基于單片機的火災報警系統(tǒng)設計與仿真

1、四川理工學院本科畢業(yè)設計（論文） 四川理工學院畢業(yè)設計（論文） 基于單片機火災報警系統(tǒng)設計學 生：何凡學 號：10021010404專 業(yè)：自 動 化 班 級：2010.4指導教師：范 燾四川理工學院自動化與電子信息學院二O一四年六月1摘 要本文設計了一種以單片機為基礎，同時集成了語音芯片ISD1420、A/D轉換器、溫度傳感器AD590和氣體傳感器TGS202等，利用多傳感器信息融合技術，火災探測器通過對火災發(fā)出的物理、化學現象燃燒氣體、煙霧粒子、溫度的探測，將探測到的火情信號轉化成火警電信號傳遞給火災報警控制器，火災報警器再發(fā)出報警信號。這是一種結構簡單、使用方便、價格低廉、智能化的報警器

2、系統(tǒng)，具有一定實用價值。關鍵詞：火災報警器；AD590；ISD1420；A/D轉換器； ISD1420ABSTRACTThis paper designed a fire alarm based on single chip microcomputer, at the same time integration of voice chip ISD1420, A/D converter, temperature sensor AD590 and TGS202 gas sensors, using multi-sensor information fusion technology, the fi

3、re detector based on detection and fire a physical, chemical phenomena the combustion gases, smoke particles, the temperature, the fire the detected signal is transformed into the fire alarm signal to the fire alarm controller, fire alarm and alarm signal. This is an alarm system which has the advan

4、tages of simple structure, convenient operation, low price, intelligent, have certain practical value.Key words: Fire alarm; AD590; ISD1420; A/D converter; III 目錄摘 要IABSTRACTII第1章 引 言11.1研究背景11.2設計的目的和意義1第2章 系統(tǒng)設計方案32.1 火災的產生機理32.2 火災報警器的類型42.3 技術實現的方法62.3.1系統(tǒng)硬件結62.3.2系統(tǒng)軟件方案7第3章 火災報警系統(tǒng)的硬件設計93.1 系統(tǒng)芯片介

5、紹93.1.1 AD590溫度傳感器93.1.2 TGS202氣體傳感器103.1.3 ISD420語音芯片113.1.4 80C51芯片133.1.5 A/D轉換芯片153.1.6數碼顯示電路173.2 單片機外圍接口電183.2.1 晶振電路183.2.2 復位電路183.2.3 信號處理電路193.2.4 A/D轉換電路213.2.5 報警電路233.2.6 語音報警電路233.2.7 狀態(tài)指示燈電路243.2.8 數碼管顯示電路24第4章 火災報警器的軟件設計264.1 軟件開發(fā)環(huán)境264.3 主程序流程264.2 主程序初始化流程圖274.3 數據采集子程序284.4 火災判斷與報警

6、程序304.4.1 火災報警數據處理方法304.4.2 火災判斷與報警304.5 系統(tǒng)仿真31第5章 結束語35致謝36參考文獻37附錄381第1章 引 言1.1 研究背景火災是指在時間和空間上失去控制，對財產和人身造成一定損害的燃燒現象稱為火災。從燃燒的角度看，火災的實質是燃燒，是一種自然現象，但絕大多數火災同人的因素有關，是社會現象。火災的發(fā)生過程是復雜的，常常表現出普遍性、隨機性、必然性和相似性。火災發(fā)生的普遍性，是說火災不論在什么單位和部位，從草原到森林，從居民住宅到大大小小的企業(yè)、事業(yè)單位，到處都可能發(fā)生，這表明了火災發(fā)生的普遍性。經驗告誡人們，任何單位、任何部位，也包括組成社會的細

7、胞家庭，都要無一例外地預防火災?；馂牡陌l(fā)生的隨機性，是說人們無法事前準確預測何地、何時、何物將發(fā)生火災，以及火災現場規(guī)模大小、火勢呈現方式。這種特性告誡人們要時時刻刻預防火災，不可麻痹懈怠1。實踐證明，隨著社會和經濟的發(fā)展，消防工作的重要性就越來越突出。由此，火災報警器在消防工作的作用尤為突出了。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2。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3。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

8、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4。1.2 設計的目的和意義在各種災害中，火災是最經常、最普遍地威脅公眾安全和社會發(fā)展的主要災害之一。據聯合國“世界火災統(tǒng)計中心（WFSC）2000統(tǒng)計

9、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)生火災次數較少，但死亡人數較多，這與亞洲經濟發(fā)展程度不高、消防設施不完善等因素有關。據統(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損失上升到年均十幾億元，年均死亡2000多人。隨著經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

10、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造成極大的危害5?；馂淖詣訄缶到y(tǒng)能迅速監(jiān)測火情，可發(fā)現人們不易發(fā)覺的火災早期特征，可將火災帶來的生命財產損失降到最低限度。火災發(fā)生的早期，會使得燃燒物質分解，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6。為此，本系統(tǒng)由火災檢測模塊、A/D轉換模塊、信號處理模塊和聲光報警模塊組成?；馂臋z測模塊由溫度檢測和煙霧檢測構成，其溫度傳感器選用AD590，氣體傳感器選用TGS202。A/D轉換模塊選用常用ADC

