基于單片機的火災報警系統(tǒng)研究

目錄TOC\o"1-3"\f\h\u18231引言 1294081.1課題的研究目的和意義 1175381.2傳統(tǒng)火災自動報警系統(tǒng)及國內外現狀 2245361.3無線火災自動報警系統(tǒng)及國內外現狀 3123741.4短距離無線通信技術的現狀與開展趨勢 476301.5本課題研究的主要內容 495322系統(tǒng)方案的總體設計 564982.2系統(tǒng)方案確實定 6286262.2.1總體系統(tǒng)實現方案 674972.2.2火災檢測傳感器方案 6261792.2.3短距離無線通信模塊方案 7113002.3主要器件的選用 9310462.3.1溫度傳感器的選擇 9291872.3.4時鐘芯片的選擇 13292032.3.5存儲芯片的選擇 13212452.4本章小結 14279363電路的硬件設計 1519253.1火災報警主控制器硬件設計 15244803.1.1AT89S52單片機簡述15318403.1.2火災報警主控制器時鐘電路 1897523.1.3火災報警主控制器存儲電路1970273.1.4火災報警主控制器無線通信電路20195963.1.5火災報警主控制器鍵盤電路 2229973.1.6火災報警主控制器顯示電路 2312893.1.7火災報警主控制器電源電路25107693.1.8火災報警主控制器報警電路 27101423.2火災報警系統(tǒng)子機硬件設計 28189403.2.1溫度監(jiān)測電路設計 28120323.2.2煙霧監(jiān)測電路設計 3310303.2.3系統(tǒng)子機電源電路設計 35326244火災報警系統(tǒng)軟件設計 37188684.1火災報警控制器軟件設計 37290754.1.1火災報警控制器主程序 37290244.1.3火災報警控制器液晶顯示程序 38105994.2火災報警系統(tǒng)子機軟件設計 42168914.2.1火災報警系統(tǒng)子機主程序 42167574.2.2溫度測量子程序 4314974.2.3煙霧測量子程序 44217364.3本章小結 4494625結論 461863附錄A原理圖 472648附錄B局部程序 5024265參考文獻 5930067致謝 621引言1.1課題的研究目的和意義火災嚴重威脅著人類的生命財產平安，每年我國由火災引起的災難數不勝數，然而，準確、及時的對火災進行預測已成為迫在眉睫的事情。目前，火災探測技術是預防火災發(fā)生的最有效的手段，根據火災發(fā)生初期的跡象來判斷并進行預測，從而使人們在第一時間對這些跡象進行處理，有效的減少了火災的發(fā)生。火災自動報警系統(tǒng)所具有的早期發(fā)現并通知火災和啟動滅火設備滅火的功能，使大量火災在起初階段就被撲滅，防止了重大經濟損失，成為現代消防不可缺少的平安技術措施[1,2]。預防和消除火災引起了消防部門和社會各方面的高度重視，因此使火災自動報警設備的設計、生產、應用有了較大的開展?；馂淖詣訄缶到y(tǒng)是在保護對象發(fā)生火災的情況下自動探測、顯示火災警報的裝置。安裝火災自動報警系統(tǒng)的目的，就是及時發(fā)現火災、及時采取滅火、疏散等措施，最大限度的降低因火災帶來的損失。為了更好地進行人機交互，把與火災有關的各種信息以文字或圖形方式顯示在液晶屏或CRT上。火災自動報警系統(tǒng)是由火災報警控制器、火災報警探測器及其它現場報警器組成。按照消防標準，火災報警探測器主要有感煙探測器、感溫探測器、手動報警按鈕等?；馂淖詣訄缶夹g根據其開展,通常分為兩個階段。把上世紀80年代初興起的新一代報警系統(tǒng)稱為“現代火災自動報警系統(tǒng)〞。把采用80年代以前技術生產的目前仍在使用的系統(tǒng)通常稱為“傳統(tǒng)火災自動報警系統(tǒng)〞[3]。當前火災探測領域廣泛使用的智能探測器的探測方式是將火災探測及信號處理都集中在探測器內部，在探測器內部設有微處理器，這樣探測器就不是單純的傳感器。在探測器內部可以融入更多、更先進的火災信號算法。由于其內部有微處理器，每個探測器都有信號處理軟件，就地采集就地處理，不需要經過線路傳輸，信號的真實程度得到提高。當今，微處理器技術開展非常迅速，低價位，低功耗，高性能的小型單片機比比皆是，這就為開展智能型探測器提供了充分的物質保障。所以，智能火災探測器也是現在消防領域的一個重要開展方向。普通可燃物燃燒的表現形式是：首先產生燃燒氣體和煙霧，在氧氣供給充足的條件下才能到達完全燃燒，產生火焰并發(fā)出一些可見光與不可見光，同時釋放大量的熱，使得環(huán)境溫度升高。普通可燃物由初起陰燃階段開始，到火焰燃燒、火勢漸大，最終釀成火災的起火過程。因此在該系統(tǒng)中我們以環(huán)境溫度、煙霧濃度作為判斷火災的依據。傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)有準確度低、存在誤報和漏報等問題，針對傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)這些問題，本文設計了基于AT89S52的無線火災報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較高的可靠性、穩(wěn)定性、準確度。1.2傳統(tǒng)火災自動報警系統(tǒng)及國內外現狀國際上，火災自動報警技術根據其開展,通常分為兩個階段。把上世紀80年代初興起的新一代報警系統(tǒng)稱為“現代火災自動報警系統(tǒng)〞。把采用80年代以前技術生產的目前仍在使用的系統(tǒng)通常稱為“傳統(tǒng)火災自動報警系統(tǒng)〞[3]。傳統(tǒng)火災自動報警系統(tǒng)主要是多線制開關量式火災自動報警系統(tǒng)。根據其開展和應用說明，不同型號，不同類型的火災自動報警系統(tǒng)根據其場合的要求進行安裝使用，均能發(fā)揮其監(jiān)控火情的作用。但存在明顯的缺乏：一是抗干擾能力差、誤報率較高。判斷火災僅僅是根據探測的某個火災現象參數是否超過設定值閾值來確定是否報警，所以無法排除環(huán)境和其它干擾因素。由于靈敏度過高或過低，會使報警不及時、漏報或形成誤報。二是功能少，性能差，不能滿足開展的要求?，F代火災自動報警系統(tǒng)的主要形式有：總線制可尋址開關量式火災報警系統(tǒng)，模擬量傳輸式火災報警系統(tǒng)，分布智能火災報警系統(tǒng)和無線火災自動報警系統(tǒng)。目前較為常用的一種火災報警控制形是集散式火災自動報警系統(tǒng)。此種控制形式在信號傳輸方面大多數采用有線傳輸，通常采用的是RS-232，RS-485總線或CAN總線。現代火災自動報警系統(tǒng)的特點：一是具備自動檢測功能的系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可靠性。二是為能夠準確的定位火災發(fā)生的地址，火災自動報警探測器具備了自動編址功能。三是模擬量探測器能及時準確的預知火災和提供火災的詳細情況。我國火災自動報警系統(tǒng)研究比西方國家晚些，主要安裝在大型計算機中心，高層建筑等地，其工程技術水平還相對落后，存在著一些比較突出的問題，表現在：〔1〕適用范圍過小。在我國，主要是根據《高層民用建筑設計防火標準》、《建筑設計防火標準》規(guī)定安置在大型計算機中心、高級賓館、高層建筑，學校，大型公共建筑中，而中小型公眾聚集場所及社區(qū)民居住宅區(qū)都沒有安裝火災自動報警系統(tǒng)?！?〕智能化程度低。目前，我國的火災自動報警系統(tǒng)具備了一定的智能化，但存在巡檢速度慢、穩(wěn)定性和可靠性差的缺點?！?〕網絡化程度低。各區(qū)域火災自動報警系統(tǒng)間沒有建立網絡，使得它們不能共享資源和效勞，有可能使消防人員不能及時到達火災現場，延緩救緩，造成額外經濟損失和人員傷亡?！?〕組件連接方式有待改善。多線制和總線制是我國火災自動報警系統(tǒng)的主要連接方式?；馂膱缶綔y器與火災報警控制器主要采用兩根或多根銅芯絕緣導線或銅芯電纜相連接，這種連接方式施工與維護復雜，加大了系統(tǒng)本錢費用，且功耗大，降低了系統(tǒng)的抗干預性?！?〕火災自動報警系統(tǒng)誤報、漏報問題較多。由于存在以上問題，火災自動報警應用技術應進一步著眼于當前國際開展的新形勢，加快更新改造進程，加強對數字技術和新工藝、新材料的應用，改良系統(tǒng)能力，使火災自動報警應用技術向著高可靠、低誤報和網絡化、智能化、無線化、社區(qū)化方向開展[４]。