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1、基于单片机的禁烟示警系统设计摘要：随着社会的不断进步，人们更多地意识到吸烟对人体的危害。我国于2011年5月1日起开始实施公共场所禁烟条例。因此，设计一款适用于公共场所的禁烟示警系统就尤为必要。本文论述了基于单片机的禁烟示警系统的硬件设计和软件实现。这个系统以AT89C2051单片机为控制器，结合了烟雾传感器，语音芯片，实现了集检测，报警为一体的系统功能设计。文中重点讲述了系统的硬、软件的结构和功能特性，着重阐述了烟雾信号的采集，单片机及其扩展电路，语音报警系统的设计思路和实现方法。设计的禁烟示警系统经试验表明，当环境中有烟雾时，其能准确地检测到烟雾信息，并发出报警。关键词：烟雾传感器；单片机
2、；外围电路；语音报警Smoking Warning System based on Single ChipAbstract：As society progresses, people are more aware of the dangers of smoking on the human body. China and the May 1, 2011 smoking in public places went into effect regulations. Therefore, the design for a smoking ban in public places warning sy
3、stem is especially necessary. This article discusses the anti-smoking warning system based on single chip hardware design and software implementation. AT89C2051 MCU as the system controller, combined with the smoke sensor, voice chip, to achieve a set of detection, alarm system functions as one of t
4、he design. The paper highlights the systems hardware and software structure and functional properties, focusing on the smoke signal acquisition, and expansion of the circuit microcontroller, voice alarm system design and implementation. Experiments show that when there is smoke in the environment, t
5、he smoke can accurately detect the information and alarm.Key words: Smoke sensors, SCM, external circuit, Voice Alarm目 录第1章 绪论11.1 课题研究意义11.2 国内外研究现状11.3 论文内容及结构3第2章 系统方案设计42.1 系统方案42.2 控制器选型42.3 烟雾传感器选型52.3.1 烟雾传感器分类52.3.2 烟雾传感器选型62.4 本章小结8第3章 系统硬件设计93.1 控制电路设计93.1.1 AT89C205193.1.2 控制电路设计103.2 烟雾检
6、测电路设计113.3 语音报警电路设计123.3.1 ISD1810123.3.2 语音电路设计123.4 键盘电路设计153.5 扬声器电路设计163.6 供电电路设计173.7 下载电路设计173.8 本章小结18第4章 系统软件设计194.1 主程序设计194.2 控制程序设计194.3 烟雾检测程序设计204.4 语音报警程序设计214.5 本章小结22第5章 系统调试235.1 硬件调试235.2 控制电路调试245.3 键盘电路调试245.4 语音电路调试245.5 系统联机调试255.6 本章小结25结 论26致 谢27参考文献28附录1 原理图30附录2 PCB图31附录3 源
