煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)電子電路設(shè)計(jì)摘 要隨著科技的進(jìn)步，我們的日常生活中出現(xiàn)了許多容易燃燒的物品，為了提前發(fā)現(xiàn)并阻止火災(zāi)的發(fā)生，防止和減少火災(zāi)引起的事故。故設(shè)計(jì)出本系統(tǒng)根據(jù)火災(zāi)發(fā)生時(shí)的特征即煙和熱，利用M-Q2煙霧傳感器檢測(cè)煙霧，當(dāng)檢測(cè)到煙霧濃度較高時(shí)，通過(guò)單片機(jī)處理實(shí)現(xiàn)報(bào)警，并通過(guò)MAX485實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的分布式監(jiān)控。本系統(tǒng)下位機(jī)有信號(hào)采集模塊，報(bào)警模塊，串口通信模塊組成，上位機(jī)通過(guò)VB界面對(duì)下位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。整個(gè)系統(tǒng)效果還是比較好的，反應(yīng)也較快，測(cè)量結(jié)果比較準(zhǔn)確。 以STC89C51單片機(jī)和M-Q2煙霧傳感器為核心設(shè)計(jì)的煙霧報(bào)警器可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警、故障自診斷、濃度顯示、報(bào)警限設(shè)置、延時(shí)報(bào)警及與上位機(jī)串口通信等功能。是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便、價(jià)格低廉、智能化的煙霧報(bào)警器。具有一定的實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵字：煙霧傳感器， STC89C51單片機(jī)，報(bào)警模塊，串口通信 目 錄1 緒論11.1 課題描述11.2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求11.3 基本工作原理及框圖12 相關(guān)芯片及硬件電路設(shè)計(jì)22.1電路元件清單22.2電源電路的設(shè)計(jì)32.3光電傳感器裝置的設(shè)計(jì)42.4聲音報(bào)警電路52.5 數(shù)碼管顯示電路62.6煙霧檢測(cè)模塊電路72.7單片機(jī)的最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)83 整體電路9總 結(jié)11致 謝12參考文獻(xiàn)13附錄1 程序141 緒論1.1 課題描述本課題利用光電檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)出一套煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。光電傳感器中光發(fā)射管與光敏接收管成90排列，是電路中重要環(huán)節(jié)之一。當(dāng)沒(méi)有煙霧時(shí)光發(fā)射管發(fā)出的光不會(huì)被光敏管接收到，當(dāng)有煙霧時(shí)，光被漫反射，光發(fā)射管發(fā)出的光部分會(huì)被光敏管接收到。 在保持安全監(jiān)測(cè)時(shí)，可根據(jù)光被漫反射后，光敏管接收到的光的強(qiáng)弱，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換電路及放大電路輸出，經(jīng)數(shù)字電路，51系列單片機(jī)判斷，指令寄存或驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，亦可報(bào)警。也可用接口電路，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。煙霧檢測(cè)報(bào)警裝置是能夠檢測(cè)環(huán)境中的煙霧濃度并具 有報(bào)警功能的儀器。該報(bào)警裝置是石油化學(xué)工業(yè)、有氣體泄漏可能的生產(chǎn)工廠及家庭防火防爆必備的儀器1。1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求為了提前發(fā)現(xiàn)和阻止火災(zāi)發(fā)生，防止和減少火災(zāi)引起的燃燒、爆炸等事故，造成社會(huì)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及人的生命安全。因此，研究煙霧的檢測(cè)方法與煙霧報(bào)警器就成為傳感器技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。本設(shè)計(jì)中的煙霧報(bào)警電路是能夠檢測(cè)環(huán)境中的煙霧濃度并具有聲光報(bào)警功能的電路。該報(bào)警電路是石油化學(xué)工業(yè)、有氣體泄漏可能的生產(chǎn)工廠及家庭防火防爆必備的儀器。因此研究新型、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)可燃性氣體，并符合國(guó)家相關(guān)規(guī)定的報(bào)警器具有極其重要得意義2。