畢業(yè)論文---基于單片機(jī)的煙霧檢測(cè)系統(tǒng)

1、<p>　　基于單片機(jī)的煙霧檢測(cè)系統(tǒng)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　為了早期發(fā)現(xiàn)和通報(bào)有害煙霧，防止和減少危害，保護(hù)人身和財(cái)產(chǎn)安全。煙霧報(bào)警器能給人們提前警示。隨著“信息時(shí)代”的到來(lái)，傳感器技術(shù)得到了顯著的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，對(duì)其需求越來(lái)越迫切,要求越來(lái)越高。本文采用MQ-7型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器和AT89C20

2、51單片機(jī)為核心技術(shù)設(shè)計(jì)的煙霧報(bào)警器，實(shí)現(xiàn)了煙霧報(bào)警、報(bào)警限設(shè)置、延時(shí)報(bào)警及與上位機(jī)串口通信等功能，對(duì)煙霧檢測(cè)報(bào)警的實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了的有意義的探索與研究，在有害氣體監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)方面有一定的參考價(jià)值。</p><p>　　關(guān)鍵詞 煙霧 報(bào)警器 AT89C2051 傳感器</p><p>　　SMOKE DETECTION SYSTEM BASED</p><p>　

3、　ON SINGLE CHIP</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　For early detection and notification of harmful fumes, to prevent and reduce hazards and protect life and property safety. Smoke ala

4、rm can give people advance warning. With the "information age" the arrival of sensor technology has been significant progress, more and more widely its applications, its demand for more and more urgent, requiri

5、ng higher and higher. In this paper, MQ-7-type semiconductor resistance type smoke sensor and AT89C2051 microcontrollers as the core technology smoke alarm de</p><p>　　KEY WORDS smoke alarm AT89C2051 sen

6、sor</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　中文摘要I</b></p><p><b>　　英文摘要II</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 問(wèn)

7、題由來(lái)1</p><p>　　1.2 課題現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 論文的主要任務(wù)2</p><p>　　2 系統(tǒng)原理概述4</p><p>　　2.1 煙霧檢測(cè)報(bào)警器的設(shè)計(jì)思路4</p><p>　　2.2 系統(tǒng)硬件組成原理4</p><p>　　2.3 煙霧傳感器的選擇

8、5</p><p>　　2.4 運(yùn)放與A/D的選擇6</p><p>　　2.5 單片機(jī)系統(tǒng)部分9</p><p>　　2.5.1 單片機(jī)AT89C51介紹9</p><p>　　2.5.2 定時(shí)/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)及控制10</p><p>　　2.5.3 中斷控制11</p><p>

9、　　2.5.4 單片機(jī)外圍電路介紹12</p><p>　　2.6 報(bào)警部分13</p><p>　　2.7 軟件系統(tǒng)工作流程15</p><p>　　2.7.1 工作過(guò)程及程序設(shè)計(jì)16</p><p><b>　　3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)17</b></p><p>　　3.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)1

10、7</p><p>　　3.2 軟件設(shè)計(jì)19</p><p>　　3.2.1 A/D采樣雙通道流程19</p><p>　　3.2.2 報(bào)警流程設(shè)計(jì)20</p><p>　　4 系統(tǒng)的仿真23</p><p>　　4.1 A/D轉(zhuǎn)換的仿真24</p><p>　　4.2 濾波及報(bào)警算法

11、調(diào)試25</p><p><b>　　5 設(shè)計(jì)總結(jié)27</b></p><p>　　5.1 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)與特點(diǎn)27</p><p>　　5.2 結(jié)論及不足28</p><p><b>　　致 謝29</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)30<

12、/b></p><p><b>　　附 錄132</b></p><p><b>　　附 錄233</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 問(wèn)題由來(lái)</b></p><

13、p>　　隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高，環(huán)境污染問(wèn)題對(duì)人們的危害也越來(lái)越明顯。煙霧有一定的社會(huì)性，可能誘發(fā)多種疾病，多個(gè)體健康危害極大，可以引起致癌，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。為了早期的發(fā)現(xiàn)和通報(bào)有害的氣體，防止對(duì)環(huán)境的污染和人體得危害，保衛(wèi)現(xiàn)代化建設(shè)，防止因有害煙霧而引起的中毒、污染等事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危害人的生命安全。</p><p>　　煙霧檢測(cè)報(bào)

14、警裝置是能夠檢測(cè)環(huán)境中的煙霧濃度并具有報(bào)警功能的儀器。該報(bào)警裝置是石油化學(xué)工業(yè)、有氣體泄漏可能的生產(chǎn)工廠及家庭防火防爆必備的儀器。煙霧報(bào)警器屬于《中華人民共和國(guó)強(qiáng)制檢定的工作計(jì)量器具目錄》中第46項(xiàng)，它歸類于物理化學(xué)計(jì)量器具?！督ㄖO(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GBJ16-87)第10.3.2條明確規(guī)定:“散發(fā)可燃煙霧、可燃蒸汽的甲類廠房和場(chǎng)所，應(yīng)設(shè)置煙霧濃度檢測(cè)報(bào)警裝置”。2003年12月，國(guó)家執(zhí)行新的煙霧探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)(GB 15322-2003)《

15、可燃煙霧探測(cè)器》，2004年10月國(guó)家頒布《可燃煙霧檢測(cè)報(bào)警器規(guī)程JJG693-2004》，研究新型、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)可燃性氣體，并合乎國(guó)家相關(guān)規(guī)定的報(bào)警器具有極其重要得意義。公共場(chǎng)所的煙霧直接影響到人們的健康[1]。2011年5月1日衛(wèi)生部公布修訂后的《公共場(chǎng)所衛(wèi)生管理?xiàng)l例實(shí)施細(xì)則》，其中新增加了“室內(nèi)公共場(chǎng)所禁止吸煙”等規(guī)定。這是中國(guó)為兌現(xiàn)世界衛(wèi)生組織控?zé)熆蚣芄s采取的最新舉動(dòng)。</p><p>　　目前我

16、國(guó)煙霧報(bào)警器使用十分廣闊，不僅可以及時(shí)檢測(cè)工廠的氣體，還可以讓我們及早做好防患措施?，F(xiàn)在有許多城市鋪設(shè)了煤氣管道，使用人口約達(dá)二億人，煤氣發(fā)生基地及中轉(zhuǎn)站也達(dá)幾千家。如果這些家用燃?xì)夂兔簹饣丶爸修D(zhuǎn)站的報(bào)警率按10% 計(jì)算，煙霧檢測(cè)報(bào)警器的需求量就達(dá)2000萬(wàn)臺(tái)以上。隨著全社會(huì)對(duì)防火防爆及人身安全的重視程度的提高，這個(gè)數(shù)字會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)。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。 </p>

17、<p><b>　　1.2 課題現(xiàn)狀</b></p><p>　　國(guó)外從20世紀(jì)30年代開(kāi)始研究及開(kāi)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年至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

