利用單片機結(jié)合傳感器技術(shù)而開發(fā)設計的智能火災報警系統(tǒng)論文

1、大慶石油學院本科生畢業(yè)設計（論文）摘 要 隨著現(xiàn)代家庭用火、用電量的增加，家庭火災發(fā)生的頻率越來越高，火災報警器也隨之被廣泛的應用于各種場合。本設計是利用單片機結(jié)合傳感器技術(shù)而開發(fā)設計的智能火災報警系統(tǒng)。設計目的是設計和實現(xiàn)一種分布式智能火災報警控制系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件的組成和實現(xiàn)。論文中主要針對智能火災報警器系統(tǒng)中的各個組成部件進行了介紹，對它的主控電路和外圍設備電路之間的接口技術(shù)，還有軟件方面進行了重點介紹。設計以mcs-51單片機為硬件核心實現(xiàn)智能火災報警系統(tǒng)的設計。文中選用mq-2型半導體煙霧傳感器實現(xiàn)煙霧的檢測；選用ds18b20數(shù)字溫度傳感器實現(xiàn)溫度的檢測；使用adc0809對mq

2、-2采集的模擬信號進行a/d轉(zhuǎn)換，以便單片機處理。由于adc0809的時鐘信號通常為500khz，故而選用74ls74進行分頻。單片機處理數(shù)據(jù)后，與設定的上限值進行比較，超過上限值時，發(fā)出指令，實現(xiàn)光報警，達到預期的效果。關(guān)鍵詞：火災；單片機；報警器；adc0809；傳感器39abstractwith the modern family the use of fire, electricity consumption increases, households are more frequent fires, fire alarm also will be widely used in var

3、ious applications. this design is the use of microcomputer with the sensor technology development and design of intelligent fire alarm system. design purpose is to design and implementation of a distributed intelligent fire alarm control system, and the composition and realization of hardware and so

4、ftware. the main thesis of intelligent fire alarm system of the component parts have been introduced, its main control circuit and peripheral circuits interface between technology and software were also highlighted.designed to mcs-51 microcontroller core for the hardware realization of intelligent f

5、ire alarm system. a selection mq-2-type semiconductor smoke sensors detect smoke; optional digital temperature sensor ds18b20 temperature measurement; use of the mq-2 adc0809 analog signals acquisition a / d converter for single chip processing. as the adc0809 clock signal is usually 500khz, guer 74

6、ls74 for frequency selection. mcu processing data, and set the upper limit comparison, over the limit, give directions, to achieve sound and light alarm, to achieve the desired results.key words：fire，mcu，alarm apparatus，adc0809，sensor目 錄第1章 概 述11.1 火災報警技術(shù)的發(fā)展概況11.2 智能火災報警系統(tǒng)簡介21.3 課題研究的意義31.4 本章小結(jié)3第2章

7、 方案設計52.1 系統(tǒng)的主要功能及原理52.2 系統(tǒng)芯片的選擇62.3 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖92.4 本章小結(jié)9第3章 硬件模塊設計103.1 單片機主控處理模塊103.2 a/d轉(zhuǎn)換模塊163.3 數(shù)據(jù)采集模塊203.4 報警電路模塊263.5 本章小結(jié)27第4章 系統(tǒng)軟件設計284.1 編程keil環(huán)境介紹284.2 系統(tǒng)軟件設計294.3 本章小結(jié)30第5章 系統(tǒng)調(diào)試31 5.1 系統(tǒng)調(diào)試的步驟.31 5.2 調(diào)試過程中遇到的問題及解決方法31 5.3 本章小結(jié)32 結(jié) 論33參考文獻34致 謝35附錄1 系統(tǒng)電路圖36附錄2 主要源代碼37附錄3 實物圖38第1章 概 述近年來隨著計算

8、機在社會領(lǐng)域的滲透，單片機1的應用正在不斷地走向深入，同時帶動傳統(tǒng)控制檢測日新月益得更新。在實時檢測和自動控制的單片機應用系統(tǒng)中，單片機往往是作為一個核心部件來使用，僅單片機方面知識是不夠的，還應根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及針對具體應用對象特點的軟件結(jié)合，以作完善。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，火災報警2器因其具有體積小、功耗低、功能強、成本低等特點正在向各個領(lǐng)域滲透，在家用電器、安全保衛(wèi)以及人們?nèi)粘Ｉ钪袕V泛應用。 本文給出stc89c51單片機的工作原理，傳感器3與adc809和c514的連接5方式和單片機軟件解碼應用程序，并提供了對火災采集信號檢測的應用程序。本文給出用軟件方式實現(xiàn)火災報警的單片機程

