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1、本科学生毕业设计 基于多传感器的智能火灾报警系统设计 院部名称: 专业班级: 学生姓名: 指导教师: 李静 职 称: 讲师 黑黑 龙龙 江江 工工 程程 学学 院院 二一二年六月 The Graduation Design for Bachelors Degree Design of Intelligence Automatic Fire Alarm Based on Multisenor Candidate: Specialty:Measurement-Control Technology and Instrumentation Class: Supervisor:Lecturer.LI J
2、ing Heilongjiang Institute of Technology 2012-06Harbin 黑龙江工程学院本科生毕业设计 摘 要 基于单片机技术和多传感器技术开发设计了一套火灾自动报警系统。设计 内容包括软件系统和硬件系统。系统的软件部分包括主程序、按键、温度气体 浓度采集、和数码管显示子程序;硬件包括四个部分:单片机最小系统、温度 气体浓度检测电路、显示电路和报警电路。选用最常用的 AT89S52 单片机作为 控制处理器,对所采集的数据进行处理;采用 DS18B20 数字温度传感器将温度 信号直接转换成数字信号,传递给单片机;选用 MQ-2 型半导体可燃气体敏感 元件烟雾传
3、感器实现烟雾浓度的检测;MQ-2 型半导体烟雾传感器电路简单, 成本低,同时可设置温度报警值,实现声光报警。CPS3641BR 数码管具有灵敏 度高、响应快、抗干扰能力强等优点,而且价格低廉,使用寿命长。该火灾自 动报警系统结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉,具有一定的实用价值。 关键词:单片机;温度传感器;烟雾传感器;火灾自动报警;结构简单 黑龙江工程学院本科生毕业设计 II ABSTRACT We development and design a set of automatic fire alarm system based on microcontroller technology
4、 and sensor technology. This design contain software system and hardware system. The software include main program, key, collecting of temperature gas concentration, subroutine of LED display. Hardware system include microcontroller unit system, detection circuitry of temperature gas concentration,
5、displaying circuits and alarming circuits. This system chose AT89S52 as the control processor and handle with collecting dates. This system chose digital temeperature sensor DS18B20 to transform temperature signal to digital signal and convey it to microcontroller unit. This system chose semiconduct
6、or flammable gas sensitive components sensor MQ-2 realize the testing of the density of fog. The circuits of semiconductor smoke sensor MQ-2 are simple and low cost. At the same time it can set panic value and realize audible and visual alarm. Nixie tube CPS3641BR has the merit of high sensitivity,
7、fast response, anti-interference capability. And the price is chip, the lifetime is long. This automatic fire alarm system has a lot of merits such as, simple structure, stable performance, convenient to use, low cost, having practical value and so on. Keywords: Microcontroller Unit; Temperature sen
