【電氣工程及其自動(dòng)化】基于單片機(jī)的建筑火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

A 基礎(chǔ)理論 B 應(yīng)用研究 C 調(diào)查報(bào)告 D 其他本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）基于單片機(jī)的建筑火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)二級(jí)學(xué)院：信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化完成日期：2015年5月24日目 錄1 緒論21.1 課題背景21.2 設(shè)計(jì)概述21.3 建筑火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀31.4 建筑火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)31.5 設(shè)計(jì)任務(wù)分析42 總體方案設(shè)計(jì)42.1 煙霧檢測(cè)傳感器選型52.2.1 煙霧傳感器的介紹62.2.2 MQ-2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器102.2 單片機(jī)選型122.2.1 STC89C52單片機(jī)簡(jiǎn)介122.2.2 單片機(jī)的引腳功能描述132.2.3 溫度采集模塊153 系統(tǒng)的硬件電路153.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)153.2 單片機(jī)的時(shí)鐘電路與復(fù)位電路設(shè)計(jì)163.3 煙霧檢測(cè)AD采集電路173.4 顯示模塊183.5 聲音報(bào)警電路183.6 按鍵控制電路193.7 電源模塊193.8 溫度傳感器(DS18B20)電路203.8.1 DSl8B20簡(jiǎn)介203.8.2 DSl8B20具體參數(shù)及工作方式233.8.3 DSl8B20接口電路254 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)264.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)及流程圖265 硬件調(diào)試及調(diào)試中遇到的問題276 電路的調(diào)試277 總結(jié)評(píng)價(jià)27參考文獻(xiàn)29附件A：總體原理圖設(shè)計(jì)30附件B：部分程序源代碼31致 謝基于單片機(jī)的建筑火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要：本設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為核心，根據(jù)硬件線路的搭建，編寫程序，通過DS18B20溫度傳感器檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)溫度、MQ-2煙霧傳感器檢測(cè)煙霧濃度，蜂鳴器報(bào)警，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?zé)熿F濃度、現(xiàn)場(chǎng)溫度聲光及報(bào)警等功能。關(guān)鍵詞：煙霧傳感器；火災(zāi)監(jiān)控；STC89C52單片機(jī) Design of fire monitoring system in The building based on MCUAbstract:With STC89C52 microcontroller as the core,this design compile programs according to the construction of hardware circuit. By applying the DS18B20 temperature sensor to detect the temperature in the spot and the MQ-2 smoke transducer to detect the smoke concentration,the buzzer alarms, which realizes detecting smoke concentration, temperature, sound,light and alarming functions etc.Key words:smoke sensor;fire monitoring; STC89C52 microcontroller1 緒論1.1 課題背景隨著科技的發(fā)展，越來越多的巨大的隱患由于工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活而產(chǎn)生。為了早期發(fā)現(xiàn)和通報(bào)火災(zāi)，防止和減少火災(zāi)危害，保護(hù)人身和財(cái)產(chǎn)安全。保衛(wèi)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)，防止火災(zāi)引起燃燒、爆炸等事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及生命安全。為了減少這類事故的發(fā)生，就必須對(duì)煙霧進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)，采用先進(jìn)可靠的安全檢測(cè)儀表，嚴(yán)密監(jiān)測(cè)環(huán)境中煙霧的濃度，及早發(fā)現(xiàn)事故隱患，采取有效措施，避免事故發(fā)生，才能確保工業(yè)安全和 家庭生活安全。因此，研究煙霧的檢測(cè)方法與研制煙霧報(bào)警器就成為傳感器技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。 1.2 設(shè)計(jì)概述單片機(jī)及煙霧傳感器是火災(zāi)檢控系統(tǒng)的兩大核心。單片機(jī)好比一個(gè)橋梁，聯(lián)系著傳感器和報(bào)警電路設(shè)備。近幾年來，單片機(jī)已逐步深入應(yīng)用到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各部門及人們生活的各個(gè)方面。各種類型的單片機(jī)也根據(jù)社會(huì)的需求而開發(fā)出來。單片機(jī)是器件級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)際上它是一個(gè)微控制器或微處理器。由于它功能齊全，體積小，成本低，因此它可以應(yīng)用到所有電子系統(tǒng)中。同樣，它也可以廣泛應(yīng)用于報(bào)警技術(shù)領(lǐng)域，使各類報(bào)警裝置的功能更加完善，可靠性大大提高，以滿足社會(huì)發(fā)展的需要。而傳感器作為信息技術(shù)系統(tǒng)的“感官”器件，如果沒有“感官”感受信息，或者“感官”遲鈍，都難以形成高精度、高速度的控制系統(tǒng)。美國(guó)曾把二十世紀(jì)八十年代稱為傳感技術(shù)時(shí)代，日本更是把傳感技術(shù)列為十大技術(shù)之首。所以，根據(jù)火災(zāi)監(jiān)控功能的需要，選擇合適、精確、經(jīng)濟(jì)的煙霧傳感器和單片機(jī)芯片是至關(guān)重要的。本論文中最主要的設(shè)計(jì)是選STC89C52單片機(jī)和MQ-2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器為核心器件。 目前，現(xiàn)代建筑都會(huì)有選擇地安裝不同功能的火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。因?yàn)榛馂?zāi)監(jiān)控系統(tǒng)是建筑物的神經(jīng)系統(tǒng)，而煙霧傳感器作為火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的核心之一它能夠感受、接收著發(fā)生火災(zāi)的早期信號(hào)并及時(shí)報(bào)警，發(fā)出警報(bào)同時(shí)告知用戶和周邊居民。它就像是一個(gè)個(gè)稱職的更夫，給居住、忙碌或是休息在家庭中的人們以極大的安全感。在火災(zāi)的早期階段，準(zhǔn)確的探測(cè)到火情并迅速報(bào)警，對(duì)于及時(shí)組織有序快速疏散、積極有效地控制火災(zāi)的蔓延、快速滅火和減少火災(zāi)對(duì)居住人群的損失都具有重要的意義。1.3 建筑火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 煙霧傳感器作為火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的核心國(guó)外從20世紀(jì)30年代開始研究及開發(fā)煙霧傳感器，且發(fā)展迅速，一方面是因?yàn)槿藗儼踩庾R(shí)增強(qiáng)，對(duì)環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是因?yàn)閭鞲衅魇袌?chǎng)增長(zhǎng)受到政府安全法規(guī)的推動(dòng)。