湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

目錄

1.項(xiàng)目簡(jiǎn)介...........................................................1

1.1項(xiàng)目設(shè)計(jì)的背景與意義..........................................1

1.2設(shè)計(jì)的任務(wù)與方法..............................................2

2.煙霧報(bào)警器的總體方案設(shè)計(jì)..........................................4

2.1系統(tǒng)的功能及技術(shù)要求..........................................4

2.2系統(tǒng)的組成及方案設(shè)計(jì)..........................................4

3.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)....................................................4

3.1主控電路......................................................5

3.2煙霧探測(cè)電路的設(shè)計(jì)............................................7

3.3液晶顯示電路及按鍵電路設(shè)計(jì)...................................10

3.4聲光報(bào)警提示電路.............................................13

3.5按鍵電路.....................................................15

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)......................................................16

4.1軟件介紹.....................................................16

4.2系統(tǒng)程序流程圖...............................................17

附錄1元件的清單....................................................19

附錄2原理圖........................................................20

附錄3PCB圖........................................................21

附錄4作品實(shí)物照....................................................22

附錄5源代碼........................................................23

參考資料............................................................38

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

智能煙霧報(bào)警器的設(shè)計(jì)與制作

1項(xiàng)目簡(jiǎn)介

1.1項(xiàng)目設(shè)計(jì)的背景與意義

隨著經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市高層、地下建筑以及大型綜合性建

筑日益增多，家庭用氣用電，出現(xiàn)煙霧火災(zāi)隱患也大大增加，照成很大的人員

傷亡，煙霧早已成為我國常發(fā)性和破壞性以及影響力最強(qiáng)的災(zāi)害之一。

為了保護(hù)生命安全和財(cái)產(chǎn)安全，人們利用高科技來盡快發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患，出

現(xiàn)災(zāi)難前及時(shí)提醒，對(duì)煙霧報(bào)警器的研究也非常必要。煙霧的發(fā)生和發(fā)展過程

是一個(gè)復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，但也與環(huán)境很強(qiáng)的相關(guān)性。正常情況下，發(fā)生

火警，伴隨著煙霧，溫度，光照，信號(hào)產(chǎn)生的過程。產(chǎn)生不同的環(huán)境和不同的

火燃燒成分，煙霧粒度組成，溫度分布和光譜的氣體成分是不同的，所以火過

程中涉及多個(gè)物理和化學(xué)參數(shù)，特點(diǎn)是強(qiáng)大的，一般的騷亂有著本質(zhì)的不同。

基于上述特點(diǎn)，特別是多的煙霧探測(cè)技術(shù)被廣泛采用在煙霧探測(cè)領(lǐng)域。

目前，廣泛使用的煙霧報(bào)警器主要有兩大類，一類是離子煙霧報(bào)警器，另

一類是光電煙霧報(bào)警器。這些傳感器體積小、靈敏度高，但是電路復(fù)雜，成本

略高。本文基于氣敏傳感器，設(shè)計(jì)了一種電路簡(jiǎn)單、成本低廉的煙霧報(bào)警器，

可用于對(duì)煙霧報(bào)警靈敏度不高的場(chǎng)合，尤其適用于高校電子技術(shù)、傳感器原理

和自動(dòng)化檢測(cè)等專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的設(shè)備中。

隨著現(xiàn)代家庭用火，用電增加，家庭煙霧發(fā)生的頻率越來越高。家庭煙霧，

很容易撲滅不及時(shí)，有著缺乏消防設(shè)備和在場(chǎng)的人戰(zhàn)斗驚慌失措逃離緩慢的不

利因素，最終導(dǎo)致的生命和財(cái)產(chǎn)的重大損失。消防部門的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，所有

的煙霧比例中，家庭煙霧占全國煙霧的30％。家庭煙霧的原因是多方面的，可

能把我們的注意力，也可能隱藏在我們沒有注意到的地方。

綜上所述，許多人因不懂家庭安全常識(shí)引起煙霧事故，使好端端的幸福家

庭眼間毀于一旦,有的導(dǎo)致家破人亡,而且一旦發(fā)生居民家庭煙霧,處置不當(dāng)、報(bào)

警遲緩,是造成人員傷亡的重要因素。所以說,人們應(yīng)該積極了解家庭煙霧的主

要起因。

預(yù)防煙霧的發(fā)生。這就是我們研究聲光報(bào)警器的目的。

意義：在中國的一些大、中型城市，幾乎每一天發(fā)生家庭煙霧，所以每一

個(gè)家庭必須始終關(guān)注防火。如果能根據(jù)你家的實(shí)際情況，提前采取簡(jiǎn)單的防火

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措施，有些悲劇是完全可以避免的。聲音和視覺的報(bào)警，對(duì)減少煙霧損失具有

