1、摘要前面應(yīng)該有封面，請參看畢設(shè)指導(dǎo)書本文經(jīng)過論文檢測系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)許多部分與網(wǎng)上現(xiàn)有文獻(xiàn)很多部分內(nèi)容相同。存在抄襲現(xiàn)象，該如何解釋？火災(zāi)是人類面臨的最大威脅之一,災(zāi)難的發(fā)生有時(shí)候無法避免，而如何提早發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)，控制災(zāi)情，則是我們面對的一個(gè)重要課題，其中，火災(zāi)探測對防御火災(zāi)具有舉足輕重的作用。而光電感煙探測器就是目前消防中使用的主要探測器之一，為此本論文設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)控制的光電式煙霧報(bào)警器。傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警器一般是由煙霧傳感器和煙霧探測芯片兩部分構(gòu)成，探測芯片接收到傳感器信號并對其進(jìn)行處理，從結(jié)果判斷是否有火災(zāi)發(fā)生。這種煙霧探測器的結(jié)構(gòu)簡單且成本低，但它存在誤報(bào)率高和環(huán)境適應(yīng)能力差的缺點(diǎn)。為了解決

2、這一問題，我們將單片機(jī)嵌入到了報(bào)警器中，這樣就可以識別傳感器因環(huán)境影響而產(chǎn)生的干擾信號。但是這樣做又帶來了其它方面的問題：（1）采用一般的單片機(jī)，如51單片機(jī)，報(bào)警器的功耗會(huì)非常的大，這對于需要電池長時(shí)間供電的煙霧報(bào)警器來說是無法接受的；（2）傳感器產(chǎn)生的模擬信號較為微弱，這一信號要經(jīng)過放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換之后才能被單片機(jī)識別處理。采用獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)化電路不僅會(huì)增加系統(tǒng)的功耗，而且降低了系統(tǒng)的可靠性；（3）單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)如若不合理，將導(dǎo)致報(bào)警器的高誤報(bào)率，且其操作控制也不甚靈活。本設(shè)計(jì)以宏晶公司的STC12C5A08AD單片機(jī)為核心器件，設(shè)計(jì)了一款煙霧報(bào)警器。并在軟件設(shè)計(jì)中則采用模糊濾波算法，提高了

3、單片機(jī)對環(huán)境的監(jiān)測能力和自適應(yīng)能力。關(guān)鍵詞：煙霧；報(bào)警器；STC12C5A08AD；傳感器AbstractFire is the biggest threat facing by mankind, fire detection is an important part for defensive fire. photoelectric smoke detector is the use of fire in the main explorer. so Paper designed a revivification of control in the smoke alarm.Traditiona

4、l smoke detector generally smoke sensors and the detection chip, detection chip at the signal is received, determine whether a fire broke out. the smoke detector simple structure and low cost, but there is, the rate and ability to a fault in order to solve the problem, monolithic integrated circuits

5、 are embedded in alarm, to identify the sensor for environmental impact of interference signals. but it also brought the other aspects of ：(1) the general, for example, 51 monolithic integrated circuits monolithic integrated circuits, and will significantly increase of consumption, the alarm for a l

6、ong time to battery operated by the smoke detector is not acceptable ； (2)sensors the analog signals are weak, the signal to enlarge, the module will be a monolithic integrated circuits. the independent a d change the circuit is not only increase the consumption and reducing system reliability ； (3)

7、 monolithic integrated circuits software design is not reasonable, so the rates of Alarm are high, operates the control is not flexible.In such circumstances, the design company hong jing STC12C5A08AD monolithic integrated circuits design for a core element of the smoke alarm. in software design fil

8、tering used as algorithms to monolithic integrated circuits to the environment monitoring and performance. Key word: Smog；alarm apparatus； STC12C5A08AD； sensor目 錄1 摘要12 Abstract2第一章 緒論51.1論文研究來源、目的和意義51.1.1論文研究來源51.1.2論文研究目的和意義51.2煙霧報(bào)警器的國內(nèi)外現(xiàn)狀61.3本論文主要任務(wù)6第二章 煙霧檢測報(bào)警器的方案設(shè)計(jì)82.1煙霧檢測報(bào)警器設(shè)計(jì)思路82.2煙霧傳感器的選型82.

9、2.1煙霧傳感器介紹82.2.2煙霧傳感器的選定122.3煙霧檢測報(bào)警器整體設(shè)計(jì)方案122.3.1煙霧檢測報(bào)警器工作原理122.3.2煙霧檢測報(bào)警器的結(jié)構(gòu)132.3.3煙霧檢測報(bào)警器的功能142.3.4煙霧檢測報(bào)警器的主要技術(shù)指標(biāo)142.4本章小結(jié)15第三章 煙霧檢測報(bào)警器的硬件設(shè)計(jì)163.1單片機(jī)的選型163.1.1單片機(jī)的選擇163.1.2 STC12C5A08AD單片機(jī)的特點(diǎn)173.2煙霧檢測報(bào)警器硬件電路設(shè)計(jì)193.2.1信號采集及前置放大電路193.2.2聲音報(bào)警電路203.2.3數(shù)碼管顯示電路203.2.4狀態(tài)指示燈及控制鍵電路213.2.5報(bào)警器故障自診斷電路223.2.6溫度檢

