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1、Southwest university of science and technology本科毕业设计（论文）多传感器火灾报警系统设计学院名称学院专业名称学生姓名果子狸学号200XXXX指导教师二 年 月西南科技大学本科生毕业论文IV多传感器火灾报警系统设计摘要：从1847年世界上第一台火灾报警装置出现以来，随着公共消防意识的提高与传感器技术的进步，火灾检测的特征量与界定阈值等问题已经基本解决，但是现有的研究在很大程度上并没有解决系统适应性与准确性的矛盾。火灾报警系统的课题研究，对于开发出优秀的火灾报警系统具有重要意义。本文首先简单介绍了火灾对人类生活的影响并介绍了当今世界火灾报警系统的发展
2、情况；然后，介绍了一种多传感器火灾报警系统的设计，讲解了火灾报警系统的软件功能设计并给出了系统与各个功能模块的程序流程图；之后详细讲解了系统的各功能模块硬件及软件设计，其中硬件设计的最后部分还论述了提高系统抗干扰能力与可靠性的一些方法，并对系统的可扩展性做了简单介绍，软件设计包括针对单片机和传感器的数据采集与数据模糊处理、系统检测与报警程序的设计；之后对硬件进行了简单的调试，对调试结果进行了一些分析；最后，文章对整个设计进行了概括性总结。本文的重点是系统的硬件以及模糊判断的算法设计，其中详细介绍并论述了系统所需要实现的功能以及各个模块的设计，整个报警系统主要完成采集传感器数据、处理信息并做出判
3、断等功能。最后的实验结果表明，该设计能够有效解决灵敏度与报警准确率之间的矛盾，能够达到预期的效果。本设计具有高可靠性低误报率等特点，有一定的实用价值。关键词：火灾报警；多传感器；模糊判断；权重算法设计Design of multi-sensors fire alarm systemAbstract: Fire is a common and high-onset disaster. As the fire itself is highly destructive, it usually causes a lost of life and property. This article descr
4、ibes the affection of fire on human life and introduces the development of fire alarm systems today in world at first; then, it introduces a design of multi-sensor fire alarm system, explains amply about the hardware and software design of each module in system; besides, we did simple hardware debug
5、ging, as well as some analysis of the results of the debugging; at last, the article sums up the entire design in general. This article focuses on hardware design and fuzzy judgment algorithm design, which describes and discusses amply the design and achievement of every function the system needs. T
6、he alarm system is designed for sensor data acquisition, information processing, making judgments and so on. The last part of the hardware design is also discussed some ways to improve anti-jamming capability and reliability, and gives a brief introduction of the systems extendibility. Software desi
