毕业设计（论文）-基于单片机的智能火灾报警监测系统设计.doc

（输入章及标题）本科毕业设计 题目：智能火灾报警监测系统 性质：工程实际 专业：自动化 日期：2005年6月 III 摘 要随着我国经济建设的迅速发展，人民生活水平的不断提高以及其它各项事业的兴旺发达，城市用地日益紧张，促进建筑物正朝着高层化、密集化方向发展，该建筑物的装修用料和方式也越趋多样化，并随着用电负荷及煤气耗量的加大，对智能火灾监测系统设计提出了更高、更严格的要求。为确保人民生命财产的安全，智能火灾监测系统设计就成为高层建筑设计中最重要的设计内容之一。而智能火灾报警探测系统正符合了这些特点，它是以单片机为主要器件的一个系统，通过串口通讯实现住宅小区的火灾报警，且价格低廉。本文介绍了智能火灾报警监测系统的背景及发展动态，给出了本次课题基础器件单片机和传感器的基本原理；说明了单片机串口通讯和单片机的开发及开发工具；概述了软硬件设计过程，分析了硬件设计电路及作用，描述了软件设计的总体思想，给出了资源分配情况，介绍了模块的软件实现情况及部分软件流程；写了本次毕业设计的调试与仿真结果及遇到的问题。关键词单片机 串口通讯 火灾 报警 protel原理图 源程序 52目 录摘 要I第1章 绪论41.1 课题背景41.1.1 智能建筑面临的机遇与挑战41.1.1.1 智能建筑发展现状41.1.1.2 主要技术发展趋势及问题51.1.2 智能火灾智能火灾报警监测系统的新动向61.2 本论文的工作与论文结构7第2章 智能火灾报警监测系统基础82.1 简要介绍智能火灾报警监测系统82.2 对传感器的详细介绍82.2.1 与传感器有关的常见术语92.2.2 热释红外探测器92.2.2.1热释红外探测器的基本概念102.2.2.2 热释红外探测器的工作原理和特性102.2.2.3 热释红外探测器的安装注意事项112.2.2.4 热释红外探测器的调试122.2.2.5 热释红外探测器的防宠物功能122.3 对四运放集成电路LM324的介绍132.4 对芯片AT89C51的介绍15第3章 系统硬件分析与设计173.1 复位电路部分173.2 时钟电路与时序183.2.1 内部时钟方式183.2.2 外部时钟方式193.3 AT89C51的内外程序存储器选择控制端203.4 系统的选址单元电路203.5 系统的报警信号产生电路203.6 系统的多机通讯技术20第4章 电路的软件设计214.1 软件程序内容214.2 软件总体流程图224.3 报警信号发生子程序244.4 键盘接口子程序264.5 数码显示子程序274.6 本章小结28第5章 电路调试与仿真295.1 硬件焊接295.2 调试295.2.1 硬件调试方法305.2.2 软件调试方法315.3 仿真中出现的问题及解决办法315.3 本章小结32结 论33参考文献34源程序35致谢49毕业设计（论文）成绩评定表50第1章 绪论1.1 课题背景1.1.1 智能建筑面临的机遇与挑战智能建筑(即公共建筑和住宅小区智能化)是现代建筑技术与现代通信技术、计算机技术、控制技术相结合的产物，具有十分鲜明信息社会的时代特征，也是人类社会进步、生产力发展的必然需求。进入21世纪以来，智能建筑在我国建筑行业迅速发展并呈现了巨大的市场潜力，其社会、经济效益显著，对于改造提升传统建筑产业和改善人民生活水平起到了积极作用，为人们提供了更为安全、舒适、方便、高效的工作与生活环境。智能住宅小区在我国各地发展较快，在全国城镇每年住宅开发总量9-5亿平方米中占有相当比例，并且以较快速度增长，已成为智能建筑发展的主要市场。由于智能住宅小区的产品难以成套引进，促进了国内产品供应商的研发需求，膨胀了智能建筑领域的研发队伍，各种新产品、新系统层出不穷，争奇斗艳，从而形成了新的智能建筑产业。1.1.1.1 智能建筑发展现状1996年以来，我国智能建筑取得了较大的发展。智能建筑技术在全国范围内得到推广应用，其对象由宾馆、商务楼向银行、证券、办公、图书馆、博物馆、展览馆以及住宅(含住宅小区)等拓展。智能建筑队伍迅速成长，初步形成了一支具有一定规模的智能建筑设计、施工力量以及系统集成商和产品供应商。与此同时，建设部和上海、江苏、陕西、四川等省市先后成立智能建筑专业委员会及学术研究机构，对智能建筑的发展起到了积极的推动作用。1999年以来，我国智能建筑技术日趋成熟，各地积累了一定的工程经验，基本上适应了国内各类建筑对智能化的需求。人们对智能建筑开始注重理性化，对智能建筑有了更深入的理解，智能建筑的设计也较注重切合实际，克服了过去贪大求全的做法。智能建筑技术产品也由过去的封闭状态向开放性、市场化、公平竞争方面转化，使智能建筑市场全面走向有序的发展轨道。目前，国外智能建筑发展已处于一个较高水平阶段，具有以下特点，值得我们借鉴。(1) 智能建筑充分体现以人为本的思想。