10、測電路223.3本章小結(jié)23第四章 煙霧檢測報(bào)警器的軟件設(shè)計(jì)244.1 STC12系列單片機(jī)調(diào)試及開發(fā)工具244.2煙霧檢測報(bào)警器軟件流程及設(shè)計(jì)244.2.1主程序設(shè)計(jì)及流程圖254.2.2主程序初始化流程圖264.2.3中位值平均濾波法數(shù)字濾波子程序設(shè)計(jì)及流程圖274.2.4插值法線性化處理子程序設(shè)計(jì)及流程圖284.2.5報(bào)警子程序設(shè)計(jì)及流程圖294.2.6控制按鍵設(shè)計(jì)子程序及流程圖304.3本章小結(jié)31第五章 煙霧探測器實(shí)驗(yàn)測試325.1紅外線光電傳感器探頭信號測試325.2煙霧探測器檢測電路的實(shí)驗(yàn)測試335.3煙霧探測器系統(tǒng)測試33結(jié) 論34致 謝36參考文獻(xiàn)37附 錄391 緒論格式與

11、請參看畢設(shè)指導(dǎo)書不同，下面還有很多1.1論文研究來源、目的和意義 1.1.1論文研究來源 隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展,各類型的建筑物對火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制系統(tǒng)提出了更高的要求。特別是目前正在我國逐步興起的智能建筑中,就更是如此。據(jù)估計(jì)，近兩年火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警和消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的年需求量約達(dá)20多億元人民幣。,在一些場合下,如在人們經(jīng)?；顒?dòng)的辦公室、旅館、家庭等場所,光電型煙霧傳感器的性能完全滿足要求,甚至對木制品、棉織物、紙張等物質(zhì)陰燃煙霧的傳感性能上優(yōu)于離子傳感器。因此,由光電型煙霧傳感器構(gòu)成的探測器在國際上迅速發(fā)展。在我國的應(yīng)用也越趨廣泛,可以預(yù)測,下一世紀(jì),它將取代離子感煙探測器而成為火災(zāi)探

12、測的主導(dǎo)產(chǎn)品。 1.1.2論文研究目的和意義 為了盡早發(fā)現(xiàn)和通報(bào)火災(zāi)，防止和減少火災(zāi)危害，保護(hù)人身和財(cái)產(chǎn)安全，防止火災(zāi)引起燃燒、爆炸等事故，造成更嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及生命安全，本論文設(shè)計(jì)了較為實(shí)用的光電式煙霧報(bào)警器。煙霧檢測報(bào)警裝置是能夠檢測環(huán)境中的煙霧濃度并具有報(bào)警功能的儀器。該報(bào)警裝置是石油化學(xué)工業(yè)、有氣體泄漏可能的生產(chǎn)工廠及家庭防火防爆必備的儀器。煙霧報(bào)警器屬于中華人民共和國強(qiáng)制檢定的工作計(jì)量器具目錄中第46項(xiàng)，它歸類于物理化學(xué)計(jì)量器具。建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范(GBJ16-87)第10.3.2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(yīng)設(shè)置煙霧濃度檢測報(bào)警裝置”。2003年12

13、月，國家執(zhí)行新的煙霧探測器標(biāo)準(zhǔn)(GB 15322-2003)可燃煙霧探測器，2004年10月國家頒布可燃煙霧檢測報(bào)警器規(guī)程JJG693-2004，研究新型、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確監(jiān)測可燃性氣體，并合乎國家相關(guān)規(guī)定的報(bào)警器具有極其重要的意義。1.2煙霧報(bào)警器的國內(nèi)外現(xiàn)狀 20世紀(jì)三十年代初，國外便開始了對煙霧報(bào)警器的開發(fā)與研究，由于人們的安全意識提高及政府方面的推動(dòng)，煙霧報(bào)警器的發(fā)展十分迅速。而且隨著傳感器的制作水平的提高，傳感器的體積日益減小，集成度提高，從而使煙霧檢測儀的體積也逐漸變小，這樣就提高了煙霧傳感器的便攜性，有利于產(chǎn)品的生產(chǎn)，運(yùn)輸以及使用推廣。我國大約在七十年代初，開始了對煙霧報(bào)警器的研制

14、，由于當(dāng)時(shí)環(huán)境及其他條件限制，其技術(shù)主要是建立在國外先進(jìn)的制作工藝以及傳感器研發(fā)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行再研究開發(fā)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，也逐漸形成了自己的特色?，F(xiàn)在，市場上可選擇的煙霧報(bào)警器品種已相當(dāng)齊全，由單一的煙霧報(bào)警方面開始延伸到其他如有毒氣體報(bào)警等方面，精確性，實(shí)用性，便攜性各方面的品質(zhì)都有相當(dāng)?shù)奶岣撸w了工業(yè)，民用，及各種公共場所等各種場所的應(yīng)用，表明了我國的煙霧報(bào)警器制作工藝基本已成熟。1.3本論文主要任務(wù) 本篇論文是煙霧報(bào)警器的研制，主要基本部分和擴(kuò)展部分：(1)基本部分 (a)對系統(tǒng)進(jìn)行整體的規(guī)劃及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。(b)以STC12C5A08AD單片機(jī)為中央處理器，對硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其具備

15、基本的要求功能。系統(tǒng)硬件電路主要分為前置放大電路、按鍵電路、串口通信電路、蜂鳴器報(bào)警電路、指示燈電路、液晶顯示電路六個(gè)部分。 (c)系統(tǒng)的軟件編制。按照軟件實(shí)現(xiàn)的功能，主要分為主程序與初始化子程序、鍵盤處理子程序、濾波子程序等子程序。(d)硬件電路和軟件程序的逐步完善與調(diào)試。 (2)擴(kuò)展部分 參差不齊 (a)為提高報(bào)警裝置的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)中加入了基于D18B20的溫度檢測裝置，以提高報(bào)警器精度，確?？煽?。2 煙霧檢測報(bào)警器的方案設(shè)計(jì)2.1煙霧檢測報(bào)警器設(shè)計(jì)思路光電感煙探測器主要由一支紅外發(fā)射管和一支紅外接收管組成,由于發(fā)射管并不是正對著接收管,而且兩者之間還有意識地設(shè)置了擋光設(shè)施,所以平時(shí)接收管

