基于单片机的火灾报警控制系统设计

#大学毕业设计说明书 目录 1 前言 . 1 1.1 课题的开发背景 . 1 1.2 课题设计的意义 . 1 1.3 课题完成的功能 . 1 2 总体方案设计 . 3 2.1 方案比较 . 3 2.2 方案论证与选择 . 4 3 单元模块设计 . 5 3.1 各单元模块功能介绍与电路设计 . 5 3.1.1 电路显示电路 . 5 3.1.2 无线传输模块 . 7 3.1.3 声光报警模块 . 8 3.1.4 复位、时钟电路 . 9 3.1.5 程序下载模块 . 10 3.2 特殊器件的介绍 . 10 3.2.1 STC89C52 单片机 . 10 3.2.2 温度传感器 DS18B20. 13 3.2.3 烟雾传感器 QM-N5. 16 表 3.6 QM-N5 参数表 . 17 3.2.4 NRF401. 18 4 软件设计 . 22 4.1 下位机程序流程图 . 22 4.1.1 火灾检测子程序流程图 . 22 4.1.2 温度获取子程序流程图 . 23 4.2 上位机程序流程图 . 25 5 调试 . 26 5.1 调试的步骤 . 26 5.2 调试过程中遇到的问题及解决方法 . 27 6 使用软件介绍 . 29 7 总结与体会 . 31 8 致谢 . 32 9 参考文献 . 33 附录 1：电路原理图 . 34 附录 2：设计程序 . 35 附录 3：外文资料翻译 . 46 第 1 页 #大学毕业设计说明书 1 前言 1.1 课题的开发背景 进入上世纪 90 年代后，我国经济步入高速发展的时期，城市化建设不断加快，城市 建筑也由分散式低密度向集中式高密度过渡，林立的高层建筑成了城市的主要 的 标志。居民住进了高层塔楼，企业搬进了摩天 大楼 ，高层建筑有效利用空间，节约了城市中本就十分紧张的土地资源。任何事物的发展都具有两面性，高层建筑中各种通讯线路、动力和照明线路、以及各种系统中线路纵横交错，致使火灾的发生概率也在大幅增加。加之现代建筑的密闭性较强，一旦发生火灾，整幢大楼就像一个大的火炉，而楼梯道、各种通风管道、线路竖井都是效果极佳的火筒，从而给灭火施救造成了巨大的难度，对火灾发生后及时发现、及时控制的要求促使了火灾报警产品应运而 生。 与此同时，现代计算机技术、通讯网络技术和自动控制技术的飞速发展又为人类实现更加理想化的生活提供了可能智能小区应运而生了。在智能小区内安装智能型火灾报警控制系统是必不可少的。智能型火灾报警系统是一个集信号检测、传输、处理和控制于一体的控制系统，代表了当前火灾报警系统的发展方向。随着科学技术的迅猛发展以及国内外经济的迅速增长，市场上迫切需要一种容量大、性能优越、可靠性高、便于安装、使用和维护的智能型火灾报警控制系统。 1.2 课题设计的意义 我国的火灾自动报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程， 其智能化程度也越来越高。目前 ，国产火灾自动报警系统均采用汉字显示，价格低廉，适合我国国情，但是火灾自动报警系统由于多数没有分布智能，可靠性低，且产品没有形成系列化、品种不全，产品的外观也较差，编程复杂，调试不方便，设备兼容性差。国外产品多数具有分布智能，可靠性高，产品具有系列化、品种齐全，产品外观美观，人机对话功能强。缺点是多数没有汉化，操作维护不便，价格较高，设备兼容性差。 根据以上的分析，开发具有国际先进水平的火灾自动报警设备，价格介于进口设备和国产设备之间，从而具有很高的性能价格比， 因此，研制一种结构 简单、价格低廉的智能型火灾报警器是非常必要的。 1.3 课题完成的功能 当报警器监测到火情信息后， 将表征火灾参数的物理量转化为电信号，通过电子线路将其放大、变换、传输、处理， 直接通过 Modem 经公用电话交换网迅速向消防指挥中心报告火情信息 (包括火灾单位编码、单位名称、火情级别以及报警时间等 )，同时产生声光报警信号，并按事先预留的电话号 码自动拨号通知单位有关负责人。消防指挥 第 2 页 #大学毕业设计说明书 中心根据接收到的火警信息，立即在消防信息数据库中查询单位位置、周围道路、交通、水源情况等基本信息，根据所获得的信息迅速确定最佳救火方案， 通过网络将出警命令直接下达各消防中队。 动探测报警装置，因此，研制一种结构简单、价格低廉的语音数字联网火灾报警器是非常必要的。 第 3 页 #大学毕业设计说明书 2 总体方案设计 2.1 方案比较 方案一 方案一的系统框图如下图 2.1 所示，分为两个部分，发送电路和接收电路 两 部分 组成的，发射电路从传感器接收到的信号经过信号处理电路转化成单片机能接收的信号，单片机接收信号后经过单片机程序的算法，判断是否有火灾发生，如有火灾的时候则一级的声光报警电路发出报警信号，同时单片机将信号通过无线信号，将火灾信号向上位机，上位机总是在查询接收模块，是否有火 灾信号的发送，接收电路将接收到的火灾信号传到上位机的单片机，通过单片机程序使上位机的报警电路报警，同时显示火灾的地点通过 LCD 显示。 