基于單片機的多路報警器設(shè)計

1、本科畢業(yè)設(shè)計基于單片機的多路報警器設(shè)計摘要隨著科學技術(shù)的日新月異，人類社會取得了很大的進步。在生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研、航天等領(lǐng)域，經(jīng)常都需要對環(huán)境中的溫度、濕度、光照強度、氣體等環(huán)境參數(shù)進行檢測及控制。而且隨著可燃可爆性氣體種類和應(yīng)用范圍的增加，貯氣倉庫內(nèi)的氣體泄漏、火災(zāi)爆炸事故日益增多。從安全、環(huán)保及經(jīng)濟等方面上考慮，研制一種實用的多路報警系統(tǒng)是非常必要的?；谶@個需求，本設(shè)計利用傳感器對環(huán)境中的溫濕度以及可燃氣體進行檢測，當這些參數(shù)不符合預(yù)定設(shè)置的參數(shù)值時，就會自動報警。系統(tǒng)選用MQ_2氣體傳感器對現(xiàn)場可燃性氣體濃度進行檢測，選用AM2301溫濕度傳感器對溫度和空氣濕度進

2、行檢測，采用功能和性價比較高的AVRATmega16單片機作為中央處理單元，對環(huán)境參數(shù)進行采集處理并產(chǎn)生自動報警。本設(shè)計可以檢測空氣中以烷類氣體為主的多種可燃性氣體的濃度，以及空氣溫濕度，當達到預(yù)先設(shè)定的上限或下限報警設(shè)定值時，發(fā)出聲音報警信號，以提示操作人員采取安全對策或自動控制相關(guān)安全裝置。該報警器可以實時、準確檢測可燃性氣體以及溫濕度并且可以長時間可靠無誤的報警，具有很廣泛的應(yīng)用前景和推廣價值。關(guān)鍵詞：可燃氣體溫濕度單片機報警器Multi-wayAlarmBasedonMCUZengXiaoling(CollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalU

3、niversity,Guangzhou510642,China)Abstract:Withtheadvancesofscienceandtechnology,humansocietyhasmadegreatprogress.Inlife,industrialandagriculturalproduction,weather,environmentalprotection,defense,research,aerospaceandotherfields,oftenwantodetectandcontroltheenvironmentalparameterssuchastemperature,hu

4、midity,lightintensity,gasconcentration.Andwiththeincreaseofkindandrangeofcombustibleandexplosivegas,thenumberofgasleak,fireandexplosionintheairstoragewarehouseincreasing.Bebasedonsecurity,environmentalandeconomicconsiderations,developedapracticalmulti-channelalarmsystemisnecessary.Baseonthisdemand,t

5、hisdesignusesasensortodetecttemperature,humidityandcombustiblegas,whentheseparametersdonotmeetthepre-determinedparametervalues,itwillautomaticallyalarm.UseMQ_2gassensorforcombustiblegasconcentrationdetection,AM2301temperatureandairhumiditysensorfortemperatureandairhumiditytesting,functionalityandcos

6、t-effectiveAVRATmega16microcontrollerasacentralprocessingunit,tocollectingandprocessingenvironmentalparametersandalarmautomatically.Thedesigncandetecttheconcentrationsofavarietyofcombustiblegassuchasn-hexane,aswellastemperatureandhumidity,whentheyreachesthepre-setupperorlowerlimitalarmsettingvalues,

7、itwillsendoutthesoundalarmsignalthatpromptstheoperatortotakesafetymeasuresorautomaticcontrolsafetydevices.Thealarmsystemcanaccuratelydetectcombustiblegasinrealtime,aswellastemperatureandhumidity,andcanreliablyandcorrectlyworkforalongtime.Ithasaverybroadapplicationprospectsandpromotionvalue.Keywords:

8、flammablegastemperatureandhumiditysingle-chipmicrocomputeralarm目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 1前言01.1課題研究的背景0 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 1.2課題研究的目的和意義1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1.3可燃氣體、溫濕度報警器國內(nèi)外現(xiàn)狀2 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 2系統(tǒng)功能

9、及方案設(shè)計32.1系統(tǒng)方案比較42.2系統(tǒng)整體方案設(shè)計4 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 2.3系統(tǒng)功能介紹5 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 3報警系統(tǒng)硬件設(shè)計6 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 3.1單片機原理6單片機原理概述6 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 3.1.2ATMEGA16單片機的介紹7 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document

10、3.2電路系統(tǒng)設(shè)計8 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 單片機最小系統(tǒng)8 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 3.2.2環(huán)境參數(shù)采集電路設(shè)計9 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 3.2.3報警部分電路設(shè)計11 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 4報警系統(tǒng)軟件設(shè)計12 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 4.1編譯器ICCAVR的介紹12 HYPERLI

11、NK l bookmark34 o Current Document 系統(tǒng)軟件設(shè)計12整體系統(tǒng)軟件設(shè)計12 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 報警部分軟件設(shè)計13 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 調(diào)試和測試14軟硬件調(diào)試14系統(tǒng)功能測試15 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 總結(jié)15 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 參考文獻16附錄17致謝25華南農(nóng)業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計成績評定表1前言1.1課

