大学本科毕业设计毕业论文精选100基于单片机的火灾报警系统研究

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1、咔嚓大学本科生毕业设计基于单片机的火灾报警系统研究The Research for Fire Alarm System Based on the MCU学生姓名所在专业所在班级申请学位指导教师副指导教师辩论时间目 录摘 要IVABSTRACTV1.1研究的目的和意义11.2 火灾报警系统的国内外现状11.3 设计任务与要求2第2章 芯片的选择和论证32.1 单片机芯片的选择32.2温度传感器的选择32.3烟雾传感器的选择32.4显示模块的选择42.5 AD模数转换的选择42.6时钟芯片的选择42.7 电路设计最终方案决定4第3章 系统的硬件设计与实现53.1 系统框图介绍53.1.1 系统的总

2、体框图53.1.2模块说明53.2总体功能描述5第4章 本研究中的主要模块74.1 主控模块AT89C51模块74.1.1 AT89C5174.1.2 单片机最小系统94.2 温度控制系统104.2.1 概述104.2.2 DS18B20的工作原理114.2.3 温度传感器接口电路124.3MQ-2烟雾检测模块134.3.1 概述134.3.2 烟雾检测报警器的主要技术指标134.3.3 MQ-2烟雾传感器模块电路图144.4液晶显示电路144.4.1 主要引脚144.4.2 控制指令154.4.3 1602的内部显示地址164.4.5 液晶显示电路图164.5 ADC转换模块164.5.1

3、概述164.5.2 极限参数174.5.3 内部结构和外部引脚174.5.4 工作时序与使用说明194.6时钟电路模块194.7声光报警电路214.8按键接口电路214.9 USB接口电路22第五章 软件设计235.1 系统的软件流程图235.2 DS1302时钟程序流程图235.3 LCD显示程序流程图245.4 温度程序流程图255.5仿真图265.5.1仿真总原理图26第六章 系统测试及结果显示286.1 测试原理286.2 测试方法286.2.1 Protues仿真设计过程286.3 测试结果30结 论31致 谢32参考文献33附 录34附 录1 系统电路图34附 录2 PCB图35附

4、 录3 硬件实物图36附 录4 元件实物清单37附 录5 局部程序代码38摘 要随着人们防火意识的增强，火灾探测报警技术越来越受到人们的重视。生活中的温度检测、有害气体检测、火灾报警在家居生活中显得尤为重要，涉及到人们的生活舒适度和生命财产平安。因此，研制一种简单、价格低廉的火灾报警器是非常重要的。本设计以单片机AT89C51作为火灾报警器的主控芯片，由温度传感器DS18B20测量当前室内的温度，通过LCD液晶显示屏显示，当温度超出设定报警阀值时给出声光报警。烟雾浓度的显示主要是由一个MQ-2传感器采集气体浓度信号，系统建立浓度与电压关系，进行浓度电压转换，电压浓度转换，浓度显示，声光报警构成

5、的报警装置。电子万年历采用DS1302作为时钟芯片，实现了年、月、日、时、分的显示。本设计采用Protues7设计并仿真了火灾报警系统，火灾警报器由六个局部组成：传感器电路、LCD显示器、声光报警器、控制电路、A/D转换、按键模块和电源模块。当温度到达90或烟雾浓度值到达895PPM时，给出声光报警，仿真结果良好。关键词：单片机；火灾报警；传感器；电子万年历ABSTRACTAs peoples awareness of fire prevention, more and more people pay attention to the fire detection and alarm tech

6、nology. Temperature detection, harmful gas detection, fire alarm are the most important thing in peoples household life, especially when it involves peoples life comfort and safety of lives and property. Therefore, it is very important to develop a simple, inexpensive fire alarm.This design introduc

7、es a kind of fire alarm with MCU AT89C51,the temperature sensor of DS18B20 measures the indoor temperature and uses the LCD screen to realize the display of the temperature. When testing the temperature beyond set alarm valve are sound and light alarm values. The display of gas concentration is main

8、ly composed of a MQ-2 sensor to collect gas concentration，system established the concentration and signal voltage relations, concentration, voltage concentration conversion voltage conversion, concentration, sound and light alarm that constitute the alarm device. The electronic calendar uses DS1302