智能建筑的最终受益者应该是在其中生活、工作的人。一幢大厦的智能化程度，不能全视其所装设备器材的先进程度，而主要取决于使用人的需求功能。发达国家的智能建筑发展到今天，己经不是单纯的高新技术产品的简单合成，而是采用高科技来实现人的需求，改善和提高人工环境的品质，更好地为人服务。(2) 智能建筑是信息产品升级换代和业主自身需求的结合。发达国家智能建筑的发展完全是二种市场行为的结果、业主行为的结果。政府只是对建筑物的节能和环保提出要求。而业主完全是根据市场和自身的需求来投资适用的智能建筑，不会盲目攀比。同样，建筑商或设计公司也不会为标榜自己而设计建造一幢没有市场需求的智能建筑。1.1.1.2 主要技术发展趋势及问题(1) 控制网的标准化和开放性。这一新趋势必将影响智能建筑的楼宇自动化技术的发展，具有开发性和互操作性的系统，是楼宇设备控制系统的最佳选择，例如，目前在楼宇控制系统中采用较多的有Lonwoks和BACnet。另值得关注的是，近来工业以太网的发展已有取代现场总线的趋势，或者说现场总线的发展必然向工业以太网靠近，工业以太网因其协议开放而有广泛应用的潜力。控制网中融入IP技术也是值得注意的动向。(2) 网络宽带化和引入Internet技术。在我国政府部门制定的信息产业十五，计划纲要和2010年远景目标框架思路中，提出了:抓紧建设国家信息产业基础设施，继续建设宽带传输网络，大力发展高速互联网，高度重视信息资源的开发利用。为了满足日益增长的信息应用以及本身的系统集成和信息融合的需求，智能建筑信息系统的宽带化是必然的。随着光纤的广泛使用，光纤到区(楼)，光纤到户(桌面)，为智能建筑宽带化创造必要的条件。Internet技术，已经渗透到IT各个领域，智能建筑也不例外，实现Internet接入，进行本身网站的建设，满足用户访问Internet服务的需求，在Internet上对智能建筑的某些功能进行远程监控和综合管理等是当前智能建筑信息网发展的新动向。(3) 逐步选用无线通信技术。智能建筑中选用无线通信技术是发展的趋势，今后若干年，随着Internet的无线访问、无线局域网、无线家居智能系统(如蓝牙技术)等技术的不断成熟，无线通信技术将会在不同建筑中应用。(4) 视频传输技术的应用。在数字化社区中视频传输系统包括视频点播系统(VOW)、会议电视系统(MTV)、可视电话系统、可视对讲系统以及家庭内各种视频传输系统，这些视频传输技术在智能建筑宽带网上将会大量使用。在未来几年之内，计算机网上的多媒体会议系统将大大超过电信网上的会议系统。(5) 系统集成化势在必行。在目前的智能大厦(小区)中，实际上已经存在局域网、电话网、双向有线电视网和控制网四类网络。在信息化的智能建筑环境中事实上存在着数据、语音、视像和控制四种信息。系统集成与多种信息融合，有利于优化网络结构、避免功能重复建设、减少投资；有利于资源集中和信息共享；有利于系统的科学管理、集中维护以及系统的发展和扩充等。实践已证明系统集成和信息融合是必要的，其优点是明显的。在目前的技术条件下系统集成设计时，应注意将控制网和信息网分层设计。当通过信息网实现子系统的互动时，要注意实时性和可靠性，同时增加硬件连锁互动，以确保可靠。(6) 技术产品方面，从智能建筑技术的研究到智能建筑产品的开发，缺少必要的引导、协调和支持。缺乏具有自主知识产权的智能建筑硬、软件产品。1.1.2 智能火灾智能火灾报警监测系统的新动向火灾报警系统最初是单机式报警，即：只有现场报警功能，如果有火灾信号，火灾现场发出声音警报，然后通知消防部门，这种报警方式在布防现场起到了一定的作用，但是存在较大的局限性。总线制火灾报警系统通过小区内的局域总线作为物理网络，彻底摆脱电话线制的局限，其基本组成是:报警控制器，探测器，总线和报警中心的接警计算机。报警控制器连接多个探测器。报警控制器通过总线与接警计算机相连，按一定的协议通信，对发生的火灾信号进行几次校对，确认后发出声光报警。总线制报警系统具有先进性、开放性、独立性、扩展性、高效性和经济性等特点。总线制报警系统还具有以下特点:1. 零使用、维护成本: 因为物理网络为小区内自己铺设的局域总线，在使用和维护上不需要投入资金，真正做到一次投资、终生受益。2. 报警反应高效、快速: 因其系统是采用数码流直接传输，不用拨号和模拟调制，真正做到即时警报、即时接警，从报警发生到中心警示，只需0.1s左右。3. 扩展方便、兼容性好: 智能小区的大多数子系统都通过小区的局域总线传输信号，增减报警控制器不需要对总线改造。4. 集成度高，功能性好: 总线制报警系统的安装配置可以通过接警中心计算机的软件进行设置，还能与其他子系统互连.智能火灾报警监测系统作为智能化系统中的子系统之一，同样承载着智能建筑所面临的挑战与机遇。