8、sor; Smoke sensor; Automatic fire alarming system; Simple structure 黑龙江工程学院本科生毕业设计 III 目 录 摘要II Abstract.II 第 1 章 引言1 1.1 智能火灾报警器设计的目的和意义1 1.2 智能火灾报警器的国内外发展情况2 1.3 本设计研究的主要内容2 第 2 章 多传感器的智能火灾报警系统总体方案设计.4 2.1 系统的基本方案4 2.2 主控芯片的选择4 2.3 传感器的选择.5 2.3.1 温度传感器的选择5 2.3.2 烟雾传感器的选择5 2.4 ADC 芯片选择的论证 .6 2.5 显示
9、电路的选择论证6 2.6 整体方案7 2.7 本章小结7 第 3 章 多传感器的智能火灾报警系统的硬件设计.9 3.1 AT89S52 单片机简介9 3.2 AT89S52 单片机的最小系统电路及其引脚功能说明9 3.3 温度采集电路11 3.3.1 DS18B20 的介绍11 3.3.2 温度传感器 DS18B20 的主要特点11 3.3.3 温度传感器 DS18B20 的引脚图和封装及引脚功能说明12 3.3.4 DS18B20 供电方式12 3.3.5 温度采集模块13 3.4 气体浓度采集电路13 3.4.1 MQ-2 传感器介绍13 黑龙江工程学院本科生毕业设计 3.4.2 MQ-2
10、 传感器的特性及主要技术指标14 3.4.3 气体采集模块14 3.5 ADC0832 转换器 .15 3.5.1 ADC0832 转换器介绍 .15 3.5.2 AD0832 转换器各引脚功能15 3.6 报警电路设计16 3.6.1 蜂鸣器16 3.6.2 LED 指示灯16 3.7 数码管显示电路设计16 3.7.1 显示器的工作原理16 3.8 按键控制电路设计17 3.9 本章小结17 第 4 章 软件系统设计.19 4.1 主程序流程图19 4.2 串行通讯的实现19 4.2.1 串行口控制寄存器 SCON 的设置.19 4.2.2 定时器的初始化设置20 4.2.3 波特率计算2
11、1 4.3 主程序初始化流程图22 4.4 滤波子程序22 4.5 单片机处理子程序22 4.6 按键处理子程序23 4.7 本章小结23 结束语25 参考文献.26 致谢28 附录 A.29 附录 B.30 黑龙江工程学院本科生毕业设计 1 第 1 章 引 言 1.1 智能火灾报警器设计的目的和意义 火灾,是指在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。在各种灾害中, 火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。人类能够 对火进行利用和控制,是文明进步的一个重要标志。火,给人类带来文明进步、 光明和温暖。但是,失去控制的火,就会给人类造成巨大的灾难。对于火灾, 在我国古代,人们
12、就总结出“防为上,救次之,戒为下”的经验。随着社会的不 断发展,在社会财富日益增多的同时,导致发生火灾的危险性也在增多,火灾 的危害性也越来越大。据统计,我国 70 年代火灾年平均损失不到 2.5 亿元,80 年代火灾年平均损失不到 3.2 亿元。进入 90 年代,特别是 1993 年以来,火灾 造成的直接财产损失上升到年均十几亿元,年均死亡 2000 多人。 实践证明,随着社会和经济的发展,消防工作的重要性就越来越突出。由 此,火灾报警器在消防工作就的作用也尤为突出了。我国的火灾自动报警控制 系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程,其智能化程度也越来越高。 但目前国内厂家多偏重用于大型仓
13、库、商场、高级写字楼、宾馆等场所大型火 灾报警系统的研发,他们采用集中区域报警控制方式,其系统复杂、成本较高。 而在居民住宅区、机房、办公室等小型防火单位,需要设置一种单一或区域联 网、廉价实用的火灾自动探测报警装置,因此,研制一种结构简单、价格低廉 的语音数字联网火灾报警器是非常必要的。 火灾自动报警系统,一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成; 也可以根据工程的要求同各种灭火设施和通讯装置联动,以形成中心控制系统。 即由自动报警、自动灭火、安全疏散诱导、系统过程显示、消防档案管理等组 成一个完整的消防控制系统。由于在火灾发生的阶段,将伴随产生烟雾、高温 格火光。这些烟、热和光可以通过
