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本本科科毕毕业业设设计计 基于单片机的多路报警器设计基于单片机的多路报警器设计 摘 要 随着科学技术的日新月异，人类社会取得了很大的进步。在生活、工农业生产、气 象、环保、国防、科研、航天等领域，经常都需要对环境中的温度、湿度、光照强度、 气体等环境参数进行检测及控制。而且随着可燃可爆性气体种类和应用范围的增加，贮 气仓库内的气体泄漏、火灾爆炸事故日益增多。从安全、环保及经济等方面上考虑，研 制一种实用的多路报警系统是非常必要的。 基于这个需求，本设计利用传感器对环境中的温湿度以及可燃气体进行检测，当这 些参数不符合预定设置的参数值时，就会自动报警。系统选用 MQ_2 气体传感器对现场 可燃性气体浓度进行检测，选用 AM2301 温湿度传感器对温度和空气湿度进行检测，采 用功能和性价比较高的 AVR ATmega16 单片机作为中央处理单元，对环境参数进行采 集处理并产生自动报警。 本设计可以检测空气中以烷类气体为主的多种可燃性气体的浓度，以及空气温湿度， 当达到预先设定的上限或下限报警设定值时，发出声音报警信号，以提示操作人员采取 安全对策或自动控制相关安全装置。该报警器可以实时、准确检测可燃性气体以及温湿 度并且可以长时间可靠无误的报警，具有很广泛的应用前景和推广价值。 关键词：可燃气体 温湿度 单片机 报警器 Multi-way Alarm Based on MCU Zeng Xiaoling (College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China) Abstract: With the advances of science and technology, human society has made great progress. In life, industrial and agricultural production, weather, environmental protection, defense, research, aerospace and other fields, often wan to detect and control the environmental parameters such as temperature, humidity, light intensity, gas concentration. And with the increase of kind and range of combustible and explosive gas, the number of gas leak, fire and explosion in the air storage warehouse increasing. Be based on security, environmental and economic considerations, developed a practical multi-channel alarm system is necessary. Base on this demand, this design uses a sensor to detect temperature, humidity and combustible gas, when these parameters do not meet the pre-determined parameter values, it will automatically alarm. Use MQ_2 gas sensor for combustible gas concentration detection, AM2301 temperature and air humidity sensor for temperature and air humidity testing, functionality and cost-effective AVR ATmega16 microcontroller as a central processing unit, to collecting and processing environmental parameters and alarm automatically. The design can detect the concentrations of a variety of combustible gas such as n-hexane, as well as temperature and humidity, when