畢業(yè)設(shè)計（論文）室內(nèi)環(huán)境煙霧測控系統(tǒng)設(shè)計

1、室內(nèi)環(huán)境煙霧測控系統(tǒng)設(shè)計摘 要我國的火災(zāi)自動報警控制系統(tǒng)經(jīng)歷了從無到有、從簡單到復(fù)雜的發(fā)展過程，其智能化程度也越來越高。目前國內(nèi)廠家多偏重用于大型倉庫、商場、高級寫字樓、賓館等場所大型火災(zāi)報警系統(tǒng)的研發(fā)，他們采用集中區(qū)域報警控制方式，其系統(tǒng)復(fù)雜、成本較高。而在居民住宅區(qū)、機房、辦公室等小型防火單位，需要設(shè)置一種單環(huán)保的、廉價實用的火災(zāi)自動探測報警裝置，因此，研制一種結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉的智能火災(zāi)報警器是非常必要的?，F(xiàn)場火災(zāi)報警器通過對傳感器火情信息的檢測，當報警器監(jiān)測到火情信息后，產(chǎn)生聲光報警信號，并進行相應(yīng)的操作。使用at89s51單片機，選用傳感器mq-7作為敏感元件，利用多傳感器信息融合技

2、術(shù)，開發(fā)了可用于小型單位火災(zāi)報警的智能報警系統(tǒng)。本課題研制的用于小型防火單位的智能火災(zāi)報警器具有以下特點： (1)能對室內(nèi)煙霧(co2，co)突變進行報警(聲光報警)。 (2)如果出現(xiàn)硬件故障(如傳感器遺落、內(nèi)部元器件損壞等)，能發(fā)出故障報警。 (3)如果有煙霧參數(shù)出現(xiàn)異常(如煙霧濃度過大)，能發(fā)出異常報警信號，令值班人員到現(xiàn)場處理。 現(xiàn)場模擬實驗表明，本系統(tǒng)安全可靠，誤報率低。該課題設(shè)計的意義在于可以實現(xiàn)對普通環(huán)境中煙霧濃度進行實時檢測，以減少煙霧有毒氣體對人體的傷害，通過報警來警示人們所處環(huán)境的煙霧濃度過高，并通過單片機來控制環(huán)境的有毒氣體濃度，如本設(shè)計完成開風扇通風、切斷有毒氣體來源等由

3、單片機控制的部分。當然，本設(shè)計也完成了對外部有毒氣體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計?，F(xiàn)在家具產(chǎn)品多種多樣，智能化、小型化的節(jié)能、綠色、安全產(chǎn)品越來越受到普通大眾的青睞。該設(shè)計以其小型化、智能化并且設(shè)計的電路系統(tǒng)簡潔明了、電路構(gòu)成簡單、易于維護、實用性強等特點能夠廣泛的應(yīng)用于居民、企事業(yè)單位等多方面的安全防范。因此該設(shè)計具有相當廣闊的前景！關(guān)鍵字：單片機；傳感器；信號處理design of smoke concentration monitoring system abstractin our county, fire alarm control system from scratch, from sim

4、ple to complex development process, the increasingly high level of intelligence. more emphasis on domestic factories for large warehouses, shopping malls, office buildings, hotels and other places the development of large fire alarm systems, alarm control their centralized regional approach, the sys

5、tem complexity and higher cost. in residential areas, plant rooms, offices and other small fire units need to set a single environmentally friendly, cheap and practical automatic fire detection and alarm devices, therefore, to develop a simple, low-cost intelligent fire alarm system is necessary . o

6、n-site fire alarm information through the fire detection sensor, when the alarm monitoring to fire information, generate sound and light alarm signals, and the corresponding operation. use at89s51 microcontroller, mq-7 use sensors as sensitive element, using multi-sensor information fusion technolog

7、y, developed for small units of intelligent fire alarm alarm system. the topic for the small fire developed intelligent fire alarm unit has the following characteristics: (1) can smoke (co2, co) mutation alarm (sound and light alarm). (2) if there is a hardware failure (such as sensor the lost, dama

8、ged internal components, etc.), fault alarm can be issued. (3) if there is smoke, abnormal parameters (such as the concentration of too much smoke), to an abnormal alarm signal, so that officers on duty to handle it. field experiments show that the system is safe, reliable, low false positives. the

9、significance of the subject design is that it can achieve the common environment for real-time detection of smoke concentration, smoke, toxic gases to reduce the harm to the human body, through the alarm to alert people to the environment in which the smoke concentration is too high, and the microco

10、ntroller to control the environment by toxic gas concentrations, such as the design of the ventilation fans are completed, cut off the sources of toxic gases controlled by the mcu part. of course, this design also completed the toxic gas to external data acquisition system design. furniture products

11、 are diverse, intelligent, miniaturized energy saving, green, more and more security products, the general public of all ages. the design with its small, intelligent and straightforward design of electrical systems, circuitry is simple, easy to maintain, practicable and can be widely used in people,

