1、摘 要據相關統計，隨著家用電器的普及，家庭用電量正呈逐年上升的趨勢，家庭火災發生的頻率也越來越高，火災報警器也隨之被廣泛應用于各種場合。運用多傳感器結合單片機能夠有效解決靈敏度與報警準確率之間的矛盾，本文正是利用單片機結合傳感器技術而開發設計了這一煙霧監控報警系統。本設計選用MQ-2煙霧傳感器、DS18B20溫度傳感器以及AT89S52單片機作為核心器件并與其他電子技術相結合，通過AT89S52單片機控制傳感器對檢測地點的煙霧、溫度進行實時檢測，并把檢測結果進行數據信息處理，可以實現聲光報警、濃度顯示、溫度顯示等功能。是一種結構簡單、性能穩定、使用方便、價格低廉、智能化的煙霧報警器，具有一定的

2、實用價值。論文主要針對煙霧報警系統中的各個組成部分及功能進行了詳細的介紹和說明，并對其主控電路和外圍設備電路之間的接口連接方式，以及系統軟件設計進行了重點的分析和講解。關鍵詞：煙霧；報警器；單片機；傳感器 AbstractAccording to relevant statistics, as household appliances popularization,family electricity use is increasing year by year, family fire occurrence frequency is also more and more high, fire

3、 alarm has subsequently been widely applied in all kinds of situations. By using microcontroller can effectively solve the sensor with sensitivity and alarm accuracy. In this paper, combined with the use of single-chip sensor technology development and design of the smoke control system.This protect

4、 designs a better smoke alarm with MQ-2 smoke sensor, DS18B20 temperature sensor and AT89S52 type MCU as the core, and combines with other electronic technology. Each module is controlled by the MCU for monitoring the smoke, fire, and other information in real-time and the MCU will process the infor

5、mation. It can realize a series of functions such as sound and light alarming, the smoke density and the temperature being demonstrated. It is one kind of structure simple, the performance stable, easy to operate, the price inexpensive, the intellectualized smog alarm apparatus and has certain pract

6、ical value. Thesis give detailed introduction for the function and theory of the various component parts of the alarm system, focus on the interface technology between its main controlled circuit and peripheral circuit, also give explanation of the software .Key words: smoke; alarm; MCU; sensor目 錄 T

7、OC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc359701684 第1章 概述 PAGEREF _Toc359701684 h 1 HYPERLINK l _Toc359701685 1.1論文選題背景、目的和意義 PAGEREF _Toc359701685 h 1 HYPERLINK l _Toc359701686 1.2煙霧報警器的國內外現狀 PAGEREF _Toc359701686 h 2 HYPERLINK l _Toc359701687 1.3本論文研究的主要內容 PAGEREF _Toc359701687 h 2 HYPERLINK l _Toc359701688

8、 第2章 系統總體設計方案 PAGEREF _Toc359701688 h 3 HYPERLINK l _Toc359701689 2.1 煙霧檢測報警器設計思路 PAGEREF _Toc359701689 h 3 HYPERLINK l _Toc359701690 2.2 煙霧傳感器的選型 PAGEREF _Toc359701690 h 3 HYPERLINK l _Toc359701691 2.3 單片機的選型 PAGEREF _Toc359701691 h 8 HYPERLINK l _Toc359701692 2.4 DS18B20溫度傳感器的介紹 PAGEREF _Toc359701

9、692 h 12 HYPERLINK l _Toc359701693 2.5 本章小結 PAGEREF _Toc359701693 h 16 HYPERLINK l _Toc359701694 第3章 系統的硬件電路 PAGEREF _Toc359701694 h 17 HYPERLINK l _Toc359701695 3.1 AT89S52單片機最小系統電路 PAGEREF _Toc359701695 h 17 HYPERLINK l _Toc359701696 3.2 煙霧信號采集及A/D轉換電路 PAGEREF _Toc359701696 h 18 HYPERLINK l _Toc35

10、9701697 3.3 溫度采集電路 PAGEREF _Toc359701697 h 20 HYPERLINK l _Toc359701698 3.4 LCD顯示電路 PAGEREF _Toc359701698 h 20 HYPERLINK l _Toc359701699 3.5 蜂鳴器報警電路 PAGEREF _Toc359701699 h 22 HYPERLINK l _Toc359701700 3.6 繼電器控制電路 PAGEREF _Toc359701700 h 23 HYPERLINK l _Toc359701701 3.7 按鍵電路 PAGEREF _Toc359701701 h

