2022年烟雾报警器课程设计实验报告 .pdf

电气与电子信息工程学院虚拟仪器课程设计课程设计报告专业班级： XXXX学号：XXXXX姓名：皮修指导教师： XXX、XXX设计时间：2015年 11月 2 日2015年 11 月 20日设计地点：K2 403 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 30 页 - - - - - - - - - 虚拟仪器课程设计成绩评定表姓名xxx 学号xxxxx 专业班级xxxxx 课程设计题目：虚拟仪器课程设计课程设计答辩或质疑记录：成绩类别考勤成绩（10%）答辩成绩（20%）报告成绩（50%）实物成绩(20%) 总分（百分制）成绩最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字：年月日名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 30 页 - - - - - - - - - 目 录一、绪论 . . 3 1.1 课题背景 . . 3 1.2 设计任务分析 . . 3 二、总体方案设计 . . 3 2.1 烟雾检测传感器选型. 4 2.1.1 烟雾传感器的介绍 . . 4 2.1.2 MQ-2半导体气体烟雾传感器. 6 2.2 单片机选型 . 7 2.2.1 STC89C52 单片机简介 . 8 2.2.2 单片机的引脚功能描述. . 8 2.2.3 温度采集模块 . . 9 三、系统的硬件电路 . . 10 3.1 单片机最小系统. 10 3.2 单片机的时钟电路与复位电路设计. 11 3.3 烟雾检测 AD采集电路 . 11 3.4 显示模块 . 11 3.5 声音报警电路. 12 3.6 按键控制电路. 13 3.7 电源模块 . 13 3.8 温度传感器 (DS18B20)电路 . 13 3.8.1 DSl8B20简介 . 13 3.8.2 DSl8B20具体参数及工作方式. 16 3.8.3 18B20接口电路 . 17 四、系统软件的设计 . . 18 4.1 系统主程序设计及流程图. 18 五、硬件调试及调试中遇到的问题. . 19 5.1 电路的调试 .19 5.2 电路调试中遇到的问题 .19 六、实验总结 . . 19 七、参考文献 . . 21 八、附录 .22 附件一：总体原理图设计. . 22 附件二：实物图 . . 22 附件三：元器件清单 . 23 附件四：部分程序源代码.23名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 30 页 - - - - - - - - - 课程设计任务书20152016 学年第 1 学期学生姓名：xxxxxx 专业班级： xxxxxxxx 指导教师： xxxxxx 工作部门：电信教研室一、课程设计题目虚拟仪器课程设计二、课程设计目的为了提高虚拟仪器系统软件设计的应用能力，开始为期二周的虚拟仪器系统课程设计。本课程实验使学生更好理解和巩固课堂上所讲的理论知识，提高学生的动手能力，加强学生独立分析问题和解决问题的能力， 为进一步学习专业课作好准备，并为今后从事专业方面的工作打下坚实基础。通过实践环节使学生在巩固所学各门专业基础课与专业课知识，增强学生对所学知识的实际应用能力和以及与当前专业的前沿知识结合，达到对系统的学习和理解，为以后工作的研究和开发打好基础。三、课程设计内容（1） 基于 LABVIEW的叠加定理设计 1. 学会使用 LABVIEW设计叠加原理实验。2. 学会 NI ELVSII平台的使用。（2） 基于 LABVIEW的同步二进制计数器设计1. 学会使用数字电路设计。2. 回顾 DMM 以及 DigWriter的使用方式。3. 利用 NI 提供的软硬件平台，学习数字时钟，数字计数器，逻辑状态分析。4. 熟悉 555 芯片的使用方式及其工作原理。（3） 基于 LABVIEW的二阶电路设计1. 学会使用三线电流电压分析仪。2. 回顾二线电流电压分析仪、FGEN 、示波器、 DigWriter的使用。3. 掌握二阶电路设计与分析。 (4) 学生自选设计题目 1要求难度适中，与应用和工程实际相关，与LABVIEW上位机相结合。四、进度安排序号设计内容所用时间1 布置任务，学习ELVIS II实验平台3 天2 进行电路，数电，模电模型的建立3 天名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 30 页 - - - - - - - - - 3 设计电路，数电，模电实验软件3 天4 软件的测试和修改3 天5 答辩、撰写设计报告书3 天合计15 天五、基本要求1、设计电路，数电，模电实验模型。2、软件进行设计建模。3、开发 LABVIEW代码。4、对系统的进行综合和调试，通过移植实验成功的标志。6、除过能完成最基本的实验功能，每个同学根据自己的特长开发出应用系统。7、编写课程设计的总结六、设计报告课程设计报告的基本内容至少包括封面、正文、附录三部分。课程设计报告要求统一格式，字体工整规范。1、封面封面包括“虚拟仪器课程设计课程设计报告”、班级、姓名、学号以及完成日期等。2、正文正文是实践设计报告的主体，具体由以下几部分组成： 不少于 3000字，封面、课程设计任务书 方案选择，方案论证 系统功能及原理。