《智能火灾报警器》word版.doc

XXXXXXX XXXX 学院 毕业设计 1 目录 摘要 2 关键词 2 1 绪论 2 1.1 火灾监控技术及其应用.2 1.2 烟雾报警器的发展及现状.3 1.2.1 火灾探测技术.3 1.2.2 火灾探测器的发展趋势.4 1.3 论文研究的目的及意义.4 2 基于单片机的火灾烟雾报警器的设计 4 2.1 任务分析.4 2.2 设计方案.5 2.2.1 方案设计思想.5 2.2.2 总体框图.5 3 系统硬件实现 6 3.1 主控电路设计.6 3.1.1 80C51 系列 .6 3.1.2 80C51 基本结构 .7 3.1.3 80C51 单片机的引脚和封装 .7 3.1.4 80C51 单片机的时钟 .8 3.1.5 80C51 单片机的复位.9 3.2 外围接口电路设计 .11 3.2.1 NIS-09 烟雾传感器简介 .11 3.2.2 AD574A 简介 .13 3.2.3 AD574A 与 80C51 单片机接口电路 .15 3.2.4 声光报警电路16 3.3 总电路设计17 4 软件实现 .19 4.1 编程 Keil 环境介绍.19 4.2 程序流程19 4.3 程序20 5 系统调试 .22 5.1 硬件调试22 5.2 软件调试22 5.3 软件和硬件综合调试24 5.4 抗干扰能力设计24 结论 .25 致谢 .26 参考文献 .27 附录 .28 XXXXXXX XXXX 学院 毕业设计 2 基于单片机的家庭火灾烟雾报警器设计 电子信息工程专业学生 XXX 指导老师 XXX 摘要：随着现代家庭用火、用电量的增加，家庭火灾发生的频率越来越高。烟雾报警器也随 之被广泛应用于各种场合。本设计是利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一烟雾报警系 统。论文中主要针对烟雾报警系统中的各个组成部件进行了介绍，对它的主控电路和外围设备电 路之间的接口技术，还有软件方面进行了重点介绍。 关键词：报警器、80C51、烟雾传感器 1 绪论 1.1 火灾监控技术及其用 火的利用是人类文明史的一个具有划时代意义的里程碑,它最终把人和动物界分开。然 而,火灾是永远跟随我们人类和自然界的社会现象,现代社会也不例外,是一种发生频率较高 的灾害。由于现代化的建筑物,其电气设备的种类与用量的大大增加,内部陈设与装修材料 大多是易燃的,这无疑是火灾发生频率增加的一个因素。其次,现代化的高层建筑物是一旦 起火,火势猛,蔓延快,建筑物内部的管道竖井,楼梯和电梯等如同一座座烟囱,拔火力很强, 使火势迅速扩散,这样一来,处于高处的人员及物资在火灾时疏散较为困难。除此以外,高层 建筑物发生火灾时,其内部通道往往被火切断,从外部扑救不如底层建筑物从外部扑火那么 有效,扑救工作主要靠建筑物内部的消防设施来扑救。由此可见高层建筑的火灾自动报警和 自动灭火系统是何等的重要。凡装有自动报警系统的建筑物,当火灾发生时,由于报警及时, 火灾被消灭在初期,从而大大减少了火灾的危害。火警自动报警系统是随时警惕火灾,及时 报警和输出联动灭火信号的哨兵,是早期报警的有力手段,特别是高层建筑物和人员密集的 公共场所。 现代化的建筑规模大、标准高、人员密集、设备众多，对防火要求极为严格。为此， 除对建筑物平面布置、建筑和装修材料的选用、机电设备的选型与配置有许多限制条件外， 还需要设置现代化的消防设施。随着我国经济建设的发展，各种高层建筑、大中型商业建 筑、厂房不断涌现，对自动消防报警系统提出了更高更严的要求。为了早期发现和通报火 灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全，保卫社会主义现代化建设，在现代化的 工业民用建筑、宾馆、图书馆、科研和商业部门，火灾自动报警系统已成为必不可少的设 施。电气工程设计、安装和使用是否正确不仅直接影响到建筑的消防安全而且也直接关系 到各种消防设施能否真正发挥作用。因此，自动报警及消防联动的设计及设备选型显得尤 为重要。 一般情况下，火灾自动报警系统主要由触发器件、火灾报警装置、以及联动控制系统 等组成。系统的工作原理如图 1-1 所示： XXXXXXX XXXX 学院 毕业设计 3 图 1-1 火灾自动报警系统工作原理图 1.2 烟雾报警器的发展及现状 1.2.11.2.1 火灾探测技术火灾探测技术 火灾作为一种在时空上失去控制的燃烧所引发的灾害，对人类生命财产和社会安全构 成了极大的威胁。由此引发的重大安全事故比比皆是，所以人类一直也未停止过对它的研 究。 火灾的发生和发展是一个非常复杂的非平稳过程，它除了自身的物理化学变化以外还 会受到许多外界的干扰，火灾一旦产生便以接触式(物质流)和非接触式能量流)的形式向 外释放能量。接触式形式包括可燃气体、燃烧气体和烟雾、气溶胶等，非接触式如声音、 辐射等。火灾探测技术就是利用敏感元件将火灾中出现的物理化学特征转换为另外一种易 于处理的物理量。各种探测器对应的火灾物理参量及探测器如图1-1所示。 