they reaches the pre-set upper or lower limit alarm setting values, it will send out the sound alarm signal that prompts the operator to take safety measures or automatic control safety devices. The alarm system can accurately detect combustible gas in real time, as well as temperature and humidity, and can reliably and correctly work for a long time. It has a very broad application prospects and promotion value. Key words:flammable gas temperature and humidity single-chip microcomputer alarm 目 录 1 前言 1 1.1 课题研究的背景 .1 1.2 课题研究的目的和意义 .2 1.3 可燃气体、温湿度报警器国内外现状 .3 2 系统功能及方案设计 4 2.1 系统方案比较 .5 2.2 系统整体方案设计 .5 2.3 系统功能介绍 .6 3 报警系统硬件设计 7 3.1 单片机原理 .7 3.1.1 单片机原理概述 7 3.1.2 ATmega16 单片机的介绍 .8 3.2 电路系统设计 .9 3.2.1 单片机最小系统 9 3.2.2 环境参数采集电路设计 10 3.2.3 报警部分电路设计 12 4 报警系统软件设计 13 4.1 编译器 ICCAVR 的介绍13 4.2 系统软件设计 .13 4.2.1 整体系统软件设计 13 4.2.2 报警部分软件设计 14 5 调试和测试 15 5.1 软硬件调试 .15 5.2 系统功能测试 .16 6 总结 16 参考文献 18 附录 19 I 致谢 27 华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表 0 1 前言 1.1 课题研究的背景 随着石油化学工业的发展，易燃、易爆以及有毒等气体的种类和应用范围都有所增 加。液化石油气、天然气、煤气等这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、苯类以 及一氧化碳、氢气等成分，都是易燃、易爆、有毒、有害的气体。它们易流动、易燃烧， 在生产、输送、贮存和使用这些气体的过程中，如违反操作规程或者设备密封质量不好， 都有可能发生这些可燃气体泄漏的现象。当与空气混合后的混合物达到一定的浓度时， 就是一种极具爆炸性的混合物，遇到火源就会发生剧烈的化合反应，产生大量的热，然 后燃起大火，进而酿成火灾或爆炸事故，给国家和人民的生命财产造成损失。在国内由 于燃气泄漏所引发的爆炸、中毒和火灾等事故也经常发生，这在某种程度上增加了城市 的不安全和不稳定因素。为了防止类似的悲剧不断上演，只有利用先进的科学技术。研 制先进的、可靠的安全监测仪表，严密而且实时监测环境中的可燃性气体的浓度，及早 发现事故存在的隐患，及时采取有效的措施，将事故消灭在酿成恶果之前，这样才能确 保安全生产，居民的人身财产安全也才能有保证。但是现在国内使用的报警控制器，许 多产品使用时间过长，产品老化严重，技术指标达不到标准，报警器的性能也不稳定。 有些是保养不当，如电池流水腐蚀仪器，或蓄电池损坏而使报警器不能工作；有些是因 使用不当而造成故障，因此不能进行准确、安全的检测和报警。因此，研制一种新型、 性能稳定、实用性强、能准确监测可燃性气体，并且合乎国家相关规定的报警控制器势 在必行（张芳，2011）。 当然，在众多环境参数中，温度和湿度也是两个十分重要的物理量，对它们的测量 与控制有着十分重要的意义。随着现代工农业技术的发展，对生产环境温湿度的人为检 测与控制能让工农业生产更有效率或质量保证。而人们对生活环境要求的提高，也使得 人们迫切需要检测与控制生活环境中的温度和湿度。在人类的生活中，温度扮演着极其 重要的角色。无论你生活在什么地方，从事什么样的工作，都无时无刻不在与温度打交 道。自从 18 世纪工业革命以来，工业的发展与是否能掌握温度有着绝对的联系。在冶 金、钢铁、石化、水泥、玻璃、食品、医药等行业，几乎 80%的工业部门都必须得考虑 温度的因素。温度对于工业如此重要，因此推进了温度传感器的发展。而信息科学和微 电子技术的飞速发展给控制领域带来了巨大的飞跃，控制技术更加趋向自动化和智能化， 为无数的使用者带来了方便。