（系统组成框图、电路原理图） 各模块的功能，原理，器件选择 结果分析 设计小结3、附录 - 参考文献统一复印封面并用4 纸写出报告名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 30 页 - - - - - - - - - 一、绪论1.1 课题背景随着科技的发展，越来越多的巨大的隐患由于工业生产和人们的日常生活而产生。为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。保卫社会主义现代化建设，防止火灾引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至危及生命安全。为了减少这类事故的发生，就必须对烟雾进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测仪表，严密监测环境中烟雾的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和家庭生活安全。因此，研究烟雾的检测方法与研制烟雾报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。1.2 设计任务分析本篇论文是烟雾报警器的研制：(1) 对系统进行整体规划和结构设计。(2) 选 STC89C52 单片机和 MQ-2半导体气体烟雾传感器为核心器件，对硬件电路进行设计和改进，使其功能更加完善。系统硬件电路主要分为数据收集、声音报警电路、状态指示灯电路、数码管显示电路部分。(3) 系统的软件编制。按照软件实现的功能，主要分为主程序、初始化子程序、浓度显示子程序、报警子程序、报警限值设置子程序。 (4)硬件电路和软件的综合调试。二、总体方案设计烟雾报警器是能够检测环境中的烟雾浓度，并具有报警功能的仪器。该报警系统的最基本组成部分应包括：信号采集模数转换电路、单片机控制电路、字符显示电路、声光报警电路和安全保护电路等部分组成。为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的烟雾报警器具有显示报警状态。报警器采用延时的工作方式，烟雾检测报警器以STC89C52 单片机为控制核心，选用 MQ-2 半导体气体烟雾传感器采集烟雾浓度信息，配合外围电路构成烟雾报警系统。本设计包括硬件和软件设计两个部分。从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：烟雾检测部分、 STC89C52 单片机主控部分、报警部分， AD采集四大部分。电路总题框图如图1 所示：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 30 页 - - - - - - - - - 图 1 总体设计框图处理器采用 51 系列单片机 STC89C52 。整个系统是在系统软件控制下工作的。设置在监测点上的烟雾检测探头将检测到的烟雾变换成电信号，送出模拟信号，给AD 采集电路采集。在单片机内，经软件查询、识别判决等环节实时发出烟雾报警状态控制信号。驱动蜂鸣器及报警指示灯报警。2.1 烟雾检测传感器选型烟雾传感器是测量装置和控制系统的首要环节。而烟雾报警器的信号采集由烟雾传感器负责。烟雾传感器能够将气体的种类及其浓度有关的信息转换为电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在的情况有关的信息，从而达到检测、监控、报警的功能。可以说，没有精确可靠的传感器，就没有精确可靠的自动检测、控制和报警系统。烟雾传感器作为报警器中不可缺少的核心器件，它决定了所采集的烟雾浓度信号的准确性和可靠性。烟雾传感器内部结构如图2 所示。图 2 烟雾传感器及其结构图2.1.1 烟雾传感器的介绍电源开关电源STC89C52 单片机AD 采集电路显示电路报警电路按键控制名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 30 页 - - - - - - - - - 烟雾传感器是模拟传感器。它能将空气中的烟雾浓度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。烟雾传感器就是通过监测环境中烟雾的浓度来实现火灾防范的。当烟雾探头碰到烟雾或某些特定的气体，烟雾探头内部阻值发生变化，产生一个模拟值，从而对其进行控制。烟雾传感器利用烟雾敏感元件的电阻受烟雾（主要是可燃颗粒）浓度影响阻值变化的原理向单片机发送烟雾浓度相应的模拟信号。（1）烟雾传感器的分类从构成气体传感器材料的形态上通常将它们分为干式和湿式气体传感器。由于对不同气体的检测方法不尽相同，目前主要的方法有：利用半导体气体器件检测的电气法；使用电极和电解液对气体进行检测的电化学法；利用气体对光的折射率或光吸收等特性来检测气体的光学法。（2）烟雾传感器应满足的基本条件一个烟雾传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个完整的烟雾传感器都必须具备以下条件：(a) 能选择性地检测某种单一烟雾，而对共存的其它烟雾不响应或低响应；(b) 对被测烟雾具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的烟雾浓度；(c) 对检测信号响应速度快，重复性好；(d) 长期工作稳定性好；(e) 使用寿命长；(f) 制造成本低，使用与维护方便。