家用煙霧報(bào)警器的設(shè)計(jì)

-PAGEI-摘要現(xiàn)在，人類已經(jīng)步入了信息時(shí)代，煙霧報(bào)警系統(tǒng)已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)家庭設(shè)備安全管理的基礎(chǔ)。當(dāng)人們家中發(fā)生意外性火災(zāi)時(shí)，吸入火災(zāi)煙霧會導(dǎo)致呼吸道堵塞并引發(fā)呼吸衰竭，并且火災(zāi)還會造成經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，危害公共安全。本設(shè)計(jì)是基于AT89S51單片機(jī)的煙霧報(bào)警系統(tǒng)，主要由MQ-2敏感元件煙霧傳感器、DS18B20溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換模塊以及由蜂鳴器、LED燈和液晶顯示器組成的聲光報(bào)警系統(tǒng)組成。由MQ-2敏感元件煙霧傳感器和DS18B20溫度傳感器采集外界的溫度和氣體濃度作為輸入信息，經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并放大，由AT89S51單片機(jī)接受處理轉(zhuǎn)換完的數(shù)字信號，對比其數(shù)值是否超過所設(shè)定的閾值并將濃度通過狀態(tài)顯示模塊的LCD屏顯示出來，若達(dá)到閾值則啟動聲光報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警。本設(shè)計(jì)簡單易操作，而且制造成本比較低廉，可靠性高，在人們?nèi)粘Ｉ钪心軌蚱鸬椒阑鸬淖饔?，能最大程度的避免人員傷亡以及財(cái)產(chǎn)損失。關(guān)鍵詞：AT89S51單片機(jī)；煙霧傳感器；聲光報(bào)警系統(tǒng)AbstractNow,thehumanhasenteredtheinformationage,smokealarmsystemhasbecomethebasisfortherealizationofhomeequipmentsafetymanagement.Whenaccidentalfiresoccurinpeople'shomes,inhalationoffiresmokecancausechokingandrespiratoryfailure,andfirecancauseeconomicandpropertylosses,endangeringpublicsafety.ThedesignisbasedonAT89S51SINGLE-CHIPSMOKEALARMSYSTEM,mainlybyMQ-2sensorsmokesensor,DS18B20temperaturesensor,a/DconversionmoduleandbytheBuzzer,LEDlightsandliquidcrystaldisplaycomposedofsoundandlightalarmsystem.ThesmokesensorMQ-2andDS18B20areusedtocollecttheoutsidetemperatureandgasconcentrationastheinputinformation.Theanalogsignalisconvertedintodigitalsignalandamplifiedbya/Dconversionmodule,theAT89S51singlechipcomputerreceivestheconverteddigitalsignal,compareswhetherthevalueofthedigitalsignalexceedsthesetthresholdanddisplaystheconcentrationthroughtheLCDscreenofthestatedisplaymodule,ifthethresholdvalueisreached,thesoundandlightalarmsystemisstartedtorealizethealarm.Thedesignissimpleandeasytooperate,andthemanufacturingcostisrelativelylow,highreliability,inpeople'sdailylifecanplaytheroleoffireprevention,canmaximizetheavoidanceofcasualtiesandpropertylosses.KeyWords：At89s51mcu;smokesensor;soundandlightalarmsystem-PAGEIII-目錄摘要 IAbstract II1引言 11.1論文的選題背景和意義 11.2煙霧報(bào)警器的研究現(xiàn)狀 11.3論文的主要研究內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù) 22煙霧報(bào)警器的設(shè)計(jì)原理 32.1設(shè)計(jì)思路 32.2可行性分析 