1、基于單片機的煙霧檢測系統(tǒng)摘 要 為了早期發(fā)現(xiàn)和通報有害煙霧，防止和減少危害，保護人身和財產安全。煙霧報警器能給人們提前警示。隨著“信息時代”的到來，傳感器技術得到了顯著的進步，其應用領域越來越廣泛，對其需求越來越迫切,要求越來越高。本文采用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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)方面有一定的參考價值。 關鍵詞 煙霧 報警器 AT89C2051 傳感器 SMOKE DETECTION SYSTEM BASED ON SI

2、NGLE CHIPAbstractFor early detection and notification of harmful fumes, to prevent and reduce hazards and protect life and property safety. Smoke alarm can give people advance warning. With the "information age" the arrival of sensor technology has been significant progress, more and more

3、widely its applications, its demand for more and more urgent, requiring higher and higher. In this paper, MQ-7-type semiconductor resistance type smoke sensor and AT89C2051 microcontrollers as the core technology smoke alarm designed to achieve a smoke alarm, alarm limit settings, delay alarm and se

4、rial communication with the host computer and other functions, the implementation of the smoke detection alarm Technology for a meaningful exploration and research, monitoring the achievement of the harmful gas have some reference value.KEY WORDS smoke alarm AT89C2051 sensor40目錄中文摘要I英文摘要II1 緒論11.1 問

5、題由來11.2 課題現(xiàn)狀21.3 論文的主要任務22 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 煙霧傳感器的選擇52.4 運放與A/D的選擇62.5 單片機系統(tǒng)部分92.5.1 單片機AT89C51介紹92.5.2 定時/計數(shù)器的結構及控制102.5.3 中斷控制112.5.4 單片機外圍電路介紹122.6 報警部分132.7 軟件系統(tǒng)工作流程152.7.1 工作過程及程序設計163 系統(tǒng)設計173.1 系統(tǒng)的硬件設計173.2 軟件設計193.2.1 A/D采樣雙通道流程193.2.2 報警流程設計204 系統(tǒng)的仿真234.1 A/D轉換的仿真244.

6、2 濾波及報警算法調試255 設計總結275.1 實現(xiàn)目標與特點275.2 結論及不足28致 謝29參考文獻30附 錄132附 錄2331 緒論1.1 問題由來隨著社會的發(fā)展，人們對生活質量的要求越來越高，環(huán)境污染問題對人們的危害也越來越明顯。煙霧有一定的社會性，可能誘發(fā)多種疾病，多個體健康危害極大，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)和通報有害的氣體，防止對環(huán)境的污染和人體得危害，保衛(wèi)現(xiàn)代化建設，防止因有害煙霧而引起的中毒、污染等事故，造成嚴重的經濟損失，甚至危害人的生命安全。煙霧檢測報警裝置是能夠檢測環(huán)境中的煙霧濃度并具有報警功能的儀器。該報警裝

7、置是石油化學工業(yè)、有氣體泄漏可能的生產工廠及家庭防火防爆必備的儀器。煙霧報警器屬于中華人民共和國強制檢定的工作計量器具目錄中第46項，它歸類于物理化學計量器具。建筑設計防火規(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所，應設置煙霧濃度檢測報警裝置”。2003年12月，國家執(zhí)行新的煙霧探測器標準(GB 15322-2003)可燃煙霧探測器，2004年10月國家頒布可燃煙霧檢測報警器規(guī)程JJG693-2004，研究新型、性能穩(wěn)定、準確監(jiān)測可燃性氣體，并合乎國家相關規(guī)定的報警器具有極其重要得意義。公共場所的煙霧直接影響到人們的健康1。2011年5月1日衛(wèi)生

