基于单片机的火灾自动报警系统设计.doc

摘 要本篇文章通过将单片机与传感器技术相结合，设计出了这套基于单片机的火灾自动报警系统。本次设计的核心选用ATMEL公司的AT89S52单片机。AT89S52单片机具有低功耗、高性能等特点，并且能兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。本次设计选用温度传感器与烟雾传感器对信号进行采集，温度传感器选用美国DALLAS公司生产的DS18B20数字温度传感器，该传感器可直接将温度信号转换成数字信号给单片机，并且能设定温度报警值，电路构造简单，功能较齐全。烟雾传感器选用MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器，该传感器属于气敏传感器，将可燃气体在空气中的含量转换成电压或者电流信号，通过A/D转换器ADC0832将模拟量转换成数字量后送到单片机。最后通过液晶显示模块显示出气体的浓度与实时温度。这套基于单片机的火灾自动报警系统的功能较为完善，结构也较为简单，具有很强的实用价值。关键字：火灾自动报警系统；DS18B20；MQ-2；ADC0832Abstract This thesis by microcontroller and sensor technology, design a set of microcontroller-based automatic fire alarm system. The design of the core selection ATMEL Corporation AT89S52 MCU. AT89S52 microcontroller with low power consumption, high performance and other features, and is compatible with standard MCS-51 instruction set and 80C51 pin structure. The design uses a temperature sensor and smoke sensor signal acquisition, temperature sensors use the United States produced DALLAS DS18B20 digital temperature sensor, the sensor temperature signal can be directly converted into a digital signal to the microcontroller, and can set the temperature alarm value, the circuit simple structure, functions more complete. Smoke sensor selection MQ-2 type semiconductor combustible gas sensors smoke sensor, the sensor is sensitive sensor, the combustible gas concentration in the air or a current signal into a voltage, the A / D converter converts the analog ADC0832 digital amount and sent to microcontroller. Final selection LED module shows real-time gas concentrations and temperatures. This microcontroller-based automatic fire alarm system function more perfect, the structure is relatively simple, has a strong practical value.Key words:Automatic fire alarming system;DS18B20;MQ-2;ADC0832目 录1 绪论1 1.1 选题背景与意义1 1.2 本设计的主要内容22 火灾自动报警系统的工作原理3 2.1 一般火灾系统总体功能3 2.2 本次设计系统工作原理3 2.3 火灾报警系统的类型4 2.3.1 感光型火灾自动报警系统4 2.3.2 感温型火灾自动报警系统5 2.3.3 感烟型火灾自动报警系统5 2.3.4 复合型火灾自动报警系统5 2.4 火灾探测器的原理5 2.4.1 光辐射探测器5 2.4.2 感烟探测器6 2.4.3 感温探测器63 系统的硬件设计7 3.1 