1929_基于單片機的煙霧檢測系統(tǒng),基于,單片機,煙霧,檢測,系統(tǒng) 單位代碼 02 學 號 080105026 分 類 號 TH6 密 級 畢 業(yè) 論 文基于單片機的煙霧檢測系統(tǒng)院 （ 系 ） 名 稱 工 學 院 機 械 系專 業(yè) 名 稱 機 械 設 計 制 造 及 其 自 動 化學 生 姓 名 胡 新 新指 導 教 師 蔡 超 峰2012 年 5 月 15 日 黃河科技學院畢業(yè)論文 第 頁基于單片機的煙霧檢測系統(tǒng)摘要吸煙有害健康。尤其，在一些公共場所，個別人的吸煙所產生的煙霧也會危害到周圍不吸煙人的健康，可見，這是一種不道德的行為。隨著“室內公共場所禁煙”等規(guī)定的正式生效，在公共場所禁煙已經成為一種趨勢，公共場所的煙草影響著人們的健康，因此在公共場所的煙霧報警也成為了一種需要。論文介紹了煙霧報警器的發(fā)展前景，研究了煙霧傳感器和單片機的選擇，分析了硬件部分的電路和作用，給出了系統(tǒng)硬件設計方案與系統(tǒng)軟件的程序流程。采用 MQ-7 型半導體電阻式煙霧傳感器和 AT89C2051 單片機為核心技術設計的煙霧報警器，實現了煙霧報警、報警限設置、延時報警及與上位機串口通信等功能，對煙霧檢測報警的實現技術進行了的有意義的探索與研究，在有害氣體監(jiān)測實現方面有一定的參考價值。經過實驗證明，可燃性報警器滿足檢測要求。 關鍵詞：煙霧，報警器，AT89C2051，傳感器 黃河科技學院畢業(yè)論文 第 I 頁SMOKE DETECTION SYSTEM BASEDON SINGLE CHIPAbstractSmoking is harmful to health. In particular, in some public places, some individuals smoke generated by smoking may endanger the health of people around non-smokers, we can see, this is an immoral act. With the "smoking ban in indoor public places" and other rules come into effect, smoking in public places has become a trend growing in today's society, so the smoke alarms in public places has become a need. This paper introduces the development prospects of smoke alarms, the smoke sensor and microcontroller of choice, analyzes the role of the hardware part of the circuit and the given hardware design and software program flow. With MQ-7-type semiconductor resistance sensor and smoke AT89C2051 MCU core technology smoke alarm designed to achieve a smoke alarm, alarm limit settings, delay alarm and serial communication with the host computer and other functions, the implementation of the smoke detection alarm technology conducted a meaningful exploration and research, monitoring the achievement of the harmful gas have some reference value. In the experiment, flammability alarm to meet the testing requirements, the design scheme is reasonable.Key words: smoke alarm, AT89C2051, sensor 黃河科技學院畢業(yè)論文 第 II 頁 黃河科技學院畢業(yè)論文 第 頁目 錄1 緒論 ............................................................................................................................11.1 問題由來 ........................................................................................................11.2 課題現狀 ........................................................................................................21.3 論文的主要任務 ............................................................................................32 系統(tǒng)原理概述 ............................................................................................................42.1 