變電站煙霧監(jiān)測(cè)與報(bào)警

1、 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 1 頁 共2頁 目 錄引言11 緒論11.1 課題背景11.2 煙霧報(bào)警器的概述21.3 課題研究的目的及意義31.4 現(xiàn)狀及特點(diǎn)31.5 發(fā)展趨勢(shì)31.6 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)42 變電站煙霧檢測(cè)報(bào)警器的方案設(shè)計(jì)42.1 設(shè)計(jì)要求42.2 煙霧檢測(cè)報(bào)警器設(shè)計(jì)思路42.3 設(shè)計(jì)方案52.3.1方案一62.3.2方案二72.3.3方案三72.3.4方案的確定72.4 煙霧傳感器的選型82.4.1煙霧傳感器介紹82.4.2煙霧傳感器的選定102.4.3 MQ-2型煙霧傳感器的相關(guān)介紹112.5 煙霧檢測(cè)報(bào)警器具體設(shè)計(jì)方案132.5.2煙霧檢測(cè)報(bào)警器系統(tǒng)三大

2、部分142.5.3煙霧檢測(cè)報(bào)警器的結(jié)構(gòu)152.5.4煙霧檢測(cè)報(bào)警器的功能163 煙霧檢測(cè)報(bào)警器的硬件模塊設(shè)計(jì)163.1 煙霧檢測(cè)報(bào)警器系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)163.1.1氣體濃度檢測(cè)模塊163.1.2主控模塊173.1.3外圍報(bào)警模塊213.2 煙霧檢測(cè)報(bào)警器硬件電路的設(shè)計(jì)與分析213.2.1系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)223.2.2信號(hào)采集放大電路的設(shè)計(jì)243.2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)253.2.4狀態(tài)指示燈電路的設(shè)計(jì)303.2.5液晶顯示電路的設(shè)計(jì)303.2.6蜂鳴器報(bào)警電路的設(shè)計(jì)323.2.7串口通信電路的設(shè)計(jì)324 變電站煙霧檢測(cè)報(bào)警器的軟件設(shè)計(jì)364.1 AT89S51單片機(jī)調(diào)試及開發(fā)工具364.2 煙

3、霧檢測(cè)報(bào)警器軟件流程及設(shè)計(jì)375 實(shí)驗(yàn)誤差分析416 實(shí)驗(yàn)調(diào)試416.1 硬件調(diào)試416.2 軟件調(diào)試426.3 調(diào)試結(jié)果427 結(jié) 論42謝辭44參考文獻(xiàn)45附錄46附錄1 硬件電路圖46附錄2 PCB電路圖47附錄3 仿真圖.48附錄4 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)清單.49 - 1 - 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 56 頁 共 55 頁 引言當(dāng)今，單片微型計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，由單片機(jī)技術(shù)開發(fā)的智能化測(cè)控設(shè)備和產(chǎn)品廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，單片機(jī)技術(shù)產(chǎn)品和設(shè)備促進(jìn)了生產(chǎn)技術(shù)水平的提高。而在變電站的火災(zāi)煙霧故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)正是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的一種。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬件是指單片

4、機(jī)擴(kuò)展的存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備以及各種實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)控制要求的接口電路和有關(guān)的外圍電路芯片或部件；軟件是指單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其特定控制功能的各種工作程序和管理程序。只有系統(tǒng)硬件和軟件緊密配合、協(xié)調(diào)一致，才可能組成高性能的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的過程中，應(yīng)不斷調(diào)整軟、硬件，協(xié)調(diào)地進(jìn)行軟、硬件設(shè)計(jì)，以提高工作效率。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程一般包括系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試幾個(gè)階段。這幾個(gè)系統(tǒng)開發(fā)階段并不是相互獨(dú)立、各自進(jìn)行的，而應(yīng)根據(jù)開發(fā)的實(shí)際需要，相互協(xié)調(diào)，交叉、有機(jī)的進(jìn)行。實(shí)現(xiàn)氣體濃度檢測(cè)離不開高性能的氣體傳感器。從廣義上講，傳感器就是能感受外界信息并能按一定規(guī)律

5、將這些信息轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的裝置；狹義上講，傳感器就是能將外界信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。隨著新技術(shù)和自動(dòng)化的發(fā)展，傳感器的使用數(shù)量越來越大，一切現(xiàn)代化儀器、設(shè)備幾乎都離不開傳感器。在工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，用各種傳感器來檢測(cè)和控制生產(chǎn)過程中的各個(gè)參數(shù)，如溫度、壓力、流量、PH值等，以便使設(shè)備工作在最佳狀態(tài)，產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。此次設(shè)計(jì)中所利用到的氣體傳感器就是要測(cè)量煙霧濃度的動(dòng)態(tài)信號(hào)，并且利用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片將濃度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)與報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)智能控制。本文的變電站煙霧監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)就是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一種典型應(yīng)用，要求能夠檢測(cè)煙霧濃度，并且在氣體濃度超過給定值時(shí)能實(shí)時(shí)報(bào)

6、警。由于火災(zāi)是變電站以及礦工企業(yè)常見事故，給人們生命財(cái)產(chǎn)安全帶來了極大的危害。為了能減少事故的發(fā)生，提醒人們注意，迫切地需要煙霧監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，面對(duì)各種檢測(cè)對(duì)象和大量的測(cè)試點(diǎn)，需要利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將多路被測(cè)量值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再經(jīng)過單片機(jī)或微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)。而此時(shí)采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)煙霧監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)不僅具有采集控制方便、簡(jiǎn)單、靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高采集點(diǎn)的技術(shù)指標(biāo)，從而大大提高系統(tǒng)的可利用性。此次三路檢測(cè)系統(tǒng)正是把ADC0809與AT89S51單片機(jī)有機(jī)的結(jié)合起來，也符合了本設(shè)計(jì)的要求。1 緒論1.1 課題背景隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力應(yīng)用更加

7、普遍，變電站在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著不可或缺的作用，因此變電站的火災(zāi)報(bào)警防范系統(tǒng)顯得尤為重要，現(xiàn)代火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)向著更加智能化的方向發(fā)展。煙霧檢測(cè)報(bào)警裝置就是通過監(jiān)測(cè)煙霧的濃度來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范的。我國(guó)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制系統(tǒng)經(jīng)歷了從無到有、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的發(fā)展過程，其智能化程度也越來越高。目前國(guó)內(nèi)廠家多偏重用于大型倉(cāng)庫(kù)、商場(chǎng)、高級(jí)寫字樓、賓館等場(chǎng)所大型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的研發(fā)。對(duì)于變電站的火災(zāi)報(bào)警防御系統(tǒng)要求更高，在變電站必須利用具有可靠性高、實(shí)時(shí)性好的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警與消防系統(tǒng)。1.2 煙霧報(bào)警器的概述火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，一般由火災(zāi)探測(cè)器、區(qū)域報(bào)警器和集中報(bào)警器組成；也可以根據(jù)工程的要求同各種滅火設(shè)施和通訊裝置聯(lián)動(dòng)