7、程序33第1章 绪论1.1 课题研究意义吸烟有害健康！我国是烟草生产和消费大国，每年消耗的烟草占世界总销额的1/3以上，吸烟者高达3亿。据中国预防医学科学院估算，还有约4亿人受到被动吸烟的危害，因而我国约有7亿人直接或间接地受到烟草的危害。香烟烟雾中，92为气体，如一氧化碳、氢氰酸及氨等；8为颗粒物，这些颗粒物统称焦油，内含尼古丁、多环芳香羟、苯并芘及-萘胺等，已被证实的致癌物质约40余种。吸烟对人体的危害是一个缓慢的过程，需经较长时间才能显示出来，尼古丁又有成瘾作用，使吸烟者难以认识。吸烟可诱发多种癌症、心脑血管疾病、呼吸道和消化道疾病等，是造成早亡、病残的最大病因之一。英国一项历时40年的
8、研究证明，中年吸烟者死亡率为不吸烟者的3倍。WHO资料表明，目前全球每年死于与吸烟有关的各种疾病达300万人， 估计到2025年将升高到1000万，而我国将占200万。吸烟已成为严重危害我国人民健康的紧迫问题。 鉴于我国现状，卫生部新修订的公共场所卫生管理条例实施细则将于今年5月1日施行，也意味着“室内公共场所禁止吸烟”等新规定将正式生效。实施细则中规定：公共场所经营者应当设置醒目的禁止吸烟的警语和标志。室内公共场所所设置的吸烟区不得位于行人必经的通道上。公共场所不得设置自动售烟机。公共场所经营者应当开展吸烟危害健康宣传，并配备专（兼）职人员对吸烟者进行劝阻。因此，设计一款禁烟示警系统很有必要
9、。在这次毕业设计中，通过查阅相关资料，更深入地了解吸烟的危害和公共场所禁烟的必要性。通过对课题的总体设计和实物的组装和调试，对本专业的知识有更深的了解，使自己的分析能力和动手能力得到进一步的提高。1.2 国内外研究现状 禁烟示警系统是烟雾报警系统的一个分支，对禁烟示警系统的研究离不开对烟雾报警系统的研究。国外从20世纪30年代开始研究及开发烟雾报警系统，且发展迅速。一方面是人们安全意识加强，对生活环境的安全性和舒适度要求提高；另一方面是传感器研发和市场销售的增长受到政府相关法规的推动。据有关统计，美国1996年-2002年烟雾传感器年平均增长率为27%30%。随着传感器工艺水平的提高，传感器日
10、益小型化，集成度不断增大，使得烟雾检测仪器的体积也不断变小，成本降低。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月起改良产品问世。改良的报警器可检测燃气，一氧化碳等气体，可以安装在浴室或采用集中监视。 我国在70年代初期开始研制烟雾报警器，生产型号多样，品种较为齐全。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的报警器，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工艺生产基础上，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。 烟雾报警器
11、可分为民用火灾烟雾报警器，工业用烟雾报警器，有毒有害烟雾报警器三大系列。（1）民用火灾烟雾报警器民用火灾烟雾报警器为居民家庭用的火灾报警器，一般安装在厨房。遇到火灾产生的烟雾时报警器可发出声光报警，有的还伴有数字显示。同时连通外部设备。有的报警器可自动开启排气扇，将烟雾排出室内。（2）工业用烟雾报警器及有毒有害烟雾报警器工业用烟雾报警器及有毒有害烟雾报警器知识检测探头有差异，而在原理和应用中都很相似。它们根据检测环境的不同，也可分为检漏仪、控制仪和探测仪。检漏仪体积较小，可随身携带或手持。主要用于燃气管理的查漏于巡检。若有燃气泄漏，检测仪便会发出声光报警。同时数字显示烟雾浓度，以便及时采取安全
12、措施，防止爆炸等恶性安全事故的发生。控制器和探测器的结合使用，可在防爆现场长期监测烟雾浓度。探测仪安装在防爆现场，控制器挂在值班室等有人值守的地方。二者采用屏蔽电缆线连接。当在现场的探测器探测到燃气泄漏后，通过屏蔽电缆先将信号传到控制器。控制器发出声光报警，同时启动排风装置或关闭电磁阀切断气源，以确保安全。此种仪器广泛应用于液化气站，汽车加油站，锅炉房的工业场所。1.3 论文内容及结构本论文是基于单片机的禁烟示警系统的设计，主要内容分为以下四个部分：1、对系统进行整体规划和设计。2、以AT89S51单片机为中央处理器，对硬件电路进行设计和改进，使其功能更加完善。系统硬件电路主要有放大电路，时钟
