基于单片机控制的智能火灾报警系统设计-毕业设计1.doc

目 录摘 要3Abstract4第一章 绪 论51.1 选题背景51.2 智能火灾报警系统61.3 火灾探测器61.3.1 火灾探测器简介6总体设计及方案论证82.1 工艺技术要求82.2 系统设计思想92.3 方案论证102.3.1 单片机的选择10第三章 单片机AT89C51原理113.1引脚说明113.1.1 主要性能参数113.1.2 功能特性概述123.1.3AT89C51方框图123.1.4 引脚功能说明133.2 工作特性153.2.1 时钟振荡器15第四章 前向通道的设计1641 温度传感器164.2 烟雾传感器174.2.1 工作原理174.2.2 试验结果1843 运算放大器AD5951844 A/D转换器194.4.1 A/D转换器的主要参数204.4.2 A/D转换器与CPU的接口方法204.4.3 A/D转换器与CPU之间传送数据的方法204.4.4 A/D转换芯片 ADC0809及其接口214.4.5接口电路224.5 键盘显示234.6 系统电源24第五章 后向通道的设计255.1 显示部分255.1.1 MAX7219简介265.1.2 MAX7219引脚说明265.1.3 MAX7219内部组成结构275.1.4 MAX7219接口电路图5-7285.1.5 使用注意事项295.2 报警电路295.2.1 语音报警电路295.2.2 T6668语音芯片介绍305.2.3 T6668的工作方式305.2.4 T6668的接口电路31第六章 软件设计316.1 设计思想326.1.1 主程序326.1.2 信号分析及调节3262 流程图33主程序流程图，如图6-1。34采样程序流程图，如图6-2。356.2.3 滤波程序流程图356.2.4. 火灾处理模块38致 谢41参考文献41附录A43附表B44摘 要随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。 为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对烟雾传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一烟雾监控系统。 本论文以电阻式烟雾传感器和单片机技术为核心并与其他电子技术相结合， 设计出一种技术水平较好的烟雾报警器。其中选用气体敏感元件烟雾传感器实现烟雾的检测，具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长。选用的AT89C51单片机，其整合了A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器等资源，具 有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是目前同类技术中性价比较高的产 品。以AT89C51单片机 为核心设计的烟雾报警器可实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。是一种结构简单、性能 稳定、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾报警器。具有一定的实用价值。关键词：烟雾，报警器，AT89C51，传感器 AbstractWhile “information age” the arrival, obtained the remarkable progress as the gain information method - - sensor technology, its application domain is more and more widespread, is more and more high to its request, the demand is more and more urgent.The sensor technology has become weighs one of national science and technology level of development important symbols.Therefore, understood and grasps each kind of sensor the basic structure, the principle of work and the characteristic is extremely important.In order to enhance to the sensor understanding and the understanding, in particular to the smog sensor thorough research as well as its usage and the use, based on practical, widespread and the model principle has designed this system.This article used the monolithic integrated circuit union sensor technology to develop has designed this smog supervisory system.。