8、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(xiàn)世界衛(wèi)生組織控煙框架公約采取的最新舉動。目前我國煙霧報警器使用十分廣闊，不僅可以及時檢測工廠的氣體，還可以讓我們及早做好防患措施。現(xiàn)在有許多城市鋪設了煤氣管道，使用人口約達二億人，煤氣發(fā)生基地及中轉站也達幾千家。如果這些家用燃氣和煤氣基地及中轉站的報警率按10% 計算，煙霧檢測報警器的需求量就達2000萬臺以上。隨著全社會對防火防爆及人身安全的重視程度的提高，這個數(shù)字會繼續(xù)增長。因此，研究煙霧的檢測方法與研制煙霧報警器就成為傳感器技術發(fā)展領域的一個重要課題。 1.2 課題現(xiàn)狀國外從20世紀30

9、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。據(jù)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

10、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2。 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，產品數(shù)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(xiàn)狀與差距，開創(chuàng)性地提出了“新型煙霧

11、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(jù)“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

12、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(xiàn)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：第一，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；第二，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；第三，控制電路的實現(xiàn)方式以及MCU的選型

13、；第四，電路的抗干擾能力和可靠性。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(shù)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(shù)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(shù)字信號后送入單片機。單片機對該數(shù)字信號進行濾波處理，并對處理后的數(shù)據(jù)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)，以上是根據(jù)報警器應具備的功能，提出的整體設計思路。煙霧傳感

14、器及單片機是可燃煙霧檢測報警器的兩大核心，根據(jù)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：圖2-1 系統(tǒng)組成框圖本系統(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。2.3 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3。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

15、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 （2-1）圖2-2 電壓與co濃度的關系圖2-2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，RL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，在使用此類型氣敏器件時，靈敏度的調整是很重要的。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：第一

16、， 將傳感器連接在應用回路中；.第二， 接通電源，通電老化48小時以上；.第三， 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(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)構成分壓電路。考慮到整個系統(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(shù)據(jù)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

17、數(shù)據(jù)的影響4。2.4 運放與A/D的選擇圖2-3 LM358引腳圖LM358 內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償?shù)碾p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引線雙插式和貼片式兩種。LM358的特點：(1)內部頻率補償；(2)低輸入偏流；(3)低輸入失調電壓和失調電流；(4)共模輸入電壓范圍寬，包括接地；(5)差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍；(6)直流電壓增益高(約100dB)； (7)單位增益頻帶

18、寬(約1MHz)；(8)電源電壓范圍寬：單電源(330V)；(9)雙電源(±1.5 一±15V)；(10)低功耗電流，適合于電池供電；(11)輸出電壓擺幅大(0 至Vcc-1.5V)。圖2-4 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

19、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5。 表2-1 LM386的管腳說明引腳序號符號功能引腳序號符號功能1GAIN增益調整5OUT輸出2N.F負反饋6VCC電源3IN輸入7FC濾波4GND地8GAIN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為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

20、。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(xiàn)報警門限可調功能6。下圖2-5是MCP3002的引腳分布圖：圖2-5 芯片引腳圖MCP3002各個引腳的功能如表2-2所示：圖表2-2 MCP3002引腳功能名稱功能VDDCH0CH1CLKDINDOUT/SHDN+2.7v至5.5

21、v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(shù)據(jù)輸入串行數(shù)據(jù)輸出片選、關斷輸入MCP3002的特性： （1）±1 LSB DNL （最大值）；（2） ±1 LSB INL （最大值）； （3）模擬輸入可編程為單端輸入或偽差分輸入對；（4）片上采樣和保持電路； （5）SPI 串行接口（模式0,0 和模式 1,1）； （6）單電源供電的電壓范圍：2.7V 至5.5V；（7）在VDD = 5V 時的最大采樣速率為200 ksps；（8）在VDD = 2.7V 時的最大采樣速率為75 ksps；（9）低功耗 CMOS 技術：- 5 nA 典型待機電流，最大2

22、81;A；- 5V 時，工作電流最大為550 µA；（10）工業(yè)級溫度范圍：-40°C 至 +85°C；（11）8引腳MSOP、PDIP、SOIC 和TSSOP 封裝；（12）傳感器接口；（13）數(shù)據(jù)采集； （14）電池供電系統(tǒng)；（15）過程控制。2.5 單片機系統(tǒng)部分2.5.1 單片機AT89C51介紹 AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh 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