設(shè)計(jì)任務(wù)：1設(shè)計(jì)一個(gè)光電傳感器裝置，當(dāng)有煙霧時(shí)，光被漫反射，光發(fā)射管發(fā)出的光部分會(huì)被光敏管接收到，根據(jù)光電信號(hào)強(qiáng)弱，經(jīng)數(shù)字電路、單片機(jī)數(shù)字被送至顯示電路顯示，或被報(bào)警。 2設(shè)計(jì)要求畫(huà)出電路原理圖（或仿真電路圖）；元器件及參數(shù)選擇；電路仿真與調(diào)試。 3制作要求自行裝配和調(diào)試，并能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題。 4編寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告，寫(xiě)出設(shè)計(jì)與制作過(guò)程，附上資料和圖紙，有心得體會(huì)。 1.3 基本工作原理及框圖煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，是氣-電變換器，它將可燃性氣體在空氣中的含量(即濃度)轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路 將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到單片機(jī)，進(jìn)而由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、濃度處理及報(bào)警控制等工作。傳感器作為煙霧檢測(cè)報(bào)警器的信號(hào)采集部分，是儀表的核心組成部分之一。由此可見(jiàn)，傳感器的選型是非常重要的3。半導(dǎo)體煙霧傳感器的突出優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價(jià)格便宜，且不會(huì)發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護(hù)成本較低等。因此，本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體煙霧傳感器作為報(bào)警器煙霧信息采集部分的核心。而在眾多半導(dǎo)體氣體傳感器中，本設(shè)計(jì)選用MQ-2型煙霧傳感器，這種型號(hào)的傳感器不但具備一般半導(dǎo)體煙霧傳感器靈敏度 高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)4。煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)電子電路框圖如圖1所示。傳感器放大電路A/D轉(zhuǎn)換電路單片機(jī)串行口安全控制裝置狀態(tài)指示燈聲音報(bào)警器濃度顯示四個(gè)按鍵圖1 煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)電子電路框圖2 相關(guān)芯片及硬件電路設(shè)計(jì)2.1電路元件清單煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)元件清單如表1所示。表1 元件清單序號(hào)元器件類型元器件規(guī)格數(shù)量備注1電源12V蓄電池12變壓器單相變壓器100KVA13定值電阻金屬膜電阻134可變電阻滑動(dòng)變阻器25極性電容電解電容56二極管二極管IN14867固定電容瓷片電容28穩(wěn)壓器可調(diào)式三端穩(wěn)壓器CW31719開(kāi)關(guān)閘刀開(kāi)關(guān)110晶振石英晶體諧振器211報(bào)警器蜂鳴器112煙霧傳感器M-Q2型傳感器113多諧振蕩器555定時(shí)器114單片機(jī)STC89C51115運(yùn)算放大器LM324高增益四運(yùn)算放大器216數(shù)碼管SMS0403四位段式液晶117開(kāi)關(guān)按鍵開(kāi)關(guān)418發(fā)光二極管磷砷化鎵發(fā)光二極管32.2電源電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)使用外部220V交流供電，經(jīng)過(guò)變壓器變壓，橋式整流和電容濾波以及可調(diào)試三端穩(wěn)壓器CW317調(diào)節(jié)后，可以輸出連續(xù)可調(diào)的直流電壓，可輸出9V?？烧{(diào)式三端穩(wěn)壓器CW317，其特征參數(shù)Vo =1.2V3.7V， Iomax=1.5V，最小輸入、輸出壓差（Vi-Vo）min=3V，最大輸入、輸出壓差（Vi-Vo）max= 40V。R1與RP1組成電壓輸出調(diào)節(jié)電路5。電源電路圖如圖2所示：圖2 電源電路圖2.3光電傳感器裝置的設(shè)計(jì)半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器。按敏感機(jī)理分類，可分為電阻型和非電阻型。半導(dǎo)體氣敏元件也有N型和P型之分。N型在檢測(cè)時(shí)阻值隨煙霧濃度的增大而減??；P型阻值隨煙霧濃度的增大而增大。本設(shè)計(jì)中采用的MQ-2型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，屬于表面離子式N型半導(dǎo)體。