7、gn includes the design of MCU and sensors data acquisition programs, data fuzzy processing programs, system check & alarm programs, and we completes a fire alarm system software functional design and gives the system and program flow chart of the various functional modules. Simulation results show t
8、hat the design can effectively solve the contradiction between sensitivity and alarm accuracy; its able to achieve the desired results. This design has high reliability with low false alarm rate, etc., but in some areas still needs further improvement and refinement.Key words: fire alarm, multi-sens
9、ors, fuzzy judgment, permission assign algorithm design目 录第1章 绪 论11.1 现今火灾报警技术发展及国内外研究概况11.2 现代消防对火灾检测与报警的要求21.3 课题研究的意义31.4 设计工作任务及内容安排3第2章 系统方案设计52.1 传感器选型方案简介52.1.1 温度传感器62.1.2 烟雾传感器62.1.3 一氧化碳传感器62.2 系统主要功能72.3 系统结构与工作流程72.4 小结8第3章 火灾报警系统硬件模块设计93.1 单片机选型93.2 模数转换电路设计113.3 传感器选型123.3.1 温度传感器YH-WE
10、P-01/Pt100123.3.2 烟雾传感器HIS-07133.3.3 一氧化碳传感器ME4-CO153.4 报警与显示电路设计163.4.1 蜂鸣器报警电路163.4.2 SMC1602A液晶显示模块173.5 电源管理模块193.6 看门狗简介203.7 通讯与下载电路设计213.8 小结22第4章 系统软件设计234.1 火灾报警系统对软件设计的要求234.2 软件开发环境简介244.3 火灾报警系统软件流程244.4 软件各功能模块设计264.4.1 系统自检模块设计264.4.2 各传感器数据采集与预处理模块274.4.3 数据模糊处理与告警模块294.5 小结31第5章 系统调试
11、及遇到的问题325.1 硬件功能调试325.1.1 显示功能调试325.1.2 蜂鸣器功能调试345.1.3 A/D转换功能调试365.2 系统整体运行调试385.3 小结40结论41致谢42参考文献43附录1 Using multiple sensor for discriminating fire detection翻译44附录2 Using multiple sensor for discriminating fire detection原文49附录3 系统电路原理图55附录4 硬件实物图56附录5 部分程序源代码57西南科技大学本科生毕业论文第1章 绪 论本章主要介绍了现今火灾报警技术
