基于單片機的煙感報警器講解

1、摘 要本設計設計一個煙感報警器，通過傳感器 (包括溫感和煙感)將現(xiàn)場溫度、煙霧等信號轉化為可檢測的電信號，放大和濾波電路將傳感器輸出的電信號送入A /D轉換電路 ,完成煙霧傳感器和溫度傳感器輸出的模擬信號到數(shù)字信號的轉換，單片機判斷現(xiàn)場是否發(fā)生火災。若發(fā)生火災，系統(tǒng)會驅(qū)動蜂鳴器和指示燈報警。由于系統(tǒng)采用高性能的單片機芯片為核心和高靈敏度的煙感傳感器，而且利用聲音和指示燈兩種報警形式進行報警提示，大大的提好了系統(tǒng)的精確性和可靠性。關鍵詞 單片機 AT89C51 ADC0809 傳感器 SummaryThe design of the design of a smoke alarm, the sc

2、ene temperature, smoke, etc. signal into electrical signal detected by the sensors (including temperature sensitive and smoke), amplification and filtering circuit of the sensor output electrical signal fed to the A / D converter circuit, the completion of the smoke sensor and temperature sensor out

3、put analog signal to digital signal conversion, the microcontroller to determine whether the site fire. If a fire occurs, the system will drive the buzzer and the alarm indicator. As the system uses high-performance microcontroller chip as the core and high sensitivity smoke sensors, and the use of

4、sound and light form of two alarm alarm, much of the good accuracy and reliability of the system.Keywords AT89C51 MCU; ADC0809 sensor 目 錄1 引言31.1 課題研究的背景和意義31.2本文內(nèi)容的結構安排32 火災報警系統(tǒng)整體方案設計42.1火災的煙霧產(chǎn)生過程和溫度升高過程42.2.1 系統(tǒng)硬件總體構架52.2.2 系統(tǒng)軟件總體構架62.3系統(tǒng)主要器件的選擇62.3.1 傳感器的選擇62.3.2 單片機芯片的選擇112.3.3A/D轉換芯片的選擇123 火災自動

5、報警系統(tǒng)硬件設計133.1 信號放大和濾波電路133.2晶振電路與復位電路153.2.1晶振電路153.2.2 復位電路153.3聲光報警電路163.3.1聲音報警器163.3.2光報警器173.4 數(shù)據(jù)采集電路174 火災報警系統(tǒng)程序設計204.1軟件開發(fā)環(huán)境204.2火災報警系統(tǒng)程序設計204.2.1 據(jù)采集程序214.2.2火災判斷與報警程序224.3軟件調(diào)試245 總結24參考文獻25附錄26致謝2730 1 引言1.1 課題研究的背景和意義 隨著社會和科技的發(fā)展，人們越來越多的使用電子產(chǎn)品和煤氣,天然氣,由此導致的火災隱患也越來越多，再者還有吸煙和煙花導致的火災給人類、社會和自然造成

6、的危害越來越大，它不僅毀壞物質(zhì)財產(chǎn)，而且還直接危脅人們的生命安全，給人們的心靈造成極大的傷害。大量殘酷的火災教訓讓人器的話可以大大降低人員的傷亡，減少不必要的財富和生命損失?；馂膱缶骶褪菫榱藵M足這一需求而研制的，并且火災報警器得自身功能隨科技的發(fā)展和人們需求也在不斷地提高，在功能、結構、形式等方面不斷地完善。們逐漸認識到火災預防,火災報警和消防工作的重要性，如果有火災報警有的火災自動報警器能在火災發(fā)生之前提前檢測到火災的即將發(fā)生,它能根據(jù)火災的早期特征煙霧或溫度的變化檢測到火情并及時報警告知人們做好預防，可將火災帶來的生命財產(chǎn)損失降到最低限度?；馂淖詣訄缶到y(tǒng)能對火災進行實時監(jiān)測和準確報警，

7、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，減少了不必要的經(jīng)濟損失和人員傷亡。1.2本文內(nèi)容的結構安排1:緒論。主要介紹課題的研究背景和意義和論文的章節(jié)安排。2:介紹了煙感報警器的原理，選擇合適的傳感器 ,給出煙感自動報警系統(tǒng)的總體設計構架，分別給出硬件和軟件的整體構架，并一一介紹硬件系統(tǒng)的主要器件選型。3:煙感報警系統(tǒng)硬件設計，詳細介紹了傳感器信號放大電路,濾波電路,單片機處理電路及聲光報警電路，并給出相應的設計原理圖。4：煙感報警器的軟件程序設計，介紹主程序,初始化程序,數(shù)據(jù)采集子程序火災判斷與報警子程序等。5：對本次論文的撰寫進行總結，并對煙感報警器的發(fā)展前景進行展望。2