火火焰焰（非非接接触触式式） 燃燃烧烧产产物物（接接触触式式） 燃燃烧烧音音（接接触触式式）- - -声声音音传传感感器器 辐 辐射射- - -火火焰焰探探测测器器 形形状状- - -图图像像探探测测器器 温温度度- - -感感温温传传感感器器 固固体体产产物物 气气体体产产物物- - -气气体体传传感感器器 微微粒粒 烟烟雾雾形形状状- - -图图像像传传感感器器 静静电电探探测测器器 感感烟烟探探测测器器 离 离子子式式 光光电电式式 XXXXXXX XXXX 学院 毕业设计 4 图1-2各种探测器对应的火灾物理参量及探测器 1.2.21.2.2 火灾探测器的发展趋势火灾探测器的发展趋势 探测器朝新探测技术的发展进一步拓展了火灾探测的应用领域，为一些传统探测器无 法胜任的环境提供了有效的手段。相关技术的发展，如傅立叶近红外光谱技术、弱信号处 理技术、低功耗MCU技术进一步促进了传统探测技术的改进，使得传统探测器在技术和性能 上有了显著的提高。火灾探测向极早期探测、多传感器复合探测和探测器小型化、智能化 的方向发展迈出了更快的步伐。 近几年来，单片机已逐步深入应用到工农业生产各部门及人们生活的各个方面。各种 类型的单片机也根据社会的需求而开发出来。单片机是器件级计算机系统，实际上它是一 个微控制器或微处理器。由于它功能齐全，体积小，成本低，因此它可以应用到任何电子 系统中去，同样，它也可以广泛应用于报警技术领域，使各类报警装置的功能更加完善， 可靠性大大提高，以满足社会发展的需要。 1.3 论文研究的目的及意义 目的：随着现代家庭用火、用电量的增加，家庭火灾发生的频率越来越高。家庭火灾 一旦发生，很容易出现扑救不及时、灭火器材缺乏及在场人惊慌失措、逃生迟缓等不利因 素，最终导致重大生命财产损失。消防部门的统计显示，在所有的火灾比例中，家庭火灾 已经占到了全国火灾的30%左右。家庭起火的原因很多，可能在我们注意的到的地方，也可 能就隐藏在我们根本就注意不到的地方。 在现代城市家庭里，许多人因不懂家庭安全常识引起火灾事故，使好端端的幸福家庭 转眼间毁于一旦,甚至导致家破人亡,而且一旦发生居民家庭火灾,处置不当、报警迟缓,是 造成人员伤亡的重要因素。所以说,人们应该积极了解家庭火灾的主要起因，还有预防火灾 的发生。这就是我们研究烟雾报警器的目的。 意义：在我国的一些大中城市，几乎每天都发生家庭火灾，所以防火是每个家庭必须 时刻注意的问题。如果能根据您家的实际情况预先采取简单的防火措施，一些悲剧是完全 可以避免的。烟雾报警器对预防家庭火灾，减少火灾损失具有现实意义。 一系列火灾造成的惨痛损失也使全国各界意识到了烟雾报警器的必要性。据调查，在 最近发生火灾的大多数房屋都没有安装报警器。所以，烟雾报警器在预防火灾发生上有着 非常重大的意义。 2 基于单片机的火灾烟雾报警的设计 2.1 任务分析 单片机应用系统可以分为智能仪器表和工业测控系统两大类，无论哪一类，都必须以 市场需求为前提。所以，在系统设计前，首先要进行广泛的市场调查，了解该系统的市场 应用概况，以分析系统当前存在的问题、研究系统的市场前景、确定市场开发设计的目的 XXXXXXX XXXX 学院 毕业设计 5 和目标。简单地说，就是通过调研克服旧缺点，开发新功能。 根据本设计的要求： （1) 熟悉 Keil 编程环境； （2）熟悉有关探测器的理论知识； （3）给出设计方案； 此次的设计先从硬件设计上着手。先要整理出烟雾报警系统的整体思路，确定出方案 设计中需要的硬件设备。在确定了大的方向基础上，就应该对系统实现进行规划，包括应 该采集的信号种类、数量、范围，输出信号的匹配和转换，传感器的选择，技术指标的确 定等。 2.2 设计方案 2.2.12.2.1 方案设计思想方案设计思想 此次设计是针对于单片机原理及其应用展开的。其中包含了我们大学四年中所学到的 相关知识，运用我们所学的电工技术，传感器技术，单片机技术去设计基于单片机的烟雾 报警系统。80C51 单片机好比一个桥梁，联系着传感器和报警电路设备。当周围的环境 （温度、湿度、烟雾浓度）达到我们设定的数值时，烟雾传感器把被测的物理量（温度、 湿度、烟雾浓度）作为输入参数，转换为电量（电流、电压、电阻等等）输出。物理量和 测量范围的不同，传感器的工作机理和结构就不同。通常传感器输出的电信号是模拟信号 （已有许多新型传感器采用数字量输出）。当信号的数值符合 A/D 转换器的输入等级时， 可以不用放大器放大；当信号的数值不符合 A/D 转换器的输入等级时，就需要放大器放大。 而我们选择前者，不需要用放大器，选择数值符合 A/D 转换器的输入等级，这样就可以简 化整个系统的设置。传感器将物理信号经过 A/D 转换器转化为可以利用识别的电信号给单 片机，这里我们选择单片机的 P1.0 为输入方式，接收到信号的单片机经过程序的设定（当 温度、湿度、烟雾浓度达到设定数值时）会由 P2.0 作为单片机的输出直接启动报警电路。 此时，扬声器将发出高、低交替的 2 种叫声，同时二极管发光，这就达到了声光报警的效 果。 2.2.22.2.2 总体框图总体框图 根据方案的设计思想，我们从中就可以得到了烟雾报警系统的总体框图如图 2-1 所示下： 图 2-1 烟雾报警系统的总体框图 使用 80C51 单片机，选用烟雾传感器作为敏感元件，利用 AD574A 转换器和声光报警电 XXXXXXX XXXX 学院 毕业设计 6 路，开发了可用于家庭或小型单位火灾报警的烟雾报警器。整个设计由 4 大部分构成：烟 雾传感器、A/D 转换电路、80C51 单片机、声光报警电路。其中，烟雾传感器是将现场温度、 烟雾等非电信号转化为电信号；转换电路是将完成将烟雾传感器输出的模拟信号到数字信 号的转换。声光报警模块由单片机和报警电路组成，由单片机控制实现不同的声光报警功 能。 