12、的发展概况，现代消防对火灾检测与报警的要求以及国内外相关的研究现状，讲述了本设计的主要内容、任务和相关安排以及本课题的研究意义。1.1 现今火灾报警技术发展及国内外研究概况火灾是指在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。实践证明，随着社会和经济的发展，消防工作的重要性就越来越突出。“预防火灾和减少火灾的危害”是对消防立法意义的总体概括，包括了两层含义：一是做好预防火灾的各项工作，防止发生火灾；二是火灾绝对不发生是不可能的，而一旦发生火灾，就应当及时、有效地进行扑救，减少火灾的危害。从1847年美国牙科医生坎宁和缅因大学
13、教授法莫研制出世界上第一台城镇火灾报警装置至今，已有一百多年的历史。火灾报警系统的发展已经过了以下几个阶段：19世纪40年代到20世纪40年代是火灾报警器发展的第一阶段，这期间的火灾报警以单线感温报警为主，即通过简单的探测和报警电路判断环境温度是否超过预先设置的阈值，由于受限于这一时期的电子技术和传感器技术，报警器的可靠性、准确性和灵敏度均不高。20世纪50年代到70年代则是火灾报警器发展的第二阶段，火灾报警已经由单线制变化为多线制。多线制火灾报警器与上一代火灾报警器的区别在于火灾探测器与火灾报警控制器之间不再是一对一而是多对一的关系，而且多线制要求每个探测器与控制器之间使用两条以上的导线连接
14、以保证每个探测点都能准确发出报警信号。但多线制火灾报警系统过于复杂的设计与布线，使得安装和维护都很不方便，并且成本也比单线制报警器高很多。20世纪80年代到20世纪末，微处理器技术逐渐民用化并迅速普及起来，极大地改变了火灾报警系统的设计思路，于是出现了以单片机为核心的总线制火灾报警系统。即为火灾报警器发展的第三阶段。这种自动报警系统已采用微处理器控制，探测器和模块均采用地址编码形式，通过总线与控制器实现信号传送，此类系统可进行现场编程，并通过各种模块对各联动设备实行较复杂的控制，具有系统自检及对外围器件的故障检验等功能。现代建筑因为体量大、层数多、人员多，并使用了大量可燃材料装修，而且垂直疏散
15、困难很大，所以火灾危险性也很大。近十几年来，世界各国都对火灾的预防、报警和控制进行了大量的研究，使智能型火灾报警系统的产品更新换代速度非常快。探测器由普通探测器发展到带编码地址的探测器，信号线由原来的多线制发展到二总线制，探测器的性能和系统的联动控制日趋完善，可靠性越来越高。在国外的产品中，分布智能系统技术得到了较为广泛的应用，这类系统的显著特点有：多判数据火灾探测技术，完善的功能设置以适应一般场合的使用，通过编程使探测器适应特殊的场合或环境需要，可以对自身电路及传感器进行检测，具有环境因素补偿，故障报告功能，具有良好的可扩展性，多级判断设计提高报警的准确程度，有完善的通讯协议，低功耗。同国外
16、相比，国内在火灾报警系统的研究上还是有一定的差距的。现在国内火灾报警技术也将重点放在了分布智能系统上，也有相当多优秀的产品出现，但国内铲平普遍存在的缺乏核心技术的问题使得国内产品和国外的产品相比之下还是存在诸如可靠性、稳定性差、探测器信号处理方法单一，智能化程度低、未能很好解决探测器灵敏度和误报率之间矛盾等问题。1.2 现代消防对火灾检测与报警的要求由于城市规模日益扩大，高层建筑、地下建筑、公共娱乐场所及大型综合性建筑越来越多，建筑布局及功能日益复杂，用火、用电、用气和化学物品的应用日益广泛，火灾的复杂性、危险性大大增加。但是城市的消防站、消防供水、消防通信、消防通道等公共消防设施的建设却发展
17、缓慢，远远不能满足现代防火、灭火的需要，使社会抗御火灾的能力相当薄弱。因此现代消防建设对火灾检测与报警的要求也与日俱增，主要体现在以下几点：第一，高层、超高层建筑对消防设施的要求。这类高层建筑的火灾一般有如下几个特点：多采用大跨度钢架结构和灵活的环境布置，使建筑物开间和隔墙布置复杂，随着建筑高度增加，在起火前室内外温差所形成的热风压大，起火后由于温度变化而引起烟气运动的风火压大，因而火灾使烟气弥漫、扩散迅速；为了加强艺术效果和舒适性的要求，装饰材料多种多样，且多为易燃或可燃材料；建筑内大量使用各种电气设备，电气设备配电线路和信息数据通信布线系统密如蛛网，一旦发生火灾，会迅速蔓延；建筑内人员众多
