畢業(yè)論文——分布式應急電源智能檢測與管理系統(tǒng)的設計

1、目錄中文摘要1Abstract21 緒論31.1 課題研究的背景31.2 課題研究的意義41.3 本文研究的趨勢和主要內(nèi)容42 無線通信系統(tǒng)62.1 無線通信系統(tǒng)的組成62.2 無線通信的優(yōu)點72.3 本章小結(jié)83 系統(tǒng)硬件電路的設計93.1 應急燈監(jiān)測與管理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述93.2 應急燈檢測終端系統(tǒng)的硬件設計103.3 主控制系統(tǒng)的硬件設計233.4 本章小結(jié)284 系統(tǒng)軟件的分析294.1 軟件的總體結(jié)構(gòu)概述294.2 主控制器軟件設計314.3 應急燈單元軟件設計394.4 本章小結(jié)425 結(jié)論435.1 本文所做工作總結(jié)435.2 今后工作的完善和建議43致謝44參考文獻45附錄一：

2、應急燈檢測終端系統(tǒng)總體硬件電路圖46附錄二：控制器系統(tǒng)總體硬件電路圖47分布式應急電源智能檢測與管理系統(tǒng)的設計摘 要：現(xiàn)代化的建筑物面積越來越大，結(jié)構(gòu)越來越復雜，其智能化程度越來越高，因此內(nèi)部的應急燈數(shù)量也越來越多，建立一個可靠的應急燈控制系統(tǒng)非常必要。本系統(tǒng)的設計為了避免火災等災害發(fā)生時電力線路損壞情況下無法控制應急燈，而采用無線通信模塊，該系統(tǒng)包括兩部分構(gòu)成，一部分是應急燈檢測終端系統(tǒng)(下位機系統(tǒng))，主要包括信號采集、無線收發(fā)以及控制等功能，另一部分是主控制系統(tǒng)（上位機系統(tǒng)），主要包括無線收發(fā)、分析判斷、顯示以及控制等功能。上位機系統(tǒng)可以隨時檢測和控制下位機的運行狀態(tài)，并能將應急燈的狀態(tài)顯

3、示在顯示器中。下位機能夠執(zhí)行上位機的命令，對應急燈進行信息采集。因此，本文主要涉及的硬件設計有單片機STC12C5A60S2、無線收發(fā)模塊CC1100、信息采集系統(tǒng)、穩(wěn)壓器、繼電器、顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、實時時鐘模塊等，軟件部分主要有各種驅(qū)動程序、采集程序、收發(fā)程序、看門狗、顯示程序等流程的設計。關鍵詞：應急燈，單片機，無線收發(fā)模塊，信息采集系統(tǒng)，主控制系統(tǒng)48Design of Distributed Intelligent Emergency Power Detection and Management SystemAbstract：With the modern architectur

4、e building area growing bigger and bigger, the structure becoming more and more complex, and the number of emergency lights in buildings becoming more and more, it is necessary to establish a reliable emergency light control system. The ststem is designed to use wireless communication module when th

5、e emergency lights are out of control after the power line is damaged by fires or other disasters. The system includes two parts, one part is emergency lights client control system(lower machine system), including signal acquisition, wireless transceiver and control functions; the other part is the

6、main control system(host computer system), including wireless transceiver, analysis and judgment, display and control functions. PC system can detect and control the state of lower machine system running at any time, and show the state of emergency lights in monitor. At the same sime, the lower mach

7、ine system operates the appropriate action according to the instruction execution of host machine system at any time. Therefore, hardware design in this paper mainly involves SCM STC12C5A60S2, CC1100 wireless transceiver module, information collection system, voltage regulator, relays, display modul

8、e, data storage module, real-time clock module and so on; software part mainly involves various drivers, collection procedures, transceiver procedures, watchdog, display procedures, etc.Keywords: Emergency light, Single chip microcomputer, The wireless transceiver module, Information collection syst

9、em, PC system1 緒論1.1 課題研究的背景應急照明燈是指在火災等緊急災害發(fā)生時，正常照明燈具發(fā)生故障不能正常工作，能有效地提供照明和指示疏散通道的一類燈具。它被廣泛用于人口密集的公共場所和一些不能間斷照明的地方。疏散應急照明燈是防火安全措施中一種重要的保護人們生命財產(chǎn)安全的產(chǎn)品。當出現(xiàn)火災等一些緊急狀況時，往往引起電源突然中斷，所有正常燈具都已經(jīng)停止工作，在這種情況下，應急照明系統(tǒng)必須能立即提供可靠的照明，指示給人們疏散方向，告知人們緊急出口的位置，確保滯留在黑暗樓宇中的人們能夠順利的逃離危險。為了滿足經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口增加的需要，建筑業(yè)飛速的發(fā)展，大型公共建筑越來越多，尤其是

10、人員較為密集的超市、商場等一些公共場所，在火災等一些緊急狀況下的人員疏散與逃離是一個很重要的現(xiàn)實問題，因此對應急照明系統(tǒng)提出了更高的要求。然而，過去的一些應急照明系統(tǒng)是為那些結(jié)構(gòu)簡單的傳統(tǒng)樓宇設計的，其功能單一，管理混亂，沒有多少實用價值，更不適合如今的超高層、超大型、智能化的建筑。因此，如何使建筑樓宇內(nèi)的應急燈智能化已經(jīng)越來越重要。但是，國內(nèi)現(xiàn)有的應急燈主要以獨立控制為主，加上彼此間沒有聯(lián)系很難形成一個總的應急燈控制網(wǎng)絡。由于樓宇建筑內(nèi)的應急燈數(shù)量龐大，因此很難對它們進行統(tǒng)一的管理和維護。同時，這類獨立型的應急燈無法在緊急狀況發(fā)生時根據(jù)現(xiàn)場進行適時調(diào)整，不能夠智能化的把現(xiàn)場檢測到的情況傳輸給

