资源描述
,*,出版社 理工分社,单片机应用技术项目教程版,项目,10,烟雾监测报警器,知识目标：,1.,了解并使用,MQ-2,烟雾传感器；,2.,了解常用,A/D,转换的原理、技术指标；,3.,掌握常用,A/D,转换芯片的使用方法；,4.,掌握,A/D,转换结束后的三种数据传送方法；,技能训练目标：,1,熟练掌握常用,A/D,转换芯片与单片机的接口方法；,2,学会对,A/D,转换程序设计方法；,烟雾报警器,设计要求：,设计制作一个基于单片机控制的烟雾检测报警器。简易烟雾检测与报警器要求能够检测环境中的烟雾浓度，并具有显示与报警功能。,本系统功能由硬件和软件两大部份协调完成，硬件部分主要完成信号的检测、转换、显示；软件主要完成信号的处理及控制功能等。,本系统的硬件采用模块化设计，以,AT89C52,单片机为核心，与烟雾浓度信号采集及前置放大电路、,LED,显示电路、,A/D,转换电路、声光报警电路组成控制系统。该系统硬件主要包括以下几个模块：,AT89C52,主控模块、,LED,显示模块、,A/D,模块、烟雾传感器信号采集及前置放大电路模块、声光报警模块等。其中,AT89C52,主要完成外围硬件的控制以及一些运算控制功能；,LED,显示模块的数字显示功能；声光报警模块的声光报警功能；本方案在仿真软件中由可调电位器模拟烟雾传感器检测的实际情况，实现模拟电压输入，范围在,0V,5V,之间；,A/D,模块选用典型,A/D,芯片,ADC0809,，实现,A/D,转换，输出电压的数字量通过,LED,数码管显示。系统组成方框图如图,10-1,所示。,总体设计方案,数码管显示电路,复位电路,时钟电路,电源电路,图,10,1,烟雾检测与报警系统组成方框图,单片机,声光报警电路,AD,转换电路,传感器信号采集及前置放大电路,系统软件主要由主程序、查询,A/D,转换是否完成功能函数、,A/D,转换功能函数、计算,A/D,转换值功能函数、,LED,显示功能函数、声光报警功能函数等模块组成，系统软件结构框图如图,10-2,所示。,A/D,转换子程序,声光报警,LED,显示,A/D,转换值子程序,查询,A/D,转换是否完成子程序,主程序,计算,A/D,转换值子程序,图,10,2 A/D,转换控制系统软件结构框图,烟雾传感器是测量装置和控制系统的首要环节。烟雾传感器能够将气体的种类及其浓度有关的信息转换为电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在的情况有关的信息，从而达到检测、监控、报警的功能。烟雾传感器作为报警系统中不可缺少的核心器件，它决定了所采集的烟雾浓度信号的准确性和可靠性。,1.MQ-2,烟雾传感器,MQ-2,实物图,一、,MQ-2,烟雾传感器及信号采集电路,2.,烟雾传感器的结构,MQ-2,由微型,AL,2,O,3,陶瓷管、,SnO,2,敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有个针状管脚，其中个用于信号取出，个用于提供加热电流。,由于当有烟雾或有害气体产生时引起传感器变化的是电阻，所以用左图所示的驱动电路就可以将非电量信号转换成电压。,H,两端接到电源的两端起预热的作用。,典型应用电路,3.,信号采集及前置放大电路,MQ-2,半导体气体烟雾传感器要想把采集到的烟雾浓度模拟信号传送给单片机控制器就必须经过放大器进行放大处理，之后才能将模拟信号经过,A/D,转换器转化为可以识别的电信号给单片机。,设计中采用,LM324,作为电路的运算放大器。,二、,A/D,、,D/A,转换,在工业控制和智能化仪表中，常常采用单片机进行实时控制和实时数据处理。由于单片机所能处理的信息必须是数字量，而控制过程中或者与测量对象有关的参数往往是连续变化的模拟量，如电压、电流、温度、液位、压力等，因此必须,将模拟量转换成数字量,。,反之，也经常需要把单片机中的,数字信号转变为连续变化的模拟量,，如电压、电流等，送到外部去控制某些外设，如调节阀等。