在控制领域里，温度是一个常见的名词，然而它所带来的 1 技术问题和所起的作用却是非同一般的。在控制领域中，对温度的控制有着举足轻重的 作用。例如陶瓷的烧烤，只有控制住温度的适度，才能制作出一个完美的艺术品，否则 只是一件废品；还有如酿酒的过程，也需要对温度进行控制。可见，在生活的许许多多 的方面都有着对温度进行感知和控制的需要。而湿度也特别重要。特别是在一些仓库或 者一些生产车间，对湿度的要求非常高，如果湿度不适中，可能会导致所有的贮藏物品 或产品不合格，或存在某些安全隐患。例如在一些无尘车间或洁净室，如果湿度过高可 能会导致细菌滋生、产生静电、金属被严重腐蚀等现象，导致无尘车间、洁净室性能严 重下降。所以对空气湿度的检测控制也是很有必要和重要的。 1.2 课题研究的目的和意义 随着城市煤气、天然气等相关事业及化学工业的迅速发展，易燃、易爆气体的种类 和应用范围在不断增加，这些易燃易爆气体在生产和使用的过程中，一旦发生泄漏将会 引起中毒、爆炸、火灾等伤亡惨重事故。人们在对安全生产的重视程度日益增加的同时， 对生产技术手段也进行不断的提高。研制一种新型、性能稳定、能准确地监测可燃可爆 性气体的报警控制器势在必行。当然，很多时候只是对可燃气体进行检测控制还不够， 还有很多因素在影响着生产和生活，例如温度和湿度。随着社会的发展特别是工业的发 展，人民生活的改善，安全问题变得越来越重要。如今，在许多情况下，都需要对环境 的温度进行限定，其中包括人的生活工作环境、仪器设备的工作环境以及动植物的生长 环境等。如果环境温度超过或者低于限制值，必定对所处环境的人或设备造成影响，甚 至给个人和社会造成巨大的损失。因此，在某些特定环境内使用温度报警器来对温度进 行实时监控并做到超温报警，而使用单片微型计算机实时控制温度报警系统则是其中的 一种重要方式。 本次设计以 AVR ATmega16 芯片为核心，用半导体陶瓷式可燃气体传感器 MQ_2 来检测环境中可燃可爆气体的浓度，用数字式温湿度传感器 AM2301 来检测环境中的温 度和湿度，结合外部硬件电路实现对可燃性气体以及温湿度进行实时检测，当检测到的 参数不符合预定值时则自动报警。AVR ATmega16 芯片具有功能强大，性价比高等优点， 适合广泛应用于报警装置，而且产品能够大规模生产。同时，设计出的多路报警器具有 操作简单，实用性强，价格便宜，安全性高等特点，所以非常适合贮气仓库，以及家庭 等场所使用，具有很高的实用价值。正是由于可燃性气体报警器对于安全生产的重要性， 国内外有许多厂家研制、生产这一产品。同时也有很多厂家在研制、生产温湿度报警器， 可是高可靠性的多路报警器还是比较少比较不成熟。从实际意义出发，根据现实生活的 2 需要以及运用所学知识，研制一种高可靠性的多路报警器能更好地提高生产和生活的安 全可靠性。 1.3 可燃气体、温湿度报警器国内外现状 可燃性气体报警器在国外己经发展成为一种相当成熟的产品(Phelan et al，2007)。 日本是最早发明可燃气体报警器的国家，己有 50 多年的历史。无论在气体探测器的研 制上，还是在报警器的可靠性能上，都处于国际的领先水平。日本政府和各大生产企业 大力推广报警器的使用，使可燃可爆气体泄漏和爆炸等事故的发生率远远低于欧美等发 达国家。其中费加罗 FIGARO、理研都是专门研制、生产可燃性气体报警控制器的厂家。 他们生产的产品以采用最先进的气敏传感器、响应速度快、性能可靠、寿命长而著称。 我国在 70 年代初期开始研制可燃性气体报警控制器，生产型号多样、品种较为齐全， 应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型的报警器，产品 数量也在不断地增加。主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产制造工艺的基 础上，进一步研究与开发，形成自己的特色。近年来，在气体选择性和产品稳定性上也 取得很大进步。工业上的可燃性气体报警控制器一般分为可燃性气体检漏仪（简称“检 漏仪”）、可燃性气体报警控制器（简称“控制器”）、可燃性气体探测器（简称“探 测器”）三大系列产品。检漏仪的体积较小，可随身携带或手持，采用碱性电池或可充 电电池供电，一般可以连续工作近 12 小时。该仪器主要应用于燃气管道的查漏与巡线。 如果有燃气泄漏，检漏仪就会发出声光报警，同时显示气体浓度，以便监控人员及时采 取安全措施，防止爆炸等恶性事故的发生。探测器一般都与控制器配合使用，这是在工 业装置上和生产过程中使用最多的检测仪器，可在防爆现场长期稳定地监测可燃气体的 浓度。这种仪器大都使用于油库、液化气站和煤气站等易燃易爆的危险场所。