摘要
本设计是基于传感器和单片机作为烟雾报警器设计的核心器件，配合其它器件即可实现声光报警功能的一套烟雾探测提醒产品。它可以实现对空气中烟雾粒子浓度进行实时检测，一旦检测到有人吸烟，则会在第一时间给吸烟者发出最为有效的语音警示。 设计中单片机选用STC89C52作为控制器件，传感器选用MQ-7型气体传感器实现对烟雾的检测。烟雾报警器主要由烟雾信号采集及前置放大电路、模数转换电路、单片机控制电路、显示电路、声光报警电路和安全保护电路构成，设计合理、简单易懂、价格低廉，使单片机在烟雾报警系统的控制中得到充分应用，具有一定的实用价值。论文主要针对烟雾报警系统中的各个组成部分及功能进行了详细的介绍和说明，并对其主控电路和外围设备电路之间的接口连接方式，以及系统软件设计进行了重点的分析和讲解。 关键词：气体传感器MQ-2；火灾报警；单片机；智能控制
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Abstract
Along with the modern home with fire, electricity consumption increases, the frequency of home fires is getting higher and higher. Smoke detectors have also been widelyused in various occasions.
Wireless multifunctional fire alarm in the paper uses STC89C51 as the core controller,the realization of the basic functions of the gas sensor MQ-2, ADC0809 converter etc..Through these sensors and chips, when environmental smoke concentration or combustible gas concentration changes the system sends out corresponding light alarm signal and the sound alarm signal, in order to achieve smoke alarm, when the smoke reaches a certain range, the system can also drive the relay, the relay can drive a load, such as a ventilation fan, alarm signal lamp, fire hydrant water tap switchetc.. Implementation of intelligent alarm control.
Key words: MQ-2 gas sensor; fire alarm; MCU; intelligent control
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目录
摘要 ..............................................................................................................................................I Abstract .......................................................................................................................................II 第一章 绪论 ................................................................................................................................. 1 1.1 课题的研究背景 ..................................................................................................................... 1 1.2 课题的研究目的与意义 .......................................................................................................... 2 1.3 烟雾报警器的发展与现状....................................................................................................... 3 1.4课题的研究内容...................................................................................................................... 4 第二章烟雾报警器的总体方案设计................................................................................................ 5 2.3 系统的组成及方案设计 .......................................................................................................... 6 3.1 主控电路 ............................................................................................................................... 7 3.2 烟雾探测电路的设计.............................................................................................................11
