王沁竹

摘 要： 本文的簡易火災(zāi)自動報警器是以51單片機為核心控制系統(tǒng)，煙霧傳感器和溫度傳感器信息采集系統(tǒng)，并結(jié)合其他電力電子技術(shù)來實現(xiàn)功能的。本系統(tǒng)還有硬件顯示電路，采用四位共陰數(shù)碼管實時顯示周圍的信息。也有自動報警和手動報警電路，使用蜂鳴器和發(fā)光二極管實現(xiàn)需要報警時發(fā)出聲光報警。因此本火災(zāi)報警器功能十分齊全，穩(wěn)定性強，簡易并且操作簡單，成本不高，具有不錯的實用價值。

關(guān)鍵詞： 煙霧；溫度；報警器；STC89c51；傳感器

第1章 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1晶振電路

晶振電路是由電容與晶振構(gòu)成，其元件分別是30pF的C2和C3以及12M的X1。電容在電路中的作用是為了使晶振更加簡單的起振，其取值最小值是15pF，最大值是33pF。晶體振蕩取值越高（可以取值24M），越容易獲得執(zhí)行速度更快的單片機。為了使振蕩產(chǎn)生的不良反應(yīng)不給旁邊的元器件造成干擾，所以要盡可能的靠近單片機，線路也要越短越好。

1.2 復(fù)位電路

復(fù)位電路在單片機中起到重啟單片機的作用，如同電腦的重啟鍵，每當(dāng)電腦出現(xiàn)死機現(xiàn)象時，重啟鍵的作用也就凸顯了出來，可以讓電腦重新啟動內(nèi)部程序。復(fù)位電路在單片機中的作用也一樣，每當(dāng)單片機系統(tǒng)在受到外部或內(nèi)部干擾出現(xiàn)程序故障的時候，按下復(fù)位按鈕就會讓單片機程序重新開始，達到重啟的作用。

復(fù)位電路由極性電容和電阻這兩部分組成，分別是10uF的C1和10K的R4。我們知道電容電壓有著不能突變這一性質(zhì)，所以可以得到，當(dāng)系統(tǒng)處于接通電源狀態(tài)時，復(fù)位引腳則會具有較高的電平，而且復(fù)位引腳高電平所持續(xù)的時間取決于電路的RC值。傳統(tǒng)的51單片機復(fù)位條件是復(fù)位引腳高電平持續(xù)保持兩個機器周期及以上，所以只要合理的組合RC值就能得到可靠的復(fù)位電路。80C51的復(fù)位電路如圖2.1.2所示。

1.3 顯示與報警電路

1.顯示電路

顯示采用4位共陰數(shù)碼管，單片機控制數(shù)碼管顯示相對應(yīng)的字符，P2.4～P2.7選位，P0.0～P0.7選段，顯示電路如圖2.2.3。第一位位顯示煙霧濃度等級，可顯示的濃度等級為0～9；第二位是“-”，將煙霧濃度等級和溫度等級分開；三四位顯示溫度數(shù)值，可顯示的范圍為0～99℃。電路圖如下：

2. 報警電路

電路由一個三極管、電阻與蜂鳴器組成。由三極管基極連接電阻組成串聯(lián)電路。三極管與單片機P3.6端口連接，當(dāng)單片機發(fā)出報警指令時，蜂鳴器會發(fā)出報警。聲音報警電路圖如圖1.2所示：

1.4 按鍵控制及電源電路設(shè)計

本電路設(shè)計了四個按鍵，第一個是手動報警鍵、第二個是遞增鍵、第三個遞減鍵、第四個是手動設(shè)置鍵，當(dāng)遇到突發(fā)狀況時，可按下手動報警鍵，系統(tǒng)會發(fā)出報警。如圖1.3所示

系統(tǒng)的供電方式能夠選擇5V的蓄電池和電池供電。蓄電池相較于電池電路驅(qū)動能力強，電壓輸出也十分穩(wěn)定。但是由于它體積太大，在本系統(tǒng)中不太適合。因此我們也可以采取電池供電。但本系統(tǒng)主要采用USB電源供電，這樣操作簡便，器件也能夠正常運行，單片機和傳感器也能正常工作。系統(tǒng)的電源接口電路如圖1.4。

第2章 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 主程序設(shè)計

由于MQ-2煙霧傳感器長時間沒有投入使用，首次通電后，傳感器不能夠正確顯示煙霧濃度，需要進行幾分鐘的預(yù)熱。等顯示的煙霧濃度不在跳動時，預(yù)熱完成。當(dāng)程序初始化完成時，系統(tǒng)進入監(jiān)控狀態(tài)。

在本系統(tǒng)中，單片機作為核心器件，監(jiān)控著系統(tǒng)的一舉一動。煙霧傳感器和溫度傳感器將采集的信息以電信號的形式傳給數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，然后芯片將信息傳遞給軟件系統(tǒng)，單片機判斷是否報警。本系統(tǒng)主要由四位共陰數(shù)碼管溫度和煙霧濃度字符顯示功能，手動報警、溫度和煙霧濃度設(shè)定、煙霧濃度和溫度報警、中斷子程序等5個主程序。