图 2.1 方案一系统框图 探测传感器 信号处理电路 单片机控制电 路 无线发射电路 声光报警电路 无线接收模块 单片机控制电路 声光报警电路 液晶显示电路 发射部分电路 接收部分电路 第 4 页 #大学毕业设计说明书 方案二 方案二是通过传感器检测信号到下位机单片机通过 RS-485 总线传输给上位机通过上位机显示报警信息。 图 2.2 方案二系统框图 2.2 方案论证与选择 综上所述，方案一 无论是从 电路的结构复杂程度 的角度，还是 在生活中应用都是 的容易实现， 采样无线传输在安装简单，布线相对复杂，在一些恶劣的环境中传输 也会受到影响， 所以我 还是选择方案一 。 探测传感器 信号处理电路 单片机控制电路 液晶显示模块 单片机控制电路 声光报警电路 RS-485 接口 探测传感器 信号处理电路 单片机控制电路 RS-485 接口 第 5 页 #大学毕业设计说明书 3 单元模块设计 3.1 各单元模块功能介绍与电路设计 3.1.1 电路显示电路 GND1+5V2VADJ3DATA/CMD4R/W5ENABLE6D07D18D29D310D411D512D613D714LEDA15LEDK16L C D 16 02GNDVCCVCCGND GNDPORT0_0PORT0_1PORT0_2PORT0_3PORT0_4PORT0_5PORT0_6PORT0_7PORT2_0PORT2_1PORT2_2图 3.1LCD 接线图 如图 3.1 是本设计的 LCD 显示电路， LCD 将显示实时温度。 LCD1602 采用 16 脚DIP 封装， 他 与单片机连接有 11 个 I/O 口，其中 D0D7 并行数据端口，与单片机 P0.0P0.7连接， LCD 的 E， R/W， RS 分别与单片机 P2.0P2.2 连接。而 LCD 的 E 端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时液晶模块执行命令，液晶模块执行命令 R/W 脚为读写控制脚。 R/W 为高电平 时为读操作 ；低电平时为写操作。 RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器当 RS 和 R/W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低电平 R/W 为高电平时可以读忙信号，当 RS 为高电平 R/W 为低电平时可以写入数据。 VL 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生 “鬼影 ”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度 3。 1602 液晶模块内部的字符发生存储器（ CGROM)已经存储了 160 个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小 写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母 “A”的代码是 01000001B（ 41H），显示时模块把地址 41H 中的点阵字符图形显 ,控制简单。 由于 LCD 有两横数计显示位置，因此系统通电后， LCD 有两种显示方式： LCD 第一横显示“ weidushi:”和当前温度值；（正常显示） LCD 除显示第一种方式外还在第二横显示“ chuxianyichang”字样。（异常显示） 当温度采集模块，红外、烟雾检测模块三项电路模块中任意两种检测电路发生异常时， LCD 以显示第方式显示，只 有当两项出现异常的检测电路中任意一项电路异常排除时才恢复正常显示。当把手动控制模块中控制按键按下时， LCD 异常显示，只有当按下复位键时才恢复正常显示。 第 6 页 #大学毕业设计说明书 1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令，如 下 表 3.1 所示： 表 3.1 1602 控制表 序号 指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 清显示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 光标返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 * 3 置输入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 4 显示开 /关控 制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 5 光标或字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * * 6 置功能 0 0 0 0 1 DL N F * * 7 置字符发生存贮器地址 0 0 0 1 字符发生存贮器地址 8 置数据存贮器地址 0 0 1 显示数据存贮器地址 9 读忙标志或地址 0 1 BF 计数器地址 10 写数到 CGRAM 或DDRAM） 1 0 要写的数据内容 11 从 CGRAM 或 DDRAM 读数 1 1 读出的数据内容 表 3.1：控制命令表 1602 液晶模块的读写操作 、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明： 1 为高电平、 0 为低电平 ） 3 指令 1：清显示，指令码 01H,光标复位到地址 00H 位置。 