煙霧檢測報警器的設計思路 ........................................................................42.2 系統(tǒng)硬件組成原理 ........................................................................................42.3 軟件系統(tǒng)工作流程 ........................................................................................52.3.1 系統(tǒng)應用情況分析 .............................................................................52.3.2 工作過程及程序設計 ........................................................................53 系統(tǒng)硬件設計 ............................................................................................................63.1 煙霧傳感器的選擇 .........................................................................................73.2 運放與 A/D 的選擇 ......................................................................................83.3 單片機系統(tǒng)部分 ........................................................................................113.3.1 AT89C51 單片機介紹 .....................................................................113.3.2 定時/計數器的結構及控制 ..........................................................123.3.3 中斷控制 ......................................................................................143.4 單片機外圍電路介紹 ................................................................................143.4.1 復位電路 ........................................................................................143.4.2 晶振電路 ........................................................................................153.5 報警部分 .......................................................................................................164 軟件設計 ...................................................................................................................194.1A/D 采樣雙通道流程 .....................................................................................204.2 報警流程設計 ...............................................................................................215 設計總結 ..................................................................................................................235.1 實現目標與特點 ..........................................................................................235.2 結論及不足 ..................................................................................................24致謝 ..............................................................................................................................26 黃河科技學院畢業(yè)論文 第 0 頁1 緒論1.1 問題由來隨著社會的發(fā)展，吸煙的人群越來越多，吸煙的危害，吸煙不僅危害自己的身體，也會對他人造成傷害，也會產生不良社會影響。