1、 畢業(yè)論文設計基于單片機的火災報警系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)摘 要隨著現(xiàn)代信息技術的飛速發(fā)展和工業(yè)自動化技術的逐步實現(xiàn)，人們對建筑物的安全性和災害預警系統(tǒng)更加重視，為預防樓房的火災，人們已采取許多方法來防火災的發(fā)生。其中就包括通過信息化和自動化的方法來檢測樓房的煙霧和溫度，達到檢測火災的目的。本論文以電阻式煙霧傳感器和單片機技術為核心并與其他電子技術相結合， 設計出一種技術水平較好的火災報警器。其中選用MQ-2型半導體可燃氣體敏感元件煙霧傳感器實現(xiàn)煙霧的檢測，以AT89S52單片機和MQ-2型半導體電阻式煙霧傳感器為核心設計的火災報警器可實現(xiàn)報警、故障自診斷、濃度級別顯示、報警限設置、溫度顯示與與溫度報

2、警值設定等功能。是一種結構簡單、性能穩(wěn)定、使用方便、價格低廉、智能化的火災報警器，具有一定的實用價值。關鍵詞：火災報警；單片機；煙霧傳感器；溫度傳感器；AbstractWith the rapid development of modern information technology and industrial automation technology gradually realize, people on the s

3、tructures within the safety anddisaster warning system more attention, to prevent the fire in the building, people have taken many methods to prevent fire. Including through&#

4、160;informatization and automated method to detect the smoke in the building and temperature, achieve the purpose of firedetection. In this paper, resistance type smoke sensor and single-chip microcomputer as t

5、he core technology and electronic technology, designs a technology better fire alarm. The selection of MQ-2 type semiconductor gas sensitive element smoke sensor smoke detection. The selection of AT89S52 chip, the integration of the A/D conversion, hardware multiplier,hardware pulse width modulator

6、and other resources.With AT89S52 MCU and MQ-2 type semiconductor resistor type smoke sensor as the core design of the fire alarm can alarm, fault diagnosis, concentration level display, alarm limit settings, temperature display and temperature alarm value setting and other functions. Is a kind of si

7、mple structure, stable performance, convenient operation, low price, intelligent fire alarm,has a certain practical value.Key words:Firealarm; Single chip microcomputer;Thesmoke sensor;The temperature sensor40 / 44目 錄第1章緒論11.1 課題研究背景與意義11.2 火災報警器的發(fā)展歷程和發(fā)展現(xiàn)狀11.3 論文主要容與結構安排3第2章總體方案論證與設計42.1 設計要求42.2 總體

8、設計方案42.3 各功能模塊方案選擇52.4 本章小結6第3章系統(tǒng)硬件設計83.1 單片機最小系統(tǒng)電路設計83.2 DS18B20測溫電路103.3四位數(shù)碼管顯示電路的結構和工作原理123.4 MQ-2煙霧傳感器轉換電路153.5報警溫度設定按鍵電路173.6 電源電路173.7 本章小結18第4章系統(tǒng)軟件設計194.1 主程序流程圖194.2中位值平均濾波法數(shù)字濾波流程圖214.3插值法線性化處理子流程圖224.4報警子程序流程圖254.5控制按鍵設計子程序流程圖264.6 本章小結26第5章系統(tǒng)調試275.1 Proteus軟件介紹275.2 Keil C軟件介紹285.3 軟件調試285

9、.4 調試結果295.5 本章小結31結論32參考文獻33致35附錄1 程序清單36附錄2 電路原理圖42第1章 緒論1.1 課題研究背景與意義在各種災害中，火災是最經(jīng)常、最普遍地威脅公眾安全和社會發(fā)展的主要災害之一。它威脅著人們的健康、生命和財產(chǎn)安全，一旦引發(fā)火災，就能使成千上萬的財產(chǎn)瞬間變?yōu)榛覡a，其所造成的損失約為地震的五倍，僅次于干旱和洪澇災害?；馂氖强扇嘉镌跁r間或空間上失去控制的燃燒所造成的災害?；穑诮o人類帶來文明進步、光明和溫暖的同時也在其失去控制之時給人類造成了巨大的災難。據(jù)統(tǒng)計，我國70年代火災平均損失接近2.5億元，80年代火災平均損失接近3.2億元。進入90年代，特別是19

10、93年以來，火災造成的直接損失上升到年均十幾億元，年均死亡2000多人。隨著經(jīng)濟和城市建設的快速發(fā)展，城市高層、地下以與大型綜合性建筑日益增多，火災隱患也大大增加，火災發(fā)生的數(shù)量與其造成的損失呈逐年上升1。嚴峻的事實證明，火災給人類、社會和自然造成的危害圍不斷擴大，它不僅毀壞物質財產(chǎn)，造成社會秩序的混亂，還直接威脅生命安全，給人們的心靈造成極大的傷害。殘酷的現(xiàn)實讓人們逐漸認識到監(jiān)控預警和消防工作的重要性，良好的監(jiān)控系統(tǒng)和與時的報警機制可以大大降低人員的傷亡，為社會減少不必要的損失2。智能火災自動報警系統(tǒng)就是為了滿足這一需求而研制出的，并且其自身的技術水平也在隨著人們需求的不斷地提高，在功能、結