1.3無線火災自動報警系統(tǒng)及國內外現狀無線火災報警系統(tǒng)是近幾年來國外開展起來的新型火災報警系統(tǒng)，它是利用無線火災探測裝置發(fā)出的火警信號和故障信號，并記錄發(fā)出這些信號的地點和時間的火災自動報警專用設備[５,６]。近年來，無線火災報警系統(tǒng)在國外已經開展起來，并走向了實用化。起初，無線火災報警系統(tǒng)不僅價格高，而且局部探測裝置必須通過布線進行連接，這僅適合于一些特殊場所，如具有歷史價值的古建筑物，將火災自動報警探測器安裝在不易、不可能實現布線的彩繪天花板與石墻上。如今，幾乎所有的電器裝置都可以改由無線控制，可廣泛地應用于各類建筑和場所。無線火災自動報警系統(tǒng)安裝簡單、方便、快捷，適用于包括家庭等多種場所，不會對建筑物自身造成傷害，具備有線火災自動報警系統(tǒng)不可比較的優(yōu)點。由于無線火災自報警系統(tǒng)不采用導線，因此可以方便地將火災報警探測器從室內移到室外進行工藝處理，完成后再將探測器放回原位。這些都為無線火災報警系統(tǒng)的開展提供了技術保障。美國松柏公司〔ITI公司〕成立于1981年，其創(chuàng)辦人創(chuàng)造了第一代全監(jiān)控無線報警系統(tǒng)。1983年前，美國的無線系統(tǒng)一般并不可靠，ITI公司采用了多種軍用技術使無線報警方法有所突破，采用數碼傳送及鑒別技術，大大提高了可靠性及干擾的排除[７]。1983年推出第一代可靠性的無線報警系統(tǒng)，第三代技術是世界上最先進的無線報警技術，第四代產品將推出。我國在無線報警系統(tǒng)開展方面滯后于國外，但近年來有所開展[７]。開始之初，無線火災報警系統(tǒng)不僅價格高，而且僅適合于一些特殊場所?，F在，能用布線連接的電器幾乎都可以用無線電信號來實現，廣泛地應用于各類建筑物及場所。我國無線火災報警系統(tǒng)技術根本空白，雖然有人進行了這方面的研究，但并沒有成型產品推向市場。因此，無線火災自動報警系統(tǒng)的研究勢在必行。1.4短距離無線通信技術的現狀與開展趨勢隨著移動通信需求和遠程數據采集量的增加，加之有線傳輸的費用日益增長，人們正逐漸認識到在許多檢測領域采用無線傳輸的必要性。在過去的幾年中，無線通訊領域取得了很大的進展，這其中包括數字電路和射頻電路制作工藝的進步、低功耗電路、高能電池以及微電子技術的采用。以上諸多方面的開展使移動通信設備更加靈巧、經濟、可靠。與上述技術一樣，數字通信技術和數字調制技術的開展也發(fā)揮了很大的作用，他們使無線通信網絡向更加經濟、更加容易操作的方向開展。所以如果我們能夠很好地了解無線通信的根本原那么以及這些技術的特點，就能更好地理解并完成傳感數據的無線采集。無線數據通信技術可分為兩大類：一是基于蜂窩的接入技術，如蜂窩數字分組數據(CDPD)，通用分組無線傳輸技術(GPRS)、EDGE等。二是基于局域網的技術，如IEEE802.11WLAN、Bluetooth、IrDA、Home-RF、微功率短距離無線通信技術等。與目前已經具備相當規(guī)模的無線長距離通信網絡(如蜂窩移動通信網)相比，短距離無線通信系統(tǒng)在根本結構、效勞范圍、應用層次及通信業(yè)務(數據、話音)上，均有很大的不同。1.5本課題研究的主要內容本課題的研究任務是研發(fā)一種基于單片機的無線火災自動報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用無線電信號傳輸代替通常用的雙總線或多總線的傳輸模式。本系統(tǒng)包括火災自動報警系統(tǒng)控制器、火災自動報警系統(tǒng)子機兩局部?；馂淖詣訄缶刂剖强刂铺幚碇行?，相當于人的大腦；火災自動報警系統(tǒng)子機完成對火災報警控制器和火災報警探測器間的數據處理轉發(fā)。無線火災報警系統(tǒng)具有數據交換、誤碼率低、火警預報、上報及時等特點，實現了施工簡單、安裝容易。從而最大程度的減少由于火災帶來的經濟損失和人員傷亡。本課題的主要研究內容如下：(1)火災自動報警控制器整體設計及實現，包括時鐘存儲電路、電路、液晶顯示電路、鍵盤電路、通訊電路、電源電路等硬件設計及時鐘、液晶、鍵盤、通訊等軟件編程；(2)火災自動報警系統(tǒng)子機整體設計及實現，包括探測器、通訊電路等硬件設計及通訊等軟件編程；(3)火災自動報警系統(tǒng)整體軟件設計及實現，包括顯示、無線通訊及火警檢測、數據處理、無線通訊協(xié)議等軟件編程。2系統(tǒng)方案的總體設計火災現場環(huán)境的檢測有許多方法，可供選擇的器件和運用的技術也有多種。因此，系統(tǒng)的總體設計方案應在滿足系統(tǒng)整體性能指標的前提下，充分考慮系統(tǒng)使用的環(huán)境，所選的結構要盡量簡單實用、易于實現，器件的選用要著眼于適宜的參數、穩(wěn)定的性能、較低的功耗、低廉的本錢以及較好的互換性能。2.1火災報警控制器及系統(tǒng)子機功能要求依據中華人民共和國國家標準GB4717-93對火災報警控制器及系統(tǒng)子機的要求，火災報警控制器及系統(tǒng)子機應具有以下功能：(1)火災報警功能火災報警控制器及系統(tǒng)子機接收到探測器的異常信息后，經屢次識別確認，發(fā)出聲、光報警等信號，指示火災發(fā)生的部位。報警時火警指示燈亮，火警音響，同時顯示第一次報警地址及循環(huán)顯示后續(xù)報警地址，并可顯示報警總數和報警點的地理位置及類型。報警聲響可以手動消除，光信號可以保持，直至手動復位。當有新的報警發(fā)生時，聲光報警再次啟動?；馂淖詣訄缶到y(tǒng)具有火警優(yōu)先功能，即當前系統(tǒng)無論處于任何狀態(tài)下，只要出現了火警，那么系統(tǒng)由當前狀態(tài)自動切換至火警顯示狀態(tài)。(2)故障報警功能火災報警控制器有完善的故障監(jiān)視系統(tǒng)，可以對以下情況：主電故障、備電故障等。聲報警可以手動消除，光報警那么持續(xù)保持，直至故障消除。(3)中文顯示及時鐘功能火災報警控制器配置點陣式大屏幕液晶顯示器〔藍底白字〕，多級菜單式操作，全中文功能提示?；馂淖詣訄缶到y(tǒng)具有實時時鐘顯示功能，內含時鐘芯片。(4)具有后備電源功能在火災報警控制器中備有浮充電池，在火災報警控制器投入使用時，應將電源開關全翻開，當主電網有電時，火災報警控制器自動利用主電進行供電。當主電網斷電或欠壓時備用電池自行啟動。(5)存儲功能用戶從火警報警控制器上進行相關查詢及有火警、故障等信息需要在液晶屏進行顯示時，都需要從火災報警系統(tǒng)控制器的存儲單元讀取。系統(tǒng)的功能往往決定了系統(tǒng)采用的結構，本系統(tǒng)要實現的是溫度和煙霧數據的測量、存儲、顯示及后期處理等功能，因此系統(tǒng)采用近幾年來成熟的各種溫煙傳感技術、短距離無線通信技術、數據處理控制技術等來構造根本的系統(tǒng)功能。系統(tǒng)的總體結構可以設想為溫度煙霧采集模塊、短距離無線通信模塊、系統(tǒng)控制及數據處理模塊、存儲、顯示及報警等幾大局部。2.2系統(tǒng)方案確實定2.2.1總體系統(tǒng)實現方案火災自動報警系統(tǒng)由火災報警控制器和火災報警系統(tǒng)子機組成。當火警探測器監(jiān)測到火災、故障等異常情況時，系統(tǒng)子機通過無線通訊模塊以無線電波的形式將這些信息發(fā)射給系統(tǒng)控制器，系統(tǒng)控制器一端有同樣無線通訊模塊將信號接收進來。火災報警控制器通過無線模塊接收這些信息后，及時進行相應的處理，使用戶可以要根據這些提示進行相應的滅火、排除故障等操作。同時火災報警控制器將這些火警及故障信息在液晶屏上予以顯示、存儲，以備用戶將來查詢所用。無線火災自動報警系統(tǒng)設計方案如圖2-1。圖2-1火災自動報警系統(tǒng)設計方案2.2.2火災檢測傳感器方案火災發(fā)生時，會產生大量煙霧和熱量，溫度和煙霧是最明顯的物理變化和化學反響過程。火災探測的原理是檢測火災發(fā)生產生的各種物理、化學變化，進行動態(tài)監(jiān)測，并將其轉化為電信號傳送給火災報警控制器，從而實現對火災的檢測和報警。