烟雾超标报警自动排气电路的设计与制作毕业设计(编辑修改稿)

烟雾超标报警自动排气电路的设计与制作毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

V C C+R 21 0 KS 1G N DC 2 3 0 p FC 3 3 0 p F1 1 . 0 5 9 2 MC 11 0 u FV C CT 2 / P 1 . 0T 2 E X / P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4M O S I / P 1 . 5M I S O / P 1 . 6S C K / P 1 . 7R S TR X D / P 3 . 0T X D / P 3 . 1I N T 1 / P 3 . 3W R / P 3 . 6T 0 / P 3 . 4T 1 / P 3 . 5I N T 0 / P 3 . 2R D / P 3 . 7X T A L 2X T A L 1G N DV C CP 0 . 0 / A D 0P 0 . 1 / A D 1P 0 . 2 / A D 2P 0 . 3 / A D 3P 0 . 4 / A D 4P 0 . 5 / A D 5P 0 . 6 / A D 6P 0 . 7 / A D 7A L E / P R O GE A / V P PP S E NP 2 . 7 / A 1 5P 2 . 6 / A 1 4P 2 . 5 / A 1 3P 2 . 4 / A 1 2P 2 . 3 / A 1 1P 2 . 2 / A 1 0P 2 . 1 / A 9P 2 . 0 / A 8AT89S51R 14 7 0 图 单片机最小系统电路图 (1)AT89S51 单片机 AT89S51 是一个低功耗，高性能 的 CMOS 8 位单片机，片内含 4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器， AT89S51 采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，功能强大的微型计算机 AT 89S51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT89S51 具有 的 特点 为 ： 40 个引脚， 4KB 片内程序存储器， 128 比特 的随机存取数据存储器（ RAM）， 32 个外部双向输入 /输出（ I/O）口， 5 个中断优先级 ， 2 层中断嵌套中断， 2 个 16 位可编程定时计数器 ， 2 个全双工串行通信口，看门狗（ WDT）电路，片内时钟振荡器。 AT89S51 可以通过硬件 设置 振荡频率可为 0Hz， 也 可通过软件设置 进入 省电模式。 在 空闲模式下， 单片机的 CPU 就会停止 工作 而 RAM 定时计数器 、 串行口 以及 外 部 中断系统 是 继续工作， 这样就 可以在 掉电 的情况下使 振荡器 冻结 ，将 数据 保存 在 RAM 中 ，掉电的时候系统会 停止芯片 的 其它功能 ， 直至外 部 中断 响应 或硬件 电路进行 复位。 AT89S51 芯片 有 三种封装形式 PDIP、 TQFP 和 PLCC，这三种不同的封装形式 适应不同产品的需求。 特别注意： 31 脚 (/EA/Vpp)是选择片内外存储器的引脚 ，当 /EA/Vpp 接高电平时，单片机在复位 陕西理工学院毕业设计 第 7 页 共 39 页 后从内部 ROM 的 0000H 开始执行；当 /EA/Vpp 接低电平时，复位后直接从外部 ROM 的 0000H 开始执行。 (2) 复位电路： 单片机在启动时都需要复位，以使 CPU 及系统各部件处于确 定的初始状态，并从初态开始工作 ,复位后 PC＝ 0000H，使单片机从第 — 个单元取指令。 89 系列单片机的复位信号是从 RST 引脚输入到 芯片 内的施密特 触发器 中的。 当系统处于正常工作状态时，且 振荡器 稳定后，如果 RST 引脚上有一个高电平并维持 2 个机器周期 (24 个振荡周期 )以上，则 CPU 就可以响应并将系统复位。 单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位。 