18、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。</p><p>　　1963年5月，日本開(kāi)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(wèn)世，改良的報(bào)警器可以檢測(cè)燃?xì)?、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(guó)外家庭，國(guó)家強(qiáng)制規(guī)定必須要安裝煙霧報(bào)警器，目的就是為了防止火災(zāi)的發(fā)生，本產(chǎn)品在火災(zāi)發(fā)生的早期一旦有煙霧發(fā)生就可感應(yīng)到煙霧，同

19、時(shí)發(fā)出85分貝的聲音和發(fā)出光報(bào)警告知用戶發(fā)生了火災(zāi)，應(yīng)及時(shí)采取措施[2]。 </p><p>　　我國(guó)在70年代初期開(kāi)始研制煙霧報(bào)警器，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)境的各種類型報(bào)警器，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(kāi)發(fā)形成自己的特色。近年來(lái)，在煙霧選擇性和產(chǎn)品穩(wěn)定性上也有很大進(jìn)步。中國(guó)煙霧探

20、測(cè)報(bào)警系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告闡述了世界煙霧探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程，分析了中國(guó)煙霧探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與差距，開(kāi)創(chuàng)性地提出了“新型煙霧探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)” 及替代品產(chǎn)業(yè)概念，在此基礎(chǔ)上，從四個(gè)維度即“以人為本”、“科技創(chuàng)新”、“環(huán)境友好”和“面向未來(lái)”準(zhǔn)確地界定了“新型煙霧探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)” 及替代產(chǎn)品的內(nèi)涵。根據(jù)“新型煙霧探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)” 及替代品的評(píng)價(jià)體系和量化指標(biāo)體系，從全新的角度對(duì)中國(guó)煙霧探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行了推演和精準(zhǔn)

21、預(yù)測(cè)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)中國(guó)的行政區(qū)劃和四大都市圈的煙霧探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行了全面的研究。</p><p>　　1.3 論文的主要任務(wù)</p><p>　　目前，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了許多相關(guān)知識(shí)，如單片機(jī)與單片機(jī)控制電路，傳感器與其相關(guān)電路，D/A轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，放大電路設(shè)計(jì)，以及語(yǔ)音芯片等，已經(jīng)具備對(duì)信號(hào)的采集、放大、傳輸控制，語(yǔ)音芯片的語(yǔ)音錄制及放音控制，微控制電路的應(yīng)用設(shè)計(jì)等能力

22、，并具備一定的實(shí)踐創(chuàng)新能力。</p><p>　　通過(guò)對(duì)微控制器，語(yǔ)音電路，煙霧傳感器電路以及報(bào)警電路的整合，形成一個(gè)可靠性好穩(wěn)定度高，性能優(yōu)良的電路，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)低濃度煙霧的有效檢測(cè)，并給予語(yǔ)音警示的功能。如果配以精美的外殼，則可以形成一個(gè)優(yōu)秀的有良好社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為核心，通過(guò)煙霧傳感器發(fā)出的信號(hào)對(duì)煙霧進(jìn)行報(bào)警，最后通過(guò)語(yǔ)音報(bào)警電路報(bào)警，達(dá)到對(duì)煙霧報(bào)警的目的。</p>&

23、lt;p><b>　　研究?jī)?nèi)容：</b></p><p>　　第一，電子語(yǔ)音芯片的錄音和放音控制，以及音效的處理和信號(hào)的放大；</p><p>　　第二，煙霧檢測(cè)裝置的選型以及在低濃度下靈敏度域有效檢測(cè)的方法與算法；</p><p>　　第三，控制電路的實(shí)現(xiàn)方式以及MCU的選型；</p><p>　　第四，電路的抗

24、干擾能力和可靠性。</p><p><b>　　2 系統(tǒng)原理概述</b></p><p>　　2.1 煙霧檢測(cè)報(bào)警器的設(shè)計(jì)思路</p><p>　　吸煙警示器是能夠檢測(cè)環(huán)境中的煙霧，并具有報(bào)警功能的儀器，儀器的最基本組成部分應(yīng)包括：煙霧信號(hào)采集模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、錄音報(bào)警電路。</p><p>　　煙霧信號(hào)

25、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(hào)轉(zhuǎn)化為模擬的電信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將從煙霧檢測(cè)電路送出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)后送入單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波處理，并對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，是否大于或等于某個(gè)預(yù)設(shè)值(也就是報(bào)警限)，如果大于則啟動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警聲音，反之則為正常狀態(tài)，以上是根據(jù)報(bào)警器應(yīng)具備的功能，提出的整體設(shè)計(jì)思路。</p><p>　　煙霧傳感器及單片機(jī)是可燃煙霧檢測(cè)

26、報(bào)警器的兩大核心，根據(jù)報(bào)警器功能的需要，選擇合適、精確、經(jīng)濟(jì)的煙霧傳感器及單片機(jī)芯片是至關(guān)重要的。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)硬件組成原理</p><p>　　本系統(tǒng)由煙霧傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路、MCU控制電路、語(yǔ)音模塊及功放電路組成。系統(tǒng)組成框圖如圖2-1所示：</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)組成框圖</p><p>　　本系

27、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(guò)語(yǔ)音錄放電路報(bào)警的過(guò)程。</p><p>　　2.3 煙霧傳感器的選擇</p><p>　　由于本次設(shè)計(jì)的是針對(duì)公共場(chǎng)所的煙霧，而這些煙霧大多都含有一氧化碳，所以就選用對(duì)一氧化碳具有很高靈敏度的mq-7氣體傳感器[3]。</p><p>　　Mq-7氣體傳感器特點(diǎn)：對(duì)一氧化碳具有很高的靈敏度和

28、良好的選擇性；具有長(zhǎng)期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。 </p><p>　　傳感器的表面電阻Rs，是通過(guò)與其串聯(lián)的負(fù)載電阻RL上的有效電壓信號(hào)VRL輸出而獲得的。二者之間的關(guān)系為：</p><p>　　Rs/RL = (Vc-VRL) / VRL （2-1）</p><p>　　圖2-2 電壓與co濃度的關(guān)系<

29、;/p><p>　　圖2-2為利用回路測(cè)得在傳感器由潔凈空氣轉(zhuǎn)移至一氧化碳?xì)夥罩袝r(shí)，RL上的信號(hào)輸出變化情況，輸出信號(hào)的測(cè)定是在一個(gè)完整的加熱周期（由高電壓至低電壓2.5分鐘）或在兩個(gè)完整的加熱周期內(nèi)測(cè)得。</p><p><b>　　靈敏度調(diào)整：</b></p><p>　　MQ-7型氣敏器件對(duì)不同種類，不同濃度的氣體有不同的電阻值。 因此，在使