現(xiàn)實(shí)意義。

目前市場(chǎng)上的煙霧報(bào)警器大都有信息傳遞不及時(shí)、精度不夠、不夠簡(jiǎn)潔靈

活的缺點(diǎn)，不利于工業(yè)控制者根據(jù)煙霧濃度變化及時(shí)做出決定。在這樣的形勢(shì)

下，開發(fā)一種能夠同時(shí)測(cè)量多點(diǎn)，并且實(shí)時(shí)性高、精度高的測(cè)量系統(tǒng)就很有必

要。

在了解這個(gè)系統(tǒng)的工作原理以及功能之后，我們就可以基本確定系統(tǒng)的技

術(shù)要求。系統(tǒng)采用的單片機(jī)處理器成本都比較低，可以滿足批量生產(chǎn)和各類工

程的需求。對(duì)于完整的一個(gè)系統(tǒng)而言，為提高市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)符合

體積小、功耗低、數(shù)傳性能可靠和成本低廉等技術(shù)要求。具體指標(biāo)和參數(shù)如下:

(1)體積?。禾綔y(cè)器的體積要盡可能的小，這樣占用的空間才能減少，使用

和更換才會(huì)方便；

(2)功耗低：系統(tǒng)可以采用三節(jié)5號(hào)干電池供電或5v電源供電。

(3)可靠性高:由于不確定的電磁干擾可能存在系統(tǒng)工作環(huán)境中，為了保證

系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的可靠工作，以及減少誤報(bào)次數(shù)，所以選擇多指示燈，指示不同的

狀態(tài)。

STC89C51單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常有兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時(shí)鐘方式，二

是外部時(shí)鐘方式。內(nèi)部時(shí)鐘方式如圖2-4所示。在STC89C51單片機(jī)內(nèi)部有一振

蕩電路，只要在單片機(jī)的XTAL1(18)和XTAL2(19)引腳外接石英晶體(簡(jiǎn)稱晶振)，

就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)。圖中電容C1和C2的

作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值在5~30pF，典型值為30pF。晶振CYS的振

蕩頻率范圍在1.2~12MHz間選擇，典型值為12MHz和6MHz。

MQ-2型氣體傳感器用于以氫氣為主要成分的城市煤氣、天然氣、液化石油

的測(cè)量，而且它抗干擾能力強(qiáng)，水蒸氣、煙等干擾氣體對(duì)它的影響小。

MQ-2型氣敏元件具有以下特點(diǎn)：

(1)采用燒結(jié)半導(dǎo)體所形成的敏感燒結(jié)體，具有穩(wěn)定的R(即器件在純潔空

氣中的阻抗)阻值，從而保證了長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性。

(2)單電源供電，其功耗僅0.7W左右。

(3)對(duì)所測(cè)試的氣體有極高的靈敏度和信噪比。

MQ-2型氣敏元件有兩種型號(hào)。MQ-2A型適用于天然氣、城市煤氣、石油液

化氣、丙丁烷及氫氣等;MQ-2型適用于煙霧等減光型有害氣體。

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1.2設(shè)計(jì)的任務(wù)與方法

煙霧報(bào)警系統(tǒng)在中國相對(duì)較晚，與發(fā)達(dá)國家相比，20世紀(jì)70年代末的十

年間，中國開始研制生產(chǎn)的煙霧報(bào)警系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代后，國內(nèi)各大廠商

也大多是模仿國外產(chǎn)品，或引進(jìn)國外技術(shù)生產(chǎn)的，沒有真正意義上的核心技術(shù)，

市場(chǎng)剛剛開始發(fā)展。真正的煙霧報(bào)警產(chǎn)品的發(fā)展也促進(jìn)了市場(chǎng)的成熟，政府逐

步開放的大門，在同一時(shí)間，外國公司開始進(jìn)入中國的防火市場(chǎng)，帶來先進(jìn)的

技術(shù)在20世紀(jì)90年代。此期間，中國生產(chǎn)的煙霧報(bào)警產(chǎn)品的企業(yè)也得到了快

速發(fā)展，在一些企業(yè)中，技術(shù)合作，合資生產(chǎn)，并取得了不菲的成績(jī)，但今天

在市場(chǎng)上創(chuàng)造了許多強(qiáng)大的企業(yè)，有些技術(shù)已接近或趕上國際標(biāo)準(zhǔn)。

近年來，在煙霧選擇性和產(chǎn)品穩(wěn)定性上有很大的進(jìn)步。燃?xì)鈭?bào)警器分為民

用火災(zāi)煙霧報(bào)警器，工業(yè)煙霧報(bào)警器和有毒煙霧報(bào)警器系列。

（1）民用火災(zāi)煙霧報(bào)警器

民用火災(zāi)煙霧報(bào)警器為居民家庭用的火災(zāi)報(bào)警器，一般安裝在廚房，遇到

火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧時(shí)，報(bào)警器可以發(fā)生聲光報(bào)警，或同時(shí)伴有數(shù)字顯示，同時(shí)聯(lián)