11、構、形式等方面不斷地完善。設置功能完善的控制系統(tǒng)與消防設施，對保障人民生命財產(chǎn)的安全，無疑是極為重要的。隨著電子產(chǎn)品在人類生活中的使用越來越廣泛，火災報警系統(tǒng)已并非傳統(tǒng)意義上的簡單的報警設備，而是融入了計算機技術、電子技術、自動控制技術、傳感器的應用等各領域知識。伴隨著科學技術的不斷進步，火災報警系統(tǒng)必將得到更快的發(fā)展。隨著經(jīng)濟和城市建設的快速發(fā)展，城市高層、地下建筑以與大型綜合性建筑日益增多，火災隱患也大大增加，火災的數(shù)量與其造成的損失呈逐年上升趨勢，市場上迫切需要一種容量大、可靠性高、使用簡單的火災報警控制系統(tǒng)。1.2 火災報警器的發(fā)展歷程和發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 火災報警系統(tǒng)發(fā)展歷程火災報警

12、系統(tǒng)的發(fā)展也是經(jīng)歷了由單一品種發(fā)展成現(xiàn)在樣式多樣化的過程，由以前誤報率較高、安裝復雜和監(jiān)測圍較窄變成現(xiàn)在測量較精準、安裝簡單、監(jiān)測圍廣等從發(fā)展過程來看，大體上可分為以下幾個階段：第一階段，從19世紀40年代至20世紀40年代，火災報警系統(tǒng)處于發(fā)展的初級階段，采用的探測器主要是感溫式的探測器，它通過采集溫度信號，然后判定是否超出設定的閾值，從而判斷是否有火災發(fā)生。這一階段，火災報警系統(tǒng)簡單，僅靠單一的溫度參量進行火災判斷。但是它易受環(huán)境中其他干擾源的影響，靈敏度低，響應速度慢，無法判斷引燃火災，也無法滿足智能化火災報警系統(tǒng)的要求。第二階段，20世紀40年代末，瑞士物理學家 Emst Meili研

13、究的離子感煙探測器推出以后，引起了人們對離子感煙探測器的重視，隨后感煙探測器得到廣泛應用，并逐漸占據(jù)了絕大部分市場，迫使感溫式探測器退居其次；到70年代末，光電式感煙探測器在光電技術的基礎上發(fā)展起來，并很快得到大力發(fā)展，它的使用壽命長，抗干擾能力強，沒有離子感煙探測器的放射性問題。在這一階段，火災報警系統(tǒng)普遍采用多線制布局方式，布線、調試、系統(tǒng)可靠性是系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。第三階段，20世紀80年代初期，總線型火災報警系統(tǒng)開始興起，在火災報警領域中邁出了一大步，并得到了較普遍的應用。它使得布線工作量顯著減少，安裝調試更加容易，更能精確報警定位。但是這一時期的火災報警系統(tǒng)的智能化水平不高，采用有線連接

14、對工程要求高。第四階段，從20世紀80年代中后期開始，隨著計算機技術、控制技術、集成電路技術、傳感器技術與智能技術的快速發(fā)展，火災自動報警系統(tǒng)步入智能化時代，智能化火災報警系統(tǒng)迅速發(fā)展起來，各種智能型的火災自動報警系統(tǒng)相繼出現(xiàn)。模擬量可尋址技術的應用使得火災報警系統(tǒng)的安全性、精準性和智能性有了很大提高，在火災自動報警系統(tǒng)發(fā)展史上具有里程碑的意義3。1.2.2 國外火災報警系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀國外從20世紀30年代開始研究與開發(fā)煙霧傳感器，且發(fā)展迅速，一方面是因為人們安全意識增強，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是因為傳感器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動。據(jù)有關統(tǒng)計，美國19962002年煙

15、霧傳感器年均增長率為27%30%。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，使得煙霧檢測 儀器的體積也逐漸變小，提高了煙霧檢測儀器的便攜性，更加利于生產(chǎn)、運輸與市場推廣4。我國在70年代初期開始研制煙霧報警器，生產(chǎn)型號多樣、品種較齊全，應用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)境的各種類型報警器，產(chǎn)品數(shù)量也在不斷增加。但是由于國的火災報警系統(tǒng)較多的是進口產(chǎn)品或是靠引進技術，其系統(tǒng)的靈敏度、對環(huán)境變化的自適應能力、探測濃度圍、以與節(jié)電設計方面還有待進一步研究提高，在應用到市場之前還有很多問題需要解決5。毫無質疑的是未來先進的火災早期智能報警系統(tǒng)在隨著科技水平的發(fā)展、

16、市場推廣的深入和全民火災防意識的不斷加強，會被越來越多的用戶所推崇，應用領域也會延伸至多種行業(yè)，火災系統(tǒng)也會應技術的創(chuàng)新而不斷發(fā)展更新。1.3 論文主要容與結構安排本次的火災報警器設計中由單片機AT89S52芯片、DS18B20芯片和煙霧傳感器為核心，輔以必要的電路，如上下限設置按鍵、緊急報警等。實現(xiàn)了對各個單元的有效控制，本文分五章對系統(tǒng)設計進行了詳細介紹，各章節(jié)安排如下：第1章 簡要介紹了火災報警器的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了研究課題，介紹了論文的章節(jié)安排。第2章 本章給出了總體方案的論證與設計，其中提出了設計要求。第3章 本章主要是對火災報警器各個功能模塊進行設計。并且分別闡述了各個功能模塊的工作