11、0809。聲光報警模塊分為聲音報警和光報警?；馂奶綔y器通過對火災發(fā)出的物理、化學現象燃燒氣體、煙霧粒子、溫度的探測，將探測到的火情信號轉化成火警電信號傳遞給火災報警控制器。報警器將接收到火警信號后經分析處理發(fā)出聲光報警信號，警示消防控制中心的值班人員，并顯示出火災的位置。這是一種結構簡單、使用方便、價格低廉、智能化的煙霧傳感器，具有一定實用價值。第2章 系統(tǒng)設計方案2.1 火災的產生機理眾所周知，物質燃燒的基本條件是：可燃物、助燃物（氧氣）、和足夠的溫度。其中可燃物為氣體時，根據它和空氣混合方式的不同可以分成預混燃燒和擴散燃燒兩種。當可燃物是液體和固體時，因為它們難與空氣均勻混合，所以它們燃燒

12、的基本過程是當外部提供一定的能量時，液體或固體先蒸發(fā)成蒸汽或分解出可燃氣體（如CO、H2等），同時還形成一些氣溶膠。這些氣相形式的可燃物與空氣混合，在較強火源作用下產生預混燃燒。著火后，燃燒火焰產生的熱量使液體或固體的表面繼續(xù)釋放出大量的熱量。這些熱量通過可燃物的直接燃燒、熱傳導、熱輻射和熱對流，使火從起火部位向周圍蔓延，這就是常說的火蔓延?；鹇訉е铝嘶饎莸臄U大，形成了火災根據火災發(fā)生的場所不同，一般將火災分成建筑火災，森林火災；根據燃燒空間的不同可分為受限空間火災和開放空間火災。典型的受限空間固體物質火災點火源的發(fā)展都要經歷四個階段:早期、陰燃、火焰和放熱。圖2-1為火災產生的不同階段的生

13、成產物圖7。其中，不可見煙發(fā)生在火災早期，可以根據火災產生氣體進行探測；在火災的陰燃期出現可見煙霧信號可用于探測；起火階段可以根據火焰進行探測；高溫階段可以利用溫度信號進行探測。高溫時間熄滅溫度起火陰火早期火焰可見煙不可見煙火災產物溫度信號煙霧信號圖2-1 火災煙霧和溫度變化曲線圖2.2 火災報警器的類型（1）感煙火災探測 感煙式火災探測器具有早期報警的效果，是目前使用最為廣泛的一種探測器。感煙火災探測器可分為離子型、光電型、電容式和半導體型等幾種。其中又以離子型和光電型火災探測器使用居多。（2）感溫火災探測器物質在燃燒過程中，釋放出大量的熱，使環(huán)境溫度升高，探測器中的熱敏元件發(fā)生物理變化，從

14、而將溫度信號轉變成電信號，傳輸給火災報警控制器，發(fā)出火災報警信號。由于可采用敏感元件繁多，如熱敏電阻、熱電偶、雙金屬片、易熔金屬、膜盒式半導體元件等，故而感溫式火災探測器的種類也頗多。根據感熱效果和結構型式，可將它們分為定溫火災探測器、差溫火災探測器和差定溫復合火災探測器。定溫火災探測器根據局部環(huán)境到達規(guī)定溫度上下時開始動作。差溫火災探測器根據升溫速率來動作，如果升溫速率超過預定值時則發(fā)出報警信號。差定溫復合火災探測器是兼有差溫、定溫兩種功能的感溫火災探測器。（3）感光火災探測器感光火災探測器又稱為火焰探測器，僅適用于有焰燃燒，只能在起火階段進行探測，不適合于火災早期探測。它是一種響應火焰輻射

15、光譜中的紅外和紫外的點型火災探測器，主要有紅外火焰型和紫外火焰型兩種。紅外火焰探測器的探測波長為 7000 微米，紫外火焰探測器的探測波長為 4000微米。由于光輻射的傳播速度快（83 10m /s ），且火焰探測器的傳感器件接收光輻射的響應時間極短（ms 數量級），因而火焰探測器響應速度也極快。它對于環(huán)境中氣流速度也沒什么限制，這類探測器適用于生產、儲存和運輸高度易燃物質（特別是可燃液體火災或爆炸品）的危險性場所以及昂貴設備或關鍵設施對火情有特殊監(jiān)測需要的地方。對于起火速度快，且無煙遮蔽的明火火災反應最為靈敏。其中紫外火焰探測器不受風雨、陽光、高濕度、氣壓變化、極限環(huán)境濕度等影響，能在室外使

