2017毕业论文-基于AT89S51单片机的火灾检测报警系统的设计.doc

盐城工学院本科生毕业设计说明书（2008）火灾检测报警系统的设计摘要：火灾检测报警系统是现代楼宇建筑很重要的一个环节,对人身安全及财产的保护有这不可或缺的意义。火灾检测报警系统的设计是以51系列的单片机AT89S51和W77E58为核心,采用无线通讯技术构成的检测报警系统。系统由检测发射部分和接收控制部分两部分组成。检测部分针对发生火灾时产生的烟雾与温度的变化进行设计，烟雾检测采用了Motorola公司生产的具有声光报警电路的MC14468芯片，配合外围电路构成；温度检测采用数字温度传感器件DS18B20构成。通讯收发部分使用美国Nordic公司最新推出的基于无线通信的 nRF401型单片射频收发器，采用了无线通信和FSK（频移键控）调制解调技术，工作频率稳定且抗干扰能力强，不需要对数据进行编码，外围电路简单，使用方便。关键字：火灾报警;无线;单片机;27The design on the fire detection and alarm systemAbstract: The fire detection alarm system is a very important part of the modern building, and it has the unique significance to the personal safety and property protection. The design on the fire detection and alarm system discussed how the wireless technology constitute the detection alarm system on the base of the series from 51 SCM AT89S51 and W77E58. The system mainly consist of the sending part of testing and receving part of control. The testing part was designed to the smoke and temperature changes on fire, The smoke testing part used the MC14468 chip with a sound and light alarm circuit produced by the Motorola company, with the external circuit. The temperature testing part consist of the digital temperature sensor of a DS18B20. The communication transceivers part used the nRF401 single radio transceiver based on the latest wireless communications which was produced by the United States Nordic companies. This part used the wireless communications and FSK (FSK) modem technology, and it has the features of the stable frequency, strong anti-interference ability, the simple external circuit, easy to use. And it also need no data encoding.Keyword: fire alarm; wireless; SCM;目录1概 述12系统总体设计方案12.1智能报警系统的总体构成12.2报警系统的功能及工作过程32.2.1报警系统的特点和功能32.2.2系统的基本工作过程33用户端探测器设计33.1防火探测器电路设计43.1.1温度探测器53.1.2离子感烟探测器54用户端自动报警器设计94.1用户端自动报警器总体设计94.2声光报警电路94.3用户端自动报警器软件编制104.3.1探测模块程序设计114.3.2报警模块程序设计114.3.3控制模块程序设计125管理监控中心中央控制器设计125.1中央控制器硬件总体设计125.1.1 LED数码显示模块的设计145.1.2上位机连接模块的设计165.2管理监控中心报警器硬件电路的连接185.3管理监控中心端自动报警器软件编制185.3.1接受信息模块程序设计185.3.2报警模块程序设计185.3.3控制模块程序设计196无线通讯模块的设计196.1通讯模块总体设计196.1.1 nRF401天线设计与外部连接196.1.2无线通讯模块的电路设计216.2发射部分设计226.3接受部分设计226.4通讯模块软件设计227系统的抗干扰措施238结 束 语25致 谢26参考文献27附 录28附录1源程序28附录2设计图纸28火灾检测报警系统的设计1概 述针对国内外的发展情况，住宅智能安全防范系统是我国未来智能住宅建设的重点发展方向。