8、火災報警系統(tǒng)整體方案設計2.1火災的煙霧產(chǎn)生過程和溫度升高過程一般可燃物在燃燒時先產(chǎn)生燃燒氣體，繼而產(chǎn)生煙霧，在氧氣充足的條件下就會完全燃燒而產(chǎn)生火焰，發(fā)出可見光和不可見光，并散發(fā)出大量的熱，使環(huán)境溫度升高。起火過程中，剛開始會產(chǎn)生大量的煙霧且持續(xù)的時間相對較長，而此時現(xiàn)場的環(huán)境溫度還不是太高沒有驟變，若此時煙感傳感器感應到了煙霧就可以及時報警并在火勢沒擴大之前讓人們提前預防和撤離，這樣就可以把火災損失控制在最小限度。等到火焰燃燒后，它會快速蔓延，產(chǎn)生大量的熱而導致環(huán)境溫度的升高，若能感受到溫度的變化而報警提醒人們就可以比較及時地控制火災。若以此硬件設計中我會加入溫度傳感器和煙感傳感器配合工作

9、,互補各自的不足，大大的降低了報警器的誤報率 ,起火過程曲線如圖2.1所示。圖2.1 起火過程曲線2.2系統(tǒng)總體方案設計2.2.1 系統(tǒng)硬件總體構架單片機A/D轉換 電路放大,濾波 電路煙感,溫度 傳感器煙感報警系統(tǒng)主要由煙感數(shù)據(jù)采集模塊、單片機控制模塊、驅(qū)動聲光報警模塊組成。圖2.2為火災報警系統(tǒng)的結構框圖。聲光報警電路 2.2 系統(tǒng)結構框圖 單片機是整個報警系統(tǒng)的控制核心，它的工作原理是：先通過傳感器 (包括溫感和煙感)將現(xiàn)場溫度、煙霧等信號轉化為可檢測的電信號，放大和濾波電路將傳感器輸出的電信號送入A /D轉換電路 ,完成煙霧傳感器和溫度傳感器輸出的模擬信號到數(shù)字信號的轉換，單片機判斷現(xiàn)

10、場是否發(fā)生火災。若發(fā)生火災，系統(tǒng)會驅(qū)動蜂鳴器和指示燈報警。本火災自動報警系統(tǒng)具有以下功能：(1)聲音和燈光雙重報警功能。(2)系統(tǒng)自故障提醒功能:硬件發(fā)生故障時，會發(fā)出故障提醒信號。(3)異常報警功能:環(huán)境中的煙霧濃度或溫度較高時,能發(fā)出提示信號提醒人們注意，使人們早有防范。(4)火災報警功能:火災真正發(fā)生時也就是溫度和煙霧都較高時，會發(fā)出聲光報警信息。2.2 系統(tǒng)軟件總體構架系統(tǒng)采用了模塊化程序設計方法，系統(tǒng)各個模塊的具體功能都是通過子程序的調(diào)用實現(xiàn)的。主要包括數(shù)據(jù)采集子程序、火災判斷程序,指示燈顯示程序和驅(qū)動蜂鳴器報警子程序等，系統(tǒng)程序流程圖如圖2.3所示。.圖2.3 程序流程圖維了降低誤

11、報率，本系統(tǒng)對信號進行多次采集多次判斷，最后再綜合判斷的結果做出最終的控制。主程序是一個無限循環(huán)體，其流程是：先對系統(tǒng)的各部分包括單片機各個端口輸入輸出的設置、外圍驅(qū)動電路和數(shù)據(jù)存儲電路等完成初始化，再對程序進行初始化，最后執(zhí)行火災報警系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集任務，數(shù)據(jù)轉換任務,查詢判斷任務和判斷后的驅(qū)動各狀態(tài)。2.3系統(tǒng)主要器件的選擇2.3.1 傳感器的選擇l)煙感傳感器簡介煙感探測器可以分為離子感煙探測器和光電感煙探測器,.煙感傳感器是火災報警系統(tǒng)的重要組成部分，具有非常好的預警功能,它是整個系統(tǒng)正常運行的關鍵。當有火災時，它會把火災產(chǎn)生的煙霧非電量信號轉變?yōu)殡娏啃盘査徒o單片機控制器。其特點是模擬

12、量傳輸，跟隨非電量參數(shù)的變化而變化16。以下對幾種常見煙感傳感器作一介紹.（a）半導體煙霧傳感器（半導體氣敏傳感器）半導體煙霧傳感器一般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和用半導體器件制作的煙霧傳感器。半導體煙霧傳感器的原理是:氣體在半導體表面的氧化和還原反應導致敏感元件阻值變化。半導體煙霧傳感器一般可分為電阻式和非電阻式。當氣敏元件接觸到氣體時，半導體的阻值會發(fā)生變化，利用傳感器輸出端阻值的變化來測定或控制氣體的有關參數(shù)，這種類型的傳感器稱為電阻式半導體氣敏傳感器；當場效應管在接觸到氣體時，場效應管的電壓將隨周圍氣體狀態(tài)的不同而發(fā)生變化，利用這種原理制成的傳感器被稱為非電阻