指令 2：光标复位，光标返回到地址 00H。 指令 3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。 指令 4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不 闪烁。指令 5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。 指令 6：功能设置命令 DL：高电平时为 4 位总线，低电平时为 8 位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示 5x7 的点阵字符，高电平时显示5x10 的点阵字符。 指令 7：字符发生器 RAM 地址设置。 指令 8： DDRAM 地址设置。 指令 9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接 第 7 页 #大学毕业设计说明书 收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。 指令 10：写数据。 指令 11：读数据。 3.1.2 无线传输模块 V S SV D DINF I L T 1V C O 1V C O 2V S SV D DD I ND O U T P E RCSV D DA N T 2A N T 1V S SP W RT X E NV S SX C 2R F 4 01Y11 1. 0 59 2MR 265 .1 kC 192 2p FC 192 2p FL1 0m HC 192 2p FC 192 2p FC 192 2p FC 192 2p FR 265 .1 k+ 5VC 192 2p FC 192 2p FA N T 1A N T 2P O R T 2 _1R X D ( P 3. 0)T X D ( P 3. 1 )P O R T 2 _2P O R T 2 _0R 265 .1 k图 3.2 无线收发器件电路连接 单片机与无线收发器件 NRF401 的连接电路图如下 3.2 所示，单片机的 P2.1 口接 NRF401的 频道选择 端口，选择收发器件 的 工作 频率 ，当 P2.1 为高电平的时候 ， 选择的频率是434.33MHz 的 2 通道 ，当 P2.1 为低电平的时候，选择的传输的频率是 433.92MHz 的 1通道。在本设计都是选择通道 2 频率为 434.33MHz 的。 PWR_UP 是 NRF401 的节电控制当 PWR_UP=1 为 NRF401 的工作模式，当 PWR_UP=0 时为 NRF401 的待机模式，在待机模式下收发器件比较节电，所有如 果没有数据传输的时候尽量选择待机模式，使P2.0 为地电平 。 TX-EN 引脚发射 /接收选择端口，当 TX-EN 给高电平是为发射信号，当TX-EN 给低电平是接收信号。所以下位机的 NRF401 为高电平的发射信号，上位机的 第 8 页 #大学毕业设计说明书 NRF401 为低电平的接收信号。 DI 为输入信号当接收的时候，同单片机的串口接收信号，经过单片机的 RX 传输到 NRF401 的 DI。当接收模式的时候，无线接收模块，接收到的信号通过 DO 传给单片机，使单片机接收到无线信号。 3.1.3 声光报警模块 T18 05 0R 301KS P K 1V C CV D D8S E L 21V S S2O U T3B476S E L 15K D 9 56 1R15 . 1kR19 01 3D1L E D 1V C CP 1. 3P 1. 4图 3.3 声光报警模块 本设计 上下位机都有声光报警电路， 上位机的报警电路如上图 3.3 所示，上位机与下位机的报警电路都是相同的，只是与单片机的连接的引脚不同，下位机是通过 P2.3和 P2.4 口发出声光报警信号的，上位机是通过 P1.3 和 P1.4 口发出报警信号的。上位机的 P1.4 口发出低电平是这时不报警，即三极管 VT3 不导通，发光二极管不点亮，当 P1.4发出高电平时，使三极管 VT3 导通，从而使发光二极管点亮，即发出报警信号。 在本设计中使用了语音芯片，发布火灾报警信号，使用的是 KD9561 的语音芯片，在 KD9561 的 6 脚与 7 脚接一个 120K 欧姆的电阻，单片机的 P1.3 口 接 1K 欧姆的电阻接三极管的基极，三极管的射极接地，集电极接 KD9561 的 VSS 端，当单片机 P1.3 口输出高电平是三极管导通，使输入到 KD9561 的 VSS 为地电平，使语音芯片工作，发出报警声。