12、 enterprises and other aspects of security. therefore, the design is very bright prospects!keywords: microcontroller; sensor; signal processing目 錄引 言隨著“信息時代”的到來，作為獲取信息的手段單片機技術(shù)得到了顯著的進步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，對其要求越來越高，需求越來越迫切。單片機技術(shù)已成為衡量一個國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標志之一。因此，了解并掌握各類單片機的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。 為了提高對單片機的認識和了解，尤其是對煙霧傳感器

13、的深入研究以及其用法與用途，基于實用、廣泛和典型的原則而設(shè)計了本系統(tǒng)。本文利用單片機結(jié)合傳感器技術(shù)而開發(fā)設(shè)計了這一煙霧報警系統(tǒng)。目前，隨著國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展的需要，各大中城市都側(cè)重于興建大型豪華賓館酒店、辦公樓、購物商場等公共場所，在一定程度上，就加大了防火滅火的困難，迫切需要在智能建筑中設(shè)計一套火災(zāi)自動報警系統(tǒng)。火災(zāi)自動報警系統(tǒng)探測火災(zāi)隱患，肩負安全防范重任，是智能建筑中建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)（cbs）的重要組成部分。智能建筑中的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計首先必須符合gb50116-98火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范的要求，同時也要適應(yīng)智能建筑的特點，合理選配產(chǎn)品，做到安全適用、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理。火災(zāi)自動報警系

14、統(tǒng)有區(qū)域報警系統(tǒng)，集中報警系統(tǒng)和控制中心報警系統(tǒng)三種基本形式，具體采用何種報警，可根據(jù)工程建設(shè)規(guī)模，保護對象的性質(zhì)，區(qū)域劃分和消防管理機構(gòu)等因素綜合分析后確定。本設(shè)計采用集中報警系統(tǒng)，將所監(jiān)視的若干區(qū)域內(nèi)的傳感器輸入的電壓信號，以聲、光形式顯現(xiàn)出來，將著火區(qū)域和該區(qū)域的具體著火部位顯示在屏幕上。隨著人們對火災(zāi)初期特征研究和火災(zāi)探測技術(shù)研究的不斷深入，一些發(fā)達國家對早期火災(zāi)探測報警技術(shù)的研究與產(chǎn)品開發(fā)十分重視。早在20世紀80年代，日本、美國、英國、瑞士、德國、澳大利亞等國家就開始投入大量的科研經(jīng)費、科技力量進行技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)。對于易燃、易爆場所，一旦爆炸起火，火勢蔓延速度之快，難以控制等特

15、點，人們開發(fā)研制了在火災(zāi)爆炸事故之前，從可燃氣體濃度方面進行故障和火災(zāi)爆炸危險性等方面預(yù)測的線型可燃氣體探測報警系統(tǒng)。它采用光學(xué)原理利用不同氣體在光譜特性的差別進行氣體濃度探測,從根本上解決了點型可燃氣體傳感元件中毒、穩(wěn)定性差、壽命短等缺陷,用于大面積可燃氣體探測報警時,性能價格比較高,其原理可擴展用于其他場所氣體泄漏的監(jiān)測?；馂?zāi)探測報警系統(tǒng)可靠性的提高體現(xiàn)在用智能技術(shù)處理傳感器提供的火災(zāi)信息。人們建立了多種火災(zāi)探測算法、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式，也有從事研究非火災(zāi)探測的模式。而各種單一傳感器提供的火災(zāi)信息均混雜非火災(zāi)信息,給從傳感器提供的火災(zāi)信息上判別火災(zāi)增加了難度。于是人們開始探索新型探測原

16、理的傳感器件(如氣體氣味傳感器等)和復(fù)合探測器，取得顯著成效的是對火災(zāi)過程的多參數(shù)進行監(jiān)測的復(fù)合傳感器。它對火災(zāi)產(chǎn)生的多種參數(shù)進行多種信息的分析，排除干擾，確定火災(zāi)，從而提高了判斷火災(zāi)的準確性。而與之配套的硬件則采用復(fù)合多傳感等傳感方式，為判斷火災(zāi)提供更加充分的火災(zāi)信息。成熟的產(chǎn)品有溫、煙復(fù)合型智能火災(zāi)探測報警系統(tǒng)，并已用于實際工程。本課題采用氣敏傳感器、單片機實現(xiàn)對空氣中煙霧濃度進行實時測量，通過led數(shù)碼管實時顯示。本課題設(shè)計了人機對話環(huán)節(jié)，通過鍵盤來根據(jù)具體情況設(shè)定空氣中氣體濃度的上限值，當檢測環(huán)境中的煙霧濃度時，氣體濃度超過閾值時，通過聲光報警功能，來提示可能存在的危險情況，并打開通風

17、風扇來降低危險的發(fā)生。而且這一氣敏傳感器對其他危險氣體也有效，可以用與檢測煤氣、甲烷等氣體的能力。目前煙霧報警器的普及率還很低,但它確是今后重要的安全儀器之一。本方案所設(shè)計的煙霧濃度測量報警裝置是應(yīng)用于居民家庭和企事業(yè)單位對煙霧濃度的實時監(jiān)控和報警,它可大大降低由煙霧所引起的中毒、火災(zāi)、爆炸等事故的發(fā)生率。本報測量警器系統(tǒng)的研制,可為廣大居民家庭和企事業(yè)單位提供一個準確、可靠的煙霧濃度檢測手段,使人們能及時發(fā)現(xiàn)煙霧濃度的超標,從而保障了人們的生命和財產(chǎn)安全。第1章：概述 1.1 課題設(shè)計背景隨著科技的發(fā)展，越來越多的巨大的隱患由于工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活而產(chǎn)生。為了早期發(fā)現(xiàn)和通報火災(zāi)，防止和減