8、，以形成中心控制系統(tǒng)。即由自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)滅火、安全疏散誘導(dǎo)、系統(tǒng)過程顯示、消防檔案管理等組成一個(gè)完整的消防控制系統(tǒng)?；馂?zāi)探測(cè)器是探測(cè)火災(zāi)的儀器，由于在火災(zāi)發(fā)生的階段，將伴隨產(chǎn)生煙霧、高溫度火光。這些煙、熱和光可以通過探測(cè)器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)報(bào)警或使自動(dòng)滅火系統(tǒng)啟動(dòng)，及時(shí)撲滅火災(zāi)。區(qū)域報(bào)警器能將所在樓層之探測(cè)器發(fā)出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲光報(bào)警，并在屏幕上顯示出火災(zāi)的房間號(hào)；同時(shí)還能監(jiān)視若干樓層的集中報(bào)警器（如果監(jiān)視整個(gè)大樓的則設(shè)于消防控制中心）輸出信號(hào)或控制自動(dòng)滅火系統(tǒng)。集中報(bào)警是將接收到的信號(hào)以聲光方式顯示出來，其屏幕上也具體顯示出著火的樓層和房間號(hào)，機(jī)上停走的時(shí)鐘記錄下首次報(bào)警時(shí)間性，利用本機(jī)專用電話，還

9、可迅速發(fā)出指示和向消防隊(duì)報(bào)警。此外，也可以控制有關(guān)的滅火系統(tǒng)或?qū)⒒馂?zāi)信號(hào)傳輸給消防控制室。首先我們應(yīng)對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的煙霧報(bào)警器的種類有所了解。煙霧報(bào)警器可分為可燃?xì)怏w檢漏儀（簡(jiǎn)稱“檢漏儀”）,可燃?xì)怏w報(bào)警控制器（簡(jiǎn)稱“控制器”）、可燃?xì)怏w探測(cè)器（簡(jiǎn)稱“探測(cè)器”）、家用可燃?xì)怏w報(bào)警器（簡(jiǎn)稱“報(bào)警器”）四大系列產(chǎn)品。報(bào)警器可發(fā)出聲光報(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。煙霧報(bào)警器的核心是氣體傳感器，俗稱“電子鼻”。當(dāng)氣體傳感器遇到煙霧時(shí)，傳感器電阻隨燃?xì)鉂舛榷兓S之產(chǎn)生電信號(hào)，供煙霧報(bào)警器后級(jí)線路處理。經(jīng)過電子線路處理變成濃度成比例變化的電壓信號(hào)，由線性電路加以補(bǔ)償，使信號(hào)線性化，經(jīng)微機(jī)

10、處理、邏輯分析，輸出各種控制信號(hào)，即當(dāng)煙霧濃度達(dá)到報(bào)警設(shè)定值時(shí)，煙霧報(bào)警器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)并可顯示煙霧濃度或啟動(dòng)外部聯(lián)運(yùn)設(shè)備（如排風(fēng)扇、電磁閥）。選擇一款優(yōu)質(zhì)的煙霧報(bào)警器，首先要選擇質(zhì)量過關(guān)的傳感器。質(zhì)量不過關(guān)的傳感器，一般16個(gè)月性能就下降，因而失去報(bào)警器的安全性，出現(xiàn)不報(bào)警或誤報(bào)警現(xiàn)象，而一種好的傳感器可連續(xù)使用十幾年，特性也不會(huì)有什么變化。但是，報(bào)警器中的其它電子元件的壽命都是有限，先進(jìn)國(guó)家也規(guī)定燃?xì)鈭?bào)警器的有效期最多為五年。報(bào)警器都存在著檢測(cè)誤差，只有誤差降低在5%以內(nèi)這個(gè)報(bào)警器才符合使用要求。這就要求了煙霧傳感器性能必須符合這個(gè)條件，高精度的傳感器是系統(tǒng)的靈魂。氣體傳感器受濕度、溫度

11、的影響較大，在條件需要的時(shí)候應(yīng)該采用溫度、濕度補(bǔ)償來提高測(cè)量精度。1.3 課題研究的目的及意義火災(zāi)對(duì)變電站的影響很大，因此設(shè)計(jì)出性能更加可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的變電站煙霧監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)已成為市場(chǎng)的需要。目前，現(xiàn)有煙霧檢測(cè)儀器主要是面對(duì)工礦企業(yè)或公共場(chǎng)所的檢測(cè)，價(jià)格高昂，本次設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）成本低廉并能對(duì)煙霧準(zhǔn)確報(bào)警。（2）該產(chǎn)品無需專業(yè)人員操作，只要放在合適位置，通電即可，連續(xù)使用、方便簡(jiǎn)捷。（3）能有效檢測(cè)煙霧濃度，觀察更加直觀，控制更加方便。（4）能有效防止誤動(dòng)作，可靠性強(qiáng)。（5）聲光報(bào)警，更能引起人們的注意，觀察直觀。1.4 現(xiàn)狀及特點(diǎn)消防報(bào)警產(chǎn)品是一個(gè)系列產(chǎn)品，包括火災(zāi)探測(cè)設(shè)備、信息傳輸設(shè)

12、備、報(bào)警分析控制器、消防控制聯(lián)動(dòng)。是物理傳感技術(shù)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸和管理、智能樓宇等技術(shù)的綜合集成，屬于高新技術(shù)。依托中國(guó)多年的基本建設(shè)的發(fā)展，這個(gè)行業(yè)也得到發(fā)展，具備了和國(guó)外知名企業(yè)抗衡的能力。在目前中國(guó)許多冠名以高新技術(shù)的行業(yè)中，中國(guó)企業(yè)大多做的是下游的制造和服務(wù)，分取極少一部分的利潤(rùn)，象消防報(bào)警產(chǎn)品那樣又擁有自我知識(shí)產(chǎn)權(quán)，又擁有大量市場(chǎng)的行業(yè)其實(shí)是很少的。在消防報(bào)警產(chǎn)品的技術(shù)含量上，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品和國(guó)外產(chǎn)品差距不是很大，許多指標(biāo)已經(jīng)超越，存在的問題是：類似于國(guó)外消防報(bào)警產(chǎn)品的大批量規(guī)?；纳a(chǎn)才剛起步，有待于積累經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)；也因此在產(chǎn)品一致性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性上有一些差距；國(guó)內(nèi)正在形成

