摘要：本文基于ZigBee技術(shù)及組網(wǎng)方式，結(jié)合國內(nèi)目前已有的傳感器技術(shù)，提出了用于溫濕度傳感器監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案。系統(tǒng)由傳感器、處理器及監(jiān)測平臺組成。傳感器采集網(wǎng)絡(luò)采集溫濕度變量信息，通過ZigBee技術(shù)并送到上位機(jī)軟件顯示，分析和存儲。本文所研究的可燃性氣體報(bào)警器包括：傳感器，氣體信號采集電路、調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)化電路、單片機(jī)系統(tǒng)電路、報(bào)警電路組成，首先利用傳感器對可燃?xì)怏w濃度信號進(jìn)行監(jiān)測并且轉(zhuǎn)變成電壓信號，選擇合適的放大電路，將電壓放大到A/D所要求的電壓，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，將檢測的電壓值送入單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)完成與設(shè)定的電壓信號進(jìn)行比較，當(dāng)氣體濃度超標(biāo)時，驅(qū)動聲音和燈光報(bào)警。

1引言

隨著我國燃?xì)獾淖兏锛拔鳉鈻|輸工程的進(jìn)行，煤氣或天然氣已成為多數(shù)家庭的燃料。每年，因煤氣泄漏造成的煤氣中毒事故中，因使用熱水器不當(dāng)或產(chǎn)品本身的質(zhì)量問題，造成的煤氣中毒事故，全國均有不少事例。單片機(jī)在日用電子產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛，燃?xì)庑孤﹦t是人們?nèi)臻L生活中需要測量和控制的一個重要問題，為了防止中毒事件再次發(fā)生，利用單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行有效的預(yù)防對策。所以提高新的燃?xì)鈭?bào)警產(chǎn)品有重要的實(shí)踐意義，怎樣防止煤氣中毒與爆炸已成為人們的迫切需要。本文正是基于此目的，提出來一種簡易家庭式可燃?xì)怏w檢測報(bào)警器的設(shè)計(jì)方案。

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想

2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是以傳感器和單片機(jī)為核心的報(bào)警系統(tǒng)。

2.2系統(tǒng)模塊的工作原理介紹

該系統(tǒng)中傳感器與單片機(jī)相配合主要完成以下功能：

（1）他們共同配合完成氣體信號采集、顯示、閃爍報(bào)警功能。

（2）系統(tǒng)采用高性能的單片機(jī)，要求工作穩(wěn)定、測量精度高、通用性強(qiáng)、功耗低，保證報(bào)警器的精確性及可靠性，成本低，有利于減少報(bào)警器的體積。

使用AT89C51單片機(jī)，選用催化式氣敏元件MQ-2傳感器作為敏感元件，通過A/D轉(zhuǎn)換器和聲光報(bào)警電路，設(shè)計(jì)可用于家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器，儀器的最基本組成部分包括：氣體傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)化電路、AT89C51單片機(jī)處理器與聲光報(bào)警電路。

傳感器將氣體濃度信號轉(zhuǎn)化為模擬的電信號。經(jīng)過放大電路，將傳感器的輸出端微弱信號轉(zhuǎn)化為A/D轉(zhuǎn)化器能識別的電壓信號范圍，單片機(jī)對該數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字處理，并對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過與預(yù)設(shè)值的比較，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)不同的聲光報(bào)警功能。

3系統(tǒng)硬件部分介紹

3.1催化燃燒式氣體傳感器

可燃性氣體傳感器是傳感器中的一種，它是用來檢測特定氣體成分，并將檢測的信號轉(zhuǎn)換成電阻、電壓、電容等的器件。由于需要檢測的氣體種類可能很多，性質(zhì)差異也可能較大，所以單一種類的氣體傳感器可能檢測不到所有的氣體成分，而是只能檢測其中某一類具有特定性質(zhì)的氣體。本文采用的是催化燃燒式氣體傳感器，當(dāng)氣體在催化層表面燃燒，使得鉑絲線圈溫度升高，線圈的電阻值上升，通過測量電阻值變化的大小就可以知道可燃?xì)怏w的濃度。

本文選用的是MQ-2氣體傳感器，其使用的氣敏是二氧化錫（SnO2），SnO2在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的。當(dāng)環(huán)境中的可燃?xì)怏w的濃度逐漸增加時，傳感器的電導(dǎo)率也伴隨著增大。電導(dǎo)率的變化經(jīng)過簡單的電路轉(zhuǎn)換輸出的電壓與特定的氣體濃度對應(yīng)。通過電信號的大小可以獲得待測氣體的相關(guān)信息，從而可以進(jìn)行檢測、監(jiān)控和報(bào)警。

3.2AT89C51單片機(jī)