18、少火災(zāi)危害，保護人身和財產(chǎn)安全。保衛(wèi)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)，防止火災(zāi)引起燃燒、爆炸等事故，造成嚴重的經(jīng)濟損失，甚至危及生命安全。 為了減少這類事故的發(fā)生，就必須對煙霧進行現(xiàn)場實時檢測，采用先進可靠的安全檢測系統(tǒng)，嚴密監(jiān)測環(huán)境中煙霧的濃度， 及早發(fā)現(xiàn)事故隱患，采取有效措施，避免事故發(fā)生，才能確保工業(yè)安全和 家庭生活安全。因此，研究煙霧的檢測方法與研制煙霧報警 器就成為傳感器技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域的一個重要課題。我們知道煙霧（煙霧）氣體是一種無色、無味、無刺激、無法用五官感知的有毒氣體，能抑制血液的攜氧能力。煙霧的毒性主要是影響氧氣的供給與利用，煙霧與血紅細胞的親和力比氧氣與血紅細胞的親和力大300倍以上，造成

19、人體組織缺氧。當吸入煙霧氣體后，煙霧進入肺部搶先與血紅細胞結(jié)合，使血紅細胞喪失運輸氧氣的能力，造成人體多個器官缺氧，導(dǎo)致組織受損甚至死亡。一般人在意外中毒時無法自我察覺，往往被發(fā)現(xiàn)時已進入昏迷狀態(tài)，釀成重大傷害甚至死亡。因此稱之為家庭中的“隱形殺手”，一點也不過分。煙霧的產(chǎn)生：煙霧是由燃料（如汽油、柴油、煤、木炭、煤氣、液化氣、天然氣等）燃燒不充分產(chǎn)生的。家中產(chǎn)生煙霧的主要原因：天然氣、煤氣、液化氣、燃油、煤炭的不完全燃燒；熱水器安裝不當，廢氣回流；煙筒、排氣管堵塞；密閉空間開著發(fā)動機、生火取暖，如在車庫開著發(fā)動機、冬天緊閉門窗生爐子取暖等等。有些國家對工作場所的煙霧 允許體積分數(shù)都做了規(guī)定。

20、煉鋼廠工作人員、消防人員、高速公路收費員、礦坑工作從業(yè)人員較可能暴露在高體積分數(shù)煙霧 環(huán)境中;在生活中,堵塞的交通、在密閉房間內(nèi)抽煙、甚至煤氣、瓦斯等不完全燃燒的室內(nèi)、火災(zāi)現(xiàn)場等,均可能使空氣中的煙霧 體積分數(shù)超過允許標準。因此,對生活,工作環(huán)境中的煙霧 體積分數(shù)實施準確而有效地檢測與報警是一個與人類生態(tài)和工作環(huán)境相關(guān)的重要問題。煙霧的濃度與健康成年人中毒的可能癥狀空氣中煙霧的濃度 大致的吸入時間和出現(xiàn)的癥狀：50ppm健康成年人在八小時內(nèi)可以承受的最大濃度200ppm 2-3小時后，輕微頭痛、乏力400ppm 1-2小時內(nèi)前額痛；3小時后威脅生命800ppm 45分鐘內(nèi)，眼花、惡心、痙攣；2

21、小時內(nèi)失去知覺；2-3小時內(nèi)死亡1600ppm 20分鐘內(nèi)頭痛、眼花、惡心；1小時內(nèi)死亡3200ppm 5-10分鐘內(nèi)頭痛、眼花、惡心；25-30分鐘內(nèi)死亡6400ppm 1-2分鐘內(nèi)頭痛、眼花、惡心；10-15分鐘死亡12800ppm 1-3分鐘內(nèi)死亡應(yīng)該注意的是：上述中的煙霧中毒癥狀，是對健康成年人而言，對于高危、脆弱人群，其反應(yīng)不同。因此本設(shè)計再預(yù)設(shè)報警器的上限值時應(yīng)以200ppm。為了解決煙霧這種對人體有毒害又不易被人們所發(fā)現(xiàn)的問題,避免更多事故的發(fā)生,一個高效實用的煙霧報警器將是較好的解決方案。同時，伴隨著各種天然氣、煤制氣、液化氣的開發(fā)和使用各種可燃性氣體散發(fā)在工作場所和人們生活中