常見的火災探測傳感器根據所檢測的對象不同，可以分為以下幾種：(1)感溫探測器的檢測對象是溫度，其結構簡單，可靠性高；(2)感煙探測器的檢測對象是煙霧微料，對煙霧敏感，技術成熟，可靠性高；(3)氣體探測器適用于散發(fā)可烯氣體和可燃汽的場所，但會降低其探測的靈敏度；(4)火焰探測器的檢測對象是火焰輻射光，其探測范圍廣，對火焰反響速度快，但易受太陽光等高溫物體輻射干擾；(5)圖像探測器其檢測對象是煙霧、火焰形狀，適合商場等大空間建筑物；綜上比照，感溫傳感器，感煙傳感器本錢低，適用環(huán)境廣，抗干擾能力強，因此本系統(tǒng)主要采用這兩種傳感器。2.2.3短距離無線通信模塊方案目前國內外比較成熟的短距離無線通信技術主要有以下幾種：〔1〕紅外通信技術〔IrDA〕[8,9,10]紅外通信技術IrDA(InfraRedDataAssociation)采用人眼看不到的紅外線傳輸信息，是使用最廣泛的短距離無線通信技術。它利用紅外線的通斷表示計算機中的0-1邏輯，通常有效作用半徑2米，傳統(tǒng)速度可達4Mbit/s，1995年IrDA將通信速率擴展到的高達16Mbit/s，紅外技術采用點到點的連接方式，發(fā)射、接收具有方向性，具有體積小、功耗低、連接方便、簡單易用、數據傳輸干擾少、速度快、保密性強、本錢低廉的特點。因此廣泛應用于各種遙控器，筆記本電腦，PDA，移動等移動設備。但紅外技術只是一種視距傳輸技術，有效距離近，發(fā)射角度較小，一般不超過20度，兩臺相互通信的設備之間必須對準，而且傳輸數據時兩臺設備之間不能有阻擋物，只能限于兩臺設備通信，無法靈活構成網絡，且無法用于邊移動邊使用的設備，另外，IrDA設備中的核心部件LED易磨損?！?〕藍牙技術〔Bluetooth〕[8,9,10]藍牙技術使用全球統(tǒng)一開放的2.4GHz的ISM頻段，采用跳頻擴頻FHSS技術實現設備之間的無線互連，有穿透能力，能夠全方位傳送，主要面對網絡中各種數據和語音設備，通過無線方式將它們連成一個微微網(Piconet)。多個微微網之間也可以形成分布式網絡(Scatternet)，從而方便，快速的實現各類設備之間的通信。藍牙技術作為一種新興的技術，主要具有以下特點:標準的開放性、產品的互操作性及兼容性、公用通信頻段以及提供大容量的語音和數據網絡。藍牙技術目前只是一種行業(yè)聯盟制定的短距離無線通信標準。〔3〕微功率短距離無線通信技術[10]近年來，隨著大規(guī)模集成電路技術的開展，短距離無線通信系統(tǒng)的大局部功能都可以集成到一塊芯片內部，一般使用單片數字信號射頻收發(fā)芯片，加上微控制器和少量外圍器件構成專用或通用無線通信模塊，所有高頻元件包括電感、振蕩器等已經全部集成在芯片內部，一致性良好，性能穩(wěn)定且不受外界影響。射頻芯片一般采用FSK調制方式，工作于ISM頻段，通信模塊一般包含簡單透明的數據傳輸協(xié)議或使用簡單的加密協(xié)議，發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數全部通過軟件設置完成，用戶不用對無線通信原理和工作機制有較深的了解，只要依據命令字進行操作即可實現根本的數據無線傳輸功能。新一代短距離無線數據通信系統(tǒng)具有體積小、功耗低、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強等優(yōu)點，而且開發(fā)簡單快速，可以方便地嵌入到各種設備中，實現設備間的無線連接，因此，較適合搭建小型網絡，在工業(yè)、民用領域得到較為廣泛的應用。綜上比照，微功率短距離無線收發(fā)芯片的可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強，通訊協(xié)議簡單透明，技術成熟。使用該種方案無線通訊接口與數據采集系統(tǒng)接口電路設計簡單可靠。2.2.4數據處理方案[11]現代科學技術的不斷進步，一些先進的算法不斷產生。這些算法在各個行業(yè)中得到了廣泛應用，使該行業(yè)得到新的開展?；馂膱缶綔y領域同其他領域一樣，先進的算法使火災探測技術更上一個新的臺階。本系統(tǒng)采用門限檢測法和變化率檢測法對火災信息進行判斷?；馂臋z測方法最早使用的是固定門限檢測法，其檢測方法是以火災報警傳感器采集到的數據值作為火災報警的依據，將這個數據值與固定的門限值比較,當采集到的數據值超過報警門限值時，表示有火警發(fā)生，發(fā)出報警信息；否那么就是沒有火警發(fā)生。固定門限檢測法具有計算量好的優(yōu)點，而且該算法易于實現。但是由于算法簡單，誤報或漏報率高。因此為了提高火災傳感器的抗干擾能力，對固定門限值檢測法進行改良，其原理是“浮動底線＋固定報警門限值〞。根據火災探測器的工作環(huán)境不同，對固定報警門限值設置不同的值。當其值適中時，火災探測器工作在正常模式；當值較高時，火災探測器工作在低靈敏度模式；當值較低時，火災探測器工作在高靈敏度模式。感溫火災探測器的報警門限值是75oC。任何物質的燃燒都會明顯的溫度變化,因此感溫火災報測器可以利用溫度變化率對火災進行檢測。在實際計算中對一段時間內的溫度采樣，計算信號變化斜率值，將其與設定的斜率門限值進行比較。以此來判斷火災是否發(fā)生。為了提高檢測的可靠性和抗干擾能力，在使用這種算法時同時可以使用信號平均和延時等處理手段。2.3主要器件的選用2.3.1溫度傳感器的選擇隨著溫度傳感器智能化、集成化技術的進步，數字式溫度傳感器也得到了快速開展，世界上許多公司推出了新型的數字溫度傳感器系列。在如此眾多的產品中選擇出適宜的器件，應該把握以下幾點：外圍電路應該盡量簡單；測溫的精度、分辨率要適宜，以便減少不必要的電路和軟件開發(fā)本錢；溫度傳感器采用的總線負載能力如何，能否滿足多點測溫的需要；占用MCU的I/O引腳數情況如何，因為MCU的系統(tǒng)資源非常珍貴，輸入通道有限，多點溫度測量時，如果測量的點數超過了輸入通道時，就要添加多路復用器，這將增加本錢和開發(fā)時間，應盡量節(jié)約與MCU的通信協(xié)議應盡量簡單，溫度測量的軟件開發(fā)難度、本錢要盡量小。目前在數字溫度傳感器中采用的串行總線主要有Philips公司的I2C總線，Motorola公司的SPI總線，NationalSemiconductor公司的Microwireplus總線，DallasSemiconductor公司的1-Wire總線和Siemens公司的Profibus總線等。常用的數字溫度傳感器主要有：①AD7418是是美國模擬器件公司〔ADI〕推出的單片溫度測量與控制用集成電路。其內部包含有帶隙溫度傳感器和10位A/D轉換器。測溫范圍為-55℃～+125℃，具有10位數字輸出溫度值，分辨率為0.25℃，精度為±2℃，轉換時間為15～30ms。具有體積小、編程簡單、使用容易、測量精度高，并且不易受環(huán)境千擾等優(yōu)點。AD7418可以級聯至多8片在同一個I2C總線上。②MAX6575L/H是美國MAXIM公司的一種單總線式數字溫度傳感器，具有較好的線性、較低的功耗，而且編程簡單，調試容易，使用方便。測溫范圍為-40～+125℃，其誤差范圍：在25℃時優(yōu)于±3℃,在85℃時優(yōu)于±4.5℃，在125℃時優(yōu)于±5℃。但是MAX6575L/H在其測溫范圍內非線性誤差較大，因此，當它用于高精度溫度測量時，必須對其進行非線性補償。它最多允許在一根MCU的I/O總線上同時掛接8個MAX6575L/H進行多點溫度測量。為了防止多個傳感器同時測溫時有重疊的現象，MAX6575提供了“L〞和“H〞兩種型號的傳感器,它們的使用方法相同,而且每一種型號的傳感器又可以通過時間選擇引腳。但是，MAX6575L的遠距離傳輸特性并不理想，傳輸范圍只能在5m以內，超過此范圍將采集不到被測溫度數據，這也是這種器件的一個弊端。③DS18B20是美國Dallas半導體公司的新一代數字式溫度傳感器，它具有獨特的單總線接口方式，即允許在一條信號線上掛接數十甚至上百個數字式傳感器，從而使測溫裝置與各傳感器的接口變得十分簡單，克服了模擬式傳感器與微機接口時需要的A/D轉換器及其它復雜外圍電路的缺點，而且，可以通過總線供電，由它組成的溫度測控系統(tǒng)非常方便，而且本錢低、體積小、可靠性高。DS18B20的測溫范圍-55～+125℃，最高分辨率可達0.0625℃，由于每一個DS18B20出廠時都刻有唯一的一個序列號并存入其ROM中，因此CPU可用簡單的通信協(xié)議就可以識別，從而節(jié)省了大量的引線和邏輯電路。Dallas公司的單總線技術具有較高的性能價格比，有以下特點：①適用于低速測控場合，測控對象越多越顯出其優(yōu)越性；②性價比高，硬件施工、維修方便，抗干擾性能好；③具有CRC校驗功能，可靠性高；④軟件設計標準，系統(tǒng)簡明直觀，易于掌握。