综合考虑各因素，本文选择 NIS-09 烟雾传感器用作采集系统的敏感元件。火灾中气体 烟雾主要是 CO2 和 CO。NIS-09 烟雾传感器能探测 CO2、CO、甲烷、煤气等多种气体，它灵 敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体的探测。A/D 转换器选用 AD574A 转换器。 3 系统硬件实现 3.1 主控电路设计 硬件设计中最核心的器件是单片机 80C51，它一方面控制 A/D 转换器实现模拟信号到 数字信号的转换，另一方面，将采集到的数字电压值经计算机处理得到相应的二进制代码， 与设定的值作比较。整个系统的软件编程就是通过汇编语言对单片机 80C51 实现其控制功 能。 3.1.13.1.1 80C5180C51 系列系列 80C51 系列单片机产品繁多，主流地位已经形成。多年来的应用实践已经证明，80C51 的系统结构合理，技术成熟，许多单片机芯片倾力于提高 80C51 系列产品的综合功能，从 而形成了 80C51 的主流产品的地位，近年来推出的与 80C51 兼容的主要产品有： ATMEL 公司融入 Flash 存储器技术推出的 AT89 系列单片机； Philips 公司推出的 80C51、80C552 系列高性能单片机； 华邦公司提出的 W78C51、W77C51 系列高速低价单片机； ADI 公司推出的 AdC8系列高精度 ADC 单片机； LG 公司推出的 GMS90/97 系列低压高速单片机； Maxim 公司推出的 DS89420 高速(50MIPS)单片机； Cygnal 公司推出的 C8051F 系列高速单片机。 由此可见，80C51 已经成为事实上的单片机主流系列，所以，本次设计选择 80C51 单 片机。 3.1.23.1.2 80C5180C51 的基本结构的基本结构 80C51 的基本结构如图所示 XXXXXXX XXXX 学院 毕业设计 7 图 3-1 80C51 的基本结构 由图可见，80C51 单片机主要由以下部分组成： （1）CPU 系统 8 位 CPU，含布尔处理器；时钟电路；总线控制逻辑。 （2）存储器系统 4KB 的程序存储器（ROM/EPROM/Flash，可扩至 64KB）；128KB 数据存储器（RAM，可 再扩 64KB）；特殊功能寄存器 SFR。 （3）I/O 口和其他动能单元 4 个并行 I/O 口；2 个 16 位定时/计数器；1 个全双工异步串行口；中断系统（5 个中 断源，2 个优先级） 3.1.33.1.3 80C5180C51 单片机的的封装和引脚单片机的的封装和引脚 80C51 系列单片机采用双列直插式（DIP）.QFP44（Quad Flat Pack）和 LCC（Leaded Chip Caiier）形式封装。这里仅介绍常用的总线型 DIP40 封装。如图 3-2 所示。 40 个引脚按引脚功能大致可分为 4 个种类：电源、时钟、控制和 I/O 引脚 (1) 电源: VCC - 芯片电源，接+5V； VSS - 接地端； XXXXXXX XXXX 学院 毕业设计 8 图 3-2 80C51 单片机的的封装和引脚 (2)时钟:XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 (3) 控制线:控制线共有 4 根 ALE/PROG:地址锁存允许/片内 EPROM 编程脉冲 ALE 功能：用来锁存 P0 口送出的低 8 位地址 PROG 功能：片内有 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，此引脚输入编程脉冲。 PSEN:外 ROM 读选通信号。 RST/VPD:复位/备用电源。 RST（Reset）功能：复位信号输入端。 VPD 功能：在 Vcc 掉电情况下，接备用电源。 EA/Vpp:内外 ROM 选择/片内 EPROM 编程电源。 EA 功能：内外 ROM 选择端。 Vpp 功能：片内 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，施加编程电源 Vpp。 (4) I/O 线 80C51 共有 4 个 8 位并行 I/O 端口：P0、P1、P2、P3 口，共 32 个引脚。 XXXXXXX XXXX 学院 毕业设计 9 P3 口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。 3.1.43.1.4 80C5180C51 单片机的时钟单片机的时钟 (1)振荡器和时钟电路 80C51 内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，但要形成时钟脉冲，外部还 需附加电路。80C51 的时钟产生方法有以下两种。 a 内部时钟方式 利用芯片内部的振荡器，然后在引脚 XTALl 和 XTAL2 两端跨接晶体振荡器（简称晶振） ，就构成了稳定的自激振荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟电路。外接晶振时，Cl和 C2 的值通常选择为 30pF 左右；Cl、C2对频率有微调作用，晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在 1.2MHz12MHz 之间选择。