智能火灾报警器的设计

2011届本科生毕业设计（论文）本 科 毕 业 设 计（论文）题 目：智能火灾报警器的设计专题题目：学 院：电气工程与自动化专 业：班 级：学 号：学 生：指导教师： 职称：副教授时间：2011年6月3日摘要火灾报警器的课题研究，对于开发出优秀的火灾报警系统具有重要意义。本文首先简单介绍了火灾对人类生活的影响并介绍了当今世界火灾报警系统的发展情况；然后介绍了一种多传感器火灾报警系统的设计，讲解了火灾报警系统的软件功能设计并给出了系统与各个功能模块的程序流程图；之后详细讲解了系统的各功能模块硬件及软件设计，其中硬件设计的最后部分还论述了提高系统抗干扰能力与可靠性的一些方法，并对系统的可扩展性做了简单介绍。本文的重点是系统的硬件以及单片机的相关应用，其中详细介绍并论述了系统所需要实现的功能以及各个模块的设计，整个报警系统主要完成采集传感器数据、处理信息并做出判断等功能。软件设计包括针对单片机和传感器的数据采集与数据处理、系统检测与报警程序的设计；之后对硬件进行了简单的调试，对调试结果进行了一些分析；最后，文章对整个设计进行了概括性总结。最后的实验结果表明，通过利用多传感器该设计能够有效火灾的智能报警。本设计具有高可靠性低误报率等特点，有一定的实用价值。关键词：火灾报警；多传感器；单片机；LCD显示ABSTRACTThe research of fire alarm systems, it has a good significance to the development of appearing a good fire alarm systems. At first this article describes the affection of fire on humans life and introduces the development of fire alarm systems today in world; then, it introduces a design of multi-sensor fire alarm system, explains amply about the hardware and software design of each module in system; besides, we did simple hardware debugging, as well as some analysis of the results of the debugging; at last, the article sums up the entire design in general. This article focuses on hardware design and the relevant applications of MCU, which describes and discusses amply the design and achievement of every function the system needs. The alarm system is designed for sensor data acquisition, information processing, making judgments and so on. The last part of the hardware design is also discussed some ways to improve anti-jamming capability and reliability, and gives a brief introduction of the systems extendibility. Software design includes the design of MCU and sensors data acquisition programs, data fuzzy processing programs, system check & alarm programs, and we completes a fire alarm system software functional design and gives the system and program flow chart of the various functional modules. Simulation results show that the design can effectively fire intelligent alarm by using multi-sensor; its able to achieve the desired results. This design has high reliability with low false alarm rate, etc. Have same practical values.Key words: fire alarm； multi-sensors；MCU；LCD display目录第一章 绪论11.1现今火灾报警器技术发展及国内外研究现状11.2现代消防对火灾检测与报警的要求21.3课题研究的意义31.4设计工作安排31.5本章小结3第二章 系统方案设计52.1系统的主要功能52.2系统的结构与工作流程52.3系统整体框架62.3.1烟雾传感器选型62.3.2温度传感器选型72.3.3一氧化碳传感器选型82.4本章小结9第三章 