智能小区建设中，所有的系统都需要一个集中的小区监控管理中心，传统的智能火灾报警监测系统是采用电话线来传送报警信号，信号传输速度慢，运行费用高，而且功能单一，要实现其他如周界防范、电子巡更、三表抄送等功能就必须另外布线，重新安装新系统，并且各个系统各自独立运行，互不相关，各系统协调能力差，系统运行、维护复杂，系统升级扩容困难，从而造成物业管理部门工作难度加大，系统的智能化程度降低。因此，在智能小区系统中，必须采用集成能力高的系统，通过单一的总线方式布线，集成家庭安防、周界防范、电子巡更、三表抄送、联动控制、CCTV、停车场管理、家居自动化等需要集中监控的系统。针对居住的环境不同，用户对于智能火灾报警监测系统的要求也不是一成不变的。因而智能智能火灾报警监测系统的设计中要考虑这些因素。既要易于使用、安装和维护，又要有利于扩张和升级，还要考虑与其他系统的集成和信息共享，关注计算机、通信技术的发展对系统带来的影响。1.2 本论文的工作与论文结构本论文作者在大学期间，深入学习了MCS-51单片机应用设计、模拟电子与通信、软件工程的理论与技术，并两次参加了院里组织的电子小制作活动，积累了一些经验和认识。因此在导师的指导下，设计了智能火灾报警监测系统，将告警信号传输到主机系统。此设计过程主要分三个步骤进行：第一，设计整机系统方案，并对其进行认证；第二，完成由单片微机控制的小区智能火灾报警监测系统的样机制作，并安装调试；第三，对硬件、软件进行联机仿真调试，达到设计要求。本论文的结构如下：第一章绪论，综述了国内外智能建筑的发展状况和智能小区智能火灾报警监测系统的技术动态，介绍了论文的主要内容。第二章智能火灾报警监测系统基础，详细介绍了此系统中所用到的热释红外传感器、LM324、AT89C51等元件的结构与工作特性。第三章系统硬件分析与设计，画出了系统硬件框图，并对系统中各单元电路的组成与功能进行了详细介绍。第四章系统的软件设计与实现，画出了系统的软件流程图，确定了上位机与下位机的通信协议，并描述了主程序流程和关键流程。此外，根据第三章的功能分配要求，介绍了软件功能。第五章系统硬件、软件的联机仿真调试，使此设计达到理论联系实际，提高作者实际工作能力的要求。结论，总结论文的主要成果，并指出了今后进一步在本研究方向的展望与设想。 第2章 智能火灾报警监测系统基础2.1 简要介绍智能火灾报警监测系统智能火灾报警监测系统是利用各类功能的探测器对住户房屋的周边、空间、环境及人进行整体防护的系统。按报警信号的传输方式分：有无线型智能火灾报警监测系统和有线型智能火灾报警监测系统两种。即探测器在检测到非法入侵者后，以两种方式将报警信号传输给报警主机，无线型智能火灾报警监测系统通过发一定频率的电磁波传输报警信号，有线型智能火灾报警监测系统分为开关信号输出和电平信号输出。作者设计的是有线型智能火灾报警监测系统，且信号以电平形式输出。现在介绍一下有线智能火灾报警监测系统与无线智能火灾报警监测系统的区别。在有线智能火灾报警监测系统中，因其是专线专用，所以报警信号传输相对稳定，不易受到外界因素的干扰；同时也有不少缺点：影响美观,施工工作量大，操作复杂、维修不便，须专人维护。而无线智能火灾报警监测系统不会破坏防范区域的整体美观，且安装简单，操作简便，老人、小孩一学就会，但报警信号会受到外界因素的干扰，导致报警信号传输距离衰减。在本次设计的智能火灾报警监测系统（发送）中，用到热释红外传感器、LM324、AT89C51等元件，下面将会对其一一进行介绍。2.2 对传感器的详细介绍 探测器是利用传感器感应各种物理变化、化学变化而产生的电流、脉冲等信号去推动射频电路发射出报警信号，它在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感器提出的越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力，而现代科学技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。二十一世纪，人们一方面通过提高与改善传感器的技术性能；一方面通过寻找新原理、新材料、新工艺及新功能来改善传感器性能，制造出更多的传感器。人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中红光的波长范围为0.620.76m；紫光的波长范围为0.380.46m。比紫光光波长更短的光叫紫外线，比红光波长更长的光叫红外线。 最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件，红外传感器就是其中的一种。随着现代科学技术的发展，红外线传感器的应用已经非常广泛。红外线传感器有主动式红外传感器和被动式红外传感器两种。主动式红外探测器由发射端主动发射红外线，由接收端接收红外线，形成红外线的网状。这种探测器能够对入侵物进行主动的防范，不会因小宠物的穿越或气候的影响而产生误报警情，从而最大的限度降低了误报率。