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)1996年2002年煙霧傳感器年均增長(zhǎng)率為27%30%。隨著傳感器生產(chǎn)工藝水平逐步提高，傳感器日益小型化、集成度不斷增大，使得煙霧檢測(cè)儀器的體積也逐漸變小，提高了煙霧檢測(cè)儀器的便攜性，更加利于生產(chǎn)、運(yùn)輸及市場(chǎng)推廣。 1963年5月，日本開發(fā)完成第一臺(tái)接觸燃燒式家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器，次年12月其改良產(chǎn)品問世，改良的報(bào)警器可以檢測(cè)燃?xì)狻⒁谎趸嫉葰怏w，可以安裝在浴室或者采用集中監(jiān)視。這在火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展中具有里程碑式的意義。 我國(guó)在70年代初期開始研制火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，生產(chǎn)型號(hào)多樣、品種較齊全，應(yīng)用范圍也由單一的煉油系統(tǒng)擴(kuò)展到幾乎所有危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境的各種類型監(jiān)控系統(tǒng)，產(chǎn)品數(shù)量也在不斷增加。但主要是在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的傳感器技術(shù)和先進(jìn)的生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，進(jìn)行研究與開發(fā)形成自己的特色。近年來，在煙霧選擇性和產(chǎn)品穩(wěn)定性上也有很大進(jìn)步。 1.4 建筑火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)面對(duì)人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)與技術(shù)急速發(fā)展的時(shí)代，伴隨這電子、計(jì)算機(jī)、通訊和現(xiàn)代控制技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代火災(zāi)監(jiān)控及自動(dòng)報(bào)警應(yīng)用技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)正在向著全總線制、軟件編程、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、多樣化、小型化、社區(qū)化、藍(lán)牙技術(shù)無線化、高靈敏化、綜合化等方面發(fā)展。針對(duì)當(dāng)前火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)存在的通訊協(xié)議不一致，系統(tǒng)誤報(bào)、漏報(bào)頻繁，智能化程度低，網(wǎng)絡(luò)化程度低、特殊惡劣環(huán)境的煙霧探測(cè)報(bào)警抗干擾等問題較為突出的現(xiàn)象，提出在符合國(guó)家消防規(guī)范的基礎(chǔ)下采用統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)、開放的通訊協(xié)議。通過對(duì)新技術(shù)、新工藝、新材料和新設(shè)備的應(yīng)用研究，對(duì)系統(tǒng)方案、設(shè)備選型的優(yōu)化組合，改進(jìn)建筑火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的工作性能、減少維護(hù)費(fèi)用和維護(hù)要求，向著高可靠性、高靈敏性、低誤報(bào)率、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、技術(shù)智能化方向發(fā)展，為更好的預(yù)防和遏制建筑火災(zāi)提供了強(qiáng)有力的保障，從而更好的保護(hù)國(guó)家和人民的生命、財(cái)產(chǎn)安全。1.5 設(shè)計(jì)任務(wù)分析本篇論文是建筑火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的研制：(1)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體規(guī)劃和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。(2)以STC89C52單片機(jī)為中央處理器，對(duì)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)，使其功能更加完善。系統(tǒng)硬件電路主要分為數(shù)據(jù)收集、聲音報(bào)警電路、狀態(tài)指示燈電路、數(shù)碼管顯示電路部分。 (3)系統(tǒng)的軟件編制。按照軟件實(shí)現(xiàn)的功能，主要分為主程序、初始化子程序、濃度顯示子程序、報(bào)警子程序、報(bào)警限值設(shè)置子程序。在程序的編寫過程中，加入了詳細(xì)的文字注釋，便于后期的改進(jìn)與維護(hù)。 (4)硬件電路和軟件的綜合調(diào)試。 2 總體方案設(shè)計(jì)建筑火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)是能夠檢測(cè)環(huán)境中的煙霧濃度，并具有報(bào)警功能的系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)的最基本組成部分應(yīng)包括：信號(hào)采集模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、字符顯示電路、聲光報(bào)警電路和安全保護(hù)電路等部分組成。為適應(yīng)家庭和工業(yè)等場(chǎng)所對(duì)可燃性易爆煙霧安全性要求，設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)具有顯示報(bào)警狀態(tài)。報(bào)警器采用延時(shí)的工作方式，煙霧檢測(cè)報(bào)警器以STC89C52單片機(jī)為控制核心，選用MQ-2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器采集煙霧濃度信息，配合外圍電路構(gòu)成煙霧報(bào)警系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)包括硬件和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。從設(shè)計(jì)的要求來分析該設(shè)計(jì)須包含如下結(jié)構(gòu)：煙霧檢測(cè)部分、STC89C52單片機(jī)主控部分、報(bào)警部分，AD采集四大部分。電路總題框圖如圖1所示： 電源開關(guān) 電源 STC89-C52 單片機(jī)AD采集電路顯示電路報(bào)警電路按鍵控制 圖1 總體設(shè)計(jì)框圖處理器采用51系列單片機(jī)STC89C52。整個(gè)系統(tǒng)是在系統(tǒng)軟件控制下工作的。設(shè)置在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的煙霧檢測(cè)探頭將檢測(cè)到的煙霧變換成電信號(hào)，送出模擬信號(hào)，給AD采集電路采集。在單片機(jī)內(nèi)，經(jīng)軟件查詢、識(shí)別判決等環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)發(fā)出煙霧報(bào)警狀態(tài)控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)蜂鳴器及報(bào)警指示燈報(bào)警。2.1 煙霧檢測(cè)傳感器選型煙霧傳感器是測(cè)量裝置和監(jiān)控系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。而火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的信號(hào)采集由煙霧傳感器負(fù)責(zé)。煙霧傳感器能夠?qū)怏w的種類及其濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱就可以獲得與待測(cè)氣體在環(huán)境中存在的情況有關(guān)的信息，從而達(dá)到檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警的功能?？梢哉f，沒有精確可靠的傳感器，就沒有精確可靠的自動(dòng)檢測(cè)、控制和報(bào)警系統(tǒng)。煙霧傳感器作為報(bào)警器中不可缺少的核心器件，它決定了所采集的煙霧濃度信號(hào)的準(zhǔn)確性和可靠性。煙霧傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示： 圖2 煙霧傳感器及其結(jié)構(gòu)圖2.2.1 煙霧傳感器的介紹煙霧傳感器是模擬傳感器。