火灾探测及联动报警系统的毕业设计.doc

火灾探测及联动报警系统的毕业设计 1 绪论1.1 本文研究的背景 自本世纪80年代以来,随着电子产品在人们生活中的使用越来越广泛,由此引起的火灾也越来越多了,在我们生活的周围潜伏着各种各样的火灾隐患!火灾作为一种发生频率高、破坏性强的灾害,受到人们的大力重视1。每年有很多人在火灾中丧命,大多数重大的火灾都发生在人们不知道的时候,因为人们不能及早意识到火情,直到意识到火灾发生时已经没有充足的时间来逃离了。随着经济和城市建设的快速发展,城市高层、地下建筑以及大型市场日益增多,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。这对建筑物消防安全提出了更高的要求,要求火灾报警系统能够快速反应并作出有效处理。随着楼宇智能化系统的不断发展,作为楼宇智能化的重要构成部分,火灾报警系统是预防火灾的一项基础实施,应用范围广泛2。火灾报警及联动消防系统在防止和减少火灾危害、保护人身和财产安全方面作用不断显现。1.2 国内外火灾报警系统的发展现状 国际上的那些发达国家,普遍具有相对完善的火灾预防、报警、扑救以及善后处理等消防体系。那些国家每个财政年度都会从税收中拨付巨款用于更新维护消防设备,培训相关人员。美国、英国、法国等国使用计算机把各个用户的终端传感器和信号采集设备连接起来,这样计算机可实时采集数据,以此来对自动火灾报警系统进行实时监控和操作,并且可将故障进行远程传输3。目前,德国、美国、日本、法国等国家都已经拥有将火灾报警系统应用于城市当中的成功经验,值得我国借鉴。多年来,这些国家已经把火灾自动报警系统接入到公共监控系统当中,通过公共监控系统能够让消防指挥中心及时准确发现火灾隐患和地点,判断出火灾的类型,进而根据情况需要调集消防力量及时控制火灾。另外,这些国家对于这类监控系统的管理也很成功,他们都制定有相应的规范,并且成立相应的机构,该机构的职责就是确保火灾报警数据的通信畅通,为终端和控制用户提供优质的预防服务,同时这一机构还向消防机构提供可靠的火灾情报。消防机构负责对该机构进行资质审查和监督管理。通过多年的运行,事实证明这种管理运作模式非常实用,效果很好。 我国要比那些发达国家晚几十年研究火灾报警系统,是从上个世纪70年代才开始的。到了80年代,主要是对外国产品的仿制与技术引进,没有什么真正的核心技术,市场发育也不完善,仅仅是开始。随着改革开放,很多国外的企业进入到我国,参与到我们国内的消防产品市场。他们带来了一些在消防领域先进的技术,同时还促进了我国消防产品市场的成熟。通过这一过程,我国相关企业迅速成长,他们通过合资或是技术合作等方式,做大做强,不仅实力雄厚,而且还拥有一些核心自主技术,这些技术有些已达到了国际先进水平。 火灾自动报警系统,从发展过程来看,大体可分为三个阶段。第一阶段为多线型火灾自动报警系统。每个探测器除需提供两根电源线外,还需要提供一根报警信号线,探测器电源由报警系统提供,探测器的信号线均连接到报警显示盘上,报警时点亮相应的指示灯4。如日本“日探”公司生产的cpf火灾报警系统。此类系统的功能一般以报警为主,辅以一些简单的联动功能也为多线制,如驱动警铃等,其报警器队外围探测器,无故障检测功能,只会对电源线的断线作出故障反应,安装此类系统比较繁锁,特别是校线工作量较大。 第二阶段为总线型火灾自动报警系统,己采用微处理器控制。其线制一般为四线制、三线制、二线制。探测器和模块通过总线与控制器实现信号传送。其探测器的输出形式为开关量,它的灵敏度在制造时,通过硬件决定,不可调整。此类系统可通过各种模块对各联动设备实行较复杂的控制。此类系统已具有系统自检以及对外围器件的故障检验等功能,但对故障类型不能区分。目前国内生产的火灾自动报警系统大多数为此类产品。由于此类产品具有先进的报警和控制功能,施工、安装较为方便,且价格较低,己被大量使用。 第三阶段为智能型火灾自动报警系统,由于采用了先进的计算机控制技术,对传感器输出信号的调理具有智能性,其智能化程度大大提高。探测器的输出形式采用模拟量,并可通过软件对其灵敏度根据使用场合、时间进行设定和调整,如可设定白天、夜间、休息日不同灵敏度。对探测器的使用环境参数变化较大的场所,灵敏度设定相对低一些,对环境较稳定或一些重要的场所,灵敏度设定相对高一些,这一功能可提高系统的稳定性及可靠性,减少误报。1.3 本题目研究的目的和意义 本联动系统主要应用于智能建筑。其中,监视现场环境状况的火灾报警探测器可以比作是系统的“感觉器官”,控制器负责监视探测器以及系统自身的工作状况、对探测器探测到的发送过来的信息进行处理和判断,判断出结果后,要将结果输出显示或是发出相应的报警。它是火灾探测及联动报警系统的主要组成部分可以称为是系统的“大脑”,是整个系统的核心。 尽管近年我国不断加大消防整治力度,也取得了不少成绩,但是与西方发达国家相比,差距非常大,我国的千次火灾死亡人数比起那些发达国家来,要多得多,火灾形势非常严峻。