智能化火灾检测报警系统是依托无线网作传输媒体的报警系统。无线收发器采用美国Nordic公司最新推出的基于无线通信的nRF401型单片射频收发器，该芯片采用了无线通信和FSK（频移键控）调制解调技术，工作频率稳定且抗干扰能力强，不需要对数据进行编码，外围电路简单，使用方便。由于采用低发射功率和高接收灵敏度的设计方案，因此不受无线电管理条例的限制，无须办理许可证。nRF401的引入是本系统的突出特点之一，极大的提高了系统的实时性，这对系统安全是相当重要的。与传统的区域报警系统相比，具有硬件简单、安装方便的优点，而对于实行物业管理的居民区以及机关、事业单位的办公区则采用分户对值班室的联网方案。 火灾检测报警系统符合国家建设部对普及型住宅小区的要求，实现功能包括：能对住宅的火灾实行自动检测报警；住宅设置紧急呼叫系统；用户端自动报警器对各传感器的信号进行检测和控制；小区管理中心中央控制器对各用户端自动报警器完成数据的采集和信号的传输。 智能报警系统主要包含用户端电子防火系统及监控管理控制中心两大部分。用户端的电子防火系统又包括探测器、自动报警器及输出等组成部分，并将模块化思想引入此系统，从而使整个系统的功能更完善、灵活、可调。系统包含硬件电路的设计与应用方面，实现过程包括电路原理设计、元器件(芯片)选择与特性测试、编制程序及软件调试、设计外观及制板、产品抗干扰。另外，在满足各项性能指标的前提下，不仅要考虑到系统的易用性，还要努力降低成本，使其经济实用，在保证灵敏度的情况下，尽量降低误报率，确保在同类产品中的竞争地位。2系统总体设计方案2.1智能报警系统的总体构成 智能住宅火灾检测报警系统开发设计方案是参照国内外相关技术的发展状况，结合我国住宅建设的实际情况，以及各相关方面的协调发展状况，为满足新时期居民的居住要求，真正实现智能化报警的要求来确定的。火灾检测报警系统是一种新型的电子安全报警系统，系统的设计是将电子探测和智能控制技术相结合，系统总体构成包括火灾检测探测器、用户端自动报警器、管理监控中心中央控制器与通讯线路四个模块，系统组成框图如图2-1所示。用户端自动报警器（AT89S51）温度探测器离子烟雾探测器防火探测器开关量的输入紧急呼救开关通讯模块工作灯报警灯故障灯报警蜂鸣器警示信息报警蜂鸣器LED数码显示报警通讯模块小区监控管理中心中央控制器CPU(W77E58)联动模块主控计算机图 2-1 智能火灾检测报警系统组成框图用户端自动报警器安装于居民住宅内，用于对居民住宅各个不同部位的不同类型探测器(离子感烟、温度)进行监测与控制，并对从各个探测器采集来的数据进行处理。当出现异常情况时，及时报警，并与中央控制器建立联系，将相关信息传送至中央控制器中。小区监控管理中心中央控制器安装于住宅小区的值班室内，可以同时控制、管理多个用户端自动报警器，主要用于接收处理从用户端报警器传来的数据信息，一旦收到报警信息立即进行存储以备查询，主控计算机通过对中央控制器的查询可显示出各种报警信息，同时由高响度喇叭等设备告知值班人员，以便及时做出相应的处理。2.2报警系统的功能及工作过程2.2.1报警系统的特点和功能（1）报警功能：一旦有火警发生，立即发出报警，能准确到具体楼层、具体房间、具体探测器；（2）自动记录功能：即时记录异样情况，以中文打印；（3）资料档案功能：能储存历史火警资料，为做好防火工作提供依据；（4）状态指示功能：对一切消防设备的工作状态进行显示；（5）信息反馈功能：可对任何楼层的火警信息由计算机喇叭或电铃发出火警报警声以引起值班人员的警觉；（6）疏散指示功能：一旦发生火警，能将火灾楼层按设定的疏散方案及时显示于电脑的显示屏上，协助指挥员分析火情，指导疏散；（7）灭火准备功能：一旦发生火警，能自动启动消防水泵投入运行，为消防栓的灭火提供充足的水源。 （8）用户端自动报警器内提供备用电源，在没有市电的情况下，交直流供电自动切换，确保系统在停电时能继续工作。2.2.2系统的基本工作过程用户端的防范现场，一旦发生灾情，与之相应的报警探测器(各种火灾传感器及手动报警按钮等)则立即向用户端自动报警器发出报警信号。接到警情事件后，自动报警器立即进行确认(多次巡检中断信号)，若50s后无人解除警情同时警情确认无误后，进行事件的现场声(蜂鸣器)、光(LED)报警。在用户端自动报警器的面板上设有按钮以及三色警灯(LED)，三色警灯分别指示火灾防火报警、正常工作及系统出现故障的状态，即报警灯(红)、工作灯(绿)和故障灯(黄)。与此同时，前端自动报警器通过通讯线路向小区监控中心发送报警信号，从小区监控中心的计算机屏幕上不但可以准确地区别显示出报警的类别(火警、紧急呼救等)，还可以显示出报警的单位、地址、电话号码及联系人等信息，并由中央控制器打印出报警的有关信息，同时报警信息发送至主控计算机数据库，以备查询。