3.2.1 MQ-2介绍 ................................................................................................................................................................ 11 3.2.2 ADC0809介绍 ......................................................................................................................................................... 13
3.3 数码管显示电路设计............................................................................................................ 15 3.4 声光报警提示电路 ............................................................................................................... 16 3.4.1 灯光提示电路 .......................................................................................................................................................... 16
3.4.2 声音报警电路 .......................................................................................................................................................... 17
3.5 按键电路 ............................................................................................................................. 18 第四章 系统的软件设计 ............................................................................................................. 20 4．1系统程序流程图 .................................................................................................................. 20 第五章 烟雾报警器的测试结果及结论 ........................................................................................ 21 5.1 调试 .................................................................................................................................... 21 5.2 结论 .................................................................................................................................... 21 作品总结 .................................................................................................................................... 23 参考文献 .................................................................................................................................... 24 第 I 条 附录一 系统电路图 ................................................................................................... 25 附录二 Proteus仿真图 .............................................................................................................. 26 附录三实物图 ............................................................................................................................. 27 附录四 实物仿真图..................................................................................................................... 28 附录五 系统程序 ........................................................................................................................ 29
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第一章 绪论
1.1 课题的研究背景
根据联合国卫生组织（WHO）数据显示，烟草流行是这个世界迄今所面临的最大公共卫生威胁之一，每年使近600万人失去生命，其中有500多万人缘于直接使用烟草，有60多万人属于接触二手烟雾的非吸烟者。大约每六秒钟就有一人因烟草死亡，这占到了成人死亡的十分之一。多达半数的目前使用者最终将死于某种与烟草相关的疾病。烟草导致其多达半数使用者死亡。如不采取紧急行动，到2030年时，每年的死亡数字可上升到800万以上。尽管某些高收入和中上收入国家的烟草制品消费呈减少态势，但烟草制品在全球的消费却在不断增加。
