、態(tài)，黃燈表示傳感器正在加熱， 紅燈表示煙霧濃度超過了警報值，指示燈電路如圖3-6所示：圖3-6指示燈電路3.2.5穩(wěn)壓電路系統(tǒng)的穩(wěn)壓電路采用X78XX系列三端正電源穩(wěn)壓電路，其具有一系列固定的電壓輸 出，應用十分廣泛，因為內部電流的限制，以及過熱保護和安全工作區(qū)的保護，使它基 本不會損壞。由于用到的電源電壓會略高于 5V,所以使用穩(wěn)壓電路使得電壓穩(wěn)定在 5V. 穩(wěn)壓電路如圖3-7所示：圖3-7穩(wěn)壓電路326數據存儲電路系統(tǒng)采用AT24C02芯片用作數據存儲。AT24C02是一個2K位串行CMOS2PROM內 部含有256個8位字節(jié)，CATALYSTS司的先進CMOS技術實質上減少了器件的功耗。

46、 AT24C02有一個16字節(jié)頁寫緩沖器。器件通過IIC總線接口進行操作，具有一個專門的寫保護功能。表3-5是AT24C02引腳定義如下表所示表3-5 AT24C02引腳定義引腳名稱引腳功能引腳名稱引腳功能A0A1器件地址輸入WP寫保護SDA串行數據輸入輸岀VCC電源SCL串行時鐘輸入GND地AT24C電路圖如下圖所示;TP|i-圖3-8 AT24C電路圖4系統(tǒng)的軟件設計單片機是軟件與硬件的結合，所謂軟件設計就是要用程序來代替一些硬件上的不足 或使之更加完美。本系統(tǒng)用到了 C語言來編寫程序4.1 STC12C5A60S2系列單片機調試及開發(fā)工具本系統(tǒng)的軟件編程使用美國 Kei Software

47、公司出品的Kei C51，是51系列兼容單 片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編語言相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢。Kei C51軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發(fā)調試工具，全Windows和forDos的集成開發(fā)環(huán)境（IDE），可以完成編輯、編譯、連接、調試、仿真等整個開發(fā)流程。 我們可以用IDE本身或其他編譯器編輯 C源文件。然后分別由C51及A51編譯器編譯生 成文件（.OBJ）。目標文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫文件。ABS文件郵OH51轉換成標準Hex 文件，以供調試器dScope51或tScope51使用進行源代碼級調試，也可由仿真器使用直 接對目標板進

48、行調試，也可以直接寫入程序存貯器中STC12C5A60S系列單片機下載程序使用的是宏晶科技自行開發(fā)的 STC單片機ISP 下載編程軟件。在我調試程序的過程中使用的是 STC-ISP-V3.1版。ISP工具的功能主要 是將由PC機串接來的8位并行數據與單片機的串行數據進行相互轉換， 以實現PC機與 STC12C5A60S的PXD及 TXD口通訊。當我們將源程序（C語言）經語法檢查無誤并生成 代碼時，就可將程序代碼下載到 Flash芯片中。4.2煙霧警報器軟件流程及設計本文中軟件解決的主要問題是檢測煙霧傳感器的煙霧濃度信號，然后對信號進行 A/D轉換，數字濾波，線性化處理，液晶濃度顯示，按鍵功能設

49、置以及報警器的警報。4.2.1主程序設計及流程圖主程序流程圖如下圖所示。首先要給傳感器預熱，因為MQ-2型半導體電阻式煙霧傳感器在不通電存放一段時間后，再次通電時，傳感器不能立即正常采集煙霧信息，需 要一段時間預熱。程序初始化結束后，系統(tǒng)進入監(jiān)控狀態(tài)。主程序設計先對傳感器預熱， 預熱同時，對傳感器進行故障檢測，采用軟件方式檢測傳感器加熱絲或電纜線是否斷線 或者接觸不良。主程序流程圖如下圖所示：圖4-1主程序流程圖在整個報警器系統(tǒng)工作中，STC12C5A60S單片機對傳感器檢測的煙霧濃度信號進行 信號放大、A/D轉換處理后，由單片機進行分析處理，判斷系統(tǒng)是否啟動報警。主程序 還包括5110液晶顯

50、示濃度字符顯示功能、數據存儲功能、安全聯動裝置，中斷子程序 等，使報警器功能更加完善，給用戶帶來便利。422主程序初始化流程圖主程序初始化流程圖如圖4-2所示。給傳感器預熱后，程序開始執(zhí)行初始化子程序， 這部分實現的功能包括各種I/O 口輸入輸出狀態(tài)的設定、 寄存器初始化、中斷使能等。 首先設定定時初值為50ms，利用IAP寫入FEPROM,作為取值間隔。然后設定定時器 0,選擇方式1。方式1狀態(tài)下定時器的工作寄存器 TH1、TL1是16位參與操作。接著 定時器0中斷允許位置1,打開定時器0,關閉蜂鳴器，開啟綠燈，設置警報限初值。YY圖4-2主程序初始化流程圖4.2.3中位值平均濾波法數字濾波