为了减小寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振 荡器和电容应尽可能安装得与单片机引脚 XTALl 和 XTAL2 靠近。 图 3-3 80C51 时钟电路接线方法 b 外部时钟方式 此方式是利用外部振荡脉冲接入 XTALl 或 XTAL2。HMOS 和 CHMOS 单片机外时钟信号接 入方式不同。 表 3-1 80C51 单片机外部时钟接入方法 接线方法芯片类型 XTAL1XTAL2 HMOS 接地接片外时钟脉输入端（引脚需 接上拉电阻） CHMOS 接片外时钟 脉冲输入端 悬空 3.1.53.1.5 80C5180C51 单片机的复位单片机的复位 在整个烟雾报警系统中，要进行实验，必须对整个系统先复位。复位是单片机的初始 XXXXXXX XXXX 学院 毕业设计 10 化操作。单片机系统在上电启动运行时，都需要先复位。其作用是使 CPU 和系统中其他部 件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，因而，复位是一个很重要的操作 方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部复位电路才能实现。 复位电路设计: 单片机的外部复位电路有上电复位和上电和按键均有效的复位两种。我们在设计单片 机复位时，选用上电复位。 上电复位利用电容器的充电实现。图 3-4 是 80C51 单片机的上电复位电路。图中给出 了复位电路参数。图 3-5 是 80C51 单片机的上电+按键复位电路。 上电要求接通电源后，单片机实现自动复位操作。上电瞬间 RST 引脚获得高电平，随 着电容的充电，RST 引脚的高电平将逐渐下降。RST 引脚的高电平只要能保持足够的时间 （2 个机器周期），单片机就可以进行复位操作。该电路典型的电阻值和我电容参数为： 晶振为 12MHZ，电容值为 10uF，电阻值为 8.2K。 图 3-4 上电复位电路 图 3-5 上电+按键复位电路 复位状态： 初始复位不改变 RAM（包括工作寄存器 R0R7）的状态，复位后 80C51 片内各特殊功 能寄存器的状态如表所示，表中“x”为不定数。 表 3-2 复位后的内部特殊功能寄存器状态 寄存器复位状态寄存器复位状态 PC0000HTMOD00H ACC00HTCON00H B00HTH000H BSW00HTL000H XXXXXXX XXXX 学院 毕业设计 11 SP07HTH100H DPTR0000HTL000H P0P3 FFHSCON00H IPxx000000BSBUFxxxxxxxxB IE0x000000BPCON0xxx0000B 复位时，ALE 和成输入状态，即 ALE= 1，片内 RAM 不受复位影响。复位后， P0P3 口输出高电平且使这些双向口皆处于输入状态，并将 07H 写入堆栈指针 SP，同时将 PC 和其余专用寄存器清 0。此时，单片机从起始地址 0000H 开始重新执行程序。所以，单 片机运行出错或进入死循环时，可使其复位后重新运行。 3.2 外围接口电路设计 3.2.13.2.1 NIS-09NIS-09 烟雾传感器简介烟雾传感器简介 在设计中我们之所以选用 NIS-09 烟雾传感器，是因为它的输出模拟量与我们所用的 A/D 转换器输入等级相符合。 （NIS-09 烟雾传感输出电压是 5.6+0.4v，A/D 转换器的输入量 程是 0+10V） 烟雾是比气体分子大得多的微粒悬浮杂气体中形成的，和一般的气体成分的分析不同， 必须利用微粒的特点检测。这类传感器多用于火灾报警器，也是以烟雾的有无决定输出信 号的传感器，不能定量的连续测量。 (1)散射式 在发光管和光敏电阻之间设置遮光屏，无烟时光敏元件接收不到信号，有烟雾时借助 微粒的散射光使光敏元件发出信号。这种传感器的灵敏度与烟雾种类无关。 (2)离子式 用放射性同位素镅 Am241 放射出微量的 a 射线，使附近空气电离，当平行平板电极间 有直流电压时，产生离子电流 Ik。有烟雾时，微粒将离子吸附，而且离子本身也吸收 a 射 线，其结果是离子 Ik 减小。 若有一个密封装有纯净空气的离子室作为参比元件，将两者的离子电流比较，就可以 排除外界干扰，得到可靠的检测结果。此法的灵敏度与烟雾种类有关。 在本次设计中，我们选用 NIS-09 烟雾传感器。它是离子式烟雾传感器，是日本 NEMOTO 公司专为检测延误而精心设计的新型传感器。 检测方式：离子型，一源两室。 放射参数：电源电压是 DC 9v，输出电压是 5.6+0.4v 电流损耗是 27+3pA ，灵敏度是 0.6+0.1v。 特性参数如下表所示： XXXXXXX XXXX 学院 毕业设计 12 a 灵敏度特性 （根据 UL217 标准风速 0.1M/秒） b 电源电压特性（25 60RH） c 温湿度特性 温度特性（温度 60） d 温度特性（温度 25）源： 放射元素是媚 241， 放射量是平均 33.3KBq.=0.9uCi（29K37KBq） 。 工作环境： 电源电压是 DC6.0-18.0V，最大 24V；温度是 0-50，最大-10-60，温度 95。保存温度-25-80，温度 95。 