室内环境烟雾测控系统设计

1、室内环境烟雾测控系统设计摘 要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。目前国内厂家多偏重用于大型仓库、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，需要设置一种单环保的、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、价格低廉的智能火灾报警器是非常必要的。现场火灾报警器通过对传感器火情信息的检测，当报警器监测到火情信息后，产生声光报警信号，并进行相应的操作。使用AT89S51单片机，选用传感器MQ-7作为敏感元件，利用多传感器信息融合技

2、术，开发了可用于小型单位火灾报警的智能报警系统。本课题研制的用于小型防火单位的智能火灾报警器具有以下特点： (1)能对室内烟雾(CO2，CO)突变进行报警(声光报警)。 (2)如果出现硬件故障(如传感器遗落、内部元器件损坏等)，能发出故障报警。 (3)如果有烟雾参数出现异常(如烟雾浓度过大)，能发出异常报警信号，令值班人员到现场处理。 现场模拟实验表明，本系统安全可靠，误报率低。该课题设计的意义在于可以实现对普通环境中烟雾浓度进行实时检测，以减少烟雾有毒气体对人体的伤害，通过报警来警示人们所处环境的烟雾浓度过高，并通过单片机来控制环境的有毒气体浓度，如本设计完成开风扇通风、切断有毒气体来源等由

3、单片机控制的部分。当然，本设计也完成了对外部有毒气体的数据采集系统的设计。现在家具产品多种多样，智能化、小型化的节能、绿色、安全产品越来越受到普通大众的青睐。该设计以其小型化、智能化并且设计的电路系统简洁明了、电路构成简单、易于维护、实用性强等特点能够广泛的应用于居民、企事业单位等多方面的安全防范。因此该设计具有相当广阔的前景！关键字：单片机；传感器；信号处理Design of smoke Concentration Monitoring System Abstract目 录引 言传感单片机目前烟雾报警器的普及率还很低,但它确是今后重要的安全仪器之一。本方案所设计的烟雾浓度测量报警装置是应用于

4、居民家庭和企事业单位对烟雾浓度的实时监控和报警,它可大大降低由烟雾所引起的中毒、火灾、爆炸等事故的发生率。本报测量警器系统的研制,可为广大居民家庭和企事业单位提供一个准确、可靠的烟雾浓度检测手段,使人们能及时发现烟雾浓度的超标,从而保障了人们的生命和财产安全。第1章：概述 随着科技的发展，越来越多的巨大的隐患由于工业生产和人们的日常生活而产生。为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。保卫社会主义现代化建设，防止火灾引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至危及生命安全。 为了减少这类事故的发生，就必须对烟雾进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测系统，严密监测环境中

5、烟雾的浓度， 及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和 家庭生活安全。因此，研究烟雾的检测方法与研制烟雾报警 器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。我们知道烟雾（烟雾）气体是一种无色、无味、无刺激、无法用五官感知的有毒气体，能抑制血液的携氧能力。烟雾的毒性主要是影响氧气的供给与利用，烟雾与血红细胞的亲和力比氧气与血红细胞的亲和力大300倍以上，造成人体组织缺氧。当吸入烟雾气体后，烟雾进入肺部抢先与血红细胞结合，使血红细胞丧失运输氧气的能力，造成人体多个器官缺氧，导致组织受损甚至死亡。一般人在意外中毒时无法自我察觉，往往被发现时已进入昏迷状态，酿成重大伤害甚至死亡。因

6、此称之为家庭中的“隐形杀手”，一点也不过分。烟雾的产生：烟雾是由燃料（如汽油、柴油、煤、木炭、煤气、液化气、天然气等）燃烧不充分产生的。家中产生烟雾的主要原因：天然气、煤气、液化气、燃油、煤炭的不完全燃烧；热水器安装不当，废气回流；烟筒、排气管堵塞；密闭空间开着发动机、生火取暖，如在车库开着发动机、冬天紧闭门窗生炉子取暖等等。有些国家对工作场所的烟雾 允许体积分数都做了规定。炼钢厂工作人员、消防人员、高速公路收费员、矿坑工作从业人员较可能暴露在高体积分数烟雾 环境中;在生活中,堵塞的交通、在密闭房间内抽烟、甚至煤气、瓦斯等不完全燃烧的室内、火灾现场等,均可能使空气中的烟雾 体积分数超过允许标准