30、用此類型氣敏器件時(shí)，靈敏度的調(diào)整是很重要的。當(dāng)精確測(cè)量時(shí)，報(bào)警點(diǎn)的設(shè)定應(yīng)考慮溫濕度的影響。</p><p><b>　　靈敏度的調(diào)整程序：</b></p><p>　　將傳感器連接在應(yīng)用回路中；.</p><p>　　接通電源，通電老化48小時(shí)以上；.</p><p>　　調(diào)整負(fù)載電阻RL至獲得對(duì)應(yīng)于某一個(gè)一氧化碳濃度時(shí)

31、所需信號(hào)值。</p><p>　　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(zhǎng)期穩(wěn)定性，在正常使用條件下，其使用壽命可達(dá)5年。根據(jù)MQ-7型煙霧傳感器的工作原理，煙霧濃度的變化體現(xiàn)于其自身電阻的變化，將MQ-7與電阻串聯(lián)構(gòu)成分壓電路?？紤]到整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度，通過(guò)多次調(diào)試和測(cè)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(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性，將分壓輸出的電壓信號(hào)

32、經(jīng)由運(yùn)放LM358構(gòu)成的電壓跟隨電路跟隨輸出，減小電源波動(dòng)、外界因素對(duì)采樣數(shù)據(jù)的影響[4]。</p><p>　　2.4 運(yùn)放與A/D的選擇</p><p>　　圖2-3 LM358引腳圖</p><p>　　LM358 內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)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

33、流與電源電壓無(wú)關(guān)。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(yùn)算放大器的場(chǎng)合。LM358封裝有塑封8引線雙插式和貼片式兩種。</p><p><b>　　LM358的特點(diǎn)：</b></p><p>　　(1)內(nèi)部頻率補(bǔ)償；</p><p><b>　　(2)低輸入偏流；</b></p>

34、;<p>　　(3)低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流；</p><p>　　(4)共模輸入電壓范圍寬，包括接地；</p><p>　　(5)差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍；</p><p>　　(6)直流電壓增益高(約100dB)； </p><p>　　(7)單位增益頻帶寬(約1MHz)；</p><p>

35、;　　(8)電源電壓范圍寬：?jiǎn)坞娫?3—30V)；</p><p>　　(9)雙電源(±1.5 一±15V)；</p><p>　　(10)低功耗電流，適合于電池供電；</p><p>　　(11)輸出電壓擺幅大(0 至Vcc-1.5V)。</p><p>　　圖2-4 LM386的管腳圖</p><

36、p>　　LM386是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的功率放大器，主要應(yīng)用于低電壓消費(fèi)類產(chǎn)品。LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)和收音機(jī)之中。LM386是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大 器,主要應(yīng)用于低電壓消費(fèi)類產(chǎn)品。為使外圍元件最少,電壓增益內(nèi)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(diào)為任意值,直至200。輸入端以地

37、位參考,同時(shí)輸出端被自動(dòng)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(chǎng)合。LM386的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式[5]。</p><p>　　表2-1 LM386的管腳說(shuō)明</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換選用MCP3002，MCP3002器件提供了兩種選擇，可將模擬輸入通道配置為2個(gè)單端輸入（由VSS 提供參考電壓）或一

38、個(gè)偽差分輸入對(duì)。通信配置作為串行命令的一部分在轉(zhuǎn)換開(kāi)始之前完成。當(dāng)用于偽差分模式時(shí)，通過(guò)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(nèi)。IN-輸入可用于消除IN+和IN-輸入端都存在的小信號(hào)共模噪聲。為了適應(yīng)不同環(huán)境及不同的報(bào)警門限要求，方便使用者自定義調(diào)節(jié)，接入一個(gè)滑動(dòng)變阻器，以簡(jiǎn)單而有效的實(shí)現(xiàn)報(bào)警門限可

39、調(diào)功能[6]。下圖2-5是MCP3002的引腳分布圖：</p><p>　　圖2-5 芯片引腳圖</p><p>　　MCP3002各個(gè)引腳的功能如表2-2所示：</p><p>　　圖表2-2 MCP3002引腳功能</p><p>　　MCP3002的特性： <

40、;/p><p>　　（1）±1 LSB DNL （最大值）；</p><p>　?。?） ±1 LSB INL （最大值）； </p><p>　?。?）模擬輸入可編程為單端輸入或偽差分輸入對(duì)；</p><p>　?。?）片

41、上采樣和保持電路； </p><p>　?。?）SPI 串行接口（模式0,0 和模式 1,1）； </p><p>　?。?）單電源供電的電壓范圍：2.7V 至5.5V；</p><p>　　（7）在VDD = 5V 時(shí)

42、的最大采樣速率為200 ksps；</p><p>　?。?）在VDD = 2.7V 時(shí)的最大采樣速率為75 ksps；</p><p>　?。?）低功耗 CMOS 技術(shù)：</p><p>　　- 5 nA 典型待機(jī)電流，最大2 µA；</p><p>　　- 5V 時(shí)，工作電流最大為550 µA；</p>

43、<p>　　（10）工業(yè)級(jí)溫度范圍：-40°C 至 +85°C；</p><p>　　（11）8引腳MSOP、PDIP、SOIC 和TSSOP 封裝；</p><p>　?。?2）傳感器接口；</p><p>　?。?3）數(shù)據(jù)采集；

44、 </p><p>　?。?4）電池供電系統(tǒng)；</p><p><b>　　（15）過(guò)程控制。</b></p><p>　　2.5 單片機(jī)系統(tǒng)部分</p><p>　　2.5.1 單片機(jī)AT89C51介紹</p><p>　　AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除

45、只讀存儲(chǔ)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(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)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(jià)廉的方案[7]。</

46、p><p>　　圖2-6 AT89C51引腳圖</p><p>　　2.5.2 定時(shí)/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)及控制</p><p>　　定時(shí)/計(jì)數(shù)器的實(shí)質(zhì)是加1計(jì)數(shù)器（16位），由高8位和低8位兩個(gè)寄存器組成。TMOD是定時(shí)/計(jì)數(shù)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(dòng)和停止及設(shè)置溢出標(biāo)志。定時(shí)/計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)如圖2-7所示： </

47、p><p>　　圖2-7 定時(shí)/計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　AT89S51單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作由兩個(gè)特殊功能寄存器控制。TMOD用于設(shè)置其工作方式；TCON用于控制其啟動(dòng)和中斷申請(qǐng)[9]。</p><p>　　1.工作方式寄存器TMOD</p><p>　　工作方式寄存器TMOD用于設(shè)置定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作方式，低四位用于T0，高四位用

48、于T1。其格式如表3-2： </p><p>　　表2-3 工作方式寄存器格式</p><p><b>　　GATE：門控位。</b></p><p>　　GATE＝0時(shí)，以運(yùn)行控制位TRX(X=0，1)來(lái)啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器運(yùn)行；</p><p>　　GATA＝1時(shí)，要用軟件使TR0或TR1為1，同