根据实际情况选择如图 所示的复位电路，该电路在最简单的复位电路下增加了手动复位按键，在接通电源瞬间，电容 C1 上的电压很小，复位下拉电阻 R2 上 的电压接近电源电压，即 RST为高电平，在电容充电的过程中 RST 端电压逐渐下降，当 RST 端的电压小于某一数值后， CPU 脱离复位状态，由于电容 C1 足够大，可以保证 RST 高电平有效时间大于 10ms， CPU 能够可靠复位。 增加手动复位按键是为了避免死机时无法可靠复位。 当复位按键按下后电容 C1 通过 R1 放电。 当电容 C1 放电结束后， RST 端的电位由 R1 与 R2 分压比决定。 由于 R1R2 因此 RST 为高电平， CPU处于复位状态，松手后，电容 C1 充电， RST 端电位下降， CPU 脱离复位状态。 R1 的作用在于限制按键按下瞬间电容 C1 的放电电流，避免产生火花，以保护按键触电。 最小系统中复位电路的电容 C1 的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用 10uF 左右极性电容，单片机最小系统的电容值越大复位的时间越短。 在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。 (3) 时钟电路：单片机的定时控制功能是由片内的时钟电路和定时电路来完成的，而片内的时钟产生方式有两种：内部时钟方式和外部时钟方式。 本文就采用内部时钟方式。 内部时钟方式片内高增益反相放大器通过 XTAL1 和 XTAL2 外 接作为反馈元件的晶体与电容组成的并联谐振回路，构成一个自激振荡器向内部 时钟电路提供振荡时钟。 振荡器的频率主要取决于晶体的振荡频率， 晶体 选择 ；电容 C C3 的值则有微调作用，通常取 30pF 左右的瓷片电容。 烟雾检测电路 的设计 选择 烟雾传感器的 主要 分 为 离子式烟雾 传感器 、 光电式烟雾传感 和 气敏式烟雾传感器。 （ 1） 离子式烟雾 传感器 ： 离子式烟雾传感器是一种 先进 的 技术， 是一种 工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各 种 消防报警系统中， 它的 性能远优于 由光电式烟雾传感器构成 的火灾报警器。 （ 2） 光电式烟雾传感 ： 该 烟雾传感 器 内 部 有一个光学迷宫，安装有红外 对管， 没有 烟 雾 时红外接收管 接 收不到红外发射管发 射 出 来 的红外光 线 ，当烟 雾 进入光学迷宫时，通过折射、反射 后 ，接收管 将 接收到红外光 线 ， 报警电路判断是否超过阈值，超过 则 发出警报 ，反之则不然。 （ 3） 气敏式烟雾传感器 ： 该 烟雾传感 器 是一种检测特定气体的传感器。 它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。 半导体气敏元件有 N 型和 P 型之分。 N 型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 ， P 型 陕西理工学院毕业设计 第 8 页 共 39 页 阻值随气体浓度的增大而增大。 当温度在 200～ 300℃ 时 半导体气敏元件 让 空气中的氧 吸 附 在元件表面 ， 当氧负离子吸附在 半导体气敏元件 表面可以 形成氧 负离子吸附， 氧负离子的减少就会 使半导体中的电子密度减少， 从而 使其电阻值增加。 当遇到 空气中 可燃气体 时， 由 于 可燃气体 能 够提 供给电子 ，可燃气体中就会有 正离子 吸附在金属氧化物半导体表面 ， 氧 负离子放出电子 使 可燃 气体以正离子 的吸附 也要放出电子，电阻值下降 就是因为 半导体电子密度增加。 当气体中可燃气体的浓度减少或 可燃性气体不存在了，半导体气敏元件 中 金属氧化物半导体 就能 恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。 这就是半导体气敏元件检测可燃气体的基本原理 [6]。 此次 使用的 气敏式烟雾传感器 选择 的具体型号为 MQ2。 该传感器常用于家庭和工厂的气体泄漏装置，适 宜于烟雾、液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气等的探测。 