火灾报警系统的设计毕业设计.doc

hebei normal university of science & technology专业：电气工程及其自动化学号：93110070121 本科毕业设计（自然科学）题 目：火灾报警系统的设计（偏硬） 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 独 创 声 明本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 二一年九月二十日毕业设计（论文）使用授权声明本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。（保密论文在解密后遵守此规定）作者签名: 二一年九月二十日资料目录1.学术声明 页2.河北科技师范学院本科毕业论文（设计） 页3.河北科技师范学院本科毕业论文（设计）任务书 页4.河北科技师范学院本科毕业论文（设计）开题报告 页5.河北科技师范学院本科毕业论文（设计）中期检查表 页6.河北科技师范学院本科毕业论文（设计）答辩记录表 页7.河北科技师范学院本科毕业论文（设计）成绩评定汇总表 页8河北科技师范学院本科毕业论文（设计）工作总结 页9其他反映研究成果的资料（如公开发表的论文复印件、效益证明等） 页 河北科技师范学院 本科毕业设计火灾报警系统的设计（偏硬） 院（系、部）名 称 ： 机电科学与工程系 专 业 名 称：电气工程及其自动化 学 生 姓 名：葛雯 学 生 学 号：9311070121 指 导 教 师：刘士光 2011年5月24日河北科技师范学院教务处制学 术 声 明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于河北科技师范学院。本人签名： （需手写） 日期： （需手写） 指导教师签名： （需手写） 日期： （需手写） 摘 要摘要火灾自动报警系统是由触发装置、火灾报警装置、火灾警报装置以及具有其它辅助功能装置组成的，它能将燃烧产生的烟雾、热量、火焰等物理量，通过火灾探测器变成电信号，传输到火灾报警控制器，并同时显示出火灾发生的部位、时间等，使人们能够及时发现火灾，并及时采取有效措施，扑灭初期火灾，最大限度的减少因火灾造成的生命和财产的损失，是人们同火灾做斗争的有力工具。本系统采用at89c51作为控制器，选用温度传感器ds18b20、可燃气体传感器mq-2作为火灾探测的敏感元件。采用声光报警的方式，设计出可以应用于家庭房屋、工厂等场所的简单实用的火灾探测报警器。单片机巡回检测温度、浓度并显示数据。当以上任一项发生异常时系统判断具体是哪项异常，再发出相应的声光报警信号，直到异常被排除，系统自动停止报警。关键词：单片机；温度传感器；气体传感器；声光报警abstractautomatic fire alarm system is composed of triggered devices, fire alarms, fire alarm devices and other auxiliary function device .it can transform the physical quantity of the burning of smoke, heat, fire and other physical quantities into signal by the fire detector, then transmitted to the fire alarm controller, and it can also shows the site and time of the fire, allow people to discover the fire and to take timely and effective measures to fight with the fire initially, reduce the lives and property caused by fire loss.the fire alarm system is a powerful tool to fight with the fire.this system uses at89c51 as controller,select ds18b20 temperature sensor and mq-2 combustible gas sensor, as fire detector, and it has a sound