（3）常见的烟雾探测器种类及工作原理为了确保家庭环境的安全，需要对各种可燃性气体、有毒性气体进行检测。但是，由于烟雾的种类繁多，一种类型的烟雾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烟雾。例如氧化物半导体烟雾传感器主要检测各种还原性烟雾，如CO 、H2、C2H5OH、CH3OH 等。固体电解质烟雾传感器主要用于检测无机烟雾，如O2 、CO2 、H2、Cl2、SO2等。因此目前使用的烟雾传感器有很多种，各自的检测原理也各不相同，下面就对一些常用的烟雾传感器进行介绍。(a) 半导体烟雾传感器（半导体气敏传感器）半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器，以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器。半导体烟雾传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。按照敏感机理分类，半导体烟雾传感器可分为电阻式和非电阻式。当半导体接触到气体时，半导体的电阻值将发生变化，利用传感器输出端阻值的变化来测定或控制气体的有关参数，这种类型的传感器称为电阻式半导体气敏传感器；当场效应管在接触到气体时，场效应管的电压将随周围气体状态的不同而发生变化，利用这种原理制成的传感器被称为非电阻式半导体气敏传感器。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 30 页 - - - - - - - - - 自 1962 年半导体金属氧化物烟雾传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、体积小、维修方便、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。但是其最大的缺点就是选择性较差。该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的烟雾传感器之一。 (b) 电化学传感器电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。电化学气敏传感器一般利用液体 （或固体、有机凝胶等）电解质，其输出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流，也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。即烟雾浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。它的优点是：反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短( 大约两年 ) 。它主要适用于毒性烟雾检测。目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。（c）光电式感烟传感器光电式感烟传感器由光源、光敏元件和电子开关组成。平常光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上， 电路维持正常， 如果有烟雾从中阻隔， 到达光敏元件上的光就显著减弱，于是光敏元件就把光强的变化变成电的变化，利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测，并及时发出报警信号。按照光源不同，可分为一般光电式、激光光电式、紫外光光电式和红外光光电式等4 种。光电式感烟探测器发展很快， 种类不断增多， 就其功能而言， 它能实现早期火灾报警，除应用于大型建筑物内部外，还特别适用于电气火灾危险性较大的场所，如计算机房、仪器仪表室和电缆沟、隧道等处。根据报警器检测烟雾种类的不同要求，很多场合都会选择使用半导体烟雾传感器。经过对比众多烟雾传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出。半导体烟雾传感器具有灵敏度高、响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低，因而得到广泛应用。因此，本设计中的烟雾传感器选用 MQ-2半导体气体烟雾传感器。2.1.2 MQ-2半导体气体烟雾传感器MQ-2半导体传感器是以清洁空气中电导率较低的金属氧化物二氧化锡(SnO2)为主体的 N型半导体气敏元件。当传感器所处环境中存在烟雾气体时，传感器的电导率随空气中烟雾气体浓度的增加而增大。在设计报警器时只有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。该传感器具备一般半导体烟雾传感器灵敏度高、电导率变化大、 响应和恢复时间短、 抗干扰能力强、 输出信号大、 寿命长和工作稳定等优点，在市面上应用十分广泛。二氧化锡 (SnO2)半导体气敏元件特点：(a)SnO2 材料的物理、化学稳定性较好，与其他类型气敏元件相比，SnO2气敏元件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。(b)SnO2 气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、脱离时间短，可连续长时间使用。