典型特性: 表 3-3 特性参数 (a)灵敏度特性 （b）电源电压 特性 （C) 温湿度特性 （d）温度特性 长期稳定性测验如下表所示： 表 3-4 长期稳定性测验 烟雾浓度 （%英尺） 输出电压（V）误差（V） 05.60.40 15.30.50.30.1 25.00.50.60.1 34.70.50.90.2 44.40.51.20.2 54.20.51.40.2 电源电压输出电压（V） 63.30.3 95.60.4 128.00.7 1510.00.85 1813.01.0 温度（）输出（V） 05.150.4 255.60.4 505.850.4 温度（%C）输出（V） 305.750.5 605.60.4 905.450.4 名称方法标准 高温储存特性高温 805 不通电的情况下储存 72 小 时 保持特性参数不变，不变形 、不变色、不产生裂纹 XXXXXXX XXXX 学院 毕业设计 13 3.2.23.2.2 AD5AD5 74A74A 简简 介介 AD5 74A 型快速 12 位逐次比较式 AD 转换器为美国模拟器件公司产品。一次转换时间为 25s，转换速率为 40MSPS，分辨率 12 位，非线性误差小于1/2LSB。采用 28 脚双 立直插式封装，各引脚功能如图 3-6 所示，图 3-7 是其管脚图。 图 3-6 AD574A 引脚功能 低温储存特性低温-3005 不通电的情况储存 72 小时保持特性参数不变，不变形 、不变色、不产生裂纹 高温储存特性在 405，855RH 不通电的情况储存 72 小时 保持特性参数不变，不变形 、不变色、不产生裂纹 震动实验共振频率 10-35HZ，振幅 5HZ0.25，如果不 产生共振，则用频率 35HZ 震荡 4 小时 保持特性参数不变，不变形 、不变色、不产生裂纹 跌落实验三个不同方向把器件从 1M 高度自由落体跌 落到木板上 保持特性参数不变，不变形 、不变色、不产生裂纹 XXXXXXX XXXX 学院 毕业设计 14 图 3-7 管脚图 AD574A 引脚功能: DB11DB0:12 位数据输出线。DB11 为最高，DB0 为最低，它们可由控制逻辑决定是输 出数据还是对外成高阻状态。 12/8：数据模式选择。当此引脚输入为高电平时，12 为数据并行输出；当此引脚为低 电平时，与引脚 A0 配合，把 12 位数据分两次输入。应该注意，此引脚不与 TTL 兼容，若 要此引脚为高电平，应直接按脚 1；若要此引脚为低电平，应接引脚 15. A0：字节选择控制。此引脚有两个功能，一个功能是决定方式是 12 位是 8 位。若 A0=0，进行全 12 位转换，转换时间为 25us；若 A0=1,仅进行 8 位转换，转换时间为 16us，另一个功能是决定输出数据是高 8 位还是低 4 位。若 A0=0，高 8 位数据有效；若 A0=1，低 4 位有效，中间 4 位为“0” ，高 4 位为高阻状态。因此，低 4 位数据读出时，应 遵循左对齐原则（即：高 8 位+低 4 位+中间 4 位的0000 ） 。 CS:芯片选择。当 CS=0 时，AD574A 被选中；否则 AD574A 不进行任何操作。 R/C：读/转换选择。当 R/C=1 时，允许读取结果；当 R/C=0，允许 A/D 转换。 CE：芯片启动信号。CE=1 时，允许读取结果，到底是转换还是读取结果与 R/C 有关。 STS：状态信号。STS=1 表示正在进行 A/D 转换，STS=0 表示转换已完成。 REFOUT：+10V 基准电压输出。 REIN 准电压输入。只有此脚把从“REFOUT”脚输出的基准电压引入到 AD574A 内部的 12 位 DAC(AD565),才能进行正常的 A/D 转换。 BIPOFF：双极性补偿。此引脚适当连接，可实现单极性或双极性输入。 10VIN：10V 量程模拟信号输入端。对单极性信号为 10V 量程的模拟信号输入端，对双 极性信号为5V 模拟信号输入脚。 20VIN：20V 量程输入端。单极性信号为 20V 量程模拟信号输入端，对双极性信号为 10V 量程模拟信号输入脚。 DG：数字地。各字电路（译码器、门电路、触发器等）及“+5V”的电源地。 XXXXXXX XXXX 学院 毕业设计 15 AG：模拟地。各模拟器件（放大器、比较器、多路开关、取样保持器等）地及 “+15V”和“-15V”电源地。 VLOG：逻辑电路供电输入端， +5V. VCC:正电源端，VCC=+12+15V。 VEE：负电源端，VEE=-15-12V。 AD574A 的单极性和双极性输入如图 3-8 所示 图 3-8 （a） 单极性输入 （b） 双极性输入 单极性输入电路：如图 3-8（a）所示是 AD574A 系列的模拟量单极性输入电路。当输 入电压为 VIN=0+10V 时，应从引脚 10VIN 输入，当 VIN=020V，应从 20VIN 输入。数字 量 D 为无符号二进制码，计算公式为 D=4096VIN/VFS。图中电位器 RP1 用于调零，即保证 在 VIN=0 时，输出数字量 D 为零。 双极性输入电路：电路图如图（b）所示。图中 RP2 用于调整增益，其作用与图（a） 中 RP2 的作用相同。图中 RP1 用于调整双极性电路输入零点。如果输入信号 VIN 在-5=5V 之间，应从 10VIN 引脚输入；当 VIN 在-10=10V 之间，应从 20VIN 引脚输入。 根据烟雾传感器所输出的电压量，故选用单极性输入。 