The present paper take leaves the minor smog sensor and the monolithic integrated circuit technology unifies as the core and with other electronic technology, designs one kind of technical level good smog alarm apparatus.In which selects type smog sensor realization smog the examination, has the sensitivity high, responds, the antijamming ability quickly strong and so on the merits, moreover the price is inexpensive, the service life is long.Selects the AT89C51 monolithic integrated circuit, its conformity A/D transformed, the hardware multiplier, resources and so on hardware PDM keyer, has high speed, low merits and so on power loss, ultra strong antijamming, is the present similar technology neutral price quite high product. May realize the acousto-optics take the AT89C51 type gas sensor as the core design smog alarm apparatus to report to the police, the breakdown from the diagnosis, the density demonstrated, reports to the police limits the establishment, the time delay reports to the police and with functions and so in position machine serial port correspondence.Is one kind of structure simple, the performance stable, the easy to operate, the price inexpensive, the intellectualized smog alarm apparatus.Has certain practical value.Key word: Smog, alarm apparatus, AT89C51, sensor第一章 绪 论1.1 选题背景二十多年前，中国的消防报警产品刚刚起步，无论产品技术含量、产品系列完整性、使用性，还是社会影响程度都是相当低的。国外的产品和品牌一统天下，占领中国的大部分市场。由于中国的建设正在飞速发展，市场大的惊人，难道这由中国发展带来的成果只能由外国企业来瓜分？可幸的是中国企业抓住了机遇，顶住了挑战，先是一批国家的科研院所，后是一批国营企业、民营企业，业内也吸引和凝聚一大批国内的技术和管理精英，花了十多年时间，通过几次产品更新换代，就使自己的产品紧紧跟上了国际水平，并且夺回了大部分国内市场，使得现在大多国外产品只有招架之功，这是典型的自力更生，走自己的路。当然目前而言，我们基本占据的是国内市场，对外还刚启动。中国企业正虎视眈眈，准备进军海外市场。同时，通过温度传感器和烟雾传感器检测出信号，通过控制电路使电话自动拨号（119），并报告现场地址。这对有效、快速扑救具有积极意义。本系统适用于各种消防环境，尤其适合于不能用水做灭火介质的地方，如图书馆、档案馆、计算机房等处。因单片机集成度高，故该装置具有结构简单，可靠性高，成本低等优点。1.2 智能火灾报警系统火灾自动报警系统属于楼宇自动化范畴，是当前楼宇自动化的一个主要构成系统。其设置目的是为了防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。火灾报警技术是预防火灾的一项基础工作，应用范围广泛。报警早，损失少，不仅对发生火灾的单位和个人具有重要作用，而且对公安消防监督机构及时扑灭火灾、减少人员伤亡和财产损失同样具有十分重要的现实意义。火灾自动报警系统由触发器件、火灾报警装置、火灾警报装置及具有其他辅助功能的装置组成。随着电子技术和计算机技术的迅速发展，火灾自动报警系统的结构、形式越来越灵活多样，很难精确划分为几种固定的模式。火灾自动报警技术趋向于智能化系统，这种系统可组合成任何形式的火灾自动报警网络形式，既可以是区域报警系统，又可以是集中报警系统或控制中心报警系统形式。