11、總控制室，從而由總控制室分析后提供最優(yōu)化的逃生路線。因此，在大型樓宇中建立一個統(tǒng)一的應急燈控制網(wǎng)絡是非常必要的。統(tǒng)一的應急燈監(jiān)測網(wǎng)絡有以下優(yōu)點：(1) 有了總的應急燈控制監(jiān)測網(wǎng)絡可以對建筑內(nèi)所有的應急燈進行統(tǒng)一管理，無需像過去一樣逐個對每個應急燈個體單獨檢測，這樣可以大大減少設置和維護的時間，這種統(tǒng)一的控制監(jiān)測還可以有效地降低成本。(2) 通過微控制器中斷和輪詢等方式，可以通過軟件編程實時監(jiān)測每個應急燈的狀態(tài)，這樣一旦應急燈發(fā)生故障可以及時通過報警提醒管理員，管理員可以及時了解情況進行實時處理1?；谝陨险n題研究的背景，為了防止災難發(fā)生時，破壞樓宇內(nèi)的電力線，本文對樓宇應急燈的監(jiān)控系統(tǒng)提出了一

12、套基于無線傳輸?shù)臋z測控制系統(tǒng)。利用無線通訊對樓宇內(nèi)的應急燈進行統(tǒng)一的管理、控制和檢測。本文將在下文中著重介紹微控制器、無線收發(fā)模塊，以及外圍模塊。1.2 課題研究的意義消防應急燈最大的作用應該是在突發(fā)事故時，應急燈能為建筑內(nèi)的人員提供照明以及有效的疏散指引，保障生命財產(chǎn)的安全。因此，保證應急燈在緊急狀況下正常工作非常重要。如今的發(fā)展趨勢是現(xiàn)代化的大型建筑越來越多，樓宇的內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越復雜，因此應急燈數(shù)量也越來越龐大，這么龐大數(shù)量的應急燈給日常維護和維修上都帶來很大的困難。例如，一般情況下人們需要到現(xiàn)場對每個應急燈的狀態(tài)進行逐個檢查，有時需要將應急燈拆開，才能判斷應急燈是否能夠正常工作，這樣非常

13、麻煩，工作效率不高。尤其是對于一些后備電池供電的應急燈的檢查會更加困難，基于以上種種原因，說明目前市場上流通的的應急燈已經(jīng)遠遠不能滿足人們的需求。總結(jié)以上實際的需要和傳統(tǒng)應急燈的不足，有必要研制出一種可以方便人們對應急燈進行檢測的管理系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)，可以隨時檢測應急燈的燈泡的好壞、以及蓄電池電壓是否正常。有了這種系統(tǒng)，再也不需要人們爬上爬下的挨個檢測，只需要按一下按鈕，就可以知道每個應急燈模塊的好壞，如果出現(xiàn)故障，還可以顯示哪個應急燈的故障，以及什么故障。1.3 本文研究的趨勢和主要內(nèi)容1.3.1 研究的趨勢消防應急燈是在發(fā)生突變事故時利用備用電源提供照明的一種工具。為了保證應急燈在緊急狀況

14、時能夠發(fā)揮作用，必須保證應急燈的質(zhì)量，因此，這個系統(tǒng)應該有自檢功能2。定時檢測應急燈的好壞，并且能夠顯示出來，告知管理員盡快檢修?？墒牵捎跇怯顑?nèi)安裝的應急照明燈具不止幾臺，特別是對于一些大型建筑，安裝的應急燈數(shù)量可能達到成百上千臺，所以不能再像以前那樣靠人工逐個檢查。這時，要將整棟樓的應急燈組成一個網(wǎng)絡，通過智能控制系統(tǒng)檢測應急的模塊的情況，然后，將檢測到的信息通過無線系統(tǒng)傳送到總控制室。總控制室的微處理系統(tǒng)可以將收到的信息顯示在出來，并通過分析判斷告知管理員哪個應急燈出現(xiàn)故障，以及什么故障。同時，管理人員也可以通過按鍵隨時檢測燈的好壞3。文中主要設計包括兩部分，一是應急燈系統(tǒng)模塊，主要包括

15、采集部分、微處理器部分、無線收發(fā)部分、繼電器部分、穩(wěn)壓器部分等，另一部分是主控制器模塊，主要包括微處理器部分、無線收發(fā)部分、顯示部分、數(shù)據(jù)存儲器模塊等。本文以下章節(jié)將重點介紹這些內(nèi)容。1.3.2 本文的組織結(jié)構(gòu)本文重點介紹了實現(xiàn)本系統(tǒng)的硬件電路與軟件思想，本文共分六章，具體內(nèi)容安排為：第一章“緒論”。介紹了課題的研究背景、課題的研究意義以及設計中的主要技術，然后對整篇論文內(nèi)容和章節(jié)安排做了介紹。第二章“無線通信系統(tǒng)”。主要介紹了無線通信的主要優(yōu)點、相關組成。第三章“系統(tǒng)硬件電路的設計”。此章為論文的硬件設計核心章節(jié)，詳細介紹了本系統(tǒng)各個模塊的硬件設計并給出了相關的電路，主要有微控制器模塊、無線

16、通信模塊、信息采集模塊、顯示模塊、繼電器模塊、整流電源模塊、數(shù)據(jù)存儲器模塊實時時鐘電路等，并對各個模塊的功能設計做了詳盡的闡述。第四章“系統(tǒng)軟件的設計”。這一章給出了各程序的軟件設計結(jié)構(gòu)，并對其中各個部分做了相應的闡述。第五章“總結(jié)與展望”。對本文的主要工作做出了總結(jié)并提出了未來工作的展望。2 無線通信系統(tǒng)由于分布式應急電源智能檢測及管理系統(tǒng)的設計優(yōu)點在于無線通信系統(tǒng)，因此，首先必須對無線通信系統(tǒng)的理論知識和技術手段有一定的了解，本章主要研究的內(nèi)容就是無線通信技術，主要介紹無線通信系統(tǒng)的組成、優(yōu)點、技術指標等。有了這些理論方面的知識對后面的應急燈監(jiān)測管理系統(tǒng)的設計起到了至關重要的作用。2.1

17、無線通信系統(tǒng)的組成發(fā)送設備、接收設備、無線信道是無線通信系統(tǒng)（Wireless Communication System）的主要組成部分，無線通信系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)為無線電磁波，它的目的是實現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送設備（1）變換器（換能器）：主要功能是將被發(fā)送的信息變換為能夠傳輸?shù)碾娦盘枴＠缭捦矊⒙曇糇優(yōu)殡娦盘?。?）發(fā)射機：主要功能是將變換器輸出的電信號通過轉(zhuǎn)換變?yōu)橛凶銐驈姸鹊哪軌蛴行鬏數(shù)母哳l電磁振蕩信號。（3）天線：將高頻電磁振蕩變成電磁波向外界輻射，進行無線傳輸。傳輸媒體電磁波在自由空間中，光速為c， 無線電磁波的頻率為f，無線電磁波的波長為，則，波長與頻率存在c = f 的關系，因此，我