7、。因此,对生活,工作环境中的烟雾 体积分数实施准确而有效地检测与报警是一个与人类生态和工作环境相关的重要问题。烟雾的浓度与健康成年人中毒的可能症状空气中烟雾的浓度 大致的吸入时间和出现的症状：50ppm健康成年人在八小时内可以承受的最大浓度200ppm 2-3小时后，轻微头痛、乏力400ppm 1-2小时内前额痛；3小时后威胁生命800ppm 45分钟内，眼花、恶心、痉挛；2小时内失去知觉；2-3小时内死亡1600ppm 20分钟内头痛、眼花、恶心；1小时内死亡3200ppm 5-10分钟内头痛、眼花、恶心；25-30分钟内死亡6400ppm 1-2分钟内头痛、眼花、恶心；10-15分钟死亡1

8、2800ppm 1-3分钟内死亡应该注意的是：上述中的烟雾中毒症状，是对健康成年人而言，对于高危、脆弱人群，其反应不同。因此本设计再预设报警器的上限值时应以200ppm。为了解决烟雾这种对人体有毒害又不易被人们所发现的问题,避免更多事故的发生,一个高效实用的烟雾报警器将是较好的解决方案。同时，伴随着各种天然气、煤制气、液化气的开发和使用各种可燃性气体散发在工作场所和人们生活中，因此连续、直接检测工作环境和生活环境中有毒气体、可燃性气体有着极其重要的意义。1、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。其中选用MQ-7型半导体可燃气体敏

9、感元件烟雾传感器实现烟雾的检测，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AT89S51单片机，其整合了硬件乘法器、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AT89S51单片机和MQ-7型半导体电阻式烟雾传感器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、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。具有一定的实用价值。 2、本课题研究的主要内容有：采用MQ-7型烟雾气敏传感器、MCU为核心、采用键盘对报警浓度进行预置、具有L

10、ED数码显示等功能进行气体浓度检测报警系统的设计。主要包括采集放大电路、模数转换电路、键盘、显示电路和单片机控制等电路的软、硬件设计。3、课题旨在研制生产、实践过程中所需的气体浓度报警装置。本报测量警器系统的研制,可为广大居民家庭和企事业单位提供一个准确、可靠的烟雾浓度检测手段,使人们能及时发现烟雾浓度的超标,从而保障了人们的生命和财产安全。4、主要实现的功能：对烟雾气体浓度进行实时的测量和显示，并能对高浓度的烟雾气体进行报警。在我们的实际生活中虽然测量气体浓度的测量产品非常多，但要完成对外界气体浓度测量，其一般原理是将外部的气体浓度的模拟量用传感器进行采集，然后再将采集到的信号，通过必要的转

11、换器电路，输送至微机（单片机）进行分析处理以达到对气体浓度的测量。由于本次设计的主要任务是完成对外界环境中烟雾浓度的显示和监测，因此根据设计的需要，设计中采取以在本次设计中我们有两种方案可供选择：方案一：根据MQ-7型气敏传感器技术参数可知MQ-7型气敏传感器能够在常温环境中对烟雾气体浓度进行检测并不需要做温度补偿，它是由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件制成的半导体传感器。将烟雾的浓度有关的信息转换成电信号，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。其思路是烟雾报警器主要由采集模块、放大模块、模数转换模块和单片机

12、控制模块组成。本报警器的工作过程大致如下:在开启电源前，根据实际情况通过键盘键入安全值和气体浓度的危害值。开通电源由两类传感器(气体传感器和温度传感器-辅助作用)将所需的外界模拟信号采集放大后传送给A/D转换器,A/D转换器经模数转换后将数字信号传送至AT89S51单片机,再由单片机通过内部的数据处理,最终判断是否需要启动蜂鸣器进行报警和开启排风风扇进行排风，并显示实时浓度，当环境浓度下降到安全线以下时就通过单片机的控制关闭风扇。方案二：选择集成温度传感器AD590和气体传感器TGS202用作采集系统的敏感元件。 AD590是美国Analog Devices公司生产的一种电流型二端温度传感器。