吸 煙 有 一 定 的 社 會 性 ，在 社 交 中 具 有 一 定 的 社 會 功 能 ， 但 同 時 又 可 能 誘 發(fā) 多 種 疾 病 ， 對 個 體 健 康 危害 極 大 。 吸煙可以致癌，提高心 、 腦 血 管 疾 病 的 發(fā) 病 率 ， 引 起 呼 吸 道 疾 病 等多 種 危 害 。2007 年 5 月 29 日 ， 衛(wèi) 生 部 發(fā) 布 《 2007 年 中 國 控 制 吸 煙 報 告 》 。 報 告 指出 ， 我 國 有 5.4 億 人 遭 受 被 動 吸 煙 之 害 ， 其 中 15 歲 以 下 兒 童 有 1.8 億 ， 每年 死 于 被 動 吸 煙 的 人 數 超 過 10 萬 ， 而 被 動 吸 煙 危 害 的 知 曉 率 卻 只 有 35%。二 手 煙 既 包 括 吸 煙 者 吐 出 來 的 主 流 煙 霧 ， 也 包 括 從 紙 煙 、 雪 茄 或 煙 斗 中 直 接冒 出 來 的 側 流 煙 。 二 手 煙 中 包 含 4000 多 種 物 質 ， 其 中 包 括 40 多 種 與 癌 癥有 關 的 有 毒 物 質 。 在 二 手 煙 中 ， 許 多 化 合 物 在 側 流 煙 中 的 釋 放 率 往 往 高 于 主流 煙 。 世 界 衛(wèi) 生 組 織 的 報 告 表 明 ， 吸 煙 對 人 類 的 危 害 是 多 方 面 的 ， 主 要 導 致哮 喘 、 肺 炎 、 肺 癌 、 高 血 壓 、 心 臟 病 和 生 殖 發(fā) 育 等 。 其 中 ， 二 手 煙 對 被 動 吸煙 者 的 危 害 一 點 也 不 比 主 動 吸 煙 者 輕 ， 特 別 是 對 少 年 兒 童 的 危 害 尤 其 嚴 重 。調 查 顯 示 ， 在 我 國 ， 被 動 吸 煙 的 主 要 受 害 者 是 婦 女 和 兒 童 ， 盡 管 她 們 自 己 并不 吸 煙 ， 但 經 常 在 家 庭 、 公 共 場 所 遭 受 他 人 的 二 手 煙 。 除 此 之 外 ， 職 場 、 會場 等 ， 也 經 常 會 成 為 二 手 煙 泛 濫 的 場 所 。 雖 然 沒 有 直 接 吸 食 香 煙 ， 可 是 呼 入體 內 ， 仍 能 對 身 體 造 成 危 害 ， 甚 至 比 吸 煙 者 的 危 害 更 大 。 中國是世界頭號煙草生產與消費大國，煙民數量居全球之冠。2011 年 5 月 1 日衛(wèi)生部公布修訂后的《公共場所衛(wèi)生管理條例實施細則》 ，其中新增加了“室內公共場所禁止吸煙”等規(guī)定。這是中國為兌現世界衛(wèi)生組織控煙框架公約采取的最新舉動。在公共場所中，創(chuàng)造無煙環(huán)境是一種社會發(fā)展的趨勢。目前，國內外都在不斷的制定法律條款來限制吸煙人群，以形成良好的無煙環(huán)境。同時，在各公共場所到處可見的是“禁止吸煙”的紙質標語和警示符號，但效果一般。如果 黃河科技學院畢業(yè)論文 第 1 頁采取人員巡檢，則會占用大量人力資源，且許多時候會引起糾紛。通過一段時間的調查研究，我們發(fā)現吸煙人群對標語警示很不敏感，而在此相關領域中，也沒有此類電子產品。為此，我們提出聲光警示的吸煙警示器，可以通過對空氣中煙霧粒子濃度進行檢測，一旦檢測到有人吸煙，則會在第一時間給吸煙者發(fā)出最為有效的語音警示，效果將優(yōu)越于標語警示。我們相信，吸煙警示器的出現，將在公共場所對吸煙人群有很好的警示作用，同時，它還擁有廣闊的市場空間，可以形成良好的經濟效益和社會效益。在一定程度上，它也有著很好的可行性和必要性。如果該項目研究成功，可以安裝在大廳、會議室、走廊等室內公共場所,當檢測到煙霧粒子達到一定程度時，會自動發(fā)出禁止吸煙的警示。如果能夠大量應用，不僅保護了非吸煙者身體健康，而且，對吸煙者起到警示和提示"吸煙有害自己和他人健康"的作用；從心理學角度分析，這樣更便于吸煙人群接受，更有利于創(chuàng)造出良好的無煙環(huán)境，也有利于提高人們的素質。1.2 課題現狀國外從 20 世紀 30 年代開始研究及開發(fā)煙霧傳感器，且發(fā)展迅速，一方面是因為人們安全意識增強，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是因為傳感器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動 [1]。據有關統(tǒng)計，美國 1996 年至 2002 年煙霧傳感器年均增長率為 27%~30%。隨著傳感器生產工藝水平逐步提高，傳感器日益小型化、集成度不斷增大，使得煙霧檢測 儀器的體積也逐漸變小，提高了煙霧檢測儀器的便攜性，更加利于生產、運輸及市場推廣。1963 年 5 月，日本開發(fā)完成第一臺接觸燃燒式家用燃氣泄漏報警器，次年12 月其改良產品問世，改良的報警器可以檢測燃氣、一氧化碳等氣體，可以安裝在浴室或者采用集中監(jiān)視。在很多國外家庭，國家強制規(guī)定必須要安裝煙霧報警器，目的就是為了防止火災的發(fā)生，本產品在火災發(fā)生的早期一旦有煙霧發(fā)生就可感應到煙霧，同時發(fā)出 85 分貝的聲音和發(fā)出光報警告知用戶發(fā)生了火災，應及時采取措施。 我國在 70 年代初期開始研制煙霧報警器，生產型號多樣、品種較齊全，應用范圍也由單一的煉油系統(tǒng)擴展到幾乎所有危險作業(yè)環(huán)境的各種類型報警器， 黃河科技學院畢業(yè)論文 第 2 頁產品數量也在不斷增加。但主要是在引進國外先進的傳感器技術和先進的生產工藝基礎上，進行研究與開發(fā)形成自己的特色。近年來，在煙霧選擇性和產品穩(wěn)定性上也有很大進步。