18、們把無線電波當做是一種頻率相對較低的電磁波。電磁波從發(fā)射后，不僅能量會擴散，而且，電波的能量會被云層、或建筑物吸收或反射；或在大氣層中由于塵埃等原因產(chǎn)生折射或散射，造成電磁波強度的不斷衰減。由于衰減的大小和電磁波的頻率有直接關系，因此決定傳播方式的關鍵因素是無線電磁波的頻率。接收設備接收是發(fā)射的逆過程，它包括：（1）接收天線：將其接收到的電磁波轉(zhuǎn)化為高頻電振蕩。（2）接收機：作用為將高頻電振蕩轉(zhuǎn)化為電信號。（3）變換器（換能器）：將電信號轉(zhuǎn)化為所接受的信息。2.2 無線通信的優(yōu)點數(shù)據(jù)通信按照通信介質(zhì)的不同，在實際應用中主要有：有線通信方式、無線通信方式兩大類。相比較而言，無線通信方式相比其它通

19、信方式具有很多優(yōu)點，下面介紹一下無通信方式相比于有線通信的優(yōu)點。1投資成本廉價有線通信須架設電纜，因此需要大量的人力、物力和財力；而無線通信只需要在每個終端安裝一個無線傳輸模塊，然后再安裝適當高度的天線就可以了。相比之下無線數(shù)據(jù)傳輸方式，節(jié)省了人力、物力、財力，投資是非常節(jié)省的4。2建設工程周期短當使用有線通信進行站與站通信時，需要樹立桿塔和架設電纜，工程周期可能需要數(shù)月的時間；對于無線傳輸方式的建立，由于它的通信介質(zhì)是空氣，因此，不需要架設天線，只需要在兩通信終端各安裝一個無線傳輸模塊，架設適當高度的天線就可以了，安裝容易，因此，工程周期只要幾天。與有線通信相比，工程周期大大縮短。3適應性好

20、對于有線通訊地理環(huán)境對施工的影響比較大，如果施工中遇到一些比較特殊的環(huán)境，比如山地、林區(qū)等，這些地區(qū)布線比較困難，對工程建設產(chǎn)生了巨大的阻礙，因此，有線通信建設局限性比較大；而對于無線通信方式的通信特點，只需要在兩通信的終端安裝無線通信裝置，至于中間什么地理環(huán)境根本不影響施工，因此將不受這些限制，所以說無線通信的適應性更好。4擴展性好當一個通訊網(wǎng)絡組建好后，過一段時間，隨著需要的增加，系統(tǒng)常常需要擴展，增加一些新的設備。如果采用的是有線的通信方式方式，往往需要重新布線，如此不僅施工比較麻煩，增加投入，而且還會破壞原來的通訊線路，甚至造成通信線路的損壞，但是如果采用的是無線通信方式，只需將新增加

21、的設備安裝上無線模塊，然后設置參數(shù)與主控制器相連接，如此，就可以實現(xiàn)擴充了，相比之下就擴展性而言無線通信方式比有線通信方式更好。5容易維護由于有線通信方式線路較復雜，維護時需要對線路進行逐個檢查。尤其是當出現(xiàn)火災緊急故障時，由于故障可能在線路上，所以需要對復雜冗長的線路進行檢查，因此，一般很難在短時間內(nèi)找出故障點，而采用無線通信方式只需要定時維護和維修數(shù)據(jù)傳輸模塊，出現(xiàn)故障時，只有應急燈和數(shù)據(jù)傳輸模塊兩部分，因此，能快速找出故障原因，使系統(tǒng)恢復正常運行5。6對于本課題，由于應急燈是在火災等突發(fā)狀況出現(xiàn)時發(fā)揮作用的。所以，有線通信在火災時容易發(fā)生通訊線路中斷的狀況，而無線通訊就能很好的避免這種狀

22、況的發(fā)生。2.3 本章小結(jié)本章主要介紹了無線通信系統(tǒng)的有關理論知識，知道了無線通信的組成、優(yōu)點等，有了相應的此方面的知識，從而能引出基于無線通信應急燈的設計。3 系統(tǒng)硬件電路的設計3.1 應急燈監(jiān)測與管理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述該系統(tǒng)主要有主控制器系統(tǒng)和應急燈檢測終端系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。它們共同構(gòu)成多單片機通訊系統(tǒng)，主控制器系統(tǒng)用STC12C5A60S2系列單片機作微處理器，應急燈檢測終端也用該單片機作為嵌入式單片機。應急燈檢測終端系統(tǒng)的任務包括：應急燈狀態(tài)信息的采集、應急燈的點亮或熄滅、無線通訊等功能，如圖3.1所示。主控制系統(tǒng)主要完成與應急燈系統(tǒng)進行通訊、應急燈狀態(tài)的顯示等，如圖3.2所示。圖3.1

23、應急燈檢測終端系統(tǒng)圖圖3.2 主控制器模塊該系統(tǒng)集中管理，分散于樓宇內(nèi)的應急燈檢測終端接受主控制系統(tǒng)的信號，動作于應急燈，進行應急燈狀態(tài)信息的采集，并且能夠?qū)⑹占降男畔⑼ㄟ^無線通信方式發(fā)送到主控制器系統(tǒng)。主控制器系統(tǒng)能夠完成對應急燈的控制、收發(fā)來自應急燈檢測終端的數(shù)據(jù)信息，并且能夠經(jīng)過分析運算，實時的通過顯示模塊、聲光報警模塊，將應急燈的狀態(tài)顯示出來。3.1.1 應急燈檢測終端系統(tǒng)設計應急燈狀態(tài)主要包括應急、故障、充電和主電四種狀態(tài)。應急燈的狀態(tài)采集由單片機完成。應急燈檢測終端系統(tǒng)能夠?qū)睙舻臓顟B(tài)即時送往上位主控制器系統(tǒng)，并在主控制器的顯示器上上顯示出來，如果是故障狀態(tài)，主控制器的聲光報警