13、由于AD590是电流型温度传感器，他的输出同绝对温度成正比，即1A/k，而数模转换芯片ADC0809的输入要求是电压量，所以在AD590的负极接出一个10 k的电阻R1和一个100的可调电阻W，将电流量变为电压量送入ADC0809。通过调节可调电阻，便可在输出端VT获得与绝对温度成正比的电压量，即10 mV/K。 火灾中气体烟雾主要是CO2和CO。TGS202气体传感器能探测CO2，CO，甲烷、煤气等多种气体，他灵敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体的探测。当TGS202探测到CO2或CO时，传感器的内阻变小，VA迅速上升。选择适当的电阻阻值，使得当气体浓度达到一定程度(如CO浓度达到006)时

14、，VA端获得适当的电压(设为3 V)。 具体判断方法如下： (1)对温度和烟雾进行了两次数据采集与判断 温度100，温度异常，置标志位为1，否则为0；烟雾(CO，CO2)浓度006，烟雾浓度异常，置标志位为1，否则为0。 (2)根据温度和烟雾的异常标志位判断现场情况 2个标志位均为0，表示情况正常；2个中仅有1个为1，表示情况异常；2个均为1，表示有火灾发生，。 (3)综合两次情况做最后判断，并予以报警 若53H和56H中数据不相同，说明是误报，调故障报警子程序；否则按该单元中的数据调相应的报警子程序。报警器具有以下特点： (1)能对室内烟雾(CO2，CO)及温度突变进行报警(声光报警)。 (

15、2)如果出现硬件故障(如传感器遗落、内部元器件损坏等)，能发出故障报警。 (3)如果只有一种参数出现异常(如烟雾浓度过大或是温度较高)，能发出异常报警信号，令值班人员到现场处理。 (4)如果烟雾和温度同时出现异常，则说明有火灾，发出火灾警报。测量对象MQ-7半导体传感器放大调理模数转换器单片机排风风扇蜂鸣报警器显示电路键 盘其他控制电路 图1-1由半导体传感器构成的气体测量及报警器总体设计框图电化学传感器温度 传感器放大调理放大调理多路开关模数转换器单片机测量对象蜂鸣报警器键 盘浓度显示排风风扇图1-2由电化学传感器构成的气体测量及报警器总体设计框图根据以上两方案的比较：首先，其在常温条件工作

16、时，不需要温度补偿电路，因此选此传感器省去了设计温度补偿电路的麻烦。放大调理电路也可用一般放大电路代替，显示采用LED动态显示电路，选用LED显示器是它便宜方便简单，它较指针式显示要准确，比液晶显示价格便宜而且晚上亮度高。按键电路采用独立按键，它适合于按键比较少的情况。复位电路采用看门狗上电复位，可以防止程序“跑飞”现象。单片机采用AT89S51单片机为控制核心，完成数据的处理工作。A/D转换采用ADC0809模数转换器。因此可得到该方案的总体设计框图如图1-1所示。复位电路可以采用典型的上电复位或者是按键复位电路，单片机采用AT89S51单片机为核心，完成数据的处理工作。方案二：选择集成温度

17、传感器AD590和气体传感器TGS202用作采集系统的敏感元件。 AD590是美国Analog Devices公司生产的一种电流型二端温度传感器。但由于选用集成温度传感器AD590和气体传感器TGS202作为敏感元件，利用多传感器信息融合技术，开发了可用于室内烟雾环境测控系统。此传感器需要温度补偿电路，以温度传感器采集的温度信号送入单片机处理来对气敏传感器进行温度补偿，放大调理电路采用一般放大电路，显示电路有三种方式可以选择指针式显示、用液晶显示或用LED显示器，按键采用矩阵式按键，编程比较复杂。在实际操作中使用性不大，较为麻烦。所以本设计中使用性不大。因此，综合考虑成本、易操作性、系统性能等

18、因素，选择方案一较为合理。第二章：硬件设计部分本设计的烟雾报警器装置的主要由采集模块、放大模块、模数转换模块和单片机控制模块组成。其中采集模块与数据处理及单片机的控制模块是本设计的关键之处。现在我们来美国华瑞科学仪器公司生产的。方案二是选用深圳商斯达实业有限公司生产的MQ-7型半单体式烟雾传感器。火灾传感器按其结构和作用原理不同，可分为感温探测器，感烟探测器，感光探测器，可燃气体探测器等，它们分别适用于不同场合。为了准确的进行火灾报警，针对商场，选用合适的温度和烟雾传感器是准确报警的前提，综合考虑各种因素，本系统选择集成温度传感器AD590和气体传感器TGS202用作采集系统的敏感元件。AD5

