张丽华的无线火灾探测器的研究与设计

JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 题目： 无线火灾探测器的研究与设计 学学 院：院： 工工 学学 院院 姓姓 名：名： 张张 丽丽 华华 学学 号：号： 2006114120061141 专专 业：业： 电子信息工程电子信息工程 年年 级：级： 0606 级级 指导教师：指导教师： 杨小玲杨小玲职职 称：称：讲师讲师 二二 0 0 一一一一 年年 5 月月农业农业大学大学毕业设计毕业设计(论论文文)任任务书务书设计（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 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 respect 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 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 unit 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 technology 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 control 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 smoke 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 1 绪论绪论 .61.1 论文研究来源、目的及意义 .61.2 课题研究的任务要求 .62 2 系统硬件设计系统硬件设计 .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 3 系统软件设计系统软件设计 .163.1 主程序设计及流程图 .163.2 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 4 结论结论 .225 5 参考文献参考文献 .236 6 附录附录 .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 7 致谢致谢 .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P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0(RXD)10P3.1(TXD)11P3.2(ITN0)12P3.3(ITN1)13P3.4(T0)14P3.5(T1)15P3.6(WR)16P3.7(RD)17XTAL218XTAL119GND20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC4089C51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：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ACC00HB00HPSW00HSP07HDPH00HTH000HDPL00HTH100HIP0 xx00000BTH100HIE0 xx00000BTL100HTMOD00HTCON00HSCONxxxxxxxxBSBUF00HP0-P31111111BPCON0 xxxxxxxBALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于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/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 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 =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，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 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；（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，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。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数据采集单片机无线传输模块无线传输模块单片机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。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 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。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 3-2 主程序初始化流程图3.3 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。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YN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：扫描键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(1)发送在发送数据之前，应将 PTR2000 模块置于发射模式，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数据长度字节 LEN数据字节校验和字节结束字节1 字节1 字节N 字节1 字节1 字节起始字节定义为“$”字符，其数值为 0 x24；结束字节定义为“*”字符，其数值为0 x2A。采用校验和的方法进行帧的校验，将所有字节相加，然后将结果截短到所需的位长。发送端对待发送的数据进行校验和计算，将校验和值放在数据后一起发送；在接收端，对接收到的数据进行校验和计算，然后与收到的校验和字节比较，进行误码判断。对于单片机，指令帧主要有 3 种：上位机发送给下位机的请求发送指令、错误超时重发指令、下位机发给上位机的发送完毕指令。在该系统设计中指令帧采用数据帧的格式，将其中的。数据字节固定为一个字节，根据定义的字节判断数据状态。3.5.3 程序流程单片机开始需将无线数据传输模块 PTR2000 设置处于接收状态，通过串口中断识别传感器通过下位机传输来的指令，根据接收指令的内容采集数据并启动发送。发送前需将 PTR2000 模块设置为发射状态，且等待 5 ms 才可发送，发送完毕后，向上位机端发送“发送结束指令”，并将 PTR2000 模块重设为接收状态。图为系统软件设计流程图。单片机无线通信系统设计基于 PTR2000 无线数据传输解决方案，可实现小于 300 m的短距离通信，在应用时将系统作为一个模块可方便地移植，具有一定实用价值。 图 3.5 无线模块软件设计流程图结论烟雾检测报警器可保障生产与生活的安全，避免火灾和爆炸事故以及煤气中毒的发生，它是防火、防爆和安全生产所必备的仪器，具有广阔的市场空间与发展前景。 