所谓智能火灾自动报警系统，应当是：使用探测器件将火灾发生期间所产生的烟、温、光等信号以模拟量形式，连同外界相关的环境参数一起传送给报警器，报警器再根据获取的数据及内部存储的大量数据，利用火灾模型判据来判断火灾是否存在，这样的系统称为智能火灾自动报警系统。由于该系统为解决火灾报警系统存在的两个难题（误报、漏报）提供了新的方法和手段，并在处理火灾真伪方面表现出明显的有效性和创新性，这是火灾自动报警系统在技术上的飞跃。从传统型走向智能型，是国内外火灾自动报警系统技术发展的必然趋势。 1.3 火灾探测器1.3.1 火灾探测器简介火灾探测器是火灾探测系统最重要的组成部分之一，它至少含有一个能连续或以一定频率周期探测物质燃烧过程中所产生的各种物理、化学现象的传感器，并且至少能向控制和指示设备提供一个适合的信号。其基本功能就是对物质燃烧过程中产生的各种气、烟、热、光（火焰）等表征火灾信号的物理、化学参量做出有效响应，并转化为计算机可接收的电信号，供计算机分析处理。火灾探测器一般由敏感元件传感器、处理单元和判断及指示电路组成，其中敏感元件U传感器可以对一个或几个火灾参量起监视作用，做出有效响应，然后经过电子或机械方式进行处理，并转化为电信号。（2）火灾探测器的分类根据监测的火灾特性不同，火灾探测器可分为感烟、感温、感光、复合和可燃气体等五种类型。感烟探测器可分为离子型、光电型、激光型和红外线束型四种。感温探测器根据其感热效果和结构型式可分为定温式、差温式及差定温式三种。目前，大多数消防系统中使用的是离子感烟探测器、光电感烟探测器及感温探测器。（3）火灾探测器的工作原理下面就几种常用探测器的工作原理做简要介绍：感烟探测器：该种探测器主要响应燃烧或热解产生的固体、液体微粒即烟雾粒子，主要用来探测可见或不可见的燃烧产物及起火速度缓慢的初期火灾。离子型主要是利用烟雾粒子改变电离室电流原理而设计的，探测器内部装有!放射源的电离室为传感器件；光电型主要是应用烟雾粒子对光线产生散射及折射、吸收或遮挡的原理而设计，有减光型和散射型，探测器内部有光学系统和红外线光源作探测器件；红外光束型应用烟雾粒子吸收或散射红外光束的原理而设计，主要包括一个光源，一套光线照准装置和一个接收装置。感温探测器：该种探测器主要是利用热敏元件来探测火灾。在火灾初始阶段，除有大量烟雾产生外，物质在燃烧过程中会释放出大量的热量，周围环境温度急剧上升。该种类探测器中热敏元件的阻值随温差发生变化，从而将温度信号转变成电信号，并进行报警处理。1.3.2 火灾探测器发展特点随着应用领域的不断扩大，应用需求不断提高，普通类型的感温、感烟火灾探测报警系统已不能满足需要，运用高新技术的新型探测器在不断研发，其特点是：（1）功能更新现代火灾探测器的最大特征之一就是判别功能和判定决定权不仅从观念上分离，而且在实际应用中已经分别执行。早期的判别功能和判定决定权合二为一，由设置在探测器中的传感器件实现，因而处理问题死板且易受干扰。而现代火灾探测传感器的判别功能和判定决定权由软件控制，能滤除干扰，识别真假火灾，实现火灾智能判断。（2）可靠性提高火灾探测报警系统可靠性的提高首先体现在用智能技术处理传感器提供的火灾信息。人们采用多种火灾探测算法和复合多传感等传感方式，为判断火灾提供了更加充分可靠的信息。模糊逻辑、神经网络等高新技术用于火灾的判别，大大提高火灾探测的可靠性。（3）报警时间提前新型火灾探测器已不局限于对已发生的火灾及时报警，可以在火灾发生之前的几小时或几天内，识别潜在的火灾危险性，实现超早期火灾报警。 总体设计及方案论证火灾智能监测及防火卷帘门自动控制系统是有传感器，信号变换，单片机及相应的信号显示、输出部分组成。通过温度和烟雾传感器采集信号，经过单片机与其设定值进行比较后，根据差值和内部的软件设计来对温度高低和烟雾浓度进行检测及控制，及时准确的报警和灭火，实现物资损失降低到最小。2.1 工艺技术要求由于本系统是为直接应用于工厂，所以所有参数必须与相关产品相匹配，下面我们就以硅钢片退火的相关参数为例来进行设计：1、利用单片机结合各类传感器，实现楼宇（库房） 现场温度、烟气信号的实时动态监测，实时显示监测数据。2、当火灾发生时，由计算机控制系统发生把盆景及控制信号。3、报警信号包括声、光报警和电话语音报警，并通过通讯接口给相关部门发送火灾位置信号。4、控制信号用于卷帘门的自动控制（温感一步降、烟感两步降，同时具有手动控制功能）和自动喷淋、排风换气装置的启动，要求系统控制精度高，响应速度快 ，动作时间小于5秒，工作可靠。5、本设计可以独立单元房间（面积100平方米）设计，要求系统可以方便地实现扩展。2.2 系统设计思想系统硬件及信号由AT89C51单片机内部有非易失性Flash存储器分别包含128 字节RAM 、32 条I/O 口线、3 个16 位定时/计数器、6 输入4 优先级嵌套中断结构、1 个串行I/O口（可用于多机通信、I/O扩展或全双工UART）以及片内振荡器和时钟电路。使用AT89C51芯片，能够满足需要，还可以使外围器件尽可能少，另外价格也便宜，所以选用它。防火门及相应的控制、动力机构安装完毕后，首先要确定时间。通过传送信号给单片机，通知单片机要开始设置时间。有3个时间要设置：防火门的全程上升时间和全程下降时间及从顶下降到中位所需的时间。所确定的时间被存在EEPROM中。