基于stc12c5410ad的单片机的烟雾报警仪设计

基于stc12c5410ad的单片机的烟雾报警仪设计内容摘要：

0176。 C500176。 C 7 工作环境湿度≤ 85RH 8 报警方式烟雾泄漏声光报警自诊断故障报警 9 指示方式数字显示可显示被测烟雾 LEL 及设定报警限值 10 响应时间≤ 30S 11 输出信号可输出与烟雾浓度对 应的 05V DC标准信号 11 工作电压 AC220V177。 1550177。 lHz 12 具备快速重复检测和延时报警功能可区别烟雾的泄漏 和短时间的微量散失防止误报 24 本章小结 本章主要阐述了烟雾报警仪的设计方案即传感器的选型和报警器的设计传感器从种类选定工作原理基本特性四个方面分别叙述 根据本设计要求及使用环境成本等因素选用的 MQ2STC12 系列单片机 31 单片机的选型 的选择 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 线性化处理然后送 LCD 显示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小体积 如今市面上比较普遍的单片机有 8051 系列与 STC 系列 8051 单片机虽然应用普遍工具多易上手片源广价格低但 是速 度慢功耗大适合民用商用不适合工业用途 STC单片机是 MICROCHIP公司的产品其突出的特点是功耗低 精简指令集 抗干扰性好可靠性高但是存在溢出隐患问题 8051系 列采用的是堆栈指针 STC采用硬件堆栈 8级当堆栈指针设定合理局部变量少的情况下 8051系列用 10层的程序嵌套不会出现问题而 STC单片机程序嵌套包括中断最多不能超过 8层所以如果用C 语言进行 STC 编程设计容易堆栈溢出 汇编语言对于不同的 CPU 其汇编语言可能有所差异所以不易移 植而 C 语言是一种结构化的高级语言虽然占用资源较汇编多但是可读性好移植容易是普 遍使用的一种计算机语言鉴于 C 语言的易读性和普遍性本论文的软件设计选择 C语言编程所以 STC 系列单片机在此处不是非常适合 为适用于本论文设计的烟雾检测报警器应选择一种比 8051 系列速度快功耗低抗干扰性好而又避免 C语言编程溢出问题的单 片机 宏晶科技新推出的 STC12系列单片机具有高速低功耗超强抗干扰等优点是的新一代 8051 单片机指令代码完全兼容传统 8051 速度 却比 8051 单片机快 812 倍而且 STC12 系列下属的STC12C54xxAD 系 列单片机是低功耗 Flash 单片机它的高效寻址方式大容量Flash EEPROMAD 转换硬件乘法器硬件脉宽调制器 PWM 等功能特点 较好的实现了强大的功能与超低功耗的结合而且在功能同样的情况下 管脚较少封装体积小价格比其他型号便宜因此具有很好的性价比和应 用适应性 STC12C54xxAD 系列单片机有 6 种型号分别是 STC12C5412AD STC12C5410ADSTC12C5408ADSTC12C5406ADSTC12C5404AD 和 STC12C5402AD 它们是以单片机内部集成 Flash 的大小区分的在价格相同的情况下尽量选择 Flash较大的芯片所以选择了 STC12C5410AD 单片机作为本论文设计的烟雾报警器的单片机核 心芯片它体积小价格低非常适用于本设计下面介绍 STC12C5410AD 的自身特点 STC12C5410AD 单片机的特点 STC12C5410AD 单片机较以往的单片机提高了工作效率使系统的可 靠性抗干扰能力得到了显著改善而且进一步小型化和便携化其 内部集成的 Flash 几乎拥有现代追求个性化的用户所需要的掉电后数据不 丢失快速的数据存取时间电可擦除容量大在线可编程足够多的 擦写次数价格低廉和高可靠性等所有优点STC12C5410AD 单片机的管 脚 结构如图 31 所示 图 31 STC12C5410AD 单片机管脚图 STC12C5410AD 单片机具有以下特点 1 Flash 存储器 STC12C5410AD Flash 存储器为 10KBFlash 存储器主要用作程序存 储可经计算机串口接口下载程序程序运行时能对其中的 1 段或多段进 行擦写操作因此兼有数据存储器功能 Flash 存储器的掉电保护功能 可用于程序数据保存可以按字或字节读写最小擦除单位为 1 段经过 擦除的位为 1 写入位为 0 2 脉宽调节模式 PWM 所有 PCA 模块都可用作 PMW 输出输出频率取决于 PCA 定时器的 时钟源由于所有模块共用仅有的 PCA 定时器所有它们的输出频率相 同各个模块的输出占空比是独立变化的与使用的捕获寄存器 EPCnL CCAPnL 有关当 CL SFR 的值小于 EPCnLCCAPnL 