系统硬件结构设计113.1单片机的选型113.2电源模块的设计123.3模数转换电路设计123.4报警和显示模块的设计133.5看门狗简介163.6通讯与下载电路设计173.7本章小结17第四章 系统软件设计194.1嵌入式系统介绍194.2软件开发环境204.3软件设计流程214.4软件模块功能与设计224.4.1系统自检模块设计234.4.2传感器数据采集与预处理模块244.4.3数据处理与报警模块254.5本章小结26第五章 系统硬件制作及调试275.1硬件功能调试275.1.1显示功能调试275.1.2报警器功能调试305.2系统整体运行调试325.3本章小结34第六章 总结35附录 智能火灾报警器系统电路图36附录 元器件清单报表37附录 部分程序清单38参考文献43外文资料45中文翻译51致 谢5554第一章 绪论本章主要介绍了现今火灾报警技术的发展概述，现代消防对火灾检测与报警的要求以及国内外相关的研究现状，讲述了本设计的主要内容、任务和相关安排以及本课题的研究意义。1.1 现今火灾报警器技术发展及国内外研究现状火灾是指在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。实践证明，随着社会和经济的发展，消防工作的重要性就越来越突出。“预防火灾和减少火灾的危害”是对消防立法意义的总体概述，包括了两层含义：一是做好预防火灾的各项工作，防止发生火灾；二是火灾绝对不发生是不可能的，而一旦发生火灾，就应当及时、有效地进行补救，减少火灾的危害。从1847年美国牙科医生坎宁和缅因大学教授法莫研制出世界上第一台城镇火灾报警装置至今，已有一百多年的历史。火灾报警系统的发展已经过了以下几个阶段：19世纪40年代到20世纪40年代是火灾报警器发展的第一阶段，这期间的火灾报警器以单线感温报警为主，即通过简单的探测和报警电路判断环境温度是否超过预先设置的阀值，由于受限于这一时期的电子技术和传感器技术，报警器的可靠性、准确性和灵敏度均不高。20世纪50年代到70年代则是火灾报警器发展的第二阶段， 火灾报警已经由单线制 变化为多线制。 多线制火灾报警器与上一代火灾报警器的区别在于火灾探测器与火灾报 警控制器之间不再是一对一而是多对一的关系， 而且多线制要求每个探测器与控制器之 间使用两条以上的导线连接以保证每个探测点都能准确发出报警信号。 但多线制火灾报 警系统过于复杂的设计与布线，使得安装和维护都很不方便，并且成本也比单线制报警 器高很多。20世纪80年代到20世纪末，微处理器技术逐渐民用化并迅速普及起来，极大的改变了火灾报警系统的设计思路，于是出现了以单片机为核心的总线制火灾报警系统，即为火灾报警器发展的第三阶段。这种自动报警系统已采用微处理器控制，探测器和模块均采用地址编码形式，通过总线与控制器实现信号传送，此类系统可进行现场编程。并通过各种模块对各联动设备实行较复杂的控制，具有系统自检及对外围器件的故障检验等功能。现代建筑以为体量大、层数多、人员多，并使用了大量可燃材料装修，而且垂直疏散困难很大，所以火灾危险性也很大。近几十年来，世界各国都对火灾的预防、报警和控制进行了大量的研究，使智能型火灾报警系统的产品更新换代速度非常快。探测器由普通探测器发展到带编码地址的探测器，信号线由原来的多线制发展到二总线制，探测器的性能和系统的联动控制日趋完善，可靠性越来越高。在国外的产品中，分布智能系统技术得到了较为广泛的应用，这类系统的显著特点有：多判数据火灾探测技术，完善的功能设置以适应一般场合的使用，通过编程使探测器适应特殊的场合或环境需要，可以对自身电路及传感器进行检测，具有环境因素补偿，故障报告功能，具有良好的可扩展性，多级判断设计提高报警的准确程度，有完善的通讯协议，低功耗。同国外相比，国内在火灾报警系统的研究上还是有一定的差距的。现在国内火灾报警技术也将重点放在了分布智能系统上，也有相当多优秀的产品出现，但国内产品普遍存在的缺乏核心技术的问题使得国内外的产品在相比之下还是存在诸如可靠性、稳定性差、探测器信号处理方法单一，智能化程度低、未能很好解决探测器灵敏度和误报率之间矛盾等问题【1，2】。1.2 现代消防对火灾检测与报警的要求由于城市规模日益扩大，高层建筑，地下建筑、公共娱乐场所及大型综合性建筑越来越多，建筑布局及功能日益复杂，用火，用电，用气和化学物品的应用日益广泛，火灾的复杂性、危险性大大增加。但是城市的消防站、消防供水、消防通信、消防通道等 公共消防设施的建设却发展缓慢，远远不能满足现代防火、灭火的需要，使社会抗御火灾的能力相当薄弱。因此现代消防建设对火灾检测与报警的要求也与日俱增，主要体现在以下几点：第一，高层、超高层建筑对消防设施的要求。这类高层建筑的火灾一般有如下几个特点：多采用大跨度钢架结构和灵活的环境布置，使建筑物开间和隔墙布置复杂，随着 建筑高度增加，在起火前室内外温差所形成的热风压大，起火后由于温度变化而引起烟气运动的风火压大，因而火灾使烟气弥漫、扩散迅速；为了加强艺术效果和舒适性的要求，装饰材料多种多样，且多为易燃或可燃材料；建筑内大量使用各种电气设备，电气 设备配电线路和信息数据通信布线系统密如蛛网，一旦发生火灾，会迅速蔓延；建筑内人员众多，一旦发生火灾，疏散难度大；建筑多是多用途的综合性大楼，从而造成安全疏散通道曲折隐藏。由此可见，现代化高层建筑对火灾报警系统在火灾整体的检测灵敏度、多样化检测标准、准确度、可靠性以及极端条件下系统工作稳定性有了更多的要求。