煙霧報(bào)警器畢業(yè)設(shè)計(jì)-

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1、學(xué) 生 設(shè) 計(jì) 用 紙 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 一、設(shè)計(jì)題目：煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì) 二、設(shè)計(jì)目的 設(shè)計(jì)一個(gè)由單片機(jī)控制的煙霧報(bào)警器，可以對(duì)房間的煙霧濃度進(jìn)行檢測(cè)，如果超過(guò)設(shè)定濃度，可以進(jìn)行聲、光報(bào)警。通過(guò)設(shè)計(jì)，掌握數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作原理、掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)步驟，進(jìn)一步提高綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。 三、設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求 （1）選擇傳感器，設(shè)計(jì)接口電路，要求煙霧濃度的范圍。 （2）設(shè)計(jì)聲光報(bào)警電路，要求達(dá)到設(shè)定濃度就進(jìn)行報(bào)警。 （3）煙霧報(bào)警器的信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)； 煙霧報(bào)警器的報(bào)警模塊設(shè)計(jì)；煙霧報(bào)警器的軟件設(shè)計(jì)。 四、設(shè)計(jì)工作任務(wù)進(jìn)度 第一周：查閱資料、調(diào)研、確立設(shè)計(jì)方案；選擇器件

2、。 第二周：系統(tǒng)總體方案和硬件的設(shè)計(jì)。 第三周：系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，并加以完善整個(gè)設(shè)計(jì)。 第四周：修改整個(gè)設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行答辯。 摘要 隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，防火工作越來(lái)越重要，但是目前國(guó)內(nèi)的許多研發(fā)都側(cè)重于大型場(chǎng)所的火災(zāi)報(bào)警。因此，我們就有必要研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的家庭煙霧報(bào)警器以適應(yīng)市場(chǎng)的需求?；诠┘彝ナ褂玫臒熿F報(bào)警器應(yīng)該具備的基本要求和功能，文章設(shè)計(jì)了一種比較適合的煙霧報(bào)警器。 本設(shè)計(jì)以傳感器和單片機(jī)作為煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)的核心器件，配合其它器件即可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警、自動(dòng)排煙換氣和消防滅火等功能。設(shè)計(jì)中單片機(jī)選用AT89C51作為控制器件，傳感器

3、選用QM-N5型氣體傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)煙霧的檢測(cè)。煙霧報(bào)警器主要由煙霧信號(hào)采集及前置放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、顯示電路、聲光報(bào)警電路和安全保護(hù)電路構(gòu)成，設(shè)計(jì)合理、簡(jiǎn)單易懂、價(jià)格低廉，使單片機(jī)在煙霧報(bào)警系統(tǒng)的控制中得到充分應(yīng)用，具有一定的實(shí)用價(jià)值。論文主要針對(duì)煙霧報(bào)警系統(tǒng)中的各個(gè)組成部分及功能進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和說(shuō)明，并對(duì)其主控電路和外圍設(shè)備電路之間的接口連接方式，以及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了重點(diǎn)的分析和講解。 關(guān)鍵詞：煙霧報(bào)警器；單片機(jī)；傳感器 Abstract With the deve

4、lopment of social and economic，the prevention of fire are more and more important.However, in the present, most of research and development of fire alarm systems only focus on large sites. Therefore, it is necessary to design a simple, economical and practical family Smoke Alarm to meet the market d

5、emand. Taking both the basic requirement and the function of family Smoke Alarms should have into account, thesis designs a suitable smoke alarm for household using. Which the sensor and the microcontroller of the design is the most important part of alarm devices, with other devices can achieve a

6、larming with sound and light, automatically reducing smoke and fighting fire ,etc. IN design, microcontroller used AT89C51 and select QM-N5 Gas Sensor to detect smoke. Smoke alarm mainly by the signal acquired circuit, A/D converted circuit, MCU controlled circuit,displayed circuit and alarming with

7、 sound and light circuit,reasonable design, simple structure, easy to use, inexpensive. As a result, the microcontroller in the control of the smoke alarm system is fully applied. Therefore, this design about smoke alarm has practical value. Thesis give detailed introduction for the function and the

8、ory of the various component parts of the alarm system, focus on the interface technology between its main controlled circuit and peripheral circuit, also give explanation of the software . Key words ：Smoke Alarm;MCU; sensor 目 錄 前言 3 第1章 報(bào)警器的概述 4 1.1 設(shè)計(jì)煙霧報(bào)警器的目的及意義 4 1.2

9、 火災(zāi)報(bào)警器的現(xiàn)狀及特點(diǎn) 4 1.3 火災(zāi)報(bào)警器的發(fā)張趨勢(shì) 5 第2章 系統(tǒng)的總方案設(shè)計(jì) 6 2.1 煙霧報(bào)警器的工作結(jié)構(gòu)和原理 6 2.2 煙霧傳感器的選型 7 2.2.1 煙霧傳感器的介紹 7 2.2.2 MQ-5半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器10 2.3 單片機(jī)的選型 11 2.3.1 AT89C51內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能12 2.3.2 中斷與定時(shí)系統(tǒng) 14 2.3.3 單片機(jī)外圍電路的擴(kuò)展 15 2.3.4 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路 16 2.4 A/D轉(zhuǎn)換器的選型18 2.5 顯示器的選擇 21 2.6 放大器的選型 22

10、 2.7 煙霧報(bào)警器的主要功能設(shè)計(jì) 22 第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 24 3.1 系統(tǒng)電源電路 24 3.2 AT89C51的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路 24 3.3 信號(hào)采集及前置放大電路 25 3.4 A/D轉(zhuǎn)換電路 26 3.5 聲音報(bào)警及消音鍵電路 27 3.6 字符顯示電路 27 3.7 狀態(tài)指示電路 28 3.8 安全保護(hù)電路 28 3.9 報(bào)警故障自診斷電路29 3.10 煙霧報(bào)警器硬件總電路 29 第4章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 31 4.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)及流程圖 31 4.2 主程序初始

11、化流程圖 32 4.3 報(bào)警子程序設(shè)計(jì)及流程圖 32 4.4 按鍵輸入設(shè)計(jì)子程序流程圖 34 附錄 35 總結(jié) 39 參考文獻(xiàn)40 前言 單片機(jī)及煙霧傳感器是煙霧報(bào)警器系統(tǒng)的兩大核心。單片機(jī)好比一個(gè)橋梁，聯(lián)系著傳感器和報(bào)警電路設(shè)備。近幾年來(lái)，單片機(jī)已逐步深入應(yīng)用到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各部門(mén)及人們生活的各個(gè)方面。各種類(lèi)型的單片機(jī)也根據(jù)社會(huì)的需求而開(kāi)發(fā)出來(lái)。單片機(jī)是器件級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)際上它是一個(gè)微控制器或微處理器。由于它功能齊全，體積小，成本低，因此它可以應(yīng)用到所有電子系統(tǒng)中。同樣，它也可以廣泛應(yīng)用于報(bào)警技術(shù)領(lǐng)域，使各類(lèi)報(bào)警裝置的功能更加完善，可靠性大大提高，以滿(mǎn)足社會(huì)發(fā)

