烟雾实时检测及报警系统设计54页

1、1 烟雾实时检测及报警系统设计 设计总说明 随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段传感器技术得到了显 著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传 感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解 并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。 为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对烟雾传感器的深入研究以及其 用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机 结合传感器技术而开发设计了这一烟雾监控系统。 。 本论文以电阻式烟雾传感器和单片机技术为核心并与其他电子技术相结合， 设计出一种技术水平较好的烟雾报警器。其中选

2、用 MQ-2 型半导体可燃气体敏 感元件烟雾传感器实现烟雾的检测，DS18B20 实现温度显示，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。选用的 89c51 单 片机，其整合了 A/D 转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器等资源，具 有高速、 低功耗、超强抗干扰等优点，是目前同类技术中性价比较高的产 品。 以 89c51 单片机和 MQ-2 型半导体电阻式烟雾传感器 DS18B20 为核心设计 的烟雾报警器可实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、温度显示，报警限设 置、延时报警及与上位机串口通信等功能。是一种结构简单、性能 稳定、使 用方便、价格低廉、智能化的烟雾报警器。

3、具有一定的实用价值。 关键词关键词：烟雾，报警器，89c51，传感器 2 Smoke detection fire alarm system Design Description While “information age” the arrival, obtained the remarkable progress as the gain information method - - sensor technology, its application domain is more and more widespread, is more and more high to its reque

4、st, the demand is more and more urgent.The sensor technology has become weighs one of national science and technology level of development important symbols.Therefore, understood and grasps each kind of sensor the basic structure, the principle of work and the characteristic is extremely important.

5、In order to enhance to the sensor understanding and the understanding, in particular to the smog sensor thorough research as well as its usage and the use, based on practical, widespread and the model principle has designed this system.This article used the monolithic integrated circuit union sensor

6、 technology to develop has designed this smog supervisory system. The present paper take leaves the minor smog sensor and the monolithic integrated circuit technology unifies as the core and with other electronic technology, designs one kind of technical level good smog alarm apparatus.In which sele

7、cts the 2M007 semiconductor resistance type smog sensor realization smog the examination, has the sensitivity high, responds, the antijamming ability quickly strong and so on the merits, moreover the price is inexpensive, the service life is long.Selects the at89c52AD monolithic integrated circuit,

8、its conformity A/D transformed, the hardware multiplier, resources and so on hardware PDM keyer, has high speed, low merits and so on power loss, ultra strong antijamming, is the present similar technology neutral price quite high product. May realize the acousto-optics take the at89c51AD monolithic

9、 integrated circuit and the 2M007 semiconductor resistance type gas sensor as the core design smog alarm apparatus to report to the police, the breakdown from the diagnosis, the density demonstrated, reports to the police limits the establishment, the time delay reports to 3 the police and with func

10、tions and so in position machine serial port correspondence.Is one kind of structure simple, the performance stable, the easy to operate, the price inexpensive, the intellectualized smog alarm apparatus.Has certain practical value. KeyKey wordword: Smog, alarm apparatus, at89c51, sensor 1 目 录 1 绪论.1

11、 1.1 概述.1 1.2 设计内容.1 1.3 工作内容和要求.1 1.4 发展趋势.2 1.5 现状及特点.3 2 烟雾检测报警器的方案设计.4 2.1 烟雾检测报警器设计思路.4 2.2 烟雾传感器的选型.4 2.2.1 烟雾传感器介绍 .4 2.2.2 烟雾传感器的选定 .7 2.3 烟雾检测报警器整体设计方案.7 2.3.1 烟雾检测报警器工作原理.7 2.3.2 烟雾检测报警器的结构.8 2.3.3 烟雾检测报警器的功能.8 2.4 温度传感器介绍.9 3 烟雾温度检测报警器的硬件设计.11 3.1 单片机的选型.11 2 3.1.1 单片机的选择.11 3.12 80C51 单片