第二，工厂、企业都有大型或特大型的仓库，用以存放各种材料、设备，一旦仓库失火，将给工厂、企业带来巨大的经济损失，甚至导致工厂、企业的停产。而这些仓库又往往存在面积大、货物货架高、死角多等对火灾监视不利的因素，此外，各种有毒或特殊材料的特点也对火灾监测有很大影响。所以，也要通过火灾报警系统来克服这些不利因素，对仓库进行有效的火灾监视。第三，由于火灾发生的可能性很大程度上取决于环境因素，因此火灾报警系统需要不仅能对固定环境的活在进行监测，更要能够针对不同环境条件下变化环境中的火灾隐患进行监控，这对报警系统的智能化以及传感器技术提出了新的要求。1.3 课题研究的意义上文中已经提到过，我国火灾报警系统技术的主要不足之处在于缺乏自己的核心技术，因此如何设计一个具有自己独创元素的系统将不仅有利于提高系统设计水平，也能够为以后更多消防检测系统的设计提供很多优秀的参考。而这里面包括硬件设计的独创性和软件系统的设计独创性两方面。结合现代消防对火灾检测与报警系统的要求，报警系统的设计应根据上述三点要求对系统进行优化设计。除了完成通常环境下监视传感器及系统自身的工作状况、处理各个传感器输出的报警信号、进行正确的示警与警示信息及执行相应的辅助控制等功能以外，还需要在设计系统软件时考虑到不同环境下系统功能的适应性与稳定性。1.4 设计工作安排根据现今国内外火灾报警系统的设计理念，针对现有火灾报警器存在的不足，设计一种基于多传感器技术的火灾报警器，该设计的主要工作任务包括：系统硬件设计。包括火灾报警系统的控制器主板设计和其中各部分元件的选型，电路板的设计与绘制，传感器及相关电路的设计。系统软件设计。包括火灾报警系统主程序设计，各个功能模块的程序设计，数据收集以及系统自检程序的设计。本文的内容安排如下：第一章，简单介绍的火灾报警的背景以及现今火灾报警技术的国内外研究现状，以及全文内容的安排。第二章，描述火灾报警系统的主板设计方案，包括各功能模块和芯片的选型以及详细说明。第三章，详细讲解该系统各个模块的设计思路和工作电路原理，分析实现各个功能的方法和设计特点。第四章，详细介绍了整个火灾报警系统的软件设计思想，实现各个功能的模块程序设计，以及系统工作的软件流程。第五章，对完成的系统原型进行了简单的一些调试，并在调试过程中发现并解决软件漏洞，改进系统的设计。并对系统做了简单的环境稳定性测试。1.5 本章小结现代消防建设对火灾检测与报警的要求与日俱增,同国外相比，国内在火灾报警系统的研究上还是有一定的差距的, 目前的实际工程当中传统型的区域报警系统、集中报警系统和控制中心报警系统仍得到较为广泛的应用,而智能火灾报警系统能够在火灾初期，将燃烧产生的烟雾、热量和光辐射等物理量，通过感温、感烟和感光等火灾探测器变成电信号，传输到火灾报警控制器，并同时显示出火灾发生的部位，记录火灾发生的时间，智能化实现对火灾的预防和报警。第二章 系统方案设计针对系统的各项主要功能，本章简单描述了系统的结构与工作流程，结合各种传感器的工作参数，给出了各个器件的选型情况。2.1 系统的主要功能本设计的火灾报警系统具有以下几个功能： (1) 火灾检测：传感器返回的数据经单片机判断为火灾时，发出火灾报警信号，并显示于显示器上；(2) 分类示警：单片机根据传感器返回的环境信息，结合不同类型火灾或气体泄漏 的特征判断示警类型并显示； (3) 故障检测与告警：单片机在工作时对各个传感器的工作状态进行检测，当发现传感器无响应时发出故障信号，并显示具体故障消息；(4) 外部设备控制：当系统做出火灾判断时能同时启动相应外部设备如灭火工具等。2.2 系统的结构与工作流程图2-1 火灾报警器系统结构框图该火灾报警系统由图2-1中所示的几个部分构成。传感器安装于检测现场，通过导线连接到主板传感器驱动电路，传感器返回的信号送到整形电路后转换为 05V 的电平信号，由A/D转换芯片转换为数字信号送入单片机；这里我们使用的数字式传感器是DS18B20，所以不需要连接驱动电路与整形电路而直接连接单片机。 系统的其他部分均安装在主板上，单片机接收到来自各传感器的数据后将数值显示于液晶屏，并根据事先制定好的规则判断是否有火灾情况，如果有火灾情况则将报警信息显示，同时驱动蜂鸣器发出声音报警，并可以在需要的情况下启动外部设备。为了提高系统的可靠性，系统在硬件设计上采用了一些措施。设计系统的时候，不能只考虑正常状态的运行，对于干扰源也要有所考虑。由于可能会有因某些特定原因产生的类似火灾的干扰源触发报警系统，如果用通常的处理方法，需要大量的判断时间，可能会造成硬件的损坏。为了解决这样的情况，对系统做出如下设计：若检测到单一传感器的数据迅速变化，则检测其余传感器是否检测到触发火灾相应的数据变化，同时判断结果是否到达报警阈值，如果没有检测到相应变化则视为干扰源，并根据设置的阀值直接报警【46】。2.3 系统整体框架2.3.1 烟雾传感器选型本设计使用的烟雾传感器为离子式烟雾传感器 HIS-07，该传感器是基于类比最佳性能设计的单源双室 DSCB 型电离室，电离室中安装的电离源为Am-241，专用于感烟探测。当流经内外电离室的电子流不平衡时，集电极充电直到电离电流达到平衡，在无烟或无燃烧物时，集电极除手电离电流潮汐影响外保持平衡电位。当烟雾进入外电离室时对电离电流产生影响，使电离电流下降，集电极重新充电直到新的平衡电位，这时的电位变化经整形后送入A/D转换，即可得到烟雾浓度的数据【3】。