火災報警系統(tǒng)硬件設計

PAGEPAGE7本科畢業(yè)設計論文題目：火警報警院、系：學科專業(yè)：學生：學號：指導教師：2006年06月摘要火警報警摘要目前，隨著電子產(chǎn)品在人類生活中的使用越來越廣泛，由此引起的火災也越來越多，在我們生活得四周到處潛伏著火災隱患。為了避免火災以及減少火災造成的損失，我們必須按照“隱患險于明火，防患勝于救災，責任重于泰山”的概念設計和完善火災自動報警系統(tǒng)，將火災消滅在萌芽狀態(tài)，最大限度地減少社會財富的損失。本系統(tǒng)適合用于家用火災報警，它負責不斷地向所監(jiān)視的現(xiàn)場發(fā)車巡檢信號，監(jiān)視現(xiàn)場的煙霧濃度，并不斷反饋給報警控制器，控制器將接到的信號與內(nèi)存的正常整定值比較、判斷確定火災。當發(fā)生火災時，可實現(xiàn)聲光報警、故障自診斷、濃度顯示、報警限設置等，是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便、價格低廉、智能化的煙霧傳感器，具有一定的實用價值。關鍵詞：單片機家用火災報警傳感器AbstractFirealarmAbstractComparedwithtraditionalwatersupplymethods,varied-frequencyandspeed-adjustabletechnologyisgoodwaywiththemeritssuchaslowcost,easytobeused,andsavingsupplyenergy.Aconstantpressurewatersupplysystembasedonthevaried-frequencyisdiscussed.Thesystemtakesthepipenetworkhydraulicpressureasthehypothesisparameter.Thespeedofpumpelectricalmachineisregulatedbycontrollingtheoutputofthevaried-frequency.Basedonthetechnology,thepipenetworkhydraulicpressureisautomaticallystabilizedontheexpectation.Thewatersupplysystemnotonlyresolvestheshortcomingsofthetraditionalwatersupplysystems,italsoisthebestwatersupplysystemofthemodernizedbuildings.Keywords:ConstantPressurewatersupply,Transducer,Single-chipmicroprocessor主要符號表主要符號表電阻單位電容單位電源效率電感單位電壓長度紅外功率西安工業(yè)大學學士學位論文目錄摘要 ⅠAbstract Ⅱ主要的符號表 Ⅲ1緒論 11.1課題提出的背景和意義 11.2國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 22火警報警系統(tǒng)的工作原理 42.1系統(tǒng)的總體功能描述 42.2火災報警系統(tǒng)的類型 42.3火災報警系統(tǒng)的原理 53主要芯片的選擇 73.1核心芯片的選擇 73.2溫度傳感器的選擇 83.3煙霧傳感器的選擇 83.4串口芯片的選擇 93.3AD轉(zhuǎn)換芯片 94各單元電路的設計 114.1主控電路的設計 114.2溫度采集電路 134.3煙霧模塊設計 154.4顯示電路的設計 164.5AD轉(zhuǎn)換電路 164.6聲光報警電路 174.7串口通信電路 184.8整體電路說明 18總結(jié) 21致謝 22參考文獻 231緒論1緒論1．1課題提出的背景和意義在各種災害中，火災是最經(jīng)常、最普遍地威脅公眾安全和社會發(fā)展的主要災害之一。火災是世界上發(fā)生頻率較高的一種災害，幾乎每天都有火災發(fā)生。據(jù)聯(lián)合國“世界火災統(tǒng)計中心(WFSC)2000統(tǒng)計資料”，全球每年大約發(fā)生火災600萬至700萬次，全球每年死于火災的人數(shù)約為65000至75000人。其中，歐美地區(qū)發(fā)生的火災較多，死亡人數(shù)卻相對較少，這與歐美發(fā)達國家的生活水平以及消防技術和設施有關;相比較而言，亞洲地區(qū)發(fā)生火災次數(shù)較少，但死亡人數(shù)較多，這與亞洲經(jīng)濟發(fā)展程度不高、消防設施不完善等因素有關。