1、 出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目项目10 10 烟雾监测报警器烟雾监测报警器 出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版教学目标教学目标知识目标：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：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；出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版工作任务工作任务烟雾报警器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
2、的烟雾浓度，并具有显示与报警功能。出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目分析项目分析 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
3、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0V5V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。总体设计方案总体设计方案 出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目分析项目分析数码管显示电路复位电路时钟电路电源电路图101 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 出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目分析项目分析 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
4、/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 出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目知识平台项目知识平台 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
5、性和可靠性。1.MQ-2烟雾传感器 MQ-2实物图一、一、MQ-2MQ-2烟雾传感器及信号采集电路烟雾传感器及信号采集电路 出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目知识平台项目知识平台2.烟雾传感器的结构 MQ-2由微型AL2O3 陶瓷管、SnO2 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 出版社 理工分
6、社单片机应用技术项目教程版项目知识平台项目知识平台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。出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目知识平台项目知识平台二、二、A/DA/D、D/AD/A转换转换 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，
7、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。出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目知识平台项目知识平台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 出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项
8、目知识平台项目知识平台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。出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目知识平台项目知识平台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
9、MOS型A/D转换器(2)ADC0808/0809型8位MOS型A/D转换器(3)ADC0816/0817 出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目知识平台项目知识平台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0255，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
10、。出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目知识平台项目知识平台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。出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目知识平台项目知识平台A/DA/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换时间转换时间 从发出启动转换命令
11、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。出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目知识平台项目知识平台典型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。出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目知识平台项目知识平台典型芯片ADC0809介绍ADC0809是一个8位8通道的AD转换器。出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目知识
12、平台项目知识平台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：1.ALE信号上升沿有效，锁存地址并选中相应通道。2.ST信号有效，开始转换。A/D转换期间ST为低电平。3.EOC信号输出高电平，表示转换结束。4.OE信号有效，允许输出转换结果。出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目知识平台项目知识平台803174LS373ADC08092CLKD0-D711111GEOCSTALEOERDP2.0WRINT1ALEP0A0-A7A0 A1 A2ABCVR(+)VR(-)+5VGNDIN0IN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1转换结果由此输出AD
13、C0809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。出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目知识平台项目知识平台 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
14、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 出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目知识平台项目知识平台转换后数据的处理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。出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目知识平台项目知识平台2）查询方式 A/
15、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。出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目实施项目实施【活动一】硬件电路设计烟雾报警系统硬件电路原理图 出版社 理工分社单片机应用
16、技术项目教程版项目实施项目实施【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。出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目小结项目小结【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 出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目实施项目实施 主程序的工作是启动A
17、DC0808/0809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00FFH，从P1口读取。再将读出的转换结果00FFH转换成0.0004.998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 出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目实施项目实施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0IT0=1;/下降沿触发/*定时器T1初始化*/TMOD=0 x10;/T1方式1计时TH0=(6553
18、6-50000)/256;/晶振：12MHzTL0=(65536-50000)%256;/晶振：12MHzET1=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，禁止输出ST=0;ST=1;ST=0;/启动转换，给ST端提供一个脉冲信号while(1)disp();参考程序 出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目实施项目实施1启动Keil uVision4软件，创建新工程：CH10.UVPROJ，CPU选择Atmel 89C52。2对工程的属性进行设置：目标属性中选
19、择“生成HEX文件”。3编写参考源程序ch10.c，以C为扩展名保存在工程文件夹中。4将参考源程序加入程序组：鼠标右键单击程序组图标，加入文件组。5调试：进入调试状态，期间可能需要修改参考源程序，直到没有语法错误为止。打开相应窗口，运行程序，观察运行结果。【活动三】程序仿真与调试 出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目实施项目实施【活动四】实物制作 烟雾报警器实物图 出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目考核项目考核考核项目考核内容技术要求评分标准得分备注总体设计任务分析方案设计软件和硬件功能划分任务明确（5分）；方案设计合理、有新意（10分）；软件和硬件功能划分合理（5分）；20
20、分硬件设计片内器件分配；电路原理图设计；电路制作；片内器件分配正确、合理（5分）；电路原理图设计正确（10分）；电路制作：布线正确、整齐、合理（5分）；20分软件设计算法和数据结构设计；流程图设计；编程；算法和数据结构设计正确、合理（5分）；流程图设计正确、简明；（5分）；编程正确、有新意（10分）；20分系统仿真与调试调试顺序；错误排除；调试结果；调试顺序正确（5分）；能熟练排除错误（10分）；调试后运行正确（5分）；20分实训报告书写；内容；图形绘制；结果分析书写规范整齐（5分）；内容翔实具体（5分）；图形绘制正确、完整、全面（5分）；能正确分析实验结构（5分）；20分合计1 0 0分 出
21、版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目小结项目小结1A/D和D/A转换器是单片机与外界联系的重要途径，由于计算机只能处理数字信号，因此当计算机系统中需要控制和处理温度、速度、电压、电流等模拟量时，就需要采用A/D和D/A的转换器。2ADC0809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，转换时间约为100us。模拟信号经A/D转换后与单片机间的数据传送方式，有定时传送方式、查询方式和中断方式。出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目小结项目小结3AD转换有以下几个步骤：（1）ALE信号上升沿有效，锁存地址并选中相应通道。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
22、（2）START上升沿将逐次逼近寄存器复位，下降沿启动A/D转换。A/D转换期间ST为低电平。（3）EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到EOC变为高电平，表示转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。（4）OE输入信号高电平时，输出三态门打开，允许输出转换结果。出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版复习思考复习思考1说明ADC0809与单片机的连接方式及A/D转换结束后有哪几种编程方法？每种方法有什么特点？2ADC0809与8051单片机接口时有哪些控制信号？作用分别是什么？3在网上或者其他资料上查找其他类型的常用ADC转换芯片，了解它们的芯片功能和使用方法。出版社 理工分社单片机应用技术项目教程版项目拓展项目拓展 试利用AD590模拟温度传感器设计一个温控系统，要求由单片机输出到晶体管，驱动继电器；当温度超过35度时，关闭继电器，温度低于20度时，启动继电器。