16、并不能接受到發(fā)射管發(fā)出的紅外光(傳感器具有迷宮設(shè)計(jì)使外界光線無法進(jìn)入傳感器內(nèi)部)。當(dāng)探測器內(nèi)滲入煙顆粒后,由于顆粒對紅外光線產(chǎn)生散射作用,使一部分光線散射至接收管位置。接收管接收到紅外光后產(chǎn)生光電流,完成煙顆粒信號與電流信號的轉(zhuǎn)換工作,再由電子學(xué)線路完成電流的放大與信號處理傳送工作。滲入傳感器的煙霧顆粒越多,散射光越強(qiáng),相應(yīng)產(chǎn)生的光電流也就越強(qiáng),由此光電流的強(qiáng)度便可反映進(jìn)入探測器內(nèi)部煙霧濃度的大小,當(dāng)光電流達(dá)到一定的強(qiáng)度就可以認(rèn)為煙霧濃度達(dá)到了一定的濃度,即可發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號,這就是光電式煙霧報(bào)警器的基本原理。普通的光電感煙探測器,一般采用前向散射式結(jié)構(gòu),這種探測器的發(fā)射管與接收管間的夾角約在

17、120°135°左右,對白煙顆粒前向散射有較高的靈敏度。2.2煙霧傳感器的選型 光紅外線煙霧探測器單元的系統(tǒng)構(gòu)成見圖2.2，紅外煙霧探測器發(fā)出的煙霧信息經(jīng)過電路的濾波和放大等處理環(huán)節(jié)，送入A/D轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行數(shù)字化處理，經(jīng)由單片機(jī)信息處理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣判別，若發(fā)現(xiàn)火情，單片機(jī)輸出報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)工作。 圖2.2 光紅外線煙霧探測器單元的系統(tǒng)構(gòu)成與畢設(shè)指導(dǎo)書要求格式不同 2.2.1煙霧傳感器的簡單介紹 (1)煙霧傳感器的分類 煙霧傳感器種類繁多，從檢測原理上可以分為利用物理化學(xué)，物理，電化學(xué)三種性質(zhì)研制出的煙霧傳感器，比較常見的有半導(dǎo)體煙霧傳感器，熱導(dǎo)傳感器，電勢型氣體傳感

18、器等。由于氣體種類繁多，性能差異較大，所以單一類型的氣敏傳感器不可能檢測所有的氣體，而只能檢測某一類特定性質(zhì)的氣體。而對于同一種氣體，也可用不同的方法來測量。下表列出各種氣體敏感元件檢測方式、原理及氣體分析方法的特性、適用對象等。表2.1檢測方式檢測范圍%檢測對象檢測原理特點(diǎn)簡介半導(dǎo)體式0.01-5大部分氣體、蒸氣（主要是還原性氣體）金屬氧化物表面欺負(fù)氣體分子或與吸附氣體反應(yīng)引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化靈敏度高，響應(yīng)快，結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)廉；選擇性、穩(wěn)定性、可靠性差 接觸燃燒式0.1-5等可燃?xì)怏w根據(jù)氣體的接觸燃燒熱所引起的檢測元件的聞聲和電阻變化測氣體體積的濃度響應(yīng)迅速，結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格較低，靈敏度、可靠

19、性較好；穩(wěn)定性較差固體電解質(zhì)式-準(zhǔn)許體積濃度無機(jī)氣體（等）利用氣體引起的固體電解質(zhì)電動(dòng)勢變化檢測氣體體積濃度靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性、可靠性較好，成本較高，可定量化光干涉式0.1-100大部分氣體、蒸氣以氣體對光的折射差別所引起的干涉條紋移動(dòng)量來檢測靈敏度、穩(wěn)定性、可靠性較好，成本較高，維護(hù)不便熱導(dǎo)率式0.1-100大部分氣體、蒸氣由于氣體的熱導(dǎo)率不同，會(huì)導(dǎo)致檢測元件的溫度和電阻 ，以此測量氣體的體積濃度靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性、可靠性較好，成本較高，維護(hù)不便紅外線吸收式0.1-100異核分子氣體根據(jù)氣體的紅外線吸收光譜的波長不同和吸收量差異來檢測氣體的種類和體積濃度選擇性、可靠性、穩(wěn)定性較好；靈

20、敏度低，成本高，維護(hù)不便 參差不齊 (2)煙霧傳感器需滿足的基本條件：可以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)工作，也可聯(lián)動(dòng)工作。單一的煙霧傳感器需要具備的功能有能夠針對性地檢測單種煙霧，并在檢測范圍內(nèi)對其有較高的靈敏度，對信號響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好，使用壽命長，最好能兼顧成本的低廉，與使用維護(hù)方面的方便。 2.2.2煙霧傳感器的選定化工，冶金，石油，油庫等比較容易發(fā)生可燃煙霧泄露的場所，是煙霧探測報(bào)警器的主要應(yīng)用場所，根據(jù)煙霧檢測種類的要求，一般使用的煙霧傳感器有接觸燃燒式與半導(dǎo)體式兩種。使用這兩類煙霧探測器時(shí)，必須考慮其探頭的阻緩與中毒的問題，阻緩是煙霧與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質(zhì)的同時(shí)無焰燃燒，有部分固態(tài)物質(zhì)