AT89C51單片機(jī)的FLASH存儲器為4K且為高性能、低電壓CMOS8位CPU。AT89C51是一種帶2K字節(jié)閃存可編程又可擦除的ROM，能重復(fù)擦除1000次。該器件采用的是ATMEL高密度非易失存儲器的制造技術(shù)，且能與MCS-51輸出管腳和指令集兼容。在一個芯片中同時置入8位CPU和FLASH存儲器，使得AT89C51更加高效，AT89C51是它的一種精簡版本。AT89C51單片機(jī)因其靈活性高，且成本較低而成為嵌入式控制系統(tǒng)的首選方案。

其主要特性如下：

（1）4K字節(jié)FLASH，可編程；（2）與MCS-51兼容；（3）在0Hz-24MHz下全靜態(tài)工作；（4）1000次重寫/擦；（5）保留數(shù)據(jù)長達(dá)10年；（6）內(nèi)部RAM為128×8位；（7）能鎖定三級程序存儲器；（8）32個可編程I/O口；（9）中斷源5個；（10）16位定時/計(jì)數(shù)器兩個；（11）具備時鐘電路和片內(nèi)振蕩器；（12）閑置和掉電模式為低功耗；（13）1個可編程串行通道口。

AT89C51封裝結(jié)構(gòu)為40條引腳雙列直插式，其引腳列如圖2所示。其中，有2條電源引腳，2條外接晶體，4條控制引腳，其它為I/O引腳。

3.3模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC0804

ADC0804是8位8通道逐次逼近式A/D模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，是將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，信號輸入端可以是傳感器或轉(zhuǎn)換器的輸出，而ADC轉(zhuǎn)化的數(shù)字信號提供給微處理器應(yīng)用更加廣泛。

ADC0804是用CMOS集成工藝制成的逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。輸入電壓范圍為0-5V，分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時間100us。增加某些外部電路后，輸入模擬電壓可為5V，該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當(dāng)與微處理器連接時，轉(zhuǎn)換電路的輸出無需附加邏輯接口電路就可以直接連接在CPU數(shù)據(jù)總線上。

3.4LCD液晶屏

與單片機(jī)的人機(jī)交流界面中，輸出方式一般有以下幾種：發(fā)光管、LED數(shù)碼管、液晶顯示器。本系統(tǒng)采用的1602字符型LCD顯示模塊它是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符合等點(diǎn)陣式LCD，目前常用16*1、16*2、20*2和40*2行等的模塊。

在微機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用LCD作為顯示器有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：

顯示質(zhì)量高；數(shù)字式接口；體積小、重量輕；功耗低。

與其它顯示模塊相比，液晶顯示器的功耗較低，主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1主程序設(shè)計(jì)流程圖

主程序流程圖如圖3所示，系統(tǒng)先進(jìn)行初始化，數(shù)據(jù)采集的功能：傳感器采集氣體濃度信號，信號經(jīng)放大電路，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成AT89C51單片機(jī)可識別的數(shù)字量。

在單片機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)將濃度值與預(yù)先設(shè)定好的報(bào)警值比較，判斷是否報(bào)警，分200ppm，1000ppm兩個濃度等級報(bào)警，完善報(bào)警功能，使用戶更加便利。

4.2軟件設(shè)計(jì)的子程序說明

該系統(tǒng)子程序核心部分包括：A/D轉(zhuǎn)換子程序與濃度轉(zhuǎn)換子程序。其程序語句分別如下。

A/D轉(zhuǎn)換子程序：

floatget_ADC0804()//計(jì)算ADC輸入電壓

5 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)電路圖及其說明

應(yīng)設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)通過AT89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，AT89C51單片機(jī)的主控電路包括：時鐘電路、復(fù)位電路。

傳感器在本設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了把非電量的氣體濃度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，21世紀(jì)，電子技術(shù)更新?lián)Q代非常快，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，只能檢測，自動控制彰顯出了它的優(yōu)勢，通常接觸的設(shè)備只能解決電信號，所以，需要將被測非電量的信號由傳感器轉(zhuǎn)換成電信號。本設(shè)計(jì)氣體濃度信號采集是首要任務(wù)，傳感器也就在自動控制擔(dān)任首要的角色，如果傳感器不能精確的對原始信號進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換，所有的自動檢測和自動控制系統(tǒng)也就失去了它的意義，傳感器的發(fā)展關(guān)乎著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的命脈，所以要慎重的選用傳感器。

當(dāng)氣體濃度達(dá)到200ppm時，催化式氣體傳感器產(chǎn)生模擬電壓，ADC0808將傳感器產(chǎn)生的模擬信號，轉(zhuǎn)化成AT89C51單片機(jī)所能識別的數(shù)字量電壓量，由AT89C51單片機(jī)控制驅(qū)動聲光報(bào)警電路。

綜上所述，總電路圖如圖4所示。