11、23 HYPERLINK l _Toc359701702 3.8 本章小結 PAGEREF _Toc359701702 h 24 HYPERLINK l _Toc359701703 第4章 軟件設計 PAGEREF _Toc359701703 h 25 HYPERLINK l _Toc359701704 4.2 主程序初始化流程圖 PAGEREF _Toc359701704 h 25 HYPERLINK l _Toc359701705 4.3 按鍵控制子程序流程圖 PAGEREF _Toc359701705 h 25 HYPERLINK l _Toc359701706 4.4 報警子程序流程圖

12、 PAGEREF _Toc359701706 h 26 HYPERLINK l _Toc359701707 4.5 主程序設計及流程圖 PAGEREF _Toc359701707 h 27 HYPERLINK l _Toc359701708 4.6 本章小結 PAGEREF _Toc359701708 h 28 HYPERLINK l _Toc359701709 結 論 PAGEREF _Toc359701709 h 29 HYPERLINK l _Toc359701710 參考文獻 PAGEREF _Toc359701710 h 30 HYPERLINK l _Toc359701711 致

13、謝 PAGEREF _Toc359701711 h 31 HYPERLINK l _Toc359701712 附 錄 PAGEREF _Toc359701712 h 32 HYPERLINK l _Toc359701713 附錄1：程序: PAGEREF _Toc359701713 h 32 HYPERLINK l _Toc359701714 附錄2：電路圖 PAGEREF _Toc359701714 h 44第1章 概述論文選題背景、目的和意義1.1.1 論文選題背景隨著人類文明的進步和科技的發展，人們的生活越來越好。但在現代城市家庭里，許多人因不懂家庭安全常識而引起火災事故，使幸福家庭轉眼

14、間毀于一旦,有的甚至導致家破人亡,而且一旦發生居民家庭火災,處置不當,是造成人員傷亡的重要因素。所以說,人們應該積極了解家庭火災的主要起因，還要預防火災的發生。在我國的一些大中城市，幾乎每天都發生家庭火災，所以防火是每個家庭必須時刻注意的問題。假如能根據家庭的實際情況預先采取簡單的防火措施，一些悲劇是完全可以避免的。消防部門的統計顯示，在所有的火災比例中，家庭火災已經占到了全國火災的30%左右。家庭起火的種種原因，很多都隱藏在人們根本就注意不到的地方。為了早期發現和通報火災，防止和減少火災危害，保護人身和財產安全，減少這類事故的發生，就必須對煙霧進行現場實時檢測，采用先進可靠的安全檢測儀表，嚴

15、密監測環境中煙霧的濃度和周圍溫度，及早發現事故隱患，防患于未然，采取有效措施，避免事故發生，才能確保工業安全和家庭生活安全。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展領域的一個重要課題。1.1.2 論文選題目的和意義為了保護生命安全與財產安全，人們需要實時注意避免火災的發生，利用高科技產品有利于人們及早發現火災的隱含，及時的避免不必要的災難發生。煙霧檢測報警裝置是能夠檢測環境中的煙霧濃度并具有報警功能的儀器。該報警裝置是石油化學工業、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

16、筑設計防火規范(GBJ16-87)第10.3.2條明確規定:“散發可燃煙霧、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程JJG693-2004，研究新型、性能穩定、準確監測可燃性氣體，并合乎國家相關規定的報警器具有極其重要的意義。煙感報警器的使用者不斷增加，住宅失火造成的死亡人數也不斷下降。據美國國家消防協會報告表明，安裝了推薦數目的煙感報警器的住宅一旦發生火災，住宅內人員的逃生機會將比未安裝的住宅多出50%。所以家庭裝有煙霧報警器災難能夠降低，避

17、免不必要的災難。目前我國已有許多城市鋪設了煤氣管道，使用人口約達二億人，煤氣發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，這個數字會繼續增長。可見，煙霧報警器具有十分廣闊的市場前景。煙霧報警器的國內外現狀國外從20世紀30年代開始研究及開發煙霧傳感器，且發展迅速，這是因為人們安全意識增強，對環境安全性和生活舒適性要求提高。據有關統計，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

18、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視。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擴展到幾乎所有危險作業環境的各種類型報警器，產品數量也在不斷增加。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，進行研究與開發形成自己的特色。近年來，在煙霧選擇性和產品穩定性上也有很大進步。本論文研究的主要內容本設計針對經常發生的家庭火災事故，

19、主要采用MQ-2煙霧傳感器、DS18B20溫度傳感器以及AT89S52單片機，設計一個具有煙霧濃度檢測及聲光報警功能的煙霧自動檢測報警系統。報警系統由硬件和軟件兩個部分組成。本設計在硬件設計方面主要對單片機芯片、煙霧傳感器和溫度傳感器的功能和使用方法進行研究并掌握，并且選擇合適的型號應用在本設計中。以AT89S52單片機作為中央處理器，對硬件電路進行設計和驅動。軟件部分主要是報警系統控制程序，按照軟件實現的功能，主要分為主程序、初始化子程序、鍵盤處理子程序、報警子程序。 第2章 系統總體設計方案2.1 煙霧檢測報警器設計思路煙霧檢測報警器是能夠檢測環境中的煙霧濃度，并具有報警功能的儀器。儀器的

