一氧化碳报警器毕业设计

成都理工大学工程技术学院毕业论文一氧化碳报警器设计作者姓名：***专业名称：自动化指导教师：***讲师一氧化碳报警器设计--PAGEII-摘要随着计算机技术和通信技术的飞速发展，人类的生活水平有着日新月异的变化，“以人为本、舒适、便利、智能化”已成为家居系统的重要设计理念，家居智能化控制系统力求创造安全、舒适的生活环境的设计理念，成为当今众多开发商高度关注的卖点之一。为此本设计研制了智能家居控制系统中的报警系统。本设计根据设计任务和实际考察进行了方案设计和方案论证，并且设计了相应的硬件电路和软件系统，研制了一氧化碳报警器。该系统利用本文采用MQ-2型气敏传感器和STC12C5A60S2单片机为核心技术设计的一氧化碳报警器，运用单片机内部的十位模数转换器把传感器采集到的气体的浓度信号转换成数字信号，实现了气体或烟雾报警、报警限设置等功能，对有毒气体或烟雾检测报警的实现技术进行了的有意义的探索与研究，在有害气体监测实现方面有一定的参考价值。关键词 ：STC12C5A60S2气敏传感器继电器AbstractWiththedevelopmentrapidlyofcomputertechnologyandcommunicabletechnology,humanstandardoflivingchangelargely.Andtheideaofbasedonhuman,coziness,convenienceandintelligentizeisalreadybecomeimportantdesignideas,meanwhile,thedesignideaofaimingatestablishsafeandcomfortablelivingenvironmentisalsobecomingthesellingmeritthatlotsoflandagentshavemoreattention.Inthispaper,warningsystemofintelligenthousecontrolsystem.Designschemeanddemonstratedschemearecarriedoutbasedonthedesigntaskandobservationinreality,hardwareandsoftwaresystemisalldesigned,andCOALARMisproduced.ThesystemusestheMQ-2typegassensorandSTC12C5A60S2SCMasthecoretechnologyofcarbonmonoxidealarmdesign,usingtenbitanalogtodigitalconverterchipinternalgasconcentrationsignalcollectedbythesensorisconvertedintodigitalsignal,realizegasorsmokealarm,thealarmlimitsettingfunction,explorationandResearchontherealizationtechnologyofalarmtoxicgasorsmokedetectionismeaningful,theharmfulgasmonitoringsystemhasacertainreferencevalue.Keywords:STC12C5A60S2,gassensor,relay--PAGEIV-目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 IAbstract II目录 III前言 11绪论 21.1课题背景 21.2一氧化碳报警器的概述 31.3课题研究的目的及意义 41.4系统设计主要任务 42方案设计 52.1设计原理 52.2设计思路 52.3气体传感器的选定 62.4装置效果图 73硬件电路设计 83.1芯片介绍及相关电路模块设计 83.1.1STC12C5A60S2系列单片机简介 83.1.2MQ-2气敏传感器介绍 113.1.3显示电路的设计 133.1.4蜂鸣器概述 153.1.6按键设计 173.2系统功能扩展 173.3设计的硬件电路 174软件部分 194.1主程序设计 194.1.1主程序设计流程图 194.2A/D转换模块的编程 204.3按键设计编程 215系统制作及调试 225.1系统PCB板的制作 225.2硬件调试 235.2.1检测元器件 235.2.2检测各个引脚信号 235.3软件调试 23总结 24致谢 25参考文献 26附件系统程序 27--前言随着国家经济的提高，现代化、智能化的多功能建筑越来越多，家居安全事故的发生也就越来越多。所以，人们对安全防范要求也更高。