上述3个时间存入EEPROM后，就可以随意按动“上”、“下”、“停”3个按钮中的任何一个，使防火门运行或停止。通常使防火门停在最高处，当火灾发生时，防火门向下运行，切断火势曼延的通路。发生火灾时，防火门的工作模式有如下几种，我们可以预先做以下设置。1）烟雾二步降。发生火灾，一般都是烟先窜到防火门，火后一步到。防火门的传感器感知到烟信号后，防火门立即开始下降，并发出声光报警信号。防火门下降到中位（通常门已关闭一半，下面一半开着，让人逃生）停止下降，延时一段时间，以便让里面的人逃生，而后继续下降（称作第二步下降），直到防火门完全关闭为止。在第二步下降过程中，只要有人按动“上”、“下”、“停”3个按钮中的任何一个，门就会自动上升到中位，以便人逃离火场。2）烟温二步降。火灾发生，烟雾先到达，这时防火门附近的温度还处在正常范围。防火门感知此烟，立即下降到中位，并在中位停下来，以便人员逃生。在防火门附近的温度上升到一定的高度以前，防火门将一直停在中位。当防火门的感应系统感知到防火门附近的温度达到比较高的程度后，防火门开始第二步下降，从中位下降到把整个门关闭。因为只有温度达到一定的高度，才说明火将曼延过来，须迅速彻底关闭防火门。防火门在第二步下降的过程中，若有人按动“上”、“下”、“停”3个按钮中任何一钮，门都将上升到中位。到达中位后，将立刻开始下降，但只要有人再次按任何一钮，门仍将上升到中位。不论是烟雾二步降还是烟温二步降，当门彻底关闭后，只要有人按上述3个钮任一钮，门就上升到中位，以让人逃离火场。3）高温处理。不论初始设置的是烟雾二步降还是烟温二步降，只要高温先到达或是与烟雾信号同时到达，防火门都将从顶不停地一直下降到底。还有一种情形也会导致“高温处理”：若火灾发生时没有高温，当防火门从顶下降到中位前或下降到中位后在中位停留的时间内，检测到有高温信号，防火门系统将自动转入高温处理，立即开始第二步下降。火扑灭后，防火门系统检测到既无烟又无高温，则确认火已灭，便自动关闭报警信号，防火门自动上升到正常位置。2.3 方案论证2.3.1 单片机的选择单片机是本方案的灵魂，所以我们选择是需要慎之又慎，下面我们来拿8031和AT89C51做一下比较。8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。 由于上述类型的单片机应用的早，影响很大，已成为事实上的工业标准。后来很多芯片厂商以各种方式与Intel公司合作，也推出了同类型的单片机，如同一种单片机的多个版本一样，虽都在不断的改变制造工艺，但内核却一样，也就是说这类单片机指令系统完全兼容，绝大多数管脚也兼容；在使用上基本可以直接互换。我们统称这些与8051内核相同的单片机为51系列单片机。 在众多的51系列单片机中，要算 ATMEL 公司的AT89C51更实用，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为 ATMEL AT89Cx 做的编程器均带有这些功能。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。而且AT89C51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。 单对AT89C51来说，在实际电路中可以直接互换8051和8751，替换8031只是第31脚有区别，8031因内部没有ROM，31脚需接地（GND），单片机在启动后就到外面程序存储器读取指令；而8051/8751/89c51因内部有程序存储器，31脚接高电平（Vcc），单片机启动后直接在内部读取指令。也就是51芯片的31脚控制着单片机程序从内部读取还是从外部读取，31电脚接源，程序从内部读取，31脚接地，程序从外部读取，其他无须改动。另外，AT89C51替换8031后因不用外存储器，不必安装原电路的外存储器和373芯片。 由于内部RAM的存在，可以减少I/O扩展芯片、锁存器及片外RAM等等，使整个设计显得简单明了，所以我们选择AT89C51。 2.3.2 模数转换器的选择A/D转换器的种类很多，就位数来分，有8位、10位、12位、16位等。位数越高，其分辨率也越高，但价格也越贵。而就其结构而言，有单一的A/D转换器，有内含多路开关的A/D转换器。根据本设计的需要，我选择的A/D转换器是ADC0809。 ADC0809是美国Analog Device公司生产的8位逐次逼近式模数转换器，转换速率高，自带三态输出缓冲电路，可直接与各种典型的8位或16位的微处理器相连而无需附加逻辑接口电路，且能与CMOS及TTL兼容。是目前我国应用最为广泛，价格始终的A/D转换器。加之内部含有三态输入缓冲电路，可直接与各种微处理器连接，且无须附加逻辑接口电路，内部设置的高精参考电压源和时钟电路，使它不需要任何外部电路和时钟信号，就能完成A/D转换功能，应用非常方便。第三章 单片机AT89C51原理AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机。片内含4K bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51 指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。