動(dòng)外部設(shè)備，有的報(bào)警器可自動(dòng)開啟排風(fēng)扇，把煙霧拍出室外。

（2）火災(zāi)煙霧報(bào)警器及有毒煙霧報(bào)警器

工業(yè)用煙霧報(bào)警器及有毒煙霧報(bào)警器只是檢測(cè)探頭有差異，而在原理與應(yīng)

用中都很相近。工業(yè)用燃?xì)鈭?bào)警器及有毒煙霧報(bào)警器根據(jù)檢測(cè)環(huán)境的不同，也

可分為檢漏儀，控制器和探測(cè)器。檢漏儀的體積較小，可隨身攜帶或手持。主

要用于燃?xì)夤芾淼牟槁┡c巡檢。若有燃?xì)庑孤?，檢漏儀便會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，同

時(shí)數(shù)字顯示煙霧濃度，以便及時(shí)采取安全措施，防止爆炸等惡性事故發(fā)生，控

制器與探測(cè)器的結(jié)合使用，可在防爆現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)煙霧濃度。探測(cè)器安裝在防

爆現(xiàn)場(chǎng)，控制器壁掛在值班室等有人值守的地方，二者采用屏蔽電纜線連接。

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)的探測(cè)器探測(cè)到燃?xì)庑孤吨?，通過屏蔽電纜線將信號(hào)傳到控制器，控

制器發(fā)生聲光報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)排風(fēng)裝置或關(guān)閉電磁閥切斷氣源，以確保安全，

此種儀器廣泛應(yīng)用于液化氣站，汽車加油站，鍋爐房等工業(yè)場(chǎng)所。

煙霧報(bào)警器，主要檢測(cè)溫度和煙霧，再通過單片機(jī)控制相應(yīng)的報(bào)警和驅(qū)動(dòng)

負(fù)載。通過液晶顯示當(dāng)前的煙霧值和溫度值，通過按鍵設(shè)定相應(yīng)的閥值。

該項(xiàng)目主要是為了完成任務(wù)，包括：

⑴硬件部分：包括傳感器的選擇，顯示模塊的選擇，煙霧信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的

設(shè)計(jì)，報(bào)警驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。

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（2）軟件部分：包括微處理器控制程序的編制和原理圖的繪制。

系統(tǒng)的綜合調(diào)試與分析：在軟硬件完成以后，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合的測(cè)試與

實(shí)驗(yàn)，分析系統(tǒng)的可靠性與實(shí)用性，調(diào)整系統(tǒng)的不足。

2煙霧報(bào)警器的總體方案設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)的功能及技術(shù)要求

本系統(tǒng)的研制主要包括以下幾項(xiàng)功能：

(1)火情探測(cè)功能：為了提高煙霧報(bào)警的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，煙霧報(bào)警系統(tǒng)需

要使用各種方法進(jìn)行煙霧探測(cè)。在實(shí)際使用中，根據(jù)不同的防火場(chǎng)所，用戶可

以選用溫度探測(cè)法、可燃?xì)怏w檢測(cè)法及煙霧探測(cè)法等合適的煙霧探測(cè)方法，來

有效的探測(cè)煙霧；

(2)燈光報(bào)警功能：當(dāng)室內(nèi)煙霧濃度過大、有火情產(chǎn)生、故障等異常情況發(fā)

生時(shí)，報(bào)警器要進(jìn)行燈光報(bào)警。當(dāng)煙霧超過最大設(shè)定值時(shí)，可以蜂鳴器報(bào)警。

在了解這個(gè)系統(tǒng)的工作原理以及功能之后，我們就可以基本確定系統(tǒng)的技

術(shù)要求。系統(tǒng)采用的單片機(jī)處理器成本都比較低，可以滿足批量生產(chǎn)和各類工

程的需求。對(duì)于完整的一個(gè)系統(tǒng)而言，為提高市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)符合

體積小、功耗低、數(shù)傳性能可靠和成本低廉等技術(shù)要求。具體指標(biāo)和參數(shù)如下:

(1)體積?。禾綔y(cè)器的體積要盡可能的小，這樣占用的空間才能減少，使用

和更換才會(huì)方便；

(2)功耗低：系統(tǒng)可以采用三節(jié)5號(hào)干電池供電或5v電源供電。

(3)可靠性高:由于不確定的電磁干擾可能存在系統(tǒng)工作環(huán)境中，為了保證

系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的可靠工作，以及減少誤報(bào)次數(shù)，所以選擇多指示燈，指示不同的