改革开放以来,我国的经济发展迅速,人民生活水平大幅度提高,塑料制品以及双层玻璃等建材在在建筑中大量的应用,都使得火场的外部救援困难加大。因而,设计简单实用的火灾探测及联动报警系统对减少和防止火灾危害、保护人身与财产安全有着重要的意义。1.4 主要研究与安排 首先对现有的火灾报警系统进行初步认识,分析系统整体功能。然后设计系统的监控、报警、状况显示等各种功能模块,在提高火灾报警系统探测效率的同时,更要注重对火灾报警系统的联动控制的分析和研究。分模块来实现报警系统的各个部分的功能,最后完成硬件设计原理图。 本文的主要内容分以下几章: 第一章,绪论,介绍整个系统研究背景,讲述火灾报警的发展与趋势和本次设计的目的及意义。 第二章,系统总体方案的确定,进行系统的方案介绍,芯片选型等等。 第三章,系统硬件方案设计,主要进行at89s52单片机及其外围电路的设计,以及液晶显示电路、报警电路按键电路等等的设计。 第四章,系统软件方案介绍,介绍单片机编程过程,液晶显示程序,按键程序等。 第五章,进行系统的仿真设计,并记录结果。 第六章,总结与展望,简述了设计过程中遇到的问题与解决方法,并对本次设计的火灾探测及联动报警系统的优缺点作出了分析和展望。2 系统总体方案的确定2.1 系统的功能要求 本文欲设计一个应用于智能建筑中的火灾探测及联动报警系统,实现对火灾事故的早期探测与报警。要求系统具有探测器管理、预报警、火灾预期处理、数据通讯等功能,并将各种信息通过lcd显示器进行显示。2.2 系统的总体方案设计2.2.1 系统的组成 根据系统的设计要求,并结何器件的功能特点,得出系统的整体设计框图,如图2.1,系统主要由信号采集部分、核心控制部分、消防联动部分和液晶显示部分、通信部分以及外围电路组成。图2.1 火灾探测及联动报警系统结构图 信号采集部分:采集电路由温度采集和烟雾采集两部分组成,时刻对建筑物内的温度和烟雾情况进行监控,并向控制芯片输送经处理后有效的信号,以便系统的控制部分能及时对采集来的信息进行分析和处理。 核心控制部分:作为系统的大脑,是系统的核心单元。主要负责分析与接收采集来的信号,经单片机最小系统处理后,输出控制信号与显示信号。本文拟采用at89s52单片机为核心芯片,扩展其最小系统(晶振电路、供电电路等)来作为本设计的核心控制部分。 消防联动部分:主要功能是进行火灾的预期处理,控制火势。它包括喷淋、排风、防火门。能在火灾发生后有效的保证人们的人身安全。 液晶显示部分:进行温度和烟雾的数值显示,以便安保人员能时时查看,并在火灾发生时显示报警。是火灾监控的另一个有力保障。 外围电路:包括组成单片机最小系统的复位电路和时钟电路,以及主要功能为模拟信号的处理的a/d转换电路、蜂鸣报警等。它的硬件主要包括组成单片机最小系统的各部分电路元件、a/d转换芯片、蜂鸣报警器、信号疏散灯等。 通信部分:主要作用是与上位机通信。它主要由电平转换芯片和串行接口外加其它电路元件组成串行接口电路。2.2.2 系统的工作原理 本设计以at89s52单片机为核心,通过一系列外围辅助设备,使系统能够在单片机的控制下完成对火灾信号的采集、转换、识别,并通过蜂鸣器进行报警,通过lcd显示报警参数,最终通过单片机控制继电器驱动电路的输出来启动自动喷洒系统进行灭火,启动排烟系统进行排烟降温等。 结合系统框图和设计要求,并在综合考虑了所有问题的基础上,得出了系统的实现方案。系统方案的实现原理主要分四步:传感器采集数据ad转换运算处理根据处理结果控制。2.3 系统主要器件的选型2.3.1 单片机的选型 在本设计中单片机是系统的控制核心,因此,单片机的选择对于该系统功能要求的实现以及功能的扩展有着很大的影响。atmel 公司的at89s52单片机是一种低功耗、高性能cmos8位微控制器,具有8k在系统可编程flash 存储器。与mcs-51单片机产品兼容,同时它还具有8k字节flash,256字节ram,32 位i/o 口线,看门狗定时器,2 个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。另外,at89s52可降至0hz 静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,cpu 停止工作,允许ram、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下,ram内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止5。 综合分析了以上功能,at89s52满足本次设计要求,因此选择使用at89s52单片机。并将在论文第三章硬件设计中详述其结构功能。2.3.2 烟雾传感器的选型 烟雾传感器是火灾探测的重要组成部分,通过它来监控烟雾浓度的时时变化并将信息及时传送至控制芯片。mq-2/mq-2s气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡sno2,其外观如图2.2所示。