18、，一旦发生火灾，疏散难度大；建筑多是多用途的综合性大楼，从而造成安全疏散通道曲折隐藏。由此可见，现代化高层建筑对火灾报警系统在火灾整体的检测灵敏度、多样化检测标准、准确度、可靠性以及极端条件下系统工作稳定性有了更多的要求。第二，工厂、企业都有大型或特大型的仓库，用以存放各种材料、设备，一旦仓库失火，将给工厂、企业带来巨大的经济损失，甚至导致工厂、企业的停产。而这些仓库又往往存在面积大、货物货架高、死角多等对火灾监视不利的因素，此外，各种有毒或特殊材料的特点也对火灾监测有很大影响。所以，也要通过火灾报警系统来克服这些不利因素，对仓库进行有效的火灾监视。第三，由于火灾发生的可能性很大程度上取决于环
19、境因素，因此火灾报警系统需要不仅能对固定环境的活在进行监测，更要能够针对不同环境条件下变化环境中的火灾隐患进行监控，这对报警系统的智能化以及传感器技术提出了新的要求。1.3 课题研究的意义上文中已经提到过，我国火灾报警系统技术的主要不足之处在于缺乏自己的核心技术，因此如何设计一个具有自己独创元素的系统将不仅有利于提高系统设计水平，也能够为以后更多消防检测系统的设计提供很多优秀的参考。而这里面包括硬件设计的独创性和软件系统的设计独创性两方面。结合现代消防对火灾检测与报警系统的要求，报警系统的设计应根据上述三点要求对系统进行优化设计。除了完成通常环境下监视传感器及系统自身的工作状况、处理各个传感器
20、输出的报警信号、进行正确的示警与警示信息及执行相应的辅助控制等功能以外，还需要在设计系统软件时考虑到不同环境下系统功能的适应性与稳定性。1.4 设计工作任务及内容安排根据现今国内外火灾报警系统的设计理念，针对现有火灾报警器存在的不足，我设计了一种基于多传感器技术的火灾报警系统，该设计的主要工作任务包括：系统硬件设计。包括火灾报警系统的控制器主板设计和其中各部分元件的选型，电路板的设计与绘制，传感器及相关电路的设计。系统软件设计。包括火灾报警系统主程序设计，各个功能模块的程序设计，数据收集与模糊判断算法设计以及系统自检程序的设计。本文的内容安排如下：第一章，简单介绍的火灾报警的背景以及现今火灾报
21、警技术的国内外研究现状，以及全文内容的安排。第二章，描述火灾报警系统的主板设计方案，包括各功能模块和芯片的选型以及详细说明。第三章，详细讲解该系统各个模块的设计思路和工作电路原理，分析实现各个功能的方法和设计特点。第四章，详细介绍了整个火灾报警系统的软件设计思想，实现各个功能的模块程序设计，以及系统工作的软件流程。第五章，对完成的系统原型进行了简单的一些调试，并在调试过程中发现并解决软件漏洞，改进系统的设计。并对系统做了简单的环境稳定性测试。第2章 系统方案设计本章主要针对该火灾报警系统的设计所需的元器件、系统需要实现的功能与设计要求以及系统工作流程等问题。本系统属于分布式多传感器火灾报警系统
22、，与传统火灾报警系统相比有以下优点：第一，多判数据处理。由于系统使用多传感器监测，因此系统对火灾的检测也是基于多判数据处理的，将系统中的多个传感器采集到的数据送入MCU统一处理，将多组参数进行组合判断，使各个传感器互为补充，能让系统根据同一时刻各传感器返回的信息准确区分火灾险情与干扰源，拓宽了检测范围，提高了灵敏度，同时还能获得较低的误警率。第二，实时环境数据监测与模糊判断。传感器的输出并非是其对环境信息的连续检测结果，而是根据其检测周期有间隔地输出，因此传统火灾报警系统就存在检测的实时性问题，而基于单片机和多传感器的本系统使用MCU对数据进行处理，可达到对传感器输出的信号及环境数据进行实时监
23、测的效果；与此同时，本系统并不完全依赖数据阈值的判断，而是加入了带有持续时间检测的模糊判断，能够有效区分火灾与干扰源。2.1 传感器选型方案简介对火灾报警系统来说，传感器的性能在整个系统的工作效能上有着举足轻重的作用，因此传感器的选型尤为重要，根据本系统的设计要求，使用温度传感器、一氧化碳传感器和烟雾传感器。设计中这三种传感器均为模拟信号传感器，通过放大整形电路与A/D转换后作为送入MCU处理的数据。本设计中对传感器的性能有着如下要求：烟雾检测：05%/英尺，误差10；温度检测：0200，误差4；一氧化碳：0500ppm，误差5ppm。这些性能指标即设计中各传感器的选型的主要依据，其次在选型中