每个人都应有权呼吸到无烟雾的空气。从人们开始使用烟草到其健康受到损害，中间会间隔若干年，因此，烟草相关疾病和死亡的流行才刚刚开始。二十世纪中烟草导致了1亿人死亡。如果目前趋势继续下去，那么二十一世纪中烟草将导致约10亿人死亡。 中国每年有超过100万人死于与烟草有关的癌症、心脏病、脑卒中、慢性肺病（如肺气肿）。平均每周10人中有7人报告暴露于二手烟，10人中有6人会看到工作场所有人吸烟。世界卫生组织表示，能轻易得到卷烟是中国年轻男性吸烟者占很高比例的主要原因之一。卫生部的数据表明，在中国约3.5亿吸烟者中，有5000万是年轻人。全球成人烟草调查结果显示，中国15岁及以上的男性吸烟率为52.9%。
路透社2012年2月9日报道了一则令人震撼的新闻：美国发生第一起因吸入二手烟直接导致死亡的案例，密歇根州一名19岁的少女，在一家酒吧工作时，因吸入过量二手烟而死于急性哮喘病。
2012年3月14日，世界卫生组织驻华代表蓝睿明博士在京表示，支持中国提高烟草税和烟草价格，推进控烟，改善中国人民的健康。
“吸烟有害健康，尽早戒烟有益健康”这是每一盒香烟包装盒上的警示语。并且吸烟到底有哪些危害，对人类健康生活有多大影响呢？世界卫生组织的报告表明，吸烟对人类的危害是多方面的，香烟燃烧后的烟雾中含有四千多种有害物质其中主要包括一氧化碳、尼古丁、刺激性物质、致癌物质，主要导致哮喘、肺炎、肺癌、高血压、心脏病等。这些都是众所周知的。可烟民即使知道身边因为吸烟所发生的意外、病危的事件不少，
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但烟民还是很自然地抽起烟来，因为吸烟对某些人来说，已经是“精神的食粮”；我们的也不能阻止谁人吸烟，
2 也不能限制某些人的人生自由，但面对吸烟这个问题，烟民又是否考虑到非吸烟人士的权利呢？据调查显示，二手烟对被动吸烟者的危害一点也不比主动吸烟者轻，每日和吸烟者在一起呆上15分钟以上，吸“二手烟”者的危害便等同于吸烟者，特别是对胎儿和少年儿童的危害尤其严重。因此非吸烟人士有权利要求吸烟者在某些公共场所禁止吸烟，如加油站等场所也十分有必要禁烟。
因此，我们生活中有不少场所是有禁烟的必要的，但是哪些地方是禁烟区，哪些地方能吸烟，恐怕吸烟人士不能每次都注意，这时，防抽烟报警器的作用就显得十分有用了。我们不用太多人力在禁烟区监督吸烟人士，只要有人在安装了防抽烟报警器的地方吸烟，吸烟报警器就会发出警告，让吸烟人士停止在禁烟区吸烟。一方面，可以维护非吸烟人士要求在某些公共场所禁止吸烟的要求，另一方面也可以间接去减少吸烟人士每日的“吸烟量”，从而减少吸烟所带来的负面后果。通过研究和改良吸烟报警器，能够改进现在吸烟报警器的缺点和漏洞，研究吸烟报警器，也能对非吸烟区的智能监控，节省不少人力物力，更好地应用于人类的日常生活中。
1.2 课题的研究目的与意义
目的：研究和改良吸烟报警器，有利于对现有产品的开发和改造，研发出在遇有人在禁烟区吸烟的能更准确地报警，从而减少误报. 香烟的烟雾里究竟包含哪些对健康有害的东西呢？大体可以分为三个方面：烟焦油、烟碱和一氧化碳。
在本论文中单片机及烟雾传感器是烟雾报警器系统的两大核心。基于供家庭使用的烟雾报警器应该具备的基本要求和功能，文章设计了一种比较适合的烟雾报警器。 本设计以传感器和单片机作为烟雾报警器设计的核心器件，配合其它器件即可实现声光报警等功能，提醒来访的客人不要抽烟。设计中单片机选用STC89C52作为控制器件，传感器选用MQ-7型气体传感器实现对烟雾的检测。STC89C52单片机，功能强大，可供许多高性价比的场合应用，能够灵活应用于各种控制领域。MQ-7半导体气体烟雾传感器在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，寿命长，成本低，非常适用于家庭使用的气体泄漏报警器。由这两个核心器件设计而成的整个烟雾报警器系统可实现声光报警、报警状态字符显示等烟雾报警器应有的功能，是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价
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格低廉、智能化的烟雾报警器。烟雾报警器主要由烟雾信号采集及前置放大电路、模数转换电路、单片机控制电路、显示电路、声光报警电路构成，设计合理、简单易懂、价格低廉，使单片机在烟雾报警系统的控制中得到充分应用，具有一定的实用价值。论文主要针对烟雾报警系统中的各个组成部分及功能进行了详细的介绍和说明，并对其主控电路和外围设备电路之间的接口连接方式，以及系统软件设计进行了重点的分析和讲解。此次设计是针对于单片机原理及其应用展开的。其中包含了我们大学四年中所学到的相关知识，运用我们所学的电工技术，传感器技术，单片机技术去设计基于单片机的烟雾报警系统。
1.3 烟雾报警器的发展与现状
近年来，无线火灾报警系统在国外已被开发，并走向实用。起初，无线火灾报警系统不仅是价格贵，还必须连接布线，这是只适合一些特殊的地方，检测设备的一部分。今天，几乎所有的电气装置，可以通过无线遥控改变，可广泛应用于各类建筑和场所。美国松柏公司（ITI）成立于1981年，是美国最大的无线报警系统制造商制造，其产品占90％的无线报警器在北美市场的年销售额已接近一亿美元。该公司生产的无线火灾报警系统还通过了中国的“国家消防电子产品质量监督检验测试中心”的监测，该系统可作为火灾报警系统，但也可作为一个安全的系统，两者的结合，是一个高科技的无线安全系统。
火灾报警系统在中国相对较晚，与发达国家相比， 20世纪70年代末的十年间，中国开始研制生产的火灾报警系统。 20世纪80年代后，国内各大厂商也大多是模仿国外产品，或引进国外技术生产的，没有真正意义上的核心技术，市场刚刚开始发展。真正的火灾报警产品的发展也促进了市场的成熟，政府逐步开放的大门，在同一时间，外国公司开始进入中国的防火市场，带来先进的技术在20世纪90年代。此期间，中国生产的火灾报警产品的企业也得到了快速发展，在一些企业中，技术合作，合资生产，并取得了不菲的成绩，但今天在市场上创造了许多强大的企业，有些技术已接近或赶上国际标准。
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1.4课题的研究内容
烟雾报警器，主要检测可燃气体和烟雾，再通过单片机控制相应的声光报警。通过数码管显示当前的烟雾值，通过按键设定相应的阀值。
该项目主要是为了完成任务，包括：
⑴硬件部分：包括传感器的选择，显示模块的选择，烟雾信号转换电路的设计，报警驱动电路的设计。
（2）软件部分：包括微处理器控制程序的编制和原理图的绘制。
（3）系统的综合调试与分析：在软硬件完成以后，要对系统进行综合的测试与实验，分析系统的可靠性与实用性，调整系统的不足。
(4) 展示实物图
（5）附上结束语（我的感想）、谢辞和参考文献以及附录.