时输出为低 当 PCACL SFR的值等于或大于 EPCnLCCAPnL 时输出为高当 CL 的值由 FF 变为 00 溢出时 EPCnHCCAPnH 的内容装载到 EPCnL CCAPnL 中这样就可实现无干扰地更新 PWM 要使能 PWM 模式模 块 CCAPMn 寄存器的 PWMn 和ECOMn 位必须置位 3 IO 口工 作类型设置 STC12C5410AD 带有 24 个 IO 引脚它的 IO 与传统的 IO 不同每个 IO 口均可由软件设置成 4 种工作类型之一使得功能口和通用 IO 口复用 4 种类型分别为准双向口 标准 8051 输出模式 推挽输出仅为输入 高阻 和开漏输出功能在对同一个IO 口进行操作前要选择其要实现的功能这样大大地增强了端口的功能和灵活性其中一些 IO口还可以与 STC12C5410AD中的特殊模块相结合完成更为复杂的工作如与捕获比较 模块相结合可以实现串行通信与 AD 模块结合实现 AD 转换等此外STC12C5410AD 的 IO 端口电气特性也 十分突出几乎所有的 IO 口都有 20mA 的驱动能力对于一般的液晶显示屏蜂鸣器可以直接驱动而无需 辅助电路许多端口内部都集成了上拉电阻可以方便地与外围器件相接 4 AD 模数转换寄存器 STC12C5410AD 单片机的 AD 转换口在 P1 口 P17P10 有 8 路 10 位高速 AD 转换器 STC12C5410AD 系列是 10 位精度的 AD 速度 均可达到 100KHz 10 万次秒 8路电压输入型 AD 可以完成温度检测 电池电压检测按键扫描频谱检测等功能上电复位后 P1 口是弱上拉 型的 IO 口可以通过软件设置将 8 路中的任何一路设置为 AD转换不需作为 AD使用的口可继续作为 IO口使用这样 AD转换和 IO口 可以灵活的运用节省了软件及时间 5 有配套的仿真开发工具 STC12C5410AD的 Flash存储器给用户的开发带来方便用户可以将 芯片焊接在线路板上后进行下载程序调试程序和修改程序同时 STC12C5410AD 的片内已集成了程序断点控制等逻辑功能因此它的 开发工具较为简单只需 1套 PC环境下的调试软件和 1 个连接于并口的仿真器仿真器与 STC12C5410AD 经串口连接因此用户只要在设计应用系统时为调试需要预留好 STC12C5410AD 的 串口接口的引出插座即可实现系统的程序下载调试系统现场编程硬件仿真或软件升级功能 而且无需外加编程电压 32 烟雾检测报警器硬件电路设计 集及前置放大电路 传感器输出信号一般比较微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 32 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 32 中根据运放的虚短和虚断的特点可知 I I 0 所以 V VoR3R3 R4 VrefR4R3 R4 31 而且 V V Vi Vo ViR3 R4R3 32 由以上两式可求出 Vo VrefR4R3 33 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 图 32 前置放大电路图 警电路 声音报警电路图如图 33所示报警装置采用无源压电式 KM3712x型蜂鸣器 [26]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STC12C5410AD 的 17 脚 P37 置 1 时三极 管 Q1 导通蜂鸣器报警本报警器采用单片机 STC12C5410AD的 PWM功 能如果烟雾浓度达到报警限单片机控制 P37 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 图 33 声音报警电路图 显示电路 报警器浓度显示采用共阳数码管显示浓度级别其主要技术参数如下 模块工作电压 2755V 工作电流 80ma 每段 10ma 字高 114mm 环境相 对湿度 85％ 视角 600 工作温度 1050176。 C 显示方式反射式正显示存储温度 20～ 60176。 C 接口方式 8 线并行接口 图 311 数码管结构图 示灯及控制键电路 状态指示灯及控制键电路图如图 35 所示单片机 STC12C5410AD 的 18 脚 P10 12 脚 P24 13 脚 P25 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报警器发出 鸣叫用户到达现场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 图 35 状态指示灯电路图 图 36 控制按。