20、最基本組成部分應包括：煙霧信號采集電路、模數轉換電路、溫度信號采集電路、單片機控制電路、顯示電路、按鍵電路以及聲光報警電路。煙霧報警系統結構框圖如圖2-1所示。煙霧傳感器A/D轉換單片機LED指示燈蜂鳴器報警LCD顯示按鍵溫度傳感器繼電器LED指示燈圖2-1 煙霧檢測報警系統結構框圖為適應家庭和工業等場所對可燃性易爆煙霧安全性要求，設計的可燃性煙霧報警器應不僅能在較寬的溫度范圍工作，而且應具有顯示、故障自檢、延時報警功能及可接計算機進行現場遠測和實時控制等功能。其目標是在傳統的煙霧報警儀的基礎上，盡量提高準確性，降低成本，縮小體積。 2.2 煙霧傳感器的選型煙霧傳感器是測量裝置和控制系統的首要

21、環節。而煙霧報警器的信號采集由煙霧傳感器負責。煙霧傳感器能夠將氣體的種類及其濃度有關的信息轉換為電信號，根據這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環境中存在的情況有關的信息，從而達到檢測、監控、報警的功能。可以說，沒有精確可靠的傳感器，就沒有精確可靠的自動檢測、控制和報警系統。煙霧傳感器作為報警器中不可缺少的核心器件，它決定了所采集的煙霧濃度信號的準確性和可靠性。煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，是氣-電變換器，它將可燃性氣體在空氣中的含量(即濃度)轉化成電壓或者電流信號，通過A/D轉換電路將模擬量轉換成數字量后送到單片機，進而由單片機完成數據處理、濃度處理及報警控制等工作。傳感器作為煙霧檢測報警器的

22、信號采集部分，是儀表的核心組成部分之一。由此可見，煙霧傳感器的選型是非常重要的。2.2.1 煙霧傳感器的分類及簡介煙霧傳感器種類繁多，從檢測原理上可以分為三大類： （1）利用物理化學性質的煙霧傳感器：如半導體煙霧傳感器、接觸燃燒煙霧傳感器等。 （2）利用物理性質的煙霧傳感器：如熱導煙霧傳感器、光干涉煙霧傳感器、紅外傳感器等。 （3）利用電化學性質的煙霧傳感器：如電流型煙霧傳感器、電勢型氣體傳感器等。 下面對工業上常用的幾種煙霧傳感器作簡單介紹。 （1） 半導體煙霧傳感器半導體煙霧傳感器包括用氧化物半導體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器，以及用單晶半導體器件制作的煙霧傳感器。由于具有靈敏度高、

23、響應快、輸出信號強、耐久性強、結構簡單、價格便宜等諸多優點，得到了廣泛的應用。該傳感器己成為世界上產量最大、使用最廣的煙霧傳感器之一。按照敏感機理分類，可分為電阻型和非電阻型。 （2） 接觸燃燒式傳感器 當易燃煙霧接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時會發生氧化反應而燃燒，故得名接觸燃燒式傳感器。接觸燃燒式煙霧傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲(也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層)，使用時鉑絲通電，保持300400的高溫，此時若與煙霧接觸，煙霧就會在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會上升，鉑絲的電阻值也上升；通過測量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道煙霧的濃度。 （3） 熱傳導傳感器 熱傳導傳感器與接觸

24、燃燒式傳感器具有類似的結構形式，但是測量原理不同。它的測量原理是：將加熱后的鉑電阻線圈置于目標煙霧中，由于向目標煙霧傳送熱量造成溫度降低，引起電阻值變化，傳感器即測量電阻 值的變化情況。溫度的變化情況是目標煙霧熱傳導率的函數，而對于一種給定的煙霧或汽化物，熱傳導率是它固有的物理特性。 （4） 紅外傳感器 紅外傳感器通常用兩束紅外光進行煙霧測量，主光束通過測量元件內的目標煙霧，參考光束通過比較元件內的參考煙霧。在測量和比較元件中，紅外射線被煙霧有選擇地吸收了。未吸收的紅外光由光電探測器測量，產生一個正比于目標煙霧濃度的差分信號。非擴散式紅外探測器是其中的一種，所有的未吸收光全部以最小的擴散和損耗

