毕业设计（论文）-基于单片机的生活小区火灾自动报警系统的设计.doc

LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY毕业设计题 目 生活小区火灾自动报警系统的设计 学生姓名 学 号 08260408 专业班级 电子4班 指导教师 学 院 电气工程与信息工程学院 答辩日期 2012.6.12 2兰州理工大学毕业设计摘 要随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下建筑以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。火灾已经成为我国常发性和破坏性以及影响力最强的灾害之一。在工业和民用建筑、宾馆、酒店、图书馆、科研和商业部门，火灾报警系统已成为必要的装置。火灾报警系统对现代建筑起着极其重要的安全保障作用。为了避免火灾以及减少火灾造成的损失，我们必须按照“隐患险于明火，防患胜于救灾，责任重于泰山”的概念设计和完善火灾自动报警系统，将火灾消灭在萌芽状态，最大限度地减少社会财富的损失。 本系统适合用于家用火灾报警，能实时监视现场的温度，并不断反馈给报警控制器，控制器将接到的信号与内存的正常整定值比较、判断确定火灾。在系统组成设计中，对系统采用模块化的功能划分，运用单片机和数字电子技术，按照不同的功能模块进行设计，主要有火灾探测器模块，报警控制器模块，显示模块，键盘控制模块。当发生火灾时，可实现声光报警、故障自诊断、火灾地点显示、报警限设置等，是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的温度火灾报警器，具有一定的实用价值。关键词：单片机；温度传感器；A/D转换AbstractWith the rapid development of economy and urban construction, urban high-rise, underground construction and building of large-scale integrated growing number of fire hazards has also greatly increased the number of fire losses caused by increased year by year. The fire has become one of Chinas often-onset and destructive and the most influential disasters. In industrial and civil buildings, hotels, hotels, libraries, scientific research and commercial sectors, fire alarm system has become a necessary device. The fire alarm system of modern architecture plays a vital security role. In order to avoid fires and reduce the losses caused by fire, we must automatically in accordance with the concept of hidden risks in the fire, precautionary measures better than disaster relief responsibility is extremely heavy, the design and improvement of fire alarm system, fire nipped in the bud, to maximize reduce the loss of social wealth.This system is suitable for household fire alarm, real-time temperature monitoring site, and continuous feedback to the alarm controller, the controller will receive the signal and the memory setting value to determine to determine the fire. The design of system components, modular functions into the system, the use of the microcontroller and digital electronic technologies, design according to the different functional modules, a fire detector module, alarm control module and display module, keyboard control module. When a fire occurs, the sound and light alarm, fault diagnosis, the location of the fire display, alarm limit settings, a simple structure, stable performance, easy to