24、模塊會有相應的聲光顯示，見圖3.3。圖3.3 主控制器系統(tǒng)和應急燈檢測終端系統(tǒng)之間的聯(lián)系原理框圖3.1.2 主控制器電路設計 主控制器系統(tǒng)用STC12C5A60S2系列單片機，主要有穩(wěn)壓電源部分、鍵盤部分、顯示部分、聲光報警部分、無線通訊部分、數(shù)據(jù)存儲部分和實時時鐘部分6。3.1.3 系統(tǒng)通訊部分的設計分布式應急燈控制系統(tǒng)必須在火災等其他事故發(fā)生時，應急燈能夠為逃生者照亮逃生路徑。因此，可靠的方式是必須采用無線通訊技術實現(xiàn)遠距離通訊。由于本設計包括應急燈模塊和主控模塊的設計兩部分，因此，下面就分別介紹兩部分硬件設計的組成及器件選型。3.2 應急燈檢測終端系統(tǒng)的硬件設計應急燈檢測終端系統(tǒng)負責管理

25、本應急燈，它的功能主要是：應急燈狀態(tài)信息的采集、與主控模塊通信、控制應急燈等。因此，針對以上的分析應急燈檢測終端主要包括微處理器模塊、無線通信模塊、信息采集模塊、穩(wěn)壓電源模塊、繼電器模塊等模塊，下面就分別詳細來介紹。3.2.1 微處理器的選型及設計對于單個應急燈來說，為了實現(xiàn)其智能控制的功能，實際上每個燈具就是一個最小控制系統(tǒng)，包括CPU、RAM、ROM、A/D轉(zhuǎn)換器、串并接口等。這個系統(tǒng)直接采用單片機來實現(xiàn)，即將單片機嵌入應急燈中，作為微處理芯片。1、微處理器的介紹微處理器的選擇并不是任意的，必須能實現(xiàn)相應的功能，并盡可能節(jié)約成本。我們選用響應速度快、低功耗、強抗靜電、強抗干擾，并且價格較低

26、的STC12C5A60S2系列單片機。STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機速度比普通單片機快8-12倍，其它與普通單片機相近。特點如下：1. STC12C5A60S2系列單片機為5V單片機，具體工作電壓為3.3V5.5V，本系統(tǒng)選為5V；2.它的工作頻率為0 - 35MHz，相當于一般8051的0420MHz；3.片上集成1280字節(jié)RAM；4. 看門狗；5.共4個16位定時器，其中兩個是與其他8051兼容的定時器/計數(shù)器；6. 2個時鐘輸出口；7. 7路外部中斷I/O口；8.A/D轉(zhuǎn)換，8路10位精度的ADC；9.包含通用全雙工異步串行口(UART)；其管腳圖如圖3.4所示圖3.

27、4 STC12C5A60S2單片機引腳圖各引腳功能簡單介紹如下：VCC：供電電壓；GND：接地；P0.0P0.7口：由于其內(nèi)部有弱上拉電阻，所以，P0可作為一個8位準雙向P0口作為輸入/輸出口，無需外接上拉電阻。P0也可以作為地址/數(shù)據(jù)復用總線使用，例如，低8位地址A0A7，數(shù)據(jù)線的D0D7。P1.0P1.7口在本系統(tǒng)是非常有用的，表3.1為P1.0P1.7口的詳細的功能；P2.0P2.7口：和P0口一樣，P2口既可作為輸入/輸出口，也可作為地址總線使用（高8位A8-A15）。P3.0P3.7口：P3口是帶內(nèi)部上拉電阻的雙向輸入輸出口，共有8個。P3口除了可做輸入輸出口外，見表3.2 P3口的

28、第二功能。RST：復位輸入。ALE / PROG ：當我們擴展了外部存儲器訪問它時，地址鎖存器允許的輸出電平信號由ALE / PROG控制，用于鎖存地址的低位字節(jié)；PSEN為外部程序存儲器選通信號引腳；EA/VPP：當該引腳保持低電平時，訪問外部存儲器ROM；當該引腳保持高電平時，訪問內(nèi)部存儲器ROM。XTAL1為反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入引腳；XTAL2為反向振蕩器的輸出引腳；表3.1 P1口的功能管腳功用P1.0/ADC0/CLKOUT2標準輸入/輸出口 PORT0ADC輸入通道0P1.1/ADC1標準I/O口 PORT1ADC 輸入通道2P1.2/ADC2/ECI/Rx

29、D2標準輸入/輸出口 PORT2ADC輸入通道2PCA計數(shù)器的外部脈沖輸入腳第二串口數(shù)據(jù)接收端P1.3/ADC3/CCP0/TxD2標準I/O口 PORT3ADC輸入通道3外部信號捕獲（頻率測量或當外部中斷時使用）、高速脈沖輸出及脈寬調(diào)制輸出第二串口數(shù)據(jù)發(fā)送端P1.4 / CCP1 / ADC4 /標準I/O口 PORT4ADC輸入通道4外部信號捕獲（頻率測量或當外部中斷時使用）、高速脈沖輸出及脈寬調(diào)制輸出SPI同步串行接口的從機選擇信號P1.5/ADC5/MOSI標準I/O口 PORT5ADC輸入通道5SPI同步串行接口的主出從入（主器件的輸出和從器件的輸出）P1.6/ADC6/MISO標準

30、I/O口 PORT6ADC輸入通道6SPI同步串行接口的主出從入（主器件的輸出和從器件的輸出）P1.7/ADC7/SCLK標準I/O口 PORT7ADC輸入通道7SPI同步串行接口的時鐘信號表3.2 P3口第二功能引腳引腳第二功能P3.0RXD(串行輸入口)P3.1TXD(串行輸出口)P3.2INT0，即外部中斷0輸入P3.3INT1，即外部中斷1輸入P3.4T0，即定時器0外部輸入P3.5T1，即定時器1外部輸入P3.6WR，即片外數(shù)據(jù)存儲器寫控制信號P3.7RD，即片外數(shù)據(jù)存儲器讀控制信號2、STC12C5A60S2系列單片機最小應用系統(tǒng)本設計要用到單片機的最小應用系統(tǒng)，因此有必要對最小應