3用户端探测器设计探测器电路设计是本课题电路设计的重点之一，探测器电路部分，由多种类型传感器实现多元信号综合检测是本系统中探测电路部分的基本设计思想，多元信号检测一方面完成火情的实时监测任务，另一方面大大降低了探测器部分的误报率，提高了整个系统的可靠性和抗干扰性。3.1防火探测器电路设计防火探测器是由温度探测和离子感烟探测构成的复合型火灾探测器。多传感器设计思想解决了传统单一防火探测器一直存在的误报率高的问题，增强了火灾探测的可靠性。复合型火灾探测器原理示意图如图3-1所示。由于单元探测技术所采用的单一参数火灾探测器(包括阈值触发式和模拟量式)对火灾特征信号响应灵敏度的不均匀性，导致它对实际火灾的探测能力受到了限制，尤其是用于对家庭住宅火情的准确探知更是重要。因此，报警系统中对火灾信号的检测采用多传感器/多判据的火灾探测技术，将探测器探测到的多元火灾探测信息经单片机进行综合判断，在软件设计中加入了神经网络智能算法，仿真实现了多元同步智能探测。温度探测器 MCU单片机预处理神经网络离子感烟探测器图3-1 复合型火灾探测器原理示意图实际上，响应各种不同类型的火灾，通常使用不同类型的火灾传感器，比较实验结果如表3-1中所示。离子感烟探测器不仅可探测一般火情，对阴燃火尤其有极好的探测效果，主要用于火情早期各种燃烧的烟雾颗粒进行探测，这一点就弥补了感温探测器对阴燃火不敏感，响应速度慢以及不能区分是火灾的热还是空调或烹饪蒸气的热等缺点。表3-1各种火灾探测器比较实验对照表传感器类型单传感器元件阈值探测器多传感元件探测器实验火类型光电感烟探测差温探测离子感烟探测离子和差温复合探测木材明火不合适最佳最佳最佳木材热解火最佳不合适合适合适绵绳阴燃火很合适不合适最佳最佳聚氨酯塑料火很合适合适很合适很合适正庚烷火很合适很合适最佳最佳无烟液体火不合适最佳不合适最佳3.1.1温度探测器温度探测器使用数字温度传感器DS18B20，5V直流电压供电。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO92小体积封装形式；温度测量范围为-55+125，可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。 DS18B20的测温原理是利用温敏振荡器的频率随温度变化的关系，把温度信号直接转换为串行数字信号，通过内部计数器对受温度影响的振荡器周期的计数可实现温度测量。探测器中DS18B20采用外接电源供电方式，保证在有效的DS18B20时钟周期内能提供足够的电流，图3-2中通过单片机的一个I/O口（P1.7）对DS18B20进行控制并取得温度值。DS18B20+5VMCUP1.7图3-2 温度探测器电路单片机不断的对DS18B20检测到的温度进行判断，当超过预设的温度值时，就触发报警机制，这样就实现的温度检测报警功能。3.1.2离子感烟探测器3.1.2.1离子感烟探测器的工作原理离子感烟式火灾探测器是采用空气离化探测火灾方法构成和工作的。它利用放射性同位素释放的高能量射线将局部空间的空气电离产生正、负离子，在外加电压的作用下形成离子电流。当火灾产生的烟雾及燃烧产物，即烟雾气溶胶进入电离空间（一般称作电离室）时，表面积较大的烟雾颗粒将吸附其中的带电粒子，产生离子电流变化，经电子线路加以检测，从而获得与烟浓度有直接关系的电测信号，用于火灾确认和报警。 系统中离子烟雾传感器采用了UD-20型离子烟雾传感器，它的灵敏度高，可靠性好，具有两个电离室和一个放射源，其外形如图3-3所示。A电极接9V电源正极，B电极接电源负极（地），C电极为收集电极。在205时，在空气清洁的条件下，收集电极的平衡点位为55.6V；有烟雾时，收集电极的电位仅为1.11.2V，电压差值较大，这样可以保证判断的准确性。BAC进烟孔图3-3 UD-02 型离子式烟雾传感器3.1.2.2 MC14468的结构特点及工作原理（1）结构特点MC14468是美国摩托罗拉公司生产的离子感烟探测报警专用芯片，为大规模CMOS电路构造。它只需外接一个离子源和用于安装离子源的离子室及少量的外部元件，即完成烟雾探测、报警的功能。当探测到烟雾时，它能通过外接的压电式换能器和内部的驱动电路发出报警的功能。它主要具有以下一些特点：（a）内置高输入阻抗的场效应管比较器；（b）内含压电式蜂鸣器的驱动电路，可以直接驱动蜂鸣器；（c）探测信号输入端具有保护二极管；（d）电池欠压报警，电池电压报警点可通过外接电阻设置；（e）探测阀值即灵敏度可通过电阻进行设置；（f）具有一个I/O脚，允许40个报警单元相互连接在一起，组成一个多点报警区域系统。（2）工作原理MC14468为双列直插式（DIP）16脚封装，其引脚如图3-4所示。 图3-4 MC14468封装图由图可以看出它具有直接同离子室中的各极相连的引脚（引脚14、15、16）和发光二极管驱动输出引脚（引脚5）等。MC14468的内部结构框图如图3-5所示。图3-5 MC14468内部结构内含有振荡器、定时器、锁存器、报警控制逻辑电路，和高输入阻抗的比较器、电阻网络等。没有检测到烟雾时，MC14468内部振荡周期为1.67S。