16、用，但在雷電及電弧光有大量紫外線產生的場所運用此設備時，必須采取一定措施以防止非火災報警。另外，在產生火光之前就有大量煙霧產生的場合，不宜單獨采用紫外火焰探測器，必須與其它感煙探測器聯合使用。一般紫外火焰探測器同快速滅火系統(tǒng)和抑爆系統(tǒng)聯動8，組成快速自動報警滅火系統(tǒng)和自動報警抑爆系統(tǒng)。（4）圖像火災探測 對于物質燃燒產生的火焰，除了可以分析它的光譜特征外，還可以對其火焰形狀進行利用，這樣就產生了圖像火災探測器。火焰是高溫物體，而它的周圍環(huán)境則是處于常溫狀態(tài)?；馂幕鹧嬖诎l(fā)展的過程中其形狀有一個不斷變化和持續(xù)的過程，而普通火焰，如打火機點火、蠟燭燃燒、煤氣火焰等，以及高溫發(fā)光源，如白熾燈、電爐等，

17、則沒有這個變化過程。這樣就形成了火災識別和探測算法的重要基礎。國內已有研究表明利用液晶片和 CCD 攝像機可對火災圖像進行有效的探測9。（5）氣體火災探測目前氣體火災探測器主要有兩類：可燃氣體型（主要探測對象是還原性氣體）和燃燒氣體產物型（主要探測對象是 CO 和 CO2）。 可燃氣體通常是指城市煤氣、石油液化氣、汽油蒸汽、酒精蒸汽、天然氣以及煤礦瓦斯等易燃易爆、有毒有害的氣體。這些氣體主要含有烷類、烴類、烯類、醇類、氫以及一氧化碳等成分。因此，在生產、運輸、儲存和使用這些氣體的過程中，如果違反操作規(guī)程或設備密封質量不好，都有可能發(fā)生可燃氣體泄漏現象，進而釀成火災或爆炸事故。 針對這些可燃氣體

18、探測器主要有半導體型可燃氣體探測器、載體催化型可燃氣體探測器、固體電介質型可燃氣體探測器、光電型可燃氣體探測器等?；馂陌l(fā)生的氣態(tài)燃燒產物主要成分為 H2O、一氧化碳 CO、二氧化碳CO2、碳氫化合物（CxHy）。一般情況下，CO 和 CO2在空氣中的含量極低。只有在燃燒發(fā)生時才會產生大量的 CO 和 CO2。這些氣體比煙霧粒子產生得早，在感煙火災探測器尚未發(fā)出報警信號前已達到相當大的濃度。所以，針對這兩種氣體進行監(jiān)測將會在很大程度上反映出環(huán)境中有燃燒現象發(fā)生，而且早期報警的效果比感煙探測器好。（6）燃燒聲音火災探測 聲音火災探測器利用燃燒所特有的次聲波現象制成的聲音傳感器。物質在燃燒過程中，會

19、放出大量的熱能，對周圍空氣進行加熱，使得空氣膨脹，形成壓力聲波，其頻率僅有數赫茲。這種超低頻（次聲波）的聲音現象為物質燃燒所共有。且在這個頻率范圍內，日常雜音很少，所以，可以在很大程度上避免環(huán)境對探測器的干擾。2.3 技術實現的方法火災報警系統(tǒng)是由火災探測部分和報警部分組成?；馂奶綔y器通過對火災發(fā)出的物理、化學現象氣（燃燒氣體）、煙（煙霧粒子）、熱（溫度）、光（火焰）的探測，將探測到的火情信號轉化成火警電信號傳遞給火災報警控制器。報警器將接收到火警信號后經分析處理發(fā)出報警信號，警示消防控制中心的值班人員，并在屏幕上顯示出火災的位置，整體電路的框圖如圖2-2所示 ： 傳感器放 大 器AD轉換器

20、單片機狀態(tài)指示燈聲音報警溫度顯示按鍵通信接口圖2-2 火災報警系統(tǒng)的原理圖2.3.1系統(tǒng)硬件結構該火災報警系統(tǒng)主要由數據采集模塊、控制模塊、聲光報警模塊組成。單片機是此報警系統(tǒng)的核心，其原理是通過現場的傳感器（煙感和溫感）將非電信號變成電信號，再通過信號調理電路進行調理（放大、濾波等），使之滿足A/D轉換器的要求，最后A/D轉換器在將模擬信號轉化為數字信號 ，在由單片機判斷現場是否發(fā)生火災。如果發(fā)生火災，就以聲光進行報警。本文設計的用于小型防火單位的單片機火災報警系統(tǒng)具有以下特點：（1）能對室內煙霧（CO2，CO） 及溫度突變進行報警，具有聲、光雙重報警功能。（2）系統(tǒng)故障報警功能。當系統(tǒng)出現

21、硬件故障時，能發(fā)出故障報警信號。（3）異常報警功能。當環(huán)境出現異常(如煙霧濃度過大或是溫度較高)時，能發(fā)出異常報警信號，引起人們注意，盡可能避免火災的發(fā)生。（4）火災報警功能。一旦真出現火災（煙霧和溫度同時出現異常）時，能立即發(fā)出語音、光火災警報9 。據類似本系統(tǒng)的報警器現場模擬實驗表明，本系統(tǒng)安全可靠，誤報率低。且由于其體積小、操作維護方便、成本低廉等，具有廣闊的應用前景。2.3.2系統(tǒng)軟件方案Y開始初始化 溫度煙霧信號采集報警判斷正?；馂膱缶疦圖2-3 程序流程圖為了便于系統(tǒng)維護和功能擴充，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用實現的。本系統(tǒng)主要包括數據采集子程