31、用系統(tǒng)加以介紹。CPU模塊的最小系統(tǒng)構(gòu)成見圖3.5。圖中包括CPU的復位電路、晶振電路，為了防止對芯片的干擾，加入了由C1、C2構(gòu)成的去耦電路。復位電路選用手動復位電路，電阻R1和R2組成分壓電路。當按鍵S1按下，接通復位電路。R2的分壓輸入單片機的RES管腳，完成單片機的復位。CPU出現(xiàn)死循環(huán)時復位電路可以使CPU復位，待恢復正常后，CPU從初始化處重新開始運行。晶振X1和C2、C3構(gòu)成時間電路，該電路保證了CPU的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)電路設計中采用外部晶振，使時間控制更準確。芯片的8個帶AD轉(zhuǎn)換的引腳分別用來采樣模擬電壓值。圖3.5 STC12C5A60S2系列單片機最小應用系統(tǒng)3.2.2 無線通信模

32、塊選型與設計本系統(tǒng)的通訊部分是非常重要的，它是整各系統(tǒng)能否正常工作的關鍵，因此，對于通信模塊的選型和設計也必須非常認真。下面就來分別介紹。1、無線通信模塊的選型目前，短距離無線通訊芯片市場上主流的有CC1100、NRF9E5及SI100X系列3款，從成本和技術角度來看，CC1100系列比其他兩款更具有優(yōu)勢。（1）通訊距離，CC1100實測距離在250m左右，其他二款分別是200m及240m左右；（2）CC1100外圍器件最少；（3）傳輸速率，CC1100 為500kbps，其他兩款分別是250kbps和1Mbps；（4）芯片價格低。由于CC1100同時具有體積小，低功耗、高靈敏度等特點，是一款

33、單片無線收發(fā)芯片，市場占有率較高，電路穩(wěn)定，所以在本系統(tǒng)中最終選擇CC1100無線芯片，其外圍器件廠家給出了標準配置。2、無線通信模塊的設計應用電路如圖3.6所示。外部元件由表3.3給出。圖3.6 CC1100無線收發(fā)模塊表3.3 外部元件總覽C51數(shù)字部分的片內(nèi)電壓調(diào)節(jié)器的100nFC81、C101晶體負載電容C121、C131屬于RF平衡轉(zhuǎn)換器或匹配電容C122、C123作用RF濾波或匹配電容C124屬于RF平衡轉(zhuǎn)換器或DC模塊電容C125RF LC 波 DC模塊電容L121、L131屬于RF平衡轉(zhuǎn)換器或匹配電感L122、L123屬于RF LC 濾波和匹配電感R17156K電阻XTAL 2

34、7MHz 晶體當外圍電路接好后，可用引腳主要有，如表3.4：表3.4 CC1100可用引腳列表引腳名引腳類型描述SCLK輸入時鐘輸入SO(GD01)輸出數(shù)據(jù)輸出當CSn 為高時為可選的一般輸出腳GDO2輸出1、測試信號 2、FIFO 狀態(tài)信號3、時鐘輸出，從XOS C 向下分割 4、連續(xù)輸入TX數(shù)據(jù)GDO0(ATEST)輸入輸出一般用途的數(shù)字輸出腳： 1、測試信號 2、FIFO 狀態(tài)信號3、時鐘輸出，從XOS C 向下分割 4、連續(xù)輸入TX數(shù)據(jù)CSn輸入芯片選擇SI輸入數(shù)據(jù)輸入CC1100芯片通過對4線SPI兼容引腳SI，SO，SCLK和CSn的配置，這些引腳同時可以用作讀出和寫入緩存數(shù)據(jù)。S

35、PI接口屬于同步串行通信接口，CSn為芯片選擇引腳，當CSn為低電平時，SPI接口可以通信，當CSn為高電平時，不能通信。SO和SI分別為數(shù)字輸入輸出引腳。SCLK引腳作用為為同步時鐘，在時鐘SCLK的上升沿數(shù)據(jù)被讀出或?qū)懭?。CC1100的SPI接口的讀、寫工作方式如圖3.7所示。圖3.7 CC1100配置寄存器讀、寫操作在讀寫寄存器時，首先要從SI管腳提供寄存器地址。地址位有8位，最高位為讀寫標志位，后面7位為地址位。當讀寫位標志位為0時，執(zhí)行寫寄存器操作，當讀寫位標志位為1時，執(zhí)行讀寄存器操作 7。3.2.3 信息采集模塊的設計本系統(tǒng)由于是對應急燈的檢測與管理，所以需對應急燈各個模塊進行監(jiān)

36、測。應急燈主要有兩部分組成，燈泡和蓄電池。因此，為了檢測燈泡的好壞需要采集的信號是光信號，為了檢測蓄電池的好壞，需要檢測電池的電壓信號。1、光信號采集電路如圖3.8為應急燈光信號的采集電路：圖3.8 光信號采集電路工作原理：VCC為直流電源，Q1為光電管，當接收到光信號時，它會導通，并且隨著光強弱的不同，它的導通電流也不同。R3、R4為分壓電阻。采集R4兩端的電壓值U輸入電壓比較器。電壓比較器的另一端接另一分壓電路。R為可調(diào)電阻，調(diào)節(jié)它的大小可改變輸入電壓比較器的閥值電壓。我們確定一閥值電壓后，當U大于閥值電壓U0時，PB0口輸出信號1，當U小于閥值電壓U0時，PB0輸出信號0。從而完成光信號

37、的采集。各器件作用：光電管Q1可視為開關。R3、R4起分壓作用，其阻值都選為1K。電阻R和R7組成一可調(diào)分壓電路，用來確定閥值電壓，可調(diào)電阻R的最大阻值選為10 K。2、蓄電池電壓采集電路蓄電池電壓采集電路，如圖3.9所示：圖3.9 蓄電池電壓采集模塊如上圖，R8、R9組成分壓電路，其分壓后輸入運算放大器的電壓為：(3-1)后面的電路為同相放大電路，其功能是隔離輸入端高電壓，避免電壓對后面單片機的損害。其閉環(huán)電壓增益為：(3-2)因此，輸出電壓為：(3-3)其中，各電阻的阻值分別選為為R8=190 K、R9=50 K、R10=10 K、R11=10 K。例如，蓄電池電壓為最高12V直流電時，蓄