每个1.67S周期内，内部的电源都提供给整个芯片工作。除了LED闪亮、电池欠压告警和有烟雾报警期间，它都不停的检测有无烟雾，每24个周期检测一次电压是否正常，它是通过与比较器中的一个齐纳稳压二极管相比较而得出，应为整个探测装置对功耗的要求比较高，所以经12脚接的振荡电容应该选低泄露的电容，以提高电池寿命。当MC14468检测到有烟雾时，振荡器的振荡周期变为40ms，压电蜂鸣器振荡驱动电路启动，启动使能输出为维持高电平160ms后，停止80ms。在停止期间，继续检测烟雾的变化，这时如果没有检测到烟雾，则禁止蜂鸣器振荡电路振荡，将不发出报警声。在烟雾报警过程中，将禁止电池欠压报警，同时LED发光二极管指示等闪亮，频率约为1Hz。检测输入端的邻近脚均设置有隔离保护，这三个脚的输入端电压必须在100mV以内，为维持其泄露电流最小化，提高其测量精度，15脚检测输入端内部设置有保护二极管，防止静电干扰等引起场效应管损坏。烟雾探测的灵敏度和电池欠压告警值可以通过外接电阻来设置，它们共用一个电阻分压网络，通过3脚将一电阻接到VDD，可设置电池欠压告警电压值，通过13脚将一电阻接至VSS可设置灵敏度级别；灵敏度级别的设置也可以通过改变离子室的结构或离子源的强度。3.1.2.3离子感烟探测器电路设计（1）电路组成及工作原理当UD-02检测到烟雾颗粒时，其收集电极C产生的检测信号送到MC14468内部电路处理后，由10、11脚输出报警信号，它能驱动其外围连接的压电陶瓷蜂鸣器或压电式扬声器发出报警声，与此同时，还驱动发光二极管（LED）以1Hz的频率闪烁发光，利用声光报警达到烟雾报警的最佳效果。MC14468的1脚（检测输出端）直接联接单片机的INT0如图3-6，当检测到烟雾时，其输出的高电平通过INT0控制单片机内部定时器T0工作，定时50 ms，T0溢出中断，进入中断服务程序。在检测到烟雾时，MC14468自身的100 mV的滞后电压会防止其他外界因素（如飞虫）造成的误报警，加以单片机产生50 ms的延时，更能提高系统的可靠性。每次T0记时开始时，要由软件重新置初值，从而不会由于50 ms期间MC14468管脚1上的信号消失或变低而导致下次运行出错。 图3-6离子感烟探测电路（2）各元器件的作用及参数的确定电路中的按钮SB用来检查报警功能是否正常。当按下SB时，9V电源经R4、R5分压后变成4.5V由UD-02的A电极输入传感器，模拟有烟雾时的状态，使收集电极C的输出电压降低。只要在此状态下报警电路会发出报警声，就表明电路正常工作。限流电阻R1 = （9V-2V）/ 20 mA =350 （这里黄色发光二极管的工作电压为2V，工作电流为20mA）。RT和CT分别为振荡电阻和振荡电容。蜂鸣器驱动电路经外接的C2、R3、R2形成调制的变频输出，从而推动蜂鸣器发出报警。4用户端自动报警器设计4.1用户端自动报警器总体设计用户端自动报警器是系统的又一设计重点，自动报警器组成框图如图4-1所示。系统微处理器采用美国ATMEL公司生产的AT89S51单片机，AT89S51采用CMOS工艺，是一种低功耗、高性能的，与INTEL 8051系列单片机完全兼容的8位微控制器，而且内部集成看门狗定时器不再像8051那样需要外接看门狗芯片，节省了硬件资源。AT89S51内部具有4K字节的Flash(闪速)存储器，可反复擦写，在设计程序时可反复修改原程序、编译、并烧写到单片机，适合单片机最小系统的开发与研制。神经网络智能处理温度探测器用户端自动报警器CPU AT89S51紧急呼叫按钮输入/输出控制电路报警蜂鸣器LED指示灯离子感烟火灾探测器通讯模块图4-1用户端自动报警器组成框图电路原理图见附录2.1。4.2声光报警电路电路如图4-2（a）和（b）所示。当用户端系统确认有火灾发生时，P2.0和P2.3输出低电平，使得PNP三极管导通。由图4-2（a）可知当三极管Q1导通时红色的LED发光，由图4-2（b）可知当三级管Q4导通时蜂鸣器发声。限流电阻R11=(5V-2V)/20mA=150 （这里红色发光二极管的工作电压为2V，工作电流为20mA）。电阻R8和R15取值较大，防止三极管击穿时反向电流过大，破坏单片机芯片。 图4-2（a）发光报警电路 （b）声音报警电路4.3用户端自动报警器软件编制 用户端软件部分采用模块化设计，分为主控模块，探测模块，报警模块，通讯模块。在Keil uVision2的环境里，应用C语言编写。完整程序见附录1。主程序流程图见图4-3。开 始初始化T0是否溢出中断？温度是否超限？INT1是否中断？NN NINT0中断，重新置T0初值YYY返 回启动报警机制返 回图4-3主程序流程图程序初始化后，即对温度、烟雾及紧急按钮进行监控。当紧急报警按钮按下时INT1中断启动报警机制；DS18B20的输出端接至单片机P1.7口，当单片机检测到温度超过预设的温限时，启动报警机制；MC14468的1脚（检测输出端）直接联接单片机的INT0，当检测到烟雾时，其输出的高电平通过INT0控制单片机内部定时器T0工作，定时50 ms，T0溢出中断，进入中断服务程序，启动报警机制。