13、權(quán)重的大型企業(yè)和集團(tuán)，這樣可以帶領(lǐng)國(guó)內(nèi)的各家企業(yè)去沖擊海外市場(chǎng)，并最終占領(lǐng)海外的消防報(bào)警市場(chǎng)。1.5 發(fā)展趨勢(shì)二十多年前，中國(guó)的消防報(bào)警產(chǎn)品剛剛起步，無論產(chǎn)品技術(shù)含量、產(chǎn)品系列完整性、使用性，還是社會(huì)影響程度都是相當(dāng)?shù)偷?。?guó)外的產(chǎn)品和品牌一統(tǒng)天下，占領(lǐng)中國(guó)的大部分市場(chǎng)。由于中國(guó)的建設(shè)正在飛速發(fā)展，市場(chǎng)大的驚人，難道這由中國(guó)發(fā)展帶來的成果只能由外國(guó)企業(yè)來瓜分？可幸的是中國(guó)企業(yè)抓住了機(jī)遇，頂住了挑戰(zhàn)，先是一批國(guó)家的科研院所，后是一批國(guó)營(yíng)企業(yè)、民營(yíng)企業(yè)，業(yè)內(nèi)也吸引和凝聚一大批國(guó)內(nèi)的技術(shù)和管理精英，花了十多年時(shí)間，通過幾次產(chǎn)品更新?lián)Q代，就使自己的產(chǎn)品緊緊跟上了國(guó)際水平，并且奪回了大部分國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，使得現(xiàn)

14、在大多國(guó)外產(chǎn)品只有招架之功，這是典型的自力更生，走自己的路。當(dāng)然目前而言，我們基本占據(jù)的是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，對(duì)外還剛啟動(dòng)。中國(guó)企業(yè)正虎視眈眈，準(zhǔn)備進(jìn)軍海外市場(chǎng)6。1.6 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)本文利用單片機(jī)電路制作變電轉(zhuǎn)火災(zāi)煙霧故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。設(shè)計(jì)過程中關(guān)鍵的兩個(gè)部分：系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)和控制軟件的編寫。這也是在設(shè)計(jì)過程中需要解決的關(guān)鍵的問題。（1）硬件任務(wù)單片機(jī)變電站火災(zāi)煙霧故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的硬件主要有3大部分，即濃度檢測(cè)和顯示模塊、主控模塊和報(bào)警模塊。濃度檢測(cè)模塊主要由半導(dǎo)體氣體傳感器MQ-2和ADC0809組成，它們是整個(gè)系統(tǒng)中關(guān)鍵的元件；顯示部分由LCD1602組成。主控模塊由單片機(jī)及其相關(guān)軟件組成，由

15、程序?qū)纹瑱C(jī)進(jìn)行控制。報(bào)警模塊主要由發(fā)光二極管和蜂鳴器等組成，這個(gè)模塊是在濃度超過報(bào)警限的時(shí)候進(jìn)行報(bào)警處理。硬件的設(shè)計(jì)需要單片機(jī)、模電及其數(shù)電的相關(guān)知識(shí)。在解決這一問題的過程中，需要查閱大量資料，結(jié)合所學(xué)知識(shí)，向老師獲取幫助。（2）軟件任務(wù)它的軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序和中斷處理兩大部分：主程序要完成I/O口，定時(shí)器的初始化及對(duì)中斷輸入的設(shè)定，然后延時(shí)使傳感器進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，等待定時(shí)器的中斷；中斷處理程序根據(jù)具體情況需要有相應(yīng)的子程序。要對(duì)程序進(jìn)行多次調(diào)試，分塊編程。對(duì)各個(gè)子程序塊所解決的問題要相當(dāng)明確。最后在制作完成硬件電路板后要調(diào)試出設(shè)計(jì)要求的功能。2 變電站煙霧檢測(cè)報(bào)警器的方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

16、就是根據(jù)題目的要求而對(duì)硬件和軟件進(jìn)行規(guī)劃，并選擇最合適的硬件電路和軟件程序來達(dá)到目的。硬件設(shè)計(jì)是通過對(duì)設(shè)計(jì)要求的分析，對(duì)各種元器件的了解，而得出分立元件與集成塊的某些連接方法，以達(dá)到設(shè)計(jì)的功能要求。并且把這些元器件焊接在一塊電路板上。它包括對(duì)各種元器件的功能和接法的了解，以及對(duì)各種元器件的選擇和設(shè)計(jì)方案的選擇。軟件設(shè)計(jì)是分析設(shè)計(jì)的硬件用程序?qū)崿F(xiàn)其功能，并且調(diào)試優(yōu)化產(chǎn)品功能。2.1 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能：系統(tǒng)能檢測(cè)三個(gè)不同位置的煙霧濃度，把檢測(cè)到的信號(hào)送單片機(jī)處理，處理過的數(shù)據(jù)送顯示器顯示，在煙霧濃度達(dá)到設(shè)置值時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)聲光報(bào)警，實(shí)現(xiàn)串口通信功能。2.2 煙霧檢測(cè)報(bào)警器設(shè)計(jì)思

17、路本設(shè)計(jì)擬按以下思路展開研究：（1）根據(jù)該設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的基本功能，設(shè)計(jì)大致應(yīng)該分為信號(hào)采集放大，信號(hào)處理控制，系統(tǒng)報(bào)警三個(gè)部分。信號(hào)采集部分即通過氣體傳感器檢測(cè)氣體濃度，將這種變化量轉(zhuǎn)化成電壓模擬量的變化，然后通過運(yùn)放進(jìn)行必要的放大。信號(hào)處理部分是將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送入控制器進(jìn)行處理，并將處理過的信號(hào)送顯示器顯示。系統(tǒng)報(bào)警部分是通過預(yù)定控制方式并利用蜂鳴器和發(fā)光二極管報(bào)警實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確操作。（2）依據(jù)上面所說的思路，得到如下一些基本的結(jié)論：信號(hào)采集部分為了能準(zhǔn)確采集到氣體濃度的變化應(yīng)選用半導(dǎo)體氣體傳感器，為使其有效的檢測(cè)煙霧濃度，采用電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器；而放大部分使用運(yùn)放進(jìn)行

18、放大。信號(hào)處理部分為了實(shí)現(xiàn)精確控制，采用單片機(jī)較為合適。將模擬信號(hào)送A/D模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后送到單片機(jī)，經(jīng)過處理后送顯示器顯示。系統(tǒng)設(shè)置報(bào)警部分可以考慮采用蜂鳴器和發(fā)光二極管報(bào)警根據(jù)對(duì)上面設(shè)計(jì)系統(tǒng)的分析，我們得到該設(shè)計(jì)思想框圖如下圖2-1所示：圖2-1 思想框圖將上述設(shè)計(jì)思想結(jié)合設(shè)計(jì)要求總結(jié)為：?jiǎn)纹瑱C(jī)電路制作變電站火災(zāi)煙霧故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)對(duì)三個(gè)不同位置的煙霧濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)；煙霧信號(hào)采集電路一般由電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器和模擬放大電路組成，將煙霧信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬的電信號(hào)。采集到的信號(hào)送入A/D模塊，將模擬信號(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

