基于單片機的煙霧報警器的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 外部時鐘源驅動器件， XTAL2 應不接。因為一個機器周期含有 6 個狀態周期，而每個狀態周期為 2 個振蕩周期，所以一個機器周期共有 12 個振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為 12MHZ，一個振蕩周期為 1/12us。 要使單片機能夠工作起來最基本的電路構成為單片機最小系統。如圖 所示： 安徽新 華學院 2020 屆本科畢業論文（設計） 9 12345678RST9(RXD)10(TXD)11(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)15(WR)16(RD)17XTAL218XTAL119GND202122232425262728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP313233343536373839VCC40U1U1Y112MC2 C3 VCCGNDR1510KC1 10uFVCC1234J1VCCS1P10P11P12P13P14P15P16P17P20P21P22P34P35P36P23P24P25P26P27P32P33 圖 單片機最小系統圖 單片機的時鐘電路與復位電路設計 本系統采用 STC 系統列單片機，相比其他系列單片機具有很多優點。一般STC 單片機資源比其他單片機要多，而且執行速度快； STC 系列單片機使用串口對單片機進行燒寫 ,下載程序較為方便； STC89C52 單片機內部集成了看門狗電路；且具有很強抗干擾能力。 本系統采用內部方式的時鐘電路和加電自復位的復位電路，如圖 時鐘電路及復位電路圖 所示： 12XTAL30pFC130pFC2GND10uFCRST10KR1VCC GNDResX1X2 (a) 時鐘電路 (b) 復位電路 圖 時鐘電路及復位電路 由于單片機 P0 口內部不含上拉電阻，為高阻態，不能正常地輸出高 /低電平，安徽新 華學院 2020 屆本科畢業論文（設計） 10 因而該組 I/O 口在使用時必須外接上拉電阻 [5]。 煙霧檢測 AD采集電路 煙霧檢測采用 MQ2 傳感器。經過 ADC0832 采集后就可以得到各種煙霧濃度下的電壓值。從而設定出理想的煙霧強度報警值。電路如圖 所示： 圖 煙霧濃度采集電路 顯示模塊 顯示采用數碼管顯示，顯示電路如圖 所示： 安徽新 華學院 2020 屆本科畢業論文（設計） 11 E1D2DP3C4G54H62H9F10A111H12B73H8DS1ABCDE FGDP 1H2H3H4HR1 100R6 100R7 100R8 100R9 100R10 100R11 100R12 100ABCDEFGDPP10P11P12P13P14P15P16P17 Q18550Q38550Q48550Q28550VCC1H3H2H4HR2 1KR3 1KR5 1KR4 1KP24P25 P26P27 圖 數碼管顯示 聲音報警電路 電路通過三極管基極串連一個電阻與單片機 端口連接從而達到控制蜂鳴器是否報警。聲音報警電路如圖 所示： B1蜂鳴器Q58550VCCGND+R132KP36 圖 聲音報警電路圖 安徽新 華學院 2020 屆本科畢業論文（設計） 12 按鍵控制電路 本電路設計了四個按鍵，一個設置鍵、一個加鍵、一個減鍵、一個緊急報警鍵，當遇到緊急情況時，可按下緊急報警鍵，蜂鳴器進行報警。如圖 所示： 圖 消音按鍵連接電路圖 電源模塊 采用 3 節 V 干電池共 做電源，經過實驗驗證系統工作時，單片機 、傳感器的工作電壓穩定能夠滿足系統的要求 電源接口電路如圖 所示，其中 P1 為電池接口， SW1 為電源開關， D1為電源指示燈。 圖 電源接口電路 圖 電源接口電路圖 546231SW1sw 灰色12P1GNDR18 1K12D1DVCC 安徽新 華學院 2020 屆本科畢業論文（設計） 13 溫度傳感器 (DS18B20)電路 DSl8B20 溫度傳感器是美國 DALLAS 半導體公司繼 DSl820 之后最新推出的智能改進型智能溫度傳感器。與傳統的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測溫度并且可根據要求通過簡單的編程實現 9～ l2 位的數字直讀方式。溫度傳感器內部結構框圖如 所示： 圖 DSl8B20 的內部結構圖 [9] DS18B20 的內部結構主要有四部分組成： 64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發器 TH 和 TL、配置寄存器 [9]。 DS18B20 的管腳排列如圖 所示： 安徽新 華學院 2020 屆本科畢業論文（設計） 14 圖 DS18B20 的管腳 DS18B20 的引腳說明如下： GND：地 DQ：數據 I/O VDD：電源 NC：空腳 DSl8B20具體參數 參數特性 [12]： (1) 多點綜合測 溫能力使分布式溫度檢測應用得以簡化 。 (2) 獨特的單線接口只需 l 個接口引腳即可通信 。 (3) 需備份電源 。 (4) 不需要外部元件 。 (5) 以 9 位數字值方式讀出溫度 。 (6) 應用范圍包括恒溫控制工業系統消費類產品溫度計或任何熱敏系統 。 (7) 可用數據線供電 。 (8) 告警搜索命令識別和尋址溫度在編定的極限之外的器件溫度告警情況 。 (9) 在 1 秒 (典型值 )內把溫度變換為數字 。 (10) 測量范圍從 55℃ 至 +125℃ 增量值為 ℃。 安徽新 華學院 2020 屆本科畢業論文（設計） 15 (11) 用戶可定義的非易失性的溫度告警設置 。 極限參數： (1) 運用溫度 55℃ 至 +125℃。 (2) 任何引腳相對于地的電壓 至 +。 (3) 焊接溫度 260℃ /l0 秒 。 (4) 貯存溫度 55℃ 至 +125℃。 DSl8B20接口電路 1. DS18B20 控制方法 。 DS18B20 有六條控制命令 ： (1) 讀暫存器 BEH 讀暫存器 9 個字節內容 。 (2) 溫度轉換 44H 啟動 DS18B20 進行溫度轉換 。 (3) 復制暫存器 48H 把暫存器的 TH、 TL 字節寫到 E2RAM 中 。 (4) 讀電源供電方式 B4H 啟動 DS18B20 發送電源 供電方式的信號給主CPU。 (5) 寫暫存器 4EH 將數據寫入暫存器的 TH、 TL 字節 。 (6) 重新調 E2RAM B8H 把 E2RAM 中的 TH、 TL字節寫到暫存器 TH、 TL字節 。 2. DS18B20 供電方式 。 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，如圖 所示單片機端口接單線總線，為保證在有效的 DS18B20 時鐘周期內提供足夠的電流，可用一個三極管來完成對總線的上拉。本設計采用電源供電方式， 口接單線總線為保證在有效的 DS18B20 時鐘周期內提供足夠的電流，可用一個上拉電阻和 STC89C52 的 來完成對總線的上拉。當 DS18B20 處于寫存儲器操作和溫度 A/D 變換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為 10 μs。采用寄生電源供電方式是 VDD 和 GND 端均接地。由于單線制只有一根線，因此發送接收口必須是三狀態的。主機控制 DS18B20 完成溫度轉換必須經過 3個步驟： (1) 初始化。 安徽新 華學院 2020 屆本科畢業論文（設計） 16 (2) ROM 操作指令。 (3) 存儲器操作指令。 DSl8B20 接口電路如圖 所示： 圖 溫度傳感器接口電路圖 安徽新 華學院 2020 屆本科畢業論文（設計） 17 4 系統軟件的設計 STC89C52系列單片機開發工具 本系統的軟件編程使用的是美國 Keil Software 公司出品的 Keil C51，是 51系列兼容單片機 C 語言軟件開發系統，與匯編相比， C 語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢。 Keil C51 軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具，全Windows 界面。另外重要的一點， Keil C51 生成的目標代碼效率非常之高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發大型軟件時更能體現 高級語言的優勢。 系統主程序設計及流程圖 本論文中，軟件解決的主要問題是檢測煙霧傳感器的煙霧濃度信號，然后對信號進行 AD 轉換，數字濾波，線性化處理，數碼管濃度顯示，按鍵功能設置，以及報警器蜂鳴警報 [13]。 主程序流程圖如圖 所示： 圖 主程序流程 首先要給傳感器預熱，因為 MQ2 型半導體電阻式煙霧傳感器在不通電存放程序初始化 傳感器預熱處理 開始 報警子程序 安徽新 華學院 2020 屆本科畢業論文（設計） 18 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，系統進入監控狀態。 在整個報警系統工作中，將煙霧信號變成電信號，然后送出模擬信號，再給AD 采集電路采集由單片機進行分析處理，判斷是否超過預設報警值，系統是否啟動報警。主程序還包括 LED 八段式數碼管濃度字符顯示功能、手動報警功能、報警濃度設定功能，中斷子程序等，使報警器功能更加完善，給用戶帶來便利。 安徽新 華學院 2020 屆本科畢業論文（設計） 19 主程序初始化流程圖 主程序初始化流程圖如圖 4. 2 所示。給傳感器預熱后，程序開始執行初始化子程序，這部分實現的功能包括各種 I/O 口輸入輸出狀態的設定、 寄存器初始化、中斷使能等。 圖 主程 序初始化流程圖 報警子程序設計及流程圖 當煙霧濃度或溫度超過報警設定值時，報警器會發出蜂鳴聲，以提示操作人員采取安全對策，從而保障生產安全，避免火災和爆炸事故的發生。報警子程序流程圖如 所示： 設置定時器 0，選擇方式 1 允許外部中斷 0 關閉蜂鳴器 結束 開始 熄滅數碼管 安徽新 華學院 2020 屆本科畢業論文（設計） 20 圖 報警子程序流程圖 按鍵輸入設計子程序流程圖 按鍵由于彈性作用的影響，在閉合及斷開均有抖動過程，從而使電壓也出現抖動，所以在識別按鍵時要消除抖動的影響。按鍵的識別方法采用掃描法，按鍵處理程序流程圖如圖 所示： N Y 開始 信號采集 讀取氣體濃度值 A/D 轉換 是否大于預設值 啟動報警蜂鳴器 煙霧濃度及溫度顯示 讀取溫度值 安徽新 華學院 2020 屆本科畢業論文（設計） 21