33硬件系統(tǒng) 43.1硬件選擇 43.1.1煙霧傳感器的選擇 43.1.2單片機(jī)的選擇 53.1.3A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇 63.1.4聲光報(bào)警元件的選擇 73.2硬件部分的電路連接 83.2.1晶振電路 93.2.2復(fù)位電路 93.2.3煙霧傳感器電路 103.2.4A/D轉(zhuǎn)換電路 103.2.5聲光報(bào)警電路 113.2.6顯示電路 113.2.7按鍵電路 124軟件開發(fā) 134.1編程環(huán)境介紹 134.2家用煙霧報(bào)警運(yùn)行總流程 134.3主程序設(shè)計(jì) 144.4子程序設(shè)計(jì) 144.4.1聲光報(bào)警子程序 154.4.2A/D轉(zhuǎn)換子程序 155調(diào)試與分析 176結(jié)論 20參考文獻(xiàn) 21附錄A總電路圖 22附錄B程序 23致謝 34-PAGE1-引言論文的選題背景和意義火災(zāi)是一種由在時(shí)間和空間上都失去控制的燃燒而導(dǎo)致的災(zāi)害，對人類生命和財(cái)產(chǎn)以及社會安全造成重大的威脅。由于火災(zāi)而引發(fā)的重大安全事故不計(jì)其數(shù)，因此人類一直也未停止過對它的研究。[1]近些年來隨著人類科技的迅速發(fā)展，以及現(xiàn)代化和城市化進(jìn)程的不斷加快，現(xiàn)代人的居住環(huán)境和居住條件得到了很大的改善，生活水平也在不斷提高。城市化進(jìn)程飛快，許多高層建筑拔地而起，電氣設(shè)備和燃?xì)庠O(shè)備使用的越來越多，其中所帶來安全隱患也在不斷升高。并且為了美觀現(xiàn)代建筑中還使用了大量的玻璃和塑料制品，這無疑會對火災(zāi)發(fā)生時(shí)的逃生和救援造成重大困難。[2]根據(jù)不完全的統(tǒng)計(jì)表明，70年代時(shí)由于火災(zāi)所造成人民財(cái)產(chǎn)損失平均每年約為2.5億元，80年代時(shí)火災(zāi)年平均損失約為3.2億元。隨著火災(zāi)事故的頻頻發(fā)生，人們的防火安全意識也正在覺醒。利用家用煙霧報(bào)警可以更好的保護(hù)人們自身和財(cái)產(chǎn)的安全，并很大程度上減少火災(zāi)發(fā)生的幾率。[3]從前大量應(yīng)用于工廠、大型商城的煙霧報(bào)警器也逐漸的走入普通家庭的生活中，成為守護(hù)人民生命安全的重要組成部分。隨著科技的不斷發(fā)展，越來越多的適應(yīng)各種工作環(huán)境的報(bào)警電路在不斷的開發(fā)和出現(xiàn)以滿足人們的需求。煙霧報(bào)警器的研究現(xiàn)狀于70年代初期我國開始研發(fā)煙霧報(bào)警器，并且生產(chǎn)型號逐漸多樣化，系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定，其應(yīng)用領(lǐng)域也從單一的煉油系統(tǒng)擴(kuò)展到幾乎所有危險(xiǎn)作業(yè)的環(huán)境中,生產(chǎn)速率也在不斷提高。[4]并且通過引進(jìn)國外先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)和制作工藝，不斷進(jìn)行研究與創(chuàng)新，形成自己的特色。

國外自上世紀(jì)的30年代開始就著手于研究及發(fā)展煙霧傳感器，且發(fā)展迅速。造成這種現(xiàn)象的原因一方面是因?yàn)槿藗內(nèi)找嬖鰪?qiáng)的安全防火意識，以及對于生活環(huán)境安全性和舒適性要求的提高；另一方面是因?yàn)閲野踩ㄒ?guī)影響到了煙霧傳感器市場的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1996年到2002年美國煙霧傳感器購買數(shù)量的每年平均增長27%-30%。由于煙霧傳感器生產(chǎn)水平的不斷提高，所制造的產(chǎn)品也日益小型化且集成度不斷增大，使得煙霧報(bào)警器的體積也逐漸變小，提高了煙霧報(bào)警器的便攜性和實(shí)用性，更加利于市場推廣，適用范圍也得到了擴(kuò)張?，F(xiàn)如今，傳統(tǒng)意義上的老式火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)已經(jīng)不能夠適用于現(xiàn)代人們所生活的高層建筑中，所以現(xiàn)代人們生活中需要的是能夠?qū)馂?zāi)檢測更加敏感、對火災(zāi)報(bào)警更加及時(shí)、準(zhǔn)確度更高、更加智能的的煙霧報(bào)警系統(tǒng)。[5]由于現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，人們不斷地將數(shù)字信息通信、自動控制、計(jì)算機(jī)、傳感器及檢測等各種先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用到火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中，制造出各種更加智能的家用火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。