49、時(shí)外部中斷引腳或也為高電平時(shí)，才能啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作；</p><p>　　C/T計(jì)數(shù)器模式和定時(shí)器模式選擇位：</p><p>　　C/T=1時(shí)，選擇計(jì)數(shù)器模式，計(jì)數(shù)器對(duì)外部輸入引腳T0（P3.4）或T1（P3.5）的外部脈沖計(jì)數(shù)；C/T=0時(shí)，選擇定時(shí)器模式。</p><p>　　M1M0：工作方式設(shè)置位。定時(shí)/計(jì)數(shù)器有四種工作方式，由M1M0進(jìn)行設(shè)置。<

50、;/p><p>　　表2-4 工作方式及功能</p><p>　　2.控制寄存器TCON</p><p>　　TCON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(shí)/計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)和中斷申請(qǐng)。其格式如下：</p><p>　　表2-5 控制寄存器格式</p><p>　　TF1（TCON.7）：<

51、;/p><p>　　T1溢出中斷請(qǐng)求標(biāo)志位。T1計(jì)數(shù)溢出時(shí)由硬件自動(dòng)置TF1為1。CPU響應(yīng)中斷后TF1由硬件自動(dòng)清0。T1工作時(shí)，CPU可隨時(shí)查詢TF1的狀態(tài)。所以，TF1可用作查詢測(cè)試的標(biāo)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。</p><p>　　TR1（TCON.6）：</p><p>　　T1運(yùn)行控制位。TR1置1時(shí)，T1開(kāi)始工作；TR1

52、置0時(shí)，T1停止工作。TR1由軟件置1或清0。所以，用軟件可控制定時(shí)/計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)與停止。</p><p>　　TF0（TCON.5）：</p><p>　　T0溢出中斷請(qǐng)求標(biāo)志位，其功能與TF1類同。</p><p>　　TR0（TCON.4）：</p><p>　　T0運(yùn)行控制位，其功能與TR1類同。</p><p&g

53、t;　　2.5.3 中斷控制</p><p>　　CPU對(duì)中斷系統(tǒng)所有中斷以及某個(gè)中斷源的開(kāi)放和屏蔽是由中斷允許寄存器IE控制的。</p><p>　　表2-6 中斷寄存器地址控制</p><p>　　EX0(IE.0)，外部中斷0允許位；</p><p>　　ET0(IE.1)，定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0中斷允許位； </p>&l

54、t;p>　　EX1(IE.2)，外部中斷0允許位；</p><p>　　ET1(IE.3)，定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1中斷允許位；</p><p>　　ES（IE.4)，串行口中斷允許位；</p><p>　　EA (IE.7)， CPU中斷允許（總允許）位。</p><p>　　2.54 單片機(jī)外圍電路介紹</p><p&g

55、t;　　AT89C51單片機(jī)的復(fù)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(kāi)始執(zhí)行，即從程序存儲(chǔ)器中的0000H地址單元開(kāi)始執(zhí)行程序。在89C51的時(shí)鐘電路工作后，只要在RST引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部則初始復(fù)位。只要RST保持高電平，則89C51循環(huán)復(fù)位。只有當(dāng)RST由高電平變成低電平以后，89C51才從0000H地址開(kāi)始執(zhí)行程序[8]。</p><p>

56、　　復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。</p><p>　　本系統(tǒng)的復(fù)位電路是采用按鍵復(fù)位的電路，如圖2-8所示，是常用復(fù)位電路之一。單片機(jī)復(fù)位通過(guò)按動(dòng)按鈕產(chǎn)生高電平復(fù)位稱手動(dòng)復(fù)位。上電時(shí)，剛接通電源，電容C相當(dāng)于瞬間短路，+5V立即加到RESET端，該高電平使89C51全機(jī)自動(dòng)復(fù)位，這就是上電復(fù)位；若運(yùn)行過(guò)程中需要程序從頭執(zhí)行，只需按動(dòng)按鈕即可。按下按鈕，則直接把+5V加到了RESET端從而復(fù)位稱

57、為手動(dòng)復(fù)位。復(fù)位后，P0到P3并行I/O口全為高電平，其它寄存器全部清零 。</p><p>　　圖2-8 AT89C51復(fù)位電路</p><p>　　按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過(guò)RST端經(jīng)電阻與電源Vcc接通而實(shí)現(xiàn)的。時(shí)鐘頻率選用6MHZ時(shí)，C取22uF,Rs取200Ω，RK取1KΩ。</p><p><b>　　2.6 報(bào)

58、警部分</b></p><p>　　美國(guó) ISD 公司于 2001 年最新推出一種單片 8～20 秒單段語(yǔ)音錄放電路 ISD1810，它的基本 結(jié)構(gòu)與 ISD1110、1420完全相同，采用 CMOS 技術(shù)，內(nèi)含振蕩器，話筒前置放大，自動(dòng)增益控制，防混淆濾波器，揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)及 FLASH 陣列[9]。</p><p><b>　　一、 主要特性： </b>&

59、lt;/p><p>　?。?）使用方便的單片8至20秒語(yǔ)音錄放；</p><p>　?。?）外接電阻調(diào)整錄音時(shí)間，高質(zhì)量，自然的語(yǔ)音還原技術(shù)；</p><p>　?。?）內(nèi)置喇叭驅(qū)動(dòng)放大電路； </p><p>　?。?）邊沿、電平觸發(fā)放音 10000次錄音周期（典型）；</p><p>　　（5）自動(dòng)節(jié)電，維持電流0.

60、5uA，3-5v單電源工作；</p><p>　?。?）不耗電信息保存100年（典型值） ，借助專用設(shè)備可以批量拷貝。</p><p><b>　　二、 封裝形式： </b></p><p>　　現(xiàn)在有四種形式的封裝供客戶選擇：</p><p>　?。?）通用的，硬包封雙列直插 14腳的 DIP14，字符標(biāo)記為 ISD1

61、820P； </p><p>　?。?）通用的，軟包封單列直插 12腳的 COB12，字符標(biāo)記為 1810COB； </p><p>　?。?）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(biāo)記為 VT8375； </p><p>　?。?）通用的，軟包封雙列直插 12腳的組件板 M12，字符標(biāo)記為 ISD1810M。</p><p&

62、gt;　　在此選用的是第3種封裝方式如下</p><p>　　圖2-9 元件的封裝</p><p><b>　　三、使用操作 </b></p><p>　　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(huì)亮起，錄音在該組件只需外 加電池、按鍵、喇叭、話筒即可使用。</p><p>　

63、　松開(kāi)按鍵時(shí)停止，放音有三種情況： </p><p>　　1、邊沿觸發(fā)放音，按 PE 鍵一下即將全段語(yǔ)音放出，除非斷電或語(yǔ)音結(jié)束不能停止放音； </p><p>　　2、電平觸發(fā)放音，按住 PL 鍵時(shí)即放音，松開(kāi)按鍵即停止； </p><p>　　3、循環(huán)放音，置循環(huán)放音開(kāi)關(guān)閉合，按動(dòng) PE 鍵即開(kāi)始循環(huán)放音，只能斷電才能停止。 </p><p&