12、題研究的背景隨著石油化學工業(yè)的發(fā)展，易燃、易爆以及有毒等氣體的種類和應(yīng)用范圍都有所增加。液化石油氣、天然氣、煤氣等這些氣體主要含有烷類、烴類、烯類、醇類、苯類以及一氧化碳、氫氣等成分，都是易燃、易爆、有毒、有害的氣體。它們易流動、易燃燒，在生產(chǎn)、輸送、貯存和使用這些氣體的過程中，如違反操作規(guī)程或者設(shè)備密封質(zhì)量不好，都有可能發(fā)生這些可燃氣體泄漏的現(xiàn)象。當與空氣混合后的混合物達到一定的濃度時，就是一種極具爆炸性的混合物，遇到火源就會發(fā)生劇烈的化合反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱，然后燃起大火，進而釀成火災(zāi)或爆炸事故，給國家和人民的生命財產(chǎn)造成損失。在國內(nèi)由于燃氣泄漏所引發(fā)的爆炸、中毒和火災(zāi)等事故也經(jīng)常發(fā)生，這在

13、某種程度上增加了城市的不安全和不穩(wěn)定因素。為了防止類似的悲劇不斷上演，只有利用先進的科學技術(shù)。研制先進的、可靠的安全監(jiān)測儀表，嚴密而且實時監(jiān)測環(huán)境中的可燃性氣體的濃度，及早發(fā)現(xiàn)事故存在的隱患，及時采取有效的措施，將事故消滅在釀成惡果之前，這樣才能確保安全生產(chǎn)，居民的人身財產(chǎn)安全也才能有保證。但是現(xiàn)在國內(nèi)使用的報警控制器，許多產(chǎn)品使用時間過長，產(chǎn)品老化嚴重，技術(shù)指標達不到標準，報警器的性能也不穩(wěn)定。有些是保養(yǎng)不當，如電池流水腐蝕儀器，或蓄電池損壞而使報警器不能工作；有些是因使用不當而造成故障，因此不能進行準確、安全的檢測和報警。因此，研制一種新型、性能穩(wěn)定、實用性強、能準確監(jiān)測可燃性氣體，并且合

14、乎國家相關(guān)規(guī)定的報警控制器勢在必行（張芳，2011）。當然，在眾多環(huán)境參數(shù)中，溫度和濕度也是兩個十分重要的物理量，對它們的測量與控制有著十分重要的意義。隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對生產(chǎn)環(huán)境溫濕度的人為檢測與控制能讓工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更有效率或質(zhì)量保證。而人們對生活環(huán)境要求的提高，也使得人們迫切需要檢測與控制生活環(huán)境中的溫度和濕度。在人類的生活中，溫度扮演著極其重要的角色。無論你生活在什么地方，從事什么樣的工作，都無時無刻不在與溫度打交道。自從18世紀工業(yè)革命以來，工業(yè)的發(fā)展與是否能掌握溫度有著絕對的聯(lián)系。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、食品、醫(yī)藥等行業(yè)，幾乎80%的工業(yè)部門都必須得考慮溫度的因素。溫度

15、對于工業(yè)如此重要，因此推進了溫度傳感器的發(fā)展。而信息科學和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展給控制領(lǐng)域帶來了巨大的飛躍，控制技術(shù)更加趨向自動化和智能化，為無數(shù)的使用者帶來了方便。在控制領(lǐng)域里，溫度是一個常見的名詞，然而它所帶來的技術(shù)問題和所起的作用卻是非同一般的。在控制領(lǐng)域中，對溫度的控制有著舉足輕重的作用。例如陶瓷的燒烤，只有控制住溫度的適度，才能制作出一個完美的藝術(shù)品，否則只是一件廢品；還有如釀酒的過程，也需要對溫度進行控制。可見，在生活的許許多多的方面都有著對溫度進行感知和控制的需要。而濕度也特別重要。特別是在一些倉庫或者一些生產(chǎn)車間，對濕度的要求非常高，如果濕度不適中，可能會導(dǎo)致所有的貯藏物品或產(chǎn)品

16、不合格，或存在某些安全隱患。例如在一些無塵車間或潔凈室，如果濕度過高可能會導(dǎo)致細菌滋生、產(chǎn)生靜電、金屬被嚴重腐蝕等現(xiàn)象，導(dǎo)致無塵車間、潔凈室性能嚴重下降。所以對空氣濕度的檢測控制也是很有必要和重要的。課題研究的目的和意義隨著城市煤氣、天然氣等相關(guān)事業(yè)及化學工業(yè)的迅速發(fā)展，易燃、易爆氣體的種類和應(yīng)用范圍在不斷增加，這些易燃易爆氣體在生產(chǎn)和使用的過程中，一旦發(fā)生泄漏將會引起中毒、爆炸、火災(zāi)等傷亡慘重事故。人們在對安全生產(chǎn)的重視程度日益增加的同時，對生產(chǎn)技術(shù)手段也進行不斷的提高。研制一種新型、性能穩(wěn)定、能準確地監(jiān)測可燃可爆性氣體的報警控制器勢在必行。當然，很多時候只是對可燃氣體進行檢測控制還不夠，還