據(jù)統(tǒng)計，我國70年代火災年平均損失不到2.5億元，80年代火災年平均損失接近3.2億元。進入90年代，特別是1993年以來，火災造成的直接財產(chǎn)損失上升到年均十幾億元，年均死亡2000多人。隨著經(jīng)濟和城市建設的快速發(fā)展，城市高層、地下以及大型綜合性建筑日益增多，火災隱患也大大增加，火災發(fā)生的數(shù)量及其造成的損失呈逐年上升趨勢。一旦發(fā)生火災，將對人的生命和財產(chǎn)造成極大的危害[7]。嚴峻的事實證明，隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，社會財富日益增加，火災給人類、社會和自然造成的危害范圍不斷擴大，它不僅毀壞物質(zhì)財產(chǎn)，造成社會秩序的混亂，還直接危脅生命安全，給人們的心靈造成極大的傷害。殘酷的現(xiàn)實讓人們逐漸認識到監(jiān)控預警和消防工作的重要性，良好的監(jiān)控系統(tǒng)和及時的報警機制可以大大降低人員的傷亡，為社會減少不必要的損失[8]。火災自動報警系統(tǒng)(FAS)就是為了滿足這一需求而研制出的，并且其自身的技術水平也在隨著人們需求的不斷地提高，在功能、結(jié)構(gòu)、形式等方面不斷地完善。火災自動報警系統(tǒng)能迅速監(jiān)測火情，可發(fā)現(xiàn)人們不易發(fā)覺的火災早期特征，可將火災帶來的生命財產(chǎn)損失降到最低限度。火災發(fā)生的早期，會使得燃燒物質(zhì)分解，析出大量的有毒氣體CO，人們可能在毫無察覺火情的情況下就發(fā)生了CO中毒，從而無力逃生，火災自動報警系統(tǒng)可監(jiān)測到CO濃度的變化，為人們提供CO濃度超標報警信息，通知人們及時疏散[9]?；馂淖詣訄缶到y(tǒng)可作為城市消防系統(tǒng)的單元，通過城市消防專用網(wǎng)與城市消防報警中心聯(lián)網(wǎng)，及時將報警信息傳遞到消防報警中心，城市消防報警中心會自動查找到火災發(fā)生的位置，并為消防隊員制定消防路線圖，以便消防隊員可以迅速抵達火災地點。火災自動報警系統(tǒng)能對火災進行實時監(jiān)測和準確報警，有著防止和減少火災危害、保護人身安全和財產(chǎn)安全的重要意義，有著很大的經(jīng)濟效益和社會效益。1.2國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀根據(jù)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的突發(fā)性、立體性和區(qū)域不確定性,使攻防界線模糊,作戰(zhàn)方向多變,戰(zhàn)火災自動報警系統(tǒng)已有百余年的發(fā)展歷史，19世紀40年代美國誕生的火災報警裝置標志著火災自動報警系統(tǒng)首次進入人們的視野[1]。1890年在英國，感溫式火災探測器研制成功并應用于火災探測系統(tǒng)，標志著火災自動報警系統(tǒng)的發(fā)展走上正軌[2]。此后，隨著世界科技取得了突飛猛進的進步和各種新興技術的出現(xiàn)和發(fā)展，火災監(jiān)測技術也相應迅速發(fā)展，各種類型的火災探測器相繼問世，并日臻完善，火災自動報警系統(tǒng)也在此基礎上逐漸地蓬勃發(fā)展起來，其發(fā)展過程可以分為以下幾個階段:第一階段，從19世紀40年代至20世紀40年代，火災報警系統(tǒng)處于發(fā)展的初級階段，采用的探測器主要是感溫式的探測器，它通過采集溫度信號，然后判定是否超出設定的閡值，從而判斷是否有火災發(fā)生。這一階段，火災報警系統(tǒng)簡單，僅靠單一的溫度參量進行火災判斷。但是它易受環(huán)境中其他干擾源的影響，靈敏度低，響應速度慢，無法判斷陰燃火災，也無法滿足智能化火災報警系統(tǒng)的要求。第二階段，20世紀40年代末，瑞士物理學家EmstMeili研究的離子感煙探測器推出以后，引起了人們對離子感煙探測器的重視，隨后感煙探測器得到廣泛應用，并逐漸占據(jù)了絕大部分市場，迫使感溫式探測器退居其次；到70年代末，光電式感煙探測器在光電技術的基礎上發(fā)展起來，并很快得到大力發(fā)展，它的使用壽命長，抗干擾能力強，沒有離子感煙探測器的放射性問題。在這一階段，火災報警系統(tǒng)普遍采用多線制布局方式，布線、調(diào)試、系統(tǒng)可靠性是系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。