它能將空氣中的煙霧濃度變量轉(zhuǎn)換成有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系的輸出信號(hào)的裝置。煙霧傳感器就是通過監(jiān)測(cè)環(huán)境中煙霧的濃度來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范的。當(dāng)煙霧探頭碰到煙霧或某些特定的氣體，煙霧探頭內(nèi)部阻值發(fā)生變化，產(chǎn)生一個(gè)模擬值，從而對(duì)其進(jìn)行控制。煙霧傳感器利用煙霧敏感元件的電阻受煙霧（主要是可燃顆粒）濃度影響阻值變化的原理向單片機(jī)發(fā)送煙霧濃度相應(yīng)的模擬信號(hào)。在智能建筑中對(duì)火災(zāi)探測(cè)器的應(yīng)用主要以感煙火災(zāi)探測(cè)器選用為主。隨著傳感器生產(chǎn)工藝水平逐步提高，傳感器日益小型化、集成度不斷增大，使得煙霧探測(cè)器的體積也逐漸變小，提高了煙霧探測(cè)器的便攜性，更加利于生產(chǎn)、運(yùn)輸和市場(chǎng)推廣。目前，煙霧傳感器廣泛應(yīng)用在城市安防、小區(qū)、工廠、公司、學(xué)校、家庭、別墅、倉(cāng)庫(kù)、資源、石油、化工、燃?xì)廨斉涞缺姸囝I(lǐng)域。在國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品中，無論哪家生產(chǎn)的煙霧探測(cè)器，都可以探測(cè)到火災(zāi)的發(fā)生，都具有比較高的靈敏度，而且在安裝中都比較簡(jiǎn)單。但是，由于各生產(chǎn)的設(shè)備不可通用，獨(dú)立為正，不但不可彼此互相代替，更不可以互相通訊。使得用戶面對(duì)眾多廠家生產(chǎn)的煙霧探測(cè)器感到不知所措。而這也正是國(guó)內(nèi)產(chǎn)品市場(chǎng)的一個(gè)重大缺陷。（1）煙霧傳感器的分類從構(gòu)成氣體傳感器材料的形態(tài)上通常將它們分為干式和濕式氣體傳感器。由于對(duì)不同氣體的檢測(cè)方法不盡相同，目前主要的方法有：利用半導(dǎo)體氣體器件檢測(cè)的電氣法；使用電極和電解液對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)的電化學(xué)法；利用氣體對(duì)光的折射率或光吸收等特性來檢測(cè)氣體的光學(xué)法。 （2）煙霧傳感器應(yīng)滿足的基本條件 一個(gè)煙霧傳感器可以是單功能的，也可以是多功能的；可以是單一的實(shí)體，也可以是由多個(gè)不同功能傳感器組成的陣列。但是，任何一個(gè)完整的煙霧傳感器都必須具備以下條件： a.能選擇性地檢測(cè)某種單一煙霧，而對(duì)共存的其它煙霧不響應(yīng)或低響應(yīng)； b.對(duì)被測(cè)煙霧具有較高的靈敏度，能有效地檢測(cè)允許范圍內(nèi)的煙霧濃度；c.對(duì)檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)速度快，重復(fù)性好；d.長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性好； e.使用壽命長(zhǎng)； f.制造成本低，使用與維護(hù)方便。（3）常見的煙霧探測(cè)器種類及工作原理 為了確保家庭環(huán)境的安全，需要對(duì)各種可燃性氣體、有毒性氣體進(jìn)行檢測(cè)。但是，由于煙霧的種類繁多，一種類型的煙霧傳感器不可能檢測(cè)所有的氣體，通常只能檢測(cè)某一種或兩種特定性質(zhì)的煙霧。例如氧化物半導(dǎo)體煙霧傳感器主要檢測(cè)各種還原性煙霧，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固體電解質(zhì)煙霧傳感器主要用于檢測(cè)無機(jī)煙霧，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。因此目前使用的煙霧傳感器有很多種，各自的檢測(cè)原理也各不相同，下面就對(duì)一些常用的煙霧傳感器進(jìn)行介紹。a.半導(dǎo)體煙霧傳感器（半導(dǎo)體氣敏傳感器）半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器，以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器。半導(dǎo)體煙霧傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的。按照敏感機(jī)理分類，半導(dǎo)體煙霧傳感器可分為電阻式和非電阻式。當(dāng)半導(dǎo)體接觸到氣體時(shí)，半導(dǎo)體的電阻值將發(fā)生變化，利用傳感器輸出端阻值的變化來測(cè)定或控制氣體的有關(guān)參數(shù)，這種類型的傳感器稱為電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器；當(dāng)MOS場(chǎng)效應(yīng)管在接觸到氣體時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管的電壓將隨周圍氣體狀態(tài)的不同而發(fā)生變化，利用這種原理制成的傳感器被稱為非電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器。 自1962年半導(dǎo)體金屬氧化物煙霧傳感器問世以來，由于具有靈敏度高、響應(yīng)快、輸出信號(hào)強(qiáng)、耐久性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、維修方便、價(jià)格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。但是其最大的缺點(diǎn)就是選擇性較差。該傳感器己成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的煙霧傳感器之一。b.接觸燃燒式傳感器 當(dāng)易燃煙霧接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時(shí)會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)而燃燒。接觸燃燒式氣體傳感器的檢測(cè)元件一般為鉑金屬絲（也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層），使用時(shí)對(duì)鉑絲通以電流，保持300400的高溫，此時(shí)若與可燃性氣體接觸，可燃性氣體就會(huì)在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會(huì)上升，鉑絲的電阻值也上升；通過測(cè)量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道可燃性氣體的濃度。使用接觸燃燒式傳感器，其最大的缺點(diǎn)是探頭很容易發(fā)生阻緩和中毒現(xiàn)象。一般在連續(xù)使用兩個(gè)月后應(yīng)對(duì)該傳感器進(jìn)行維護(hù)。這無形中加大了工作人員的工作量，同時(shí)增加了報(bào)警器的維護(hù)成本。c.電化學(xué)傳感器 電化學(xué)傳感器由膜電極和電解液封裝而成。電化學(xué)氣敏傳感器一般利用液體（或固體、有機(jī)凝膠等）電解質(zhì)，其輸出形式可以是氣體直接氧化或還原產(chǎn)生的電流，也可以是離子作用于離子電極產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。即煙霧濃度信號(hào)將電解液分解成陰陽(yáng)帶電離子，通過電極將信號(hào)傳出。它的優(yōu)點(diǎn)是：反映速度快、準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測(cè)，但壽命較短(大約兩年)。它主要適用于毒性煙霧檢測(cè)。目前國(guó)際上絕大部分毒氣檢測(cè)采用該類型傳感器。 d.高分子煙霧傳感器 利用高分子氣敏元件制作的煙霧傳感器近年來得到很大的發(fā)展。高分子氣敏元件在遇到特定煙霧時(shí)，其電阻、介電常數(shù)、材料表面聲波傳播速度和頻率、材料重量等物理性能發(fā)生變化。高分子氣敏元件由于具有易操作性、工藝簡(jiǎn)單、常溫選擇性好、價(jià)格低廉、易與微結(jié)構(gòu)傳感器和聲表面波器件相結(jié)合，在毒性煙霧和食品鮮度等方面的檢測(cè)中具有重要作用。高分子煙霧傳感器具有對(duì)特定煙霧分子靈敏度高，選擇性好，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能在常溫下使用，可以彌補(bǔ)其它煙霧傳感器的不足。 e.紅外吸收型傳感器 紅外傳感器通常用兩束紅外光進(jìn)行煙霧測(cè)量，主光束通過測(cè)量元件內(nèi)的目標(biāo)煙霧，參考光束通過比較元件內(nèi)的參考煙霧。在測(cè)量和比較元件中，紅外射線被煙霧有選擇地吸收了。未吸收的紅外光由光電探測(cè)器測(cè)量，產(chǎn)生一個(gè)正比于目標(biāo)煙霧濃度的差分信號(hào)。非擴(kuò)散式紅外探測(cè)器NDIR (non-dispersive IR )是其中的一種，所有的未吸收光全部以最小的擴(kuò)散和損耗被記錄下來。 