3.1引脚说明3.1.1 主要性能参数：AT89C51管脚图，如图3-1。图3-1 AT89C51管脚图与MCS-51产品指令系统完全兼容 4K字节可重擦写Flash闪速存储器1000次擦写中期全静态操作：0Hz24MHz三级加密程序存储器128*8字节内部RAM32个可编程I/O口线2个16位定时/计数器6个中断源 3.1.2 功能特性概述：AT89C51提供以下标准功能：4K字节Flash闪存存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容。但振荡器停止工作并禁止其它所有工作直到下一个硬件复位。3.1.3 AT89C51方框图，如下图3-2图3-2 AT89C51内部结构图3.1.4 引脚功能说明 ：电源电压 GND：地 P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对断口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0接受指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号来低时会输出一个电流（I）。Flash编程和程序校验期间，P1口接受底8位地址。 P2口：P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号来低电平时会输出一个电流（I）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX RI指令）时，P2口行上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接受高位地址和其它控制信号。 P3口：P3是一组带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作输入口使用时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（I）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是他的第二功能，见表3-1。表3-1P3口还接受一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 ALE/PROG非：当访问外部程序存储器时，ALE输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG非）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作，该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。 PSEN非：程序储存允许（PSEN非）输出是外部程序存储器的读选信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN非有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN非信号不出现。 EA/Vpp：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA端必须得保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。 XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3.2 工作特性3.2.1 时钟振荡器 AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图3-3。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路，对外电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30pF（10pF），而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF（10F）。用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如下图所示。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，电脑最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。图3-3 振荡电路第四章 前向通道的设计41 温度传感器火灾总伴随着火焰、烟雾和温度，随着燃烧，室内温度将上升。将烟雾传感器作为第一感受器，温度传感器作为智能计算的补充传感器。当报警环境出现烟雾后，温度传感器根据设定温度值确定是否报警。为防止漏报，另一组温度传感器设定了温度的报警极限，当温度超过这个极限立刻报警。温度传感器利用半导体PN结的负温度系数工作，它有三路输出，其中两路测量温度梯度，一路测量极限温度。图4-1是一个温度传感器的结构单元。其基本工作原理是利用硅PN结的负温度系数测量环境温度。由、以及,经、分压给的基极提供一个电压基准。