25、被記錄下來。 2.2.2 煙霧傳感器的選定一個煙霧傳感器可以是單功能的，也可以是多功能的；可以是單一的實體，也可以是由多個不同功能傳感器組成的陣列。但是，任何一個完整的煙霧傳感器都必須具備以下條件： （1）能選擇性地檢測某種單一煙霧，而對共存的其它煙霧不響應或低響應； （2）對被測煙霧具有較高的靈敏度，能有效地檢測允許范圍內的煙霧濃度；（4）對檢測信號響應速度快，重復性好；（5）長期工作穩定性好； （6）使用壽命長； （7）制造成本低，使用與維護方便。 根據報警器檢測煙霧種類的要求，一般選用接觸燃燒式煙霧傳感器和半導體煙霧傳感器。使用接觸燃燒式傳感器，其探頭的阻緩及中毒，是不可避免的問題。阻緩

26、是當在煙霧與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質的情況下，則有可能在無焰燃燒的同時，有些固態物質附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應緩慢反應滯緩，靈敏度降低。雖然將阻緩的傳感器再放回新鮮空氣環境中有得到某種程度的恢復的可能，但是如果長期暴露在這樣的環境中，其靈敏度會不斷下降，導致傳感器最終喪失檢測煙霧的能力。如果環境空氣中含有硅烷之類的物質時，則傳感器將使催化元件產生不可逆轉的中毒，以致靈敏度很快就喪失。半導體煙霧傳感器包括用氧化物半導體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以及用單晶半導體器件制作的煙霧傳感器，它具有靈敏度高，響應快、體積小、結構簡單，使用方便、價格便宜等優點，因而得到

27、廣泛應用。半導體煙霧傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性(抗干擾性)和穩定性(使用壽命)。 經過對比上述兩種煙霧傳感器的應用特性，發現半導體煙霧傳感器的優點更加突出：靈敏度高、響應快、抗干擾性好、使用方便、價格便宜，且不會發生探頭阻緩及中毒現象，維護成本較低等。因此，本設計采用半導體煙霧傳感器作為報警器煙霧信息采集部分的核心。本設計選用MQ-2型煙霧傳感器，這種傳感器不但具備一般半導體煙霧傳感器靈敏度 高、響應快、抗干擾能力強、壽命長等優點。 2.2.3 MQ-2型煙霧傳感器的工作原理半導體煙霧傳感器包括用氧化物半導體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以及用單晶半導體器件制作的煙霧傳感器。按敏感

28、機理分類，可分為電阻型和非電阻型。半導體氣敏元件也有N型和P型之分。N型在檢測時阻值隨煙霧濃度的增大而減小；P型阻值隨煙霧濃度的增大而增大。本設計中采用的MQ-2型煙霧傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫，屬于表面離子式N型半導體。當處于200300溫度時，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當與煙霧接觸時，如果晶粒間界處的勢壘受到該煙霧的調制而變化，就會引起表面電導率的變化。利用這一點就可獲得這種煙霧存在的信息。遇到可燃煙霧（如CH4等）時，原來吸附的氧脫附，而由可燃煙霧以正離子狀態吸附在二氧化錫半導體表面；氧脫附放出

29、電子，煙霧以正離子狀態吸附也要放出電子，從而使二氧化錫半導體導帶電子密度增加，電阻值下降。而當空氣中沒有煙霧時，二氧化錫半導體又會自動恢復氧的負離子吸附，使電阻值升高到初始狀態。這就是MQ-2型燃性煙霧傳感器檢測可燃煙霧的基本原理。MQ-2型傳感器的結構圖如圖2-2所示。MQ-2型傳感器是由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層,測量電極和加熱器構成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個用于信號取出，2個用于提供加熱電流。圖2-2 MQ-2型煙霧傳感器結構圖2.2.4 MQ-2型煙霧傳感器特性及主要技術指標下面介紹

30、MQ-2型傳感器的一般特點：（1）MQ-2型傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器。（2）MQ-2型傳感器具有良好的重復性和長期的穩定性。初始穩定，響應時間短，長時間工作性能好。 （3）MQ-2型傳感器具有良好的抗干擾性，可準確排除有刺激性非可燃性煙霧的干擾信息，例如酒精和煙霧等。 （4）電路設計電壓范圍寬，24V以下均可；加熱電壓50.2V。MQ-2型傳感器的基本特性：（1）靈敏度特性： 煙霧傳感器在最佳工作條件下，接觸同一種煙霧，其電阻值RS隨氣體濃度變化的特性稱之為靈敏度特性，用K表示。