单片机最小系统的设计7 3.1.1 单片机的介绍7 3.1.2 AT89S52的介绍8 3.1.3 AT89SXX与AT89CXX的比较10 3.1.4 单片机最小系统11 3.2 温度采集模块的设计11 3.2.1 DS18B20的介绍12 3.2.2 DS18B20的工作方式12 3.2.3 温度采集模块13 3.3 气体采集模块的设计13 3.3.1 MQ-2气体传感器的介绍14 3.3.2 MQ-2气体传感器的指标14 3.3.3 ADC0832模数转换器15 3.3.4 ADC0832与单片机连接工作原理16 3.3.5 气体采集模块17 3.4 报警电路及显示模块18 3.4.1 蜂鸣器18 3.4.2 LED灯19 3.4.3 按键报警19 3.4.4 显示模块194 系统的软件设计21 4.1 程序编写软件21 4.2 主程序的流程21 4.3 温度传感器的流程21 4.3.1 DS18B20的初始化流程22 4.3.2 DS18B20的写操作22 4.3.3 DS18B20的读操作235 系统的调试25结 论27致 谢29参考文献30附录A 英文原文31附录B 汉语翻译39附录C 主程序47附录D DS18B20程序48附录E 原理图511 绪论1.1 选题背景与意义火灾是指可燃物在时间或空间上失去控制的燃烧所带来的灾害。在各种各样的灾害里，火灾是对人身安全与社会发展影响最大的灾害之一。火焰，在人类悠久漫长的发展历程中给我们带来光明与进步的同时也带来了很多血与泪的教训。随着2001年中国入世成功，我国的经济得到了飞速的发展，电子产业以及建材产业取得了很大的进步，各种新颖的家用电器与新型的装修材料逐渐融入我们的生活，这也加大了我们身边的火灾隐患，几乎每天都会有火灾的发生，根据联合国在2000年公布的数据，现在每年全球大约会有六百万到七百万的火灾事件发生，每年大约有六万五千人到七万五千人在火灾中丧生。统计中显示，欧洲及北美地区的火灾频率比亚洲及非洲地区高出很多，但是在死亡人数上却比亚、非两个地区低了好多，原因是欧洲及北美的经济水平比较发达，亚洲及非洲的经济发展比较落后，在消防的设施与技术上差距比较大。根据我国自身的数据显示，上世纪七十年代我国由于火灾造成的经济方面的损失每年在2.5亿元左右，在上世纪八十年代这个数字升为3.2亿元人民币，而自从90年代改革开放以来，这个数字已经升至十几亿元，短短的20多年翻了好几倍，而每年由于火灾死亡的人数在两千人左右。这些数字无时无刻不提醒我们，社会在不断地发展，人类也在不断地进步，诸如火灾这类的灾害也在不断地扩大危害范围，火灾毁坏的不仅仅是我们努力创造的财产，还摧残着我们的心灵。这些血与痛的现实让我们渐渐地意识到了自动监控报警系统的重要性，如果有一个性能完善的火灾监控及报警系统，就能够有效地帮助人们保证财产安全，降低伤亡人数。于是人们为了实现这一点开发出了火灾自动报警系统，最初的火灾自动报警系统的探测器是以开关量探测器为主，而现在逐渐转变成了模拟量传感器，使得报警器更加智能化，准确性也得到了提高。火灾自动报警系统可以快速准确地对火情进行实时监控，很多早期火灾特性人类很难察觉，但是报警系统却可以。在火灾最初时期，由于可燃物的不完全燃烧，会生成大量的有毒气体一氧化碳，人们可能会在毫无戒备的情况下发生一氧化碳中毒，报警系统可以及时准确地掌握空气中一氧化碳的浓度变化，在一氧化碳浓度超出标准值时发出报警信号。火灾自动报警系统也可以通过互联网与消防局相结合，当有火灾发生时及时准确地通知消防局，使得消防员可以迅速的到达事发地点，将火灾扼杀在萌芽之中。1.2 本设计的主要内容本次设计将单片机、温度传感器、气体传感器、A/D转换器与LED显示灯模块相结合，设计出了一套以单片机为核心的火灾自动报警系统。它可以实现声光报警、报警值的设置以及浓度值的显示等功能。结构计较简单，价格计较便宜，性能较为稳定，有着不错的使用价值。本次设计单片机选用ATMEL公司的AT89S52单片机，温度传感器选用美国DALLAS公司生产的DS18B20数字温度传感器，浓度传感器选用MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器，A/D转换器选用ADC0832，通过将以上器件相结合完成以下几点：第一，基于AT89S52单片机的火灾自动报警系统总体方案的设计。第二，了解温度传感器DS18B20、浓度传感器MQ-2、A/D转换器ADC0832等器件的相关工作原理。第三，将以上器件相结合设计出火灾自动报警系统的硬件电路。第四，设计出系统主要的软件程序模块。第五，电路调试，完成电路板的焊接。2 火灾自动报警系统的工作原理2.1 一般火灾系统总体功能一般的火灾自动报警系统由三部分构成，分别是区域报警器、集中报警器以及火灾探测器。区域报警器是将所收到的信号通过声光报警的形式展现，它的屏幕显示出着火的地点方位，及时通知相关的值班人员。