17、原理、具體工作過程以與硬件連接。第4章 本章主要研究了在電路的基礎上設計相應的軟件程序，說明程序運行過程，給出各個功能模塊應用程序的流程圖。第5章 本章主要介紹系統(tǒng)的調試，包括使用的軟件、調試環(huán)境和軟件調試過程，給出了調試軟件的成功運行結果。第2章 總體方案論證與設計2.1 設計要求本系統(tǒng)以AT89S52單片機為中央處理器，利用單片機采集溫度，用4位數(shù)碼管顯示溫度值，設置三個按鍵調整報警溫度值，當溫度超出所設定的上下限圍時，開始報警。系統(tǒng)硬件電路主要分為溫度電路、鍵盤電路、煙霧A/D轉換電路、聲音報警電路、顯示電路五個部分。當煙霧傳感器檢測到火災釋放的煙霧時，將信號傳送的ADC0832進行處理

18、模數(shù)轉化再到單片機進行處理，當檢測到濃度超標時，進行報警，同時，此系統(tǒng)還可以檢測溫度，火災發(fā)生往往環(huán)境溫度會升高。到檢測到溫度超過設定的報警溫度的時候，進行報警。設置三個按鍵，緊急報警按鍵，可人為報警和取消報警即手動報警。左面第一個是報警溫度的設置，按一次進入報警溫度上限設置此時，進行上限溫度設置，并閃爍顯示。按兩次進入報警溫度下限設置，進行下限溫度設置，閃爍顯示。按三次進入報警煙霧濃度級別設置此時出現(xiàn)1，進行濃度級別設置，閃爍顯示。第二個按鍵是減小鍵，按一下減小1。第三個按鍵是增加鍵，按一下增加1。2.2 總體設計方案綜合上述，本設計的火災報警器由火災探測部分（溫度和煙霧傳感器）、報警控制器

19、（單片機）、報警和顯示部分（數(shù)碼管）組成，也就是一個系統(tǒng)的輸入部分、處理部分、輸出部分?；馂奶綔y部分通過對火災發(fā)出的氣體煙霧和溫度的探測，將探測到的信號轉化成數(shù)字信號傳遞給控制器也就是單片機。單片機將接收到信號后經(jīng)分析處理后判斷是否發(fā)出報警信號，并在屏幕上顯示當前溫度和煙霧濃度。如果判斷有火災，報警器在單片機的指揮下進行報警警示火災的發(fā)生。系統(tǒng)硬件組成框圖如圖2-1所示。單片機復位電路報警電路時鐘振蕩溫度傳感器LED顯示報警器報警圖2-1總體硬件組成框圖2.3 各功能模塊方案選擇2.3.1單片機控制模塊方案一：采用AT89C51芯片作為硬件核心，采用Flash ROM，部具有4KB ROM 存

20、儲空間,能于3V的超低壓工作,而且與MCS-51系列單片機完全兼容,但是運用于電路設計中時由于不具備ISP在線編程技術, 當在對電路進行調試時，由于程序的錯誤修改或對程序的新增功能需要燒入程序時，對芯片的多次拔插會對芯片造成一定的損壞。方案二：采用AT89S52芯片，片ROM全都采用Flash ROM；能以3V的超低壓工作；同時也與MCS-51系列單片機完全該芯片部存儲器為8KB ROM 存儲空間，同樣具有89C51的功能，且具有在線編程可擦除技術，當在對電路進行調試時，由于程序的錯誤修改或對程序的新增功能需要燒入程序時，不需要對芯片多次拔插，所以不會對芯片造成損壞6。比較以上兩種方案，方案二

21、有明顯的優(yōu)點，因此選擇方案二。2.3.2 七段LED數(shù)碼管顯示模塊方案一：采用LCD液晶顯示屏，液晶顯示屏的顯示功能強大，可顯示大量文字和圖形，顯示多樣，清晰可見，但是價格昂貴，需要的接口線多，所以在此設計中不采用LED液晶顯示屏。方案二：采用點陣式數(shù)碼管顯示，點陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對于顯示文字比較適合，如采用在顯示數(shù)字顯得太浪費，且價格也相對較高，所以也不用此種作為顯示7。方案三：采用LED數(shù)碼管動態(tài)掃描，LED數(shù)碼管價格適中，對于顯示數(shù)字最合適，而且采用動態(tài)掃描法與單片機連接時，占用的單片機接口線少。比較以上兩種方案，方案三有明顯的優(yōu)點，因此選擇方案三。2.3.3 DS

22、18B20溫度測量模塊方案一：采用熱敏電阻，可滿足40至90測量圍，雖然熱敏電阻精度高、重復性較好，但可靠性差，對于檢測誤差在1攝氏度圍的信號是不適用的。方案二：采用DS18B20溫度傳感器，輸出信號全數(shù)字化，可直接與單片機連接，便于單片機處理與控制，省去傳統(tǒng)的測溫方法的很多外圍電路，且該傳感器的物理化學性很穩(wěn)定，它能用作工業(yè)測溫傳感器。在0100時，最大線形差小于1，同時DS18B20傳感器的最大特點之一就是采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，提高了信號的穩(wěn)定性和精度8。比較以上兩種方案，我們選用可靠性比較高、便于控制的DS18B20傳感器芯片實現(xiàn)溫度測量。因此選擇方案二。2.3.4 煙霧傳感器模塊方案

23、一：采用MP135型半導體空氣污染敏感元件，由加熱器以與微型A1203瓷基片上形成的金屬氧化物半導體材料構成。當有被檢測氣體存在時，空氣中該氣體的濃度越高，傳感器的電導率就越高，使用簡單的電路即可將這種電導率的變化轉換為與氣體濃度對應的輸出信號。但是這種傳感器價格高，驅動電路復雜，對煙霧固體小顆粒靈敏度低。方案二：采用MQ-2煙霧傳感器，在可燃氣體或煙霧中MQ-2煙霧傳感器的電阻會有相應的變化，這種傳感器靈敏度高，性能穩(wěn)定，對煙霧固體小顆粒靈敏度高，價格低，而且驅動電路簡單9。比較以上兩種方案，我們選用價格便宜、驅動電路簡單的MQ-2煙霧傳感器實現(xiàn)煙霧濃度測量。因此選擇方案二。2.3.5 報警