当单片机 P1.3 口输出地电平时，三极管不导通，使语音芯片不工作，即不发出报警声。 关于语音芯片 KD 9561 报警声的选择如下表 3.2 所示，这里要产生是火灾报警声，则在 SEL1 接电源 VDD， SEL2 不接。 表 3.2 KD 9561 语音芯片输出声 选择接线表 SEL1 SEL2 输出声音 不接 不接 警车声 VDD 不接 火警声 VCC 不接 救护车声 任意接 VDD 机关枪声 第 9 页 #大学毕业设计说明书 3.1.4 复位 、时钟 电路 E A / V P31X119X218R E S E T9P 3.7 / R D17P 3.6 / W R16P 3.2 / I N T 012P 3.3 / I N T 113P 3.4 / T 014P 3.5 / T 115P 1.01P 1.12P 1.23P 1.34P 1.45P 1.5 / M O S I6P 1.6 / M I S O7P 1.7 / S C K8P 0.039P 0.138P 0.237P 0.336P 0.435P 0.534P 0.633P 0.732P 2.021P 2.122P 2.223P 2.324P 2.425P 2.526P 2.627P 2.728P S E N29A L E / P30P 3.1 / T X D11P 3.0 / R X D10I C 1S T C 89 C 5 2C 162 2p FC 192 2p FY11 1.0 59 2MR 265 .1kV C CR 242 .2kC 112 .2u FV C CK 17R E S E T图 3.4 复位、时钟电路 MCS-51 的复位是由外部的复位电路来实现的。复位是使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的初始状态。单片机的工作就是从复位开始的。当 89C52 的 RST 引脚加高电平复位信号（保持 2个以上机器周期）时，单片机内部就执行复位操作。复位信号变低时，单片机开始执行程序。 复位电路通常采用两种基本形式：一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位，本系统电路设计中采用的上电与按键复位电路。 上电自 动复位是通过外部复位电路的电容来实现的。当电源接通时只要 Vcc 的上升时间不超过 1ms，就可以实现自动上电位。当时钟频率选用 11.0592MHz 时， C取 22pF，R 取 2.2K。 除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。通常实际运用中大都采用的是按键与上电复位电路，电平复位是通过 RST 端经电阻与电源 Vcc 接通而实现的。在单片机运行期间，还可以利用按键完成复位操作。 MCS-51 单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单 片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系 第 10 页 #大学毕业设计说明书 统的稳定性。常用的时钟电路设计有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种方式为外部时钟方式 ,在本设计中使用的是内部时钟方式。电路中的电容 C1 和 C2 典型值通常选择为 22pF 左右。对外接电容的值虽然没有严格要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡频率的范围通常是在 1.2MHz12MHz 之间。晶振的频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。但反过来运行速度快对存储器的速度要求也就相对高，对印制电路板（也称印刷电路板）的工艺要求也高，即要求线间的寄生电容要小；晶振和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作。为了提高温度稳定性，应采用温度稳定性能好的电容。 3.1.5 程序下载模块 R 1 I N13R 2 I N8T 1 I N11T 2 I N10V+2V-6R 1 O U T12R 2 O U T9T 1 O U T14T 2 O U T7C 1 +1C 1 -3C 2 +4C 2 -5U1M A X 2 3 2C81 0 4C71 0 4C51 0 4C61 0 4162738495J1R S 2 3 2 BR X DT X DV C C图 3.5 MAX232 串口通信 电路图 3.2 特殊器件的介绍 3.2.1 STC89C52 单片机 单片机（ Microcontroller，又称微处理器）是在一块硅片上集成了各种部件的微型机，这些部件包括中央处理器 CPU、数据存储器 RAM、程序存储器 ROM、定时器 /计数器和多种 I/O 接口电路。 8051 单片机的基本结构见图。 