14、探测器转变为电信号报警或使自动灭火系统 启动,及时扑灭火灾。区域报警器能将所在楼层之探测器发出的信号转换为声 光报警,并在屏幕上显示出火灾的房间号;同时还能监视若干楼层的集中报警 器(如果监视整个大楼的则设于消防控制中心)输出信号或控制自动灭火系统。 集中报警是将接收到的信号以声光方式显示出来,其屏幕上也具体显示出着火 的楼层和房间号,机上停走的时钟记录下首次报警时间性,利用本机专用电话, 黑龙江工程学院本科生毕业设计 2 还可迅速发出指示和向消防队报警。此外,也可以控制有关的灭火系统或将火 灾信号传输给消防控制室。 本设计是基于多传感器的智能火灾报警系统,能够在火灾初期,将燃烧的 烟雾、热量
15、和光辐射等物理量,通过感温、感烟和感光等火灾探测器变成电信 号,传输到火灾报警控制器,出现异常情况能够进行报警,起到早期发现火灾 和通报火灾的作用。 1.2 智能火灾报警器的国内外发展情况 许多年前,中国的消防报警产品刚刚起步,无论产品技术含量、产品系列 完整性、使用性,还是社会影响程度都是相当低的。国外的产品和品牌一统天 下,占领中国的大部分市场。由于中国的建设正在飞速发展,市场大的惊人, 可幸的是中国企业抓住了机遇,顶住了挑战,先是一批国家的科研院所,后是 一批国营企业、民营企业,业内也吸引和凝聚一大批国内的技术和管理精英, 花了好多年时间,通过几次产品更新换代,就使自己的产品紧紧跟上了国
16、际水 平,并且夺回了大部分国内市场,使得现在大多国外产品只有招架之功,这是 典型的自力更生,走自己的路。当然目前而言,我们基本占据的是国内市场, 对外还刚启动。中国企业正虎视眈眈,准备进军海外市场。消防报警产品是一 个系列产品,包括火灾探测设备、信息传输设备、报警分析控制器、消防控制 联动。是物理传感技术、自动控制、计算机技术、数据传输和管理、智能楼宇 等技术的综合集成,属于高新技术。依托中国多年的基本建设的发展,这个行 业也得到发展,具备了和国外知名企业抗衡的能力。在目前中国许多冠名以高 新技术的行业中,中国企业大多做的是下游的制造和服务,分取极少一部分的 利润,象消防报警产品那样又拥有自我
17、知识产权,又拥有大量市场的行业其实 是很少的。 在消防报警产品的技术含量上,国内产品和国外产品差距不是很大,许多 指标已经超越,存在的问题是:类似于国外消防报警产品的大批量规模化的生 产才刚起步,有待于积累经验和技术;也因此在产品一致性和长期稳定性上有 一些差距;国内正在形成权重的大型企业和集团,这样可以带领国内的各家企 业去冲击海外市场,并最终占领海外的消防报警市场。 1.3 本设计研究的主要内容 目的是研究一个由单片机控制的火灾自动报警系统,采用多种传感器,如 温度传感器和烟雾传感器,对环境中的温度和烟雾浓度状况进行实时监测,能 对周围环境的温度突然升高和烟雾浓度突然的提高进行报警,同时通
18、过这个设 计提高自己对单片机和传感器的使用能力,了解和掌握单片机、温度传感器和 黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 烟雾传感器的使用,巩固自己在大学学习的所有知识,增强自己的实际操作的 能力。要求所设计的火灾自动报警系统能够对温度和烟雾进行实时监测,出现 异常状况能够进行及时的报警,起到早期出现火灾并及时通报相关人员和及时 扑灭火灾,来减少人员及财产的损失。 本火灾智能报警系统包括很多部分:触发电路、报警电路、显示电路、转 换电路、数据处理和控制电路等。触发电路由温度传感器和烟雾传感器等组成。 报警电路由报警装置蜂鸣器和光报装置LED灯。显示电路由数码管显示模块实 现由温度传感器和烟雾传感器所传
19、送过来的数据。采用单片机作为主控芯片来 进行数据的处理和控制。 设计包括软件和硬件两部分,软件部分包括主程序、温度和气体的浓度的 采集、单片机处理和控制程序及数码管显示子程序;硬件包括单片机最小系统、 触发电路、显示电路和报警电路。 第一章引言部分主要介绍了智能火灾报警器的设计目的与意义以及国内外 的发展情况。 第二章主要进行了对主控芯片的对比和选择以及传感器芯片的对比和选择, 并且给出了整体的设计方案。 第三章根据设计的要求,对外围电路进行了设计,主要有温度采集电路和 气体浓度采集电路及其显示电路等等。 第四章主要介绍了系统软件设计。主要介绍了系统的主程序流程,及其各 模块的流程图等。 黑龙
20、江工程学院本科生毕业设计 4 第 2 章 多传感器的智能火灾报警系统总体方案设计 2.1 系统的基本方案 根据设计的要求系统硬件部分可分为单片机控制和处理部分、传感器部分、 显示电路和报警电路。为实现各模块的功能,分别做了几种不同的方案设计并 进行论证。 2.2 主控芯片的选择 方案一:AT89S51 是一个低功耗芯片,高性能 CMOS 8 位单片机,片内含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存 储器,该器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51