集中报警器也是将信号通过声光报警的形式展现，通过特有的通讯设备向消防队报警。火灾探测器是根据一般火灾会产生的化学与物理现象比如热、光、烟、气的检测，将检测到的信号转换为电信号传递给火灾报警的控制器。整体的电路框图如2-1所示： 图2.1 系统组成框图2.2 本次设计系统工作原理这次基于单片机的火灾自动报警系统的设计中，是以AT89S52单片机作为核心，以MQ-2气体传感器采集可燃气体方面的信息，以DS18B20温度传感器采集温度方面的信息，由于美国达拉斯公司生产的DS18B20为数字温度传感器，所以可以不必连接A/D转换器，直接与单片机相连接，将信号传递给单片机。而对于MQ-2气体传感器来说，它所输出的信号比较微弱，需要一个放大电路对它进行放大处理。再通过A/D转换器ADC0832进行模拟信号向数字信号的转换，最后将转换得到的数字信号送给单片机处理。在AT89S52单片机中预先设定出了报警的数值，其中有可燃气体浓度值与实时温度报警临界值。在单片机通电正常工作后，时刻判断所检测到的温度与可燃气体浓度数值，如果检测到的数据超过了预先设定的报警临界值，LED灯与蜂鸣器将同时工作进行报警，如果检测到的数据并没有超过预先设定好的临界报警值，单片机将继续采集新的数据，同时如果触发按键报警信号也会报警。CAI3461BH与单片机相连接，时刻显示单片机所输出的信号，液晶显示模块既可显示气体的数值也可以显示周围环境的温度，系统的工作原理图如图2.2所示： 图2.2 工作原理图2.3 火灾报警系统的类型就目前而言，在火灾自动报警系统中根据探测器的种类不同，火灾自动报警系统可分为4种。2.3.1 感光型火灾自动报警系统物质在燃烧的过程中会产生光的辐射，感光型的火灾自动报警系统就是通过感应物质燃烧中产生的光的特性，即扩散火焰的闪烁频率与火焰的光强度，来触发火灾自动报警系统的。而根据感应的敏感波长，又可以把感光型的火灾自动报警系统分成两种，一种是对于波长较长的光辐射敏感的红外线火灾自动报警系统，一种是对于波长较短的光辐射敏感的紫外线火灾自动报警系统。2.3.2 感温型火灾自动报警系统众所周知，在火灾的发生过程中，物质的燃烧会产生大量的热量，实时的温度会发生快速的变化，感温类型的火灾自动报警系统就是通过检测实时变化的温度而产生响应的报警系统。将检测到的温度通过转换变为电信号传递给控制器。目前，根据检测的温度的参数不同，可以将感温性的火灾自动报警系统分为两种，一种是温差式火灾自动报警系统，一种是定温式火灾自动报警系统。2.3.3 感烟型火灾自动报警系统燃烧的物质不仅仅会产生光辐射与热量，烟雾也是火灾的一个重要特性。在火灾发生前期，由于物质的不完全燃烧以及较低的温度，大多数的可燃物质都处在一个低燃烧的阶段，会产生很多的烟雾。感烟型的火灾自动报警系统就是对那些不可见或者可见的烟雾粒子进行检测，将烟雾的浓度信号转换为电信号传递给控制器，当空气中的烟雾粒子超出标准时，发出报警信号，就目前而言感烟型的火灾自动报警系统的种类较多，最常用的有三种：离子感烟型火灾自动报警系统，光电感烟型火灾自动报警系统以及激光感烟型火灾自动报警系统。2.3.4 复合型火灾自动报警系统在一个火灾自动报警系统中，如果能够实现对光辐射、温度与烟雾中两种及两种以上的参数做出检测的，我们称这种报警系统为复合型的火灾自动报警系统，复合型火灾自动报警系统可分为感烟感光型火灾自动报警系统，感烟感温型火灾自动报警系统，感光感温型火灾自动报警系统以及感烟感光感温型火灾自动报警系统。2.4 火灾探测器的原理在火灾出现的时候，一定会有火光、烟雾以及高温的产生，探测器对于这些信号都是非常敏感的。当有火光、烟雾以及高温产生的时候，探测器就会从正常状态变成工作状态，它的机械部分或者电压、电流产生变化，经过放大与传输产生声与光的报警，有些还会显示出火灾产生的地点。火灾探测器主要分为三种，分别是光辐射探测器、感烟探测器与感温探测器。2.4.1 光辐射探测器光辐射探测器主要分为两种，分别是紫外光辐射探测器与红外光辐射探测器。紫外光辐射探测器的原理是有机化合物在燃烧时都会产生紫外光，紫外光照射到紫外光敏管的电极上激发出离子，经过继电器等原件就能打开开关电路进行报警。而红外光辐射探测器的原理则是化学物质在燃烧时会产生红外光辐射，使得硫化铅红外光敏元件产生感应，成为电信号后通过放大最后实现报警。2.4.2 感烟探测器就目前而言，感烟探测器主要分为四种，分别是光电感应探测器、管道抽吸式感烟探测器、离子感烟探测器以及最近几年出现的激光感烟探测器。光电感应探测器上有着一个光敏元件与一个发光的元件，正常工作的情况下，发光元件会发出光，经过透镜的作用照到光敏元件上，电路保持畅通，当有烟雾产生时，烟雾会阻断光的传射，光敏电阻上所接收到的光明显减少，这时光敏电阻就会把光强弱的变化转换为电的变化，经过放大电路的作用报警。