第三階段，20世紀80年代初期，總線型火災報警系統(tǒng)開始興起，在火災報警領域中邁出了一大步，并得到了較普遍的應用。它使得布線工作量顯著減少，安裝調(diào)試更加容易，更能精確報警定位。但是這一時期的火災報警系統(tǒng)的智能化水平不高，采用有線連接對工程要求高。第四階段，從20世紀80年代中后期開始，隨著計算機技術、控制技術、集成電路技術、傳感器技術及智能技術的快速發(fā)展，火災自動報警系統(tǒng)步入智能化時代，智能化火災報警系統(tǒng)迅速發(fā)展起來，各種智能型的火災自動報警系統(tǒng)相繼出現(xiàn)。模擬量可尋址技術的應用使得火災報警系統(tǒng)的安全性、精準性和智能性有了很大提高，在火災自動報警系統(tǒng)發(fā)展史上具有里程碑的意義[3]。近年來，采用無線通信方式的火災自動報警系統(tǒng)在國外悄然興起。這種系統(tǒng)引入了無線電通信技術，利用無線通信方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線通信方式，將大多的電器裝置通過無線連接方式進行信息傳輸與控制，適用于各類建筑和場所。無線火災自動報警系統(tǒng)起初僅用于特殊場合，如博物館、名勝古跡等不宜布線的場合，而且其價格也比較高。隨著科技進步和元器件成本的降低，無線火災自動報警系統(tǒng)的研發(fā)和生成成本也隨之降低，它在性能和價格上都具有很強的競爭力，其市場潛力已經(jīng)嶄露頭角。在我國，采用的無線通信方式的火災自動報警系統(tǒng)日益受到重視。由于其具有安裝簡便、對建筑物無損壞作業(yè)、靈活性好，易于擴展等優(yōu)點，適用于許多場合，如名勝古跡、體育館、博物館、展覽中心、處于施工階段的建筑物、醫(yī)院等?；馂淖詣訄缶到y(tǒng)的智能性主要體現(xiàn)在火災判決和統(tǒng)籌管理方面，一般分為分散式、集中式和分布式，分散式系統(tǒng)由非智能型控制器若干智能型探測節(jié)點組成，由探測節(jié)點完成火災狀態(tài)的判斷;集中式系統(tǒng)由智能型控制器和若干非智能探測節(jié)點構(gòu)成，探測節(jié)點僅將火災參量傳送給控制器，由控制器智能地判斷火災狀態(tài)；分布式系統(tǒng)的控制器和探測節(jié)點均為智能型，也是今后火災自動報警系統(tǒng)的發(fā)展方向。2火災自動報警系統(tǒng)的工作原理2火災自動報警系統(tǒng)的工作原理2．1系統(tǒng)的總體功能描述傳感器放大電路A/D轉(zhuǎn)換單片機狀態(tài)指示燈聲音報警傳感器放大電路A/D轉(zhuǎn)換單片機狀態(tài)指示燈聲音報警顯示按鍵串口通信傳感器放大電路傳感器放大電路A/D轉(zhuǎn)換單片機狀態(tài)指示燈聲音報警顯示按鍵串口通信2．2火災報警系統(tǒng)的類型根據(jù)火災報警系統(tǒng)中所使用的探測器種類的不同，火災報警系統(tǒng)可以分為以下四種：（1）感溫型火災報警系統(tǒng)由于火災發(fā)生時燃燒物會產(chǎn)生大量的熱量，使得周圍溫度迅速變化。感溫型火災報警系統(tǒng)就是通過判斷周圍溫度變化而產(chǎn)生響應的火災報警系統(tǒng)，再把溫度的變化轉(zhuǎn)換為電信號以達到判斷報警的目的。根據(jù)探測溫度參數(shù)的不同，一般可以將感溫型火災報警系統(tǒng)分為定溫式、溫差式等幾種。(2)感煙型火災報警系統(tǒng)煙霧是早期火災的重要特征之一。在火災發(fā)生的初期，由于溫度比較低，許多物質(zhì)都處于陰燃階段，產(chǎn)生大量的煙霧。感煙型火災報警系統(tǒng)就是對空氣中可見或不可見的煙霧粒子進行探測，然后將煙霧濃度的變化轉(zhuǎn)換為電信號來觸發(fā)報警。感煙型火災報警系統(tǒng)主要有激光感煙式、光電感煙式和離子感煙式等。（3）感光型火災報警系統(tǒng)物質(zhì)燃燒不但會產(chǎn)生煙霧和熱量，同時也會產(chǎn)生可見或不可見的光輻射。感光型火災報警系統(tǒng)就是通過響應火災中產(chǎn)生的光特性，即擴散火焰的光強度和閃爍頻率，來觸發(fā)報警系統(tǒng)的。根據(jù)感應的敏感波長，可以將感光型火災報警系統(tǒng)分為對波長較短的光輻射敏感的紫外報警系統(tǒng)和對波長較長的光輻射敏感的紅外報警系統(tǒng)。（4）復合型火災報警系統(tǒng)如果報警系統(tǒng)同時對溫度、煙霧和光輻射中的兩種或兩種以上參數(shù)做出響應，那么它就是復合型火災報警系統(tǒng)。目前復合型火災報警系統(tǒng)有感溫感煙型、感煙感光型、感溫感光型等多種形式。