变电站烟雾监测与报警器的设计毕业论文(编辑修改稿)

变电站烟雾监测与报警器的设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

Q2/MQ2S气体传感器的灵敏度特性 图23 MQ2/MQ2S气体传感器的温度/湿度特性曲线图24 MQ2/MQ2S气敏元件的结构和外形 MQ2/MQ2S气敏元件的规格MQ2/MQ2S气敏元件的规格如表21所示：表22 MQ2/MQ2S气敏元件的规格 烟雾检测报警器具体设计方案 本设计属于单片机应用系统。 它是单片机在系统检测方面的应用，是典型的嵌入式系统。 通常将满足海量高速数值计算的计算机称为通用计算机系统；而把面向工控领域对象，嵌入到工控应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。 嵌入式系统一般分为四种:工控机，通用CPU模块，嵌入式微机处理，单片机。 嵌入式系统具有以下特点：(1)面对控制对象。 如传感信号输入、人机交互操作,伺服驱动等。 (2)嵌入到工控应用系统中的结构形态。 (3)能在工业现场环境中可靠运行的品质。 (4)突出控制功能。 如对外部信息的捕捉、对控制对象实时控制和有突出控制功能的指令系统(I/O控制、位操作和转移指令等)。 单片机有惟一的专门为嵌入式应用系统设计的体系结构与指令系统，最能满足嵌入式应用要求。 单片机是完全按嵌入式系统要求设计的单芯片形态应用系统，能满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行及非凡的控制品质等要求，是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。 本论文中的烟雾检测报警器以8051单片机为控制核心，采用MQ2型电阻式半导体传感器采集烟雾信息。 首先，传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过放大，转化成较大的电压信号送入ADC0809进行模数转换，将电压信号转换成数字信号，然后再送入单片机；在8051单片机内进行浓度比较，对数据进行线性化处理，最后，将实际可燃性气体浓度送入液晶，并判断浓度值是否超出报警限，当浓度处于正常状态绿灯长亮，当烟雾浓度超出设定的限定值时，发出声音报警并伴随红灯亮。 另外由于烟雾传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反应越快，响应时间和恢复时间就越快。 为提高响应时间，保证传感器准确地、 稳定地工作，报警器需要向烟雾传感器持续输出一个5V的电压。 与此同时通过max232与上位机通信。 单片机系统单片机单片机应用系统人机交互通道应用程序串行通信口后向通道前向通道图23 单片机应用系统三个层次的关系单片机应用系统的结构分三个层次。 (1)单片机：通常指应用系统主处理机，即所选择的单片机器件。 (2)单片机系统：指按照单片机的技术要求和嵌入对象的资源要求而构成的基本系统,如时钟电路、复位电路和扩展存储器等与单片机构成了单片机系统。 (3)单片机应用系统：指能满足嵌入对象要求的全部电路系统。 在单片机系统的基础上加上面向对象的接口电路，如前向通道、后向通道、人机交互通道(键盘、显小器、打印机等)和串行通信口(RS232)以及应用程序等。 单片机应用系统三个层次的关系如图23所示。 以此理解，单片机烟雾故障监测报警系统同样具有单片机应用系统的三个层次。 其中以AT89S51单片机为核心构成单片机系统。 在此系统中，检测信号进入单片机进行运算处理，控制外围电路。 为了更好的理清设计思路，将整个系统细分为三部分加以设计说明。 整个监测报警系统由三个部分组成，分为三大模块：浓度检测模块、主控模块和外围报警模块。 在本次设计中，使用的核心器件是AT89S51单片机和MQ2型气体传感器。 为了保证整个系统可靠的运行，设计中必须明确三大部分的实际联系：以单片机为中心，其他各大模块一一展开。 其中，浓度检测及显示模块所实现的功能是将烟雾浓度值转换成为单片机能够处理的数字信号，并且将浓度值显示出来；主控模块以单片机为主，对其他模块的运行进行控制；外围报警模块是此系统的外围电路，它的功能实现形式最人性化，体现了智能控制，在检测到烟雾浓度超过设定值时会启动蜂鸣器报警。 为适应变电站和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的可燃性烟雾报警仪应不仅能在较宽的温度范围工作，而且应具有显示可燃烟雾浓度、延时报警功能及可接计算机进行现场远测等功能。 其目标是在传统的烟雾报警仪的基础上，尽量提高准确性，降低成本，缩小体积。 可燃性气体检测报警器结构框图，系统以单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、浓度显示、状态显示、声音报警等功能。 