单片机多路巡回检测与控制报警装置的研制

1、桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第2页共50页1绪论1.1仓库烟雾警报器的设计背景随着社会的发展，经济区域不断的扩展，大型仓储、物流、加工型企业和物流工业 区越来越多。所以，我们应该把在这些区域的消防工作放在首要的位置。仓库指储藏和放置物资的场所和建筑物，是物资高度集中的地方，火灾一旦发生， 经济损失将会十分严重。近年来，在我国发生的特大火灾事故中，仓库火灾占有相当比 例。如上海紫兴药业有限公司的仓库发生火灾，造成2人死亡和7人受伤。随州市曾都区的供销社资产管理中心所属仓库发生火灾，烧毁100多台电视机、大量的木制家俱还有固体酒精等，造成的损失不低于100万元。仓库火灾的损失如此严重，

2、主要是由于其 物资高度集中的特点所造成。本文设计了一套适用于仓库火灾的自动报警装置 ，对于火灾的及早发现和对火灾进 行早期的扑灭，减小火灾造成的损失有重要的意义。烟雾检测报警装置是一种能够检测 环境中的烟雾浓度并且具有报警功能的仪器。该报警装置可用于石油化学工业、可能有 气体泄漏的生产工厂及家庭防火防爆。烟雾报警器归属于中华人民共和国强制检定的 工作计量器具目录中第 46项，归类于物理化学计量器具。建筑设计防火规范（GBJ16-87）第1032条明确规定：“散发可燃烟雾、可燃蒸汽的甲类厂房和场所，应设 置烟雾浓度检测报警装置”。2003年12月，国家执行了新的烟雾探测器标准（GB15322-2

3、003）可燃烟雾探测器，2004年10月国家颁布可燃烟雾检测报警器规程 JJG693-2004，研究新型、性能稳定、能准确监测可燃性气体，并合乎国家相关规定的 报警器具有极其重要得意义。1.2仓库烟雾警报器的设计目的火灾警报系统可以在火灾早期将火情及时的通知管理人员，使火灾能够在早期就被抑制，延长货物的疏散的时间。设计一种能够在火灾初期发生时或者有可燃气体堆积引 起的火灾隐患时就能发出报警的报警器，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，最大限度的减少或消除因火灾造成的生命危害和财产的损失，是人 们同火灾做斗争的有力工具。火灾自动报警系统一般是由触发器件、火灾报警装置及其

4、他联动控制系统部分等组成。由于物资仓库面积很大，存放的物品密集而且易燃，物资 仓库的火灾危险性一般具有以下特征：（1）火势蔓延快，烟气扩散快；（2）火灾形成后 扑救难度大；（3）火险的隐患多，灾后损失严重。根据物资仓库的建筑结构和火灾危险 性，触发器件选用了普敏式烟雾警报器，使其可以及早发现火灾还能减小火灾的误报率。 同时采取火灾报警控制器和集中火灾控制报警器的分布式结构，以提高火灾自动报警系统的工作效率，使其能及时灭火，减小火灾造成的损失。1.3设计的主要任务我们已经学习了很多比如单片机控制电路、传感器电路、A/D和D/A转换电路、信号放大电路等相关的知识，具备了设计对信号采集、放大、转换、

5、处理、控制以及显示 电路的能力。通过对传感器电路，微控制器电路，数据存储电路，显示电路和警报电路的整合， 可以设计出一个具有良好性能且稳定性高的电路，以实现对烟雾浓度的检测以及对数据的显示和存储功能。本设计以单片机为核心，通过烟雾传感器对烟雾进行检测其浓度并 进行警报和实时显示，以达到对烟雾的监测警报的目的。主要研究的内容有：以单片机为主控制器，设计、制作一套控制系统，实现电动车 的电气控制，要求：1 输入电源：交流220V;2可巡回检测储藏库的四个不同位置的烟雾及煤气浓度；3 可实时显示各处烟雾及煤气浓度；4 检测精度吃 FS;5可实现数据的保存及调用历史数据；6当烟雾及煤气浓度超过一定值时