针对智能家居的监控，实现了自动对家居里的可燃气体浓度的检测和报警，而实现气体浓度检测离不开高性能的气体传感器。从广义上讲，传感器就是能感受外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置。狭义上讲，传感器就是能将外界信息转换成电信号的装置。随着新技术和自动化的发展，传感器的使用数量越来越大，一切现代化仪器、设备几乎都离不开传感器。在工业生产中，尤其是自动化生产过程中，用各种传感器来检测和控制生产过程中的各个参数，如温度、压力、流量、PH值等，以便使设备工作在最佳状态，产品达到最好的质量。此次设计中所利用到的气体传感器就是要测量一氧化碳气体浓度的动态信号，并且利用数模转换芯片将浓度值转换为数字值，实现整个系统的检测与事故处理功能，实现智能控制。本文的一氧化碳报警器就是单片机应用系统的一种典型应用，要求能够检测一氧化碳气体浓度，并且在气体浓度超过给定值时能采取相关措施。由于一氧化碳中毒是家庭小区以及矿工企业常见事故，给人们生命财产安全带来了极大的危害。为了能减少事故的发生，提醒人们注意，迫切需要一氧化碳报警设备。1绪论1.1课题背景21世纪是信息时代，各种电信新技术推动了人类文明的进步。正是因为通信技术、计算机技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高，促使了家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量，家居智能化也正是在这种形势下应运而生的。智能家居控制系统的主要功能包括通信、设备自动控制、安全防范三个方面。所以，安全使用智能家居产品已成为大家关注的焦点。近年来，全国燃气行业发展迅猛，液化气、天然气、煤制气等城市燃气作为清洁能源已在工商业和城镇居民用户中得到广泛应用，城市燃气的普及与应用无疑对改善城市的环境质量和提高居民的生活质量发挥了巨大的作用。但是随着燃气的广泛应用，由于燃气泄漏所引发的爆炸、中毒和火灾事故也时有发生，这在某种程度上增加了城市的不安全和不稳定因素。为了使燃气更好地造福于民，造福于社会，减少并杜绝各种因燃气泄漏而引发的爆炸及火灾事故，各燃气使用单位及居民用户选择一种适合的燃气报警器实为必要之举。“报警早，损失少”，进一步说明了及时报警的重要性，在家庭里面也是如此，一旦发生火灾，提早报警，可以及时将火扑灭，以免小火酿成大灾。目前常用的有感烟、感温和可燃气体火灾报警器。像家庭中在使用煤气、液化石油气和天然气等燃料时，安装一个可燃气体报警器，当出现漏气或着火时，报警器能够立即鸣笛报警，告之主人及时采取措施。日本早在1980年1月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器的法规，1986年5月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。美国目前已有7个州11个城市通过立法，规定家庭、公寓等都要安装一氧化碳报警器。随着城市燃气化的扩大，我国已有北京市、辽宁省、黑龙江省、山西省、哈尔滨市、青岛市、大连等省市相继发布燃气安全管理文件，做到政府立法和百姓自身提高安全保护意识有机结合。一氧化碳（CO）为无色、无味、无臭、无刺激气体，比重0.967，几乎不溶于水，不易被活性炭吸附。当碳物质燃烧不完全时，可产生CO，如人体短时间内吸入较高浓度的CO，或浓度虽低，但吸时间较长，均可造成急性中毒。CO主要来自取暖燃料的燃烧，CO对人体的损害主要表现在损害血液输送氧气的能力，CO与血红蛋白结合能力超过氧和血红蛋白的结合能力的200--300倍，当CO与血红蛋白结合形成的碳氧血红蛋白含量达到5%时，就会对人体产生慢性损害，达到60%时就会昏迷，达到90%就会死亡。由于发生一氧化碳中毒事件的普遍性和隐蔽性，迫切需要一种能够很好的监控室内一氧化碳浓度的仪器，并且在一氧化碳浓度过高时能够采取相关措施防止火灾的发生，保护人们的生命财产安全。本文正是通过分析目前燃气报警器的现状，设计制作一氧化碳报警器，保障人们的生命财产安全。1.2一氧化碳报警器的概述燃气报警器的核心是气体传感器，俗称“电子鼻”。当气体传感器遇到燃气时，传感器电阻随燃气浓度而变化，随之产生电信号，供燃气报警器后级线路处理。经过电子线路处理变成浓度成比例变化的电压信号，由线性电路加以补偿，使信号线性化，经微机处理、逻辑分析，输出各种控制信号，即当燃气浓度达到报警设定值时，燃气报警器发出声光报警信号并可显示燃气浓度或启动外部联运设备（如排风扇、电磁阀）。选择一款优质的燃气报警器，首先要选择质量过关的传感器。质量不过关的传感器，一般16个月性能就下降，因而失去报警器的安全性，出现不报警或误报警现象，而一种好的传感器可连续使用十几年，特性也不会有什么变化。但是，报警器中的其它电子元件的寿命都是有限，先进国家也规定燃气报警器的有效期最多为五年。