19、90是美国Analog Devices公司生产的一种电流型二端温度传感器。电路如图4所示。由于AD590是电流型温度传感器，它的输出同绝对温度成正比，即1uA/k,而数模转换芯片AD0809的输入要求是电压量，所以在AD590的负极接出一个10k欧的电阻R1和一个100欧的可调电阻W，将电流量变为电压量送入ADC0809。通过调节可调电阻，便可在输出端VT获得与绝对温度成正比的电压量，即10mV/K。火灾中气体烟雾主要是CO2和CO。TGS202气体传感器都能探测CO2，CO，甲烷，煤气等多种气体，它灵敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体的探测，如图所示，当TGS202探测到CO2或CO时，传感

20、器的内阻变小，VA迅速上升。选择适当的电阻阻值，使得当气体浓度达到一定程度（如CO浓度达到0.06%）时，VA端获得适当的电压（设为3V）。符号参数名称技术条件Tao 使用温度-20-50as 储存温度-20-50RH 相对湿度小于 95%RHO2 氧气浓度21%(标准条件)氧气浓度会影响灵敏度特性 表1 TGS202环境条件表 因此该方案的要用到两种传感器，气敏传感器和温度传感器。该方案的设计能够很好的检测出环境中一氧化碳的浓度并能进行实时显示。但依据课题的使用范围而言，该设计过于繁琐设计难度高并且不够经济实惠。特点：在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度 对液化气、丙烷、氢气 的灵敏度

21、较高 长寿命、低成本 简单的驱动电路即可 应用：家庭用气体泄漏报警器工业用可燃气体报警器便携式气体检测器MQ-7气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-7气体传感器对烟雾的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。图1是传感器典型的灵敏度特性曲线。图中纵坐标为传感器的电阻比（Rs/Ro），横坐标为气体浓度。Rs 表示传感器在不同浓度气体

22、中的电阻值Ro 表示传感器在1000ppm 空气中的电阻值图一：灵敏度特性曲线图2：传感器的温度、湿度特性曲线图2图中纵坐标是传感器的电阻比（Rs/Ro）。Rs表示在含1000ppm 丙烷、不同温/湿度下传感器的电阻值Ro表示在含1000ppm 丙烷、20/65%RH环境条件下传感器的电阻值。+5VABA or BHHV55555VRLVOUT 图3：传感器的基本测试电路传感器的表面电阻Rs，是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号VRL输出而获得的。二者之间的关系为： Rs/RL = (Vc-VRL) / VRL 规格：A.符号参数名称技术条件备注 Vc 回路电压24VDC VH加热电压

23、5.0V0.2VACorDC RL负载电阻可调 RH加热电阻313室温 PH加热功耗900mW符号参数名称技术条件备注 Tao使用温度-1050 Tas储存温度-2070 R相对湿度小于95% R 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 符号参数名称 技术参数 备注 Rs敏感体表面电阻 适用范围： 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 不少于4分钟敏感体功耗（Ps）值可用下式计算： 传感器电阻（Rs），可用下式计算：Ps=Vc2Rs/(Rs+RL)2 Rs=(Vc/VRL-1)R

24、LMQ-7气敏元件的结构和外形如图4所示( 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只针状管脚，其中个用于信号取出，个用于提供加热电流。 AT89S51是一个低功耗，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，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

25、单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。 此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外

26、中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 8031 CPU与MCS-51 兼容 4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环) 全静态工作：0Hz-24KHz 三级程序存储器保密锁定 128*8位内部RAM 32条可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 6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AT89S51单片机的引脚图如下：ALE/PROG21传感器182071VCCT2/P1.0T2EX/P1.1EA/VPPP0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.4/AD4P0.5/A

27、D5P0.6/AD6P0.7/AD7PSENP2.7/A15MOSI/P1.5MISO/P1.6SCK/P1.7RSTP2.4/A12P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A9RXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7P1.2P1.3P1.4XTAL2XTAL1GNDP2.5/A13P2.6/A14P0.3/AD3211109854319161514121713628272625242322373635343332313040393829P2.0/A8 图2-6 AT89S51的外部引脚图各引脚功能如下：VC