实物图2-2如下：图2-2 烟雾传感器 HIS-07测量范围：0%5%；工作电压：9V；测量误差：0.1V；UL217 标准大气中输出电压：5.60.4V；工作湿度：95%RH；棉芯 2%/foot 烟灵敏度：0.60.1V；集电极平衡电位：5.50.3V；绝缘体漏电电流：0.5pA；电离源活度：0.5Ci(18Kbq)10%；电离室25cm处辐射剂量率：0.03mGy/年。 相关电路和工作参数如图2-3和表2-1所示：图2-3 HIS-07烟雾传感器电路表2-1 HIS-07烟雾传感器工作参数灵敏度特性电源电压特性湿度特性烟雾浓度%/英尺输出电压V误差V电源电压V输出电压V湿度%RH输出V05.60.4063.30.3305.750.515.30.50.30.195.60.4605.600.425.00.50.60.1128.00.7905.450.434.70.50.90.21510.00.85温度特性44.40.51.20.21813.01.0温度输出V54.20.51.40.205.150.4255.600.4505.850.4根据传感器的特性，其输出值正好是5V左右，因此不需要额外的放大电路，直接由A/D转换即可得到需要的数字信号。由上述性能指标可知该传感器符合设计的性能要求，HIS-07传感器的生产制作符合GB4715-93国家标准，采用单源双室结构，体积小，便于安装；在适用范围的环境条件下集电极平衡电位变化值基本在参数范围内，稳定性较高；集电极平衡电位一致性好，响应时间较短，适于火灾检测中的烟雾测量。2.3.2 温度传感器选型DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。实物图2-4如下：DS18B20产品的特点：(1) 只要求一个端口即可实现通信。 (2) 在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。 (3) 实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。 (4) 测量温度范围在55C到125C之间。 (5) 数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。 (6) 内部有温度上、下限告警设置。图2-4 DS18B20数字温度计DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5C。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20的性能是新一代产品中最好的！性能价格比也非常出色！2.3.3 一氧化碳传感器选型本设计使用的一氧化碳传感器为ME4-CO型电化学传感器，ME4-CO传感器属于电化学型传感器，对电解容纳室作了重新设计，减少了电解液泄露的风险，体积小，大幅度的减低了成本。输出信号直线性、重复再现性优越、不受湿度影响、电池可驱动。传感器检测烟雾的原理由以下反应式描述：CO + H2OCO2 + 2H+ + 2e-此时生成的电子分布在检知电极，氢离子分布在电极旁边的电解液中，形成两层电。在此检知电极和对向电极同外部电路相结合时，电子从检知电极向对向电极流动。氢离子在电解液中移动接受对向侧电子，发生如下化学反应生成水。4H+ + O2 + 4e-2H2O实物图和主要性能参数分别如图2-5和表2-2所示：图2-5 ME4-CO型电化学传感器表2-2 ME4-CO一氧化碳传感器性能参数产品类型电化学气敏元件产品封装塑料封装（ME4）检测范围0500ppm最大测量限1500ppm预期寿命2年灵敏度0.080.02uA/ppm分辨率1ppm使用压力范围标准大气压10响应时间（T90）25S湿度范围1590RH无凝结零点漂移（20+40）9ppm重复性2输出值由于传感器输出电压很小达不到单片机工作的要求，所以在一氧化碳检测电路的设计中加入了放大电路，同时出于对可调整性与可更换性的考虑，设计如图2-6所示可调倍率放大电路。图2-6 可调倍率放大电路其中R1=R2=1K，=20K，R=10K，=50K；由图可得输入输出关系：(3-1)故该电路的放大增益为：(3-2)可见变阻器RW可以在一定范围内调整整个放大电路的增益，这不仅对传感器校准有用，也为以后能更换传感器时的电路适用性起了很大帮助，降低了电路成本，提高了整个系统的硬件可移植性。2.4 本章小结本章主要结合了火灾报警器的功能要求，给出了系统的整体框架和设计思路，通过分析各种传感器的工作参数和相关资料，确定了烟雾传感器、温度传感器和一氧化碳传感器的选型，方便接下来的系统模块设计。第三章 系统硬件结构设计结合单片机的选型以及上一章给出的相关传感器的选型，本章给出了相关的硬件结构设计。3.1 单片机的选型STC89C51单片机是新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟机器周期和6时钟周期可以任意选择。STC89C51单片机中包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时/计数器、UART串口、I/O接口、EEPROM、看门狗等模块。STC89C51单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统【9,10】。STC89C51有如下特点：1. 增强型8051单片机，12时钟机器周期和6时钟周期可以任意选择，指令代代码完全兼容传统8051；2. 