根據(jù)過去老式的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中所存在的適用范圍小、網(wǎng)絡(luò)化程度低、智能化程度低、誤報(bào)漏報(bào)狀況較多等的問題，現(xiàn)在的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)正朝著網(wǎng)絡(luò)化、智能化、多樣化、小型化等方面發(fā)展。[6]其中包括對火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控和管理；研制出更加智能和可靠的家用煙霧報(bào)警系統(tǒng)，可以自主地采集室內(nèi)的溫度、濕度、煙霧濃度等數(shù)據(jù)并通過多種先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并處理。煙霧濃度傳感器的檢測原理逐漸多樣化，包括納米材料制成氣體探測器或離子感煙探測器、光纖線式感溫探測技術(shù)、火焰自動檢測技術(shù)等，這些都代表了火災(zāi)探測技術(shù)發(fā)展和開發(fā)應(yīng)用研究的方向。家用煙霧報(bào)警系統(tǒng)的安裝、使用、維修、管理也十分簡單且易操作。論文的主要研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)本次家用煙霧報(bào)警器的設(shè)計(jì)采用的是以AT89S51單片機(jī)為核心并且配備了聲光報(bào)警模塊、煙霧濃度檢測模塊的多種模塊協(xié)調(diào)運(yùn)行的更加敏感、更加智能的家用煙霧報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。本家用煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)中所使用的關(guān)鍵技術(shù)性元件包括MQ-2半導(dǎo)體可燃?xì)怏w敏感元件煙霧傳感器、ADC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、液晶顯示屏等，還有可以對煙霧報(bào)警閾值進(jìn)行設(shè)定的按鍵系統(tǒng)。[7]目的是能夠使本系統(tǒng)能夠在煙霧濃度檢測時(shí)更加準(zhǔn)確、及時(shí)，數(shù)據(jù)的處理更快，能夠?qū)μ幱诨馂?zāi)威脅中的人們提供更準(zhǔn)確更及時(shí)的警示，使人們的日常生活得到保障[8]MACROBUTTONAcceptAllChangesInDocAndStopTracking煙霧報(bào)警器的設(shè)計(jì)原理家用煙霧報(bào)警器能夠采集外界的煙霧濃度，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換發(fā)送給單片機(jī)，再通過單片機(jī)將檢測到的濃度值與氣體濃度閾值相比較，判斷是否發(fā)出警報(bào)信號，若需要發(fā)出警報(bào)則啟動聲光報(bào)警系統(tǒng)，蜂鳴器報(bào)警紅燈亮，同時(shí)還會講檢測到的煙霧濃度值顯示在液晶顯示屏上。該系統(tǒng)能夠滿足經(jīng)濟(jì)實(shí)惠和結(jié)構(gòu)小巧等的設(shè)計(jì)需求。本設(shè)計(jì)中的硬件組成部分主要有單片機(jī)、煙霧傳感器、聲光報(bào)警模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊。其主要工作流程為；圖2-1家用煙霧報(bào)警器的工作流程設(shè)計(jì)思路以AT89S51單片機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的家用煙霧報(bào)警，既可以檢測顯示室內(nèi)的煙霧濃度，同時(shí)又具有聲光報(bào)警功能。其主要構(gòu)成部分有：敏感元件煙霧傳感器、A/D轉(zhuǎn)換芯片、單片機(jī)、聲光報(bào)警模塊。工作流程：由敏感元件煙霧傳感器MQ-2采集外界的煙霧濃度信息作為輸入信號，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換芯片將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以識別的數(shù)字信號，若輸入值與A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電平不匹配時(shí)還需要并通過放大器放大。