22、，因此連續(xù)、直接檢測工作環(huán)境和生活環(huán)境中有毒氣體、可燃性氣體有著極其重要的意義。1.2 任務(wù)設(shè)計內(nèi)容1、本論文以電阻式煙霧傳感器和單片機技術(shù)為核心并與其他電子技術(shù)相結(jié)合， 設(shè)計出一種技術(shù)水平較好的煙霧報警器。其中選用mq-7型半導(dǎo)體可燃氣體敏感元件煙霧傳感器實現(xiàn)煙霧的檢測，具有靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強等優(yōu)點，而且價格低廉，使用壽命長。選用的at89s51單片機，其整合了硬件乘法器、硬件脈寬調(diào)制器等資源，具 有高速、低功耗、超強抗干擾等優(yōu)點，是目前同類技術(shù)中性價比較高的產(chǎn)品。以at89s51單片機和mq-7型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器為核心設(shè)計的煙霧報警器可實現(xiàn)聲光報警、故障自診斷、濃度顯示、

23、報警限設(shè)置、延時報警及與上位機串口通信等功能。是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能 穩(wěn)定、使用方便、價格低廉、智能化的煙霧報警器。具有一定的實用價值。 2、本課題研究的主要內(nèi)容有：采用mq-7型煙霧氣敏傳感器、mcu為核心、采用鍵盤對報警濃度進行預(yù)置、具有l(wèi)ed數(shù)碼顯示等功能進行氣體濃度檢測報警系統(tǒng)的設(shè)計。主要包括采集放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、鍵盤、顯示電路和單片機控制等電路的軟、硬件設(shè)計。3、課題旨在研制生產(chǎn)、實踐過程中所需的氣體濃度報警裝置。本報測量警器系統(tǒng)的研制,可為廣大居民家庭和企事業(yè)單位提供一個準確、可靠的煙霧濃度檢測手段,使人們能及時發(fā)現(xiàn)煙霧濃度的超標,從而保障了人們的生命和財產(chǎn)安全。4、主要實現(xiàn)的

24、功能：對煙霧氣體濃度進行實時的測量和顯示，并能對高濃度的煙霧氣體進行報警。1.3 設(shè)計方案的選用在我們的實際生活中雖然測量氣體濃度的測量產(chǎn)品非常多，但要完成對外界氣體濃度測量，其一般原理是將外部的氣體濃度的模擬量用傳感器進行采集，然后再將采集到的信號，通過必要的轉(zhuǎn)換器電路，輸送至微機（單片機）進行分析處理以達到對氣體濃度的測量。由于本次設(shè)計的主要任務(wù)是完成對外界環(huán)境中煙霧濃度的顯示和監(jiān)測，因此根據(jù)設(shè)計的需要，設(shè)計中采取以單片機為控制核心，在符合本次設(shè)計要求的前提下，本次設(shè)計增加了對最高濃度進行監(jiān)測，并及時進行濃度顯示、報警和排風等一些應(yīng)急控制功能。根據(jù)設(shè)計所要達到的要求。在本次設(shè)計中我們有兩種

25、方案可供選擇：方案一：根據(jù)mq-7型氣敏傳感器技術(shù)參數(shù)可知mq-7型氣敏傳感器能夠在常溫環(huán)境中對煙霧氣體濃度進行檢測并不需要做溫度補償，它是由微型al2o3陶瓷管、sno2 敏感層,測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件制成的半導(dǎo)體傳感器。將煙霧的濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號，從而可以進行檢測、監(jiān)控、報警；還可以通過接口電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統(tǒng)。其思路是煙霧報警器主要由采集模塊、放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和單片機控制模塊組成。本報警器的工作過程大致如下:在開啟電源前，根據(jù)實際情況通過鍵盤鍵入安全值和氣體濃度的危害值。開通電源由兩類傳感器(氣體傳感器和溫度傳感器-輔助作用)將所需的外界模擬信號

26、采集放大后傳送給a/d轉(zhuǎn)換器,a/d轉(zhuǎn)換器經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后將數(shù)字信號傳送至at89s51單片機,再由單片機通過內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理,最終判斷是否需要啟動蜂鳴器進行報警和開啟排風風扇進行排風，并顯示實時濃度，當環(huán)境濃度下降到安全線以下時就通過單片機的控制關(guān)閉風扇。方案二：選擇集成溫度傳感器ad590和氣體傳感器tgs202用作采集系統(tǒng)的敏感元件。 ad590是美國analog devices公司生產(chǎn)的一種電流型二端溫度傳感器。由于ad590是電流型溫度傳感器，他的輸出同絕對溫度成正比，即1a/k，而數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片adc0809的輸入要求是電壓量，所以在ad590的負極接出一個10 k的電阻r1和一個100的

27、可調(diào)電阻w，將電流量變?yōu)殡妷毫克腿隺dc0809。通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻，便可在輸出端vt獲得與絕對溫度成正比的電壓量，即10 mv/k。 火災(zāi)中氣體煙霧主要是co2和co。tgs202氣體傳感器能探測co2，co，甲烷、煤氣等多種氣體，他靈敏度高，穩(wěn)定性好，適合于火災(zāi)中氣體的探測。當tgs202探測到co2或co時，傳感器的內(nèi)阻變小，va迅速上升。選擇適當?shù)碾娮枳柚担沟卯敋怏w濃度達到一定程度(如co濃度達到006)時，va端獲得適當?shù)碾妷?設(shè)為3 v)。 具體判斷方法如下： (1)對溫度和煙霧進行了兩次數(shù)據(jù)采集與判斷 溫度100，溫度異常，置標志位為1，否則為0；煙霧(co，co2)濃度006，