22、序、火災判斷與報警子程序等，系統(tǒng)程序流程圖如圖2-3所示。為了降低誤報率，系統(tǒng)采用多次采集、多次判斷的方法。每次數據采集后根據得到的數據對現場情況進行判斷，然后綜合多次判斷結果做出最終的火情判斷。主程序是一個無限循環(huán)體，其流程是：首先在上電之后系統(tǒng)的各部分包括單片機各個端口輸入輸出的設置、外圍驅動電路和數據存儲電路等完成初始化，其次是對芯片內的程序進行初始化，接下來執(zhí)行火災報警系統(tǒng)中的數據采集任務，數據通信任務和查詢判斷任務。第3章 火災報警系統(tǒng)的硬件設計3.1 系統(tǒng)芯片介紹3.1.1 AD590溫度傳感器 AD590測量熱力溫度、攝氏溫度、兩點溫度差、多點平均溫度的具體電路，廣泛應用于不同的

23、溫度控制場合。由于AD590精度高、價格低、不需要輔助電源、線性好，常用于測溫和熱電偶冷端補償10。所以本文選擇AD590溫度傳感器。AD590是美國Analog Devices公司生產的一種電流型二端溫度傳感器。電路如圖3-1所示。由于AD590 是電流型溫度傳感器，他的輸出同絕對溫度成正比，即1A/k，而數模轉換芯片ADC0809 的輸入要求是電壓量，所以在AD590 的負極接出一個1k的電阻R和一個100的可調電阻W，將電流量變?yōu)殡妷毫克腿階DC0809。通過調節(jié)可調電阻，便可在輸出端VT獲得與絕對溫度成正比的電壓量，即10 mV/K。+5V1000R100WVT10mv/KAD590圖

24、3-1 AD590應用電路圖AD590的規(guī)格如下：（1）其輸出電流是以絕對溫度零度（-273）為基準，溫度每增加1，它會增加1輸出電流。（2）可測量范圍-55到+150。（3）供電電壓范圍+4V到+30V。（4） 精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55+150范圍內，非線形誤差0.3。3.1.2 TGS202氣體傳感器火災中氣體煙霧主要是CO2 和CO。TGS202氣體傳感器能探測CO2、CO、甲烷、煤氣等多種氣體，它靈敏度高，穩(wěn)定性好，適合于火災中氣體的探測。如圖3-2所示，當TGS202探測到CO2或者CO時，傳感器的內阻變小，VA迅速上升。選擇適當的電阻

25、阻值，使得當氣體濃度達到一定程度（如CO濃度達到0.06%）時，VA端獲得適當的電壓（設為5V）。VAV1V2R圖3-2 TGS202應用電路圖3.1.3 ISD420語音芯片圖3-3 ISD1420引腳電源（VCCA，VCCD）：芯片內部的模擬和數字電路使用不同的電源總線，并且分別引到外封裝上，這樣可使噪聲最小。模擬和數字電源端最好分別走線，盡可能在靠近供電端處相連，而去耦電容應盡量靠近芯片。地線（VSSA，VSSD）：芯片內部的模擬和數字電路也使用不同的地線，這兩個腳最好在引腳焊盤上相連。錄音（/REC）：低電平有效。只要/REC 變低（不管芯片處在節(jié)電狀態(tài)還是正在放音），芯片即開始錄音。

26、邊沿觸發(fā)放音（/PLAYE）：此端出現下降沿時，芯片開始放音。電平觸發(fā)放音（/PLAYL）：此端出現下降沿時，芯片開始放音。 錄音指示（/RECLED）：處于錄音狀態(tài)時，此端為低，可驅動 LED。話筒參考（MIC REF）：此端是前置放大器的反向輸入。當以差分形式連接話筒時，可減小噪聲，提高共模抑制比。自動增益控制（AGC）：AGC 動態(tài)調節(jié)器整前置境益以補償話筒輸入電平的寬幅變化，使得錄制變化很大的音量（從耳語到喧嘩囂聲）時失真都能保持最小。模擬輸出（ANA OUT）：前置放大器輸出.前置電壓增益取決于AGC 端的電平。模擬輸入（ANA IN）：此端即芯片錄音的輸入信號。對話筒輸入來說，AN

27、A OUT 端應通過外接電容連至本端。喇叭輸出（SP+、SP-）：這對輸出端能驅動16以上的喇叭。單端使用時必須在輸出端和喇叭間接耦合電容，而雙端輸出既不用電容又能將功率提高4倍。錄音時，它們都呈高阻態(tài);節(jié)電模式下，它們保持為低電平。外部時鐘（XCLK）：此端內部有下拉元件，不用時應接地。輸入時鐘的占空比無關緊要，因為內部首先進行了分頻。地址（A0A7）：地址端有兩個作用，取決于最高（MSB）兩位 A7、A6 的狀態(tài)。語音芯片與單片機的連接，常通過串行口來實現，串行口也可以通過輔助電路分時多用。定義好串行口的工作方式（串行口控制寄存器SCON字節(jié)地址為98H，可位尋址），當由按鍵輸入或其它需要