13、式半導體氣敏傳感器。 (b)接觸燃燒式傳感器 原理:當易燃煙霧接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時會發(fā)生氧化反應而燃燒。接觸燃燒式氣體傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲（也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層），使用時對鉑絲通以電流，保持300400的高溫，此時若與可燃性氣體接觸，可燃性氣體就會在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會上升，鉑絲的電阻值也上升；通過測量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道可燃性氣體的濃度。使用接觸燃燒式傳感器，其最大的缺點是探頭很容易發(fā)生阻緩和中毒現(xiàn)象。一般在連續(xù)使用兩個月后應對該傳感器進行維護。這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。(c)電化學傳感器 電化

14、學傳感器由膜電極和電解液封裝而成。電化學氣敏傳感器原理:利用液體（或固體、有機凝膠等）電解質(zhì)，其輸出形式可以是氣體直接氧化或還原產(chǎn)生的電流，也可以是離子作用于離子電極產(chǎn)生的電動勢,即煙霧濃度信號把電解液分解成陰陽帶電離子，通過電極將信號傳輸出。它的優(yōu)點是：反映速度快、準確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測，但壽命較短(大約兩年)。它主要適用于毒性煙霧檢測。目前國際上絕大部分毒氣檢測采用該類型傳感器。 (d)高分子煙霧傳感器 高分子煙霧傳感器最近幾年發(fā)展很快。高分子氣敏元件在遇到特定煙霧時，電阻、介電常數(shù)、材料表面聲波傳播速度和頻率、材料重量等物理性能會相應發(fā)生變化。高分子氣敏元件由于具有易操作性、工藝簡

15、單、常溫選擇性好、價格低廉、易與微結構傳感器和聲表面波器件相結合，在檢測毒性煙霧和食品鮮度等方面具有重要作用。高分子煙霧傳感器靈敏度高，選擇性好，且結構簡單，能在常溫下使用，可以彌補其它煙霧傳感器的不足。 （e） 離子感煙傳感器離子感煙傳感器對于煙霧氣顆粒檢測很有效，可測煙霧粒的直徑范圍為0.03um-10um,它在內(nèi)外電離室里面有放射源镅241。它會使兩極板間空氣分子電離為正、負離子，使原來不導電的空氣帶電。當火災發(fā)生時，正離子和負離子被吸附到煙霧粒子上，使正、負離子相互中和的概率增加，這樣煙霧粒子濃度大小可以以電流變化量大小表示出來，實現(xiàn)對火災參數(shù)的檢測。 （g）光電式感煙傳感器 光電式感

16、煙傳感器由光源、光敏元件和電子開關組成。正常情況下,光源發(fā)出的光，通過透鏡射到光敏元件上，使電路維持正常，如果有煙霧，到達光敏元件上的光就顯著減弱，光敏元件根據(jù)光強弱的變化變成電的變化，光電式感煙探測器發(fā)展很快，種類不斷增多，就其功能而言，它能實現(xiàn)早期火災報警，除應用于大型建筑物內(nèi)部外，還特別適用于電氣火災危險性較大的場所，如計算機房、儀器儀表室和電纜溝、隧道等處。 (2)溫度傳感器溫度傳感器一般分為定溫式和差溫式。溫度傳感器只有在溫度發(fā)生較為大的變化時才能檢測到，而溫度突然升高時火災已經(jīng)發(fā)生，火苗已經(jīng)出現(xiàn)，所以溫度傳感器檢測不適用于火災發(fā)生的早期，但可在火災發(fā)生時煙霧較少時再次報警，它往往感

17、測的范圍較小，一般安裝在不宜安裝感煙探測器的區(qū)域。這里就不一一介紹了。2）煙感傳感器的選擇本設計中煙感傳感器采用的是離子型感煙傳感器，它的內(nèi)部有微量的放射性物質(zhì)媚(Am)241，由于金屬電極覆蓋著傳感器，所以放射物質(zhì)不會泄露。它對灰白、白色和黑色煙霧都比較敏感，最大不足是受環(huán)境濕度對它影響比較大。 NIS-09C傳感器的功耗比較低也普遍適用,靈敏度也比較高。NIS-09C離子煙霧探測器探測到的是煙霧濃度模擬量，煙霧濃度p和輸出電壓v之間是近似線性的關系，其特性曲線方程：v=-0.3p+5.6。3）溫度傳感器溫度探測器使用的是集成溫度傳感器LM94022，因為它工作電壓低且工作電壓范圍寬，又能與