9、序，對于硬件電路，采集信號由mq-26和ds18b20完成，而接受部分則只需要在單片機系統(tǒng)中添加一個a/d7芯片就可完成。1.1 火災報警技術(shù)的發(fā)展概況 我國的火災自動報警控制系統(tǒng)經(jīng)歷了從無到有、從簡單到復雜的發(fā)展過程，其智能化程度也越來越高。目前國內(nèi)廠家多偏重用于大型倉庫、商場、高級寫字樓、賓館等場所大型火災報警系統(tǒng)的研發(fā)，他們采用集中區(qū)域報警控制方式，其系統(tǒng)復雜、成本較高。而在居民住宅區(qū)、機房、辦公室等小型防火單位，需要設置一種單一或區(qū)域聯(lián)網(wǎng)、廉價實用的智能火災報警裝置，因此，研制一種結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉的智能8火災報警器是非常必要的?；馂膱缶到y(tǒng)，從發(fā)展過程來看，大體可分為三個階段:第一階

10、段為多線型火災自動報警系統(tǒng)，每個探測器除需提供兩根電源線外，還需提供一根報警信號線，探測器電源由報警器提供，探測器的信號線均連接到報警顯示盤上，報警時點亮相應的指示燈，如日本“日探”公司生產(chǎn)的cpf火災報警系統(tǒng)。此類系統(tǒng)的功能一般以報警為主，輔以一些簡單的聯(lián)動功能(也為多線制)，如驅(qū)動蜂鳴器等，其報警器對外圍探測器，無故障檢測功能，只會對電源線的斷線作出故障反應，安裝此類系統(tǒng)比較繁瑣，特別是校線工作量較大。第二階段為總線型火災自動報警系統(tǒng)，已采用微處理器控制。其線制一般有四線制、三線制、二線制。探測器和模塊通過總線與控制器實現(xiàn)信號傳送。其探測器的報警形式為開關(guān)量，它的靈敏度在制造時，通過硬件決

11、定，不可調(diào)整。此類系統(tǒng)可通過各種模塊對各聯(lián)動設備實行較復雜的控制。此類系統(tǒng)已具有系統(tǒng)自檢以及對外圍器件的故障檢驗等功能，但對故障類型不能區(qū)分。目前國內(nèi)生產(chǎn)的火災自動報警系統(tǒng)大多數(shù)為此類產(chǎn)品。由于此類產(chǎn)品具有先進的報警和控制功能，施工、安裝較為方便，且價格較低，己被大量使用。 第三階段為智能型火災自動報警系統(tǒng)，由于采用了先進的計算機控制技術(shù)，智能化程度大大提高，探測器的報警形式采用模擬量，并可通過軟件對其靈敏度根據(jù)使用場合、時間進行設定和調(diào)整，如可設定白天、夜間、休息日不同靈敏度。對探測器的使用環(huán)境參數(shù)變化較大的場所，靈敏度設定相對低一些，對環(huán)境較穩(wěn)定或一些重要的場所，靈敏度設定相對高一些，這一

12、功能可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，減少誤報。1.2 智能火災報警系統(tǒng) 火災自動報警系統(tǒng)屬于樓宇自動化范疇，是當前樓宇自動化的一個主要構(gòu)成系統(tǒng)。其設置目的是為了防止和減少火災危害，保護人身和財產(chǎn)安全。火災報警技術(shù)是預防火災的一項基礎工作，應用范圍廣泛。報警早，損失少，不僅對發(fā)生火災的單位和個人具有重要作用，而且對公安消防監(jiān)督機構(gòu)及時撲滅火災、減少人員傷亡和財產(chǎn)損失同樣具有十分重要的現(xiàn)實意義。 火災自動報警系統(tǒng)由觸發(fā)器件、火災報警裝置、火災警報裝置及具有其他輔助功能的裝置組成。隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，火災自動報警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、形式越來越靈活多樣，很難精確劃分為幾種固定的模式?；馂淖詣訄缶?/p>

13、術(shù)趨向于智能化系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可組合成任何形式的火災自動報警網(wǎng)絡形式，既可以是區(qū)域報警系統(tǒng)，又可以是集中報警系統(tǒng)或控制中心報警系統(tǒng)形式。 所謂智能火災自動報警系統(tǒng)，應當是：使用探測器件9將火災發(fā)生期間所產(chǎn)生的煙、溫等信號以模擬量形式，連同外界相關(guān)的環(huán)境參數(shù)一起傳送給報警器，報警器再根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)及內(nèi)部存儲的大量數(shù)據(jù)，利用火災模型判據(jù)來判斷火災是否存在，這樣的系統(tǒng)稱為智能火災自動報警系統(tǒng)。從傳統(tǒng)型走向智能型，是國內(nèi)外火災自動報警系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。智能型火災報警系統(tǒng)是一個集信號檢測、傳輸、處理和控制于一體的控制系統(tǒng)，代表了當前火災報警系統(tǒng)的發(fā)展方向。隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展以及國內(nèi)外經(jīng)濟的迅速增

