基于单片机的烟雾检测报警系统

摘 要

据相关统计，随着家用电器的普及，家庭用电量正呈逐年上升的趋势，家庭火灾发生的频率也越来越高，火灾报警器也随之被广泛应用于各种场合。运用多传感器结合单片机能够有效解决灵敏度与报警准确率之间的矛盾，本文正是利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一烟雾监控报警系统。

本设计选用MQ-2烟雾传感器、DS18B20温度传感器以及AT89S52单片机作为核心器件并与其他电子技术相结合，通过AT89S52单片机控制传感器对检测地点的烟雾、温度进行实时检测，并把检测结果进行数据信息处理，可以实现声光报警、浓度显示、温度显示等功能。是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾报警器，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：烟雾；报警器；单片机；传感器

Abstract

According to relevant statistics, as household appliances popularization,family electricity use is increasing year by year, family fire occurrence frequency is also more and more high, fire alarm has subsequently been widely applied in all kinds of situations. By using microcontroller can effectively solve the sensor with sensitivity and alarm accuracy. In this paper, combined with the use of single-chip sensor technology development and design of the smoke control system.

This protect designs a better smoke alarm with MQ-2 smoke sensor, DS18B20 temperature sensor and AT89S52 type MCU as the core, and combines with other electronic technology. Each module is controlled by the MCU for monitoring the smoke, fire, and other information in real-time and the MCU will process the information. It can realize a series of functions such as sound and light alarming, the smoke density and the temperature being demonstrated. It is one kind of structure simple, the performance stable, easy to operate, the price inexpensive, the intellectualized smog alarm apparatus and has certain practical value.

Thesis give detailed introduction for the function and theory of the various component parts of the alarm system, focus on the interface technology between its main controlled circuit and peripheral circuit, also give explanation of the software .

Key words: smoke; alarm; MCU; sensor

目 录

第1章 概述 ....................................................... 1 1.1 论文选题背景、目的和意义..................................... 1 1.2 烟雾报警器的国内外现状....................................... 2 1.3 本论文研究的主要内容......................................... 2 第2章 系统总体设计方案 ........................................... 3 2.1 烟雾检测报警器设计思路 ........................................ 3 2.2 烟雾传感器的选型 .............................................. 3 2.3 单片机的选型 .................................................. 8 2.4 DS18B20温度传感器的介绍 ..................................... 12 2.5 本章小结 ..................................................... 17 第3章 系统的硬件电路 ............................................ 18 3.1 AT89S52单片机最小系统电路 ................................... 18 3.2 烟雾信号采集及A/D转换电路 ................................... 19 3.3 温度采集电路 ................................................. 21 3.4 LCD显示电路 ................................................. 21 3.5 蜂鸣器报警电路 ............................................... 23 3.6 继电器控制电路 ............................................... 24 3.7 按键电路 ..................................................... 24 3.8 本章小结 ..................................................... 25 第4章 软件设计 .................................................. 26 4.2 主程序初始化流程图 ........................................... 26 4.3 按键控制子程序流程图 ......................................... 26 4.4 报警子程序流程图 ............................................. 27 4.5 主程序设计及流程图 ........................................... 28 4.6 本章小结 ..................................................... 29 结 论 ............................................................ 30

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参考文献 ......................................................... 31 致 谢 ............................................................ 32 附 录 ............................................................ 33 附录1：程序: .................................................... 33 附录2：电路图 ................................................... 45

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第1章 概述

1.1 论文选题背景、目的和意义

1.1.1 论文选题背景

随着人类文明的进步和科技的发展，人们的生活越来越好。但在现代城市家庭里，许多人因不懂家庭安全常识而引起火灾事故，使幸福家庭转眼间毁于一旦,有的甚至导致家破人亡,而且一旦发生居民家庭火灾,处置不当,是造成人员伤亡的重要因素。所以说,人们应该积极了解家庭火灾的主要起因，还要预防火灾的发生。在我国的一些大中城市，几乎每天都发生家庭火灾，所以防火是每个家庭必须时刻注意的问题。假如能根据家庭的实际情况预先采取简单的防火措施，一些悲剧是完全可以避免的。消防部门的统计显示，在所有的火灾比例中，家庭火灾已经占到了全国火灾的30%左右。家庭起火的种种原因，很多都隐藏在人们根本就注意不到的地方。