19、分析比較，是否大于或等于某個(gè)預(yù)設(shè)值(也就是報(bào)警限)，如果大于則啟動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警聲音，反之則為正常狀態(tài)。為方便檢測(cè)與監(jiān)控，使儀器測(cè)試人員能夠直觀地觀察到環(huán)境中的煙霧濃度值，可將濃度值送到顯示屏中。為使報(bào)警裝置更加完善，可以在聲音報(bào)警基礎(chǔ)上，加入光報(bào)警，光信號(hào)可以引起工作人員注意，彌補(bǔ)嘈雜環(huán)境中聲音報(bào)警的局限。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。煙霧傳感器及單片機(jī)是可燃煙霧檢測(cè)報(bào)警器的兩大核心，根據(jù)報(bào)警器功能的需要，選擇合適、精確、經(jīng)濟(jì)的煙霧傳感器及單片機(jī)芯片是至關(guān)重要的。2.3 設(shè)計(jì)方案2.3.1方案一采用單個(gè)普通傳感器檢測(cè)煙霧濃度，將檢測(cè)的到濃度信號(hào)送入A/D芯片中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)

20、換，利用AT89S51單片機(jī)控制蜂鳴器進(jìn)行聲音報(bào)警以及將氣體傳感器檢測(cè)到的濃度值在液晶顯示器上顯示出來。分析：此設(shè)計(jì)雖然簡(jiǎn)單，但是存在著嚴(yán)重的問題。采用單個(gè)傳感器檢測(cè)煙霧濃度是不合適的。氣體傳感器所測(cè)量的值經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化。在一段短時(shí)間內(nèi)可能很穩(wěn)定，而在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)則可能有緩慢起伏，或呈周期性的脈動(dòng)變化，甚至出現(xiàn)突變的尖峰。氣體傳感器主要通過兩個(gè)基本特性-靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性來反映傳感器的這種變動(dòng)性。靜態(tài)特性通常反映在靈敏度上。所謂的靈敏度，是指在靜態(tài)工作條件下，其單位輸入所產(chǎn)生的輸出，用S表示。如式（1）： （1）動(dòng)態(tài)特性是煙霧傳感器的特有問題，反映煙霧傳感器對(duì)隨時(shí)間變化的輸入響應(yīng)特性。動(dòng)態(tài)特

21、性好的煙霧傳感器，其輸出特性曲線隨時(shí)間變化很小。動(dòng)態(tài)特性的輸入與輸出關(guān)系不是一個(gè)常數(shù)，而是時(shí)間的函數(shù)，隨時(shí)間的變化而變化，因此常用"傳遞函數(shù)"表征。如式（2）： （2）此可見，煙霧傳感器的輸入和輸出關(guān)系并非簡(jiǎn)單的線性或曲線關(guān)系，要對(duì)煙霧傳感器建立一個(gè)準(zhǔn)確的溫度修正數(shù)學(xué)模型是很困難的。通常應(yīng)用時(shí)，都忽略煙霧傳感器的動(dòng)態(tài)特性，根據(jù)其靜態(tài)溫度響應(yīng)靈敏度，采取一定的措施對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。如通過溫度傳感器測(cè)出環(huán)境的溫度，對(duì)煙霧傳感器的輸出特性曲線進(jìn)行修正；或者直接對(duì)傳感器進(jìn)行硬件補(bǔ)償。煙霧傳感器特性總是會(huì)受到環(huán)境溫度、濕度的影響而變化，煙霧報(bào)警器要能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境氣氛的監(jiān)控，有效避免誤

22、報(bào)、漏報(bào)，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，必須對(duì)煙霧傳感器進(jìn)行有效的溫、濕度補(bǔ)償和修正。本設(shè)計(jì)主要考慮如何有效實(shí)現(xiàn)傳感器的溫度補(bǔ)償。傳統(tǒng)補(bǔ)償方式一般有硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩種。所謂硬件補(bǔ)償是指直接使用溫度傳感器在電路中對(duì)氣體傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，這種方式雖然簡(jiǎn)單，但只有在溫度傳感器和氣體傳感器的溫度特性一致時(shí)，才能很好地補(bǔ)償；很難實(shí)現(xiàn)寬范圍的氣體傳感器和溫度傳感器的特性匹配。軟件補(bǔ)償方式通過傳感器的溫度特性曲線擬合進(jìn)行算法補(bǔ)償，這種方式是以一定的特性曲線作為基礎(chǔ)，對(duì)不同的工作環(huán)境和不同傳感器的溫度特性，用算法處理和查表修正以得到不同的補(bǔ)償效果。該方式較為復(fù)雜，對(duì)特性離散的傳感器，擬合效果差。為了解決這個(gè)問題，提出采

23、用雙傳感器補(bǔ)償方式，具體來說就是選用兩個(gè)特性一致（實(shí)際上只能做到非常接近）的氣體傳感器來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，把其中一個(gè)氣體傳感器A密封代替溫度傳感器，對(duì)另一氣體傳感器B進(jìn)行補(bǔ)償。這樣的補(bǔ)償方式，不僅能較好地?cái)M合氣體傳感器的靜態(tài)溫度特性，而且對(duì)傳感器的動(dòng)態(tài)溫度響應(yīng)也能同步實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。由于方案一傳感器測(cè)量精度不高，所以不予采納。2.3.2方案二采用普通雙傳感器，采用相互補(bǔ)償?shù)姆椒z測(cè)房間氣體濃度，將檢測(cè)的到濃度信號(hào)送入A/D芯片中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用AT89S51單片機(jī)控制聲音報(bào)警以及將氣體傳感器檢測(cè)到的濃度值在顯示器顯示出來。分析：此設(shè)計(jì)方法雖然解決了傳感器檢測(cè)氣體濃度時(shí)溫度和濕度對(duì)測(cè)量值的影響，但是，在實(shí)際

24、制作的過程中，需要利用的核心控制芯片必須最少具有4路8位A/D口，氣體和溫度敏感信號(hào)直接由A/D口采集后，進(jìn)行一定的算法修正和軟件補(bǔ)償。由于本課題要求采用四路巡回檢測(cè)，如果采用本方案那么就需要8個(gè)特性相同的半導(dǎo)體氣體傳感器（4個(gè)密封檢測(cè)氣體濃度，另外4個(gè)做補(bǔ)償），為了達(dá)到更好的溫度修正效果，往往需要傳感器廠家的配合，在生產(chǎn)時(shí)對(duì)傳感器進(jìn)行成對(duì)生產(chǎn)，以保證傳感器特性的一致性。并且主控制芯片采用常規(guī)的ADC0809和單片機(jī)并不支持，且制作硬件極其復(fù)雜，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)體積過大、功耗高、成本太高。單單采用此種方法并不能更好的提高測(cè)量性能，還需要加以軟件補(bǔ)償。由于采用此方案制作硬件極其復(fù)雜，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)體積