17、有很多因素在影響著生產(chǎn)和生活，例如溫度和濕度。隨著社會的發(fā)展特別是工業(yè)的發(fā)展，人民生活的改善，安全問題變得越來越重要。如今，在許多情況下，都需要對環(huán)境的溫度進行限定，其中包括人的生活工作環(huán)境、儀器設(shè)備的工作環(huán)境以及動植物的生長環(huán)境等。如果環(huán)境溫度超過或者低于限制值，必定對所處環(huán)境的人或設(shè)備造成影響，甚至給個人和社會造成巨大的損失。因此，在某些特定環(huán)境內(nèi)使用溫度報警器來對溫度進行實時監(jiān)控并做到超溫報警，而使用單片微型計算機實時控制溫度報警系統(tǒng)則是其中的一種重要方式。本次設(shè)計以AVRATmega16芯片為核心，用半導(dǎo)體陶瓷式可燃氣體傳感器MQ_2來檢測環(huán)境中可燃可爆氣體的濃度，用數(shù)字式溫濕度傳感器

18、AM2301來檢測環(huán)境中的溫度和濕度，結(jié)合外部硬件電路實現(xiàn)對可燃性氣體以及溫濕度進行實時檢測，當檢測到的參數(shù)不符合預(yù)定值時則自動報警。AVRATmega16芯片具有功能強大，性價比高等優(yōu)點，適合廣泛應(yīng)用于報警裝置，而且產(chǎn)品能夠大規(guī)模生產(chǎn)。同時，設(shè)計出的多路報警器具有操作簡單，實用性強，價格便宜，安全性高等特點，所以非常適合貯氣倉庫，以及家庭等場所使用，具有很高的實用價值。正是由于可燃性氣體報警器對于安全生產(chǎn)的重要性，國內(nèi)外有許多廠家研制、生產(chǎn)這一產(chǎn)品。同時也有很多廠家在研制、生產(chǎn)溫濕度報警器，可是高可靠性的多路報警器還是比較少比較不成熟。從實際意義出發(fā)，根據(jù)現(xiàn)實生活的需要以及運用所學知識，研制

19、一種高可靠性的多路報警器能更好地提高生產(chǎn)和生活的安全可靠性?？扇細怏w、溫濕度報警器國內(nèi)外現(xiàn)狀可燃性氣體報警器在國外己經(jīng)發(fā)展成為一種相當成熟的產(chǎn)品（Phelanetal，2007）。日本是最早發(fā)明可燃氣體報警器的國家，己有50多年的歷史。無論在氣體探測器的研制上，還是在報警器的可靠性能上，都處于國際的領(lǐng)先水平。日本政府和各大生產(chǎn)企業(yè)大力推廣報警器的使用，使可燃可爆氣體泄漏和爆炸等事故的發(fā)生率遠遠低于歐美等發(fā)達國家。其中費加羅FIGARO、理研都是專門研制、生產(chǎn)可燃性氣體報警控制器的廠家。他們生產(chǎn)的產(chǎn)品以采用最先進的氣敏傳感器、響應(yīng)速度快、性能可靠、壽命長而著稱。我國在70年代初期開始研制可燃性氣

20、體報警控制器，生產(chǎn)型號多樣、品種較為齊全，應(yīng)用范圍也由單一的煉油系統(tǒng)擴展到幾乎所有危險作業(yè)環(huán)境的各種類型的報警器，產(chǎn)品數(shù)量也在不斷地增加。主要是在引進國外先進的傳感器技術(shù)和先進的生產(chǎn)制造工藝的基礎(chǔ)上，進一步研究與開發(fā)，形成自己的特色。近年來，在氣體選擇性和產(chǎn)品穩(wěn)定性上也取得很大進步。工業(yè)上的可燃性氣體報警控制器一般分為可燃性氣體檢漏儀（簡稱“檢漏儀”）、可燃性氣體報警控制器（簡稱“控制器”）、可燃性氣體探測器（簡稱“探測器”）三大系列產(chǎn)品。檢漏儀的體積較小，可隨身攜帶或手持，采用堿性電池或可充電電池供電，一般可以連續(xù)工作近12小時。該儀器主要應(yīng)用于燃氣管道的查漏與巡線。如果有燃氣泄漏，檢漏儀就

21、會發(fā)出聲光報警，同時顯示氣體濃度，以便監(jiān)控人員及時采取安全措施，防止爆炸等惡性事故的發(fā)生。探測器一般都與控制器配合使用，這是在工業(yè)裝置上和生產(chǎn)過程中使用最多的檢測儀器，可在防爆現(xiàn)場長期穩(wěn)定地監(jiān)測可燃氣體的濃度。這種儀器大都使用于油庫、液化氣站和煤氣站等易燃易爆的危險場所。探測器安裝在防爆現(xiàn)場，而控制器則安置在值班室等有人值守的地方，二者之間采用屏蔽電纜線連接。當在現(xiàn)場的探測器探測到燃氣泄漏之后，在很短時間內(nèi)通過屏蔽電纜線將信號傳送到控制器，接收到信號后控制器發(fā)出聲光報警，同時自動啟動排風裝置或關(guān)閉電磁閥切斷氣源，以確保安全（張路，2008）。溫度檢測報警系統(tǒng)的核心設(shè)備是溫度傳感器。溫度傳感器的

22、發(fā)展算是經(jīng)歷了以下的3個階段：（1）傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器，含敏感元件，主要是能夠進行非電量和電量之間的轉(zhuǎn)換。（2）模擬式集成溫度傳感器/控制器。（3）數(shù)字式智能溫度傳感器。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、集成化向智能化及網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展（Millsetal,2011）。數(shù)字式溫度傳感器也稱智能溫度傳感器，是在20世紀90年代中期問世。它是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動測試技術(shù)（ATE）的結(jié)晶。如今，國際上已開發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。智能溫度傳感器內(nèi)部包含溫度傳感器、A/D傳感器型號處理器、信號處理器、存儲器和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器（CPU）、隨機存取