由于不同的煙霧吸收不同波長(zhǎng)的IR，所以傳感器根據(jù)目標(biāo)煙霧而調(diào)整，典型應(yīng)用包括測(cè)量CO和CO2、冷凍劑煙霧和一些易燃?xì)?。由于非碳?xì)浠衔镆兹紵熿F(如氫)不吸收電磁譜中IR部分的能量，所以這種傳感器可以精確地測(cè)量碳?xì)浠衔?，并具有最小的交叉靈敏度，而且不受其它煙霧的腐蝕以及高濃度目標(biāo)煙霧的影響。 f.離子感煙傳感器離子感煙傳感器對(duì)于火災(zāi)初起和陰燃階段的煙霧氣溶膠檢測(cè)非常有效，可測(cè)煙霧粒徑范圍為um。它在內(nèi)外電離室里面有放射源镅241。由于它能使兩極板間空氣分子電離為正、負(fù)離子，使電極之間原來不導(dǎo)電的空氣具有導(dǎo)電性。在正常的情況下，內(nèi)外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙霧粒子進(jìn)入電離室后，電力部分（區(qū)域）的正離子和負(fù)離子被吸附到煙霧粒子上，使正、負(fù)離子相互中和的概率增加，從而將煙霧粒子濃度大小以電流變化量大小表示出來，實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)參數(shù)的檢測(cè)。 g.光電式感煙傳感器 光電式感煙傳感器由光源、光敏元件和電子開關(guān)組成。平常光源發(fā)出的光，通過透鏡射到光敏元件上，電路維持正常，如果有煙霧從中阻隔，到達(dá)光敏元件上的光就顯著減弱，于是光敏元件就把光強(qiáng)的變化變成電的變化，利用光散射原理對(duì)火災(zāi)初期產(chǎn)生的煙霧進(jìn)行探測(cè)，并及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。按照光源不同，可分為一般光電式、激光光電式、紫外光光電式和紅外光光電式等4種。光電式感煙探測(cè)器發(fā)展很快，種類不斷增多，就其功能而言，它能實(shí)現(xiàn)早期火災(zāi)報(bào)警，除應(yīng)用于大型建筑物內(nèi)部外，還特別適用于電氣火災(zāi)危險(xiǎn)性較大的場(chǎng)所，如計(jì)算機(jī)房、儀器儀表室和電纜溝、隧道等處。根據(jù)報(bào)警器檢測(cè)煙霧種類的不同要求，很多場(chǎng)合都會(huì)選擇使用半導(dǎo)體煙霧傳感器。經(jīng)過對(duì)比眾多煙霧傳感器的應(yīng)用特性，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體煙霧傳感器的優(yōu)點(diǎn)更加突出。半導(dǎo)體煙霧傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，且不會(huì)發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護(hù)成本較低，因而得到廣泛應(yīng)用。因此，本設(shè)計(jì)中的煙霧傳感器選用MQ-2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器。2.2.2 MQ-2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器MQ-2半導(dǎo)體傳感器是以清潔空氣中電導(dǎo)率較低的金屬氧化物二氧化錫(SnO2)為主體的N型半導(dǎo)體氣敏元件。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在煙霧氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中煙霧氣體濃度的增加而增大。在設(shè)計(jì)報(bào)警器時(shí)只有使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。該傳感器具備一般半導(dǎo)體煙霧傳感器靈敏度高、電導(dǎo)率變化大、響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間短、抗干擾能力強(qiáng)、輸出信號(hào)大、壽命長(zhǎng)和工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在市面上應(yīng)用十分廣泛。二氧化錫(SnO2)半導(dǎo)體氣敏元件特點(diǎn)：（1）SnO2材料的物理、化學(xué)穩(wěn)定性較好，與其他類型氣敏元件相比，SnO2氣敏元件壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好、耐腐蝕性強(qiáng)。（2）SnO2氣敏元件對(duì)氣體檢測(cè)是可逆的，而且吸附、脫離時(shí)間短，可連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間使用。（3）SnO2氣敏元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠行較高，機(jī)械性能良好。MQ-2氣敏元件的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由微型Al2O3陶瓷管、SnO2 敏感層,測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個(gè)用于信號(hào)取出，2個(gè)用于提供加熱電流。 MQ-2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器適用于煙霧、天然氣、煤氣、氫氣、烷類氣體、汽油、煤油、乙炔、氨氣等的檢測(cè)，對(duì)可燃性氣體的（CH4、C4H10、H2等）的檢測(cè)很理想。這種傳感器在較寬的濃度范圍內(nèi)對(duì)煙霧氣體有良好的靈敏度，能夠檢測(cè)多種可燃性氣體，十分適合應(yīng)用在家庭的氣體泄漏報(bào)警器中。是一款便攜式氣體檢測(cè)器，非常適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。其技術(shù)指標(biāo)表1：表1 MQ-2的技術(shù)指標(biāo)加熱電壓（Vh） AC或DC 5±0.2V 回路電壓（VC）負(fù)載電陰（Rl）清潔空氣中電阻 （Ra） 靈敏度（S=Ra/Rdg）響應(yīng)時(shí)間(treC)恢復(fù)時(shí)間(treC)元件功耗檢測(cè)范圍使用壽命最大DC 24V2k2000 k4(在1000ppmC4H10中)10s30sw5010000ppm2年由于物理量和測(cè)量范圍的不同，傳感器的工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)就不同。通常煙霧傳感器輸出的電信號(hào)是模擬信號(hào)（已有許多新型傳感器采用數(shù)字量輸出）。當(dāng)信號(hào)的數(shù)值符合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入等級(jí)時(shí)，可以不用放大器放大；當(dāng)信號(hào)的數(shù)值不符合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入等級(jí)時(shí)，就需要放大器放大。所以MQ-2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器要想把采集到的煙霧濃度模擬信號(hào)傳送給單片機(jī)控制器就必須經(jīng)過將模擬信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為可以識(shí)別的電信號(hào)給單片機(jī)。 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意，氣敏元件開機(jī)通電時(shí)，其內(nèi)阻很小，但經(jīng)過一段時(shí)間后，才能恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)。因此，MQ-2氣體傳感器需開機(jī)預(yù)熱幾分鐘，才可投入使用，以免造成誤報(bào)。2.2 單片機(jī)選型單片機(jī)是建筑火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的心臟，用來接收火災(zāi)信號(hào)并啟動(dòng)報(bào)警裝置顯示和執(zhí)行相應(yīng)的報(bào)警。在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制功能中，需要單片機(jī)有較快的運(yùn)算速度，使檢測(cè)人員和用戶在監(jiān)控系統(tǒng)正常工作時(shí)能夠及時(shí)地觀測(cè)到實(shí)時(shí)的煙霧濃度等級(jí)，并進(jìn)行相應(yīng)處理。同時(shí)，在能夠滿足建筑火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的計(jì)算速度及接口功能要求的同類型單片機(jī)中，要考慮選擇價(jià)格低廉且體積輕巧的機(jī)型，在保證了報(bào)警器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎(chǔ)上，能夠不提高成本，縮小體積。