狀態(tài)。

2.2系統(tǒng)的組成及方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要由煙霧探測(cè)傳感器電路、單片機(jī)、燈光報(bào)警電路、負(fù)載驅(qū)動(dòng)電

路、控制程序和編解碼程序等組成。

3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的煙霧值和溫度值，共有2個(gè)報(bào)警值（可以通過按鍵設(shè)定），

分別是溫度的上限和煙霧的上限報(bào)警值，當(dāng)煙霧超過的時(shí)候紅燈和蜂鳴器聲光

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報(bào)警，當(dāng)溫度超過時(shí)候黃燈和蜂鳴器聲光報(bào)警。

3.1主控電路

STC89C51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(chǔ)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

STC89C51為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以

下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，

內(nèi)置4KBEEPROM，MAX810復(fù)位電路，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2

級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外STC89X51可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2

種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)

器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，

單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35Mhz6T，

/12T可選。STC89C51主控系統(tǒng)如圖3-1所示。

STC89C51引腳介紹

①主電源引腳（2根）

VCC(Pin40)：電源輸入，接＋5V電源

GND(Pin20)：接地線

②外接晶振引腳（2根）

XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端

XTAL2(Pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端

③控制引腳（4根）

RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)

復(fù)位。

ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號(hào)

PSEN(Pin29)：外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)

EA/VPP(Pin31)：程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲(chǔ)器讀

指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀指令。

④可編程輸入/輸出引腳（32根）

STC89C51單片機(jī)有4組8位的可編程I/O口，分別位P0、P1、P2、P3口，

每個(gè)口有8位（8根引腳），共32根。

P0口（Pin39～Pin32）：8位雙向I/O口線，名稱為P0.0～P0.7

P1口（Pin1～Pin8）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P1.0～P1.7

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P2口（Pin21～Pin28）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P2.0～P2.7

P3口（Pin10～Pin17）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P3.0～P3.7

作頻率35Mhz，6T/12T可選。

圖3-1STC89C51主控系統(tǒng)

最小系統(tǒng)包括單片機(jī)及其所需的必要的電源、時(shí)鐘、復(fù)位等部件，能使單

片機(jī)始終處于正常的運(yùn)行狀態(tài)。電源、時(shí)鐘等電路是使單片機(jī)能運(yùn)行的必備條

件，可以將最小系統(tǒng)作為應(yīng)用系統(tǒng)的核心部分，通過對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)器擴(kuò)展、A/D

擴(kuò)展等，使單片機(jī)完成較復(fù)雜的功能。單片機(jī)最小系統(tǒng)框圖如圖3-2所示。

STC89C51是片內(nèi)有ROM/EPROM的單片機(jī)，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)

簡(jiǎn)單﹑可靠。用STC89C52單片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，只要將單片機(jī)接上時(shí)鐘

電路和復(fù)位電路即可，由于集成度的限制，最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的

控制單元。

圖3-2單片機(jī)最小系統(tǒng)框圖

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(1)時(shí)鐘電路

STC89C51單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常有兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時(shí)鐘方式，

二是外部時(shí)鐘方式。內(nèi)部時(shí)鐘方式如圖2-4所示。在STC89C51單片機(jī)內(nèi)部

有一振蕩電路，只要在單片機(jī)的XTAL1(18)和XTAL2(19)引腳外接石英晶體

(簡(jiǎn)稱晶振)，就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)。圖

中電容C1和C2的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值在5~30pF，典型值

為30pF。晶振CYS的振蕩頻率范圍在1.2~12MHz間選擇，典型值為12MHz

和6MHz。

(2)復(fù)位電路

當(dāng)在STC89C51單片機(jī)的RST引腳引入高電平并保持2個(gè)機(jī)器周期時(shí)，

單片機(jī)內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作(若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)

復(fù)位狀態(tài))。

最簡(jiǎn)單的上電自動(dòng)復(fù)位電路中上電自動(dòng)復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電

容充放電來實(shí)現(xiàn)的。只要Vcc的上升時(shí)間不超過1ms,就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電

復(fù)位。

除了上電復(fù)位外，有時(shí)還需要按鍵手動(dòng)復(fù)位。本設(shè)計(jì)就是用的按鍵手

動(dòng)復(fù)位。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過

RST(9)端與電源Vcc接通而實(shí)現(xiàn)的。

中斷技術(shù)主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，要求單片機(jī)能及時(shí)地響應(yīng)中斷請(qǐng)