6、报警；2系统原理的概述烟雾警报器可以检测环境中的烟雾， 能够实时的显示浓度并且能够在浓度达到一定 程度的时候发出警报，其组成部分包括：烟雾信号采集电路，单片机控制电路，显示电 路，警报电路，数据存储电路。烟雾信号采集电路是由烟雾传感器和模拟放大电路组成的，烟雾信号会被转化成模拟电信号。模拟信号将通过模数转换电路转换成单片机可以识别的数字信号，然后传入 单片机内。数字信号通过单片机的滤波处理，并分析处理后的数据，数据将在显示电路 的显示屏上实时显示数据，如果其大于预设值（就是警报值），则会出发警报电路发出警报，反之就是正常状态。实时的数据也将会在数据存储电路中存储。烟雾警报器的两大核心是是单片机

7、和烟雾传感器，选择好的传感器，对警报器的稳 定性和精确度非常重要。2.1硬件的原理和结构本文中的烟雾警报器是以STC12C5A60S2单片机为核心，采用MQ-2型普敏式半导 体传感器采集烟雾信息。首先，传感器 采集来的烟雾浓度电 压信号很小，经过电 压信号放大后送入 STC12C5A60S2单片机中；然后，信号在单片机内经过 A/D转换、浓度比较后，对数据 进行线性化的处理，把已经数字化的信号转化为相对应十进制的浓度值；最后，把实际 测得的气体浓度信息通过液晶显示器实时显示出来，并同时判断这个浓度值是否超过警 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第8页共50页报限，当超过是，警报器被触发响

8、起。另外因为烟雾传感器工作的时候需要预热，温度 也高，反应也快，响应和回复时间也越迅速。为了使警报器反应迅速，需要向其持续的 提供一个5v的电压。为了适应工厂、仓库场所对可燃性易爆性烟雾气体的安全要求，我们设计的烟雾报 警器不仅要工作范围宽广，而且应具有实时显示烟雾浓度、故障自检、延时报警功能及 数据保存调用和实时控制等功能。使其在传统的烟雾报警仪的基础上，具有更高的准确 性，低成本，体积小。本系统是以单片机为核心，与外围电路共同完成信号采集、浓度显示、时间显示、 状态显示、声音报警、按键输入等功能。报警器采用自动巡检的工作方式，进行报警值 设定。系统采用了具有高性能的STC12C5A60S2

9、单片机，因为其工作稳定、测量精度高、 通用性强、功耗低，可以保证报警器的可靠性及精确性，而且体积小，成本低，有利于 减少报警器的体积，节约报警器的成本。报警器系统结构框图如图2-1所示：图2-1可燃烟雾报警器系统结构框图串口通信蜂鸣器液晶浓度显示LED状态指示灯烟雾传感器2.2烟雾警报器的类型 2.2.1烟雾传感器介绍(1) 烟雾传感器的分类从检测原理上，烟雾传感器有很多种，主要可以分为三大类： 利用物理化学性质的烟雾传感器：如接触燃烧烟雾传感器、半导体烟雾传感器等。 利用物理性质的烟雾传感器：如光干涉烟雾传感器、热导烟雾传感器、红外传感 器等。 利用电化学性质的烟雾传感器：如电势型气体传感器

10、、电流型烟雾传感器等。(2) 烟雾传感器需要满足的基本条件：一个烟雾传感器可能是单功能的，也可能是多功能的；可以是单一的实体，也可以 是由多个具有不同功能传感器组成的传感器阵列。不过，一个完整的烟雾传感器都应该具备以下条件： 可以选择性地检测某种单一烟雾，而对伴随的其它烟雾不响应或低响应； 对被测烟雾气体具有较高的灵敏性，能有效地检测范围内的烟雾浓度； 能快速响应检测信号，而且具有较好的重复性； 能够稳定的长期的工作； 使用寿命长； 制做成本低，能够使用与维护。（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单晶半导体器件制作的烟雾传

11、感器以及用氧化物半导体 陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器。从1962年半导体金属氧化物烟雾传感器问世以来，因为具有高灵敏度、响应速度快、输出信号强、结构简单、耐久性强、价格便宜 等优点，使其得到了广泛的应用。按照敏感机理分，可将其分为电阻型和非电阻型两种。 固体电解质烟雾传感器固体电解质烟雾传感器把固体电解质气敏材料作为气敏元件，原理是利用气敏材料在通过烟雾时会产生电阻，测量其形成电动势从而测量烟雾浓度。由于这种传感器电导 率高，灵敏度和选择性比较好，得到了广泛的应用，进入了石化、环保、矿业等各个领 域，是产量仅次于半导体烟雾传感器的传感器。但是这种传感器制造成本较高，检测烟 雾范围也有限，