中國煙霧探測報警系統(tǒng)產業(yè)發(fā)展研究報告闡述了世界煙霧探測報警系統(tǒng)產業(yè)的發(fā)展歷程，分析了中國煙霧探測報警系統(tǒng)產業(yè)發(fā)展現狀與差距，開創(chuàng)性地提出了“新型煙霧探測報警系統(tǒng)產業(yè)” 及替代品產業(yè)概念，在此基礎上，從四個維度即“以人為本” 、 “科技創(chuàng)新” 、 “環(huán)境友好”和“面向未來”準確地界定了“新型煙霧探測報警系統(tǒng)產業(yè)” 及替代產品的內涵。根據“新型煙霧探測報警系統(tǒng)產業(yè)” 及替代品的評價體系和量化指標體系，從全新的角度對中國煙霧探測報警系統(tǒng)產業(yè)發(fā)展進行了推演和精準預測，在此基礎上，對中國的行政區(qū)劃和四大都市圈的煙霧探測報警系統(tǒng)產業(yè)發(fā)展進行了全面的研究。1.3 論文的主要任務目前，我們已經學習了許多相關知識，如單片機與單片機控制電路，傳感器與其相關電路，D/A 轉換電路，A/D 轉換電路，放大電路設計，以及語音芯片等，已經具備對信號的采集、放大、傳輸控制，語音芯片的語音錄制及放音控制，微控制電路的應用設計等能力，并具備一定的實踐創(chuàng)新能力。通過對微控制器，語音電路，煙霧傳感器電路以及報警電路的整合，形成一個可靠性好穩(wěn)定度高，性能優(yōu)良的電路，能夠實現對低濃度煙霧的有效檢測，并給予語音警示的功能。如果配以精美的外殼，則可以形成一個優(yōu)秀的有良好社會效益和經濟效益的產品。本設計是以單片機為核心，通過煙霧傳感器發(fā)出的信號對煙霧進行報警，最后通過語音報警電路報警，達到對煙霧報警的目的。研究內容：1. 電子語音芯片的錄音和放音控制，以及音效的處理和信號的放大。2. 煙霧檢測裝置的選型以及在低濃度下靈敏度域有效檢測的方法與算法。3. 控制電路的實現方式以及 MCU 的選型。4. 電路的抗干擾能力和可靠性 黃河科技學院畢業(yè)論文 第 3 頁2 系統(tǒng)原理概述2.1 煙霧檢測報警器的設計思路吸煙警示器是能夠檢測環(huán)境中的煙霧，并具有報警功能的儀器，儀器的最基本組成部分應包括：煙霧信號采集模數轉換電路、單片機控制電路、錄音報警電路。煙霧信號采集電路一般由煙霧傳感器和模擬放大電路組成，將煙霧信號轉化為模擬的電信號。模數轉換電路將從煙霧檢測電路送出的模擬信號轉換成單片機可識別的數字信號后送入單片機。單片機對該數字信號進行濾波處理，并對處理后的數據進行分析，是否大于或等于某個預設值(也就是報警限)，如果大于則啟動報警電路發(fā)出報警聲音，反之則為正常狀態(tài)。為方便檢測與監(jiān)控為使報警裝置更加完善，可以在聲音報警基礎上，加入光閃報警，變化的光信號可以引起用戶注意，彌補嘈雜環(huán)境中聲音報警的局限。以上是根據報警器應具備的功能，提出的整體設計思路。煙霧傳感器及單片機是可燃煙霧檢測報警器的兩大核心，根據報警器功能的需要，選擇合適、精確、經濟的煙霧傳感器及單片機芯片是至關重要的。2.2 系統(tǒng)硬件組成原理本系統(tǒng)由煙霧傳感器、A/D 轉換電路、MCU 控制電路、語音模塊及功放電路組成。系統(tǒng)組成框圖如圖 2-1 所示。與 與 與 與 與與 與A / D 與 與M C U與 與 與 與 與與 與 與 與 與 與與 與 與 與與 與 與 與L E D 與 與圖 2-1 系統(tǒng)構成框圖前向通道：煙霧傳感器電路主要負責探測空氣中 CO 的氣體濃度，能夠隨著CO 濃度的不同，體現出不同的變化，將變化信號轉化為易于 MCU 處理的電壓信號。由于煙霧傳感器的輸出信號不大，經過運放比例放大電路，適當放大所得的電壓信號，通過 A/D 轉換器將模擬電壓信號轉換為數字電壓信號，便于 MCU 黃河科技學院畢業(yè)論文 第 4 頁處理。MCU 接收前向通道輸入的數字信號，經過運算、處理，輸出控制給后向通道(LED 顯示、語音芯片)等。后向通道：語音電路，主要負責語音濾波和受控放音功能，配合功放電路，放大音頻信號，輸出給喇叭，實現良好的放音效果。2.3 軟件系統(tǒng)工作流程在硬件設計完畢之后，接下來就是設計中最核心和最為主要的軟件部分設計。所謂軟件設計就是把軟件需求變換成軟件的具體設計方案（即模塊結構）的過程。產品猶如我們人類一樣，硬件系統(tǒng)是整個外形，軟件系統(tǒng)則是大腦，程序猶如思維。整個系統(tǒng)的工作流程，保證了系統(tǒng)的正常運行；想要充分利用好 MCU，就要將其資源按需分配，有條有理，這就需要將 MCU 的內存詳細合理分配，各個單元各盡其責；MCU 的端口分配，不僅有助于程序控制，而且對 PCB制版大有裨益。2.3.1 系統(tǒng)應用情況分析本系統(tǒng)主要分為 2 個狀態(tài)：煙霧濃度較低時的正常狀態(tài)和煙霧濃度較高時的報警狀態(tài)。正常狀態(tài)時，為了能夠指示整個系統(tǒng)是在正常工作的，采用綠色 LED 指示此狀態(tài)，同時考慮到功耗問題，控制綠色 LED 一秒鐘閃爍一次，定時器 T0 配合工作。報警狀態(tài)時，紅色有警示作用，所以利用紅色 LED 指示此狀態(tài)，并使其一直亮著，同時，控制語音芯片放音，通過喇叭音頻輸出。定時器 T0 配合工作，報警狀態(tài)時，若煙霧濃度一直較高，則只報警一次。10 秒鐘后，若煙霧濃度較低，則恢復正常狀態(tài)；若煙霧濃度仍較高，則再報警。2.3.2 工作過程及程序設計本系統(tǒng)主要分為 2 個狀態(tài)：煙霧濃度較低時的正常狀態(tài)和煙霧濃度較高時的報警狀態(tài)。 黃河科技學院畢業(yè)論文 第 5 頁正常狀態(tài)時，為了能夠指示整個系統(tǒng)是在正常工作的，采用綠色 LED 指示此狀態(tài)，同時考慮到功耗問題，控制綠色 LED 一秒鐘閃爍一次，定時器 T0 配合工作。