13、电路，声音报警电路等。3、系统的软件设计。4、硬件电路和软件的联机调试。本文结构安排如下：第一章概述，主要介绍同类系统的研究现状；第二章系统方案论述，包括总体设计思路及硬件选型；第三章系统硬件设计，对各部分的功能作出具体介绍并给出其硬件电路图；第四章系统软件设计，阐述了各部分的软件设计思路；第五章系统调试，介绍了各部分的调试过程和调试中出现的错误。第2章 系统方案设计2.1 系统方案本论文是设计一个禁烟示警系统，运用于公共场所的禁烟。其原理是通过检测公共场所的烟雾浓度。如果超过额定浓度，便进行语音示警。整个禁烟示警系统由烟雾传感器、控制器、语音芯片、报警器等几部分组成。整个系统框图如图2-1所
14、示。图2-1 系统框图2.2 控制器选型作为控制系统的核心，单片机的选择也是本设计的重点之一。本系统是面向市场的设计，故在系统的核心控制芯片的选择上，首先要考虑其性价比，其次功耗也作为构建一个系统必须要考虑的因素。基于以上两点，本设计对主控芯片的选择提出了以下几种方案：方案一：采用51系列芯片作为硬件核心，以AT89C51作为代表，采用Flash ROM，内部具有4KB ROM 存储空间，能于3V的超低压工作，而且与MCS-51系列单片机完全兼容，1288位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。方案二
15、：采用AVR单片机，这是先进的低端单片机，使用简单，有自带10位AD，受外部干扰很小。同时它还具有其它众多优点。AVR单片机的 单周期指令能够保证高的执行效率和低成本， AVR单片机可以提供高达16MIPS的执行时间，具有128K字节的可编程Flash存储器，同时具备4096字节的静态RAM。AVR单片机自带看门 狗定时器，在强烈的电磁干扰条件下可以防止程序跑飞。内部包含有硬件乘法器，加快乘法运算速度；I/O端口引脚数多达32根。虽然AVR单片机无论是在资源上还是在运行速度上都比51单片机强大很多，但由于对性价比要求比较高，同时出于功耗的考虑，所以选择51单片机作为主控芯片。针对功能的要求，本
16、设计采用AT89C51单片机作为主控芯片。2.3 烟雾传感器选型2.3.1 烟雾传感器分类 烟雾传感器主要分为离子式烟雾传感器和光电式烟雾传感器。1、离子式烟雾传感器。离子式烟雾传感器是通过监测烟雾的浓度来实现功能的。其内部采用离子式烟雾传感。离子式烟雾传感器是一种技术先进，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，性能远优于气敏电阻类的报警器。烟雾传感器在内外电离室里面放有放射源镅241，电离产生的正，负电离子，在电场的作用下各自向正负电极移动。在正常情况下，内外电离室的电流，电压都是稳定的。一旦有烟雾窜逃外电离室，干扰了单点粒子的正常运动，电流，电压就会有所改变，破坏了内外电离
17、室的平衡，浴室无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。烟雾传感器广泛应用在城市安防、小区、工厂、公司、学校、家庭、别墅、仓库、资源、石油、化工、燃气输配等众多领域。2、光电式烟雾传感器光电烟雾报警器内有一个光学迷宫，安装有红外对管，无烟时红外接收管收不到红外发射管发出的红外光，当烟尘进入光学迷宫时，通过折射、反射，接收管接收到红外光，智能报警电路判断是否超过阈值，如果超过发出警报。离子烟雾报警器对微小的烟雾粒子的感应要灵敏一些，对各种烟能均衡响应；而前向式光电烟雾报警器对稍大的烟雾粒子的感应较灵敏，对灰烟、黑烟响应差些。当发生熊熊大火时，空气中烟雾的微小粒子较多，而
18、闷烧的时候，空气中稍大的烟雾粒子会多一些。如果火灾发生后，产生了大量的烟雾的微小粒子，离子烟雾报警器会比光电烟雾报警器先报警。这两种烟雾报警器时间间隔不大，但是这类火灾的蔓延极快，此类场所建议安装离子烟雾报警器较好。另一类闷烧火灾发生后，产生了大量的稍大的烟雾粒子，光电烟雾报警器会比离子烟雾报警器先报警，这类场所建议安装光电烟雾报警器。2.3.2 烟雾传感器选型烟雾传感器有多种型号，下面简略介绍几种。1、NIS-09C烟雾传感器NIS-09C是离子式烟雾传感器，内部使用了微量的放射性物质镅241，但传感器本身被金属制电极所覆盖，放射能绝不会泄漏。NIS-09C属于低耗能的广普型传感器，可用9V