25、過大、功耗高、成本太高，所以不予采納。2.3.3方案三采用高性能半導(dǎo)體氣體傳感器，采用三路傳感器檢測(cè)不同地方的煙霧濃度，將檢測(cè)的到濃度信號(hào)送入A/D芯片中進(jìn)行模-數(shù)轉(zhuǎn)換，利用AT89S51單片機(jī)控制聲光報(bào)警，并且將氣體傳感器檢測(cè)到的濃度值在LCD顯示器上顯示出來，并且實(shí)現(xiàn)串口通信。分析：選用此方法設(shè)計(jì)電路不僅解決了溫度、濕度的影響，并且簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)電路，降低了成本，采用此種方法設(shè)計(jì)主體電路。具體電路設(shè)計(jì)將在下文中給出。在下節(jié)將具體介紹煙霧傳感器的選型問題2.3.4方案的確定現(xiàn)今半導(dǎo)體氣體傳感器技術(shù)的不斷提高，使得在應(yīng)用此類傳感器時(shí)不必采用溫度、濕度補(bǔ)償，極大的簡(jiǎn)化了電路和降低了成本。鑒于對(duì)以上三

26、個(gè)方案的對(duì)比分析，方案三最符合設(shè)計(jì)要求，所以我選擇使用方案三來設(shè)計(jì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主體電路。2.4 煙霧傳感器的選型 煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，是氣-電變換器，它將可燃性氣體在空氣中的含量(即濃度)轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到單片機(jī)，進(jìn)而由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、濃度處理及報(bào)警控制等工作。傳感器作為煙霧檢測(cè)報(bào)警器的信號(hào)采集部分，是儀表的核心組成部分之一。由此可見，傳感器的選型是非常重要的。2.4.1煙霧傳感器介紹 (1)煙霧傳感器的分類： 煙霧傳感器種類繁多，從檢測(cè)原理上可以分為三大類： (a)利用物理化學(xué)性質(zhì)的煙霧傳感器：如半導(dǎo)體煙霧傳感器、接觸燃 燒煙霧傳

27、感器等。 (b)利用物理性質(zhì)的煙霧傳感器：如熱導(dǎo)煙霧傳感器、光干涉煙霧傳 感器、紅外傳感器等。 (c)利用電化學(xué)性質(zhì)的煙霧傳感器：如電流型煙霧傳感器、電勢(shì)型氣 體傳感器等。 (2) 煙霧傳感器應(yīng)滿足的基本條件：一個(gè)煙霧傳感器可以是單功能的，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以下條件： (a)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)； (b)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；(c)對(duì)檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)速度快，重復(fù)性好；(d)長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性好； (e)使用壽命長(zhǎng)； (f)

28、制造成本低，使用與維護(hù)方便。 (3)常見煙霧傳感器簡(jiǎn)介：下面對(duì)工業(yè)上常用的幾種煙霧傳感器作簡(jiǎn)單介紹。 (a)半導(dǎo)體煙霧傳感器半導(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。自1962年半導(dǎo)體金屬氧化物煙霧傳感器問世以來，由于具有靈敏度高、響應(yīng)快、輸出信號(hào)強(qiáng)、耐久性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。該傳感器己成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的煙霧傳感器之一。按照敏感機(jī)理分類，可分為電阻型和非電阻型。 (b)固體電解質(zhì)煙霧傳感器 固體電解質(zhì)煙霧傳感器使用固體電解質(zhì)氣敏材料作為氣敏元件，其原理是利用氣敏材料在通過煙霧時(shí)產(chǎn)生電阻

29、，測(cè)量其形成電動(dòng)勢(shì)從而測(cè)量氣體濃度。由于這種傳感器電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，因而得到了廣 泛的應(yīng)用，幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，其產(chǎn)量?jī)H次于半導(dǎo)體煙霧傳感器的一類傳感器。但這種傳感器制造成本高，檢測(cè)煙霧范圍有限，在檢測(cè)環(huán)境污染領(lǐng)域中有優(yōu)勢(shì)。 (c)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，故得名接觸燃燒式傳感器。接觸燃燒式煙霧傳感器的檢測(cè)元件一般為鉑金屬絲(也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層)，使用時(shí)將鉑絲通電，保持300°C400°C的高溫，此時(shí)若與煙霧接觸，煙霧就會(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

30、阻值也上升；通過測(cè)量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道煙霧的濃度。 (d)高分子煙霧傳感器 利用高分子氣敏材料制作的煙霧傳感器近年來得到很大的發(fā)展。高分子氣敏材料在遇到特定煙霧時(shí)，其電阻、介電常數(shù)、材料表面聲波傳播速 度和頻率、材料重量等物理性能發(fā)生變化。高分子氣敏材料由于具有易操 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。 (e)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。煙霧濃度信號(hào)將電解液分

31、解成陰陽帶電離子，通過電極將信號(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)采用該類型傳感器。 (f)熱傳導(dǎo)傳感器 熱傳導(dǎo)傳感器與接觸燃燒式傳感器具有類似的結(jié)構(gòu)形式，但是測(cè)量原理不同。它的測(cè)量原理是：將加熱后的鉑電阻線圈置于目標(biāo)煙霧中，由于向目標(biāo)煙霧傳送熱量造成溫度降低，引起電阻值變化，傳感器即測(cè)量電阻 值的變化情況。溫度的變化情況是目標(biāo)煙霧熱傳導(dǎo)率的函數(shù)，而對(duì)于一種給定的煙霧或汽化物，熱傳導(dǎo)率是它固有的物理特性。 (g)紅外傳感器 紅外傳感器通常用兩束紅外光進(jìn)行煙霧測(cè)量，主光束通過測(cè)量元件內(nèi)的目標(biāo)煙霧

32、，參考光束通過比較元件內(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-dispersive 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。 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衔铮⒕哂凶钚〉慕徊骒`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。 (4)常見煙霧傳感器可

33、檢測(cè)煙霧種類：由于煙霧的種類繁多，一種類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)無機(jī)煙霧，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。下表簡(jiǎn)要列舉出已經(jīng)研究、開發(fā)的各類煙霧傳感器及其可檢測(cè)的氣體種類5。表2.1各種煙霧傳感器可檢測(cè)的煙霧種類傳感器種類C0CO2 H2S NH3 HCNHCICOCI2CI2 NOX SO2O2CH4C3H2H2H2O半導(dǎo)體氣體傳感器固體電解質(zhì)傳感器接觸燃燒式傳感器電化學(xué)式傳感器高分子電解質(zhì)氣體傳感器 注：好

