盧俞帆 莊心怡

摘要：近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)煙民數(shù)量的增加，加上許多煙民朋友由于習(xí)慣于將未滅的煙頭隨手丟進(jìn)路邊的垃圾桶而引起諸類火災(zāi)，對(duì)公共財(cái)產(chǎn)安全及路邊行人的人身安全都造成了極大的隱患。對(duì)此，我們應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)設(shè)計(jì)出了一款簡(jiǎn)易自動(dòng)感應(yīng)煙霧并噴水的垃圾桶模型。本款滅火垃圾桶以煙霧報(bào)警裝置為核心，包括其他基本外部附件如：垃圾桶箱體和水箱等。煙霧報(bào)警裝置以STC89C52單片機(jī)為中央處理器，對(duì)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)，使其功能更加完善。系統(tǒng)硬件電路主要分為數(shù)據(jù)收集、聲音報(bào)警電路、狀態(tài)指示燈電路、LCD1602液晶顯示電路部分。

關(guān)鍵詞STC89C52單片機(jī)；MQ-2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器；DS18B20數(shù)字溫度傳感器

一、滅火垃圾桶系統(tǒng)硬件

報(bào)警裝置采用延時(shí)的工作方式，煙霧檢測(cè)報(bào)警裝置以STC89C52單片機(jī)為控制核心，選用MQ-2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器采集煙霧濃度信息，配合外圍電路構(gòu)成煙霧報(bào)警系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)包括硬件和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

從設(shè)計(jì)的要求來(lái)分析該設(shè)計(jì)須包含如下結(jié)構(gòu)：煙霧檢測(cè)部分、STC89C52單片機(jī)主控部分、報(bào)警部分，AD采集四大部分。電路總題框圖如圖1所示：

處理器采用51系列單片機(jī)STC89C52。整個(gè)系統(tǒng)是在系統(tǒng)軟件控制下工作的。設(shè)置在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的煙霧檢測(cè)探頭將檢測(cè)到的煙霧變換成電信號(hào)，送出模擬信號(hào)，給AD采集電路采集。在單片機(jī)內(nèi)，經(jīng)軟件查詢、識(shí)別判決等環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)發(fā)出煙霧報(bào)警狀態(tài)控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)蜂鳴器及報(bào)警指示燈報(bào)警。

1.1半導(dǎo)體氣敏元件

在設(shè)計(jì)報(bào)警器時(shí)要求使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，因此我們選用二氧化錫（SnO2）半導(dǎo)體氣敏元件。該傳感器具備一般半導(dǎo)體煙霧傳感器靈敏度高、電導(dǎo)率變化大、響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間短、抗干擾能力強(qiáng)、輸出信號(hào)大、壽命長(zhǎng)和工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在市面上應(yīng)用十分廣泛。

二氧化錫（SnO2）半導(dǎo)體氣敏元件特點(diǎn)：

（a）SnO2材料的物理、化學(xué)穩(wěn)定性較好，與其他類型氣敏元件相比，SnO2氣敏元件壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好、耐腐蝕性強(qiáng)。

（b）SnO2氣敏元件對(duì)氣體檢測(cè)是可逆的，而且吸附、脫離時(shí)間短，可連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間使用。

（c）SnO2氣敏元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠行較高，機(jī)械性能良好。

1.2 溫度采集模塊

方案1：采用PT100作為測(cè)溫電路的溫度傳感器。PT100傳感器是利用鉑電阻的阻值隨溫度變化而變化、并呈一定函數(shù)關(guān)系的特性來(lái)進(jìn)行測(cè)溫的，具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。但使用起來(lái)比較復(fù)雜。

方案2：采用DS18B20作為測(cè)溫電路的溫度傳感器。DS18B20的數(shù)字溫度輸出通過(guò) “ 一線 ” 總線（1-Wire是一種獨(dú)特的數(shù)字信號(hào)總線協(xié)議，它將獨(dú)特的電源線和信號(hào)線復(fù)合在一起，僅使用一條口線；每個(gè)芯片唯一編碼，支持聯(lián)網(wǎng)尋址、零功耗等待等，是所需硬件連線最少的一種總線）這種獨(dú)特的方式，可以使多個(gè) DS18B20方便地組建成傳感器網(wǎng)絡(luò)，為整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的建立和組合提供了更大可能性。它在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面比其他溫度傳感器有了很大的進(jìn)步，給用戶帶來(lái)了更方便的使用和更令人滿意的效果。通過(guò)比較，DS18B20直接輸出數(shù)字溫度值，不需要校正，因此選擇方案2。自動(dòng)滅二、火垃圾桶軟件設(shè)計(jì)

主程序流程圖如下圖所示。首先要給傳感器預(yù)熱，因?yàn)镸Q-2型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器在不通電存放一段時(shí)間后，再次通電時(shí)，傳感器不能立即正常采集煙霧信息，需要一段時(shí)間預(yù)熱。程序初始化結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。

在整個(gè)報(bào)警系統(tǒng)工作中，煙霧濃度信息經(jīng)ADC0832轉(zhuǎn)換處理后，由單片機(jī)進(jìn)行分析處理，判斷系統(tǒng)是否啟動(dòng)報(bào)警。主程序還包括LCD1602濃度字符顯示功能、手動(dòng)報(bào)警功能、報(bào)警濃度設(shè)定功能，中斷子程序等，使報(bào)警器功能更加完善，給用戶帶來(lái)便利。

總結(jié)

自動(dòng)滅火垃圾桶的核心由煙霧信號(hào)采集電路與單片機(jī)控制電路兩大部分構(gòu)成。根據(jù)設(shè)計(jì)要求、使用環(huán)境、成本等因素，選用MQ-2型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器。該傳感器是對(duì)以烷類煙霧為主的多種煙霧有良好敏感特性的廣譜型半導(dǎo)體敏感器件。它的靈敏度適中，具有響應(yīng)與恢復(fù)特性好，長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性、重現(xiàn)性、不易受環(huán)境影響及抗溫濕度影響等優(yōu)點(diǎn)。

在系統(tǒng)單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)上，采用了高性能、高整合度的STC89C52單片機(jī)作為核心芯片，充分利用了其高速數(shù)據(jù)處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)，實(shí)現(xiàn)了儀器的小型化和智能化。使儀器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。由于煙霧傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反應(yīng)越快，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間就越快。為提高響應(yīng)時(shí)伺，保證傳感器準(zhǔn)確地、穩(wěn)定地工作，需要向煙霧傳感器持續(xù)供給5V的加熱電壓。煙霧報(bào)警器能在較寬的溫度范圍工作，可將煙霧濃度顯示用LCD1602液晶顯示。當(dāng)煙霧的濃度達(dá)到設(shè)定的濃度時(shí)，發(fā)出報(bào)警。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定及測(cè)試，分析煙霧濃度信號(hào)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算本報(bào)警器顯示煙霧濃度與實(shí)際濃度之間的誤差為2.55%LEL，在所規(guī)定誤差范圍±5%LEL之內(nèi)。。

參考文獻(xiàn)

[1]李華.MCS一51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù).北京航空航天大學(xué)出版社.

[2]張毅坤等.單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用.西安電子科技大學(xué)出版社.2006.

（作者單位：華北電力大學(xué)）