21、 引脚结构,芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元,主要特点如下: 1、4k Bytes Flash 片内程序存储器; 2、128 bytes 的随机存取数据存储器(RAM) ; 3、32 个外部双向输入/输出(I/O)口; 4、5 个中断优先级、2 层中断嵌套中断; 5、6 个中断源; 6、2 个 16 位可编程定时器/计数器; 7、2 个全双工串行通信口; 8、看门狗(WDT)电路; 9、片内振荡器和时钟电路; 10、与 MCS-51 兼容; 11、全静态工作:0Hz-33MHz; 12、三级程序存储器保密锁定; 13、可编程串行通道; 14、低功耗的闲置和掉电
22、模式。 方案二:AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器,具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用 ATMEL 公司高密非易失性存储器技术制造, 与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。芯片上 Flash 允许程序存储器在系统 可编程亦适于常规编程器。在单芯片上拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 黑龙江工程学院本科生毕业设计 5 Flash,使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效地解决方案。 AT89S52 具有以下标准功能:8K 字节 Flash,256 字节 RAM,32 位 I/O 口线, 看门狗定时器,2 个数据指针,
23、3 个 16 位定时器/计数器,8 个中断向量源,全 双工串行口,片内晶振及时钟电路。另外,AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作, 可选择节电模式。空闲模式下,CPU 停止工作,允许 RAM 内容被保存,振荡 器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止,主要特点 如下: 1、8 位字长 CPU; 2、振荡器和时钟电路,全静态操作:0-33MHz; 3、8KB 系统内可编程 Flash 存储器; 4、4 个 I/O 端口共 32 线; 5、3 个 16 位定时/计数器; 6、全双工串行口通道; 7、ISP 端口; 8、定时监视器; 9、双数据指针; 10、20 多个特殊功
24、能寄存器; 11、电源下降标志。 通过比较 AT89S51 和 AT89S52 本质上没有太大的区别,只不过 AT89S52 是 AT89S51 增强型,成本差不多,电源下降有明显的标志,所以选择 AT89S52 作为本设计的主控芯片。 2.3 传感器的选择 2.3.1 温度传感器的选择 方案一:温度传感器 DS18B20,它直接能把收集到的温度信号直接转化成 单片机识别的数字信号,不需要增加外围电路,直接可以和单片机进行相连接。 结构简单,使用起来方便。 方案二:温度传感器 Pt100 是铂热电阻,它的阻值跟温度的变化成正比。 它的输入响应时间为 1 秒同步测量,是一个模拟信号量。 综上所述
25、,DS18B20 温度传感器的结构简单,能把采集到的信号直接传送 给单片机做处理,然而铂热电阻,需要添加响应的转换电路。相比来说比较麻 烦。 2.3.2 烟雾传感器的选择 方案一:烟雾传感器 MQ-2,它具有信号输出指示,双路信号的输出,对 黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 液化气,天然气,城市煤气有较好的灵敏度。具有长期的使用寿命和可靠的稳 定度,快速的响应恢复特性,试用与家庭或工厂的气体泄漏监测装置。 方案二:GQQ0.1 烟雾传感器主要用于煤矿井下橡胶、煤尘等因摩擦起热 或其它原因产生产生的烟雾进行监测。本传感器只能在无显著摇动和冲击振动 的地方,在无足够以腐蚀金属和破坏绝缘的气体和蒸汽
26、的环境中,在无滴水及 液体浸入的地方。 综上所述,MQ-2 烟雾传感器的寿命长,可靠的稳定度,快速的响应恢复 特性,具有信号输出指示,双路信号的输出。所以本设计采用 MQ-2 作为烟雾 传感器。 2.4 ADC 芯片选择的论证 A/D 转换器的作用是把模拟量转换成数字量,以便于计算机进行处理。随 着超大规模集成电路技术的飞速发展,A/D 转换的新设计思想和制造技术层出 不穷。并为满足各种不同的检测及控制任务的需要,大量结构的不同、性能各 异的 A/D 转换芯片应运而生。尽管 A/D 转换器的种类繁多,但目前广泛应用在 单片机应用系统中的有以下几种类型:逐次比较型转换器、双积分型转换器、 -式转