24、也应考虑到元件性价比的因素，在满足性能指标的基础上尽可能提高元件性能。2.1.1 温度传感器本设计使用高精度热电偶温度传感器YH-WEP-01/Pt100，其形为薄膜铂电阻，是用真空沉积的薄膜技术把铂膜溅射在陶瓷基片上。膜厚在2m以内，用玻璃烧结料把Ni（或Pd）引线固定，经激光调阻制成的薄膜元件。传感器工作时因环境温度的变化，使自身内阻发生相应变化，在固定电流下转化为一定的电压，经过放大整形后送入A/D转换，成为能被单片机识别的温度数据信号。测量范围：-50500；R0=1000；工作电流：0.5mA；线性度：0.17%；测量误差：(0.10+0.0017| t |)；外形结构：5.02.0
25、金属壳封装；延长线：0.510.0。由上述性能指标可知该传感器符合设计的性能要求，同时其体积小巧、温感灵敏且误差很小，适合火灾检测的温度测量。2.1.2 烟雾传感器本设计使用的烟雾传感器为离子式烟雾传感器HIS-07，该传感器是基于类比最佳性能设计的单源双室DSCB型电离室，电离室中安装的电离源为Am-241，专用于感烟探测。当流经内外电离室的电子流不平衡时，集电极充电直到电离电流达到平衡，在无烟或无燃烧物时，集电极除手电离电流潮汐影响外保持平衡电位。当烟雾进入外电离室时对电离电流产生影响，使电离电流下降，集电极重新充电直到新的平衡电位，这时的电位变化经整形后送入A/D转换，即可得到烟雾浓度的
26、数据。测量范围：0%5%；工作电压：9V；测量误差：0.1V；UL217标准大气中输出电压：5.60.4V；工作湿度：95%RH；棉芯2%/foot烟灵敏度：0.60.1V；集电极平衡电位：5.50.3V；绝缘体漏电电流：0.5pA；电离源活度：0.5Ci(18Kbq)10%；电离室25cm处辐射剂量率：0.03mGy/年。由上述性能指标可知该传感器符合设计的性能要求，HIS-07传感器的生产制作符合GB4715-93国家标准，采用单源双室结构，体积小，便于安装；在适用范围的环境条件下集电极平衡电位变化值基本在参数范围内，稳定性较高；集电极平衡电位一致性好，响应时间较短，适于火灾检测中的烟雾测
27、量。2.1.3 一氧化碳传感器本设计使用的一氧化碳传感器为ME4-CO型电化学传感器，该传感器根据电化学的原理工作，利用待测气体在电解池中工作电极上的电化学氧化过程，通过电子线路将电解池的工作电极和参比电极恒定在一个适当的电位，在该电位下可以发生待测气体的电化学氧化，由于氧在氧化和还原反应时所产生的法拉第电流很小，可以忽略不计，于是待测气体电化学反应所产生的电流与其浓度成正比并遵循法拉第定律。于是通过将电流转换为电压信号并整形方法送入A/D转换就可以确定一氧化碳气体的浓度数据。测量范围：01500ppm；工作电压：9V；测量误差：0.080.02uA/ppm；零点漂移(-2040)：9ppm；
28、工作湿度：15%95%RH；响应时间：25s；分辨率：1ppm；稳定性：5%/年；重复性：2%输出值。由上述性能指标可知该传感器符合设计的性能要求，ME4-CO传感器对CO有很高的灵敏度，具有良好的重复性和长期的稳定性，抗干扰特性良好，适合是用于火灾环境下的一氧化碳气体检测。2.2 系统主要功能本设计的火灾报警系统具有以下几个功能：1) 火灾检测：传感器返回的数据经单片机判断为火灾时，发出火灾报警信号，并显示于显示器上；2) 分类示警：单片机根据传感器返回的环境信息，结合不同类型火灾或气体泄漏的特征判断示警类型并显示；3) 故障检测与告警：单片机在工作时对各个传感器的工作状态进行检测，当发现传
29、感器无响应时发出故障信号，并显示具体故障消息；4) 外部设备控制：当系统做出火灾判断时能同时启动相应外部设备如灭火工具等。2.3 系统结构与工作流程该火灾报警系统由图2-1中所示的几个部分构成。传感器安装于检测现场，通过导线连接到主板传感器驱动电路，传感器返回的信号送到整形电路后转换为05V的电平信号，由A/D转换芯片转换为数字信号送入单片机；其中若有使用的数字式传感器如18B20等，则不需要连接驱动电路与整形电路而直接连接单片机。系统的其他部分均安装在主板上，单片机接收到来自各传感器的数据后将数值显示于液晶屏，并根据事先制定好的规则判断是否有火灾情况，如果有火灾情况则将报警信息显示，同时驱动