12、机.12 3.13 80C51 单片机主要功能.12 3.14 80C51 单片机的基本组成.13 3.16 80C51 单片机引脚及功能说明.13 3.17 80C51 单片机的时钟.15 3.18 80C51 单片机的复位.16 3.2 烟雾检测报警器硬件电路设计.18 3.2.1 信号采集及前置放大电路.18 3.2.2 声音报警电路.20 3.2.3 数码管显示电路.21 3.2.4 状态指示灯及控制键电路 .22 3.2.5 报警器故障自诊断电路.23 3.2.6 温度显示电路.24 4 烟雾检测报警器的软件设计.26 4.1 89C51 系列单片机调试及开发工具 .26 4.2 烟

13、雾检测报警器软件流程及设计.26 4.2.1 主程序设计及流程图.26 4.2.2 主程序初始化流程图.28 4.2.3 中位值平均滤波法数字滤波子程序设计及流程图.29 3 4.2.4 插值法线性化处理子程序设计及流程图.29 4.2.5 报警子程序设计及流程图.30 4.2.6 控制按键设计子程序及流程图.30 4. 2.7 温度显示程序流程图.33 5 设计成果.34 结 论.35 致 谢.37 参考文献.38 附图.40 程序：.41 1 1 绪论 1.1 概述 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

14、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。 火灾探测器是探测火灾的仪器，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

15、机专用电话，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。 1.2 设计内容 工业现场对模拟量信号的采集与控制要求较高，利用单片机技术实现对现 场温度烟雾的采集与显示。 (1)掌握计算机控制系统中模拟量输入通道的设计方法，以及程序设计方 法。 (2)掌握常用接口芯片的工作原理与接口设计 (3). 烟雾温度显示精度在 5%. (4). 报警温度值可随需求进行调整（按键电路） 。 (5)完成系统的硬件设计，绘制系统原理图。 (6). 完成系统的软件设计，要求采用模块化设计方法，绘制程序流程图， 并编制用户程序。 (7)用系统仿真工具（或实验装置）对系

16、统进行模拟和调试，以达到设计 要求。 1.3 工作内容和要求 2 首先，传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号和温度信号经过放大， 转化成较大的电压信号送入单片机；然后，在 at89c52 单片机内 A/D 转换、浓 度比较，对数据进行线性化处理， 将数字化电压信号转化成为对应的十进制 浓度值；最后，将实际可燃性气 体浓度送入液晶，并判断浓度值是否超出报 警限，当浓度处于正常状态绿 灯长亮，当烟雾浓度超出设定的限定值时，发 出声音报警并伴随红 灯闪亮。另外由于烟雾传感器需要在加热状态下工作， 温度越高，反应越 快，响应时间和恢复时间就越快。为提高响应时间，保证 传感器准确地、 稳定地工作，报

17、警器需要向烟雾传感器持续输出一个 5V 的电 压。为了保 证其可靠性，在输出 5V 的电压的同时，进行故障监测。当传感器 加热丝 或电缆线和传感器断线或接触不良时，进行故障报警，发出声光报警 信号。 当然几种状态的报警信号是各不相同的。 要求：(1)自诊断故障报警功能当传感器加热丝或者电缆线发生断线或者接 触不良的情况时，报警器发出警报，并且黄色指示灯闪烁，提醒用户检查传感 器或者电路线接触情况，及时排除故障，保证安全。 (2)烟雾浓度和温度显示通过液晶屏显示可燃烟雾的浓度值，并且可以切换 到设置状态，通过键盘设置或者更改报警限值，以便于用户或检测人员随时观 测烟雾浓度和温度及更改报警限。 (

18、3)烟雾报警功能当烟雾浓度连续 20 秒取值都在报警限值之上，蜂鸣器开 始报警，且声音越来越急促，并且伴随红灯闪烁。因为人对变化的信号更为敏 感，所以变化的声音及灯光更容易引起用户的注意。 (4)防止报警器误报功能 快速重复检测及延时报警可以区别出是管道中可 燃烟雾的泄漏，还是由于打开阀门时的微量烟雾的散失。 (5)看门狗自检单片机状态功能调用单片机中的看门狗程序，定时检查单片 机工作状态，一旦发现单片机出现死循环状态，立即复位，保证报警器工作正 常。 (6)与上位机通讯功能 可以实现与计算机串口通讯，对报警器采取统一控 制，以及便于采集 和处理数据，也可以在计算机上更改报警限值等。 (7)自