21、便會(huì)附著于催化元件表面，阻塞載體的微孔，引起響應(yīng)緩慢，滯緩，靈敏度降低等問題。中毒則是空氣中若含有硅烷一類物質(zhì)，會(huì)使催化元件產(chǎn)生無法逆轉(zhuǎn)的中毒，導(dǎo)致靈敏度迅速喪失。防止這些情況的最好方法便是經(jīng)常對傳感器進(jìn)行檢測與維護(hù)，但是這無形中增加了人員的工作量，也加大了其維護(hù)成本。而光電式煙霧傳感器并不存在這些問題，而且擁有靈敏度高，抗干擾性好，響應(yīng)速度快，價(jià)格低廉，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，相對的維護(hù)成本也較低，相信以后光電式煙霧傳感器會(huì)成為主流產(chǎn)品。2.3煙霧檢測報(bào)警器整體設(shè)計(jì)方案 2.3.1煙霧檢測報(bào)警器工作原理 本論文中的煙霧檢測報(bào)警器以STC12C5A08AD單片機(jī)為控制核心，采用紅外線光電傳感器采集煙霧

22、信息。首先，將煙霧探測器送來的與煙霧濃度相對應(yīng)的微小電壓信號放大，轉(zhuǎn)化成較大的電壓信號送入STC12C5A08AD單片機(jī)；然后，在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換與濃度比較，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理，將數(shù)字化電壓信號轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的十進(jìn)制濃度值；最后，將得到的煙霧濃度送入液晶顯示模塊。同時(shí)判斷濃度值是否超過報(bào)警限值，濃度若處于正常狀態(tài)時(shí)，綠燈長亮。而煙霧濃度超出設(shè)定限值時(shí)，則發(fā)出報(bào)警并紅燈閃亮。另外煙霧傳感器需工作于加熱狀態(tài)，溫度越高，反應(yīng)就越快，響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間也就越快。為了提高反應(yīng)速度，保證探測器準(zhǔn)確穩(wěn)定地工作，單片機(jī)需向傳感器穩(wěn)定輸出一個(gè)5V的電壓。并在輸出5V的電壓同時(shí)，進(jìn)行故障監(jiān)測，保證其可靠性。另外

23、傳感器加熱絲或電路斷線或接觸不良時(shí)，也需要故障報(bào)警，發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號。 2.3.2煙霧檢測報(bào)警器的結(jié)構(gòu) 報(bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.3所示，系統(tǒng)以STC12C5A08AD單片機(jī)為核心，控制各個(gè)電路一起完成信號的采集、按鍵輸入、濃度狀態(tài)顯示、輸出報(bào)警、故障自檢等功能。報(bào)警器采用巡檢的方式工作，設(shè)定了兩級報(bào)警值，各種不同狀態(tài)能夠發(fā)出不同的光、聲信號，方便確認(rèn)報(bào)警器情況。圖2.3 可燃性氣體檢測報(bào)警器結(jié)構(gòu)框圖2.3.3煙霧檢測報(bào)警器的功能說明(1)煙霧報(bào)警功能 當(dāng)煙霧濃度連續(xù)20S采樣取值都超出報(bào)警限值時(shí)，蜂鳴器開始報(bào)警。(2)煙霧濃度顯示 液晶屏可顯示煙霧濃度值，并可切換至設(shè)置狀態(tài)，通過鍵盤設(shè)置報(bào)

24、警限值。(3)防止報(bào)警器誤報(bào)與自診斷故障報(bào)警功能 通過重復(fù)迅速檢測與延時(shí)報(bào)警，判斷是否只是煙霧的微量泄漏，防止誤報(bào)。 當(dāng)探測器的加熱絲、電路電線發(fā)生斷線或接觸不良的時(shí)候，煙霧報(bào)警器發(fā)出 警報(bào)，伴隨黃色指示燈閃爍，提醒用戶檢查報(bào)警器與電路電線的接觸情況， 及時(shí)排除故障，保證報(bào)警器穩(wěn)定工作。 (4)自檢單片機(jī)狀態(tài)的看門狗功能 調(diào)用STC12C5A08AD中的看門狗程序，定時(shí)檢查單片機(jī)的工作狀態(tài)，如若 發(fā)現(xiàn)單片機(jī)出現(xiàn)死循環(huán)狀態(tài)，馬上復(fù)位，以保證報(bào)警器的正常工作。 3 煙霧檢測報(bào)警器的硬件設(shè)計(jì)單片機(jī)是煙霧檢測報(bào)警器的核心部件，它要接收來自傳感器的煙霧濃度的模擬信號和故障檢測信號，另外還要對兩種信號分別

25、進(jìn)行處理，控制后續(xù)電路進(jìn)行的相應(yīng)工作；同時(shí)，查詢是否有鍵按下的命令。在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能中，將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號做數(shù)字濾波，再進(jìn)行線性化處理，然后送LCD顯示，這一過程的軟件實(shí)現(xiàn)，需要單片機(jī)有較快的運(yùn)算速度，保證報(bào)警器的實(shí)時(shí)性和可靠性。同時(shí)，在所有能滿足報(bào)警器設(shè)計(jì)的計(jì)算速度及接口數(shù)的要求的同類型單片機(jī)中，要考慮選擇價(jià)格低廉且體積輕巧的機(jī)型，經(jīng)過多方比較，本設(shè)計(jì)選擇了宏晶科技生產(chǎn)的STC12系列單片機(jī)。 3.1單片機(jī)的選型 3.1.1單片機(jī)的選擇 單片機(jī)我們接觸較多的要算8051系列及STC系列，8051單片機(jī)系列的特點(diǎn)是應(yīng)用普遍，價(jià)格低，容易上手等，而由MICROCHIP公司開發(fā)出的STC系列單片