(c)SnO2 气敏元件结构简单，成本低，可靠行较高，机械性能良好。MQ-2气敏元件的结构如图2 所示，由微型 AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感层 , 测量电极和加名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 30 页 - - - - - - - - - 热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有只针状管脚，其中个用于信号取出，个用于提供加热电流。 MQ-2半导体气体烟雾传感器适用于烟雾、天然气、煤气、氢气、烷类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气等的检测，对可燃性气体的（CH4 、C4H10 、H2等）的检测很理想。这种传感器在较宽的浓度范围内对烟雾气体有良好的灵敏度，能够检测多种可燃性气体，十分适合应用在家庭的气体泄漏报警器中。是一款便携式气体检测器，非常适合多种应用的低成本传感器。其技术指标表1。表 1 MQ-2 的技术指标由于物理量和测量范围的不同，传感器的工作机理和结构就不同。通常烟雾传感器输出的电信号是模拟信号（已有许多新型传感器采用数字量输出）。当信号的数值符合A/D转换器的输入等级时，可以不用放大器放大；当信号的数值不符合A/D 转换器的输入等级时，就需要放大器放大。所以MQ-2半导体气体烟雾传感器要想把采集到的烟雾浓度模拟信号传送给单片机控制器就必须经过将模拟信号经过A/D 转换器转化为可以识别的电信号给单片机。设计时应注意，气敏元件开机通电时，其内阻很小，但经过一段时间后，才能恢复到原来的稳定状态。因此， QM-2气体传感器需开机预热几分钟，才可投入使用，以免造成误报。2.2 单片机选型单片机是烟雾自动报警系统的心脏，用来接收火灾信号并启动报警装置显示和执行相应的报警。在单片机实现的控制功能中，需要单片机有较快的运算速度，使检测人员和用户在报警器系统正常工作时能够及时地观测到实时的烟雾浓度等级，并进行相应处理。同时，在能够满足报警器系统设计的计算速度及接口功能要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机家族的众多成员中，MCS系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的加热电压（ Vh）AC或 DC 50.2V 回路电压（ Vc）负载电阴（ Rl）清洁空气中电阻（Ra ）灵敏度 （S=Ra/Rdg ）响应时间 (trec) 恢复时间 (trec) 元件功耗检测范围使用寿命最大 DC 24V 2K2000 K4(在 1000ppmC4H10 中) 10S 30S 0.7W 5010000ppm 2 年名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 30 页 - - - - - - - - - 主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。 其中， 51 系列单片机的优点是价钱便宜,I/O口多, 程序空间大。因此，测控系统中，使用51 系列单片机是最理想的选择，因此设计采用 STC89C52 。2.2.1 STC89C52单片机简介STC89C52 是一种低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，具有8K可编程 Flash 存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造， 与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。 片上 Flash允许程序存储器在线可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位 CPU 和在系统可编程 Flash ，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 STC89C52 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash ，256 字节 RAM ，32 位 I/O 口线，看门狗定时器， 2 个数据指针，三个16 位定时器 / 计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM 、定时器 / 计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。这一模块以单片机为中心把程序代码烧进去然后外围接上复位电路、振荡电路、键盘控制、LED显示电路、报警电路等子模块。2.2.2 单片机的引脚功能描述下面对 STC89C52 各引脚的功能进行较为详细的介绍：1) 电源引脚 Vcc 和 Vss Vcc(40脚) ：电源端为 +5V Vss(20脚) ：接地端。2) 时钟电路引脚 XTAL1和 XTAL2 XTAL2(18脚) ：接外部晶体和微调电容的一端。在单片机内部它是振荡电路反向放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时针电路时，该引脚输入外时钟脉冲。