24、模塊方案一：語音報警，電路復雜。方案二：采用蜂鳴器實現(xiàn)用聲音報警。價格便宜，電路簡單，易于實現(xiàn)。比較以上兩種方案，我們選用價格便宜的蜂鳴器實現(xiàn)用聲音報警。因此選擇方案二。2.4 本章小結本章給出了各個模塊的方案論證，比較與選擇。經(jīng)過多方比較，我們最終確定出各個模塊的最佳方案?？刂颇K采用單片機AT89S52芯片，顯示模塊采用七段LED數(shù)碼管來實現(xiàn)，溫度測量模塊采用DS18B20傳感器來實現(xiàn)，煙霧濃度測量模塊采用MQ-2型煙霧傳感器，報警模塊采用蜂鳴器報警。第3章 系統(tǒng)硬件設計為了使本設計具有更加方便和靈活性，我們對系統(tǒng)的硬件做了精心設計。電路系統(tǒng)硬件電路主要分為溫度電路、鍵盤電路、煙霧A/D轉

25、換電路、聲音報警電路、顯示電路五個部分。3.1 單片機最小系統(tǒng)電路設計3.1.1 單片機簡介AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片晶振與時鐘電路。另外AT89S52可降至0赫茲靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工

26、作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。該器件采用Atmel公司的高密度非易失性存儲技術生產(chǎn)，其指令與工業(yè)標準的80C51指令集兼容。片程序存儲器允許重復在線編程，允許程序存儲器在系統(tǒng)通過SPI串行口改寫或用同用的非易失性存儲器改寫。通過把通用的8位CPU與可在線下載的Flash集成在一個芯片上，AT89S52便成為一個高效的微型計算機。它的應用圍廣，可用于解決復雜的控制問題，且成本較低10。3.1.2 單片機管腳說明VCC：供電電壓。GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏極開路雙向

27、I/O口，每腳可吸收8TTL門流。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，被部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式

28、）4個TTL輸入。當P2口被寫“1”時，其管腳被部上拉電阻拉高，此時可用作輸入口。P2口作輸入口使用時，因為有部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器或16位的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口送出高8位地址，在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口引腳上的容（就是專用寄存器（SFR）區(qū)中P2寄存器的容），在整個訪問期間不會改變。在對Flash編程和程序校驗期間，P2口也接收高位地址或一些控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被部上拉為高電平，并用作輸入。P3口作輸入口使用時，因為有部的上拉電

29、阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。P3口還用于一些復用功能，在對Flash編程和程序校驗期間，P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間?？撮T狗定時器（Watchdog）溢出后，該引腳會保持98個振蕩周期的高電平。在SFR AUXR（地址8EH）寄存器中的DISRTO位可以用于屏蔽這種功能。DISRTO位的默認狀態(tài)，是復位高電平輸出功能使能。 ALE/PROG：地址鎖存允許信號。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低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。一般情況下，

30、ALE是振蕩器頻率的6分頻信號，可用于外部定時或時鐘。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。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。在需要時，可以把地址8EH中的SFR寄存器的0位置為“1”， 從而屏蔽ALE的工作；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：程序存儲器允許信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。它用于讀外部程序存儲器。在對外部數(shù)據(jù)存儲器的每次存取中，PSEN的2次激活會被跳過。EA/VPP：外部存取允許信號。當/EA保持低

31、電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將部鎖定為RESET；當EA端保持高電平時，此間部程序存儲器。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與部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：振蕩器的反相放大器輸出11。3.1.3 單片機的最小系統(tǒng)AT89S52單片機為40引腳雙列直插芯片。MCS-51單片機共有4個8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），每一條I/O線都能獨立地作輸出或輸入12。單片機的最小系統(tǒng)如下圖3-1所示,18引腳和19引腳接時鐘電路，XTAL1接外部晶振和

32、微調電容的一端，在片它是振蕩器倒相放大器的輸入，XTAL2接外部晶振和微調電容的另一端，在片它是振蕩器倒相放大器的輸出。第9引腳為復位輸入端，接上電容，電阻與開關后夠上電復位電路，20引腳為接地端，40引腳為電源端。晶振采用12MHZ。由于單片機只訪問片F(xiàn)lash ROM并執(zhí)行部程序存儲器中的指令，因此單片機的31腳接高電平VCC。單片機最小系統(tǒng)如圖3-1所示。圖3-1 單片機最小系統(tǒng)3.2 DS18B20測溫電路3.2.1 DS18B20傳感器簡介本設計采用DS18B20溫度傳感器，該傳感器是美國DALLAS半導體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直

33、接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式。3.2.2 DS18B20管腳與寄存器說明(1)DS18B20的引腳排列 GND：地信號DQ：數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。VDD：可選擇的VDD引腳。當工作于寄生電源時，此引腳必須接地。(2)DS18B20的性能特點獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信；多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能；無須外部器件；可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓圍為3.05.5；零待機功耗；溫度以或位數(shù)字；用戶可定義報警設置；報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報