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第二章烟雾报警器的总体方案设计
本课题主要是实现烟雾报警和火灾发生时的报警及控制，下面分别对系统功能要求、系统技术要求及系统实现方案总体阐述。
根据论文的设计要求： （1)、熟悉Keil编程环境； （2）、熟悉有关探测器的理论知识； （3）、给出设计方案；
2.1系统的功能要求
本系统的研制主要包括以下几项功能：
(1)火情探测功能：为了提高火灾报警的准确性和及时性，火灾报警系统需要使用各种方法进行火灾探测。在实际使用中，根据不同的防火场所，用户可以选用温度探测法、可燃气体检测法及烟雾探测法等合适的火灾探测方法，来有效的探测火灾；
(2)灯光报警功能：当室内烟雾浓度过大、有火情产生、故障等异常情况发生时，报
警器要进行灯光报警。当烟雾超过最大设定值时，可以驱动火灾控制负载工作。
2.2方案设计思想
此次设计是针对于单片机原理及其应用展开的。其中包含了我们大学三年中所学到的相关知识，运用我们所学的电工技术，传感器技术，单片机技术去设计基于单片机的声光报警系统。设计以传感器和单片机作为烟雾报警器设计的核心器件，配合其它器件即可实现声光报警等功能，提醒来访的客人不要抽烟。ST89C51单片机好比一个桥梁，联系着传感器和报警电路设备。当周围的环境达到我们设定的数值时，声光传感器把被测的物理量作为输入参数，转换为电量（电流、电压、电阻等等）输出。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。而我们选择前者，不需要用放大器，选择数值符合A/D转换器的输入等级，这样就可以简化整个系统的设置。
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2.3 系统的组成及方案设计
本设计主要由烟雾探测传感器电路、单片机、灯光报警电路、负载驱动电路、控制程序和编解码程序等组成。
系统的组成结构如下：
晶振电路 复位电路 按键模块 单 片 机 图2.1
数码管显示模块 声光报警提示模块 烟雾模数转换模块
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第三章系统硬件实现
总体电路
图3.1
如图3.1所示，上面的图为proteus所画，实时显示当前的烟雾值，共有3个按键来设置报警值。
3.1 主控电路
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C51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。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，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。另外 STC89X51 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。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。STC89C52主要功能如表1所示，
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其DIP封装如图2所示
表1：STC89C51主要功能 主要功能特性 兼容MCS51指令系统 4K可反复擦写Flash ROM 32个双向I/O口 256x8bit内部RAM 3个16位可编程定时/计数器中断 时钟频率0-24MHz 2个串行中断 可编程UART串行通道 2个外部中断源 共6个中断源 2个读写中断口线 3级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能
STC89C52引脚介绍
① 主电源引脚（2根）
VCC(Pin40)：电源输入，接＋5V电源 GND(Pin20)：接地线 ②外接晶振引脚（2根）
XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端 XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端 ③控制引脚（4根）
RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。 ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号 PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号
EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。
④可编程输入/输出引脚（32根）
STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。
P0口（Pin39～Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7 P1口（Pin1～Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7 P2口（Pin21～Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7 P3口（Pin10～Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7 作频率35Mhz，6T/12T可选。
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U11234567891011121314151617181920P10P11P12P13P14P15P16P17RESETP30/RXDP31/TXDP32/INT0P33/INT1P34/T0P35/T1P36WRP37/RDX2X1GNDSTC89C52VCCP00P01P02P03P04P05P06P07EA/VPALE/PPSENP27P26P25P24P23P22P21P204039383736353433323130292827262524232221 图3.2 STC89C51 DIP封装图