为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全，减少这类事故的发生，就必须对烟雾进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测仪表，严密监测环境中烟雾的浓度和周围温度，及早发现事故隐患，防患于未然，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和家庭生活安全。因此，研究烟雾的检测方法与研制烟雾报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。

1.1.2 论文选题目的和意义

为了保护生命安全与财产安全，人们需要实时注意避免火灾的发生，利用高科技产品有利于人们及早发现火灾的隐含，及时的避免不必要的灾难发生。

烟雾检测报警装置是能够检测环境中的烟雾浓度并具有报警功能的仪器。该报警装置是石油化学工业、有气体泄漏可能的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。烟雾报警器属于《中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录》中第46项，它归类于物理化学计量器具。《建筑设计防火规范》(GBJ16-87)第10.3.2条明确规定:“散发可燃烟雾、可燃蒸汽的甲类厂房和场所，应设置烟雾浓度检测报警装置”。2003年12月，国家执行新的烟雾探测器标准(GB 15322-2003)《可燃烟雾探测器》，2004年10月国家颁布《可燃烟雾检测报警器规程JJG693-2004》，研究新型、性能稳定、准确监测可燃性气体，并合乎国家相关规定的报警器具有极其重要的意义。

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烟感报警器的使用者不断增加，住宅失火造成的死亡人数也不断下降。据美国国家消防协会报告表明，安装了推荐数目的烟感报警器的住宅一旦发生火灾，住宅内人员的逃生机会将比未安装的住宅多出50%。所以家庭装有烟雾报警器灾难能够降低，避免不必要的灾难。

目前我国已有许多城市铺设了煤气管道，使用人口约达二亿人，煤气发生基地及中转站也达几千家。如果这些家用燃气和煤气基地及中转站的报警率按10% 计算，烟雾检测报警器的需求量就达2000万台以上。随着全社会对防火防爆及人身安全的重视程度的提高，这个数字会继续增长。可见，烟雾报警器具有十分广阔的市场前景。

1.2 烟雾报警器的国内外现状

国外从20世纪30年代开始研究及开发烟雾传感器，且发展迅速，这是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高。据有关统计，美国1996年至2002年烟雾传感器年均增长率为27%～30%。随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得烟雾检测仪器的体积也逐渐变小，提高了烟雾检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推广。

1963年5月，日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，次年12月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体，可以安装在浴室或者采用集中监视。我国在70年代初期开始研制烟雾报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色。近年来，在烟雾选择性和产品稳定性上也有很大进步。

1.3 本论文研究的主要内容

本设计针对经常发生的家庭火灾事故，主要采用MQ-2烟雾传感器、DS18B20温度传感器以及AT89S52单片机，设计一个具有烟雾浓度检测及声光报警功能的烟雾自动检测报警系统。

报警系统由硬件和软件两个部分组成。本设计在硬件设计方面主要对单片机芯片、烟雾传感器和温度传感器的功能和使用方法进行研究并掌握，并且选择合适的型号应用在本设计中。以AT89S52单片机作为中央处理器，对硬件电路进行设计和驱动。软件部分主要是报警系统控制程序，按照软件实现的功能，主要分为主程序、初始化子程序、键盘处理子程序、报警子程序。

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第2章 系统总体设计方案

2.1 烟雾检测报警器设计思路

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。仪器的最基本组成部分应包括：烟雾信号采集电路、模数转换电路、温度信号采集电路、单片机控制电路、显示电路、按键电路以及声光报警电路。烟雾报警系统结构框图如图2-1所示。

烟雾传感器 A/D转换 单片机 LCD显示 LED指示灯 蜂鸣器报警 温度传感器 LED指示灯 继电器 按键 图2-1 烟雾检测报警系统结构框图

为适应家庭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器应不仅能在较宽的温度范围工作，而且应具有显示、故障自检、延时报警功能及可接计算机进行现场远测和实时控制等功能。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。