由于DS18B20獨特的單總線接口方式在多點測溫時有明顯的優(yōu)勢，占用MCU的I/O引腳資源少，和MCU的通信協(xié)議比較簡單，本錢較低，傳輸距離遠，所以，選用DS18B20做為溫度測量的傳感器。2.3.2煙霧傳感器的選擇[12]絕大多數物質在燃燒的開始階段，首先產生煙霧，煙霧具有很大的流動性，它能潛入建筑物的任何空間。煙霧具有毒性，它對人的生命具有特別大的威脅?；馂闹屑s有70%的死者是由于燃燒氣體或煙霧窒息造成的。因此要實現早期發(fā)現火災，減少火災損失，在通常情況下利用感煙式火災探測器會有良好效果。這種探測器可探測70%以上的火災。感煙火災探測器是目前世界上應用最普遍、數量最多的探測器。感煙式火災探測器分為點型與線型，點型分為離子型感煙和光電型感煙，線型分為激光感煙別離式紅外光束感煙。離子感煙式探測器〔點型探測器〕：它是在電離室內含有少量放射性物質，可使電離室內空氣成為導體，允許一定電流在兩個電極之間的空氣中通過，射線使局部空氣成電離狀態(tài)，經電壓作用形成離子流，這就給電離室一個有效的導電性。當煙粒子進入電離化區(qū)域時，它們由于與離子相接合而降低了空氣的導電性，形成離子移動的減弱。當導電性低于預定值時，探測器發(fā)出警報。光電感煙探測器〔點型探測器〕：它是利用起火時產生的煙霧能夠改變光的傳播特性這一根本性質而研制的。根據煙粒子對光線的吸收和散射作用。光電感煙探測器又分為遮光型和散光型兩種。根據接入方式和電池供電方式等的不同，感煙探測器又可分為聯網型煙感，獨立型煙感，無線型煙感。紅外光束感煙探測器〔線型探測器〕：它是對警戒范圍內某一線狀窄條周圍煙氣參數響應的火災探測器。它同前面兩種點型感煙探測器的主要區(qū)別在于線型感煙探測器將光束發(fā)射器和光電接受器分為兩個獨立的局部，使用時分裝相對的兩處，中間用光束連接起來。紅外光束感煙探測器又分為對射型和反射型兩種。離子感煙探測器對小粒子響應靈敏度高,隨著煙的色帶由可見煙到不可見煙的變化，相對響應靈敏度增加得很小，即離子感煙探測器響應靈敏度與煙的顏色近似無關；光電感煙探測器對大粒子響應靈敏度高，散射光型光電探測器對灰色的可見煙具有較高的響應靈敏度，由于黑煙對光的吸收作用而對其響應較遲鈍，因此其對小粒子響應小.綜上比照，離子感煙探測器對各種煙霧的響應靈敏度都較高。因此，本系統(tǒng)采用離子式感煙探測器作為系統(tǒng)的感煙器件。2.3.3無線收發(fā)芯片的選擇[13]無線收發(fā)芯片的種類和數量比較多，在設計中選擇適宜芯片可以提高產品開發(fā)周期、節(jié)約本錢。在選擇時，應主要參考以下幾點：①收發(fā)芯片的數據傳輸是否需要進行曼徹斯特編碼采用曼徹斯特編碼的芯片，在編程上會需要較高的技巧和經驗，需要更多的內存和程序容量，并且曼徹斯特編碼大大降低數據傳輸的效率，一般僅能到達標稱速率的1/3，而采用串口傳輸的芯片，應用及編程非常簡單，傳送的效率很高，標稱速率就是實際速率，編程方便。②收發(fā)芯片所需的外圍元件數量芯片外圍元器件的數量直接關系到系統(tǒng)的復雜程度和本錢，因此應該選擇外圍元件少的收發(fā)芯片。③功耗大多數無線收發(fā)芯片是應用在便攜式產品上的，因此功耗也非常重要，應該根據需要選擇綜合功耗較小的產品．④發(fā)射功率在同等條件下，為了保證有效和可靠的通信，應該選用發(fā)射功率較高的產品。常用的無線收發(fā)芯片主要有：①nRF24E1是挪威NordicVLSIASA公司最近開發(fā)的一種嵌入了高性能單片機內核的高速單片無線收發(fā)芯片[15]。采用先進的0.18μsCMOS工藝、6mm×6mm的36引腳QFN封裝；以nRF2401芯片結構為根底，將射頻、8051MCU、9輸入12位ADC、125頻道、UART、SPI、PWM、RTC、WDT全部集成到單芯片中；內部有電壓調節(jié)器〔工作電壓1.9～3.6V〕和VDD電壓監(jiān)視，通常開關時間小于200μs，數據速率1Mbps，輸出功率0dBm；不需要外接SAW濾波器，極少的外圍電路，發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數全部通過軟件設置完成，所有高頻元件包括電感、振蕩器等已經全部集成在芯片內部，一致性良好，性能穩(wěn)定且不受外界影響；工作在全球開放的2.4GHz頻段、勿需申請通信許可證。②nRF903單片射頻收發(fā)器芯片工作在915MHz國際通用的ISM頻段；GMSK/GFSK調制和解調,抗干擾能力強；采用DDS+PLL頻率合成技術，頻率穩(wěn)定性好；靈敏度高達-100dBm,最大發(fā)射功率達+10dBm；數據速率可達76.8Kbit/s；170個頻道,適合需要多信道工作的特殊場合；可方便地嵌入各種測量和控制系統(tǒng)中進行無線數據雙向傳輸，在儀器儀表數據采集系統(tǒng)、無線數據通信系統(tǒng)、計算機遙測遙控系統(tǒng)等中應用。③nRF401是挪威NordicVLSI公司推出的單芯片RF收發(fā)機，專為在433MHzISM(工業(yè)、科研和醫(yī)療)頻段工作而設計。該芯片集成了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調制、FSK解調、雙頻道切換等功能，具有性能優(yōu)異、功耗低、使用方便等特點。nRF401的外圍元件很少，僅10個左右。只包括一個4MHz基準晶振(可與MCU共享)、一個PLL環(huán)路濾波器和一個VCO電感，收發(fā)天線合一，沒有調試部件，這給研制及生產帶來了極大的方便。基于nRF401本錢低、可靠性高、外圍設計簡單的優(yōu)點，本系統(tǒng)將nRF401做為無線收發(fā)芯片的首選。2.3.4時鐘芯片的選擇目前單片機可用時鐘芯片很多，但功能都很相似，例如HOLTEK公司生產的HT1380和DALLAS公司生產的DS1302。下面僅介紹一下DS1302：DS1302是DALLAS公司推出的涓流充電時鐘芯片，內含有一個實時時鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，通過簡單的串行接口與單片機進行通信。實時時鐘/日歷電路提供秒、分、時、日、日期、月、年的信息，每月的天數和閏年的天數可自動調整，時鐘操作可通過AM/PM指示決定采用24或12小時格式。DS1302與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進行通信，僅需用到三個口線：RES〔復位〕、I/O〔數據線〕、SCLK〔串行時鐘〕。時鐘/RAM的讀/寫數據以一個字節(jié)或多達31個字節(jié)的字符組方式通信。DS1302工作時功耗很低保持數據和時鐘信息時功率小于1mW。DS1302是由DS1202改良而來，增加了以下的特性：雙電源管腳用于主電源和備份電源供給，Vcc1為可編程涓流充電電源，附加七個字節(jié)存儲器。它廣泛應用于、、便攜式儀器以及電池供電的儀器儀表等產品領域。2.3.5存儲芯片的選擇系統(tǒng)主機對火災發(fā)生的時間、地方以及火災報警探測器等的相關信息進行存儲，因此火災報警系統(tǒng)要具有存儲功能?？紤]到需要存儲的信息量不多，本系統(tǒng)選用AT24C16。AT24C16是16K位的非易失性隨機存儲器，具有非易失性，并且可以象RAM一樣快速讀寫數據。在掉電狀態(tài)下，數據可以保存10年。比EEPROM或其他非易失性存儲器可靠性更高，系統(tǒng)更簡單。與EEPROM不同，AT24C16以總線速度進行寫操作，沒有任何延時。數據送到AT24C16直接寫到具體的單元地址,下一個操作可以立即執(zhí)行。接口方式為工業(yè)標準二線制造串行接口，這種方式占用單片機腳位少，占用線路板空間小，節(jié)省系統(tǒng)資源。2.3.6鍵盤、顯示模塊的選擇[14]用戶與火災自動報警系統(tǒng)進行交互時，主要是通過顯示屏顯示輸出和鍵盤手動輸入完成的。顯示單元是人機交互的窗口，是傳遞儀表工作狀態(tài)和檢測數據的關鍵性設備，通常的顯示器件有液晶顯示器〔LCD〕和數碼管顯示器〔LED〕。其中數碼管僅能顯示有限的幾位數字或字母且占用系統(tǒng)管腳資源較多。由于火災報警系統(tǒng)要求顯示系統(tǒng)時間、火警、故障等信息，信息較多。因此，本系統(tǒng)采用點陣式大屏幕液晶顯示屏，全中文提示。本系統(tǒng)采用HS12864點陣式液晶屏，全中文顯示綜合功能信息，操作直觀方便。鍵盤電路的結構可以分為獨立式按鍵和矩陣式鍵盤兩種方式。