系统应采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，保证报警器的精确性及可靠性，而且最好体积小，成本低，有利于减少报警器的体积，降低报警器的成本。 (1)烟雾浓度显示通过液晶屏显示可燃烟雾的浓度值，便于检测人员随时观测烟雾浓度。 (2)烟雾报警功能 当烟雾浓度处于报警限值之上，蜂鸣器开始报警，并且伴随红灯亮。 因为人对声光信号更为敏感，所以声光变化更容易引起工作人员的注意。 (3)与上位机通讯功能可以实现与计算机串口通讯，对报警器采取统一控制，以及便于采集和处理数据。 3 烟雾检测报警器的硬件模块设计根据第二章的介绍系统的硬件部分可以分成三个模块来做，现在就先进行模块设计部分，然后再具体介绍各部分硬件电路的设计。 3 .1 烟雾检测报警器系统模块设计整个监测报警系统由三个部分组成，分为三大模块：气体浓度检测模块、主控模块和报警模块，下面依次介绍。 火灾烟雾故障监测报警系统采用三路不同地点烟雾检测的方法，检测器件采用MQ2型气体传感器检测气体浓度，检测结果送入模/数芯片ADC0809中进行模数转换。 前面在第二章第四节方案的设计中已经介绍了MQ2型烟雾传感器的具体资料，由于条件原因没有买到MQ2型烟雾传感器，所以根据其技术资料和规格，用变阻器来代替模拟MQ2烟雾传感器，可以假设其在理想条件下不考虑温度和湿度的影响，在MQ2中测得的烟雾浓度随输出电压的变化而变化，根据图浓度与电压之间的变化关系，用变阻器来模拟MQ2烟雾传感器。 根据图31，MQ2型气体传感器单片机采集电压值与烟雾浓度百分比线性化曲线，当烟雾浓度在0%到100%，，将电压信号转换成数字信号最终由单片机处理显示出浓度值。 如图32所示。 图31 MQ2型气体传感器单片机采集电压值与烟雾浓度百分比线性化曲线图32 用变阻器模拟的MQ2型半导体烟雾传感器系统选用单片机控制，采用AT89S51单片机。 它的主要功能即接收ADC0809芯片送来的数字信号，又可以通过对数字信号的处理来控制外围电路以及显示电路。 采集信号经过ADC0809处理后送单片机进行数据处理，处理后的信息将通过单片机控制，在LCD显示器上显示出来。 下面来详细介绍一下AT89S51单片机AT89S51单片机简介AT89S51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。 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AT89S51是一种高效微控制器。 AT89S系列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。 所以本设计我们选择AT89S51单片机作为控制器的核心芯片[9]。 AT89S51单片机的引脚定义及功能AT89S51引脚图如图33所示，下面分别介绍其引脚。 （1）主电源引脚Vss，VccVss(20脚):接地。 Vcc(40脚):主电源+5V。 （2）外接晶振引脚XTAL1（19脚），XTAL2(18脚)XTAL1：在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。 它采用外部振荡器时，此引脚应接地。 XTAL2：在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。 当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。 （3）输入/输出引脚P0，P1，P2，P3～(39～32脚):P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。 在访问片外存储器时，它分时提供低8位地址和8位双向数据，故这些I/O线有地址线/数据线之称，简写为AD0～AD7。 在EPROM编程时，从P0输入指令字节，在验证程序时，则输出指令字节(验证时，要外接上拉电阻)。 图33 AT89S51引脚功能图表31 P3口的引脚功能引脚信号 控制信号说明RXD串行数据输入TXD串行数据输出INT0外部中断0INT1外部中断1T0定时器0输入T1定时器1输入WR写存储器信号RD读存储器信号 ～(1～8脚):Pl是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。 在EPROM编程和验证程序时，它输入低8位地址。 ～(21～28脚):P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。 在访问片外存储器时，它输出高8位地址，即A8～A15。 在对EPROM编程和验证程序时，它输入高8位地址。 ～(10～17脚):P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。 