19、动控制相关安全装置的扩展功能留有继电器接口，可以带动排风扇或 大功率蜂鸣器，也可以控制管道电子阀门，可在报警的同时自动启动相关安全 装置。 1.4 发展趋势 二十多年前，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 3 中国的建设正在飞速发展，市场大的惊人，难道这由中国发展带来的成果只能 由外国企业来瓜分？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，花了十多年时间，通过几次产品更新换代，就

20、使自己的产 品紧紧跟上了国际水平，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。 1.5 现状及特点 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

21、少一部分的利润，象消防报警产品那样又拥有自我知识产权，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。 4 2 烟雾检测报警器的方案设计 2.1 烟雾检测报警器设计思路 烟雾检测报警器是能够检测环境中的烟雾浓度和温度，并具有报警功能的 仪器，仪器的最基本组成部分应包括：烟雾信号采集电路

22、、模数转换电路、单 片机控制电路。烟雾信号采集电路一般由烟雾传感器和模拟放大电路组成，将 烟雾信 号转化为模拟的电信号。模数转换电路将从烟雾检测电路送出的模拟 信号 转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。单片机对该数字信号进 行 滤波处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值(也 就是报警限)，如果大于则启动报警电路发出报警声音，反之则为正常状 态。 为方便检测与监控，使仪器测试人员及用户能够直观地观察到环境中 的可燃 烟雾浓度值，可将浓度值送到显示屏中。方便调节报警限，可以加 入按键。 为使报警装置更加完善，可以在声音报警基础上，加入光闪报警， 变化的光 信号可以引起用户注

23、意，弥补嘈杂环境中声音报警的局限。以上 是根据报警 器应具备的功能，提出的整体设计思路。 烟雾传感器及单片机是可燃烟雾检测报警器的两大核心，根据报警器 功能的 需要，选择合适、精确、经济的烟雾传感器及单片机芯片是 至关重要的。烟 雾传感器的选型在下一节详细介绍。单片机作为硬件电路 的核心，它的选型 将在第三章详述。 2.2 烟雾传感器的选型 烟雾传感器属于气敏传感器，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。传感器作为烟雾检测报警器的信号采

24、集部分，是仪表的核心组成部分 之一。由此可见，传感器的选型是非常重要的。 2.2.1 烟雾传感器介绍 (1)烟雾传感器的分类 烟雾传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类： 5 利用物理化学性质的烟雾传感器：如半导体烟雾传感器、接触燃 烧烟雾传感 器等。 利用物理性质的烟雾传感器：如热导烟雾传感器、光干涉烟雾传 感器、 红外传感器等。 利用电化学性质的烟雾传感器：如电流型烟雾传感器、电势 型气 体传感器等。 (2)烟雾传感器应满足的基本条件 一个烟雾传感器可以是单功能的，也可以是 多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。 但是，任何一个完整的烟雾传感器都必须具备以

25、下条件： 能选择性地检测某种单一烟雾，而对共存的其它烟雾不响应或低 响应；对被 测烟雾具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的烟雾 浓度；对检测信 号响应速度快，重复性好。 长期工作稳定性好；使用寿命长；制造成本低，使用与维护方便。 (3)常见烟雾传感器简介 下面对工业上常用的几种烟雾传感器作简单介绍。 半导体烟雾传感器 半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传 感器，以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器。自 1962 年半导体金属氧化 物烟雾传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、 结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。该传感器己成

26、为世界上 产量最大、使用最广的烟雾传感器之一。按照敏感机理分类，可分为电阻型和 非电阻型。 固体电解质烟雾传感器 固体电解质烟雾传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件，其原理是利用 气敏材料在通过烟雾时产生电阻，测量其形成电动势从而测量气体浓度。由于 这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，因而得到了广 泛的应用，几乎打 入了石化、环保、矿业等各个领域，其产量仅次于半导体烟雾传感器的一类传 感器。但这种传感器制造成本高，检测烟雾范围有限，在检测环境污染领域中 有优势。 接触燃烧式传感器 当易燃烟雾接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧，故 得名接触燃烧式传感器。接触燃烧式烟雾传