2.3火災探測器的原理火災發(fā)生時，必然會伴隨著產(chǎn)生煙霧、高溫和火光，探測器對這些都很敏感。當有煙霧、高溫、火光產(chǎn)生的時候，它就改變平時的正常狀態(tài)，引起電流、電壓或機械部分發(fā)生變化或位移，再通過放大、傳輸?shù)冗^程發(fā)出警報聲，有的還能同時發(fā)出燈光信號并顯示發(fā)生火災的部位、地點?；馂奶綔y器主要分感煙、感溫、光輻射三大類：（1）感煙探測器。一種是離子感煙探測器，它在內(nèi)外電離室里面有放射源镅241，電離產(chǎn)生的正負離子，在電場的作用下各向正負電極移動。在正常的情況下，內(nèi)外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。一旦有煙霧竄逃外電離室，干擾了帶電粒子的正常運動，電流、電壓就有所改變，破壞了內(nèi)外電離室之間的平衡，于是就發(fā)出了信號。還有一種叫光電感應探測器，它有一個發(fā)光元件和一個光敏元件，平常光源發(fā)出的光，通過透鏡射到光敏元件上，電路維持正常，如果有煙霧從中阻隔，到達光敏元件上的光就顯著減弱，于是光敏元件就把光強的變化變成電的變化，通過放大電路向人們報警。還有一種叫管道抽吸式感煙探測器，他的工作原理與光電感應探測器中另一種散射型相似，通過煙霧的反射或散射產(chǎn)生光敏電流，主要用在船舶上。近年來還出現(xiàn)了激光感煙探測器，它也是利用光電感應原理，不同的是光源改用激光束。這種探測器采用半導體器件，體積小、價格低、耐震動、壽命長，很有發(fā)展前途。（2）感溫探測器。一種是運用金屬熱脹冷縮的特性。正常的情況下，探測器的電路斷開，當溫度升到一定值時，由于金屬膨脹、延伸，導體接通，于是發(fā)出了信號。一種是利用某些金屬易熔的特性，在探測器里固定一塊低熔點合金，當溫度升到它的熔點（70～90℃）時，金屬熔化，借助彈簧的作用力，使觸頭相碰，電路接通，發(fā)出信號。這兩種探測器都屬定溫型，即當外界溫度超過某一限值時就會報警；還有一類是差溫型，升溫的速度超過特定值時，便會感應報警。如將兩者結(jié)合起來，便成為差定溫組合式。（3）光輻射探測器。一種是紅外光輻射探測器。物質(zhì)在燃燒時，由化學反應產(chǎn)生閃爍的紅外光輻射使硫化鉛紅外光敏元件感應，轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)放大后，就能向人們報警。另一種是紫外光輻射探測器，則利用有機化合物燃燒時，火光中的紫外光，使紫外光敏管的電極激發(fā)出離子，通過繼電器等，就能打開開關電路報警?；馂膱缶魇侵匾陌踩O備，一切重要的場所，如大型物資倉庫、隧道、大型船舶、高層建筑都應該安裝。它還可以與自動滅火設備一起組成自動報警、自動滅火的“自動消防隊”。3主要芯片的選擇3主要芯片的選擇3.1核心芯片選擇1.芯片AT89C51在火災報警器的設計中，單片機是其核心部件。它一方面要接收來自傳感器送來的溫度、煙霧對應的模擬信號和故障檢測信號，另一方面要對這兩種信號分別進行處理，以控制后續(xù)電路進行相應動作；與此同時查詢是否有鍵按下的請求。在單片機完成這些工作的過程中，尤其是信號處理中，比較濃度值后送入顯示的軟件實現(xiàn)比較復雜，要求單片機具備較快的運算速度，使檢測人員能夠較準確地觀測到煙霧濃度，并根據(jù)情況進行相應的處理。并且也要考慮選擇低價實用的機型，并為研制同一系列的低功耗產(chǎn)品做準備。根據(jù)多方面的比較，本設計選用ATMEL公司的AT89C51單片機作為控制器。AT89C51是一個低功耗、高性能的CMOS8位單片機，片內(nèi)含4kBytes(In-systemprogrammable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)。芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元，功能強大的計算機AT89C51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。AT89C51片內(nèi)集成256字節(jié)程序運行空間、8K字節(jié)Flash存儲空間，支持最大64K外部存儲擴展。根據(jù)不同的運行速度和功耗的要求，時鐘頻率可以設置在0-33M之間。片內(nèi)資源有4組I/O控制端口、3個定時器、8個中斷、軟件設置低能耗模式、看門狗和斷電保護。可以在4V到5.5V寬電壓范圍內(nèi)正常工作。不斷發(fā)展的半導體工藝也讓該單片機的功耗不斷降低。