單片機(jī)接受并處理經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，對比數(shù)字是否超過所設(shè)定的煙霧濃度閾值并將得到的數(shù)值通過液晶顯示屏顯示出來，若達(dá)到閾值則啟動蜂鳴器和LED燈進(jìn)行報(bào)警，由此實(shí)現(xiàn)整個(gè)報(bào)警流程?？尚行苑治銎胀彝プ≌邪踩[患很大，發(fā)生火災(zāi)后，火勢蔓延十分迅速。想要單純的依靠消防隊(duì)來救援是不現(xiàn)實(shí)的，重在預(yù)防和預(yù)警。而家用煙霧報(bào)警器能通過檢測空氣中的煙霧濃度來判斷是否發(fā)出報(bào)警信號，在日常的家庭消防中起到了關(guān)鍵作用。且該報(bào)警器運(yùn)行穩(wěn)定、體積較小、制造成本低廉。硬件系統(tǒng)硬件選擇3.1.1煙霧傳感器的選擇本次家用煙霧報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的煙霧傳感器是MQ-2敏感元件煙霧傳感器，這款煙霧傳感器所使用的氣敏檢測材料是二氧化錫(SnO2)，這種材料的特點(diǎn)是在清潔空氣中電導(dǎo)率比較低的。當(dāng)室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)危險(xiǎn)時(shí)，傳感器處于可燃性氣體組成的的濃煙中，煙霧傳感器中二氧化錫的電導(dǎo)率能夠隨著空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而變大，然后通過煙霧傳感器中的電路將電導(dǎo)率的變化數(shù)據(jù)通過AD轉(zhuǎn)換芯片輸出給單片機(jī)。此外MQ-2煙霧傳感器對液化氣、丙烷、氫氣等可燃性氣體的靈敏度十分理想，抗干擾性良好，可準(zhǔn)確排除多種干擾信息，如有刺激性氣味但不可燃的氣體等。MQ-2煙霧傳感器可以檢測的可燃性氣體種類比較多，并且具有靈敏度高和使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)，是一款適用于多種煙霧環(huán)境且性價(jià)比高的煙霧傳感器。規(guī)格產(chǎn)品型號MQ-2產(chǎn)品類型半導(dǎo)體氣敏元件適用氣體可燃性氣體、煙霧檢測濃度300-10000ppm靈敏度R（inair）/R（intypicalgas）≥5響應(yīng)時(shí)間≤10s恢復(fù)時(shí)間≤30s加熱電阻31Ω±3Ω加熱電流≤180mA加熱電壓5.0V±0.2V加熱功率≤900mW測量電壓≤24V工作條件環(huán)境溫度：-20℃～+55℃濕度：≤95%RH環(huán)境含氧量：21%壽命十年MQ-2煙霧傳感器的工作原理：由于MQ-2敏感元件煙霧傳感器中的氣敏材料是屬于表面離子式N型半導(dǎo)體的二氧化錫。當(dāng)處于200℃-300℃的環(huán)境中時(shí)，二氧化錫將會吸附漂浮在空氣中的氧，即氧的負(fù)離子吸附，這種現(xiàn)象能夠減少半導(dǎo)體的電子密度，以此來達(dá)到增加電阻值的效果。當(dāng)該煙霧傳感器處于由火災(zāi)發(fā)出的煙霧環(huán)境中時(shí)，若晶粒之間的接觸勢壘收到煙霧的變化而變化，就會引起二氧化錫表面導(dǎo)電率的變化。利用這一特性就可以獲得火災(zāi)發(fā)生時(shí)煙霧的濃度信息，火災(zāi)導(dǎo)致的煙霧濃度越大，二氧化錫的導(dǎo)電率就會越大，輸出電阻隨之降低，輸出的信號就越大。3.1.2單片機(jī)的選擇單片機(jī)整個(gè)是煙霧報(bào)警系統(tǒng)中的最核心部件之一，它既要用來控制A/D轉(zhuǎn)換芯片的運(yùn)行和處理傳感器收集到的信息，又要用來開啟聲光報(bào)警電路和液晶顯示電路。選擇的單片機(jī)既要有低價(jià)格、輕機(jī)型的特點(diǎn)，又要滿足精準(zhǔn)度高、耐用性和抗干擾能力強(qiáng)的要求。綜上所述，選用了AT89S51單片機(jī)作為本次家用煙霧報(bào)警器的設(shè)計(jì)中的適用單片機(jī)。AT89S51單片機(jī)是由美國的ATMEL公司研制的片內(nèi)帶有Flash存儲器的AT89S5x系列單片機(jī)中的一種。[9]與AT89C5x系列相比，該系列在時(shí)鐘頻率和運(yùn)算速度上有了很大的提高。此類單片機(jī)的片內(nèi)結(jié)構(gòu)包括：8位的CPU、4個(gè)8位可編程并行I/O口、4KB的flashROM、128B的RAM、1個(gè)通用全雙工的異步收發(fā)串行口、2個(gè)可編程的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和具有5個(gè)中斷源、5個(gè)中斷向量的中斷系統(tǒng)，還有特殊功能寄存器26個(gè)、程序加密鎖定位3個(gè)、看門狗定時(shí)器1個(gè)。