and light alarm.this design can be used in housing,factories, etc. it is a simple and practical fire detection alarm. scm tour of temperature, smoke and show that the temperature, when more than two in any system anomalies that have taken place ，scm will send sound and light alarm signal, only to be excluded from abnormal, the system automatically stops alarm.keywords:scm ； temperature sensor； gas sensor；disaster warning 目 录目 录摘 要abstract1 绪论11.1 论文研究背景与意义11.2 火灾报警系统国内发展情况11.3 本文所做的工作12 火灾自动报警系统的工作原理22.1 系统总体功能概述22.2 火灾报警系统的类型33 系统硬件设计53.1 核心芯片选择53.1.1 单片机53.1.2 温度传感器63.1.3 气体传感器83.1.4 a/d转换器113.1.5 数码管驱动芯片icm7218a133.2 信号放大电路153.3 a/d转换模块173.4声光报警电路183.5数码管显示电路183.674ls74双d型触发器分频电路194 系统软件设计204.1 系统主流程图204.2 温度采集流程图204.3 可燃气体浓度采集流程图20结论24参考文献25致谢25附录一：总设计原理图26附录二：部分子程序26河北科技师范学院2011届本科毕业设计35 1 绪论1.1 论文研究背景与意义火灾是可燃物在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害，是威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。火，在给人类带来文明进步、光明和温暖的同时也在其失去控制之时给人类造成了巨大的灾难。据统计，我国70年代火灾平均损失不到2.5亿元，80年代火灾平均损失接近3.2亿元。进入90年代，特别是1993年以来，火灾造成的直接损失上升到年均十几亿元，年均死亡2000多人。严峻的事实证明，随着社会和经济的发展，社会财富日益增加，火灾给人类、社会和自然造成的危害范围不断扩大，它不仅毁坏物质财产，造成社会秩序的混乱，还直接威胁生命安全，给人们的心灵造成极大的伤害。残酷的现实让人们逐渐认识到监控预警和消防工作的重要性，良好的监控系统和及时的报警机制可以大大降低人员的上网，为社会减少不必要的损失。随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，由此引起的火灾也越来越多，在我们生活的四周到处潜伏着火灾隐患。智能化火灾报警系统已并非传统意义上的简单的报警设备，而是融入了计算机技术、电子技术、自动控制技术、传感器的应用等各领域知识。伴随着科学技术的不断进步，火灾报警系统必将得到更快的发展。1.2 火灾报警系统国内发展情况火灾报警系统在国内的发展情况我国火灾报警系统起步较发达国家晚几十年，从上世纪70年代我国才开始研制生产火灾报警系统产品。进入80年代后，国内主要厂家也多是模仿国外产品，或是引进国外技术进行生产，没有真正意义上核心技术，并且市场也刚刚开始发育。火灾报警产品真正发展是在90年代以后，随着政府逐渐开放国门，国外企业开始大量进入中国消防市场，带来先进技术的同时也促进了市场的成熟。这时期，我国生产火灾报警产品的企业也得到了快速发展，部分企业进行了合资生产、技术合作，取得了不菲的成绩，也造就了现今市场上许多有实力的商家，部分技术已接近或赶上了国际水平。 1.3 本文所做的工作本文采用气体传感器、温度传感器、at89c51单片机以及led显示灯模块设计了一种智能火灾报警器，可以实现声光报警、浓度显示、温度显示，报警限值设置。是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的火灾报警器，具有一定的实用价值。本系统采用atmel公司的at89c51单片机作为处理器，主要完成以下工作：(1) 基于at89c51的火灾报警检测设计方案。