27、感器的检测元件一般为铂金属丝 (也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层)，使用时将铂丝通电，保持 300 C400C 的高温，此时若与烟雾接触，烟雾就会在稀有金属催化层上燃烧， 因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的 大小，就知道烟雾的浓度。 高分子烟雾传感器 6 利用高分子气敏材料制作的烟雾传感器近年来得到很大的发展。高分子气敏材 料在遇到特定烟雾时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速 度和频率、 材料重量等物理性能发生变化。高分子气敏材料由于具有易操 作性、工艺简 单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在 毒性烟雾和食品鲜度等方面的检测

28、中具有重要作用。高分子烟雾传感器具有对 特定烟雾分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补 其它烟雾传感器的不足。 电化学传感器 电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。烟雾浓度信号将电解液分解成阴阳 带电离子，通过电极将信号传出。它的优点是：反映速度快、准确、稳定性好、 能够定量检测，但寿命较短(大约两年)。它主要适用于毒性烟雾检测。目前国 际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。 热传导传感器 热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。 它的测量原理是：将加热后的铂电阻线圈置于目标烟雾中，由于向目标烟雾传 送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即

29、测量电阻 值的变化情况。 温度的变化情况是目标烟雾热传导率的函数，而对于一种给定的烟雾或汽化物， 热传导率是它固有的物理特性。 红外传感器 红外传感器通常用两束红外光进行烟雾测量，主光束通过测量元件内的目标烟 雾，参考光束通过比较元件内的参考烟雾。在测量和比较元件中，红外射线被 烟雾有选择地吸收了。未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目 标烟雾浓度的差分信号。非扩散式红外探测器 NDIR (non-dispersive IR )是其 中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。 不同的烟雾吸收不同波长的 IR，所以传感器根据目标烟雾而调整，典型应用包 括测量 CO 和

30、CO2、冷冻剂烟雾和一些易燃气。由于非碳氢化合物易燃烟雾 (如氢)不吸收电磁谱中 IR 部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化 合物，并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其它烟雾的腐蚀以及高浓度目标烟 雾的影响。 常见烟雾传感器可检测烟雾种类 由于烟雾的种类繁多，一种类型的烟雾传感器不可能检测所有的气体，通常只 能检测某一种或两种特定性质的烟雾。例如氧化物半导体烟雾传感器主要检测 各种还原性烟雾，如 CO、H2、C2H5OH、CH3OH 等。固体电解质烟雾传感 器主要用于检测无机烟雾，如 O2、CO2、H2、Cl2、SO2 等。 7 2.2.2 烟雾传感器的选定 烟雾检测报警器主要应用在石

31、油、化工、冶金、油库、液化气 站、喷漆作 业等易发生可燃烟雾泄漏的场所，根据报警器检测烟雾 种类的要求，一般选 用接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器。 使用接触燃烧式传感器，其探头的阻缓及中毒，是不可避免的问题。 阻缓是 当在烟雾与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰 燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起 响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中 有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度 会不断下降，导致传感器最终丧失检测烟雾的能力。中毒是如果环境空气中含 有硅烷之类的物质时，则传

32、感器将 使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵 敏度很快就丧失。当怀疑检测环 境中存在这些物质时，经常对探头进行标定， 是必须且有效的办法。 因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。一般连续使用 两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，无形中加大 了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。 半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器 以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器，它具有灵敏度高， 响应快、体积 小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。半导体烟雾 传感器的性能主要看其灵敏度、选择性(抗干扰性)和稳 定性(使

33、用寿命)。 经过对比上述两种烟雾传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点更加 突出：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，维护成本较低等。因此，本设计采用半导体烟雾传感器作 为报警器烟雾信息采集部分的核心。而在众多半导体气体传感器中，本设计选 用 MQ-2 型烟雾传感器，这种型号的传感器不但具备一般半导体烟雾传感器灵 敏度 高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。 2.3 烟雾检测报警器整体设计方案 2.3.1 烟雾检测报警器工作原理 本论文中的烟雾检测报警器以 AT89C52 单片机为控制核心，采用 MQ-2 型 电阻式半导体传感器采集烟雾信息