这个电压基准使得在常温下不导通，例如，假设在常温下，NPN晶体管的发射结在=0.65V时导通，而电压基准设定为0.60V，这时，处于截止状态。由于硅器件的发射结导通电压是负的温度系数(典型值为-2mV/)，随着温度上升，器件的导通电压线性下降。当温度上升25时，的发射结导通电压下降为0.60V,达到设定值使导通。由原先的高电平输出下降为低电平输出。 图4-1 温度传感单元原理图作为电压基准，希望经、分压得到的电压值具有较低的温度系数。在这个电路中，利用正温度系数的齐纳击穿稳压管和PN结的负温度系数实现低温度系数的要求。防火系统采用了复合形式的智能型火灾传感电路，代替了过去的单一形式的传感器，如火焰传感器、温度传感器、烟雾传感器等，这样就不会出现误报情况。此传感器具有不受使用场所无交流电源的限制，静态功耗低、安装比较隐蔽、灵敏度高等特点。4.2 烟雾传感器4.2.1 工作原理离子烟雾传感器单电离室的工作原理，如图4-2所示。 图4-2 电离室工作原理图图4-2（a）是单电离室的结构图，P1和P2是一对电极，在电极之间放有放射性物质241Am，不断放出射线，高速运动的离子撞击极板间的空气分子，将其电离为正离子和负离子，从而使电极之间原来不导电的空气具有了导电性。如果在极板P1和P2之间加上一个电压E，极板间原来杂乱无章的正负离子，在电场的作用下作有规则的运动，从而在极板间形成电离电流，施加的电压越高，则电离电流越大，当电离电流增加到一定值时，将不再增加，此电流称为饱和电流，如图4-2（b）所示。实际使用的离子烟雾传感器电路如图4-3 所示。 图4-3 离子烟雾传感器电路图为了减少温度、湿度等环境条件变化对电离电流带来的影响，以提高传感器工作的稳定性，将两个电离室串接起来与电源相接，上面的一个为补偿电离室，下面的一个为检测电离室，在结构上检测电离室做成烟雾容易进入的型式，而补偿电离室做成烟雾很难进入、而空气又能慢慢进入的型式。当有火灾发生时，烟雾进入检测电离室，由于烟离子的阻挡作用，一方面使电离后的正负离子在电场中的运动速度降低，另一方面使射线的电离能力降低，从而使检测电离室的电离电流减小，这一现象，相当于补偿电离室的等效电阻未变，而检测电离室的等效电阻变大，从而使A点的电位升高。显然烟雾浓度越大，烟离子的阻挡作用越强，A 点电位越高。这一电压信号经由T1、T2组成的跟随电路，传送给模/数转换电路，实现对烟雾浓度的采样。采用离子源作为烟敏元件的突出特点是电流消耗极低，适合在系统中使用。图4-3中的为自检电阻器，由于离子源等效电阻很高（一般在10M以上），只要适当选择，就可使上的压降在正常情况下近似为0。对探测器进行自检时，一个逻辑高电压加到上，使传感器输出升高，单片机根据自检前后的模/数转换结果，可判断出模/数转换及传感器两个模块的功能是否正常。4.2.2 试验结果探测器试验是根据传输与火灾报警的基本要求进行的。 43 运算放大器AD595AD595具有热电偶信号放大和冰点补偿双重功能,AD595适用于型热电偶,是14脚DIP封装。AD595有二个等级(级和级),3的校准准确度。具有以下特性: 低阻抗电压输出:10/ 片内冰点补偿 电源电压范围:+5V15V 低功耗:1MW 热电偶断线报警功能 高阻抗差动输入 可用作摄氏温度传感器 差动输入可抑制热电偶引线上的共模噪声电压 补偿、零点、标度系数都预先用激光校准 可用于型热电偶由于热电偶的输出电势与温度成非线性关系,下列转换函数将决定芯片的实际输出电压:在控制系统中，传感器和检测电路输出的信号，一般都比较小，不能直接进行显示记录和控制。为此，当用传感器把非电量转换成电量后，大都需要放大。AD595芯片说明:图 4-5 AD595结构图表 4-1 管脚功能图 44 A/D转换器A/D转换器的功能是将模拟量电信号转换成数字量。在本设计中，我采用了ADC0809转换器，它可以将多路转换器输入的模拟量进行A/D转换，所以省略了多路开关。由于控制系统是对温度和烟的浓度进行检测，相当于A/D转换器的转换时间来说信号变化很慢，所以采样保持器（保持在A/D转换时间内输入的模拟信号不变）也可以省去。因此，模拟信号经过放大后可以直接进入A/D转换器。 4.4.1 A/D转换器的主要参数 (1) 分辨率： 是指A/D转换器可转换成二进制数的位数。 (2) 转换时间： 指从输入启动转换信号开始到转换结束，得到稳定的数字输出量为止的时间其他参数与D/A转换器类似。4.4.2 A/D转换器与CPU的接口方法(1) ADC转换好的数据必须经过三态缓冲器件与CPU数据总线相连接（在芯片内部没有三态输出缓冲器时）；(2) 为了输入正确的转换结果，必须解决好A/D转换器和CPU取数之间的时间配合问题。 (3) 启动转换信号（START）：是由CPU提供给ADC芯片的，在正脉冲的下降沿转换开始； (4) 转换结束信号（EOC）：一旦启动转换，EOC立即变低，直至转换结束，EOC输出高电平，通知CPU转换已结束； (5) 允许输出信号（OE）：ADC转换结束后，转换结果存放在输出锁存器中，并没有送入数据总线上。CPU取数时，发出OE信号选通芯片内部三态输出缓冲器将数据输出。4.4.3 A/D转换器与CPU之间传送数据的方法(1) 延时等待法延时法是利用CPU执行一条输出指令，启动ADC转换，然后CPU执行延时程序，延时时间大于所选用的ADC芯片转换时间，延时结束，CPU执行输入指令，打开三态门获取ADC转换好的数据。 (2) 查询法 查询法是由CPU来检查EOC信号。当CPU启动ADC芯片开始转换之后，再通过状态端口读取EOC信号，检查ADC是否转换结束。若转换结束，则读取转换结果，否则继续查询。(3) 中断法用中断法可提高CPU的利用率，当ADC转换结束，由EOC信号上升沿通过8255A中断控制逻辑向CPU发出中断请求，CPU响应中断在服务程序中读取结果。 4.4.4 A/D转换芯片 ADC0809及其接口(1) 主要性能 8位逐次逼近型A/D转换器，所有引脚的逻辑电平与TTL兼容； 带有锁存功能的8路模拟量转换开关，可对8路0-5V模拟量进行分时转换； 输出具有三态锁存/缓冲功能； 分辨率：8位，转换时间：100us； 不可调误差：1LSB，功耗：15mW； 工作电压：+5V，参考电压标准值+5V； 片内无时钟，一般需外加640KHz以下且不低于100KHz的时钟信号。 (2) ADC0809内部结构有模拟多路转换开关和A/D转换两大部分组成。模拟多路转换开关由8路模拟开关和3位地址锁存与译码器组成，地址锁存允许信号ALE将三位地址信号ADDC、ADDB和ADDA进行锁存，然后由译码电路选通其中一路摸拟信号加到A/D转换部分进行转换。A/D转换部分包括比较器、逐次逼近寄存器SAR、256R电阻网络、树状电子开关、控制与时序电路等，另外具有三态输出锁存缓冲器，其输出数据线可直接连CPU的DB。具体见下图4-6。 图4-6 ADC0809内部结构（3）ADC0809的引脚功能：D7-D0：8位数据输出线；IN7-IN0：8路模拟信号输入；ADDC、ADDB、ADDA：8路模拟信号输入通道的地址选择线；ALE：地址锁存允许，其正跳变锁存地址选择线状态，经译码选通对应的模拟输入信号；START：启动信号，上升沿使片内所有寄存器清零，下降沿启动A/D转换；EOC：转换结束，转换开始后，此引脚变为低电平，转换一结束，此引脚变为高电平；OE：输出允许，此引脚为高电平有效，当有效时，芯片内部三态数据输出锁存缓冲器被打开，转换结果送到D7-D0；CLOCK：时钟，最高可达1280KHz，由外部提供；REF（+）、REF（-）：参考电压正极、负极，通常REF（+）接Vcc，REF（-）接GND；Vcc：电源，+5V，GND：地线。 在论文的硬件设计中ADC0809因内部带有三态门输出锁存器，故它可以直接和AT89C51的P0口相连，ALE和START由和P2.7口经或非门后控制，输出允许OE由和P2.7口经或非门后控制，转换结束输出信号EOC经反向器后和 INT1非相连，以提供A/D转换的中断方式。ADC0809的时钟输入信号CLK有ALE经二分频后提供，也可由外部500kHZ 时钟源提供，八路模拟量有IN7-IN0端输入。4.4.5接口电路图 4-7 ADC0809与89C51的接口电路图4.5 键盘显示键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。按键是一种常开型按钮开关。平时(常态时)，按键的两个触点处于断开状态，按下键时它们才闭合(短路)。键盘分编码键盘和非编码键盘。键盘上闭合键的识别由专用的硬件译码器实现，并产生键编号或键值的称编码键盘，如BCD码键盘、ASCII码键盘等；靠软件识别的称为非编码键盘。在单片机组成的测控系统及智能化仪器中，用的最多的是非编码键盘。本系统中，采用42键盘。42的键盘结构如图所示，图中行线通过电阻接+5V，当键盘上没有健闭合时，所有的行线和列线断开，行线XO、X1呈高电平。当键盘上某一个键闭合时，该健所对应的行线与列线短路。例如，6号键按闭合时，行线Xl和列线Y1短路，此时Xl的电平由Y1的电平所决定，如果把行线接到微机的输人口，列线接到微机的输出口，则在微机的控制下，使列线Y1为低电平(0)，其余四根列线Y0、Y2、Y3都为高电平。然后微机通过输人口读行线的状态，如果X0、X1都为高电平，则Y1这一列上没有键闭合，如果读出的列线状态不全为高电平，则为低电子的行线和Y1相交的键处于闭合状态；如果Y1这一列上没有键闭合，接着使列线Y1为低电平，其余列线为高电平。用同样的方法检查Y2这一列上有无键闭合，以此类推，最后使列线Y3为低电平，其余的列线为高电平，检查Y3这一列上是否有健闭合。这种逐行逐列地检查键盘状态的过程称为对键盘的一次扫描。CPU对键盘扫描可以采取程序控制的随机方式，CPU在空闲时扫描键盘，也可以采取定时控制方式，每隔一定时间，CPU对键盘扫描一次，CPU可随时响应健输入请求。也可以采用中断方式，当键盘上有键闭合时，向CPU请求中断，CPU响应键盘输入中断请求，对键盘扫描，以识别那一个键处于闭合状态，并对键输入信息做出相应处理。CPU对键盘上闭合键键号的确定，可根据行线和列线的状态计算求得，还可以根据行线和列线状态查表求得。键盘共八个：“”为使显示数字加一“”为使显示数字减一“”为显示屏的闪烁光标右移“”为显示屏的闪烁光标左移 “启动”为使整个系统运行 “停止”为使整个系统停止 “更改”为调解系统的设置以及切换温度和浓度的显示 “确认”为使系统设置值进行保存图4-9 键盘显示原理图4.6 系统电源系统的控制系统中的AT89C51单片机、A/D转换电路、执行机构电路、键盘显示电路都需要有稳定的直流电源供电才能正常工作。