第 11 页 #大学毕业设计说明书 时 钟 电 路R O M R A M定 时 / 计 数 器C P U并 行 接 口 串 性 接 口中 断 系 统T 1T 0P 0P 1P 2P 3T X DR X D0INT 1IN T8051 是 MCS-51 系列单片机的一个产品。 MCS-51 系列单片机是 Intel 公司推出的通用型单片机， 8051 单片机系列指的是 MCS-51 系列和其他公司的 8051 衍生产品。这些衍生品是在基本型基础上增强了各种功能的产品。这些产品给 8位单片机注入了新的活力，给它的开发应用开拓了更广泛的前景。 8051 系列的内部结构可以划分为 CPU、存储器、并行口、串行口、定时器 /计数器、中断逻辑几部分。 （ 1）中央处理器 8051 的 中央处理器由运算器和控制逻辑构成，其中包括若干特殊功能寄存器（ SFR）。 算术逻辑单元 ALU 能对数据进行加、减、乘、除等算术运算；“与”、“或”、“异或”等逻辑运算以及位操作运算。 ALU 只能进行运算，运算的操作数可以事先存放到累加器 ACC或寄存器 TMP 中，运算结果可以送回 ACC 或通用寄存器或存储单元中，累加器 ACC 也可以写为 A。 B 寄存器在乘法指令中用来存放一个乘数，在除法指令中用来存放除数，运算后 B中为部分运算结果。 程序状态字 PSW 是个 8 位寄存器，用来寄存本次运算的特征信息，用到其中七位。PSW 的格式如下 所示，其各位的含义是： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 CY AC F0 RS1 RS0 OV P CY：进位标志。有进位 /错位时 CY=1，否则 CY=0。 AC：半进位标志。当 D3 位向 D4 位产生进位 /错位时， AC=1，否则 AC=0，常用于十进制调整运算中。 图 3.6 单片机基本结构 PSW 第 12 页 #大学毕业设计说明书 F0：用户可设定的标志位，可置位 /复位，也可供测试。 RS1、 RS0：四个通用寄存器组选择位，该两位的四种组合状态用来选择 03 寄存器组。 OV：溢出标志。当带符号数运算结果超出 -128+127 范围时 OV=1，否则 OV=0。当 无符号数乘法结果超过 255 时，或当无符号数除法的除数为 0时 OV=1，否则 OV=0。 P：奇偶校验标志。每条指令执行完，若 A 中 1 的个数为奇数时 P=1，否则 P=0，即偶校验方式。 控制逻辑主要包括定时和控制逻辑、指令寄存器 、译码器以及地址指针 DPTR 和程序寄存器 PC 等。 单片机是程序控制式计算机，即它的运行过程是在程序控制下逐条执行程序指令的过程：从程序存储器中取出指令送指令存储器 IR，然后指令译码器 ID 进行译码，译码产生一系列符合定时要求的微操作信号，用以控制单片机的各部分动作。 8051 的控制器在单片机内部 协调各功能部件之间的数据传送、数据运算等操作，并对单片机发出若干控制信息。这些控制信息的使用专门的控制线，诸如 PSEN、 ALE、 EA 以及 RST，也有一些是和 P3 口的某些端子合用，如 WR 和 RD 就是 P3.6 和 P3.7，他们的具体功能在介绍8051 引脚是一起叙述 。 （ 2）存储器组织 8051 单片机的存储器结构特点之一是将程序存储器和数据存储器分开，并有各自的寻址机构和寻址方式，这种结构称为哈佛结构单片机。这种结构与通用微机的存储器结构不同，一般微机只有一个存储器逻辑空间，可随意安排 ROM 或 RAM，访存时用同一种指 令，这种结构称为普林斯顿型。 8051 单片机在物理上有四个存储空间：片内程序存储器和片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。 8051 片内有 256K 数据存储器 RAM 和 4KB 的程序存储器 ROM。除此之外，还可以在片外扩展 RAM 和 ROM，并且各有 64KB 的寻址范围。也就是最多可以在外部扩展 2*64KB存储器。 8051 的存储器组织结构如图 2.3 所示。 64K 字节的程序存储器（ ROM）空间中，有 4K 字节地址区对于片内 ROM 和片外 ROM是公用的，这 4K 字节地址是 0000HFFFH。而 1000HFFFFH 地 址区为外部 ROM 专用。 CPU的控制器专门提供一个控制信号 EA 用来区分内部 ROM 和外部 ROM 的公用地址区：当 EA接高电平时，单片机从片内 ROM 的 4K 字节存储器区取指令，而当指令地址超过 0FFFH后，就自动的转向片外 ROM 取指令。当 EA 接低电平时， CPU 只从片外 ROM 取指令。 程序存储器的某些单元是保留给系统使用的： 0000H0002H 单元是所有执行程序的入口地址，复位以后， CPU 总是丛 0000H 单元开始执行程序。 0003H002AH 单元均匀地分为五段，用做五个中断服务程序的入口。用户程序不应进入上述区域。 第 13 页 #大学毕业设计说明书 8051 的 RAM 虽然字节数不很多，但却起着十分重要的作用。 256 个字节被分为两个区域： 00H-7FH 时真正的 RAM 区，可以读写各种数据。