基于单片机的烟雾浓度探测器设计-科技论文-模板

第29卷第00期中国电机工程学报Vol.29No.00Nov.7,20142014年11月7日ProceedingsoftheCSEE©2014Chin.Soc.forElec.Eng.1文章编号：0258-8013（2012）04-0001-10中图分类号：TM71文献标志码：A学科分类号：470.40基于单片机的烟雾浓度探测器设计XX（XX大学电气信息学院，四川省成都市610039）SmokeConcentrationDetectorDesignBasedonMCUXXXxxx(InstituteofElectricalInformation,XXXXUniversity,Chengdu610039,SichuanProvince,China)ABSTRACT:Forbuildingfireinthespecialcaseofthesmokeconcentrationistoolarge,wedesignaMQ-2smokesensor,ICL7135ADconverter,STC89C52single-chipmicrocomputerasthecoreofsmokeconcentrationmonitoringandalarmcontroldevice.Thesystemcanrealizetheconstructionofthesmokeconcentrationmonitoringandalarmcontrol,whentheconcentrationofthesmokemorethanthepresetvalue,thealarmmodulealarmoccursKEYWORDS：singlechip;smokesensor;transformer;alarm摘要：针对建筑火灾时出现的烟雾浓度过大的特殊情况情况，设计了一种以MQ-2烟雾传感器，ICL7135AD转换器，STC89C52单片机为核心的烟雾浓度监测及报警控制装置；该系统可以实现对建筑的烟雾浓度的监测和报警控制，当烟雾浓度超过了预置的值之后，报警模块就会发生报警。关键词：单片机；烟雾传感器；转换器；报警0引言消防报警产品是一个系列产品，包括火灾探测设备、信息传输设备、报警分析控制器、消防控制联动、物理传感技术、自动控制、计算机技术、数据传输和管理、智能楼宇等技术的综合集成，属于高新技术。烟雾浓度测试仪，根据工程的要求同各种灭火设施和通讯装置联动，以形成中心控制系统。即由自动报警、自动灭火、安全疏散诱导、系统过程显示、消防档案管理等组成一个完整的消防控制系统。烟雾探测器是探测烟雾浓度的仪器，由于在火灾发生的阶段，将伴随产生烟雾、高温格火光。这些烟、热和光可以通过探测器转变为电信号报警或使自动灭火系统启动，及时扑灭火灾。依托中国多年的基本建设的发展，这个行业也得到发展，具备了和国外知名企业抗衡的能力。在目前中国许多冠名以高新技术的行业中，中国企业大多做的是下游的制造和服务，分取极少一部分的利润，像消防报警产品那样又拥有自我知识产权，又拥有大量市场的行业其实是很少的。由于52系列单片机具有性能稳定、工作可靠、价格低廉等特点，因此其应用相当广泛。一个52系列的单片机（如STC89c52）内部包含有RAM、FLASHROM、三个16位的定时器/计数器、一个通用异步串行通信控制器（UART）等多种资源。但即便如此，在一些相对复杂的单片机应用系统中，仅仅一个单片机资源还是不够的，因此还需要烟雾浓度探测、AD转换等将模拟量烟雾转换成数字量电压。本文就是关于用单片机作为控制器，烟雾传感器作为探测元件，利用数模转换采集信息，结合制成的烟雾浓度探测器。1方案选择采用通用的低成本单片机STC89C52作为系统的主控制器，但C52是C51的增强型，AD转换采用以双积分方式进行A/D转换的ICL7135，利用“busy”作为计数器门控信号，控制计数器只能在busy为高电平时计数，再转换为所测电压，省去很多处部电路。烟雾模拟信号经过单片机的运算处理过后，通过p0口送至液晶显示器显示，可以方便直观的对烟雾信号实时监控，若达到阈值则报警。2中国电机工程学报第29卷2硬件设计硬件设计中最核心的器件是单片机STC89C52，它一方面控制A/D转换器实现模拟信号到数字信号的转换，另一方面，将采集到的数字电压值经计算机处理得到相应的二进制代码送到显示器显示，同时与设定的值作比较。整个系统的软件编程就是通过汇编语言对单片机STC89C52实现其控制功能。下面分别介绍各个硬件功能模块的设计。整个系统硬件由控制处理部分和检测部分组成，控制部分包括：控制器模块、超限报警指示模块、按键模块和LCD显示模块；检测部分包括：烟雾检测模块、温度检测模块，系统原理图如图1所示。图1系统原理图2.1控制器模块本系统采用STC89C52单片机，是一种低功耗高性能的CMOS8位微控制器，内置8KB可在线编程闪存。该器件采用的高密度非易失性存储技术生产，其指令与工业标准的C51指令集兼容。片内程序存储器允许重复在线编程，允许程序存储器在系统内通过SPI串行口改写或用同用的非易失性存储器改写。通过把通用的8位CPU与可在线下载的Flash集成在一个芯片上，STC89C52便成为一个高效的微型计算机。它的应用范围广，可用于解决复杂的控制问题，且成本较低。内部系统包括8K字节可擦写1000次的在线可编程ISP闪存，4.0V到5.5V的工作电源范围，全静态工作0Hz～24MHz，256字节内部RAM，32条可编程I/O线，2个16位定时器/计数器，8个中断源，双数据指针。2.2检测模块本设计中采用的MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。当处于200~300°C温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化，就会引起表而电导率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息。