系统中需要12V和+5V电源，系统采用串联型的集成稳压器来实现。采用集成稳压器外接元件少，使用方便，安全可靠，精度、稳定性高，噪声小。直流稳压电源系统包括整流器、滤波器、直流稳压器和高频滤波器等几部分，常用的直流稳压电路如图4-10所示。一般直流稳压电源用的整流器多位单项桥式整流，直流侧常用电容滤波。图4-9 中C1为平滑滤波电容，常选用几百几千F的瓷片电容，用以减轻整流桥输出电压的脉动。C2为高频滤波电容，常选用0.010.1F的瓷片电容，用于抑制浪涌的尖峰。作为直流稳压器件，现在常选用的就是三端稳压器78和79系列芯片，这类稳压器结构简单，使用方便，负载稳定度为15mV，具有过电流和输出短路保护，可用于一般微机系统。三端稳压电源的输出端常接两个电容C3和C4，C3主要起负载匹配作用，常选用几十几百F的电解电容；C4为抗高频干扰电容，常选用0.01-0.1F的瓷片电容。图4-10 电源原理图系统电源的工作原理为：220V市电经过一个双18V变压器和二极管整流桥输出，两路输出分别进入三端固定正电压稳压器MC7812K和三端固定负电压稳压器MC7912K，由这两个电压稳压器输出就是我们需要12V电源，再将+12电压经过正电压稳压器MC7805T，就得到了+5V电源。第五章 后向通道的设计 5.1 显示部分显示电路部分采用串行接口，静态锁存驱动，不但节约了系统的资源，而且简化编程。LED显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极（或共阳极）连接在一起并接地（或接高电平）。之所以称为静态显示，是由于显示器中的各位相互独立，而且各位的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另一个字符为止。也正因为如此，静态显示器的亮度都较高。MAX7219是微处理器和共阴极七段八位LED显示、图条/柱图显示或64点阵显示接口的小型串行输入/输出芯片。片内包括BCD译码器、多路扫描控制器、字和位驱动器和8X8静态RAM.外部只需要一个电阻设置所有LED显示器字段电流。MAX7219和微处理器只需三根导线连接，每位显示数字有一个地址由微处理器写入。允许使用者选择每位是BCD译码或不译码。使用者还可选择停机模式、数字亮度控制、从1-8选择扫描位数和对所有LED显示器的测试模式。5.1.1 MAX7219简介MAX7219和单片计算机连接有三条引线(DIN. CLK, LOAD)。采用16位数据串行移位接收方式。即单片机将16位二进制数逐位发送到DIN端，在CLK上升沿到来前准备就绪，CLK的每个上升沿将一位数据移入MAX7219内移位寄存器，当16位数据移入完，在LOAD引脚信号上升沿将16位数据装入MAX7219内的相应位置，在MAX7219内部硬件动态扫描显示控制电路作用下实现动态显示。5.1.2 MAX7219引脚说明MAX7219为24引脚芯片，引脚排列如图5-5所示，各引脚功能如下:DIN:串行数据输入端:DIGO-DIG7: LED位线:LOAD:数据装载信号输入端;SEGA SEGG, SEGDp:段码输出端:ISET:硬件亮度调节端;DOUT:串行数据输出端;CLK:移位脉冲输入端;V十:正电源:GND:地。图5-5 MAX7219引脚图5.1.3 MAX7219内部组成结构MAX7219组成如图5-6所示。图5-6 MAX7219组成框图各部分作用是:16位地址/数据移位寄存器接收串行数据，实现串/并变换。16位数据含义如下:D7-DO:写入内部RAM和功能寄存器的数据:D8-Dll:内部RAM和功能寄存器地址;D12-D15:无定义。地址译码器是一个4-16线译码器，用于选择数据存放单元，在LOAD信号作用下将接收数据送入指定单元;八字节双端口静态存储器存放接收数据和提供动态显示据;B译码和不译码电路对RAM数据进行BCD泽码或直接送显示;段码电流参考电路、亮度脉冲产生调制器实现对显示器的亮度控制，段码电流参考电路由硬件调节显示器亮度;动态扫描控制器实现由硬件控制动态扫描显示。LED段/位骇动器提供显示器的一段和一位点亮时的电流各内部功能寄存器含义如下:(1)停机寄存器(地址OCH):当DO=0时，MAX721处于停机状态;当D0=1时，处于正常工作状态。(2)显示测试寄存器(地址OFH):当DO=0时，MAX7219按设定模式正常工作;当D0=1时，处于测试状态。在该状态下，不管MAX7219处于什么模式，全部LED将按最大亮度显示。(3)亮度寄存器(地址OAH):亮度可以用硬件和软件两种方法调节。亮度寄存器中的DO-D3位可以控制LED显示器的亮度。(4)扫描界限寄存器(地址OBH):该寄存器中DO-D3位数据设定值为0-7H,设定值表示显示器动态扫描个数位1-8。(5)译码方式寄存器(地址09H):该寄存器的8位二进制数的各位分别控制8个LED显示器的译码方式。当高电平时，选择BCD-B译码模式，当低电平时选择不译码模式(即送来数据为字型码)。(6)内部RAM 地址01-08H分别对应于DIGO-DIG7MAX7219驱动8位以下LED显示器MAX7219在驱动8位以下LED显示器时，它的DIN, CLK, LOAD端分别接单片