use, inexpensive, intelligent temperature fire alarm, with a certain practical value.Key words:SCM;Temperature sensor；A/D Switch目 录摘 要1Abstract2第一章 绪论81.1 选题的背景及意义81.2 本文所做的工作9第二章 火灾自动报警系统的工作原理102.1 系统总体功能概述102.2 火灾报警系统的类型11第三章 系统硬件设计133.1 核心芯片的选择133.1.1 芯片AT89C52133.1.1.1 AT89C52引脚说明153.1.1.2 AT9C52特性详解173.1.2 单片机的外围接口电路203.2 信号采集与处理电路213.2.1 传感器的工作原理及组成213.2.2 温度传感器233.2.3 传感器的放大电路243.2.3.1 集成运算放大器的组成243.2.3.2 差动放大电路253.2.3.3 仪表放大电路263.3 A/D转换模块283.3.1 A/D转换器的原理283.3.2 ADC0809芯片简介303.3.3 ADC0809与单片机接口313.4 数码管显示电路323.4.1 ICM7218B简介323.4.2 数码管显示电路图333.5 声光报警及键盘控制电路343.5.1 声音报警电路343.5.2 状态指示灯报警电路343.5.3 键盘控制电路35第四章 系统软件设计374.1 主程序流程图374.2 A/D转换子程序流程图384.3 显示子程序流程图384.4 报警子程序流程图394.5 键盘处理子程序流程图40结 论41参考文献43致 谢44第一章 绪论1.1 选题的背景及意义火灾是可燃物在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害，是威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。火，在给人类带来文明进步、光明和温暖的同时也在其失去控制之时给人类造成了巨大的灾难。随着城市化建设不断加快，民生活水平的不断提高，使人们的居住环境发生了很大变化，居民住宅向楼宇高层化，单元封闭化，住宅小区化发展。高层建筑有效的利用了空间，节约了城市中本就十分紧张的土地资源。但是任何事物的发展都具有两面性，高层建筑中各种通讯线路，动力和照明电路，以及各种系统中的线路纵横交错，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和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自动报警产品的应运而生。当前生活小区管理极为重要的内容是确保住宅、住户安全。从我国目前和未来住宅建筑来看，传统的防火设施存在的问题满足不了集中智能管理的要求，急需解决，这就给在小区范围内实行火灾自动报警提出了要求。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们实现更加理想化的生活提供了可能。火灾自动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，代表了当前火灾自动报警系统的发展方向。因此设计出具有可靠性高、实时性好的火灾自动报警与消防系统是科技化社会发展的需要，是保障人们正常生活的需要。本系统安装在生活小区内，它负责实时监控着生活小区的温度，并反馈给报警控制器，当发生火灾时，可实现声光报警，是一种结构简单，性价比高，智能化的火灾自动报警系统，具有很大的实用价值，能够有效的避免火灾及降低损失。智能化火灾报警系统已并非传统意义上的简单的报警设备，而是融入了计算机技术、电子技术、自动控制技术、传感器的应用等各领域知识。伴随着科学技术的不断进步，火灾报警系统必将得到更快的发展。1.2 本文所做的工作本文采用温度传感器、AT89C52单片机以及LED显示灯模块设计了一种智能火灾报警器，可以实现声光报警、故障自诊断、温度显示、报警限设置及与火灾地点显示等功能。是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的火灾报警器，具有一定的实用价值。 本系统采用ATMEL公司的AT89C52单片机作为处理器，主要完成以下工作：1. 基于AT89C52的火灾报警检测设计方案。2. 温度传感器AD590、A/D转换芯片ADC0809的选择以及与单片机的接口电路设计。3. LED数码管驱动芯片ICM7218与单片机的接口电路及其与数码管的硬件连接。4. 设计主要软件程序模块，完成软件设计。第2章 火灾自动报警系统的工作原理2.1 系统总体功能概述火灾报警系统一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成。火灾探测器通过对火灾发出的物理、化学现象气（燃烧气体）、烟（烟雾粒子）、热（温度）、光（火焰）的探测，将探测到的火情信号转化成火警电信号传递给火灾报警控制器。区域报警器将接收到火警信号后经分析处理发出声光报警信号，警示消防控制中心的值班人员，并在屏幕上显示出火灾的房间号。集中报警是将接收到的信号以声光形式表现出来，其屏幕上也显示出着火的楼层和房间号。此外，也可以控制有关的灭火系统或将火灾信号传输给消防控制室。整体系统框图如图2-1所示：探测器A/D转换电路8051单片机处理单元驱动电路数码管显示单元声音发光报警单元图2-1 系统总体框图2.2 火灾报警系统的类型 火灾自动报警系统，一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成。