12、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 300C400C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

13、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

14、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

15、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C02、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。（4）常见烟雾传感器可检测烟雾种类因为烟雾种类繁多，一种类型的烟雾传感器不能检测所有的气体，一般只能检测某 一种或者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的是各种还原性 烟雾，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固体电解质烟雾传感器主要检测无机烟雾， 如O2、CO

16、2、H2、CI2、SO2等。表2-1简要列举出已经研究、开发的各类烟雾传感器 及其可检测的气体种类。表2-1传感器种类COC02H2SNH3HCNHCICOCI2CI2NOXSO202CH4C3H2H2H20半导体气体传感器OOOOOOOOOO高分子电解质气体传感器OOOOO接触燃烧式传感器OOO电化学式传感器OOOOOOOO固体电解质传感器OOOO注：C好不太好222烟雾传感器的选定烟雾检测报警器主要应用在工厂、仓库、石油、化工、冶金、油库、液化气站等易 发生可燃气体和烟雾泄漏的场所，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，有两个

17、不可避免的问题是探头的阻缓及中毒。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时，有可能在无焰燃烧的同时，一些 固态物质会附着在催化元件表面，阻塞载体的网格微孔，从而使得传感器响应缓慢反应 滞缓，灵敏度降低。虽然把阻缓的传感器放回新鲜空气环境中有可能得到一定程度的恢 复，但是长期暴露在这样的环境中，其灵敏度就会不断下降，传感器最终检测烟雾的能 力会丧失。中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传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。

18、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

19、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。223报警器工作特性本次设计是针对仓库中的烟雾及煤气的检测，仓库烟雾中所含的一般是混杂，所以 采用普敏式烟雾传感器 MQ-2。MQ-2的特点是：探测范围广，高灵敏度/快速响应恢复， 优异的稳定性/寿命长，驱动电路简单。可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。其灵敏特性如下表： 表2-2符号参数名称技术参数备注Rs敏感体表面电阻3K Q -30K

20、Q(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a (3000/1000)异丁烷浓度斜率 0.6标准工作条件温度：20 C 2C Vc:5.0V 0.1V相对湿度：65% 5% Vh: 5.0V 0.1V预热时间不少于24小时特别注意的是MQ-2烟雾传感器需要不断电的预热 24小时，这会对于系统的演示 会造成影响。如果采用工业板，侧灵敏度较高，预热的时间将大大减少，节约系统运行 时需要的时间，更有效的实现运作。图2-3给出

21、了 MQ-2型气敏元件的温湿度特性0比1I7C-1十:i泅亠f1.2e1* |D. tU. fl厂】d憐CT-必-10010丹30机50CO图2-3MQ-2型气敏元件的温湿度特性Ro: 20C，33%RH条件下，1000ppm氢气中元件电阻。Rs:不同温度，湿度下，1000ppm氢气中元件电阻。灵敏度调整：MQ-2型气敏元件对不同种类、不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。当精确测量时，报警点的设 定应考虑温湿度的影响。MQ-2元件外形结构如图2-4所示：siHn图a图b图2-4 MQ-2元件外形结构图MQ-2气敏元件的结构和外形如图 a所示（结构

22、AorB）,由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感层，测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器 为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。3烟雾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。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第14页共50页3.1单片机的选型在单片机完成指定的工作时，尤其是信号处理，比较浓度值后送入显示的软

23、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，本设计选用宏晶科技生产的STC12系列单片机。3.1.1 STC12C5A60S2 单片机的介绍为适用于本论文设计的烟雾检测报警器，应选择一种比8051系列速度快，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。宏晶科技新推出的STC12系列 单片机具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,速度却比8051单片机快812倍。而且STC

24、12系列下属的STC12C54xxAD 系列单片机是低功耗Flash单片机，它的高效寻址方式、大容量 Flash、EEPROMA/D 转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器(PWM等功能特点，较好的实现了强大的功能与超 低功耗的结合。而且在功能同样的情况下，管脚较少封装体积小，价格比其他型号便宜， 因此具有很好的性价比和应 用适应性。STC12C5A60S2/AD/PWM片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机， 是新一代高速/低功耗/超强抗干扰的8051单片机，指令代码完全兼容传统 8051，但 速度要快8-12倍。内部集成有MAX810专用的复位电路，有2路PWM,8路高速10位A/