9、for target Clock Generator, and realizes the display of year, month, day and time.The design uses Protues7 design and simulation of a fire alarm system, and the fire alarm consists of six parts: sensor circuit, LCD display, sound and light alarm, control circuit, A/D conversion, the key module and p

10、ower module. When the temperature reaches 90 or smoke density value reaches 895PPM, it will start sound and light alarm .The simulation results is good.KEYWORDS: MCU；fire alarm；sensor; electronic calendar基于单片机的火灾报警系统研究第1章 绪论1.1研究的目的和意义随着科技的开展，越来越多的家电设备进入人们的生活，同时也有不少的隐患由于人们的日常生活而产生。为了保护人身和财产平安，防止诸如火灾

11、、一氧化碳泄漏等隐患的发生，一系列的以传感器技术为根底的各类传感器装置陆续地走进人们的生活，保障了人们的生活平安。世界各国都致力于各种火灾探测方法的研究和实验，对火灾的及时发现与报警，成为人们普遍关心的问题。火灾自动报警系统简称报警系统是由火灾探测装置、火灾报警装置、火灾警报装置等组成的设置在建筑中或其他重要场所的一种自动消防设施，它具有早期发现和通报火灾的功能，为人们及时采取有效措施，控制和扑灭火灾，保护人民生命和国家、人民财产的平安起到了重要的作用，是人们同火灾作斗争的有力工具1。在现代智能建筑中，火灾报警系统属于智能建筑系统的一个子系统。火灾自动报警系统起着极其重要的平安保障作用，在完全

12、脱离其他系统或网络的情况下能独立正常运行和操作，完成自身所具有的防灾功能。目前国内厂家多偏重用于大型仓库、商场、高级写字楼、宾馆等场所大型火灾报警系统的研发，他们采用集中区域报警控制方式，其系统复杂、本钱较高。而居民住宅区、机房、办公室等小型防火单位，需要设置一种单一、廉价实用的火灾自动探测报警装置，因此，研制一种简单、价格低廉的火灾报警器是非常重要的。1.2 火灾报警系统的国内外现状火灾报警控制系统的研究在国外起步较早，我国是在20世纪八十年代中期才有个别企业开始这方面的研究开发。随着越来越多的产品进入市场，国家也制定了相应的校验标准。这类产品国外主要企业有日本的日探、报知机、和能美等，法国

13、的FARE，瑞士西门子楼宇自控公司，美国的Honeywell、Simplex，西门子西伯乐斯的消防系统等。火灾自动报警系统从开展过程来看，在国外大体可分为3个阶段。第一阶段是用一些简单的分立元件构成的火灾自动报警系统，从19世纪四十年代一直延续到20世纪四十年代。这期间温感探测器占主导地位。第二阶段从20世纪五十年代至七十年代，这期间，感烟探测器得到大力开展，温感火灾探测器处于次要地位。报警装置为开关量多线型报警系统。此类系统的功能一般以报警为主，辅以一些简单的联动动能也为多线型，如驱动警铃等。第三阶段为总线型火灾自动报警系统。从八十年代至今，总线型火灾自动报警系统蓬勃兴起，它同以前的产品相比

14、有了很大的飞跃。布线工作显著减少，安装调试变的容易，降低了安装和维修费用，其最大优点是施工简单并能精确确定报警部位，因而得到了比拟普遍的应用2。中国的建设正在飞速开展，先是一批国家的科研院所，后是一批国营企业、民营企业，业内也吸引和凝聚一大批国内的技术和管理精英，花了十多年时间，通过几次产品更新换代，就使自己的产品紧紧跟上了国际水平，并且夺回了大局部国内市场，使得现在大多国外产品只有招架之功，这是典型的自力更生，走自己的路。当然目前而言，我们根本占据的是国内市场，对外还刚启动。中国企业正虎视眈眈，准备进军海外市场3。我国火灾自动报警设备市场是国产、合资生产与进口产品“三足鼎立分天下。境内生产产