當(dāng)處于200300C溫度時(shí)，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當(dāng)與煙霧接觸時(shí)，如果晶粒間界處的勢(shì)壘受到該煙霧的調(diào)制而變化，就會(huì)引起表而電導(dǎo)率的變化。利用這一點(diǎn)就可以獲得這種煙霧存在的信息6。遇到可燃煙霧（如CH4等）時(shí)，原來(lái)吸附的氧脫附，而由可燃煙霧以正離子狀態(tài)吸附在二氧化錫半導(dǎo)體表面；氧脫附放出電子，煙霧以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子，從而使二氧化錫半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加，電阻值下降。而當(dāng)空氣中沒(méi)有煙霧時(shí)，二氧化錫半導(dǎo)體又會(huì)自動(dòng)恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是MQ-2型燃性煙霧傳感器檢測(cè)可燃煙霧的基本原理。氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值，稱為氣敏元件(電阻型)的固有電阻值，表示為RA。一般其固有電阻值在(103105)范圍。氣敏元件一般工作在200以上高溫。為氣敏元件提供必要工作溫度的加熱電路的電阻(指加熱器的電阻值)稱為加熱電阻，用RH。直熱式的加熱電阻值一般小于5；旁熱式的加熱電阻大于20。氣敏半導(dǎo)體時(shí)在接觸不同氣體時(shí)，工作于不同溫度下產(chǎn)生的器件阻發(fā)生值變化。氣敏元件的靈敏度是表征氣敏元件對(duì)于被測(cè)氣體的敏感程度的指標(biāo)。它表示氣體敏感元件的電參量與被測(cè)氣體濃度之間的依從關(guān)系。表示方法有三種：（a）電阻比靈敏度K： 式中:Ra氣敏元件在潔凈空氣中的電阻值； Rg氣敏元件在規(guī)定濃度的被測(cè)氣體中的電阻值。 （b）氣體分離度： 式中:Rc1氣敏元件在濃度為Cc的被測(cè)氣體中的阻值： Rc2氣敏元件在濃度為C2的被測(cè)氣體中的阻值。通常，C1C2。 （c）輸出電壓比靈敏度Kv: 式中:Va氣敏元件在潔凈空氣中工作時(shí)，負(fù)載電阻上的電壓輸出； Vg氣敏元件在規(guī)定濃度被測(cè)氣體中工作時(shí)，負(fù)載電阻的電壓輸出.2.4聲音報(bào)警電路聲音報(bào)警電路圖如圖所示。報(bào)警裝置采用無(wú)源壓電式KM3712x型蜂鳴器，較一般的蜂鳴器體積大，聲音響亮，適用于報(bào)警器的報(bào)警聲音源。當(dāng)單片機(jī)AT89S52的P1.0腳置1時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警。本報(bào)警器采用單片機(jī)P3.0功能，如果煙霧濃度達(dá)到報(bào)警限，單片機(jī)控制P1.0(PWM)口輸出占空比一定 的脈沖，報(bào)警時(shí)蜂鳴器會(huì)發(fā)報(bào)警的聲音7。聲音報(bào)警電路如圖3所示： 圖3 聲音報(bào)警電路2.5 數(shù)碼管顯示電路 報(bào)警器濃度顯示采用共陽(yáng)數(shù)碼管。顯示濃度級(jí)別和2位溫度.數(shù)碼管實(shí)際上由7發(fā)光管組成8字形構(gòu)成的.如圖其接口電路是把所有顯示器的8個(gè)筆畫(huà)段a-h同名端連在一起，而每個(gè)顯示器的公共極是各自獨(dú)立的受I/O線控制?？刂贫私釉赑2.7，字段則分別接在P0.0-P0.7口。其主要技術(shù)參數(shù)如下： 模塊工作電壓： 2.75.5V 工作電流： 80ma,每段10ma字高：11.4mm環(huán)境相對(duì)濕度：<85 視角：6:00 工作溫度：-10+50C 顯示方式：反射式正顯示存儲(chǔ)溫度：-20+60C接口方式：8線并行接口 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)如圖8所示：圖4 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)2.6煙霧檢測(cè)模塊電路 QM-N5的連接方式如圖4.4所示，因?yàn)闊熿F傳感器內(nèi)部1腳和三腳相連，4腳和6腳相連，所以電路連接只需一對(duì)就可以工作了。20K的可調(diào)電阻是為其報(bào)警功能而添加的。當(dāng)傳感器檢測(cè)到煙霧的時(shí)間，第3和第6腳之間的電阻會(huì)變的很低，可調(diào)電阻在適合的阻值時(shí)，單片機(jī)的P1.2口就會(huì)被至為低電平，此時(shí)我們就可以通過(guò)查詢或中斷方式檢測(cè)該信號(hào)變化，檢測(cè)到后設(shè)置P1.3口也為低電平，加上個(gè)三極管，這樣就可以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，達(dá)到報(bào)警的目的8。煙霧檢測(cè)模塊電路如圖5所示：圖5 煙霧檢測(cè)模塊電路2.7單片機(jī)的最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng),或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng),是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng).對(duì)51系列單片機(jī)來(lái)說(shuō),最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括:單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路。STC89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)見(jiàn)圖6所示：圖6 單片機(jī)的最小系統(tǒng)晶振電路：晶振電路為單片機(jī)的正常工作提供時(shí)鐘信號(hào)，可以說(shuō)是單片機(jī)的心臟部分，它一般有晶振和電容兩部分組成。晶振的選擇根據(jù)系統(tǒng)的其他設(shè)計(jì)要求不同而有所不同，常用的有11.0592M和12M兩種，11.0592一般用于串口通信，因?yàn)樗梢蕴峁?zhǔn)確的波特率，本系統(tǒng)因?yàn)橐蜕衔粰C(jī)進(jìn)行通信，故選用該種晶振。12M晶振是最常用的晶振，因?yàn)樗梢援a(chǎn)生精確的S級(jí)的機(jī)器周期,方便定時(shí)操作9。3 整體電路 煙霧報(bào)警電路主要由煙霧傳感器和單片機(jī)電路及分立元件組成，電路將檢測(cè)到的煙霧信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)5單片機(jī)電路電路進(jìn)行電位分析，判斷電位是否大于或等于某個(gè)預(yù)設(shè)值(也就是臨界報(bào)警值)。為方便調(diào)節(jié)臨界報(bào)警值，在煙霧傳感器檢測(cè)電路部分安裝了電位器。以下是電路的工作方式與過(guò)程：當(dāng)電源開(kāi)關(guān)閉合后，交流電經(jīng)過(guò)降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個(gè)過(guò)程后，產(chǎn)生12V和5V的直流電壓，給單元電路和整機(jī)供電。電路經(jīng)預(yù)熱3分鐘后，整機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。當(dāng)電路處于無(wú)煙霧的情況下，煙感元件MQ-2的極片A-B間的阻值較大，該電阻與R3的分壓減小，相應(yīng)使單片機(jī)電路腳處于低電平， LED指示燈和蜂鳴器不工作。當(dāng)煙感元件接觸到可燃性氣體或煙霧時(shí)，其煙感元件MQ-2極片A-B間的電阻值降低，從而使該電阻與R3的分壓上升，相應(yīng)單片機(jī)電路腳電位上升，相應(yīng)5的輸出端腳的輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警，直到煙霧消失后電路才能恢復(fù)正常10。煙霧報(bào)警整機(jī)電路如圖7所示：圖7 煙霧報(bào)警整機(jī)電路總 結(jié)隨著現(xiàn)代家庭用火、用電量的增加，家庭火災(zāi)發(fā)生的頻率越來(lái)越高。煙霧報(bào)警器也隨之被廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合。該設(shè)計(jì)的家用可燃性氣體泄露報(bào)警，采取了單獨(dú)利用硬件的開(kāi)發(fā)方式，充分利用了氣敏傳感器及其他元件的特性，使其相輔相成，從而該設(shè)計(jì)的燃?xì)鈭?bào)警裝置有較高的性價(jià)比。該智能可燃性氣體報(bào)警器具有較好的性能，并且價(jià)格低廉，適應(yīng)市場(chǎng)上可燃性氣體報(bào)警器發(fā)展的方向所以其應(yīng)用前景廣闊。 通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我也發(fā)現(xiàn)了自身存在的不足之處，雖然感覺(jué)理論上已經(jīng)掌握，但在運(yùn)用到實(shí)踐的過(guò)程中仍有意想不到的困惑，經(jīng)過(guò)一番努力才得以解決。這也激發(fā)了我今后努力學(xué)習(xí)的興趣，我想這將對(duì)我以后的學(xué)習(xí)產(chǎn)生積極的影響。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，我懂得了學(xué)習(xí)的重要性，了解到理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合的重要意義，學(xué)會(huì)了堅(jiān)持、耐心和努力，這將為自己今后的學(xué)習(xí)和工作做出了最好的榜樣。致 謝時(shí)光如梭，光陰似箭，畢設(shè)轉(zhuǎn)眼之間就來(lái)到了終點(diǎn)，我一直都認(rèn)為能夠在大學(xué)的終點(diǎn)自己親手完成自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)，自己盡情的發(fā)揮自己在這四年所學(xué)到的東西，把自己不能理解的理論知識(shí)用于實(shí)踐是一件非?？鞓?lè)的事，所以我一直非常期待它的到來(lái)。