28、語音輸出時，串行口向CPU申請中斷，響應中斷后，CPU便可以從串行數據中識別出語音段編號，輸出語音信號。發(fā)送結束，中斷由軟件清零。3.1.4 80C51芯片圖3-4 80C51芯片的引腳圖下面按引腳功能分為4個部分敘述個引腳的功能。（1）電源引腳VCC和VSSVCC（40腳）：接+5V電源正端；VSS（20腳）：接+5V電源正端。（2）外接晶振引腳XTAL1和XTAL2XTAL1（19腳）：接外部石英晶體的一端。在單片機內部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構成采用外部時鐘時，對于HMOS單片機，該引腳接地；對于CHOMS單片機，該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。XTAL2（18腳）：接外

29、部晶體的另一端。在單片機內部，接至片內振蕩器的反相放大器的輸出端。當采用外部時鐘時，對于HMOS單片機，該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。對于CHMOS芯片，該引腳懸空不接。（3）控制信號或與其它電源復用引腳 控制信號或與其它電源復用引腳有RST/VPD、ALE/P、PSEN和EA/VPP等4種形式。 RST/VPD （9腳）：RST即為RESET，VPD為備用電源，所以該引腳為單片機的上電復位或掉電保護端。當單片機振蕩器工作時，該引腳上出現持續(xù)兩個機器周期的高電平，就可實現復位操作，使單片機復位到初始狀態(tài)。當VCC發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值或掉電時，該引腳可接上備用電源VPD(+5V)為內部

30、RAM供電，以保證RAM中的數據不丟失。ALE/P（30腳）：當訪問外部存儲器時，ALE（允許地址鎖存信號）以每機器周期兩次的信號輸出，用于鎖存出現在P0口的低PSEN（29腳）：片外程序存儲器讀選通輸出端，低電平有效。當從外部程序存儲器讀取指令或常數期間，每個機器周期PESN兩次有效，以通過數據總線口讀回指令或常數。當訪問外部數據存儲器期間，PESN信號將不出現。EA/Vpp（31腳）：EA為訪問外部程序儲器控制信號，低電平有效。當EA端保持高電平時，單片機訪問片內程序存儲器4KB（MS52子系列為8KB）。若超出該范圍時，自動轉去執(zhí)行外部程序存儲器的程序。當EA端保持低電平時，無論片內有無

31、程序存儲器，均只訪問外部程序存儲器。對于片內含有EPROM的單片機，在EPROM編程期間，該引腳用于接21V的編程電源Vpp。（4）輸入/輸出（I/O）引腳P0口、P1口、P2口及P3口P0口（39腳22腳）：P0.0P0.7統(tǒng)稱為P0口。當不接外部存儲器與不擴展I/O接口時，它可作為準雙向8位輸入/輸出接口。當接有外部程序存儲器或擴展I/O口時，P0口為地址/數據分時復用口。它分時提供8位雙向數據總線。對于片內含有EPROM的單片機，當EPROM編程時，從P0口輸入指令字節(jié)，而當檢驗程序時，則輸出指令字節(jié)。P1口（1腳8腳）：P1.0P1.7統(tǒng)稱為P1口，可作為準雙向I/O接口使用。對于MC

32、S52子系列單片機，P1.0和P1.1還有第2功能：P1.0口用作定時器/計數器2的計數脈沖輸入端T2；P1.1用作定時器/計數器2的外部控制端T2EX。對于EPROM編程和進行程序校驗時，P0口接收輸入的低8位地址。P2口（21腳28腳）：P2.0P2.7統(tǒng)稱為P2口，一般可作為準雙向I/O接口。當接有外部程序存儲器或擴展I/O接口且尋址范圍超過256個字節(jié)時，P2口用于高8位地址總線送出高8位地址。對于EPROM編程和進行程序校驗時，P2口接收輸入的8位地址。P3口（10腳17腳）：P3.0P3.7統(tǒng)稱為P3口。它為雙功能口，可以作為一般的準雙向I/O接口，也可以將每1位用于第2功能，而且

33、P3口的每一條引腳均可獨立定義為第1功能的輸入輸出或第2功能。P3口的第2功能見下表表1 單片機P3.0管腳含義引腳第2功能P3.0RXD（串行口輸入端0）P3.1TXD（串行口輸出端）P3.2TXD（串行口輸出端）P3.3INT1（中斷1請求輸入端，低電平有效）P3.4T0（時器/計數器0計數脈沖端）P3.5T1（時器/計數器1數脈沖端）P3.6WR（數據存儲器寫選通信號輸出端，低電平有效）P3.7RD（數據存儲器讀選通信號輸出端，低電平有效）綜上所述，MCS51系列單片機的引腳作用可歸納為以下兩點：（1）980單片機功能多，引腳數少，因而許多引腳具有第2功能；（2）單片機對外呈3總線形式，