煙霧傳感器預(yù)熱后，程序就進入初始化子程序，初始化起到對I/O口輸入和輸出狀態(tài)設(shè)定、 寄存器的初始化、程序中斷等功能。第一步，定時初值設(shè)定為50ms，利用IAP將初值 寫入EEPROM，當(dāng)做取值的間隔。第二步，設(shè)置定時器0，選擇方式1。當(dāng)處于方式1時，定時器的TH1、TL1是全16位參與操作的工作寄存器。第三步，定時器0中斷的允許位置1，此時定時器0打開，蜂鳴器關(guān)閉，綠燈開啟，然后設(shè)置報警的限初值。

2.2 濾波子程序設(shè)計

傳感器對周圍環(huán)境氣體濃度和溫度采樣時。有時會被有些脈沖影響。這些現(xiàn)象往往會使某個數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，與周圍其他采樣點差很多。因此就需要設(shè)計濾波子程序。子程序采用的方法是中位值平均濾波法。首先會采集很多的數(shù)據(jù)，然后去掉最大值和最小值，然后求剩余值的算術(shù)平均值。采用這樣的方法就能去除個別脈沖或者其他因素帶來的影響。使火災(zāi)報警器能采集到采集到準(zhǔn)確的信息，降低誤報、亂報的幾率。

2.3 線性化處理子程序設(shè)計

在使用之前，單片機的控制系統(tǒng)應(yīng)進行靜態(tài)標(biāo)定，主要是得到輸出信號與被測信號的輸出關(guān)系，以此作為系統(tǒng)中計量的憑據(jù)。他們之間往往不是標(biāo)準(zhǔn)的線性關(guān)系。需要有線性化處理子程序。采取一條近似的直線來代替曲線。本報警器系統(tǒng)主要針對煙霧濃度和溫度檢測，在處理時，主要以這2曲線作為計量依據(jù)。

本系統(tǒng)采用的是MQ-2型煙霧傳感器，煙霧濃度升高，電阻值反而是降低的，此時單片機的輸入電壓也隨之降低。電壓值與煙霧濃度的關(guān)系也是非線性變化的，為了達到實時顯示煙霧濃度的功能.必須進行線性化處理。，根據(jù)獲取曲線的形狀，單片機的處理能力，并且在誤差許可范圍內(nèi)，把曲線進行線性化處理。

2.4 報警子程序設(shè)計

當(dāng)煙霧濃度超過系統(tǒng)預(yù)設(shè)值時，系統(tǒng)會發(fā)出報警指令，蜂鳴器響起，對應(yīng)的紅燈亮起，報警完成。相關(guān)人員發(fā)現(xiàn)后就能有所反應(yīng)，快速消除隱患，避免災(zāi)情擴大。在系統(tǒng)的程序設(shè)計中，也有對傳感器的快速復(fù)測和延時報警的程序，避免誤報。

結(jié)論

本論文主要介紹以51單片機為核心的智能火災(zāi)報警器，它相比市面上其他產(chǎn)品，具有性能穩(wěn)定，靈敏度高，操作簡單，價格便宜等許多優(yōu)點。本文系統(tǒng)的介紹了此火災(zāi)報警器的核心元件、工作原理極其核心電路。

本文所研究的智能火災(zāi)報警器主要包含2大部分：單片機控制系統(tǒng)和信號采集電路?？紤]到環(huán)境因素，成本情況，滿足設(shè)計需求，本系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器和MQ-2煙霧傳感器來實現(xiàn)對信息的采集。這兩個傳感器相較于同類產(chǎn)品，性價比高，十分適合本系統(tǒng)的體系。

單片機作為此系統(tǒng)的核心控制器件，我使用了性能穩(wěn)定，功能齊全的STC89C51芯片。STC89C51芯片處理數(shù)據(jù)能力十分高效，能很快的處理所收集的信息，保證報警迅速，更及時的發(fā)現(xiàn)火災(zāi)。它的體積也十分小，價格低廉，實現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化。

本系統(tǒng)信息采集依靠DS18B20溫度傳感器和MQ-2煙霧傳感器所采集的數(shù)據(jù)。煙霧傳感器能夠采集周圍氣體的濃度，溫度傳感器采集周圍的溫度信息他們將采集的信息通過A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換將信息傳遞給控制系統(tǒng)，然后發(fā)出報警。需要注意的是，煙霧傳感器需要預(yù)熱才能準(zhǔn)確的采集信息，所以要給其加5V的加熱電壓。傳感器采集的信息也會在4位共陰數(shù)碼管上顯示。當(dāng)達到系統(tǒng)的預(yù)設(shè)值時，蜂鳴器報警，指示燈亮起，報警完成。

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