報警狀態(tài)時，紅色有警示作用，所以利用紅色 LED 指示此狀態(tài)，并使其一直亮著，同時，控制語音芯片放音，通過喇叭音頻輸出。定時器 T0 配合工作，報警狀態(tài)時，若煙霧濃度一直較高，則只報警一次。10 秒鐘后，若煙霧濃度較低，則恢復正常狀態(tài)；若煙霧濃度仍較高，則再報警。圖 2-2 為整個系統(tǒng)工作的主流程。MCU 初始化完成了內存清空，端口配置，AD 配置，定時、中斷設置等操作；AD 轉換包括通道 0、通道 1 的采樣；數據處理包括報警值的滑動濾波、煙霧濃度信號的滑動濾波、有符號增量計算等一系列計算。放音和 LED 控制由 MCU 通過 I/O 口直接控制。與 與 與 M C U與 與 與 與 與 與A / D 與 與與 與 與 與與 與L E D 與 與與 與 與 與 與YNS T A R T圖 2-2 系統(tǒng)工作流程圖 黃河科技學院畢業(yè)論文 第 6 頁3 系統(tǒng)硬件設計本系統(tǒng)采用的是以 mq-7 為傳感器，以 AT89C2051 作為系統(tǒng)的主控芯片，通過語音錄放電路報警的過程。3.1 煙霧傳感器的選擇由于本次設計的是針對公共場所的煙霧，而這些煙霧大多都含有一氧化碳，所以就選用對一氧化碳具有很高靈敏度的 mq-7 氣體傳感器。Mq-7 氣體傳感器特點：對一氧化碳具有很高的靈敏度和良好的選擇性； 具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。 傳感器的表面電阻 Rs，是通過與其串聯(lián)的負載電阻 RL上的有效電壓信號VRL 輸出而獲得的。二者之間的關系為：Rs/RL = (Vc-VRL) / VRL圖 3-1 電壓與 co 濃度的關系圖 2-3 為利用回路測得在傳感器由潔凈空氣轉移至一氧化碳氣氛中時，R L上的信號輸出變化情況，輸出信號的測定是在一個完整的加熱周期（由高電壓至低電壓 2.5 分鐘）或在兩個完整的加熱周期內測得。靈敏度調整：MQ-7型氣敏器件對不同種類，不同濃度的氣體有不同的電阻值。 因此， 黃河科技學院畢業(yè)論文 第 7 頁在使用此類型氣敏器件時，靈敏度的調整是很重要的。 我們建議您用200ppmCO校正傳感器。當精確測量時，報警點的設定應考慮溫濕度的影響。靈敏度的調整程序：a. 將傳感器連接在應用回路中。.b. 接通電源，通電老化 48 小時以上。.c. 調整負載電阻 RL至獲得對應于某一個一氧化碳濃度時所需要的信號值。MQ-7 型氣敏元件的敏感層是用非常穩(wěn)定的二氧化錫制成的。因此，它具有優(yōu)秀的長期穩(wěn)定性，在正常使用條件下，其使用壽命可達 5 年。根據 MQ-7 型煙霧傳感器的工作原理，煙霧濃度的變化體現于其自身電阻的變化，將 MQ-7 與電阻串聯(lián)構成分壓電路?？紤]到整個系統(tǒng)的靈敏度，通過多次調試和測試，得到 MQ-7 型煙霧傳感器與 20K 電阻串聯(lián)的效果較好，為了保證采樣數據的穩(wěn)定性和可靠性，將分壓輸出的電壓信號經由運放 LM358 構成的電壓跟隨電路跟隨輸出，減小電源波動、外界因素對采樣數據的影響。3.2 運放與 A/D 的選擇圖 3-2 LM358 引腳圖LM358 內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。LM358 封裝有塑封 8 引線雙列直插式和貼片式兩種。 黃河科技學院畢業(yè)論文 第 8 頁LM358 的特點: . 內部頻率補償. 低輸入偏流. 低輸入失調電壓和失調電流. 共模輸入電壓范圍寬，包括接地. 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍. 直流電壓增益高(約 100dB) . 單位增益頻帶寬(約 1MHz) . 電源電壓范圍寬：單電源(3—30V)；. 雙電源(±1.5 一±15V). 低功耗電流，適合于電池供電. 輸出電壓擺幅大(0 至 Vcc-1.5V) ? ? ò ?8? ? ? ·7V C C6ê ? 3 ?5? ? ò ?1? o ê ? è ?2? y ê ? è ?3G N D4L M 3 8 6圖3-3 LM386的管腳圖LM386是美國國家半導體公司生產的功率放大器，主要應用于低電壓消費類產品。LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點，廣泛應用于錄音機和收音機之中。LM386是美國國家半導體公司生產的音頻功率放大器,主要應用于低電壓消費類產品。為使外圍元件最少,電壓增益內置為20。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容,便可將電壓增益調為任意值,直至200。輸入端以地位參考,同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半,在6V電源電壓下,它的靜態(tài)功耗僅為24mW,使得LM386 特別適用于電池供電的場合。LM386的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。LM386的管腳說明 黃河科技學院畢業(yè)論文 第 9 頁引腳序號 符號 功能 引腳序號 符號 功能1 GAIN 增益調整 5 OUT 輸出2 N.F 負反饋 6 VCC 電源3 IN 輸入 7 FC 濾波4 GND 地 8 GAIN 增益調整A/D 轉換選用 MCP3002，MCP3002 器件提供了兩種選擇，可將模擬輸入通道配置 2 個單端輸入（由 VSS 提供參考電壓）或一個偽差分輸入對。通信配置作為串行命令的一部分在轉換開始之前完成。當用于偽差分模式時，通過發(fā)送給器件的命令字符串，將 CH0 和 CH1 通道配置為 IN+ 和 IN- 輸入。 IN+ 輸入的范圍從 IN- 至參考電壓 VDD。