根據(jù)本次設計的具體情況，采用雙列直插DIP-40封裝。AT89C51的引腳圖如圖3-1所示：圖3-1單片機引腳圖3.2溫度傳感器的選擇DS18B20溫度傳感器超小的體積，超低的硬件開消，抗干擾能力強，精度高，附加功能強。對于我們普通的電子愛好者來說，DS18B20的優(yōu)勢更是我們學習單片機技術和開發(fā)溫度相關的小產(chǎn)品的不二選擇。DS18B20的主要特征：全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出。先進的單總線數(shù)據(jù)通信。最高12位分辨率，精度可達土0.5攝氏度12位分辨率時的最大工作周期為750毫秒。可選擇寄生工作方式檢測溫度范圍為–55°C~+125°C(–67°F~+257°F)。內(nèi)置EEPROM，限溫報警功能。64位光刻ROM，內(nèi)置產(chǎn)品序列號，方便多機掛接。9，多樣封裝形式，適應不同硬件系統(tǒng)。圖3-2DS18B20引腳圖3.3煙霧傳感器的選擇采用GQ-2傳感器，采集的信號功率比較小，不能滿足AD轉(zhuǎn)換要求，所以要經(jīng)過LM358放大，給AD轉(zhuǎn)換電路傳給單片機，GQ-2在較寬的濃度范圍內(nèi)對可煙霧有良好的靈敏度，具有長壽命、低成本。MQ-2氣體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)境中存在煙霧時，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。MQ-2氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器3.4串口芯片的選擇采用MAX232作為電平轉(zhuǎn)換芯片，Max232產(chǎn)品是由德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS232標準的芯片。該器件包含2驅(qū)動器、2接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。該器件符合TIA/EIA-232-F標準，每一個接收器將TIA/EIA-232-F電平轉(zhuǎn)換成5-VTTL/CMOS電平。每一個發(fā)送器將TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成TIA/EIA-232-F電平。圖3-3MAX2323.5AD轉(zhuǎn)換芯片在單片機控制系統(tǒng)中，控制或測量對象的有關變量，往往是一些連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、流量、位移、速度等物理量。但是大多數(shù)單片機本身只能識別和處理數(shù)字量，因此必須經(jīng)過模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換(A／D轉(zhuǎn)換)，才能夠?qū)崿F(xiàn)單片機對被控對象的識別和處理。完成A／D轉(zhuǎn)換的器件即為A／D轉(zhuǎn)換器。A／D轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)有：(1)分辨率分辨率表示A／D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。A／D轉(zhuǎn)換器的分辨率以輸出二進制數(shù)的位數(shù)表示；(2)轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間指A／D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。不同類型的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度相差甚遠；(3)轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差表示A／D轉(zhuǎn)換器實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別，常用最低有效位的倍數(shù)表示；(4)線性度線性度指實際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移。