15、品市场占有率与往年相比有所提高，而境外生产产品市场占有率相应降低。在市场机制下，有实力的企业都可以进入火灾报警控制系统的生产行列，在满足标准规定的功能、性能的根底上，布线方式、信号传输方式、信号处理方式各不相同，产品之间互不兼容。1.3 设计任务与要求本文主要以单片机AT89C51作为主控芯片的火灾报警器，由温度传感器DS18B20测量当前室内的温度，通过LCD液晶显示屏显示，当温度超出设定报警阀值90时给出声光报警。烟雾浓度的显示主要是由一个MQ-2传感器采集气体浓度信号，系统建立浓度与电压关系，进行浓度电压转换，电压浓度转换，浓度显示，声光报警构成的报警装置，当烟雾浓度超过895PPM时给

16、出声光报警。电子万年历那么采用DS1302作为时钟芯片，结合LCD1602液晶显示屏，实现年、月、日、时、分的显示。要求采用单片机作为主控制器，采集温度和烟雾浓度值并实时显示，电子万年历实现年、月、日、时、分的显示。按键可以调节时钟，采集值超出设定报警值时实现声光报警。第2章 芯片的选择和论证2.1 单片机芯片的选择 本设计中采用芯片AT89C51。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory的低电压，高性能CMOS8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术

17、制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。2.2 温度传感器的选择 温度检测主要是为了检测室内生活环境，设置警报温度，假设到达了预设的警报临界值便马上启动报警电路。温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、开展最快的传感器之一。方案一：AD590需要和高精度ADC配合使用才能得到数据，需要校准，电路复杂，本钱高。方案二：数字式温度传感器DS18B20是单总线器件，此传感器是仅需要一条数据线进行数据传输的数字式传感器，与单片机连接简单，不需要

18、再添加A/D模块，简化硬件电路同时降低本钱。另外，数字式温度传感器测量精度高、测量范围广。 本设计中温度传感器选择单线数字器件DS18B20。2.3 烟雾传感器的选择 气体检测报警装置是能够检测室内环境中的烟雾及一氧化碳浓度并具有警报功能的仪器。该检测装置是家庭防火防爆、预防一氧化碳泄漏的必备仪器。随着人们生活水平的提高，此类传感器的存在显得尤为重要。方案一：光电式烟雾传感器内有一个光学迷宫，安装有红外对管，无烟时红外接收管收不到红外发射管发出的红外光，当烟尘进入光学迷宫时，通过折射、反射，接收管接收到红外光，智能报警电路判断是否超过阈值4。方案二：由于所处的环境会影响烟雾传感器的测量精度等，

19、我们采用利用物理-化学性质的半导体烟雾传感器，其优点有灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格廉价且发生探头阻缓及中毒现象的情况少等。而在众多半导体气体传感器中，本设计选用MQ-2比拟适合。气敏传感器不仅可以检测空气中的烟雾浓度而且可以探测空气中某些可燃气体的成分，而光电式传感器只能用于烟雾的检测，所以选用气敏传感器中的MQ-2烟雾传感器。2.4 显示模块的选择 方案一：LCD12864是一种带中文字库的一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其内置8192个1616点汉字，和128个168点ASCII字符集，可以显示8

20、4行1616点阵的汉字， 也可完成图形显示。方案二：LCD1602液晶显示一种用57点阵图来显示字符的字符型液晶显示器，能够同时显示32个字符16列2行，能显示英文字母的大小写、阿拉伯数字、常用的符号和日文假名等。具有质量高、数字式接口、体积小、重量轻、功耗低、低本钱、显示内容丰富等优点。根据本设计的要求，本设计选用LCD1602，LCD1602应用广泛，操作方便，易于编程，性价比高，体积小巧便于实物制作。2.5 AD模数转换的选择ADC0808和ADC 0809除精度略有差异外(前者精度为8位、后者精度为7位)，其余各方面完全相同。它们都是CMOS器件，不仅包括一个8位的逐次逼近型的ADC局

21、部，而且还提供一个8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑，因而有理由把它作为简单的“数据采集系统。利用它可直接输入8个单端的模拟信号分时进行A/D转换，在多点巡回检测和过程控制、运动控制中应用十分广泛。根据本设计的要求，选择ADC0808作为模数转换。2.6 时钟芯片的选择 现在流行的串行时钟电路很多，如DS1302、 DS1307、PCF8485等。这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用。方案一：直接采用单片机定时计数器提供秒信号，使用程序实现年、月、日、星期、时、分、秒计数。采用此种方案虽然减少芯片的使用，节约本钱，但是，实现的时间误差较大。方案二：采用DS1302时钟芯片实现时