14、長，市場上迫切需要一種容量大、性能優(yōu)越、可靠性高、便于安裝、使用和維護的智能型火災報警控制系統(tǒng)。在本次設計中采用了感煙效果好、靈敏度高的mq-2煙霧傳感器和ds18b20數(shù)字溫度傳感器來完成設計要求。 智能火災自動報警控制系統(tǒng)具有如下特點： （1）為全面有效地反映被監(jiān)視環(huán)境的各種細微變化，智能系統(tǒng)采用了設有專用芯片的模擬量探測器，對煙霧和灰塵等影響實施自動補償，同時有數(shù)字量的探測器，直接將采集的信號信息送入控制器進行自動處理，從而為實現(xiàn)各種智能特性、解決無災誤報和準確報警奠定了技術(shù)基礎； （2）系統(tǒng)采用主從式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，解決了對不同工程的適應性，又提高了運行的可靠性； （3）利用全總線計算機通信

15、技術(shù)，既完成了總線報警，又實現(xiàn)了總線聯(lián)動控制，徹底避免了控制輸出與執(zhí)行機構(gòu)之間的長距離穿線布管，大大方便了系統(tǒng)布線設計和現(xiàn)場施工。 （4）基于單片機的靈活性，可對整個系統(tǒng)進行擴展，實現(xiàn)更多的功能。1.3 課題研究的意義隨著生產(chǎn)和生活的迅猛發(fā)展，消防安全顯得越來越重要。本文就智能火災報警系統(tǒng)中探測器的選型及單片機聯(lián)動設計方案的合理選擇等問題，結(jié)合在實際工程中的應用，作初步探討，供參考。伴隨著科學技術(shù)的不斷進步，智能火災報警系統(tǒng)必將得到更快的發(fā)展。智能火災報警控制器是一種能向火災探測器供電、接收、顯示和傳遞火災報警等信號的報警裝置，它是智能火災報警系統(tǒng)的重要組成部分。在智能火災報警系統(tǒng)中，火災探測

16、器隨時監(jiān)視著周圍環(huán)境的情況，是系統(tǒng)的“感覺器官”?；馂膱缶刂破鲃t是該系統(tǒng)的“軀體”，“大腦”，是系統(tǒng)的核心?；馂膱缶刂破鲹撝鵀榛馂奶綔y器提供穩(wěn)定的工作電源;監(jiān)視探測器及系統(tǒng)自身的工作狀態(tài):接受、轉(zhuǎn)換、處理火災探測器輸出的報警信號:進行聲光報警；同時執(zhí)行相應輔助控制等任務。1.4 本章小結(jié)傳感器技術(shù)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，因其具有體積小、功耗低、功能強、成本低等特點正在向各個領(lǐng)域滲透，而單片機的應用正在隨著計算機在社會各個領(lǐng)域的滲透不斷地走向深入，將單片機與傳感器技術(shù)有機的結(jié)合起來，既方便了人們的日常生活，又推動了科學的發(fā)展。如今，將單片機技術(shù)恰當?shù)膽迷趥鞲衅骷夹g(shù)中，是技術(shù)進步的必然結(jié)果。第2

17、章 方案設計2.1 系統(tǒng)的主要功能及原理2.1.1 目的和要求本次設計是設計和實現(xiàn)一種分布式智能火災報警控制系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件的組成和實現(xiàn)。實時、準確報警和可靠的聯(lián)動控制，使系統(tǒng)可靠性高、靈活性強、人機界面友好。設計成果能對室內(nèi)煙霧(co2，co10，甲烷等)及溫度突變進行報警，煙霧和溫度同時出現(xiàn)異常，則說明有火災，發(fā)出火災警報。通過設計熟悉51單片機的使用方法、adc0809和ds18b20、mq-2傳感器11等芯片的工作原理及其使用，并通過keil12編程往單片機上下載程序，進而實現(xiàn)對外接在單片機上的電路控制報警系統(tǒng)，驅(qū)動揚聲器，達到預期效果。在智能火災報警系統(tǒng)設計過程中，根據(jù)設計要求編

18、寫程序，繪制protel13原理圖來達到設計的最優(yōu)化和理想化、實用化。2.1.2 系統(tǒng)的工作原理數(shù)據(jù)采集模塊a/d轉(zhuǎn)換模塊單片機主控處理模塊報警電路模塊 本文的智能火災報警系統(tǒng)14的工作，首先，通過數(shù)據(jù)采集模塊的mq-2煙霧傳感器采集周圍環(huán)境的煙霧濃度，經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換送到單片機控制中心進行處理；同時由ds18b20數(shù)字溫度傳感器采集周圍環(huán)境中的溫度，經(jīng)過信息處理，轉(zhuǎn)化為c5115單片機能夠處理的數(shù)字量。在stc89c5rc單片機中，采集并經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)要與系統(tǒng)所規(guī)定的相關(guān)上限值進行比較（上限值是保證系統(tǒng)正常工作同時周圍環(huán)境處于良好狀態(tài)時的上限），如果超過了上限值，則說明周圍環(huán)境異常，要報警，以便