[10]AT89S51單片機(jī)的引腳分布如下圖所示（注：由于Proteus8中沒有AT89S51單片機(jī)，因此本次設(shè)計(jì)中一律用AT89C51單片機(jī)來替代），其引腳的具體功能分別為：P0口為漏極開路的雙向I/O口，當(dāng)擴(kuò)展外部存儲器及I/O接口芯片時(shí)，P0口是低8位的地址總線以及數(shù)據(jù)總線的分時(shí)復(fù)用端口；P1、P2、P3口均為準(zhǔn)雙向的I/O端口，并且內(nèi)部擁有上拉電阻，其中P1口可完全提供給用戶使用；RST端是復(fù)位信號的輸入端，只有在高電平時(shí)有效；EA為1時(shí)，若片內(nèi)PC值不超過0FFFH單片機(jī)讀取片內(nèi)4KB程序存儲器的程序代碼，若PC值超過0FFFH則讀取片外60KB程序存儲器的程序；ALE為CPU訪問外部的程序、數(shù)據(jù)存儲器時(shí)提供低8位的地址鎖存信號，可將由P0口所發(fā)出的低8位的地址鎖存在片外的地址鎖存器中；片外程序存儲器的讀選通信號有PSEN端接收，并且只有在低電平時(shí)有效；XTAL1端和XTAL2端分別是片內(nèi)放大器的輸入端和輸出端，其中XTAL1還是外部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端，當(dāng)連接外部時(shí)鐘源時(shí)，外部的時(shí)鐘振蕩器的信號輸入XTAL1端時(shí)，XTAL2端處于懸空狀態(tài)。圖3-1單片機(jī)引腳圖3.1.3A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇本設(shè)計(jì)中使用的A/D轉(zhuǎn)換器為ADC0832，是由美國國家半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一款雙通道、8位分辨率的芯片。其主要特點(diǎn)有：輸入電平與輸出電平兼容于TTL/CMOS；功耗一般為15mW；工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時(shí)間為32μS;時(shí)輸入電壓在0～5V之間時(shí)電源電壓為5V；8P、14P—DIP、PICC多種封裝；工業(yè)級芯片溫寬為-40℃to+85℃，商用級芯片溫寬為0℃to+70℃。由圖3-1-3，ADC0832共有8個(gè)引腳，其具體功能如下：CS為片選使能，并且只能在低電平條件下有效；CH0和CH1分別為模擬輸入通道0和1，當(dāng)差分輸入時(shí)均可作為IN+或者IN-使用；GND引腳接地；DI和DO分別為數(shù)據(jù)信號輸入和輸出引腳，其功能分別為選擇通道控制和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出；CLK引腳接收芯片的時(shí)鐘信號；VCC引腳接電源輸入以及參考電壓輸入（復(fù)用）。圖3-2ADC0832的引腳ADC0832的工作原理：當(dāng)ADC0832沒有運(yùn)行時(shí)CS端為高電平。當(dāng)ADC0832開始運(yùn)行時(shí)，首先會將CS端至于低電平并一直保持至轉(zhuǎn)換結(jié)束。處理器會向芯片的CLK端提供時(shí)鐘脈沖，DI端將進(jìn)行數(shù)據(jù)信號的選擇，在第一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來前DI端將處于高電平以表示ADC0832的啟動，在第2、3個(gè)時(shí)鐘脈沖到來以前，DI端口應(yīng)該輸入2位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能。CH0、CH1為1、0時(shí)，僅可對CH0進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換；CH0、CH1為1、1時(shí)，僅可對CH1進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換；CH0、CH1為0、0時(shí)，將IN+為CH0、IN-為CH1進(jìn)行輸入；CH0、CH1為0、1時(shí)，將IN-為CH0、IN+為CH1進(jìn)行輸入。第三個(gè)時(shí)鐘脈沖來到后，DI端口將失去輸入電平的功能，DO端將進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第四個(gè)時(shí)鐘脈沖起，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的最高位D7將由DO端口輸出，直到最低數(shù)據(jù)位從第十一個(gè)時(shí)鐘脈沖發(fā)出時(shí)，一個(gè)字節(jié)的輸出完成。到第19個(gè)時(shí)鐘脈沖輸出后一次AD轉(zhuǎn)換完成。3.1.4聲光報(bào)警元件的選擇聲光報(bào)警模塊使用LED燈和BUZZER蜂鳴器，以及LCD1602液晶顯示屏。其中蜂鳴器分為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器兩種，有源蜂鳴器內(nèi)部帶有震蕩源，只要接通電源就能夠發(fā)出聲音，而無源蜂鳴器內(nèi)部沒有震蕩源，只有當(dāng)接入有波形的電壓時(shí)才能發(fā)聲。