28、煙霧濃度異常，置標志位為1，否則為0。 (2)根據(jù)溫度和煙霧的異常標志位判斷現(xiàn)場情況 2個標志位均為0，表示情況正常；2個中僅有1個為1，表示情況異常；2個均為1，表示有火災(zāi)發(fā)生，。 (3)綜合兩次情況做最后判斷，并予以報警 若53h和56h中數(shù)據(jù)不相同，說明是誤報，調(diào)故障報警子程序；否則按該單元中的數(shù)據(jù)調(diào)相應(yīng)的報警子程序。報警器具有以下特點： (1)能對室內(nèi)煙霧(co2，co)及溫度突變進行報警(聲光報警)。 (2)如果出現(xiàn)硬件故障(如傳感器遺落、內(nèi)部元器件損壞等)，能發(fā)出故障報警。 (3)如果只有一種參數(shù)出現(xiàn)異常(如煙霧濃度過大或是溫度較高)，能發(fā)出異常報警信號，令值班人員到現(xiàn)場處理。 (

29、4)如果煙霧和溫度同時出現(xiàn)異常，則說明有火災(zāi)，發(fā)出火災(zāi)警報。測量對象mq-7半導(dǎo)體傳感器放大調(diào)理模數(shù)轉(zhuǎn)換器單片機排風風扇蜂鳴報警器顯示電路鍵 盤其他控制電路 圖1-1由半導(dǎo)體傳感器構(gòu)成的氣體測量及報警器總體設(shè)計框圖電化學(xué)傳感器溫度 傳感器放大調(diào)理放大調(diào)理多路開關(guān)模數(shù)轉(zhuǎn)換器單片機測量對象蜂鳴報警器鍵 盤濃度顯示排風風扇圖1-2由電化學(xué)傳感器構(gòu)成的氣體測量及報警器總體設(shè)計框圖根據(jù)以上兩方案的比較：方案一：首先傳感器選用mq-7型半導(dǎo)體煙霧氣敏傳感器，其在常溫條件工作時，不需要溫度補償電路，因此選此傳感器省去了設(shè)計溫度補償電路的麻煩。放大調(diào)理電路也可用一般放大電路代替，顯示采用led動態(tài)顯示電路，選

30、用led顯示器是它便宜方便簡單，它較指針式顯示要準確，比液晶顯示價格便宜而且晚上亮度高。按鍵電路采用獨立按鍵，它適合于按鍵比較少的情況。復(fù)位電路采用看門狗上電復(fù)位，可以防止程序“跑飛”現(xiàn)象。單片機采用at89s51單片機為控制核心，完成數(shù)據(jù)的處理工作。a/d轉(zhuǎn)換采用adc0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器。因此可得到該方案的總體設(shè)計框圖如圖1-1所示。復(fù)位電路可以采用典型的上電復(fù)位或者是按鍵復(fù)位電路，單片機采用at89s51單片機為核心，完成數(shù)據(jù)的處理工作。方案二：選擇集成溫度傳感器ad590和氣體傳感器tgs202用作采集系統(tǒng)的敏感元件。 ad590是美國analog devices公司生產(chǎn)的一種電流型二端

31、溫度傳感器。但由于選用集成溫度傳感器ad590和氣體傳感器tgs202作為敏感元件，利用多傳感器信息融合技術(shù)，開發(fā)了可用于室內(nèi)煙霧環(huán)境測控系統(tǒng)。此傳感器需要溫度補償電路，以溫度傳感器采集的溫度信號送入單片機處理來對氣敏傳感器進行溫度補償，放大調(diào)理電路采用一般放大電路，顯示電路有三種方式可以選擇指針式顯示、用液晶顯示或用led顯示器，按鍵采用矩陣式按鍵，編程比較復(fù)雜。在實際操作中使用性不大，較為麻煩。所以本設(shè)計中使用性不大。因此，綜合考慮成本、易操作性、系統(tǒng)性能等因素，選擇方案一較為合理。第二章：硬件設(shè)計部分本設(shè)計的煙霧報警器裝置的硬件電路設(shè)計原理框圖如第1章圖1-1所示，主要由采集模塊、放大模

32、塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和單片機控制模塊組成。其中采集模塊與數(shù)據(jù)處理及單片機的控制模塊是本設(shè)計的關(guān)鍵之處。現(xiàn)在我們來第一節(jié)：數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計2.1 傳感器的選擇根據(jù)以上方案的討論，本設(shè)計的傳感器的選擇有兩種方案，方案一是選用美國華瑞科學(xué)儀器公司生產(chǎn)的集成溫度傳感器ad590和氣體傳感器tgs202。方案二是選用深圳商斯達實業(yè)有限公司生產(chǎn)的mq-7型半單體式煙霧傳感器。2.1.1 集成溫度傳感器ad590和氣體傳感器tgs202的選擇火災(zāi)傳感器按其結(jié)構(gòu)和作用原理不同，可分為感溫探測器，感煙探測器，感光探測器，可燃氣體探測器等，它們分別適用于不同場合。為了準確的進行火災(zāi)報警，針對商場，選用合適的溫度和煙

