第三章 烟雾检测报警器的硬件设计
在报警仪的设计中，单片机是其核心部件。它一方面要接收来自传感 器送来的烟雾浓度对应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，控制后续电路进行相应动作；与此同时查询是否 有键按下的请求。在单片机完成这些的工作中，尤其是信号处理中，比较 浓度值后送入显示的软件实现比较复杂，要求单片机具备较快的运算速 度，使检测人员能够较准确地观测到烟雾浓度，并根据情况做进行 相应处理。并且也要考虑选择低价实用的机型，并为研制同一系列的低功 耗产品做准备。根据多方面的比较，本设计选用宏晶科技生产的STC12系列单片机。
3.1单片机的选型 3.1.1单片机的选择
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，然后送LCD显示，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8051系列与STC系列。
8051单片机虽然应用普遍，工具多，易上手，片源广，价格低，但 是速度慢，功耗大，适合民用，商用，不适合工业用途。
STC单片机是MICROCHIP公司的产品，其突出的特点是功耗低， 精简指令集 ，抗干扰性好，可靠性高，但是存在溢出隐患问题。8051系 列采用的是堆栈指针，STC采用硬件堆栈8级。当堆栈指针设定合理，局部变量少的情况下，8051系列用10层的程序嵌套不会出现问题。而STC单片机程序嵌套包括中断最多不能超过8层。所以如果用C语言进行STC编程设计容易堆栈溢出。 汇编语言对于不同的CPU，其汇编语言可能有所差异，所以不易移 植。而C语言是一种结构化的高级语言，虽然占用资源较汇编多，但是可读性好，移植容易，是普遍使用的一种计算机语言。鉴于C语言的易读性和普遍性，本论文的软件设计选择C语言编程，所以STC系列单片机在此处不是非常适合。 为适用于本论文设计的烟雾检测报警器，应选择一种比8051系列速度快，功耗低，抗干扰性好，而又避免C语言编程溢出问题的单 片机。 宏晶科技新推出的STC12系列单片机具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度 却比8051单片机快8~12倍。而且
STC12系列下属的STC12C54xxAD系 列单片机是低功耗Flash单片机，它的高效寻址方式、大容量Flash、 EEPROM、A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器(PWM)等功能特点， 较好的实现了强大的功能与超低功耗的结合。而且在功能同样的情况下， 管脚较少封装体积小，价格比其他型号便宜，因此具有很好的性价比和应 用适应性。
STC12C54xxAD系列单片机有6种型号：分别是STC12C5412AD、 STC12C5410AD、STC12C5408AD、STC12C5406AD、STC12C5404AD、 和STC12C5402AD。 它们是以单片机内部集成Flash的大小区分的。在价格相同的情况下，尽量选择Flash较大的芯片，所以选择了STC12C5410AD单片机作为本论文设计的烟雾报警器的单片机核 心芯片。它体积小，价格低，非常适用于本设计，下面介绍STC12C5410AD的自身特点。
3.1.2 STC12C5410AD单片机的特点
STC12C5410AD单片机较以往的单片机提高了工作效率，使系统的可 靠性、抗干扰能力得到了显著改善，而且进一步小型化和便携化。其 内部集成的Flash几乎拥有现代追求个性化的用户所需要的掉电后数据不 丢失、快速的数据存取时间、电可擦除、容量大、在线可编程、足够多的 擦写次数、价格低廉和高可靠性等所有优点。STC12C5410AD单片机的管 脚结构如图3.1所示。
图3.1 STC12C5410AD单片机管脚图
STC12C5410AD单片机具有以下特点： (1) Flash存储器
STC12C5410AD Flash存储器为10KB。Flash存储器主要用作程序存 储，可经计算机串口接口下载程序；程序运行时能对其中的1段或多段进 行擦、写操作，因此兼有数据存储器功能。Flash存储器的掉电保护功能 可用于程序数据保存，可以按字或字节读写，最小擦除单位为1段，经过 擦除的位为“1”，写入位为“0”。
(2)脉宽调节模式(PWM)
所有PCA模块都可用作PMW输出。输出频率取决于PCA定时器的 时钟源。由于所有模块共用仅有的PCA定时器，所有它们的输出频率相 同。各个模块的输出占空比是独立变化的，与使用的捕获寄存器{EPCnL， CCAPnL}有关。当CL SFR的值小于{EPCnL，CCAPnL}时，输出为低， 当PCACL SFR的值等于或大于{EPCnL，CCAPnL}时，输出为高。当CL的值由FF变为00溢出时，{EPCnH，CCAPnH}的内容装载到{EPCnL， CCAPnL}中。这样就可实现无干扰地更新PWM。要使能PWM模式，模 块CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必须置位。
(3) I/O口工作类型设置
STC12C5410AD带有24个I/O引脚，它的I/O与传统的I/O不同，每个I/O口均可由软件设置成4种工作类型之一，使得功能口和通用I/O口复用。 4种类型分别为：准双向口(标准8051输出模式)、推挽输出、仅为输入(高阻)和开漏输出功能。在对同一个I/O口进行操作前要选择其要实现的功能，这样大大地增强了端口的功能和灵活性。其中一些I/O口还可以与STC12C5410AD中的特殊模块相结合完成更为复杂的工作。如与捕获比较 模块相结合可以实现串行通信，与A/D模块结合实现A/D转换等。此外，STC12C5410AD的I/O端口电气特性也十分突出，几乎所有的I/O口都有20mA的驱动能力，对于一般的液晶显示屏、蜂鸣器可以直接驱动而无需 辅助电路。许多端口内部都集成了上拉电阻，可以方便地与外围器件相接 。
(4) A/D模数转换寄存器
STC12C5410AD单片机的A/D转换口在P1口(P1.7~P1.0)，有8路10位高速A/D转换器，STC12C5410AD系列是10位精度的A/D，速度 均可达到100KHz(10万次/秒)。8路电压输入型A/D，可以完成温度检测、 电池电压检测、按键扫描、频谱检测等功能。上电复位后P1口是弱上拉 型的I/O口，可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用。这样，A/D转换和I/O口 可以灵活的运用，节省了软件及时间。
(5)有配套的仿真开发工具
STC12C5410AD的Flash存储器给用户的开发带来方便。用户可以将 芯片焊接在线路板上后进行下载程序、调试程序和修改程序。同时，STC12C5410AD的片内已集成了程序断点控制等逻辑功能。因此，它的 开发工具较为简单，只需1套PC环境下的调试软件和1个连接于并口的仿真器。仿真器与STC12C5410AD经串口连接。因此，用户只要在设计应用系统时为调试需要预留好STC12C5410AD的串口接口的引出插座，即可实现系统的程序下载调试、系统现场编程硬件仿真或软件升级功能， 而且无需外加编程电压。
3.2烟雾检测报警器硬件电路设计 3.2.1信号采集及前置放大电路
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3.2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3.2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 (3-1) 而且V- = V+ = Vi
Vo = Vi*（R3 + R4）/R3 (3-2) 由以上两式可求出Vo=Vref-R4/R3 (3-3)
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