28、C：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部

29、上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用

30、作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表3-1所示。端口引脚第二功能P3.0RED（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INTO（外中断0）P3.3/INT1（外中断1）P3.4T0（定时/计数器0）P3.5T1（定时/计数器1）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器读选通）表 P3口的第二功能I/O口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚读端口时实际上并不从外部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内部总线经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器只有读端口时才

31、真正地把外部的数据读入到内部总线上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作这是由硬件自动完成的不需要我们操心1然后再实行读引脚操作否则就可能读入出错为什么看上面的图如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q为1加到场效应管栅极的信号为1该场效应管就导通对地呈现低阻抗,此时即使引脚上输入的信号为1也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1若先执行置1操作则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入由于在输入操作时还必须附加一个准备动作所以这类I/O口被称为准双向口89C51的P0/P

32、1/P2/P3口作为输入时都是准双向口接下来让我们再看另一个问题从图中可以看出这四个端口还有一个差别除了P1口外P0P2P3口都还有其他的功能 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。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地址上置0。此时，ALE只有

33、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信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路

34、的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。本芯片比其他系列芯片有很大的优点，表现在以下几个方面：AT89S51 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，采用此单片机作为本设计的主控模块，能够多次修改烧写的程序而不浪费资源。采用AT89S51而不采用AT89C51，原因在于AT89S51与AT89C51相比

35、，外型管脚完全相同，AT89C51的HEX程序无须任何转换可直接在AT89S51运行，结果一样。AT89S51比AT89C51新增了一些功能，支持在线编程是其主要特点1。它们之间主要区别在于以下几点：1.引脚功能：管脚几乎相同，变化的有，在AT89S51中P1.5、P1.6、P1.7具有第二功能，即这3个引脚的第二功能组成了串行ISP编程的接口。2.编程功能：AT89C51仅支持并行编程，而AT89S51不但支持并行编程还支持ISP再线编程。在编程电压方面，AT89C51的编程电压除正常工作的5V外，另Vpp需要12V，而AT89S51仅仅需要4-5V即可。3.烧写次数更高：AT89S51标称

36、烧写次数是1000次，实为1000-10000次，这样更有利开始学习者反复烧写，降低学习成本。4.工作频率更高：AT89C51极限工作频率是24MHZ，而AT89S51最高工作频率是33MHZ，(AT89S51芯片有两中型号，支持最高工作频率分别为24MHZ和33MHZ)从而具有更快的计算速度。5.电源范围更宽：AT89S51工作电压范围，达4-5.5V，而AT89C51在底于4.8V和高于5.3V的时侯则无法正常工作。6.抗干扰性更强：AT89S51内部集成看门狗计时器(Watchdog Timer)，而AT89C51需外接看门狗计时器电路，或者用单片机内部定时器构成软件看门狗来实现软件抗干

37、扰。 检测电路包括烟雾气体浓度检测电路和气敏元件损坏检测电路两部分，原理电路如图2-5所示。气敏传感器选用MQ-7型，这是由金属氧化物半导体材料制成的“气电”转换器件。当气敏器件在含有烟雾的气体中时，其表面会发生化学吸附，使本身电阻下降，且烟雾气体浓度越高，电阻下降越多，通过电阻RL端的电压输出即可获得“气电”信号，并送入模数转换器处理后送单片机进行数据处理完成气体浓度的检测。 图 检测电路气敏传感器在使用中，其热丝可能烧断，但难以发现，致使用户在毫不知情的情况下继续使用已失效的气体报警器。为能及时发现传感器的损坏，本系统特别设计了气敏元件自检电路（由R3R7、VT2、VT3等组成），元件正常

38、时，R3上有电压信号，如热丝烧断，该信号为0，VT3集电极输出低电平至单片机，点亮黄灯报警，能使用户及时发现。同时，气敏传感器不直接焊入电路，而是通过七脚电子管座与电路连接，若损坏可方便地从管座中拨出换新，从而解决了更换难的问题。根据图2-2传感器的参数和图2-5的电路可依据基本的换算公式得出输出电压与烟雾浓度的关系式，并得出输出电压与烟雾浓度的对应数据。 单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，AT89S51单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。本次设计采用内部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，就构成了