其主要组成部分就是火灾探测器。火灾探测器是识别火灾是否发生的专门仪器，根据建筑物或实地场所的要求，安装不同类型的火灾探测器。火灾探测器主要分为两种：即感烟探测器、感温探测器和光辐射探测器三大类，从物理作用上区分，可分为离子型、光电型。从信号方式区分，可分为开关型，模拟型及智能型。感温式探测器又可分为定温探测器、差温探测器、差定温探测器；感烟式探测器分为离子感烟探测器、光电感烟探测器；感光式探测器分为紫外光焰探测器、红外光焰探测器等。其中离子感烟探测器稳定性能较好，误报率又低，寿命长等优点，在火灾报警系统中被广泛使用。 目前，智能型火灾报警控制装置的优点大多由微处理器组成。智能型火灾报警控制装置的发展具有以下特点： （1）系统规模大 随着火灾自动报警控制装置技术的发展，火灾自动报警控制装置的容量不断大。系统可编地址，火灾报警显示发生地点，并发出声光报警，目前有的火灾报警控制装置的最大地址数(回路数)达到上万个。（2）探测对象多样化 火灾自动报警控制装置除了有火灾报警功能外，还有防盗报警、燃气泄漏报警功能等。（3）功能模块化、软件化，火灾自动报警控制装置采用可编址功能模块，对制造、设计、维修有很大方便。大部分功能通过软件设定，便于系统功法减低误报率。（4）系统集散化 它本身是集散系统，功能集中，系统分散，一旦某一部分发生故障，不会对其他部分造成影响。联网功能增强，应用网络技术，不但火灾自动报警控制装置可以相互连接，而且可以和建筑物自动控制系统联网，增强了综合防灾能力，多个建筑物的控制系统也可以连接起来，相互传递信息，便于发挥智能建筑的优越性。（5）功能智能化 在火灾自动报警控制装置中采用模拟火灾探测器，具有高灵敏度和蓄积时间设定能力。有的火灾探测器内置微处理器，具有信号处理能力，形成分布式智能系统。应用分布式智能技术，可减少误报的可能性，在火灾自动报警系统中采用人工智能、火灾数据库、模糊逻辑理论、人工神经网络等技术。根据火灾报警系统中所使用的探测器种类的不同，火灾报警系统可以分为以下四种： （1） 感温型火灾报警系统 由于火灾发生时燃烧物会产生大量的热量，使得周围温度迅速变化。感温型火灾报警系统就是通过判断周围温度变化而产生响应的火灾报警系统，再把温度的变化转换为电信号以达到判断报警的目的。根据探测温度参数的不同，一般可将感温性火灾报警系统分为定温式和温差式等几种。 (2)感烟型火灾报警系统 烟雾是早期火灾的重要特征之一。在火灾发生的初期，由于温度比较低，许多物质都处于阴燃阶段，产生大量的烟雾。感烟型火灾报警系统就是对空气中可见或不可见的烟雾粒子进行探测，然后将烟雾浓度的变化转换为电信号来触发报警。感烟型火灾报警系统主要有激光感烟式、光电感烟式和离子感烟式等。 （3） 感光型火灾报警系统 物质燃烧不但会产生烟雾和热量，同时也会产生可见或不可见的光辐射。感光型火灾报警系统就是通过响应火灾中产生的光特性，即扩散火焰的光强度和闪烁频率，来触发报警系统的。根据感应的敏感波长，可以将感光型火灾报警系统分为对波长较短的光辐射敏感的紫外报警系统和对波长较长的光辐射敏感的红外报警系统。（4）复合型火灾报警系统 如果报警系统同时对温度、烟雾和光辐射中的两种或两种以上参数做出响应，那么它就是复合型火灾报警系统。目前复合型火灾报警系统有感温感烟型、感烟感光型、感温感光型等多种形式。第3章 系统硬件设计3.1 核心芯片的选择3.1.1 芯片AT89C52在火灾报警器的设计中，单片机是其核心部件。它一方面要接收来自传感器送来的温度、烟雾对应的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对这两种信号分别进行处理，以控制后续电路进行相应动作；与此同时查询是否有键按下的请求。在单片机完成这些工作的过程中，尤其是信号处理中，比较浓度值后送入显示的软件实现比较复杂，要求单片机具备较快的运算速度，使检测人员能够较准确地观测到烟雾浓度，并根据情况进行相应的处理。并且也要考虑选择低价实用的机型，并为研制同一系列的低功耗产品做准备。根据多方面的比较，本设计选用ATMEL公司的AT89C52单片机作为控制器。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。 AT89C52片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间，支持最大64K外部存储扩展。根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在0-24M之间。片内资源有32个双向I/O控制端口、3个16位可编程定时/计数器中断、低功耗空闲和掉电模式、软件设置睡眠和唤醒功能、看门狗和断电保护。可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。AT9C52的引脚图如图3-1所示：图3-1 AT89C52引脚图3.1.1.1 AT89C52引脚说明引脚功能说明如下：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P1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口在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（ILL）这是由于上拉的缘故。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器（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。