34、由P2、P0口組成16位地址總線；由P0口時復用作為數據總線。3.1.5 A/D轉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。但是大多數單片機本身只能識別和處理數字量，因此必須經過模擬量到數字量的轉換(A/D轉換)，才能夠實現單片機對被控對象的識別和處理。完成A/D轉換的器件即為A/D轉換器。A/D轉換器的主要性能參數有：（1）分辨率分辨率表示A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。A/D轉換器的分辨率以輸出二進制數的位數表示；（2）轉換時間轉換時間指A/D轉換器從轉換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數字信號所經過的時間

35、。不同類型的轉換器轉換速度相差甚遠；（3）轉換誤差轉換誤差表示A/D轉換器實際輸出的數字量和理論上的輸出數字量之間的差別，常用最低有效位的倍數表示；（4）線性度線性度指實際轉換器的轉移函數與理想直線的最大偏移。目前有很多類型的A/D轉換芯片，它們在轉換速度、轉換精度、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的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D轉換器ADC0809。其內部有一個8通道多路開關，它可以根據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轉換。是目前國內應用最廣泛的8位通用A/D芯片。如圖3-5。圖3-5 ADC0809引腳

36、圖ADC0809的引腳功能： D7-D0：8位數字量輸出引腳。 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轉換啟動信號輸入端。ALE：地址鎖存允許信號輸入端。EOC：A/D轉換結束信號，輸出。當啟動裝換時，該引腳為低電平，當A/D轉換結束時，該引腳輸出 高電平。OE：數據輸出允許信號，輸入，高電平有效。當轉換結束后，如果從該引腳輸入高電平，則打開輸出三態(tài)門，輸出鎖存器的數據從D0D7送出。ADC0809主要性能指標：（1）分辨率為8位。（2）最大不可調誤差：ADC0809為1LSB。

37、（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）轉換速度取于決芯片的時鐘頻率。當時鐘頻率500KHz時，轉換時間為128s。3.1.6數碼顯示電路ICM7218 是INTERSIL公司生產的一種性能價格比較高的通用8位LED 數碼管驅動電路，28 腳雙列封裝，是一種多功能LED 數碼管驅動芯片，可與多種單片機接口使用。ICM7218 的輸出可直接驅動LED顯示器，不需外接驅動電路，工作電壓為+5V，其構成的顯示電路結構簡單，使用方便。同樣由單片機向ICM721

38、8寫控制字及數據，編程部分像給外部RAM寫數據一樣簡單。當單片機寫入模式控制字后，ICM7218以約定的方式接收顯示數據并將數據寫入靜態(tài)顯示RAM中。數據接收結束，ICM7218在掃描控制電路的控制下，按設定的譯碼模式，以動態(tài)掃描顯示方式向段顯示驅動器和位控驅動器發(fā)出控制信號，直到下一個控制字寫入前，不停地進行動態(tài)顯示工作。3.2 單片機外圍接口電3.2.1 晶振電路晶振是晶體振蕩器的簡稱，在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯在串聯一個電容的二端網絡，晶振電路為單片機工作提供時鐘信號，這個信號就是單片機的工作速度，芯片中有一個用于構成內部振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTAL1和XTAL

39、2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體或陶瓷諧振蕩器一起構成自激振蕩器。電路中的外接是應盡及兩個電容接在放大器的反饋回路中構成并聯振蕩電路，系統(tǒng)的晶振電路如圖3-7所示。由于外接電容的容量大小會輕微影響振蕩率的高低、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，電容量的大小范圍為30PF10PF；如果使用陶瓷諧振，則電容容量大小范圍40PF10PF。本文使用的石英晶體，電容的容值設定為30PF。3.2.2 復位電路復位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經一定的延時才撤銷復位信

40、號，以防電源開關或電源插頭分合過程中引起的抖動而影響復位。單片機在啟動時都需要復位，以使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。80C51的復位信號是從REST引腳輸入到芯片內的施密特觸發(fā)器中的。當系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果REST引腳上有一個高電平并維持2個機器周期(24個振蕩周期)以上，則CPU就可以響應并將系統(tǒng)復位。單片機系統(tǒng)的復位方式有：手動按鈕復位和上電復位，本設計采用的是手動按鈕復位。手動按鈕復位需要人為在復位輸入端REST上加入高電平，采用的辦法是在REST端和正電源VCC之間接一個按鈕。當人為按下按鈕時，則VCC的+5V電平就會直接加到REST

41、端，系統(tǒng)復位。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數十毫秒，所以，設計完全能夠滿足復位的時間要求。復位電路中SW-PB為手動復位開關，電容C1可避免高頻諧波對電路的干擾。復位電路如圖3-6。圖3-6 80C51晶振和復位電路原理圖3.2.3 信號處理電路傳感器輸出信號一般比較微弱，需要經過前置電路對其進行放大、濾波、電平調整，滿足單片機對輸入信號的要求。本系統(tǒng)采用的半導體煙霧傳感器屬于電阻型，因此只需要串聯一個參考電阻，在經過一個放大電路即可發(fā)送給ADC采集。由于系統(tǒng)采用的是單極性供電，所以采用同向比例放大電路，可以減少硬件的開銷；反之，如果擦藥反向放大，則一般需要利用雙極性供電，這就是需要系