工作电压：5.5V-3.3V（5V单片机） 3.8V-2.0V（3V单片机）；3. 工作频率范围：040MHz,相当于普通8051的080MHz，实际工作频率可达48MHz；4. 用户应用程序空间：4K、8K、13K、16K、32K、64K字节；5. 片上集成1280字节或512字节RAM；6. 通用I/O口（35/39个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口、弱上拉（普通8051传统I/O）：P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻；7. ISP（系统可编程）/IAP（应用可编程），无需专用编程器，无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RXD/P3.0，TXD/P3.1）直接下载用户程序，数秒可完成；8. 具有EEPROM功能；9. 具有看门狗；10. 内部集成MAX810专用复位电路，外部晶体20M以下时，可省外部复位电路；11. 共有3个16位定时器/计数器，其中定时器0可以当成2个8位定时器使用；12. 外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；13. 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART；14. 工作温度范围：-40+85（工业级）、07（商业级）；15. 封装：LOFP-44，PDIP-40，PLCC-44，PQFP-44； STC89C51单片机管脚图如图3.1所示。图3.1 STC89C51单片机管脚图3.2 电源模块的设计输入电路采用家用220V交流电，经过全桥整流，利用7805稳压后输出稳定的5V直流电【6】。电源电路图如图3-2所示。图3-2 5v电源电路图3.3 模数转换电路设计由上面的叙述可知，系统中的各个传感器返回的信号均为模拟量，无法被单片机直接接收和处理，所以需要将这些信号进行A/D转换，又因为各个传感器的参考电压并不完全相同，因此不能简单使用多通道A/D转换芯片来统一处理，所以本设计中选择单通道8位A/D转换芯片TLC549CP。TLC549是单通道8位分辨率A/D转换器，总不可调整误差0.5LSB。采用三线串行方式与微处理器接口。片内提供4MHz内部系统时钟，并与操作控制用的外部I/O CLOCK相互独立。有片内采样保持电路，转换时间17us，包括存取与转换时间转换速率达40000次/秒。差分高阻抗基准电压输入范围是：1V差分基准电压Vcc+0.2V。宽电源范围：3V6.5V，低功耗，当片选信号/CS为低，芯片选中处于工作状态。芯片的连接方式见图3-3，电路中另需要通过源与一只电阻串联接入，以实现输入补偿的功能【8】。图3-3 TLC549接线方式对于A/D转换器，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如，对于TLC549CP，其内部时钟信号为4MHz，转换时间小于17s，相当于晶振12MHz的单片机工作36个机器周期。根据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后，就调用这个延时子程序，当延迟时间到达时，转换将一定完成。之后就可进行数据传送。3.4 报警和显示模块的设计1) 根据系统的设计，为方便系统的处理，这里选择蜂鸣器作为报警器。本设计采用一般市场上就能买到的常见蜂鸣器，工作电压5V，和一般数字元件不同，蜂鸣器工作时电流较大，因而不能直接由单片机驱动，故在系统设计时采用了ULN2003A作为驱动芯片，其封装和逻辑框图见图3-4。ULN2003A是7路高耐压、大电流达林顿管阵列，由7个硅NPN达林顿管组成，每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，输出还可以在高负载电流并行运行。图3-4 ULN2003A封装与逻辑功能视图ULN2003A硬件连接方式如图3-5所示，可见蜂鸣器由单片机P1.2脚控制，当触发报警时，P1.1脚按照音频频率拉低电位，蜂鸣器便发出对应频率的鸣叫声。P1.1脚对应一个继电器，用以在需要时驱动外部设备，使用继电器可以排除器件本身如工作电压范围等不相容因素，使系统能控制更多外部设备，同时预留了剩余的5个驱动引脚，用于驱动、扩展其他外部设备。图3-5 ULN2003A硬件连接图2) 1602是一种双行16字符液晶显示模块，其外形如图3.6所示。模块有16个引脚，引脚说明见表3.1。该模块在制作时已经内置了字符库与808位的片内RAM缓冲区，所以不必单独制作驱动程序和相关电路，为开发节约了很多时间，模块的硬件连接图如图3.7所示，可见电路本身相当简单，其中滑动变阻器RW与第3引脚相连，影响液晶显示偏压信号VL，用来调整显示屏的对比度。图3.6 SMC1602A LCM液晶显示模块外形图表3.1 SMC1602A LCM液晶显示模块引脚说明引脚标号符号引脚说明1VSS电源地2VDD电源正极3VL液晶显示偏压信号4RS数据/命令选择端(H/L)5R/W读/写选择端(H/L)6E使能信号714D0D7数据I/O15BLA背光源正极16BLK背光源负极图3.7 SMC1602A LCM液晶显示模块硬件连接图示1602的基本操作时序分以下4个：1) 读状态：输入：RS=0,RW=1,E=1输出：D0D7=状态字2) 写指令：输入：RS=0,RW=0,D0D7=指令码输出：无3) 读数据：输入：RS=1,RW=1,E=1输出：D0D7=数据4) 写数据：输入：RS=1,RW=0,D0D7=数据输出：无显示模块的初始化及复位过程依次为：延时15ms，写指令0x38，延时5ms，写指令0x38，延时5ms，写指令0x38，检测忙信号，写指令0x38设置显示模式，写指令0x08显示关闭，写指令0x01显示清屏，写指令0x06设置显示光标移动，写指令0x0C设置显示开及光标。