18、模數(shù)轉換器配合使用。該傳感器屬于高精度模擬輸出CMOS溫度傳感器，其主要特性如下：(1)工作電壓低，在1.5V電壓下就可工作；且工作電壓范圍寬，是1.55.5V；(2)靜態(tài)電流小(3)末級為推挽輸出，輸出電壓與感測的溫度成反比，確保芯片即使在較高的溫度范圍內(nèi)仍可保持極高的靈敏度；(4)可提供4個不同增益讓用戶自行選擇，其中包括-5.5mV/ 、-8.2 mV / 、-10.9mV /及-13.6mV /；(5)可檢測的溫度范圍寬， -50至150都可以；GS0、GS1是LM94022的靈敏度選擇輸入端，當給它們施加不同電平時，就會有有4種不同的靈敏度，用戶可以選擇適合的靈敏度，如表2.3所示(

19、溫度升高輸出的電壓反而減小,所以靈敏度為負值)。根據(jù)測量溫度的范圍和系統(tǒng)電路的工作電壓選擇比較合理的。要求高電平大于0.5V ；低電平小于0.5V。表2.3 LM94022的4種靈敏度GS0GS1靈敏度典型值(mV/)00-5.5 01-8.210-10.911-13.6LM94022的輸出特性如圖2.5所示，測量溫度與輸出電壓在不同靈敏度時的特性。輸出電壓隨溫度升高而下降，其靈敏度為負值。從圖可看出，LM94022的輸出電壓與感測的溫度是反比關系，并且其線性度極好。在VDD為5V時，不同靈敏度的幾個特定溫度值時的輸出電壓如表2.5所示（典型值）。圖2.5LM94022的輸出特性表2.4 VD

20、D為5V，t為25時的輸出電壓值被測溫度GS=00(mV)GS=01(mV)GS=10(mV)GS=11(mV)-501299195526163277-251168176723662965010341565210026332589813651831229850760115915581958續(xù)表2.4 VDD為5V，t為25時的輸出電壓值被測溫度GS=00(mV)GS=01(mV)GS=10(mV)GS=11(mV)75619949129016091004767379971257125332521711901150183301420593按表2.4的數(shù)據(jù)計算出的靈敏度值與表2.3給出的典型靈敏度

21、有一些差值。例如，在GS=00時，-25時的輸出電壓為1168 mV，-50時的輸出電壓為1299 mV，則其平均靈敏度為-5.24 mV /；50時的輸出電壓為760 mV，75時的輸出電壓為619 mV，則其平均靈敏度為5.64 mV /。表2中GS=00時，靈敏度為-5.5 mV /。2.3.2 單片機芯片的選擇單片機是煙感報警器系統(tǒng)最重要的部分，可以說是它的心臟。它用來接收信號并根據(jù)判斷結果驅(qū)動報警裝置。51系列單片機的優(yōu)點是價錢便宜，程序空間大，I/O口多，它是檢測系統(tǒng)中比較理想的選擇。本設計使用的控制芯片是ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51，高性能CMOS8位微處理器。AT89C5

22、1是一個低功耗高性能單片機，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，可靈活應用于各種控制領域。40個引腳， 2個全雙工串行通信口。AT89C51的引腳圖如圖2.6所示。芯片可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程，其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，能反復擦寫有效地降低開發(fā)成本。要性能參數(shù)如下：本設計主要采用AT89C51芯片。AT89C51具有如下特點：40個引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工

23、串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。圖2.6 AT89C51芯片的引腳圖2.3.3A/D轉換芯片的選擇 A/D轉換電路采用的數(shù)模轉換芯片是ADC0809，ADC0809是8位8通道的，由8路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、8位A/D轉換器和三態(tài)輸出鎖存緩沖器組成，芯片引腳圖如圖2.7所示。圖2.7 ADC0809芯片的引腳圖ADC0809具有以下功能:（1）8位分辨率。（2）1LSB的不可調(diào)誤差范圍。（3）供電電壓為+5v，外部提的供基準電壓，+5v是典型值，此時允許輸入模擬電壓范圍為05V。（4）多路開關可選通8個模擬通道,允許8路模擬信號分時輸入。（5）輸出鎖存器可存放和輸出轉化

24、得到的數(shù)字量。（6）轉換時間為100s左右,。3 火災自動報警系統(tǒng)硬件設計3.1 信號放大和濾波電路由于傳感器輸出的模擬信號比較微弱，且含有干擾信號，所以需要把感應到的信號進行放大和濾波。3.1.1溫度傳感器的放大與濾波電路溫度傳感器使用的是高精度模擬輸出CMOS溫度傳感器LM94022，該傳感器的末級為推挽輸出，檢測的溫度與輸出的電壓成反比關系，也就是輸出電壓越低溫度越高；本設計溫度傳感器靈敏度選擇-5.5mV/，所以LM94022的GS0和GS1端口都接地，溫度傳感器的放大和濾波電路如圖3.1所示。圖3.1 溫度傳感器的放大和濾波電路電路設計中要求高輸入低輸出，故放大電路、濾波電路的前置電