34、和 DS18B20 温度传感器采集温度信息。 首先，传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过放大，转化成较大的 电压信号送入 AT89C52 单片机；然后， 8 在 AT89C52 单片机内 A/D 转换、浓度比较，对数据进行线性化处理， 将数 字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值；最后，将实际可燃性气 体浓度 送入液晶，并判断浓度值是否超出报警限，当浓度处于正常状态绿 灯长亮， 当烟雾浓度超出设定的限定值时，发出声音报警并伴随红 灯闪亮。另外由于 烟雾传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反应越 快，响应时间和恢复 时间就越快。为提高响应时间，保证传感器准确地、 稳定地工作，报警器需

35、要向烟雾传感器持续输出一个 5V 的电压。为了保 证其可靠性，在输出 5V 的 电压的同时，进行故障监测。当传感器加热丝 或电缆线和传感器断线或接触 不良时，进行故障报警，发出声光报警信号。 当然几种状态的报警信号是各 不相同的。 2.3.2 烟雾检测报警器的结构 为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的可燃性烟 雾报警仪应不仅能在较宽的温度范围工作，而且应具有显示可燃烟雾浓度、故 障自检、延时报警功能及可接计算机进行现场远测和实时控制等功能。其目标 是在传统的烟雾报警仪的基础上，尽量提高准确性，降低成本，缩小体积。 报警器系统结构框图如图 2.3 所示，系统以单片机为核心，配

36、合外围电路 共同完成信号采集、浓度显示、时间显示、状态显示、声音及闪烁报警、按键 输入、故障自检等功能。报警器采用巡检的工作方式，进行两级 报警值设定， 并发出不同的光、声信号。系统应采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量 精度高、通用性强、功耗低，保证报警器的精确性及可 靠性，而且最好体积 小，成本低，有利于减少报警器的体积，降低报警器 的成本。 2.3.3 烟雾检测报警器的功能 (1)自诊断故障报警功能 当传感器加热丝或者电缆线发生断线或者接触不良的情况时，报警器发出 警报，并且黄色指示灯闪烁，提醒用户检查传感器或者电路线接触情况，及时 排除故障，保证安全。 (2)烟雾浓度显示 通过液晶屏

37、显示可燃烟雾的浓度值，并且可以切换到设置状态，通过键盘 设置或者更改报警限值，以便于用户或检测人员随时观测烟雾浓度及更改报警 限。 (3)烟雾报警功能 9 当烟雾浓度连续 20 秒取值都在报警限值之上，蜂鸣器开始报警，且声音 越来越急促，并且伴随红灯闪烁。因为人对变化的信号更为敏 感，所以变化 的声音及灯光更容易引起用户的注意。 (4)防止报警器误报功能 快速重复检测及延时报警可以区别出是管道中可燃烟雾的泄漏，还是由于 打开阀门时的微量烟雾的散失。 (5)看门狗自检单片机状态功能 调用单片机中的看门狗程序，定时检查单片机工作状态，一旦发现单片机 出现死循环状态，立即复位，保证报警器工作正常。

38、(6)与上位机通讯功能 可以实现与计算机串口通讯，对报警器采取统一控制，以及便于采集 和 处理数据，也可以在计算机上更改报警限值等。 (7)自动控制相关安全装置的扩展功能 留有继电器接口，可以带动排风扇或大功率蜂鸣器，也可以控制管道电子 阀门，可在报警的同时自动启动相关安全装置。 2.4 温度传感器介绍 单总线温度传感器 DS18B20 简介 DS18B20 是 DALLAS 公司生产的单总线式数字温度传感器，它具有微型 化、低功耗、高性能、搞干扰能力强、易配处理器等优点，特别适用于构成多 点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（提供 9 位二进制数字） 给单片机处理，且在同一总线上可

39、以挂接多个传感器芯片。它具有 3 引脚 TO92 小体积封装形式，温度测量范围为55125，可编程为 9 位12 位 A/D 转换精度，测温分辨率可达 0.0625，被测温度用符号扩展的 16 位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源 方式产生，多个 DS18B20 可以并联到 3 根或 2 根线上，CPU 只需一根端口 线就能与多个 DS18B20 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线 和逻辑电路。以上特点使 DS18B20 非常适用于远距离多点温度检测系统。 DS18B20 外形及引脚说明 外形及引脚如图 2 所示： 10 图 2-1 管脚排列图 在 TO