3.2.33.2.3 AD574AAD574A 与与 80C5180C51 单片机接口电路单片机接口电路 AD574A 系列的所有型号和功能因脚和排列都相同，因而它们与单片机借口也相同。 AD574A 所有型号都有内部始终电路，不需要任何外接器件和连线。图 3-9 为 AD574A 与 80C51 单片机的接口电路。该电路采用双极性输入方式。根据烟雾传感器输出电压是 5.6+0.4v，在设计时我们选用单极性输入方式。 当 AD574A 与 80C51 单片机配置时，由于 AD574A 输出 12 位数据，所以当单片机读取转 换结果时，应分两次进行：当 A0=0 时，读取高 8 位；当 A0=1 时，读取低 4 位。图中 AD574A 的 STS 与 80C51 的 P1.0 线相连，故采用查询方式读取转换结果。 XXXXXXX XXXX 学院 毕业设计 16 图 3-9 AD574A 与 80C51 单片机的接口电路 3.2.43.2.4 声光报警电路声光报警电路 声光报警电路由单片机 P2.0 口控制，输出报警信号(高低电平间隔 1 s 的脉冲信号)， 驱动声光报警电路，直至按复位键 RESET 和开关键。 声光报警电路由 555 定时器、扬声器和普通发光二极管组成，电路图如图 3-10 所示。 其中 555 定时器接成了一个低频多谐振荡器，其控制电压出入端 5 脚与单片机 80C51 的 P2.0 端相连，受 P2.0 脚输出的脉冲信号控制。由电容 C4 的充冲放电作用，当 P2.01 时，555 输出脉冲的振荡频率较低，当 P2.00 时，555 输出脉冲的振荡频率较高。该脉冲 信号经隔置电容 C2 加到扬声器上，扬声器将发出高、低交替的 2 种叫声，同时 P2.0 脚输 出的高低电平间隔 1 s 的脉冲信号经电阻 R1 加到发光二极管 LED 上，LED 将闪烁发光，达 到声光同时报警的效果。 XXXXXXX XXXX 学院 毕业设计 17 图 3-10 声光报警电路 3.3 总电路设计 根据要求，设计中我们选用 80C51 单片机。80C51 单片机的主控电路包括时钟电路、 复位电路。两电路的接法在 3.1.4 和 3.1.5 中分别做了详细的介绍，这里不再赘述。 而传感器是将非电量需要转换成与非电量有一定关系的电量。当今信息时代，随着电 子计算机技术的非速发展，自动检测，自动控制技术显露非凡的能力，而大多数设备只能 处理电信号，也就需要把被测，被控非电量的信息通过传感器转换成电信号。可见，传感 器是实现自动检测和自动控制的首要环节。没有传感器对原始信息进行精确可靠的捕捉和 转换，就没有现代自动检测和自动控制系统。没有传感器就没有现代科学技术的迅速发展。 设计中，传感器我们选择的是NIS-09烟雾传感器。因为烟雾是比气体分子大得多的微粒悬 浮杂气体中形成的，和一般的气体成分的分析不同，必须利用微粒的特点检测。而NIS-09 烟雾传感器它的性能参数是我们选择它理由。烟雾传感器连接在A/D转换器的输入接口。 我们将主控电路和外围接口电路（80C51与A/D转换器的接口电路、80C51与声光报警电 路）连接起来，就得到了基于80C51的烟雾报警总电路图。 当外部环境（温度、湿度、烟雾浓度）达到一定值时，烟雾传感器就会产生模拟电压， 将它作为输出的模拟信号经 AD574A 转换器转换为 80C51 单片机所能识别的数字电压量。通 过 P1.0 检测信号。当有信号输入时，经程序设定就会驱动 80C51 单片机的 P2.0。而 P2.0 是与声光报警电路相连接的。 综上所述，得出总电路图见附录图。 XXXXXXX XXXX 学院 毕业设计 18 4 软件实现 4.14.1 编程编程 KEILKEIL 环境介绍环境介绍 Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统， 与汇编相比，C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易 用。用过汇编语言后再使用 C 来开发，体会更加深刻。 Keil C51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全 Windows 界面。 另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到 Keil C51 生成的目标代 码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体 现高级语言的优势。 KEILC51 标准 C 编译器为 80C51 微控制器的软件开发提供了 C 语言 环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。C51 编译器的功能不断增强，更加贴近 CPU 本身，及其它的衍生产品。C51 已被完全集成到 uVision2 的集成开发环境中，这个集成开 发环境包含：编译器，汇编 器，实时操作系统，项目管理器，调试器。uVision2 IDE 可 为它们提供单一而灵活的开发环境。 C51 V8 版本是目前最高效、灵活的 8051 开发平台。它可以支持所有 8051 的衍生产品， 也可以支持所有兼容的仿真器，同时支持其它第三 方开发工具。因此，C51 V8 版本无疑 是 8051 开发用户的最佳选择。 