38、電池電壓采集模塊輸出端輸出電壓為：(3-4)如此蓄電池的電壓經(jīng)過變化后，便達到單片機可接受電壓的范圍，可以輸入單片機的具有A/D轉(zhuǎn)換功能的引腳。3.2.4 穩(wěn)壓電源模塊的設計本系統(tǒng)中有各種芯片都需要直流電源，例如，單片機需要3.5V5.5V的直流電壓、無線芯片CC1100需要3.3V的直流電壓、采集模塊、繼電器模塊、顯示模塊、按鍵等都需要直流電源，而且蓄電池需要12V的直流電。由于需要的直流電源多，如果要購買的話會提高成本，因此，有必要設計一些整流電路，將樓宇內(nèi)的交流電轉(zhuǎn)變成直流電供給各種芯片使用。圖3.10是一采用三端穩(wěn)壓器的12V直流穩(wěn)壓電源電路圖：從電路中可以看到，圖中包括變壓器T1、整

39、流橋D1、三端穩(wěn)壓集成電路IC芯片元器件7812/7912、以及各種濾波電容等。7812/7912的兩端的電容分別起低頻濾波作用（大容量的）和高頻濾波作用(小容量的)。二極管的作用是為了保護電路中的三端穩(wěn)壓器，。它可以讓反向電流通過其回路，使穩(wěn)壓器兩端反向電壓保持在0.7V左右，避免反向浪涌電流對穩(wěn)壓芯片的沖擊作用。圖3.10 12V三端穩(wěn)壓器的直流穩(wěn)壓電源電路圖圖3.11為3.3V、5V直流穩(wěn)壓電源電路圖：從電路中可以看到，圖中包括變壓器T2、整流橋D2、三端穩(wěn)壓集成電路IC芯片元器件7805/7905、AS1117-3.3以及各種濾波電容等。各種器件作用與上圖差不多。該電路是將交流電變?yōu)?

40、V和3.3V常用直流電壓。圖3.11 5V、3.3V直流穩(wěn)壓電源電路圖3.2.5 繼電器模塊的設計當主控制器發(fā)送開啟應急燈的命令時，應急燈系統(tǒng)應該能動作于開關，開啟應急燈。然而，繼電器吸合需要的電流比較大，一般約為50mA，但是一般的集成電路很難提供這樣大的供電電流，因此必須設計電路進行擴流，即驅(qū)動。如圖3.12為繼電器驅(qū)動的電路圖，器驅(qū)動三極管選用NPN型三極管。圖3.12 繼電器驅(qū)動電路圖工作原理：當晶體管Q2基極接收到的信號為高電平給時，晶體管導通，電路導通，繼電器線圈有較大的電流通過，繼電器線圈通電，由電磁感應產(chǎn)生磁力，觸點K1吸合。當晶體管Q2基極接收到的信號為低電平時，晶體管截止，

41、電路不導通，繼電器線圈沒有電流流過，不會產(chǎn)生磁力，在彈簧作用下，觸點K1斷開8。電路中各元件的作用：晶體管T1可視為控制開關，選取放大倍數(shù)在100240之間。電阻R12主要作用是限流，目的在于保護晶體管Q2及降低其功耗。電阻R17使晶體管Q2可靠截止。二極管D1作用是反向續(xù)流，因此叫做續(xù)流二極管，保護晶體管Q2。電容C5和電阻R18的作用是放電續(xù)流，保護二極管，R18阻值選為100 K。各電阻阻值的選擇：圖3-12中電阻R16和R17的取值必須使當輸入為+Vcc時的三極管可靠的飽和，即有。例如，在圖3-13中Vcc=5V，則有。而 （3-5）則（3-6）例如，取，則?？紤]到三極管需要有一定的飽

42、和深度和電流放大倍數(shù)，取。因此，單片機應能至少提供1.2mA的驅(qū)動電流給本驅(qū)動電路，才會使繼電器電路工作，本單片機完全滿足該要求。3.2.6 單片機和無線模塊電平轉(zhuǎn)換電路由于本系統(tǒng)所用單片機的供電電源電壓為5V，而無線通信模塊CC1100的供電電源電壓為3.3V，它們的信號電壓強度不同，因此它們之間的連接必須使用某種電平轉(zhuǎn)換電路，使前級器件輸出的電平電壓滿足后級器件輸入電平電壓的要求，避免前級器件對后級器件造成損壞。1、3.3V至5V信號電平轉(zhuǎn)換如圖3.13所示，該電平轉(zhuǎn)換電路由一個N溝道的FET加一個上拉電阻構(gòu)成的。對于上拉電阻R11的選擇，當R11較小時，可以提高輸入開關的速度，但是會增加

43、低電平時R11上的電流消耗，這里R11取2K。當3.3V側(cè)有信號發(fā)出時，F(xiàn)ET導通，5V側(cè)有信號輸出。圖3.13 3.3V信號轉(zhuǎn)5V信號電平轉(zhuǎn)換電路圖2、5V至3V電平轉(zhuǎn)換如圖3.14所示，采用三極管實現(xiàn)5V至3V電平轉(zhuǎn)換，R1的作用是限流。但由于限流電阻R1會降低輸入開關的速度，因此，R1不宜太大。在此電路中，三極管起到鉗位的作用，因此不會將5V側(cè)電流引入3.3V電源。圖3.14 采用三極管實現(xiàn)5V信號到3V信號的電平轉(zhuǎn)換3.2.7 應急燈檢測終端系統(tǒng)的總體硬件電路應急燈檢測終端系統(tǒng)總體硬件電路連接圖見附錄一。光信號采集電路、電壓采集電路分別接入具有A/D轉(zhuǎn)換功能的端口和。復位電路通過RES

44、引腳接入單片機。繼電器模塊通過引腳接入單片機。無線模塊和單片機之間要進行串行通訊，因此，無線模塊的引腳SI由單片機串行1數(shù)據(jù)接入端通過電平轉(zhuǎn)換接入單片機，引腳SO通過電平轉(zhuǎn)換接單片機的串行1數(shù)據(jù)接入端。無線模塊的SCLK引腳通過電平轉(zhuǎn)換接單片機的定時器/計數(shù)器0的時鐘輸出引腳CLKOUT0。無線模塊的片選引腳CSn通過電平轉(zhuǎn)換接單片機的引腳。3.3 主控制系統(tǒng)的硬件設計主控制器是分布式應急電源的中樞，他負責收集來自各個應急燈的信號，并能通過分析處理將收集到的信息（也就是應急燈的狀態(tài)信息）顯示出來，如果有故障出現(xiàn)，能夠報警，并且顯示是什么故障，告知管理人員及時處理。主控制器系統(tǒng)主要包括微處理器模