本設(shè)計(jì)中使用的是無源的BUZZER蜂鳴器，其優(yōu)點(diǎn)在于造價(jià)便宜、聲音頻率可控以及在特定情況下可以與LED共用一個(gè)控制口。所使用的LCD1602液晶顯示屏優(yōu)點(diǎn)包括：重量輕、體積小、易安置，是通過電極來控制液晶分子狀態(tài)的顯示設(shè)備，比傳統(tǒng)的顯示器要輕得多；顯示質(zhì)量較高并且不會閃爍，因?yàn)樵擄@示器上的每一個(gè)點(diǎn)在接收到信號后都會保持恒定的亮度和色彩；低功耗，該顯示器運(yùn)行時(shí)電量主要消耗在驅(qū)動和電極上。3.2硬件部分的電路連接本論文煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)中選用的單片機(jī)為AT89S51（因Proteus8中沒有AT89S51單片機(jī)的原件，故在電路設(shè)計(jì)和仿真中用與其在指令系統(tǒng)、引腳以及功能方面基本相似的AT89C51單片機(jī)來代替）。與AT89C51一樣，此類單片機(jī)工作穩(wěn)定、操作簡單且性價(jià)比高，較適合與初學(xué)者使用。單片機(jī)最小系統(tǒng)是單片機(jī)工作的核心部分，其中包括主要單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路等。圖3-3單片機(jī)最小系統(tǒng)圖3.2.1晶振電路如下圖所示，單片機(jī)的晶振電路連接在單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳上，該電路中包含了兩個(gè)30pF的電容和一個(gè)12MHz的晶振，其中晶振X1與18/19引腳并聯(lián)，電容C1和C2分別與18/19引腳串聯(lián)，另一端共同接地。圖3-4晶振電路圖3.2.2復(fù)位電路復(fù)位電路與9號引腳RST相連，此電路中包括一個(gè)10μF的電解電容、一個(gè)10KΩ的電阻與一個(gè)復(fù)位按鈕，連接方式則是電解電容C3與復(fù)位按鈕并聯(lián)后一端接電源，另一端與電阻R1一同接RST引腳，電阻R1另一端接電源地。除此之外，單片機(jī)最小系統(tǒng)中的其他引腳EA、ALE、PSEN，其中EA接電源正極5V，表示只有單片機(jī)的內(nèi)部存儲器被調(diào)用，ALE引腳和PSEN引腳則因?yàn)椴挥枚鴳铱?。在上電過程中，單片機(jī)需要保持在復(fù)位的狀態(tài)，從而避免在上電這個(gè)不穩(wěn)定的過程中執(zhí)行程序進(jìn)而產(chǎn)生誤動作甚至損壞電路。等到電源穩(wěn)定拉高以后、經(jīng)過一小段延遲時(shí)間，RST管腳的電平就開始逐步下降，直到低于判定門限后、單片機(jī)解除復(fù)位狀態(tài)、可以開始正常運(yùn)行程序。圖3-5復(fù)位電路圖3.2.3煙霧傳感器電路由于在Proteus8的元件庫沒有MQ-2敏感元件煙霧傳感器這一元件，并且MQ-2煙霧傳感器是電壓型輸出的，所以在仿真時(shí)使用總電阻為1KΩ的可調(diào)電位器POT—HG來代替，并將其連接在AD轉(zhuǎn)換器的CH0引腳上。ab圖3-6煙霧傳感器電路與仿真中所使用的元件3.2.4A/D轉(zhuǎn)換電路如下圖所示，將可調(diào)電位器POT—HG的滑動端接于ADC0832芯片的CH0口，其他引腳的連接方式為：CS口接在單片機(jī)的P1.3接口，用于控制芯片的開啟和關(guān)閉；VCC口接電源；CLK接單片機(jī)的P1.0，用于接收時(shí)鐘脈沖信號；由于DI口和DO口在通信時(shí)不會同時(shí)有效，并且與單片機(jī)的接口都為雙向，所以在使用時(shí)將DI口和DO口并聯(lián)然后接在單片機(jī)的P1.1口上；CH1口和GND口虛空即可。當(dāng)模擬煙霧濃度變化時(shí)只需要滑動可調(diào)電位器上的滑片。圖3-7A/D轉(zhuǎn)換電路3.2.5聲光報(bào)警電路如下圖所示，聲光報(bào)警電路中主要包括一個(gè)PNP型三極管、一個(gè)LED-RED燈、一個(gè)BUZZER蜂鳴器與兩個(gè)分別為1KΩ和100Ω的電阻。其中由三極管的基極過1KΩ電阻與單片機(jī)的P2.0相連，發(fā)射極連接電源，集電極與BUZZER蜂鳴器連接后接地，蜂鳴器并聯(lián)在LED-RED和一個(gè)100Ω電阻上。在工作時(shí)由于PNP型三極管導(dǎo)通需要在基極加低電平，所以在基極上加了一個(gè)上拉電阻。當(dāng)檢測到外界煙霧濃度超過閾值時(shí)，單片機(jī)的P3.3口向三極管基極發(fā)送低電平信號，三極管的發(fā)射極到集電極導(dǎo)通，使蜂鳴器發(fā)聲和LED燈發(fā)紅光。圖3-8聲光報(bào)警電路3.2.6顯示電路該顯示電路主要由LCD1602液晶和RESPACK-8排阻組成的顯示電路。液晶與單片機(jī)以及排阻的連接方式如下圖所示，LCD的數(shù)據(jù)/命令選擇端RS接單片機(jī)的P1.2引腳，使能信號端E接單片機(jī)的P1.4引腳，讀寫選擇端RW接電源地。