30、蜂鸣器发出声音报警，并可以在需要的情况下启动外部设备。图2-1 火灾报警系统整体结构框图为了提高系统的可靠性，系统在硬件设计上采用了一些措施。设计系统的时候，不能只考虑正常状态的运行，对于干扰源也要有所考虑。由于可能会有因某些特定原因产生的类似火灾的干扰源触发报警系统，如果用通常的处理方法，需要大量的判断时间，可能会造成硬件的损坏。为了解决这样的情况，对系统做出如下设计：若检测到单一传感器的数据迅速变化，则检测其余传感器是否检测到触发火灾相应的数据变化，同时判断结果是否到达报警阈值，如果没有检测到相应变化则视为干扰源，并根据设置的阀值直接报警。2.4 小结本章针对各个传感器的选型方案和工作参数
31、，对系统的主要功能和工作流程等问题进行了简单描述，使读者对整个火灾报警系统有了一个整体了解，为整个系统的设计介绍开头。第3章 火灾报警系统硬件模块设计本章将详细阐述系统各个硬件模块的设计，包括各个模块的选型、电路原理、功能实现和硬件设计。该火灾报警系统由传感器和主板电路构成，综合考虑系统性能与成本，选用以单片机为核心的系统设计。其中传感器负责数据采集，并送回主板；单片机负责数据处理与功能调用，完成传感器检测、数据分析、触发火灾的判断以及驱动报警电路的工作。3.1 单片机选型STC89C52为宏晶科技生产的40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，芯片的引脚分配如图3-1所
32、示。图3-1 STC89C52RC单片机引脚分配在内部功能及管脚排布上与通用的8xC52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。RST/Vpd(9脚)为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC(40脚)和VSS(20脚)为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义。本系统采用该系列单片机中的STC89C
33、52RC型号，各引脚功能描述见表3-1。表3-1 STC89C52RC引脚功能描述名称名称及功能ALE地址锁存使能P0.0-0.7P0口P1.0-1.7P1口T2（P1.0）：定时/计数器2的外部记数输入/时钟输出T2EX（P1.1）：定时/计数器2重装载/捕捉/方向控制P2.0-2.7P2口P3.0-3.7P3口RXD(P3.0)：串行输入口TXD(P3.1)：串行输出口INT0(P3.2)：外部中断0INT1(P3.3)：外部中断T0(P3.4)：定时器0外部输入T1(P3.5)：定时器1外部输入WR(P3.6)：外部数据存储器写信号RD(P3.7)：外部数据存储器读信号PSEN程序存储选
34、通RST复位端VCC电源：提供掉电，空闲，正常工作电压。VSS接地EA/Vpp外部寻址使能/编程电压XTAL1晶体1：反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入XTAL2晶体2：反相振荡放大器输出注：为了避免上电时的闩锁效应，任意管脚(Vpp除外)上的电压任何时候都不能高于VCC+0.5V，低于VSS-0.5V。STC89C52RC单片机具有以下几个特点：1) 增强型6时钟/机器周期CPU；2) 3.4V-5.5V宽工作电压，工作频率范围0-40MHz，实际工作频率可达48MHz；3) 工作温度范围075；4) 8KB用户应用程序空间以及512B片内RAM，无需扩展存储器；5) 32个通用I/O
35、口，复位后P1/P2/P3是准双向口/弱上拉，P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口使用则需要上拉电阻；6) ISP/IAP无需专用编程器/仿真器，可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序；7) 内置看门狗电路，无需外加看门狗电路；8) 内置3个16位定时器/计数器，其中定时器0可作为2个8位定时器使用；9) 具有4个外部中断源，下降沿或低电平触发中断，掉电模式可由外部中断低电平触发中断模式唤醒；10) 通用异步串行口(UART)可通过定时软件实现多个UART；11) PDIP-40封装。该单片机具有8KB的Flash程序存储器，支持0-40MHz的时钟频率，