12、展的需要。而傳感器作為信息技術(shù)系統(tǒng)的“感官”器件，如果沒(méi)有“感官”感受信息，或者“感官”遲鈍，都難以形成高精度、高速度的控制系統(tǒng)。美國(guó)曾把二十世紀(jì)八十年代稱(chēng)為傳感技術(shù)時(shí)代，日本更是把傳感技術(shù)列為十大技術(shù)之首。所以，根據(jù)報(bào)警器功能的需要，選擇合適、精確、經(jīng)濟(jì)的煙霧傳感器和單片機(jī)芯片是至關(guān)重要的。在本論文中的最主要的設(shè)計(jì)是選AT89C51單片機(jī)和QM-N5半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器為核心器件。 AT89C51單片機(jī)兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，功能強(qiáng)大，可供許多高性?xún)r(jià)比的場(chǎng)合應(yīng)用，能夠靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。QM-N5半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器在較寬的濃度范圍內(nèi)對(duì)可燃?xì)怏w有良好的靈敏度，壽命長(zhǎng)，

13、成本低，非常適用于家庭使用的氣體泄漏報(bào)警器。由這兩個(gè)核心器件設(shè)計(jì)而成的整個(gè)煙霧報(bào)警器系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警、報(bào)警狀態(tài)字符顯示、換氣扇排煙和噴水滅火等煙霧報(bào)警器應(yīng)有的功能，是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便、價(jià)格低廉、智能化的煙霧報(bào)警器，具有一定的實(shí)用價(jià)值。 目前，現(xiàn)代建筑都會(huì)有選擇地安裝不同功能的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。因?yàn)榛馂?zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)是建筑物的神經(jīng)系統(tǒng)，它能夠感受、接收著發(fā)生火災(zāi)的早期信號(hào)并及時(shí)報(bào)警，發(fā)出警報(bào)同時(shí)告知用戶(hù)和周邊居民。它就像是一個(gè)個(gè)稱(chēng)職的更夫，給居住、忙碌或是休息在家庭中的人們以極大的安全感。在火災(zāi)的早期階段，準(zhǔn)確的探測(cè)到火情并迅速報(bào)警，對(duì)于及時(shí)組織有序快速疏散、積極有效地控制火災(zāi)

14、的蔓延、快速滅火和減少火災(zāi)對(duì)居住人群的損失都具有重要的意義。 第1章 報(bào)警器的概述 1.1 設(shè)計(jì)煙霧報(bào)警器的目的及意義 隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，家庭火災(zāi)防不勝防，防火工作也就越來(lái)越重要。據(jù)美國(guó)消防學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì)，最近十多年中，安裝自動(dòng)消防設(shè)施的建筑中發(fā)生火災(zāi)，消防設(shè)施的有效率高達(dá)96.1%，確實(shí)起到了保證建筑物消防安全的作用。這是因?yàn)榛馂?zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)能夠及時(shí)將火災(zāi)跡象通知用戶(hù)及有關(guān)管理人員，以便他們準(zhǔn)備疏散或組織滅火，延長(zhǎng)了建筑物可供疏散的時(shí)間并通過(guò)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)其他消防設(shè)施。所以，設(shè)計(jì)一種能夠在火災(zāi)剛剛發(fā)生時(shí)或者有可燃?xì)怏w堆積引起的火災(zāi)隱患時(shí)就能報(bào)警的報(bào)警器就能使人們能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，并

15、及時(shí)采取有效措施，撲滅初期火災(zāi)，最大限度的減少或消除因火災(zāi)造成的生命危害和財(cái)產(chǎn)的損失，是人們同火災(zāi)做斗爭(zhēng)的有力工具。 目前我國(guó)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)只被安裝在重要建筑上，而在美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，包括許多居民家庭都安裝了火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。近幾年，國(guó)內(nèi)主要側(cè)重于大型場(chǎng)所的大型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的研發(fā)，而在居民住宅區(qū)等小型防火單位，卻需要安裝廉價(jià)實(shí)用的煙霧自動(dòng)報(bào)警裝置。由于我國(guó)人口不斷的增長(zhǎng)，土地也開(kāi)始的稀缺，所以為了緩解城市用地的緊張，居住的樓層不斷加高，這不但便于集中供電、供熱、供氣，而且也可以集中控制和管理。但是，人們?cè)谙硎苓@些現(xiàn)代設(shè)施帶來(lái)了便利的時(shí)候，卻也增加了火災(zāi)隱患。樓層多、人員密集，一旦發(fā)生火

16、災(zāi)，疏散困難，容易造成經(jīng)濟(jì)和人員的損失。如果在家庭中沒(méi)有安裝火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警器，一旦在家庭中發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)容易由不被發(fā)現(xiàn)的早期火災(zāi)而演變成為更大、更嚴(yán)重的大型火災(zāi)。結(jié)果是由于一家的起火，而火勢(shì)不能得到有效控制，使得火勢(shì)迅速蔓延并很快出現(xiàn)大面積燃燒。這不僅使的用戶(hù)本身遭受重大的損失，還容易形成“火燒連營(yíng)”的局面，給周邊家庭和場(chǎng)所造成無(wú)法估計(jì)的損失和嚴(yán)重的影響。據(jù)公安部消防局2011統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)，我國(guó)每年發(fā)生家庭火災(zāi)5萬(wàn)余起，死亡800余人，占火災(zāi)死亡人數(shù)的70%以上。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)新聞報(bào)道可知，英國(guó)每年發(fā)生50000起以上的嚴(yán)重家庭火災(zāi)，其中大部分火災(zāi)造成傷亡和重大的家庭財(cái)產(chǎn)損失，甚至連累左鄰右舍。由此可

17、見(jiàn)：家庭防火同樣是現(xiàn)今社會(huì)的重要家庭安防問(wèn)題，而且刻不容緩。家庭防火重在防患于未然，因此，我們就有必要研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的煙霧自動(dòng)報(bào)警器，以適應(yīng)市場(chǎng)的需求。 1.2 火災(zāi)報(bào)警器的現(xiàn)狀及特點(diǎn) 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)作為重要的建筑自動(dòng)消防設(shè)施，其技術(shù)進(jìn)步性表現(xiàn)報(bào)警時(shí)間提前、報(bào)警可靠性提高、特殊場(chǎng)所火災(zāi)的探測(cè)報(bào)警、報(bào)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、消防聯(lián)動(dòng)控制智能化、消防通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與計(jì)算機(jī)接警指揮管理等。 在國(guó)外，現(xiàn)在的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)已達(dá)到智能型、全總線型和綜合型，系統(tǒng)一旦報(bào)警，馬上在顯示器上出現(xiàn)報(bào)警探測(cè)器的具體地址，一目了然。近年來(lái)，我國(guó)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警工程應(yīng)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了較快發(fā)展，但由于在實(shí)際應(yīng)用中，火災(zāi)自