C51 工具包的整体结构， uVision 与 Ishell 分别是 C51 for Windows 和 for Dos 的集 成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可 用 IDE 本身或其它编辑器编辑 C 或汇编源文件。然后分别由 C51 及 A51 编译器编译生成目 标文件(.OBJ)。目标文件可由 LIB51 创建生成库文件，也可以与库文件一起经 L51 连接定 位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS 文件由 OH51 转换成标准的 Hex 文件，以供调试器 dScope51 或 tScope51 使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试， 也可以直接写入程序存贮器如 EPROM 中。 4.2 程序流程 在整个程序流程中，经常要控制一部分指令重复执行若干次，以便简短的程序完成大 量的处理任务。这种按某种控制规律重复执行的程序称为循环程序。循环程序有先执行后 判断何先判断后执行两种基本结构。而我们要选用的是先判断后执行。 因为烟雾传感器的输出电压量为 5.66.0v 之间。根据单极性输入的转换关系 D=4096VIN/VFS，计算出它的数字量最小值:D1=40965.6/10=2294;最大值 D2=40966/10=2458. 然后把它们的数字量转化为二进制数。D1、D2 转换为二进制数分别是 100111110110、100110011010。 由于 AD574A 输出 12 位数据，所以当单片机读取转换结果时，应分两次进行：当 A0=0 时，读取高 8 位；当 A0=1 时，读取低 4 位。AD574A 的 STS 与 80C51 的 P1.0 线相连，故采 XXXXXXX XXXX 学院 毕业设计 19 用查询方式读取转换结果。 我们将 A/D 转换器读取结果存入 17H、18H、19H、20H 单元中。其中 17H 存入的是较小 数 D1 的高八位 10011111，18H 存入的是较小数 D1 的低四位 0110；19H 存入的是较大数的 高八位 10011001，20H 存入的是较大值的低四位 1010。 将数值存入单元以后，接下来就是比较。当被测的数值经计算机的转换在比较范围内， 经程序设定 80C51 单片机的 P2.0 就会输出脉冲启动报警电路程序。程序流程图如图 4-1 所 示。 开开始始 初初始始化化 调调用用A A/ /D D转转换换子子程程序序 是是否否在在比比较较范范围围 声声光光报报警警 结结束束 Y Y N N 图 4-1 流程图 4.3 程序 程序见附录 5 系统调试 在设计好单片机系统的软、硬件之后，接下来就需要对整个系统进行仿真调试工作， 以检测系统软、硬件是否能够完成预定的功能，方便设计者对系统中的隐患进行排除。 5.1 硬件调试 1、脱机调试 在应用系统加电之前，先用万用表等工具，根据硬件电器原理图和装配图仔细检查样 XXXXXXX XXXX 学院 毕业设计 20 机线路的正确性，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求，这时要特别注意电源 的走线，防止电源之间的短路和极性错误，并重点检查扩展系统总线是否存在相互间的短 路或其他信号线的短路。 应用系统所用的电源，事先进行单独调试，调试好后，确认其电压值、负载能力、极 性等都符合要求后，再加到系统的各个部件上。在不插片子的情况下，加电检查插件上引 脚的电位，测量各点电位是否正常，特别注意单片机插座上的各点电位是否正常。 2、联机调试 联机前先断电，把开发系统的仿真插头插到应用系统的单片机插座上，检查一下开发 机与应用系统之间的电源、接地是否良好。如一切正常，即可打开电源。通电后，执行开 发机读写指令，对应用系统的存储器、I/O 进行读写操作、逻辑检查，若有故障，查找故 障原因，进行排除。可能的故障有线路连接上的逻辑错误、断路或短路现象、集成电路失 效等。 在应用系统的主机部分调试好后，可以插上应用系统的其他外部部件，再对它们进行 初步调试。在调试中发现应用系统工作不稳定，通过分析，可能有以下几种情况：电源系 统供电电流不够，联机时公共接地接触不良；系统主机板负载过大；系统各级电源滤波不 完善等。 5.2 软件调试 软件调试是指采用一定的开发调试软件以及集成开发环境对已经编辑好的软件程序进 行各种方式的运行，以检测软件的功能是否正常。在调试过程中，程序可采用多种执行方 式，包括连续、单步、自动单步、触发等等，还可以在程序的任意处设置断点，方便了解 程序的运行状态。 对于模块结构程序，分别调试一个个子程序。调试子程序时，要符合现场环境，即入 口条件和出口条件。调试的手段采用单步运行方式和断点运行方式，通过检查系统的 CPU 现场和 I/O 口的状态，检测程序执行结果是否符合设计要求。在调试过程中不断调整系统 的软件和硬件，逐步通过一个个程序模块。各程序模块通过后，把各功能块联合起来进行 整体程序综合调试。在这一过程中，发生了一些故障，通过分析可能是由于各子程序在运 行时破坏了现场，缓冲单元发生了冲突。 单步和断点调试后，进行连续调试，从而确定定时精度、CPU 的实时响应等问题。待 全部完成后，反复运行多次，在观察稳定性的同时也观察了系统的操作是否符合原始设计 要求，安排的操作是否合理等。 