27、换器。 方案一:ADC0809 转换器 ADC0809 采用逐次比较的方法完成 A/D 转换,由单一的+5V 电源供电。 片内带有锁存功能的 8 路选 1 的模拟开关,由 C、B、A 的编码来决定所选的通 道。ADC0809 完成一次转换需 100 微秒左右,它可对 0-5V 的模拟信号进行转 换,但是它在精度、速度和价格上都适中。 方案二:ADC0832 转换器 ADC0832 为 8 位分辨率 A/D 转换芯片,其最高分辨率可达 256 级,可以适 应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用,使得芯片的模 拟电压输入在 0-5V 之间。芯片的转换时间仅为 32 微秒,具有双数据
28、输出可作 为数据校验,以减少数据误差,转换速度快且稳定性强。 通过比较 ADC0832 具有较快的转换时间且稳定性能强,选择 ADC0832 作 转换芯片选择。 2.5 显示电路的选择论证 方案一:LED 灯显示 LED 按显示方式可分为静态显示和动态显示。静态显示就是显示驱动电路 具有输出锁存功能,单片机将要显示的数据送出后就不再控制 LED,直到下一 次显示时再传送一次新的数据。只要当前显示的数据没有变化,就无需理睬数 黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 码管显示。静态显示的数据稳定,占用 CPU 时间少。静态显示中,每一个显示 器都要占用单独具有锁存功能的 I/O 口,该接口用于笔画段字形
29、代码。这样单 片机只要把显示的字型数据代码发送到接口电路,该字段就可以显示要发送的 字型。要显示新的数据时,单片机再发送新的字型码。 另一种方法是动态扫描显示,是用接口电路把所有显示器的 8 个笔画字段 (a-g 和 dp)同名端连接在一起,而每一个显示器的公共极各自独立接受 I/O 线控制。CPU 向字段输出端口输出字型码时,所有显示器接收相同的字型码, 但究竟使哪一位则由 I/O 线决定。动态扫描用分时的方法轮流控制每个显示器 的公共极,使每个显示器轮流点亮。在轮流点亮的过程中,每位显示器的点亮 时间极为短暂,但由于人的视觉暂留现象及发光二级管的余辉效应,给人的印 象就是一组稳定的显示数据
30、。 方案二:LCD 显示器 LCD 是液晶显示器的缩写,它是一种被动式的显示器,即液晶本身并不发 光,而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性,从而达到白底黑字 或者黑底白字显示的目的。液晶显示器具有功耗低、抗干扰能力强等优点,因 此被广泛应用在仪器仪表和控制系统中。 通过比较 LCD 是具有很多优点,但是本设计中用 LED 灯就能实现其很好 的功能,且节约成本。所以选择 LED。 2.6 整体方案 根据基于多传感器的智能火灾报警系统的基本工作原理:当有火灾发生时, 环境中的温度和气体的浓度会升高,温度传感器把模拟信号直接转化成数字信 号,再传送给单片机来处理,烟雾传感器把感受的烟雾信号
31、经过放大,再经过 A/D 转换电路,把模拟信号转换成数字信号,发送给单片机来处理和控制。通 过单片机处理过的信号,再与预订的门限值进行对比,达到门限值单片机通知 报警电路报警。系统总体方案如图 2.1 所示。 烟 雾 传 感 器 放 大 电 路 温度传感器 按键报警 电源模块 蜂鸣器报警 单 片 机 系 统 按键复位 LED灯 CPS3641BR 转换电路 图 2.1 系统总体方案框图 黑龙江工程学院本科生毕业设计 8 2.7 本章小结 通过控制芯片、传感器、显示部分的对比和分析,对本设计的主要器件进 行论述,最终确定了各部分所用的元器件。主控芯片选择 AT89S52 作为控制核 心,DS18
32、B20 温度传感器和 MQ-2 烟雾传感器作为数据搜集电路,并用 LED 作 为显示电路。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 第 3 章 多传感器的智能火灾报警系统的硬件设计 3.1 AT89S52 单片机简介 AT89S52 是一个低功耗,高性能 CMOS 8 位单片机,片内含 8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器,器 件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准 MCS-51 指 令系统及 80C51 引脚结构,芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储 单元