液晶的D0—D7引腳以及排阻的2—9號引腳依次與單片機(jī)的P0.0—P0.7號引腳相連。因?yàn)橐话?1單片機(jī)P0口的內(nèi)部沒有上拉電阻，因此連接LCD液晶時(shí)不能輸出高電平，無法使液晶正常工作，所以需要接一個(gè)排阻并把排阻的公共端及1號端口接VCC，從而達(dá)到上拉使液晶正常工作。圖3-9LCD1602連接方式3.2.7按鍵電路如下圖所示，控制電路主要由兩個(gè)按鍵組成，分別是加鍵按鈕和減鍵按鈕，連接方式則是加、減兩個(gè)按鍵分別接在單片機(jī)的P1.5、P3.3兩個(gè)端口上，另一側(cè)分別接地連接地。兩個(gè)按鍵對應(yīng)的功能分別是加、減。使用時(shí)由LCD液晶的第一行顯示當(dāng)前的煙霧濃度值，第二行顯示設(shè)置的報(bào)警濃度，通過按加鍵和減鍵來調(diào)節(jié)預(yù)設(shè)值。圖3-11按鍵電路軟件開發(fā)編程環(huán)境介紹KeilC51是由KeilSoftware公司開發(fā)的可用于多種51系列單片機(jī)開發(fā)的編程軟件，Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（μVision）將這些部分組合在一起，是C語言、匯編語言等多種編程語言的集成開發(fā)平臺。[11]而本次設(shè)計(jì)中使用的KeilμVision3，與之前的版本相比增加了源代碼、功能導(dǎo)航器、模板編輯以及改進(jìn)的搜索功能，除此之外μVision3還提供了配置向?qū)Чδ?，能夠加速啟動代碼和配置文件的生成。本次煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)的軟件編程使用的編程語言為C語言，因?yàn)镃語言的描述由函數(shù)組成，是一種結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)語言，所以更容易實(shí)現(xiàn)模塊化，而且具有可讀性好，易于移植等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有和匯編語言一樣的位操作功能的硬件操控指令。家用煙霧報(bào)警器運(yùn)行總流程本設(shè)計(jì)中采用的是模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，這樣有利于系統(tǒng)的維護(hù)和程序功能的擴(kuò)充，其中系統(tǒng)中各個(gè)模塊的功能都是通過調(diào)用子程序來實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)說是用的程序有：主程序、煙霧濃度采集子程序、溫度采集子程序、聲光報(bào)警子程序、LCD液晶顯示子程序、AD轉(zhuǎn)換子程序以及按鍵子程序等。其主要報(bào)警流程如下圖所示，啟動程序后首先要對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后由煙霧濃度傳感器和溫度傳感器采集外界信息，其中煙霧濃度傳感器的信息需要經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換模塊的處理，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析后由液晶顯示模塊顯示出來，并判斷其數(shù)值是否超過所設(shè)定的閾值，若超過則啟動聲光報(bào)警子程序，沒有則返回繼續(xù)信息采集。圖4-1家用煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)總流程主程序設(shè)計(jì)主程序在運(yùn)行時(shí)首先依次對延時(shí)函數(shù)、時(shí)鐘、按鍵模塊、煙霧傳感器、聲光報(bào)警模塊進(jìn)行初始化，初始化完成后開始執(zhí)行程序的運(yùn)行，通過按鍵模塊調(diào)節(jié)和煙霧傳感器的檢測，最后啟動聲光報(bào)警模塊，完成家用煙霧報(bào)警檢測總流程，具體流程如下圖所示。圖4-2主程序流程子程序設(shè)計(jì)在總程序設(shè)計(jì)中由于需要編寫的程序比較復(fù)雜，需要將有不同功能的模塊獨(dú)立出來用相同的格式編寫成子程序，這樣能夠提供程序的總體運(yùn)行和編寫效率。當(dāng)需要某功能時(shí)可以通過子程序調(diào)用來運(yùn)行相應(yīng)的子程序，運(yùn)行完成后可跳回主程序繼續(xù)往下執(zhí)行。聲光報(bào)警子程序本部分是整個(gè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)中比較重要的一部分，是啟動報(bào)警功能的最重要組成。如下圖所示，首先程序開始運(yùn)行，系統(tǒng)初始化傳感器進(jìn)入預(yù)備工作狀態(tài)。