25、D 转换(250K/S)，专门针对电机控制，强干扰场合。其特点是：(1) 有增强型8051 CPU 1T,单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统 8051单 片机；(2) 工作电压：STC12C5A60S系列工作电压：5.5V - 3.3V( 5V单片机)；(3) 工作频率范围：035MHz相当于普通8051单片机的0420MHz用户应用程序空间为 8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字(5) 片上集成1280字节RAM(6) 通用I/O 口(36/40/44个)，复位后为： 准双向口 /弱上拉(普通8051传统 I/O 口)可设置

26、成四种模式：准双向口 /弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开 漏每个I/O 口驱动能力均可达到20mA但整个芯片最大不要超过55mA(7) I S P(在系统可编程)/IAP (在应用可编程)，无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口( P3.0/P3.1 )直接下载用户程序，数秒即可完成一片；(8) 有 EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PW无内部 EEPROM)(9) 看门狗；（10）内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电 阻到地）；（11）外部掉电检测电路：在P4.6 口有一个低压门槛比较器5V单片机为1.32V， 误差为+/-5%

27、,3.3V 单片机为1.30V，误差为+/-3% ；（12）时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器（温漂为+/-5%到+/-10%以内）用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟常温下内部 R/C振荡器频率为：5.0V单片机为：11MHz15.5MHz 3.3V单片机为：8MHz12MHz精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准；（13）共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器 T0和T1，没有定时器2,但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器；再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器；（

28、14）2 个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在 P3.5/T1输出时钟；（15）外部中断I/O 口 7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的 PCA模块，Power Dow n模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2, INT1/P3.3,T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/P1.3（也可通过寄存器设置到P4.2 ）, CCP1/P1.4（也可通过寄存器设置到P4.3）；（16）PWM（2路）/PCA （可编程计数器阵列，2路）也可用来当2路D/A使用，也 可用来再实现2个定时器，也可用来再实现2个外部中断（上

29、升沿中断/下降沿中断均 可分别或同时支持）；（17）A/D转换，10位精度ADC共8路，转换速度可达250K/S（每秒钟25万次）；（18）通用全双工异步串行口（UART）,由于STC12系列是高速的8051，可再用定 时器或PCA软件实现多串口；（19）STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有 S2标志的才有双串口， RxD2/P1.2（可 通过寄存器设置到P4.2），TxD2/P1.3（可通过寄存器设置到P4.3）；（20）工作温度范围：-40 - +85 C （工业级）/ 0 - 75 C （商业级）；（21）封装：PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48;I/O 口不够时，可

30、用2到3根普通I/O 口线外接74HC164/165/595 （均可级联） 来扩展I/O 口，还可用A/D做按键扫描来节省I/O 口，或用双CPU三线通信，还多 了串口。STC12C5A60S的引脚排列如图3-1所示：图3-1 STC12C5A60S2的引脚排列图STC12C5A60S单片机中包含中央处理器（CPU、程序储存器（Flash ）、数据存储器 （SRA） 定时/计数器、UART串 口、串口 2、I/O接口、告诉A/D转换、SPI接口，PCA 看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡模块。STC12C5A60S单片机几乎包含了数据采 集和控制中所需的各种单元模块，可以说是一个片上系统。

31、3.1.2中断系统中断系统是为了使CPUM有处理外界异步事件的能力而设置的。当中央处理机CPU正在处理某个事件的时候外界提出了紧急事件请求，要求CPU暂时停止当前的工作，而转去处理这个紧急事件，处理完这事件之后，再回到原来被中断的程序，继续原来的动 作，这样的过程称为中断。实现这样功能的部件叫做中断系统，请示CPI中断的请求源称为中断源，微型机中断系统一般允许多个中断源，当几个中断源同时向CPU青求中断要求为其服务时，就存在CPU优先相应哪个中断源请求的问题，通常根据中断源的轻重 缓急列队，优先处理最紧急事件的中断请求源，也就是预先规定每一个中断请求源有一 个优先级别。CPU是先响应优先级别最