18、動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的通訊協(xié)議不一致，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警工程技術(shù)水平還相對(duì)落后，還存在著一些比較突出的問(wèn)題?，F(xiàn)階段，我國(guó)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的主要問(wèn)題有以下幾點(diǎn)： 1.適用范圍過(guò)小。 我國(guó)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)技術(shù)比美、英等發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚，適用范圍過(guò)有限，使得一般家庭用戶(hù)未能普及使用火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警器。由于家庭住宅等小單位的防范措施不到位，給家庭生活帶來(lái)了許多的不方便和一定的損失。 2.智能化程度低。 我國(guó)使用的火災(zāi)探測(cè)器雖然都進(jìn)行了智能化設(shè)計(jì)，但由于傳感器件探測(cè)的參數(shù)較少、支持系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)不成熟、各種算法的準(zhǔn)確性缺乏足夠驗(yàn)證、火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)不健全等，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)難以準(zhǔn)確判定粒子(煙氣)的濃度、現(xiàn)場(chǎng)溫度

19、、光波的強(qiáng)度以及可燃?xì)怏w的濃度、電磁輻射等指標(biāo)，造成遲報(bào)、誤報(bào)、漏報(bào)情況較多。 3.網(wǎng)絡(luò)化程度低。 我國(guó)應(yīng)用的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)形式基本上以區(qū)域火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、集中火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)和控制中心火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)為主，安裝形式主要是集散控制方式，自成體系，自我封閉，尚未形成區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)化火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。 4.組件連接方式有待改善。 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)以多線制和總線制連接方式為主，探測(cè)器和報(bào)警器及控制器之間是采用兩條或多條的銅芯絕緣導(dǎo)線或銅芯電纜穿管相接，存在耗材多、成本高、抗干擾能力差的缺點(diǎn)。同時(shí)，銅導(dǎo)線耐高溫性能差、易磨損，系統(tǒng)施工維修復(fù)雜，影響了火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的可靠性和更廣泛的應(yīng)用。

20、5.火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)誤報(bào)、漏報(bào)問(wèn)題較多。 由于火災(zāi)探測(cè)器的安裝環(huán)境極其復(fù)雜，加之各種傳感器在探測(cè)火災(zāi)方面存在著某些先天不足，無(wú)法準(zhǔn)確地感應(yīng)各種物質(zhì)在燃燒過(guò)程中所特有的聲波、光譜、輻射、氣味等諸多方面發(fā)生的微妙變化，對(duì)火災(zāi)發(fā)生過(guò)程中所產(chǎn)生的不同粒徑和顏色的煙霧存在探測(cè)“盲區(qū)”，誤報(bào)、漏報(bào)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。 1.3 火災(zāi)報(bào)警器的發(fā)展趨勢(shì) 面對(duì)人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與技術(shù)急速發(fā)展的時(shí)代，伴隨這電子、計(jì)算機(jī)、通訊和現(xiàn)代控制技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警應(yīng)用技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)正在向著全總線制、軟件編程、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、多樣化、小型化、社區(qū)化、藍(lán)牙技術(shù)無(wú)線化、高靈敏化、綜合化等方面發(fā)展。 針對(duì)當(dāng)前火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)存

21、在的通訊協(xié)議不一致，系統(tǒng)誤報(bào)、漏報(bào)頻繁，智能化程度低，網(wǎng)絡(luò)化程度低、特殊惡劣環(huán)境的火災(zāi)探測(cè)報(bào)警抗干擾等問(wèn)題較為突出的現(xiàn)象，提出在符合國(guó)家消防規(guī)范的基礎(chǔ)下采用統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)放的通訊協(xié)議。通過(guò)對(duì)新技術(shù)、新工藝、新材料和新設(shè)備的應(yīng)用研究，對(duì)系統(tǒng)方案、設(shè)備選型的優(yōu)化組合，改進(jìn)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的工作性能、減少維護(hù)費(fèi)用和維護(hù)要求，向著高可靠性、高靈敏性、低誤報(bào)率、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、技術(shù)智能化方向發(fā)展，為更好的預(yù)防和遏制建筑火災(zāi)提供了強(qiáng)有力的保障，從而更好的保護(hù)國(guó)家和人民的生命、財(cái)產(chǎn)安全。 第2章 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) 2.1 煙霧報(bào)警器的結(jié)構(gòu)和工作原理 煙霧報(bào)警器是能夠檢測(cè)環(huán)境中的煙霧濃度，并具有報(bào)警功

22、能的儀器。該報(bào)警系統(tǒng)的最基本組成部分應(yīng)包括：信號(hào)采集及前置放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、字符顯示電路、聲光報(bào)警電路和安全保護(hù)電路等部分組成。 為適應(yīng)家庭和工業(yè)等場(chǎng)所對(duì)可燃性易爆煙霧安全性要求，設(shè)計(jì)的煙霧報(bào)警器具有顯示報(bào)警狀態(tài)、故障自檢、換氣排煙和自動(dòng)滅火等功能。報(bào)警器采用延時(shí)的工作方式，煙霧檢測(cè)報(bào)警器以單片機(jī)為控制核心，煙霧傳感器采集煙霧濃度信息，配合外圍電路構(gòu)成煙霧報(bào)警系統(tǒng)。報(bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1。 煙 霧 傳 感 器 放大電路 A/ D 轉(zhuǎn)換 單 片 機(jī) 調(diào) 節(jié) 閥 LED狀態(tài)指示燈 蜂鳴器 數(shù)碼管字符顯示 換

23、 氣 扇 圖2-1 可燃煙霧報(bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 該系統(tǒng)的工作由煙霧信號(hào)采集及放大電路將采集到的煙霧濃度信息轉(zhuǎn)化為放大的模擬電信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路再將該模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)后送入單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，并對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。當(dāng)輸入A/D轉(zhuǎn)換器的放大信號(hào)不為零時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警電路。反之則為正常工作狀態(tài)。 設(shè)計(jì)中為了方便檢測(cè)與監(jiān)控，使儀器測(cè)試人員及用戶(hù)能夠間接知道環(huán)境中的煙霧濃度，所以用數(shù)碼管顯示字符來(lái)指示報(bào)警狀態(tài)。系統(tǒng)采用蜂鳴器聲音報(bào)警和LED閃爍狀態(tài)作為警報(bào)信號(hào)。這種報(bào)警方法是在聲音報(bào)警基礎(chǔ)上，加入光閃報(bào)警。因?yàn)樽兓墓庑盘?hào)可以引起用戶(hù)和家庭鄰居的注

24、意，彌補(bǔ)了在嘈雜環(huán)境中聲音報(bào)警的局限，使得報(bào)警裝置更加完善。在報(bào)警啟動(dòng)的同時(shí)，單片機(jī)控制器還可以控制調(diào)節(jié)閥噴水滅火和換氣扇排煙動(dòng)作。 系統(tǒng)中留有繼電器接口，使單片機(jī)能夠控制換氣風(fēng)扇和調(diào)節(jié)閥的工作狀態(tài)，讓系統(tǒng)在報(bào)警的同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)相關(guān)安全裝置。另外由于煙霧傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反應(yīng)越快，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間就越快。為提高響應(yīng)時(shí)間，保證傳感器準(zhǔn)確地、穩(wěn)定地工作，報(bào)警器需要向煙霧傳感器持續(xù)輸出一個(gè)5V的電壓。為了保證其可靠性，在輸出5V的電壓的同時(shí)，進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)。當(dāng)傳感器加熱絲或電纜線和傳感器斷線或接觸不良時(shí)，進(jìn)行故障報(bào)警。以上是根據(jù)報(bào)警器應(yīng)具備的功能，提出的整體設(shè)計(jì)思路。 2.2