獨立式按鍵就是各按鍵間相互獨立，每個按鍵各占用一根I/O口線，各口線間的按鍵工作狀態(tài)不會影響其他口線上的工作狀態(tài)。可通過檢測輸入線的電平狀態(tài)來判斷哪個按鍵被按下了。獨立式按鍵電路靈活，軟件結構簡單，但占用單片機I/O口數量較多，浪費大，適用于按鍵較少的系統(tǒng)中。矩陣式鍵盤是一種適合按鍵數量較多的系統(tǒng)中，它是由行線和列線組成的，又稱行列式鍵盤。按鍵位于行列的交叉點上，這種結構，節(jié)省I/O口線。矩陣式鍵盤的工作原理：行線是通過上拉電阻接到＋5V上。當無按鍵時，行線處于高電平狀態(tài)；當有鍵按下時，行線電平狀態(tài)由與此行線相連的列線電平決定。即列線電平為低電平，那么行線電平為低；列線電平為高電平，那么行線電平為高。本系統(tǒng)鍵盤采用矩陣式鍵盤，也就是行列式鍵盤，由行線和列線組成。采用這種結構主要是考慮到I/O口線的節(jié)省，在能節(jié)省口線的同時又能滿足系統(tǒng)對鍵盤的要求。2.4本章小結本章首先介紹了系統(tǒng)方案的總體要求，然后又介紹了系統(tǒng)方案的設想，最后介紹了器件的選用，確定了系統(tǒng)的設計方案。系統(tǒng)的總體結構框圖如圖2-2所示。圖2-2系統(tǒng)結構框圖3電路的硬件設計根據上一章所選的系統(tǒng)方案設想，下面進行系統(tǒng)硬件電路的具體設計，由圖2-2所示，系統(tǒng)由主控機和系統(tǒng)子機兩局部組成。其中主控機由時鐘模塊、鍵盤顯示模塊、無線數據收發(fā)模塊、聲光報警模塊及電源模塊等局部組成；系統(tǒng)子機由溫度傳感器，煙霧傳感器、無線數據收發(fā)模塊等組成。系統(tǒng)總體工作原理是由數字溫度傳感器和離子煙霧傳感器把監(jiān)控現場數據傳到系統(tǒng)子機CPU，處理后通過無線收發(fā)電路向主控機發(fā)送信號，接收端收到信號經主控機CPU處理后，進行分析和判斷后，把結果通過LCD液晶屏顯示出來，并把相關數據存儲到存儲器中，假設有火災，那么進行相關報警操作。3.1火災報警主控制器硬件設計火災報警控制器是以AT89S52芯片為核心；以HS12864點陣式液晶屏進行顯示；同時還具有人工干預單片機主要手段的鍵盤；進行信息傳遞的無心線通信模塊；存儲火災信息的存儲器；為整個主控機進行供電的電源模塊等。整個火災自動報警控制器是一個復雜的單片機控制系統(tǒng)，單片機是其核心部件。火災自動報警主控制器接收系統(tǒng)子機從探測器轉發(fā)過來關于火災、故障等報警信號，并對這些信號進行處理后向用戶發(fā)出聲、光等報警信息；所有操作指示、包括火災警、故障等系統(tǒng)反響信息都在系統(tǒng)提供的液晶屏上顯示，讓用戶操作更簡單、靈活、方便、圖像信息更直觀。本系統(tǒng)還具有時鐘電路，為系統(tǒng)提供日期及時間，時間以直觀方式顯示在液晶屏上，且為液晶待機時主界面。以上這些硬件模塊電路設計主要本著抗干能力強，傳遞信息準確、可靠，硬件電路簡潔、本錢較少為根本原那么。3.1.1AT89S52單片機簡述[15，16]AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。指令系統(tǒng)與工業(yè)80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數據指針，三個16位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。AT89S52管腳定義如圖3-1。圖3-1AT89S52管腳定義P0口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1〞時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數據存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數據復用。在這種模式下，P0不具有內部上拉電阻。在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。P1口：P1口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，p1輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫“1〞時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流。此外，P1.0和P1.1分別作定時器/計數器2的外部計數輸入〔P1.0/T2〕和定時器/計數器2的觸發(fā)輸入〔P1.1/T2EX〕。在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。引腳號第二功能：P1.0T2〔定時器/計數器T2的外部計數輸入〕，時鐘輸出P1.1T2EX〔定時器/計數器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制〕P1.5MOSI〔在系統(tǒng)編程用〕P1.6MISO〔在系統(tǒng)編程用〕P1.7SCK〔在系統(tǒng)編程用〕P2口：P2口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅動AT89S52引腳圖PLCC封裝4個TTL邏輯電平。對P2端口寫“1〞時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流〔IIL〕。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數據存儲器〔例如執(zhí)行MOVX@DPTR〕時，P2口送出高八位地址。在這種應用中，P2口使用很強的內部上拉發(fā)送1。在使用8位地址〔如MOVX@RI〕訪問外部數據存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。P3口：P3口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，p3輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫“1〞時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流〔IIL〕。P3口亦作為AT89S52特殊功能〔第二功能〕使用，如下表所示。在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。端口引腳第二功能：P3.0RXD(串行輸入口)P3.1TXD(串行輸出口)P3.2INTO(外中斷0)P3.3INT1(外中斷1)P3.4TO(定時/計數器0)P3.5T1(定時/計數器1)P3.6WR(外部數據存儲器寫選通)P3.7RD(外部數據存儲器讀選通)此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗的控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上高電平將是單片機復位。ALE/PROG：當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE〔地址鎖存允許〕輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對FLASH存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖〔PROG〕。如有必要，可通過對特殊功能存放器〔SFR〕區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ALE禁止位無效。PSEN：程序儲存允許〔PSEN〕輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89S52由外部程序存儲器取指令〔或數據〕時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當訪問外部數據存儲器，將跳過兩次PSEN信號。EA/VPP：外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲器〔地址為0000H-FFFFH〕，EA端必須保持低電平〔接地〕。