求源提出的服務(wù)請(qǐng)求，并作出快速響應(yīng)、及時(shí)處理。這是由片內(nèi)的中斷系

統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)中斷請(qǐng)求源發(fā)出中斷請(qǐng)求時(shí)，如果中斷請(qǐng)求被允許，單片

機(jī)暫時(shí)中止當(dāng)前正在執(zhí)行的主程序，轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)處理程序處理中斷服務(wù)

請(qǐng)求。中斷服務(wù)處理程序處理完中斷服務(wù)請(qǐng)求后，再回到原來被中止的程

序之處（斷點(diǎn)），繼續(xù)執(zhí)行被中斷的主程序。

如果單片機(jī)沒有中斷系統(tǒng)，單片機(jī)的大量時(shí)間可能會(huì)浪費(fèi)在查詢是否

有服務(wù)請(qǐng)求發(fā)生的定時(shí)查詢操作上。采用中斷技術(shù)完全消除了單片機(jī)在查

詢方式中的等待現(xiàn)象，大大地提高了單片機(jī)的工作效率和實(shí)時(shí)性。

3.2煙霧探測(cè)電路的設(shè)計(jì)

在這個(gè)電路中有兩個(gè)部分，主要是煙霧傳感器檢測(cè)煙霧，將電壓信號(hào)給，ADC0832，

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)再讀取相應(yīng)的數(shù)值

和處理。

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3.2.1MQ-2介紹

MQ-2型氣體傳感器用于以氫氣為主要成分的城市煤氣、天然氣、液化石油

的測(cè)量，而且它抗干擾能力強(qiáng)，水蒸氣、煙等干擾氣體對(duì)它的影響小。

MQ-2型氣敏元件具有以下特點(diǎn)：

(1)采用燒結(jié)半導(dǎo)體所形成的敏感燒結(jié)體，具有穩(wěn)定的R(即器件在純潔空

氣中的阻抗)阻值，從而保證了長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性。

(2)單電源供電，其功耗僅0.7W左右。

(3)對(duì)所測(cè)試的氣體有極高的靈敏度和信噪比。

圖3-3MQ-2型元件外形結(jié)構(gòu)圖

MQ-2型氣敏元件有兩種型號(hào)。MQ-2A型適用于天然氣、城市煤氣、石油液

化氣、丙丁烷及氫氣等;MQ-2型適用于煙霧等減光型有害氣體。

器件的靈敏度：S=Ro/Rx為10~30。常見為QM系列的S值僅8左右。Rx為

器件在丁烷濃度為0.2%時(shí)的阻抗。

電路如右圖所示：

器件的主要參數(shù)如下:

響應(yīng)時(shí)間：Tr≤10s

恢復(fù)時(shí)間：Tn≤60s

加熱電壓：V﹢=5+0.2V

加熱功率：:約0.7W

抗干擾能力：丁烷濃度在0.2%時(shí)在濕度小于85%RH，在-10℃~+40℃溫度下

不會(huì)引起誤報(bào)。

工作環(huán)境：溫度-10℃~+50℃濕度≤85%RH

8

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下圖是元件外形結(jié)構(gòu)圖，基座采用耐高溫酚醛塑料壓制，引腳為鍍鎳銅絲，

上罩采用雙層密紋不銹鋼網(wǎng)壓制，有較高的強(qiáng)度和防爆能力。

MQ-2氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如上圖所示,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-2的特點(diǎn)和工作參數(shù)如下：

特點(diǎn)：

⑴廣泛的探測(cè)范圍

⑵高靈敏度／快速響應(yīng)恢復(fù)

⑶優(yōu)異的穩(wěn)定性／長(zhǎng)壽命

⑷簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路

3.2.2ADC0832介紹

ADC0832是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯

片。由于它體積小，兼容性，性價(jià)比高而深受單片機(jī)愛好者及企業(yè)歡迎，其目

前已經(jīng)有很高的普及率。學(xué)習(xí)并使用ADC0832可是使我們了解A/D轉(zhuǎn)換器的原

理，有助于我們單片機(jī)技術(shù)水平的提高。

分辨率8位

A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近式

A/D轉(zhuǎn)換雙通道

·輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容；

·5V電源供電時(shí)輸入電壓在0~5V之間；

·工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時(shí)間為32μS；

·一般功耗僅為15mW；

·8P、14P—DIP（雙列直插）、PICC多種封裝；

·商用級(jí)芯片溫寬為0°Cto+70°C，工業(yè)級(jí)芯片溫寬為?40°Cto+85°

C；

芯片接口說明：

·CS_片選使能，低電平芯片使能。

·CH0模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用。

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·CH1模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用。

