张丽华的无线火灾探测器的研究与设计.doc

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1、 JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY本 科 毕 业 论 文 题目： 无线火灾探测器的研究与设计 学 院： 工 学 院 姓 名： 张 丽 华 学 号： 20061141 专 业： 电子信息工程 年 级： 06级 指导教师： 杨小玲职 称：讲师 二0一一 年 5 月农业大学毕业设计(论文)任务书设计（论文）课题名称无线火灾探测器的研究与设计学生姓名张丽华院（系）工学院专 业电子信息工程指导教师杨晓玲职 称讲师学 历本科毕业设计（论文）要求：毕业设计（论文）内容与技术参数：毕业设计（论文）工作计划：12010年11月选题22010年十二月完成原理图的设计32011年2月份

2、完成PCB图的绘制以及实物的的制作42011年3月份完成论文的编写52011年4月在导师的指导下完成对论文进行修改接受任务日期 2010 年 月 日 要求完成日期 年 月 日学 生 签 名 张丽华 年 月 日指导教师签名 年 月 日系（部）主任签名 年 月 日摘 要火灾作为危害人类生存的大敌,越来越受到人们的重视。随着高层建筑的不断增多, 火灾隐患增加。一旦发生火灾,将对人的生命财产造成极大的危害,会给国家造成极大的经济损失,给社会带来重大影响。所以，如何较快的检测到火灾越来越受到人们的重视，各个国家在这方面都投入的巨大的人力和物力，各种各样的火灾检测及报警系统便应运而生了。本文介绍了一种适用

3、于多种公共场所的无线火灾报警系统。针对现有的分布式火灾报警系统投资大、安装麻烦、工程量大等缺点，设计了一种基于单片机的无线火灾报警系统。系统上位机采用AT89C51单片机作为主控芯片，可分为主控模块、存储模块、人机对话模块(键盘)和无线射频通信模块。系统下位机以AT89C51系列单片机作为主控芯片，可分为主控模块、烟感探头以及无线射频通信模块。该系统具有很好的可靠性和实时性，具有广泛的市场前景。随着计算机技术和信息技术等高新技术的快速发展，无线火灾报警技术也得到迅速的推动。无线火灾报警技术的应用范围是非常广泛的，更是与我们的生活及生命财产安全息息相关的。本文综合运用无线通信技术，从系统的观点出

4、发将分布式控制的思想应用到无线报警控制系统的设计之中，采用一台AT89C51系列单片机作为系统的上位机，下位机也采用了与上位机相同的AT89C51单片机。上位机和下位机之间通过无线模块进行通讯，组成分布式智能消防报警控制系统。该系统下位机的感烟探测器由感烟探测器经加装无线传输设备而成。上位机在故障和报警时提供相应的声光报警信号。关键词：火灾报警；AT89C51单片机；PTR2000； AbstractFire damage the enemy of human existence as more and more attention by people. With the increasing

5、 of high-rise buildings, fire hazards increase. Once the fire, will be to mans life and property caused great damage to the state, will cause huge economic loss, lead to significant influence to the society. So, how to quickly test to fire more and more attention by people, each country in this resp

6、ect are invested in the huge manpower and material resources, all kinds of fire detection and alarm system will come into being This article introduced one kind is suitable for many kinds of public place wireless fire alarm system. For existing distributed fire alarm system investments, installation

7、 problems, engineering capacity shortcomings, designed a single wireless fire alarm system. System using AT89C51 microcontroller as master chip, can be divided into the master module, enclosure, interactive modules (including LCD and keyboard) and radio frequency communications module. The system un

8、it to AT89C51 series microcontroller as master chip, can be divided into the master module, smoke detectors, and wireless RF communication module. The system has a very good reliability and real-time performance, with a wide range of market prospects with computer technology and information technolo

9、gy and other high-techs rapid development, wireless fire alarm technology has been rapidly. Wireless fire alarm technology is very extensive, with our lives and the lives and property. This article is a combination of wireless communication technology, from the point of view will be distributed cont

10、rol concepts to wireless alarm control system design, with a AT89C51 series of single-chip as a system of PC, PLC or the host computer the same AT89C51 microcontroller. Master and slave over the wireless module for communication, distributed intelligent fire alarm control system. The system the smok

11、e detector by smoke detector via wireless transmission devices. The LCD displays the interface requires a good interactive interface, in failure and an alert provides alarming signals and LCD screen displays.Key words: Fire Alarm; AT89C51 Microcontroller; PTR2000 目录1 绪论61.1 论文研究来源、目的及意义61.2 课题研究的任务要