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。石晶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。有余输入质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。3.1.1.2 AT9C52特性详解特殊功能寄存器：在AT89C52 片内存储器中，80H-FFH 共128 个单元为特殊功能寄存器（SFE）。并非所有的地址都被定义，从80HFFH 共128 个字节只有一部分被定义，还有相当一部分没有定义。对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数值将不确定，而写入的数据也将丢失。不应将数据“1”写入未定义的单元，由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能，在这种情况下，复位后这些单元数值总是“0”。AT89C52除了与AT89C51所有的定时/计数器0 和定时/计数器1 外，还增加了一个定时/计数器2。定时/计数器2 的控制和状态位位于T2CON（参见表3）T2MOD（参见表4），寄存器对（RCAO2H、RCAP2L）是定时器2 在16 位捕获方式或16 位自动重装载方式下的捕获/自动重装载寄存器。数据存储器：AT89C52 有256 个字节的内部RAM，80H-FFH 高128 个字节与特殊功能寄存器（SFR）地址是重叠的，也就是高128字节的RAM 和特殊功能寄存器的地址是相同的，但物理上它们是分开的。当一条指令访问7FH 以上的内部地址单元时，指令中使用的寻址方式是不同的，也即寻址方式决定是访问高128 字节RAM 还是访问特殊功能寄存器。如果指令是直接寻址方式则为访问特殊功能寄存器。例如，下面的直接寻址指令访问特殊功能寄存器0A0H（即P2 口）地址单元。MOV 0A0H，#data间接寻址指令访问高128 字节RAM，例如，下面的间接寻址指令中，R0 的内容为0A0H，则访问数据字节地址为0A0H，而不是P2 口（0A0H）。MOV R0，#data堆栈操作也是间接寻址方式，所以，高128 位数据RAM 亦可作为堆栈区使用。定时器2：定时器2 是一个16 位定时/计数器。它既可当定时器使用，也可作为外部事件计数器使用，其工作方式由特殊功能寄存器T2CON（如表3）的C/T2 位选择。定时器2 有三种工作方式：捕获方式，自动重装载（向上或向下计数）方式和波特率发生器方式，工作方式由T2CON 的控制位来选择。定时器2由两个8位寄存器TH2 和TL2 组成，在定时器工作方式中，每个机器周期TL2 寄存器的值加1，由于一个机器周期由12 个振荡时钟构成，因此，计数速率为振荡频率的1/12。在计数工作方式时，当T2 引脚上外部输入信号产生由1 至0 的下降沿时，寄存器的值加1，在这种工作方式下，每个机器周期的5SP2 期间，对外部输入进行采样。若在第一个机器周期中采到的值为1，而在下一个机器周期中采到的值为0，则在紧跟着的下一个周期的S3P1 期间寄存器加1。由于识别1 至0 的跳变需要2个机器周期（24 个振荡周期），因此，最高计数速率为振荡频率的1/24。为确保采样的正确性，要求输入的电平在变化前至少保持一个完整周期的时间，以保证输入信号至少被采样一次。捕获方式：在捕获方式下，通过T2CON 控制位EXEN2 来选择两种方式。如果EXEN2=0，定时器2 是一个16 位定时器或计数器，计数溢出时，对T2CON 的溢出标志TF2 置位，同时激活中断。如果EXEN2=1，定时器2 完成相同的操作，而当T2EX 引脚外部输入信号发生1 至0 负跳变时，也出现TH2 和TL2 中的值分别被捕获到RCAP2H 和RCAP2L 中。另外，T2EX 引脚信号的跳变使得T2CON 中的EXF2 置位，与TF2 相仿，EXF2 也会激活中断。时钟振荡器：AT89C52 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1 和XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图10。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2 虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30pF10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF10F。用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图10 右图所示。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1 端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2 则悬空。由于外部时钟信号是通过一个2 分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。Flash存储器的编程：AT89C52单片机内部有8k字节的Flash PEROM，这个Flash 存储阵列出厂时已处于擦除状态（即所有存储单元的内容均为FFH），用户随时可对其进行编程。编程接口可接收高电压（+12V）或低电压（Vcc）的允许编程信号。