管道抽吸式感烟探测器的工作原理和光电感应探测器的工作原理接近，通过烟雾的散射与反射产生出光敏电流，这种探测器主要应用在船舶上。对于最近几年刚刚兴起的激光感烟探测器，它的工作原理也是应用到了光电感应的原理，它的不同之处在于光源不是由发光元件产生的而是由激光发出的，它应用的是半导体元件，相比其它光电感应探测器它的寿命更长，体积更小，价格也十分低廉。最后一种离子感烟探测器，它的工作原理是在它的内外电离室里有着放射源镅241，由于电离产生的正负离子通过电场的作用各自向正极与负极移动。电路正常导通时，内外的电离室中的电压与电流都是稳定的，当出现烟雾进入外电离室，就会干扰带电粒子的运动，电压与电流就会发生变化，影响了内外的电离室间的平衡关系，发出报警信号。2.4.3 感温探测器感温探测器主要分为定温型探测器与差温型探测器。定温型探测器是当接收到的温度超过设定的报警值时就会报警。定温型探测器根据原理分也可以分为两种，一种是利用一些金属熔点低的特性，在探测器中放置一块熔点较低的合金，当温度达到它的熔点时，金属会融化，通过弹簧的弹力，使得接触点相接，电路导通，发出报警信号。另一种是利用金属热胀冷缩的性质。在外界温度正常的情况下，感温探测器的电路处于断路状态，当外界温度发生变化达到某一值时，金属热涨发生延伸，电路导通，发出报警信号。差温型探测器是当温度升高的速度超过设定的值时会进行报警。3 系统的硬件设计3.1 单片机最小系统的设计对于火灾自动报警系统的设计，单片机是整个设计的核心部分。单片机不仅仅要接收从烟雾传感器与温度传感器传送来的检测信号，还要对收集到的信号进行处理，以便于执行电路以后的对应动作。并且当有按键请求时，单片机也要进行相应的动作。作为一个报警系统，单片机在工作的过程中必须具有良好的反应速度，以便在最快的时间内分析数据完成报警，同时还要考虑应选用价格较为低廉并且功耗较低的单片机，经过这些方面的考虑，最终选择由ATMEL公司生产的AT89S52单片机。3.1.1 单片机的介绍所谓单片机就是在由各种部件共同集成在一个硅片上的微型计算机。就目前而言，大规模的集成电路技术已经有了很好的发展，可以在一块芯片上集成中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）、定时器计数器和输入/输出（I/O）接口电路等主要的计算机部件。虽然说单片机只是一个很小的芯片，但从它的功能与组成上来看，已经具备微机系统的含义。因为单片机能够独立的执行内部程序，所以又可以称它为微型控制器。自从单片机出现以来，单片机的性能一直在完善与提高，它不仅仅能够满足很多应用地方的需求，而且单片机拥有集成度高、速度快、功能强、使用方便、性能可靠、价钱便宜等特点。所以，在工业的控制、数据的采集和处理等领域有着十分广泛的应用，并且它正在一步一步的取代现有的多片微机的应用系统。单片机自身所拥有的潜力在逐渐被人们重视，所以更加增大了单片机的应用范围，也进一步使单片机的技术得到了发展，就单片机的发展历史看，可以分成三个主要阶段。第一个阶段是从1976年到1978年，这是初级单片机微的处理阶段。在这个时期的单片机具有 8 位的时序同步计数器，8 位CPU，并行 I/O 端口，寻址范围 4KB，但是并没有串行口。第二阶段是从1978年到1982年，这是高性能单片机微机的处理阶段，这个时期的单片机相比之前而言拥有多级中断处理系统，也拥有I/O 串行端口，RAM、ROM的容量变大，有15 位时序同步技术器，寻址范围可以达到64KB。第三阶段是从1982年到现在，是单片机微处理改良型与16位单片机的微处理阶段。单片机的应用十分广泛，它逐渐变成科技领域的有力工具，因为单片机具有显著的优点，它在很多领域都有着应用，就目前而言它在以下5个领域的应用比较广泛。首先是单片机在机电一体化中的应用。机电一体化是机械工业发展的一个重要方向。机电一体化产品指的是集机械技术、计算机技术以及微电子技术于一身，拥有智能化的特征的机电产品，像单片机数字时钟的设计床、钻床等。单片机以控制器的身份出现在产品中，它有体积小、可靠性高、功能强的优点，可以大大的提高机器的智能化与自动化的程度。第二点是单片机在智能仪表上的应用，它不仅能够提高其性能价格比，简化仪器仪表的硬件结构，还能够提高测量的自动化程度与精度。第三点是单片机在分布式多机系统中的应用。在比较复杂的系统中，经常采用分布式的多机系统。多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成自己的特定任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。单片机在这种系统里以终端机的形式存在，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量与控制。