33、,功能强大的微型计算机的 AT89S52 可为许多嵌入式控制应用系统提供高 性价比的解决方案。 3.2 AT89S52 单片机的最小系统电路及其引脚功能说明 AT89S52 单片机各个功能部件的运行都以时钟控制信号为基准,有条不紊 地一拍一拍地工作。所以在单片机系统设计中,振荡电路的设计是十分重要的 一个环节,时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定。 如图 3.1 中的时钟电路的电容 C1 和 C2 的典型值通常采用选择为 30pF 左 右。该电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。 晶体振荡频率的范围通常是在 1.2-12MHz。一般的情况下,单片机的晶体振荡 为并
34、联谐振状态,两个电容的取值应该是相同的,或者相差不大,如果相差太 大,容易造成谐振的不平衡,容易造成停振或者干脆不起振。输出的信号与单 片机的 18、19 脚相连。 复位是单片机初始化的操作,单片机重新启动时都需要进行复位,使得 CPU 处于准备开始的状态,并且从这个状态开始工作。AT89S52 单片机的复位 是由外部的复位电路实现的。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种 方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。按键手动复位 有电平和脉冲两种方式。如图 3.1 中所示,本设计采用按键手动复位的电平复 位电路。 当 AT89S52 单片机的复位引脚 RST 出现两个机器周期
35、以上的高电平时, 单片机执行复位操作。 VCC:电源供电电压。 GND:电源地电平。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 XTAL1:当外接晶振时,接外部晶振的一个引脚。片内振荡器由一个单级 反相器组成,XTAL1 为反相器的输入。当外部振荡器提供时钟信号时,则由 XTAL1 端输入。 XTAL2:接外部晶振的另一个引脚,片内为单级反相器的输出。当由外部 时钟源提供时钟信号时,则本引脚悬空。 P0 口:8 位并行 I/O 口,作为输出口时,每个管脚可带 8 个 TTL 负载。在 外扩存储器时,它定义为低 8 位地址/数据总线。当定义为 I/O 口时,为准双向 I/O 口,需外接上拉电阻,在写入
36、“1”后就成为高阻抗输入口。在对片内 Flash 编程时 P0 口接收字节代码,在程序校验时输出字节代码。程序校验期间应外接 上拉电阻。 P1 口:内接上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口,能负担 4 个 TTL 负载。在 Flash 编程和校验时定义为 8 位地址线。 P2 口:内接上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口。能接 4 个 TTL 负载。当访问外 部存储器时定义为高八位地址总线,只需八位地址线时,它将输出特殊功能寄 存器中内容。 P3:内接上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口,能负担 4 个 TTL 负载。 它的第二变异功能如下。 P3.0 RXD(串行输入口) 。 P3.1 TX
37、D(串行输出口) 。 P3.2 /INT0(外部中断 0) 。 P3.3 /INT1(外部中断 1) 。 P3.4 T0(记时器 0 外部输入) 。 P3.5 T1(记时器 1 外部输入) 。 P3.6 /WR(外部数据存储器写选通) 。 P3.7 /RD(外部数据存储器读选通) 。 RST:复位信号输入端。当单片机运行时,此引脚加上持续时间大于 2 个 机器周期(24 个时钟振荡周期)的高电平时,就可以对单片机完成复位操作。 RST 引脚上的高电平有效。 ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地 址的地位字节。在 FLASH 编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在
38、平时, ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的 1/6。因此 它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部 数据存储器时,将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地 黑龙江工程学院本科生毕业设计 11 址上置 0。此时,ALE 只有在执行 MOVX,MOVC 指令是 ALE 才起作用。另 外,该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止,置位无效。 /PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每 个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的 /PSEN 信