25、煙霧傳感器的選型 煙霧傳感器是測(cè)量裝置和控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。而煙霧報(bào)警器的信號(hào)采集由煙霧傳感器負(fù)責(zé)。煙霧傳感器能夠?qū)怏w的種類(lèi)及其濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱就可以獲得與待測(cè)氣體在環(huán)境中存在的情況有關(guān)的信息，從而達(dá)到檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警的功能。可以說(shuō)，沒(méi)有精確可靠的傳感器，就沒(méi)有精確可靠的自動(dòng)檢測(cè)、控制和報(bào)警系統(tǒng)。煙霧傳感器作為報(bào)警器中不可缺少的核心器件，它決定了所采集的煙霧濃度信號(hào)的準(zhǔn)確性和可靠性。 2.2.1 煙霧傳感器的介紹 煙霧傳感器是模擬傳感器。它能將空氣中的煙霧濃度變量轉(zhuǎn)換成有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系的輸出信號(hào)的裝置。煙霧傳感器就是通過(guò)監(jiān)測(cè)環(huán)境中煙霧的濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范的

26、。當(dāng)煙霧探頭碰到煙霧或某些特定的氣體，煙霧探頭內(nèi)部阻值發(fā)生變化，產(chǎn)生一個(gè)模擬值，從而對(duì)其進(jìn)行控制。煙霧傳感器利用煙霧敏感元件的電阻受煙霧（主要是可燃顆粒）濃度影響阻值變化的原理向單片機(jī)發(fā)送煙霧濃度相應(yīng)的模擬信號(hào)。 在智能建筑中對(duì)火災(zāi)探測(cè)器的應(yīng)用主要以感煙火災(zāi)探測(cè)器選用為主。隨著傳感器生產(chǎn)工藝水平逐步提高，傳感器日益小型化、集成度不斷增大，使得煙霧探測(cè)器的體積也逐漸變小，提高了煙霧探測(cè)器的便攜性，更加利于生產(chǎn)、運(yùn)輸和市場(chǎng)推廣。目前，煙霧傳感器廣泛應(yīng)用在城市安防、小區(qū)、工廠、公司、學(xué)校、家庭、別墅、倉(cāng)庫(kù)、資源、石油、化工、燃?xì)廨斉涞缺姸囝I(lǐng)域。 1.煙霧傳感器應(yīng)滿(mǎn)足的基本條件 一個(gè)煙霧傳感器可

27、以是單功能的，也可以是多功能的；可以是單一的實(shí)體，也可以是由多個(gè)不同功能傳感器組成的陣列。 但是，任何一個(gè)完整的煙霧傳感器都必須具備的條件： (1)能選擇性地檢測(cè)某種單一煙霧，而對(duì)共存的其它煙霧不響應(yīng)或低響應(yīng)；(2)對(duì)被測(cè)煙霧具有較高的靈敏度，能有效地檢測(cè)允許范圍內(nèi)的煙霧濃度；(3)對(duì)檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)速度快，重復(fù)性好；(4)長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性好；(5)使用壽命長(zhǎng)；(6)制造成本低，使用與維護(hù)方便。 2.煙霧傳感器的分類(lèi) 從構(gòu)成氣體傳感器材料的形態(tài)上通常將它們分為干式和濕式氣體傳感器。由于對(duì)不同氣體的檢測(cè)方法不盡相同，目前主要的方法有：利用半導(dǎo)體氣體器件檢測(cè)的電氣法；使用電極和電解液對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)

28、的電化學(xué)法；利用氣體對(duì)光的折射率或光吸收等特性來(lái)檢測(cè)氣體的光學(xué)法。 3.常見(jiàn)的煙霧探測(cè)器種類(lèi)及工作原理 為了確保家庭環(huán)境的安全，需要對(duì)各種可燃性氣體、有毒性氣體進(jìn)行檢測(cè)。但是，由于煙霧的種類(lèi)繁多，一種類(lèi)型的煙霧傳感器不可能檢測(cè)所有的氣體，通常只能檢測(cè)某一種或兩種特定性質(zhì)的煙霧。例如氧化物半導(dǎo)體煙霧傳感器主要檢測(cè)各種還原性煙霧，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固體電解質(zhì)煙霧傳感器主要用于檢測(cè)無(wú)機(jī)煙霧，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。因此目前使用的煙霧傳感器有很多種，各自的檢測(cè)原理也各不相同，下面就對(duì)一些常用的煙霧傳感器進(jìn)行介紹。 (1)半導(dǎo)體煙霧傳感器（半導(dǎo)體氣敏傳感器

29、） 半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)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(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器。半導(dǎo)體煙霧傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的。按照敏感機(jī)理分類(lèi)，半導(dǎo)體煙霧傳感器可分為電阻式和非電阻式。當(dāng)半導(dǎo)體接觸到氣體時(shí)，半導(dǎo)體的電阻值將發(fā)生變化，利用傳感器輸出端阻值的變化來(lái)測(cè)定或控制氣體的有關(guān)參數(shù)，這種類(lèi)型的傳感器稱(chēng)為電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器。當(dāng)MOS場(chǎng)效應(yīng)管在接觸到氣體時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管的電壓將隨周?chē)鷼怏w狀態(tài)的不同而發(fā)生變化，利用這種原理制成的傳感器被稱(chēng)為非電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器。半導(dǎo)體氣敏元件也有N型和P型之分；N型在檢測(cè)時(shí)阻值隨煙霧濃度

30、的增大而減小；P型阻值隨煙霧濃度的增大而增大。半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類(lèi)如表2-1所示。 表2-1半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類(lèi) 類(lèi)型 所利用的特性 工作溫度 代表性被測(cè)氣體 電 阻 式 表面電阻控制 300~450℃ 可燃性氣體 體電阻控制 300~450℃ 乙醇、可燃性氣體 非電 阻式 二極管整流特性 室溫~200℃ H2、CO、乙醇 晶體管特性 150℃ H2、H2S 半導(dǎo)體金屬氧化物煙霧傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快、輸出信號(hào)強(qiáng)、耐久性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、維修方便、價(jià)格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)，從而得到了廣泛的應(yīng)用。但是其最大的缺點(diǎn)就是選擇性較差。該傳感器己

31、成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的煙霧傳感器之一。 (2)接觸燃燒式傳感器 當(dāng)易燃煙霧接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時(shí)會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)而燃燒。接觸燃燒式氣體傳感器的檢測(cè)元件一般為鉑絲（也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層），使用時(shí)對(duì)鉑絲通電流，保持300℃～400℃的高溫，此時(shí)若與可燃性氣體接觸，可燃性氣體就會(huì)在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會(huì)上升，鉑絲的電阻值也上升；通過(guò)測(cè)量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道可燃性氣體的濃度。使用接觸燃燒式傳感器，其最大的缺點(diǎn)是探頭很容易發(fā)生阻緩和中毒現(xiàn)象。一般在連續(xù)使用兩個(gè)月后應(yīng)對(duì)該傳感器進(jìn)行維護(hù)。這無(wú)形中加大了工作人員的工作量，同時(shí)增加了報(bào)警器的維護(hù)成本