32、高的中断请求。当CPU正在处理一个请求源时（即执行相应的中断服务程序），产生了一个优先级 别比它要高的中断请求源时，CPU能够暂停对原来的中断服务程序，转去执行处理优先 级别更高的中断请求源，等到处理完之后，再去处理原来的低级中断服务程序，这样的 过程叫做中断嵌套，这样的中断系统叫做多级中断系统，没有中断嵌套功能的中断系统 就叫做单级中断系统。STC12C5A60S系列单片机提供了 10个中断请求源，它们分别是：外部中断0（）、 外部中断1（而）、定时器0中断、定时器1中断、串口 1（UART1中断、A/D转换中断、PCA中断、低压检测（LVD中断、串口 2中断及SPI中断。所有的中断都具有四

33、 个中断优先级。用户可以用关总中断允许位（EA/IE.7、或者相应中断的允许位来屏蔽 所有中断请求，也可以用打开相应的中断允许来让CPUP向应相应的中断请求；每一个中断源可以用软件来独立地控制为开中断或者关中断状态；每一个中断优先级别都可以通过软件设置。高优先级的中断请求可以打断低优先级的中断，相反，低优先级中断请求 不可以打断高优先级以及同优先级的中断。当两个相同优先级中断在同时产生时，将由 查询次序来决定系统先响应哪个中断。STC12C5A60S系列单片机的各个中断查询次序如下表示: 表3-1中断查询次数中断源中断向量地址相同优先级内的查询次数中断优先级设置（IPH,IP ）优先级0优先级

34、1优先级2优先级3中断请求标志位中断允许控制位INT00003H0(highest)PX0H,PX00,00,11, 01,1IE0EX0/EATimer。000BH1PT0H,PT00,00,11, 01,1TF0ET0/EAINT10013H2PX1H,PX10,00,11, 01,1IE1EX1/EATimer1001BH3PT1H,PT10,00,11, 01,1TF1ET1/EAUART10023H4PSH,PS0,00,11, 01,1RI+TIADC002BH5PADCH,PADC0,00,11, 01,1ADC+FLAGEADC/EALVD0033H6PLVDH,PLVD0,0

35、0,11, 01,1LVDFELVD/EAPCA003BH7PPCAH,PPCA0,00,11, 01,1CF+CCF0(ECF+ECCF0+CCF1+ECCF1)/EAS2(UART2)0043H8PS2H,PS20,00,11, 01,1S2T1+S2R1ES2/EASPI004BH9(lowest)PSP1H,PSP10,00,11, 01,1SP1FESP1/EA3.1.3定时器/计数器STC12C5A60S系列单片机有4个定时器，其中定时器0和定时器1两个16位定时 器，与传统的8051的定时器完全兼容，也可以设置为IT模式，当在定时器1做波特率 发生器时，定时器0可以当两个8位定时

36、器使用（另外两路PCA/PWI可以再实现两个16 位定时器）。STC12C5A60S系列单片机内设置有两个16位定时器/计数器T0和T1,它们都具有 技术方式和定时方式两种工作方式。每个定时器 /计数器（T0/T1、，在特殊功能寄存器 TM0D中都有一控制位（、来选择T0或T1为定时器还是计数器。定时器/计数器的核心部件是一个加法（也有减法）的计数器，其本质是对脉冲进行计数。只是计数脉冲来 源不同：如果计数脉冲来自系统时钟，贝U为定时方式，此时定时器/计数器每12个时钟或者每一个时钟得到一个计数脉冲，计数值加1 ;如果计数脉冲来自单片机的外部引脚（T0为P3.4，T1为P3.5），则为计数方式

37、，每一个脉冲加 1。当定时器/计数器工作为定时模式时，特殊功能寄存器 AUXR的T0x12和1x12分 别是系统时钟/12还是系统时钟/1 （不分频）后让T0和T1进行计数。当定时器/计数器 工作在计数模式时，对外部脉冲计数不分频。定时器/计数器0有四种工作模式：模式0 （13位定时器/计数器），模式1 （16位 定时器/计数器模式），模式2 （8位自动重装模式），模式3 （两个定时器/计数器）。定 时器/计数器1除了模式3外，其他工作模式与定时器/计数器0相同，T1在模式3时无 效，停止计数。3.1.4单片机的A/D转换器STC12C5A60S系列单片机带 A/D转换的单片机的 A/D转换口