2.2 烟雾传感器的选型

烟雾传感器是测量装置和控制系统的首要环节。而烟雾报警器的信号采集由烟雾传感器负责。烟雾传感器能够将气体的种类及其浓度有关的信息转换为电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在的情况有关的信息，从而达到检测、监控、报警的功能。可以说，没有精确可靠的传感器，就没有精确可靠的自动检测、控制和报警系统。烟雾传感器作为报警器中不可缺少的核心器件，它决定了所采集的烟雾浓度信号的准确性和可靠性。

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烟雾传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量(即浓度)转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。传感器作为烟雾检测报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。由此可见，烟雾传感器的选型是非常重要的。

2.2.1 烟雾传感器的分类及简介

烟雾传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类：

（1）利用物理化学性质的烟雾传感器：如半导体烟雾传感器、接触燃烧烟雾传感器等。

（2）利用物理性质的烟雾传感器：如热导烟雾传感器、光干涉烟雾传感器、红外传感器等。

（3）利用电化学性质的烟雾传感器：如电流型烟雾传感器、电势型气体传感器等。

下面对工业上常用的几种烟雾传感器作简单介绍。 （1） 半导体烟雾传感器

半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器，以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器。由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的烟雾传感器之一。按照敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。

（2） 接触燃烧式传感器

当易燃烟雾接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧，故得名接触燃烧式传感器。接触燃烧式烟雾传感器的检测元件一般为铂金属丝(也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层)，使用时铂丝通电，保持300℃～400℃的高温，此时若与烟雾接触，烟雾就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道烟雾的浓度。

（3） 热传导传感器

热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。它的测量原理是：将加热后的铂电阻线圈置于目标烟雾中，由于向目标烟雾传送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻 值的变化情况。温度的变化情况是目标烟雾热传导率的函数，而对于一种给定的烟雾或汽化物，热传导率是它固有的物理特性。 （4） 红外传感器

红外传感器通常用两束红外光进行烟雾测量，主光束通过测量元件内的目标

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烟雾，参考光束通过比较元件内的参考烟雾。在测量和比较元件中，红外射线被烟雾有选择地吸收了。未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目标烟雾浓度的差分信号。非扩散式红外探测器是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。

2.2.2 烟雾传感器的选定

一个烟雾传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个完整的烟雾传感器都必须具备以下条件：

（1）能选择性地检测某种单一烟雾，而对共存的其它烟雾不响应或低响应； （2）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； （4）对检测信号响应速度快，重复性好； （5）长期工作稳定性好； （6）使用寿命长；

（7）制造成本低，使用与维护方便。

根据报警器检测烟雾种类的要求，一般选用接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器。

使用接触燃烧式传感器，其探头的阻缓及中毒，是不可避免的问题。阻缓是当在烟雾与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致传感器最终丧失检测烟雾的能力。如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。

半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器，它具有灵敏度高，响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。半导体烟雾传感器的性能主要看其灵敏度、选择性(抗干扰性)和稳定性(使用寿命)。

经过对比上述两种烟雾传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出：灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。因此，本设计采用半导体烟雾传感器作为报警器烟雾信息采集部分的核心。本设计选用MQ-2型烟雾传感器，这种传感器不但具备一般半导体烟雾传感器灵敏度 高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。

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2.2.3 MQ-2型烟雾传感器的工作原理

半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器。按敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。半导体气敏元件也有N型和P型之分。N型在检测时阻值随烟雾浓度的增大而减小；P型阻值随烟雾浓度的增大而增大。

本设计中采用的MQ-2型烟雾传感器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，属于表面离子式N型半导体。当处于200～300℃温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化，就会引起表面电导率的变化。利用这一点就可获得这种烟雾存在的信息。

遇到可燃烟雾（如CH4等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃烟雾以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面；氧脱附放出电子，烟雾以正离子状态吸附也要放出电子，从而使二氧化锡半导体导带电子密度增加，电阻值下降。而当空气中没有烟雾时，二氧化锡半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是MQ-2型燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的基本原理。MQ-2型传感器的结构图如图2-2所示。