23、儲存器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。數(shù)字式溫度傳感器能傳輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，能適配各種微控制器（MCU），并且可以通過軟件來實現(xiàn)測試功能，即智能化水平取決于軟件的開發(fā)水平。進入21世紀后，溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。而在濕度檢測報警方面，雖然在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研、航天等部門，經(jīng)常需要對環(huán)境濕度進行測量及控制。但在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中，濕度是最難準確測量的一個參數(shù)。用干濕球濕度計或毛發(fā)濕度計來測量濕度的方法，早已無法滿足現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展的需要。這是因為測量濕度要比測量

24、溫度復(fù)雜的多，溫度是個獨立的被測量，而濕度卻受其他因素（大氣壓強、溫度）的影響。此外，濕度的標準也是一個難題。國外生產(chǎn)的濕度標定設(shè)備價格十分昂貴。近年來，國內(nèi)外在濕度傳感器的研發(fā)領(lǐng)域取得了很大的進步。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代濕度檢測控制系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測量技術(shù)提高到新的水平?？偠灾?，溫濕度傳感器的應(yīng)用很廣泛，其性能會直接影響到溫濕度測量系統(tǒng)的準確度和可靠性。由于技術(shù)和成本原因，幾年前大多使用傳統(tǒng)的溫濕度傳感器，即模擬式傳感器，尤其是要求可靠的濕度測量仍然停留于干、濕球測量法。這種方法不僅使用麻煩,而且往往受到應(yīng)用場合的限

25、制（黃軍輝等，2006）。目前國內(nèi)外對可燃氣體報警器、溫度報警器、濕度報警器的研究可以說是已經(jīng)進入一個比較成熟的階段。可是能夠結(jié)合多個方面，多路檢測報警、實用性強，而且能夠廣泛應(yīng)用的多路報警器的研制還不是很成熟，重大危險事故還是時有發(fā)生，所以這一方面的研究還是值得我們探討。2系統(tǒng)功能及方案設(shè)計2.1系統(tǒng)方案比較方案一：采用AT89S51單片機作為中央處理單元（郭天祥，2009），同時選用FIGARO費加羅催化燃燒式可燃氣體傳感器模塊FCM6812對現(xiàn)場可燃性氣體濃度進行檢測采集，選用濕度傳感器模塊HR202對空氣濕度進行檢測，利用數(shù)字溫度傳感器模塊DS18B20對空氣溫度進行檢測，單片機處理單

26、元讀取可燃氣體傳感器以及溫濕度傳感器所采集到的溫度和濕度值，然后對采集到的數(shù)據(jù)進行處理分析并實現(xiàn)自動報警。報警器用發(fā)光二極管分別表示（徐百匯等，2008）。方案二：采用功能和性價比較高的AVRATmega16單片機作為中央處理單元，選用MQ_2氣體傳感器對現(xiàn)場可燃性氣體濃度進行檢測采集，MQ_2氣體傳感器具有雙路信號輸出，即模擬量輸出及TTL電平輸出，可以采集到氣體濃度的真實值，或者直接輸出高低電平，也就是當測量濃度大于設(shè)定濃度時，TTL輸出低電平，在這里我們直接檢測測量濃度是否大于設(shè)定濃度，同時選用AM2301溫濕度傳感器對溫度和空氣濕度進行檢測，即采集出溫度和濕度的實際值，單片機處理單元讀

27、取溫濕度傳感器所采集到的溫度和濕度值，并接受氣體傳感器發(fā)送的高低電平，然后對采集到的數(shù)據(jù)進行處理分析并實現(xiàn)自動報警。報警器用發(fā)光二極管分別表示，同時用蜂鳴器發(fā)出聲音警報，以提醒監(jiān)控人員。方案二中用到的AVR單片機是Atmel公司的產(chǎn)品，片內(nèi)資源豐富，接口也比AT89S51單片機更強大，功耗也比較低，帶AD轉(zhuǎn)換的產(chǎn)品多。另外AVR單片機還有一個好處，就是能支持ISP下載程序；方案一中可燃氣體傳感器用的是FIGARO品牌的催化燃燒式可燃氣體傳感器TGS6812，該傳感器采用催化原理，可以檢測甲烷，液化石油氣，酒精干擾小，線形輸出，精密尺寸做工，但是這種傳感器模塊很貴，而MQ_2氣體傳感器對液化氣，

28、天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度、具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性、快速的響應(yīng)恢復(fù)特性等優(yōu)點，性價比高；方案二中使用AM2301溫濕度傳感器代替方案一中的濕度傳感器模塊HR202和溫度傳感器模塊DS18B20，電路簡單、使用方便，而且有較高靈敏度；方案二中報警器模塊增加了蜂鳴器，能夠更好地提醒監(jiān)控該人員，以防產(chǎn)生不必要的損失。終上所述，本設(shè)計采用方案二。2.2系統(tǒng)整體方案設(shè)計本系統(tǒng)整體方案框圖如圖1所示。本系統(tǒng)利用傳感器對環(huán)境中的溫濕度以及可燃氣體進行檢測，當這些參數(shù)不符合預(yù)定設(shè)置的參數(shù)值時，就會自動報警。選用MQ_2氣體傳感器對現(xiàn)場可燃性氣體濃度進行檢測采集，MQ_2氣體傳感器具有雙路信號輸出