42、統(tǒng)額外的利用變壓芯片產生一個負壓，這顯然會釀成浪費。常見的運算放大器中，LM324價格低廉、使用簡單等優(yōu)點比較突出，所以本設計中的前置放大電路采用LM324作為電路的運算放大器。LM324是單片機高增益四運算放大器，可在較寬電壓范圍的單電源或雙電源下工作，其電源電流很小且與電源電壓無關，四個運放一致性好；其輸入流電阻式文檔補償的，也不需要外接頻率補償，可做到輸出電平與數字電路的兼容。下面介紹運算放大電路：從傳感器的上端出來的信號Vi經過運算放大器的同向輸入端，但是為保證引入的是負反饋，輸出電壓Vo通過電阻R4接到反相輸入端，同時，反相輸入端通過電阻R3接到參考電壓Vref。同相比例運算電路中反

43、饋的組態(tài)為電壓串聯負反饋，同樣可以利用理想運放工作在線性區(qū)時的兩個特點來分析其電壓放大倍數。根據放大的“虛段”和“虛斷”的特點可知，i-=i+=0，所以V-=Vo*R3/R3+Vref*R4/R3+R4 (3-1)而且V-=V+=ViVo=Vi*（R3+R4）/R3 (3-2)由以上兩式可求出Vo=Vref+R4/R3 (3-3)所以本放大電路的放大倍數A=1+R4/R3，此放大電路為同相比例放大電路，它的放大倍數總是大于或等于1。同相比例運算電路有以下幾個特點：（1）同相比例運算放大電路時一個深度的電壓串聯負反饋電路。因為在“虛地”現象，所以其輸入端有較高的共模輸入 電壓。（2）電壓放大倍數

44、A=1+R4/R3，即輸出電壓與輸入電壓的幅值成正比且相位相同，所以此電路實現了同相比例放大。如果不接R4R3，則此電路就成了“電壓更隨器”，它可以減少電路模塊間由于阻抗引起額干擾。（3）由于引入了深度電壓串聯負反饋，因此電路的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低。高輸入阻抗就可以減少放大電路對前端電路的影響，同時低輸出阻抗也可以提高自身的抗干擾性，這顯然有利于電路中其他模塊的設計。此放大電路導致的零點電壓，引入了零點調節(jié)功能，這樣可以更方便的調整由于不同的傳感器導致的零點變化問題。它利用滑動變阻器產生了一個參考電壓Vref，再利用電壓跟隨器把電壓輸入到運算放大電路的參考端。所以調節(jié)滑動變阻器，就可以直

45、接改變放大電路的參考電壓。如圖3-7所示：圖3-7 信號處理電路3.2.4 A/D轉換電路經過傳感器檢測的電信號為模擬信號，無法直接被單片機所識別，所以在經過放大電路后對信號經行A/D轉換將模擬信號轉換為數字信號輸入單片機。本設計中的A/D使用的是通用8位芯片ADC0809，煙霧、溫度傳感器的輸出端經過放大電路后分別接到ADC0809的IN0和IN1。 ADC0809的通道選擇地址由80C51的P0.0P0.2經地址鎖存器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。圖中AD

46、C0809轉換結束狀態(tài)信號EOC接到80051的INT0引腳，當A/D轉換完成后，EOC變成高電平，表示轉換結束，產生中斷。在中斷服務程序中，將轉換好的數據送到指定的存儲單元。由于ADC0809片內無時鐘，故利用8051提供的地址鎖存使信號ALE經D觸發(fā)器二分頻獲得時鐘。因為ALE信號的頻率為2MHz，經二分頻后為1MHz，與ADC0809的典型值吻合。如圖3-8所示。 圖3-8 A/D轉換電路3.2.5 報警電路3.2.6 語音報警電路 圖 3-9 語音報警電路AD轉換器輸出的數字信號傳輸給P0口，讀取P0口的內容跟設定的值進行判定，如果大于設定值，P2.1輸出低電平，控制語音芯片ISD14

47、20的發(fā)出火災語音報警. 如果小于于設定值，P2.1輸出高電平，說明正常，沒有火災發(fā)生。3.2.7 狀態(tài)指示燈電路圖 3-10 狀態(tài)指示燈AD轉換器輸出的數字信號傳輸給P0口，讀取P0口的內容跟設定的值進行判定，如果大于設定值，P2.3、P2.4輸出高電平，P2.2輸出低電平，控制黃色發(fā)光二級管的發(fā)光，說明發(fā)生火災。如果小于設定值，P2.2、P2.3輸出高電平，P2.4輸出低電平，控制綠色發(fā)光二級管的發(fā)光，說明正常，沒有火災發(fā)生。如果出現異常情況，P2.2、P2.4輸出高電平，P2.3輸出低電平，控制紅色發(fā)光二級管的發(fā)光。3.2.8 數碼管顯示電路數據采集進來并被成功地由模擬量轉化為數字量后，