39、内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如所示。两电容器容量为15P，两电容起稳定振荡频率、快速起振的作用。晶振频率的典型值为12MHz，采用6MHz的情况也比较多。此种振荡方式所得的时钟情号比较稳定，实用电路中使用较多。 晶振电路时为系统提供基本的时钟信号。AT89S51引脚XTAL1和XTAL2与晶体振荡器及电容C1、C2按图3-4所示方式连接。晶振、电容C1/C2片内与非门（作为反馈、放大元件）构成了电容三点式振荡器，振荡信号频率与晶振频率及电容C1、C2的容量有关，但主要是由晶振频率决定。本设计中采用

40、12MHz作为系统的外部晶振。电容取值为30pF。图 时钟电路在设计中，为了防止程序的“跑飞”，采用了在工业监控系统和微处理器中已得到广泛应用的看门狗电路，它可以有效的防止程序的“跑飞”，并自动将系统恢复正常工作状态。当外来干扰导致数据总线、I/O 总线或控制总线上的数字信号错乱时，将引发一系列的后果，特别是程序指针计数器PC值受干扰而改变时，将引起程序“跑飞”，使系统出现死机或其他一些不可预知的7看门狗电路的设计可以采用硬件看门狗和软件看门狗硬件看门狗可采用的芯片也有好多种，如X5045、4060等等，本次设计采用的是MAX813MAX813L 是美国MAXIM公司生产的低价格单片机监控电路

41、。它减少了在微处理器系统中采用分离元件来实现监控功能所用的元器件数量和复杂性，并能提高系统的可靠性和准确性。它除有看门狗作用以外，还有电源电压检测和上电(手动) 复位的功能。在图2-9中，芯片MAX813L 的PEI 用于监测电源电压， 如果PFI 端输入的与电源电压成正比的电压低于1.25V ，则PFO 端输出为低电平， 这个负脉冲可以作为微处理器的中断脉冲，但由于本次设计在掉电后没有什么需要保护的数据，所以此功能没用。看门狗电路监测着AT89S51单片机的状态。如果AT89S51单片机在1.6 秒之 内没有触发看门狗输入端WDI 并且WDI 端不是处于三态状态， 那么WDO 将变为低电平。

42、一旦RESET 信号产生或者WDI 输入为三态， 看门狗定时器就会被清零且不计数。除非RESET 信号消失而且WDI 端置为高电平或者低电平(即不是处于高阻状态) ， 看门狗定时器又将开始计数。 图 看门狗电路原理图阻R 1 和R 2 分压产生1. 25V电源门限值。当此脚的电压低于1. 25V 时，即电源电压低于额定值时， PFO 将产生一个脉冲信号， 可以用于向AT89S51单片机发出中断， 使CPU 完成应急处理。在软件的编制中， 每次程序通过定时器中断对P1. 7 的位操作向MAX813L 的看门狗输入端输入一个负脉冲。如果程序出现“跑飞”现象，程序将不能正常运行，这个定时发出的脉冲也

43、得不到保障。当单片机超过1. 6 秒未向MAX813L 的看门狗输入端发脉冲信号， MAX813L 内部的定时器将会强制将WDO 拉到低电平， 这个低电平通过MR产生复位信号。单片机复位后从初始状态开始运行，从而保证系统的可靠性，起到了看门狗的作用。A/D转换电路的主要作用是将MQ-7型烟雾传感器采集得到的模拟电压信号转换为单片机AT89S51可识别的数字信号，然后才能用单片机进行各种处理，可以采用的A/D转换器有很多种，有串行A/D转换器，和并行A/D转换器，有8位的、12位的等等，本次设计考虑到适用性原则采用8位并行A/D转换器ADC0809。2.5.1 ADC0809的介绍 ADC080

44、9是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。 （1）ADC0809的内部逻辑结构 ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 （2） 引脚结构 IN0IN7：8条模拟量输入通道 ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量

45、在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线：4条 ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。表 ADC0809通道选择表CBA选择的通道000INT0001INT1010INT2011INT3100INT4101INT5110INT6111INT7数字量输出及控制线：11条 ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿

46、时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。 CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ， VREF（），VREF（）为参考电压输入。 2.5.2 ADC0809应用说明 （1） ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。 （2） 初始化时，使ST和O

47、E信号全为低电平。 （3） 送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。 （4） 在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 （5） 是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。 （6） 当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号，当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为