被动式红外探测器是依靠被动的吸收热能动物活动时身体散发出的红外热能进行报警的，也称热释红外探头，其探测器本身不发射红外线的。2.2.1 与传感器有关的常见术语探测范围：指探测器正常工作的感应范围，即探测器能够探测到在此范围以内的所有物体运动从而产生报警状态。探测距离：是指探测器在正常工作下所能探测到的最远距离。发射距离：报警系统中无线器件在被触发后将无线报警信号以电磁波的形式发射出去的最远距离。感应灵敏度：指探测器被触发报警时探测距离的远近和反应速度快慢，感应灵敏度高，则在离探测器很远的距离都能探测到，感应灵敏度低，则只能探测到较近的范围。2.2.2 热释红外探测器被动式红外探测器是一种在安防工程中使用极为普遍的探测器。但要其正常使用，既要防止漏报，又要减少误报，特别是如何将误报现象降到最低的限度是一个摆在广大工程设计人员面前的一个课题。要做到这一点，必须首先要了解被动式红外探测器的一些基本概念及其技术特点，这样才能根据这些基本的技术特点，从安装、调试、使用等各个环节，按照探测器的基本技术特点，这样才能最大限度的发挥探测器的最大功效。在本次设计中，我们用到的传感器就是被动式红外传感器，下面将对其作一详细介绍。2.2.2.1热释红外探测器的基本概念在警戒范围内，为什么人在移动时被动红外探测器能够发生报警信号呢?在自然界，任何高于绝对温度（- 273度）时物体都将产生红外光谱，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的。在被动红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器(PIR)，它能将波长为8一12um之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用，因此在被动红外探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，因此，红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。另外一个器件就是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜有两种形式，即折射式和反射式。菲涅尔透镜作用有两个:一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR就能产生变化的电信号。2.2.2.2 热释红外探测器的工作原理和特性一般人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲尼尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，电后续电路经检验处理后即可产生报警信号。1)这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为10UM左右的红外辐射必须非常敏感。2)为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲尼尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。3)被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。4)一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。5)菲尼尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。2.2.2.3 热释红外探测器的安装注意事项由于被动式红外探测器属于一种微弱信号检测设备，在安装时必须注意一些细节方面的问题，如高度，灵敏度等。正确安装一个被动红外探测器，必须掌握以下几个方面的信息:首先是对探测器的性能特点必须了解，其次要合理确定安装的位置，最后必须要仔细调试。不能说探测器能报警就说明安装好了，那么如何确定一个被动式红外探测器的安装位置呢？根据说明书确定正常的安装角度安装高度不是随意的，会影响探测器的灵敏度和防小宠物的效果。试想一下，一个探测器装在2M高度的位置和2.5高度的位置，那么移动物体从地面移动时，切割明区和暗区的频率是不一样的。不宜面对玻璃门窗被动式红外探测器正对玻璃门窗，会有两个问题:一是白光干扰，显然PIR对白光具有很强的抑制功能，但毕竟不是100%的抑制。因此避免正对玻璃门窗，可以避免强光的干扰。二是避免门窗外复杂的环境干扰，比如人群流动、车辆等。不宜正对冷热通风口或冷热源被动式红外探测器感应作用是与温度的变化具有密切的关系。