31、 K=RS/RO (2-1)式中，RS為煙霧傳感器潔凈空氣條件下的電阻值，RS為煙霧傳感器在一定濃度的檢測煙霧中的電阻值。雖然對于不同的煙霧，器件靈敏度特性K的值也會各有差異，但是它們都遵循同一規律。 logRS=mlogC+n (2-2)式中，m為器件相對煙霧濃度變化的敏感性，又稱煙霧分離能，對于煙霧，m值為1/21/3；C為檢測煙霧的濃度。n為與檢測煙霧，器件材料有關，并隨測試溫度和材料中有無增感劑而有所不同。 （2）初期穩定特性： 半導體煙霧傳感器在不通電狀態存放一段時間后，再通電時，器件并不能立即投入正常工作。這是因為煙霧傳感器中的二氧化錫在不通電的狀態下會吸附空氣中的水蒸氣，當再次通

32、電時需要預熱幾分鐘使水蒸氣蒸發后，氣敏電阻才能正常工作。再通電工作時氣敏電阻值達到穩定時所需要的時間，定義為初期穩定時間。一般情況下，不通電時間越長，初期穩定時間也越長，當不通電存放時間達到15天左右時，初期穩定時間一般需要5分鐘左右。 （3）加熱特性： 半導體煙霧傳感器一般要在較高的溫度(200450)下工作，所以需要對其加熱。由于傳感器一般工作在易燃易爆環境下，若加熱絲直接與電源相接，當加熱絲局部短路造成器件過熱或放電時，可能引發事故。所以必須使用傳感器生產廠家推薦的加熱電壓，使其工作在較安全的范圍內。MQ-2型煙霧傳感器加熱電壓為（50.2）V，加熱電阻為（313）。當加熱絲斷路時，由于

33、熱惰性緣故，煙霧傳感器的氣敏特性并不立即消失，此時檢測必出現較大的誤差。為避免出現這種情況，并及時發現氣敏元件的故障，需要設計加熱絲故障診斷報警電路。以下是MQ-2型傳感器的特性參數：（1）回路電壓：(Vc) 524V （2）取樣電阻：(RL) 0.120K（3）加熱電壓：(VH) 50.2V（4）加熱功率：(P) 約750mW （5）靈 敏 度：以甲烷為例RO(air)/RS(0.1%CH4)5 （6）響應時間：Tres10秒 （7）恢復時間：Trec30秒2.3 單片機的選型2.3.1 單片機簡介單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式 HYPERLINK /view/368297.htm

34、 t _blank 微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫MCU表示單片機，單片機又稱 HYPERLINK /view/154544.htm t _blank 單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的 HYPERLINK /view/26651.htm t _blank 芯片，而是把一個 HYPERLINK /view/4646187.htm t _blank 計算機系統集成到一個芯片上。單片機由運算器，控制器，存儲器，輸入輸出設備構成，相當于一個微型的計算機（最小系統），和計算機相比， HYPERLINK /view/1012.htm t _blank 單片

35、機缺少了外圍設備等。概括的講：一塊 HYPERLINK /view/26651.htm t _blank 芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜、為學習、應用和開發提供了便利條件。同時，學習使用 HYPERLINK /view/1012.htm t _blank 單片機是了解計算機原理與結構的最佳選擇。它最早是被用在工業控制領域。單片機是煙霧自動檢測報警系統的心臟，用來接收火災信號并啟動報警裝置顯示和執行相應的保護和消防動作。在單片機實現的控制功能中，需要單片機有較快的運算速度，使檢測人員和用戶在報警器系統正常工作時能夠及時地觀測到實時的煙霧濃度等級，并進行相應處理。同時，在能夠滿

36、足報警器系統設計的計算速度及接口功能要求的同類型單片機中，要考慮選擇價格低廉且體積輕巧的機型，在保證了報警器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎上，能夠不提高成本，縮小體積。單片機作為最典型的嵌入式系統，所以它是低端控制系統最佳器件。由于其微小的體積和極低的成本，開發環境要求較低，軟件資源十分豐富，開發工具和編程語言也大大簡化，因此被廣泛應用于家用電器、機器人、儀器儀表、工業控制單元、辦公自動化設備以及通信產品中，成為現代電子系統中最重要的智能化工具。由于單片機技術在各個領域正得到越來越廣泛的應用，世界上許多集成電路生產廠家相繼推出了各種類型的單片機，在單片機家族的眾多成員中，Atmel公司單片機

37、以其優越的性能、成熟的技術及高可靠性和高性能價格比，迅速占領了工業測控和自動化工程應用的主要市場，成為國內單片機應用領域中的主流。根據多方面的比較，本設計采用AT89S52單片機。2.3.2 AT89S52單片機介紹AT89S52是一種低功耗、高性能 HYPERLINK /view/22318.htm t _blank CMOS8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash HYPERLINK /view/87697.htm t _blank 存儲器。使用Atmel公司高密度非 HYPERLINK /view/132408.htm t _blank 易失性存儲器技術制造，與工業80C51產品指令