报警器都存在着检测误差，只要当着误差降低在5%以内这个报警器才符合使用要求。这就要求了气敏传感器性能必须符合这个条件，高精度的传感器是系统的灵魂。气体传感器受湿度、温度的影响较大，在条件需要的时候应该采用温度、湿度补偿来提高测量精度。1.3课题研究的目的及意义设计出性能更加可靠，经济实惠的一氧化碳报警器。目前，现有一氧化碳检测仪器主要是面对工矿企业或公共场所的检测，价格高昂，对家庭也是不适应的。因此，本次设计所面对的是广大居民，其优点在于：(1)成本低廉并能对一氧化碳准确报警。(2)该产品无需专业人员操作，只要放在合适位置，通电即可，连续使用、方便简捷。(3)能起到预防燃气、一氧化碳等气体造成的火灾、中毒等严重后果，使人们高枕无忧。1.4系统设计主要任务本文利用单片机电路制作一氧化碳报警器。设计过程中最关键的两个部分：系统硬件的设计和控制软件的编写。这也是在设计过程中需要解决的最关键的问题。（1）硬件问题一氧化碳报警器的硬件主要有3大部分，即CO浓度检测及显示模块、主控模块和报警模块。CO浓度检测模块主要由气敏传感器组成，它是整个系统中最关键的元件。主控模块由单片机及其相关软件组成，由程序对单片机进行控制。报警模块主要由蜂鸣器和继电器等组成，这个模块是对燃气浓度过高的时候的监测和报警。（2）软件问题它的软件设计主要包括主程序、A/D转换模块的编程、数码管显示的编程。主程序主要实现了系统的初始化，以及按键功能的编程，实现了软件硬件的结合，更改报警限值。要对程序进行多次调试，分块编程。对各个子程序块所解决的问题要相当明确。最后在制作完成硬件电路板后要调试出设计要求的功能。2方案设计设计就是根据题目的要求而对硬件和软件进行规划，并选择最合适的硬件电路和软件程序来达到目的。硬件设计是通过对设计要求的分析，对各种元器件的了解，而得出分立元件与集成块的某些连接方法，以达到设计的功能要求。并且把这些元器件焊接在一块电路板上。它包括对各种元器件的功能和接法的了解，以及对各种元器件的选择和设计方案的选择。软件设计是分析设计的硬件用程序实现其功能，并且调试优化产品功能。2.1设计原理本论文中的一氧化碳报警器以STC12C5A60S2单片机为控制核心，采用MQ-2型电阻式半导体传感器采集气体信息。首先，气体传感器送来的气体浓度对应的电压信号送入单片机；然后，在STC12C5A60S2单片机内A/D转换、气体浓度比较，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，判断气体浓度值是否超出报警限，当气体浓度超出设定的限定值时，蜂鸣器发出声音报警。另外由于气体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，保证气体传感器准确地、稳定地工作，报警器需要向气体传感器持续输出一个5V的电压。2.2设计思路一氧化碳报警器是不仅能够检测环境中的一切可燃气体的浓度还能检测烟雾浓度，并具有报警功能的仪器，仪器的最基本组成部分应包括：信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。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气体浓度值，可将浓度值送到显示屏中。为了方便调节报警限，本设计还加入了按键。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。根据此设计思路，选定了如下设计方案。系统使用STC12C5A60S2单片机，选用气敏传感器作为敏感元件，显示电路，及报警装置开发了可用于家庭或小型单位一氧化碳报警器。整个设计由3大部分构成：气敏传感器、STC12C5A60S2单片机、显示电路。气敏传感器是将现场气体浓度非电信号转化为电信号；转换电路是将完成将气体传感器输出的模拟信号到数字信号的转换。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，它的选型将在下一章详述。2.3气体传感器的选定气体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。气体传感器作为一氧化碳报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。由此可见，气体传感器的选型是非常重要的。由于气体的种类繁多，一种类型的气体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气体。根据报警器检测气体种类的要求，一般选用接触燃烧式气敏传感器和半导体气敏传感器。使用接触燃烧式气敏传感器，其探头的阻缓及中毒,是不可避免的问题。