19、电池带动。其主要参数如下：外加电压：DC7V12V以下；电流：273PA；周围温度：0-50；周围湿度：95%RH以下。 2、SS09-32烟雾传感器本传感器采用先进的气敏型探头，经过特殊电路处理后，具有灵敏、可靠、无误动、无拒动等特点。性能特点：(1) 该传感器体积小，外壳坚固，密封性好，维修方便；(2) 传感器寿命长、可靠性高，故障率低；(3) 安装方便，无需制作安装支架。适用的环境条件：(1) 海拔高度不超过2000米，压力80110Kpa；(2) 周围环境温度：-2040，最高年平均气温20；(3) 空气相对湿度95(25)；(4) 在有爆炸气体(甲烷)混合物的矿井中；(5) 在无破坏
20、金属及绝缘的腐蚀性气体和蒸汽的环境中；(6) 在无滴水及其它液体侵入的地方；(7) 在无显著摇动和冲击振动的地方；(8) 污染等级3级。3、M304551烟雾传感器M304551烟雾传感器是离子型烟雾传感器，适用于安装在少烟、禁烟场所，用来探测烟雾有无，当一定量烟雾进入烟雾传感器的反应腔，传感器发出声光警报，并向采集器输出告警信号。主要技术参数：电源：1260VDC；工作电流： 10 mA ；输出形式：缺省设置警戒状态输出开路，报警状态输出短路(用户可以要求更改)；烟雾灵敏度：符合UL217号标准；测试标准：0.651.52%FT；具备防误报检测功能；工作环境：-550；1095%无冷凝。4、
21、M304551烟雾传感器M304551烟雾传感器为离子型烟雾探测设备，适用于安装在少烟、禁烟场所，用来探测烟雾有无，当一定量烟雾进入烟雾传感器的反应腔，传感器发出声光警报，并向采集器输出告警信号，通过BLY1-SS-668能够准确地检测到烟雾，为火灾预防和早期发现提供帮助。主要技术参数：电源：1260VDC；工作电流： 10 mA ；输出形式：缺省设置警戒状态输出开路，报警状态输出短路(用户可以要求更改)；烟雾灵敏度：符合UL217；通过对各种烟雾传感器的比较及本次设计的功能需求，最终选择M304551烟雾传感器。2.4本章小结在本章中，首先介绍了禁烟示警系统的整体设计思想。然后对设计所用的核
22、心芯片和烟雾传感器的选择进行了详细的方案论证，通过详细阐述各个硬件的优势，对比以及本设计的特殊需求进行合理的选择，为整个设计打下了坚实的基础。第3章 系统硬件设计3.1 控制电路设计3.1.1 AT89C2051AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C2051单片机在电子类产品中有广泛的应用。AT89C205
23、1是一带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储器（EEPROM）的低电压，高性能8位CMOS微处理器。它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS-51指令集和引脚结构兼容。通过在单块芯片上组合通用的CPLI和闪速存储器，ATMEL的AT89C2051是一强劲的微型处理器，它对许多嵌入式控制应用提供一定高度灵活和成本低的解决办法。AT89C2051提供以下标准功能：2K字节闪速存储器，128字节RAM，15根I/O口，两个16位定时器，一个五向量两级中断结构，一个全双工串行口，一个精密模拟比较器以及两种可选 的软件节电工作方式。空闲方停止CPU工作但允许RAM、定时器/计数器、串行工
24、作口和中断系统继续工作。掉电方式保存RAM内容但振荡器停止工作并禁止有其它部件的工作到下一个硬件复位。AT89C2051引脚图如图3-1所示。图3-1 AT89C2051引脚图1、VCC：电源电压。2、GND：地。 3、P1口：P1口是一个8位双向I/O口。口引脚P1.2P1.7提供内部上拉电阻，P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入(ANI0)和反相输入(AIN1)。P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。当P!口引脚写入“1”时，其可用作输入端，当引脚P1.2P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的写入“1”时，