38、和引腳完全兼容。片上Flash允許 HYPERLINK /view/421016.htm t _blank 程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。AT89S52單片機具有40個引腳，包含4k bytes flash片內程序存儲器，128 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優先級，2級中斷優先權，2個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口，看門狗（wdt）電路，片內時鐘振蕩器。AT89S52單片機具有以下功能特性：（1）與MCS-51 HYPERLINK /view/1012.htm t _blank 單片機產品兼容；（2）8K字節

39、在系統可編程 HYPERLINK /view/1493903.htm t _blank Flash存儲器；（3）1000次擦寫周期；（4）全靜態操作：0Hz-33MHz；（5）三級加密 HYPERLINK /view/421016.htm t _blank 程序存儲器；（6）32個可編程I/O口線；（7）三個16位 HYPERLINK /view/281961.htm t _blank 定時器/ HYPERLINK /view/259701.htm t _blank 計數器；（8）8個 HYPERLINK /view/600195.htm t _blank 中斷源；（9）全雙工 HYPERLI

40、NK /view/245027.htm t _blank UART串行通道；（10）低功耗空閑和掉電模式；（11）掉電后中斷可喚醒；（12） HYPERLINK /view/1313309.htm t _blank 看門狗定時器；（13）靈活的ISP字節和分頁編程、雙數據寄存器指針；（14）掉電 HYPERLINK /view/390932.htm t _blank 標識符。按照功能，AT89S52的引腳可分為主電源、外接晶體振蕩或振蕩器、多功能I/O口、控制和復位等。AT89S52單片機的管腳排列圖如圖2-4所示。圖2-5 AT89S52單片機的管腳排列圖AT89S52各個引腳的說明：52單

41、片機有四個八位雙向并行的I/O端口：P0,P1,P2,P3。端口映射于特殊功能寄存器中，每個端口都有字節地址，可以輸入、輸出字節數據，每個端口也有位地址，其各條I/O線也是單獨的使用；對相應地址但愿執行讀寫指令，就實現了從相應端口的輸入/輸出操作。四個并行的端口P0,P1,P2,P3還具有各自不同的結構特點和功能。（1）P0端口，該口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。在作為輸出口時，每根引腳可以帶動8個TTL輸入負載。當把“1”寫入P0時，則它的引腳可用作高阻抗輸入。當對外部程序或數據存儲器進行存取時，P0可用作多路復用的低字節地址/數據總線，在該模式，P0口擁有內部上拉電阻。在對Flash存

42、儲器進行編程時，P0用于接收代碼字節；在校驗時，則輸出代碼字節；此時需要外加上拉電阻。（2）P1端口，該口是帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O端口，P1口的輸出緩沖器可驅動4個TTL輸入。對端口寫“1”時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時可用作輸入口。P1口作輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。對Flash編程和程序校驗時，P1口接收低8位地址。P1.0與P1.1可以配置成定時/計數器2的外部計數輸入端（P1.0/T2）與定時/計數器2的觸發輸入端（P1.0/T2EX），如表2-1所示。表2-1 P1口管腳復用功能端口引腳復用功能P1.0T2（定時

43、器/計算器2的外部輸入端）P1.1T2EX(定時器/計算器2的外部觸發端和雙向控制)P1.5MOSI（用于在線編程）P1.6MOSO（用于在線編程）P1.7SCK（用于在線編程）（3）P2端口，該口是帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O端口，P2口的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫“1”時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時可用作輸入口。P2口作輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器或16位的外部數據存儲器時，P2口送出高8位地址，在訪問8位地址的外部數據存儲器時，P2口引腳上的內容在整個訪問期間不會改變

44、。在對Flash編程和程序校驗期間，P2口也接收高位地址或一些控制信號。（4）P3端口，該口是帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O端口，P3口的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫“1”時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時可用作輸入口。P3口作輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在AT89S52中，同樣P3口還用于一些復用功能，如表2-2所列。表2-2 P3端口引腳與復用功能表端口引腳復用功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2INT0（外部中斷0）P3.3INT1（外部中斷1）P3.4T0（定時

45、器0的外部輸入）P3.5T1（定時器1的外部輸入）P3.6WR（外部數據存儲器寫選通）P3.7RD（外部數據存儲器讀選通）RST：復位輸入端。在振蕩器運行時，在此腳上出現兩個機器周期的高電平將使其單片機復位。看門狗定時器（Watchdog）溢出后，該引腳會保持98個振蕩周期的高電平。在SFR AUXR（地址8EH）寄存器中的DISRTO位可以用于屏蔽這種功能。DISRTO位的默認狀態，是復位高電平輸出功能使能。ALE/PROG:地址鎖存允許信號。在存取外部存儲器時，這個輸出信號用于鎖存低字節地址。在對Flash存儲器編程時，這條引腳用于輸入編程脈沖PROG。一般情況下，ALE是振蕩器頻率的6分