33、霧傳感器是準確報警的前提，綜合考慮各種因素，本系統(tǒng)選擇集成溫度傳感器ad590和氣體傳感器tgs202用作采集系統(tǒng)的敏感元件。ad590是美國analog devices公司生產(chǎn)的一種電流型二端溫度傳感器。電路如圖4所示。ad590測量熱力學(xué)溫度、攝氏溫度、兩點溫度差、多點最低溫度、多點平均溫度的具體電路，廣泛應(yīng)用于不同的溫度控制場合。由于ad590精度高、價格低、不需輔助電源、線性好，常用于測溫和熱電偶的冷端補償。ad590是一種電流型溫度傳感器。它的主要特性如下：圖：ad590傳感器示意圖1. 流過器件的電流（ma）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)，即：ma/k 式中： 流過器件

34、（ad590）的電流，單位為ma； t熱力學(xué)溫度，單位為k。2. ad590的測溫范圍為-55+150。3. ad590的電源電壓范圍為4v30v。電源電壓可在4v6v范圍變化，電流 變化1ma，相當于溫度變化1k。ad590可以承受44v正向電壓和20v反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。4. 輸出電阻為710mw。5. 精度高。ad590共有i、j、k、l、m五檔，其中m檔精度最高，在-55+150范圍內(nèi)，非線性誤差為±0.3。由于ad590是電流型溫度傳感器，它的輸出同絕對溫度成正比，即1ua/k,而數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片ad0809的輸入要求是電壓量，所以在ad590的負極接出一個10

35、k歐的電阻r1和一個100歐的可調(diào)電阻w，將電流量變?yōu)殡妷毫克腿隺dc0809。通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻，便可在輸出端vt獲得與絕對溫度成正比的電壓量，即10mv/k。由于在火災(zāi)發(fā)生時，將會出現(xiàn)木材、纖維、紙張等大量材料的燃燒。火災(zāi)中氣體煙霧主要是co2和co。tgs202氣體傳感器都能探測co2，co，甲烷，煤氣等多種氣體，它靈敏度高，穩(wěn)定性好，適合于火災(zāi)中氣體的探測，具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。鑒于以上情況，本次設(shè)計中的另一個氣體傳感器采用tgs202型氣敏傳感器。如圖所示，當tgs202探測到co2或co時，傳感器的內(nèi)阻變小，va迅速上升。選擇適當?shù)碾娮枳柚?，使得當氣體濃度達到一定程度（如

36、co濃度達到0.06%）時，va端獲得適當?shù)碾妷海ㄔO(shè)為3v）。符號參數(shù)名稱技術(shù)條件tao 使用溫度-20-50as 儲存溫度-20-50rh 相對濕度小于 95%rho2 氧氣濃度21%(標準條件)氧氣濃度會影響靈敏度特性 表1 tgs202環(huán)境條件表 因此該方案的要用到兩種傳感器，氣敏傳感器和溫度傳感器。該方案的設(shè)計能夠很好的檢測出環(huán)境中一氧化碳的濃度并能進行實時顯示。但依據(jù)課題的使用范圍而言，該設(shè)計過于繁瑣設(shè)計難度高并且不夠經(jīng)濟實惠。2.1.2 mq-7型半導(dǎo)體煙霧傳感器的選擇特點：在較寬的濃度范圍內(nèi)對可燃氣體有良好的靈敏度 對液化氣、丙烷、氫氣 的靈敏度較高 長壽命、低成本 簡單的驅(qū)動電

37、路即可 應(yīng)用：家庭用氣體泄漏報警器工業(yè)用可燃氣體報警器便攜式氣體檢測器mq-7氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(sno2)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。mq-7氣體傳感器對煙霧的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。圖1是傳感器典型的靈敏度特性曲線。圖中縱坐標為傳感器的電阻比（rs/ro），橫坐標為氣體濃度。rs 表示傳感器在不同濃度氣體中的電阻值ro 表示傳感器在100

38、0ppm 空氣中的電阻值圖一：靈敏度特性曲線圖2：傳感器的溫度、濕度特性曲線圖2圖中縱坐標是傳感器的電阻比（rs/ro）。rs表示在含1000ppm 丙烷、不同溫/濕度下傳感器的電阻值ro表示在含1000ppm 丙烷、20/65%rh環(huán)境條件下傳感器的電阻值。+5vaba or bhhv55555vrlvout 圖3：傳感器的基本測試電路該傳感器的工作電路圖如圖3所示a b之間接+5v電源對傳感器加熱，傳感器的表面電阻rs，是通過與其串聯(lián)的負載電阻rl上的有效電壓信號vrl輸出而獲得的。二者之間的關(guān)系為： rs/rl = (vc-vrl) / vrl 根據(jù)上述關(guān)系式我們可以根據(jù)電壓與氣體濃度的

39、關(guān)系來計算出電壓和所測氣體一一對應(yīng)的濃度值通，通過傳感器外界氣體進行采集獲得的電壓值，經(jīng)單片機進行查表程序處理，得出氣體濃度的對應(yīng)值，并通過單片機對所取得的實時濃度值進行判斷，以此來由單片機對外圍的顯示電路來顯示實時濃度或報警、開排風風扇。規(guī)格：a. 標準工作條件符號參數(shù)名稱技術(shù)條件備注 vc 回路電壓24vdc vh加熱電壓5.0v±0.2vacordc rl負載電阻可調(diào) rh加熱電阻31±3室溫 ph加熱功耗900mw b. 環(huán)境條件符號參數(shù)名稱技術(shù)條件備注 tao使用溫度-1050 tas儲存溫度-2070 r相對濕度小于95% r o2氧氣濃度21%(標準條件)氧氣