34、警條件）的器件；負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。64位ROM的結構開始位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有48位，最后位是前面56位的CRC檢驗碼，這也是多個DS18B20可以采用一線進行通信的原因。溫度報警觸發(fā)器和，可通過軟件寫入戶報警上下限。(3)DS18B20的寄存器說明DS18B20溫度傳感器的部存儲器還包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EPRAM。高速暫存RAM的結構為8字節(jié)的存儲器，結構如圖3所示。頭2個字節(jié)包含測得的溫度信息，第3和第4字節(jié)TH和TL的拷貝，是易失的，每次上電復位時被刷新。第5個字節(jié)，為配置寄存器，

35、它的容用于確定溫度值的數(shù)字轉換分辨率。DS18B20工作時寄存器中的分辨率轉換為相應精度的溫度數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如圖3所示。低5位一直為1，TM是工作模式位，用于設置DS18B20在工作模式還是在測試模式，DS18B20出廠時該位被設置為0，用戶要去改動，R1和R0決定溫度轉換的精度位數(shù)，來設置分辨率13。3.2.3 DS18B20傳感器與單片機的連接DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時DS18B20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式。DS1302與單片機的連接僅需3條線：時鐘線SCLK、數(shù)據(jù)線I/O和復位線RST。時鐘線SCLK與

36、P1.4相連，數(shù)據(jù)線I/O與P1.3相連，復位線RST與P1.2相連。由于DS1302是靠細電流充電來實現(xiàn)串行輸入輸出的，因此，在SCLK、I/O、RST線上要加上拉電阻，其中，它們的電流應該在500u1mA之間，若電源為5V，則R約為5K，因此，電阻R=4.7K。在單電源與電池供電系統(tǒng)中，Vcc1提供低電源并提供低功率的備用電源。Vcc2提供高電源作為芯片供電的主電源。因此，這里Vcc1用3V紐扣電池，Vcc2用5V的系統(tǒng)電源。晶振為32.768KHz接入X1、X2引腳。DS1302測溫電路如圖3-2所示：圖3-2 DS18B20測溫電路3.3四位數(shù)碼管顯示電路的結構和工作原理3.3.1 七

37、段數(shù)碼管簡介七段數(shù)碼管一般由8個發(fā)光二極管組成，其中由7個細長的發(fā)光二極管組成數(shù)字顯示，另外一個圓形的發(fā)光二極管顯示小數(shù)點。數(shù)碼管使用條件：段與小數(shù)點上加限流電阻，使用電壓：段：根據(jù)發(fā)光顏色決定；小數(shù)點：根據(jù)發(fā)光顏色決定，使用電流：靜態(tài)：總電流 80mA（每段 10mA）；動態(tài)：平均電流4-5mA，峰值電流100mA。4位數(shù)碼管引腳圖數(shù)碼管使用注意事項說明：數(shù)碼管表面不要用手觸摸，不要用手去弄引角；焊接溫度：260度；焊接時間：5s；表面有保護膜的產(chǎn)品,可以在使用前撕下來14。當發(fā)光二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫發(fā)光?？刂葡鄳亩O管導通，就能顯示出各種字符，盡管顯示的字符形狀有些失真，

38、能顯示的數(shù)符數(shù)量也有限，但其控制簡單，使有也方便。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極數(shù)碼管，陰極連在一起的稱為共陰極數(shù)碼管，如圖3-3所示。共陽極就是把所有LED的陽極連接到共同接點com，而每個LED的陰極分別為a、b、c、d、e、f、g與dp（小數(shù)點）；共陰極則是把所有LED的陰極連接到共同接點com，而每個LED的陽極分別為a、b、c、d、e、f、g與dp（小數(shù)點），圖中的8個LED分別與上面那個圖中的ADP各段相對應，通過控制各個LED的亮滅來顯示數(shù)字15。對于單個數(shù)碼管來說，從它的正面看進去，左下角那個腳為1腳，以逆時針方向依次為110腳，左上角那個腳便是10腳了，上面兩個圖中的數(shù)

39、字分別與這10個管腳一一對應。注意，3腳和8腳是連通的，這兩個都是公共腳。七段數(shù)碼管結構圖如圖3-3所示。b） a） c） 圖3-3 七段數(shù)碼管結構圖a） 七段數(shù)碼管字段和引腳分布b） 共陰極 c） 共陽極還有一種比較常用的是四位數(shù)碼管，部的4個數(shù)碼管共用adp這8根數(shù)據(jù)線，為人們的使用提供了方便，因為里面有4個數(shù)碼管，所以它有4個公共端，加上adp，共有12個引腳，下面便是一個共陰的四位數(shù)碼管的部結構圖（共陽的與之相反）。引腳排列依然是從左下角的那個腳（1腳）開始，以逆時針方向依次為112腳。3.3.2 七段數(shù)碼管驅動方法發(fā)光二極管（LED）是一種由磷化鎵（GaP）等半導體材料制成的，能直接

40、將電能轉變成光能的發(fā)光顯示器件。當其部有一一電流通過時，它就會發(fā)光。七段數(shù)碼管的顯示方法可分為靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示，下面分別介紹。(1) 靜態(tài)顯示所謂靜態(tài)顯示，就是當顯示某一字符時，相應段的發(fā)光二極管恒定地尋能可截止。這種顯示方法為每一們都需要有一個8位輸出口控制。對于51單片機，可以在并行口上擴展多片鎖存74LS573作為靜態(tài)顯示器接口。靜態(tài)顯示器的優(yōu)點是顯示穩(wěn)定，在發(fā)光二極管導通電注一定的情況下顯示器的亮度高，控制系統(tǒng)在運行過程中，僅僅在需要更新顯示容時，CPU才執(zhí)行一次顯示更新子程序，這樣大大節(jié)省了CPU的時間，提高了CPU的工作效率；缺點是位數(shù)較多時，所需I/O口太多，硬件開銷太大，因此