启动报警机制后，红色的LED闪烁、蜂鸣器鸣叫，并且同时通过串口发送灾情数据由nRF401发射到控制监控中心。4.3.1探测模块程序设计void int1_buttom() interrupt 2 /外部中断1，用户端紧急按钮按下 warning(); /启动报警void timer0_ISR() interrupt 1 /定时器0溢出中断，检测到烟雾 TH0 = 0 x3C; /为T0填入初值，定时时间为50ms TL0 = 0 xB0; warning(); void int0_ISR() interrupt 0 /外部中断0，烟雾消失。 TH0 = 0 x3C; /为T0填入初值，定时时间为50ms TL0 = 0 xB0;void read_ temperature() /读取温度 4.3.2报警模块程序设计sbit LED_RED =P20; / 定义P2.0口，红色ledsbit Beef =P23; / 定义P2.3，蜂鸣器void warning()LED_RED =0; / 点亮LEDBeef=0； / 蜂鸣器鸣叫transmint_data(); / 发送数据给控制中心4.3.3控制模块程序设计void main() timer0_init(); / 定时器0初始化 serial_init(); / 串口初始化 while(1) / 反复检测 read_temperature(); /读取温度 if(sdata50)warning(); /超限报警5管理监控中心中央控制器设计小区管理监控中心中央控制器是系统中至关重要的一部分，它是主控计算机与用户端自动报警器之间的桥梁、纽带，负责主控计算机与自动报警器之间的指令、数据的存储和传输，可以连接多个用户端自动报警器。住宅小区中住户的数目成百上千，每户都安装有一个用户端自动报警器，由于通讯距离、速度和质量的限制，不可能每一个自动报警器都和主控计算机之间直接进行指令和数据的通讯，所以采用中央控制器作为中间桥梁，可以对自动报警器不间断查询，同时将自动报警器报警信息等数据事先存在中央控制器，等待主控计算机查询。中央控制器实现的主要功能是：当用户端探测器监测到警情时，通过住宅内的自动报警器传输至住宅小区管理监控中心的中央控制器，并向相关部门(管理中心或户主)发出报警信号。主控计算机将中央控制器接收到的报警信息准确显示，如警情发生的住户名称、地址等，提示保安人员迅速确认警情，及时赶赴现场，以确保住户人身和财产安全。5.1中央控制器硬件总体设计系统中的中央控制器作为主控计算机和自动报警器之间的桥梁，是数据的中间存储站，组成框图如图5-1 所示，它包括上位机连接模块、通讯模块、LED数码显示模块、高响度喇叭和水泵联动模块。系统微处理器采用Winbond公司推出的一个快速8051 兼容微控制器W77E58，它的内核经过重新设计，提高了时钟速度和存储器访问周期速度。经过这种改进以后，在相同的时钟频率下，它的指令执行速度比标准8051 要快许多。一般来说，按照指令的类型，W77E58的指令执行速度是标准8051的1.53倍。整体来看，W77E58的速度比标准的8051快2.5倍。在相同的吞吐量及低频时钟情况下，电源消耗也降低。由于采用全静态CMOS设计，W77E58能够在低时钟频率下运行。工作电压为4.5V-5.5V，具有1KB片上外部数据存储器，当用户应用时使用片上SRAM代替外部SRAM，可节省更多I/O口。通讯模块中央控制器CPUW77E58LED数码显示水泵联动高响度喇叭电平转化模块PC机图5-1 中央控制器组成框图该芯片具有如下特点：（1）8位CMOS微控制器；（2）每4个时钟周期为一个机器周期的高速结构，最大外部时钟频率为40MHZ；（3）与标准80C52管脚兼容；（4）指令与MCS-51兼容；（5）4个8位I/O口；（6）一个附加的4位I/O口和等待状态控制信号 (仅限44脚PLCC/QFP 封装) ；（7）3个16位定时/计数器；（8）12个中断源，2级中断能力；（9）片上振荡器及时钟电路；（10）二个增强型全双工串行口；（11）32KB，Flash EPROM；（12）256字节片内暂存RAM；（13）片内1KB外部数据存储器（用MOVX指令访问）；（14）可编程看门狗定时器；（15）软件复位；（16）2个16位数据指针；（17）对外部RAM及外设的访问周期可以进行软件编程。5.1.1 LED数码显示模块的设计5.1.1.1元器件的介绍系统中使用了LED动态扫描显示技术。显示译码器选用了目前广泛使用的七段字符显示器BS201，根据实际情况一共使用了六位；BCD-七段显示译码器使用了可以直接驱动共阴极半导体数码管BS201的SN7448；位选功能的实现选用了占用单片机端口较少的74SL138译码器。（1） 七段字符显示器BS201BS201是磷砷化镓发光二极管，发出的光线呈橙红色。如图5-2是BS201的外形图和等效电路，这种数码管的每个线段都是一个发光二极管，每一段的工作电流在10mA左右，因而也把它叫做LED数码管或LED七段显示器。