40、濃度會影響靈敏度特性最小值大于 c. 靈敏度特性 符號參數(shù)名稱 技術(shù)參數(shù) 備注 rs敏感體表面電阻 2k-20k (2000ppm c3h8 )適用范圍：300-10000ppm丙烷、丁烷、氫氣 (r3000ppm/r1000ppm c3h8)濃度斜率 0.6標準工作條件 溫度： 20±2 vc:5.0v±0.1v 相對濕度： 65%±5% vh: 5.0v±0.1v預(yù)熱時間 不少于4分鐘敏感體功耗（ps）值可用下式計算： 傳感器電阻（rs），可用下式計算：ps=vc2×rs/(rs+rl)2 rs=(vc/vrl-1)×rl結(jié)構(gòu)，外

41、形mq-7氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖4所示(結(jié)構(gòu) a 或 b), 由微型al2o3陶瓷管、sno2 敏感層,測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，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只針狀管腳，其中個用于信號取出，個用于提供加熱電流。 2.2 單片機的選型2.2.1 at89s51單片機簡介at89s51是一個低功耗，高性能cmos 8位單片機，片內(nèi)含4k bytes isp(in-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的flash只讀程序存儲器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準mcs-51指令系統(tǒng)

42、及80c51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和isp flash存儲單元，功能強大的微型計算機的at89s51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。at89s51具有如下特點：40個引腳，4k bytes flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），32個外部雙向輸入/輸出（i/o）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（wdt）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。 此外，at89s51設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，cpu暫停工作，而ram定時計數(shù)器，串行口，外中斷

43、系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存ram的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該芯片還具有pdip、tqfp和plcc等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。2.2.2 at89s51單片機的主要特性 8031 cpu與mcs-51 兼容 4k字節(jié)可編程flash存儲器(壽命：1000寫/擦循環(huán)) 全靜態(tài)工作：0hz-24khz 三級程序存儲器保密鎖定 128*8位內(nèi)部ram 32條可編程i/o線 兩個16位定時器/計數(shù)器 6個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路2.2.3 管腳說明at89s51單片機的引腳圖如下：ale/prog21傳感器

44、182071vcct2/p1.0t2ex/p1.1ea/vppp0.0/ad0p0.1/ad1p0.2/ad2p0.4/ad4p0.5/ad5p0.6/ad6p0.7/ad7psenp2.7/a15mosi/p1.5miso/p1.6sck/p1.7rstp2.4/a12p2.3/a11p2.2/a10p2.1/a9rxd/p3.0txd/p3.1int0/p3.2int1/p3.3t0/p3.4t1/p3.5wr/p3.6rd/p3.7p1.2p1.3p1.4xtal2xtal1gndp2.5/a13p2.6/a14p0.3/ad3211109854319161514121713628272

45、625242322373635343332313040393829p2.0/a8 圖2-6 at89s51的外部引腳圖各引腳功能如下：vcc：供電電壓。gnd：接地。p0口：p0口為一個8位漏級開路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。當p1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在fiash編程時，p0 口作為原碼輸入口，當fiash進行校驗時，p0輸出原碼，此時p0外部必須被拉高。p1口：p1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4ttl門電流。p1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p

46、1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在flash編程和校驗時，p1口作為第八位地址接收。p2口：p2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個ttl門電流，當p2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p2口在flash編程和校驗時接收高八位地址信號和控制

47、信號。p3口：p3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個ttl門電流。當p3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。p3口也可作為at89c51的一些特殊功能口，如表3-1所示。端口引腳第二功能p3.0red（串行輸入口）p3.1txd（串行輸出口）p3.2/into（外中斷0）p3.3/int1（外中斷1）p3.4t0（定時/計數(shù)器0）p3.5t1（定時/計數(shù)器1）p3.6（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）p3.7（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）表 p3口的第二功能i/o口作為輸入口時有兩種工作方式即所

48、謂的讀端口與讀引腳讀端口時實際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)而是把端口鎖存器的內(nèi)容讀入到內(nèi)部總線經(jīng)過某種運算或變換后再寫回到端口鎖存器只有讀端口時才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線上面圖中的兩個三角形表示的就是輸入緩沖器cpu將根據(jù)不同的指令分別發(fā)出讀端口或讀引腳信號以完成不同的操作這是由硬件自動完成的不需要我們操心1然后再實行讀引腳操作否則就可能讀入出錯為什么看上面的圖如果不對端口置1端口鎖存器原來的狀態(tài)有可能為0q端為0q為1加到場效應(yīng)管柵極的信號為1該場效應(yīng)管就導(dǎo)通對地呈現(xiàn)低阻抗,此時即使引腳上輸入的信號為1也會因端口的低阻抗而使信號變低使得外加的1信號讀入后不一定是1若先執(zhí)行置1操作則可以使場效