探测器安 装在防爆现场，而控制器则安置在值班室等有人值守的地方，二者之间采用屏蔽电缆线 连接。当在现场的探测器探测到燃气泄漏之后，在很短时间内通过屏蔽电缆线将信号传 送到控制器，接收到信号后控制器发出声光报警，同时自动启动排风装置或关闭电磁阀 切断气源，以确保安全（张路，2008）。 温度检测报警系统的核心设备是温度传感器。温度传感器的发展算是经历了以下的 3 个阶段： （1）传统的分立式温度传感器，含敏感元件，主要是能够进行非电量和电量之间 的转换。 （2）模拟式集成温度传感器/控制器。 3 （3）数字式智能温度传感器。 目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、集成化向智能化及网络化的方 向发展（Mills et al，2011）。数字式温度传感器也称智能温度传感器，是在 20 世纪 90 年代中期问世。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。如今， 国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部包含温度传感器、 A/D 传感器型号处理器、信号处理器、存储器和接口电路。有的产品还带多路选择器、 中央控制器（CPU）、随机存取储存器（RAM）和只读存储器（ROM）。数字式温度 传感器能传输出温度数据及相关的温度控制量，能适配各种微控制器（MCU），并且 可以通过软件来实现测试功能，即智能化水平取决于软件的开发水平。进入 21 世纪后， 温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器 和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。 而在湿度检测报警方面，虽然在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部 门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测 量的一个参数。用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科 学技术发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多，温度是个独立的被测量， 而湿度却受其他因素（大气压强、温度）的影响。此外，湿度的标准也是一个难题。国 外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。近年来，国内外在湿度传感器的研发领域取得了 很大的进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅 速发展，为开发新一代湿度检测控制系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新 的水平。 总而言之，温湿度传感器的应用很广泛，其性能会直接影响到温湿度测量系统的准 确度和可靠性。由于技术和成本原因，几年前大多使用传统的温湿度传感器，即模拟式 传感器，尤其是要求可靠的湿度测量仍然停留于干、湿球测量法。这种方法不仅使用麻 烦,而且往往受到应用场合的限制（黄军辉等，2006）。目前国内外对可燃气体报警器、 温度报警器、湿度报警器的研究可以说是已经进入一个比较成熟的阶段。可是能够结合 多个方面，多路检测报警、实用性强，而且能够广泛应用的多路报警器的研制还不是很 成熟，重大危险事故还是时有发生，所以这一方面的研究还是值得我们探讨。 2 系统功能及方案设计 4 2.1 系统方案比较 方案一：采用 AT89S51 单片机作为中央处理单元（郭天祥，2009），同时选用 FIGARO 费加罗催化燃烧式可燃气体传感器模块 FCM6812 对现场可燃性气体浓度进行 检测采集，选用湿度传感器模块 HR202 对空气湿度进行检测，利用数字温度传感器模 块 DS18B20 对空气温度进行检测，单片机处理单元读取可燃气体传感器以及温湿度传 感器所采集到的温度和湿度值，然后对采集到的数据进行处理分析并实现自动报警。报 警器用发光二极管分别表示（徐百汇等，2008）。 方案二：采用功能和性价比较高的 AVR ATmega16 单片机作为中央处理单元，选 用 MQ_2 气体传感器对现场可燃性气体浓度进行检测采集，MQ_2 气体传感器具有双路 信号输出，即模拟量输出及 TTL 电平输出，可以采集到气体浓度的真实值，或者直接 输出高低电平，也就是当测量浓度大于设定浓度时，TTL 输出低电平，在这里我们直接 检测测量浓度是否大于设定浓度，同时选用 AM2301 温湿度传感器对温度和空气湿度进 行检测，即采集出温度和湿度的实际值，单片机处理单元读取温湿度传感器所采集到的 温度和湿度值，并接受气体传感器发送的高低电平，然后对采集到的数据进行处理分析 并实现自动报警。