22、钟，DS1302芯片是一种高性能的时钟芯片，可自动对秒、分、时、日、周、月、年以及闰年补偿的年进行计数，而且精度高，位的RAM做为数据暂存区，工作电压2.5V5.5V范围内，2.5V时耗电小于300nA。本设计所选的实时时钟电路DS1302采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通32.768kHz晶振。2.7 电路设计最终方案决定综上各方案所述，对此次设计的方案选定：采用AT89C51作为主控制系统；数字式温度传感器DS18B20；可燃气体、烟雾传感器MQ-2； LCD1602液晶显示屏作为显示； 采用DS1302提供时钟。第3章 系统的硬件设计与

23、实现3.1 系统框图介绍3.1.1 系统的总体框图系统总体框图如图3-1所示主控芯片AT89C51温度传感器电源声光报警电路按键模块LCD显示模块MQ-2烟雾传感器时钟模块图3-1 总体结构图3.1.2 模块说明DS18B20温度模块可以测量当前室内的温度；MQ-2烟雾传感器可以测量当前室内的烟雾浓度；LCD显示电路模块那么显示当前的系统运行情况；时钟模块给主控单片机提供时间信息，以实现年、月、日、时、分的显示；声光报警电路按照预先设定的警情处理模式，开启相应的报警方式；按键模块那么是可以合理地调整时钟。控制模块由单片机芯片、LCD显示、电源电路组成。控制模块主要控制协调系统的正常工作，单片机

24、芯片将传感器送来信息进行处理、识别，并将关键信息在LCD显示屏上显示出来。信息采集模块由各类传感器及信号处理电路组成，主要功能是采集家居的环境信息和平安信息。传感信号经信号处理电路处理后送主控模块进行处理。报警模块由声光报警电路组成，在接收到危害家里的信息时，按照预先设定的警情处理模式，开启相应的报警方式。3.2 总体功能描述本设计主要分成三大模块：第一，基于单片机AT89C51，通过DS18B20温度传感器及LCD1602将数据显示，并预设警报温度，超过预警值那么通过蜂鸣器报警并伴随着红灯的闪烁。第二，通过烟雾传感器MQ-2检测空气中烟雾浓度，由LCD1602将数据显示，检测烟雾浓度是否超出

25、预警，并通过蜂鸣器报警和闪烁红灯。第三，DS1302时钟模块给整个系统提供了系统时间，通过LCD1602将数据显示进行实时时间的显示。该方案主要是通过一个单片机作为控制中心，在正常情况下一直处于检测状态，检测是否有异常情况发生，一旦有意外情况发生，马上通过单片机的上下电平变化，将等待状态变成报警。温度传感器DS18B20一直处于数据接收状态，不断地将收集的温度数据发送到单片机上，单片机通过数据的处理并将温度显示在液晶显示屏上面。烟雾传感器MQ系列属于气敏电阻，其阻值受室内气体的影响比拟大，将变化的电阻转化成电压，然后传感器电路的输出将直接与单片机ADC输入端相连，再由单片机完成数据处理、浓度处

26、理及报警控制等工作。第4章 本研究中的主要模块4.1 主控模块AT89C51模块单片机控制模块的作用是为控制各单元电路的运行并完成数据的换算和处理，主要由单片机、晶振电路、复位电路和LCD显示电路组成。4.1.1 AT89C51AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造

27、技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案5。图4-1 AT89C51引脚图1AT89C51主要特性如下：1与MCS-51 兼容。 24K字节可编程闪烁存储器；寿命：1000写/擦循环；数据保存时间：10年。3全静态工作：0Hz-24Hz。4三级程序存储器锁定。5128*8位内部RAM。632可编程I/O线。7两个16位定时器/计数器。85个中断源。 9可编程串行通道。10低功耗的闲置和掉电模式。11片内振荡器和时钟

28、电路。2AT89C51的管脚说明如下： 1VCC： 供电电压。 2GND： 接地。 3P0口 ：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。 4P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。5P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1时，其