单片机的高可靠性与强抗干扰能力，可以使它置于恶劣环境中工作。第四点是单片机在实时控制中的应用。单片机在各种实时控制系统中都被应用。像在航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以把单片机当做主要的控制器。单片机的实时数据处理能力与控制功能，可以让系统处于最佳的工作状态。最后，是单片机在人类生活中的应用。自从单片机出现以来，它就一步一步地走进我们的生活，像洗衣机、电冰箱、收录机等常见家用电器配上单片机以后，大大的提高了其智能化程度，也增加了很多功能，深受人们的欢迎。单片机让我们的生活变得更加方便，更加多姿多彩。3.1.2 AT89S52的介绍AT89S52作为一个CMOS8位的微控制器，具有低功耗与高性能等特点，同时AT89S52拥有8K的在系统可编程Flash存储器，采用ATMEL公司高密度且非易失性存储器技术生产制造的，对于MCS-51的指令与80C51的引脚是完全兼容的。AT89S52在很多嵌入式控制中得到了广泛的应用。 AT89S52功能十分强大，拥有以下标准的功能：第一，拥有4组共32个可编程I/O口线，8k字节的Flash空间用于存储，256字节的程序运行空间（RAM）。第二，最多可以支持64k的外部存储的扩展。第三，拥有3个16位的定时器/计数器与8个中断源。第四，拥有断电保护功能、看门狗定时器功能以及设置低能耗的模式。第五，在电压范围4V到5.5V间，AT89S52都可以正常工作。AT89S52一共有40个引脚，其中有4组共32个可编程I/O口线。其中P0口是拥有8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口使用，每位能驱动8个TTL逻辑电平。当向P0的端口书写“1”时，引脚则高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以被当做低8位地址/数据复用。当处于这种情况时，P0是不具有内部上拉电阻的。flash的编程过程中，P0口也可以接收指令字节。程序校验的过程中，输出指令字节。不过在程序校验的过程中，需要外部的上拉电阻。而P1口则是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P1的输出缓冲器能够驱动4个TTL逻辑电平。除此之外P1.0与P1.1分别被用于定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX）。在flash编程与校验的过程中，P1的口接收低8位地址字节。P2口是一个拥有内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P2的输出缓冲器也是能够驱动4个TTL逻辑电平。当向P2端口书写“1”时，内部上拉电阻会将端口拉高，这样可以被当做输入端口来使用。再被当做输入使用的过程中，因为内部电阻的原因，被外部拉低的引脚将输出电流。而对于P3口也与P1、P2口一样是一个拥有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P1的输出缓冲器能够驱动4个TTL逻辑电平。P3口的第二个功能是作为AT89S52的特殊功能口存在。端口引脚的第二个功能：P3.0作为串行输入口使用（RXD），P3.1 作为串行输出口使用（TXD），P3.2则代表外中断0（INTO），P3.3是外中断1（INT1），P3.4是定时/计数器0（TO），P3.5是定时/计数器1（T1），P3.6是外部数据存储器写选通（WR），而P3.7则是外部数据存储器读选通（RD）。flash编程与校验的过程中，P3口也可以接收一些控制信号。RST的作用是复位输入。振荡器在工作的状态下，RST引脚会出现两个机器周期以上高电平将使得单片机复位。EA/VPP是外部访问允许，如果要使CPU仅访问外部程序存储器EA端必须保持在低电平（接地）。XTAL1是振荡器反相放大器与内部时钟发生电路的输入端。XTAL2是振荡器反相放大器的输出端。PSEN，程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。ALE/PROG是当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。AT89S52的引脚图如图3.1所示： 图3.1 AT89S52引脚图3.1.3 AT89SXX与AT89CXX的比较AT89SXX系列与AT89CXX系列相比有着非常明显的升级，AT89SXX比AT89CXX的性能优越主要集中在以下四点：首先，AT89SXX的电压范围较宽，它的范围在4V到5.5V之间，而AT89CXX的电压范围则比较窄，当高于5.3V或者低于4.8V时芯片无法正常工作。