要检查STC89C52 的振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。 XTAL1(19脚) ：接外部晶体和微调电容的另一端。在片内，它是振荡电路反向放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚必须接地。3) 控制信号脚 RST ALE PSEN 和 EA 。 RST(9脚) ：RST是复位信号输入端，高电平有效。在此输入端保持两个机器周期(24个时钟振荡周期 ) 的高电平时，就可以完成复位操作。 ALE/PROG （30 引脚） ：地址锁存允许信号端。当STC89C52 上电正常工作后， ALE引脚不断向外输出正脉冲信号。此频率为振荡器频率fosc 的 1/6 ，当 CPU 访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8 位地址的控制信号。在CPU访问片外数据存储时，每取值一次（一个机器周期）会丢失一个脉冲。平时不访问片外存储时，ALE端也以 1/6 的振荡频率固定输出正脉冲，因而ALE 信号可以用作对外输出时钟或定时信号。如果你想看一下STC89C52 芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出，如有脉冲信号输出，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 30 页 - - - - - - - - - 则 STC89C52 基本上是好的。 ALE的负载驱动能力为8 个 LS型 TTL（低功耗高速 TTL） 。 PSEN （29 脚） ；程序存储允许输出信号引脚，在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。此引脚接ERROM 的 OE端。PSEN 端有效，即允许读出 ERROM/ROM中的指令码。 CPU 在从外部 ERROM/ROM取指令期间， 每个周期 PSEN 两次有效。不过，在访问片外RAM 时，要少产生两次PSEN 负脉冲信号。要检查一个AT89C52小系统上电后 CPU能否正常到 ERROM/ROM中读取指令码，也可用于示波器看PSEN 端有无脉冲输出。如有，说明基本上工作正常。 EA/VPP （31 脚） ：外部程序存储器地址允许输入端/ 固化编程电压输入端。当EA引脚接高电平时， CPU 只访问片内 ERROM/ROM并执行内部程序存储器中的指令。但在PC （程序计数器）的值超过OFFFH （对 8751/8051 为 4k）时，将自动转向执行片外存储器的程序。当出入信号 EA引脚接低电平（接地）时， CPU 只访问外部 ERROM/ROM并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。对于无芯片内的ROM 的 8031 或 8032，须外扩 ERROM，此时必须将 EA引脚接地。如果使用有片内ROM 的 STC89C52 ，外扩 ERROM 也是可以的，但也要使EA接地。4)I/O （输入 / 输出端口， P0，P1，P2，P3）P0口：P0口是一个漏极开路的8 位准双向 I/O 端口。P1口：8 位准双向 I/O 端口。P2口：即可以做地址总线输出地址高8 位，也可以做普通I/O 用， （此时为准双向口）。P3口：双功能口，即可以做普通I/O 口用（此时为准向口，也可以按每位定义实现第二功能操作） 。见表 2。表 2 P3 口的第二功能表引脚第二功能P3.0 RXD （串行输入口）P3.1 TXD （串行输出口）P3.2 INT0（外部中断 0）P3.3 INT1（外部中断 1）P3.4 T0（定时器 0外部中断）P3.5 T1（定时器 1外部中断）P3.6 WR （外部存储器写选通）P3.7 RD （外部存储器读写通）2.2.3 温度采集模块方案 1：采用 PT100作为测温电路的温度传感器。PT100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温的，具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。但使用起来比较复杂。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 30 页 - - - - - - - - - 方案 2：采用 DS18B20 作为测温电路的温度传感器。DS18B20 的数字温度输出通过“ 一线 ”总线（ 1-Wire是一种独特的数字信号总线协议，它将独特的电源线和信号线复合在一起，仅使用一条口线；每个芯片唯一编码，支持联网寻址、零功耗等待等，是所需硬件连线最少的一种总线）这种独特的方式，可以使多个 DS18B20方便地组建成传感器网络，为整个测量系统的建立和组合提供了更大可能性。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面比其他温度传感器有了很大的进步，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。通过比较， DS18B20 直接输出数字温度值，不需要校正，因此选择方案2。