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平〔接Vcc端〕，CPU那么執(zhí)行內部程序存儲器的指令。FLASH存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。XTAL1：振蕩器反相放大器和內部時鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。AT89S52單片機最小系統(tǒng)電路連接方式如圖3-2。圖3-2AT89S52單片機最小系統(tǒng)電路連接圖3.1.2火災報警主控制器時鐘電路時鐘電路為火災自動報警系統(tǒng)提供存儲火災報警發(fā)生時間及時間顯示功能所需的時鐘基準。本系統(tǒng)采用高性能、低功耗的實時時鐘芯DS1302。該芯片采用SPI三線接口與CPU進行同步通信，該芯片可提供秒、分、時、日、星期、月和年進行計時，且具有閏年補償等多種功能。DS1302內部有一個31×8的用于臨時性存放數據的RAM存放器?？蔀榈綦姳Ｗo電源提供可編程的充電功能，并且可以關閉充電功能。采用普通32.768kHz晶振。DS1302芯片的特點：(1)Vcc1為后備電源，Vcc2為主電源。在主電源關閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行；(2)31*8位數據存儲RAM；(3)工作電壓：2.0V～5.5V；(4)單字節(jié)傳送和多字節(jié)傳送兩種讀/寫時鐘或RAM數據；(5)時芯片可以采用8腳DIP或8腳SOIC封裝；(6)適用溫度范圍：—40oC～+85oC。DS1302與AT89S52應用連接電路如圖3-3。圖3-3DS1302與AT89S52連接電路3.1.3火災報警主控制器存儲電路[18]系統(tǒng)主機對火災發(fā)生的時間、地方以及火災報警探測器等的相關信息進行存儲，因此火災報警系統(tǒng)要具有存儲功能。本系統(tǒng)選用AT24C16。芯片AT24C16的特點如下：(1)AT24C16是串行、非易失的EEPROM存儲器，低壓和標準電壓工作(Vcc=1.8V—5.5V)，2048x8〔4k〕存儲空間，斯密特觸發(fā)，噪聲抑制濾波輸入，內部有64頁，允許局部頁寫操作；(2)采用8引腳封裝，具有結構緊湊、存儲容量大等特點，可以在2線總線上并接多片芯片，在使用時只需通過不同的地址對芯片進行訪問；(3)AT24C16采用的是I2C總線[19]。I2C總線最主要的優(yōu)點是其簡單性和有效性。AT24C16與AT89S52連接電路圖3-4。圖3-4AT24C16與AT89S52連接電路3.1.4火災報警主控制器無線通信電路[24]火災報警主控制器與系統(tǒng)子機之間靠無線通信芯片來實現信息交互，本系統(tǒng)選用nRF401。nRF401芯片的簡介：射頻收發(fā)芯片nRF401工作在433MHz國際通用的ISM頻段；FSK調制和解調，抗干擾能力強；采用PLL頻率合成技術，頻率穩(wěn)定性好；靈敏度高達-105dBm，最大發(fā)射功率到達+10dBm；數據速率可達20Kbit/S；可方便地嵌入測量和控制系統(tǒng)中。nRF401具有兩個信號通道，適合需要多信道工作的特殊場合；可直接與微控制器接口；低工作電壓〔2.7V—3.6V〕，功耗低，發(fā)射時電源電流8mA，接收時電源電流250μA，接收待機狀態(tài)僅為8μA；僅需外接一個晶體和幾個阻容、電感元件，即可構成一個完整的射頻收發(fā)器。nRF401采用20腳SSOIC封裝，內部電路可分為發(fā)射電路、接收電路、模式和低功耗控制邏輯電路幾局部。發(fā)射電路包含有：射頻功率放大器，鎖相環(huán)〔PLL〕，壓控振蕩器〔VCO〕，頻率合成器等電路。基準振蕩器采用外接晶體振蕩器產生電路所需的基準頻率。本機振蕩用鎖相環(huán)〔PLL〕方式，由在DDS根底上的頻率合成器、外接的無源回路濾波器和壓控振蕩器組成。壓控振蕩器由片內的振蕩電路和外接的電感組成。要發(fā)射的數據通過DIN端〔第9腳〕輸入。接收電路包含有：低噪聲放大器、混頻器、FSK解調器、濾波器等電路。接收電路中，低噪聲放大器放大輸入的射頻信號，接收靈敏度-105dBm?；祛l器采用Ⅰ級混頻結構，混頻器的輸出信號經中頻濾波器濾波后送入FSK解調器解調，解調后的數字信號在DOUT端〔第10腳〕輸出。9腳DIN輸入數字信號和10腳DOUT輸出數字信號均為標準的邏輯電平信號，需要發(fā)射的數字信號通過DIN輸入，解調出來的信號經過DOUT輸出；12腳通道選擇：CS=“0〞為通道#〔1433.9,MHz〕，CS=“1〞為通道#2〔434.33MHz〕；18腳電源開關；PWR—UP=“0〞為待機模式；19腳發(fā)射允許：TXEN=“1〞為發(fā)射模式；TXEN=“0〞為接收模式。nRF401內部結構圖3-5，引腳圖3-6。圖3-5nRF401內部結構圖圖3-6nRF401引腳圖nRF401電路如圖3-7所示。1腳和20腳之間連接的是震蕩電路，采用4MHz的晶震；9腳是數據的輸入引腳，10腳是數據的輸出引腳，11腳可以通過選擇不同的R3值調整發(fā)射功率，當R3＝22kΩ時，有最大發(fā)射功率＋10dBm；15腳和16腳是環(huán)形天線的連接引腳；18腳可控制工作和待機模式；19腳可以控制發(fā)射和接收模式。在無線火災報警系統(tǒng)中，nRF401主要完成對現場報警數據和命令參數的無線傳輸。圖3-8是發(fā)送和接收電路框圖。圖3-7nRF401電路P258051P26P27RXDTXDTXENPWR_UPCSnRF401DOUTDIN圖3-8發(fā)送和接收電路框圖3.1.5火災報警主控制器鍵盤電路本系統(tǒng)鍵盤采用矩陣式鍵盤，也就是行列式鍵盤，由行線和列線組成。采用這種結構主要是考慮到I/O口線的節(jié)省，在能節(jié)省口線的同時又能滿足系統(tǒng)對鍵盤的要求。鍵盤模塊為4*4鍵盤，由AT89S52的I/O口組成，P04-P07是列線，P32-P35是行線。按鍵位置設置在行線和列線的交叉點上。鍵盤連接如圖3-9。圖3-9鍵盤電路這16個按鍵中，其中0-9為十個數字鍵，還有上翻頁鍵、下翻頁鍵、消音鍵、確認鍵及兩個F功能鍵。各鍵功能說明如下：數字鍵：用于輸入功能代碼，例如時間及密碼等；上下翻頁鍵：用于查看上一條或者下一條記錄；F1鍵：此鍵上退出當前狀態(tài)，返回上一級菜單；F2鍵：根據不同菜單操作不同；確認鍵：對所進行的操作予以確認；消音鍵：消除火警或者故障聲音。3.1.6火災報警主控制器顯示電路用戶與火災自動報警系統(tǒng)進行交互時，主要是通過液晶屏顯示輸出和鍵盤手動輸入完成的。因此，液晶模塊在火災自動報警系統(tǒng)中是不可缺少，十分重要的。液晶屏顯示的根本原理就是在兩塊平行板之間填充液態(tài)晶體材料，其材料的內局部子排列狀況是通過電壓來改變，從而實現遮光和透光，來到達顯示深淺不同的圖象。本系統(tǒng)要求能夠進行漢字、字符和數字顯示。本系統(tǒng)采用深圳漢昇實業(yè)生產的HS12864-15點陣式液晶屏，全中文顯示綜合功能信息，操作直觀方便。液晶屏外形如圖3-10。圖3-10HS12864-15液晶屏實物圖HS12864-15系列中文圖形液晶模塊的特性主要由其控制器ST7920決定。ST7920同時作為控制器和驅動器，它可提供33路com輸出和64路seg輸出。在驅動器ST7921的配合下，最多可以驅動256×32點陣液晶，同進可以實現圖形、字符等顯示。本液晶屏帶LED背光，藍底白字，背光壽命長，使用簡單。。采用并口直接訪問方式，3條位控制總線和8位并行數據總線輸入輸出與CPU接口通訊，并且該液晶屏內具有顯示數據鎖存器，操作指令簡單。HS12864-15系列產品硬件特性如下：提供8位，4位并行接口及串行接口可選；并行接口適配M6800時序；自動電源起動復位功能；內部自建振蕩源；64*16位字符顯示RAM；2M位中文字型ROM，總共提供8192個中文字型；16K為半寬字型ROM，總共提供126個西文字型；64*16為字符產生RAM；驅動電壓：5.0V。AT89S52與液晶模塊接口電路如圖3-11。圖3-11AT89S52與液晶模塊電路3.1.7火災報警主控制器電源電路[14]我們把提供電壓的裝置稱為電源，其作用是把其他形式的能轉換成電能。整個系統(tǒng)中，電流和電壓的穩(wěn)定，將直接影響系統(tǒng)的工作性能和使用壽命。