29、管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能存放器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。6P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流ILL这是由于上拉的缘故。P3口也可作为

30、AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3口管脚 备选功能；P3.0 RXD串行输入口；P3.1 TXD串行输出口；P3.2 /INT0外部中断0；P3.3 /INT1外部中断1；P3.4 T0记时器0外部输入；P3.5 T1记时器1外部输入；P3.6 /WR外部数据存储器写选通；P3.7 /RD外部数据存储器读选通；P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。7RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。8ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端

31、以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置06。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 9/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 10/EA/VPP：当/EA保持低电平时，那么在此期间外部程序存储器0000H-

32、FFFFH，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源VPP。 11XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 12XTAL2：来自反向振荡器的输出。4.1.2 单片机最小系统图4-2 单片机最小系统1. 复位电路复位是使CPU和系统中其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。8051单片机在RST输入端9脚出现高电平时实现系统的复位和初始化。在振荡器运行的情况下，要实现复位操作，必须使RST端的高电平至少保持两个机器周期24个振荡周

33、期。CPU在第二个机器周期内执行复位操作，以后每一个机器周期重复一次，直到RST降为低电平。复位期间不产生ALE及/PSEN信号。复位的内部操作使SP为07H，各端口P0P3都为0FFH，特殊功能存放器都为0，但不影响RAM的状态。单片机的复位电路分为上电复位和按钮手动复位两种。本设计中采用按键复位的方式，如图4-3所示。当系统上电时，单片机的RST端得到两个以上机器周期的高电平，随后电容C经电阻R充电，变为低电平，完成单片机的复位。在单片机的运行过程中，如果由于外界干扰等因素的影响，使单片机的程序出现异常，那么可以通过按下按键S2，使单片机完成复位操作。当按下按键时，电容两端短路，RST接到

34、电源VCC变为高电平，同时电容迅速放电，使电容的两个极板电位一致。释放按键后，电容C通过电阻R充电，经过两个以上机器周期的时间后，RST端变为低电平，完成单片机的复位。图4-3 复位电路2. 晶振电路8051单片机的时钟信号既可由内部振荡器产生，也可由外部电路直接提供。内部振荡器的输入和输出脚分别为XTAL1和XATL2，由XTAL2给单片机内部电路提供时钟信号。当时钟信号由外部电路提供时，外部时钟信号接至XTAL2，而内部反相放大器输入端XTAL1应接地。外接12MHZ的晶振和两个30pf的电容，如图4-4所示。图4-4 晶振电路4.2 温度控制系统硬件电路主要包括AT89C51单片机最小系

35、统，测温电路、实时时钟电路、LCD液晶显示电路等。本课题采用一线制数字温度传感器DS18B20来作为温度传感器。传感器输出信号进4.7K的上拉电阻直接接到单片机的P3.7引脚上。4.2.1 概述DS18B20温度传感器是美国达拉斯(DALLAS)半导体公司推出的应用单总线技术的数字温度传感器。该器件将半导体温敏器件、A/D转换器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。由于每片DS18B20含有唯一的硅串行数，所以在一条总线上可挂接任意多个DS18B20芯片。从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息，仅需要一根口线单线接口。读写及温度变换

36、功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。DS18B20可提供912位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件7。4.2.2 DS18B20的工作原理1. DS18B20的性能1单线接口：仅需一根口线与MCU连接进行通信。2多个DS18B20可以并联在惟一的3线上，实现多点组网功能。3无需外围元件。4可通过数据线供电，电压范围为3.05.5V。5零待机功耗。6测温范围：-55 +125 。固有测温分辨率为0.5 。7通过编程可实现912位的数字读数方式，能够直接将温度转换值以16位二进制数码的方式串行输出。8用户可自设定非易失性的报警上下限值。9支

37、持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。10报警搜索命令可识别哪片DS1820超温度限。11负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。2. DS18B20的测温原理DS18B20的测温原理如图4-5所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门翻开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前

38、，先将-55所对应的基数分别置入减法计数器1和温度存放器中，减法计数器1和温度存放器被预置在-55所对应的一个基数值8。斜率累加器预置计数比拟器低温系数振荡器减法计数器1预置温度存放器减到0 停止减法计数器2高温度系数振荡器减到0图4-5 DS18B20测温原理图减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度存放器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度存放器值的累加，此时温度存放器中的数值即为所测温度。图4-5中的斜率累加器用于补偿和修正测温