29、即模擬量輸出及TTL電平輸出，可以采集到氣體濃度的真實值，或者直接輸出高低電平，也就是當測量濃度大于設(shè)定濃度時，TTL輸出低電平，在這里直接檢測測量濃度是否大于設(shè)定濃度，同時選用AM2301溫濕度傳感器對溫度和空氣濕度進行檢測，即采集出溫度和濕度的實際值，采用功能和性價比較高的AVRATmega16單片機作為中央處理單元，讀取溫濕度傳感器所采集到的溫度和濕度值，并接受氣體傳感器發(fā)送的高低電平，然后對采集到的數(shù)據(jù)進行處理分析并實現(xiàn)自動報警。本設(shè)計可以檢測空氣中以烷類氣體為主的多種可燃性氣體的濃度，以及空氣溫濕度，當達到預(yù)先設(shè)定的上限或下限報警設(shè)定值時，發(fā)出聲音報警和信號，實現(xiàn)多路報警功能，以提示

30、操作人員采取安全對策或自動控制相關(guān)安全裝置。圖1系統(tǒng)整體方案框圖系統(tǒng)功能介紹系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能如下：環(huán)境參數(shù)信息的采集。本系統(tǒng)可以檢測空氣中以烷類氣體為主的多種可燃可爆性氣體的濃度，以及環(huán)境溫度和空氣濕度。利用傳感器對環(huán)境中的溫度和濕度以及可燃可爆性氣體進行檢測。選用具有雙路信號輸出，即模擬量輸出及TTL電平輸出，而且TTL電平輸出的靈敏度可調(diào)的MQ_2氣體傳感器對現(xiàn)場可燃性氣體的濃度進行檢測，同時選用應(yīng)用了專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性的AM2301溫濕度傳感器對環(huán)境溫度和空氣中的濕度進行檢測。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件

31、，能同時對溫度和濕度進行檢測，采集出溫濕度的當前值。對采集到的信息進行自動處理并分析。采用功能和性價比較高的AVRATmega16單片機作為中央處理單元，對環(huán)境參數(shù)進行采集處理，并不斷分析、處理所采集的環(huán)境參數(shù)信息，將采集到的環(huán)境參數(shù)值與預(yù)先設(shè)置的理想值進行比較從而為報警提供數(shù)據(jù)依據(jù)。自動報警。當環(huán)境參數(shù)值達到預(yù)先設(shè)定的上限或下限報警設(shè)定值時，將會發(fā)出聲音報警和信號燈指示。聲音警報采用了有源蜂鳴器，而信號燈采用發(fā)光二極管，當環(huán)境參數(shù)值不在期望值當中時蜂鳴器發(fā)出鳴聲，同時相應(yīng)的發(fā)光二極管發(fā)光，以提示監(jiān)控人員采取安全對策或使自動控制相關(guān)安全裝置做出相關(guān)反應(yīng)。該報警器可以實時、準確地檢測可燃性氣體以

32、及溫濕度并且可以長時間可靠無誤地報警。報警系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1單片機原理單片機原理概述單片機(single-chipmicrocomputer)又稱為“微控制器MCU”，也就是把微型計算機的主要功能部件集成在一塊集成電路芯片上的單芯片微型計算機。由于單片機的高度集成化，縮短了系統(tǒng)內(nèi)的信號傳送距離，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的配置，大大提高了系統(tǒng)的運行速度以及可靠性。同時它的指令系統(tǒng)又非常適合工業(yè)控制的要求，所以單片機在工業(yè)過程及設(shè)備控制中得到了廣泛的應(yīng)用(王衛(wèi)星，2009)。單片機的典型結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。圖2單片機典型結(jié)構(gòu)圖ATmega16單片機的介紹本系統(tǒng)設(shè)計中所選用的單片機是ATmegal6單片機。ATme

33、gal6單片機作為硬件部分的主控芯片，具有功能強大、性價比較高等特點。其引腳如圖3所示。(XCK/TO)PB0匚140PAO(ADC0)仃打PB1匚239PM(ADC1)(INT2/AIN0PB2匚338PA2(ADC2)(OCO/AIN1)PB3匚437PA3(ADC3)PB4匚536PA4(ADC4)(MOSIPB5匚635PA5(ADC5)(MISO)PB&匚734PA6(ADC6)(SCK)PB7匚833PA7(ADC7)RESET匚932AREFVCC匚1031GNDGND匚1130AVCCXTAL2匚1229PC7(TOSC2)XTAL1匚1328PCS(TOSC1)(RXD)PD

34、O匚1427PC5(TDI)(TXD)PD1匚152QPC4(TDO(INTO)PD2匚1625PC3(TMS)(INT1)PD3匚1724PC2(TCK)(OG1B)PD4匚1823PC1(SDA|(OC1A)PD5匚1922PCO(SUL(ICP1)PD6匚2021PD7(OC2)圖3ATmega16引腳圖ATmega16是基于增強的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制

35、器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。ATmega16有如下特點:16字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)，512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器(T/C)，片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP封裝)的ADC,具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。工作于空閑模式時CPU停止工作，而USART、兩線接口、A/D轉(zhuǎn)換