本系统采用了半导体传感器MQ-5，对可燃性气体的检测理想，在较宽的浓度范围能够检测多种可燃性气体，灵敏性较好，在预警火灾及火灾报警有着十分重要的意义。烟雾传感器电路图如图2所示。图2烟雾传感器电路图2.3显示模块所谓1602是指显示的内容为16*2,即可以显示两行，每行16个字符，字符型LCD1602通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样。显示器内置了DDRAM、CGROM和CGRAM。DDRAM就是显示数据RAM，用来寄存待显示的字符代码。2.4A/D转换电路ICL7135是以双积分方式进行A/D转换的电路，每个转换周期分成的三个阶段为：1）自动调零阶段。2）被测电压积分阶段。烟雾传感ICL7135单片机液晶显示扬声器第00期xx：基于单片机的烟雾浓度探测器设计33）对基准电压进行反积分阶段。ICI7135是4位双积分A/D转换芯片，可以转换输出±20000个数字量，“busy”输出端（ICL7135的21脚）高电平的宽度等于积分和反积分时间之和。有STB选通控制的BCD码输出，与微机接口十分方便。ICL7135具有精度高（相当于14位A/D转换），价格低的优点。其转换速度与时钟频率相关，每个转换周期均有自校准（调零)，正向积分（被测模拟电压积分），反向积分（基准电压积分）和过零检测四个阶段组成，其中自校准时间为10001个脉冲，正向积分时间为10000个脉冲，反向积分直至电压到零为止（最大不超过20001个脉冲)。故设计者可以采用从正向积分开始计数脉冲个数，到反向积分为零时停止计数，将计数的脉冲个数减10000,即得到对应的模拟量。这样就能实现计数器由“busy”控制对单片机1/12时钟频率的计数要求。3软件设计3.1程序流程为了便于程序的修改，将系统按照模块化的方法进行设计，我们将各个小的部分做成单独的子程序文件，然后编写主程序，将这些程序放在一个工程内。程序执行时，由主程序调用子程序。该系统由数据采集、A/D转换、数据处理、报警输出4个模块部分组成。系统的工作流程如图3所示，给传感器预热后，程序开始执行初始化子程序，这部分实现的功能包括各种I/O口输入输出状态的设定，寄存器初始化，中断使能等。首先设定定时器定时初值为50ms，写入EEPROM，作为取值间隔，然后设置定时器0，选择方式1，烟雾浓度的采集是由MQ－5烟雾传感器完成的，烟雾传感器检测的模拟信号须经A/D转化器转换，然后再将数字信号输入单片机，A/D转换和报警输出都是由单片机进行控制的。而数据处理部分则是单片机接收到A/D转换器送来的数据后，在单片机内部完成的，其结果将决定报警输出模块是否工作。3.2数据采集与转换数据采集系统一般由数据输入通道，数据存储与管理，数据处理，数据输出及显示这五个部分组成。本系统采用ADC0809，它对输入模拟量要求信号单极性，电压范围是0～5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中图3系统流程图应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线4条。ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A、B、C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进入转换器进行转换。A、B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。ST为转换启动信号，当ST处在上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号，当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。D7-D0为数字量输出线。烟雾数据由烟雾传感器现场实时采集数据，4中国电机工程学报第29卷将测得的烟雾浓度信号经转换成电压信号，送到A/D模数转换器ADC0809转换成数字量后，再送入单机进行处理，单片机与预先设定的限值进行比较，确定是否超限，数据转换图如图4所示。如果烟雾浓度超过设置的浓度超过最高值或最低值，烟雾报警器自动报警。在烟雾浓度在设定值的范围内或者手动停止报警时，报警器才停止报警。图4数据转换图4系统调试4.1软件系统调试4.1.1AD转换调试在仿真过程中，首先不能达到设计要求，设计要求是对AD转换后的电压进行显示，但是在第一次程序编写过程中，并没有实现显示功能，发现问题后，及时修改程序，并修改电路图，终于实现了对烟雾传感器电压的显示。但是在软件调试阶段因为考虑硬件因素，又对软件进行了修改，因为考虑到硬件电路的ICL7135模数转换器的“busy”端口不能输出脉冲的情况，将原先由对“busy”为高电平时开始计数，更改为强制使“busy”为高电平时使用一延时功能进行计数，从而检验显示和报警电路与程序是否正确。4.1.2T0计数器调试T0计数器不响应是因为工作方式控制寄存器（TMOD）的初值设置不正确，使CPU对控制方式和工作模式判断不正确；或者某一子程序是以RETI指令作为返回主程序的指令，或由于外部中断源的硬件故障使外部触发请求无效。4.1.31602液晶显示器1602液晶显示器显示异常是因为液晶显示地址不正确，譬如0x31(数字1的代码)并不能显示1出来。这是一个令初学者很容易出错的地方，原因就是如果你要想在DDRAM的00H地址处显示数据，则必须将00H加上80H，即80H，若要在DDRAM的01H处显示数据，则必须将01H加上80H即81H。4.2硬件系统调试4.2.1元器件测试在设计过程中要明确各元器件的工作条件，严格按照制作要求进行操作，损坏的元器件要及时更换，以免损坏其他元件或影响电路功能的实现。通过示波器观察元器件的波形情况即可判断相应器件是否完好。尤其是触发器输出引脚波形是否发生畸变，有没有对单片机输出波形引脚（ALE）进行