MQ-2型传感器是由微型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。

图2-2 MQ-2型烟雾传感器结构图

2.2.4 MQ-2型烟雾传感器特性及主要技术指标

下面介绍MQ-2型传感器的一般特点：

（1）MQ-2型传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃

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蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。

（2）MQ-2型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定，响应时间短，长时间工作性能好。

（3）MQ-2型传感器具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例如酒精和烟雾等。

（4）电路设计电压范围宽，24V以下均可；加热电压5±0.2V。 MQ-2型传感器的基本特性： （1）灵敏度特性：

烟雾传感器在最佳工作条件下，接触同一种烟雾，其电阻值RS随气体浓度变化的特性称之为灵敏度特性，用K表示。

K=RS/RO (2-1)

式中，RS为烟雾传感器洁净空气条件下的电阻值，RS为烟雾传感器在一定浓度的检测烟雾中的电阻值。虽然对于不同的烟雾，器件灵敏度特性K的值也会各有差异，但是它们都遵循同一规律。

logRS=mlogC+n (2-2)

式中，m为器件相对烟雾浓度变化的敏感性，又称烟雾分离能，对于烟雾，m值为1/2～1/3；C为检测烟雾的浓度。n为与检测烟雾，器件材料有关，并随测试温度和材料中有无增感剂而有所不同。 （2）初期稳定特性：

半导体烟雾传感器在不通电状态存放一段时间后，再通电时，器件并不能立即投入正常工作。这是因为烟雾传感器中的二氧化锡在不通电的状态下会吸附空气中的水蒸气，当再次通电时需要预热几分钟使水蒸气蒸发后，气敏电阻才能正常工作。再通电工作时气敏电阻值达到稳定时所需要的时间，定义为初期稳定时间。一般情况下，不通电时间越长，初期稳定时间也越长，当不通电存放时间达到15天左右时，初期稳定时间一般需要5分钟左右。 （3）加热特性：

半导体烟雾传感器一般要在较高的温度(200～450℃)下工作，所以需要对其加热。由于传感器一般工作在易燃易爆环境下，若加热丝直接与电源相接，当加热丝局部短路造成器件过热或放电时，可能引发事故。所以必须使用传感器生产厂家推荐的加热电压，使其工作在较安全的范围内。MQ-2型烟雾传感器加热电压为（5±0.2）V，加热电阻为（31±3）Ω。当加热丝断路时，由于热惰性缘故，烟雾传感器的气敏特性并不立即消失，此时检测必出现较大的误差。为避免出现这种情况，并及时发现气敏元件的故障，需要设计加热丝故障诊断报警电路。

以下是MQ-2型传感器的特性参数： （1）回路电压：(Vc) 5～24V （2）取样电阻：(RL) 0.1～20K

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（3）加热电压：(VH) 5±0.2V （4）加热功率：(P) 约750mW

（5）灵 敏 度：以甲烷为例RO(air)/RS(0.1%CH4)＞5 （6）响应时间：Tres＜10秒 （7）恢复时间：Trec＜30秒

2.3 单片机的选型

2.3.1 单片机简介

单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领域。

单片机是烟雾自动检测报警系统的心脏，用来接收火灾信号并启动报警装置显示和执行相应的保护和消防动作。在单片机实现的控制功能中，需要单片机有较快的运算速度，使检测人员和用户在报警器系统正常工作时能够及时地观测到实时的烟雾浓度等级，并进行相应处理。同时，在能够满足报警器系统设计的计算速度及接口功能要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。

单片机作为最典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。由于其微小的体积和极低的成本，开发环境要求较低，软件资源十分丰富，开发工具和编程语言也大大简化，因此被广泛应用于家用电器、机器人、仪器仪表、工业控制单元、办公自动化设备以及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。

由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机家族的众多成员中，Atmel公司单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。根据多方面的比较，本设计采用AT89S52单片机。

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2.3.2 AT89S52单片机介绍

AT89S52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。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

AT89S52单片机具有40个引脚，包含4k bytes flash片内程序存储器，128 bytes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级中断优先权，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。