39、过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度存放器值到达被测温度值。 另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20发复位脉冲发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。4.2.3 温度传感器接口电路DS18B20温度传感器只有三根外引线：单线数据传输总线端口DQ，外供电源线VDD，共用地线GND。DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源；另一种是寄生电

40、源供电方式。在本设计中采用外部供电方式实现DS18B20传感器与单片机的连接，其接口电路如图4-6所示。图4-6 温度传感器接口4.3 MQ-2烟雾检测模块4.3.1 概述烟雾传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃气体在空气中的含量即浓度转化成电压或电流信号，通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后传给单片机，再由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。烟雾检测报警器是能够检测环境中的烟雾浓度，并具有报警功能的仪器，仪器的最根本组成局部包括：烟雾信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。半导体可燃气体传感器MQ-2所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。

41、当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。当烟雾颗粒进入传感器时改变了传感器的电阻值，从而改变电压信号，然后采用ADC0808转换芯片将电压信号转换为数字信号输入单片机，单片机对数字信号进行滤波处理，将电压值转换成对应的浓度，通过LCD显示当前浓度。并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值也就是报警限，如果大于那么启动报警电路发出报警声音，反之那么为正常状态。4.3.2 烟雾检测报警器的主要技术指标 (1)传感器类型：半导体电阻式。 (2)检测范围：0100%LEL 。 (3)报警准确度：5%LEL。 (4)报警点设置：到达20%LEL开始报警

42、。(5)报警器工作方式：现场固定安装，自然扩散进行采样，常年连续运行。 (6)工作环境温度：检测器 -50C50C；报警器0C500C 。 (7)工作环境湿度：85%RH 。(8)报警方式：烟雾泄漏声光报警。 (9)指示方式：数字显示，可显示被测烟雾LEL%及设定报警限值。 (10)响应时间：30s。 (11) 输出信号：可输出与烟雾浓度对应的05V DC标准信号。 (12)工作电压：AC220V15%,50lHz 。 (13)具备快速重复检测和延时报警功能，可区别烟雾的泄漏和短时间的微量散失，防止误报。4.3.3 MQ-2烟雾传感器模块电路图图4-7 MQ-2烟雾传感器模块电路图MQ-2传感

43、器模块电路如图4-7所示。传感器器模块电路是为了将浓度信息转换成易测量的电压信号，电路中RV1为10K欧姆的可调负载，1、2、3脚都接5.0V电源，其中1、3、脚A上的电压为测试电压，用于测量与传感器串联的负载电阻RV1上的电压Vout；2脚H上的电压为加热电压，用于加热传感器，提供特点的工作温度。MQ-2传感器的加热电压可以交流电源，而测试电压需采用直流电源。在满足传感器电性要求的前提下，测试电压和加热电压可以共用一个电源电路。MQ-2传感器对不同种类、不同浓度的气体有不同的阻值。因此在使用时，灵敏度的调节非常重要，为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的RL值。另外，当精确测量时，报警点的设

44、置还应该考虑温度的变化影响。Vout为05V，浓度与电压的关系函数：浓度=0.7-10-10*Vout/1.4*14.43*Vout104。在该设计中将MQ-2的加热电压和工作电压同时取为5V，由于传感器的输出电压为05V，所以不用经过运算放大器放大，且使用电压跟随电路还会引进干扰，因此传感器电路的输出将直接与单片机ADC输入端相连。4.4 液晶显示电路LCD1602液晶模块显示实时时间、温度、烟雾浓度。信息均以英文字母和数字呈现出来。4.4.1 主要引脚 RS为存放器选择，高电平时选择数据存放器、低电平时选择指令存放器。RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。E端为使能端，

45、当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。1602采用标准的16脚接口，其中：1第1脚：VSS为地电源。2第2脚：VDD接5V正电源。3第3脚：V0为液晶显示器比照度调整端，接正电源时比照度最弱，接地电源时比照度最高，比照度过高时会产生“鬼影，使用时可以通过一个10K的电位器调整比照度。4第4脚：RS为存放器选择，高电平时选择数据存放器、低电平时选择指令存放器。5第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。6第6脚：E端为使能端，当

