本設(shè)計(jì)以STC89C51單片機(jī)為系統(tǒng)的核心處理芯片，通過(guò)煙霧傳感器MQ-2模塊及溫度傳感器DS18B20進(jìn)行檢測(cè)環(huán)境中的煙霧濃度及溫度進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測(cè)，同時(shí)也采用ADC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將煙霧傳感器所采集到的煙霧值轉(zhuǎn)化為電壓值從而傳遞給核心處理芯片，通過(guò)核心處理芯片STC89C51單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行，并且將其監(jiān)測(cè)到的溫度和煙霧濃度通過(guò)LcD1602液晶顯示屏幕進(jìn)行顯示。

預(yù)設(shè)溫度過(guò)高和煙氣濃度過(guò)高報(bào)警的臨界值，如果探測(cè)所得數(shù)據(jù)超過(guò)報(bào)警值，便接通蜂鳴器和LED燈開(kāi)始報(bào)警；如果沒(méi)有達(dá)到報(bào)警臨街值則繼續(xù)正常工作；如果收到的是報(bào)警按鍵信號(hào)，則立即報(bào)警。同時(shí)無(wú)論哪種情況顯示模塊都正常顯示溫度和煙霧濃度。

系統(tǒng)工作原理框圖如2.1所示：

圖2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

最小系統(tǒng)包括單片機(jī)及其所需的必要的電源、時(shí)鐘、復(fù)位等部件，能使單片機(jī)始終處于正常的運(yùn)行狀態(tài)。電源、時(shí)鐘等電路是使單片機(jī)能運(yùn)行的必備條件，可以將最小系統(tǒng)作為應(yīng)用系統(tǒng)的核心部分，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)器擴(kuò)展、A/D擴(kuò)展等，使單片機(jī)完成較復(fù)雜的功能。

STC89C51是片內(nèi)有ROM/EPROM的單片機(jī)，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡(jiǎn)單﹑可靠。用STC89C52單片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，只要將單片機(jī)接上時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可，由于集成度的限制，最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3.1所示.

圖3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖

當(dāng)在STC89C51單片機(jī)的RST引腳引入高電平并保持2個(gè)機(jī)器周期時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作(若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài))。

最簡(jiǎn)單的上電自動(dòng)復(fù)位電路中上電自動(dòng)復(fù)位是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。只要Vcc的上升時(shí)間不超過(guò)1ms,就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。

除了上電復(fù)位外，有時(shí)還需要按鍵手動(dòng)復(fù)位。本設(shè)計(jì)就是用的按鍵手動(dòng)復(fù)位。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過(guò)RST(9)端與電源Vcc接通而實(shí)現(xiàn)的。

圖3.2 STC89C51復(fù)位電路

STC89C51單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常有兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時(shí)鐘方式，二是外部時(shí)鐘方式。在STC89C51單片機(jī)內(nèi)部有一振蕩電路，只要在單片機(jī)的XTAL1(18)和XTAL2(19)引腳外接石英晶體(簡(jiǎn)稱(chēng)晶振)，就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)。圖中電容C1和C2的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值在5~30pF，典型值為30pF。晶振CYS的振蕩頻率范圍在1.2~12MHz間選擇，典型值為12MHz和6MHz。時(shí)鐘電路原圖如3.3所示。

圖3.3 STC89C51內(nèi)部時(shí)鐘電路

在數(shù)模轉(zhuǎn)換電路部分，我們最開(kāi)始有兩種選擇方案。

方案一：采用ADC0809數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片對(duì)采集到的電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。

方案二：采用ADC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片對(duì)煙霧濃度進(jìn)行處理使其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

首先在在方案選擇上面，ADC0809是一種8位并行的A/D轉(zhuǎn)換芯片，如果使用方案一，則單片機(jī)的I/O口占用則會(huì)比較多。而且ADC0809的外部電路連接復(fù)雜。對(duì)于方案二，ADC0832雖然是一種串行A/D轉(zhuǎn)換芯片，處理速度也較ADC0809慢很多，但是由于其外部電路連接簡(jiǎn)單，占用I/O口較少，因此我們選用方案二。