（2） BCD-七段显示译码器SN7448在显示模块中起到驱动译码的作用。共阴数码管的译码电路SN7448内部有限流电阻，故后接数码管时不需外接限流电阻。但SN7448拉电流能力小（2mA）,灌电流能力大（6.4mA）, 所以一般都要外接电阻推动数码管，如下图5-3。其译码真值表如表5-1所示。表5-1 为BCD-七段显示译码器的真值表输 入输 出A B C Da b c d e f g 显示的数字0 0 0 01 1 1 1 1 1 0 00 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 10 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 20 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 30 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 40 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 50 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 6 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 71 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 81 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 9（3）74LS138译码器74LS138译码器在动态显示模块中起位选的作用，当某一位的共阴极输入为0时即选通。其真值表如表5-2所示。表5-2为74LS138的译码器真值表输 入输 出G1G2A+G2BCBA111111111011111111100000111111110001101111111001011011111100111110111110100111101111010111111011101101111110110111111111105.1.1.2硬件电路的连接显示模块电路如图5-3所示。图5-3显示模块电路当用户端有灾情发生时，通过通讯线路传送到控制管理中心，然后由单片机软件实现火灾确切位置的显示。显示的主要是事先定义好的有意义的数字，从左起两位为楼号，中间两位是楼层号，右边两位是房号。系统中只假设两栋不同楼号，在不同楼层，不同房号的一对数据，由程序判断传送过来的灾情数据。用户端传送数据0X01时，表示一号楼第一层的一号房有灾情，显示数据为010101；当用户端传送的数据为0X11时，表示二号楼的第一层的一号房有灾情，显示数据为020101。因此可以根据实际情况定义相应的数据对。5.1.2上位机连接模块的设计5.1.2.1元器件的介绍（1） 电平转换芯片MAX232单片机的串口是使用TTL电平标准的，它的逻辑1电平是5V，逻辑0电平是0V，而电脑串行口所使用的是RS232C的电平标准，它的逻辑1电平是-3V-12V，逻辑0电平是+3V+12V。图5-4 MAX232芯片MAX232是一种把电脑的串行口RS232信号电平转换为单片机所用到的TTL信号电平的，芯片如上图5-4所示。（2）9芯连接器图5-5及表5-3分别为9芯连接器的外观图形和信号说明。162DSRDCD7RTSRXD83TXD94CTS5RIDTRGNDDB9图5-5 9芯D型连接器表5-3 9芯连接器信号说明引脚号信号名称方向含义3TXD输出数据发送端2RXD输入数据接收端7RTS输出请求发送（计算机要求发送数据）8CTS输入清除发送（Moden准备接受数据）6DSR输入数据设备准备就绪5SG-信号地1DCD输入数据载波检测4DTR输出数据终端准备就绪（计算机）9RI输入响铃指示系统中只用到2、3、5三个引脚，构成了最简单的连接方式。5.1.2.2硬件电路的连接单片机与上位连接的电路如图5-6所示 图5-6单片机与上位机的连接模块当W77E58接受到报警数据后，即通过串行口往上位机传送数据。上位机接受到灾情数据后即可进行相应的处理。5.2管理监控中心报警器硬件电路的连接 见附录2.2。 5.3管理监控中心端自动报警器软件编制监控管理中心主要是对用户端传来的数据进行处理，当检测到有报警信息时立即启动报警机制。主要进行如下工作：高响度喇叭警示；LED数码管显示出现火灾的方位；启动水泵开关，为灭火做好准备；通过串口发送相关灾情数据到PC机，进行相关处理。主程序流程如图5-7所示。开 始初始化N是否接受到报警信息？Y启动报警机制 图5-7主程序流程图 5.3.1接受信息模块程序设计 接受信息控制请见通讯模块软件设计部分。