49、應(yīng)管截止引腳信號直接加到三態(tài)緩沖器中實現(xiàn)正確的讀入由于在輸入操作時還必須附加一個準備動作所以這類i/o口被稱為準雙向口89c51的p0/p1/p2/p3口作為輸入時都是準雙向口接下來讓我們再看另一個問題從圖中可以看出這四個端口還有一個差別除了p1口外p0p2p3口都還有其他的功能 rst：復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持rst腳兩個機器周期的高電平時間。ale/prog：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ale端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于

50、定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在sfr8eh地址上置0。此時，ale只有在執(zhí)行movx，movc指令是ale才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ale禁止，置位無效。/psen：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/psen有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/psen信號將不出現(xiàn)。/ea/vpp：當/ea保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000h-ffffh），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/ea將內(nèi)部鎖定為reset；當/ea端保持高電平

51、時，此間內(nèi)部程序存儲器。在flash編程期間，此引腳也用于施加12v編程電源（vpp）。xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。xtal2：來自反向振蕩器的輸出。本芯片比其他系列芯片有很大的優(yōu)點，表現(xiàn)在以下幾個方面：at89s51 是一個低功耗，高性能cmos 8位單片機，片內(nèi)含8k bytes isp(in-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的flash只讀程序存儲器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準mcs-51指令系統(tǒng)及80c51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和isp flash存儲單元，采用此單片機作為

52、本設(shè)計的主控模塊，能夠多次修改燒寫的程序而不浪費資源。采用at89s51而不采用at89c51，原因在于at89s51與at89c51相比，外型管腳完全相同，at89c51的hex程序無須任何轉(zhuǎn)換可直接在at89s51運行，結(jié)果一樣。at89s51比at89c51新增了一些功能，支持在線編程是其主要特點1。 它們之間主要區(qū)別在于以下幾點：1.引腳功能：管腳幾乎相同，變化的有，在at89s51中p1.5、p1.6、p1.7具有第二功能，即這3個引腳的第二功能組成了串行isp編程的接口。2.編程功能：at89c51僅支持并行編程，而at89s51不但支持并行編程還支持isp再線編程。在編

53、程電壓方面，at89c51的編程電壓除正常工作的5v外，另vpp需要12v，而at89s51僅僅需要4-5v即可。3.燒寫次數(shù)更高：at89s51標稱燒寫次數(shù)是1000次，實為1000-10000次，這樣更有利開始學(xué)習(xí)者反復(fù)燒寫，降低學(xué)習(xí)成本。4.工作頻率更高：at89c51極限工作頻率是24mhz，而at89s51最高工作頻率是33mhz，(at89s51芯片有兩中型號，支持最高工作頻率分別為24mhz和33mhz)從而具有更快的計算速度。5.電源范圍更寬：at89s51工作電壓范圍，達4-5.5v，而at89c51在底于4.8v和高于5.3v的時侯則無法正常工作。6.抗干擾性更強：at89

54、s51內(nèi)部集成看門狗計時器(watchdog timer)，而at89c51需外接看門狗計時器電路，或者用單片機內(nèi)部定時器構(gòu)成軟件看門狗來實現(xiàn)軟件抗干擾。2.3 檢測電路 檢測電路包括煙霧氣體濃度檢測電路和氣敏元件損壞檢測電路兩部分，原理電路如圖2-5所示。氣敏傳感器選用mq-7型，這是由金屬氧化物半導(dǎo)體材料制成的“氣電”轉(zhuǎn)換器件。當氣敏器件在含有煙霧的氣體中時，其表面會發(fā)生化學(xué)吸附，使本身電阻下降，且煙霧氣體濃度越高，電阻下降越多，通過電阻rl端的電壓輸出即可獲得“氣電”信號，并送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理后送單片機進行數(shù)據(jù)處理完成氣體濃度的檢測。 圖 檢測電路氣敏傳感器在使用中，其熱絲可能燒斷，但難

55、以發(fā)現(xiàn)，致使用戶在毫不知情的情況下繼續(xù)使用已失效的氣體報警器。為能及時發(fā)現(xiàn)傳感器的損壞，本系統(tǒng)特別設(shè)計了氣敏元件自檢電路（由r3r7、vt2、vt3等組成），元件正常時，r3上有電壓信號，如熱絲燒斷，該信號為0，vt3集電極輸出低電平至單片機，點亮黃燈報警，能使用戶及時發(fā)現(xiàn)。同時，氣敏傳感器不直接焊入電路，而是通過七腳電子管座與電路連接，若損壞可方便地從管座中撥出換新，從而解決了更換難的問題。根據(jù)圖2-2傳感器的參數(shù)和圖2-5的電路可依據(jù)基本的換算公式得出輸出電壓與煙霧濃度的關(guān)系式，并得出輸出電壓與煙霧濃度的對應(yīng)數(shù)據(jù)。2.4 時鐘電路設(shè)計 單片機的時鐘信號用來提供單片機片內(nèi)各種微操作的時間基準，at89s51單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。本次設(shè)計采用內(nèi)部振蕩方式。在引腳xtal1和xtal2外接晶體振蕩器(簡稱