本设计 选用 的 MQ2 型气体传感器，这种型号的传感器的特点是灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长、价格低廉等优点。 MQ2 气体传感器是 SnO2(氧化锡 )半导体气敏传感器属于电阻型气敏元件。 它是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化。 若气浓度发生变化，其阻值也将随之变化。 根据这一变化，可以从阻值的变化得出吸附气 体的种类和浓度。 MQ2 的主要特点 ： (1)具有信号输出指示。 (2)双路信号输出（模拟量输出及 TTL 电平输出） (3)TTL 输出有效信号为低电平。 （当输出为低电平时信号灯亮，可直接单片机） (4)模拟量输出 0~5V 电压，浓度越高电压值越高。 (5)快速的响应恢复特性。 (6)具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。 (7)适宜于烟雾、液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气等的探测。 烟雾传感器电路 烟雾检测电路图如图 所示。 主要由烟雾传感器 MQ2 和相关元器件构成。 V C C+V C CP 1 . 0hhBK 点AR 1R 3R 2L M 3 3 9C 1 图 烟雾检测电路图 传感器的电导率是随空气中可燃气体浓度的增大而增大，再使用相应的外围电路就可将电导率的变化转变成与该气体浓度变化相对应的电信号。 一般情况下， 传感器输出的信号 会比较弱，而且其中还包括了一些避免不了的 干扰，对这种信号的放大就需要有很好的共模抑制比以及高增益、低 陕西理工学院毕业设计 第 9 页 共 39 页 噪声和高输入阻抗 的 放大电路。 当 传感器输出的信号经过前置放大电路对其进行的放大、滤波、电平调整 后 ， 输出的信号 才能满足单片机对输入信号的要求。 烟雾传感器是气 电变换器 ， 它属于气敏传感器，它将空气中烟雾或 可燃性气体 的含量 (即浓度 )转化成 对应的 电压或者电流信号， 传感器作为烟雾 报警器的信号采集部分，是 整个系统 的核心组成部分之一。 一个烟雾传感器既可以只实现 单 个功能，也可以实现 多 种功能的。 一个完整的烟雾传感器都必须具备： (a)能够检测某种单一烟雾，而对共存的其它烟雾不响应或低响应； (b)对被测烟雾具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的烟雾浓度； (c)对检测信号响应速度快，重复性好； (d)长期工作稳定性好，制造成本低，使用与维护方便等条件。 语音报警电路 的设计 设计的语音报警电路如 图 所示。 语音报警电路主要 由语音录放音电路和 音 频 放大电路 组成。 C 4C 1C 5C 7V C CD 1R 2R 1C 2C 6VCCC 1 0R 4C 1 1R 6C 1 3 C 1 4R 7 R 5RECPLAYEPLAYLMIC+MICAGCSPVssdLEDFTVCCROSCSP+VssaI S D 1 8 2 0++GAININT+INTGNDGAINPASSOUTVCCL M 3 8 6++V C C+++S 1S 3C 3C 8V C C 图 语音报警电路 语音录放音电路 语音 录放音 电路主要由语音芯片以及一些外围电路组成。 语音报警电路 中采用的语音芯片为ISD1820PY。 其中 语音芯片 ISD1820PY 是美国 ISD 公司于 2020 年最新推出一种可录放一段 8～ 20秒的语音的芯片，它的基本结构与 ISD11 1420 完全相同，采用 CMOS 技术，内含 振荡器 ， 话筒前置放大， 自动增益控制 ，防混淆 滤波器 ， 扬声器 驱动及 FLASH 阵列。 语音芯片 ISD1820PY 管 脚功能为： 电源 (VCC)：芯片内部的 有两路电路分别是： 模拟 电路 和数字电路。 模拟电路和数字电路分别使用 了 不同电源 线，两路电路的电源 总线在此引脚汇合。 电源线的汇 合 这样 接法会 使得噪声 的影响减少到 最小。 电源端的 去耦 电容 回路 应 该 尽量靠近芯片 ，从而有效的减少电源中的各种干扰。 地线 (Vssa， Vssd)： Vssa 是 芯片内部的模拟 电路的 地线 汇接引脚。 Vssd 是芯片内部的 数字电路的 地线汇 接 引脚。