报警器用发光二极管分别表示，同时用蜂鸣器发出声音警报，以提醒 监控人员。 方案二中用到的 AVR 单片机是 Atmel 公司的产品，片内资源丰富，接口也比 AT89S51 单片机更强大，功耗也比较低，带 AD 转换的产品多。另外 AVR 单片机还有 一个好处，就是能支持 ISP 下载程序；方案一中可燃气体传感器用的是 FIGARO 品牌的 催化燃烧式可燃气体传感器 TGS6812，该传感器采用催化原理，可以检测甲烷，液化石 油气，酒精干扰小，线形输出，精密尺寸做工，但是这种传感器模块很贵，而 MQ_2 气 体传感器对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度、具有长期的使用寿命和可靠的 稳定性、快速的响应恢复特性等优点，性价比高；方案二中使用 AM2301 温湿度传感器 代替方案一中的湿度传感器模块 HR202 和温度传感器模块 DS18B20，电路简单、使用 方便，而且有较高灵敏度；方案二中报警器模块增加了蜂鸣器，能够更好地提醒监控该 人员，以防产生不必要的损失。 终上所述，本设计采用方案二。 2.2 系统整体方案设计 本系统整体方案框图如图 1 所示。本系统利用传感器对环境中的温湿度以及可燃气 体进行检测，当这些参数不符合预定设置的参数值时，就会自动报警。选用 MQ_2 气体 5 传感器对现场可燃性气体浓度进行检测采集，MQ_2 气体传感器具有双路信号输出即模 拟量输出及 TTL 电平输出，可以采集到气体浓度的真实值，或者直接输出高低电平， 也就是当测量浓度大于设定浓度时，TTL 输出低电平，在这里直接检测测量浓度是否大 于设定浓度，同时选用 AM2301 温湿度传感器对温度和空气湿度进行检测，即采集出温 度和湿度的实际值，采用功能和性价比较高的 AVR ATmega16 单片机作为中央处理单 元，读取温湿度传感器所采集到的温度和湿度值，并接受气体传感器发送的高低电平， 然后对采集到的数据进行处理分析并实现自动报警。 本设计可以检测空气中以烷类气体为主的多种可燃性气体的浓度，以及空气温湿度， 当达到预先设定的上限或下限报警设定值时，发出声音报警和信号，实现多路报警功能， 以提示操作人员采取安全对策或自动控制相关安全装置。 ATmega16 温度过高报警器 温度过低报警器 湿度过高报警器 湿度过低报警器 可燃气体报警器 可燃气体传感器 温湿度传感器 图 1 系统整体方案框图 2.3 系统功能介绍 系统所实现的功能如下： 环境参数信息的采集。本系统可以检测空气中以烷类气体为主的多种可燃可爆性气 体的浓度，以及环境温度和空气湿度。利用传感器对环境中的温度和湿度以及可燃可爆 性气体进行检测。选用具有双路信号输出，即模拟量输出及 TTL 电平输出，而且 TTL 电平输出的灵敏度可调的 MQ_2 气体传感器对现场可燃性气体的浓度进行检测，同时选 用应用了专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓 6 越的长期稳定性的 AM2301 温湿度传感器对环境温度和空气中的湿度进行检测。传感器 包括一个电容式感湿元件和一个 NTC 测温元件，能同时对温度和湿度进行检测，采集 出温湿度的当前值。 对采集到的信息进行自动处理并分析。采用功能和性价比较高的 AVR ATmega16 单片机作为中央处理单元，对环境参数进行采集处理，并不断分析、处理所采集的环境 参数信息，将采集到的环境参数值与预先设置的理想值进行比较从而为报警提供数据依 据。 自动报警。当环境参数值达到预先设定的上限或下限报警设定值时，将会发出声音 报警和信号灯指示。声音警报采用了有源蜂鸣器，而信号灯采用发光二极管，当环境参 数值不在期望值当中时蜂鸣器发出鸣声，同时相应的发光二极管发光，以提示监控人员 采取安全对策或使自动控制相关安全装置做出相关反应。该报警器可以实时、准确地检 测可燃性气体以及温湿度并且可以长时间可靠无误地报警。 3 报警系统硬件设计 3.1 单片机原理 3.1.1 单片机原理概述 单片机（single-chip microcomputer）又称为“微控制器 MCU”,也就是把微型计算 机的主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的单芯片微型计算机。由于单片机的高度 集成化，缩短了系统内的信号传送距离，优化了结构的配置，大大提高了系统的运行速 度以及可靠性。