25、阻R4、R8的阻值設為10K。由于運放LM324的輸入級是差動放大電路，它的兩端輸入回路參數(shù)要求對稱，即，故，。依據(jù)運算放大器“虛短”、“虛斷”特性，知。故電壓放大倍數(shù)為：， （3-1）3.1.2煙霧傳感器的濾波電路選擇的NIS-09C煙霧傳感器輸出電壓較大，所以不需要放大煙霧信號，所以對信號只進行濾波處理就可以了，煙霧信號濾波電路如圖3.2所示。由于溫度、煙霧信號調(diào)理電路運放LM324接直流電源，電路中有直流，所以在電路中設計了起隔直通交的電容。系統(tǒng)采用固定門限檢測法判斷火災是否發(fā)生，溫度限制值設定為57，煙霧濃度閾值設定為3.2%每英尺，超過此值就會報警。圖3.2 煙霧信號濾波電路低通濾波

26、器LPF電路的電壓放大倍數(shù)為： （3-2） 用取代s，且令，得出電壓放大倍數(shù)為： （3-3） 由于為信號頻率二次冪的函數(shù)式，故為二階LPF。設帶通截止頻率為，則當時，上式的分母的模等于，可解出二階LPF的上限截止頻率為： ， （3-4）二階低通濾波電路的衰減斜率可達-40dB/十倍頻，但是又由于遠離，即在處，信號的放大倍數(shù)已急劇下降，所以該濾波電路以降低濾波器通頻帶為代價來獲得濾波器衰減斜率。3.2晶振電路與復位電路3.2.1晶振電路晶振電路視為單片機AT89C51工作提供時鐘信號的，芯片中有一個高增益反相放大器，該放大器的輸入端引腳是XTAL1,輸出端引腳是XTAL2。這個放大器與作為反饋元

27、件的片外石英晶體或陶瓷諧振蕩器一起構成自激振蕩器。電路中的外接石英晶體這一感性原件及電容c1,c2接在放大器的反饋回路中構成并聯(lián)振蕩回路，系統(tǒng)的晶振電路如圖3.3所示。由于外接電容C1、C2的容量大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，電容的容量大小范圍為；如果使用陶瓷諧振，則電容容量大小為。本設計中使用石英晶體，電容的容值設定為30pF。3.2.2 復位電路 復位是單片機硬件初始化操作,經(jīng)復位操作后,單片機系統(tǒng)才能開始正常工作.系統(tǒng)在啟動時都需要復位，這樣CPU和系統(tǒng)各部件就處于需要的初始狀態(tài)以便從初始狀態(tài)開始工作。AT89C51的復位

28、信號由芯片的REST引腳輸入。當輸入的復位信號延續(xù)兩個機器周期以上的高電平時為有效則這時CPU就可以完成系統(tǒng)的復位。單片機系統(tǒng)的復位操作比較簡單,只有兩種復位方式,即手動復位和加電復位，本設計采用的是手動復位方式。手動按鈕復位通過專用的復位電路來實現(xiàn), Vcc當人為按下按鈕時，產(chǎn)生的復位信號通過REST引腳送入單片機進行系統(tǒng)復位操作。復位電路中s2為手動復位開關，電容C1可避免高頻諧波對電路的干擾。AT89C51的復位電路如圖3.3所示。圖3.3 晶振電路與復位電路3.3聲光報警電路3.3.1聲音報警器聲光報警電路在AT89C51的控制下，可以根據(jù)不同的情況（火災、異常、故障)，發(fā)出不同的聲光

29、信號報警。聲音報警電路如圖3.4所示。由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致于單片機的I/O 口是無法直接驅(qū)動的，所以要利用放大電路來驅(qū)動，一般使用三極管來放大電流就可以了。聲報警電路由單片機的P10引腳進行控制，當P10輸出的電平為高電平時，三極管導通，蜂鳴器的電流形成回路，蜂鳴器響；否則，三極管截止，蜂鳴器不發(fā)出聲音。圖3.4 蜂鳴器報警3.3.2光報警器光報警電路路如圖3.5，由單片機的P2口進行控制，P2口的P2.3P2.6分別控制4個發(fā)光二極管，予以光報警，如圖所示。P2.3P2.6控制的燈依次為紅色(火災信號燈)、紅色(異常信號燈) 、黃色(故障信號燈)和綠色(正常信號燈) 。當P2