36、器、SRAM、T/C、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時器繼續(xù)運行，允許用戶保持一個時間基準，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)；ADC噪聲抑制模式時終止CPU和除了異步定時器與ADC以外所有I/O模塊的工作，以降低ADC轉(zhuǎn)換時的開關(guān)噪聲；Standby模式下只有晶體或諧振振蕩器運行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力；擴展Standby模式下則允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作（周潤景等，2007）。電路系統(tǒng)設(shè)計3.2.1單片機最小系統(tǒng)單片機應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)擴展和系統(tǒng)配置狀況

37、的不同，可以分為最小應(yīng)用系統(tǒng)、最小功耗系統(tǒng)和典型應(yīng)用系統(tǒng)。單片機在進行實時控制和實時數(shù)據(jù)處理時，需要與外界進行信息交換。人們需要通過人機對話，了解系統(tǒng)的工作情況從而進行控制。單片機芯片與其它CPU相比較，功能雖然要強得多，但因為芯片結(jié)構(gòu)、引腳數(shù)目的限制，片內(nèi)ROM、RAM、I/O口等不能很多，所以在構(gòu)成實際的應(yīng)用系統(tǒng)時需要對I/O口和存儲器加以擴展，以適應(yīng)不同的工作需求。圖4單片機最小系統(tǒng)本設(shè)計所需要的是最小應(yīng)用系統(tǒng)。最小應(yīng)用系統(tǒng)是指能維持單片機運行的最簡單配置的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單，常用來構(gòu)成簡單的控制系統(tǒng)，如開關(guān)量的輸入/輸出控制、時序控制等。對于片內(nèi)有ROM/EPROM的芯片

38、來說,最小應(yīng)用系統(tǒng)即為配有晶體振蕩器、復(fù)位電路和電源的單個芯片；對與片內(nèi)沒有ROM/EPROM芯片來說，其最小應(yīng)用系統(tǒng)除了應(yīng)配置上述的晶振、復(fù)位電路和電源外，還應(yīng)配備EPROM或EEPROM作為程序存儲器使用。ATmegal6芯片的片內(nèi)有ROM/EPROM，所以它的單片機最小系統(tǒng)只需要電源電路，時鐘電路，復(fù)位電路。當然AVRATmega16也可以不用外接時鐘電路而直接用內(nèi)部時鐘。由一個晶振和兩個電容構(gòu)成時鐘系統(tǒng)電路；另外，由一個電容和一個電阻和一個開關(guān)構(gòu)成復(fù)位系統(tǒng)；VCC腳要接電源。AVRATmega16最小系統(tǒng)如圖4所示。環(huán)境參數(shù)采集電路設(shè)計環(huán)境參數(shù)的采集對象主要包括溫度、濕度和可燃可爆氣體

39、濃度。在本系統(tǒng)中溫濕度的采集選用了數(shù)字溫濕度傳感器DHT21/AM2301,而可燃可爆氣體的檢測選用了氣體傳感器MQ_2。氣體傳感器MQ_2原理圖如圖5所示，它具有以下特點:（1）具有信號輸出指示。（2）雙路信號輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）。TTL輸出有效信號為低電平(當輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機)。模擬量輸出05V電壓，濃度越高電壓越高。(5)對液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度。(6)具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。(7)快速的響應(yīng)恢復(fù)特性。氣體傳感器MQ_2適用于家庭或工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等監(jiān)測裝置。DHT21數(shù)字

40、溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20M以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選擇，產(chǎn)品為4針單排引腳封裝。常應(yīng)用于暖通空調(diào)、測試及檢測設(shè)備、汽車、數(shù)據(jù)記錄器、消費品、自動控制、氣象站、家電、濕度調(diào)節(jié)器、醫(yī)療、除濕器等領(lǐng)域。圖6單片機與傳感器接口電路溫濕度傳感器和氣體傳感器與單片機的接口電路如圖6所示。環(huán)境參

41、數(shù)采集電路由主控芯片ATmegal6、數(shù)字溫濕度傳感器DHT21/AM2301、氣體傳感器MQ_2組成。溫濕度傳感器AM2301的數(shù)據(jù)輸出端接在單片機的PD0口，也即可以通過單片機的PD0口用串行方式讀取采集到的溫濕度值；氣體傳感器MQ_2的TTL電平輸出端接在單片機的PCO口，通過判斷輸入PCO口的電平高低，即可判斷出氣體濃度是否過高。報警部分電路設(shè)計系統(tǒng)的單片機與自動報警裝置接口電路如圖7所示。當所監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)值不符合預(yù)先設(shè)定的環(huán)境參數(shù)值時，系統(tǒng)會產(chǎn)生自動報警，以提醒監(jiān)控人員實施一定的措施或者自動控制相應(yīng)的設(shè)備，使得環(huán)境保持在一定需求條件中。報警部分包括溫度過高報警器、溫度過低報警器、濕

42、度過高報警器、濕度過低報警器以及可燃氣體報警器。通過蜂鳴器來產(chǎn)生聲音警報，不管哪一項報警產(chǎn)生都會發(fā)出聲音警報，這里用PB0口來控制蜂鳴器，當采集到的任意一參數(shù)值不符合預(yù)定值時，PB0口就會置高，蜂鳴器響。圖7單片機與報警裝置接口電路同時，用發(fā)光二極管來指示相應(yīng)的報警。在這里分別用白發(fā)綠光二極管D3來指示溫度過高報警、白發(fā)藍光二極管D4來指示溫度過低報警、紅發(fā)紅光二極管D5來指示濕度過高報警、綠發(fā)綠光二極管D6來指示濕度過低報警、黃發(fā)黃光二極管D7來指示可燃氣體報警，通過PB5PB1口來控制二極管發(fā)光與否，當采集到的某一參數(shù)值不符合預(yù)定值時，相對應(yīng)的I/O就會置高，而相應(yīng)的二極管就會發(fā)光。報警系