40、-92 和 SO-8 的封装中引脚有所不同，具体差别请查阅 PDF 手册， 在 TO-92 封装中引脚分配如下： 1（GND）：地 2（DQ）：单线运用的数据输入输出引脚 3（VDD）：可选的电源引脚 11 3 烟雾温度检测报警器的硬件设计 在报警仪的设计中，单片机是其核心部件。它一方面要接收来自传感 器 送来的烟雾浓度对应的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对 两种信号分 别进行处理，控制后续电路进行相应动作；与此同时查询是否 有键按下的请 求。在单片机完成这些的工作中，尤其是信号处理中，比较 浓度值后送入显 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

41、到烟雾浓度，并根据情况做进行 相应处理。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。 3.1 单片机的选型 3.1.1 单片机的选择 单片机是烟雾检测报警器的核心部件，一方面它要接收来自传 感器的烟 雾浓度的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对两种信 号分别进行处理， 控制后续电路的相应工作；同时，查询是否有键按下的 命令。在单片机实现 的功能中，将模数转换后的信号做数字滤波，再进行 线性化处理，然后送 LCD 显示，这一过程的软件实现，需要单片机有较 快的运算速度，使仪表监 测人员能够观测到实时的烟雾浓度，并进 行相应处理。同时，在能够满足报

42、警器设计的计算速度及接口数的要求的 同类型单片机中，要考虑选择价格低 廉且体积轻巧的机型，在保证了报警 器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础 上，能够不提高成本，缩小体积。 如今市面上比较普遍的单片机有 8051 系列与 STC 系列。 8051 单片机虽然应用普遍，工具多，易上手，片源广，价格低，但 是速 度慢，功耗大，适合民用，商用，不适合工业用途。 STC 单片机是 MICROCHIP 公司的产品，其突出的特点是功耗低， 精简 指令集 ，抗干扰性好，可靠性高，但是存在溢出隐患问题。8051 系 列采用 的是堆栈指针，STC 采用硬件堆栈 8 级。当堆栈指针设定合理，局部变量少 的情况下，8

43、051 系列用 10 层的程序嵌套不会出现问题。而 STC 单片机程序 嵌套包括中断最多不能超过 8 层。所以如果用 C 语言进行 STC 编程设计容易 堆栈溢出。 12 汇编语言对于不同的 CPU，其汇编语言可能有所差异，所以不易移 植。 而 C 语言是一种结构化的高级语言，虽然占用资源较汇编多，但是可读性好， 移植容易，是普遍使用的一种计算机语言。鉴于 C 语言的易读性和普遍性，本 论文的软件设计选择 C 语言编程，所以 8051 系列单片机在此处不是非常适合。 为适用于本论文设计的烟雾检测报警器，应选择 8051 系列，功耗低，抗 干扰性好，而又避免 C 语言编程溢出问题的单 片机。 8

44、9C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。89C51 是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦 除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。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 89C52 是一种高效微控制器，89C52 是它的一种精简版本。 8

45、9C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 3.12 80C51 单片机 单片机是烟雾检测报警器的核心部件，一方面它要接收来自传感器的烟雾 浓度的模拟信号，控制 A/D 转换器实现模拟信号到数字信号的转换，另一方面， 将采集到的数字电压值经计算机处理得到相应的二进制代码，与设定的值作比 较，控制后续电路的相应工作。80C51 系列单片机产品繁多，主流地位已经形 成。多年来的应用实践已经证明，80C51 的系统结构合理，技术成熟，许多单 片机芯片倾力于提高 80C51 系列产品的综合功能，从而形成了 80C51 的主流 产品的地位。 3.13 80C51 单片机主要功能 M

46、CS 是 Intel 公司单片机系列的符号。Intel 公司推出有 MCS-48、MCS- 51、MCS-96 系列单片机。其中 MCS-51 系列单片机典型机型包括 51 和 52 两个子系列。 在 51 子系列中，主要有 8031、8051、875l 三种机型，它们的指令系统 与芯片引脚完全兼容，只是片内程序存储器有所不同。 13 51 子系列的主要功能为：8 位 CPU；片内带振荡器及时钟电路；128B 片 内数据存储器；4KB 片内程序存储器（8031/80C31 无） ；程序存储器的寻址 范围为 64KB；片外数据存储器的寻址范围为 64KB； 21B 特殊功能寄存器； 48 根 I