系统运行时需要注意一点，模块初始化或复位之后，每次进行数据读/写之前均需要检测读写忙信号，确保状态字STA7为0。3.5 看门狗简介在实际应用中，单片机的工作环境很复杂，易受到来自各方面的干扰，使内部指针混乱或者进入死锁状态导致整个系统的无响应或者崩溃，为了解决这一问题，通常会在设计中加入程序运行时间(Runtime Monitoring)监控电路，即“看门狗(Watchdog)”技术，当监测到程序运行时间超出预设值时自动复位系统，将系统指针强制指向0000H入口，使程序脱离死循环，可有效解决软件系统的运行故障【15,22】。本设计使用的STC89C51单片机内置有硬件看门狗，使看门狗的配置极大地简化，仅需要将对应的特殊功能寄存器EN_WDT赋给启动值即可完成看门狗的启用。看门狗的命令码见表3.2。表3.2 看门狗命令码位助记符地址名称76543210重置值WDT_CONTRE1HWDT控制寄存器-EN_WDTCLR_WDTIDLE_WDTPS2PS1PS0XX00,0000其中，EN_WDT为看门狗允许位，当值为“1”时，看门狗启动；CLR_WDT为看门狗计时器清零位，值为“1”时将清零看门狗计时器，同时将此位置“0”；IDLE_WDT为看门狗“空闲模式”位，当置为“1”时，看门狗定时器在空闲模式下任然计时，置“0”时则不会在空闲模式下计时。PS2，PS1，PS0为看门狗计时器预分频值，预分频值如表3.3所示。表3.3 看门狗计时器预分频值PS2PS1PS0预分频值000200140108011161003210164110128111256看门狗定时器溢出时间可由公式“溢出时间=(N预分频32768)/时钟频率”推算，其中N是单片机工作周期T。例如当单片机工作在12T、12MHz，预分频256的状态下时，看门狗定时器的溢出时间为1225632768/12000000=8.388608秒。3.6 通讯与下载电路设计由于RS-232标准规定发送数据线TXD和接受数据线RXD采用EIA电平，即传送数字“1”时，传输线上的电平在-3-15V之间；传送数字“0”时，传输线上的电平在+3+15V之间。但单片机串行口采用正逻辑的TTL电平，这样就存在TTL电平与EIA电平的转换问题，例如当单片机和PC进行串行通行时，PC COM1或者COM2口发送引脚TXD信号是EIA电平，不能直接与单片机串行口接收端RXD引脚相连；同样单片机串行口发送端TXD引脚输出信号采用正逻辑的TTL电平，也不能直接与PC串行口COM1或COM2的RXD端相连。故在通讯电路中加入一片MAX232CPE芯片进行电平转换，这样可以实现程序的下载与仿真功能。与PC进行通讯时，系统通过串口USB转接线与PC连接，通过下载软件将程序下载到单片机中，通讯模块的硬件原理图见图3.8。图3.8 通讯模块硬件连接图3.7 本章小结本章对火灾报警系统的各个硬件模块设计作了详细介绍，选择STC89C51作为系统处理器。详细介绍了传感器信息采集电路、示警与显示电路、看门狗和通信模块的设计。实现了整个系统各模块功能的结合和报警系统的硬件电路设计工作。第四章 系统软件设计本章将详细介绍火灾报警系统的软件设计过程，从系统功能对软件设计的各方面要求，软件开发环境到各个功能实现的软件算法与代码分析。4.1 嵌入式系统介绍嵌入式系统(Embedded System)是当今最热门的概念之一。根据IEEE(国际电气和电子工程师协会)的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”(英文原文是Devices used to control monitor, or assist the operation of equipment machine or plants)，从这个定义可以看出，嵌入式系统是硬件和软件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。如果从功能角度定义，嵌入式系统可以视为执行独立功能的专用计算机系统.它由微处理器、定时器、微控制器、存储器、传感器等一系列微电子芯片和器件，及嵌入式存储器中的微型操作系统和控制应用软件组成，实现诸如实时控制、监视、管理、移动计算、数据处理等各种自动化任务。嵌入式系统一般具有如下特点【17】:（1） 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。（2） 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个行业的具体应用相结合后的产物.这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。（3） 嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。由于嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，很难给它下一个准确的定义。