25、其可用作输入端。当引脚P1.2P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而流出电流。4、P3口：P3口的P3.0P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻 的七个双向I/O口引脚。P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。P3品缓冲器可吸收20mA电流。当P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。用作输入时，被外部时拉低的P3口脚将用上拉电阻而流出电流。P3口还用于实现AT89C2051的各种第二功能，如下： P3.0 RXD串行输入端口 P3.1 TXD串行输入端口 P3.2 INT0外中断0 P3.3 INT1外中断1 P3.4 T
26、0定时器0外部输入 P3.5 T1定时器1外部输入 P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 5、RST：复位输入。RST一旦变成高电平所有的I/O引脚就复位到“1”。当振荡器正在运行时，持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。6、XTAL1：作为振荡器反相器的输入和内部时钟发生器的输入。7、XTAL2：作为振荡器反相放大器的输出。3.1.2 控制电路设计控制电路主要是接收来自比较器的信息号输入，然后需要采用I/O端口对喇叭和语音芯片进行控制。控制电路原理图如图3-2所示。图3-2 控制电路原理图3.2 烟雾检测电路设计本设计
27、所采用的是M304551烟雾传感器，主要是由于其工作性价比较高，而且很容易控制，同时该传感器是专门为在烟雾较少，和禁烟环境中使用的。由于该传感器在电气连接方面非常简单，而且判断有误烟雾只是判断其传感器的两个引脚是否是为开路或者是短路来决定是否有无烟雾，以此作为在该检测区域内是否有人吸烟。其电路连接图如图3-3所示。由于其供电电压需要为12V，因此在电路检测时，开路和短路时的电压差值为12V，这就需要做一个电路的转换，本设计采用比较器的原理。图3-3 检测部分电路设计从图中可以看出，这里设计的为两个检测头的电路，这里详细介绍一路检测工作原理，其余一路工作原理完全相同。首先是通过JP3接到M304
28、551烟雾传感器，当有烟雾产生的时候，就会产生通路信号，但是这个地方电压太多，所以需要经过比较器来使其电压减低至单片机能够接受的状态，其信号可以通过RECEIVE1传输至单片机。3.3 语音报警电路设计语音报警提示主要是在有烟雾产生的情况进行的语音提示，告诉检测区域的吸烟人员立即停止吸烟。3.3.1 ISD1810语音报警主要是采用的是美国ISD 公司于2001 年最新推出一种单片820 秒单段语音录放电路ISD1810，它的基本结构与ISD1110、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。其引脚定义如图3-4
29、所示。图3-4 语音芯片引脚图 电源(VCC)：芯片内部的模拟和数字电路使用的不同电源总线在此引脚汇合，这样使得噪声最小。去耦电容应尽量靠近芯片。 地线(VSSA, VSSD)：芯片内部的模拟和数字电路的不同地线汇合在这个引脚。 录音(REC)：高电平有效。只要REC变高(不管芯片处在节电状态还是正在放音)，芯片即开始录音。录音期间，REC 必须保持为高。REC 变低或内存录满后，录音周期结束，芯片自动写入一个信息结束标志(EOM)，使以后的重放操作可以及时停止，然后芯片自动进入节电状态。注：REC 的上升沿有84 毫秒防颤，防止按键误触发。 边沿触发放音(PLAYE)：此端出现上升沿时，芯片