由于單片機(jī)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用，世界上許多集成電路生產(chǎn)廠家相繼推出了各種類型的單片機(jī)，在單片機(jī)家族的眾多成員中，MCS系列單片機(jī)以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)及高可靠性和高性能價(jià)格比，迅速占領(lǐng)了工業(yè)測(cè)控和自動(dòng)化工程應(yīng)用的主要市場(chǎng)，成為國(guó)內(nèi)單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中的主流。其中，51系列單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)錢便宜,I/O口多,程序空間大。因此，測(cè)控系統(tǒng)中，使用51系列單片機(jī)是最理想的選擇，因此設(shè)計(jì)采用STC89C52。2.2.1 STC89C52單片機(jī)簡(jiǎn)介 STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可編程Flash存儲(chǔ)器。使用高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在線可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，STC89C52可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。這一模塊以單片機(jī)為中心把程序代碼燒進(jìn)去然后外圍接上復(fù)位電路、振蕩電路、鍵盤控制、LED顯示電路、報(bào)警電路等子模塊。 單片機(jī)的引腳功能描述下面對(duì)STC89C52各引腳的功能進(jìn)行較為詳細(xì)的介紹：（1)電源引腳Vcc和VssVcc(40腳)：電源端為+5V Vss(20腳)：接地端。 （2)時(shí)鐘電路引腳XTAL1和XTAL2XTAL2(18腳)：接外部晶體和微調(diào)電容的一端。在單片機(jī)內(nèi)部它是振蕩電路反向放大器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶體固有頻率。若需采用外部時(shí)針電路時(shí)，該引腳輸入外時(shí)鐘脈沖。要檢查STC89C52的振蕩電路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脈沖信號(hào)輸出。XTAL1(19腳)：接外部晶體和微調(diào)電容的另一端。在片內(nèi)，它是振蕩電路反向放大器的輸入端。在采用外部時(shí)鐘時(shí)，該引腳必須接地。 （3)控制信號(hào)腳 RST 、ALE、和。RST(9腳)：RST是復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。在此輸入端保持兩個(gè)機(jī)器周期(24個(gè)時(shí)鐘振蕩周期)的高電平時(shí)，就可以完成復(fù)位操作。ALE/（30引腳）：地址鎖存允許信號(hào)端。當(dāng)STC89C52上電正常工作后，ALE引腳不斷向外輸出正脈沖信號(hào)。此頻率為振蕩器頻率fosc的1/6，當(dāng)CPU訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，ALE輸出信號(hào)作為鎖存低8位地址的控制信號(hào)。在CPU訪問片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，每取值一次（一個(gè)機(jī)器周期）會(huì)丟失一個(gè)脈沖。平時(shí)不訪問片外存儲(chǔ)時(shí)，ALE端也以1/6的振蕩頻率固定輸出正脈沖，因而ALE信號(hào)可以用作對(duì)外輸出時(shí)鐘或定時(shí)信號(hào)。如果你想看一下STC89C52芯片的好壞，可用示波器查看ALE端是否有脈沖信號(hào)輸出，如有脈沖信號(hào)輸出，則STC89C52基本上是好的。ALE的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力為8個(gè)LS型TTL（低功耗高速TTL）。（29腳）；程序存儲(chǔ)允許輸出信號(hào)引腳，在訪問片外程序存儲(chǔ)器時(shí)，此端定時(shí)輸出負(fù)脈沖作為讀片外存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。此引腳接ERROM的OE端。PSEN端有效，即允許讀出ERROM/ROM中的指令碼。CPU在從外部ERROM/ROM取指令期間，每個(gè)周期PSEN兩次有效。不過，在訪問片外RAM時(shí)，要少產(chǎn)生兩次PSEN負(fù)脈沖信號(hào)。要檢查一個(gè)AT89C52小系統(tǒng)上電后CPU能否正常到ERROM/ROM中讀取指令碼，也可用于示波器看PSEN端有無脈沖輸出。如有，說明基本上工作正常。/VPP（31腳）：外部程序存儲(chǔ)器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端。當(dāng)EA引腳接高電平時(shí)，CPU只訪問片內(nèi)ERROM/ROM并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。但在PC（程序計(jì)數(shù)器）的值超過OFFFH（對(duì)8751/8051為4k）時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外存儲(chǔ)器的程序。當(dāng)出入信號(hào)引腳接低電平（接地）時(shí)，CPU只訪問外部ERROM/ROM并執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器中的指令，而不管是否有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。對(duì)于無芯片內(nèi)的ROM的8031或8032，須外擴(kuò)ERROM，此時(shí)必須將引腳接地。如果使用有片內(nèi)ROM的STC89C52，外擴(kuò)ERROM也是可以的，但也要使接地。（4)I/O（輸入/輸出端口，P0，P1，P2，P3）P0口：P0口是一個(gè)漏極開路的8位準(zhǔn)雙向I/O端口。P1口：8位準(zhǔn)雙向I/O端口。P2口：即可以做地址總線輸出地址高8位，也可以做普通I/O用。P3口：雙功能口，即可以做普通I/O口用（此時(shí)為準(zhǔn)向口，也可以按每位定義實(shí)現(xiàn)第二功能操作）。見表2：表2 P3口的第二功能表引腳第二功能RXD （串行輸入口）TXD （串行輸出口） INT0（外部中斷0）INT1（外部中斷1）T0（定時(shí)器0外部中斷）T1（定時(shí)器1外部中斷）WR（外部存儲(chǔ)器寫選通）RD（外部存儲(chǔ)器讀寫通） 溫度采集模塊方案1：采用PT100作為測(cè)溫電路的溫度傳感器。PT100傳感器是利用鉑電阻的阻值隨溫度變化而變化、并呈一定函數(shù)關(guān)系的特性來進(jìn)行測(cè)溫的，具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。但使用起來比較復(fù)雜。方案2：采用DS18B20作為測(cè)溫電路的溫度傳感器。DS18B20的數(shù)字溫度輸出通過 “ 一線 ” 總線（ 1-WIRe是一種獨(dú)特的數(shù)字信號(hào)總線協(xié)議，它將獨(dú)特的電源線和信號(hào)線復(fù)合在一起，僅使用一條口線；每個(gè)芯片唯一編碼，支持聯(lián)網(wǎng)尋址、零功耗等待等，是所需硬件連線最少的一種總線）這種獨(dú)特的方式，可以使多個(gè) DS18B20方便地組建成傳感器網(wǎng)絡(luò)，為整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的建立和組合提供了更大可能性。它在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面比其他溫度傳感器有了很大的進(jìn)步，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。通過比較，DS18B20直接輸出數(shù)字溫度值，不需要校正，因此選擇方案2。3 系統(tǒng)的硬件電路 3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng) 要使單片機(jī)工作起來最基本的電路構(gòu)成為單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3示：圖3 信號(hào)處理模塊單片機(jī)最小系統(tǒng)包括單片機(jī)、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路構(gòu)成。STC89C52 單片機(jī)的工作電壓范圍：4V-5.5V,所以通常給單片機(jī)外界5V直流電源。連接方式為單片機(jī)中的40腳Vcc接正極5V，而20腳Vss接電源地端。復(fù)位電路就是確定單片機(jī)的工作起始狀態(tài)，完成單片機(jī)的啟動(dòng)過程。單片機(jī)接通電源時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，完成單片機(jī)啟動(dòng)確定單片機(jī)起始工作狀態(tài)。