64、gt;　　在直通模式下，直通開(kāi)關(guān)閉合，對(duì)話筒說(shuō)話會(huì)從喇叭里擴(kuò)音播放出來(lái)，構(gòu)成喊話器功能，由于該模式下的話筒放大同時(shí)經(jīng)過(guò)AGC 自動(dòng)增益調(diào)節(jié)和帶通濾波器，其音質(zhì)比通常的話筒放大器要好很多，而且不會(huì)出現(xiàn)喇叭過(guò)載的情況。 </p><p>　　如果用戶不需要直通模式，而且對(duì)電路的靜態(tài)耗電有要求，就可以改變?cè)捦驳慕尤敕?式，將話筒下端的偏置電阻接到 RECLED 端，這樣，在平時(shí)由于 RECLED 端為高電平話筒沒(méi)有電壓

65、電流，整個(gè)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(cè)試無(wú)誤后，將芯片的 REC 端長(zhǎng)期接低電平。取消 REC 按鍵，這樣可以防止意外抹音</p><p>　　表2-7 工作環(huán)境</p><p>　　如果用戶想制作變調(diào)電路，現(xiàn)在 ISD 芯片也可以了，原來(lái)的 ISD 系列芯片的內(nèi)部時(shí)鐘固定，幾乎不能產(chǎn)生變調(diào)效果，而 ISD1820P可以

66、方便的實(shí)現(xiàn)，只需要錄音和放音時(shí)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(jiàn)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(wú)級(jí)調(diào)節(jié)語(yǔ)音的快慢，錄入的時(shí)間越短音質(zhì)越好，錄入的時(shí)間越長(zhǎng)音質(zhì)越差。</p><p>　　表2-8 錄音采樣</p><p>　　ISD1820P 的批量拷貝，可以借助 ISD1425 編程拷貝機(jī)加 ISD1820P 拷貝模塊的方案。用戶可以先

67、將需要的語(yǔ)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(shí)間長(zhǎng)度在模塊上事先設(shè)定。</p><p>　　2.7 軟件系統(tǒng)工作流程</p><p>　　在硬件設(shè)計(jì)完畢之后，接下來(lái)就是設(shè)計(jì)中最核心和最為主要的軟件部分設(shè)計(jì)。所謂軟件設(shè)計(jì)就是把軟件需求變換成軟件的具體設(shè)計(jì)方案（即模塊結(jié)構(gòu)）的過(guò)程。產(chǎn)品猶如我們?nèi)祟愐粯?，硬件系統(tǒng)是整個(gè)外

68、形，軟件系統(tǒng)則是大腦，程序猶如思維。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程，保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)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(nèi)存詳細(xì)合理分配，各個(gè)單元各盡其責(zé)；MCU的端口分配，不僅有助于程序控制，而且對(duì)PCB制版大有裨益。</p><p>　　2.7.1 工作過(guò)程及程序設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)主要分為2個(gè)狀態(tài)：煙霧濃度較低時(shí)的正常狀態(tài)和煙霧濃度較高時(shí)的

69、報(bào)警狀態(tài)。</p><p>　　正常狀態(tài)時(shí)，為了能夠指示整個(gè)系統(tǒng)是在正常工作的，采用綠色LED指示此狀態(tài)，同時(shí)考慮到功耗問(wèn)題，控制綠色LED一秒鐘閃爍一次，定時(shí)器T0配合工作；報(bào)警狀態(tài)時(shí)，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(shí)，控制語(yǔ)音芯片放音，通過(guò)喇叭音頻輸出。定時(shí)器T0配合工作，報(bào)警狀態(tài)時(shí)，若煙霧濃度一直較高，則只報(bào)警一次。10秒鐘后，若煙霧濃度較低，則恢復(fù)正常狀態(tài)；若煙霧濃度仍較

70、高，則再報(bào)警。</p><p>　　圖2-10為整個(gè)系統(tǒng)工作的主流程。MCU初始化完成了內(nèi)存清空，端口配置，AD配置，定時(shí)、中斷設(shè)置等操作；AD轉(zhuǎn)換包括通道0、通道1的采樣；數(shù)據(jù)處理包括報(bào)警值的滑動(dòng)濾波、煙霧濃度信號(hào)的滑動(dòng)濾波、有符號(hào)增量計(jì)算等一系列計(jì)算。放音和LED控制由MCU通過(guò)I/O口直接控制[10]。</p><p>　　圖2-10 系統(tǒng)流程圖</p><p&

71、gt;<b>　　3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　MCP3002的模擬輸入通道CH0接入煙霧濃度信號(hào)，模擬輸入通道CH1接入報(bào)警門限可調(diào)電阻。具體電路，如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 傳感器連接電路</p><p>　　語(yǔ)音錄放電路中音頻信號(hào)由J

72、1接入麥克風(fēng)，通過(guò)1K和4.7K電阻形成串聯(lián)分壓，以給音頻信號(hào)直流偏置；將振蕩電阻調(diào)整為100K，使得錄放時(shí)間大致為10秒；AGC端接入22uF的電容，動(dòng)態(tài)調(diào)整前置增益以補(bǔ)償話筒輸入電平的寬幅變化，使得錄制變化很大的音量時(shí)失真都能保持最小錄音時(shí)；按下開(kāi)關(guān)KEY，紅色LED亮，表明已進(jìn)入錄音狀態(tài)，可以語(yǔ)音輸入要錄制的音頻；放音時(shí)，按一下按鍵AN即可實(shí)現(xiàn)一次放音操作，在結(jié)束放音時(shí)紅色LED會(huì)閃爍一下，表明放音結(jié)束[11]。圖3-2所示：&l

73、t;/p><p>　　圖3-2 語(yǔ)音錄放電路</p><p>　　為了有效地抑制共模噪聲，采用雙音頻輸入輸出。通過(guò)接在1腳、8腳間的電容來(lái)改變?cè)鲆妫?jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，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(cuò)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(guò)大有可能會(huì)損壞喇叭線圈；耦合音頻的交流信號(hào)。通過(guò)電阻和電容構(gòu)成

74、了一階高通濾波器，輸出給揚(yáng)聲器負(fù)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(diào)試發(fā)現(xiàn)C14太低則會(huì)使截止頻率提高。經(jīng)反復(fù)測(cè)試發(fā)現(xiàn)10uF時(shí)效果較為合適。經(jīng)過(guò)反復(fù)的調(diào)試，確定LM386音頻功放電路設(shè)計(jì)如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 音頻功放電路</p><p>　　如此設(shè)計(jì)，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(zhì)

75、量不是很好，但其放音效果已經(jīng)達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。</p><p>　　前向通道：煙霧傳感器電路主要負(fù)責(zé)探測(cè)空氣中CO的氣體濃度，能夠隨著CO濃度的不同，體現(xiàn)出不同的變化，將變化信號(hào)轉(zhuǎn)化為易于MCU處理的電壓信號(hào)。由于煙霧傳感器的輸出信號(hào)不大，經(jīng)過(guò)運(yùn)放比例放大電路，適當(dāng)放大所得的電壓信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)，便于MCU處理。</p><p>　　MCU接收前向通