45、塊、無線通信模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、實時時鐘模塊、顯示報警模塊、鍵盤等六部分，具體的電路圖及其設計流程就在下面分塊介紹。3.3.1微處理器的選型及設計由于STC12C5A60S2系列單片機響應速度快、低功耗、強抗靜電、強抗干擾，并且價格較低，優(yōu)點非常明顯，且本系統(tǒng)索要處理的信息量不是很大，為了設計和安裝的方便，就采用和應急燈模塊同一款微處理系統(tǒng)。其具體介紹和應用詳見“3.2.1微處理器的選型與設計”。3.3.2 無線通信模塊選型與設計在章節(jié)“3.2.2無線通信模塊的選型與設計”中已經(jīng)詳細講述了該系統(tǒng)，我們選用了性能優(yōu)良的無線芯片CC1100-232。詳細設計過程見“應急燈采集終端硬件電路的設計”章

46、節(jié)。3.3.3 顯示及聲光報警模塊的設計顯示是主控制系統(tǒng)最主要的功能之一，設計一個方便、簡單、直觀的顯示系統(tǒng)至關重要。本課題要顯示的信息不是太多，考慮到可行性與經(jīng)濟性的原因，選擇用LED顯示就能滿足應用要求了。如圖3.15為主控制器顯示模塊電路圖。圖中包括作為驅(qū)動的CD4511譯碼器、74LS138譯碼器、LED七段數(shù)碼顯示管、300電阻聯(lián)，蜂鳴器、以及二極管等。該電路為4位靜態(tài)顯示電路，用高4位控制4511譯碼器的片選信號，四個顯示器分別顯示個位、十位、百位，千位。百位和千位顯示的信息是應急燈編號，十位、個位顯示的是蓄電池電壓值。當應急燈處于故障狀態(tài)時，電路中揚聲器會發(fā)出報警信號。當燈泡有故

47、障時，發(fā)光二極管就會發(fā)光。圖3.15 主控制器顯示模塊電路圖1、CD4511譯碼器CD4511具有鎖存、譯碼、消隱功能，通常以反相器作為輸出級，用于驅(qū)動LED數(shù)碼管，其引腳圖如3.16所示。圖3.16 CD4511的引腳圖各引腳的功能介紹如下：:4腳是消隱輸入端控制端，當時，不管其他引腳輸入端輸入什么，七個數(shù)碼管都處于熄滅狀態(tài)，不顯示任何數(shù)字。：3引腳是測試輸入端，當，時，譯碼輸出全為1，不管其他引腳輸入什么，七個數(shù)碼管都處于發(fā)亮狀態(tài)，顯示數(shù)字“8”。LE被叫做鎖定控制端，當LE=0時，允許譯碼器對單片機傳出的數(shù)據(jù)譯碼輸出。LE=1時，譯碼器為鎖定保持狀態(tài)，此時，保持在LE=0時的數(shù)值被輸出。

48、A4A1接單片機輸出端，為BCD碼輸入端。a、b、c、d、e、f、g為譯碼輸出端，輸出信號用于驅(qū)動七段數(shù)碼管，輸出為高電平1時，數(shù)碼管亮；輸出低電平“0”時，數(shù)碼管不亮。CD4511的芯片里面引腳側(cè)接有上拉電阻，可直接驅(qū)動七段數(shù)碼管，也可以接一個限流電阻再去驅(qū)動七段數(shù)碼管。本設計通過300的電阻聯(lián)與數(shù)碼管相連。2、揚聲器的連接揚聲器的驅(qū)動電路如圖3.17所示：圖3.17 揚聲器驅(qū)動電路本電路采用三極管和12V電源驅(qū)動揚聲器。當信號到來時，三級管導通，12V電源作用于揚聲器，使揚聲器報警。3.3.4 數(shù)據(jù)存儲模塊的設計由于單片機芯片本身存儲容量有限，而本系統(tǒng)中大量應急燈的數(shù)據(jù)需要存儲，考慮到單片

49、機本身內(nèi)存或許不能滿足系統(tǒng)需要，因而本系統(tǒng)的設計中外擴了一個ROM數(shù)據(jù)存儲器，它的容量為64KB。數(shù)據(jù)存儲器擴展圖如圖3.18：圖3.18 數(shù)據(jù)存儲器擴展電路圖本模塊包括鎖存器74HC373和靜態(tài)RAM6264。6264芯片是8K*8位靜態(tài)隨機存儲器芯片，它采用單一的+5V直流電源供電，屬于CMOS制造工藝。數(shù)據(jù)存儲器的地址線為A0A12；其片選線是CS；讀允許線是OE；寫允許線是WE。6264的操作方式如下：CS1CS2OEWE方式D0-D7H*未選中高阻*L*未選中高阻LHHH輸出禁止高阻LHLH讀DoutLHHL寫DinLHLL寫Din由于51單片機的P0口即作為地址線，又為數(shù)據(jù)線，故要

50、采用分時技術對其地址和數(shù)據(jù)進行分離需要增加一個地址鎖存器。74HC373為三態(tài)輸出的8D鎖存器，它的LE端接單片機的ALE，其片選端接地，該片一直被選中。當ALE上升沿到來時，P0口輸出的地址信號就鎖存在Q端，Q端的信號一直出現(xiàn)在引腳上，直到下一次ALE端的上升沿到來。它的低13位地址線A0A12接單片機的地址線A0A12，將數(shù)據(jù)存儲芯片的容量固定為64KB。其存儲的量主要為每個應急燈模塊傳過來的信息，包括電壓值、燈泡信息等。CS1、CS2為片選信號，當CS1為低，CS2為高時，允許讀寫。OE、WE分別與單片機的RD、WR相連，進行讀寫操作。3.3.5 實時時鐘電路的設計實時時鐘電路如圖3.1