26、機(jī)的突出特點(diǎn)就是能耗低，指令集精簡，可靠性高，抗干擾性好。但是這兩種芯片都有著自己的缺點(diǎn)，8051單片機(jī)運(yùn)行速度慢，功耗且大，不適合采用電池供電的報(bào)警器設(shè)計(jì)，而STC系列則是存在溢出隱患的問題，STC單片機(jī)程序嵌套只能在八層之內(nèi)（包括中斷，以C語言為例），考慮到匯編語言確定采用可讀性與可移植性都比較高的C語言，需要另選一種速度快于51單片機(jī)，功耗低，且能避免匯編溢出問題的單片，經(jīng)多方比較與找尋，選擇了宏晶科技推出的STC12系列單片機(jī)，STC12系列單片具有高速，高可靠性，寬低壓，低功耗，超強(qiáng)抗干擾，無法解密，芯片內(nèi)部自帶看門狗等特點(diǎn)，是新一代8051單片機(jī)。其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，

27、速度卻要快上8-12倍。 3.1.2 STC12C5A08AD單片機(jī)的特點(diǎn) STC12C5A08AD單片機(jī)較以往的單片機(jī)提高了工作效率，使系統(tǒng)的可靠性、抗干擾能力得到了顯著改善，而且進(jìn)一步小型化和便攜化。其內(nèi)部集成的Flash幾乎擁有現(xiàn)代追求個(gè)性化的用戶所需要的掉電后數(shù)據(jù)不丟失、快速的數(shù)據(jù)存取時(shí)間、電可擦除、容量大、在線可編程、足夠多的擦寫次數(shù)、價(jià)格低廉和高可靠性等所有優(yōu)點(diǎn)。STC12C5A08AD單片機(jī)的管 腳結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。圖3.1 STC12C5A08AD單片機(jī)管腳圖STC12C5A08AD單片機(jī)具有特點(diǎn)：Flash存儲(chǔ)器大小為08KB，具有掉電保護(hù)功能。所有PCA模塊都可以作為PM

28、W輸出。單片機(jī)自帶24個(gè)I/O引腳，均可設(shè)置成四種工作類型，使I/O口與功能 口復(fù)用，另外，其端口電氣特性也非常突出。STC125A08AD是十位精度的A/D轉(zhuǎn)換，速度可達(dá)100KHZ，轉(zhuǎn)換口為P1口， 可完成電池電壓檢測，按鍵掃描，溫度檢測等功能。仿真開發(fā)工具簡單，只要一個(gè)用于連接并口的仿真器與一套PC環(huán)境下的調(diào)試軟件即可，無需外加編程電壓。3.2煙霧檢測報(bào)警器硬件電路設(shè)計(jì) 3.2.1煙霧探測電路 煙霧探測采用光電傳感器，傳感器及放大電路如圖1所示。傳感器電路主要由紅外發(fā)射管D1和紅外接收管D2構(gòu)成，探測信號經(jīng)過放大之后被單片機(jī)接收。 D1和D2被置于光電感應(yīng)室（俗稱：迷宮）中，二者之間設(shè)有

29、障礙，D1發(fā)射的紅外線無法被D2直接接收，而有煙霧滲入迷宮時(shí)，紅外線經(jīng)煙霧折射可以后被D2接收，從而轉(zhuǎn)化成電信號，由此來檢測煙霧的存在與否。單片機(jī)相隔一段時(shí)間便由I/O端口P1.6輸出高、低電平，以控制D1發(fā)射和停止發(fā)射紅外線，探測煙霧。傳感器間歇工作，以降低功耗。集成運(yùn)放的電源則由單片機(jī)經(jīng)P1.5提供。另外只有在傳感器工作時(shí)，運(yùn)放才相應(yīng)地對接收信號進(jìn)行放大，避免連續(xù)工作而增加功耗。圖3.2前置放大電路圖 3.2.2聲音報(bào)警電路 聲音報(bào)警電路圖如圖3.3所示。聲音報(bào)警電路采用了KM3712x型蜂鳴器，相比普通蜂鳴器來說體積較大，聲音更響亮，適用于民用報(bào)警器電路。當(dāng)STC12C5A08AD的17

30、腳(P3.7)置1時(shí)，三極管Q6導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警。圖3.3聲音報(bào)警電路圖 3.2.3數(shù)碼管顯示電路 報(bào)警器濃度顯示采用共陽數(shù)碼管來顯示濃度。 圖3.11 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 3.2.4狀態(tài)指示燈及控制鍵電路 狀態(tài)指示燈及控制鍵電路圖如圖3.5，圖3.6所示。使用單片機(jī)STC12C5A08AD的18腳(P1.0)、12腳(P2.4)、13腳(P2.5)來控制輸出狀態(tài)指示燈。狀態(tài)燈顯示設(shè)定：(1) 綠燈常亮，表示環(huán)境正常。(2) 黃燈閃亮，表示傳感器的加熱絲或電路電線可能斷線，接觸不良。(3) 紅燈閃亮，表示環(huán)境中煙霧濃度到達(dá)報(bào)警值，可能發(fā)生火災(zāi)。 環(huán)境的煙霧濃度超過報(bào)警限時(shí)，報(bào)警器會(huì)發(fā)出報(bào)警信號，人員