76、道輸入的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算、處理，輸出控制給后向通道(LED顯示、語(yǔ)音芯片)等。</p><p>　　后向通道：語(yǔ)音電路，主要負(fù)責(zé)語(yǔ)音濾波和受控放音功能，配合功放電路，放大音頻信號(hào)，輸出給喇叭，實(shí)現(xiàn)良好的放音效果。</p><p><b>　　3.2 軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　系統(tǒng)的軟件編程設(shè)計(jì)運(yùn)用的是匯編語(yǔ)言，因?yàn)樽约簩W(xué)過(guò)所以比

77、較容易，匯編語(yǔ)言有一定的優(yōu)越點(diǎn)，匯編語(yǔ)言直接同計(jì)算機(jī)的底層軟件甚至硬件進(jìn)行交互，它具有如下一些優(yōu)點(diǎn)：匯編語(yǔ)言比機(jī)器語(yǔ)言易于讀寫、調(diào)試和修改，同時(shí)具有機(jī)器語(yǔ)言全部?jī)?yōu)點(diǎn)。但在編寫復(fù)雜程序時(shí)，相對(duì)高級(jí)語(yǔ)言代碼量較大，而且匯編語(yǔ)言依賴于具體的處理器體系結(jié)構(gòu)，不能通用，因此不能直接在不同處理器體系結(jié)構(gòu)之間移植[12]。</p><p><b>　　匯編語(yǔ)言的特點(diǎn): </b></p>&l

78、t;p>　　1.面向機(jī)器的低級(jí)語(yǔ)言，通常是為特定的計(jì)算機(jī)或系列計(jì)算機(jī)專門設(shè)計(jì)的； </p><p>　　2.保持了機(jī)器語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)，具有直接和簡(jiǎn)捷的特點(diǎn)； </p><p>　　3.可有效地訪問(wèn)、控制計(jì)算機(jī)的各種硬件設(shè)備，如磁盤、存儲(chǔ)器、CPU、I/O端口等； </p><p>　　4.目標(biāo)代碼簡(jiǎn)短，占用內(nèi)存少，執(zhí)行速度快，是高效的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言；</p&g

79、t;<p>　　5.經(jīng)常與高級(jí)語(yǔ)言配合使用，應(yīng)用十分廣泛。</p><p>　　3.2.1 A/D采樣雙通道流程</p><p>　　將模擬量或連續(xù)變化的量進(jìn)行量化（離散化），轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量的電路。 A/D變換包含三個(gè)部分：抽樣、量化和編碼。一般情況下，量化和編碼是同時(shí)完成的。 抽樣是將模擬信號(hào)在時(shí)間上離散化的過(guò)程； 量化是將模擬信號(hào)在幅度上離散化的過(guò)程； 編碼是指將每

80、個(gè)量化后的樣值用一定的二進(jìn)制代碼來(lái)表示。</p><p>　　圖3-4為AD采樣雙通道的流程，兩個(gè)通道要輪流切換采樣，且兩個(gè)通道的配置數(shù)據(jù)不同。</p><p>　　圖3-4 AD轉(zhuǎn)換流程</p><p>　　3.2.2 報(bào)警流程設(shè)計(jì)</p><p>　　在單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，使用之前必須進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，以得到輸出信號(hào)與被測(cè)信號(hào)的關(guān)系輸出曲線

81、，用來(lái)作為使用過(guò)程中的計(jì)量依據(jù)。但是標(biāo)定時(shí)輸出曲線往往不是一條理想的直線，所以要對(duì)標(biāo)定曲線進(jìn)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[13]。報(bào)警器主要針對(duì)一氧化碳煙霧檢測(cè)，在軟件線性化處理時(shí)，以傳感器對(duì)一氧化碳的響應(yīng)曲線為依據(jù)。 </p><p>　　本論文報(bào)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(jī)的電壓也是隨之降低的。圖3-5為單片機(jī)采集

82、電壓值與煙霧濃度百分比的對(duì)應(yīng)曲線，可以看出，電壓值與煙霧濃度之間是非線性的關(guān)系，為了實(shí)時(shí)顯示煙霧濃度.需要對(duì)其進(jìn)行線性化處理。在誤差許可范圍內(nèi)，根據(jù)標(biāo)定曲線形狀，以及單片機(jī)處理能力，把曲線分成若干小段，對(duì)每小段分別線性化[20]。</p><p>　　圖3-5 單片機(jī)采集電壓值與煙霧濃度百分比線性化曲線</p><p>　　在單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，會(huì)遇到數(shù)據(jù)的隨機(jī)誤差，隨機(jī)誤差是由隨機(jī)干

83、擾引起的，其特點(diǎn)是在相同條件下測(cè)量同一量時(shí)，其大小和符號(hào)會(huì)現(xiàn)無(wú)規(guī)則的變化而無(wú)法預(yù)測(cè)，但多次測(cè)量的結(jié)果符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律。為克服隨機(jī)干擾引起的誤差，硬件上可采用濾波技術(shù)，軟件上可采用軟件算法實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。濾波算法往往是系統(tǒng)測(cè)控算法的一個(gè)重要組成部分，實(shí)時(shí)性很強(qiáng)。</p><p>　　圖3-6為濾波算法及報(bào)警判斷流程，濾波算法是將每次的采集的煙霧值與這次前的32次平均值相減得到變化量，并累加變化量，將變化量累加和作為報(bào)警的

84、判別依據(jù)。</p><p>　　圖3-6 濾波算法及報(bào)警判斷流程</p><p><b>　　4 系統(tǒng)的仿真</b></p><p>　　時(shí)下，流行使用的模擬仿真軟件有2款：偉福和Keil，二者均可以仿真51單片機(jī)。鑒于實(shí)驗(yàn)室有偉福仿真器，便于調(diào)試，同時(shí)在學(xué)習(xí)微控制器原理及應(yīng)用課程時(shí)，專門對(duì)此軟件進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)學(xué)習(xí)，使用起來(lái)輕車熟路。仿真器使用

85、9 針串行口,與PC 機(jī)用兩頭為孔的串行電纜連接.對(duì)于一些只有USB 口而沒(méi)有串口的計(jì)算機(jī),可以使用USB轉(zhuǎn)串口電纜將USB 轉(zhuǎn)成串行口，串行電纜內(nèi)部連接根據(jù)仿真器型號(hào)不同,邏輯測(cè)試鉤插座可能只有一個(gè)[14]。</p><p>　　由于程序使用匯編編寫的，所以在wave仿真器設(shè)置中語(yǔ)言欄選擇偉福匯編器，具體設(shè)置如圖4-1所示：</p><p>　　圖4-1 仿真器語(yǔ)言設(shè)定</p&g