51、子程序設計及流程圖在煙霧傳感器對煙霧采樣時，可能會遇到尖脈沖干擾現象。干擾通常影響個別采樣 點的數據，此數據與其他采樣點的數據相差比較大。如果采樣一般的平均值法，則干擾將“平均”到計算結果上去，故平均值法不易消 除由于脈沖干擾而引起的煙霧濃度采樣值的偏差。為此，可采取中位值平均濾波法（防脈沖干擾平均濾波法），先對N個采樣數據進 行比較，去掉其中最大值和最小值，然后計算一下 n-2個數據的計算平均值。這種方法 既可以濾去脈沖干擾又能濾去小的隨機干擾。保證警報器檢查煙霧濃度的準確性，減小 誤報、報錯的功能。在實際的應用中，n可以取任何值，單位了加快計算速度，本論文數字濾波的設計 中n去10。即調用

52、A/D連續(xù)進行10次采樣，去掉其中的最大值和最小值，計算其余 8 個值的平均值，將這個平均值送入寄存器。中位值平均濾波法的程序。中位值平均濾波 法流程圖如下圖所示：開始圖4-3中位值平均濾波法程序流程圖4.2.4插值法線性化處理子程序設計在單片機測控系統(tǒng)中，使用之前必須進行靜態(tài)標定，以得到輸出信號與被測信號的 關系輸出曲線，用來作為使用過程中的計量依據。但是標定時輸出曲線往往不是一條理 想的直線，所以要對標定曲線進行線性化處理，用一條擬合直線近似代替輸出曲線，線 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙第25頁共50頁性化是智能儀表的典型功能之一。報警器主要針對煙霧檢測，在軟件線性化處理時，以

53、 傳感器對一氧化碳的響應曲線為依據。本論文報警器使用的MQ-2型傳感器的電阻是隨著煙霧濃的升高而降低的，因此， 輸入單片機的電壓也是隨之降低的。圖 4-4為單片機采集電壓值與煙霧濃度百分比的對 應曲線，可以看出，電壓值與煙霧濃度之間是非線性的關系，為了實時顯示煙霧濃度需 要對其進行線性化處理。在誤差許可范圍內，根據標定曲線形狀，以及單片機處理能力, 把曲線分成若干小段，對每小段分別線性化。Ta 1 t - -三一 -圖4-4 單片機采集電壓值與煙霧濃度百分比線性化曲線根據分段線性插入法求輸入單片機的某一電壓值對應的公式如下：f(x) = Hxi) + (x-xi)*/ (Xi+l-Xi) =1

54、2,3N(式一)式中，N為所分區(qū)域分個數，f(xi)為實際煙霧檢測濃度，x為氣體檢測濃度對應的電壓 值，xi是區(qū)間的下限濃度對應的電壓值，Xi是區(qū)間的上限濃度對應的電壓值，f(Xi)為區(qū) 間上限煙霧濃度值。4.2.5報警子程序設計及流程圖當煙霧濃度超過報警設定值時，報警器發(fā)出一種近似警笛的鳴叫聲，對應通道的紅 燈閃亮，以提示操作人員采取安全對策或自動控制相關安全裝置，從而保障生產安全， 避免火災和爆炸事故的發(fā)生。為防止誤報，在程序設計上，對煙霧濃度進行快速重復檢 測和延時報警，以區(qū)別出是管道中煙霧的泄漏，還是由于暫短打開閥門產生的可燃煙霧 的微量散失，防止誤報。報警子程序流程圖如圖4-5所示。圖4-5報警子程序流程圖在單片機進行數據采集時，會遇到數據的隨機誤差，隨機誤差是由隨機干擾引起的, 其特點是在相同條件下測量同一量時，其大小和符號會現無規(guī)則的變化而無法預測，但 多次測量的結果符合統(tǒng)計規(guī)律。為克服隨機干擾引起的誤差，硬件上可采用濾波技術， 軟件上可采用軟件算法實現數字濾波。本章主要闡述了警報器的軟件設計。首先介紹了軟件編程的開發(fā)環(huán)境和工具選擇，這里選擇的是STC12系列的單片機，應用 KEIL C51編程器和STC單片機專用的ISP下載軟件開發(fā)完成。幾個軟件流程包括：主程序設計，主程序初始化設計，中位值平均濾波法設計，插值法線性化處理子程序設計，報警子程序設計五個部分。5