19、人們的正常生活和工作。把信息綜合處理，根據(jù)實際的需要以及現(xiàn)場的環(huán)境，來發(fā)現(xiàn)和識別警報，構(gòu)成智能化的監(jiān)控系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。此系統(tǒng)的總體模塊框圖如圖1所示。圖2.1 模塊框圖2.2 系統(tǒng)芯片的選擇2.2.1 單片機的選擇單片機是本方案的靈魂，所以我們選擇是需要慎之又慎，下面我們來拿8031和stc89c5rc做一下比較。 8031片內(nèi)不帶程序存儲器rom，使用時用戶需外接程序存儲器和一片邏輯電路373，外接的程序存儲器多為eprom的2764系列。用戶若想對寫入到eprom中的程序進行修改，必須先用一種特殊的紫外線燈將其照射擦除，之后再可寫入。寫入到外接程序存儲器的程序代碼沒有什么保密

20、性可言。 由于上述類型的單片機應用的早，影響很大，已成為事實上的工業(yè)標準。后來很多芯片廠商以各種方式與intel公司合作，也推出了同類型的單片機，如同一種單片機的多個版本一樣，雖都在不斷的改變制造工藝，但內(nèi)核卻一樣，也就是說這類單片機指令系統(tǒng)完全兼容，絕大多數(shù)管腳也兼容；在使用上基本可以直接互換。我們統(tǒng)稱這些與8051內(nèi)核相同的單片機為51系列單片機。 在眾多的51系列單片機中，要算 atmel 公司的stc89c5rc更實用，因他不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4k程序存儲器是flash工藝的，這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫，一般專為 atmel at89cx

21、 做的編程器均帶有這些功能。顯而易見，這種單片機對開發(fā)設備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。寫入單片機內(nèi)的程序還可以進行加密，這又很好地保護了你的勞動成果。而且stc89c5rc目前的售價比8031還低，市場供應也很充足。 單對stc89c5rc來說，在實際電路中可以直接互換8051和8751，替換8031只是第31腳有區(qū)別，8031因內(nèi)部沒有rom，31腳需接地，單片機在啟動后就到外面程序存儲器讀取指令；而8051/8751/89c51因內(nèi)部有程序存儲器，31腳接高電平，單片機啟動后直接在內(nèi)部讀取指令。也就是51芯片的31腳控制著單片機程序從內(nèi)部讀取還是從外部讀取，31腳接電源，程序從內(nèi)部讀取

22、，31腳接地，程序從外部讀取，其他無須改動。另外，stc89c5rc替換8031后因不用外存儲器，不必安裝原電路的外存儲器和373芯片。由于內(nèi)部ram的存在，可以減少i/o擴展芯片、鎖存器及片外ram等等，使整個設計顯得簡單明了，所以我們選擇stc89c5rc。 2.2.2 a/d轉(zhuǎn)換器的選擇 a/d轉(zhuǎn)換器的種類很多，就位數(shù)來分，有8位、10位、12位、16位等。位數(shù)越高，其分辨率也越高，但價格也越貴。而就其結(jié)構(gòu)而言，有單一的a/d轉(zhuǎn)換器，有內(nèi)含多路開關(guān)的a/d轉(zhuǎn)換器。根據(jù)本設計的需要，我選擇的a/d轉(zhuǎn)換器是adc0809芯片。adc0809是美國analog device公司生產(chǎn)的8位逐次逼

23、近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率高，自帶三態(tài)輸出緩沖電路，可直接與各種典型的8位或16位的微處理器相連而無需附加邏輯接口電路，且能與cmos及ttl兼容，是目前我國應用最廣泛，價格便宜的a/d轉(zhuǎn)換器。加之內(nèi)部含有三態(tài)輸入緩沖電路，可直接與各種微處理器連接，且無須附加邏輯接口電路，內(nèi)部設置的高精參考電壓源和時鐘電路，使它不需要任何外部電路和時鐘信號，就能完成a/d轉(zhuǎn)換功能，應用非常方便。2.2.3 煙霧傳感器的選擇 煙霧檢測報警器主要應用在石油、化工、冶金、油庫、液化氣 站、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃煙霧泄漏的場所，根據(jù)報警器檢測煙霧 種類的要求，一般選用接觸燃燒式煙霧傳感器和半導體煙霧傳感器。 使用接觸燃燒