·GND芯片參考0電位（地）。

·DI數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，選擇通道控制。

·DO數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。

·CLK芯片時(shí)鐘輸入。

·Vcc/REF電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）。

圖3-4ADC0832連接圖

ADC0832為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級(jí)，可以適應(yīng)一

般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電

壓輸入在0~5V之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校

驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立的芯片使能輸入，使多

器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通

道功能的選擇。

3.3液晶顯示電路設(shè)計(jì)

LCD1602A是一種工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符。（16

列2行）。在日常生活中，我們對(duì)液晶顯示器并不陌生。液晶顯示模塊已作為

很多電子產(chǎn)品的通過器件，如在計(jì)算器、萬用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品

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中都可以看到，顯示的主要是數(shù)字、專用符號(hào)和圖形。在單片機(jī)的人機(jī)交流界

面中，一般的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、LED數(shù)碼管、液晶顯示器。發(fā)光管

和LED數(shù)碼管比較常用，軟硬件都比較簡(jiǎn)單。

在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

由于液晶顯示器每一個(gè)點(diǎn)在收到信號(hào)后就一直保持那種色彩和亮度，恒定

發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新亮點(diǎn)。因此，液晶顯

示器畫質(zhì)高且不會(huì)閃爍。

液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡(jiǎn)單可靠，操作更加

方便。

液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達(dá)到顯示的目的，在

重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。

相對(duì)而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動(dòng)IC上，因而

耗電量比其它顯示器要少得多。

GND

LCD1

1

VSS

2

VCCVCC

3

VO

4RS

RS

5RW

RW

6ENR3

LEN

C7D0103

D0

D8D1

D1

9D2

1D2

610D3

D3

011D4

2D4

12D5

D5GND

13D6

D6

14D7

D7

15

AVCC

16

K

1602

GND

圖3-5LCD1602液晶顯示電路

（1）引腳說明：

第1腳：VSS為地電源。

第2腳：VDD接5V正電源。

第3腳：VL為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地時(shí)

對(duì)比度最高，對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位

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器調(diào)整對(duì)比度。

第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令

寄存器。

第5腳：R/W為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。

當(dāng)RS和R/W共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平

R/W為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時(shí)可以寫入數(shù)

據(jù)。

第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命

令。

第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。

第15腳：背光源正極。

第16腳：背光源負(fù)極。

（2）1602LCD的RAM地址映射以及標(biāo)準(zhǔn)字庫表

LCD1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字

符圖形，這些字符圖有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)、和日

文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼

是01000001B（41H），顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我

們就能看到字母。

它的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實(shí)現(xiàn)的（說明：1為

高電平，0為低電平）。

指令1：清顯示，指令碼01H，光標(biāo)復(fù)位到地址00H位置。

指令2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00H。

指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置I/D：光標(biāo)移動(dòng)方向，高電平右移，低電平左

移。S：屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效。

指令4：顯示開關(guān)控制。D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，

低電平表示關(guān)顯示。C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無

光標(biāo)。B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。

指令5：光標(biāo)或顯示移位S/C：高電平時(shí)移動(dòng)顯示的文字，低電平時(shí)移動(dòng)光

標(biāo)。

指令6：功能設(shè)置命令DL：高電平時(shí)為4位總線，低電平時(shí)為8位總線。

N：低電平時(shí)為單行顯示，高電平時(shí)雙行顯示。F：低電平時(shí)顯示5X7的點(diǎn)陣字

符，高電平時(shí)顯示5x10的點(diǎn)陣字符（有些模塊是DL：高電平時(shí)為8位總線，

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低電平時(shí)為4位總線）。

指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置。

指令8：DDRAM地址設(shè)置。

指令9：讀出忙信號(hào)和光標(biāo)地址。BF為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時(shí)模

塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙，模塊就能接收相應(yīng)的命令

或者數(shù)據(jù)。

指令10：寫數(shù)據(jù)。

指令11：讀數(shù)據(jù)。

液晶顯示模塊是一個(gè)慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模

塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時(shí)要先輸入顯

示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符。

3.4聲光報(bào)警提示電路

3.4.1燈光提示電路

+5

R42.2k

D1LEDR

R31k

D2LEDY

圖3-6燈光提示電路

LED英文單詞的縮寫，主要含義：LED=LightEmittingDiode，發(fā)光二極

管，是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)

化為光；它改變了白熾燈鎢絲發(fā)光與節(jié)能燈三基色粉發(fā)光的原理，而采用電場(chǎng)

發(fā)光。據(jù)分析，LED的特點(diǎn)非常明顯，壽命長(zhǎng)、光效高、輻射低與功耗低。作為

目前全球最受矚目的新一代光源，LED因其高亮度、低熱量、長(zhǎng)壽命、無毒、可

回收再利用等優(yōu)點(diǎn)，被稱為是21世紀(jì)最有發(fā)展前景的綠色照明光源。我國的LED

產(chǎn)業(yè)起步于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過近40年的發(fā)展，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于景觀照明和