39、号不会出现。 /EA/VPP:当/EA 保持低电平时,此时外部程序存储器地址为 0000H- FFFFH,不管是否有内部程序存储器。加密方式 1 时,/EA 将内部锁定为 RESET;当/EA 端保持高电平时,此时为内部程序存储器。在 FLASH 编程时, 此引脚用来通 12V 编程电源,即 VPP。 EA/VPP 31 XTAL1 19 XTAL2 18 RST/VPD 9 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.5/T1 15 P1.0/T 1 P1.1/T 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P
40、1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P0.0 39 P0.1 38 P0.2 37 P0.3 36 P0.4 35 P0.5 34 P0.6 33 P0.7 32 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 PSEN 29 ALE 30 P3.1/TXD 11P3.0/RXD 10 Vcc 40 Gnd 20 AT89S5X AT89S52 12 晶振 30pF C1 30pF C2 GND 10uF C3 1K R3S GND 5.1K R4 VCC 图 3.1 单片机的最小系统电路 3.3 温度采集电路
41、 3.3.1 DS18B20 的介绍 本设计采用的温度传感器是美国 DALLAS 公司生产的 DS18B20传感器, 它与其他传统的温度传感器不同,DS18B20 可以把采集到的温度直接转化成串 行数字信号,直接提供给单片机进行处理,它具有耐磨耐碰,体积小,低功耗, 高性能,抗干扰能力强,使用方便,适用于各种狭小空间设备数字的测温和控 制领域。 通过编程,温度传感器 DS18B20 可以实现 912 位的温度读数。信息经过 单个引脚送入温度传感器 DS18B20 或从温度传感器 DS18B20 的一个引脚送出, 因此从单片机到 DS18B20 仅仅需要连接一个引脚。本身有电源可以支持读、写 和
42、执行温度变化所需要的电源,而不需要外接的电源。 每片 DS18B20 在出厂时都设有唯一的产品序列号,此序列号存放在它的内 部 ROM 中,微处理器通过简单的协议就能识别这些序列号,因此多个 DS18B20 可以挂接于同一条单线总线上,这允许在许多不同的地方放置温度传 黑龙江工程学院本科生毕业设计 12 感器,特别适合于构成多点温度测控系统。 3.3.2 温度传感器 DS18B20 的主要特点 1:采用单线技术,与单片机通信只需要一个引脚; 2:通过识别芯片各自唯一的产品序列号从而实现单线多挂接,简化了分布 式温度检测的应用; 3:实际应用中不需要外部任何器件即可实现测温; 4:可通过数据线供
43、电,电压范围为 35.5V; 5:不需要备份电源; 6:测量范围为-55+125,在-1085范围内误差为0.5; 7:数字温度计的分辨率用户可以从 9 位到 12 位选择,可配置实现 912 位的温度读数; 8:将 12 位的温度值转换为数字量所需要的时间不超过 750MS; 9:用户定义的,非易失性的温度告警设置,用户可自行设定告警的上下限 温度; 10:告警寻找命令可以识别和寻址那些温度超出预设告警界限的器件。 3.3.3 温度传感器 DS18B20 的引脚图和封装及引脚功能说明 DS18B20 温度传感器封装如图 3.2(a)所示、引脚图如图 3.2(b)所示。 DALLAS18B20
44、 12 3 1 23 GND DQ VDD NCNC NC NC NC VDD DQ GND 1 2 3 4 5 6 7 8 图 3.2(a) DS18B20 封装 图 3.2(b) DS18B20 引脚图 NC:空引脚,悬空,不使用。 VDD:可选电源脚,电压范围为 3 到 5.5V。当工作于寄生电源时,此引脚 必须接地。 DQ:数据输入/输出脚。漏极开路,常态下高电平。 GND:接地。 3.3.4 DS18B20 供电方式 DS18B20 有两种供电方式:寄生电源和外部电源。 寄生电源简单说起来是器件从单线数据线中“窃取”电源,在信号线为高 电平的时间周期内,把能量存储在内部的电容器中,在