24、式傳感器，其探頭的阻緩及中毒，是不可避免的問題。 阻緩是當在煙霧與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下，則有可能在無焰燃燒的同時，有些固態(tài)物質(zhì)附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應緩慢反應滯緩，靈敏度降低。雖然將阻緩的傳感器再放回新鮮空氣環(huán)境中有得到某種程度的恢復的可能，但是如果長期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會不斷下降，導致傳感器最終喪失檢測煙霧的能力。中毒是如果環(huán)境空氣中含有硅烷之類的物質(zhì)時，則傳感器將 使催化元件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的中毒，以致靈敏度很快就喪失。當懷疑檢測環(huán) 境中存在這些物質(zhì)時，經(jīng)常對探頭進行標定，是必須且有效的辦法。 因此，經(jīng)常對傳感器進行標定，是保證其準確性的

25、必要的途徑。一般連續(xù)使用兩個月后應對傳感器進行量程校準，這種經(jīng)常性對傳感器的維護，無形中加大了工作人員的工作量，同時增加了報警器的維護成本。 半導體煙霧傳感器包括用氧化物半導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體器件制作的煙霧傳感器，它具有靈敏度高， 響應快、體積小、結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、價格便宜等優(yōu)點，因而得到廣泛應用。半導體煙霧傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性(抗干擾性)和穩(wěn) 定性(使用壽命)。 經(jīng)過對比上述兩種煙霧傳感器的應用特性，發(fā)現(xiàn)半導體煙霧傳感器的優(yōu)點更加突出：靈敏度高、響應快、抗干擾性好、使用方便、價格便宜，且不會發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護成本較低等。因此，本設計

26、采用半導體煙霧傳感器作為報警器煙霧信息采集部分的核心。而在眾多半導體氣體傳感器中，本設計選用mq-2型煙霧傳感器，這種型號的傳感器不但具備一般半導體煙霧傳感器靈敏度高、響應快、抗干擾能力強、壽命長等優(yōu)點。 2.2.4 溫度傳感器的選擇 溫度傳感器，使用范圍廣，數(shù)量多，居各種傳感器之首。溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下3個階段： 1.傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器（含敏感元件），主要是能夠進行非電量和電量之間轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器如熱電偶傳感器。熱電偶傳感器是工業(yè)測量中應用最廣泛的一種溫度傳感器，它與被測對象直接接觸，不受中間介質(zhì)的影響，具有較高的精度；測量范圍廣，可從-501600進行連續(xù)測量,特

27、殊的熱電偶如金鐵鎳鉻，最低可測到-269，鎢錸最高可達2800。 2.模擬集成溫度傳感器/控制器。它的主要特點是功能單一（僅測量溫度）、測溫誤差小、價格低、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等，適合遠距離測溫，不需要進行非線性校準，外圍電路簡單。 3.智能溫度傳感器。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式想數(shù)字式、集成化向智能化及網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。 溫度傳感器按傳感器與被測介質(zhì)的接觸方式可分為兩大類：一類是接觸式溫度傳感器，一類是非接觸式溫度傳感器。接觸式溫度傳感器的測溫元件與被測對象要有良好的熱接觸，通過熱傳導及對流原理達到熱平衡，這是的示值即為被測對象的溫度。這種測溫方法精度比較高，并可

28、測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對于運動的、熱容量比較小的及對感溫元件有腐蝕作用的對象，這種方法將會產(chǎn)生很大的誤差。 非接觸測溫的測溫元件與被測對象互不接觸。常用的是輻射熱交換原理。此種測穩(wěn)方法的主要特點是可測量運動狀態(tài)的小目標及熱容量小或變化迅速的對象，也可測量溫度場的溫度分布，但受環(huán)境的影響比較大。綜合以上，我選擇數(shù)字溫度傳感器ds18b20。該產(chǎn)品采用美國dallas公司生產(chǎn)的 ds18b20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。ds18b20一線總線數(shù)字式傳感器，獨特的單線接口僅需一個端口引腳進行通訊，用戶可

29、定義的非易失性溫度報警設置 。現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持3v5.5v的電壓范圍，使系統(tǒng)設計更靈活、方便。而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小。 2.3 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖 光報警蜂鳴器報警4分頻電路mq-2煙霧傳感器ds18b20溫度傳感器adc0809stc89c52rc 單片機圖2.2 智能火災報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖2.4 本章小結(jié) 本章主要介紹了系統(tǒng)傳感器和控制芯片的選擇。本設計首要的一個關(guān)鍵任務就是掌握傳感器的工作方法及編碼和解碼，才能完成對火災信號的接收，即在了解傳感器的是使用方法后，將傳感