最小系统包括单片机及其所需的必要的电源、时钟、复位等部件，能使单片机始终处于正常的运行状态。电源、时钟等电路是使单片机能运行的必备条件，可以将最小系统作为应用系统的核心部分，通过对其进行存储器扩展、A/D扩展等，使单片机完成较复杂的功能。
STC89C52是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。用STC89C52单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，结构如图2-3所示，由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。
图3.3单片机最小系统原理框图
(1) 时钟电路
STC89C52单片机的时钟信号通常有两种方式产生：一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。内部时钟方式如图2-4所示。在STC89C51单片机内部有一振荡电路，只要在单片机的XTAL1(18)和XTAL2(19)引脚外接石英晶体(简称晶振)，就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。图中电容C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，电容值在5~30pF，典型值为30pF。晶振CYS的振荡频率范围在1.2~12MHz间选择，典型值为12MHz和6MHz。
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时钟电路 STC89C51单片机 I/O复位电路
C21830pFY1C311.0592MHz19 30pF图3.4 STC89C51内部时钟电路
（2） STC89C52中断技术概述
中断技术主要用于实时监测与控制，要求单片机能及时地响应中断请求源提出的服务请求，并作出快速响应、及时处理。这是由片内的中断系统来实现的。当中断请求源发出中断请求时，如果中断请求被允许，单片机暂时中止当前正在执行的主程序，转到中断服务处理程序处理中断服务请求。中断服务处理程序处理完中断服务请求后，再回到原来被中止的程序之处（断点），继续执行被中断的主程序。
图3-5为整个中断响应和处理过程。
图3.5中断响应和处理过程
如果单片机没有中断系统，单片机的大量时间可能会浪费在查询是否有服务请求发生的定时查询操作上。采用中断技术完全消除了单片机在查询方式中的等待现象，大大地提高了单片机的工作效率和实时性。
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3.2 烟雾探测电路的设计
INRA2220RA1220GNDGNDRL1+5123AFAMQ-2ADC08091234567891011121314In3In4In5In6In7STARTEOCD3OECLOCKVccVref+GNDD1ADC1ADC0809In2In1In0ADDAADDBADDCALED7D6D5D4D0Vref-D22827262524232221201918171615BFB654INGNDSTD7D6D5D4D0STEOCD3OECLK+5D1D2GND
图3.6烟雾探测电路
如图3.6所示，在这个电路中，有两个部分，主要是烟雾传感器检测烟雾，将电压信号给ADC0809，模数转换电路将模拟信号转换成数字信号给单片机，单片机再读取相应的数值和处理。
3.2.1 MQ-2介绍
MQ-2型气体传感器用于以氢气为主要成分的城市煤气、天然气、液化石油的测量，而且它抗干扰能力强，水蒸气、烟等干扰气体对它的影响小。
MQ-2型气敏元件具有以下特点：
(1) 采用烧结半导体所形成的敏感烧结体，具有稳定的R (即器件在纯洁空气中的阻抗)阻值，从而保证了长期工作的稳定性。
(2) 单电源供电，其功耗仅0.7W左右。 (3) 对所测试的气体有极高的灵敏度和信噪比。
MQ-2型气敏元件有两种型号。MQ-2A型适用于天然气、城市煤气、石油液化气、丙丁烷及氢气等;MQ-2型适用于烟雾等减光型有害气体。
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器件的灵敏度：S=Ro/Rx为10~30。常见为QM系列的S值仅8左右。Rx为器件在丁烷浓度为0.2%时的阻抗。
电路如右图所示： 器件的主要参数如下: 响应时间：Tr≤10s 恢复时间：Tn≤60s 加热电压：V﹢=5+0.2V 加热功率：:约0.7W 抗干扰能力：丁烷浓度在0.2%时在湿度小于85%RH，在
-10℃~+40℃温度下不会引起误报。 图.1
工作环境：温度-10℃~+50℃ 湿度≤85%RH
下图是元件外形结构图，基座采用耐高温酚醛塑料压制，引脚为镀镍铜丝，上罩采用双层密纹不锈钢网压制，有较高的强度和防爆能力。
图.2MQK-2型元件外形结构图
MQ-2气敏元件的结构和外形如上图所示, 由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感层,测量电极和加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６只针状管脚，其中４个用于信号取出，２个用于提供加热电流。
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上图是MQ-2型元件典型气体浓度测试特性曲线，在丁烷浓度0.6%以下有极高的灵敏度。
上图是MQ-2型元件通电时间特性曲线。可看出，通电后60~90s，元件即进入稳定待测工作状态。
MQ-2的特点和工作参数如下： 特点：
⑴ 广泛的探测范围 ⑵ 高灵敏度／快速响应恢复
⑶ 优异的稳定性／长寿命 ⑷ 简单的驱动电路
3.2.2 ADC0809介绍
ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图所示。下面说明各引脚功能。
IN0～IN7：8路模拟量输入端。 2-1～2-8：8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。
START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。