當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行中，受到外界環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛的時(shí)候，按下復(fù)位按鈕內(nèi)部的程序自動(dòng)從頭開始執(zhí)行。一般有上電自動(dòng)復(fù)位和外部按鍵手動(dòng)復(fù)位，單片機(jī)在時(shí)鐘電路工作以后，在RESET端持續(xù)給出2個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)就可以完成復(fù)位操作。本設(shè)計(jì)采用的是外部手動(dòng)按鍵復(fù)位電路，需要接上上拉電阻來提高輸出高電平的值。時(shí)鐘電路好比單片機(jī)的心臟，它控制著單片機(jī)的工作節(jié)奏。時(shí)鐘電路就是振蕩電路，是向單片機(jī)提供一個(gè)正弦波信號(hào)作為基準(zhǔn)，決定單片機(jī)的執(zhí)行速度。XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出，該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。因?yàn)橐粋€(gè)機(jī)器周期含有6個(gè)狀態(tài)周期，而每個(gè)狀態(tài)周期為2個(gè)振蕩周期，所以一個(gè)機(jī)器周期共有12個(gè)振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為12MHZ，一個(gè)振蕩周期為1/12us。 3.2 單片機(jī)的時(shí)鐘電路與復(fù)位電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用STC系統(tǒng)列單片機(jī)，相比其他系列單片機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)。一般STC單片機(jī)資源比其他單片機(jī)要多，而且執(zhí)行速度快；STC系列單片機(jī)使用串口對(duì)單片機(jī)進(jìn)行燒寫,下載程序較為方便；STC89C52單片機(jī)內(nèi)部集成了看門狗電路。本系統(tǒng)采用內(nèi)部方式的時(shí)鐘電路和加電自復(fù)位的復(fù)位電路，如下圖4圖5所示：圖4 時(shí)鐘電路圖5 復(fù)位電路由于單片機(jī)P0口內(nèi)部不含上拉電阻，為高阻態(tài)，不能正常地輸出高/低電平，因而該組I/O口在使用時(shí)必須外接上拉電阻。3.3 煙霧檢測(cè)AD采集電路煙霧檢測(cè)采用MQ-2傳感器。經(jīng)過ADC0832采集后就可以得到各種煙霧濃度下的電壓值。從而設(shè)定出理想的煙霧強(qiáng)度報(bào)警值。電路如圖6所示：圖6 煙霧濃度采集電路3.4 顯示模塊 顯示采用數(shù)碼管顯示，顯示電路如圖7示：圖7 數(shù)碼管顯示3.5 聲音報(bào)警電路電路通過三極管基極串連一個(gè)電阻與單片機(jī)端口連接從而達(dá)到控制蜂鳴器是否報(bào)警。如圖8示： 圖8 聲音報(bào)警電路圖 3.6 按鍵控制電路本電路設(shè)計(jì)了四個(gè)按鍵，一個(gè)設(shè)置鍵、一個(gè)加鍵、一個(gè)減鍵、一個(gè)緊急報(bào)警鍵，當(dāng)遇到緊急情況時(shí)，可按下緊急報(bào)警鍵，蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。如圖9所示：圖9 消音按鍵連接電路圖3.7 電源模塊由于本系統(tǒng)采用電池供電，我們考慮了如下幾種方案為系統(tǒng)供電。方案1：采用5V蓄電池為系統(tǒng)供電。蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。但是蓄電池的體積過于龐大，在報(bào)警器上使用極為不方便。因此我們放棄了此方案。方案2：采用4節(jié)干電池共做電源，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)、傳感器的工作電壓穩(wěn)定能夠滿足系統(tǒng)的要求，而且電池更換方便。方案3：采用USB方式供電電源接口電路如圖10，其中P1為電池接口，SW1為電源開關(guān)。圖10 電源接口電路3.8 溫度傳感器(DS18B20)電路3.8.1 DSl8B20簡(jiǎn)介DSl8B20溫度傳感器是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司繼DSl8B20之后最新推出的智能改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)要求通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9l2位的數(shù)字直讀方式?？梢苑謩e存和750ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，并且從DSl8B20讀出的信息或?qū)懭隓Sl8B20的信息僅需要一根口線(單線接口)讀寫，溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接DSl8B20供電，而無需額外電源。因而使用DSl8B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。他在測(cè)溫精度，轉(zhuǎn)換時(shí)間，傳輸距離，本文系統(tǒng)地介紹了基于DS18B20的溫度測(cè)量控制系統(tǒng)的組成、設(shè)計(jì)方案、電路原理、程序設(shè)計(jì)過程。DS18B20多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)是以AT89C52單片機(jī)作為控制核心，智能溫度傳感器DS18B20為控制對(duì)象，用數(shù)碼管顯示，運(yùn)用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。設(shè)計(jì)完成了冷庫(kù)溫度的監(jiān)控和報(bào)警等令人滿意的效果。DSl8B20采用3腳PR35封裝或8腳SOIC封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖11所示：圖11 DSl8B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列如圖12所示：圖12 DS18B20的管腳DS18B20的引腳說明如下：GND：地 DQ：數(shù)據(jù)I/O VDD：電源 NC：空腳64位激光ROM開始8位是產(chǎn)品類型的編號(hào)，接著是每個(gè)器件的惟一的序號(hào)共有48位，最后8位是前56位的CRC校本文系統(tǒng)地介紹了基于DS18B20的多點(diǎn)溫度測(cè)量控制系統(tǒng)的組成、設(shè)計(jì)方案、電路原理、程序設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)仿真過程。DS18B20冷庫(kù)溫度監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)是以AT89C52單片機(jī)作為控制核心，智能溫度傳感器DS18B20為控制對(duì)象，用數(shù)碼管顯示，運(yùn)用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。設(shè)計(jì)完成溫度的測(cè)量，與上下限溫度報(bào)警值設(shè)置。借助單片機(jī)編程軟件Keil實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)軟、硬件的交互聯(lián)調(diào)，并結(jié)合數(shù)碼管、DS18B20和AT89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)進(jìn)行了電路焊接和調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了課題設(shè)計(jì)目的。DSl8B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的電可擦除EEPRAM。后者用于存儲(chǔ)TH，TL值。數(shù)據(jù)先寫入RAM，經(jīng)校驗(yàn)后再傳給EEPRAM。而配置寄存器為高速暫存器中的第5個(gè)字節(jié)，他的內(nèi)容用與確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率，DSl8B20 工作時(shí)按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的數(shù)值。低5位一直都是1，TM是測(cè)試模式位，用于設(shè)置DSl8B20在工作模式還是在測(cè)試模式。如表3所示。在DSl8B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動(dòng)，R1和R1決定溫度轉(zhuǎn)換精度位數(shù)。