30、开始放音。放音持续到EOM 标志或内存结束，之后芯片自动进入节电状态。开始放音后，可以释放PLAYE。 电平触发放音(PLAYL)：此端从低变高时，芯片开始放音。放音持续至此端回到低电平，或遇到EOM 标志，或内存结束。放音结束后芯片自动进入节电状态。 录音指示(/RECLED)：处于录音状态时，此端为低，可驱动LED。此外，放音遇到EOM标志时，此端输出一个低电平脉冲。此脉冲可用来触发PLAYE，实现循环放音。 话筒输入(MIC)：此端连至片内前置放大器。片内自动增益控制电路(AGC)控制前置放大器的增益。外接话筒应通过串联电容耦合到此端。耦合电容值和此端的10K输入阻抗决定了芯片频带的低频
31、截止点。 话筒参考(MIC REF)：此端是前置放大器的反向输入。当以差分形式连接话筒时，可减小噪声，提高共模抑制比。 自动增益控制(AGC)：AGC 动态调整前置增益以补偿话筒输入电平的宽幅变化，使得录制变化很大的音量(从耳语到喧嚣声)时失真都能保持最小。通常4.7uF的电容器在多数场合下可获得满意的效果。 喇叭输出(SP+,SP-)：这对输出端可直接驱动8以上的喇叭。单端使用时必须在输出端和喇叭之间接耦合电容，而双端输出既不用电容又能将功率提高至4 倍。SP+和SP-之间通过内部的50K的电阻连接，不放音时为悬空状态。 外部时钟(XCLK)：此端内部有下拉元件，只为测试用，不用接。 振荡电
32、阻(ROSC)：此端接振荡电阻至VSS，由振荡电阻的阻值决定录放音的时间。 直通模式(FT)：此端允许接在MIC 输入端的外部语音信号经过芯片内部的AGC电路、滤波器和喇叭驱动器而直接到达喇叭输出端。平时FT 端为低，要实现直通功能，需将FT端接高电平，同时REC、PLAYE 和PLAYL保持低。3.3.2 语音电路设计语音芯片的标准电路连接图如图3-5所示，在本设计中采用该连接图中的播放、录音和放音控制。图 3-5 语音芯片标准电气连接图在本设计过程中，需要与主控制器相连接，电路原理图如图3-6所示。图3-6 语音芯片电路原理图但在设计过程中，标准电路原理图不能提供很好的音质效果，需要对语音
33、芯片输出的语音信号进行放大，因此需要设计放大电路，其电路原理图如图3-7所示。图3-7 语音信号放大电路3.4 键盘电路设计键盘设计采用标准4 4键盘，依靠8279来完成硬件扫描，以减少使用软件处理的烦琐问题。键盘由09数字键、左移位键、确认键、报警值设定键、时钟设定键、阀门开启键、运行键等16键组成。用户可以通过键盘完成人机接口的各种操作。键盘设计如图3-8所示。图3-8 44键盘电路8279的键盘扫描输出有两种方式：译码扫描和编码扫描。译码扫描即是4条扫描线在同一时间只有一条是低电平，并且以一定的频率轮流更换。当按键较多时则必须采取编码扫描，此时SL0SL3输出的是从00001111的二进
34、制计数代码，但此时扫描输出线不能直接用于键盘的扫描，而必须经过低电平有效输出的译码器。本次设计中采用SL0SL2输入到通用的低电平有效输出的3-8译码器（74LS373）得到直接可用列检测线，每根行检测线（键码回送线）接+5V的电源，并且接5.1K的上拉电阻，当某个键按下去，该线被拉低。信号回送入8279内部FIFO进行处理有得出相应的键值只有暂存，等待CPU读取。此时会由8279的IRQ产生一个中断请求信号，经由反相器连接CPU，如果CPU检测到这个信号则可以进入读键码程序，当CPU将键码数据从FIFO中取走之后，中断请求信号的IRQ将自动撤销。当8279中FIFO的数据还未被取出就又有一个
35、键被按下，则将该键代码自动进入FIFO中，FIFO堆栈有8个8位的存储单元组成，允许依次暂存8个键的代码。FIFO依循先进先出的原则。FIFO中存在多个数据时，只有将FIFO中的所有数据全部读出之后IRQ信号才会撤销。因此在实际输入按键时，可以连续按8个键，即便是CPU没有及时做出相应。3.5 扬声器电路设计 扬声器在音响设备中是一个最薄弱的器件，而对于音响效果而言，它又是一个最重要的部件。扬声器的种类繁多，而且价格相差很大。音频电能通过电磁，压电或静电效应，使其纸盆或膜片振动并与周围的空气产生共振（共鸣）而发出声音。按换能机理和结构分动圈式（电动式）、电容式（静电式）、压电式（晶体或陶瓷）、
36、电磁式（压簧式）、电离子式和气动式扬声器等，电动式扬声器具有电声性能好、结构牢固、成本低等优点，应用广泛；按声辐射材料分纸盆式、号筒式、膜片式 扬声器；按纸盆形状分圆形、椭圆形、双纸盆和橡皮折环；按工作频率分低音、中音、高音，有的还分成录音机专用、电视机专用、普通和高保真扬声器等；按音圈阻抗分低阻抗和高阻抗；按效果分直辐和环境声等。图3-9 扬声器电路原理图通过语音放大处理后，进入喇叭，其电路原理图如图3-9所示。3.6 供电电路设计整个系统供电是通过由直流电源进行供电的，但是整个控制电路部分需要使用3.3V电压，所以还需要进行相关的转换设计。本设计中采用的是LM1117，LM1117是一个低