在整个系统中，这8个引脚还具有专门的第二功能，在此，对P3口相应引脚用于控制信号时的情况如表31所示。 （4）控制线（4条）RST：AT89S51的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片又时，只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。 ALE/PROG：ALE是英文ADDRESS LATCH ENABLE的缩写，表示允许地址锁存允许信号。 当访问外部存储器时，ALE信号负跳变来触发外部的8位锁存器(如74LS373)，将端口P0的地址总线(A0A7)锁存进入锁存器中。 在非访问外部存储器期间，ALE引脚的输出频率是系统工作频率的1/16，因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。 当问外部存储器期间，将以1/12振荡频率输出。 EA/VPP：该引脚为低电平时，则读取外部的程序代码(存于外部EPROM中)来执行程序。 因此在8031中，EA引脚必须接低电位，因为其内部无程序存储器空间。 如果是使用AT89S51或其它内部有程序空间的单片机时，此引脚接成高电平使程序运行时访问内部程序存储器，当程序指针PC值超过片内程序存储器地址(如8051/8751/89C51的PC超过0FFFH)时，将自动转向外部程序存储器继续运行。 PSEN：此为Program Store Enable的缩写。 访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。 在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二次PSEN信号。 在执行片内程序存储器指令时，不产生PSEN信号，在访问外部数据时，亦不产生PSEN信号[12]。 单片机的工作方式单片机的工作方式包括：复位方式，程序执行方式，单步执行方式，掉电、节电方式以及EEPROM编程和校验方式。 （1） 复位方式 RST引脚时复位信号的输入端。 复位信号是高电平有效，高电平的持续时间应该在24个时钟周期以上，若时钟频率为6MHz,则复位信号至少应持续4us以上，才可以使单片机可靠复位。 复位以后，内部各寄存器状态见表32:表32 内部寄存器复位后状态表寄存器复位后状态寄存器复位后状态PC 0000HTCON00HACC 00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL1 00HDPTR0000HTH100HP0～P3FFHSCON00HIP**000000BSBUF不定IE0*000000BPCON 0***0000BTMOD00H复位后，程序计数器PC的值是0000H说明：AT89S51单片机的程序起始位置是在内存的0000H，也就是说程序的第一条指令必须存入内存的0000H单元，程序才可能在复位后，直接运行。 只要Vcc上升时间不超过1ms，通过在Vcc和RST引脚之间一个10uF电容，RST和Vss引脚（即地）之间加一个10kΩ的电阻，就可以实现自动上电复位，即打开电源就可以自动复位。 也可以进行手动复位，在Vcc和RST引脚之间接一个按键，即可以实现手动复位。 复位电路可以参考图34：图34 单片机复位电路（2）程序执行方式 程序执行方式是单片机的基本工作方式。 所执行的程序可以放在内部ROM、外部ROM或者同时放在内外ROM中。 若程序全部放在外部ROM中（如对8031），则应使EA=0；否则，可令EA=1。 由于复位后PC=0000H,所以程序的执行总是从地址0000H开始的。 但真正的程序一般不可能从0000H开始存放，因此，需要在0000H单元开始存放一条转移指令，从而使程序跳转到真正的程序入口地址。 （3）单步执行方式 单步执行方式是使程序的执行处在外加脉冲（通常用一个按键产生）的控制下，一条指令一条指令地执行，即按一次键，执行一条指令。 序返回至少要在执行一条指令后才能重新进入中断。 将外加脉冲加到INT0输入，平时为低电平。 通过编程规定INT0信号是低电平有效，因此不来脉冲时总是处于响应中断的状态。 在中断服务程序中要安排这样的指令：JNB ,$ ；若INT0=0,不往下执行JB ,$ ；若INT0=1,不往下执行RETI 返回主程序执行一条指令[10]（4）掉电和节电方式 在掉电方式下，单片机的耗电降至最小。 当电源恢复时，VPD应该保持足够长的时间（约10ms），以保证振荡器的起振和达到稳定，然后重新开始正常工作。 在掉电方式下，CPU暂时不工作，但也随时准备恢复工作。 因此，内部时钟并不停止工作，只是去CPU的路径被门电路切断，但仍然供应中断电路、定时器和串行口。 CPU的状态被完整地保持起来，如PC,SP,PSW,ACC等都保持节电前地状态，各I/O口也保持节电前地逻辑值，ALE。