電源引起系統(tǒng)故障在所有故障中占一定的比例，因此一項重要的設計工作就是要設計一個可靠、穩(wěn)定、高效、抗干預能力強的電源模塊。整個系統(tǒng)的本錢、設計能力以及特殊芯片對電源的要求，是具體設計電源方案是要考慮的因素。每種電器設備都需要電源進行供電，火災自動報警系統(tǒng)作為一個實時監(jiān)控系統(tǒng)，更要求電源模塊時刻進行供電。因此在市電停電的情況下，火災自動報警系統(tǒng)依然要進行正常工作，這就需要兩個電源。本系統(tǒng)采用主電源和備用電源，主電源是由市電提供的交流220V。交流220V經整流濾波電路轉換為直流6V，再經過分壓后對整個系統(tǒng)各局部進行供電。備用電源那么采用6V蓄電池?；馂淖詣訄缶到y(tǒng)控制器的主要芯片供電電集中在4.5V～5.5V，主控芯片采用AT89S52作為MCU，具有獨立方向控制功能的IO引腳，具有強大的帶負載能力。本系統(tǒng)中市電交流電壓220V/50HZ，經過變壓器初級繞組，次級繞組輸出交流電變換成電路所需的低壓交流電。低壓交流電再經過整流電路得到＋6V直流電壓，此時是脈動直流。經過橋式整流、平滑濾波后得到的直流電仍然有局部交流，這時還不能對電壓波動敏感的元器件直接供電，因此要進行穩(wěn)壓。本系統(tǒng)采用開關電壓調節(jié)器LM2596，能夠輸出3A的驅動電流，可固定輸出5V。封裝形式有5腳TO-220封裝和5腳TO-263表貼。該器件內部集成頻率補償和固定頻率發(fā)生器，開關頻率為150KHz，與低頻開關調節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件，外圍電路簡單，僅需4個外接元件。在特定的輸入電壓和輸出負載的條件下，輸出電壓的誤差可以保證在±4%的范圍內，振蕩頻率誤差在±15%的范圍內。經過上述變壓、整流及穩(wěn)壓電路，將市電220V轉化為器件所需的5V直流電壓。電源可以在停電時自動實現切換供電。正常供電時，自動對后備蓄電池充電，并有充電保護功能[32]。如圖3-12所示，在供電正常時，J2得電吸合，其動觸點與“N/O〔常開點〕〞接通，后備蓄電池正端與IC1的反相端相聯。IC1〔LM308〕和D3、D4組成電壓比較器，參考電壓由D3、D4決定。這里用一個硅二極管〔D3〕和一個6.2V的穩(wěn)壓二極管〔D4〕組成6.9V的參考電壓，對充電壓電壓進行監(jiān)控。當IC1的2腳輸入電壓〔既蓄電池電壓〕低于6.9V時，IC1的6腳輸出高電平，T1導通，J1得電，其動觸點與“N/O〔常開點〕〞接通，電源電壓通過R3對蓄電池充電，同時LED2點亮為充電指示。改變R3阻值可調整充電電流。隨著充電時間增加，IC1的2腳電壓逐漸增加，當電壓大于參考電壓6.9V時，IC1的6腳輸出低電平，T1截止，J1失電，斷開充電回路，實現自動充電保護功能。當停電時，J2失去電源，其動觸點與“N/C〔常閉點〕〞接通，蓄電池對系統(tǒng)供電，實現停電時自動切換功能。變壓器選用次級為6V/200mA的電源變壓器。J1、J2選用線圈電壓為6V的繼電器。其他器件選擇可參考圖示，無特殊要求。圖3-12系統(tǒng)主機電源電路3.1.8火災報警主控制器報警電路當現場的溫度或者煙霧濃度信息超過臨界值時能發(fā)出聲光報警，由主控芯片的P0.3輸出報警信號。平時P0.3輸出高電平，三極管Q1導通，555處于強制復位狀態(tài)；當報警發(fā)生時P0.3輸出低電平，三極管Q1截止，555震蕩器復位管腳高電平，多諧振蕩器工作，從而使發(fā)光二極管閃爍發(fā)光，揚聲器發(fā)聲，發(fā)出聲光報警[33]。其連接電路如圖3-13。圖3-13報警電路3.2火災報警系統(tǒng)子機硬件設計火災自動報警系統(tǒng)子機同樣具有相對復雜的功能，采用單片機控制。系統(tǒng)子機仍然采用AT89S52芯片為核心。一臺主控制器可以同時帶多臺火系統(tǒng)子機。系統(tǒng)子機具有電源模塊，為子機系統(tǒng)提供電源?；馂淖詣訄缶到y(tǒng)子機具有雙向通訊，一方面要接收來自控制器的各種操作命令，另一方面又要將接收到的命令經過處理后發(fā)送給探測器；同樣地，系統(tǒng)子機由無線通訊電路上報信息給主控制器，也將火警、故障等信息通過無線通訊模塊上報主控制器。因此，火災報警系統(tǒng)子機無線通訊功能是重要功能之一。每臺系統(tǒng)子機各自具有一個唯的地址號，用于控制器對每臺系統(tǒng)子機進行區(qū)分。系統(tǒng)子機硬件模塊電路設計以具有很好抗干性，傳遞信息準確、可靠，操作方便簡單，硬件電路簡潔、本錢較少為根本原那么。3.2.1溫度監(jiān)測電路設計系統(tǒng)選用DS18B20做為溫度測量的傳感器，針對51單片機I/O口線較少的特點，用一只DS18B20型單線數字式集成溫度傳感器組成溫度采集網絡。數字式溫度傳感器DS18B20簡介：單總線是美國DALLAS半導體公司近年推出的新技術，它只定義了一根信號線，總線上的每個器件都能夠在適當的時間驅動它，相當于把單片機的地址nRF401線、數據線、控制線合為一根信號線對外進行數據交換。為了區(qū)分這些芯片，廠家在生產芯片時，為每個芯片編制了惟一的序列號，通過尋址就能把芯片識別出來。從而能使這些器件掛在一根信號線上進行串行分時數據交換，大大簡化了硬件電路。DS18B20是美國DALLAS半導體公司推出的應用單總線技術的數字溫度傳感器。它的主要技術特性如下：①具有獨特的單線接口方式，即微處理器與其接口時僅需占用1位I/O端口；②支持多節(jié)點，使分布式多點測溫系統(tǒng)的線路結構設計和硬件開銷大為簡化；③測溫時無需任何外部元件：④可以通過數據線供電，具有超低功耗工作方式：⑤測溫范圍為-55℃+125℃，測溫精度為±0.5℃：⑥溫度轉換精度9-12位可編程，能夠直接將溫度轉換值以16位二進制數碼的方式串行輸出。12位精度轉換的最大時間為750ms。因為它是數字輸出，而且只占用一個I/O端口，所以它特別適合于微處理器控制的各種溫度測控系統(tǒng)，防止了模擬溫度傳感器與微處理器接口時需要的A/D轉換和較復雜的外圍電路?？s小了系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的可靠性。1．DS18B20的結構DS18B20主要由四局部組成。①64位光刻ROM數據存儲器。②溫度傳感器。③非易失性電可擦寫溫度報警觸發(fā)器TH和TL。④非易失性電可擦寫設置存放器。如圖3-3所示，器件只有3根外部引腳，其中VDD和GND為電源引腳，另一根DQ線那么用作I/O總線，因此稱為一線式數據總線。與單片機接口的每個I/O口可掛接多個DS18B20器件。每片DS18B20含有一個唯一的64位ROM編碼。頭八位是產品系列編碼，表示產品的分類編號；接著的48位是一個惟一的產品序列號，序列號是一個15位的十進制編碼，每個芯片惟一的編碼可以通過尋址將其識別出來，最后8位是前56位的循環(huán)冗余(CRC)校驗碼，是數據通信中校驗數據傳輸是否正確的一種方法。所以多片DS18B20能夠連接在同一條數據線上而不會造成混亂。這為溫度的多點測量帶來了極大的方便。DS18B20傳感器的內部數據存儲器由9個字節(jié)組成。第一、二個字節(jié)是溫度數據(MSB、LSB)，可以在系統(tǒng)配置存放器中自行設置數據位數(9～12位)，數據位越多溫度分辨率越高，多余的高位是溫度數據的符號擴展位。第三、四字節(jié)是溫度上下限報警值(TH、TL)。第五字節(jié)是系統(tǒng)配置存放器，存放器各位定義如下：第八位用來設置傳感器的工作狀態(tài)，“1〞為測試狀態(tài)，“0〞為操作狀態(tài)，出廠設置為操作功能狀態(tài)，用戶不能修改；第七、六兩位是溫度轉換數據位的設置(00、01、10、11分別對應9、10、11、12位溫度數據)，出廠設置為12位溫度數據位，用戶可根據需要進行修改，其余位無效。第六、七、八字節(jié)保存未用。第9個字節(jié)是CRC校驗碼，是前面8個字節(jié)的循環(huán)校驗碼，用在通信中驗數據傳送的正確性。圖3-14DS18B20的結構框圖溫度傳感器的轉換結果以16位二進制補碼的形式存放在便箋式存儲器中，其中第一個字節(jié)〔Byte0〕存放測溫結果的低位〔LSByts〕，第二個字節(jié)〔Byte1〕存放測溫結果的高位〔MSByts〕，S為符號位，其它位為數據位，溫度為負時S=1；溫度為正時S=0。