37、压差电压调节器系列。其压差在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V。它与国家半导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列。LM1117有可调电压的版本，通过2个外部电阻可实现1.2513.8V输出电压范围。另外还有5个固定电压输出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型号。LM1117提供电流限制和热保护。电路包含1个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在1%以内。LM1117系列具有LLP、TO-263、SOT-223、TO-220和TO-252 D-PAK封装。输出端需要一个至少10uF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。其电路原理图采用的是典型电路，如图3-10
38、所示。图3-10 LM1117电路连接图3.7 下载电路设计由于AT89C2051程序下载方式与其他51系列下载有所不同，因此需要专门的下载器，如图3-11所示，给出了本设计所使用的下载器的电路原理图，其主要是将USB信号转换为了AT89C2051所能够使用的ISP信号。其控制芯片为STC89S51。图a 下载器控制芯片电路原理图图b 升压芯片电路原理图图c 其他外围电路原理图图3-11 下载器电路原理图3.8 本章小结本章介绍了系统硬件电路的设计。按照原理框图划分为控制电路、烟雾检测电路、语音报警电路、键盘电路、扬声器电路、供电电路和下载电路等。在控制电路中，主要是从应用的角度对AT89C2
39、051单片机的内部结构、外部引脚等进行了介绍，并进行了电路设计；在烟雾检测电路中采用M304551烟雾传感器，结构简单，性能可靠；语音报警电路主要采用了ISD1810语音芯片，并简要介绍了电路原理图和放大电路图。键盘电路使用户可以通过键盘完成人机接口的各种操作。最后简单介绍了扬声器电路、供电电路和下载电路的设计。第4章 系统软件设计4.1 主程序设计 本系统软件设计主要是采用C语言进行编写，整个系统的软件设计采用模块化的思想进行编写，然后将各个模块结合在一起而组成了本系统整个软件程序。其主程序流程如图4-1所示。图4-1主程序流程图4.2 控制程序设计控制部分软件设计主要是完成了对数据信号的处
40、理，同时可以通过键盘来设置门限值，在有超过报警阀值的前提下，启动语音报警。其设计流程图如图4-2所示。图4-2控制电路程序流程图4.3 烟雾检测程序设计本设计是采用的C语音进行软件设计，检测部分的软件设计主要是在开始工作之后，循环进行读取端口信号，当有电平变化则说明有烟雾报警，如果没有电平变化则表示检测区域正常。其软件设计流程图如图4-3所示。图4-3 烟雾检测程序流程图4.4 语音报警程序设计 语音报警软件设计主要是在判断是否超过阀值之后做出的操作，若超过阀值的情况，开启语音，在警报解除之后关闭语音报警。整个程序流程图如图4-4所示。图4-4语音报警程序流程图4.5 本章小结本章主要介绍了本
41、设计软件程序的具体设计。结合硬件，从主函数的具体设计到各个模块的设计。并给出了具体的流程图予以说明。第5章 系统调试在本设计中，系统调试在整个设计中起到了相当重要的最用，也是最后一个非常关键的设计步骤，只有通过系统调试才能证明整个系统设计成功，可以在系统调试中发现很多系统的漏洞，并且及时对其进行补充和改进。单片机系统的硬件调试和软件调试是不能分开的，许多硬件错误是在软件调试中被发现和纠正的。但通常是先排除明显的硬件故障以后，再和软件结合起来调试以进一步排除故障。可见硬件的调试是基础，如果硬件调试不通过，软件设计则是无从做起。5.1 硬件调试本设计是绘制了PCB板，在前期做了万用板进行调试各个功