三、 系统的硬件电路3.1 单片机最小系统要使单片机工作起来最基本的电路构成为单片机最小系统如图3 示。图 3 信号处理模块单片机最小系统包括单片机、复位电路、时钟电路构成。STC89C52 单片机的工作电压范围： 4V-5.5V, 所以通常给单片机外界5V直流电源。连接方式为单片机中的40 脚 VCC 接正极 5V，而 20 脚 VSS接电源地端。复位电路就是确定单片机的工作起始状态，完成单片机的启动过程。单片机接通电源时产生复位信号，完成单片机启动确定单片机起始工作状态。当单片机系统在运行中，受到外界环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路工作以后，在RESET 端持续给出2 个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。本设计采用的是外部手动按键复位电路，需要接上上拉电阻来提高输出高电平的值。时钟电路好比单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。时钟电路就是振荡电路，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 30 页 - - - - - - - - - 是向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行速度。XTAL1和 XTAL2分别为反向放大器的输入和输出，该反向放大器可以配置为片内振荡器。如采用外部时钟源驱动器件， XTAL2应不接。因为一个机器周期含有6 个状态周期，而每个状态周期为2 个振荡周期，所以一个机器周期共有12 个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ ，一个振荡周期为1/12us 。3.2 单片机的时钟电路与复位电路设计本系统采用 STC系统列单片机，相比其他系列单片机具有很多优点。一般STC单片机资源比其他单片机要多，而且执行速度快；STC 系列单片机使用串口对单片机进行烧写,下载程序较为方便； STC89C52 单片机内部集成了看门狗电路；且具有很强抗干扰能力。本系统采用内部方式的时钟电路和加电自复位的复位电路，如下图4 图 5 所示：图4 时钟电路图5 复位电路由于单片机 P0口内部不含上拉电阻，为高阻态，不能正常地输出高/ 低电平，因而该组 I/O 口在使用时必须外接上拉电阻。3.3 烟雾检测 AD采集电路烟雾检测采用MQ-2传感器。经过ADC0832采集后就可以得到各种烟雾浓度下的电压值。从而设定出理想的烟雾强度报警值。电路如图6 所示图 6 烟雾浓度采集电路3.4 显示模块显示采用数码管显示，显示电路如图7 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 30 页 - - - - - - - - - 图 7 数码管显示3.5 声音报警电路电路通过三极管基极串连一个电阻与单片机P3.6 端口连接从而达到控制蜂鸣器是否报警。图 8 声音报警电路图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 30 页 - - - - - - - - - 3.6 按键控制电路本电路设计了四个按键，一个设置键、一个加键、一个减键、一个紧急报警键，当遇到紧急情况时，可按下紧急报警键，蜂鸣器进行报警。如图9 所示图 9 消音按键连接电路图3.7 电源模块由于本系统采用电池供电，我们考虑了如下几种方案为系统供电。方案 1：采用 5V 蓄电池为系统供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。但是蓄电池的体积过于庞大，在报警器上使用极为不方便。因此我们放弃了此方案。方案 2：采用 4 节 1.5 V 干电池共 4.5V 做电源，经过实验验证系统工作时，单片机、传感器的工作电压稳定能够满足系统的要求，而且电池更换方便。综上所述采用方案2 电源接口电路如图10，其中 P1为电池接口， SW1 为电源开关。图 10 电源接口电路3.8 温度传感器 (DS18B20)电路3.8.1 DSl8B20简介 DSl8B20温度传感器是美国DALLAS 半导体公司继 DSl820 之后最新推出的智能改进型名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 30 页 - - - - - - - - - 智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据要求通过简单的编程实现 9l2 位的数字直读方式。 可以分别存 93.75ms和 750ms内完成 9 位和 12位的数字量，并且从DSl8B20读出的信息或写入DSl8B20 的信息仅需要一根口线 (单线接口)读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接DSl8B20 供电，而无需额外电源。因而使用DSl8B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度，转换时间，传输距离，本文系统地介绍了基于DS18B20 的温度测量控制系统的组成、设计方案、电路原理、程序设计过程。