目前有很多類型的A／D轉(zhuǎn)換芯片，它們在轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換精度、分辨率以及使用價值上都各具特色，綜合全部因素設計決定采用美國國家半導體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809。其內(nèi)部有一個8通道多路開關，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。是目前國內(nèi)應用最廣泛的8位通用A/D芯片.A/D轉(zhuǎn)換電路采用了常用的8位8通道數(shù)模轉(zhuǎn)換專用芯片ADC0809，ADC0809由8路模擬開頭、地址鎖存與譯碼器、8位A/D轉(zhuǎn)換器和三態(tài)輸出鎖存緩沖器組成，芯片引腳圖如圖3-5所示,內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-6所示。ADC0809的引腳功能:D7-D0：8位數(shù)字量輸出引腳IN0-IN7：8位模擬量輸入引腳VCC：+5V工作電壓GND：地REF（+）：參考電壓正端REF（-）：參考電壓負端START:A/D轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端ALE：地址鎖存允許信號輸入端ADC0809的主要性能指標為:（1）分辨率為8位。（2）最大不可調(diào)誤差：ADC0809為1LSB。（3）單電源+5v供電，基準電壓由外部提供，典型值為+5v，此時允許輸入模擬電壓為0—5V。（4）具有鎖存控制的8路模擬選通開關。（5）可鎖存三態(tài)輸出，輸出電平與TTL電平兼容。（6）轉(zhuǎn)換速度取于決芯片的時鐘頻率。當時鐘頻率500KHz時，轉(zhuǎn)換時間為128μ。s。圖3-4ADC0809引腳圖圖3-5ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4各單元電路的設計4各單元電路的設計4．1主控電路的設計AT89C51單片機外圍接口電路如圖3-5所示，主要包括：1.晶振電路：內(nèi)部時鐘電路的晶振頻率一般選擇在4MHZ~12MHZ之間（本設計12MHZ），外接兩個諧振電容。該電容的典型值為30pF,該設計選用22pF。2.復位電路：單片機復位采用按鍵高電平復位，而單片機在平時則復位端為低電平0.具體的電路如圖4-1圖4-1主控電路采用AT89C51單片作為主控模塊，AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C51是它的一種精簡版本。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。具有以下的特性：與MCS-51兼容4K字節(jié)可編程閃爍存儲器壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz三級程序存儲器鎖定128×8位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路管腳的功能VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。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。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。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。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口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管腳備選功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（記時器0外部輸入）P3.5T1（記時器1外部輸入）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。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FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。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。