46、頻信號，可用于外部定時或時鐘。但是，在對外部數據存儲器每次存取中，會跳過一個ALE脈沖。在需要時，可以把地址8EH中的SFR寄存器的0位置為“1”，從而屏蔽ALE的工作；而只有在MOVX或MOVC指令執行時ALE才被激活。在單片機處于外部執行方式時，對ALE屏蔽位置“1”并不起作用。PSEN:程序存儲器允許信號。它用于讀外部程序存儲器。當AT89S52在執行來自外部存儲器的指令時，每一個機器周期PSEN被激活2次。在對外部數據存儲器的每次存取中，PSEN的2次激活會被跳過。EA/Vpp:外部存取允許信號。為了確保單片機從地址為0000HFFFFH的外部程序存儲器中讀取代碼，故要把EA接到GND

47、端，即地端。但是，如果鎖定位1被編程，則EA在復位時被鎖存。當執行內部程序時，EA應接到Vcc。在對Flash存儲器編程時，這條引腳接收12V編程電壓Vpp。XTAL1:振蕩器的反相放大器輸入，內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2:振蕩器的反相放大器輸出。2.4 DS18B20溫度傳感器的介紹2.4.1 DS18B20的介紹及工作原理DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器，與傳統的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據實際要求通過簡單的編程實現912位的數字值讀數方式。 DS18B20的性能特點如下：（1）獨特的單線接口僅需要一個

48、端口引腳進行通信；（2）多個DS18B20可以并聯在惟一的三線上，實現多點組網功能；（3）無須外部器件；（4）可通過數據線供電，電壓范圍為3.05.5；（5）零待機功耗；（6）溫度為9或12位數字；（7）用戶可定義報警設置；（8）報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；（9）負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發熱而燒毀，但不能正常工作。 DS18B20溫度傳感器的引腳排列如圖2-6。DS18B201 2 3GNDDQUDD圖2-6 DS18B20溫度傳感器的引腳排列其引腳功能描述見表2-3。表2-3DS18B20引腳功能詳細描述序號名稱引腳功能描述1GND地信號2D

49、Q數據輸入/輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。3VDD可選擇的VDD引腳。當工作于寄生電源時，此引腳必須接地。DS18B20采用3腳PR35封裝或8腳SOIC封裝。64位ROM的結構開始8位是產品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有48位，最后8位是前面56位的CRC檢驗碼。溫度報警觸發器TH和TL，可通過軟件寫入戶報警上下限。C64 位ROM和單線接口高速緩存存儲器控制邏輯溫度傳感器高溫觸發器TH低溫觸發器TL配置寄存器8位CRC發生器VddI/O 圖2-7 DS18B20內部結構DS18B20溫度傳感器的內部存儲器還包括一個高速暫存RAM和一

50、個非易失性的可電擦除的EPRAM。高速暫存RAM的結構為8字節的存儲器，結構如圖2-7所示。頭2個字節包含測得的溫度信息，第3和第4字節TH和TL的拷貝，是易失的，每次上電復位時被刷新。第5個字節，為配置寄存器，它的內容用于確定溫度值的數字轉換分辨率。DS18B20工作時寄存器中的分辨率轉換為相應精度的溫度數值。該字節各位的定義如圖2-8所示。低5位一直為1，TM是工作模式位，用于設置DS18B20在工作模式還是在測試模式，DS18B20出廠時該位被設置為0，用戶要去改動，R1和R0決定溫度轉換的精度位數，來設置分辨率。溫度 LSB溫度 MSBTH用戶字節1TL用戶字節2配置寄存器保留保留保留

51、CRC 圖2-8 高速暫存RAM結構及字節定義高速暫存RAM的第6、7、8字節保留未用，表現為全邏輯1。第9字節讀出前面所有8字節的CRC碼，可用來檢驗數據，從而保證通信數據的正確性。當DS18B20接收到溫度轉換命令后，開始啟動轉換。轉換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第1、2字節。讀數據時低位在先，高位在后，數據格式以0.0625LSB形式表示。當符號位S0時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位轉換為十進制；當符號位S1時，表示測得的溫度值為負值，要先將補碼變成原碼，再計算十進制數值。表2-4是一部分溫度值對應的二進制溫度數據。表2-4 一部

52、分溫度對應值表溫度/二進制表示十六進制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001

53、 0000FC90HDS18B20的測溫原理是這樣的,器件中低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給減法計數器1；高溫度系數晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產生的信號作為減法計數器2的脈沖輸入。器件中還有一個計數門，當計數門打開時，DS18B20就對低溫度系數振蕩器產生的時鐘脈沖進行計數進而完成溫度測量。計數門的開啟時間由高溫度系數振蕩器來決定，每次測量前，首先將55所對應的一個基數分別置入減法計數器1、溫度寄存器中，計數器1和溫度寄存器被預置在55所對應的一個基數值。減法計數器1對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當減法計數器1的預置值減到0時，溫