32、。 (3) 電化學(xué)傳感器 電化學(xué)傳感器由膜電極和電解液封裝而成。電化學(xué)氣敏傳感器一般利用液體（或固體、有機(jī)凝膠等）電解質(zhì)，其輸出形式可以是氣體直接氧化或還原產(chǎn)生的電流，也可以是離子作用于離子電極產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。即煙霧濃度信號(hào)將電解液分解成陰陽(yáng)帶電離子，通過(guò)電極將信號(hào)傳出。它的優(yōu)點(diǎn)是：反映速度快、準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測(cè)，但壽命較短(大約兩年)。它主要適用于毒性煙霧檢測(cè)。目前國(guó)際上絕大部分毒氣檢測(cè)采用該類(lèi)型傳感器。 (4) 高分子煙霧傳感器 利用高分子氣敏元件制作的煙霧傳感器近年來(lái)得到很大的發(fā)展。高分子氣敏元件在遇到特定煙霧時(shí)，其電阻、介電常數(shù)、材料表面聲波傳播速度和頻率、材料重

33、量等物理性能發(fā)生變化。高分子氣敏元件由于具有易操作性、工藝簡(jiǎn)單、常溫選擇性好、價(jià)格低廉、易與微結(jié)構(gòu)傳感器和聲表面波器件相結(jié)合，在毒性煙霧和食品鮮度等方面的檢測(cè)中具有重要作用。高分子煙霧傳感器具有對(duì)特定煙霧分子靈敏度高，選擇性好，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能在常溫下使用，可以彌補(bǔ)其它煙霧傳感器的不足。 (5) 紅外吸收型傳感器 紅外傳感器通常用兩束紅外光進(jìn)行煙霧測(cè)量，主光束通過(guò)測(cè)量元件內(nèi)的目標(biāo)煙霧，參考光束通過(guò)比較元件內(nèi)的參考煙霧。在測(cè)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(cè)器測(cè)量，產(chǎn)生一個(gè)正比于目標(biāo)煙霧濃度的差分信號(hào)。非擴(kuò)散式紅外探測(cè)器NDIR (non-dispers

34、ive IR )是其中的一種，所有的未吸收光全部以最小的擴(kuò)散和損耗被記錄下來(lái)。 由于不同的煙霧吸收不同波長(zhǎng)的IR，所以傳感器根據(jù)目標(biāo)煙霧而調(diào)整，典型應(yīng)用包括測(cè)量CO和CO2、冷凍劑煙霧和一些易燃?xì)狻Ｓ捎诜翘細(xì)浠衔镆兹紵熿F(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(cè)量碳?xì)浠衔?，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(biāo)煙霧的影響。 （6）離子感煙傳感器 離子感煙傳感器對(duì)于火災(zāi)初起和陰燃階段的煙霧氣溶膠檢測(cè)非常有效，可測(cè)煙霧粒徑范圍為0.03um-10um。它在內(nèi)外電離室里面有放射源镅241。由于它能使兩極板間空氣分子電離為正、負(fù)離子，使電極之間

35、原來(lái)不導(dǎo)電的空氣具有導(dǎo)電性。在正常的情況下，內(nèi)外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙霧粒子進(jìn)入電離室后，電力部分（區(qū)域）的正離子和負(fù)離子被吸附到煙霧粒子上，使正、負(fù)離子相互中和的概率增加，從而將煙霧粒子濃度大小以電流變化量大小表示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)參數(shù)的檢測(cè)。 （7）光電式感煙傳感器 光電式感煙傳感器由光源、光敏元件和電子開(kāi)關(guān)組成。平常光源發(fā)出的光，通過(guò)透鏡射到光敏元件上，電路維持正常，如果有煙霧從中阻隔，到達(dá)光敏元件上的光就顯著減弱，于是光敏元件就把光強(qiáng)的變化變成電的變化，利用光散射原理對(duì)火災(zāi)初期產(chǎn)生的煙霧進(jìn)行探測(cè)，并及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。按照光源不同，可分為一般光電式、激光

36、光電式、紫外光光電式和紅外光光電式等4種。 光電式感煙探測(cè)器發(fā)展很快，種類(lèi)不斷增多，就其功能而言，它能實(shí)現(xiàn)早期火災(zāi)報(bào)警，除應(yīng)用于大型建筑物內(nèi)部外，還特別適用于電氣火災(zāi)危險(xiǎn)性較大的場(chǎng)所，如計(jì)算機(jī)房、儀器儀表室和電纜溝、隧道等處。 根據(jù)報(bào)警器檢測(cè)煙霧種類(lèi)的不同要求，很多場(chǎng)合都會(huì)選擇使用半導(dǎo)體煙霧傳感器。經(jīng)過(guò)對(duì)比眾多煙霧傳感器的應(yīng)用特性，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體煙霧傳感器的優(yōu)點(diǎn)更加突出。半導(dǎo)體煙霧傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，且不會(huì)發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護(hù)成本較低，因而得到廣泛應(yīng)用。因此，本設(shè)計(jì)中的煙霧傳感器選用MQ-5半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器。 2.2.2 MQ-

37、5半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器 MQ-5半導(dǎo)體傳感器是以清潔空氣中電導(dǎo)率較低的金屬氧化物二氧化錫(SnO2)為主體的N型半導(dǎo)體氣敏元件。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。在設(shè)計(jì)報(bào)警器時(shí)只有使用簡(jiǎn)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(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。該傳感器具備一般半導(dǎo)體煙霧傳感器靈敏度高、電導(dǎo)率變化大、響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間短、抗干擾能力強(qiáng)、輸出信號(hào)大、壽命長(zhǎng)和工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在市面上應(yīng)用十分廣泛。 圖2-2 MQ-5半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器結(jié)構(gòu) 二氧化錫(SnO2)半導(dǎo)體氣敏元件特點(diǎn):(1) SnO2材料的物理、化學(xué)穩(wěn)定性較好，與其他類(lèi)型氣敏元

38、件相比，SnO2氣敏元件壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好、耐腐蝕性強(qiáng)。(2) SnO2氣敏元件對(duì)氣體檢測(cè)是可逆的，而且吸附、脫離時(shí)間短，可連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間使用。(3) SnO2氣敏元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠行較高，機(jī)械性能良好。 MQ-5氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖2-3所示，由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感層,測(cè)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6只針狀管腳，其中４個(gè)用于信號(hào)取出，2個(gè)用于提供加熱電流。 MQ-5半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器適用于天然氣、煤氣、氫氣、烷類(lèi)氣體、汽油、煤油、乙炔、氨氣、煙霧等的檢測(cè)，對(duì)可燃性氣體的（CH4