同时它的指令系统又非常适合工业控制的要求，所以单片机在工业过程 及设备控制中得到了广泛的应用（王卫星，2009）。单片机的典型结构图如图 2 所示。 时钟数据存储 器 I/O 口 CPU 程序存储 器 定时/计数器 片内总线 图 2 单片机典型结构图 7 3.1.2ATmega16 单片机的介绍 本系统设计中所选用的单片机是 ATmega16 单片机。ATmega16 单片机作为硬件部 分的主控芯片，具有功能强大、性价比较高等特点。其引脚如图 3 所示。 图 3 ATmega16 引脚图 ATmega16 是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。AVR 内 核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大 大提高了代码效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的数据吞吐率。 ATmega16 有如下特点:16 字节的系统内可编程 Flash(具有同时读写的能力，即 RWW)，512 字节 EEPROM，1K 字节 SRAM，32 个通用 I/O 口线，32 个通用工作寄存 器，用于边界扫描的 JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定 时器/计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行 USART，有起始条件检测器的通用串行 接口，8 路 10 位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装)的 ADC，具有片内振荡 器的可编程看门狗定时器，一个 SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电 模式。工作于空闲模式时 CPU 停止工作，而 USART、两线接口、A/D 转换器、 SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有 功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许 8 用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC 噪声抑制模式时终止 CPU 和除了异步定时器与 ADC 以外所有 I/O 模块的工作，以降低 ADC 转换时的开关噪 声；Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器 件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展 Standby 模式下则允许振荡器和异 步定时器继续工作(周润景等，2007)。 3.2 电路系统设计 3.2.1 单片机最小系统 单片机应用系统根据系统扩展和系统配置状况的不同，可以分为最小应用系统、最 小功耗系统和典型应用系统。单片机在进行实时控制和实时数据处理时，需要与外界进 行信息交换。人们需要通过人机对话，了解系统的工作情况从而进行控制。单片机芯片 与其它 CPU 相比较，功能虽然要强得多，但因为芯片结构、引脚数目的限制，片内 ROM、RAM、I/O 口等不能很多，所以在构成实际的应用系统时需要对 I/O 口和存储器 加以扩展，以适应不同的工作需求。 PB0 (XCK/T0) 40 PB1 (T1) 41 PB2 (AIN0/INT2) 42 PB3 (AIN1/OC0) 43 PB4 (SS) 44 PB5 (M OSI) 1 PB6 (M ISO) 2 PB7 (SCK) 3 RESET 4 PD0 (RXD) 9 PD1 (TXD) 10 PD2 (INT0) 11 PD3 (INT1) 12 PD4 (OC1B) 13 PD5 (OC1A) 14 PD6 (ICP) 15 PD7 (OC2) 16 XTAL2 7 XTAL1 8 GND 6 PC0 (SCL) 19 PC1 (SDA) 20 PC2 (TCK) 21 PC3 (TM S) 22 PC4 (TDO) 23 PC5 (TDI) 24 PC6 (TOSC1) 25 PC7 (TOSC2) 26 AREF 29 AVCC 27 GND 28 PA7 (ADC7) 30 PA6 (ADC6) 31 PA5 (ADC5) 32 PA4 (ADC4) 33 PA3 (ADC3) 34 PA2 (ADC2) 35 PA1 (ADC1) 36 PA0 (ADC0) 37 VCC 5 VCC 17 GND 18 VCC 38 GND 39 U1 ATmega16 PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 5V GND GND PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 PD0 PD1 PD2 PD3 PD4 PD5 PD6 PD7 AREF RESET XTAL2 XTAL1 10K R2 S1 D1 1N4148 5V GND Y1 22pf C8 22pf C9 AVCC 100nf C7 10mH L1 5V 10uF C15 0.01uF C16 图 4 单片机最小系统 9 本设计所需要的是最小应用系统。