38、在P1 口（P1.7-P1.0）， 有8路8位高速A/D转换器，速度可达到300KHz（30万次/秒）。8路电压输入型A/D， 可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。上电复位后 P1口为弱上拉型 I/O 口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使 用的口可继续作为I/O 口使用。需作为A/D使用的口需先将P1ASF特殊功能寄存器中的相应位置为 1将相应 的口设置为模拟功能。STC12C5A60S系列单片机P1 口模拟功能控制寄存器（该寄存器 是只写寄存器,读无效）。当P1 口中的相应位作为A/D使用时，要将P1ASF中的相应位 置1。如果要允许A/

39、D转换中断则需要将相应的控制位置 1:1、将EADC置1,允许ADC中断，这是ADC中断的中断控制位。2、 将EA置1,打开单片机总中断控制位，此位不打开，也是无法产生 ADC中断的 A/D中断服务程序中要用软件清 A/D中断请求标志位ADC_FLA（也是A/D转换结束标 志位）。ADC_CONT特殊功能寄存器：A/D转换控制特殊功能寄存器,地址在0BCh单元。3.2烟雾警报器的硬件电路设计3.2.1单片机的复位电路单片机复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种。在本系统中采用的复位电路是按键复位电路，是常用的复位电路之一。单片机复位 通过按下按钮产生高电平复位称手动复位。当上电时，刚接通电

40、源，电容C相当于瞬间短路，+5V立即加到RST端，这个高电平会使单片机全机自动复位，这称为上电复位； 若运行过程中需要程序从头开始执行，则只需按动按钮即可。按下按钮，则直接把+5V加到了 RST端从而复位称为手动复位。复位后，P0P3并行I/O 口全部变为为高电平， 其它寄存器全部清零。如图3-2所示：图3-2复位电路3.2.2单片机的时钟电路STC12C5A60S单片机芯片内设有一个由反向放大器构成的振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别是振荡电路的输入端和输出端，时钟可以由内部或外部生成，在XTAL1和XTAL2引脚上外接晶体振荡器XTAL内部振荡电路就会产生自激振荡。系统采用的定时 元件

41、是由石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振的频率选择为12MHZ C1、C2的电容值取为30pF,两个电容的大小起频率微调作用。时钟电路如图3-3。图3-3时钟电路3.2.3警报与显示部分电路通过三极管基极串连一个电阻与单片机P3.7端口连接从而达到控制蜂鸣器是否报警。蜂鸣器一端接电源，另一点接三极管集电极，是在单片机低电平是有效，警报 电路如图3-4所示图3-4声音警报电路桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第21页共50页报警装置采用电磁式无源蜂鸣器 HC-12075-B其参数特点如下：额定电压：1.5V;额定电流：=10mAr =75=85;谐振频率：2048Hz 线圈电阻：6.5

42、1Q60 2Q ;重 量：1.5g显示部分在系统显示部分采用了诺基亚 5110 LCD液晶显示模块，LPH7366是诺基亚公司生产 的可用于5110、6150、6100等系列的移动电话的液晶显示模块，该产品除了应用于移 动电话外，也广泛应用在各类便携式设备的显示系统中。图3-5诺基亚5110实物图与其他类型的产品比较，其具有下面的特点：(1) 84*48的点阵LCD能显示4行汉字；(2) 采用串行接口与主处理器进行通信，接口信号线数量大幅度减少，包括电源和 地在内的信号线仅有9条。支持多种串行通信协议(如 AVR单片机的SPI、MCS51的串 口模式0等)，传输速率高达4Mbps可全速写入显示

43、数据，无等待时间。(3) 可通过导电胶连接模块与印制板，而不用连接电缆，用模块上的金属钩可以将 模块固定在印制板上，因而非常便于安装和更换。(4) LCD控制器/驱动器芯片都已经绑定在LCD晶片上，模块的体积很小。(5) 采用低电压供电，正常显示时的工作电流在200卩A以下，且具有掉电模式。LPH7366的这些特点非常适合于电池供电的便携式通信设备和测试设备中。表3-4诺基亚5110液晶显示引脚引脚序列引脚名称功能1SDIN串行数据线2SCLK串行时钟线3D/C模式选择4SCE芯片使能5RES复位6VCC电源正7LIGHT背光灯8GND电源地5110与LCD1602比较具有以下优点：（1）性价