39、、C4H10、H2等）的檢測(cè)很理想。這種傳感器在較寬的濃度范圍內(nèi)對(duì)可燃?xì)怏w有良好的靈敏度，能夠檢測(cè)多種可燃性氣體，十分適合應(yīng)用在家庭的氣體泄漏報(bào)警器中。是一款便攜式氣體檢測(cè)器，非常適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。其技術(shù)指標(biāo)表2-2。 表2-2 MQ-5的技術(shù)指標(biāo) 加熱電壓（Vh） AC或DC 50.2V 回路電壓（Vc） 最大DC24V 負(fù)載電阻（R1） 2 KΩ 清潔空氣中電阻（Ra） ≤2000 KΩ 靈敏度（S=Ra/Rdg） ≥4（在1000ppmC4H10中） 響應(yīng)時(shí)間（trec） ≤10S 恢復(fù)時(shí)間（trec） ≤30S 原件功耗 ≤0.7W 檢測(cè)范

40、圍 50~10000ppm 使用壽命 2年 由于物理量和測(cè)量范圍的不同，傳感器的工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)就不同。通常煙霧傳感器輸出的電信號(hào)是模擬信號(hào)（已有許多新型傳感器采用數(shù)字量輸出）。當(dāng)信號(hào)的數(shù)值符合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入等級(jí)時(shí)，可以不用放大器放大；當(dāng)信號(hào)的數(shù)值不符合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入等級(jí)時(shí)，就需要放大器放大。所以MQ-5半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器要想把采集到的煙霧濃度模擬信號(hào)傳送給單片機(jī)控制器就必須經(jīng)過(guò)放大器進(jìn)行放大處理，之后才能將模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為可以識(shí)別的電信號(hào)給單片機(jī)。 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意，氣敏元件開(kāi)機(jī)通電時(shí)，其內(nèi)阻很小，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，才能恢復(fù)到原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)。因此，MQ-5氣體

41、傳感器需開(kāi)機(jī)預(yù)熱幾分鐘，才可投入使用，以免造成誤報(bào)。 2.3 單片機(jī)的選型 單片機(jī)是煙霧報(bào)警系統(tǒng)的心臟，用來(lái)接收火災(zāi)型號(hào)并啟動(dòng)報(bào)警裝置顯示和執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)和消防動(dòng)作。在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制功能中，需要單片機(jī)有較快的運(yùn)算速度，是檢測(cè)人員和用戶(hù)在報(bào)警系統(tǒng)正常工作是能夠及時(shí)地觀測(cè)到實(shí)時(shí)的煙霧濃度等級(jí)，并進(jìn)行相應(yīng)處理。同時(shí)，在能夠滿(mǎn)足報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的計(jì)算速度及接口功能要求的同類(lèi)型單片機(jī)中，要求考慮選擇價(jià)格低廉且體積輕巧的機(jī)型，在保證報(bào)警器的精準(zhǔn)性、可靠性及抗干擾性的基礎(chǔ)上，能夠不斷提高成本，縮小體積。 由于單片機(jī)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，世界上許多集成電路生產(chǎn)廠家相繼推出了各種類(lèi)型的單片機(jī)，

42、在單片機(jī)家族的眾所成員中，Intel公司的MCS-51和ATMEL公司的89系列單片機(jī)以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)及高可靠性和高性能價(jià)格比，迅速占領(lǐng)了工業(yè)測(cè)控和自動(dòng)化工程應(yīng)用的主要市場(chǎng)，成為國(guó)內(nèi)單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中的主流。它們的功能、指令、管腳基本相同，主要差別在于ROM和RAM。8031、8032片內(nèi)無(wú)ROM，需要外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器；8051、8052為片內(nèi)掩膜ROM，供一次程序固化；8751、8752為光可擦片內(nèi)ROM，由于擦寫(xiě)不方便，廠家生產(chǎn)家少；ATMEL89C51、89C52為Flash存儲(chǔ)器，擦寫(xiě)方便，為市場(chǎng)流行主流品種。 因此，測(cè)控系統(tǒng)中，使用ATMEL公司的89系列單片機(jī)是最理想的選擇

43、，又在根據(jù)本設(shè)計(jì)對(duì)單片機(jī)在系能上、可靠性和性?xún)r(jià)比上，因此本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)AT89C51型號(hào)。 2.3.1 AT89C51內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能部件 1.AT89C51內(nèi)部結(jié)構(gòu) AT89C51內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2-3所示，它包括CPU、存儲(chǔ)器（ROM、RAM）、I/O接口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷控制器等。這些部件集成在一塊芯片上，片內(nèi)各功能部件通過(guò)內(nèi)部總線相互連接。 單片機(jī)在存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)上，嚴(yán)格地將程序存儲(chǔ)器（ROM）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）在空間上分開(kāi)，并使用不同的尋址方式和地址指針。ROM用來(lái)存放調(diào)試好的程序指令、常數(shù)和數(shù)據(jù)表格，RAM則用來(lái)存放少量的隨機(jī)數(shù)據(jù)。采用這種存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)主需要較大的程序空

44、間和較小的隨機(jī)數(shù)存儲(chǔ)空間。 中斷控制器 CPU OSC 4KB ROM 128B RAM 定時(shí)/計(jì)數(shù)器 C/T0，C/T1 總線控制 4個(gè)I/O口 串行口 T0 T1 XTAL1 XTAL2 ALE P0 P1 P2 P3 RXD TXP 圖2-3 89C51結(jié)構(gòu)方框圖 2.AT89C51單片機(jī)的主要功能部件： (1) 8位CPU。 (2) 片內(nèi)振蕩器：振蕩頻率0~24MHz。

45、 (3) 4KB片內(nèi)Flash ROM,片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址范圍64KB。 (4) 128B片內(nèi)RAM，片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址范圍64KB。 (5) 21個(gè)專(zhuān)用存儲(chǔ)器。 (6) 4個(gè)8位并行I/O接口：P0、P1、P2、P3。 (7) 1個(gè)全雙工串行接口。 (8) 2個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器。 (9) 5個(gè)中斷源，可編為兩個(gè)優(yōu)先級(jí)。 (10)111條指令，含乘、除法各1條。 (11)單總線結(jié)構(gòu)。 (12)單一 +5V電源。 3.引腳及功能 AT89C51單片機(jī)有40個(gè)引腳，如圖2-4所示。根據(jù)功能不同，40個(gè)引腳可分為四類(lèi)。 圖2-4 AT89C51芯片引腳圖 （1）

46、電源引腳 1）Vcc（40）：接 +5 V電源。 2）GND（20）：接地。 （2）外接晶振引腳 1）XTAL1（19）：片內(nèi)反相放大器輸入端。 2）XTAL2（18）：片內(nèi)反相放大器輸出端。 通過(guò)XTAL1、 XTAL2外接晶振后，即可構(gòu)成自激振蕩器，驅(qū)動(dòng)內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器向主機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)。 （3）輸入/輸出引腳 1）P0.0~P0.7(39~32)：P0口是一個(gè)8為雙向I/O口。在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器或進(jìn)行I/O擴(kuò)展時(shí)，它分為低8位地址中線和雙向數(shù)據(jù)總線。 2）P1.0~P1.7(1~8)：P1口是一個(gè)8位準(zhǔn)雙向I/O口。 3）P2.0~P2.7(21~28)：P2口是一個(gè)8