IN- 輸入被限定在 VSS 滿幅值± 100mV 的范圍內。IN- 輸入可用于消 除 IN+ 和 IN- 輸入端都存在的小信號共模噪聲。 為了適應不同環(huán)境及不同的報警門限要求，方便使用者自定義調節(jié)，接入一個滑動變阻器，以簡單而有效的實現報警門限可調功能。名稱 功能VDDCH0CH1CLKDINDOUTCS/SHDN+2.7v 至 5.5v 電源和參考電壓輸入通道 0 模擬輸入通道 1 模擬輸入串行時鐘串行數據輸入串行數據輸出片選、關斷輸入MCP3002 的特性10 位分辨率 ? ±1 LSB DNL （最大值） ? ±1 LSB INL （最大值） ? 模擬輸入可編程為單端輸入或偽差分輸入對 ? 片上采樣和保持電路 ? SPI 串行接口（模式 0,0 和模式 1,1） ? 單電源供電的電壓范圍：2.7V 至 5.5V 黃河科技學院畢業(yè)論文 第 10 頁? 在 VDD = 5V 時的最大采樣速率為 200 ksps ? 在 VDD = 2.7V 時的最大采樣速率為 75 ksps ? 低功耗 CMOS 技術： - 5 nA 典型待機電流，最大 2 μA - 5V 時，工作電流最大為 550 μA ? 工業(yè)級溫度范圍：-40°C 至 +85°C ? 8 引腳 MSOP、PDIP、SOIC 和 TSSOP 封裝? 傳感器接口 ? 數據采集 ? 電池供電系統(tǒng)? 過程控制MCP3002 的模擬輸入通道 CH0 接入煙霧濃度信號，模擬輸入通道 CH1 接入報警門限可調電阻。具體電路，如圖 2-2 所示。圖 3-4 傳感器連接電路3.3 單片機系統(tǒng)部分3.3.1 AT89C51 單片機介紹AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍 黃河科技學院畢業(yè)論文 第 11 頁存儲器組合在單個芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 P0.732654189VCALE/ROGSNMIKTXDWUB圖 3-5AT89C51 引腳圖3.3.2 定時/計數器的結構及控制定時/計數器的實質是加 1 計數器（16 位） ，由高 8 位和低 8 位兩個寄存器組成。TMOD 是定時/計數器的工作方式寄存器，確定工作方式和功能；TCON 是控制寄存器，控制 T0、T1 的啟動和停止及設置溢出標志。定時/計數器結構如圖 3-9 所示： 圖 3-6 定時/計數器結構圖AT89S52 單片機定時/計數器的工作由兩個特殊功能寄存器控制。TMOD 用于設置其工作方式；TCON 用于控制其啟動和中斷申請 [9]。1.工作方式寄存器 TMOD工作方式寄存器 TMOD 用于設置定時/計數器的工作方式，低四位用于 T0，高四位用于 T1。其格式如表 3-2： 黃河科技學院畢業(yè)論文 第 12 頁表 3-2 TMOD 寄存器的格式 位號 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0符號 GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0GATE：門控位。GATE＝0 時，以運行控制位 TRX(X=0，1)來啟動定時/計數器運行；GATA＝1 時，要用軟件使 TR0 或 TR1 為 1，同時外部中斷引腳或也為高電平時，才能啟動定時/計數器工作；C/T 計數器模式和定時器模式選擇位C/T=1 時，選擇計數器模式，計數器對外部輸入引腳 T0（P3.4）或 T1（P3.5）的外部脈沖計數；C/T=0 時，選擇定時器模式。M1M0：工作方式設置位。定時/計數器有四種工作方式，由 M1M0 進行設置。表 3-3 定時/計數器工作方式M1 M0 工作方式功能0 0 工作方式 0 13 位計數器0 1 工作方式 1 16 位計數器1 0 工作方式 2 自動再裝入 8 位計數器定時器 0：分成兩個 8 位計數器1 1 工作方式 3定時器 1：停止計數2.控制寄存器 TCONTCON 的低 4 位用于控制外部中斷,已在前面介紹。TCON 的高 4 位用于控制定時/計數器的啟動和中斷申請。其格式如下：表 3-4 TCON 的格式位 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0字節(jié)地址：88HTF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0TF1（TCON.7）：T1 溢出中斷請求標志位。T1 計數溢出時由硬件自動置 TF1 為 1。CPU 響應中斷 黃河科技學院畢業(yè)論文 第 13 頁后 TF1 由硬件自動清 0。T1 工作時，CPU 可隨時查詢 TF1 的狀態(tài)。所以，TF1 可用作查詢測試的標志。TF1 也可以用軟件置 1 或清 0，同硬件置 1 或清 0 的效果一樣。TR1（TCON.6）：T1 運行控制位。TR1 置 1 時，T1 開始工作；TR1 置 0 時，T1 停止工作。TR1 由軟件置 1 或清 0。所以，用軟件可控制定時/計數器的啟動與停止。TF0（TCON.5）：T0 溢出中斷請求標志位，其功能與 TF1 類同。TR0（TCON.4）：T0 運行控制位，其功能與 TR1 類同。3.3.3 中斷控制CPU 對中斷系統(tǒng)所有中斷以及某個中斷源的開放和屏蔽是由中斷允許寄存器 IE 控制的。表 3-5 寄存器格式 位 7 6 5 4 3 2 1 0字節(jié)地址：88HEA ES ET1 EX1 ET0 EX0 IEEX0(IE.0)，外部中斷 0 允許位；ET0(IE.1)，定時/計數器 T0 中斷允許位； EX1(IE.2)，外部中斷 0 允許位；ET1(IE.3)，定時/計數器 T1 中斷允許位；ES（IE.4)，串行口中斷允許位；EA (IE.7)， CPU 中斷允許（總允許）位。 