其次，AT89CXX在性能方面也与AT89SXX有着很大的差距，AT89SXX的最高工作频率达到了33MHz，而AT89CXX的最高工作频率只有24MHz。第三，AT89SXX系列与AT89CXX系列写入程序的方式不同，AT89CXX系列只能够并行写入，与此同时还需要VPP来写入高压，而AT89SXX系列则支持ISP的在线可编程写入的技术，串行书写，稳定性更好，速度也得到提高，而且烧写的电压要求在4V到5V即可。最后，AT89SXX系列单片机具有兼容性，可以完全兼容AT89CXX系列单片机。3.1.4 单片机最小系统一般来说，单片机的最小系统由单片机、复位电路以及晶振电路组成。如图3.2所示为本次设计的单片机最小系统。复位电路的作用是给单片机一个复位信号，让单片机的程序从头开始，复位电路与单片机的RESET接口相连接。晶振电路的作用是保证系统的正常工作。晶振电路是由一个晶振和两个电容组成，本次设计的晶振电路选用的晶振为12MHZ，两个电容的大小均为30pf。 图3.2 单片机的最小系统3.2 温度采集模块的设计本次设计中的温度采集元件选用DS18B20数字温度传感器，DS18B20数字温度传感器是由美国DALLAS公司生产制造的，它拥有体积小，使用方便，耐磨耐碰等特点，适合应用在各种狭小空间设备数字测温与控制领域。通过DS18B20数字温度传感器，可以准确地检测出周围温度的变化，然后直接将数据传送给单片机进行分析与处理，完成对周围空间的实时温度监测。3.2.1 DS18B20的介绍DS18B20数字温度传感器能够提供9位温度读数，指示器件的温度。信息经过单线接口进入DS18B20或者从DS18B20传送出，因此从中央处理器到DS18B20仅需连接一条线（和地）。而读写与完成温度变换所需要的电不需要外部电源，可以由数据线自己提供。DS18B20拥有以下特点：测量范围比较宽，达到-55+125。等效的华氏温度范围是-67°F257°F；以9位数字方式读出温度；可以在1秒的时间内把温度变换为数字信号；用户可定义的，非易失性的温度告警设置；就目前而言应用范围包括工业现场系统，热敏系统以及恒温控制。3.2.2 DS18B20的工作方式DS18B20是一个同时拥有温度检测与数字数据两种功能的芯片，它抗干的扰力较其它温度传感器来说更强。一个工作周期可分成两个部分，温度的检测与数据的处理。DS18B20温度传感器内一共有共有三种形态的存储器资源，它们分别是：ROM、RAM与EEPROM。 ROM为只读存储器，它的作用是存放DS18B20 ID的编码，其前8位是单线系列的编码，后面48位则是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56位的CRC码（冗余校验）。数据在出产时设置不由用户更改。DS18B20共64位ROM。RAM 是数据暂存器，用于内部计算与数据存取，数据在掉电后会丢失，DS18B20共9个字节RAM，每个字节为8位。第1、2个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4个字节是用户EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。在上电复位时其值将被刷新。第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。第6、7、8个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。第9个字节为前8个字节的CRC码。EEPROM 非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在镜像，以方便用户操作。如图3.3所示为DS18B20温度传感器的引脚图。图3.3 DS18B20引脚图3.2.3 温度采集模块如图3.4所示为本次设计的接线图，DS18B20温度传感器的一号管脚接地，三号管脚接5V的电源上，因为DS18B20为数字温度传感器，所以不需要模拟信号向数字信号转换的过程，所以二号管脚则可以直接与单片机的P2.3连接，这就构成了本次设计的温度采集模块。 图3.4 温度采集模块3.3 气体采集模块的设计气体采集模块是能够检测环境中的烟雾等气体的浓度，并将其转换为数字信号传递给单片机，气体采集模块是由四部分组成的其中包括：气体信号的采集电路、模拟放大电路、模数转换电路以及单片机控制电路。气体信号采集电路一般由气体传感器与模拟放大电路组成，将烟雾等气体信号转化为模拟的电信号。模数转换电路将从烟雾检测电路送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。