47、位準(zhǔn)雙向I/O口。在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，它作為高8位地址總線。 4）P3.0~P3.7(10~17)：P3口除作為普通8位準(zhǔn)雙向I/O口外，還具有第二功能。 （4）控制引腳 1）AEL/(30)：地址鎖存控制信號(hào)。 2）（29）：外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。是外部ROM的讀選通信號(hào)，低電平時(shí)有效。 3）/Vpp(31)：訪問(wèn)存儲(chǔ)器控制信號(hào)。當(dāng) = 0時(shí)，單片機(jī)只能訪問(wèn)片外程序存儲(chǔ)器；當(dāng) = 1時(shí)，單片機(jī)訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器后，訪問(wèn)片外程序存儲(chǔ)器。 4）RST（9）：復(fù)位信號(hào)輸入端。高電平時(shí)完成復(fù)位，使單片機(jī)回復(fù)到初始狀態(tài)。 AT89C51單片機(jī)提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k 字節(jié)Flash 閃速

48、存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個(gè)I／O 口線，兩個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)／計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 2.3.2中斷與定時(shí)系統(tǒng) 1.中斷系統(tǒng) 所謂中斷，就是在CPU執(zhí)行程序過(guò)程中，由于某些事件發(fā)生，強(qiáng)迫CPU暫時(shí)停止正在執(zhí)行的程序轉(zhuǎn)而去發(fā)生的事件進(jìn)行處理，事件處理結(jié)束后又回到原中止的程序，接著中止

49、前的狀態(tài)繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的程序，這一過(guò)程稱(chēng)為中斷。 （1）中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 單片機(jī)AT89C51中斷系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。單片機(jī)芯片中有5個(gè)中斷源，由特殊功能寄存器TCON（定時(shí)/計(jì)數(shù)器控制寄存器）和SCON(串行口控制寄存器)的相應(yīng)表示了各中斷源的狀態(tài)。中斷源具有高、低兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，由中斷優(yōu)先級(jí)控制器寄存器IP來(lái)設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)2級(jí)中斷服務(wù)程序嵌套。 單片機(jī)是通過(guò)控制寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)中斷源的控制。用于中斷控制的控制寄存器共四個(gè)，即定時(shí)/計(jì)數(shù)器控制寄存器（TOCON）、串行口控制寄存器（SCON）、中斷允許控制寄存器（IE）以及中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器。 圖2-5 單片機(jī)AT89C5

50、1中斷系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 單片機(jī)的五個(gè)中斷源可分為三類(lèi)：外部中斷（2個(gè)）、定時(shí)中斷（2個(gè)）和串行中斷（1個(gè)）。 外部中斷是由外部信號(hào)引起的，共有兩個(gè)中斷源： 1）外部中斷“0”，其中斷請(qǐng)求信號(hào)由引腳（P3.2)引入，中斷請(qǐng)求標(biāo)準(zhǔn)為IE0。 2）外部中斷“1”，其中斷請(qǐng)求信號(hào)由引腳（P3.3)引入，中斷請(qǐng)求標(biāo)準(zhǔn)為IE1。 定時(shí)中斷是為了滿(mǎn)足完成定時(shí)或者計(jì)數(shù)的需要而設(shè)置的，共兩個(gè)中斷源： 1）定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0溢出中斷請(qǐng)求，中斷請(qǐng)求標(biāo)志位為T(mén)F0。 2）定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1溢出中斷請(qǐng)求，中斷請(qǐng)求標(biāo)志位為T(mén)F1。 串行中斷是為滿(mǎn)足串行數(shù)據(jù)傳送的需要為設(shè)置的。每當(dāng)串行口接收或收獲完一組串行數(shù)據(jù)時(shí)

51、，就產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求。中斷請(qǐng)求標(biāo)志位為T(mén)I或RI。 （2）中斷處理過(guò)程 中斷處理過(guò)程可分為三個(gè)階段：中斷響應(yīng)、中斷處理和中斷返回。 中斷響應(yīng)就是CPU對(duì)對(duì)中斷源提出的中斷請(qǐng)求的接受。也就是當(dāng)CPU查詢(xún)到有效的中斷請(qǐng)求，并滿(mǎn)足中斷響應(yīng)條件時(shí)，緊接著就進(jìn)行中斷響應(yīng)。但CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求后，在中斷返回前必學(xué)必須進(jìn)行撤銷(xiāo)請(qǐng)求，否則會(huì)錯(cuò)誤的再一次引起中斷。從中斷服務(wù)程序的第一條指令開(kāi)始到返回指令為止，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為中斷處理或中斷服務(wù)。 2.定時(shí)系統(tǒng) 單片機(jī)共有兩個(gè)可編程的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，分別稱(chēng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器0和定時(shí)/計(jì)數(shù)器1。他們都是十六位加法計(jì)數(shù)結(jié)構(gòu)，分別由TH0和TL0及TH1和TL1兩個(gè)8位計(jì)

52、數(shù)器組成。每個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器都具有定時(shí)和計(jì)數(shù)兩種功能。 定時(shí)功能就是通過(guò)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。不過(guò)此時(shí)的技術(shù)脈沖來(lái)自單片機(jī)的內(nèi)部，即每個(gè)機(jī)器周期產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。也就是每個(gè)機(jī)器周期計(jì)數(shù)器加1.由于一個(gè)機(jī)器周期等于12個(gè)振蕩脈沖周期，因此計(jì)數(shù)頻率為振蕩頻率的1/12。 定時(shí)/計(jì)數(shù)器有三個(gè)控制寄存器，分別是定時(shí)器控制寄存器（TCON）、工作方式控制寄存器（TMOD）和中斷允許控制器（IE）。 TMOD是8位的控制寄存器，低4位控制T0的工作方式，高4位控制T1的工作方式，其中：M1、M0是工作方式選擇位，決定定時(shí)器的4種工作方式。 方式0：（M1=0、M0=0）：13位定時(shí)/計(jì)數(shù)器

53、 方式1：（M1=0、M0=1）：16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器 方式2：（M1=1、M0=0）：8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器（定時(shí)常數(shù)自動(dòng)裝入） 方式3：（M1=1、M0=1）：把T0分為兩個(gè)8位計(jì)數(shù)器 2.3.3單片機(jī)外圍電路的擴(kuò)展 單片機(jī)中雖然已經(jīng)集成了CPU、I/O口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、存儲(chǔ)器等計(jì)算機(jī)的基本部件，但是對(duì)一些較復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，有時(shí)感到以上資源中的一種或幾種不夠用，這就是需要在單片機(jī)芯片外加相應(yīng)的芯片、電路，使得有關(guān)功能得以擴(kuò)充，稱(chēng)為系統(tǒng)擴(kuò)展。擴(kuò)展內(nèi)容包括程序存儲(chǔ)器（ROM）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、I/O接口部件及I/O設(shè)備等。 1.存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 AT