下面给出两种比较合理的定义:（1） 以应用为中心，以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。（2） 设计反映的这些系统通常是更大系统中的一个完整的部分，称为嵌入的系统.嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。两种定义的出发角度不同。一个从技术的角度来定义，一个从系统角度来定义。事实上，在大多数情况下，嵌入式系统是真正的被嵌入，即它们是“系统中的系统”。它们不能够脱离自身所在的系统，或者说没有自身的功能。例如，数字机顶盒DST(Digital Set-Top box)可以说在很多家庭娱乐场所中找到，本身就是一个嵌入式系统，数字音物视频解码系统，称为A/V解码器，是DST中一个完整部分，它也是一个嵌入式系统，即嵌入到DST中的一个嵌入式系统。某些情况下，嵌入式系统在功能上是独立的系统。例如网络路由器是独立的嵌入式系统。它由特殊的通信处理器、内存、许多网络访问接口以及实现包的路由算法的特殊软件组成。总之，由于嵌入式系统本身就是一个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统。4.2 软件开发环境本系统的设计是以51系列单片机为核心展开的，该系列单片机所采用的技术已经相当成熟，针对此系列单片机开发过程发布的指令集也相当齐全，极大的简化了设计过程，考虑到软件开发的编程难度，单片机的软件设计使用C语言作为开发语言。 C语言是一种通用编程语言，既可用于PC程序设计，也可以对单片机进行程序设 计，由于C语言既有高级语言很强的表达性和运算能力，又可以像低级语言直接对硬件进行操作，能够解决汇编编程中的很多问题。虽然从代码运行效率上来看C语言设计的软件代码冗余度较汇编代码更高，但却具有汇编程序不具备的高度可移植性，且本设计使用的单片机内置程序存储器有足够空间。此外由于汇编程序开发周期长，调试相对困难，程序可读性低等缺点，故使用 C 语言作为软件开发的语言【19】。 设计所采用由 Keil Software 基于 Windows 开发的Keil Vision3单片机开发平台，软件包含一个高效的编辑器、一个项目管理器和一个制作工具，支持所有的KEIL 8051工具包括 C 编译器宏汇编器连接/定位器目标代码到HEX 的转换器，软件具有如下特点：a) 全功能的源代码编辑器；b) 器件库用来配置开发工具设置；c) 项目管理器用来创建和维护项目； d) 集成 MAKE 工具可以汇编编译和连接嵌入式应用； e) 对话框形式的开发工具的设置； f) 源代码级 CPU 和外围器件的调试器； g) 使用高级 GDIAGDI 接口在目标硬件上进行软件调试/同 Monitor-51 进行通信。如图4.1所示。图4.1 Keil Vision3软件开发界面4.3 软件设计流程本系统的软件分为自检、传感器数据接收、数据分析处理与判断以及驱动显示和报警电路几个主要功能。程序开始运行后，系统首先对各个传感器进行初始化以便开始系统自检，随后系统进入自检阶段，软件将根据各个传感器返回的信息判断传感器功能是都正常，若发现异常将及时把错误信息显示出来，同时挂起系统，避免继续运行对系统可能造成的损害，若传感器正常，系统会根据环境温度对照事先写入的环境权重数值表分配变量权值；然后系统开始进入循环检测各个传感器返回数据的监控状态，每一次遍历传感器返回信息后，将数据进行分析，判断是否有异常状况，数据判断方式根据设计的权重算法进行模糊判断，确定为异常时进行对应的消息提示或报警提示【16，18】。本系统的报警方式分为2种：“显示警告消息”与“消息+蜂鸣器报警”。根据火灾从产生到发展各个阶段的特点，作了以下设计：软件总体流程图见图4.2。图4.2 软件系统总体流程图1) 火灾初期示警：由于火灾发生的初期往往会有易燃物燃烧而产生烟雾和一氧化碳等气体，而由于没有明火，温度的上升并不明显，根据这些特征，对火灾初期的检测就集中在烟雾与一氧化碳浓度的监控上，当监测到一氧化碳或烟雾浓度异常时，将显示气体浓度异常的警示消息，此时蜂鸣器不工作。2) 暗火火灾告警：火灾从初期开始继续发展，烟雾和一氧化碳浓度会继续升高，温度开始上升，但由于仍然没有明火，仍然不会使温度达到报警阈值，此时系统通过传感器检测到气体和烟雾浓度的继续升高，将启动蜂鸣器进行报警，同时将暗火火灾的消息显示出来。3) 明火火灾示警：当火灾发生至产生明火的状态时火势已经具有一定的规模了，由于明火的出现，温度会很快上升，同时消耗掉一定的一氧化碳和烟雾，使这两者的测量数值反而会有一定下降，在环境氧气消耗完之前，这个过程会持续。当系统检测到温度的快速上升同时存在烟雾和易燃气体时将显示明火火灾报警消息，并启动蜂鸣器报警。4.4 软件模块功能与设计4.4.1 系统自检模块设计系统自检模块的功能是完成系统初期的传感器功能检测，测试传感器是否正常，并得出系统工作环境的数据以选择相应的数据权值。开机之后，通过主函数首先调用系统自检函数system_chk()进行自检，程序首先会有一个约500s的延时，防止因为系统初启动不稳定造成的读数错误，之后程序会依次启动各个传感器所在的A/D转换器读取信号，依据各传感器参数，若温度传感器故障或拔出时，A/D转换器的输入电压将为5V，转换结果将是255，则将此数据作为判断温度传感器是否正常的判断标准，而一氧化碳传感器和烟雾传感器故障或拔出时，A/D转换器的输入电压为0，相应输出值为0，则将此数据作为判断烟雾和一氧化碳传感器是否正常的判断标准。