54、度寄存器的值將加，減法計數器1的預置值將重新被裝入，減法計數器1重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數，如此循環直到減法計數器2計數到0時，停止溫度寄存器的累加，此時溫度寄存器中的數值就是所測溫度值。其輸出用于修正減法計數器的預置值，只要計數器門仍未關閉就重復上述過程，直到溫度寄存器值大致等于被測溫度值。2.4.2 DS18B20溫度傳感器的接線方式DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時DS18B20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖4 所示單片機端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時鐘周期內提供足夠的電流，可用一個

55、MOSFET管來完成對總線的上拉。當DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D轉換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10us。采用寄生電源供電方式時VDD端接地。由于單線制只有一根線，因此發送接口必須是三態的。由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數據，因此，對讀寫的數據位有著嚴格的時序要求。DS18B20有嚴格的通信協議來保證各位數據傳輸的正確性和完整性。該協議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機作為主設備，單總線器件作為從設備。而每一次命令和數據的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數據，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完

56、成數據接收。數據和命令的傳輸都是低位在先。2.4.3 DS18B20的控制方法1、DS18B20的復位時序 ：（1） 先將數據線置高電平“1”。（2） 延時（該時間要求的不是很嚴格，但是盡可能的短一點）（3） 數據線拉到低電平“0”。（4） 延時750微秒（該時間的時間范圍可以從480到960微秒）。（5） 數據線拉到高電平“1”。（6） 延時等待（如果初始化成功則在15到60毫秒時間之內產生一個DS18B20所返回的低電平“0”。據該狀態可以來確定它的存在，但是應注意不能無限的進行等待，不然會使程序進入死循環，所以要進行超時控制）。（7） 若CPU讀到了數據線上的低電平“0”后，還要做延時，

57、其延時的時間從發出的高電平算起（第（5）步的時間算起）最少要480微秒。（8） 將數據線再次拉高到高電平“1”后結束。2、DS18B20的讀時序：對于DS18B20的讀時序分為讀0時序和讀1時序兩個過程。對于DS18B20的讀時序是從主機把單總線拉低之后，在15秒之內就得釋放單總線，以讓DS18B20把數據傳輸到單總線上。DS18B20在完成一個讀時序過程，至少需要60us才能完成。（1） 將數據線拉高“1”。（2） 延時2微秒。（3） 將數據線拉低“0”。（4） 延時15微秒。（5） 將數據線拉高“1”。（6） 延時15微秒。（7） 讀數據線的狀態得到1個狀態位，并進行數據處理。（8） 延時

58、30微秒。3、DS18B20的寫時序：對于DS18B20的寫時序仍然分為寫0時序和寫1時序兩個過程。對于DS18B20寫0時序和寫1時序的要求不同，當要寫0時序時，單總線要被拉低至少60us，保證DS18B20能夠在15us到45us之間能夠正確地采樣I/O總線上的“0”電平，當要寫1時序時，單總線被拉低之后，在15us之內就得釋放單總線。（1） 數據線先置低電平“0”。（2） 延時確定的時間為15微秒。（3） 按從低位到高位的順序發送字節（一次只發送一位）。（4） 延時時間為45微秒。（5） 將數據線拉到高電平。（6） 重復上（1）到（6）的操作直到所有的字節全部發送完為止。（7） 最后將數

59、據線拉高。DS18B20雖然有測溫簡單的特點，單在實際應用中應注意一下幾點：(1)較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償，由于DS18B20與微處理器間采用串行數據傳送，因此，在對DS18B20進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結果。在使用PL/M、C等高級語言進行系統程序設計時，對DS18B20 操作部分最好采用C語言實現。(2) 在DS18B20的有關資料中均未提及單總線上所掛DS18B20數量問題，容易使人誤認為可以掛任意多個DS18B20，在實際應用中并非如此。當單總線上所掛DS18B20 超過8個時鐘，就需要解決微處理器的總線驅動問題，這一點在進行多點測溫系

60、統設計時要加以注意。(3) 連接DS18B20的總線電纜是有長度限制的。試驗中，當采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時，讀取的測溫數據將發生錯誤。當將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達150m，當采用每米絞合次數更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離進一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產生畸變造成的。因此，在用DS18B20進行長距離測溫系統設計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。(4) 在DS18B20 測溫程序設計中，向DS18B20 發出溫度轉換命令后，程序總要等待DS18B20 的返回信號，一旦某個DS18B20接觸不好或斷線，當程序讀該DS18B20