36、512字节的RAM数据存储器，2K+字节EEPROM，32条I/O数据口，2个数据指针，3个16位定时/计数器，8输入4优先级嵌套中断结构，1个串行I/O口(可用于多机通信I/O扩展或全双工UART)以及片内振荡器和时钟电路。另外单片机内部自带有看门狗电路，无需额外设置看门狗电路。此外，由于89C52本身属于MCS-51系列单片机中的一种，指令集同其他51系列单片机基本相同，即大多数指令均是现成的，开发过程中可以不必额外学习新的指令。结合该单片机本身的特点，可见其完全能够满足本设计的要求。3.2 模数转换电路设计由上面的叙述可知，系统中的各个传感器返回的信号均为模拟量，无法被单片机直接接收和处
37、理，所以需要将这些信号进行A/D转换，又因为各个传感器的参考电压并不完全相同，因此不能简单使用多通道A/D转换芯片来统一处理，所以本设计中选择单通道8位A/D转换芯片TLC549CP，芯片引脚和逻辑原理图见图3-9。图3-9 TLC549CP芯片引脚分配及逻辑原理图TLC549是单通道8位分辨率A/D转换器，总不可调整误差0.5LSB。采用三线串行方式与微处理器接口。片内提供4MHz内部系统时钟，并与操作控制用的外部I/O CLOCK相互独立。有片内采样保持电路，转换时间17us，包括存取与转换时间转换速率达40000次/秒。差分高阻抗基准电压输入范围是：1V差分基准电压Vcc+0.2V。宽电
38、源范围：3V6.5V，低功耗，当片选信号/CS为低，芯片选中处于工作状态。芯片的连接方式见图3-10，电路中另需要通过源与一只电阻串联接入，以实现输入补偿的功能。图3-10 TLC549接线方式对于A/D转换器，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如，对于TLC549CP，其内部时钟信号为4MHz，转换时间小于17s，相当于晶振12MHz的单片机工作36个机器周期。根据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后，就调用这个延时子程序，当延迟时间到达时，转换将一定完成。之后就可进行数据传送。3.3 传感器选型3.3.1 温度传感器YH-WEP-01/Pt100YH-WEP-01/Pt100传
39、感器为本设计采用的高精度热电偶温度传感器。传感器工作时因环境温度的变化，使自身内阻发生相应变化产生相应，经过放大整形后送入A/D转换，成为能被单片机识别的温度数据信号。其实物图见图3-2，相关参数如表3-2所示。图3-2 YH-WEP-01/Pt100温度传感器实物图表3-2 YH-WEP-01/Pt100温度传感器工作参数型号外形尺寸R0/延长线/cm测量范围/误差/温度系数YH-WEP-015.0*2.0*1.0100010(可加长)-505000.10+0.0017| t |+0.003925YH-WEP-02500由热电偶的温度计算公式：(3-1)其中，R0是0时的电偶内阻，阻值100
40、0；温度系数=0.003925。由此可得，当温度为200时，电偶内阻Rt|t=200=1785，又知电偶在t=0时工作电流为0.5mA，驱动电压为5V，故选用9k电阻作为负载电阻，即图3-3传感器检测电路中的电阻Rh，电阻Rt则为YH-WEP-01/Pt100热电偶。图3-3 温度检测电路原理图3.3.2 烟雾传感器HIS-07HIS-07烟雾传感器是日本为检测烟雾而设计的新型传感器，是为专用于烟雾检测的传感器实物图及外形尺寸见图3-4及图3-5，其特性参数如表3-3所示。图3-4 HIS-07烟雾传感器实物图图3-5 HIS-07烟雾传感器工程样图表3-3 HIS-07烟雾传感器工作参数灵敏