阻缓是当在气体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，导致该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。半导体气敏传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器以及用单晶半导体器件制作的气体传感器，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。半导体气敏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)。经过对比上述两种气敏传感器的应用特性，发现半导体气敏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，本设计采用半导体气敏传感器作为报警器气体信息采集部分的核心。而在众多半导体气敏传感器中，本设计选用MQ-2型气敏传感器，这种型号的传感器具备一般半导体气敏传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。下一章将对MQ-2型气敏传感器做详细的介绍。2.4装置效果图图2.1成品效果图3硬件电路设计硬件电路形象的说就是整个装置的框架，硬件电路的设计，直接影响装置功能能否实现。硬件电路的设计首先必须了解各原件的性能指标，工作原理，以及整体的电路连接。3.1芯片介绍及相关电路模块设计集成块出现使硬件电路设计更加简单易懂，从而得到了广泛的应用。在这次毕业设计中用到的主要芯片有单片机STC12C5A60S2、MQ-2气体传感器、LED数码显示器等，下面详细介绍它们具体的应用方法。3.1.1STC12C5A60S2系列单片机简介STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S.，即25万次每秒)，针对电机控制，强干扰场合。STC12C5A60S2单片机引脚图如图3.1。此单片机主要特点：（1）增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051。（2）工作电压：STC12C5A60S2系列工作电压：5.5V-3.5V（5V单片机）。（3）片上集成1280字节RAM。（4）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）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达20mA，但整个芯片最大不超过120mA。（5）ISP（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。（6）有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)。（7）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）。（8）内部含定时／计数器。（9）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，PowerDown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)。（10）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(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)。（11）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)。（12）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。（13）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)。STC12C5A60AD/S2系列带A/D转换的单片机的A/D转换口在P1口（P1.7-P1.0），有8路10位高速A/D转换器，速度可达到250KHz（25万次/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。图3.1STC12C5A60S2单片机管脚图P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。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。P2口为一个内部上拉电阻的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。