31、到達(dá)現(xiàn)場后，如若發(fā)現(xiàn)環(huán)境正常，按下按鍵關(guān)閉報(bào)警器的報(bào)警。如若煙霧濃度再次超過報(bào)警限值，報(bào)警器會(huì)再次報(bào)警以提醒用戶。圖3.5 狀態(tài)指示燈電路圖圖3.6 控制按鍵連接示意圖 3.2.5低壓檢測電路 在報(bào)警器長時(shí)間工作后，提供報(bào)警器電壓的電池電壓會(huì)逐漸降低，直至無法保證報(bào)警器的正常運(yùn)作，報(bào)警器作為預(yù)警器具要嚴(yán)格避免此種情況發(fā)生，所以設(shè)計(jì)了電源低壓自動(dòng)檢測部分。將經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的電壓信號與預(yù)設(shè)的安全電壓閾值進(jìn)行比較，判斷電源電壓是否過低。圖3.7所示系統(tǒng)供電電池電壓由VDD表示，設(shè)計(jì)選用9V電池供電，經(jīng)變壓提供5V電壓。圖3.7低壓檢測電路 3.2.6溫度檢測電路為提高報(bào)警器的報(bào)警精度，設(shè)計(jì)中加入了由

32、DS18B20組成的溫度檢測和顯示電路，DS18B20采用單總線專用技術(shù)，與微機(jī)接口連接靈活；測溫精度高，測溫范圍為-55+125，固有測溫分辨率05C；轉(zhuǎn)換精度及轉(zhuǎn)換時(shí)間可通過簡單的編程來控制；內(nèi)含64位激光修正的只讀存儲(chǔ)器ROM；用戶可通過編程設(shè)定溫度的上、下限數(shù)值；具有多種封裝形式。圖3.8溫度檢測電路4 煙霧檢測報(bào)警器的軟件設(shè)計(jì)4.1 STC12系列單片機(jī)調(diào)試及開發(fā)工具 本系統(tǒng)軟件編程使用Keil C51軟件。該軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明

33、顯的優(yōu)勢。因此我們選用C語言來編寫程序。本系統(tǒng)采用STC12系列單片機(jī)，使用宏晶科技STC單片機(jī)專用下載軟件，通過單片機(jī)的RXD和TXD進(jìn)行程序下載。下載器可以選擇專用的USB轉(zhuǎn)TTL小板，也可以選擇USB轉(zhuǎn)COM線。用戶可以通過調(diào)試環(huán)境軟件的人機(jī)對話界面，檢查或修改Flash芯片內(nèi)的各種存儲(chǔ)器、寄存器的數(shù)據(jù)。 4.2煙霧檢測報(bào)警器軟件流程及設(shè)計(jì) 4.2.1主程序設(shè)計(jì)及流程圖 主程序流程圖如圖4.1所示。本系統(tǒng)的軟件部分主要解決檢測煙霧傳感器的煙霧濃度信號的問題，然后解決信號的AD轉(zhuǎn)換，數(shù)字濾波，線性化處理，段式液晶濃度顯示，按鍵功能，以及報(bào)警器聲光警報(bào)等問題。 本系統(tǒng)流程為：單片機(jī)先采集傳感

34、器信息，然后將采集的信息進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、平均值法濾波和線性化處理后，顯示在數(shù)碼管上，并將濃度值與報(bào)警值進(jìn)行比較，判斷是否報(bào)警。系統(tǒng)還包括狀態(tài)指示和按鍵功能等，完善了報(bào)警器功能。圖4.1 主程序流程圖 4.2.2主程序初始化流程圖首先預(yù)熱傳感器，然后執(zhí)行初始化子程序。初始化子程序主要實(shí)現(xiàn)各種I/O口輸入輸出狀態(tài)的設(shè)定、 寄存器初始化、中斷使能等功能。設(shè)定定時(shí)初值50ms，然后設(shè)為定時(shí)器0，方式1(方式1狀態(tài)下定時(shí)器的工作寄存器TH1、TL1是全16位參與操作)。接下來設(shè)置定時(shí)器0中斷允許位置為1，打開定時(shí)器0，關(guān)閉蜂鳴器，開啟綠燈，設(shè)置報(bào)警限初值。到此初始化設(shè)置完畢。主程序初始化流程圖如圖4.2

35、所示。 圖4.2主程序初始化流程圖 4.2.3中位值平均濾波法數(shù)字濾波子程序設(shè)計(jì)及流程圖 在對煙霧濃度采樣時(shí)，可能會(huì)遇到尖脈沖干擾的現(xiàn)象。干擾的消除可以采用一般的平均值法，也可以采用中位值平均濾波法。如果采用一般的平均值法，則干擾將“平均”到計(jì)算結(jié)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。為采取中位值平均濾波法(又稱防脈沖干擾平均濾波法)，先對N個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，去掉其中的最大值和最小值，然后計(jì)算余下的N2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。這種方法既可濾去脈沖干擾又可濾去小的隨機(jī)干擾。保證報(bào)警器檢測煙霧濃度的準(zhǔn)確性，減小誤報(bào)、錯(cuò)報(bào)的可能。 因此選用中位值平均濾波法進(jìn)行尖脈沖的處理

36、。在實(shí)際應(yīng)用中，N可取任何值，但為了加快測量計(jì)算速度，本論文數(shù)字濾波的設(shè)計(jì)中N取10。即調(diào)用A/D連續(xù)進(jìn)行10次采樣，去掉其中的最大值和最小值，計(jì)算其余8個(gè)值的平均值，將這個(gè)平均值送入寄存器。中位值平均濾波法的程序流程圖如圖4.3所示。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(shè)計(jì)及流程圖 盡管許多煙霧報(bào)警器采用單片機(jī)來處理信號，由于對信號的處理不夠合理，存在較高的誤報(bào)率。本報(bào)警器在信號數(shù)據(jù)處理的程序設(shè)計(jì)上采用了模糊推理濾波的思想，以提高系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，從而降低誤報(bào)率?；馂?zāi)現(xiàn)場的環(huán)境復(fù)雜，采集的信號也具有很大的隨機(jī)性，傳感器探測到的煙霧參數(shù)是無法預(yù)知和不確定的。為