(2) 温度传感器ds18b20、气体传感器mq-2、a/d转换芯片adc0809与单片机的接口电路设计。(3) led数码管驱动芯片icm7218a与单片机的接口电路及其与数码管的硬件连接。(4) 设计主要软件程序模块，完成软件设计。2 火灾自动报警系统的工作原理2.1 系统总体功能概述本文采用以at89c51单片机为核心，温度传感器、气体传感器、声光报警模块以及数码管显示模块设计了一种可检测温度、可燃气体浓度的火灾报警器，可以实现声光报警、浓度显示、温度显示。是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉的火灾报警器，具有一定的实用价值。整体电路的框图如下图1所示：单片机放大电路气体传感器ad转换声光报警温度传感器温度、浓度显示图1整体电路框图2.2 火灾报警系统的类型 根据火灾报警系统中所使用的探测器种类的不同，火灾报警系统可以分为以下四种：（1） 感温型火灾报警系统 由于火灾发生时燃烧物会产生大量的热量，使得周围温度迅速变化。感温型火灾报警系统就是通过判断周围温度变化而产生响应的火灾报警系统，再把温度的变化转换为电信号以达到判断报警的目的。根据探测温度参数的不同，一般可以将感温型火灾报警系统分为定温式、温差式等几种。 (2) 感烟型火灾报警系统烟雾是早期火灾的重要特征之一。在火灾发生的初期，由于温度比较低，许多物质都处于阴燃阶段，产生大量的烟雾。感烟型火灾报警系统就是对空气中可见或不可见的烟雾粒子进行探测，然后将烟雾浓度的变化转换为电信号来触发报警。感烟型火灾报警系统主要有激光感烟式、光电感烟式和离子感烟式等。（3） 感光型火灾报警系统 物质燃烧不但会产生烟雾和热量，同时也会产生可见或不可见的光辐射。感光型火灾报警系统就是通过响应火灾中产生的光特性，即扩散火焰的光强度和闪烁频率，来触发报警系统的。根据感应的敏感波长，可以将感光型火灾报警系统分为对波长较短的光辐射敏感的紫外报警系统和对波长较长的光辐射敏感的红外报警系统。（4） 复合型火灾报警系统 如果报警系统同时对温度、烟雾和光辐射中的两种或两种以上参数做出响应，那么它就是复合型火灾报警系统。目前复合型火灾报警系统有感温感烟型、感烟感光型、感温感光型等多种形式。2.3 火灾探测器的分类及工作原理（1） 感烟探测器一般分为分离子型，光电型，红外对射型，激光型等 。 离子感烟式探测器是点型探测器，它是在电离室内含有少量放射性物质，可使电离室内空气成为导体，允许一定电流在两个电极之间的空气中通过，射线使局部空气成电离状态，经电压作用形成离子流，这就给电离室一个有效的导电性。当烟粒子进入电离化区域时，它们由于与离子相接合而降低了空气的导电性，形成离子移动的减弱。当导电性低于预定值时，探测器发出警报。光电感烟探测器也是点型探测器，它是利用起火时产生的烟雾能够改变光的传播特性这一基本性质而研制的。根据烟粒子对光线的吸收和散射作用。 光电感烟探测器又分为遮光型和散光型两种。根据接入方式和电池供电方式等的不同，又可分为联网型烟感，独立型烟感，无线型烟感。 红外光束感烟探测器是线型探测器，它是对警戒范围内某一线状窄条周围烟气参数响应的火灾探测器。它同前面两种点型感烟探测器的主要区别在于线型感烟探测器将光束发射器和光电接受器分为两个独立的部分，使用时分装相对的两处，中间用光束连接起来。红外光束感烟探测器又分为对射型和反射型两种。（2） 感温探测器火灾时物质的燃烧产生大量的热量，使周围温度发生变化。感温探测器是对警戒范围中某一点或某一线路周围温度变化时响应的火灾探测器。它是将温度的变化转换为电信号以达到报警目的。根据监测温度参数的不同，一般用于工业和民用建筑中的感温式火灾探测器有定温式、差温式、差定温式等几种。 定温式探测器。定温式探测器是在规定时间内，火灾引起的温度上升超过某个定值时启动报警的火灾探测器。它有线型和点型两种结构。其中线型是当局部环境温度上升达到 规定值时，可熔绝缘物熔化使两导线短路，从而产生火灾报警信号。点型定温式探测器利用双金属片、易熔金属、热电偶热敏半导体电阻等元件，在规定的温度值上产生火灾报警信号。 差温式探测器。差温式探测器是在规定时间内，火灾引起的温度上升速率超过某个规定值时启动报警的火灾探测器。它也有线型和点型两种结构。线型差温式探测器是根据广 泛的热效应而动作的，点型差温式探测器是根据局部的热效应而动作的，主要感温器件是空气膜盒、热敏半导体电阻元件等。 差定温式探测器。差定温式探测器结合了定温和差温两种作用原理并将两种探测器结构组合在一起。差定温式探测器一般多是膜盒式或热敏半导体电阻式等点型组合式探测器。 （3） 感光式火灾探测器物质燃烧时，在产生烟雾和放出热量的同时，也产生可见或不可见的光辐射。感光式火灾探测器又称火焰探测器，它是用于响应火灾的光特性。即扩散火焰燃烧的光照强度和火焰的闪烁频率的一种火灾探测器。根据火焰的光特性，目前使用的火焰探测器有两种：一种是对波长较短的光辐射敏感的紫外探测器，另一种是对波长较长的光辐射敏感的红外探测器。紫外火焰探测器是敏感高强度火焰发射紫外光谱的一种探测器，它使用一种固态物质作为敏感元件，如碳化硅或硝酸铝，也可使用一种充气管作为敏感元件。红外光探测器基本上包括一个过滤装置和透镜系统，用来筛除不需要的波长，而将收进来的光能聚集在对红外光敏感的光电管或光敏电阻上。感光式火灾探测器宜安装在有瞬间产生爆炸的场所。如石油、炸药等化工制造的生产存放场所等。(4)可燃气体探测器是对单一或多种可燃气体浓度响应的探测器。可燃气体探测器有催化型、红外光学型两种类型。 催化型可燃气体探测器是利用难熔金属铂丝加热后的电阻变化来测定可燃气体浓度 。当可燃气体进入探测器时，在铂丝表面引起氧化反应（无焰燃烧），其产生的热量使铂丝的温度升高，而铂丝的电阻率便发生变化。 红外光学型是利用红外传感器通过红外线光源的吸收原理来检测现场环境的碳氢类可燃气体 3 系统硬件设计3.1 核心芯片选择3.1.1 单片机 在火灾报警器的设计中，单片机是其核心部件。它一方面要接收来自经adc0809转换后的气体数字信号和ds18b20的温度数字信号，另一方面要对这两种信号分别进行处理，以控制后续电路进行相应动作。在单片机完成这些工作的过程中，尤其是信号处理中，比较浓度和温度值后送入显示的软件实现比较复杂，要求单片机具备较快的运算速度，使检测人员能够较准确地观测到可燃气体浓度和温度值，并根据情况进行相应的处理。并且也要考虑选择低价实用的机型，并为研制同一系列的低功耗产品做准备。根据多方面的比较，本设计选用atmel公司的at89c51单片机作为控制器。at89c51是一种带4k字节flash存储器（fperomflash programmable and erasable read only memory）的低电压、高性能cmos 8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。其中有三级程序存储器锁定、1288位内部ram、32可编程i/o线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路。该器件采用atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控制器。其引脚图如下图2所示。图2 at89c51引脚图3.1.2 温度传感器（1） ds18b20 单线数字温度传感器，即“一线器件”，其具有独特的优点： 用单总线的接口方式与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 ds18b20 的双向通讯。单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。 测量温度范围宽，测量精度高 ds18b20 的测量范围为 -55 + 125 ； 在 -10+ 85c 范围内，精度为 0.5c 。 在使用中不需要任何外围元件。 持多点组网功能多个ds18b20 可以并联在惟一的单线上，实现多点测温。 供电方式灵活 ds18b20可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外部电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高。 测量参数可配置 ds18b20 的测量分辨率可通过程序设定 912 位。 负压特性 电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 掉电保护功能 ds18b20 内部含有 eeprom ，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值。ds18b20 具有体积更小、适用电压更宽、更经济、可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围，适合于构建自己的经济的测温系统，（2） ds18b20内部结构如图3所示，主要由4部分组成：64 位rom、温度传感器、非挥发的温度报警触发器th和tl、配置寄存器。