86、t;<p>　　實(shí)驗(yàn)室使用的偉福仿真器型號(hào)為E6000/L,仿真頭選擇為POD-H8X5X，CPU選擇型號(hào)為8X5X，具體設(shè)定如圖4-2所示：</p><p>　　圖4-2 仿真器的型號(hào)選擇</p><p>　　通信設(shè)置如圖4-3所示，波特率設(shè)定為115200，選擇串口號(hào)，點(diǎn)擊測(cè)試串行口，通過(guò)則證明串口端口正確，可以進(jìn)行下一步的仿真調(diào)試。</p><p&g

87、t;　　圖4-3 仿真器通信設(shè)置</p><p>　　圖4-4為偉福軟件主界面，可以進(jìn)行調(diào)試單步、跟蹤、全速等等調(diào)試，可以觀察內(nèi)存數(shù)據(jù)，設(shè)置P口，修改狀態(tài)等等，操作方便。</p><p>　　圖4-4 偉福軟件主界面</p><p>　　4.1 A/D轉(zhuǎn)換的仿真</p><p>　　MCP3002是雙通道、標(biāo)準(zhǔn)SPI通信接口。首先，要驗(yàn)

88、證兩通道是否都是正常的。通道0的采樣數(shù)據(jù)放在40H-7FH單元，通道1的采樣數(shù)據(jù)放在25H-2DH單元。在煙霧傳感器工作穩(wěn)定后，通道0的采樣數(shù)據(jù)基本不變；通過(guò)調(diào)節(jié)電位器，調(diào)節(jié)其阻值最小時(shí)，采樣25H至2DH數(shù)據(jù)應(yīng)為00H，調(diào)節(jié)其阻值最大時(shí)，采樣數(shù)據(jù)應(yīng)為FFH，可以驗(yàn)證通道0和通道1是否正常。</p><p>　　圖4-5、圖4-6分別為調(diào)節(jié)輸入通道的電壓為0V和電源電壓時(shí)，利用偉福軟件仿真器測(cè)到的數(shù)據(jù)，觀察圖中2

89、5H至2CH單元及40H單元而后的數(shù)據(jù)，可見(jiàn)，兩通道均正常。</p><p>　　圖4-5 輸入電壓為0V時(shí)采樣數(shù)據(jù)</p><p>　　圖4-6 輸入電壓為電源電壓時(shí)采樣數(shù)據(jù)</p><p>　　4.2 濾波及報(bào)警算法調(diào)試</p><p>　　將每次的采集值與這次前的32次采樣值的平均值相減得到變化量，并將此變化量累加，將其累加和作為

90、報(bào)警的判別依據(jù)。報(bào)警門限值可直接通過(guò)滑動(dòng)濾波算法進(jìn)行處理。</p><p>　　當(dāng)煙霧傳感器有變化時(shí)，圖4-7、圖4-8分別為操作前后單片機(jī)的內(nèi)存數(shù)據(jù)，觀察比較兩次的3CH、3DH單元數(shù)據(jù)，它們就是增量累加和，也即是報(bào)警參考依據(jù)。操作前，它們很小為全零；操作后它們變成了很大的數(shù)據(jù)，超過(guò)了報(bào)警門限2BH、2CH單元數(shù)據(jù)，可以證明此濾波算法及報(bào)警判斷程序有效[15]。</p><p>　　圖4

91、-7 操作前單片機(jī)內(nèi)存單元數(shù)據(jù)</p><p>　　圖4-8 操作后單片機(jī)內(nèi)存單元數(shù)據(jù)</p><p><b>　　5 設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p>　　5.1 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)與特點(diǎn)</p><p>　　本研究產(chǎn)品是一種新型煙霧警示器，采用煙霧傳感器，通過(guò)對(duì)空氣中煙霧粒子的濃度的檢測(cè)來(lái)判別是否有煙霧，采用MCU電路

92、來(lái)控制語(yǔ)音芯片完成播放警示音，并發(fā)出光警信號(hào)， 展現(xiàn)聲光警示勸告。希望研究成功后，可以形成一個(gè)新型的小產(chǎn)品。它主要用于大廳、會(huì)議室、走廊等室內(nèi)公共場(chǎng)所，對(duì)吸煙人群提出警示勸告，將有利于在全社會(huì)形成更多的無(wú)煙環(huán)境，并且，對(duì)此產(chǎn)品配以精美外殼，加以包裝，可以成為適應(yīng)多種場(chǎng)合的系列產(chǎn)品，形成良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。</p><p>　　該課題的主要任務(wù)是開(kāi)發(fā)一個(gè)以MCS-51單片機(jī)為核心的煙霧報(bào)警器，本設(shè)計(jì)主要分為硬

93、件部分和軟件部分，硬件部分著重考慮硬件電路的實(shí)用性和簡(jiǎn)單性，故在實(shí)用的基礎(chǔ)上盡可能的簡(jiǎn)化硬件電路，節(jié)省線路板空間，達(dá)到硬件電路最優(yōu)化設(shè)計(jì)。軟件采用匯編語(yǔ)言編寫，采用模塊話設(shè)計(jì)思想，程序可讀性強(qiáng)，通過(guò)仿真，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行，能滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙霧報(bào)警的功能。</p><p>　　系統(tǒng)正常工作時(shí)，即煙霧濃度較低，未達(dá)到報(bào)警門限，綠色LED一秒閃爍一次，紅色LED滅，煙在煙霧傳感器上面，虛擬一個(gè)煙

94、霧濃度高的場(chǎng)合，系統(tǒng)進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)，超過(guò)了使用者調(diào)節(jié)的報(bào)警門限，綠色LED滅，紅色LED常亮，單片機(jī)控制語(yǔ)音芯片放音操作，喇叭輸出已錄制的“公共場(chǎng)所，請(qǐng)勿吸煙”音頻，通過(guò)以上的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)煙霧濃度高低，當(dāng)煙霧濃度較高時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)語(yǔ)音報(bào)警操作。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)特點(diǎn)：</b></p><p>　　（1）利用對(duì)一氧化碳靈敏度高的氣體傳感器，當(dāng)有煙霧

95、時(shí)，迅速將信號(hào)傳遞到單片機(jī)中；</p><p>　?。?）運(yùn)用A/D轉(zhuǎn)換電路MCP3002可以進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)煙霧濃度低時(shí)綠色燈開(kāi)始閃爍，當(dāng)達(dá)到報(bào)警值時(shí)，紅色燈常量，語(yǔ)音芯片開(kāi)始報(bào)警，簡(jiǎn)單而方便；</p><p>　?。?）運(yùn)用語(yǔ)言芯片ISD1820可以自己錄音用來(lái)報(bào)警，有效的抑制了共模噪聲，這樣更加人性化。</p><p>　　5.2 結(jié)論及不足</p>