普通照明領(lǐng)域，我國已成為世界第一大照明電器生產(chǎn)國和第二大照明電器出口

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國。近幾年來，隨著人們對(duì)半導(dǎo)體發(fā)光材料研究的不斷深入，LED制造工藝的不

斷進(jìn)步和新材料（氮化物晶體和熒光粉）的開發(fā)和應(yīng)用，各種顏色的超高亮度LED

取得了突破性進(jìn)展，其發(fā)光效率提高了近1000倍，色度方面已實(shí)現(xiàn)了可見光

波段的所有顏色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出現(xiàn)，使LED應(yīng)用領(lǐng)域

跨越至高效率照明光源市場(chǎng)成為可能。曾經(jīng)有人指出，高亮度LED將是人類繼

愛迪生發(fā)明白熾燈泡后，最偉大的發(fā)明之一。本設(shè)計(jì)利用不同顏色的LED指示

不同的煙霧濃度報(bào)警。由LED組成的燈光提示電路如圖3-6所示。

3.4.2聲音報(bào)警電路

蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于

計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時(shí)

器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。；蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器

兩種類型。蜂鳴器在電路中用字母“H”或“HA”（舊標(biāo)準(zhǔn)用“FM”、“LB”、

“JD”等）表示。1．壓電式蜂鳴器壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴

片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光

二極管。

多諧振蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)成。當(dāng)接通電源后（1.5~15V直流工作電

壓）,多諧振蕩器起振,輸出1.5~2.5kHZ的音頻信號(hào)，阻抗匹配器推動(dòng)壓電蜂鳴

片發(fā)聲。

壓電蜂鳴片由鋯鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷材料制成。在陶瓷片的兩面鍍

上銀電極，經(jīng)極化和老化處理后，再與黃銅片或不銹鋼片粘在一起。

電磁式蜂鳴器電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動(dòng)膜片及外殼

等組成。

接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號(hào)電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生

磁場(chǎng)。振動(dòng)膜片在電磁線圈和磁鐵的相互纏繞

蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路一般都包含以下幾個(gè)部分：一個(gè)三極管、一個(gè)蜂鳴器、一

個(gè)限流電阻。

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+5

F

1

A

2

B

BUZZER

Q1

FR19012

2.2K

GND

圖3-7聲音報(bào)警電路

蜂鳴器為發(fā)聲元件，在其兩端施加直流電壓（有源蜂鳴器）或者方波（無

源蜂鳴器）就可以發(fā)聲，其主要參數(shù)是外形尺寸、發(fā)聲方向、工作電壓、工作

頻率、工作電流、驅(qū)動(dòng)方式（直流/方波）等。這些都可以根據(jù)需要來選擇。本

設(shè)計(jì)采用有源蜂鳴器。

三極管Q1起開關(guān)作用，其基極的低電平使三極管飽和導(dǎo)通，使蜂鳴器發(fā)聲；

而基極高電平則使三極管關(guān)閉，蜂鳴器停止發(fā)聲。

3.5按鍵電路

本設(shè)計(jì)采用按鍵接低的方式來讀取按鍵，單片機(jī)初始時(shí)，因?yàn)闉楦唠娖剑?/p>

當(dāng)按鍵按下的時(shí)候，會(huì)給單片機(jī)一個(gè)低電平，單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理