最小应用系统是指能维持单片机运行的最简单配 置的系统。这种系统成本低廉、结构简单，常用来构成简单的控制系统，如开关量的输 入/输出控制、时序控制等。对于片内有 ROM/EPROM 的芯片来说,最小应用系统即为 配有晶体振荡器、复位电路和电源的单个芯片；对与片内没有 ROM/EPROM 芯片来说， 其最小应用系统除了应配置上述的晶振、复位电路和电源外，还应配备 EPROM 或 EEPROM 作为程序存储器使用。 ATmega16 芯片的片内有 ROM/EPROM，所以它的单片机最小系统只需要电源电路， 时钟电路，复位电路。当然 AVR ATmega16 也可以不用外接时钟电路而直接用内部时 钟。由一个晶振和两个电容构成时钟系统电路；另外，由一个电容和一个电阻和一个开 关构成复位系统；VCC 脚要接电源。AVR ATmega16 最小系统如图 4 所示。 3.2.2 环境参数采集电路设计 环境参数的采集对象主要包括温度、湿度和可燃可爆气体浓度。在本系统中温湿度 的采集选用了数字温湿度传感器 DHT21/AM2301，而可燃可爆气体的检测选用了气体传 感器 MQ_2。 图 5 气体传感器原理图 气体传感器 MQ_2 原理图如图 5 所示，它具有以下特点： （1）具有信号输出指示。 （2）双路信号输出（模拟量输出及 TTL 电平输出）。 10 （3）TTL 输出有效信号为低电平（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机）。 （4）模拟量输出 05V 电压，浓度越高电压越高。 （5）对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度。 （6）具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。 （7）快速的响应恢复特性。 气体传感器 MQ_2 适用于家庭或工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、 丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等监测装置。 DHT21 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。 它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越 的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个 NTC 测温元件，并与一个高性 能 8 位单片机相连接。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低 的功耗，信号传输距离可达 20 米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的 最佳选择，产品为 4 针单排引脚封装。常应用于暖通空调、测试及检测设备、汽车、数 据记录器、消费品、自动控制、气象站、家电、湿度调节器、医疗、除湿器等领域。 PB0 (XCK/T0) 40 PB1 (T1) 41 PB2 (AIN0/INT2) 42 PB3 (AIN1/OC0) 43 PB4 (SS) 44 PB5 (MOSI) 1 PB6 (MISO) 2 PB7 (SCK) 3 RESET 4 PD0 (RXD) 9 PD1 (TXD) 10 PD2 (INT0) 11 PD3 (INT1) 12 PD4 (OC1B) 13 PD5 (OC1A) 14 PD6 (ICP) 15 PD7 (OC2) 16 XTAL2 7 XTAL1 8 GND 6 PC0 (SCL) 19 PC1 (SDA) 20 PC2 (TCK) 21 PC3 (TMS) 22 PC4 (TDO) 23 PC5 (TDI) 24 PC6 (TOSC1) 25 PC7 (TOSC2) 26 AREF 29 