12、求62 系统硬件设计72.1 单片机的选定72.2 信号采集及前置放大电路102.3 声音报警电路112.4 状态指示灯及控制键电路122.6 报警器故障自诊断电路122.6.1 判断传感器电源连接情况122.6.2 判断传感器信号端连接情况132.7 烟雾检测器132.7.1 烟雾检测器的设计思路132.7.2 烟雾传感器的选型132.7.3 烟雾传感器介绍132.8 烟雾检测器整体设计方案142.8.1 烟雾检测器的工作原理142.8.2 烟雾检测器的结构142.9 通信模块设计142.10 单片机与PTR2000接口电路的设计153 系统软件设计163.1 主程序设计及流程图163.2

13、主程序初始化流程图173.3 报警子程序设计及流程图183.4 控制按键设计子程序及流程图203.5 无线模块软件设计203.5.1 PTR2000模块程序设计203.5.2 串行无线通信协议设计213.5.3 程序流程214 结论225 参考文献236 附录246.1系统与原理图24 6.2 系统与原理PCB图32 6.3 程序清单 7 致谢33 1 绪论1.1 论文研究来源、目的及意义1.1.1 论文研究来源随着科技的发展，越来越多的巨大的隐患由于工业生产和人们的日常生活而产生。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。保卫社会主义现代化建设，防止火灾引起燃烧、爆炸等

14、事故，造成严重的经济损失，甚至危及生命安全。为了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， 及早发现事故隐患，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 论文研究的目的和意义火灾一般有初始、蔓延和扩大几个阶段，把火灾消灭在萌芽状态，对做好城市消防工作有着十分重要的意义。消防工作实行“预防为主，防消结合”的方针。这是我国人民长期以来与火灾作斗争的经验总结。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。保卫社

15、会主义现代化建设，防止火灾引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至危及生命安全。1.2 课题研究的任务要求本文设计的是一个基于单片机的无线火灾报警系统，要求能够通过对烟雾的检测进行火灾报警。本篇论文是烟雾报警器的研制，主要包括以下几部分。(a)对系统进行整体规划和结构设计。(b)以单片机AT89C51为中央处理器，对硬件电路进行设计和改进，使其功能更加完善。系统硬件电路主要分为前置放大电路、键盘电路、无线通信电路、声音报警电路、状态指示灯电路,五个部分。 (c)系统的软件编制。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、滤波子程序、线性化处理子程序、报警子程序、报警

16、限值设置子程序、无线通信子程序。 2 系统硬件设计2.1 单片机的选定单片机是烟雾检测报警器的核心部件，一方面它要接收来自传感器的烟雾浓度的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对两种信号分别进行处理，控制后续电路的相应工作；同时，查询是否有键按下的命令。在单片机实现的功能中，将模数转换后的信号做数字滤波，再进行线性化处理，这一过程的软件实现，需要单片机有较 快的运算速度，使仪表监测人员能够观测到实时的烟雾浓度，并进行相应处理。同时，在能够满足报警器设计的计算速度及接口数的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

17、小体积。如今市面上比较普遍的单片机有51系列与STC系列。STC系列虽然功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，但是存在溢出隐患问题，而且更适用于工业用途；AT89C51单片机应用普遍，工具多，易上手，片源广，价格低，且适合民用、商用。用途更广泛。综合以上观点，本论文选定AT89C51作为本系统的核心图2-1为AT89C51管脚图 AT89C51简介：AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度

18、非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。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，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。图2-1为AT89C51管脚图，各管脚功能如下：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口

19、：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内

20、部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高

21、电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态。 表2-1 AT89C51的初始态特殊功能寄存器初始态特殊功能寄存器初始态ACC00HB00HPSW00HSP07HDPH00HTH000HDPL00HTH100HIP0xx00000BTH100HIE0xx00000BTL100HTMOD00HTCON00HSCONxxxxxxxxBSBUF00HP0-P31111111BPCON0xxxxxxxBALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于

22、锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 EA/

23、VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任

24、何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89S51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。2.2 信号采集及前置放大电路 图2-2 前置放大电路图传感器输出信号一般比较微