黃河科技學院畢業(yè)論文 第 14 頁3.4 單片機外圍電路介紹3.4.1 復位電路AT89C51 單片機的復位輸入引腳 RST 為 AT89C51 提供了初始化的手段。有了它可以使程序從指定處開始執(zhí)行，即從程序存儲器中的 0000H 地址單元開始執(zhí)行程序。在 89C51 的時鐘電路工作后，只要在 RST 引腳上出現兩個機器周期以上的高電平時，單片機內部則初始復位。只要 RST 保持高電平，則 89C51 循環(huán)復位。只有當 RST 由高電平變成低電平以后，89C51 才從 0000H 地址開始執(zhí)行程序。復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。本系統(tǒng)的復位電路是采用按鍵復位的電路，如圖 3-10 所示，是常用復位電路之一。單片機復位通過按動按鈕產生高電平復位稱手動復位。上電時，剛接通電源，電容 C 相當于瞬間短路，+5V 立即加到 RESET 端，該高電平使 89C51全機自動復位，這就是上電復位；若運行過程中需要程序從頭執(zhí)行，只需按動按鈕即可。按下按鈕，則直接把+5V 加到了 RESET 端從而復位稱為手動復位。復位后，P0 到 P3 并行 I/O 口全為高電平，其它寄存器全部清零 。 10UFSVrestR2K圖 3-7 AT89C51 復位電路按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復位是通過 RST 端經電阻與電源 Vcc 接通而實現的。時鐘頻率選用 6MHZ 時，C 取 22uF,Rs 取200Ω，R K取 1KΩ。 黃河科技學院畢業(yè)論文 第 15 頁3.4.2 晶振電路晶振電路由晶振和兩個負載電容組成。晶振電路部分電路連接如圖 3-11 所示。 12YMHZC30pF圖 3-8 晶振電路晶振是給單片機提供工作信號脈沖的，這個脈沖就是單片機的工作速度。比如此系統(tǒng)所用的 12MHz 晶振，單片機工作速度就是每秒 12M。在調試時要注意將 PC 串口波特率設為 1200。至于兩個電容的大小，它是根據晶振廠家提供的晶振要求選值的，換句話說，晶振的頻率就是在它提供負載電容下測得，能最大限度的保證頻率值誤差。兩個電容取值都是相同的，大部分在 20-30pF，沒有相同電容的情況下，可以用兩個相差不大電容代替，但不能相差太大，容易造成諧振不平衡，容易造成停振或者干脆不起振。晶振電路在本系統(tǒng)中是并聯(lián)方式，連接在 AT89c51 的 XTAL1 和 XTAL2 引腳。3.5 報警部分美國 ISD 公司于 2001 年最新推出一種單片 8～20 秒單段語音錄放電路 ISD1810，它的基本 結構與 ISD1110、1420 完全相同，采用 CMOS 技術，內含振蕩器，話筒前置放大，自動增益控制，防混淆濾波器，揚聲器驅動及 FLASH 陣列。 一、 主要特性 （1）使用方便的單片 8 至 20 秒語音錄放；（2）外接電阻調整錄音時間，高質量，自然的語音還原技術；（3）內置喇叭驅動放大電路； 黃河科技學院畢業(yè)論文 第 16 頁（4）邊沿、電平觸發(fā)放音 10000 次錄音周期（典型） ；（5）自動節(jié)電，維持電流 0.5uA，3-5v 單電源工作；（6）不耗電信息保存 100 年（典型值） ，借助專用設備可以批量拷貝。二、 封裝形式 現在有四種形式的封裝供客戶選擇: （1） 、通用的，硬包封雙列直插 14 腳的 DIP14，字符標記為 ISD1820P； （2） 、通用的，軟包封單列直插 12 腳的 COB12，字符標記為 1810COB； （3） 、錄音喊話器及錄音門鈴專用的，軟包封單列直插 10 腳的，字符標記為 VT8375； （4） 、通用的，軟包封雙列直插 12 腳的組件板 M12，字符標記為 ISD1810M。在此選用的是第 3 種封裝方式如下圖 3-9 元件的封裝七、使用操作 電源電壓 3-5V，在錄放模式下，按住 REC 錄音按鍵不放即錄音，RECLED 燈會亮起，錄音在該組件只需外 加電池、按鍵、喇叭、話筒即可使用。松開按鍵時停止，放音有三種情況： 1、邊沿觸發(fā)放音，按 PE 鍵一下即將全段語音放出，除非斷電或語音結束不能停止放音； 2、電平觸發(fā)放音，按住 PL 鍵時即放音，松開按鍵即停止； 3、循環(huán)放音，置循環(huán)放音開關閉合，按動 PE 鍵即開始循環(huán)放音，只能斷電才能停止。 在直通模式下，直通開關閉合，對話筒說話會從喇叭里擴音播放出來，構成喊話器功能，由于該模式下的話筒放大同時經過 AGC 自動增益調節(jié)和帶通濾波器，其音質比通常的話筒放大器要好很多，而且不會出現喇叭過載的情況。 如果用戶不需要直通模式，而且對電路的靜態(tài)耗電有要求，就可以改變話筒 黃河科技學院畢業(yè)論文 第 17 頁的接入方 式，將話筒下端的偏置電阻接到 RECLED 端，這樣，在平時由于 RECLED 端為高電平話筒沒有電壓電流，整個電路的耗電幾乎為零。但這種方式下直通模式不能工作。如果用戶只需要電路做放音用，可以在芯片錄好音測試無誤后，將芯片的 REC 端長期接低電平。取消 REC 按鍵，這樣可以防止意外抹音。條件 參數工作溫度 0℃~+50℃錄放音電源電壓 +2.7 ~+4.5V地電平 0V如果用戶想制作變調電路，現在 ISD 芯片也可以了，原來的 ISD 系列芯片的內部時鐘固定，幾乎不能產生變調效果，而 ISD1820P 可以方便的實現，只需要錄音和放音時的外部振蕩電阻不同就能改變聲音的錄入和播放速度，詳見振蕩電阻和取樣率表。將 ROSC 端所接的振蕩電阻改為電位器可以無級調節(jié)語音的快慢，錄入的時間越短音質越好，錄入的時間越長音質越差。