23、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7。圖2-6 AT89C51引腳圖2.5.2 定時/計數(shù)器的結構及控制定時/計數(shù)器的實質是加1計數(shù)器（16位），由高8位和低8位兩個寄存器組成。TMOD是定時/計數(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的啟動和停止及設置溢出標志。定時/計數(shù)器結構如圖2-7所示： 圖2-7 定時/計數(shù)器結構圖AT89S51單片機定時/計數(shù)器的工作由兩個特殊功能寄存器控制。T

24、MOD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(shù)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： 表2-3 工作方式寄存器格式 位號D7D6D5D4D3D2D1D0符號GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0GATE：門控位。GATE0時，以運行控制位TRX(X=0，1)來啟動定時/計數(shù)器運行；GATA1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(shù)器工作；C/T計數(shù)器模式和定時器模式選擇位：C/T=1時，選擇計數(shù)器模式，計數(shù)器對外部輸入引腳T0（P3.4）

25、或T1（P3.5）的外部脈沖計數(shù)；C/T=0時，選擇定時器模式。M1M0：工作方式設置位。定時/計數(shù)器有四種工作方式，由M1M0進行設置。表2-4 工作方式及功能M1 M0工作方式功能0 0工作方式013位計數(shù)器0 1工作方式116位計數(shù)器1 0工作方式2自動再裝入8位計數(shù)器1 1工作方式3定時器0：分成兩個8位計數(shù)器定時器1：停止計數(shù)2.控制寄存器TCON 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/計數(shù)器的啟動和中斷申請。其格式如下：表2-5 控制寄存器格式位D7D6D5D4D3D2D1D0字節(jié)地址：88HTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0T

26、F1（TCON.7）：T1溢出中斷請求標志位。T1計數(shù)溢出時由硬件自動置TF1為1。CPU響應中斷后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(shù)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。2.5.3 中斷控制CPU對中斷系統(tǒng)所有中斷以及某個

27、中斷源的開放和屏蔽是由中斷允許寄存器IE控制的。表2-6 中斷寄存器地址控制位76543210字節(jié)地址：88HEAESET1EX1ET0EX0IEEX0(IE.0)，外部中斷0允許位；ET0(IE.1)，定時/計數(shù)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(shù)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。2.54 單片機外圍電路介紹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89

28、C51的時鐘電路工作后，只要在RST引腳上出現(xiàn)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8。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2-8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

29、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 。圖2-8 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(xiàn)的。時鐘頻率選用6MHZ時，C取22uF,Rs取200，RK取1K。2.6 報警部分美國 ISD 公司于 2001 年最新推出一種單片 820 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9。一、 主要特性： （1）使用方便的單片8至20秒

30、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； （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(xiàn)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

31、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2-9 元件的封裝三、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，

32、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(xiàn)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表2-7 工作環(huán)境條件參數(shù)工作溫度0+50錄放音電源電壓+2.7 +4.5V地電平0V如

33、果用戶想制作變調電路，現(xiàn)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(xiàn)，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。表2-8 錄音采樣Rosc錄放時間采樣頻率典型帶寬80K88.0KHZ3.4KHZ100K106.4KHZ2.6KHZ120K125.3KHZ2.3KHZ160K164.0KHZ1.7KHZ200K203.2KHZ1.3KHZISD1820P 的批量

34、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。2.7 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

35、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。2.7.1 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)。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2-10

36、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(shù)據(jù)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10。圖2-10 系統(tǒng)流程圖3 系統(tǒng)設計3.1 系統(tǒng)的硬件設計 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3-1所示。圖3-1 傳感器連接電路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

37、為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(xiàn)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11。圖3-2所示：圖3-2 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(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

38、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(xiàn)C14太低則會使截止頻率提高。經反復測試發(fā)現(xiàn)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3-3所示。 圖3-3 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。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(xiàn)出不同的變化，將變化信號轉化為易于MCU處理的電壓

39、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(shù)字電壓信號，便于MCU處理。MCU接收前向通道輸入的數(shù)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(xiàn)良好的放音效果。3.2 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

40、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12。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。3.2.1 A/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(shù)字量的電路。 A/D變換包含三個部分：抽樣、量化和編