25、弱，需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电平调整，满足单片机对输入信号的要求。本系统采用的半导体烟雾传感器属于电阻型，因此只需串联一个参考电阻，再经过一个放大电路即可发送给ADC采集。由于系统采用的是单极性供电，所以采用同相比例放大电路，可以减少硬件开销；反之，如果采用反相放大，则一般需要利用双极性供电，这就需要系统额外的利用变压芯片产生一个负压，这显然 会造成浪费。常见的运算放大器中，LM324价格低廉、使用简单等优点比较突出，所以本设计中的前置放大电路采用LM324作为电路的运算放大器。 LM324是单片高增益四运算放大器，可在较宽电压范围内的单电源或双电源下工作，其电源电流很小且与电源电

26、压无关，四个运放一致性好； 其输入偏流电阻是温度补偿的，也不需外接频率补偿，可做到输出电平与数字电路兼容。 下面详细介绍运算放大电路。 如图2-2所示，从传感器的上端出来的信号Vi经过运算放大器的同相输入端，但是为保证引入的是负反馈，输出电压Vo通过电阻R4接到反相输入端，同时，反相输入端通过电阻R3接到参考电压Vref。 同相比例运算电路中反馈的组态为电压串联负反馈，同样可以利用理想运放工作在线性区时的两个特点来分析其电压放大倍数。 在图2-2中，根据运放的“虚短”和“虚断”的特点可知，I-=I+=0，所以 V-=Vo*R3/R3+R4+Vref*R4/R3+R4而且 V-=V+=ViVo

27、=Vi*（R3+R4）/R3 由以上两式可求出 Vo=Vref-R4/R3 所以本放大电路的放大倍数A =1+R4*R3，此放大电路为同相比例放大电路，它的放大倍数总是大于或等于1。同相比例运算电路有以下几个特点： (1)同相比例运算放大电路是一个深度的电压串联负反馈电路。因为不存在“虚地”现象，所以其输入端有较高的共模输入电压。(2)电压放大倍数A =1+R4*R3 ，即输出电压与输入电压的幅值成正比，且相位相同，所以此电路实现了同相比例放大。如果不接R3和R4，则此电路就成了“电压跟随器”，它可以减少电路模块间由于阻抗引起的干扰。 (3)由于引入了深度电压串联负反馈，因此电路的输入阻抗很高

28、，输出阻抗很低。高输入阻抗就可以减少放大电路对前端电路的影响，同时低输出阻抗也可以提高自身的抗干扰性，这显然有利于电路中其他模块的设 计。 此放大电路还加了参考电压，引入了零点调节功能，这样可以更方便的调整由于不同传感器导致的零点变化问题。它利用滑动变阻器产生一个参考电压Vref，再利用电压跟随器把电压输入到运算放大电路的电压参考端。所以调节滑动变阻器，就可以直接改变放大电路的参考电压。而电压跟随器的作用就如上面介绍的，它只是用来匹配阻抗用的，防止R3和R4对滑动变阻器输出电压的影响。2.3 声音报警电路图2-3 声音报警电路图声音报警电路图如图2-3所示。报警装置采用无源压电式KM3712x

29、型蜂鸣器，较一般的蜂鸣器体积大，声音响亮，适用于家用煤气报警器的报警声音源。当单片机AT89C51的17脚(P3.7)置1时，三极 管Q1导通，蜂鸣器报警。本报警器采用单片机AT89C51的PWM功能，如果烟雾浓度达到报警限，单片机控制P3.7(PWM)口输出占空比一定的脉冲，报警时蜂鸣器会发出如警车警笛的声音。2.4 状态指示灯及控制键电路 图2-4 状态指示灯电路图 图2-5 控制按键连接示意图状态指示灯及控制键电路图如图2-4所示。单片机AT89C51的18脚(P1.0)、12脚(P2.4)、13脚(P2.5)，控制输出的状态指示灯。绿灯常亮表示正常状态，环境中可燃烟雾浓度极低。黄灯闪亮

30、表示传感器加热 丝或者电缆发生断线或者接触不良。红灯闪亮表示环境中可燃烟雾浓度超过报警限值，提醒用户尽快作相应安全措施。当烟雾浓度超过报警限，发出鸣叫声并且发射模块向上位机（用户端）发出报警信号，用户端发出鸣叫，用户到达现场后，可按下按键停止报警器鸣叫。若过一点时间浓度仍超出报警限，报警器会再次鸣叫提醒用户。2.6 报警器故障自诊断电路2.6.1 判断传感器电源连接情况 图2-6 传感器电源连接自诊断电如图2-6，在传感器的地端串联一个电阻R6。当传感器正常连接时，电阻和传感器分压，此时电阻两端有微弱的电压，单片机可以通过P1.1(AD)口检测到； 如果传感器电源连接不正常，则会产生断路，检测