30、.3P2.6輸出低電平時，對應的信號燈便會發(fā)光報警。圖3.5 光報警3.4 數(shù)據(jù)采集電路本設計中的A/D轉換器使用的是通用8位芯片ADC0809，芯片的幾個重要管腳功能如下：(1)ALE:地址鎖存允許信號，對應ALE上跳沿，A,B,C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。(2)地址鎖存與譯碼電路完成對A，B，C三條地址位進行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇。(3)A，B和C為地址線，模擬通道的選擇信號。 (4)START：轉換啟動信號，當START上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進行A/D轉換；在轉換期間，START應保持低電平。(5)EOC：轉換結束信號。當EOC=0時，正在進行A/D轉換

31、；EOC=1時轉換停止。(6)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換得到的數(shù)據(jù)。OE1，輸出轉換得到的數(shù)據(jù)；OE0，輸出數(shù)據(jù)線呈高電阻。由于本設計中數(shù)模轉換芯片使用的是ADC 0809，其工作的時鐘信號頻率為500KHz，此芯片中無時鐘電路，時鐘信號由外部AT89C51的ALE端口提供。系統(tǒng)AT89C51與ADC0809接口電路如圖3.6所示。圖3.6 AT89C51與ADC0809接口電路當AT89C51的ALE端口不訪問外部存儲器時，AT89C51的ALE端以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號，故晶振設定12MKz，再經(jīng)過二分頻電路，單片機即可向ADC0809輸出

32、500KHz的時鐘信號。二分頻電路由D觸發(fā)器實現(xiàn)，R、S端接地，D接Q非，Q端作為輸出端，CLK接AT89C51的ALED端。D觸發(fā)器的特性方程為 （3-5）由于當CP=1時，D觸發(fā)器有效；CP=0時，觸發(fā)器保持原來狀態(tài)。故D觸發(fā)器能實現(xiàn)對ALE端口的信號二分頻28。由于本火災報警系統(tǒng)只采集溫度、煙霧信號，經(jīng)過調(diào)理的溫度、煙霧信號分別進入ADC0809的IN-0和IN-1端口，其余輸入引腳接地，8個數(shù)字量輸出引腳接AT89C51的P3口。單片機的P3口接受ADC0809傳輸來8位數(shù)字量，向A/D輸出的8位地址經(jīng)地址鎖存器74LS373鎖存，選擇低3位地址作為A/D的通道選通地址。ADC0809

33、通道選通如表3.1。表3.1 ADC0809通道選通通入通道IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7A00001111B00110011C01010101本設計使用地址鎖存器是74LS373，當三態(tài)允許控制端OE為低電平時，輸出端O0O7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負載或總線。當OE為高電平時，O0O7呈高阻態(tài)，既不驅(qū)動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。圖中三態(tài)允許控制端OE接地，表示三態(tài)門一直打開。鎖存允許端LE為高電平時，輸出端O0O7 狀態(tài)與輸入端D0D7狀態(tài)相同；當LE由“1”變?yōu)椤?”時，數(shù)據(jù)輸入鎖存器中。LE端接至單片機的地址鎖存允許ALE端。當P11=

34、0時，與寫信號WR共同選通ADC0809。圖中ALE信號與START信號連在一起，在WR信號的前沿寫入地址信號，在其后沿啟動轉換。當ALE端口變?yōu)楦唠娖?，?4LS373輸出端的低3位地址存入A/D的地址鎖存器中，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A/D內(nèi)的寄存器清零，下降沿啟動 A/D轉換，之后EOC端變成低電平，指示轉換正在進行。例如，輸出地址F8H可選通通道IN0，實現(xiàn)對溫度傳感器輸出的模擬量進行轉換；輸出地址F9H可選通通道IN1，實現(xiàn)對煙霧傳感器輸出的模擬量進行轉換。ADC0809的轉換結束狀態(tài)信號EOC接到AT89C51的INT1引腳，當A/D轉換完成后，

35、EOC變?yōu)楦唠娖?，表示轉換結束，結果數(shù)據(jù)已存入鎖存器,并產(chǎn)生產(chǎn)生中斷。當AT89C51知道A/D轉換完成后，A/D端口OE電平變?yōu)楦唠娖綍r，輸出三態(tài)門打開，轉換結果的數(shù)字量輸出到單片機上。4 火災報警系統(tǒng)程序設計4.1軟件開發(fā)環(huán)境本系統(tǒng)采用C語言進行程序設計。因為C語言的描述由函數(shù)組成，是一種結構化的程序設計語言，所以更容易實現(xiàn)模塊化，而且具有可讀性好，易于移植等優(yōu)點，數(shù)據(jù)結構方面，可以使用結構體和數(shù)組，能夠處理復雜的數(shù)據(jù)，可用于實時處理系統(tǒng)。本系統(tǒng)的軟件編程使用的是Keil C51，系統(tǒng)兼容單片機C語言軟件開發(fā)。 此軟件不但具有豐富的庫函數(shù)而且集成開發(fā)調(diào)試工具功能強大。還有Keil C51生