冷热通风口和冷热源均有可能引起探测器的误报，对有些低性能的探测器，有时通过门窗的空气对流也会造成误报。不宜正对易摆动的物体易摆动的物体将会使微波探测器起作用，因此同样可能造成误报。注意非法入侵路线安装探测器的目的是防止犯罪分子的非法入侵，在确定安装位置之前，必须要考虑建筑物主要出人口。实际上我们防止了出入口，截断非法入侵线路，也就达到了我们的目的。2.2.2.4 热释红外探测器的调试将探测器安装完之后，调试探测器是最后所要做的工作。被动式红外探测器的调试有两种方法，一种是步测，就是调试人员在警戒区内走s型的线路来感知警戒范围的长度、宽度、微波灵敏度和红外灵敏度，步测的方法要分别调整，过高或过低的灵敏度都将影响防范效果。有时由于季节变换，冬季和夏季要对灵敏度分别调整。微波灵敏度一定不能过大，因为微波具有穿透性，在调试的时候要注意。第二种方法是用专业的仪表测量，来判断这一位置是否适合安装这类的探测器。总之我们在使用安装前，必须仔细阅读说明书，最重要的是通过实际工作经验的积累，对探测器的特性一定能够更深刻的了解，从而更好的发挥被动式红外探测器在安防工程中的作用。2.2.2.5 热释红外探测器的防宠物功能被动式红外探测器发展到今天，在技术上已经比较成熟，防小宠物是被动红外探测器的一种重要的功能，每个生产厂家对抗小宠物干扰的处理方式是不一样的，但不外乎有两种方式: 一种是物理方式，即通过菲涅尔透镜的分割方式的改变来降低由于小宠物引起误报的概率，这种方式是表面的，效果也是有限的。第二种方式是采用对探测信号处理分析方式，主要是对探测的信号进行数据采集，然后分析其中的信号周期，幅度，极性（图略）。这些因素具体反应出移动物体的速度、热释红外能量的大小，以及单位时间内的位移。探测器中的微处理器将采集的数据进行分析比较，由此判断移动物体可能是人还是小动物。由此看来，我们要注意的是被动式红外探测器的防小宠物的功能是相对的。这种相对性包括两个方面，一个是防宠物是相对的，相对于没有防宠物功能的探测器其误报率是大大降低了，它对小宠物的数量和大小有一定限度的。第二方面是安装位置是要有一定要求的，并不是随意的安装就可以达到防小宠物功能，在安装时，必须要仔细理解探测器的说明书中的具体要求。2.3 对四运放集成电路LM324的介绍集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路，它的类型很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，输入级一般是由BJT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路，利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能，它的两个输入端构成整个电路的反向输入端和同向输入端。电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成。输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。偏置电路是为各级提供合适的工作电流。此外还有一些辅助环节，如电平移动电路、过载保护电路以及高频补偿环节等。一个简单的运算放大器有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。而LM324是四运放集成电路，它的内部包含四组形式完全相同的如图2所示的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。LM324采用1列直插塑料封装。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。下面介绍其应用实例。反向交流放大器可代替晶体管进行交流放大，可用于扩音机前置放大等。电路无需调试。放大器采用单电源供电，由R1、R2组成1/2V+偏置，C1是消振电容。放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定：Av=-Rf/Ri。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图中所给数值，Av=-10。此电路输入电阻为Ri。一般情况下先取Ri与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数在选定Rf。Co和Ci为耦合电容。同相交流放大器的特点是输入阻抗高。其中的R1、R2组成1/2V+分压电路，通过R3对运放进行偏置。 电路的电压放大倍数Av也仅由外接电阻决定：Av=1+Rf/R4，电路输入电阻为R3。R4的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆。单稳态触发器可用在一些自动控制系统中。电阻R1、R2组成分压电路，为运放A1负输入端提供偏置电压U1，作为比较电压基准。静态时，电容C1充电完毕，运放A1正输入端电压U2等于电源电压V+，故A1输出高电平。当输入电压Ui变为低电平时，二极管D1导通，电容C1通过D1迅速放电，使U2突然降至地电平，此时因为U1U2，故运放A1输出低电平。当输入电压变高时，二极管D1截止，电源电压R3给电容C1充电，当C1上充电电压大于U1时，既U2U1，A1输出又变为高电平，从而结束了一次单稳触发。显然，提高U1或增大R2、C1的数值，都会使单稳延时时间增长，反之则缩短。如果将二极管D1去掉，则此电路具有加电延时功能。刚加电时，U1U2，运放A1输出低电平，随着电容C1不断充电，U2不断升高，当U2U1时，A1输出才变为高电平。当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时(即开环状态),理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大(实际上是很大,如LM324运放开环放大倍数为100dB，既10万倍)。此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平（V+），就是低电平（V-或接地）。当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出低电平。如果使用两个运放组成一个电压上下限比较器，电阻R1、R1组成分压电路，为运放A1设定比较电平U1；电阻R2、R2组成分压电路，为运放A2设定比较电平U2。输入电压U1同时加到A1的正输入端和A2的负输入端之间，当Ui U1时，运放A1输出高电平；当Ui U2时，运放A2输出高电平。运放A1、A2只要有一个输出高电平，晶体管BG1就会导通，发光二极管LED就会点亮。 2.4 对芯片AT89C51的介绍智能火灾报警监测系统（发送）使用了AT89C51，并将其作为系统的核心。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。下面对AT89C51做一个简要介绍：第一，主要特性：与MCS-51兼容；4K字节可编程闪烁存储器；寿命：1000次写擦循环；数据保留时间：10年；全静态工作：0Hz-24Hz ；三级程序存储器锁定；1288位内部RAM；32可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路。第二，管脚说明： VCC：供电电压；GND：接地；P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高；P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收；P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号；P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口：P3.0 RXD串行输入口；P3.1 TXD串行输出口；P3.2 INT0外部中断0；P3.3 /INT1外部中断1；P3.4 T0记时器0外部输入；P3.5 T1记时器1外部输入；P3.6 WR外部数据存储器写选通；P3.7 RD外部数据存储器读选通；P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。EA/VPP：当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储0000H-FFFFH，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源VPP。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。第三，震荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石英振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。第四，芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 第3章 系统硬件分析与设计3.1 复位电路部分复位是单片机的初始化操作，只要给RESET引脚加上两个机器周期以上的高电平信号，就可使AT89C51单片机复位。