54、89C51只有4KB的內(nèi)部ROM,128B的內(nèi)部RAM，這對(duì)于復(fù)雜一些的應(yīng)用是不夠的，為此，單片機(jī)AT89C51應(yīng)該在芯片之外另行擴(kuò)展存儲(chǔ)器。根據(jù)選用的單片機(jī)和考慮存儲(chǔ)器的成本功能特性等，因此，本設(shè)計(jì)選用鎖存器74LS373型號(hào)。 373為三態(tài)輸出8D透明鎖存器，共54/74S373和54/74LS373兩種線路結(jié)構(gòu)型式，其工作條件如圖表2-3所示。 表2-3 373的工作條件表 各種條件 54/74S373 54LS373/74LS373 單位 最小 額定 最大 最小 額定 最大 電源電壓Vcc 54 4.5 5 5.5 4.5 5 5.5 V

55、74 4.75 5 5.25 4.75 5 5.25 輸入高平電壓ViH 2 2 V 輸入低電平電壓ViL 54 0.8 0.8 V 74 0.8 0.8 輸出高電平電流IOH 54 -2 -1 mA 74 -6.5 -2.6 輸出低電平電流IOL 54 20 12 mA 74 20 24 脈沖寬度tw LE(H) 6 15 ns LE(H) 7.3 15 保持時(shí)間t

56、H 10 10 ns 建立時(shí)間tSCT 10 0 ns （1）74LS373引腳及功能 74LS373是常用的地址鎖存器芯片，它實(shí)質(zhì)是一個(gè)是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器，在單片機(jī)系統(tǒng)中為了擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器。外圍管腳圖和邏輯圖分別如圖2-6和2-7所示。 圖2-6 外圍管腳圖 圖2-7 邏輯圖 各個(gè)引腳的作用： IN0~IN7：輸出端，可直接與總線相連。 D0~D7：數(shù)據(jù)輸入端，可直接與總線相連。 OE：三態(tài)允許控制端，當(dāng)OE為低電平時(shí)，O1~O7為正常邏輯狀態(tài)，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載或總線；當(dāng)OE為高電平時(shí)，O0~

57、O7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動(dòng)總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。 LE：鎖存允許端，當(dāng)LE為高電平時(shí)，O隨數(shù)據(jù)D而變；當(dāng)LE為低電平時(shí)，O被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。 當(dāng)LE端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使得交流和直流噪聲抗擾度被改善400Ma 。 （2）鎖存器的工作原理 鎖存端LE 由高變低時(shí)，輸出端8 位信息被鎖存，直到LE 端再次有效。 當(dāng)三態(tài)門(mén)使能信號(hào)OE為低電平時(shí)，三態(tài)門(mén)導(dǎo)通，允許O0~O7輸出，OE為高電平時(shí)，輸出懸空。當(dāng)74LS373用作地址鎖存器時(shí)，應(yīng)使OE為低電平，此時(shí)鎖存使能端C為高電平時(shí)，輸出O0~O7 狀態(tài)與輸入端D1~D7狀態(tài)相同；當(dāng)C發(fā)生負(fù)的跳變

58、時(shí)，輸入端D0~D7 數(shù)據(jù)鎖入O0~O7。51單片機(jī)的ALE信號(hào)可以直接與74LS373的C連接。 2.3.4時(shí)鐘電路和復(fù)位電路 1.時(shí)鐘電路 在設(shè)計(jì)中時(shí)間值是必不可少，時(shí)鐘電路必然不能少。所以要在AT89C51單片機(jī)芯片內(nèi)部設(shè)有一個(gè)由高增益反相放大器構(gòu)成的振蕩器，引腳XTAL1和XTAL2分別為振蕩電路的輸入端和輸出端。在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器（晶振）和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個(gè)未定的自激振蕩器，就是單片機(jī)的時(shí)鐘電路。時(shí)鐘電路產(chǎn)生的振蕩脈沖經(jīng)過(guò)觸發(fā)器進(jìn)行二分屏之后，才成為單片機(jī)的時(shí)鐘脈沖信號(hào)。晶振頻率選擇12MHZ，C1、C2的電容值取30pF，電容的

59、大小起頻率微調(diào)的作用。所以系統(tǒng)采用的定時(shí)元件為石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。 2.復(fù)位電路 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，器主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機(jī)從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。 (1) 復(fù)位方式 單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位方式有：手動(dòng)按鈕復(fù)位和上電復(fù)位。 1)上電復(fù)位 圖2-8是單片機(jī)的上電復(fù)位電路。上電時(shí)復(fù)位電路通過(guò)電容加到RST端上一個(gè)高電平復(fù)位信號(hào)，高電平持續(xù)時(shí)間取決于RC電路參數(shù)。為了保證系統(tǒng)能可靠的復(fù)位，RST端上高電平信號(hào)必

60、須有足夠長(zhǎng)的時(shí)間。 2)按鍵操作復(fù)位 按鍵操作復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中，按鍵電平復(fù)位是通過(guò)使復(fù)位則是利用與Vcc電源接通而實(shí)現(xiàn)的，如圖2-9a）所示。而按鍵脈沖復(fù)位則是利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-9b）所示。 圖2-8 上電復(fù)位電路圖 a) 按鍵電平復(fù)位 b) 按鍵脈沖復(fù)位 圖2-9 按鍵操作復(fù)位電路 對(duì)于AT89系列單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)是從RST引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個(gè)高電平并維持2個(gè)機(jī)器周期(24個(gè)振

61、蕩周期)以上，則CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。根據(jù)以上內(nèi)容相對(duì)比，本系統(tǒng)采用按鍵電平復(fù)位方式。 2.4 A/D轉(zhuǎn)換器的選型 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路，稱(chēng)為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱(chēng)A/D轉(zhuǎn)換器或ADC. A/D轉(zhuǎn)換器已成為信息系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。 模數(shù)轉(zhuǎn)換亦稱(chēng)模擬一數(shù)字轉(zhuǎn)換，與數(shù)/模（A/D)轉(zhuǎn)換相反，是將連續(xù)的模擬量（如象元的灰階、電壓、電流等）通過(guò)取樣轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量。模數(shù)轉(zhuǎn)換包括采樣、保持、量化和編碼四個(gè)過(guò)程。在某些特定的時(shí)刻對(duì)這種模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量叫做采樣。要把一個(gè)采樣輸出信號(hào)數(shù)字化，需要將采樣輸出所得的瞬時(shí)模擬信號(hào)保持一段時(shí)間，這就是保持過(guò)程。 量化是將連續(xù)幅度的抽樣信號(hào)轉(zhuǎn)換

62、成離散時(shí)間、離散幅度的數(shù)字信號(hào)。編碼是將量化后的信號(hào)編碼成二進(jìn)制代碼輸出。這些過(guò)程有些是合并進(jìn)行的，例如，采樣和保持就利用一個(gè)電路連續(xù)完成，量化和編碼也是在轉(zhuǎn)換過(guò)程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)的， 且所用時(shí)間又是保持時(shí)間的一部分。 在本設(shè)計(jì)中，煙霧傳感器收集到的信號(hào)是模擬量，而單片機(jī)處理的數(shù)字量，所以?xún)烧咧g要進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，那模塑轉(zhuǎn)換器是必不可少的，此設(shè)計(jì)選用ADC0809型號(hào)。 1.ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2-10所示。它由8路模擬開(kāi)關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開(kāi)關(guān)樹(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時(shí)電路組成。多路開(kāi)關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這是一種經(jīng)濟(jì)