42、能模块，主要的工作为：1、排除逻辑故障这类故障往往由于设计和加工制板过程中工艺性错误所造成的。主要包括错线、开路、短路。排除的方法是首先将加工的印制板认真对照原理图，看二者是否一致。应特别注意电源系统检查，以防止电源短路和极性错误，并重点检查系统总线（地址总线、数据总线和控制总线）是否存在相互之间短路或与其它信号线路短路。利用数字万用表的短路测试功能，测试线路的通断。2、排除元器件失效造成这类错误的原因有两个：一个是元器件买来时就已坏了；另一个是由于安装错误，造成器件烧坏。可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致。在保证安装无误后，用替换方法排除错误。3、排除电源故障 在通电前，
43、一定要检查电源电压的幅值和极性，否则很容易造成集成块损坏。加电后检查各插件上引脚的电位，一般先检查VCC与GND之间电位，若在5V4.8V之间属正常。系统测试中，采取先焊接电源模块，单独进行通电测试，这样避免输出电压过高对系统集成块损坏的可能性。由于没有交流电源的输入，只输入了比要求电压高2.5V左右的直流电压进行测试，5V稳压电源电路输出电压为4.99V之间，9V稳压电源电路输出电压分别为8.98V，8.99V，符合系统要求电压，电源部分通过测试。4、集成块引脚电压测试为了确定集成块的好坏，加之没有购买备用集成块，只有在加入正常的电源电压而没有写入程序时，用万用表测试集成块引脚电压；测试后若
44、的确发现有集成块的引脚电压不正确，再进行换集成块进行测试；若果与典型电压值基本相同，都可以正常使用。这样测试虽然增加了一定的工作量，但是可以减少购买集成块的数量，同时保证集成块可以正常的运行。5.2 控制电路调试控制电路调试主要是基于硬件调试成功的基础之上做的，这主要是用来检验控制器是否能够正常工作。这里的调试可以通过给单片机下载例程，例如跑马灯程序，可以检验单片机是否损坏，I/O是否按照要求进行工作等。具体的步骤如下：1、编写跑马灯程序，这里需要尽量使用所有的I/O端口，这样做的目的是可以测试整个单片机的I/O端口是否可以用；2、下载程序，这样可以检验下载器是否损坏，已经单片机的下载接口是否
45、连接正常；3、运行程序，运行程序这一步就可以起到检测单片机整个系统的是否正常的目的。5.3 键盘电路调试调试方法及过程：之前必须要使用万用表检测单一按键的好坏，确定之后再将好的键盘连入电路。键盘整体调试需借助于显示器调试，利用程序进行调试，在显示器调通之后，键盘调试就比较简单。即是将读入的按键键值进行16进制到10进制的转换，之后送入显示管进行测试；再借助一个报警灯检测，在程序中加入每次读入键盘值时让灯闪烁一次（最好延长一定时间便于观测）。如果某一个键按下后出现灯和显示管都不亮，则应该判断为按键问题，就必须进行排除连接线与按键本身的问题；如果灯或者显示过其中一个亮，则应该注意另外一指示器和按键
46、本身的问题，应该进行逐一排查。5.4 语音电路调试调试方法及过程：由于报警部分相对简单，直接由I/O口驱动，因此调试中之需要在相应的I/O口强制提供相应的控制信号，如果报警灯可以相应的点亮和熄灭，那么光报警部分调试通过。声音报警部分又分为语音报警和蜂鸣器报警，其中蜂鸣器报警部分也是由I/O口直接驱动，报警部分相对复杂的就是语音报警部分，因为在语音芯片的输出部分加入了一些放大电路。调试的方法是先将按照录音程序在芯片中录入一定的音乐，再按照放音程序进行放音进行放音调试。调试中出现是将喇叭直接接到芯片的音频输出口可以听到微弱的音乐响声，但是给需要的报警响度相差很远；但是将喇叭接到放大后的音频输出口上
47、就听不到任何的声音。5.5 系统联机调试系统联机调试，当环境中有烟雾时，其能准确地检测到烟雾信息，并发出报警。调试效果图如图5-1所示。5.6 本章小结系统调试是整个设计的重要一环。通过调试，找出设计中出现的问题和不足，更深入地了解了设计的具体内容。本章主要从整体调试和各个模块的调试来介绍调试方法和步骤，并对调试中出现在问题加以分析，最终实现了禁烟示警系统的功能。 结 论本文论述了基于单片机的禁烟示警系统的设计，实现了对公共场所烟雾的实时监测和报警。从开始对整个题目分析，到最后的设计完成整个系统的过程中，我对单片机技术和接口技术、信号检测和传感器技术有了更深刻的认识。以AT89C51单片机为核心，结合接口电路和C语言知识完成了本次设计。