复位的主要功能是把PC初始化为0000H，使AT89C51单片机从0000 H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化外，当由于程序运行出错或或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱死锁状态，也需按复位键重新启动。AT89C51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路如图3-1所示。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。当时钟频率选用6MHz时，C取22微法，R取1千欧。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。图3-1 上电自动复位电路在实际的应用系统设计中，若有外部扩展的I/O接口电路也需初始复位，如果它们的复位端和AT89C51单片机的复位端相连，复位电路中的R、C参数要受到影响，这时复位电路中的R、C参数要统一考虑以保证可靠的复位。如果单片机AT89C51与外围I/O接口电路的复位电路和复位时间不完全一致，使单片机初始化程序不能正常运行，外围I/O接口电路的复位也可以不和AT89C51单片机复位端相连，仅采用独立的上电复位电路。若RC上电复位电路接斯密特电路输入端，斯密特电路输出接AT89C51单片机和外围电路复位端，则能使系统可靠地同步复位。一般来说，单片机的复位速度比外围I/O快些。为保证系统可靠复位，在初始化程序中应安排一定的复位延迟时间。而在本次设计的智能火灾报警监测系统（发送）中，我们使用的是上电复位电路，即图3-1所示的电路。3.2 时钟电路与时序时钟电路用于产生AT89C51单片机工作时所必需的时钟信号。AT89C51单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证同步工作方式的实现，AT89C51单片机应在唯一的时钟信号控制下，严格地按时序执行指令进行工作，而时序所研究的是指令执行中各个信号的关系。在执行指令时，CPU首先要到程序存储器中取出需要执行的指令操作码，然后译码，并由时序电路产生一系列控制信号去完成指令所规定的操作。CPU发出的时序信号有两类，一类用于片内对各个功能部件的控制，这类信号很多。另一类用于对片外存储器或I/O端口的控制，这部分时序对于分析、设计硬件接口电路至关重要。时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，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统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。3.2.1 内部时钟方式AT89C51单片机内部有一个用于构成震荡器的高增益反向放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体震荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激震荡器。图11是AT89C51单片机内部时钟方式的震荡器电路。除使用晶体震荡器外，如对时钟频率要求不高，还可以用陶瓷谐振器来代替。电路中的电容C1和C2典型值通常选择为30皮法左右。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性和起振的快速性。晶体的震荡频率的范围通常是在1.2MHz与12MHz之间。晶体的频率越高，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就高，对印刷电路板的工艺要求也高，即要求线间的寄生电容要小；晶体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，更好地保证震荡器稳定、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NPO高频电容。AT89C51单片机常选择震荡频率6MHz或12MHz的石英晶体。随着集成电路制造工艺技术的发展，单片机的时钟频率也在逐步提高，现在的高速单片机芯片的时钟频率以达40MHz。图3-2 AT89C51内部时钟方式的电路3.2.2 外部时钟方式外部时钟方式是使用外部震荡脉冲信号，常用于多片AT89C51单片机同时工作，以便于同步。对外部脉冲信号的要求一般为低于12MHz的方波。外部的时钟电源直接接到XTAL2端，直接输入到片内的时钟发生器上。 在本次设计的智能火灾报警监测系统（发送）中，我们使用的是AT89C51内部时钟方式的电路，即图4所示的电路。3.3 AT89C51的内外程序存储器选择控制端AT89C51第31引脚的功能为内外程序存储器选择控制端。