37、了能快速探測火災(zāi)并且降低誤報(bào)率，需要將環(huán)境變化和探測器系統(tǒng)內(nèi)部噪聲對煙霧參數(shù)產(chǎn)生的干擾送入A/D轉(zhuǎn)換，并將A/D輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)濾波處理。模糊數(shù)學(xué)中的模糊邏輯理論較好地解決了采用精確計(jì)算和布爾邏輯難以確定的問題，因此在軟件設(shè)計(jì)中，信號數(shù)據(jù)處理程序采用了模糊邏輯算法以解決外界干擾的模糊性和報(bào)警閾值變化之間的關(guān)系，從而達(dá)到提高探測器可靠性的目的。模糊化隸屬度函數(shù)如下： 式中，A為反應(yīng)火災(zāi)出現(xiàn)可能性的模糊量，f(x)為相應(yīng)的隸屬度。外界環(huán)境的干擾信號帶來的影響是瞬態(tài)的，可采用窗口移動(dòng)濾波法來提高抗干擾能力。濾波函數(shù)如下： 窗口大小取值為5，當(dāng)連續(xù)有5次f(x)值不為零時(shí)，計(jì)算K值，判斷K值是否超過閾值K

38、0，如果K大于或等于K0時(shí)立即報(bào)警，否則不報(bào)警。在上述信號數(shù)據(jù)處理過程中，模糊量A是一個(gè)與溫度相關(guān)的值。報(bào)警器在探測煙霧的同時(shí)，還通過溫度傳感器對現(xiàn)場環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測。A與溫度的對應(yīng)關(guān)系表預(yù)先存入單片機(jī)中，單片機(jī)根據(jù)監(jiān)測到的環(huán)境溫度來查找該關(guān)系表，以確定A的值。閾值B0 、B1 和K0 是3個(gè)關(guān)系報(bào)警器精度的量，需合理設(shè)置，以大幅降低誤報(bào)率。圖4.4 分段插值法線形化程序流程圖 4.2.5報(bào)警子程序設(shè)計(jì)及流程圖 當(dāng)煙霧濃度超過報(bào)警設(shè)定值時(shí)，報(bào)警器發(fā)出一種近似警笛的聲音，對應(yīng)通道的紅燈閃亮，以提示操作人員采取安全對策或自動(dòng)控制相關(guān)安全裝置，從而保障生產(chǎn)安全，避免火災(zāi)和爆炸事故的發(fā)生。為防止誤報(bào)，

39、在程序設(shè)計(jì)上，對煙霧濃度進(jìn)行快速重復(fù)檢測和延時(shí)報(bào)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(chǎn)生的可燃煙霧的微量散失，防止誤報(bào)。報(bào)警子程序流程圖如圖4.7所示。圖4.7報(bào)警子程序流程圖 4.2.7模糊控制子程序模糊控制處理子程序流程圖如圖4.8所示。圖4.8 鍵盤處理子程序4.3本章小結(jié) 本章闡述了煙霧報(bào)警器的軟件設(shè)計(jì)。首先介紹了軟件編程的開發(fā)環(huán)境和工具的選擇，這里我們選擇STC12系列單片機(jī)，應(yīng)用KEIL C51編程器和STC單片機(jī)專用下載軟件來完成系統(tǒng)的開發(fā)。 然后按照實(shí)現(xiàn)的功能，詳細(xì)地設(shè)計(jì)并敘述了幾個(gè)主要部分軟件設(shè)計(jì)流程，包括主程序，主程序初始化，中位值平均濾波法數(shù)字濾波子程序，

40、插值法線性化處理子程序，煙霧濃度顯示子程序，報(bào)警子程序，模糊控制子程序等。5 煙霧探測器實(shí)驗(yàn)測試5.1紅外線光電傳感器探頭信號測試本題目在研究設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行了多層次的實(shí)驗(yàn)測試，首先是在紅外線傳感器探頭方面的測試。為此專門制作了測試模型，主要用來測試紅外光電發(fā)射和接收元件在正常工作條件下，對一般可燃物煙霧的敏感性，并測試發(fā)射管和接收管在什么角度會(huì)得到較高的靈敏度。該測試模型是先制作一個(gè)不透光的圓筒，在筒的周圍同一水平高度的圓周上鉆出若干小孔，將紅外發(fā)射管固定在筒的中間，并使之與驅(qū)動(dòng)電路接通，處于發(fā)射工作狀態(tài)。先將接收管固定在與發(fā)射管相對的位置，并將接收管與檢測電路接通，處于接收狀態(tài)，在接收電路的

41、輸出端接入毫伏表，測試不同材料時(shí)的信號幅度，測試結(jié)果見表5.1。下一步將紅外接收管分別固定在筒周圍的不同孔中進(jìn)行測試，讀取不同角度時(shí)的信號幅度，其結(jié)果見表5.1和表5.2。表5.1傳感器煙霧敏感性測試 從上述測試結(jié)果可以看出，此紅外線傳感器對一般可燃物產(chǎn)生的煙霧有較好的敏感性，可以得到毫伏級的有效信號。表5.2散射角與信號幅度的關(guān)系測試 實(shí)驗(yàn)證明，該傳感器的前向散射靈敏度較高。5.2煙霧探測器檢測電路的實(shí)驗(yàn)測試煙霧探測器檢測電路設(shè)計(jì)完成后，將紅外傳感器與之相連，進(jìn)行輸出信號幅度檢測，測試結(jié)果見表5.3。 表5.3探測器檢測電路分次實(shí)驗(yàn)測試記錄表 從表5.3可以看出，煙霧探測器檢測電路對煙霧信息