5.3.2报警模块程序设计 sbit Bell=P17; / 定义P1.7，电铃sbit Relay=P16; / 定义P1.6，继电器水泵联动warning() / 启动报警Bell=0; / 响铃Relay=0; / 打开继电器display(); / 显示火灾方位5.3.3控制模块程序设计void main() serial_init(); /串口初始化 receive_data(); / /接收数据 while(1) 6无线通讯模块的设计6.1通讯模块总体设计系统中的通讯部分，主要使用的是挪威Nordic公司推出的nRF401无线通讯芯片。该芯片使用了433MHz ISM频段（用于工业，科学研究，和微波医疗方面的应用。应用ISM频段无需许可证，只需要遵守一定的发射功率，并且不要对其它频段造成干扰即可），是真正的单片UHF无线收发一体芯片，它在一个20引脚的芯片中集成了高频发射、高频接受、PLL合成、FSK调制、FSK解调、多频道切换的诸多功能，具有性能优异、功耗低、使用方便等特点。不同于其他的RF芯片，nRF401通过单片机串口直接与MCU通信，而无需对数据进行曼切斯特编码，这使得nRF401的外围元件很少，只包括一个基准晶振和几个无源器件，没有调试部件，给产品研制和生产都带来了极大的方便。6.1.1 nRF401天线设计与外部连接与其他RF芯片不同，nRF401的外部连接是相当简单的，只需外接几个简单的元件，就可以实现单片UHF无线接受和发送，其外部连接如图6-1所示。图6-1 nRF401内部构造以及外部连接nRF401的外部连接包括外接天线、参考晶振、PLL环路滤波、VCO电感和RF偏压电阻及个部分，下面对其分别介绍。（1）参考晶振nRF401外接参考晶振为4MHz,通过内部的频率合成433MHz的工作频率。其外接晶振的规格如下：（a）并联谐振频率f=4.0000MHz；（b）等效电容Co5pF；（c）串联等效电阻ESR150；（d）等效负载电容Cl14pF；（e）频率稳定度35ppm。（2）PLL环路滤波器PLL环路滤波器为单端二阶滤波器，其电路连接如图6-1，建议电阻值为4.7k，与电阻一侧的电容为15nF，另一侧电容为820pF。（3）VCO电感芯片中的VCO电路部分需要外接一个高Q值为22Nh VCO电感，其要求为Q45433MHz，精度2%。（4）RF偏压电阻RF偏压电阻用于调整输出发射功率，最大功率可以调整到+10dBm，发射功率与电阻关系可以用图6-2表示。图6-2偏压电阻阻值对应的发射功率曲线（5）外接天线外接天线使用差分方式连接至nRF401的ANT1端和ANT2端，天线端推荐负载阻抗为400。功率放大器输出是两个开路输出三极管，配置成差分放大方式，功率放大器的VDD必须通过集电极负载，当采用差分环形天线时，VDD必须通过环形开线的中心输入，典型差分天线的原理图如图6-3所示。图6-3 nRF401外接差分天线电路6.1.2无线通讯模块的电路设计使用nRF401进行无线通讯开发，通信质量与模块的RF新能息息相关，因此nRF401通信模块的硬件设计部分是十分重要的。为获得较好的性能，应该严格按照nRF401设计文档设计，元器件选择也尽量与文档要求的一致，电路原理图如图6-4。图 6-4 nRF401的应用电路由于采用低发射功率和高接收灵敏度的设计方案，因此不受无线电管理条例的限制，无须办理许可证。nRF401的引入是本系统的突出特点之一，它极大的提高了系统的实时性，这对安全系统是相当重要的。 6.2发射部分设计nRF401的串行口直接和单片机的串行口连接（DIN接TXD，DOUT接RXD）， TXEN端的高/低电平由软件设置，可实现nRF401发射模式与接收模式之间的相互切换。当需要发射数据时，由晶振电路产生的4MHz频率作为其内部锁相环的基准频率，经锁相环和压控震荡器进行N倍频后，中心频率f0成为433.92MHz或434.33MHz（双频道），调制后，f=f0f=f015kHz（该芯片调制度为15 kHz），最后经功率放大器放大后从PCB天线上发射出去。6.3接受部分设计nRF401从PCB天线上接收到调频信号时，单片机置TXEN端为低电平，功率放大器被关断从而进入接收状态。调频信号依次经低噪声放大器放大，经混频器（其作用是抵消本机发送器与接收器之间的高频干扰）变成中频，再经带通滤波器滤波和调制器解调后，成为数据输出。这时单片机切换到发射模式，nRF401把得到的数据输送给单片机，经处理后从P1口输出到LED上显示（火情来源地信息），同时驱动报警器报警。6.4通讯模块软件设计用户端与监控中心的程序流程如图6-5。程序请见附录1。开 始开 始初始化初始化检测到灾情？NN是否接受到数据帧？Y发送一帧数据Y报警图6-5 用户端与监控中心通信程序流程图7系统的抗干扰措施用户端自动报警器以及中央控制器要在居民小区中完成与多种探测器的数据交换，工作环境较恶劣，易受到各种干扰的侵犯。根据其来源不同，主要有空间干扰(通过电磁辐射进入)、过程通道干扰(通过与自动报警器及中央控制器相连的前向和后向通道进入)、供电系统干扰以及印制板与电路间产生的相互干扰。所以在设计上，应该采取必要的措施，免除和减小各种不良因素对系统的影响和损害，从而提高系统的稳定性和可靠性。