AVCC 27 GND 28 PA7 (ADC7) 30 PA6 (ADC6) 31 PA5 (ADC5) 32 PA4 (ADC4) 33 PA3 (ADC3) 34 PA2 (ADC2) 35 PA1 (ADC1) 36 PA0 (ADC0) 37 VCC 5 VCC 17 GND 18 VCC 38 GND 39 U1 ATmega16 PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 5V GND GND PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 PD0 PD1 PD2 PD3 PD4 PD5 PD6 PD7 AREF RESET XTAL2 XTAL1 Y1 22pf C8 22pf C9 AVCC 100nf C7 10mH L1 5V 0.01uF C16 1 2 3 4 P6 DHT21 5V GND DATA NC 100nf C12 4K7 R1 PD0 5V PC0 1 2 3 4 P5 MQ_2 GND 11 图 6 单片机与传感器接口电路 温湿度传感器和气体传感器与单片机的接口电路如图 6 所示。环境参数采集电路由 主控芯片 ATmega16、数字温湿度传感器 DHT21/AM2301、气体传感器 MQ_2 组成。温 湿度传感器 AM2301 的数据输出端接在单片机的 PD0 口，也即可以通过单片机的 PD0 口用串行方式读取采集到的温湿度值；气体传感器 MQ_2 的 TTL 电平输出端接在单片 机的 PC0 口，通过判断输入 PC0 口的电平高低，即可判断出气体浓度是否过高。 3.2.3 报警部分电路设计 系统的单片机与自动报警装置接口电路如图 7 所示。当所监测的环境参数值不符合 预先设定的环境参数值时，系统会产生自动报警，以提醒监控人员实施一定的措施或者 自动控制相应的设备，使得环境保持在一定需求条件中。报警部分包括温度过高报警器、 温度过低报警器、湿度过高报警器、湿度过低报警器以及可燃气体报警器。通过蜂鸣器 来产生声音警报，不管哪一项报警产生都会发出声音警报，这里用 PB0 口来控制蜂鸣器， 当采集到的任意一参数值不符合预定值时，PB0 口就会置高，蜂鸣器响。 PB0 (XCK/T0) 40 PB1 (T1) 41 PB2 (AIN0/INT2) 42 PB3 (AIN1/OC0) 43 PB4 (SS) 44 PB5 (MOSI) 1 PB6 (MISO) 2 PB7 (SCK) 3 RESET 4 PD0 (RXD) 9 PD1 (TXD) 10 PD2 (INT0) 11 PD3 (INT1) 12 PD4 (OC1B) 13 PD5 (OC1A) 14 PD6 (ICP) 15 PD7 (OC2) 16 XTAL2 7 XTAL1 8 GND 6 PC0 (SCL) 19 PC1 (SDA) 20 PC2 (TCK) 21 PC3 (TMS) 22 PC4 (TDO) 23 PC5 (TDI) 24 PC6 (TOSC1) 25 PC7 (TOSC2) 26 AREF 29 AVCC 27 GND 28 PA7 (ADC7) 30 PA6 (ADC6) 31 PA5 (ADC5) 32 PA4 (ADC4) 33 PA3 (ADC3) 34 PA2 (ADC2) 35 PA1 (ADC1) 36 PA0 (ADC0) 37 VCC 5 VCC 17 GND 18 VCC 38 GND 39 U1 ATmega16 PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 5V GND GND PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 PD0 PD1 PD2 PD3 PD4 PD5 PD6 PD7 AREF RESET XTAL2 XTAL1 Y1 22pf C8 22pf C9 AVCC 100nf C7 10mH L1 5V 0.01uF C16 D3 D4 D5 D6 18 R11 18 R12 18 R13 18 R14 18 R15 D7 LS1 Bell PB5 PB4 PB3 PB2 PB1 PB01 2 P9 GND 图 7 单片机与报警装置接口电路 12 同时，用发光二极管来指示相应的报警。在这里分别用白发绿光二极管 D3 来指示 温度过高报警、白发蓝光二极管 D4 来指示温度过低报警、红发红光二极管 D5 来指示 湿度过高报警、绿发绿光二极管 D6 来指示湿度过低报警、黄发黄光二极管 D7 来指示 可燃气体报警，通过 PB5PB1 口来控制二极管发光与否，当采集