DS18B20多点温度测量系统是以AT89C52单片机作为控制核心，智能温度传感器DS18B20 为控制对象，用数码管显示，运用C语言实现系统的各种功能。设计完成了冷库温度的监控和报警等令人满意的效果。DSl8B20采用 3 脚 PR35封装或 8 脚 SOIC封装，其内部结构框图如11 所示：图 11 DSl8B20 的内部结构图DS18B20的内部结构主要有四部分组成：64 位光刻 ROM 、温度传感器、非挥发的温度报警触发器 TH和 TL、配置寄存器。 DS18B20 的管脚排列如图 12 所示：图 12 DS18B20 的管脚名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 30 页 - - - - - - - - - DS18B20 的引脚说明如下： GND :地 DQ ：数据 I/O VDD :电源 NC ：空脚64位激光 ROM 开始 8 位是产品类型的编号， 接着是每个器件的惟一的序号共有48 位，最后 8 位是前 56 位的 CRC 校本文系统地介绍了基于DS18B20的多点温度测量控制系统的组成、设计方案、电路原理、程序设计以及系统仿真过程。DS18B20冷库温度监控报警系统是以 AT89C52单片机作为控制核心，智能温度传感器DS18B20 为控制对象，用数码管显示，运用 C语言编程实现系统的各种功能。设计完成温度的测量，与上下限温度报警值设置。借助单片机编程软件Keil 实现了系统软、硬件的交互联调，并结合数码管、DS18B20和 AT89C52单片机最小系统进行了电路焊接和调试，实现了课题设计目的。 DSl8B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM 和一个非易失性的可电擦除EEPRAM。后者用于存储TH ，TL 值。数据先写入RAM ，经校验后再传给EEPRAM。而配置寄存器为高速暂存器中的第5 个字节，他的内容用与确定温度值的数字转换分辨率，DSl8B20 工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。低5 位一直都是 1，TM是测试模式位，用于设置DSl8B20在工作模式还是在测试模式。如表3 所示。在 DSl8B20出厂时该位被设置为 0，用户不要去改动， Rl 和 R0决定温度转换精度位数。表 3 字节各位的定义TM R1 R0 1 1 1 1 1 由表 4 可见，设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。因此，在实际应用中要在分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存存储器除了配置寄存器外，还有其他8个字节组成，其分配如表5 所示。其中温度信息 (第 l ，2 字节)，TH和 TL 值第 3，4 节，第 68 字节，表现为全逻辑1；第 9 字节读出的是前面所有的8 字节的 CRC 码，可用来保证通信正确。表 4 数据分辨率和转换时间当 DSl8B20接收到温度转换命令后，开始启动转换，如表5 所示。转换完成后的温度值就以 16 位带符号扩展到二进制补码形式储存在高速暂存存储器的第l ，2 字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前面，高位在后，数据格式以0.0625LSB形式表示。 对应的温度计算： 当符号位 S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当 S=1时，R1 R0 分辨率温 度 最大 转 换 时间/ms 0 0 9 93.75 0 1 10 187.5 1 0 11 275.00 1 1 12 750.00 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 30 页 - - - - - - - - - 先将补码变换为原码，再计算十进制值。表5 码制转换在 DSl8B20完成温度变换之后，温度值与贮存TH和 TL内的触发值相比较因为这些寄存器仅仅是 8 位，所以 0. 5位在比较时被忽略。 TH或 TL 的最高有较位直接对应于l6 位温度奇存器的符号位。如果温度测量的结果高于TH或低于 TL，那么器件内告警标志将置位。每次温度测量更新此标志。只要告警标志置位，DSl8B20将对告警搜索命令做出响应。这允许并联连接许多DSl8B20 ，同时进行温度测量。如果某处温度超过极限，那么可以识别出正在告警的器件并立即将其读出而不必读出非告警的器件。部分温度转换如表6 所示: 3.8.2 DSl8B20具体参数及工作方式表 6 部分温度转换值参数特性：（1）独特的单线接口只需l 个接口引脚即可通信（2）多点综合测温能力使分布式温度检测应用得以简化（3）不需要外部元件（4）可用数据线供电（5）需备份电源（6）测量范围从 -55至+125增量值为 05（7）以 9 位数字值方式读出温度（8）在 1 秒( 典型值 )内把温度变换为数字温度低位温度高位TH TL 配置保留保留保留8 位 CRC 温度输入（ 2 进制）输出（ 16 进制）+1250000 0111 1101 0000 07D0H +850000 0101 0101 0000 0550H +25.06250000 0001 1001 0001 0191H +10.1250000 0000 1010 0010 0