EOC： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。
OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。
CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。
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Vcc：电源，单一+5V。 GND：地。
首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。
转换数据的传送 A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。
（1）定时传送方式
对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已 经完成了，接着就可进行数据传送。 （2）查询方式
A/D转换芯片有表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。 （3）中断方式
把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。 不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。
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3.3 数码管显示电路设计
+5R14.7kQ1PNPR24.7kQ2PNPR34.7kQ3PNPR44.7kQ4PNP999D01D12D23D34D45D56D67D78VCCabacdfgbeecfdgdpdpDS1REDCAD01D12D23D34D45D56D67D78VCCabacdfgbeecfdgdpdpDS2REDCAD01D12D23D34D45D56D67D78VCCabacdfgbeecfdgdpdpDS3REDCAD01D12D23D34D45D56D67D78VCCabacdfgbeecfdgdpdpDS4REDCA9 图3.7数码管显示电路设计
LED数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。数码管分为动态显示和静态显示驱动两种，静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8=40根I/O端口来驱动，要知道一个STC89C52的I/O端口才32个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划\"a,b,c,d,e,f,g,dp\"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定
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的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。
本设计利用三极管驱动数码管，用4.7k电阻起到限流作用，使得数码管亮度适中。
3.4 声光报警提示电路
3.4.1 灯光提示电路
D2LEDD1LEDRL12.2KRL22.2KGND
图3.8灯光提示电路
LED英文单词的缩写，主要含义：LED = Light Emitting Diode，发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光；它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。据分析，LED的特点非常明显，寿命长、光效高、辐射低与功耗低。作为目前全球最受瞩目的新一代光源，LED因其高亮度、低热量、长寿命、无毒、可回收再利用等优点，被称为是21世纪最有发展前景的绿色照明光源。我国的LED产业起步于20世纪70年代，经过近40年的发展，产品广泛应用于景观照明和普通照明领域，我国已成为世界第一大照明电器生产国和第二大照明电器出口国。近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，LED制造工艺的不断进步和新材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发和应用，各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展，其发光效率提高了近1000倍，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出现，使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。曾经有人指出，高亮度LED将是人类继爱迪生发明白炽灯泡后，最伟大的发明之一。 本设计利用LED指示烟雾报警。
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3.4.2 声音报警电路
VCCP34R41kQ18550蜂鸣器
图3.9声音报警电路
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。 ；蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。1．压电式蜂鸣器 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。
多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.5~15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5~2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。
电磁式蜂鸣器 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。 接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互缠绕