ADC0832 具體資料如下：

· CS_片選使能，低電平芯片使能。

· CH0 模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用。

· CH1 模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用。

· GND 芯片參考0 電位（地）。

· DI 數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，選擇通道控制。

· DO 數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。

· CLK 芯片時(shí)鐘輸入。

· Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）。

ADC0832 為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級(jí)，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過(guò)DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。其硬件連接如圖3.3所示。

圖3.4 ADC0832 連接圖

LCD1602的引腳RS,RW,E,DBO,DB1,DB2,DB3,DB4,DB5,DB6,DB7分別接到單片機(jī)P20,P26,P27,P00,P01,P02,P03,P04,P05,P06,P07進(jìn)行與單片機(jī)的通信，以便于顯示出單片機(jī)所要求要顯示的字符。本部分硬件連接情況就是這樣，軟件系和幾部分第四部分有更詳細(xì)的說(shuō)明。

由于液晶顯示器每一個(gè)點(diǎn)在收到信號(hào)后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線(xiàn)管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新新亮點(diǎn)。因此，液晶顯示器畫(huà)質(zhì)高且不會(huì)閃爍。

液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡(jiǎn)單可靠，操作更加方便。

液晶顯示器通過(guò)顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來(lái)達(dá)到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。

相對(duì)而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動(dòng)IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。并且在考慮系統(tǒng)耗電及供電的問(wèn)題我們采用了LCD1602液晶顯示屏幕。

（1）引腳說(shuō)明：

第1腳：VSS為地電源。

第2腳：VDD接5V正電源。

第3腳：VL為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度。

第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。

第5腳：R/W為讀寫(xiě)信號(hào)線(xiàn)，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時(shí)可以寫(xiě)入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平

R/W為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時(shí)可以寫(xiě)入數(shù)據(jù)。

第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。

第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線(xiàn)。

第15腳：背光源正極。

第16腳：背光源負(fù)極。

圖3.5 lcd1602液晶顯示圖

MQ-2接煙霧調(diào)理電路，其實(shí)質(zhì)也就是一個(gè)電壓比較器電路，當(dāng)檢測(cè)到煙霧濃度傳感器模塊輸出一個(gè)模擬量給設(shè)計(jì)中所使用的A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0832,將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，傳遞給單片機(jī)使單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)煙霧的檢測(cè)功能。煙霧傳感器檢測(cè)電路的實(shí)質(zhì)就是可變電阻街上電壓比較器，在感受到外界環(huán)境變化時(shí)電阻發(fā)生變化，輸出電壓隨電阻的阻值而發(fā)生變化，并且通過(guò)后面所接的電壓比較器輸出連接ADC0832的CH0端AD轉(zhuǎn)換器對(duì)電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。將數(shù)據(jù)送給單片機(jī)進(jìn)行處理。

MQ-2型氣敏元件具有以下特點(diǎn)：

(1) 采用燒結(jié)半導(dǎo)體所形成的敏感燒結(jié)體，具有穩(wěn)定的R (即器件在純潔空氣中的阻抗)阻值，從而保證了長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性。