34、不太好2.4.2煙霧傳感器的選定煙霧檢測(cè)報(bào)警器主要應(yīng)用在石油、化工、冶金、油庫(kù)、液化氣站、變電站、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃煙霧泄漏的場(chǎng)所，根據(jù)報(bào)警器檢測(cè)煙霧種類的要求，一般選用接觸燃燒式煙霧傳感器和半導(dǎo)體煙霧傳感器。使用接觸燃燒式傳感器，其探頭的阻緩及中毒，是不可避免的問題。 阻緩是當(dāng)在煙霧與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下，則有可能在無焰燃燒的同時(shí)，有些固態(tài)物質(zhì)附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應(yīng)緩慢反應(yīng)滯緩，靈敏度降低。雖然將阻緩的傳感器再放回新鮮空氣環(huán)境中有得到某種程度的恢復(fù)的可能，但是如果長(zhǎng)期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會(huì)不斷下降，導(dǎo)致傳感器最終喪失檢測(cè)煙霧的能力。中

35、毒是如果環(huán)境空氣中含有硅烷之類的物質(zhì)時(shí)，則傳感器將使催化元件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的中毒，以致靈敏度很快就喪失。當(dāng)懷疑檢測(cè)環(huán) 境中存在這些物質(zhì)時(shí)，經(jīng)常對(duì)探頭進(jìn)行標(biāo)定，是必須且有效的辦法。 因此，經(jīng)常對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是保證其準(zhǔn)確性的必要的途徑。一般連續(xù)使用兩個(gè)月后應(yīng)對(duì)傳感器進(jìn)行量程校準(zhǔn)，這種經(jīng)常性對(duì)傳感器的維護(hù)，無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。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，它具有靈敏度高，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)，因而得到廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體煙霧傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性(

36、抗干擾性)和穩(wěn)定性(使用壽命)4。 經(jīng)過對(duì)比上述兩種煙霧傳感器的應(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：靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價(jià)格便宜，且不會(huì)發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護(hù)成本較低等。因此，本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體煙霧傳感器作為報(bào)警器煙霧信息采集部分的核心。而在眾多半導(dǎo)體氣體傳感器中，本設(shè)計(jì)選用MQ-2型煙霧傳感器，這種型號(hào)的傳感器不但具備一般半導(dǎo)體煙霧傳感器靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，還有足夠的耐高溫，耐高濕的特性。下面介紹MQ-2型煙霧傳感器的技術(shù)資料。2.4.3 MQ-2型煙霧傳感器的相關(guān)介紹MQ-2/MQ-2S氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)

37、率較低的二氧化錫(SnO2)。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。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)。MQ-2/MQ-2S氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想。這種傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。1、靈敏性圖2-2是傳感器典型的靈敏度特性曲線。圖中縱坐標(biāo)為傳感器的電阻比（Rs/Ro），橫坐標(biāo)為氣體濃度。Rs 表示傳感器在不同濃度氣體中的電阻值，Ro 表示傳感器在1000ppm 氫氣中的電阻值，圖中所有測(cè)試都是在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下完成的。2、溫濕度的影

38、響圖2-3是傳感器典型的溫度、濕度特性曲線。圖中縱坐標(biāo)是傳感器的電阻比（Rs/Ro）。Rs表示在含1000ppm 丙烷、不同溫/濕度下傳感器的電阻值，Ro表示在含1000ppm 丙烷、20/65%RH環(huán)境條件下傳感器的電阻值。3、結(jié)構(gòu)外形MQ-2/MQ-2S氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖4所示(結(jié)構(gòu) A 或 B), 由微型Al203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。圖2-2 MQ-2/MQ-2S氣體傳感器的靈敏度特性 圖2-3 MQ-

39、2/MQ-2S氣體傳感器的溫度/濕度特性曲線圖2-4 MQ-2/MQ-2S氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形4、 MQ-2/MQ-2S氣敏元件的規(guī)格MQ-2/MQ-2S氣敏元件的規(guī)格如表2-1所示：表2-2 MQ-2/MQ-2S氣敏元件的規(guī)格2.5 煙霧檢測(cè)報(bào)警器具體設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)屬于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。它是單片機(jī)在系統(tǒng)檢測(cè)方面的應(yīng)用，是典型的嵌入式系統(tǒng)。通常將滿足海量高速數(shù)值計(jì)算的計(jì)算機(jī)稱為通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；而把面向工控領(lǐng)域?qū)ο?，嵌入到工控?yīng)用系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的計(jì)算機(jī)稱之為嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般分為四種:工控機(jī)，通用CPU模塊，嵌入式微機(jī)處理，單片機(jī)。嵌入式系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：(

40、1)面對(duì)控制對(duì)象。如傳感信號(hào)輸入、人機(jī)交互操作,伺服驅(qū)動(dòng)等。(2)嵌入到工控應(yīng)用系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)形態(tài)。(3)能在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中可靠運(yùn)行的品質(zhì)。(4)突出控制功能。如對(duì)外部信息的捕捉、對(duì)控制對(duì)象實(shí)時(shí)控制和有突出控制功能的指令系統(tǒng)(I/O控制、位操作和轉(zhuǎn)移指令等)。單片機(jī)有惟一的專門為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)與指令系統(tǒng)，最能滿足嵌入式應(yīng)用要求。單片機(jī)是完全按嵌入式系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)的單芯片形態(tài)應(yīng)用系統(tǒng)，能滿足面對(duì)控制對(duì)象、應(yīng)用系統(tǒng)的嵌入、現(xiàn)場(chǎng)的可靠運(yùn)行及非凡的控制品質(zhì)等要求，是發(fā)展最快、品種最多、數(shù)量最大的嵌入式系統(tǒng)。2.5.1煙霧檢測(cè)報(bào)警器工作原理 本論文中的煙霧檢測(cè)報(bào)警器以8051單片機(jī)為控制核心，

41、采用MQ-2型電阻式半導(dǎo)體傳感器采集煙霧信息。 首先，傳感器送來的煙霧濃度對(duì)應(yīng)的微小的電壓信號(hào)經(jīng)過放大，轉(zhuǎn)化成較大的電壓信號(hào)送入ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后再送入單片機(jī)；在8051單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行濃度比較，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理，最后，將實(shí)際可燃性氣體濃度送入液晶，并判斷濃度值是否超出報(bào)警限，當(dāng)濃度處于正常狀態(tài)綠燈長(zhǎng)亮，當(dāng)煙霧濃度超出設(shè)定的限定值時(shí)，發(fā)出聲音報(bào)警并伴隨紅燈亮。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。與此同時(shí)通過max