46、E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。7第714脚：D0D7为8位双向数据线。8第1516脚：空脚。4.4.2 控制指令1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如下表4-11所示。表4-11 1602液晶模块内部的控制器中的指令表指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址(AGG)8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志

47、或地址01BF计数器地址10写数到CGROM或DDRAM10要写的数11CGROM或DDRAM读数11读出的数据它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的说明：1为高电平、0为低电平。指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。 指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平那么无效。 指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪

48、烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。 指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。 指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F： 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符 有些模块是 DL：高电平时为8位总线，低电平时为4位总线。指令7：字符发生器RAM地址设置。指令8：DDRAM地址设置。 指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。 指令10：写数据。 指令11：读数据。 4.4.3 1602的内部显示地址液晶

49、显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否那么此指令失效9。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，表4-12是1602的内部显示地址。表4-12 1602的内部显示地址表12345678910111213141516000102030405060708090A0B0C0D0E0F第一行404142434445464748494A4B4C4D4E4F第二行写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平1，实际写入的数据是01000000B40H)+10000000B(80H)=11000000B(C0H)4.4.5 液晶显示电

50、路图温度控制系统是采用液晶屏1602作为显示模块，其接口原理图如图4-8所示：图4-8 液晶显示电路4.5 ADC转换模块4.5.1 概述ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。ADC0808是ADC0809的简化版本，功能根本相同。一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换，实际使用时采用ADC0809进行A/D转换10。ADC0808如图4-9所示。图4-9 ADC08084.5.2 极限参数1电源电压Vcc：6.5V。 2控制端输入电压：-0.

51、3V15V。 3其它输入和输出端电压：-0.3VVcc+0.3V。 4贮存温度：-65+150。 5功耗T=+25：875mW。 6引线焊接温度：气相焊接60s：215；红外焊接(15s)：220。 7抗静电强度：400V。4.5.3 内部结构和外部引脚内部结构：ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，它有8路模拟开关、地址锁存与译码器、比拟器、8位开关树型A/D转换器。 引脚功能外部特性：ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图4-10所示。各引脚功能如下：1IN0IN78路模拟输入，通过3根地址译码线ADDA、ADDB、ADDC来选通一路。2D7D0A/D转换后

52、的数据输出端，为三态可控输出，故可直接和微处理器数据线连接。8位排列顺序是D7为最高位，D0为最低位。3ADDA、ADDB、ADDC模拟通道选择地址信号，ADDA为低位，ADDC为高位。地址信号与选中通道对应关系如表4-13所示。4VR(+)、VR(-)正、负参考电压输入端，用于提供片内DAC电阻网络的基准电压。在单极性输入时，VR(+)=5V，VR(-)=0V；双极性输入时，VR(+)、VR(-)分别接正、负极性的参考电压。图4-10 ADC0808/0809外部引脚图表4-13 地址信号与选中通道的关系地 址ADDC ADDB ADDA选中通道00001111001100110101010

53、1IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN75ALE地址锁存允许信号，高电平有效。当此信号有效时，A、B、C三位地址信号被锁存，译码选通对应模拟通道。在使用时，该信号常和START信号连在一起，以便同时锁存通道地址和启动A/D转换。6STARTA/D转换启动信号，正脉冲有效。加于该端的脉冲的上升沿使逐次逼近存放器清零，下降沿开始A/D转换即脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换。如正在进行转换时又接到新的启动脉冲，那么原来的转换进程被中止，重新从头开始转换。7EOCAD转换结束信号，输出，高电平有效。该信号在A/D转换过程中为低电平，其余时间为高电平。该信号可作为被CPU查询的状

54、态信号，也可作为对CPU的中断请求信号。在需要对某个模拟量不断采样、转换的情况下，EOC也可作为启动信号反应接到START端，但在刚加电时需由外电路第一次启动。8OE数据输出允许信号，输入，高电平有效。当AD转换结束时，此端输入一个高电平，ADC0808/0809的输出三态门被翻开，使转换结果通过数据总线被读走。在中断工作方式下，该信号往往是CPU发出的中断请求响应信号。9Vcc：主电源输入端。10GND：地。4.5.4 工作时序与使用说明ADC 0808/0809的工作时序如图4-11所示。当通道选择地址有效时，ALE信号一出现，地址便马上被锁存，这时转换启动信号紧随ALE之后(或与ALE同