42、有較大的信號幅度，足以滿足后續(xù)電路的處理要求。5.3煙霧探測器系統(tǒng)測試在探測器單片機(jī)部分程序設(shè)計(jì)完成后，與硬件部分進(jìn)行了連接調(diào)試，在系統(tǒng)工作正常后，又進(jìn)行了多次的系統(tǒng)煙霧檢測實(shí)驗(yàn)，其測試結(jié)果見表5.4表5.4探測器系統(tǒng)試驗(yàn)匯總表測試結(jié)果表明，該探測器系統(tǒng)靈敏度較高，工作穩(wěn)定。結(jié) 論本論文在對煙霧傳感器和報(bào)警技術(shù)進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外同類產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)，合理地確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。在對儀器的整體設(shè)計(jì)和各個(gè)組成部分進(jìn)行了詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了由煙霧信號采集電路與單片機(jī)控制電路兩大部分構(gòu)成的煙霧傳感器。煙霧傳感器可保障生產(chǎn)與生活的安全，避免火災(zāi)和爆炸事故以及煤氣中毒的發(fā)生，它是防火、防爆和

43、安全生產(chǎn)所必備的儀器，具有廣闊的市場空間與發(fā)展前景。 應(yīng)用程序以C語言編寫，充分利用芯片資源，提高了測量精度和代碼執(zhí)行效率，減小了代碼容量，采用中位值平均數(shù)字濾波算法對經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行濾波處理。這種方法既可濾去脈沖干擾又可濾去小的隨機(jī)干擾，不但最大限度地排除現(xiàn)場噪聲干擾，降低煙霧報(bào)警器誤報(bào)概率，而且易于在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)。 通過現(xiàn)場標(biāo)定及測試，分析煙霧濃度信號的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算本報(bào)警器顯示煙霧濃度與實(shí)際濃度之間的誤差為2.55%LEL，在所規(guī)定誤差范圍±5%LEL之內(nèi)，滿足檢測要求，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果的結(jié)論。致謝 在學(xué)位論文設(shè)計(jì)的過程中，我得到了導(dǎo)師高小能老師的精心指導(dǎo)和大力

44、支持。高小能老師學(xué)識淵博，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，經(jīng)驗(yàn)豐富，指導(dǎo)有方，使我受益匪淺。在設(shè)計(jì)中，我不僅完善了知識結(jié)構(gòu)，提高了專業(yè)能力，還學(xué)到了認(rèn)真務(wù)實(shí)，精益求精的治學(xué)精神。高老師勤奮敬業(yè)，平易近人，誨人不倦的優(yōu)良作風(fēng)深深地感召著我。在論文完稿之時(shí)，本人對導(dǎo)師高小能表示崇高的敬意和最誠摯的感謝!同時(shí)、非常感謝電控學(xué)院的相關(guān)老師和同學(xué)，在論文題目研究和實(shí)驗(yàn)過程中、得到了他們的大力支持和幫助。在題目研究和論文撰寫過程中，參閱了大量的著作和論文，在這里對這些作者一并表示敬意和感謝。值此機(jī)會(huì)，還要感謝相關(guān)產(chǎn)品的研究和應(yīng)用單位給予的大力支持和幫助。參考文獻(xiàn)1陳連生. 可燃煙霧探測器及其設(shè)置安裝要領(lǐng)J. 石油工程建設(shè). 1

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49、940 18黃新友, 高春華. 燒結(jié)溫度對大功率超薄型壓電蜂鳴器用壓電陶瓷結(jié)構(gòu)和性能的影響M. 中國陶瓷工業(yè). 2003,10(2): 2224 19于冶會(huì). 對調(diào)整儀表用蜂鳴器振動(dòng)規(guī)范的探討. 傳感器世界, 2000(1): 3538 20邵子揚(yáng), 黃保明, 劉海濤. Keil軟件仿真的串口調(diào)試技巧. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用J, 2006(7): 7678 21Keil Software. Cx51 Complier Users Guide. Keil SoftwareM, 2001 22Keil Software. Macro Assembler and Utilities Users G

50、uideM. Keil Software, 2001 23陳曉莉, 張俊濤. KEIL C51單片機(jī)仿真器的設(shè)計(jì)J.微計(jì)算機(jī)信息(嵌入式與SOC), 2006,2(2): 192024魏東. Keil C51總線外設(shè)操作問題的深入分析J. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2006(2): 7879 25曹珍貫. 在單片機(jī)中用插值法實(shí)現(xiàn)線性化器J. 工礦自動(dòng)化, 2005(6): 4445 26王勇, 冷劍青, 徐健健. 基于單片機(jī)的室內(nèi)一氧化碳安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)J. 工業(yè)儀 表與自動(dòng)化裝置, 2001(4): 1922 27許貴橋, 李同勝. 分段線性插值收斂速度的一種估計(jì)J.大學(xué)數(shù)學(xué),2002,22

51、(5): 6466 28曹樂南, 霍大勇. 單片機(jī)與PC機(jī)串行通信的實(shí)現(xiàn)J. 中國科技信息, 2006(11): 192, 203 附 錄（1）部分程序如下：/-void IntTimer0() interrupt 1 /定時(shí)器中斷程序if(yure_biao=0)jia1+;YS=YS;if(jia1>=200) /定時(shí)10Sjia1=0;jia2+;if(jia2>=30)/定時(shí)5分 30jia2=0;yure_biao=1;YS=1;if(start_biao=0)&&(over_biao=0)&&(bao_biao=1)&&(clear_biao=0)/采集定時(shí)程序jia3+;if(jia3>=20)/定時(shí)1Sjia3=0;start_biao=1;if(clear_biao=1) /清除報(bào)警顯示jia5+; xscout=0;RS=1;if(jia5>=200)jia5=0;jia6+;if(jia6&