(2) 單電源供電，其功耗僅0.7W左右。

(3) 對(duì)所測(cè)試的氣體有極高的靈敏度和信噪比。

MQ-2型氣敏元件有兩種型號(hào)。MQ-2A型適用于天然氣、城市煤氣、石油液化氣、丙丁烷及氫氣等;MQ-2型適用于煙霧等減光型有害氣體。

器件的靈敏度：S=Ro/Rx為10~30。常見(jiàn)為QM系列的S值僅8左右。Rx為器件在丁烷濃度為0.2%時(shí)的阻抗。電路如下圖所示。

圖3.6 MQ-2模塊原理圖

溫度傳感器我們之所以采用DS18B20，是因?yàn)槠溆布�電路連接相對(duì)于其他溫度傳感器來(lái)說(shuō)連接較簡(jiǎn)單，并且在軟件設(shè)計(jì)方面我們書(shū)中有詳細(xì)的例程介紹。它采用單根信號(hào)線(xiàn),既傳輸時(shí)鐘又傳輸數(shù)據(jù),而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的,具有節(jié)省I/O口線(xiàn)資源、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、便于總線(xiàn)擴(kuò)展和維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是值得注意的是DS18B20在連接時(shí)余姚在二號(hào)引腳接一個(gè)上拉電阻。

圖3.7  DS18B20外部結(jié)構(gòu)框圖

本設(shè)計(jì)采用按鍵接低的方式來(lái)讀取按鍵，單片機(jī)初始時(shí)，因?yàn)闉楦唠娖剑��?dāng)按鍵按下的時(shí)候，會(huì)給單片機(jī)一個(gè)低電平，單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理

單片機(jī)鍵盤(pán)有獨(dú)立鍵盤(pán)和矩陣式鍵盤(pán)兩種：獨(dú)立鍵盤(pán)每一個(gè)I/O 口上只接一個(gè)按鍵，按鍵的另一端接電源或接地（一般接地），這種接法程序比較簡(jiǎn)單且系統(tǒng)更加穩(wěn)定；而矩陣式鍵盤(pán)式接法程序比較復(fù)雜，但是占用的I/O少。根據(jù)本設(shè)計(jì)的需要這里選用了獨(dú)立式鍵盤(pán)接法。

圖3.8 溫度傳感器及按鍵電路

本設(shè)計(jì)根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)，軟件設(shè)計(jì)共分成以下幾大部分：

• MAIN函數(shù)
  

Main函數(shù)是整個(gè)程序最主要的一部分同時(shí)也時(shí)產(chǎn)品是否能夠達(dá)到與其設(shè)計(jì)目標(biāo)的根本所在，首先主函數(shù)調(diào)用1602函數(shù)顯示開(kāi)機(jī)界面，而后進(jìn)行煙霧以及溫度的監(jiān)測(cè)，此時(shí)主函數(shù)對(duì)ADC0832函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字傳遞給單片機(jī)后通過(guò)主程序進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。主函數(shù)中也聲明了按鍵函數(shù)，用戶(hù)可通過(guò)按鍵對(duì)整個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)的范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)。主函數(shù)流程圖如4.2所示

圖4.1 主函數(shù)流程圖

• 顯示函數(shù)
  

我們對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示采用1602液晶顯示屏幕，首先將其初始化，而后對(duì)進(jìn)行字節(jié)的讀寫(xiě)，使其根據(jù)監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷讀取顯示。顯示函數(shù)程序設(shè)計(jì)流程圖如4.2所示。

圖4.2 顯示函數(shù)設(shè)計(jì)流程圖

• 數(shù)模轉(zhuǎn)換函數(shù)
  

數(shù)模轉(zhuǎn)換我們采用ADC0832芯片，我們將DO和DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線(xiàn)上使用。當(dāng)ADC0832未工作時(shí)其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用，CLK 和DO/DI 的電平可任意。當(dāng)要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時(shí)芯片開(kāi)始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘（CLK）輸入端輸入時(shí)鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。在第一個(gè)時(shí)鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號(hào)。在第二、三個(gè)脈沖下沉之前DI端應(yīng)輸入兩位數(shù)據(jù)用于

選擇通道功能。

• DS18B20函數(shù)
  