41、常采用另外一種顯示方式動態(tài)顯示。(2) 動態(tài)顯示所謂動態(tài)顯示就是一位一位地輪流點亮各位顯示器（掃描），對于顯示器的每一位而言，每隔一段時間點亮一次。雖然在同一時刻只有一位顯示器在工作（點亮），但利用人眼的視覺暫留效應和發(fā)光二極管熄滅時的余輝效應，看到的卻是多個字符“同時”顯示。顯示器亮度既與點亮時的導通電流有關，也與點亮時間和間隔時間的比例有關。調整電流和時間參烽，可實現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。若顯示器的位數(shù)不大于8位，則控制顯示器公共極電位只需一個8位I/O口（稱為掃描口或字位口），控制各位LED顯示器所顯示的字形也需要一個8位口（稱為數(shù)據(jù)口或字形口）16。動態(tài)顯示器的優(yōu)點是節(jié)省硬件資源，成本

42、較低，但在控制系統(tǒng)運行過程中，要保證顯示器正常顯示，CPU必須每隔一段時間執(zhí)行一次顯示子程序，這占用了CPU的大量時間，降低了CPU工作效率，同時顯示亮度較靜態(tài)顯示器低。綜合以上考慮，由于溫度顯示為精確到小數(shù)點后兩位，故只需4個數(shù)碼管，又考慮到CPU工作效率與電源效率，本畢業(yè)設計采用靜態(tài)顯示。為共陽極顯示。3.3.3 硬件編碼74LS47是一款BCD碼轉換為7段輸出的集成電路芯片，利用它可以直接驅動共陽極的七段數(shù)碼管。它的引腳分布如圖3-4所示。 圖3-4 74LS47管腳圖3.3.4顯示電路如圖3-5所示，4位數(shù)碼管為共陽管，由于單片機輸出電流比較小，故用4個PNP型的三極管9015來驅動數(shù)

43、碼管。單片機輸出低電平時三極管導通，使數(shù)碼管的4各公共端1、4、5和12腳為高電平，此時數(shù)碼管的數(shù)據(jù)端輸入低電平后數(shù)碼管被點亮，120電阻R12到R19為三極管的限流電阻,數(shù)碼顯示電路如圖3-5所示。當溫度達到37時顯示報警，或者煙霧濃度達到4時顯示報警。圖3-5 數(shù)碼顯示電路圖3.4 MQ-2煙霧傳感器轉換電路3.4.1MQ-2煙霧傳感器工作原理本設計選用MQ-2型煙霧傳感器，這種型號的傳感器不但具備一般半導體煙霧傳感器靈敏度 高、響應快、抗干擾能力強、壽命長等優(yōu)點。半導體煙霧傳感器包括用氧化物半導體瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以與用單晶半導體器件制作的煙霧傳感器。按敏感機理分類，可分為

44、電阻型和非電阻型。半導體氣敏元件也有N型和P型之分。N型在檢測時阻值隨煙霧濃度的增大而減??；P型阻值隨煙霧濃度的增大而增大。本設計中采用的MQ-2型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導體氣敏材料，屬于表面離子式N型半導體。當處于200300溫度時，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當與煙霧接觸時，如果晶粒間界處的勢壘受 到該煙霧的調制而變化，就會引起表而電導率的變化。利用這一點就可以 獲得這種煙霧存在的信息。遇到可燃煙霧（如CH4等）時，原來吸附的氧脫附，而由可燃煙霧以正離子狀態(tài)吸附在二氧化錫半導體表面；氧脫附放出電子，煙霧以正離子狀態(tài)吸附也要放出

45、電子，從而使二氧化錫半導體導帶電子密度增加，電阻值下降。而當空氣中沒有煙霧時，二氧化錫半導體又會自動恢復氧的負離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是MQ-2型燃性煙霧傳感器檢測可燃煙霧的基本原理17。3.4.2 MQ-2型傳感器的特性與主要技術指標MQ-2型傳感器的一般特點：MQ-2型傳感器對天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對烷類煙霧更為敏感。 MQ-2型傳感器具有良好的重復性和長期的穩(wěn)定性。初始穩(wěn)定， 響應時間短，長時間工作性能好。 MQ-2型傳感器具有良好的抗干擾性，可準確排除有刺激性非可燃性煙霧的干擾信息，例如酒精和煙霧等。電路設計電壓圍寬，24V以下均可；加熱電壓5

46、77;0.2V。 MQ-2型傳感器的特性參數(shù)：回路電壓：(Vc) 524V；取樣電阻：(RL) 0.120K；加熱電壓：(VH)5±0.2V；加熱功率：(P)約750mW；響應時間：Tres10秒；恢復時間：Trec30秒。3.4.3煙霧傳感器轉換電路煙霧傳感器MQ-2經(jīng)過ADC0832轉換后接單片機端口，7引腳接P3.5引腳，5、6引腳接P3.6引腳，煙霧傳感器轉換電路如圖3-6所示。圖3-6 煙霧傳感器轉換電路3.5報警溫度設定按鍵電路報警溫度用按鍵S2，S3，S4來設置，S2為調整鍵，按一次可調整報警上限溫度值，按兩次可調整報警下限溫度值，按三次數(shù)碼管恢復到正常溫度顯示。S5是