30、器技術(shù)應用到單片機中，發(fā)出控制指令，然后實現(xiàn)報警。第3章 硬件模塊設計在本設計中，最小單片機系統(tǒng)設計選用了stc89c51rc單片機進行控制。下面就將各個部分電路設計給予介紹。3.1 單片機主控處理模塊stc89c5rc是美國atmel公司生產(chǎn)的低電壓，高性能cmos8位單片機。片內(nèi)含4k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（perom）和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準mcs-51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（cpu）和flash存儲單元，功能強大stc89c5rc單片機可為您提供許多高性價比的應用場

31、合，可靈活應用于各種控制領(lǐng)域。3.1.1 主要性能參數(shù)： stc89c5rc單片機主要包括中央處理器、定時/計數(shù)器、并行接口、程序存儲器(rom)、數(shù)據(jù)存儲器(ram)、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線三大總線。 (1)中央處理器 中央處理器(cpu)是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼，cpu負責控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。 (2)定時/計數(shù)器(rom)： stc89c5rc有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。 (3)并行輸入輸出(i/o)口：

32、 stc89c5rc共有4組8位i/o口(p0、 p1、p2或p3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。 (4)程序存儲器(rom)： stc89c5rc共有4096個8位掩膜rom，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。 (5)數(shù)據(jù)存儲器(ram) stc89c5rc內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的ram只有128個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。 (6)全雙工串行口： stc89c5rc內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間串行數(shù)據(jù)傳送，該串行

33、口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當同步移位器使用。 (7)中斷系統(tǒng)： stc89c5rc具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。stc89c5rc單片機中的芯片均采用40pin封裝的雙列直接dip結(jié)構(gòu)，如圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個i/o口，中斷口線與p3口線復用。 圖3-1 stc89c5rc管腳圖引腳的功能加以說明：p0口：p0口是一組8位漏極開路型雙向i/o口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能驅(qū)動8個ttl邏輯門電路，對端口

34、寫“l(fā)”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在f1ash編程時，p0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。 p1口：p1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4ttl門電流。p1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在flash編程和校驗時，p1口作為第八位地址接收。 表3-1 p1口第二功能引腳號第二功能p1.5mosi（在系統(tǒng)編程用）p1.6miso（在系統(tǒng)編程用）

35、p1.7sck（在系統(tǒng)編程用） p2口：p2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個ttl門電流，當p2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。p2口在flash編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 p3口：p3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個ttl門電流。當p3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。p3口除了作為一般的i/o口線外，更重要的用途是他的第二功能，見表3-2。表3-2 p3口第二功能引腳號第二功能p3.0rxd（串行輸

36、入）p3.1txd（串行輸出）p3.2int0（外部中斷0）p3.3int0（外部中斷0）p3.4t0（定時器0外部輸入）p3.5t1（定時器1外部輸入）p3.6wr（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）p3.7rd（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） rst：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持rst腳兩個機器周期的高電平時間。 ale/prog：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在平時，ale端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。：外部程序存儲器選通信號（）是外部程序存儲器選通信號，當at89s51從外部程序存儲器執(zhí)

37、行外部代碼時，在每個機器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將不被激活。 /vpp：訪問外部程序存儲器控制信號，當保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000h-ffffh），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，將內(nèi)部鎖定為reset；當端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在flash編程期間，此引腳也用于施加12v編程電源（vpp）。為使能從0000h到ffffh的外部程序存儲器讀取指令，必須接gnd。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，應該接vcc。 xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 xtal2：來自反向振蕩器的輸出。 reset/vpd：復位信號復用腳，當s

38、tc89c5rc通電，時鐘電路開始工作，在reset引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平系統(tǒng)即初始復位。vcc掉電其間，此腳可接備用電源，以保證單片機內(nèi)部ram的數(shù)據(jù)不丟失。 pin30:ale當訪問外部程序器時，ale(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問內(nèi)部程序存儲器時，ale端將有一個1/6時鐘頻率的正脈沖信號，這個信號可以用于識別單片機是否工作，也可以當作一個時鐘向外輸出。 pin29:當訪問外部程序存儲器時，此腳輸出負脈沖選通信號，pc的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在p0和p2口上，外部程序存儲器則把指令數(shù)據(jù)放到p0口上，由cpu讀入并執(zhí)行。 pin31:ea/vpp程序存儲器的內(nèi)

39、外部選通線，8051和8751單片機，內(nèi)置有4kb的程序存儲器，當ea為高電平并且程序地址小于4kb時，讀取內(nèi)部程序存儲器指令數(shù)據(jù)，而超過4kb地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。在編程時，ea/vpp腳還需加上21v的編程電壓。 vcc：電源電壓 gnd：地3.1.2 功能特性概述： stc89c5rc提供以下標準功能：4k字節(jié)flash閃存存儲器，128字節(jié)內(nèi)部ram，32個i/o口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，stc89c5rc可降至0hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止cpu的工作，但允許ram，