3.1.2MQ-2气敏传感器介绍1.MQ-2气敏传感器原理半导体气敏传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器以及用单晶半导体器件制作的气体传感器，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，主要检测各种还原性烟雾，如、、、等。因而得到广泛应用。半导体气体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)。而设计中MQ-2/MQ-2S气敏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()。当传感器所处环境中存在可燃性气体时，传感器的电导率随空气中可燃性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-2型传感器的外观如下图所示。图3.2MQ-2型传感器的外观MQ-2气敏元件由微型陶瓷管、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。其电路图如图3.3。图3.3MQ-2气敏传感器电路图MQ-2气敏传感器的特性及主要技术指标(1)MQ-2气敏传感器的基本特性①灵敏度特性气敏传感器在最佳工作条件下，接触同一种气体或烟雾，其电阻值随气体浓度变化的特性称之为灵敏度特性，用表示。(3-1)式中，为气敏传感器洁净空气条件下的电阻值，为气敏传感器在一定浓度的检测气体或烟雾中的电阻值。虽然对于不同的气体或烟雾，器件灵敏度特性的值也会各有差异，但是它们都遵循同一规律，(3-2)式中，为器件相对气体或烟雾浓度变化的敏感性，又称烟雾分离能，对于烟雾，值为1/2~1/3；为检测烟雾的浓度。为与检测烟雾，器件材料有关，并随测试温度和材料中有无增感剂而有所不同。②初期稳定特性半导体气敏传感器在不通电状态存放一段时间后，再通电时，器件并不能立即投入正常工作。这是因为气敏传感器中的二氧化锡在不通电的状态下会吸附空气中的水蒸气，当再次通电时需要预热几分钟使水蒸气蒸发后，气敏电阻才能正常工作。再通电工作时气敏电阻值达到稳定时所需要的时间，定义为初期稳定时间。③加热特性半导体气敏传感器一般要在较高的温度(200~450℃)下工作，所以需要对其加热。(2) MQ-2型传感器的特性参数①回路电压：()5~24V②取样电阻：()0.1~20K③加热电压：()5±0.2V④加热功率：(P)约750mW⑤灵敏度：以甲烷为例(air)/(0.1%)＞5⑥响应时间：Tres＜10秒⑦恢复时间：Trec＜30秒3.1.3显示电路的设计显示电路中直接用单片机的8位数据口作为数码管的8段显示驱动口。这种显示方式虽然简便，电路也最简单，但显示的位数很少（最多四位）。但已经满足了此次设计要求，所以选用此种方式。1.LED的结构原理发光二极管是一种将电能转变成光能的半导体器件。简称LED(LightEmittingDiode)。LED数码管结构简单，价格便宜。LED显示器是单片机应用系统中常用的廉价输出设备。它是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一段笔画发亮。控制不同组合的二级管导通，就能显示出各种字符。使用LED显示器的时候，为了显示数字或是字符，要为LED显示器提供代码，因为这些代码是通过各个段的亮与灭来显示不同字符的，因此称之为段码。2.LED显示器工作原理由N个LED显示块可以接成N位LED显示器。N个LED显示块有N根位选线和8*N根段选线。根据显示方式的不同，位选线和段选线的连接方法也各不同。段选线控制显示字符的字型，而位选线为各个LED显示块的公共端，它控制该LED显示位的亮暗。（1）LED静态显示方式LED显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极或是共阳极连接在一起并接地（或是+5V）；每段的段选线（a～dp）分别与一个8位的锁存器输出连接。所以称为静态显示。LED的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另一个字符为止。也正是因为如此，静态显示的亮度都较高。（2）LED动态显示方式在多位LED显示时，为了简化硬件电路，通常将所有位的段选线相应的并联在一起，由一个8位I/O口控制，形成段选线的多路复用。而各位的共阴极或是共阳极分别由相应的I/O线控制，实现各位的分时选通。采用扫描显示方式，即在某一时刻，只要让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的为选线处于关闭状态，同时，段选线上输出相应位要显示字符的段码。如此循环下去，就可以使各位显示出将要显示的字符。