44、比高，LCD1602可以显示32个字符，而5110可以显示15个汉字，30个字 符，5110裸屏的价钱比LCD1602便宜。（2）接口简单，仅要4根I/O线就能驱动，LCD1602需要11根I/O线。（3）速度快，速度是LCD1602的 40倍。（4）5110工作电压是3.3v，正常显示时工作电流是200卩A以下，具有掉电模式， 适合电池供电的便携式移动装备。所以，经过比较，采用性价比比较高的诺基亚5110液晶显示模块.3.2.4指示灯电路指示灯电路采用发光二极管组成，单片机的24脚（p2.3）;25脚（p2.4）;26脚（p2.5）; 27脚（p2.6），控制输出的状态指示灯。绿灯表示正常状

45、态，黄灯表示传感器正在加热， 红灯表示烟雾浓度超过了警报值，指示灯电路如图3-6所示：图3-6指示灯电路3.2.5稳压电路系统的稳压电路采用X78XX系列三端正电源稳压电路，其具有一系列固定的电压输 出，应用十分广泛，因为内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使它基 本不会损坏。由于用到的电源电压会略高于 5V,所以使用稳压电路使得电压稳定在 5V. 稳压电路如图3-7所示：图3-7稳压电路326数据存储电路系统采用AT24C02芯片用作数据存储。AT24C02是一个2K位串行CMOS2PROM内 部含有256个8位字节，CATALYSTS司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗。

46、 AT24C02有一个16字节页写缓冲器。器件通过IIC总线接口进行操作，具有一个专门的写保护功能。表3-5是AT24C02引脚定义如下表所示表3-5 AT24C02引脚定义引脚名称引脚功能引脚名称引脚功能A0A1器件地址输入WP写保护SDA串行数据输入输岀VCC电源SCL串行时钟输入GND地AT24C电路图如下图所示;TP|i-图3-8 AT24C电路图4系统的软件设计单片机是软件与硬件的结合，所谓软件设计就是要用程序来代替一些硬件上的不足 或使之更加完美。本系统用到了 C语言来编写程序4.1 STC12C5A60S2系列单片机调试及开发工具本系统的软件编程使用美国 Kei Software

47、公司出品的Kei C51，是51系列兼容单 片机C语言软件开发系统，与汇编语言相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。Kei C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows和forDos的集成开发环境（IDE），可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。 我们可以用IDE本身或其他编译器编辑 C源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生 成文件（.OBJ）。目标文件可由LIB51创建生成库文件。ABS文件邮OH51转换成标准Hex 文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直 接对目标板进

48、行调试，也可以直接写入程序存贮器中STC12C5A60S系列单片机下载程序使用的是宏晶科技自行开发的 STC单片机ISP 下载编程软件。在我调试程序的过程中使用的是 STC-ISP-V3.1版。ISP工具的功能主要 是将由PC机串接来的8位并行数据与单片机的串行数据进行相互转换， 以实现PC机与 STC12C5A60S的PXD及 TXD口通讯。当我们将源程序（C语言）经语法检查无误并生成 代码时，就可将程序代码下载到 Flash芯片中。4.2烟雾警报器软件流程及设计本文中软件解决的主要问题是检测烟雾传感器的烟雾浓度信号，然后对信号进行 A/D转换，数字滤波，线性化处理，液晶浓度显示，按键功能设

49、置以及报警器的警报。4.2.1主程序设计及流程图主程序流程图如下图所示。首先要给传感器预热，因为MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器在不通电存放一段时间后，再次通电时，传感器不能立即正常采集烟雾信息，需 要一段时间预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。主程序设计先对传感器预热， 预热同时，对传感器进行故障检测，采用软件方式检测传感器加热丝或电缆线是否断线 或者接触不良。主程序流程图如下图所示：图4-1主程序流程图在整个报警器系统工作中，STC12C5A60S单片机对传感器检测的烟雾浓度信号进行 信号放大、A/D转换处理后，由单片机进行分析处理，判断系统是否启动报警。主程序 还包括5110液晶显

50、示浓度字符显示功能、数据存储功能、安全联动装置，中断子程序 等，使报警器功能更加完善，给用户带来便利。422主程序初始化流程图主程序初始化流程图如图4-2所示。给传感器预热后，程序开始执行初始化子程序， 这部分实现的功能包括各种I/O 口输入输出状态的设定、 寄存器初始化、中断使能等。 首先设定定时初值为50ms，利用IAP写入FEPROM,作为取值间隔。然后设定定时器 0,选择方式1。方式1状态下定时器的工作寄存器 TH1、TL1是16位参与操作。接着 定时器0中断允许位置1,打开定时器0,关闭蜂鸣器，开启绿灯，设置警报限初值。YY图4-2主程序初始化流程图4.2.3中位值平均滤波法数字滤波