图4.3 自检模块软件流程图传感器检测确认无误之后，在屏幕上显示“SYSTEM NORMAL”字样，然后根据读取到的温度信息对照权值分配表进行权值分配，最后进入系统正式运行状态。该模块的软件流程图如图4.3所示。4.4.2 传感器数据采集与预处理模块由于A/D转换器的采样与转换速度很快，往往会产生很多重复值，故设计了一个采样延迟和多次采样平均值的算法：启动A/D转换之后，每一次采样之前会延时1ms，除此之外每次读取的数据并不送入分析过程，而是先暂存在内存中，每读取30个数据之后去掉最高与最低一共10个数据之后取所有剩余数据的平均值，作为一次测量的最终结果。该功能的算法代码如下所示：uint Average(uint buffer30)uchar i,j;uint temp;for(i=1; i=i; -j)if(bufferj-1 bufferj)temp = bufferj-1;bufferj-1 = bufferj;bufferj = temp;/对数组进行处理，去掉最大值和最小值，中间的二十个值再来求平均值temp = 0;for(i=5; i25; i+) temp += bufferi; temp = (uint)(float)temp) / 20 + 0.5); return(temp);uint AD_Filter (void) uint Date_Buffer30 = 0, temp; uchar i; for(i=0; i30; i+) Date_Bufferi = AD_Change (); delay(148); /延时1毫秒采集一次。这里可以根据工作需要调整时间。 temp = Average(Date_Buffer); return(temp);4.4.3 数据处理与报警模块图4.4 数据处理与报警模块流程图本设计为了解决许多火灾报警系统存在的误警及适应性问题，设计了基于权重分配与时间积累的判断算法，通过设置全局变量，当数据超过系统警戒阈值时，根据各数据的权值进行累加运算，当全局变量的累加值增长到一定程度时，依据各个数据的增长比例来判断告警类型或采取相应行为【20】。整个数据处理与分析的流程图如图4.4所示。4.5 本章小结本章介绍火灾探测器单片机系统软件流程、传感器信息采集及预处理模块、模糊判断与示警模块软件设计，比较详细的说明了各个模块程序的流程图和实现功能，使整个系统在软件系统的支持下完全实现了火灾报警的功能。第五章 系统硬件制作及调试单片机系统的硬件调试和软件调试是不能分开的，许多硬件错误是在软件调试中被发现和纠正的。在硬件设计中需要在保证电路的可行性，之后就可以通过下载程序到系统中进行调试了，系统的调试不仅是对系统功能的检验，也是对系统在运行中可能出现的问题的检测，并针对问题做出可行的解决方案。5.1 硬件功能调试5.1.1 显示功能调试显示功能对整个系统的正常运行有着极其重要的作用，不仅关系到运行状态的检测、警示信息的显示，还关系到系统的调式和维护，所以显示功能的正常与否显得很重要，在调试中，使用了一段简单的程序来检测1602显示模块能否正常的工作。#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit E=P27; /1602使能引脚sbit RW=P26; /1602读写引脚sbit RS=P25; /1602数据/命令选择引脚void delay()int i,j;for(i=0; i=10; i+)for(j=0; j=2; j+);void enable(uchar del)P0 = Convert(del);RS = 0;RW = 0;E = 0;delay();E = 1;delay();void write(uchar del)P0 = Convert(del);RS = 1;RW = 0;E = 0;delay();E = 1;delay();void L1602_init(void)enable(0x01);enable(0x38);enable(0x0c);enable(0x06);enable(0xd0);void L1602_char(uchar hang,uchar lie,char sign)uchar a;if(hang = 1) a = 0x80;if(hang = 2) a = 0xc0;a = a + lie - 1;enable(a);write(sign);void L1602_string(uchar hang,uchar lie,uchar *p)uchar a;if(hang = 1) a = 0x80;if(hang = 2) a = 0xc0;a = a + lie - 1;enable(a);while(1)if(*p = 0) break;write(*p);p+;void Main()uchar i = 48;L1602_init();L1602_string(1,1,1234560123456789);L1602_string(2,1,ABCDEDGHIJKLMNOP);while(1);这一段程序的功能是在显示模块上的两行分别显示字符串“1234560123456789”和“ABCDEDGHIJKLMNOP”，如果显示模块功能正常则会显示出正常的两行字符，反之，则不会显示或出现乱码。显示效果如图5.1所示：图5.1