31、到电阻两端电压为0。2.6.2 判断传感器信号端连接情况 另一种情况是判断传感器信号端是否连接正确，此时不需要外加电路，在传感器预热2分钟后，测量传感器信号的输出电压，如果电压为5V，则说明传感器的信号端连接不正常。 当报警器自诊断发现传感器连接不正常，就会发出长鸣声音警报，并伴随黄灯闪烁，提醒用户及时排除传感器连接问题。 2.7 烟雾检测器2.7.1. 烟雾检测器的设计思路烟雾检测器是能够检测环境中的烟雾浓度的传感器。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，单片机控制电路。烟雾信号采集电路一般由烟雾传感器和模拟放大电路组成，将烟雾信号转化为模拟的电信号。模数转换电路将从烟

32、雾检测电路中送出的模拟信号转化为单片机可识别的数字信号后送入单片机，单片机对该数字信号进行滤波处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值（即报警限），若大于则单片机控制射频模块向上位机发送报警信号，反之则为正常状态。2.7.2.烟雾传感器的选型烟雾传感器属于气敏传感器，使气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量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器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。由此可见，传感器的选型时非常重要的。2.7.3.烟雾传感器介绍1.烟雾传感器的分类

33、烟雾传感器种类繁多，从检测原理上可分为三大类：（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。2.烟雾传感器应满足的基本条件一个烟雾传感器可以使单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以使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；（

34、3）对检测信号响应速度快，重复性好；（4）长期工作稳定性好；（5）使用寿命长；（6）制造成本低；2.8 烟雾检测器整体设计方案2.8.1 烟雾检测器的工作原理本论文中的烟雾检测报警器以AT89C51单片机为控制核心，采用MQ-2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，转化成大的电压信号送入AT89C51单片机；后，在AT89C51单片机内A/D转换、浓度比较，对数据进行线性化处理，将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值；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，另外由于烟雾传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反映越快

35、，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。为了保证其可靠性，在输出5V的电压的同时，进行故障监测。当传感器加热丝或电缆线和传感器断线和接触不良时，进行故障报警，发出声光报警信号。当然几种状态的报警信号是各不相同的。2.8.2烟雾检测器的结构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、故障自检、演示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检测的基础上，尽量提高准确性，降低成本，缩小体积。2.9 通信模块设

36、计PTR2000是基于nRF401器件的无线数据传输模块，采用低发射频率、高灵敏度设计。该器件使用433 MHz频段，是真正的单片UHF无线收发一体器件，其工作模式包括工作频道的设置和发送、接收、待机状态，由TXEN、CS、PWM 3个引脚共同决定，其工作模式设置如表2-3所示。表2-2 PTR2000工作模式设置 THENCSPWR工作频道号芯片状态0011接收0112接收1011发送1112发送XX0待机该采集系统主要以AT89C51单片机为控制处理核心。由它完成对数据的采集处理以及控制数据的无线传输。为实现无线数据传输，采用无限收发一体数据传送MODEM模块PTR2000器件，该器件内部

37、集成高频接收、PLL合成、PSK调制解调、参量放大、功率放大、频道切换等功能，完全符合无线数据通信的硬件要求。为降低成本，在最小硬件设计的基础上，利用C51高级C语言编程，系统的功能尽可能用软件程序实现。数据采集单片机无线传输模块无线传输模块单片机该器件外围的主要电路有以下两个：与单片机的连接电路单片机AT89C51的RXD和TXD引脚与PTR2000模块的DO和DI引脚直接相连。PTR2000的模式控制引脚与单片机的控制引脚相连；与单片机的连接电路采用MAX202器件对PTR2000模块和计算机串口进行RS-232和TTL电平转换，将PTR2000与MAX202的输入和输出信号连接，转换后的

38、信号与计算机的串口连接。PTR2000利用串口进行数据传输，而单片机和PC机均带有串口，因此，可利用PTR2000作为上位机和下位机之间数据传输的无线接口，其硬件结构框图如图2-8所示。图2-7 上位机和下位机之间硬件结构框图2.10 单片机与PTR2000接口电路的设计图2-9 单片机与PTR2000接口电路在图2-9中，AT89C51单片机主要完成数据的采集和处理，向PTR2000模块发送数据，并接收由上位机通过PTR2000传送的数据。和下位机相连的PTR2000模块主要将单片机的待传数据调制成射频信号，再发送到上位机端的PTR2000模块，同时接收上位机端的PTR2000模块传送的射频