AT89S52单片机具有以下功能特性： （1）与MCS-51单片机产品兼容；

（2）8K字节在系统可编程Flash存储器； （3）1000次擦写周期；

（4）全静态操作：0Hz-33MHz； （5）三级加密程序存储器； （6）32个可编程I/O口线； （7）三个16位定时器/计数器； （8）8个中断源；

（9）全双工UART串行通道；

（10）低功耗空闲和掉电模式； （11）掉电后中断可唤醒； （12）看门狗定时器；

（13）灵活的ISP字节和分页编程、双数据寄存器指针； （14）掉电标识符。

按照功能，AT89S52的引脚可分为主电源、外接晶体振荡或振荡器、多功能I/O口、控制和复位等。AT89S52单片机的管脚排列图如图2-4所示。

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图2-5 AT89S52单片机的管脚排列图

AT89S52各个引脚的说明：52单片机有四个八位双向并行的I/O端口：P0,P1,P2,P3。端口映射于特殊功能寄存器中，每个端口都有字节地址，可以输入、输出字节数据，每个端口也有位地址，其各条I/O线也是单独的使用；对相应地址但愿执行读写指令，就实现了从相应端口的输入/输出操作。四个并行的端口P0,P1,P2,P3还具有各自不同的结构特点和功能。

（1）P0端口，该口是一个8位漏极开路的双向I/O口。在作为输出口时，每根引脚可以带动8个TTL输入负载。当把“1”写入P0时，则它的引脚可用作高阻抗输入。当对外部程序或数据存储器进行存取时，P0可用作多路复用的低字节地址/数据总线，在该模式，P0口拥有内部上拉电阻。在对Flash存储器进行编程时，P0用于接收代码字节；在校验时，则输出代码字节；此时需要外加上拉电阻。

（2）P1端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P1口的输出缓冲器可驱动4个TTL输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P1口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。对Flash编程和程序校验时，P1口接收低8位地址。P1.0与P1.1可以配置成定时/计数器2的外部计数输入端（P1.0/T2）与定时/计数器2的触发输入端（P1.0/T2EX），如表2-1所示。

表2-1 P1口管脚复用功能

端口引脚 P1.0 复用功能 T2（定时器/计算器2的外部输入端） 10

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P1.1 P1.5 P1.6 P1.7 T2EX(定时器/计算器2的外部触发端和双向控制) MOSI（用于在线编程） MOSO（用于在线编程） SCK（用于在线编程） （3）P2端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P2口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

在访问外部程序存储器或16位的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址，在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口引脚上的内容在整个访问期间不会改变。在对Flash编程和程序校验期间，P2口也接收高位地址或一些控制信号。

（4）P3端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P3口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P3口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在AT89S52中，同样P3口还用于一些复用功能，如表2-2所列。

表2-2 P3端口引脚与复用功能表

端口引脚 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 复用功能 RXD（串行输入口） TXD（串行输出口） INT0（外部中断0） INT1（外部中断1） T0（定时器0的外部输入） T1（定时器1的外部输入） WR（外部数据存储器写选通） RD（外部数据存储器读选通） RST：复位输入端。在振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使其单片机复位。看门狗定时器（Watchdog）溢出后，该引脚会保持98个振荡周期的高电平。在SFR AUXR（地址8EH）寄存器中的DISRTO位可以用于屏蔽这种功能。DISRTO位的默认状态，是复位高电平输出功能使能。

ALE/PROG:地址锁存允许信号。在存取外部存储器时，这个输出信号用于锁存低字节地址。在对Flash存储器编程时，这条引脚用于输入编程脉冲PROG。一般情况下，ALE是振荡器频率的6分频信号，可用于外部定时或时钟。

但是，在对外部数据存储器每次存取中，会跳过一个ALE脉冲。在需要时，可以把地址8EH中的SFR寄存器的0位置为“1”，从而屏蔽ALE的工作；而只有

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(2) 在DS18B20的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS18B20 超过8个时钟，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。

(3) 连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用DS18B20进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。