43、統(tǒng)軟件設(shè)計4.1編譯器ICCAVR的介紹ICCAVR是一種符合ANSI標準的C語言來開發(fā)MCU（單片機）程序的一個工具，功能合適、使用方便、技術(shù)支持好，它主要有以下幾個特點：（1）ICCAVR是一個綜合了編輯器和工程管理器的集成工作環(huán)境（IDE）。（2）源文件全部被組織到工程之中，文件的編輯和工程的構(gòu)筑也在這個環(huán)境中完成，錯誤顯示在狀態(tài)窗口中，并且當你點擊編譯錯誤時，光標自動跳轉(zhuǎn)到錯誤的那一行。（3）該工程管理器還能直接產(chǎn)生INTELHEX格式文件的燒寫文件（該格式的文件可被大多數(shù)編程器所支持，可以直接下載到芯片中使用）和符合AVRStudio的調(diào)試文件（COFF格式）。（4）ICCAVR是一

44、個32位的程序，支持長文件名。（5）ICCAVR是一個綜合了編輯器和工程管理器的集成開發(fā)環(huán)境（IDE），是一個純32位的程序，可在Win95、Win98、WinME、WinNT、Win2000、WinXP和Win7環(huán)境下運行（張軍，2007）。4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計4.2.1整體系統(tǒng)軟件設(shè)計本系統(tǒng)所選用的傳感器都是數(shù)字式的，所以采集到的數(shù)據(jù)無需模數(shù)轉(zhuǎn)換就可以直接由單片機直接處理。DHT21數(shù)字溫濕度傳感器采集到的溫濕度數(shù)據(jù)直接通過串口發(fā)送到單片機，單片機對接收到的數(shù)據(jù)進行處理分析，從而得知溫濕度是否符合要求；而MQ_2則可以調(diào)節(jié)靈敏度，直接向AVR端口輸出比較結(jié)果也即高低電平，讀取相應(yīng)端口的電平即

45、可知道可燃氣體濃度是否符合要求。通過AVR的PB5PB0口控制來報警裝置，即指示燈和蜂鳴器。通過PB5PB1口來控制二極管發(fā)光與否，二極管一端接電源一端接I/O口，當采集到的某一參數(shù)值不符合預(yù)定值時，拉低相對應(yīng)的I/O口，相應(yīng)的二極管就會發(fā)光。同時用PB0口來控制蜂鳴器，蜂鳴器一端接地一端接I/O口，不管哪一項報警產(chǎn)生都會置高PB0口，蜂鳴器發(fā)出警聲。報警系統(tǒng)軟件設(shè)計的總流程圖如圖8所示。圖8系統(tǒng)軟件設(shè)計的流程圖報警部分軟件設(shè)計報警部分包括溫度過高報警、溫度過低報警、濕度過高報警、濕度過低報警以及可燃氣體報警。先讀取傳感器采集到的值，然后通過AVRATmega16單片機中央處理單元對采集到的數(shù)

46、據(jù)進行分析。判斷濕度是否過高，是則報警，否則判斷濕度是否過低，是則報警；然后判斷判斷溫度是否過高，是則報警，否則判斷溫度是否過低，是則報警；接著判斷可燃氣體濃度是否過高，是則報警。如此重復(fù)讀取、分析環(huán)境參數(shù)值進行實時檢測報警。軟件設(shè)計流程圖如圖9所示。圖9參數(shù)分析、報警部分流程圖調(diào)試和測試5.1軟硬件調(diào)試在調(diào)試的過程中，發(fā)現(xiàn)溫濕度傳感器采集的參數(shù)值有問題。可是通過改變程序中的if后面的條件，以及發(fā)光二極管的配合，發(fā)現(xiàn)不管條件怎么變化，所采集到的溫濕度值都為0。多次檢查之后都覺得電路還有程序都沒有問題。想了很久之后終于發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)的AVR最小系統(tǒng)用的是內(nèi)部晶振，而在下載程序之前忘了設(shè)置內(nèi)部PC振

47、蕩器的頻率，導(dǎo)致程序中的延時程序的延時有誤，所以溫濕度傳感器無法正常工作。設(shè)置了內(nèi)部PC振蕩器的頻率之后溫濕度傳感器就能正常工作了?？墒墙酉聛淼膱缶糠钟殖霈F(xiàn)問題了，很簡單的蜂鳴器怎么弄不響。同樣多次檢查電路設(shè)計還有程序都沒發(fā)現(xiàn)錯誤。換了兩個蜂鳴器都一樣的結(jié)果，而且蜂鳴器沒那么容易燒壞，所以確定不是蜂鳴器壞了。于是用發(fā)光二極管搭在蜂鳴器的兩端，發(fā)現(xiàn)發(fā)光二極管一閃一閃的，而且亮的時間極短，如果不仔細觀察很難看到發(fā)光。那就說明輸入到無源蜂鳴器兩端的電平有一定的頻率，可是頻率過小驅(qū)動不了蜂鳴器?，F(xiàn)在用的是AVR,沒有外接12MHz的晶振而是用了內(nèi)部RC振蕩器頻率為8MHz，頻率變小了所以導(dǎo)致驅(qū)動不了