通過按鍵模塊設(shè)定好報(bào)警閾值后，由煙霧傳感器采集室內(nèi)煙霧濃度信息，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化模塊送單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，當(dāng)檢測到的室內(nèi)煙霧濃度超過安全值時(shí)，就會自動啟動聲光報(bào)警子程序。單片機(jī)的IO就會向聲光報(bào)警電路發(fā)出低電平信號，由于PNP型三極管屬于基極低電平導(dǎo)通，所以向該電路發(fā)送低電平可以啟動蜂鳴器和LED燈。蜂鳴器會發(fā)出警報(bào)聲并且LED紅燈會發(fā)光，起到警示人們的作用。若沒有超過所設(shè)置的濃度閾值則繼續(xù)采集室內(nèi)的煙霧濃度信息。圖4-3聲光報(bào)警運(yùn)行流程A/D轉(zhuǎn)換子程序A/D轉(zhuǎn)換模塊在整個(gè)家用煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)中占有舉足輕重的作用，其核心功能就是對煙霧傳感器采集到的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。程序的主要運(yùn)行流程如下圖所示，首先啟動該程序進(jìn)行初始化，然后設(shè)置模擬輸入口啟動A/D轉(zhuǎn)換芯片。將由煙霧報(bào)警器輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，檢查是否轉(zhuǎn)換完成，沒有則繼續(xù)轉(zhuǎn)換，若轉(zhuǎn)換完成就將轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)。圖4-4A/D轉(zhuǎn)換流程調(diào)試與分析調(diào)試主要包括硬件電路的調(diào)試和軟件部分的調(diào)試，就是在Proteus下進(jìn)行仿真，然后測試運(yùn)行成果是否能達(dá)到預(yù)測，之后對測試中遇到的問題進(jìn)行分析。第一步硬件電路的建立：首先打開Proteus軟件，點(diǎn)擊“文件”，然后在下拉菜單中點(diǎn)擊“新建工程”，進(jìn)入“新建工程導(dǎo)向”界面，在該界面中鍵入工程名稱為“煙霧報(bào)警器”，然后點(diǎn)擊路徑后面的“瀏覽”，選擇桌面并對新建文件夾進(jìn)行命名為“畢業(yè)設(shè)計(jì)”，點(diǎn)擊“選擇文件夾”。退回到“新建工程導(dǎo)向”界面點(diǎn)擊“下一步”，選擇原理圖紙張大小后點(diǎn)擊“下一步”。依次點(diǎn)擊“下一步”直至“新建工程導(dǎo)向：總結(jié)”頁面，選擇“原理圖”后點(diǎn)擊“完成”。進(jìn)入“原理圖繪制”界面，在模型選擇工具欄里分別通過“元件模式”、“結(jié)點(diǎn)模式”以及“終端模式”等來選擇本設(shè)計(jì)中需要的各種元件，主要方式是點(diǎn)擊“挑選元件按鈕”和查看Proteus與元件名稱中英對照表來選擇需要的元件。按照前面的硬件電路設(shè)計(jì)圖將各個(gè)電路及元件連接起來。第二步軟件的編程：首先打開KEIL軟件，點(diǎn)擊“工程”菜單，選擇“新建工程”在“CreateNewProject”界面中選擇保存路徑為“畢業(yè)設(shè)計(jì)”文件夾，命名為“畢業(yè)設(shè)計(jì)”，點(diǎn)擊“保存”。在接下來出現(xiàn)的對話框中打開“ATMEL”選擇“AT89C51”，單擊“確定”，在是否把啟動文件加進(jìn)項(xiàng)目中點(diǎn)否。之后在工程窗口中右擊“Target1”選擇“OptionsforTarget’Target1’”，在出現(xiàn)的對話框中點(diǎn)擊“輸出”，勾選“創(chuàng)建HEX文件”點(diǎn)擊確定。之后在菜單欄依次點(diǎn)擊“文件”、“新建”，然后點(diǎn)擊保存，路徑為“畢業(yè)設(shè)計(jì)”，文件名稱后加擴(kuò)展名“.c”。之后在工程窗口中右擊“SourceGroup1”選擇“AddFilestoGroup’SourceGroup1’”，在里面選擇新建的文件“Text1.c”，選擇文件類型為.c，關(guān)閉此界面后開始編寫程序。程序編寫完成后點(diǎn)擊工具欄中的“BuildTarget”按鈕，即可生成hex文件。第三步開始仿真：重新打開“煙霧報(bào)警器”的Proteus文件，雙擊AT89C51單片機(jī)，在“ProgramFile”中找到“畢業(yè)設(shè)計(jì).hex”文件，打開后點(diǎn)擊確定。最后點(diǎn)擊界面左下角的“運(yùn)行仿真”按鈕，開始仿真。首先設(shè)置煙霧報(bào)警閾值，通過加鍵和減鍵將報(bào)警時(shí)的煙霧濃度調(diào)至80，操作結(jié)果如下圖所示。圖5-1然后通過可調(diào)電位器數(shù)值將調(diào)至80以下，用于模擬沒有火災(zāi)發(fā)生時(shí)的狀況。由于當(dāng)前煙霧濃度值并沒有超過剛才設(shè)定的閾值，所以