42、232與上位機(jī)通信。2.5.2煙霧檢測(cè)報(bào)警器系統(tǒng)三大部分單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)人機(jī)交互通道應(yīng)用程序串行通信口后向通道前向通道圖2-3 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)三個(gè)層次的關(guān)系單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分三個(gè)層次。(1)單片機(jī)：通常指應(yīng)用系統(tǒng)主處理機(jī)，即所選擇的單片機(jī)器件。(2)單片機(jī)系統(tǒng)：指按照單片機(jī)的技術(shù)要求和嵌入對(duì)象的資源要求而構(gòu)成的基本系統(tǒng),如時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和擴(kuò)展存儲(chǔ)器等與單片機(jī)構(gòu)成了單片機(jī)系統(tǒng)。(3)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)：指能滿足嵌入對(duì)象要求的全部電路系統(tǒng)。在單片機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加上面向?qū)ο蟮慕涌陔娐罚缜跋蛲ǖ?、后向通道、人機(jī)交互通道(鍵盤、顯小器、打印機(jī)等)和串行通信口(RS232)以及應(yīng)用程序

43、等。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)三個(gè)層次的關(guān)系如圖2-3所示。以此理解，單片機(jī)煙霧故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)同樣具有單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的三個(gè)層次。其中以AT89S51單片機(jī)為核心構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，檢測(cè)信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，控制外圍電路。為了更好的理清設(shè)計(jì)思路，將整個(gè)系統(tǒng)細(xì)分為三部分加以設(shè)計(jì)說明。整個(gè)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，分為三大模塊：濃度檢測(cè)模塊、主控模塊和外圍報(bào)警模塊。在本次設(shè)計(jì)中，使用的核心器件是AT89S51單片機(jī)和MQ-2型氣體傳感器。為了保證整個(gè)系統(tǒng)可靠的運(yùn)行，設(shè)計(jì)中必須明確三大部分的實(shí)際聯(lián)系：以單片機(jī)為中心，其他各大模塊一一展開。其中，濃度檢測(cè)及顯示模塊所實(shí)現(xiàn)的功能是將煙霧濃度值轉(zhuǎn)換成為

44、單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)，并且將濃度值顯示出來；主控模塊以單片機(jī)為主，對(duì)其他模塊的運(yùn)行進(jìn)行控制；外圍報(bào)警模塊是此系統(tǒng)的外圍電路，它的功能實(shí)現(xiàn)形式最人性化，體現(xiàn)了智能控制，在檢測(cè)到煙霧濃度超過設(shè)定值時(shí)會(huì)啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。2.5.3煙霧檢測(cè)報(bào)警器的結(jié)構(gòu) 為適應(yīng)變電站和工業(yè)等場(chǎng)所對(duì)可燃性易爆煙霧安全性要求，設(shè)計(jì)的可燃性煙霧報(bào)警儀應(yīng)不僅能在較寬的溫度范圍工作，而且應(yīng)具有顯示可燃煙霧濃度、延時(shí)報(bào)警功能及可接計(jì)算機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)測(cè)等功能。其目標(biāo)是在傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警儀的基礎(chǔ)上，盡量提高準(zhǔn)確性，降低成本，縮小體積。 圖2.4 可燃性氣體檢測(cè)報(bào)警器結(jié)構(gòu)框圖報(bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.4所示，系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，配合外圍電

45、路共同完成信號(hào)采集、濃度顯示、狀態(tài)顯示、聲音報(bào)警等功能。系統(tǒng)應(yīng)采用高性能的單片機(jī)，要求工作穩(wěn)定、測(cè)量精度高、通用性強(qiáng)、功耗低，保證報(bào)警器的精確性及可靠性，而且最好體積小，成本低，有利于減少報(bào)警器的體積，降低報(bào)警器的成本。2.5.4煙霧檢測(cè)報(bào)警器的功能 (1)煙霧濃度顯示通過液晶屏顯示可燃煙霧的濃度值，便于檢測(cè)人員隨時(shí)觀測(cè)煙霧濃度。 (2)煙霧報(bào)警功能 當(dāng)煙霧濃度處于報(bào)警限值之上，蜂鳴器開始報(bào)警，并且伴隨紅燈亮。因?yàn)槿藢?duì)聲光信號(hào)更為敏感，所以聲光變化更容易引起工作人員的注意。(3)與上位機(jī)通訊功能可以實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)串口通訊，對(duì)報(bào)警器采取統(tǒng)一控制，以及便于采集和處理數(shù)據(jù)。 3 煙霧檢測(cè)報(bào)警器的硬件模

46、塊設(shè)計(jì)根據(jù)第二章的介紹系統(tǒng)的硬件部分可以分成三個(gè)模塊來做，現(xiàn)在就先進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)部分，然后再具體介紹各部分硬件電路的設(shè)計(jì)。3 .1 煙霧檢測(cè)報(bào)警器系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)整個(gè)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，分為三大模塊：氣體濃度檢測(cè)模塊、主控模塊和報(bào)警模塊，下面依次介紹。3.1.1氣體濃度檢測(cè)模塊火災(zāi)煙霧故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)采用三路不同地點(diǎn)煙霧檢測(cè)的方法，檢測(cè)器件采用MQ-2型氣體傳感器檢測(cè)氣體濃度，檢測(cè)結(jié)果送入模/數(shù)芯片ADC0809中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。前面在第二章第四節(jié)方案的設(shè)計(jì)中已經(jīng)介紹了MQ-2型煙霧傳感器的具體資料，由于條件原因沒有買到MQ-2型煙霧傳感器，所以根據(jù)其技術(shù)資料和規(guī)格，用變阻器來代替模擬MQ-2

47、煙霧傳感器，可以假設(shè)其在理想條件下不考慮溫度和濕度的影響，在MQ-2中測(cè)得的煙霧濃度隨輸出電壓的變化而變化，根據(jù)圖濃度與電壓之間的變化關(guān)系，用變阻器來模擬MQ-2煙霧傳感器。根據(jù)圖3-1，MQ-2型氣體傳感器單片機(jī)采集電壓值與煙霧濃度百分比線性化曲線，當(dāng)煙霧濃度在0%到100%之間變化時(shí)電壓在0V到3.75V之間變化，所以讓變阻器的輸出電壓在0v到1.8v之間變化，經(jīng)過運(yùn)放將電壓放大兩倍得到0V到3.75V之間變化的電壓送到ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)最終由單片機(jī)處理顯示出濃度值。如圖3-2所示。圖3-1 MQ-2型氣體傳感器單片機(jī)采集電壓值與煙霧濃度百分比線性化曲線圖

48、3-2 用變阻器模擬的MQ-2型半導(dǎo)體煙霧傳感器3.1.2主控模塊系統(tǒng)選用單片機(jī)控制，采用AT89S51單片機(jī)。它的主要功能即接收ADC0809芯片送來的數(shù)字信號(hào)，又可以通過對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理來控制外圍電路以及顯示電路。采集信號(hào)經(jīng)過ADC0809處理后送單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后的信息將通過單片機(jī)控制，在LCD顯示器上顯示出來。下面來詳細(xì)介紹一下AT89S51單片機(jī)1、AT89S51單片機(jī)簡(jiǎn)介AT89S51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓,高性能CMOS8位微處理器,