低电压编程模式适合于用户在线编程系统，而高电压编程模式可与通用EPROM 编程器兼容。AT89C52 单片机中，有些属于低电压编程方式，而有些则是高电压编程方式，用户可从芯片上的型号和读取芯片内的签名字节获得该信息。AT89C52 的程序存储器阵列是采用字节写入方式编程的，每次写入一个字节，要对整个芯片内的PEROM 程序存储器写入一个非空字节，必须使用片擦除的方式将整个存储器的内容清除。中断：AT89C52 共有6 个中断向量：两个外中断（INT0 和INT1），3 个定时器中断（定时器0、1、2）和串行口中断。所有这些中断源如图9 所示。这些中断源可通过分别设置专用寄存器IE 的置位或清0 来控制每一个中断的允许或禁止。IE 也有一个总禁止位EA，它能控制所有中断的允许或禁止。其中的IE.6 为保留位，在AT89C51 中IE.5 也是保留位。程序员不应将“1”写入这些位，它们是将来AT89 系列产品作为扩展用的。定时器2 的中断是由T2CON 中的TF2 和EXF2 逻辑或产生的，当转向中断服务程序时，这些标志位不能被硬件清除，事实上，服务程序需确定是TF2 或EXF2 产生中断，而由软件清除中断标志位。定时器0 和定时器1 的标志位TF0 和TF1 在定时器溢出那个机器周期的S5P2 状态置位，而会在下一个机器周期才查询到该中断标志。然而，定时器2 的标志位TF2 在定时器溢出的那个机器周期的S2P2 状态置位，并在同一个机器周期内查询到该标志。空闲节电模式：在空闲工作模式状态， CPU 自身处于睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，同时将片内RAM 和所有特殊功能寄存器的内容冻结。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。由硬件复位终止空闲状态只需两个机器周期有效复位信号，在此状态下，片内硬件禁止访问内部RAM，但可以访问端口引脚，当用复位终止空闲方式时，为避免可能对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。掉电模式：在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM 和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器，但不改变RAM中的内容，在Vcc恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。 此外，AT89C52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。3.1.2 单片机的外围接口电路AT89C52单片机的外围接口电路如图3-2所示，主要包括：1. 晶振电路：内部时钟电路的晶振频率一般选择在4MHZ12MHZ之间（本设计选用11MHZ），外接两个谐振电容。该电容的典型值为30pF,该设计选用33pF。2. 看门狗电路：在由单片机构成的微型计算机系统中,由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰,造成程序的跑飞,而陷入死循环,程序的正常运行被打断,由单片机控制的系统无法继续工作,会造成整个系统的陷入停滞状态,发生不可预料的后果,所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑,便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的芯片,俗称看门狗。采用89C51单片机和X25045组成的看门狗电路,X25045芯片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间。在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动，则X25045将从RESET输出一个高电平信号，经过微分电路C2、R3输出一个正脉冲，使CPU复位。CPU的复位信号共有3个：上电复位(C1、R2)，人工复位(S、R1、R2)和Watchdog复位(C2、R3)，通过或门综合后加到RESET端。C2、R3的时间常数不必太大，有数百微秒即可，因为这时CPU的振荡器已经在工作。图3-2 单片机外围接口3.2 信号采集与处理电路3.2.1 传感器的工作原理及组成 传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。传感器输出信号有很多形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形式由传感器的原理确定。传感器的组成：一般讲传感器由敏感元件和转换元件组成。但是由于传感器输出信号一般都很微弱。需要有信号调节与转换电路将其放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的形式。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。因此，信号调节与转换电路以及所需电源都应作为传感器组成的一部分。如图3-3所示：图3-3 传感器组成常用的信号调节与转换电路有放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等，它们分别与相应的传感器相配合。火灾发生时，必然会伴随着产生烟雾、高温和火光，探测器对这些都很敏感。