表3 字節(jié)各位的定義TMR1R111111由表4可見，設(shè)定的分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間就越長(zhǎng)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中要在分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間權(quán)衡考慮。高速暫存存儲(chǔ)器除了配置寄存器外，還有其他8個(gè)字節(jié)組成，其分配如表5所示。其中溫度信息(第l，2字節(jié))，TH和TL值第3，4節(jié)，第68字節(jié)，表現(xiàn)為全邏輯1；第9字節(jié)讀出的是前面所有的8字節(jié)的CRC碼，可用來保證通信正確。表4 數(shù)據(jù)分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間R1R1分辨率溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間/ms009011010111112當(dāng)DSl8B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，如表5所示。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號(hào)擴(kuò)展到二進(jìn)制補(bǔ)碼形式儲(chǔ)存在高速暫存存儲(chǔ)器的第l，2字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前面，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625LSB形式表示。對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)算：當(dāng)符號(hào)位S=0時(shí)，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)S=1時(shí)，先將補(bǔ)碼變換為原碼，再計(jì)算十進(jìn)制值。表5 碼制轉(zhuǎn)換溫度低位溫度高位THTL配置保留保留保留8位CRC在DSl8B20完成溫度變換之后，溫度值與貯存TH和TL內(nèi)的觸發(fā)值相比較因?yàn)檫@些寄存器僅僅是8位，所以位在比較時(shí)被忽略。TH或TL的最高有較位直接對(duì)應(yīng)于l6位溫度奇存器的符號(hào)位。如果溫度測(cè)量的結(jié)果高于TH或低于TL，那么器件內(nèi)告警標(biāo)志將置位。每次溫度測(cè)量更新此標(biāo)志。只要告警標(biāo)志置位，DSl8B20將對(duì)告警搜索命令做出響應(yīng)。這允許并聯(lián)連接許多DSl8B20，同時(shí)進(jìn)行溫度測(cè)量。如果某處溫度超過極限，那么可以識(shí)別出正在告警的器件并立即將其讀出而不必讀出非告警的器件。部分溫度轉(zhuǎn)換如表6所示:3.8.2 DSl8B20具體參數(shù)及工作方式 表6 部分溫度轉(zhuǎn)換值溫度輸入（2進(jìn)制）輸出（16進(jìn)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 1111 0101 1110EE6FH-551110 1110 0110 1111FE90H參數(shù)特性：（1）獨(dú)特的單線接口只需l個(gè)接口引腳即可通信（2）多點(diǎn)綜合測(cè)溫能力使分布式溫度檢測(cè)應(yīng)用得以簡(jiǎn)化（3）不需要外部元件（4）可用數(shù)據(jù)線供電（5）需備份電源（6）測(cè)量范圍從-55至+125增量值為（7）以9位數(shù)字值方式讀出溫度（8）在1秒(典型值)內(nèi)把溫度變換為數(shù)字（9）用戶可定義的非易失性的溫度告警設(shè)置。（10）告警搜索命令識(shí)別和尋址溫度在編定的極限之外的器件溫度告警情況（11）應(yīng)用范圍包括恒溫控制工業(yè)系統(tǒng)消費(fèi)類產(chǎn)品溫度計(jì)或任何熱敏系統(tǒng)極限參數(shù)：（1）任何引腳相對(duì)于地的電壓至（2）運(yùn)用溫度-55至+125（3）貯存溫度-55至+125（4）焊接溫度260/l0秒3.8.3 DS18B20接口電路圖13 溫度傳感器接口電路圖（1）DS18B20控制方法 DS18B20有六條控制命令：a.溫度轉(zhuǎn)換44H啟動(dòng)DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換；b.讀暫存器BEH讀暫存器9個(gè)字節(jié)內(nèi)容；c.寫暫存器4EH將數(shù)據(jù)寫入暫存器的TH、TL字節(jié)； d.復(fù)制暫存器48H把暫存器的TH、TL字節(jié)寫到E2RAM中；e.重新調(diào)E2RAM B8H 把E2RAM中的TH、TL字節(jié)寫到暫存器TH、TL字節(jié)；源供電方式 B4H 啟動(dòng)DS18B20發(fā)送電源供電方式的信號(hào)給主CPU。（2）DS18B20供電方式DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時(shí)DS18B20的1腳接地，2腳作為信號(hào)線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖13所示單片機(jī)端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時(shí)鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個(gè)三極管來完成對(duì)總線的上拉。本設(shè)計(jì)采用電源供電方式，口接單線總線為保證在有效的DS18B20時(shí)鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個(gè)上拉電阻和STC89C52的來完成對(duì)總線的上拉。當(dāng)DS18B20處于寫存儲(chǔ)器操作和溫度A/D變換操作時(shí)，總線上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開啟時(shí)間最大為10s。采用寄生電源供電方式是VDD和GND端均接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接收口必須是三狀態(tài)的。主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個(gè)步驟：l 初始化。l ROM操作指令。l 存儲(chǔ)器操作指令。4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 4.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)及流程圖否是程序初始化傳感器預(yù)熱處理開始 單片機(jī)處理，判斷否超過設(shè)定報(bào)警值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入報(bào)警子程序 信號(hào)采集主程序流程圖如下圖所示。首先要給傳感器預(yù)熱,因?yàn)镸Q-2型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器在不通電存放一段時(shí)間后，再次通電時(shí)，傳感器不能立即正常采集煙霧信息，需要一段時(shí)間預(yù)熱。程序初始化結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。 圖14 主程序流程圖在整個(gè)報(bào)警系統(tǒng)工作中，煙霧濃度信息經(jīng)ADC0832轉(zhuǎn)換處理后，由單片機(jī)進(jìn)行分析處理，判斷系統(tǒng)是否啟動(dòng)報(bào)警。主程序還包括LED八段式數(shù)碼管濃度字符顯示功能、手動(dòng)報(bào)警功能、報(bào)警濃度設(shè)定功能，中斷子程序等，使報(bào)警器功能更加完善，給用戶帶來便利。5 硬件調(diào)試及調(diào)試中遇到的問題第一步為目測(cè)，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)電路全部手工焊接在洞洞板上，因此對(duì)每一個(gè)焊點(diǎn)都要進(jìn)行仔細(xì)的檢查。檢查它是否有虛焊、是否有毛剌等。第二步為萬(wàn)用表測(cè)試，先用萬(wàn)用表復(fù)核目測(cè)中認(rèn)為可疑的連線或接點(diǎn)，查看它們的通斷狀態(tài)是否與設(shè)計(jì)規(guī)定相符，再檢查各種電源線與地線之間是否有短路現(xiàn)象。第三步為加電檢查。當(dāng)系統(tǒng)加電時(shí)，首先檢查所有插座或器件引腳的電源端是否有符合要求的電壓值，接地端電壓值是否接近零，接固定電平的引腳端是否電平正確。第四步是聯(lián)機(jī)檢查。在對(duì)硬件電路調(diào)試過程中，還遇到了不少問題，第一次把所有的元件都焊上去后，都準(zhǔn)備調(diào)試了，才發(fā)現(xiàn)正負(fù)極的插針離得太近了，不容易接電源，本不該犯的錯(cuò)誤，這些都是由于自己的粗心大意造成的，所以說，做任何事情都必需經(jīng)過“三思而后行”，來不得半點(diǎn)的馬虎，否則浪費(fèi)了時(shí)間和精力。