蜂鸣器驱动电路一般都包含以下几个部分：一个三极管、一个蜂鸣器、一个限流电阻。
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蜂鸣器为发声元件，在其两端施加直流电压（有源蜂鸣器）或者方波（无源蜂鸣器）就可以发声，其主要参数是外形尺寸、发声方向、工作电压、工作频率、工作电流、驱动方式（直流/方波）等。这些都可以根据需要来选择。本设计采用有源蜂鸣器。
三极管Q1起开关作用，其基极的低电平使三极管饱和导通，使蜂鸣器发声；而基极高电平则使三极管关闭，蜂鸣器停止发声。
3.5 按键电路
本设计采用按键接低的方式来读取按键，单片机初始时，因为为高电平，当按键按下的时候，会给单片机一个低电平，单片机对信号进行处理
单片机键盘有独立键盘和矩阵式键盘两种：独立键盘每一个I/O 口上只接一个按键，按键的另一端接电源或接地（一般接地），这种接法程序比较简单且系统更加稳定；而矩阵式键盘式接法程序比较复杂，但是占用的I/O少。根据本设计的需要这里选用了独立式键盘接法。
独立式键盘的实现方法是利用单片机I/O口读取口的电平高低来判断是否有键按下。将常开按键的一端接地，另一端接一个I/O 口，程序开始时将此I/O口置于高电平，平时无键按下时I/O口保护高电平。当有键按下时，此I/O 口与地短路迫使I/O 口为低电平。按键释放后，单片机内部的上拉电阻使I/O口仍然保持高电平。我们所要做的就是在程序中查寻此I/O口的电平状态就可以了解我们是否有按键动作了。
在用单片机对键盘处理的时候涉及到了一个重要的过程，那就是键盘的去抖动。这里说的抖动是机械的抖动，是当键盘在未按到按下的临界区产生的电平不稳定正常现象，并不是我们在按键时通过注意可以避免的。这种抖动一般10~200毫秒之间，这种不稳定电平的抖动时间对于人来说太快了，而对于时钟是微秒的单片机而言则是慢长的。硬件去抖动就是用部分电路对抖动部分加之处理，软件去抖动不是去掉抖动，而是避抖动部分的时间，等键盘稳定了再对其处理。所以这里选择了软件去抖动，实现法是先查寻按键当有低电平出现时立即延时10~200毫秒以避开抖动（经典值为20毫秒），延时结束后再读一次I/O 口的值，这一次的值如果为1 表示低电平的时间不到10~200 毫秒，视为干扰信号。当读出的值是0时则表示有按键按下，调用相应的处理程序。硬件电路如图3.10所示：
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k1k2S1SW SPSTS2SW SPSTk3S3SW SPSTGND图3.10 按键电路
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第四章 系统的软件设计
4．1系统程序流程图
开始 初始化 读取AD转换烟雾值 判断当前 烟雾范围 执行相应 的指示控制 N 判断按键 是否按下 Y 设置相应参数 显示设置数值 结束 20
第五章 烟雾报警器的测试结果及结论
5.1 调试
调试过程中首先要检测的就是硬件电路的设计原理是否正确、能否达到预期效果以及实现方法是否简便等等；其次在焊接好难有线电路之后，认真检查电路的焊接情况。这次采用的是分块调试的方法，烟雾探测电路，控制电路以及单片机控制电路进行调试。在对每个模块的进行调试过程中又采用了由局部到整体，由简单到复杂的调试方法，最后再将各个模块总和成一个整体。
在调试过程中遇到的问题有：
(1) 由于在焊电路之前没有认真的查看STC89C51的管脚，使得管脚的顺序全部焊
错了，最后只好重新买器件重焊；
(2) 烟雾值一直显示很高，经过查阅资料和换元件测试发现，烟雾传感器初次使用
得通电几小时以上才可以正常使用，要做老化试验。
(3) 在解码程序的编写过程中，随着理解的深入也作了相应的修改。
5.2 结论
1世纪是全人类进入计算机时代的世纪，而围绕单片机及嵌入式系统形成的电子领域就是这个时代的基础。在人们的生活、生产中，单片机都可以嵌入到任何对象体系中去实现智能控制。在控制系统中，单片机可以将现场采集到的数据信息传送给上位机，实现更高级的监控和数据通信。如今，单片机构成的现代电子系统已深入到各家各户，并且变我们的生活，如家庭中的电视机、洗衣机、微波炉、电话、空调机防盗系统。
在现代社会中由于家庭火灾和有害气体中毒而导致死亡的人越来越多，每年给社会带来了很大的财产损失和社会负担。由于家庭火灾具有突发性，如果发现不及时很容易给家庭造成重大损失。然而文章设计的烟雾报警器可以很好的解决这个问题。文章以单片机为控制主体，烟雾传感器作为烟雾浓度探测器。由于报警器具有很高的灵敏度，即使在很低的浓度下也可以进行探测，而且还具有实时性，可以在最快的时间内对火灾发
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生前的物理和化学现象进行探测并发出报警，以提醒用户和其他人，因此它可以很好地减少家庭发生火灾的频率，是提供安全的生活所必备的仪器，具有十分广阔的市场
但是，由于本人在各方面的知识不够全面，再加上时间紧迫以及实验条件的限制，该报警器还有较多需要提高的地方。比如：添加感应温度的传感器，通过多方面判断火灾
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作品总结
这次课程设计的课题是烟雾报警器。虽然上了单片机课，但是我们对报警器了解还是挺模糊的。这次课程设计让我们对报警器的应用有了更进一步的理解，陡然间发觉单片机与我们的生活是密切相关的。我通过基于典型单片机AT89C51的设计和应用，对于单片机工作原理，功能有了宏观的了解，并对单片机程序的应用有了新的、进一步的认识。
在本次设计的过程中，我发现很多的问题，给我的感觉就是下手很难，很不顺手，看似很简单的电路，要动手把它给设计出来，是很难的一件事，主要原因是我们没有经常动手设计过电路。另外单片机系统的知识似懂非懂，而且很多知识当时弄明白了，现在要用的时候又不记得，造成我用了大量的时间去查阅各种资料和程序命令，因此整个过程时间安排不合理。由于设计的计划没有安排好，设计的时间极为仓促，尤其是在硬件调试的过程中出现了很大的问题。另外资料的查找也是一大难题，这就要求我们在以后的学习中，应该注意到这一点，更重要的是我们要学会把从书本中学到的知识和实际的电路联系起来，这不论是对我们以后的就业还是学习，都会起到很大的促进和帮助。