48、就被傳送到系統(tǒng)的顯示模塊，讓人們更直接地觀察到相關數據。在本系統(tǒng)中，對LED進行的是動態(tài)掃描，除了給顯示器提供段的輸入之外，還要對顯示器進行位控制。本系統(tǒng)顯示用的4位七段數碼管由數碼管專用驅動芯片ICM7218A驅動，分別接數碼管的a、b、c、d、e、f、g，DIGIT1、DIGIT2、 DIGIT3、 DIGIT4為位選，分別控制4位數碼管的亮滅，ID0-7為數據線，接單片機P1口。WRITE、MODE是寫控制位和模式控制位，分別接單片機P3.6、P2.5。如上圖3-11所示。圖3-11 數碼管顯示電路第4章 火災報警器的軟件設計4.1 軟件開發(fā)環(huán)境本次系統(tǒng)采用的是C語言。因為C語言的描述由

49、函數組成，是一種結構化的程序設計語言，所以更容易實現模塊化，而且具有可讀性好，易于移植等優(yōu)點，同時還有匯編語言一樣的位操作功能的硬件詳細控制指令11。數據結構方面，可以使用結構體和數組，能夠處理復雜的數據，可用于實時處理系統(tǒng)。本系統(tǒng)的軟件編程使用的是美國Keil Software公司出品的Keil C51，是51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。 Keil C51軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發(fā)調試工具，全Windows界面。另外重要的一點，Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能 體現高級語言的優(yōu)勢。C51工具包的整體結

50、構中，Vision與Ishell分別是C51 for Windows和C51for Dos的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調試、仿真等整個開發(fā)流程。開發(fā)人員可用IDE本身或其它編輯器編輯C或匯編源文件。然后分別由C51及A51編譯器編譯生成目標文件(.OBJ)。目標文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經C51連接定位生成絕對目標文件(ABS)。ABS文件由OH51轉換成標準的Hex文件，以供調試器dScope51或tScope51使用進行源代碼級調試，也可由仿真軟件Proteus使用直接對目標板進行調試，也可以直接寫入程序存貯器如EPROM中。4.3 主程序

51、流程火災報警系統(tǒng)控制器上采用80C51作為主控芯片，其主要功能包括：控制IO端口、邏輯判斷處理、驅動外部電路、語音報警和A/D采樣等，該部分是火災報警系統(tǒng)智能化的集中體現。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用實現的。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、溫度煙霧數據采集子程序、火災判斷與報警子程序等。主程序是一個無限循環(huán)體，其流程是：首先在上電之后系統(tǒng)的各部分包括單片機輸出輸入端口的設置、數據存儲電路、外圍驅動電路等完成初始化，接下來執(zhí)行火災報警系統(tǒng)的數據采集程序、火災判斷、報警程序。系統(tǒng)

52、初始化后，80C51的P2.4為低電平，P2.2、P2.3為高電平，所以只有綠燈亮，紅燈、黃燈不亮，蜂鳴器不報警。4.2 主程序初始化流程圖主程序初始化流程圖如圖4-2所示。這部分實現的功能包括各種I/O輸入輸出狀態(tài)的設定、寄存器初始化、中斷使能等。首先設定定時器工作方式，然后開系統(tǒng)中斷，以便響應中斷定時，及時對氣體濃度和溫度進行采樣。然后關閉蜂鳴器，開啟綠燈，設置報警限初值。NY定時器初始化開中斷關閉蜂鳴器打開綠燈是否報警設定初值開始返回圖4-2 主程序初始化流程圖4.3 數據采集子程序數據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

53、次采集溫度煙霧數據后，將數據存入單片機的寄存器，然后在火災判斷程序中，將采集的數據與設定的閾值進行比較，判斷現場是否發(fā)生火災。具體流程是：系統(tǒng)和程序初始化后，驅動ADC0809的IN0對溫度信號進行A/D轉換，單片機接受轉換好的數據，存入寄存器，由INT0中斷服務程序完成；系統(tǒng)延時10ms，驅動ADC0809的IN1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，將轉換好的數據存入寄存器中。單片機每次驅動A/D轉換后等待外部中斷，當ADC0809的EOC端變?yōu)?時，說明A/D轉換已經完成，再通過中斷服務程序讀取轉換得到的數據。由于設計采用的是模塊化

54、設計，系統(tǒng)實現報警功能是通過調用子程序實現的。在數據采集子程序中，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次溫度煙霧信號后，轉換好的數據存入單片機的寄存器中，系統(tǒng)再調用火災判斷子程序。系統(tǒng)溫度煙霧信號采集程序流程圖如圖4-3所示：檢查EOC OE賦值1第二次采集完檢查EOC OE賦值1采集溫度信號接受溫度數據延時200ms采集煙霧信號接受煙霧數據圖4-2 數據采集流程開始返回在火災自動報警系統(tǒng)的程序設計中使用了延時程序，延時的程序如下：void delayMS(uchar ms)uchar a;while(ms-)for(a=0;a120;a-

55、);4.4 火災判斷與報警程序4.4.1 火災報警數據處理方法固定門限檢測法是使用最早，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，其原理是根據火災探測器的信號幅值作為火災報警的依據，并與固定的閾值進行比較，當信號幅值超過報警閾值時，則發(fā)出報警，否則解除報警12。 火災報警系統(tǒng)中使用的是溫度傳感器AD590和煙霧傳感器TGS202，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0.12 V/。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：，V溫度 =17V4.4.2 火災判斷與報