调试的具体步骤为： (1) 源文件的建立：使用菜单 “File-New”或者点击工具栏的新建文件按钮，即可在 项目窗口的右侧打开一个新的文本编辑窗口，在该窗口中输入汇编语言源程序。保存该文 件，加上扩展名（.asm 或 a51），这里将文件保存为 XXX.asm。 （2）建立工程文件：点击“Project-New Project”菜单，出现以个对话框，要求给 XXXXXXX XXXX 学院 毕业设计 21 工程起一个名字，我们输入 XXX,不需要扩展名，点击保存按钮，出现第二个对话框。这个 对话框要求选择目标 CPU（即我们所使用的芯片型号 80C51）点击 ATMEL 前面的“+”号， 展开该层，点击其中的 80C51，然后点击确定按钮。回到主界面，此时，在工程窗口的文 件页中，出现了“Targ et1”，前面有 “+”号，点击“+”展开，可以看到下一层的 “Source Group1”,这时的工程还是一个空工程，里面什么文件也没有，需要手动把刚才 编写好的源程序加入，点击“Souce Group”使其反白显示，然后，点击鼠标右键，出现一 个下拉菜单。选中其中的“Add file to Group”Souce Group1”，对话框，要求寻找源文 件，注意该对话框下面的“文件类型“默认为 C Souce file (*.c),也就是以 C 为扩展名 的文件，而我们的文件是以 asm 为扩展名的，所以在列表框中找不到 XXX.asm,要将文件类 型该掉，点击对话框中”文件类型后的下拉列表，找到并选中“Asm Souce File(*.asm,*.a51)”,这样，在列表框中就可以找到 XXX.asm 文文件了。双击 XXX.asm 文 件，将文件加入项目，注意，在文件加入项目后，该对话框并不消失，等待继续加入其他 文件，但初学时常会认为操作没有成功而再次双击同一文件，这时会出现对话框，提示你 所选的文件以在列表中，此时点击确定，返回前一对话框，然后，点击”Close”即可返回 主界面，返回后，点击“Souce Goup 1”前的加号，会发现 XXX.asm 文件以在其中。双击 文件名，即打开源程序。 （3）工程的详细设置：首先点击左边 Project 窗口的 Target 1,然后使用菜单 “Proget-Option for target target 1”即出现对工程设置的对话框，对这个对话框 可谓非常复杂，共有 8 个页面，要全部高清可不容易，好在绝大部分设置项取默认值就行 了。设置完成以后安确认返回主界面，工程建立、设置完毕。 （4）编译、连接：在设置好工程后，既可以进行编译、连接。选择菜单 Project- Build target,对当前工程进行连接，如果当前文件已修改软件会先对该文件进行比较，然 后在连接以产生目标代码。编译过程中的信息将出现在输出窗口中的 Build 页中，如果源 程序有语法错误，会有错误报告出现，双击该行，可以定到出错的位置，对源程序反复修 改后，最终会得到如图 5-1 所示的结果，提示获得了名为 XXX.hex 的文件，该文件即可被 编程器读入并写到芯片中，同时还产生了一些其他相关文件可被用于 KEIL 的仿真与调试。 通过反复的调试，遇到了很多问题，总结如下： (1)提示无 asm 文件 编译时候提示： F:.XX.asm File has been changed outside the editor, reload ？ 解决方法：重新生成项目，产生 XXX.asm 即可。 (2)在进入 Keil 的调试环境以后，发现程序有错 解决方法：将光标定位于需要修改的程序上，用菜单，DebugInline Assambly即 可出现对话框，Enter New 后面的编辑框内直接输入需要修改的程序语句，输入完之后键 入回车将自动指向下一条语句，可以继续修改，如果不在需要修改，可以点击右上角的关 XXXXXXX XXXX 学院 毕业设计 22 闭按钮关闭窗口。 （3）程序调试时，一些程序必须满足一定的条件才能被执行到 解决方法：这些条件往往是异步发生或难以预先设定的，这类问题使用的单步实行方 法是很难调试的，这时就要使用发哦程序调试中的另一种非常重要是方法-断点设置。断 点设置的方法有多种，常用的是在某一程序行设置断点，设置好断点后可以全速运行程序， 一旦执行到该程序行即停止，可在此观察有关变量值，以确定问题所在。在程序行设置/移 除断点的方法是将光标定位于需要设置断点的程序行，使用菜单 Debug/Insert/RemoveBreakPoint 设置或移除断点（也可以用鼠标在该行双击实现同样的 功能）；Debug/Enable/Disable BreakPoint 是开启或暂停光标所在懂行的断点功能； Dubug/Disale All BreakPoint 暂停所有断点；Debug/Kill All BreakPoint 清除所有的断 点设置。这些功能也可以用工具条上的快捷键进行设置。 （4）输入程序时，有中文标点，用 keil 编译时出现错误 解决方法：程序里有带中文标点，用英文重输入一遍 （5）汇编出现数字、字母混淆 解决方法：字母“O” 和 数字 “0”。主要错在这里。注意细节！ 经过反复的调试与修改，得到的正确连接、编译后的结果如下图所示： 图 5-1 正确连接、编译之后的结果 5.3 软件和硬件综合调试 综合调试利用实验室 DVCC-598JH+综合型单片机、微机综合仿真实验系统，这是具有 EPROM 的实验系统。通过单片机程序烧