当此引脚为高电平时，单片机访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不论是否有内部程序存储器。在本次设计的智能火灾报警监测系统（发送）中，我们将此引脚接高电平，因为与本设计相应的软件程序所占空间很小，没必要使用外部程序存储器。3.4 系统的选址单元电路在图8所示的硬件系统框图中，单片机AT89C51的P1.0P1.4口所接的电路为智能火灾报警监测系统（发送）的选址部分电路。在检测是否有小偷之前，我们必须首先确定被探测的是哪个用户，即选址。在本设计中，此过程我们用5位二进制数的编码来实现，例如，当5个开关全部打开时，P1.0P1.4口均为高电平，即均为“1”，此时我们就说智能火灾报警监测系统在检测用户31，而当5个开关全部闭合时，P1.0P1.4口均为低电平，即均为“0”，我们则认为系统在检测用户0。由此可知，此智能火灾报警监测系统只能为32个用户服务。当有人偷东西，即二极管发光时，系统将报警信号传至上位机，此时传输的数据即为发生盗窃事件的地址，也就是上面所选定的二进制数。3.5 系统的报警信号产生电路系统的发光二极管部分即为图1中P2.4口所接的部分外部电路。其工作原理为：当有盗窃事件发生，即P0.0端口发生从高电平到低电平的跳变时，P2.4置“1”，此时三极管的发射极正向偏置，二极管导通并发光。当无人偷东西，既P0.0端口保持高电平不变时，P2.4口为“0”，则三极管的发射极处于反向偏置状态，二极管不导通，也不发光。3.6 系统的多机通讯技术多机通讯的原理：在AT89C51单片机多机通讯中，要保证主机与从机间可靠的通讯，必须保证通讯接口具有识别功能，而串行口控制寄存器SCON中的控制位SM2就是为满足这一要求而设置的。当串行口以方式2（或方式3）工作时，发送和接收的每一帧信息都是11位，其中第9数据位是可编程位，通过对SCON的TB8赋予1或0，以区别发送的是地址帧还是数据帧（规定地址帧的第9位为1，数据帧的第9位为0）。若从机的控制SM2=1，则当接收的是地址帧时，数据装入SBUF，并置RI=1中断标志，数据装入SBUF。因此我们可以规定具体的通讯过程如下：（1） 使所有从机的SM2位置1，处于只接收地址帧的状态。（2） 主机发送一帧地址信息，其中包含8位地址，第9位为1，以表示发送的是地址。（3） 从机接收到地址帧后，各自将接收到的地址与其本身地址相比较。（4） 主机发送数据或控制信息（第9位为0）。对于已被寻址的从机，因SM2=0，故可以接收主机发送过来的信息。而对于其他从机，因SM2维持为1，对主机发来的数据帧将不予理睬，直至发来新的地址帧。（6） 当主机改为与另外从机联系时，可再发出地址帧寻址其从机。而先前被寻址过的从机在分析出主机是对其他从机寻址时，恢复其SM2=1，对随后主机发来的数据帧不加理睬。第4章 电路的软件设计4.1 软件程序内容模块化程序设计方法，归根结底是设计出性能优良的计算机程序，这种方法根据所要完成的程序设计任务，将总体任务分成几个易于实现的子程序模块，然后将这些子程序模块有机的组合起来，得到所需要的程序。实践证明：用模块化程序设计方法设计出来的程序，与用其他方法设计出来的程序相比，不仅效果好、代价小；而且易于阅读、理解、修改、调试、验证、维护和移植，是控制程序流程的主体程序结构。模块化程序设计方法的特点，就是在程序设计全过程中，必须使计算机算法与程序的控制结构完全实现结构化。根据程序模块化思想，本设计的软件程序包括主程序、扫频信号发生子程序、键盘子程序、数码显示子程序、数模转换及滤波输出程序和延时子程序等。另外由于电路中有多个按键，还另外设计了防抖动程序来防止干扰。由于计算机系统软件的进步和飞速发展，在系统设计中，耗用了大量的开发时间，充分发挥软件功能，尽可能扩展软件的应用范围，这就相对地简化了硬件结构，降低了成本，提高了系统的性能。根据系统的设计情况，软件设计应具备如下功能：(1) 系统初始设置。设置系统各芯片工作方式，包括89C51内部定时计数器工作方式和8255A三组I/O口输出、输入方式；(2) 键盘读入；(3) 模数转换；(4) 数码显示；(5) 正弦波输出；考虑到系统欲实现的较快的运行效率和较高的实时性要求，系统软件未采用C语言编程，而是全部采用汇编语言编制，节约了硬件资源，同时提高了系统的实时性。采用软件编程的方法来产生正弦波信号，即将正弦函数的一个周期波形量化，编程数组放在存储器中，输出时按照顺序调来产生正弦波，这比传统的对方波进行硬件滤波来实现正弦输出的方法节约了硬件资源，降低了成本，提高了系统的性价比，并且显示直观、操作方便。4.2 软件总体流程图软件程序总体流程图如下：是*？开始初始化初始显示全0(XSL)数制转换(SZB)读频率下限值并显示(DJP)延时(DELAY)读频率上