(4) 在DS18B20 测温程序设计中，向DS18B20 发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20 的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20 时，将没有返回信号，程序进入死循环。

2.5 本章小结

本章主要阐述了报警器的设计方案，并且从结构、功能、技术指标三方面对报警器进行了详细的论述。根据本设计的具体要求，选择了MQ-2烟雾传感器、AT89S52单片机和DS18B20温度传感器。

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第3章 系统的硬件电路

3.1 AT89S52单片机最小系统电路

图3-1 AT89S52单片机最小系统电路

1、电源电路：向单片机供电。AT89S52单片机的工作电压范围为4.0V—5.5V， 所以通常给单片机外接5V直流电源。连接方式为：VCC(40脚）接电源+5V，VSS(20脚）：接地端。

2、时钟电路：AT89C52单片机芯片内部设有一个由反向放大器构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端，时钟可由内部或外部生成，在XTAL1和XTAL2引脚上外接晶体振荡器Y，内部振荡电路就会产生自激振荡。系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振频率选择12MHZ，C1、C2的电容值取30pF，电容的大小起频率微调的作用。

3、复位电路：单片机有多种复位电路，本系统采用自动复位（上电复位）与手动复位方式。当上电时，C3充电，电源经过电容器C3加到RESET引脚，使单

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片机复位；在正常工作时，按下复位键时单片机复位。

3.2 烟雾信号采集及A/D转换电路

ADC0832是NS(National Semiconductor)公司生产的串行接口8位A/D转换器，通过三线接口与单片机连接，功耗低，性能价格比较高，适宜在袖珍式的智能仪器仪表中使用。其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。芯片具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件连接和处理器控制变得更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。其主要特点如下：

1、 8位分辨率，逐次逼近型，基准电压为5V； 2、 5V单电源供电；

3、 输入模拟信号电压范围为0～5V； 4、 输入和输出电平与TTL和CMOS兼容； 5、 在250KHZ时钟频率时，转换时间为32us； 6、 具有两个可供选择的模拟输入通道； 7、 功耗低，15mW。

ADC0832有DIP和SOIC两种封装，DIP封装的ADC0832引脚排列如图3-2所示。

图3-2 ADC0832引脚图

各引脚说明如下：

1、 CS——片选端，低电平有效。 2、 CH0，CH1——两路模拟信号输入端。 3、 DI——两路模拟输入选择输入端。 4、 DO——模数转换结果串行输出端。 5、 CLK——串行时钟输入端。

6、 Vcc/REF——正电源端和基准电压输入端。 7、 GND——电源地。

正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所

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以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2 位数据用于选择通道功能，其功能项见表3-1。

表3-1 ADC0832通道选择配置位 输入形式 差分输入 单端输入 配置位 CH0 0 0 1 1 CH1 0 1 0 1 选择通道 CHO CH1 + - + - + + 如表3-1所示，当此2 位数据为“1”、“0”时，只对CH0 进行单通道转换。当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。当2位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当2位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1作为正输入端IN+进行输入。到第3个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATA0。随后输出8位数据，到第19个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。 作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是0～5V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV。如果作为由IN+与IN-输入的输入时，可是将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。但值得注意的是，在进行IN+与IN-的输入时，如果IN-的电压大于IN+的电压则转换后的数据结果始终为00H。

图3-3 烟雾采集及A/D转换电路

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烟雾传感器MQ-2将烟雾信号转化为模拟的电压信号，通过一个可变电阻来调节烟雾传感器的灵敏度，6脚接ADC0832的CH0端，通过CH0进行单通道数据转换。ADC0832的1脚接单片机的P3.7引脚，7脚CLK接P3.5引脚，5脚和6脚并联接在P3.6引脚上。由单片机通过P3.7端口输出低电平，ADC0832开始进行模数转换，P3.5给ADC0832提供稳定的时钟脉冲信号。

3.3 温度采集电路

图3-4 温度采集电路

DS18B20温度传感器的1脚接地，2脚数据端接单片机的P3.4，3脚接VCC，为了确保DS18B20工作可靠，2脚要接10K的上拉电阻。

3.4 LCD显示电路

本系统的显示部分采用LCD1602字符显示模块，1602LCD 分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为 HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别。图3-5为LCD1602显示屏的引脚图。LCD1602主要技术参数如下：