55、时)出现。START的上升沿将逐次逼近存放器SAR复位，在该上升沿之后的2s加8个时钟周期内(不定)，EOC信号将变低电平，以指示转换操作正在进行中，直到转换完成后EOC再变高电平。微处理器收到变为高电平的EOC信号后，便立即送出OE信号，翻开三态门，读取转换结果。图4-11 ADC 0808/0809工作时序模拟输入通道的选择可以相对于转换开始操作独立地进行(当然，不能在转换过程中进行)，然而通常是把通道选择和启动转换结合起来完成(因为ADC0808/0809的时间特性允许这样做)。这样可以用一条写指令既选择模拟通道又启动转换。在与微机接口时，输入通道的选择可有两种方法，一种是通过地址总线选

56、择，一种是通过数据总线选择。如用EOC信号去产生中断请求，要特别注意EOC的变低相对于启动信号有2s+8个时钟周期的延迟，要设法使它不致产生虚假的中断请求。为此，最好利用EOC上升沿产生中断请求，而不是靠高电平产生中断请求。4.6 时钟电路模块 DS1302时钟模块给整个系统提供了系统时间，通过LCD1602液晶显示器进行实时时间的显示。DS1302是一种高性能、低功能、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一

57、个318的用于临时性存放数据的RAM存放器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。DS1302时钟芯片采用SPI三线接口与单片机进行同步通信。引脚说明：RES：复位/片选端 ，在读写数据期间， 必须为高电平。I/O：串行据输入/输出端双向 ，SCLK：串行时钟输入端 。上升沿数据写入有效，下降沿读出有效。主要性能特点如下：1时钟具有能计算2100年之前的秒，分，时，日，星期，月，年的能力，还有闰年调整的能力。(2)318位暂存数据存储RAM。(3)串行I/O口方式使得管脚数量最少。(4)宽范围工

58、作电压：2.0V5.5V。(5)工作电流：2.0V时，小于300nA。(6)读/写时钟或RAM时，有两种传送方式：单字节传送和多字节传送字符组方式。(7)8脚DIP封装或可选的8脚SOIC封装。(8)简单的3线串行I/O接口。(9)与TTL/COMS兼容VCC=5V时。(10)可选工业级温度范围：-40oC+85oC。时钟电路采用的时钟芯片为DS1302，其接口原理图如下列图4-12所示：图4-12 时钟电路图图4-12 所示DS1302 的引脚排列，其中Vcc1 为后备电源，Vcc2 为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302 由Vcc1 或Vcc2 两者中的较大者

59、供电。当Vcc2大于Vcc1+0.2V 时，Vcc2 给DS1302 供电。当Vcc2 小于Vcc1 时，DS1302 由Vcc1 供电。X1和X2 是振荡源，外接32.768KHz 晶振。RST 是复位/片选线，通过把RST 输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST 输入有两种功能：首先，RST 接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位存放器；其次，RST 提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST 为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302 进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，那么会终止此次数据传送，I/O 引脚变为高阻态。上电动行时，在Vcc 大于等于2.5V

60、 之前，RST 必须保持低电平。在SCLK 为低电平时，才能将RST 置为高电平，I/O为串行数据输入端双向。SCLK 始终是输入端。4.7 声光报警电路当温度或烟雾浓度值超过报警限设定值时，P23管脚由有高电平变成低电平，红灯闪亮；P27管脚由低电平变成高电平，蜂鸣器发声，以提示操作人员采取平安对策或自动控制相关平安装置，从而保障生产平安，防止火灾或爆炸事故的发生11。声光报警电路图如图4-13 所示：图4-13 声光报警电路图4.8 按键接口电路键盘电路一般都是让端口检测低电平，有用扫描的方法检测哪个键有按下，也有用中断的方法检测13。本设计按键采用3个独立的按键，一个光标移动键、一个加按键、一个减按键，通过这三个按键可以合理地