虽然这些字符上在不同时刻出现的，而且同一时刻，只有一个位显示，其他各位熄灭，但是LED显示器的余辉和人眼的视觉暂留作用，只要每位显示间隔足够短，则可以造成多位同时亮的假象，达到同时显示的目的。本次设计是使用了数码管的动态显示方式。综上所述，显示电路的连接方式及工作原理都已经清楚明了。本次设计中选用的数码管是共阳极LED。设计中使用P1.0-P1.3作为数码管的位选端，P2.0—P2.7控制数码管的暗、亮，用于显示传感器所检测到的浓度值。其功能主要是通过软件编程来实现的。显示电路如图3.4。图3.4数码显示管与单片机的连接图3.1.4蜂鸣器概述蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。蜂鸣器驱动原理图如图3.5。图3.5蜂鸣器原理图蜂鸣器驱动电路一般都包含以下几个部分：一个三极管、一个蜂鸣器、一个续流二极管和一个电源滤波电容。①蜂鸣器发声元件，在其两端施加直流电压（有源蜂鸣器）或者方波（无源蜂鸣器）就可以发声，其主要参数是外形尺寸、发声方向、工作电压、工作频率、工作电流、驱动方式（直流/方波）等。这些都可以根据需要来选择。②续流二极管蜂鸣器本质上是一个感性元件，其电流不能瞬变，因此必须有一个续流二极管提供续流。否则，在蜂鸣器两端会产生几十伏的尖峰电压，可能损坏驱动三极管，并干扰整个电路系统的其它部分。③滤波电容滤波电容C1的作用是滤波，滤除蜂鸣器电流对其它部分的影响，也可改善电源的交流阻抗，如果可能，最好是再并联一个220uF的电解电容。④三极管三极管Q1起开关作用，其基极的高电平使三极管饱和导通，使蜂鸣器发声；而基极低电平则使三极管关闭，蜂鸣器停止发声。3.1.5继电器原理继电器是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。作为控制元件，概括起来，继电器有如下几种作用：①扩大控制范围：例如，多触点继电器控制信号达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路。②放大：例如，灵敏型继电器、中间继电器等，用一个很微小的控制量，可以控制很大功率的电路。③综合信号：例如，当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时，经过比较综合，达到预定的控制效果。④自动、遥控、监测：例如，自动装置上的继电器与其他电器一起，可以组成程序控制线路，从而实现自动化运行。3.1.6按键设计本设计中设置了3个按键功能K1、K2、K3，分别连接在单片机P1.4、P1.5、P1.7端口。按下K1“设置键”，系统进入报警值设置菜单，数码管显示当前的报警阀值，此时按K2“加”键，报警阀值加“1”；按K3“减”键，报警阀值减“1”。设置好报警阀值后按下K1“设置键”，系统退出设置菜单，进入烟雾浓度测量显示菜单。3.2系统功能扩展系统还有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。本系统设置了按键功能更改报警限值。系统还留有继电器接口，可以带动排风扇，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。3.3设计的硬件电路通过对上面各组成部分的方案的设计，分析和选用，至此，硬件部分完整的电路图已经定型，具体功能实现电路图如下图3.6所示。图3.6设计的总体电路图4软件部分装置的硬件部分如过说是躯壳，则系统的软件部分则是整个装置的内脏，硬件做的再好，再漂亮，没有软件程序的驱动，它就真正的成为了一个躯壳，功能无法实现。只有软件的驱动加上硬件的准确才能实现装置的功能。二者缺一不可，所以软件的设计对整个装置同样是至关重要的。4.1主程序设计C语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。C语言有功能丰富的库函数、运算速度快、编译效率高、有良好的可移植性，而且可以直接实现对系统硬件的控制。C语言是一种结构化程序设计语言，它支持当前程序设计中广泛采用的由顶向下结构化程序设计技术。此外，C语言程序具有完善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。因此，使用C语言进行程序设计已成为软件开发的一个主流。用C语言来编写目标系统软件，会大大缩短开发周期，且明显地增加软件的可读性，便于改进和扩充，从而研制出规模更大、性能更完备的系统，用C语言进行单片机程序设计是单片机开发与应用的必然趋势。所以作为一个技术全面并涉足较大规模的软件系统开发的单片机开发人员最好能够掌握基本的C语言编程。使用C语言肯定要使用到C编译器，以便把写好的C程序编译为机器码，这样单片机才能执行编写好的程序。