1.显示容量:16×2个字符 2.芯片工作电压:4.5—5.5V 3.工作电流:2.0mA(5.0V) 4.模块最佳工作电压:5.0V 5.字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm

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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 VSS VCC VO RS R/W E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 BLA BLK LCD1602

图3-5 LCD1602引脚图

LCD1602引脚功能说明： 第1脚：VSS为地电源。 第2脚：VDD接5V正电源。

第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚：RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：R/W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R/W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R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。

第 6 脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第 7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。 第 15脚：背光源正极。 第 16脚：背光源负极。

LCD显示屏在使用之前须根据具体配置情况初始化，初始化可在复位之后完成，过程一般如下:

（1）清屏。清除屏幕，将显示缓冲区DDRAM的内容全部写入空格。光标复位，回到显示器的左上角。地址计数器AC清零。

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（2）功能设置。设置数据位数，根据LCD1602与处理器的连接选择（LCD1602为双行显示）。设置字形大小。

（3）开/关显示设置。控制光标显示，字符是否闪烁等。

（4）输入方式设置。设定光标的移动方向以及后面的内容是否移动。 图3-6是LCD1602与单片机连接的电路图：

图3-6 LCD显示电路

其中，单片机的P0.0～P0.7引脚与LCD1602的7～14引脚相连，因为AT89S52单片机的P0口没有上拉电阻，所以在它们中间接入10K的排阻，以实现数据的通讯传输。单片机的P2.5～P2.7引脚与LCD1602的4～6引脚相连，进行寄存器的选择及读写功能操作的选择。

3.5 蜂鸣器报警电路

图3-7 蜂鸣器报警电路

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本系统中采用蜂鸣器报警，由于单片机输出电流较小，所以用三极管S9013驱动蜂鸣器发出声音。单片机的P3.3口连接三极管基极，当检测到火灾隐患时，P3.3输出高电平，三极管工作在放大状态，电路导通，蜂鸣器报警。

3.6 继电器控制电路

图3-8 继电器控制电路

本系统采用9012三极管驱动继电器工作，来控制继电器工作，当温度低于设定的下限时，或者当温度高于设定的上限时，或者当烟雾浓度高于设置的烟雾报警等级时，单片机控制继电器动作，同时点亮发光二极管D2。

3.7 按键电路

报警数值用按键S2，S3，S4来设置，S2为调整键，按一下调整烟雾报警限值，按第二下调整温度报警下限值，按第三下调节温度报警上限值，按第四下取消光标显示，屏幕恢复正常显示。S3、S4、分别为减小键和增大键，和调整键配合使用。

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图3-9 按键电路

3.8 本章小结

本章对烟雾报警器的硬件设计进行了简单的介绍，画出了系统各部分的接线图，为后面的系统软件设计奠定了硬件基础。分别设计了烟雾浓度采集电路、温度采集电路、LCD显示电路、蜂鸣器报警电路、继电器控制电路和按键电路，使我对各芯片的组成结构、工作方式及实际应用有了进一步的认识和理解。

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第4章 软件设计

4.2 主程序初始化流程图

开始 设置定时初值50ms 设置定时器0，选择方式1 打开定时器0中断允许 关闭蜂鸣器 打开绿灯 是否保存报警初值 Y 结束 图4-1 主程序初始化流程图

N 设定初值

主程序初始化流程图如图4-1所示。系统上电后，程序开始执行初始化子程序。所谓初始化，是对将要用到AT89S52单片机内部部件或扩展芯片进行初始化工作状态设定。这部分实现的功能包括各种I/O口输入输出状态的设定、寄存器初始化、允许某些中断源和设置中断优先级等。

4.3 按键控制子程序流程图

按键由于弹性作用的影响，在闭合及断开均有抖动过程，从而使电压也出现抖动，所以在识别按键时要消除抖动的影响。按键的识别方法采用扫描法，不同的按键控制不同的功能。

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