40、定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存ram中的內(nèi)容。但振蕩器停止工作并禁止其它所有工作直到下一個硬件復位。3.1.3 工作特性 (1) 時鐘振蕩器stc89c5rc中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳xtal1和xtal2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路參見圖3-2。圖3-2 振蕩電路外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容c1、c2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路，對外電容c1、c2雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序

41、及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，我們推薦電容使用30pf（±10pf）。用戶也可以采用外部時鐘。此時，外部時鐘脈沖接xtal1端，即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端，xtal2則懸空。 由于外部時鐘信號是通過一個2分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊要求，電腦最小高電平持續(xù)時間和最大的低電平持續(xù)時間應符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。 (2) 復位電路復位電路是單片機系統(tǒng)必須的，用來為單片機提供正確的復位信號。在整個智能火災報警系統(tǒng)設計中，要進行試驗，必須對整個系統(tǒng)進行復位。復位是單片機的初始化操作。單片機系統(tǒng)在上電啟動運行時，都需要先復位。其作用是是cpu和系統(tǒng)中其它部件

42、都處在一個確定的初始條件，并從這個狀態(tài)開始工作。因而，復位時一個很重要的操作方式。但單片機本身是不能進行復位操作的，必須配合相應的外部復位電路來實現(xiàn)復位。單片機的外部復位電路有上電復位和上電和按鍵均有效的復位方式兩種。圖3-3是stc89c5rc的上電和按鍵復位電路。 圖3-3 stc89c5rc的上電和按鍵復位電路3.2 a/d轉(zhuǎn)換模塊 在智能火災報警系統(tǒng)設計中，由于c51單片機只能處理數(shù)字量，而煙霧傳感器采集到的信號確實模擬量，所以要加入a/d轉(zhuǎn)換芯片adc0809芯片。3.2.1 adc0809芯片的基本知識 adc0809是帶有8位a/d轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機兼容的控制邏輯的

43、cmos組件。它是逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器，可以和單片機直接接口。adc0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖3-4。d0d1d2d3d4d5d6d7eocclkstoe三態(tài)輸出鎖存器8路a/d轉(zhuǎn)換器vref-vref+)abcalee地址鎖存與譯碼器8路模擬量開關(guān)in0in1in2in3in4in5in6in7圖3-4 adc0809內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)由上圖可知，adc0809由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個a/d轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用a/d轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存a/d轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當oe端為高電平時，才可以從三態(tài)輸

44、出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。 3.2.2 adc0809引腳結(jié)構(gòu) 由圖可知adc0809為28引腳為雙列直插式封裝。引腳結(jié)構(gòu)圖如圖3-5所示。圖3-5 adc0809引腳結(jié)構(gòu)圖 對adc0809主要信號引腳的功能說明如下： in7in0模擬量輸入通道。ale地址鎖存允許信號。ale上跳沿，a、b、c地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。 start轉(zhuǎn)換啟動信號。start上升沿時，復位adc0809；start下降沿時啟動芯片，開始進行a/d轉(zhuǎn)換；在a/d轉(zhuǎn)換期間，start應保持低電平。本信號有時簡寫為st。 a、b、c地址線。 通道端口選擇線，a為低地址，c為高地址，引腳圖中為adda，addb和add

45、c。 clk時鐘信號。adc0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。通常使用頻率為500khz的時鐘信號。 eoc轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。eoc=0,正在進行轉(zhuǎn)換；eoc=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標志，又可作為中斷請求信號使用。 d7d0數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機的數(shù)據(jù)線直接相連。d0為最低位，d7為最高。 oe輸出允許信號。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。oe=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；oe=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。 vcc+5v電源。 vref參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基準。其典

46、型值為+5v(vref(+)=+5v, vref(-)=-5v)。3.2.3 主要特性 (1)8路輸入通道，8位ad轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。(2)具有轉(zhuǎn)換起停控制端。 (3)轉(zhuǎn)換時間為100s。 (4)單個5v電源供電。 (5)模擬輸入電壓范圍05v，不需零點和滿刻度校準。 (6)工作溫度范圍為-4085攝氏度。 (7)低功耗，約15mw。3.2.4 adc0809的工作原理簡介 adc0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是05v，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 adc0809的工作過程是：首先輸入3

47、位地址，并使ale=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。start上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 a/d轉(zhuǎn)換，之后eoc輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行。直到a/d轉(zhuǎn)換完成，eoc變?yōu)楦唠娖?，指示a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當oe輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。adc0809有4條地址輸入和控制線。ale為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ale線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將a，b，c三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。a，b和c為地址輸入線，用