47、緊急呼叫按鍵。用單片機的3個I/O口接收控制信號，3個按鍵的一端與地相連，另一端分別與P1.0、P1.1、P1.2、P1.3相連。這時當按鍵按下就輸入低電平。鍵盤控制電路如圖3-7所示。圖3-7 鍵盤控制電路3.6 電源電路電源是儀器設備正常工作不可或缺的一個重要部分。由220V交流電壓轉換為5V直流電壓的電路圖如圖3-8所示。圖3-8 電源電路3.7 本章小結本章通過對設計思想的介紹,分別對單片機最小系統(tǒng)、DS18B20測溫電路、四位數(shù)碼管顯示電路、報警溫度設定按鍵電路、煙霧傳感器轉換電路、電源電路模塊的設計原理進行分析和闡述。對各模塊所需的芯片、元器件進行介紹。第4章 系統(tǒng)軟件設計本次設計

48、用Keil編程軟件進行軟件設計。Keil軟件是目前最流行的開發(fā)系列單片機軟件，近年來各仿真機廠商紛紛宣布全面支持Keil。它提供了包括C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和仿真調試器在的完整開發(fā)方案，通過集成開發(fā)環(huán)境將這些部分組合在一起。Keil支持匯編語言和C語言的程序設計，易學易用。4.1 主程序流程圖系統(tǒng)主程序首先要給傳感器預熱三分鐘，因為MQ-2型半導體電阻式煙霧傳感器在不通電存放一段時間后，再次通電時，傳感器不能立即正常采集煙霧信息，需要一段時間預熱。程序初始化結束后，系統(tǒng)進入監(jiān)控狀態(tài)。本論文的主程序設計先對傳感器預熱三分鐘， 預熱同時，對傳感器加熱絲故障檢測，采用軟件方式檢測傳感器加

49、熱絲或電纜線是否斷線或者接觸不良。 AT89S52單片機對傳感器檢測的煙霧濃度信號進行A/D轉換、平均值法濾波、線性化處理后，將濃度值與報警限設定值相比較，判斷是否報警。同時送入段式液晶顯示煙霧濃度值。主程序還包括狀態(tài)指示燈與按鍵功能設置，中斷子程序等，使報警器功能更加完善，主程序流程圖如圖4-1所示。圖4-1 主程序流程圖4.2中位值平均濾波法數(shù)字濾波流程圖在煙霧傳感器對煙霧濃度采樣時，可能會遇到尖脈沖干擾的現(xiàn)象。干擾通常只影響個別采樣點的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)與其他采樣點的數(shù)據(jù)相差比較大。 如果采用一般的平均值法，則干擾將“平均”到計算結果上去，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

50、偏差。 為此，可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個采樣數(shù)據(jù)進行比較，去掉其中的最大值和最小值，然后計算余下的N2個數(shù)據(jù)的算術平均值。這種方法既可濾去脈沖干擾又可濾去小的隨機 干擾。保證報警器檢測煙霧濃度的準確性，減小誤報、錯報的可能。 在實際應用中，N可取任何值，但為了加快測量計算速度，本論文數(shù)字濾波的設計中N取10。即調用A/D連續(xù)進行10次采樣，去掉其中的最大值和最小值，計算其余8個值的平均值，將這個平均值送入寄存器。 中位值平均濾波法的程序流程圖如圖4-2所示。圖4-2中位值平均濾波法程序流程圖4.3插值法線性化處理子流程圖在單片機測控系統(tǒng)中，使用之前必須進行靜態(tài)

51、標定，以得到輸出信號與被測信號的關系輸出曲線，用來作為使用過程中的計量依據(jù)。但是標定時輸出曲線往往不是一條理想的直線，所以要對標定曲線進行線性化處理，用一條擬合直線近似代替輸出曲線，線性化是智能儀表的典型功能之一。該報警器主要針對甲烷煙霧檢測，在軟件線性化處理時，以傳感器對甲烷的響應曲線為依據(jù)。 本論文報警器使用的MQ-2型傳感器的電阻是隨著煙霧濃度的升高而降低的，因此輸入單片機的電壓也是隨之降低的。從單片機采集電壓值與煙霧濃度百分比的對應曲線可以看出，電壓值與煙霧濃度之間是非線性的關系，為了實時顯示煙霧濃度.需要對其進行線性化處理。在誤差許可圍，根據(jù)標定曲線形狀，以與單片機處理能力，把曲線分

52、 成若干小段，對每小段分別線性化。根據(jù)分段線性插值法求輸入單片機的某一電壓值對應的煙霧濃度的公式如下： (4-1)式中 i=1,2,3N;N-所分區(qū)間個數(shù); -實際煙霧檢測濃度;-實際氣體檢測濃度對應的電壓值;-區(qū)間的下限濃度對應電壓值;-區(qū)間的上限濃度對應電壓值;-區(qū)間下限煙霧濃度值; -為區(qū)間上限煙霧濃度值。根據(jù)公式4-1設計分段插值法線性化程序流程圖如圖4-3所示。圖4-3 插值法線性化處理子程序設計與流程圖4.4報警子程序流程圖當煙霧濃度超過報警設定值時，報警器發(fā)出一種近似警笛的鳴叫聲，對應通道的紅燈閃亮，以提示操作人員采取安全對策或自動控制相關安全裝置，從而保障生產(chǎn)安全，避免火災和爆