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参考文献
1:郭天祥，《新概念51-单片机C语言教程》，电子工业出版社，2009 2：于枫，李继强《微型计算机51-原理及应用技术》
3：张毅刚，彭喜元，姜守达，乔立言.《新编MCS-51单片机应用设计》 哈尔滨工业大学出版社，2008
4：马忠梅.《单片机的C语言应用设计》 北京航空航天大学出版社 2008 5：王静霞.《单片机应用技术》，电子工业出版社， 2009. 6:： 张道德.《单片机接口技术》，中国水利水电出版社 2007 7：石生.《电路基本分析》，高等教育出版社2008
8：谭浩强.《C语言程序设计》（第2版），清华大学出版社. 9：胡宴如，耿苏燕.《模拟电子技术》高等教育出版社 2000
10：谭永红，雷跃，莫振栋《电子线路实验进阶教程》北京航空航天大学出版 2008
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第 I 条 附录一 系统电路图
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附录二 Proteus仿真图
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附录三实物图
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附录四 实物仿真图
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附录五 系统程序
//程序头函数
#include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char #define Data_ADC0809 P1 //管脚声明 sbit Feng = P3^0; //ADC0809 sbit ST=P3^3; sbit EOC=P3^4; sbit OE=P3^2; //按键 sbit Key1=P3^5; sbit Key2=P3^6; sbit Key3=P3^7; //显示数组 0-9+F uchar Data_[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x71,0x3f}; sbit Wei1 = P2^7; sbit Wei2 = P2^6; sbit Wei3 = P2^5; sbit Wei4 = P2^4; //函数声明 extern uchar ADC0809(); void Display(uchar X,uchar Data); void delay(uint t); //酒精含量变量 uchar temp=0; //蜂鸣器变量 uchar FF=10; //显示模式 uchar Mode=0; uchar p; void main() { while(1) { //正常模式 29 if(Mode==0) { //读取AD值 temp=ADC0809(); for(p=0;p<30;p++) Display(0,temp); //判断是否报警 if(temp>FF) { Feng=0; } else { Feng=1; } } //调整模式 else { Display(1,FF); } //功能键 if(Key3==0) { Feng=0; delay(100); while(Key3==0) { if(Mode==0) Display(0,temp); else Display(1,FF); } if(Mode==0) Mode=1; else Mode=0; Feng=1; } //增加 if(Key2==0&&Mode==1) { Feng=0; delay(100); while(Key2==0) 30 { Display(1,FF); } FF++; if(FF==251) FF=250; Feng=1; } //减少 if(Key1==0&&Mode==1) { Feng=0; delay(100); while(Key1==0) { Display(1,FF); } FF--; if(FF==0xff) FF=0; Feng=1; } } } //ADC0809读取信息 uchar ADC0809() { uchar temp_=0x00; //初始化高阻太 OE=0; //转化初始化 ST=0; //开始转换 ST=1; ST=0; //外部中断等待AD转换结束 while(EOC==0) //读取转换的AD值 OE=1; temp_=Data_ADC0809; OE=0; return temp_; } //延时 void delay(uint t) 31 { uint i,j; for(i=0;i //显示 X表示状态 Data表示数据 void Display(uchar X,uchar Data) { Wei1=1; Wei2=1; Wei3=1; Wei4=1; P0=0xff; //正常模式 if(X==0) { P0=~Data_[11]; } //非正常 else { P0=~Data_[10]; } Wei1=0; Wei2=1; Wei3=1; Wei4=1; delay(10); Wei1=1; Wei2=1; Wei3=1; Wei4=1; P0=~Data_[Data/100]; Wei1=1; Wei2=0; Wei3=1; Wei4=1; delay(10); Wei1=1; Wei2=1; Wei3=1; Wei4=1; 32 P0=~Data_[Data/10%10]; Wei1=1; Wei2=1; Wei3=0; Wei4=1; delay(10); Wei1=1; Wei2=1; Wei3=1; Wei4=1; P0=~Data_[Data%10]; Wei1=1; Wei2=1; Wei3=1; Wei4=0; delay(10); Wei1=1; Wei2=1; Wei3=1; Wei4=1; } 33 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容