47、/O 线；1 个全双工串行 I/O 接口，可多机通信；2 个 16 位定时器/计 数器；中断系统有 5 个中断源，可编程为两个优先级；111 条指令，含乘法指 令和除法指令；布尔处理器；使用单5V 电源。 3.14 80C51 单片机的基本组成 单片机是在一块芯片上集成了 CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和 I/O 口等一台计算机所需要的基本功能部件。80C51 单片机内部包含部件概括如图 2-5 所示： 由图可见，80C51 单片机主要由以下部分组成，各功能部件由内部总线联 接在一起。 1）一个 8 位 CPU：含布尔处理器；时钟电路；总线控制逻辑。 2）一个片内振荡器及时钟电路 3）

48、ROM 程序存储器。 4）RAM 数据存储器。 5）两个 16 位定时器/计数器。 6）可寻址 64K 外部数据存储空间和 64K 外部程序存储的控制电路。 7）32 条可编程的 I/O 口线（4 个 8 位并行 I/O 端口） 。 8）一个可编程全双工串行口。 9）具有 5 个中断源、2 个优先级的中断结构。 14 图3-1 80C51单片机组成框图 3.16 80C51 单片机引脚及功能说明 80C51 系列单片机都采用双列直插式（DIP）40 脚封装，引脚信号完全相 同。图 2-6 为引脚和封装图，这 40 根引脚大致可分为四类：电源 （VCC、VSS、VPP、VPD） 、时钟（XTAL

49、1、XTAL2） 、I/O 口（P0P3） 、 地址总线(P0 口、P2 口)和控制总线（ALE、RST、PROG、PSEN、EA） 。它 们的功能简述如下： 图3-2 80C51引脚和封装图 1) 电源 Vcc（引脚号 40） ，芯片电源，接+5V；Vss（引脚号 20） ，电源接地端 （负端） 。 2) 时钟 XTAL1（引脚号 18）内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶振的 一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。 XTAL2（引脚号 19）内部振荡器的反相放大器输出端，是外接晶振的另 一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。 15 3) 控制总线 ALE/PROG （引脚号

50、 30）: 正常操作时为 ALE 功能（允许地址锁存） ， 用来把地址的低字节锁存到外部锁存器。ALE 引脚以不变的频率（振荡器频率 的 1/6）周期性地发出正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟信号或用 于定时。但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。 ALE 端可以驱动（吸收或输出电流）8 个 LSTTL 电路。 PROG 功能：片内有 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，此引脚输 入编程脉冲。 PSEN（引脚号 29）：外部程序存储器读选通信号。在从外部程序存储器 取指令（或数据）期间， PSEN 在每个机器周期内两次有效。 PSEN 可以驱 动 8 个

51、 LSTTL 电路。 RST/VPD（引脚号 9）：复位/备用电源。振荡器工作时，该引脚上持续 2 个机器周期的高电平可实现复位操作。此引脚还可接上备用电源。在 Vcc 掉 电期间，由 Vpp 向内部 RAM 提供电源，以保持内部 RAM 中的数据。 EA/Vpp（引脚号 31）:内外 ROM 选择/片内 EPROM 编程电源。 EA 功能：内外 ROM 选择端。 Vpp 功能：片内 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，施加编程电源 Vpp。 3.17 80C51 单片机的时钟 1)振荡器和时钟电路 80C51 内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，但要形成时钟脉 冲，外部还需

52、附加电路。80C51 的时钟产生方法有以下两种。 内部时钟方式： 利用芯片内部的振荡器，然后在引脚 XTALl 和 XTAL2 两端跨接晶体振荡 器（简称晶振） ，就构成了稳定的自激振荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟 电路。外接晶振时，Cl 和 C2 的值通常选择为 30pF 左右；Cl、C2 对频率有微 调作用，晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在 1.2MHz12MHz 之间选择。为了 16 减小寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容应尽可能 安装得与单片机引脚 XTALl 和 XTAL2 靠近。 图 3-2 80C51 时钟电路接线方法 外部时钟方式： 此方式是利用外部振荡脉