53、炸事故的發(fā)生。為防止誤報，在程序設計上，對煙霧濃度進行快速重復檢測和延時報警，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。報警子程序流程圖如圖4-4所示。延時20秒后采集一組濃度數(shù)據(jù)返回監(jiān)控狀態(tài)Y是否大于20？N返回上電狀態(tài)Y消音鍵是否按下？N啟動燃氣泄漏報警N傳感器故障自診斷傳感器有問題？N開始讀取處理后的氣體濃度值是否大于20？N啟動故障報警Y圖4-4 報警子程序流程圖4.5控制按鍵設計子程序流程圖本報警器設計附加一個按鍵，功能分別為：確定(消音)。按鍵處理子程序流程圖如圖4-5所示。 圖4-5 鍵盤處理子程序流程圖4.6 本章小結本章主要介紹軟件程

54、序的設計，包括主程序的設計、中位值平均濾波法程序、插值法線性化處理子程序設計、報警子程序、鍵盤處理子程序幾個部分。并且給出了各個部分的程序流程圖。第5章 系統(tǒng)調試5.1 Proteus軟件介紹本設計硬件仿真環(huán)境Proteus，將所有電路圖在Proteus中繪制完成，在單片機中加載程序，就可以實現(xiàn)仿真模擬，來觀察電路實現(xiàn)的效果，便于修改與改進。Proteus軟件的特點是：集原理圖設計、仿真和PCB設計于一體，真正實現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整電子設計工具；具有模擬電路、數(shù)字電路、單片機應用系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)設計與仿真功能；具有全速、單步、設置斷點等多種形式的調試功能；具有強大的原理圖到PCB板設計功能。P

55、roteus由ISIS和ARES兩個軟件構成，其中ISIS原理圖編輯于仿真軟件，ARES是布線編輯軟件。 ISIS軟件主要特性有： 豐富的器件庫：超過27000種元器件，可方便地創(chuàng)建新元件；智能的器件搜索：通過模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的連線功能：自動連線功能使連接導線簡單快捷；支持總線結構：使用總線器件和總線布線使電路設計簡明清晰；可輸出高質量圖紙：通過個性化設置，可以生成印刷質量的BMP圖紙，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多種文檔使用18， Proteus ISIS的工作界面如圖5-1所示。圖5-1Proteus ISIS的工作界面5.2 K

56、eil C軟件介紹本次設計軟件程序調試所使用的工具是Keil C軟件，在軟件過對程序進行修改和編譯，最終使之與電路圖結合使用，實現(xiàn)電路功能。Keil C51標準C編譯器為8051微控制器的軟件開發(fā)提供了C語言環(huán)境,同時保留了匯編代碼高效,快速的特點。Keil C51編譯器的功能不斷增強,使你可以更加貼近CPU本身,與其它的衍生產(chǎn)品。Keil C51已被完全集成到uVision2的集成開發(fā)環(huán)境中,這個集成開發(fā)環(huán)境包含：編譯器,匯編器,實時操作系統(tǒng),項目管理器,調試器。uVision2 IDE可為它們提供單一而靈活的開發(fā)環(huán)境。 Keil C51 V7版本是目

57、前最高效、靈活的8051開發(fā)平臺19。它可以支持所有8051的衍生產(chǎn)品，也可以支持所有兼容的仿真器,同時支持其它第三方開發(fā)工具，Keil C的工作界面如圖5-2所示。圖5-2 Keil C的工作界面5.3 軟件調試本設計的軟件部分，全部采用C語言編寫，軟件模塊較多，程序可分為主程序模塊、顯示溫度模塊、顯示煙霧濃度模塊、按鍵程序模塊、報警程序模塊等。因此采用分塊調試的方法來調試程序。首先用Keil調試，調試結果如圖5-3所示，產(chǎn)生HEX文件，無誤后，再在Proteus中加載程序，進行仿真。 圖5-3 Keil調試并生成HEX文件5.4 調試結果基本實現(xiàn)了設計的要求，當煙霧傳感器檢測到火災釋放的煙

58、霧時，將信號傳送的ADC0832進行處理模數(shù)轉化再到單片機進行處理，當檢測到濃度超標時，蜂鳴器進行報警，同時，此系統(tǒng)還可以檢測溫度，火災發(fā)生往往環(huán)境溫度會升高。到檢測到溫度超過設定的報警溫度時候，蜂鳴器也將產(chǎn)生報警。報警煙霧級別可通過按鈕調節(jié)。系統(tǒng)還設計一個緊急按鍵模擬緊急報警，當檢測到煙霧時，可以自動檢測報警或者按下緊急開關即可實現(xiàn)報警，總體仿真電路如圖5-4所示。圖5-4 總體仿真電路圖報警條件：當溫度達到38時顯示報警，或者煙霧濃度達到4時顯示報警。當在報警條件下，電路顯示的結果如圖5-5所示。圖5-5 電路仿真結果5.5 本章小結本章介紹了系統(tǒng)調試的容，包括調試環(huán)境、軟件調試以與調試的結果。在軟件調試中簡要介紹Keil C軟件以與Proteus軟件，并介紹了Proteus調試和生成HEX文件的過程；當溫度達到37時顯示報警，或者煙霧濃度達到4時顯示報警。結論本論文在單一溫度火災報警器基礎上設計了一種可以同時檢測溫度和煙霧濃度的火災報警器，將報警器的監(jiān)測準確度大大的提升了。論文采用DS18B20傳感器采集室溫，實現(xiàn)溫度的采集。采用MQ-2煙霧傳感器，實現(xiàn)對煙霧濃度值的測量。當煙霧傳感器檢測到火災釋放的煙霧時，將信號傳送的ADC0832進行模