45、单信号线为低电平的时 间内断开此电源,直到信号线变为高电平重新接上寄生(电容)电源为止。寄 黑龙江工程学院本科生毕业设计 13 生电源有两个优点: 1、可实现远程温度检测而无需本地电源; 2、有正常电源的条件下也可以读 ROM。 为了使 DS18B20 能完成准确的温度变换,当温度变换发生时,DQ 线上必 须提供足够的功率。因为 DS18B20 的工作电流高达 1.5mA,4.7K 的上拉电阻 将使得 DQ 线没有足够的驱动能力。解决的方法是在发生温度变换时在 DQ 线 上提供强的上拉,比如用 MOSFET 管把 DQ 线直接拉到电源电压。当使用寄生 电源方式时 VDD 引脚必须连接到地。 D
46、S18B20 的另一种供电方式是将 VDD 引脚接外部电源(3-5.5V) 。这种方 法的优点是在 DQ 线上不要求强的上拉。总线上的主机在温度变换期间不需要 一直使 DQ 线保持高电平。这就允许在变换时间内其它数据在单线上传送。而 且,在单线上可以放置多个 DS18B20,如果它们都使用外部电源,那么通过发 起“跳过 ROM”命令,接着执行“温度变换”命令就可以同时完成各自的温度变换。 注意,采用外部电源这种方式时,GND 引脚不可悬空。 本设计虽然只使用了一片 DS18B20,但由于不存在远程温度测量的考虑, 所以为了简单起见,仍然采用外部供电的方式。 3.3.5 温度采集模块 DS18B
47、20 是数字式温度传感器,它把采集到的温度信号直接转化成单片机 能识别的数字信号,而且本设计中采用的外部供电的方式,所以设计出的温度 采集电路如图 3.3 所示。 NC 1 NC 2 VDD 3 DQ 4 GND 5 NC 6 NC 7 NC 8 DS18B20 4K7 R1 VCC VCC GND 图 3.3 温度采集电路 3.4 气体浓度采集电路 气体浓度采集模块是能够检测环境中的烟雾等气体的浓度,并将其转换为 数字信号传送至主控芯片,其最基本组成部分应包括:气体信号采集电路、模 拟放大电路、模数转换电路、单片机控制电路。气体信号采集电路一般由气体 传感器和模拟放大电路组成,将烟雾等气体信
48、号转化为模拟的电信号。模数转 换电路把从烟雾检测电路送出的模拟信号转换成单片机可以识别的数字信号之 后送入单片机中进行处理。 3.4.1 MQ-2 传感器介绍 本设计中采用的 MQ-2 型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器属于气敏传 黑龙江工程学院本科生毕业设计 14 感器,是气-电变换器,它将可燃性气体在空气中的含量(即浓度)转化成电压或 者电流信号,通过 A/D 转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机,进而由 单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。 MQ-2 型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器具有灵敏度高、响应快、抗 干扰性好、使用方便、价格便宜,且不会发生探头阻缓及中毒现象,维护
49、成本 较低等优点。因此,本设计采用 MQ-2 气体传感器作为报警器烟雾信息采集部 分的核心。 MQ-2 型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料,属于表面离子式 N 型 半导体。当他处于 200300温度时,二氧化锡吸附了空气中的氧,从而形成 氧的负离子吸附,使得半导体中的电子密度减小,从而使其电阻值增加。当与 烟雾接触时,如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化,此时就会引起 表面电导率的变化。利用这一点,MQ-2 型烟雾传感器就可以获得这种烟雾存 在的信息。 遇到可燃烟雾(如 CH4等)时,原来吸附的氧脱附,而由可燃烟雾以正离 子状态吸附在二氧化锡半导体表面;氧脱附放出电子,烟雾以正离子状态吸附 也要放出电子,从而使二氧化锡半导体带电子密度增加,电阻值下降。而当空 气中没有烟雾时,二氧化锡半导体又会自动恢复氧的负离子吸附,使电阻值升 高到初始状态。这就是 MQ-2 半导体型可燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的基本 原理。 3.4.2 MQ-2 传感器的特性及主要技术指标 MQ-2 型传感器的一般特点:对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏 度,尤其对烷类烟雾更为敏感;具有良好的重复性和长期的稳定性,初始稳定, 响应时间短,长时间工作性能好;电路设计电压范围宽,24V 以下均可;加热 电压 5
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