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當/EA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，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA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）。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。振蕩器特性:XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。4.2溫度采集電路溫度采集采用DS18B20，DSl820數(shù)字溫度計提供9位(二進制)溫度讀數(shù)指示器件的溫度信息經(jīng)過單線接口送入DSl820或從DSl820送出因此從主機CPU到DSl820僅需一條線(和地線)DSl820的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供而不需要外部電源因為每一個DSl820在出廠時已經(jīng)給定了唯一的序號因此任意多個DSl820可以存放在同一條單線總線上這允許在許多不同的地方放置溫度敏感器件DSl820的測量范圍從-55到+125增量值為0.5可在ls(典型值)內(nèi)把溫度變換成數(shù)字每一個DSl820包括一個唯一的64位長的序號該序號值存放在DSl820內(nèi)部的ROM(只讀存貯器)中開始8位是產(chǎn)品類型編碼(DSl820編碼均為10H)接著的48位是每個器件唯一的序號8位是前面56位的CRC(循環(huán)冗余校驗)碼DSl820中還有用于貯存測得的溫度值的兩個8位存貯器RAM編號為0號和1號1號存貯器存放溫度值的符號如果溫度為負()則1號存貯器8位全為1否則全為00號存貯器用于存放溫度值的補碼LSB(最低位)的1表示0.5將存貯器中的二進制數(shù)求補再轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)并除以2就得到被測溫度值(-550125)。具有以下的優(yōu)點1采用單總線的接口方式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。單總線具有經(jīng)濟性好，抗干擾能力強，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，使用方便等優(yōu)點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。2測量溫度范圍寬，測量精度高。DS18B20的測量范圍為-55℃-125℃，在-10℃-85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃。3在使用中不需要任何外圍元件。4持多點組網(wǎng)功能。多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的單線上，實現(xiàn)多點測溫。5供電方式靈活。DS18B20可以通過內(nèi)部寄生電路從數(shù)據(jù)線上獲取電源，因此，當數(shù)據(jù)線上的時序滿足一定的要求時，可以不接外部電源，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單，可靠性更高。6測量參數(shù)可配置。DS18B20的測量分辨率可通過程序設定為9-12位。7負壓特性。電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。8掉電保護功能。DS18B20內(nèi)部含有EEPROM，在系統(tǒng)掉電以后，它仍可保存分辨率及報警溫度的設定值。DS18B20管腳排列：1.GND為電源地；2.DQ為數(shù)字信號輸入／輸出端；3.VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）具體的電路圖圖4-2圖4-2溫度采集電路4.3煙霧模塊設計采用GQ-2傳感器，采集的信號功率比較小，不能滿足AD轉(zhuǎn)換要求，所以要經(jīng)過LM358放大，給AD轉(zhuǎn)換電路傳給單片機，GQ-2在較寬的濃度范圍內(nèi)對可煙霧有良好的靈敏度，具有長壽命、低成本。MQ-2氣體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)境中存在煙霧時，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。