当有烟雾、高温、火光产生的时候，它就改变平时的正常状态，引起电流、电压或机械部分发生变化或位移，再通过放大、传输等过程发出警报声，有的还能同时发出灯光信号并显示发生火灾的部位、地点。 火灾探测器主要分感烟、感温、光辐射三大类： （1） 感烟探测器。一种是离子感烟探测器，它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正负离子，在电场的作用下各向正负电极移动。在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。一旦有烟雾窜逃外电离室，干扰了带电粒子的正常运动，电流、电压就有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是就发出了信号。还有一种叫光电感应探测器，它有一个发光元件和一个光敏元件，平常光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如果有烟雾从中阻隔，到达光敏元件上的光就显著减弱，于是光敏元件就把光强的变化变成电的变化，通过放大电路向人们报警。还有一种叫管道抽吸式感烟探测器，他的工作原理与光电感应探测器中另一种散射型相似，通过烟雾的反射或散射产生光敏电流，主要用在船舶上。近年来还出现了激光感烟探测器，它也是利用光电感应原理，不同的是光源改用激光束。这种探测器采用半导体器件，体积小、价 宿州学院 2012届毕业设计 第4页 格低、耐震动、寿命长，很有发展前途。（2） 感温探测器。一种是运用金属热胀冷缩的特性。正常的情况下，探测器的电路断开，当温度升到一定值时，由于金属膨胀、延伸，导体接通，于是发出了信号。一种是利用某些金属易熔的特性，在探测器里固定一块低熔点合金，当温度升到它的熔点（7090）时，金属熔化，借助弹簧的作用力，使触头相碰，电路接通，发出信号。这两种探测器都属定温型，即当外界温度超过某一限值时就会报警；还有一类是差温型，升温的速度超过特定值时，便会感应报警。如将两者结合起来，便成为差定温组合式。 （3） 光辐射探测器。一种是红外光辐射探测器。物质在燃烧时，由化学反应产生闪烁的红外光辐射使硫化铅红外光敏元件感应，转变成电信号，经放大后，就能向人们报警。另一种是紫外光辐射探测器，则利用有机化合物燃烧时，火光中的紫外光，使紫外光敏管的电极激发出离子，通过继电器等，就能打开开关电路报警。3.2.2 温度传感器本设计中将采用温度传感器AD590作为现场火灾信息的采集工作。AD590是美国Analog Devices公司生产的一种电流型二端温度传感器。由于AD590是电流型温度传感器，他的输出同绝对温度成正比，即1A/k，而数模转换芯片ADC0809的输入要求是电压量，所以在AD590的负极接出一个10 k的电阻R1和一个100的可调电阻W，将电流量变为电压量送入ADC0809。通过调节可调电阻，便可在输出端VT获得与绝对温度成正比的电压量，即10 mV/K。 AD590只需单电源工作，输出的是电流而不是电压，因此，抗干扰能力强，要求的功率很低（1.5mV/+5V/+25C），使得AD590特别适于工作运动测量。因为是高阻抗电流输出，所以长线上的电阻对器件工作上影响不大。用绝缘良好的双绞线连接，可以使器件在距电源25m处正常工作。高输出阻抗又能极好的消除电源电压漂移和纹波的影响，电源由5V变到10V时，最大只有1A的电流变化，相当于1C的等效误差。输出特性也使得AD590易于老化，可以使CMOS多路转换器来开关期间的输出电流或用逻辑门的输出作为器件的工作电源来切换。还要指出的是，AD590能经受高至44V的正向电压和20V的反向电压，因而不规则的电源变化或管脚反接也不会损坏器件。AD590如图3-4所示：图3-4 AD5903.2.3 传感器的放大电路集成电路是利用各种不同的加工工艺，在一块连续的衬底材料上同时做出大量的三极管、二极管和电阻等电路元件，并把他们互连而成。这些元件尺寸极小、元件密度高、引线短，使得外部接线大为减少，从而提高了电子设备的可靠性与灵活性，降低了成本，使电子设备的装配大为减化，为电子技术的应用开辟了一个崭新的时代。集成运算放大器就是其中之一，它是一个具有高放大倍数的直接耦合放大器。它首先被应用于模拟计算机的数值运算，所以称之为运算放大器。随着电子技术的发展，运算放大器的应用早已远远超出数值运算的范畴，作为一种放大器件，它广泛应用在测量、控制、通信、信号变换等各个方面。因此，集成运算放大器已成为模拟电路中的一个基本单元电路。可以这么说，凡需要电压放大的场合，都会首先考虑采用运算放大器。3.2.3.1 集成运算放大器的组成集成运算放大器的种类繁多，内部电路各不相同，但原则上它们都是由输入级、中间放大级、低阻输出级偏置电路组成，其构成框图如图3-5所示。输入级有和两个输入端。当在端输入时，输出信号与的极性相同，故称端为同相端；当在端输入时，输出信号与的极性相反，故称端为反相输入端。如图3-5为集成运算放大器的电路框图，图3-6为集成运算放大器的符号。图3-5 集成运算放大器电路框图图3-6 集成运算放大器符号3.2.3.2 差动放大电路 如果将输入信号同时加到运算放大器的同相端和反相输入端，便构成了差动放大电路，如图3-7所示：图3-7 差动放大电路下面讨论差动放大电路输入与输出之间的关系。首先假设同相输入端对地短接，显然电路变成了反相放大器。如果再假设和同时输入，其输出电压应是和共同作用的结果，即上式右边第一项代表反向放大器的输出，而第二项代表同相放大器的输出。若令，则 上式是差动放大电路的常用公式，起输出增益取决于上式说明在四个电阻值相等的条件下，差动放大电路成为了一个减法器，其输出为两个输入信号直接相减。