41、度特性电源电压特性湿度特性烟雾浓度%/英尺输出电压V误差V电源电压V输出电压V湿度%RH输出V05.60.4063.30.3305.750.515.30.50.30.195.60.4605.600.425.00.50.60.1128.00.7905.450.434.70.50.90.21510.00.85温度特性44.40.51.20.21813.01.0温度输出V54.20.51.40.205.150.4255.600.4505.850.4注：测试条件根据UL217标准，风速0.1m/s根据传感器的特性，其输出值正好是5V左右，因此不需要额外的放大电路，直接由A/D转换即可得到需要的数字信号
42、，烟雾检测的电路原理图如图3-6所示。图3-6 烟雾检测电路原理图3.3.3 一氧化碳传感器ME4-COME4-CO传感器属于电化学型传感器，对电解容纳室作了重新设计，减少了电解液泄露的风险，体积小，大幅度的减低了成本。输出信号直线性、重复再现性优越、不受湿度影响、电池可驱动。传感器检测烟雾的原理由以下反应式描述：CO + H2OCO2 + 2H+ + 2e-此时生成的电子分布在检知电极，氢离子分布在电极旁边的电解液中，形成两层电。在此检知电极和对向电极同外部电路相结合时，电子从检知电极向对向电极流动。氢离子在电解液中移动接受对向侧电子，发生如下化学反应生成水。4H+ + O2 + 4e-2H
43、2O其实物图与主要性能参数分别如图3-7和表3-4所示。图3-7 ME4-CO一氧化碳传感器实物图表3-4 ME4-CO一氧化碳传感器性能参数产品类型电化学气敏元件产品封装塑料封装（ME4）检测范围0500ppm最大测量限1500ppm预期寿命2年灵敏度0.080.02uA/ppm分辨率1ppm使用压力范围标准大气压10响应时间（T90）25S湿度范围1590RH无凝结零点漂移（20+40）9ppm重复性2输出值由于传感器输出电压很小达不到单片机工作的要求，所以在一氧化碳检测电路的设中加入了放大电路，同时出于对可调整性与可更换性的考虑，设计如图3-8所示可调倍率放大电路。图3-8 可调倍率放大
44、电路原理图其中R1=R2=1K，=20K，R=10K，=50K；由图可得输入输出关系：(3-2)故该电路的放大增益为：(3-3)可见变阻器RW可以在一定范围内调整整个放大电路的增益，这不仅对传感器校准有用，也为以后能更换传感器时的电路适用性起了很大帮助，降低了电路成本，提高了整个系统的硬件可移植性。3.4 报警与显示电路设计本设计使用蜂鸣器作为报警手段，同时使用1602双行液晶显示模块显示报警消息，本小节将分别介绍其实现方法。3.4.1 蜂鸣器报警电路本设计采用一般市场上就能买到的常见蜂鸣器，工作电压5V，和一般数字元件不同，蜂鸣器工作时电流较大，因而不能直接由单片机驱动，故在系统设计时采用了
45、ULN2003A作为驱动芯片，其封装和逻辑框图见图3-11。ULN2003A是7路高耐压、大电流达林顿管阵列，由7个硅NPN达林顿管组成，每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，输出还可以在高负载电流并行运行。图3-11 ULN2003A封装与逻辑功能视图ULN2003A硬件连接方式如图3-12所示，可见蜂鸣器由单片机P1.2脚控制，当触发报警时，P1.1脚按照音频频率拉低电位，蜂鸣器便发出对应频率的鸣叫声。P1.1脚对应一个继电器，用以在需要时
46、驱动外部设备，使用继电器可以排除器件本身如工作电压范围等不相容因素，使系统能控制更多外部设备，同时预留了剩余的5个驱动引脚，用于驱动、扩展其他外部设备。图3-12 ULN2003A硬件连接图3.4.2 SMC1602A液晶显示模块1602是一种双行16字符液晶显示模块，其外形如图3-13所示。模块有16个引脚，引脚说明见表3-5。该模块在制作时已经内置了字符库与808位的片内RAM缓冲区，所以不必单独制作驱动程序和相关电路，为开发节约了很多时间，模块的硬件连接图如图3-14所示，可见电路本身相当简单，其中滑动变阻器RW与第3引脚相连，影响液晶显示偏压信号VL，用来调整显示屏的对比度。图3-13