51、子程序设计及流程图在烟雾传感器对烟雾采样时，可能会遇到尖脉冲干扰现象。干扰通常影响个别采样 点的数据，此数据与其他采样点的数据相差比较大。如果采样一般的平均值法，则干扰将“平均”到计算结果上去，故平均值法不易消 除由于脉冲干扰而引起的烟雾浓度采样值的偏差。为此，可采取中位值平均滤波法（防脉冲干扰平均滤波法），先对N个采样数据进 行比较，去掉其中最大值和最小值，然后计算一下 n-2个数据的计算平均值。这种方法 既可以滤去脉冲干扰又能滤去小的随机干扰。保证警报器检查烟雾浓度的准确性，减小 误报、报错的功能。在实际的应用中，n可以取任何值，单位了加快计算速度，本论文数字滤波的设计 中n去10。即调用

52、A/D连续进行10次采样，去掉其中的最大值和最小值，计算其余 8 个值的平均值，将这个平均值送入寄存器。中位值平均滤波法的程序。中位值平均滤波 法流程图如下图所示：开始图4-3中位值平均滤波法程序流程图4.2.4插值法线性化处理子程序设计在单片机测控系统中，使用之前必须进行静态标定，以得到输出信号与被测信号的 关系输出曲线，用来作为使用过程中的计量依据。但是标定时输出曲线往往不是一条理 想的直线，所以要对标定曲线进行线性化处理，用一条拟合直线近似代替输出曲线，线 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第25页共50页性化是智能仪表的典型功能之一。报警器主要针对烟雾检测，在软件线性化处理时，以

53、 传感器对一氧化碳的响应曲线为依据。本论文报警器使用的MQ-2型传感器的电阻是随着烟雾浓的升高而降低的，因此， 输入单片机的电压也是随之降低的。图 4-4为单片机采集电压值与烟雾浓度百分比的对 应曲线，可以看出，电压值与烟雾浓度之间是非线性的关系，为了实时显示烟雾浓度需 要对其进行线性化处理。在误差许可范围内，根据标定曲线形状，以及单片机处理能力, 把曲线分成若干小段，对每小段分别线性化。Ta 1 t - -三一 -图4-4 单片机采集电压值与烟雾浓度百分比线性化曲线根据分段线性插入法求输入单片机的某一电压值对应的公式如下：f(x) = Hxi) + (x-xi)*/ (Xi+l-Xi) =1

54、2,3N(式一)式中，N为所分区域分个数，f(xi)为实际烟雾检测浓度，x为气体检测浓度对应的电压 值，xi是区间的下限浓度对应的电压值，Xi是区间的上限浓度对应的电压值，f(Xi)为区 间上限烟雾浓度值。4.2.5报警子程序设计及流程图当烟雾浓度超过报警设定值时，报警器发出一种近似警笛的鸣叫声，对应通道的红 灯闪亮，以提示操作人员采取安全对策或自动控制相关安全装置，从而保障生产安全， 避免火灾和爆炸事故的发生。为防止误报，在程序设计上，对烟雾浓度进行快速重复检 测和延时报警，以区别出是管道中烟雾的泄漏，还是由于暂短打开阀门产生的可燃烟雾 的微量散失，防止误报。报警子程序流程图如图4-5所示。图4-5报警子程序流程图在单片机进行数据采集时，会遇到数据的随机误差，随机误差是由随机干扰引起的, 其特点是在相同条件下测量同一量时，其大小和符号会现无规则的变化而无法预测，但 多次测量的结果符合统计规律。为克服随机干扰引起的误差，硬件上可采用滤波技术， 软件上可采用软件算法实现数字滤波。本章主要阐述了警报器的软件设计。首先介绍了软件编程的开发环境和工具选择，这里选择的是STC12系列的单片机，应用 KEIL C51编程器和STC单片机专用的ISP下载软件开发完成。几个软件流程包括：主程序设计，主程序初始化设计，中位值平均滤波法设计，插值法线性化处理子程序设计，报警子程序设计五个部分。5