49、俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中,ATMEL的AT89S51是一種高效微控制器。AT89S系列單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。所以本設(shè)計(jì)我們選擇AT89S51單片機(jī)作為控制器的核心芯片9。2、AT89S51單片機(jī)的引腳定義及功能AT89S51引腳圖如圖3-3所示，下面分別介紹其引腳。（1）主電源引腳Vss，VccVss(20腳):接地。Vcc(40腳):主電源+5V。（2）外接晶振引腳XTAL1（19腳），XTAL2(18腳)XTAL1：在單片機(jī)內(nèi)部，它是一反相放大器輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片

50、內(nèi)振蕩器。它采用外部振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)接地。XTAL2：在片內(nèi)接至振蕩器的反相放大器輸出端和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，則此引腳接外部振蕩信號(hào)的輸入。（3）輸入/輸出引腳P0，P1，P2，P3P0.0P0.7(3932腳):P0是一個(gè)8位漏極開路型雙向I/O端口。在訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，它分時(shí)提供低8位地址和8位雙向數(shù)據(jù)，故這些I/O線有地址線/數(shù)據(jù)線之稱，簡(jiǎn)寫為AD0AD7。在EPROM編程時(shí)，從P0輸入指令字節(jié)，在驗(yàn)證程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)(驗(yàn)證時(shí)，要外接上拉電阻)。圖3-3 AT89S51引腳功能圖表3-1 P3口的引腳功能引腳信號(hào) 控制信號(hào)說明P3.0RXD串行數(shù)據(jù)輸入P3.

51、1TXD串行數(shù)據(jù)輸出P3.2INT0外部中斷0P3.3INT1外部中斷1P3.4T0定時(shí)器0輸入P3.5T1定時(shí)器1輸入P3.6WR寫存儲(chǔ)器信號(hào)P3.7RD讀存儲(chǔ)器信號(hào) Pl.0P1.7(18腳):Pl是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在EPROM編程和驗(yàn)證程序時(shí)，它輸入低8位地址。P2.0P2.7(2128腳):P2是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，它輸出高8位地址，即A8A15。在對(duì)EPROM編程和驗(yàn)證程序時(shí)，它輸入高8位地址。P3.0P3.7(1017腳):P3是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在整個(gè)系統(tǒng)中，這8個(gè)引腳還具有專門的第二功能，在此

52、，對(duì)P3口相應(yīng)引腳用于控制信號(hào)時(shí)的情況如表3-1所示。（4）控制線（4條）RST：AT89S51的復(fù)位信號(hào)輸入引腳，高電位工作，當(dāng)要對(duì)芯片又時(shí)，只要將此引腳電位提升到高電位，并持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的時(shí)間，AT89S51便能完成系統(tǒng)復(fù)位的各項(xiàng)工作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器的內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài)。ALE/PROG：ALE是英文"ADDRESS LATCH ENABLE"的縮寫，表示允許地址鎖存允許信號(hào)。當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE信號(hào)負(fù)跳變來觸發(fā)外部的8位鎖存器(如74LS373)，將端口P0的地址總線(A0-A7)鎖存進(jìn)入鎖存器中。在非訪問外部存儲(chǔ)器期間，ALE引腳的輸出頻率是系

53、統(tǒng)工作頻率的1/16，因此可以用來驅(qū)動(dòng)其他外圍芯片的時(shí)鐘輸入。當(dāng)問外部存儲(chǔ)器期間，將以1/12振蕩頻率輸出。EA/VPP：該引腳為低電平時(shí)，則讀取外部的程序代碼(存于外部EPROM中)來執(zhí)行程序。因此在8031中，EA引腳必須接低電位，因?yàn)槠鋬?nèi)部無程序存儲(chǔ)器空間。如果是使用AT89S51或其它內(nèi)部有程序空間的單片機(jī)時(shí)，此引腳接成高電平使程序運(yùn)行時(shí)訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，當(dāng)程序指針PC值超過片內(nèi)程序存儲(chǔ)器地址(如8051/8751/89C51的PC超過0FFFH)時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向外部程序存儲(chǔ)器繼續(xù)運(yùn)行。PSEN：此為"Program Store Enable"的縮寫。訪問外部程序存

54、儲(chǔ)器選通信號(hào)，低電平有效。在訪問外部程序存儲(chǔ)器讀取指令碼時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期產(chǎn)生二次PSEN信號(hào)。在執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器指令時(shí)，不產(chǎn)生PSEN信號(hào)，在訪問外部數(shù)據(jù)時(shí)，亦不產(chǎn)生PSEN信號(hào)12。3、單片機(jī)的工作方式單片機(jī)的工作方式包括：復(fù)位方式，程序執(zhí)行方式，單步執(zhí)行方式，掉電、節(jié)電方式以及EEPROM編程和校驗(yàn)方式。（1） 復(fù)位方式 RST引腳時(shí)復(fù)位信號(hào)的輸入端。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，高電平的持續(xù)時(shí)間應(yīng)該在24個(gè)時(shí)鐘周期以上，若時(shí)鐘頻率為6MHz,則復(fù)位信號(hào)至少應(yīng)持續(xù)4us以上，才可以使單片機(jī)可靠復(fù)位。復(fù)位以后，內(nèi)部各寄存器狀態(tài)見表3-2:表3-2 內(nèi)部寄存器復(fù)位后狀態(tài)表寄存器復(fù)位后狀態(tài)寄存器復(fù)位后

55、狀態(tài)PC 0000HTCON00HACC 00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL1 00HDPTR0000HTH100HP0P3FFHSCON00HIP*000000BSBUF不定IE0*000000BPCON 0*0000BTMOD00H復(fù)位后，程序計(jì)數(shù)器PC的值是0000H說明：AT89S51單片機(jī)的程序起始位置是在內(nèi)存的0000H，也就是說程序的第一條指令必須存入內(nèi)存的0000H單元，程序才可能在復(fù)位后，直接運(yùn)行。只要Vcc上升時(shí)間不超過1ms，通過在Vcc和RST引腳之間一個(gè)10uF電容，RST和Vss引腳（即地）之間加一個(gè)10k的電阻，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位，即打開電源就可以自動(dòng)復(fù)位。也可以進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位，在Vcc和RST引腳之間接一個(gè)按鍵，即可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位。復(fù)位電路可以參考圖3-4：圖3-4 單片機(jī)復(fù)位電路（2）程序執(zhí)行方式 程序執(zhí)行方式是單片機(jī)的基本工作方式。所執(zhí)行的程序可以放在內(nèi)部ROM、外部ROM或者同時(shí)放在內(nèi)外ROM中。若程序全部