6 電路的調(diào)試首先燒入顯示程序，看顯示正不正常。在調(diào)試程序時(shí)，發(fā)現(xiàn)有的指令用的不正確，導(dǎo)致電路功能不能完全實(shí)現(xiàn)，另外軟件程序中的延時(shí)有的過長(zhǎng)、有的過短。類似的現(xiàn)象還有很多就不一一列舉了。7 總結(jié)評(píng)價(jià)建筑火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)可保障生產(chǎn)與生活的安全，避免火災(zāi)和爆炸事故以及煤氣中毒的發(fā)生，它是防火、防爆和安全生產(chǎn)所必備的儀器，具有廣闊的市場(chǎng)空間與發(fā)展前景。 本論文在對(duì)火災(zāi)監(jiān)控，傳感器和報(bào)警技術(shù)進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，全面比較國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)，合理地確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。并對(duì)儀器的整體設(shè)計(jì)和各個(gè)組成部分進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)。 本論文設(shè)計(jì)的建筑火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)由煙霧信號(hào)采集電路與單片機(jī)控制電路兩大部分構(gòu)成。根據(jù)設(shè)計(jì)要求、使用環(huán)境、成本等因素，選用MQ-2型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器。該傳感器是對(duì)以烷類煙霧為主的多種煙霧有良好敏感特性的廣譜型半導(dǎo)體敏感器件。它的靈敏度適中，具有響應(yīng)與恢復(fù)特性好，長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性、重現(xiàn)性、不易受環(huán)境影響及抗溫濕度影響等優(yōu)點(diǎn)。 在系統(tǒng)單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)上，采用了高性能、高整合度的STC89C52單片機(jī)作為核心芯片，充分利用了其高速數(shù)據(jù)處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)，實(shí)現(xiàn)了儀器的小型化和智能化。使儀器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。由于煙霧傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反應(yīng)越快，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間就越快。為提高響應(yīng)時(shí)伺，保證傳感器準(zhǔn)確地、穩(wěn)定地工作，需要向煙霧傳感器持續(xù)供給5V的加熱電壓。建筑火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)能在較寬的溫度范圍工作，可將煙霧濃度顯示用LED數(shù)碼管顯示。當(dāng)煙霧的濃度達(dá)到設(shè)定的濃度時(shí)，發(fā)出報(bào)警。通過現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定及測(cè)試，分析煙霧濃度信號(hào)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算本監(jiān)控系統(tǒng)顯示煙霧濃度與實(shí)際濃度之間的誤差為2.55%LEL，在所規(guī)定誤差范圍±5%LEL之內(nèi)，滿足檢測(cè)要求，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果的結(jié)論。到目前為止我的畢業(yè)設(shè)計(jì)也即將告一段落了，在這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，自己也學(xué)習(xí)到了很多以前沒有沒有經(jīng)歷過的知識(shí)，讓我更加清楚了理論知識(shí)和實(shí)踐能力的差別了，了解到自己的短處，培養(yǎng)了我的獨(dú)立思考能力，進(jìn)一步提高了自己在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中研究問題、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，和一些問題的存在，并有待進(jìn)一步學(xué)習(xí)和發(fā)展，讓自己在未來的工作和學(xué)習(xí)之中更快的適應(yīng)和提高自己。參考文獻(xiàn)1李華.MCS一51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)M.北京航空航天大學(xué)出版社.2張毅坤等.單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用M.西安電子科技大學(xué)出版社.2006.3潘新民等.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)M.電子工業(yè)科技大學(xué)出版社.2003.4陳偉.MCS一51系列單片機(jī)實(shí)用子程序集錦M.清華大學(xué)出版社.1993.5吳佑壽. Lab VIEW7實(shí)用教程M.電子工業(yè)出版社.2007.MGS1100原理及應(yīng)用電子技術(shù)J.1998年第1期.7劉迎春.傳感器原理設(shè)計(jì)及應(yīng)用M.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出社.8趙負(fù)圖.數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)M.北京科學(xué)技術(shù)出社.1987.9王若鯨.數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)入門M.人民郵電出版社.1984.11劉廣玉.新型傳感器技術(shù)及應(yīng)用M.北京航空航天大學(xué)出版社.1989.12張毅剛.MCS一51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)M.1990.13陳偉.MCS一51系列單片機(jī)實(shí)用子程序集錦M.清華大學(xué)出版社.1993.14何立民.單片機(jī)實(shí)用文集M.北京航空航天大學(xué)出版.1993.15余成波.傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)M.高等教育出版社.2004.附件A：總體原理圖設(shè)計(jì)附件B：部分程序源代碼#include <reg52.h>#include "eepom52.h"#define uchar unsigned char #define uint unsigned int#include <intrins.h>/數(shù)碼管段選定義 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9uchar code smg_du=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90, 0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xff; /斷碼/數(shù)碼管位選定義uchar code smg_we=0x7f,0xbf,0xdf,0xef;/uchar code smg_we=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7;uchar dis_smg8 = 0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8;uchar smg_i = 3; /顯示數(shù)碼管的個(gè)位數(shù)sbit SCL=P34;/SCL定義為P1口的第3位腳，連接ADC0832SCL腳sbit DO=P33;/DO定義為P1口的第4位腳，連接ADC0832DO腳sbit CS=P32;/CS定義為P1口的第4位腳，連接ADC0832CS腳sbit dq = P35;/18b20 IO口的定義sbit beep = P36; /蜂鳴器IO口定義uint temperature,s_temp ; /溫度的變量uchar dengji,s_dengji; /煙物等級(jí)uchar shoudong; /手動(dòng)報(bào)警鍵uint huoyan;bit flag_300ms ;uchar key_can; /按鍵值的變量uchar menu_1; /菜單設(shè)計(jì)的變量bit flag_lj_en; /按鍵連加使能bit flag_lj_3_en; /按鍵連3次連加后使能 加的數(shù)就越大了 uchar key_time,flag_value; /用做連加的中間變量bit key_500ms ;uc