53、冲接入 XTALl 或 XTAL2。HMOS 和 CHMOS 单 片机外时钟信号接入方式不同。 表3-1 C51单片机外部时钟接入方法 接线方法 芯片类型 XTAL1XTAL2 HMOS接地接片外时钟脉输入端（引脚需接 上拉电阻） CHMOS接片外时钟脉 冲输入端 悬空 3.18 80C51单片机的复位 在整个烟雾报警系统中，要进行实验，必须对整个系统先复位。复位是单 片机的初始化操作。单片机系统在上电启动运行时，都需要先复位。其作用是 使 CPU 和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工 作，因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位 的，必须配合相

54、应的外部复位电路才能实现。单片机的外部复位电路有上电复 位和上电按键复位两种。我们在设计单片机复位时，选用上电复位。 复位电路设计： 17 上电复位利用电容器的充电实现。图 3-4 是 80C51 单片机的上电复位电 路。图中给出了复位电路参数。图 3-5 是 80C51 单片机的上电+按键复位电路。 图3-3（a）上电复位电路 (b) 上电+按键复位电路 上电复位是利用电容充电来实现的，即上电瞬间 RST 端的电位与 VCC 相 同，随着充电电流的减少，RST 的电位逐渐下降。图 2-9(a)中的 R 是施密特 触发器输入端的一个 10K 下拉电阻，时间常数为 100ms。只要 VCC 的上

55、升 时间不超过 1ms，振荡器建立时间不超过 10ms，这个时间常数足以保证完成 复位操作。上电复位所需的最短时间是振荡周期建立时间加上 2 个机器周期时 间，在这个时间内 RST 的电平应维持高于施密特触发器的下阈值。 上电按键复位 2-9b 所示。当按下复位按键时，RST 端产生高电平，使单 片机复位。 上电要求接通电源后，单片机实现自动复位操作。上电瞬间 RST 引脚获 得高电平，随着电容的充电，RST 引脚的高电平将逐渐下降。RST 引脚的高 电平只要能保持足够的时间（2 个机器周期） ，单片机就可以进行复位操作。 该电路典型的电阻值和我电容参数为：晶振为 12MHZ，电容值为 10u

56、F，电阻 值为 8.2K。 复位时，ALE 和 PSEN 成输入状态，即 ALE=PSEN= 1，片内 RAM 不受 复位影响。复位后，P0P3 口输出高电平且使这些双向口皆处于输入状态， 并将 07H 写入堆栈指针 SP，同时将 PC 和其余专用寄存器清 0。此时，单片 机从起始地址 0000H 开始重新执行程序。所以，单片机运行出错或进入死循 环时，可使其复位后重新运行。 复位后，其片内各寄存器状态见表 2-2，片内 RAM 内容不变。 表 3-2 复位后内部寄存器状态 18 寄 存器 复位状态寄存器复位 状态 PC0000HTMOD00H AC C 00HTCON00H B00HTH00

57、0H BS W 00HTL000H SP07HTH100H DP TR 0000HTL000H P0 P3 FFHSCON00H IPxx000000BSBUFxxxxx xxxB IE0 x000000BPCON0 xxx0 000B 由于单片机内部的各个功能部件均受特殊功能寄存器控制，程序运行 直接受程序计数器 PC 指挥。表 3-4 中各寄存器复位时的状态决定了单片机内 有关功能部件的初始状态。 另外，在复位有效期间（即高电平） ，80C51 单片机的 ALE 引脚和 PSEN 不受复位的影响。 19 3.2 烟雾检测报警器硬件电路设计 3.2.1 信号采集及前置放大电路 传感器输出信号

58、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烟雾 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

59、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 3.2 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 3.2 中，根据 运放的“虚短”和“虚断”的特点可知，I- = I+

60、= 0， 所以 V- = Vo*R3/R3 + R4 +Vref*R4/R3 + R4 (3-1) 而且 V- = V+ = Vi 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： 20 (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，