事實(shí)也是這樣，在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中我學(xué)會(huì)了很多東西，畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我學(xué)會(huì)了發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提出問(wèn)題,分析問(wèn)題,解決問(wèn)題的能力。這些將對(duì)我以后的工作和人生產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)我首先要感謝指導(dǎo)老師林科老師，特別是畢業(yè)設(shè)計(jì)的開(kāi)始，當(dāng)我對(duì)自己的課題毫無(wú)頭緒的時(shí)候，是林老師仔細(xì)的給講解我的課題的思路，以及如何才能更好的實(shí)現(xiàn)，在后續(xù)的設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程中林老師也都給予了細(xì)心的指導(dǎo)，他那嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作作風(fēng)，樸實(shí)無(wú)華的生活態(tài)度都給我留下了深刻的印象，這些也將成為我今后學(xué)習(xí)生活中永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的楷模。在設(shè)計(jì)制作的過(guò)程中，也得到了其他老師的熱心指導(dǎo)和周圍同學(xué)的真誠(chéng)幫助，感謝他們提供了良好的環(huán)境，使我在設(shè)計(jì)中避免了許多麻煩，少走了不少?gòu)澛?。在此向他們表示衷心的感謝。同時(shí)感謝參考資料的各位作者。參考文獻(xiàn)1 賈秀美.數(shù)字電路實(shí)踐技術(shù)（第一版）.中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2000.2 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延時(shí)512微秒SETB DQMOV R0,#25H ;延時(shí)60微秒，判斷18B20返回信號(hào)TSR2:JNB DQ,TSR3 DJNZ R0,TSR2LJMP TSR4 ; 延時(shí)TSR3:SETB FLAG1 ; 置標(biāo)志位,表示DS18B20存在LJMP TSR5TSR4:CLR FLAG1 ; 清標(biāo)志位,表示DS18B20不存在LJMP TSR7TSR5:MOV R0,#0FFH ;512USTSR6:DJNZ R0,TSR6 ; 延時(shí)TSR7:SETB DQRETDELAY:MOV R7,#00HMIN:DJNZ R7,YS500RETYS500:LCALL YS500USLJMP MINYS500US:MOV R6,#00HDJNZ R6,$RETDELAY1:MOV R7,#20HDJNZ R7,$RETEND2.VB程序： Public d As StringPrivate Sub Command1_Click()EndEnd SubPrivate Sub Command2_Click() MSComm1.Output = "1" Text2.Text = "下位機(jī)1信息"End SubPrivate Sub Command3_Click()MSComm1.Output = "2"Text2.Text = "下位機(jī)2信息"End SubPrivate Sub Command4_Click()Timer1.Interval = 1000Timer1.Enabled = TrueEnd SubPrivate Sub Command5_Click()Timer1.Enabled = FalseEnd SubPrivate Sub Form_Load()d = "1"MSComm1.CommPort = 1MSComm1.InputLen = 0MSComm1.Settings = "9600,n,8,1"MSComm1.InBufferSize = 512MSComm1.InBufferCount = 0MSComm1.OutBufferSize = 512MSComm1.OutBufferCount = 0MSComm1.RThreshold = 1MSComm1.SThreshold = 1MSComm1.PortOpen = TrueEnd SubPrivate Sub MSComm1_OnComm()Dim Buf$Select Case MSComm1.CommEvent Case comEvReceive Buf = MSComm1.Input a = Mid(Buf, 1, 1) b = Asc(a) Text1.Text = Hex(b) c = Mid(Buf, 2, 1) If c = "1" Then Shape1.FillColor = vbRed Else Shape1.FillColor = vbGreen End If Case Else End SelectEnd SubPrivate Sub Timer1_Timer() MSComm1.Output = d If d = "1" Then Text2.Text = "下位機(jī)1信息" e = d + 1 d = e Else Text2.Text = "下位機(jī)2信息" d = "1" End IfEnd Sub