rom中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该ds18b20的地址序列码，每个ds18b20的64位序列号均不相同。64位rom的排的循环冗余校验码（crc=x8x5x41）。 rom的作用是使每一个ds18b20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个ds18b20的目的。图3 ds18b20内部结构图（3） ds18b20引脚封装如下图4所示。其中gnd为电源地。 dq为数字信号输入输出端。 vdd为外接供电电源输入端。图4 ds18b20引脚封装（4） ds18b20有两种供电方式：寄生电源强上拉供电方式和外部电源供电方式 。本设计采用外部电源供电方式。电路图如下图5所示。图5 ds18b20外部电源供电(5) 16位数据，存储在ds18b20的两个8比特的ram中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际 温度。 例如+125的数字输出为07d0h，+25.0625的数字输出为0191h，-25.0625的数字输出为fe6fh，-55的数字输出为fc90h 。数据温度表见表1。表1 ds18b20温度数据表温度数字输出（二进制）数字输出（十六进制）+1250000 0111 1101 000007d0h+850000 0101 0101 00000550h+25.06250000 0001 1001 00010191h+10.1250000 0000 1010 001000a2h+0.50000 0000 0000 10000008h00000 0000 0000 00000000h-0.51111 1111 1111 1000fff8h-10.1251111 1111 0101 1110ff5eh-25.06251111 1110 0110 1111fe6fh-551111 1100 1001 0000fc90h 3.1.3 气体传感器本设计采用mq-2型半导体电阻式气体传感器。当处于200300c温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，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，就会引起表而电导率的变化。利用这一点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导带电子密度增加，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型燃性气体传感器检测可燃烟雾的原理。（1）mq-2型传感器的一般特点如下： mq-2型传感器对天然气、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。 mq-2型传感器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。 mq-2型传感器具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例如酒精和烟雾等。 电路设计电压范围宽，24v以下均可；加热电压50.2v。mq-2 电路图如图6所示。图6 mq-2电路图（2）自感应器件mq2参数，见下表2、表3、表4。 表2 标准工作条件符号参数名称技术条件备注 vc回路电压15vac or dc vh加热电压5.0v0.2 vac or dc rl负载电阻可调1 rh加热电阻313室温 ph加热功耗900mw 表3 环境条件符号 参数名称 技术条件备注 tao 使用温度-10-50 tas 储存温度-20-70 rh 相对湿度小于95%rh o2 氧气浓度21%(标准条件)氧气浓度会影响灵敏度特性最小值大于表4 灵敏度特性符号参数名称 技术参数备注rs敏感体表面电阻 3k-30k (1000ppm 异丁烷 )探测浓度范围100ppm-10000ppm液化气和丙烷300ppm-5000ppm 丁烷5000ppm-20000ppm 甲烷300ppm-5000ppm 氢气100ppm-2000ppm 酒精 (3000/1000) 异丁烷浓度斜率 0.6标准工作条件温度： 202 vc:5.0v0.1v 相对湿度： 65%5% vh: 5.0v0.1v预热时间 不超过1小时3.1.4 a/d转换器adc0809是美国国家半导体公司生产的cmos工艺8通道，8位逐次逼近式a/d转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行a/d转换。