36、成的目標代碼有非常高的效率，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能 體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。4.2火災報警系統(tǒng)程序設計火災報警系統(tǒng)控制器上采用AT89C51作為主控芯片，其主要功能包括：控制IO端口、邏輯判斷處理、驅(qū)動外部電路和A/D采樣信號等，該部分是火災報警系統(tǒng)智能化的集中體現(xiàn)和關鍵。為了便于系統(tǒng)維護，在火災報警系統(tǒng)的軟件設計中采用了模塊化程序設計方法，系統(tǒng)各個模塊的具體功能都是通過子程序調(diào)用實現(xiàn)的。既使得程序結構清晰，又便于以后進一步擴展其功能。本系統(tǒng)主要包括主程序、溫度煙霧數(shù)據(jù)采集子程序、火災判斷與報警子程序等。系統(tǒng)程序流程圖如圖4.1所示。圖4.1 程序流程圖主程序是一個無限循環(huán)體，其流程是：首

37、先在上電之后系統(tǒng)的各部分包括單片機輸出輸入端口的設置、數(shù)據(jù)存儲電路、外圍驅(qū)動電路等完成初始化，接下來執(zhí)行火災報警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集程序、火災判斷、報警程序。系統(tǒng)初始化后，AT89C51的P20和P30口為低電平，P21、P22和P23口為高電平，所以只有綠燈D2亮，D1、D3、D4不亮，蜂鳴器不報警。4.2.1 據(jù)采集程序數(shù)據(jù)采集是火災報警系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。為了降低誤報率，系統(tǒng)設計時對溫度煙霧采用了兩次采集、兩次判斷的方法。每次采集溫度煙霧數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)存入單片機的寄存器，然后在火災判斷程序中，將采集的數(shù)據(jù)與設定的閾值進行比較，判斷現(xiàn)場是否發(fā)生火災。具體流程是：系統(tǒng)和程序初始化后，驅(qū)動ADC080

38、9的IN0對溫度信號進行A/D轉換，單片機接受轉換好的數(shù)據(jù)，存入寄存器，由INT1中斷服務程序完成；系統(tǒng)延時10ms，驅(qū)動ADC0809的IN3對煙霧信號進行A/D轉換，轉換完成后存入寄存器。系統(tǒng)延時50ms，進行第二次溫度煙霧信號采集，將轉換好的數(shù)據(jù)存入寄存器中。單片機每次驅(qū)動A/D轉換后等待外部中斷1，當ADC0809的EOC端變?yōu)?時，即中斷到來，說明A/D轉換已經(jīng)完成，通過中斷服務程序讀取轉換得到的數(shù)據(jù)。由于設計采用的是模塊化設計，系統(tǒng)實現(xiàn)報警功能是通過調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)的。在數(shù)據(jù)采集子程序中，一次溫度煙霧信號采集延時10ms，是讓ADC0809準備好進行下一次信號轉換。當系統(tǒng)采集2次溫度

39、煙霧信號后，轉換好的數(shù)據(jù)存入單片機的寄存器中，系統(tǒng)再調(diào)用火災判斷子程序。系統(tǒng)溫度煙霧信號采集程序流程圖如圖4.2所示。圖4.2 數(shù)據(jù)采集流程圖4.2.2火災判斷與報警程序1.火災報警數(shù)據(jù)處理方法固定上限值比較法是使用最早，且應用最廣泛的火災探測方法，優(yōu)點是計算量小且易于實現(xiàn)，它有個固定的溫度和煙霧信號的上限值，當檢測到的溫度和煙霧信號幅值大于固定上限值時發(fā)出報警，小于則不報警。此煙感傳感器信號是，與固定上限值比較信號為，間函數(shù)為T ，用固定上限檢測如下式： ， （4-1）其中，說明有火災發(fā)生，說明沒有火災發(fā)生，S為報警上限值?；馂膱缶到y(tǒng)中使用的是溫度傳感器LM94022和離子煙霧傳感器NIS

40、-09C，煙霧傳感器輸出電壓v與煙霧濃度p關系為：v=-0.3p+5.6，溫度傳感器使用的靈敏度是-5.5mV/。在本設計中報警溫度設為57，煙霧報警濃度設為3.2英尺（參照市面銷售的火災報警器溫度煙霧的報警臨界值）。經(jīng)過換算可得出溫度煙霧傳感器輸出火災報警臨界電壓值為： ， （4-2）2.火災判斷與報警系統(tǒng)對溫度和煙霧進行了兩次數(shù)據(jù)采集與判斷，每次信號采集后根據(jù)得到的數(shù)據(jù)與設定的閾值比較，當溫度57，溫度異常，置寄存器變量a為1，否則為0；當煙霧濃度3.2，煙霧濃度異常，置寄存器變量b為1，否則為0。綜合兩次溫度煙霧信號的采集，根據(jù)溫度和煙霧的寄存器變量a和b的狀態(tài)，判斷現(xiàn)場情況：2個寄存器