而 80HFFH 是专门用于特殊功能寄存器（ SFR）的区域。对于 8051 安排了 21 个特殊功能寄存器，每个寄存器为 8 位，所以实际上 128 个字节并没有全部利用。 内部 RAM 的各个单元，都可以通过直接地址来寻找，对于工作寄存器，则一般都直接用 R0R7，对特殊功能寄存器，也是直接使用其名字较为方便。 8051 内部特殊功能寄存器都是可以位寻址的，并可用“寄存器名 .位”来表 示，如 ACC.0， B.7 等。 本设计采用 51系列中的 STC89C52 单片机 。 3.2.2 温度传感器 DS18B20 DS18B20 是美国 DALLAS 半导体公司生产的单总线可组网数字式温度传感器。它的测量范围为 -50 至 +125 ，精度可达 0.1 不需 A/D 转换电路，直接将温度值转换成数字量。 DS18B20 遵循严格的单线串行通信协议，每一个 DS18B20 在出厂时都用激光进行了调较，并具有唯一的 64 位序列号，所以多个 DS18B20 可以共存与同一条线上。DS18B20 的内部使用了在板（ ON-BOARD）专利技术。 封装为 TO-92 的 DS18B20 将全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内如图 2.3。其外围电路简单，可广泛应用于温度控制，温度测量，工作系统及任何热敏感系统中。 图 3.7 存储器组织结构图 第 14 页 #大学毕业设计说明书 图 3.8 DS18B20 引脚 DS18B20 的内部主要包括寄生电源、温度传感器、 64 位激光 ROM、单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式 RAM）用于存储用户设定的温度上下限值的 TH和 TL 触发器存储与控制逻辑、 8 位循环冗余校验码（ CRC）发生器等七部分。 DS18B20的内部结构如图 3.9 所示。 图 3.9 DS18B20 内部结构 DS18B20 测量温度时使用特有的温度测量技术。 DS18B20 内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号 f。，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号 f。当计数门打开时， DS18B20 对 f。计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以补偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应为 9 位（符号占 1 位），但因符号位扩展成高 8 位，故以 16 位补码形式读出，表 3.3 给出了温度和数字量的关系。 第 15 页 #大学毕业设计说明书 表 3.3 DS18B20 输出数据与温度关系 DSl820 工作过程分三步，如下： （ 1）初始化 单总线上的所有处理均从初始化开始 （ 2） ROM 操作 命 令 总线主机检测到 DSl820 的存在便可以发出 ROM 操作命令之一，如表 3.4。 表 3.4 DS18B20 ROM 操作命令 （ 3）存储器操作命令 存储器命令如表 3.5。 表 3.5 DS18B20 存储器操作命令 DS1820 使用中注意事项 （ 1）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于 DS1820 与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对 DS1820 进行读写编程时，必须严格的保证 读写时序，否则将无法读取测温结果。对 DS1820 操作部分最好采用汇编语言实现。 第 16 页 #大学毕业设计说明书 （ 2）在 DS1820 的有关资料中均未提及单总线上所挂 DS1820 数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个 DS1820，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂 DS1820 超过 8 个时，就需解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。 （ 3）连接 DS1820 的总线电缆是有长度限制的。当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可 达 150m，这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用 DS1820 进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。 （ 4）在 DS1820 测温程序设计中，向 DS1820 发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820 的返回信号，一旦某个 DS1820 接触不好或断线，当程序读该 DS1820 时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行 DS1820 硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。 3.2.3 烟雾传感器 QM-N5 QM-N5 型气敏元件是金属氧化物 SnO2 为主 要 材料 的 N 型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体的浓度增加而迅速升高。 特点： 用于可燃性气体的检测（ CH4、 C4H10、 H2、烟雾等） 灵敏度高 响应速度快 输出信号大 寿命长，工作稳定可靠 图 3.10 MQN5 的外 形 原理： 在 200-300 度时，它吸附空气中的氧，形成的氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加，当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时，原来吸附的氧托附，而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面；氧脱附放出电子，可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子，从而使氧化物半导体带电子密度 第 17 页 #大学毕业设计说明书 增加，电阻值下降，可燃性气体不存在了，金属氧化物半导体优惠自动回复放的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是半导体气敏元件检测可燃性气体的基本原理。 技术指标： 表 3.6 QM-N5参数表 加热电压（ Vh） AC 或 DC 50.2V 响应时间(trec) 10S 回路电压（ Vc） 最大 DC 24V 恢复时间(trec) 30S 负载电阴（ Rl） 2K 元件功耗 0.7W 清洁空气中电阻 （ Ra） 2000 K 检测范围 5010000ppm 灵敏度（ S=Ra/Rdg） 4( 在 1000ppmC4H10中 ) 使用寿命 2 年 技术指标： 加热电压 (VH) AC 或 DC 50.5V 回路电压 (VC) 最大 DC 24V 负载电阻 (RL) 2K 清洁空气中电阻 (Ra) 4000K 灵敏度 (S=Ra/Rdg) 4(在 1000ppmC4H10 中 ) 响应时间 (tres) 10S 恢复时间 (trec) 30S 检测范围 50-10000ppm 图 3.11 基本测试电路 使用方法及注意事项 VC 输出信号 RL VRL VH 第 18 页 #大学毕业设计说明书 元件开始通电工作时 ,没有接触可燃性气体 ,其电导率也急剧增加 1 分钟后达到稳定 ,这时方可正常使用 ,这段变化在设计电路时可采用延时处理解决 . 加热电压的改变会直接影响元件的性能 ,所以在规定的电压范围内使用为佳 . 元件在接触标定气体 1000ppm C4H10 后 10 秒以内负载电阻两端的电压可达到 (Vdg- Va)差值的 80%(即响应时间 )；脱离标定气体 1000ppm C4 H1030 秒钟以内负载电阻两端的电压下降到 (Vdg- Va)差值的 80%(即恢复时间 ). 符号说明 检测气体中电阻 - Rdg 检测气体中电压 - Vdg Rdg 与 Vdg 的关系 : Rdg=RL(VC/Vdg-1) 负载电阻可根据需要适当改动 ,不影响元件灵敏度 . 使用条件 :温度 -1535 ；相对湿度 4575%RH；大气压力 80106KPa 环境温湿度的变化会给元件电阻带来小的影响 ,当元件在精密仪器上使用时 ,应进行温湿度补偿 ,最简便的方法是采用热敏电阻补偿之 . 避免腐蚀性气体及油污染 ,长期使用需防止灰尘堵塞防爆不 锈钢网 . TGS2611 可燃气体传感器 TGS2611 可燃气体传感器是由敏感素子由集成的加热器以及在氧化铝基板上形成的金属氧化物半导体构成。当可检知的气体存在时，空气中该气体的浓度越高，传感器的电导率就越高。 使用简单的电路就可以将这种电导率的变化变换为与气体浓度对应的输出信号。 TGS2611 对甲烷有很高的灵敏度。因为对挥发性酒精 （居住环境中的干扰气体） 的灵敏度很低，所以是最适合用于家用燃气泄漏报警器。 因为敏感素子很小，所以 TGS2611 的加热电流只有 56mA 就够了。另外，这种传感 器的敏感部分被装入标准的 TO-5 的金属封装中。 3.2.4 NRF401 nRF401 是一个为 433MHz ISM 频段设计的真正单片 UHF 无线收发芯片 它采用 FSK 调制解调技术 NRF401 最高工作速率可以达到 20K 发射功率可以调整 最大发射功率是 +10dBm。 天线接口设计为差分天线 以便于使用低成本的 PCB 天线 nRF401 还具有待机模式 这样可以更省电和高效 功能描述 ： 真正的单片 FSK 收发芯片 非常