96、<p>　　本設(shè)計(jì)以AT89C2051為核心，通過(guò)煙霧傳感器mq-7來(lái)檢測(cè)周圍環(huán)境中是否有煙霧，最后通過(guò)錄音功放電路發(fā)出警報(bào)聲音，從而達(dá)到煙霧報(bào)警的目的。</p><p><b>　　存在問(wèn)題及不足：</b></p><p>　?。?）煙霧傳感器存在一定的誤差，在特殊環(huán)境的溫度和濕度對(duì)傳感器有一定的影響，有可能造成的不精確。傳感器輸出信號(hào)一般比較微弱，需

97、要過(guò)數(shù)據(jù)采集前置電路對(duì)其進(jìn)行放 大、濾波、電平調(diào)整，滿足單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的要求。運(yùn)放誤差是造成前置放大誤差的主要原因，運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓，輸入失調(diào)電流是影響電路精度的重要因素。本設(shè)計(jì)選用高輸入阻抗、低噪聲的放大器，可以滿足要求。另外所選的阻容器件都是經(jīng)過(guò)精確測(cè)量后再焊接上去的，并經(jīng)過(guò)仔細(xì)調(diào)試以獲得最佳性能。 </p><p>　?。?）錄音報(bào)警電路在使用交流電路時(shí)有可能造成的共模噪聲。雖然系統(tǒng)采用直流電源供電，但

98、電源不可避免地殘留一定的交流成分而形成噪聲信號(hào)。它們對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行危害很大。本系統(tǒng)選用ACDC電源模塊，將220V市電轉(zhuǎn)化為5V直流電壓，分別給模擬電路和數(shù)字電路供電。為了盡量減小噪聲，數(shù)字地和模擬地要一點(diǎn)接地，每個(gè)芯片的電源就近接退耦電容。</p><p>　?。?）環(huán)境因素包括環(huán)境溫度、濕度、空氣中的塵埃等。對(duì)本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，空氣中的成分對(duì)系統(tǒng)的探頭和單片機(jī)及其外圍電路影響很小，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)不用進(jìn)行補(bǔ)償。但

99、環(huán)境溫度、濕度對(duì)傳感器有一定的影響。但是溫濕度的影響相對(duì)于系統(tǒng)5%LEL的精度要求，可以忽略不計(jì)。另外，系統(tǒng)還受到各種外部電磁噪聲的干擾，設(shè)計(jì)上，把探測(cè)器與控制器之間的信號(hào)線用屏蔽電纜連接。在電路板布線時(shí)，有可能造成的干擾。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　大學(xué)生活一晃而過(guò)，回首</p><p><b

100、>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]謝望.煙霧傳感器技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì).儀器儀表用戶,2006.1-2</p><p>　　[2]陳連生.可燃煙霧探測(cè)器及其設(shè)置安裝要領(lǐng).石油工程建設(shè).1996(1):23-25 </p><p>　　[3]李永生,楊莉玲.半導(dǎo)體氣敏元件的選擇性研究.傳感器技術(shù),2002(3): 1-3 </p

101、><p>　　[4]張保衛(wèi),尚家峰,趙金水.燃?xì)鈭?bào)警器的分類與選擇.山東消防, 2003(8): 27-28 </p><p>　　[5]王福瑞．單片微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全[M]．北京航空航天大學(xué)出版社，1999:4-9</p><p>　　[6]彭軍.傳感器與檢測(cè)技術(shù):西安電子科技大學(xué)出版社,2003:263-315</p><p>　　[7]彭

102、為.黃科，雷道仲.單片機(jī)典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例精講.北京：電子工業(yè)出版社.2006：55-90</p><p>　　[8]曹珍貫. 在單片機(jī)中用插值法實(shí)現(xiàn)線性化器. 工礦自動(dòng)化, 2005(6): 44-45 </p><p>　　[9]王勇, 冷劍青, 徐健健. 基于單片機(jī)的室內(nèi)一氧化碳安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì). 工業(yè)儀 表與自動(dòng)化裝置, 2001(4): 19-22 </p><

103、p>　　[10]曹樂(lè)南, 霍大勇. 單片機(jī)與PC機(jī)串行通信的實(shí)現(xiàn):中國(guó)科技信息, 2006(11): 192-203 </p><p>　　[12]Wang Xi huai，Xiao Jian mei，Bao Minzhong. Multi-sensor Fire Detection Algorithm for Ship Fire Alarm System Using Neural Fuzzy Networ

104、k. Signal Processing Proceedings. 2000(3):1602-1605</p><p>　　[13]邵子揚(yáng), 黃保明, 劉海濤. Keil軟件仿真的串口調(diào)試技巧:單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2006(7): 76-78 </p><p>　　[14]Keil Software. Macro Assembler and Utilities User‘s Guid

105、e. Keil Software, 2001.59-78</p><p>　　[15]Keil Software.Cx51 Complier User‘s Guide. Keil Software, 2001.63-102</p><p>　　[11]求是科技.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)例導(dǎo)航.人民郵電出版社,2003.55-100</p><p><b>　　

106、附 錄1</b></p><p><b>　　附 錄2</b></p><p>　　W_DAT EQU 30H</p><p>　　W_CS EQU 31H</p><p>　　WZ EQU 33H</p><p>　　DZ_WZ EQU 34H&l

107、t;/p><p>　　LEDCS1 EQU 39H;;;;;;1S延時(shí)</p><p>　　LEDCS2 EQU 3AH;;;;;;結(jié)束紅燈;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;</p><p>　　FHW EQU 3BH</p><p>　　CH1_DZ EQU 32H</p><p>　　BZ

108、_Z BIT 00H</p><p>　　BZ_ZC BIT 02H ;標(biāo)志，正常:為0不正常；為1正常</p><p>　　BZ_DD BIT 03H ;等待標(biāo)志： 為0不等待；為1等待</p><p>　　OVER BIT 04H</p><p>　　CH1 BIT 05H</p><p&g

109、t;　　FY_W BIT 06H;放音位</p><p>　　R_LED BIT P3.1;;;;;;;;;;;;;</p><p>　　G_LED BIT P3.0;;;;;;;;;;;;;</p><p>　　YY_KZ BIT P3.5</p><p>　　CS BIT P1.7</p><

110、;p>　　CLK BIT P1.6</p><p>　　DI BIT P1.4</p><p>　　DO BIT P1.5</p><p>　　LATCH BIT P1.2</p><p>　　DI_595 BIT P1.3</p><p>　　CP_595 BIT P1.1&

111、lt;/p><p>　　ORG 0000H</p><p>　　LJMP MAIN</p><p>　　ORG 000BH</p><p>　　LJMP LED_T0</p><p>　　ORG 0030H</p><p>　　MAIN: LCALL QN

112、C</p><p>　　MOV DZ_WZ,#40H</p><p>　　MOV CH1_DZ,#25H</p><p>　　MOV FHW,#00H</p><p>　　;LCALL XS</p><p>　　MOV TMOD,#11H</p><p>　　

113、MOV TH0,#3CH</p><p>　　MOV TL0,#0B0H</p><p>　　CLR TR0</p><p>　　CLR ET0</p><p>　　CLR EA</p><p>　　SETB OVER</p><p>　　SETB