48、蜂鳴器。于是在設(shè)計中改用了有源蜂鳴器，直接上電就可以響。5.2系統(tǒng)功能測試在室內(nèi)用溫度傳感器測出的溫度值與用溫度計測出的室內(nèi)的溫度基本一致。設(shè)置溫濕度上下限，實際值介于上下限之間，調(diào)節(jié)可燃氣體傳感器的靈敏度。然后進行以下測試：（1）用吹風筒對著溫濕度傳感器吹熱風的時候，探測到溫度值明顯上升，當溫度值上升到大于上限值時，蜂鳴器發(fā)出響聲，而且相應(yīng)的發(fā)光二極管也即第一盞二極管發(fā)光。（2）用吹風筒對著溫濕度傳感器吹冷風的時候，探測到溫度值明顯下降，當溫度值下降到小于下限值時，蜂鳴器發(fā)出響聲，而且相應(yīng)的發(fā)光二極管也即第二盞二極管發(fā)光。（3）用手包著溫濕度傳感器的時候，由于探測周圍空氣不流通，探測到了濕度

49、明顯上升，當濕度值上升到大于上限值時，蜂鳴器發(fā)出響聲，而且相應(yīng)的發(fā)光二極管也即第三盞二極管發(fā)光。（4）用吹風筒對著溫濕度傳感器吹風的時候，探測到濕度值明顯下降，當濕度值下降到小于下限值時，蜂鳴器發(fā)出響聲，而且相應(yīng)的發(fā)光二極管也即第四盞二極管發(fā)光。（5）用打火機對著可燃可爆氣體傳感器泄露出可燃氣體，傳感器很快就檢測到了有可燃氣體，這時蜂鳴器發(fā)出響聲，而且相應(yīng)的發(fā)光二極管也即第五盞二極管發(fā)光。通過對傳感器周圍環(huán)境條件進行改變，系統(tǒng)能正確作出相應(yīng)的反應(yīng)，整個系統(tǒng)運行正確，符合設(shè)計指標，達到預(yù)定的功能。6總結(jié)本系統(tǒng)采用功能和性價比較高的AVRATmega16單片機作為中央處理單元，利用傳感器對環(huán)境中的

50、溫濕度以及可燃氣體進行檢測，當采集到的參數(shù)不符合預(yù)先設(shè)置的參數(shù)值時，就會自動報警。選用MQ_2氣體傳感器對現(xiàn)場可燃性氣體濃度進行檢測采集，MQ_2氣體傳感器具有雙路信號輸出即模擬量輸出及TTL電平輸出，可以采集到氣體濃度的真實值，或者直接輸出高低電平，也就是當測量濃度大于設(shè)定濃度時，TTL輸出低電平，在這里直接檢測濃度是否大于設(shè)定濃度；同時，選用AM2301溫濕度傳感器對溫度和空氣濕度進行檢測，即采集出溫度和濕度的實際值。運用ATmegal6單片機讀取溫濕度傳感器所采集到的溫度和濕度值，并接受氣體傳感器發(fā)送的高低電平，然后對采集到的數(shù)據(jù)進行處理分析并實現(xiàn)自動報警。當環(huán)境參數(shù)值達到預(yù)先設(shè)定的上限

51、或下限報警設(shè)定值時，將會發(fā)出聲音報警和信號燈指示。聲音警報采用了有源蜂鳴器，而信號燈采用發(fā)光二極管，當環(huán)境參數(shù)值不在期望值當中時蜂鳴器發(fā)出鳴聲，同時相應(yīng)的發(fā)光二極管發(fā)光，以提示監(jiān)控人員采取安全對策或使自動控制相關(guān)安全裝置做出相關(guān)反應(yīng)。通過測試和調(diào)試，本系統(tǒng)能夠正常運作，該報警器可以實時、準確地檢測可燃性氣體以及溫濕度并且可以長時間可靠無誤地報警。參考文獻郭天祥.新概念51單片機C語言教程M.北京：電子工業(yè)出版社，2009：2-20.黃軍輝，黃宇飛，容顯政帶校準系數(shù)的數(shù)字溫濕度傳感器及其應(yīng)用J.電子、電路設(shè)計與應(yīng)用，2006，24（4）：65-70.王衛(wèi)星.單片機原理與應(yīng)用開發(fā)技術(shù)M.北京：中國

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54、ile(COM_R)&U8FLAG+)。/超時則跳出for循環(huán)if(U8FLAG=1)break。/判斷數(shù)據(jù)位是0還是1/如果高電平高過預(yù)定高電平值則數(shù)據(jù)位為1U8comdata._.度高8位=U8T_data_H/溫度低8位=U8T_data_L/濕度高8位=U8RH_data_H/濕度低8位=U8RH_data_L/校驗8位=U8checkdata/調(diào)用相關(guān)子程序如下/Delay()oDelay_10us()O,COM()。/voidfRH(void)/主機拉低18msCOM_OUT。COM_CLRODelaymS(1)OCOM_INOCOM_SET。/總線由上拉電阻拉高，主機延時20usDelay_10us()ODelay_10us()ODelay_10us()ODelay_10us()O/主機設(shè)為輸入，判斷從機響應(yīng)信號/P2_0=1。/判斷從機是否有低電平響應(yīng)信號，如不響應(yīng)則跳出，響應(yīng)則向下