41、變量均為0，表示情況正常；2個中僅有1個為1，表示情況異常；2個均為1，表示有火災發(fā)生。系統(tǒng)對現(xiàn)場進行報警判斷后，間隔15s后（通過系統(tǒng)的延時程序?qū)崿F(xiàn)），再一次采集現(xiàn)場的溫度煙霧信號進行判斷，即每一次聲光報警持續(xù)15s，直到系統(tǒng)做出下一次判斷結果。當系統(tǒng)狀態(tài)為00時，表示正常，AT89C51的P26口變成低電平，綠燈D8亮；當系統(tǒng)狀態(tài)為01或10時，表示異常，P25口變?yōu)榈碗娖?，P10口變?yōu)楦唠娖剑S燈D7亮，蜂鳴器報警；當系統(tǒng)狀態(tài)為11時，表示發(fā)生火災，P23口變?yōu)榈碗娖?，P10口變?yōu)楦唠娖?，紅燈D5亮，蜂鳴器報警；如果兩次采集同一種信號寄存器變量不相同，說明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，P24口變?yōu)榈碗娖?/p>

42、，P10口變?yōu)楦唠娖?，紅燈D6亮，蜂鳴器報警。4.3軟件調(diào)試軟件調(diào)試的主要任務是排查錯誤，錯誤主要包括邏輯和功能錯誤，這些錯誤有些是顯性的，而有些是隱形的，可以通過仿真開發(fā)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)逐步改正。本系統(tǒng)的調(diào)試主要以軟件為主，其中，系統(tǒng)電路圖的繪制和仿真我采用的是Proteus軟件，而程序方面，采用的是c語言，用Kiel軟件將程序?qū)懭雴纹瑱C 仿真原理圖5 總結本文設計的基于單片機AT89C51的煙感自動報警系統(tǒng)，系統(tǒng)安全可靠，誤報率低，操作方便，成本低。本設計沒有使用單一的煙感報警，而是使用了溫度傳感器和煙霧傳感器共同檢測報警的設計，這樣大大提高了系統(tǒng)的靈敏度、縮小了響應時間。系統(tǒng)使用了8位A/D轉換

43、芯片ADC0809，以通用芯片AT89C51作為系統(tǒng)的控制器。系統(tǒng)在采集溫度煙霧信號時，采用多次采集，多次判斷的方法，降低了誤報率。在系統(tǒng)的軟件設計方面，采用了模塊化程序設計方法，系統(tǒng)各個模塊的具體功能都是通過子程序調(diào)用實現(xiàn)的。既使得程序結構清晰，又便于以后進一步擴展其功能，也便于系統(tǒng)的維護。當發(fā)生火災，系統(tǒng)以聲音燈光的形式發(fā)出報警。在系統(tǒng)中設置了1個蜂鳴器，實現(xiàn)聲音報警；設置了4個發(fā)光二極管，分別對應系統(tǒng)的正常、異常、火災、故障狀態(tài)。如果系統(tǒng)出現(xiàn)硬件故障，能發(fā)出故障報警；如果只有一種信號參數(shù)出現(xiàn)異常(如煙霧濃度過大或是溫度較高)，能發(fā)出異常報警信號；如果煙霧和溫度同時出現(xiàn)異常，則說明有火災，

44、發(fā)出火災警報信號。由于時間緊迫和個人能力有限，本文設計的火災報警系統(tǒng)還存在許多需要完善和作進一步研究的問題，如：（1）火災報警系統(tǒng)判斷的算法有待進一步的研究改進，應用更先進的神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊識別等智能算法，降低系統(tǒng)的誤報率，提高靈敏度。（2）火災報警系統(tǒng)沒有聯(lián)網(wǎng)，當發(fā)生火災時不能通過電話網(wǎng)絡向消防指揮中心報警或通知主人。（3）用戶不能根據(jù)自己的需要設定火災報警閾值。參考文獻1.李廣弟.單片機基礎（第三版）.北京航空航天大學出版社，20072.于永，戴佳，常江.51單片機C語言常用模塊與綜合系統(tǒng)設計實例精講.電子工業(yè)出版社3.侯玉寶，陳忠平，李成群等.基于Proteu的51系列單片機設計與仿真【M】.北京：電子工業(yè)出版社，20084.戴佳，戴衛(wèi)恒.51單片機C語言應用程序設計【M】.北京：電子工業(yè)出版社，20065.林志琦，郎建軍等. 基于Proteus的單片機可視化硬件仿真. 北京航空航天大學出版社，2006附錄 #include #define uint unsigned int#define uchar unsigned char sbit OE = P10; sbi