是目前国内应用最广泛的8位通用a/d芯片。 （1）主要特性 8路输入通道，8位a/d转换器，即分辨率为8位。 具有转换起停控制端。 转换时间为100s(时钟为640khz时)，130s（时钟为500khz时）。 单个+5v电源供电。 模拟输入电压范围0+5v，不需零点和满刻度校准。 工作温度范围为-40+85摄氏度。 低功耗，约15mw。 （2）内部结构adc0809是cmos单片型逐次逼近式a/d转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型a/d转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。内部结构如图7所示。图7 adc0809内部框图 （3）外部特性（引脚功能） adc0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装。adc0809引脚图如下图8所示。下面说明各引脚功能。 in0in7：8路模拟量输入端。 2-12-8：8位数字量输出端。adda、addb、addc：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路 ale：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 start： a/d转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动a/d转换）。 eoc： a/d转换结束信号，输出，当a/d转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 oe：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当a/d转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。clk：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640khz。ref（+）、ref（-）：基准电压。vcc：电源，单一+5v。gnd：地。 图8 adc0809引脚图3.1.5 数码管驱动芯片icm7218aicm7218a 是intersil公司生产的一种性能价格比较高的通用8 位led 数码管驱动电路, 28 脚双列封装,是一种多功能led 数码管驱动芯片,可与多种单片机接口使用。icm7218a 的输出可直接驱动led显示器,不需外接驱动电路,工作电压为+5v,其构成的显示电路结构简单,使用方便。同样由单片机向icm7218a写控制字及数据，编程部分像给外部ram写数据一样简单。icm7218a芯片具有典型的8位并行数据接口，显示数据和控制字都是通过这8位数据接口输入的。当mode=“1”，送入的是控制寄字；当mode=“0”，八位显示数据通过 id0id7写入。此时 ,该器件采用数据串操作方式 ,这里的串操作是指八个数据连续依次写入icm7218a的ram , 第八个以后的任何数据均无效 , 当 8位数据全写完毕时 , led 才被驱动显示 ,否则led 全灭。icm7218a以动态扫描显示方式向段显示驱动器和位控驱动器发出控制信号，直到下一个控制字写入前，不停地进行动态显示工作。当要更改显示数据时，首先要写入控制字节，接着按顺序写入8个要显示的数据即可。icm7218a芯片有两种译码方式：十六进制译码和十进制译码，由控制字决定。icm7218a有如下特点：(1) 可同时驱动 8位l ed 数码管;(2) 单+ 5v 供电 ,电压降到 2v 时数据不丢失;(3) 无需外加限流电阻和时钟;(4) 编程容易,占用微处理器时间少;(5) 有低功耗工作状态,功耗仅10a 左右;(6) 体积小,不发热。其引脚图内部框图如下图9、图10所示,引脚功能如下表5。 图9 icm7218a引脚图 图10 icm7218a内部框图表5 icm7218a引脚功能名称引脚号功能说明seg a-seg g16-18,20-23七段驱动输出digit1-digit81-4,24-27八位位选输出id0-id75-7,10-14八位数据接口输出wr8数据写入控制管脚mode9区分显示数据、控制字管脚d.p15小数点显示管脚vcc195v电源gnd28地 3.2 信号放大电路传感器输出信号一般比较微弱，需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电平调整，满足单片机对输入信号的要求。