,将模拟量转换成数字量的过程就是模,/,数（,A/D,）转换，能实现模,/,数（,A/D,）转换的设备称为,A/D,转换器或者,ADC,；,将数字量转换成模拟量的过程就是数,/,模（,D/A,）转换，能实现数,/,模（,D/A,）转换的设备称为,D/A,转换器或者,DAC,。,A/D,转换器的作用,将模拟量转换为数字量，以便计算机接收处理,传感器,单片机,A/D,转换,双积分式,A/D,转换器,逐次逼近式,A/D,转换器,并行,A/D,转换器,A/D,转换器的种类及特点,A/D,转换是实现模拟量向数字量转换的器件，按转换原理可分为四种：计数式,A/D,转换器、双积分式,A/D,转换器、逐次逼近式,A/D,转换器和并行式,A/D,转换器。,目前最常用的,A/D,转换器是双积分式,A/D,转换器和逐次逼近式,A/D,转换器。前者的主要优点是转换精度高，抗干扰性能好，价格便宜，但转换速度较慢，一般用于速度要求不高的场合。后者是一种速度较快、精度较高的转换器，其转换时间大约在几,s,到几百,s,之间。,A/D,转换器的种类及特点,逐次逼近式典型,A/D,转换器芯片有：,(1)ADC0801ADC0805,型,8,位,MOS,型,A/D,转换器,(2)ADC0808/0809,型,8,位,MOS,型,A/D,转换器,(3)ADC0816/0817,A/D,转换器的主要技术指标,分辨率,分辨率表示转换器对微小输入量变化的敏感程度，通常用转换器输出数字量的位数表示。,目前常用的,A/D,转换芯片的常用位数有,8,位，,10,位，,12,位，,16,位分辨率等。,若分辨率为,8,位，表示该,A/D,转换器的数字输出量的变化范围为,0,255,，当输入电压的满刻度为,5V,时，数字量每变化一个数字所对应输入模拟电压的值为,5V/255=19.6mV,，分辨能力就是,19.6mV,。,分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。,A/D,转换器的主要技术指标,转换精度,转换精度有,绝对精度,和,相对精度,两种表示方法。,常用数字量的位数作为度量绝对精度的单位，如精度为,1/2LSB,，而用百分比来表示满量程时的相对误差，如,0.05%,。,注意，精度和分辨率是不同的概念。精度指的是转换后所得结果相对于实际值的准确度，而分辨率指的是能对转换结果作出反应的最小输入量。分辨率很高者可能由于温度漂移，线性不良等原因而并不具有很高的精度。,A/D,转换器的主要技术指标,转换时间,从发出启动转换命令到转换结束获得整个数字信号为止所需要的时间称为转换时间。,典型,A/D,转换器件,ADC0809,A/D,转换器的种类非常多，本项目以美国国家半导体公司生产的,ADC0809,为例来介绍它们的使用方法。,ADC0809,是,CMOS,工艺,8,位逐次逼近式,A/D,转换器，具有,8,个模拟量输入通道，单电源供电，转换时间约为,100s,（,fCLK=640KHz,），输入输出与,TTL,电平兼容。,典型芯片,ADC0809,介绍,ADC0809,是一个,8,位,8,通道的,AD,转换器。,ADC0809,功能分析,CLK,：时钟信号，可由单片机,ALE,信号分频得到。,转换有以下几步：,ALE,信号上升沿有效，锁存地址并选中相应通道。,ST,信号有效，开始转换。,A/D,转换期间,ST,为低电平。,EOC,信号输出高电平，表示转换结束,。,OE,信号有效，允许输出转换结果。,8,0,3,1,7,4,L,S,3,7,3,A,D,C,0,8,0,9,2,C,L,K,D,0,-,D,7,1,1,1,1,1,G,E,O,C,S,T,A,L,E,O,E,R,D,P,2,.,0,W,R,I,N,T,1,A,L,E,P,0,A,0,-,A,7,A,0,A,1,A,2,A,B,C,V,R,(,+,),V,R,(,-,),+,5,V,G,N,D,I,N,0,I,N,7,I,N,6,I,N,5,I,N,4,I,N,3,I,N,2,I,N,1,转换结果由此输出,ADC0809,和单片机的连接,写信号、,P2.0,有效时，启动,AD,转换。,转换结束后，输出高电平，向,CPU,发出中断请求,读信号、,P2.0,有效时，允许输出,AD,转换结果。