这种差动放大电路在测量仪器及仪表中应用很广泛。3.2.3.3 仪表放大电路如图3-8所示的仪表放大器是由三个运算放大器组成的差动放大器，由于它主要用于测量仪表中，所以称为仪表放大器。目前仪表放大器已实现集成化，即将三个运算放大器集成在一个硅片上，形成了一种专用的高精密度仪表放大器，像美国生产的INA101就是这种集成电路。 在图3-8中，A1和A2都为同相放大器，A3为差动放大器，它把A1和A2的差动输出变成单端输出。通常A3组成减法器，即R3=R4=R5=R6。当R1=R2时放大器的增益为R1/RP，调节电位器RP，便可改变增益的大小。图3-8 仪表放大电路仪表放大器特别适合用于弱信号的放大，因此它常用作传感信号的放大，如热敏电阻传感信号、应变式传感信号、远距离传感信号等。因此，它在各种测量仪器、仪表和医疗仪器等领域得到了广泛的应用。对于传感器输出的微弱的模拟电压信号，可以用如图3-9的方式调理和放大得到较强的模拟电压信号，输出送入A/D转换电路。图3-9 信号放大与调理电路3.3 A/D转换模块3.3.1 A/D转换器的原理A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。 A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等。 A/D转换器的工作原理主要有以下三种方法：逐次逼近法 、双积分法、电压频率转换法 。A/D转换有四个步骤：采样、保持、量化、编码。A/D转换器的主要技术参数如下：（1）分辨率：分辨率是指输出数字量变化一个最小单位(最低位的变化)，对应输入模拟量需要变化的量。 输出位数越多，分辨率越高。通常以输出二进制码的位数表示分辨率。（2）转换特性：输入的是n位二进制数字信息B，输出的是与输入数字量成正比例的电压或电流。（3）线性度：当数字量变化时，D/A输出的电模拟量按比例关系变化的程度。模拟量输出偏离理想输出的最大值称为线性误差。（4）精度： 实际输出值与理论计算值之差。这种差值是由转换过程中的各种误差引起的，主要指静态误差，它包括以下几种：非线性误差，比例系数误差，漂移误差，转换时间。此外，还有输入低电平、电源电压范围、基准电压范围、温度系数等参数。A/D转换器功能模块图如图3-10所示：图3-10 A/D转换功能模块下面简要介绍常用的几种类型的基本原理及特点：积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、-调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。1） 积分型（如TLC7135）：积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率， 但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。初期的单片AD转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。2） 逐次比较型（如TLC0831）：逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出 数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（12位）时价格很高。3） 并行比较型/串并行比较型（如TLC5510）：并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash(快速)型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。 串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为 Half flash(半快速)型。还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型AD，而从转换时序角度 又可称为流水线（Pipelined）型AD，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类AD速度比逐次比较型高，电路 规模比并行型小。 4） -(Sigma?/FONTdelta)调制型（如AD7705）：-型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。5） 电容阵列逐次比较型 ：电容阵列逐次比较型AD在内置DA转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列DA转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高 精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片AD转换器。最近的逐次比较型AD转换器大多为电容阵列式的。6） 压频变换型（如AD650）：压频变换型（Voltage-Frequency Converter）是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成AD转换。3.3.2 ADC0809芯片简介常用的集成A/D转换器有8位、10位、12位、16位等，每种又可分为不同的型号。本设计采用ADC0809作为A/D转换模块芯片。ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。ADC080