39、信号，并调制成单片机可识别的TTL信号送至单片机。单片机的RXD和TXD引脚分别和PTR2000的DO和DI引脚连接，实现串行数据传输；决定PTR2000模块工作模式的TXEN、CS、PWR 3个引脚分别和单片机IO控制口的P2.0P2.2相连，PTR2000工作时，由单片机中的运行控制程序实时控制其工作模式。3 系统软件设计3.1 主程序设计及流程图主程序流程图如图3-1所示。首先要给传感器预热三分钟，因为MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器在不通电存放一段时间后，再次通电时，传感器不能立即正常采集烟雾信息，需要一段时间预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。本论文的主程序设计先对传感器预热三

40、分钟， 预热同时，对传感器加热丝故障检测，采用软件方式检测传感器加热丝或 电缆线是否断线或者接触不良。AT89C51单片机对传感器检测的烟雾浓度信号进行A/D转 换、平均值法滤波、线性化处理后，将浓度值与报警限设定值相比较，判断是否报警。同时送入段式液晶显示烟雾浓度值。主程序还包括状态指示灯及按键功能设置，中断子程序等，使报警器功能更加完善，给用户带来便利。程序初始化开始传感器预热并故障检测键盘扫描及键值处理是否按下模式切换A/D转换平均值法滤波线性化处理是否超过报警限设置指示灯状态进入报警限设置模式进入报警限设置模式图3-1 主程序流程图3.2 主程序初始化流程图主程序初始化流程图如图3-2

41、所示。给传感器预热后，程序开始执行初始化子程序，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、中断使能等。首先设定定时初值50ms，利用IAP写入EEPROM，作为取值间隔。然后设置定时器0，选择方式1。方式1状态下定时器的工作寄存器TH1、TL1是全16位参与操作。接下来定时器0中断允许位置1，打开定时器0，关闭蜂鸣器，开启绿灯，设置报警限初 值。图3-2 主程序初始化流程图开始设定定时初值50ms设定定时器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设定初值返回YN3.3 报警子程序设计及流程图当烟雾浓度超过报警设定值时，报警器发出一种近似警

42、笛的鸣叫声，同时通信模块向上位机发送报警信号，且对应通道的红灯闪亮，以提示操作人员采取安全对策或自动控制相关安全装置，从而保障生产安全，避免火灾和爆炸事故的发生。为防止误报，在程序设计上，对烟雾浓度进行快速重复检测和延时报警，以区别出是管道中烟雾的泄漏，还是由于暂短打开阀门产生的可燃烟雾的微量散失，防止误报。报警子程序流程图如图3-3所示。图3-3 报警子程序流程图开始读取处理后的气体浓度值延迟20秒后采集一组浓度数据是否大于20%传感器故障自诊断传感器有问题启动燃气泄露报警消音键是否按下返回上电状态返回监控状态启动故障报警NNNNYYYY是否大于20%3.4 控制按键设计子程序及流程图扫描键

43、值结束开始提取键值延时10ms去抖动调用键盘处理子程序是否有键按下是否有键按下本报警器设计附加一个按键，功能分别为：确定(消音)。按键处理子程序流程图如图4.8所示。3-4控制按键子程序流程图3.5 无线模块软件设计无线通信系统的软件设计包括上位机端和下位机端两部分，两部分软件相互配合，设置各自的PTR2000模块的工作状态。 3.5.1PTR2000模块程序设计下位机和上位机端软件配合设置PTR2000的状态(发射或接收)，选择固定的通信频道1(CS=0)，并让PTR2000模块一直处于正常工作状态(PWM=1)。无线通信实现过程如下：(1)发送在发送数据之前，应将PTR2000模块置于发射

44、模式，即TXEN=1。然后等待至少5 ms后(接收到发射的切换时间)才可发射数据。发送结束后，应将模块置于接收状态，即TXEN=0。(2)接收应将PTR2000置于接收模式，即TXEN=0。单片机不发送的绝大部分时间都处于接收状态。当下位机端发送时，上位机端应为接收；当下位机端发送时，上位机端应为接收。3.5.2 串行无线通信协议设计无线通信中，由于外部环境的干扰，通常误码率较高，因此通信协议的设计对保证通信的可靠性十分重要。协议的设计主要是帧结构的设计，在该无线通信系统中，存在指令帧和数据帧。数据帧的内容包括起始字节、数据长度字节、数据字节、结束字节和校验和字节，如表2所示。表3-1 数据帧设置起始字节