51、9所示，圖中包括晶振電路和芯片X1203。芯片X1203是一個實時時鐘，它帶有兩個鬧鐘（報警）和時鐘/日歷。它內(nèi)含雙端口寄存器，這讓它即使在進行讀、寫操作的時候也能精確工作 9。X1203與單片機之間的通信方式為同步串行通信方式，它們之間通過三個口線進行連接，其一，是SCL也就是串行時鐘，其二，是SDA，也就是串行數(shù)據(jù)，其三，是/IRQ，也就是中斷輸出，其工作電壓寬度可以達到2.56V。圖3.19 實時時鐘電路圖X1203的SCL、SDA管腳接P1.6和P1.7，用于實現(xiàn)與單片機的串行通信。/IRQ接單片機的INT1管腳，用來實現(xiàn)定時報警中斷響應，本設計軟件中設計定時程序，當達到定時時斷時，向

52、單片機發(fā)出信號，啟動定時巡檢程序10。3.3.6 鍵盤的設計如果想隨時檢查應急燈的狀態(tài)，除了定時檢查程序外，有必要設計一個開關信號。本系統(tǒng)設計一個按鍵作為開啟信號，如圖3.20所示：當S1按下后，電路接通，有電流流過。向單片機發(fā)出開啟信號。圖3.20 按鍵電路圖3.3.7 總體電路圖控制器系統(tǒng)總硬件電路圖見附錄二。其中，圖中為了清晰直觀的表達，無線通信模塊封裝為CC1100芯片。3.4 本章小結(jié)本章主要研究的內(nèi)容是應急電源檢測與管理系統(tǒng)的硬件電路設計，詳細說明了單片機、無線通訊等器件選擇的依據(jù)，分塊詳細介紹了微處理器模塊、無線通信模塊、信號采集模塊、穩(wěn)壓電源模塊、繼電器模塊、顯示報警模塊、數(shù)據(jù)

53、存儲模塊、實時時鐘電路等的設計過程及詳細功能，并設計出了系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖。本章是硬件設計的核心章節(jié)，是軟件設計的基礎。4 系統(tǒng)軟件的分析4.1 軟件的總體結(jié)構(gòu)概述根據(jù)對應急燈集中控制的需要，主控器系統(tǒng)的主要任務是對應急燈系統(tǒng)進行集中管理及按需要對應急燈實現(xiàn)相應控制。分散于各個應急燈上的單片機完成應急燈狀態(tài)信息采樣任務。應急燈的狀態(tài)大致主要包括應急狀態(tài)、故障狀態(tài)、充電狀態(tài)和主電狀態(tài)4個 11。具體的工作過程是應急燈采集模塊定時采集應急燈的光信號、電壓信號等，通過A/D變換等電路傳入應急燈微處理器，應急燈微處理器將采集信息通過無線系統(tǒng)傳輸?shù)街骺刂破?，主控制器將收到的信息通過運算、判別，顯示在LE

54、D顯示器上，告知管理員哪個應急燈出現(xiàn)故障，以及什么故障等。同時，主控制器也可以也可以通過無線收發(fā)系統(tǒng)控制應急燈的開關、隨時的巡檢等。通過以上工作過程的分析，所涉及的軟件設計主要有：信號采集程序的設計、上位機與下位機無線通信程序的設計、顯示程序的設計、按鍵驅(qū)動程序的設計、開關應急燈程序的設計等。如下圖所示，圖4.1為應急燈模塊主程序的流程圖，圖4.2為主控制系統(tǒng)的主程序流程圖。以下章節(jié)我們分別從應急燈系統(tǒng)和主控制系統(tǒng)兩個方面分析整個系統(tǒng)軟件的功能要求。圖4.2 主控制器主程序流程圖圖4.1 應急燈檢測終端系統(tǒng)主程序流程圖4.2 主控制器軟件設計主控制系統(tǒng)的主要功能是對分散在樓宇各處的應急燈進行集

55、中管理。所以，主控制系統(tǒng)軟件設計的中心任務應圍繞著與應急燈系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信進行。當應急燈出現(xiàn)緊急情況時，主控制系統(tǒng)應能顯示應急燈的編號及相應工作狀態(tài)，根據(jù)信息進行聲光顯示。并且能用按鍵對應急燈進行點亮或熄滅操作，進而查詢應急燈的狀態(tài)信息，不僅如此，此系統(tǒng)還應該能夠通過編程對系統(tǒng)中的每一個應急燈進行定時巡檢的功能。很好的可擴展的能力是一個好的系統(tǒng)應該具備的，所以在系統(tǒng)中應該加入系統(tǒng)時鐘。為以后的功能擴展提供條件5。根據(jù)以上的分析主控制器上的單片機任務分為以下四個部分：(1)與應急燈進行雙向通訊；(2)根據(jù)報警信息送顯示器顯示；(3)鍵盤掃描；(4)做相應的聲光報警；(5)定時向下位機發(fā)送巡檢程序。

56、主函數(shù)流程圖見圖4.1所示，下面對各子函數(shù)進行分析：4.2.1 雙向無線通信軟件設計無線通信軟件包括無線反射模塊軟件和無線接收模塊軟件設計，通過前面的硬件分析，本系統(tǒng)單片機串行通信口采用查詢方式接受和發(fā)送數(shù)據(jù)12。由于流程圖比較復雜，所以將其拆分，分離出一字節(jié)接收和發(fā)送的程序流程圖。具體見無線接收程序流程圖4.3、無線發(fā)射程序流程圖4.4、接收一字節(jié)程序流程圖4.5、接收一字節(jié)程序流程圖4.6。圖4.3 無線發(fā)射程序流程圖圖4.4 無線接收模塊流程圖圖4.5 接受一個字節(jié)到X地址中圖4.6 發(fā)送一個字節(jié)到X地址中4.2.2 顯示模塊軟件設計本系統(tǒng)采用靜態(tài)顯示，具體硬件電路圖見第三章。顯示系統(tǒng)的程序流程圖見圖4.7。圖4.7 顯示模塊程序流程圖4.2.3 鍵盤掃描程序設計在主控制器系統(tǒng)程序設計中，根據(jù)輸入輸出引腳P3.2的電平變化來實現(xiàn)按鍵掃描操作。當P3.2的電位由高電平變成