本系统采用的半导体气体传感器属于电阻型，因此只需串联一个参考电阻，再经过一个放大电路即可发送给adc采集。由于系统采用的是单极性供电，所以采用同相比例放大电路，可以减少硬件开销；反之，如果采用反相放大，则一般需要利用双极性供电，这就需要系统额外的利用变压芯片产生一个负压，这显然 会造成浪费。常见的运算放大器中，lm324价格低廉、使用简单等优点比较突出，所以本设计中的前置放大电路采用lm324作为电路的运算放大器。 lm324是单片高增益四运算放大器，可在较宽电压范围内的单电源 或双电源下工作，其电源电流很小且与电源电压无关，四个运放一致性好；其输入偏流电阻是温度补偿的，也不需外接频率补偿，可做到输出电平与数字电路兼容。 下面详细介绍运算放大电路： 如图11所示，从传感器的上端出来的信号vi经过运算放大器的同相输入端，但是为保证引入的是负反馈，输出电压vo通过电阻r4接到反相输入端，同时，反相输入端通过电阻r3接到参考电压vref。 同相比例运算电路中反馈的组态为电压串联负反馈，同样可以利用理想运放工作在线性区时的两个特点来分析其电压放大倍数。在图11中，根据运放的“虚短”和“虚断”的特点可知，i- = i+ = 0，所以v- = vo*r3/r3 + r4 +vref*r4/r3 + r4 (3-1)而且v- = v+ = vi图11 mq-2的运算放大电路vo = vi*（r3 + r4）/r3 (3-2)由以上两式可求出vo=vref-r4/r3 (3-3)所以本放大电路的放大倍数a =1+ r4/ r3 ，此放大电路为同相比例放大电路，它的放大倍数总是大于或等于1。同相比例运算电路有以下几个特点： (1) 同相比例运算放大电路是一个深度的电压串联负反馈电路。因为不存在“虚地”现象，所以其输入端有较高的共模输入电压。(2) 电压放大倍数a =1+ r4 /r3 ，即输出电压与输入电压的幅值成正比，且相位相同，所以此电路实现了同相比例放大。如果不接r3和r4，则此电路就成了“电压跟随器”，它可以减少电路模块间由于阻抗引起的干扰。 (3) 由于引入了深度电压串联负反馈，因此电路的输入阻抗很高，输出阻抗很低。高输入阻抗就可以减少放大电路对前端电路的影响，同时低输出阻抗也可以提高自身的抗干扰性，这显然有利于电路中其他模块的设计。此放大电路还加了参考电压，引入了零点调节功能，这样可以更方便的调整由于不同传感器导致的零点变化问题。它利用滑动变阻器产生一个参考电压vref，再利用电压跟随器把电压输入到运算放大电路的电压参考端。所以调节滑动变阻器，就可以直接改变放大电路的参考电压。而电压跟随器的作用就如上面介绍的，它只是用来匹配阻抗用的，防止r3和r4对滑动变阻器输出电压的影响。3.3 a/d转换模块经气体传感器所检测的电压信号为模拟信号，无法直接被单片机所识别，所以在经过放大电路后对信号进行a/d装换，将模拟信号转化为数字信号输入单片机。a/d转换电路采用了常用的8位8通道数模转换常用芯片adc0809。气体传感器的输出端经放大后接到adc0809的in0。adc0809的通道选择地址由at89c51的p2口经地址锁存器74ls373输出提供。当p0.7=0时，与写信号wr共同选通adc0809。其中ale信号与st信号连在一起，在wr信号的前沿写入地址信号，在其后沿启动转换。adc0809转换结束状态信号eoc接到at89c51的int1引脚，当a/d转换完成后，eoc变为高电平，表示转换结束，产生中断。在中断服务程序中，将转换好的数据送到指定的存储单元。由于adc0809片内无时钟，故利用at89c51提供的地址锁存使能信号ale经d触发器分频后获得时钟。因为ale信号的频率是单片机时钟频率的1/6，如果时钟频率为12mhz，则ale信号的频率为2mhz，经四分频后为512khz，与adc0809的典型值吻合。电路图如图12所示。图12 a/d转换模块电路图3.4声光报警电路由74ls373的8q实现声音报警控制。当可燃性气体浓度或温度超过限定值时，将8q置为低电平，三极管导通，扬声器发出鸣叫报警。由74ls373的4q、5q、7q控制输出指示灯，绿灯亮表示正常状态，环境中没有火灾危险。黄灯亮表示环境中温度超过警限值，红灯亮表示环境中有可燃气体超过lel爆炸下限，提醒用户尽快采取相应措施。