4.1.1主程序设计流程图首先要给传感器预热三分钟，因为MQ-2型半导体电阻式气体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。STC12C5A60S2单片机对传感器检测的气体浓度信号进行A/D转换，将浓度值与报警限设定值相比较，判断是否报警。主程序流程图如图4.1。程序见附件。--图4.1程序流程图4.2A/D转换模块的编程STC12C5A60S2系列单片机的ADC是逐次比较型ADC。逐次比较型ADC由一个比较器和D/A转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位(MSB)开始，顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。逐次比较型A/D转换器具有速度高，功耗低等优点。A/D转换模块程序：/**********模数转换初始换函数******************/voidinit_ADC(){ P1_ADC_EN=0x40; ADC_DATA=0; ADC_LOW2=0; ADC_CONTR=ADC_SPEEDLL|ADC_POWER; delay_1ms(20);}/**********模数转换函数******************/uintADC(ucharnum)//参数num用于指定是哪个模拟量转换{ ADC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|num|ADC_START; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG)); ADC_CONTR&=~ADC_FLAG; ad_value=ADC_DATA*4+ADC_LOW2;//转换的结果是十位的高八位放在ADC_DATA中低两位放在ADC_LOW2 returnad_value; // 将转换后的数字量返回}4.3按键设计编程本报警器设计附加3个按键，功能分别为：按键K1“设置键”，系统进入报警值设置菜单，数码管显示当前的报警阀值，按键K2“加”键，报警阀值加“1”；按键K3“减”键，报警阀值减“1”。设置好报警阀值后按下K1“设置键”，系统退出设置菜单，进入烟雾浓度测量显示菜单，程序见附件。5系统制作及调试单片机的应用开发可分为以下五个过程。①硬件系统设计调试。如电路设计、PCB印制板绘制等。②应用程序的设计。③应用程序的仿真调试。指用仿真器对硬件进行在线调试或软件仿真调试，在调试中不断修改、完善硬件及软件。④单片机应用程序的烧写。用专用的单片机烧写器可将编译过的二进制源程序文件写入单片机(F1ashROM)芯片内。⑤系统脱机运行检查。进行全面检查，针对出现的问题修正硬件、软件或总体设计方案。5.1系统PCB板的制作电路设计好以后，PCB板的设计也是一个十分重要的内容。电路设计的合理，制成电路板后系统却工作不正常的事情屡见不鲜，究其原因，多半是PCB板的设计存在问题，特别是频率较高的电路和数字模拟混合电路的印刷线路板的设计。PCB板设计图如图5.1。图5.1PCB板设计图5.2硬件调试在印制电路板工作完成之后，根据设计的步骤要求我对自己的硬件电路板进行了调试工作，这里将调试的过程及在调试的过程中所遇到的问题提出来进行讨论，以便能够进一步的掌握设计工作的要领。5.2.1检测元器件检测所有元器件的好坏，是否正常工作，导线是否导通等。具体的实现方法是先检测电容、电阻及导线是否短接，采用的工具是万用表。5.2.2检测各个引脚信号给电路接通电源，大概用手摸一下元器件是否发热，有的话，关掉电源，进行再次检测；没有的话，则测试所有芯片的VCC端电压是否达到要求，接地端是否都接地，无误后，则开始对电路中所用到的引脚进行信号波形测试，所使用的工具最好是示波器。当以上检测都没有什么问题的时候，就可以烧写单片机程序，进行整体调试了，调试的结果能达到设计的要求数据，就算硬件设计工作完成。5.3软件调试本设计系统的控制程序是采用C-51语言编程，编程所采用的软件是KeiluVision2MCS-51编程软件。关于单片机C语言软件调试，在语句中出现的语法错误，该软件会提示出来，以便于更正。因此，软件调试主要的工作是检查头文件是否正确，是否与单片机的端口地址相匹配。其次，就是检查初始化程序的正确性，根据设计的要求定义正确的初始化程序，为后面程序的执行做好铺垫作用。然后就是根据软件实现步骤逐个检查程序的可行性，以及程序的嵌套性是否都能达到设计的要求。总结通过此次毕业设计，我明白了大学里的时间都是在学习自动化理论基础知识，并未真正地去应用和实践。设计期间我接触到了更多平时没有接触到的仪器设备、元器件以及相关的使用调试经验，发现了自己很多不足之处。