Ds18b20。溫度傳感器函數(shù)參考單片機(jī)教材251頁(yè)中ds18b20例程。

調(diào)試過(guò)程中首先要檢測(cè)的就是硬件電路的設(shè)計(jì)原理是否正確，所以在我們進(jìn)行設(shè)計(jì)原理圖時(shí)就查閱了大量的資料，包括煙霧傳感器及溫度傳感器電路的選擇，在進(jìn)行電路圖設(shè)計(jì)結(jié)束進(jìn)行排版布局以及布線(xiàn)時(shí)，我們使用兩臺(tái)電腦，對(duì)原理圖及pcb圖紙進(jìn)行對(duì)照，一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)一根線(xiàn)一線(xiàn)的進(jìn)行檢查，從而為后來(lái)的硬件焊接后的調(diào)試打下了基礎(chǔ)，其次在焊接好難有線(xiàn)電路之后，認(rèn)真檢查電路的焊接情況。這次采用的是分塊調(diào)試的方法，煙霧探測(cè)電路，控制電路以及單片機(jī)控制電路進(jìn)行調(diào)試。在對(duì)每個(gè)模塊的進(jìn)行調(diào)試過(guò)程中又采用了由局部到整體，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的調(diào)試方法，最后再將各個(gè)模塊總和成一個(gè)整體。

在軟件系統(tǒng)調(diào)試方面。首先我們的硬件檢查與我們所設(shè)計(jì)的原理圖基本吻合，在硬件完好的基礎(chǔ)上我們著重于軟件設(shè)計(jì)，首先我們進(jìn)行分模塊編程，參考單片機(jī)C語(yǔ)言教程，以及上學(xué)期我們所用的單片機(jī)課本，這兩本書(shū)里面都有關(guān)于DS 18B20以及l(fā)cd1602及獨(dú)立鍵盤(pán)部分的例程，我們首先參考lcd1602例程，首先點(diǎn)亮了液晶顯示屏，因此也證明我們的單片機(jī)最小系統(tǒng)是完好的，并且對(duì)各個(gè)模塊的程序進(jìn)行資料搜索并用我們所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行程序的編寫(xiě)，調(diào)試。

通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，從一開(kāi)始的無(wú)從下手，而后也在老師的指導(dǎo)下在百度上搜集一些關(guān)于煙霧檢測(cè)類(lèi)型的課題資料。再對(duì)原理圖進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，我們也發(fā)現(xiàn)有些部分電子元器件數(shù)值在仿真中可以實(shí)現(xiàn)但是在現(xiàn)實(shí)中會(huì)出現(xiàn)不一樣的現(xiàn)象所以我們通過(guò)計(jì)算將每一個(gè)電阻阻值都計(jì)算的非常精細(xì)。并且在完成原理圖及PCB設(shè)計(jì)后，我們通過(guò)PCB和原理圖進(jìn)行對(duì)照對(duì)每一個(gè)點(diǎn)都進(jìn)行了查證，從而也保證了我們后面系統(tǒng)調(diào)試時(shí)在硬件電路上沒(méi)有耗費(fèi)太多的時(shí)間。

當(dāng)我們拿到我們?cè)O(shè)計(jì)的PCB板子進(jìn)行焊接完成后便開(kāi)始進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)，我們首先進(jìn)行一個(gè)模塊一各模塊的檢測(cè)，這種方法也幫助我們驗(yàn)證了單片機(jī)各個(gè)功能是否正常。用軟件對(duì)硬件進(jìn)行檢測(cè)完畢后，我們便進(jìn)行了整體的電路軟件設(shè)計(jì)，因?yàn)槲覀兘M組員曾經(jīng)做過(guò)關(guān)于溫度測(cè)量的課題，我們?cè)谶M(jìn)行溫度傳感器程序編寫(xiě)時(shí)便顯得輕車(chē)熟路。數(shù)模轉(zhuǎn)換部分在芯片手冊(cè)中也由相關(guān)的例程，我們對(duì)照我們自己的單片機(jī)接口對(duì)程序也進(jìn)行了修改，并且將煙霧和溫度顯示在1602顯示屏幕進(jìn)行的調(diào)整。

單片機(jī)源程序如下:

煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)全套資料.7z (1.98 MB, 下載次數(shù): 275)