41、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3-4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(shù)據(jù)不同。圖3-4 AD轉換流程3.2.2 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(jù)。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一13。報警器主要針對一氧化碳煙霧檢測，在軟件線

42、性化處理時，以傳感器對一氧化碳的響應曲線為依據(jù)。 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3-5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(jù)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3-5 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(shù)據(jù)采集時，會遇到數(shù)據(jù)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(xiàn)無規(guī)則的變化而無法預測

43、，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(xiàn)數(shù)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，實時性很強。圖3-6為濾波算法及報警判斷流程，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警的判別依據(jù)。 圖3-6 濾波算法及報警判斷流程4 系統(tǒng)的仿真時下，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。鑒于實驗室有偉福仿真器，便于調試，同時在學習微控制器原理及應用課程時，專門對此軟件進行過系統(tǒng)學習，使用起來輕車熟路。仿真器使用9 針串行口,與PC 機用

44、兩頭為孔的串行電纜連接.對于一些只有USB 口而沒有串口的計算機,可以使用USB轉串口電纜將USB 轉成串行口，串行電纜內部連接根據(jù)仿真器型號不同,邏輯測試鉤插座可能只有一個14。由于程序使用匯編編寫的，所以在wave仿真器設置中語言欄選擇偉福匯編器，具體設置如圖4-1所示：圖4-1 仿真器語言設定實驗室使用的偉福仿真器型號為E6000/L,仿真頭選擇為POD-H8X5X，CPU選擇型號為8X5X，具體設定如圖4-2所示：圖4-2 仿真器的型號選擇通信設置如圖4-3所示，波特率設定為115200，選擇串口號，點擊測試串行口，通過則證明串口端口正確，可以進行下一步的仿真調試。圖4-3 仿真器通信

45、設置圖4-4為偉福軟件主界面，可以進行調試單步、跟蹤、全速等等調試，可以觀察內存數(shù)據(jù)，設置P口，修改狀態(tài)等等，操作方便。圖4-4 偉福軟件主界面4.1 A/D轉換的仿真MCP3002是雙通道、標準SPI通信接口。首先，要驗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；通過調節(jié)電位器，調節(jié)其阻值最小時，采樣25H至2DH數(shù)據(jù)應為00H，調節(jié)其阻值最大時，采樣數(shù)據(jù)應為FFH，可以驗證通道0和通道1是否正常。圖4-5、圖4-6分別為調節(jié)輸入通道的電壓為0V和電源電壓時，利用偉福軟件仿真器測到的

46、數(shù)據(jù)，觀察圖中25H至2CH單元及40H單元而后的數(shù)據(jù)，可見，兩通道均正常。圖4-5 輸入電壓為0V時采樣數(shù)據(jù)圖4-6 輸入電壓為電源電壓時采樣數(shù)據(jù)4.2 濾波及報警算法調試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，將其累加和作為報警的判別依據(jù)。報警門限值可直接通過滑動濾波算法進行處理。當煙霧傳感器有變化時，圖4-7、圖4-8分別為操作前后單片機的內存數(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)，超過了報警門限2BH、2CH單元數(shù)據(jù)，可以證明此濾波算法及報警判斷程序有效

47、15。圖4-7 操作前單片機內存單元數(shù)據(jù)圖4-8 操作后單片機內存單元數(shù)據(jù)5 設計總結5.1 實現(xiàn)目標與特點本研究產品是一種新型煙霧警示器，采用煙霧傳感器，通過對空氣中煙霧粒子的濃度的檢測來判別是否有煙霧，采用MCU電路來控制語音芯片完成播放警示音，并發(fā)出光警信號， 展現(xiàn)聲光警示勸告。希望研究成功后，可以形成一個新型的小產品。它主要用于大廳、會議室、走廊等室內公共場所，對吸煙人群提出警示勸告，將有利于在全社會形成更多的無煙環(huán)境，并且，對此產品配以精美外殼，加以包裝，可以成為適應多種場合的系列產品，形成良好的經濟效益和社會效益。該課題的主要任務是開發(fā)一個以MCS-51單片機為核心的煙霧報警器，本