,转换时钟由,ALE,分频得到。,首先确定,ADDA,、,ADDB,、,ADDC,三位地址，决定选择哪一路模拟信号；,使,ALE,端接受一正脉冲信号，使该路模拟信号经选择开关到达比较器的输入端；,使,START,端接受一正脉冲信号，,START,的上升沿将逐次逼近寄存器复位，下降沿启动,A/D,转换；,EOC,输出信号变低，指示转换正在进行。,A/D,转换结束，,EOC,变为高电平，指示,A/D,转换结束。此时，数据已保存到,8,位三态输出锁存器中。此时,CPU,就可以通过使,OE,信号为高电平，打开,ADC0809,三态输出，由,ADC0809,输出的数字量传送到,CPU,。,ADC0809,的工作过程,转换后数据的处理,可采用定时、,中断,、,查询,三种方式。,1,）定时传送方式,对于一种,A/D,转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如,ADC0809,转换时间为,128s,，相当于,6MHz,的,MCS-51,单片机共,64,个机器周期。可据此设计一个延时子程序，,A/D,转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。,2,）查询方式,A/D,转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如,ADC0809,的,EOC,端。因此可以用查询方式，测试,EOC,的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送，使,OE,置,1,，从,D0D7,上读取,A/D,转换后的数字量。,3,）中断方式,把表明转换完成的状态信号（,EOC,）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送，,EOC,的输出端外接一反相器后再接入外部中断输入端或，当,CPU,响应中断后，应在中断服务程序中让,OE,变为高电平，以便读取,A/D,转换后的数字量；如果采用定时传送方式，则,EOC,直接悬空即可。,【,活动一,】,硬件电路设计,烟雾报警系统硬件电路原理图,【,活动二,】,软件设计,1,、算法分析与流程图,本程序主要由主程序、查询,A/D,转换子完成功能函数、,A/D,转换功能函数、计算,A/D,转换值功能函数、,LED,显示功能函数、声光报警程序等模块组成。,【,项目实施,】,1,、算法分析与流程图,在外部中断,0,服务子程序中读取,AD,转换的结果，并将其转换为对应的模拟电压，显示后启动下一次,AD,转换；,在定时中断,T1,服务子程序中比较,AD,转换后的值与设定浓度的大小，如果大于等于设定值，则声光报警。,烟雾报警器中断服务子程序流程图,主程序的工作是启动,ADC0808/0809,进行转换并读取转换结果。利用下降沿启动,AD,转换。,转换结果为一个,8,位二进制数,00,FFH,，从,P1,口读取。再将读出的转换结果,00,FFH,转换成,0.000,4.998,的字符形式，分别送数码管的,4,位，用动态显示的方式显示出来。同时，在读出转换结果之后，与预设的浓度值进行比较，若超出浓度范围，则报警。,2,、烟雾检测程序分析,void main(void)/,主函数入口,/*,外部中断,0,初始化*,/,EA=1;/,开总中断,EX0=1;/,开外部中断,0,IT0=1;/,下降沿触发,/*,定时器,T1,初始化*,/,TMOD=0 x10;/T1,方式,1,计时,TH0=(65536-50000)/256;/,晶振：,12MHz,TL0=(65536-50000)%256;/,晶振：,12MHz,ET1=1;/,开定时器,T1,中断,TR1=1;/,启动定时器,T1,/*LED,、蜂鸣器初始化*,/,led=1;,buzz=0;,/*,启动,ADC0809,进行第一次转换*,/,OE=0;/AD,转换开始前，禁
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