單片機(jī)鍵盤有獨(dú)立鍵盤和矩陣式鍵盤兩種：獨(dú)立鍵盤每一個(gè)I/O口上只接

一個(gè)按鍵，按鍵的另一端接電源或接地（一般接地），這種接法程序比較簡(jiǎn)單

且系統(tǒng)更加穩(wěn)定；而矩陣式鍵盤式接法程序比較復(fù)雜，但是占用的I/O少。根

據(jù)本設(shè)計(jì)的需要這里選用了獨(dú)立式鍵盤接法。按鍵電路如圖3-8所示。

獨(dú)立式鍵盤的實(shí)現(xiàn)方法是利用單片機(jī)I/O口讀取口的電平高低來判斷是否

有鍵按下。將常開按鍵的一端接地，另一端接一個(gè)I/O口，程序開始時(shí)將此I/O

口置于高電平，平時(shí)無鍵按下時(shí)I/O口保護(hù)高電平。當(dāng)有鍵按下時(shí)，此I/O口

與地短路迫使I/O口為低電平。按鍵釋放后，單片機(jī)內(nèi)部的上拉電阻使I/O口

仍然保持高電平。我們所要做的就是在程序中查尋此I/O口的電平狀態(tài)就可以

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了解我們是否有按鍵動(dòng)作了。

在用單片機(jī)對(duì)鍵盤處理的時(shí)候涉及到了一個(gè)重要的過程，那就是鍵盤的去

抖動(dòng)。這里說的抖動(dòng)是機(jī)械的抖動(dòng)，是當(dāng)鍵盤在未按到按下的臨界區(qū)產(chǎn)生的電

平不穩(wěn)定正?，F(xiàn)象并不是我們?cè)诎存I時(shí)通過注意可以避免的，這種抖動(dòng)一般。10~200

毫秒之間，這種不穩(wěn)定電平的抖動(dòng)時(shí)間對(duì)于人來說太快了，而對(duì)于時(shí)鐘是微秒

的單片機(jī)而言則是慢長(zhǎng)的。硬件去抖動(dòng)就是用部分電路對(duì)抖動(dòng)部分加之處理，

軟件去抖動(dòng)不是去掉抖動(dòng)，而是避抖動(dòng)部分的時(shí)間，等鍵盤穩(wěn)定了再對(duì)其處

理。所以這里選擇了軟件去抖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)法是先查尋按鍵當(dāng)有低電平出現(xiàn)時(shí)立即

延時(shí)10~200毫秒以避開抖動(dòng)（經(jīng)典值為20毫秒），延時(shí)結(jié)束后再讀一次I/O口

的值，這一次的值如果為1表示低電平的時(shí)間不到10~200毫秒，視為干擾信

號(hào)。當(dāng)讀出的值是0時(shí)則表示有按鍵按下，調(diào)用相應(yīng)的處理程序。

123

kkk

S1S2S3

SWSPSTSWSPSTSWSPST

GND

圖3-8按鍵電路

4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1軟件介紹

C語言是一種計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言，它既具有高級(jí)語言的特點(diǎn)，又具有匯編

語言的特點(diǎn)。它由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的DennisM.Ritchie于1972年推出，1978

年后，C語言已先后被移植到大、中、小及微型機(jī)上，它可以作為工作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

語言，編寫系統(tǒng)應(yīng)用程序，也可以作為應(yīng)用程序設(shè)計(jì)語言，編寫不依賴計(jì)算機(jī)

硬件的應(yīng)用程序。它的應(yīng)用范圍廣泛，具備很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，不僅僅是在

軟件開發(fā)上，而且各類科研都需要用到C語言，適于編寫系統(tǒng)軟件、三維、二

維圖形和動(dòng)畫，具體應(yīng)用例如單片機(jī)以及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。

KeilC51是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件

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開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯

的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理

和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(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

將這些部分組合在一起。運(yùn)行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操

作系統(tǒng)。如果你使用C語言編程，那么Keil幾乎就是你的不二之選，即使不使

用C語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試

工具也會(huì)令你事半功倍。

4.2系統(tǒng)程序流程圖

圖4-1系統(tǒng)程序流程圖

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本系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4-1所示，最開始先進(jìn)行液晶的初始化，包括液

晶功能初始化和液晶顯示內(nèi)容初始化，接著就進(jìn)行串口的初始化，主要配置串

口的通信協(xié)議，包括波特率、起始位、數(shù)據(jù)位等等，方便和PM2.5模塊進(jìn)行數(shù)

據(jù)傳輸。然后就進(jìn)入了一個(gè)循環(huán)處理的過程，為了增加測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性，采

用了平均算法，即連續(xù)采集20次的傳感器測(cè)量結(jié)果，把20次結(jié)果求和之后再

除以20，以獲得一個(gè)比較適中穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果，接著把這個(gè)結(jié)果和設(shè)置的報(bào)警

閾值進(jìn)行大小比較，超出閾值的話則啟動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警提示，最后是判斷2

個(gè)按鍵是否有被按下，有的話就對(duì)應(yīng)按鍵增加或減少報(bào)警閾值的大小，至此完

成一輪循環(huán)過程。

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附錄1元件的清單

單片機(jī)STC89C511片

單片機(jī)座1個(gè)

晶振11.0592M1個(gè)

ADC08321個(gè)

MQ-21個(gè)

獨(dú)石電容30pF2個(gè)

電解電容10uF1個(gè)

電解電容220uF1個(gè)

電阻10K1個(gè)

排阻10K（103）1片

按鍵個(gè)

2

1602液晶1個(gè)

1602液晶座1個(gè)

電位器10K（103）1個(gè)

PM2.5傳感器GP2Y1051AU0F1個(gè)

有源蜂鳴器1個(gè)

S8550（PNP）三極管1個(gè)

洞洞板9*15cm1張

LED2個(gè)

電源開關(guān)1個(gè)

電源線1根

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附錄2原理圖

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附錄3PCB圖