48、設計主要分為硬件部分和軟件部分，硬件部分著重考慮硬件電路的實用性和簡單性，故在實用的基礎上盡可能的簡化硬件電路，節(jié)省線路板空間，達到硬件電路最優(yōu)化設計。軟件采用匯編語言編寫，采用模塊話設計思想，程序可讀性強，通過仿真，實驗驗證了系統(tǒng)的可行，能滿足設計要求，達到設計指標，實現(xiàn)對煙霧報警的功能。系統(tǒng)正常工作時，即煙霧濃度較低，未達到報警門限，綠色LED一秒閃爍一次，紅色LED滅，煙在煙霧傳感器上面，虛擬一個煙霧濃度高的場合，系統(tǒng)進入報警狀態(tài)，超過了使用者調節(jié)的報警門限，綠色LED滅，紅色LED常亮，單片機控制語音芯片放音操作，喇叭輸出已錄制的“公共場所，請勿吸煙”音頻，通過以上的系統(tǒng)聯(lián)調，可以實現(xiàn)

49、檢測煙霧濃度高低，當煙霧濃度較高時，能夠實現(xiàn)語音報警操作。設計特點：（1）利用對一氧化碳靈敏度高的氣體傳感器，當有煙霧時，迅速將信號傳遞到單片機中；（2）運用A/D轉換電路MCP3002可以進行設定，當煙霧濃度低時綠色燈開始閃爍，當達到報警值時，紅色燈常量，語音芯片開始報警，簡單而方便；（3）運用語言芯片ISD1820可以自己錄音用來報警，有效的抑制了共模噪聲，這樣更加人性化。5.2 結論及不足本設計以AT89C2051為核心，通過煙霧傳感器mq-7來檢測周圍環(huán)境中是否有煙霧，最后通過錄音功放電路發(fā)出警報聲音，從而達到煙霧報警的目的。 存在問題及不足：（1）煙霧傳感器存在一定的誤差，在特殊環(huán)境

50、的溫度和濕度對傳感器有一定的影響，有可能造成的不精確。傳感器輸出信號一般比較微弱，需要過數(shù)據(jù)采集前置電路對其進行放 大、濾波、電平調整，滿足單片機對輸入信號的要求。運放誤差是造成前置放大誤差的主要原因，運放的輸入失調電壓，輸入失調電流是影響電路精度的重要因素。本設計選用高輸入阻抗、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過精確測量后再焊接上去的，并經過仔細調試以獲得最佳性能。 （2）錄音報警電路在使用交流電路時有可能造成的共模噪聲。雖然系統(tǒng)采用直流電源供電，但電源不可避免地殘留一定的交流成分而形成噪聲信號。它們對測控系統(tǒng)的正常運行危害很大。本系統(tǒng)選用ACDC電源模塊，將220V市

51、電轉化為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接地，每個芯片的電源就近接退耦電容。（3）環(huán)境因素包括環(huán)境溫度、濕度、空氣中的塵埃等。對本系統(tǒng)來說，空氣中的成分對系統(tǒng)的探頭和單片機及其外圍電路影響很小，在進行測量時不用進行補償。但環(huán)境溫度、濕度對傳感器有一定的影響。但是溫濕度的影響相對于系統(tǒng)5%LEL的精度要求，可以忽略不計。另外，系統(tǒng)還受到各種外部電磁噪聲的干擾，設計上，把探測器與控制器之間的信號線用屏蔽電纜連接。在電路板布線時，有可能造成的干擾。致 謝大學生活一晃而過，回首參考文獻1謝望.煙霧傳感器技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢.儀器儀表用戶,2006.1-22陳連生.可燃煙霧探測器及其設置安裝要領.石油工程建設.1996(1):23-25 3李永生,楊莉玲.半導體氣敏元件的選擇性研究.傳感器技術,2002(3): 1-3 4張保衛(wèi),尚家峰,趙金水.燃氣報警器的分類與選擇.山東消防, 2003(8): 27-28 5王福瑞單片微機測控系統(tǒng)設計大全M北京航空航天大學出