Rosc 錄放時間 采樣頻率 典型帶寬80KΩ 8 8.0KHZ 3.4KHZ100KΩ 10 6.4KHZ 2.6KHZ120KΩ 12 5.3KHZ 2.3KHZ160KΩ 16 4.0KHZ 1.7KHZ200KΩ 20 3.2KHZ 1.3KHZISD1820P 的批量拷貝，可以借助 ISD1425 編程拷貝機加 ISD1820P 拷貝模塊的方案。用戶可以先將需要的語音編程制作在 ISD2532 或 ISD2560 芯片上，然后即可向 ISD1820P 拷貝模塊上的芯片拷貝即可，時間長度在模塊上事先設定。語音錄放電路中音頻信號由 J1 接入麥克風，通過 1K 和 4.7K 電阻形成串聯(lián)分壓，以給音頻信號直流偏置；將振蕩電阻調整為 100K，使得錄放時間大致為 黃河科技學院畢業(yè)論文 第 18 頁10 秒；AGC 端接入 22uF 的電容，動態(tài)調整前置增益以補償話筒輸入電平的寬幅變化，使得錄制變化很大的音量時失真都能保持最小錄音時；按下開關 KEY，紅色 LED 亮，表明已進入錄音狀態(tài)，可以語音輸入要錄制的音頻；放音時，按一下按鍵 AN 即可實現一次放音操作，在結束放音時紅色 LED 會閃爍一下，表明放音結束。其具體電路，如圖 2-9 所示：圖 3-10 語音錄放電路為了有效地抑制共模噪聲，采用雙音頻輸入輸出。通過接在 1 腳、8 腳間的電容來改變增益，經過測試發(fā)現，接入大小為 10uF 的電解電容，效果較好。BYPASS 引腳接大小為 470u 的電解電容能夠起到不錯的濾噪效果。輸出端接入耦合電容，作用之一是隔直耦合，隔斷直流電壓，直流電壓過大有可能會損壞喇叭線圈；耦合音頻的交流信號。通過電阻和電容構成了一階高通濾波器，輸出給揚聲器負載，能夠起到良好的濾波效果。減小電容 C14 的值，可使噪聲能量沖擊的幅度變小、寬度變窄；但調試發(fā)現 C14 太低則會使截止頻率提高。經反復測試發(fā)現 10uF 時效果較為合適。經過反復的調試，確定 LM386 音頻功放電路設計如圖 2-3 所示。 黃河科技學院畢業(yè)論文 第 19 頁圖 3-11 音頻功放電路如此設計，明顯改善了音頻的輸出效果，由于錄音環(huán)境的較差，使得錄音質量不是很好，但其放音效果已經達到預期的設計目標。4 軟件設計系統(tǒng)的軟件編程設計運用的是匯編語言，因為自己學過所以比較容易，匯編語言有一定的優(yōu)越點，匯 編 語 言 直 接 同 計 算 機 的 底 層 軟 件 甚 至 硬 件 進 行 交互 ， 它 具 有 如 下 一 些 優(yōu) 點匯 編 語 言 比 機 器 語 言 易 于 讀 寫 、 調 試 和 修 改 ， 同 時 具 有 機 器 語 言 全 部 優(yōu)點 。 但 在 編 寫 復 雜 程 序 時 ， 相 對 高 級 語 言 代 碼 量 較 大 ， 而 且 匯 編 語 言 依 賴于 具 體 的 處 理 器 體 系 結 構 ， 不 能 通 用 ， 因 此 不 能 直 接 在 不 同 處 理 器 體 系 結 構之 間 移 植 。 匯 編 語 言 的 特 點 : 1.面 向 機 器 的 低 級 語 言 ， 通 常 是 為 特 定 的 計 算 機 或 系 列 計 算 機 專 門 設 計的 。 2.保 持 了 機 器 語 言 的 優(yōu) 點 ， 具 有 直 接 和 簡 捷 的 特 點 。 3.可 有 效 地 訪 問 、 控 制 計 算 機 的 各 種 硬 件 設 備 ， 如 磁 盤 、 存 儲 器 、CPU、 I/O 端 口 等 。 4.目標代碼簡短，占用內存少，執(zhí)行速度快，是高效的程序設計語言。 5.經常與高級語言配合使用，應用十分廣泛。 系統(tǒng)的電路圖用的是 protel，在有一定的基礎后，畫電路圖就不再那么的難。 黃河科技學院畢業(yè)論文 第 20 頁4.1A/D 采樣雙通道流程將模擬量或連續(xù)變化的量進行量化（離散化） ，轉換為相應的數字量的電路。A/D 變換包含三個部分：抽樣、量化和編碼。一般情況下，量化和編碼是同時完成的。 抽樣是將模擬信號在時間上離散化的過程； 量化是將模擬信號在幅度上離散化的過程； 編碼是指將每個量化后的樣值用一定的二進制代碼來表示。圖 2-14 為 AD 采樣雙通道的流程，兩個通道要輪流切換采樣，且兩個通道的配置數據不同。與 與 與 與 0 與 與與 與 與 與 與 與 0Y與 與 與 與 1 與 與與 與 與 與N與 與與 與圖 4-1 AD 轉換流程 4.2 報警流程設計在單片機測控系統(tǒng)中，使用之前必須進行靜態(tài)標定，以得到輸出信號與被測信號的關系輸出曲線，用來作為使用過程中的計量依據。但是標定時輸出曲線往往不是一條理想的直線，所以要對標定曲線進行線性化處理，用一條擬合直線近似代替輸出曲線，線性化是智能儀表的典型功能之一 [19]。該報警器主要針對一氧化碳煙霧檢測，在軟件線性化處理時，以傳感器對一氧化碳的響應曲線為依據。 黃河科技學院畢業(yè)論文 第 21 頁本論文報警器使用的 MQ-7 型傳感器的電阻是隨著煙霧濃的升高而降低的，因此，輸入單片機的電壓也是隨之降低的。圖 4.4 為單片機采集電壓值與煙霧濃度百分比的對應曲線，可以看出，電壓值與煙霧濃度之間是非線性的關系，為了實時顯示煙霧濃度.需要對其進行線性化處理。在誤差許可范圍內，根據標定曲線形狀，以及單片機處理能力，把曲線分成若干小段，對每小段分別線性化 [20]。圖 4-2 單片機采集電壓值與煙霧濃度百分比線性化曲線在單片機進行數據采集時，會遇到數據的隨機誤差，隨機誤差是由隨機干擾引起的，其特點是在相同條件下測量同一量時，其大小和符號會現無規(guī)則的變化而無法預測，但多次測量的結果符合統(tǒng)計規(guī)律。為克服隨機干擾引起的誤差，硬件上可采用濾波技術，軟件上可采用軟件算法實現數字濾波。濾波算法往往是系統(tǒng)測控算法的一個重要組成部分，實時性很