我还体会到了所学理论知识的重要性：知识掌握得越多，设计得就更全面、更顺利、更好。通过搜集目前烟雾传感器的相关资料，了解国内外烟雾传感器的相关制作方法，并通过设计方案的比较，针对设计任务提出了可行方案。在设计方案中，结合单片机的功能特点及其控制特性，利用简便的单片机语言和其内部时钟，以单片机作为检测和控制的核心。根据设计方案，详细地阐述了单片机的控制原理、传感器使用方法、PCB板的制作，设计了相应的硬件电路和系统软件，制作了电路原理样机并进行调试。结果表明，所设计的电路和软件能完成基本的测试功能。在查阅相关资料的过程中，我复习了以前课堂上学过的专业知识，同时学习了一些从未接触过的但与我们生活息息相关的知识，并且有针对性地查找资料，然后加以吸收利用，以提高自己的应用能力，而且还能增长自己见识，补充最新的专业知识。致谢在论文完成之际，向我的导师朱里红老师表示深深的敬意！本设计是在朱老师的悉心指导下完成的，在此感谢朱老师在设计期间对我的指导，遇到困难时对我的帮助。使我在学到了好多知识，学会了能够透彻的分析问题解决能力的能力。同时，感谢在我大学期间给与我帮助的所有老师，培养了我热爱学习、勤学好问、创新探索的能力，让我学到了不少的知识，使我受益非浅，还培养了我解决问题和处理问题的能力，为我在今后的工作和生活中打下了基础。感谢本班同学在我遇到问题的时候对我的细心讲解，以及在生活中对我的帮助，给予我的关怀。参考文献[1]赵建领．51单片机开发与应用技术详解[M]．电子工业出版社.2009.[2]扬立．微型计算机原理与接口技术[M]．中国铁道出版社.2008.[3]李响初数字电路基础与应用[M]．机械工业出版社.2008.[4]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M]．机械工业出版社.2009.[5]莫正康.电力电子应用技术机械[M]工业出版社.2007.[6]卢艳君.单片机原理与应用[M].机械工业出版社.2008.[7]吴丙申,卞祖富.模拟电路基础[M].北京理工大学出版社.2007.[8]陈爱萍，何智勇，羊四清．电子显示屏的单片机控制系统[J]．自动化与仪表，1999(7)：54～57[9]赵瑞林.单片机原理与应用教程[M].北京：北京大学出版社.2005.1[10]张旭涛.单片机原理与应用[M].北京理工大学出版社.2008.[11]康维新.MCS-51单片机原理与应用[M].中国轻工业出版社.2009.[12]朱明程,李昆华,李远辉.智能一氧化碳报警器原理与设计[J].电子技术应用.1998.3.[13]唐少农,袁虎,毛导钦.程控一氧化碳报警器的设计[J].南华大学学报(理工版).2003,17(4).[14]邱关源.电路（第四版）[M].北京：高等教育出版社：2000.8。[15]沙占友.集成化智能传感器原理与应用[M].北京：电子工业出版社.2004.1：198~222.[16]赵宝军,吴冬艳等.一氧化碳报警器的研究[J].中华临床与卫生:2004.04.122~122.附件系统程序/*头文件*/#include<reg52.h>#include<intrins.h>/*AD寄存器定义*/sfrADC_CONTR=0xBC;sfrADC_DATA=0xBD;sfrADC_LOW2=0xBE;sfrP1_ADC_EN=0x9D;sfrP4=0xC0;/*****************宏定义******************/#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar#defineADC_POWER0x80#defineADC_FLAG0x10#defineADC_START0x08#defineADC_SPEEDHH0x00#defineADC_SPEEDH0x20#defineADC_SPEEDL0x40#defineADC_SPEEDLL0x60#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharuintad_value,NH4_value;floatAN_value;/***********位操作端口定义**************/sbitset_key=P1^4; //“设置”键K1sbitadd_key=P1^5; //“加”键K2sbitcut_key=P1^7; //“减”键K3sbitspeak=P3^7; //蜂鸣器sbitLED1=P3^6; // 红sbitLED2=P3^5; // 绿sbitqian_wei=P1^0;sbitbai_wei=P1^1;sbitshi_wei=P1^2;sbitge_wei=P1^3;uchary_data[4];//储存烟雾的数据intset_data=200;//报警初始值的设定uchartemp[4]={0,