本系统主要采取以下几个方面的措施来提高系统的抗干扰能力：（1）对于空间辐射干扰的抑制，主要解决办法是屏蔽。静电屏蔽使用导体材料即可。为达到电磁屏蔽的目的，可以把控制系统安装在用铁板做成的封闭机箱内，来屏蔽外部静电和电磁场的干扰。（2）设计印制电路板时，合理布线，力求将系统中各元件之间、电路之间可能产生的不利影响限制在最低程度。（a）元件排列及信号走线尽量有序，短直，简洁，避免相邻电路相互影响；（b）尽量避免过长的平行走线，减少布线的分布电容；（c）接地线尽量加宽以减少接地电阻，并解决好接地点问题；（d）避免印制电路形成环路接受噪声形成干扰；（e）按钮等存操作时会产生火花，必须利用RC电路加以吸收。（3）CMOS芯片的阻抗很高，易受外界的干扰，故电路中不使用的输入端不允许悬空，否则会引起逻辑电平不正常。根据实际情况，将多余的输入端与正电源或地相接。（4）电阻系统本身对静电的防护也是至关重要的。静电产生的原因主要有两种模式：人体带电和电场感应带电。考虑人体带电模式，鉴于人主要接触开关机控制CPU模块，且主要是按钮。为防止静电危害，在按钮的3个引线上对地分别串上3个防静电电容，本系统使用0.01uF的电容。8结 束 语至此火灾检测报警系统的设计已全部完成。系统以单片机智能芯片为核心，以无线网络作为传输媒介，以多传感器融合检测和声光的报警四部分组成整体的框架，讨论了各芯片的运用和软件的编制。设计的电路包括火灾探测电路、中央控制电路（单片机模块）、报警电路（蜂鸣器，发光二极管声光报警和LED数码管显示）、联动模块电路（主要有水泵系统的控制和与上位机的连接）。火灾检测报警系统的工作原理为：系统上电启动后，用户端传感器部分不断的对探测区域进行检测。一旦发现有灾情（或紧急开关摁下），经过智能处理后（单片机）即进行现场报警（蜂鸣器、发光二极管声光报警），同时通过无线收发芯片nRF401将灾情数据传送到监控中心。当控制中心收到报警信息后，随即进行蜂鸣器报警和LED数码管显示灾情发生地，同时打开水泵开关（保证喷淋系统可以正常运行），以及将灾情数据进一部传送到上位机，进行数据的保存和相关的处理。系统的设计作为智能住宅安防系统中，是在防火报警方面开发的一个尝试，离最后的实用化、产品化还有相当的距离。随着微电子技术、自动控制技术和传感器技术发展，还将会得到更大的发展空间。根据住宅小区安防报警系统联网形式来分析，未来的火灾检测报警系统有三个主要发展趋势：（1）利用电话网形成的报警系统。是通过各种传感器自动采集报警信号，经专用报警控制箱及电话网传送到接/处警中心进行接/处警。该联网方式技术先进、质量可靠、功能多、价格适宜、使用操作方便，符合安防系统的要求。这类报警系统通常不需用特种业务号码，其特点是组网灵活、覆盖面广。防范的区域可以包括一个城市，也可通过长途电话网将其他城市连接起来共同防范。（2）利用总线技术实现分布控制的总线联网方式。各类控制器具有高度的智能和完善的网络通讯功能，可以方便实现节点和节点之间的通讯。（3）采用以太网传输方式。这种联网方式下的智能报警系统终端可方便接入各种宽带网络(以太网LAN, ADSL、双向HFC等)、采用TCP/IP协议，支持各种网络协议，使用确认重发机制，保证数据传输的可靠性，以稳定可靠LINUX的网络操作系统和功能强大的网络数据库SYBASE作为中心数据库，可支持最大负荷的用户数。致 谢在本次毕业设计期间，我要衷心地感谢指导老师孙宏国！从做毕业设计开始到结束，无论是在学习、工作还是生活中，都得到了孙老师无微不至的关怀和精心的指导！也正是孙老师以其深厚专业的知识、丰富的实践经验为本课题的设计提供了有效的指导和理论依据，才能使本课题得以圆满结束和顺利完成。本设计从选题、设计到编写完稿，都得到老师的热情指导，在此向我的老师表示我深切的谢意！设计中，有些单元设计部分由孙老师提供指导，并指导完成相关文字部分的编写。孙老师治学态度严谨，待人亲切耐心，使我学到了课本上学不到的东西,在此向老师表示深深的感谢！ 闵 东 2008-6-9参考文献1 彭介华.电子技术课程设计指导M.北京:高等教育出版社,2001.2 丁元杰.单片微机原理及应用.北京:机械工业出版社,2005.3 阎石.数字电子技术基础.北京:高等教育出版社,1998.4 黄继昌.实用报警电路.北京:人民邮电出版社,2005.5 陈南.智能建筑火灾监控系统设计.北京:清华大学出版社,2001.6 张立科.单片机通信技术与工程实践.北京:人民邮电出版社,2005.7 范风强.单片机语言C51应用实战集锦.北京:电子工业出版社,2005.8 赵亮.单片机C语言编程与习惯.北京:人民邮电出版发行,2003.9 康华光.电子技术基础模拟部分（第四版）.北京.高等教育出版社，199910国家标准.火灾自动报警系统设计规范(GB50116-98).北京:中国计划出版社,1999.11 nRF401.433MHz Single Chip RF Transceiver.Nordic,200212 13 15 16 附 录附录1源程序附录1.1用户端源程序附录1.2监控中心源程序附录2设计图纸附录2.1原理图附录2.2 PCB图