48、数字量输出线1。 CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ。 VREF（），VREF（）为参考电压输入。 3显示电路可以采用LED显示、LCD显示或者指针式显示3种方案，指针式显示在本次设计中存在指示不准确的缺点在前面已做过介绍。同时又考虑到LED显示亮度大，在夜晚很方便而且价格便宜，所以本次设计采用LED显示。LED显示又有LED动态显示和静态显示两种方案可供选择3静态显示：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱

49、动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，在本次设计中，如果采用这种方式显示，则驱动3个数码管静态显示则需要3824根I/O端口来驱动，但A89S51单片机可用的I/O端口才32个，在本次设计中还有A/D转换器，按键等电路需要用到I/O口，所以I/O显得有所不足，而且应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 图 显示驱动电路原理 动态显示：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“a、b、c、d、e、f、g、dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极烟雾M增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线

50、控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通烟雾M端电路的控制，我们只要将需要显,但A89S51单片机可用的I/O端口才32个，在本次设计中还有A/D转换器，按键等电路需要用到I/O口，所以I/O显得有所不足，而且应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的烟雾M端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位

51、数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，如果在本次设计中采用此种显示方式，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。 经过以上的比较可以看出，在本次设计中采用动态显示比静态显示要好，故设计中采用动态显示方式。在设计LED驱时候，可以选择共阳接法和共阴接法6。共阳的时候LED正端接正电源，负端通过一个限流电阻接P口，这时不用接上拉电阻，只要这个限流电阻z值取合适，就可以了发光管亮的时候电流就是从电源正LED限流电阻P口，P口为低电位发光管灭的时候没有电流流过，P口为高电位或高阻状态共阴接法，LED负端接地，正端直

52、接P口，这时候要接上拉电阻，这个上拉电阻是提供LED发光用的，发光管亮的时候电流是从电源正上拉电阻LED 地。这时上拉电阻也是限流用的。P口为高电位或高阻状态发光管暗的时候电流是从电源正上拉电阻P口，这时LED无电流流过，P口为低电位，限流电阻上流过电流全部从P口流入。至于本次设计是采用共阳接法还是共阴接法，要从AT89S51单片机的驱动能力讲起。AT89S51单片机输出驱动分为高电平驱动和低电平驱动两种方式，所谓高电平驱动，就是端口输出高电平时的驱动能力，所谓低电平驱动，就是端口输出低电平时的驱动能力，当AT89S51单片机输出高电平时，其驱动能力实际上是靠端口的上拉电阻来驱动的，实际测试表

53、明，AT89S51单片机的上拉电阻的阻值在 330K左右，也就是说如果靠高电平驱动，本质上就是靠330K的上拉电阻来提供电流的，当然该电流是非常小的，小的甚至连发光二极管也难以点亮，如果要保证LED正常发光，必须要外接一个1K左右的上拉电阻，问题是接了上拉电阻以后，每当端口变为低电平0的时候，那么上拉电阻被无用的导通，这将造成电源效率的下降，导致发热，纹波增大，以至于造成单片机工作不稳，因此很少有采用高电平直接驱动LED的，高电平驱动LED 实际上就是共阴接法。低电平驱动就不同了，端口为低电平0时，端口内部的开关管导通，可以驱动高达30多毫安的驱动电流，可以直接驱动LED负载，当端口为低电平0

54、时，尽管内部的上拉电阻也是消耗电流的，但是由于内部的上拉电阻很大，有330K，因此消耗电流极小，基本上不会影响电源效率，不会造成无用功的大量消耗，因此AT89S51单片机是不能用高电平直接驱动LED的，只能用低电平直接驱动LED，即只能用共阳数码管，而不能直接用共阴数码管。通过以上分析，得到在本次设计中采用LED动态显示方式 ，共阳接法。考虑到设计A/D转换器需要占用数据总线的问题，在此次采用串行口来发送LED显示的段码，发送的串行段码通过串并转换芯片74LS164转换后可送到LED段码端口17。本次显示电路的电路接口原理图如图2-11所示，在图2-11所示的电路中，74LS164是8位并行输出串行移位寄存器， 它具有两个串行输入端和8位并行输出端（QAQH）。CLEAR引脚为异步清零端，当其为低电平时，可使74LS164复位