48、于選通in0in7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表所示。cba選擇的通道000in0001in1010in2011in3100in4101in5110in6111in7 由于clk的時鐘脈沖選用的是500khz，所以需要把單片機ale產(chǎn)生的2mhz的脈沖進行4分頻，接到adc0809的clk管腳。分頻我用的是74ls74芯片。74ls74是一個邊沿觸發(fā)器數(shù)字電路器件，每個器件中包含兩個相同的、相互獨立的邊沿觸發(fā)d觸發(fā)器電路模塊。內(nèi)部管腳連接圖如圖3-7所示。引腳介紹：11端與3端為原時鐘輸入端，5端和9端為變換后的時鐘輸出端，2端和6端聯(lián)接，8端和12端聯(lián)接，7端接電源負極，14端接電源正

49、極。分頻電路如下圖3-7所示。 圖3-7 4分頻電路 3.2.5 adc0809應用說明 （1）adc0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與at89s51單片機直接相連。 （2）初始化時，使st和oe信號全為低電平。 （3）送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到a，b，c端口上。 （4）在st端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。 （5）是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)eoc信號來判斷。 （6）當eoc變?yōu)楦唠娖綍r，這時給oe高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機了。3.3 數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集模塊是用來采集周圍環(huán)境中的有用信息，以便單片機進行處理。這個模塊主要包括兩個小模塊：煙霧報警器模塊和溫度報警器模塊。3.3.1

50、 煙霧報警器模塊此模塊使用的是mq-2煙霧報警器，是半導體型可燃氣體敏感元件煙霧傳感器。傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(sno2)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。圖1是傳感器典型的靈敏度特性曲線。圖1圖中縱坐標為傳感器的電阻比（rs/ro），橫坐標為氣體濃度。rs 表示傳感器在不同濃度氣體中的電阻值；ro 表示傳感器在1000ppm 氫氣中的電阻值；圖中所有測試都是在標準試驗條件下完成的。 圖2是傳感器典型的溫度、濕度特性曲線。圖2圖中縱坐標是傳感器

51、的電阻比（rs/ro）。rs表示在含1000ppm 丙烷、不同溫/濕度下傳感器的電阻值；ro表示在含1000ppm 丙烷、20/65%rh環(huán)境條件下傳感器的電阻值 圖3是傳感器的基本測試電路。vcvhgndrlvrl圖3 該傳感器需要施加2個電壓：加熱器電壓（vh）和測試電壓（vc）。其中vh用于為傳感器提供特定的工作溫度。vc 則是用于測定與傳感器串聯(lián)的負載電阻（rl）上的電壓（vrl）。這種傳感器具有輕微的極性，vc需用直流電源。在滿足傳感器電性能要求的前提下，vc和vh可以共用同一個電源電路。為更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當?shù)膔l值。mq-2氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖所示(結(jié)構(gòu)a or

52、 b),由微型al2o3陶瓷管、sno2敏感層,測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個用于信號取出，2個用于提供加熱電流。aabb mq-2的使用規(guī)格：a. 標準工作條件符號參數(shù)名稱技術(shù)條件備注 vc回路電壓15vac or dc vh加熱電壓5.0v±0.2 vac or dc rl負載電阻可調(diào) rh加熱電阻31±3室溫 ph加熱功耗900mw b. 環(huán)境條件符號參數(shù)名稱技術(shù)條件備注 tao使用溫度-10-50 tas儲存溫度-20-70 rh相對濕度小于95%rh o2

53、氧氣濃度21%(標準條件)氧氣濃度會影響靈敏度特性最小值大于 c. 靈敏度特性符號參數(shù)名稱 技術(shù)參數(shù)備注rs敏感體表面電阻 3k-30k (1000ppm 異丁烷 )探測濃度范圍100ppm-10000ppm300ppm-5000ppm 丁烷5000ppm-20000ppm 甲烷300ppm-5000ppm 氫氣(3000/1000) 異丁烷濃度斜率 0.6標準工作條件溫度： 20±2 vc:5.0v±0.1v相對濕度： 65%±5% vh: 5.0v±0.1v預熱時間 不超過1小時3.3.2 溫度報警器模塊此模塊采用的是ds18b20數(shù)字溫度傳感器。1

54、. ds18b20單線數(shù)字溫度計 （1）適應電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5v，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。 （2）獨特的單線接口方式，ds18b20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與ds18b20的雙向通訊。 （3）ds18b20支持多點組網(wǎng)功能，多個ds18b20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。 （4）ds18b20在使用中不需要任何外圍元件，全部 傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。 （5）溫度范圍-55+125，在-10+85時精度±0.5。 （6）可編程分辨率為912位，對應的可分辨溫度為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實現(xiàn)高精度測溫。 （7）在9位分辨率時最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。 （8）測量結(jié)果直接輸出數(shù)字信號，以“一線總線”串行傳送給cpu，同時可傳送crc校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。 （9）負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 2. dsl8b20的引腳，如右圖所示。 gnd：接地管腳 dq：