MQ-2氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器。具體的電路圖如圖4-3圖4-3煙霧采集電路4.4顯示電路的設計顯示模塊采用LCD1602，液晶顯示器簡稱是利用液晶經(jīng)過處理后能夠改變光線傳輸方向的特性，達到顯示字符或者圖形的目的。其特點是體積小、重量輕、功耗極低、顯示內(nèi)容豐富等特點，在單片機應用系統(tǒng)中有著日益廣泛的應用。電路如圖4-7。1602芯片：主要用于顯示波形類型和頻率的選擇。1602芯片由點陣字符液晶顯示器件和專用的行、列驅(qū)動器、控制及必要的鏈接件、結(jié)構(gòu)件組裝而成，可以顯示數(shù)字和西文字符，但不能顯示圖形，已經(jīng)可以滿足本次設計的需要。1602型LCD可以顯示2行16個字符，有8位數(shù)據(jù)總線D0~D7和RS，R/W，EN三個控制端口，工作電壓為5V，并且具有字符對比度調(diào)節(jié)和背光功能。可以完全滿足要求。圖4-4顯示電路4.5AD轉(zhuǎn)換電路經(jīng)氣敏傳感器所檢測的電壓信號為模擬信號，無法直接被單片機所識別，所以在經(jīng)過放大電路后對信號進行A/D裝換，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入單片機。A/D轉(zhuǎn)換電路采用了常用的8位8通道數(shù)模轉(zhuǎn)換常用芯片ADC0809，煙霧、溫度傳感器的輸出端分別接到ADC0809的IN0和IN1。ADC0809的通道選擇地址由AT89C51的P0.0～P0.2經(jīng)地址鎖存器74LS373輸出提供。當P2.7=0時，與寫信號WR共同選通ADC0809。其中ALE信號與ST信號連在一起，在WR信號的前沿寫入地址信號，在其后沿啟動轉(zhuǎn)換。圖中ADC0809轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號EOC接到AT89C51的INT1引腳，當A/D轉(zhuǎn)換完成后，EOC變?yōu)楦唠娖剑硎巨D(zhuǎn)換結(jié)束，產(chǎn)生中斷。在中斷服務程序中，將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)送到指定的存儲單元。由于ADC0809片內(nèi)無時鐘，故利用8051提供的地址鎖存使能信號ALE經(jīng)D觸發(fā)器二分頻后獲得時鐘。因為ALE信號的頻率是單片機時鐘頻率的1/6，如果時鐘頻率為6MHZ，則ALE信號的頻率為1MHZ，經(jīng)二分頻后為500KHZ，與ADC0809的典型值吻合。電路圖如圖4-5所示。圖4-5AD轉(zhuǎn)換電路4.6聲光報警電路由AT89C51的21腳實現(xiàn)聲音報警控制。當可燃性氣體濃度或溫度超過限定值時，將P2.0置為低電平，三極管導通，揚聲器發(fā)出鳴叫報警。其電路原理圖如圖3-8所示圖4-6聲光報警電路4.7串口通信電路采用MAX232作為電平轉(zhuǎn)換芯片，Max232產(chǎn)品是由德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS232標準的芯片。該器件包含2驅(qū)動器、2接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。該器件符合TIA/EIA-232-F標準，每一個接收器將TIA/EIA-232-F電平轉(zhuǎn)換成5-VTTL/CMOS電平。每一個發(fā)送器將TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成TIA/EIA-232-F電平。4-7串口電路的設計4.8整體電路如下圖圖4-8總體電路設計思路主控芯片用AT89C51，煙霧采集用MQ-2煙霧傳感器，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號，傳給單片機。溫度采集用DS128B20，精度高并且是可編程的，外圍電路比較簡單，直接給單片機數(shù)字信號。顯示用LCD1602，可以顯示溫度和煙霧濃度。5總結(jié)5總結(jié)火災報警器可保障生產(chǎn)與生活的安全，避免火災和爆炸事故以及煤氣中毒的發(fā)生，它是防火、防爆和安全生產(chǎn)所必備的儀器，具有廣闊的市場空間與發(fā)展前景。本論文是在對煙霧、溫度傳感器和報警技術進行深入研究的基礎上，全面比較國內(nèi)外同類產(chǎn)品的技術特點