本论文在对烟雾传感器和报警技术进行深入研究的基础上，全面比较国内外同类产品的技术特点，合理地确定系统的设计方案。并对仪器的整体设计和各个组成部分进行了详细的分析和设计。本论文设计的烟雾报警器由烟雾信号采集电路与单片机控制电路两大部分构成。 根据设计要求、使用环境、成本等因素，选用 MQ-2 型半导体电阻式烟雾传感器。该传感器是对以烷类烟雾为主的多种烟雾有良好敏感特性的广谱型半导体敏感器件。它的灵敏度适中，具有响应与恢复特性好，长期工作稳定性、重现性、不易受环境影响及抗温湿度影响等优点。报警信号设置 PTR2000 状态THEN=1延时 5ms重设 PTR2000 状态THEN=0发送“接收完毕”指令到上位机Send over（）数据采集Get Data（）发送数据Send（）收到“请求发送”指令？参考文献1 余国卫，谭延君.“基于AT89C52单片机的火灾自动报警系统” ， 微处理机 ，2006年10月。2 廉保旺.智能火灾报警控制系统设计与实现J，西北工业大学学报，1999，17(4)：521-5241。3 徐新盛.“高阶谱在舰船辐射噪声的特征提取的应用”，声学学报，2005 年 6 月。4 陈连生. 可燃烟雾探测器及其设置安装要领. 石油工程建设. 1996(1): 2325 5 张保卫，尚家峰，赵金水. 燃气报警器的分类与选择. 山东消防，2003(8): 2728 6 彭军. 传感器与检测技术. 西安电子科技大学出版社，2003: 263315 7 蔡文斋.专业级串口调试器设计。现代电子技术，2006(23)：6972 8 Wang Xi huai, Xiao Jian mei, Bao Minzhong. Multi-sensor Fire Detection Algorithm for Ship Fire Alarm System Using Neural Fuzzy Network. Signal Processing Proceedings. 2000(3):16021605 9 张鹏翼，罗卫兵，楼超英.基于 STC 单片机的无人飞机控系统设计。设计参考。2006，18: 2325 10 求是科技.单片机应用系统开发实例导航。人民邮电出版社，2003。 11 何衍庆.“控制系统分析设计和应用”化学工业出版社，2003。12 宏晶科技(深圳).AT89C51 系列单片机器件手册。 。 13 郑郁正.单片机原理及应用。四川大学出版社, 2003: 2556 14 成伟，郝跃，马晓华，刘红侠.“EEPROM 单元的电荷保持特性”电子学报，2006，27(7)： 12901293。附录（一）：程序清单void IntTimer0( ) interrupt 1 /定时器中断程序if(yure_biao=0)jia1+;YS=YS;if(jia1=200) /定时 10Sjia1=0;jia2+;if(jia2=30)/定时 5 分 30jia2=0;yure_biao=1;YS=1;if(start_biao=0)&(over_biao=0)&(bao_biao=1)&(clear_biao=0) /采集定时程序jia3+;if(jia3=20)/定时 1Sjia3=0;start_biao=1;if(clear_biao=1) /清除报警显示jia5+; xscout=0;RS=1;if(jia5=200)jia5=0;jia6+;if(jia6=6) /定时 1 分jia6=0;clear_biao=0;elsejia5=0;jia6=0;if(bao_biao=1)&(clear_biao=0) /报警GS=1;jia4+;if(dengji=1)if(jia4=20)jia4=0;RS=RS;feng=feng;if(dengji=2)if(jia4=15)jia4=0;RS=RS;feng=feng;if(dengji=3)if(jia4=10)jia4=0;RS=RS;feng=feng;if(dengji=4)if(jia4=5)jia4=0;RS=RS;feng=feng;if(dengji=5)if(jia4=2)jia4=0;RS=0;feng=0;elsejia4=0;RS=1; /关闭报警灯feng=1;TH0=0 x3c;TL0=0 xb0;TF0=0; /请标志位/-void adc_spi(void) interrupt 5unsigned char aa=0;adc_zhi=0; /清零 adc_zhi=ADC_DATA;adc_zhimidu4) /密度等级判断dengji=5;elseif(adc_zhimidu3)dengji=4;elseif(adc_zhimidu2)dengji=3;elseif(adc_zhimidu1)dengji=2;elseif(adc_zhimidu0)dengji=1;xscout=dengji;ADC_FLAG_0; /标志位清零void delay_ms(unsigned char timedata) unsigned char aa=250,cc=0;cc=timedata;while(cc-)while(-aa);/-/*void delay_s(unsigned char timedata) unsigned char aa=197,bb=250,cc=2;cc=cc*timedata;while(cc-)while(-aa)while(-bb); */void init(void)WDT_CONTR=0 x00; /关闭看门狗delay_ms(100);CLK_DIV=0 x00; /无分频AUXR=0 x00; /设置为普通 51 模式 TCON=0 x00;TMOD=0 x01; /定时器 0 设置为 16 位定时模式TH0=0 x3c; /定时 50MSTL0=0 xb0;TF0=0; /标志位清零TR0=0;ET0=1; /定时器 0 中断使能ADC_CONTR=0; /先清零ADC_POWER_1; /打开 AD 电源delay_ms(1);CHS_0;ADC_FLAG_0; /请标志位ADC_EN_1;EADC_SPI=1; /AD 中断使能P1M0=0 x03; /P1.0 和 P1.1 设置为输入 P1M1=0 x00;Y0=0; P2=0;/出事 0EA=1; /关闭总中断TR0=1; /启动定时器 0 中断GS=1;YS=1;RS=1; /灯关闭feng=1;void adc_cai(void) /AD 采集程序if(start_biao=1)&(yure_biao=1)ADC_START_1; /启动采集start_biao=0;over_biao=1;/-void jiance(void) /信号检测 if(P3_4=1)bao_biao=1;elsebao_biao=0;GS=0;xscout=0;clear_biao=0;/清定时，清零if(P3_3=1) key_biao=0;if(P3_3=0)&(key_biao=0)key_biao=1;clear_biao=1;xscout=0;RS=1;GS=0;/-void main(void)init();while(1)adc_cai();/AD 采集程序jiance();/检测程序 delay_ms(10); (二)PCB 图致谢在本次毕业设计中，我得到了指导老师杨小玲的热心指导。自始至终关心督促毕业设计进程和进度。帮助解决毕业设计中遇到的许多问题。还不断向我传授分析问题和解决问题的办法，并指出了正确的努力方向，使我在毕设过程中少走很多弯路。在这里非常感谢的指导杨老师的帮助，并致以诚挚的谢意！同时，身边的同学给了我许多的帮助。在此，我向身边关心我的同学致以诚挚的谢意！另外，系里的领导和老师也给了我们必要的指导，我也向系和年级的领导们表示衷心的感谢！最后感谢学院对我这几年的培养。