声光报警电路如下图13所示。图13 声光报警电路3.5 数码管显示电路 可燃气体浓度数据采集进来并被成功地由模拟量转化为数字量后，经过计算公式后转换为lel%形式，而从ds18b20出来的温度数据直接为十进制温度，两组数据被传送到系统的显示模块。让人们更直接地观察到相关数据。在本系统中，对led进行的是动态扫描，除了给显示器提供段的输入之外，还要对显示器进行位控制。显示器的前四位显示的是温度，而后四位则显示可燃气体lel%浓度值。 本系统显示用的8位8段数码管由数码管专用驱动芯片icm7218a驱动，27、3、1、25、2、24、26、4脚分别接数码管的a、b、c、d、e、f、g、dp，15、16、23、20、17、22、21、18脚为位选，分别控制8位数码管的亮灭，id07为数据线，接单片机p1口，write、mode是写控制位和模式控制位，分别接单片机p3.6、p0.0。其电路图如图14所示。图14 数码管显示电路 （1）上面四个数码管及时显示温度，由于，ds18b20温度检测范围为55+125。温度小于0时，ds1显示“”（负）。（2）下面四个数码管显示体积百分比烟雾浓度。本论文设计的烟雾检测报警器选用“%lel”作为烟雾的测量单位及衡量标准，下面介绍关于lel的相关概念。 “lel”是指爆炸下限。可燃烟雾在空气中遇明火种爆炸的最低浓度，称为爆炸下限(lower explosion limited)，简称lel。可燃烟雾在空气中遇明火种爆炸的最高浓度，称为爆炸上限(upper explosion limited), 简称uel。 烟雾的浓度过低或过高时是没有危险的，只有与空气混合形成混合气或更确切地说遇到氧气形成一定比例的混合气才会发生燃烧或爆炸。燃烧是伴有发光发热的激烈氧化反应，它必须具备三个要素：可燃物（燃气）；助燃物（氧气）；点火源（温度）。可燃气的燃烧可以分为两类，一类是扩散燃烧，即挥发的或从设备中喷出、泄漏的可燃气，遇到点火源 混合燃烧。另一类燃烧，是可燃气与空气混合着火燃烧，这种燃烧反应激烈而速度快，一般会产生巨大的压力和声响，又称之为爆炸。燃烧与爆炸没有严格的区分。 有关权威部门和专家已经对目前发现的可燃气作了燃烧爆炸分析，制定出了烟雾的爆炸极限，它分为爆炸上限和爆炸下限。低于爆炸下限，混合气中的可燃气的含量不足，不能引起燃烧或爆炸，高于上限混合气中的氧气的含量不足，也不能引起燃烧或爆炸。另外，可燃气的燃烧与爆炸还与烟雾的压力、温度、点火能量等因素有关。爆炸极限一般用体积百分比浓度表示。 爆炸极限是爆炸下限、爆炸上限的总称，可燃烟雾在空气中的浓度只有在爆炸下限、爆炸上限之间才会发生爆炸。低于爆炸下限或高于爆炸上限都不会发生爆炸。因此，在进行爆炸测量时，报警浓度一般设定在爆炸下限的25%lel以下。一般可燃烟雾检测仪的测量范围为0100%lel。甲烷在空气浓度为9%-11%时遇明火爆炸,高于11%或低于9%都不爆炸。假定甲烷的爆炸下限为5%体积比，那也就是说，把这个5%体积比，一百等分，让5%体积比对应100%lel，也就是说，当检测仪数值到达10%lel报警点时，相当于此时甲烷的含量为0.5%体积比。当检测仪数值到达20%lel报警点时，相当于此时甲烷的含量为1%体积比。 本设计中各类可燃气体爆炸下限中，丁烷最低，为1.9%体积比，对应的报警限设在20%lel，也就是丁烷含量为0.4%体积比时报警器报警。3.6 74ls74双d型触发器分频电路由于adc0809片内无时钟，故利用at89c51提供的地址锁存使能信号ale经双d型触发器二分频后获得时钟。因为ale信号的频率是单片机时钟频率的1/6，如果时钟频率为12mhz，则ale信号的频率为2mhz，经四分频后为512khz，与adc0809的典型值吻合。双d型触发器连接如图15所示。图15 双d型触发器引脚说明：（1）11端与3端为原时钟输入端。（2）5端与9端为变换后的时钟输出端。（3）2端与6端联接，8端与12端联接。 （4）7端接电源负极、14端接电源正极。分频说明：1，2，3，4，5，6为一组，8，9，10，11，12，13为一组。如果要得到四分频，原时钟需接3端并且5端接11端，9端为四分频输出端；或者是原时钟接11端。4 系统软件设计4.1 系统主流程图系统主流程图如下图16所示。4.2 温度采集流程图温度采集流程图如下图17所示。4.3 可燃气体浓度获取子流程图可燃气体浓度获取子流程图如下图18所示。 开 始系统初始化ds18b20初始化调用温度检测子程序判断温度是否过高y报 警 n