格式如下：Bit0Bit7LSByts232221202-12-22-32-4Bit8Bit15MSBytsSSSSS262524如果測量的溫度值高于溫度報警觸發(fā)器TH或低于TL中的值，那么DS18B20內部的報警標志位就被置位，表示溫度測量值超出范圍。DS18B20的溫度轉換位數可以選擇9～12位，分別對應的測溫分辨率為0.5℃,0.25℃，0.125℃，0.0625℃。不過溫度轉換位數越大，轉換時間也越長。12位精度的最大轉換時間為750ms。DS18B20的測溫范圍為-55～+125℃，溫度轉換結果以16位二進制方式單線輸出,轉換的位數可通過寫配置存放器〔字節(jié)4〕設定,其格式如下：Bit7Bit00R1R011111R1、R0的設定值與位數、分辯率和最大轉換時間的關系如表3-1所示，可見位數每減少一位，分辯率同比減少而轉換時間那么加快一倍,器件上電時默認分辯率為12位。表3-1配置存放器設置R1R0分辨率℃最大轉換時間ms有效位數000.593.759位〔Bit11～Bit3〕010.25187.5010位〔Bit11～Bit2〕100.125375.0011位〔Bit11～Bit1〕110.0625750.0012位〔Bit11～Bit0〕溫度報警觸發(fā)器和設置存放器都由非易失性電可擦寫存儲器(EEPROM)組成，設置值通過相應命令寫入，一旦寫入后不會因為掉電而喪失。2.DS18B20的測溫原理DS18B20的溫度傳感器是通過溫度對振蕩器的頻率影響來測量溫度，如圖3-15所示。DS18B20內部有兩個不同溫度系數的振蕩器。低溫系數振蕩器輸出的時鐘脈沖信號通過由高溫系數振蕩器產生的門開通周期而被計數，通過該計數值來測量溫度。計數器被預置為與-55℃對應的一個基數值，如果計數器在高溫系數振蕩器輸出的門周期結束前計數到零，表示測量的溫度高于-55℃，被預置在-55℃的溫度存放器的值就增加一個增量，同時為了補償和修正溫度振蕩器的非線性，計數器被斜率累加器所決定的值進行預置，時鐘再次使計數器計數直至零，如果開門通時間仍未結束，那么重復此過程，直到高溫度系數振蕩器的門周期結束為止。這時溫度存放器中的值就是被測的溫度值。這個值以16位二進制補碼的形式存放在便箋式存儲器中。溫度值由主機通過發(fā)讀存儲器命令讀出，經過取補和十進制轉換，得到實測的溫度值。圖3-15DS18B20測溫原理3.DS18B20的封裝和供電方式DS18B20是DS1820的升級產品，一般封裝為TO-92，比DS1820的PR-35封裝更小。DS18B20只有三根外引線：單線數據傳輸端口DQ、共用地線GND、外供電源線VDD。DS18B20有兩種供電方式：一種為數據線供電方式，此時VDD接地，它是通過內部電容在空閑時從數據線獲取能量，來完成溫度轉換，完成溫度轉換的時間較長。當使用數據總線寄生供電時，供電端必須接地，同時總線口在空閑的時候必須保持高電平，以便對傳感器充電。但當所測溫度超過100℃時，DS18B20的漏電流增大，傳感器從I/O線上獲取的電流缺乏以維持DS18B20通訊所需的電流，此時只能選用外部供電方式。比較而言，寄生電源方式少用一根導線，但它完成溫度測量所需的時間較長，而外部電源方式測量速度那么要快些。因此，本系統(tǒng)采用外部供電方式。DS18B20與單片機電路連接圖如3-16。圖3-16DS18B20與單片機電路連接圖3.2.2煙霧監(jiān)測電路設計本系統(tǒng)采用離子式煙霧傳感器設計煙霧報警電路。離子煙霧報警是通過測量空氣中的正負電荷的平衡來工作的。這種報警器的傳感器是一個離子室。內部有一小片放射性物質〔離子源〕，這種物質能在感應室內流動的空氣中產生一股微小的電流。當煙霧粒子進入到感應室后，就會擾亂那里的正負電荷的平衡，同時也會使這股電流發(fā)生變化。當煙霧逐漸加重，正負電荷的不平衡性就會加強。當這種平衡性到達一定的限度，就會發(fā)出報警信號。在本設計中，選用NIS-09聲光傳感器。它是離子式煙霧傳感器，是日本NEMOTO公司專為檢測延誤而精心設計的新型傳感器。它的輸出模擬量與我們所用的A/D轉換器〔ADC0832〕輸入等級不相符合〔NIS-09聲光傳感器輸出電壓是5.6+0.4v，A/D轉換器的輸入量程是0～+5V〕。因此，設計時先將傳感器輸出電壓分壓后，再輸入A/D轉換器的輸入端口。檢測方式：離子型，一源兩室。放射參數：電源電壓是DC9V，輸出電壓是5.6+0.4V，電流損耗是27+3pA，靈敏度是0.6+0.1V。NIS-09特性參數如表3-2所示：(a)靈敏度特性〔根據UL217標準風速0.1M/秒〕。(b)電源電壓特性〔25℃60﹪RH〕。(c)溫濕度特性溫度特性〔溫度60﹪〕。(d)溫度特性〔溫度25℃〕源：放射元素是媚241，放射量是平均33.3KBq.=0.9uCi〔29K—37KBq〕。工作環(huán)境：電源電壓是DC6.0-18.0V，最大24V；溫度是0-50℃，最大-10-60℃。典型特性:表3-2NIS-09特性參數〔a〕靈敏度特性(9V)〔b〕電源電壓特性聲光強度〔%英尺〕輸出電壓〔V〕誤差〔△V〕05.6±0.4015.3±0.50.3±0.125.0±0.50.6±0.134.7±0.50.9±0.244.4±0.51.2±0.254.2±0.51.4±0.2電源電壓輸出電壓〔V〕63.3±0.395.6±0.4128.0±0.71510.0±0.851813.0±1.0濕度〔%C〕輸出〔V〕305.75±0.5605.6±0.4905.45±0.4溫度〔℃〕輸出〔V〕05.15±0.4255.6±0.4505.85±0.4〔C)溫度特性〔d〕溫度ADC0832是美國國家半導體公司生產的一種8位分辨率、雙通道A/D轉換芯片。由于它體積小，兼容性，性價比高而深受單片機愛好者及企業(yè)歡送，其目前已經有很高的普及率。ADC0832為8位分辨率A/D轉換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間。芯片轉換時間僅為32μS，據有雙數據輸出可作為數據校驗，以減少數據誤差，轉換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI數據輸入端，可以輕易的實現通道功能的選擇。ADC0832管腳圖如圖3-17。圖3-17ADC0832管腳圖煙霧傳感器NIS-09輸出的模擬量信號，經過分壓后，通過模數轉換器ADC0832的CH0腳輸入，輸出結果經DO和DI引腳輸入控制器。煙霧監(jiān)測電路如圖3-18。圖3-18煙霧監(jiān)測電路3.2.3系統(tǒng)子機電源電路設計火災報警器系統(tǒng)子機電源模塊對整個子機系統(tǒng)提供電源，使其能夠正常工作。本子機采用9V鋰電池供電。經過濾波電容附去電源波動后，為煙霧傳感器供電。再經過采用COMS技術的三端口低功耗電壓調整器LM7805，將9V電源變換為芯片AT08S52和ADC0832所需的5V電源。系統(tǒng)子機電源電路如圖3-19。圖3-19系統(tǒng)子機電源電路LM7805允許的輸入電壓可達35V，輸出5V的固定電壓；輸出電壓差典型值50mV；LM7805的靜態(tài)電流功耗典型值8mA；輸出阻抗：15mΩ；LM7805的工作溫度系數0OC～125OC；存儲溫度-65OC～150OC；封裝采用TO-220。4火災報警系統(tǒng)軟件設計程序設計總體采用結構化設計方法，根據系統(tǒng)結構，自動火災報警器系統(tǒng)軟件主要分為控制器軟件設計和系統(tǒng)子機軟件設計。其中又可分為各模塊子程序的設計。4.1火災報警控制器軟件設計本系統(tǒng)中的火災報警控制器采用C語言對AT89S52單片機進行程序編寫[21，22]。主要分為火災報警控制器主程序、時鐘程序、液晶程序、尋鍵程序、存儲程序和通訊子程序幾個模塊。幾個模塊共同工作完成火災報警控制器的主要功能。4.1.1火災報警控制器主程序火災報警控制器主程序是火災報警系統(tǒng)上電后最先運行的程序，其功能是對單片機及外圍器件進行初始化，及相應的參數配置。初始化完成后，液晶進入初始顯示界面。當有鍵按下時，查詢是否為功能鍵。為功能鍵時，按照不同鍵碼執(zhí)行不同子功能程序。如果不是功能鍵，程序回到液晶初始界面顯示，等待下次人機交互。當無線通訊模塊接收到火災報警信號時，進入報警中斷程序。手動復位或報警信號消除后，液晶再次進入初始顯示界面?；馂膱缶刂破髦鞒绦蛄鞒倘鐖D4-1。圖4-1火災報警控制器主程序流程圖4.1.2火災報警控制器時鐘程序[20]時鐘芯片采用DS1302，其軟件程序主要包括初始化、寫時鐘芯片、讀時鐘芯片。在發(fā)生火警、故障等時，要把相應的時間信息同其他相關信息寫入存儲器芯片