3.3.1 MQ-2气体传感器的介绍本次设计中选取的是MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器，它属于气敏传感器，是气-电变换器，MQ-2可以把可燃性气体在空气中的浓度转化成电流信号或者电压信号，再经过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后传入单片机，最后单片机完成数据方面的处理与报警控制的工作。MQ-2型烟雾传感器是二氧化锡半导体气敏材料，它属于表面离子式N型半导体。当处在200到300°C温度的时候，二氧化锡会吸附空气中的氧气，形成氧的负离子吸附，半导体中的电子密度迅速降低，从而使得它的电阻值变大。和烟雾发生接触的时候，晶粒间界位子的势垒会受到该烟雾的影响而产生变化，从而引起表面的电导率产生变化。通过这一点就可以准确的获得这种烟雾存在的信号。当遇到可燃烟雾的时候，原来吸附的氧脱附，而改由可燃烟雾以正离子的状态吸附在二氧化锡半导体的表面上，氧脱附放出电子，而烟雾以正离子状态吸附也要放出电子，因此使得二氧化锡半导体导带电子密度增加，电阻值降低。而当空气中没有出现烟雾的时候，二氧化锡半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使得电阻值升高到最初的状态。这就是MQ-2半导体型可燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的基本工作原理。MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器的响应很快，抗干扰的性能十分良好，它的灵敏度高，价格也比较便宜，并且不用担心发生探头阻缓或者中毒的现象。所以本次设计选用MQ-2气体传感器作为烟雾信息采集的核心部分。3.3.2 MQ-2气体传感器的指标MQ-2型传感器的一般对于液化石油气与天然气等烟雾有着很高的灵敏度，尤其对烷类的烟雾MQ-2型传感器表现得更加敏感。同时MQ-2型传感器具有十分优良的重复性与长期的稳定性，初始比较稳定，响应的时间短，即使在长时间工作下性能也十分良好。电路设计电压范围比较宽，范围在024V，加热电压在5V左右。一般的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的工作中。这是由于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。在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五分钟左右。MQ-2半导体烟雾传感器一般要在较高的温度(200450°C)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连，当加热丝局部短路造成器件过热或者放电时，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的实物图如图3.5所示： 图3.5 MQ-2实物图3.3.3 ADC0832模数转换器ADC0832模数转换器由美国国家半导体公司生产出品的，是一种拥有8 位分辨率与双通道的A/D转换芯片。它的体积小巧，有良好的兼容性，很多业内人士与爱好者都十分喜爱这款A/D转换芯片，已经在很多领域得到了应用。ADC0832模数转换器具有以下特点：首先它拥有8位分辨率。其次，它是双通道A/D转换。第三，它的输入输出电平和TTL/CMOS是相兼容的。第四，当5V电源供电时输入电压范围在0到5V之间。第五，它的工作频率是250KHZ，转换的时间是32S，一般功耗仅为15MW。最后，商用级芯片温宽为0°C 到+70°C，工业级芯片温宽为40°C 到+85°C。ADC0832芯片一共有八个接口，如图3.6所示，CS为片选使能，低电平芯片使能。 CH0是模拟输入通道0，或者被当做IN+/-使用。CH1是模拟输入通道1，或者被当做IN+/-使用。GND是芯片的参考0电位（地）。DI 作为数据信号输入，选择通道控制。而DO则是数据信号的输出，用于转换数据的输出。CLK是芯片的时钟输入。 Vcc/REF 是电源输入。 图3.6 ADC0832引脚图 3.3.4 ADC0832与单片机连接工作原理在一般情况下ADC0832 和单片机的接口应该是4条数据线，它们分别是CS、CLK、DO以及DI。但因为DO端和DI端在通信时并未同时有效的，并且与单片机的接口是双向的，所以在电路的设计过程中可以把DO与DI 并联连接在一根数据线上。当ADC0832没有处在工作状态的时候，它的CS输入端应该是高电平，这个时候芯片是处于禁用状态的，而CLK 与DO/DI 的电平是任意的。当需要进行A/D转换的时候，第一步必须将CS使能端调至到低电平，并且一直处于低电平状态直到转换完成。芯片开始转换的工作，与此同时处理器向芯片的时钟输入端CLK 输入时钟脉冲，而