当传感器所处环境中存在烟雾时,传感器的电导率随空气中烟雾浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。因此本设计选择用mq-2/mq-2s气体传感器。 图2.2 mq-2型传感器的外观 mq-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器属于气敏传感器,是气-电变换器,它将可燃性气体在空气中的含量即浓度转化成电压或者电流信号,通过a/d转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机,进而由单片机完成数据分析及报警控制等工作6。 mq-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料,属于表面离子式n型半导体。当处于200300c温度时,二氧化锡吸附空气中的氧,形成氧的负离子吸附,使半导体中的电子密度减少,从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时,如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化,就会引起表面电导率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息。遇到可燃烟雾(如ch4等)时,原来吸附的氧脱附,而由可燃烟雾以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面;氧脱附放出电子,烟雾以正离子状态吸附也要放出电子,从而使二氧化锡半导体导带电子密度增加,电阻值下降。而当空气中没有烟雾时,二氧化锡半导体又会自动恢复氧的负离子吸附,使电阻值升高到初始状态。这就是mq-2半导体型可燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的基本原理。其内部结构如图2.3。 图2.3 mq-2型传感器的内部结构图2.3.3 数字温度传感器的选型 ds18b20是dallas公司的最新单总线数字温度传感器,支持单总线接口,现场温度直接以单总线数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。ds18b20适合用于恶劣环境的现场温度测量,与前一代产品不同,ds18b20传感器支持3v5.5v的电压范围,使系统设计更灵活、方便。而且ds18b20传感器比前一代产品更便宜,体积更小。因此本设计选择使用ds18b20单总线数字温度传感器。 ds18b20单总线数字温度传感器的技术特性如下: 1)独特的单线接口方式,ds18b20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与ds18b20的双向通讯。 2)测温范围 -55+125,固有测温分辨率0.5。 3)支持多点组网功能,多个ds18b20可以并联在唯一的三线上,最多只能并联8个,实现多点测温,如果数量过多,会使供电电源电压过低,从而造成信号传输的不稳定。 4) 工作电源: 3 v5.5v/dc 。 5)在使用中不需要任何外围元件 。 6) 测量结果以912位数字量方式串行传送。 2.3.4 ad转换芯片的选型 本次设计的ad转换芯片采用adc0809。adc0809具有八位输出精度,能够将模拟量转化为八位数字量,交由单片机进行处理。adc0809具有使用方便,操作简单等功能,可由单片机直接提供其转换所需的控制信号,时钟信号,每次完成转换时间迅速,满足设计需求。同时adc0809具有体积小、价格便宜等优点,广泛应用于精度要求适中的控制系统中。因此,本系统最终选用adc0809,作为电压转换芯片。2.3.5 液晶显示模块芯片的选型 lcd为英文liquid crystal display的缩写,即液晶显示器,是一种数字显示技术,可以通过液晶和彩色过滤器过滤光源,在平面面板上产生图象。在实际应用中,用户很少直接设计lcd显示器驱动接口,一般是直接使用专用的lcd显示驱动器和lcd显示模块。其中,lcd显示模块lcm(liquid crystal display module)是把lcd显示器、背景光源、线路板和驱动集成电路等部件构成一个整体,作为一个独立的部件使用,具有功能较强、易于控制、接口简单等优点,在单片机系统中应用较多7。 而本次选择的是lcd12864液晶显示模块,具有功耗低、连接方便等特点,已经成为单片机应用设计中最常用的信息显示器件。 3 火灾探测及联动报警系统的硬件设计3.1 温度采集电路的硬件设计3.1.1 ds18b20内部结构和功能简介 ds18b20内部结构主要由四部分组成:64位光刻rom、温度传感器、温度报警触发器th和tl、配置寄存器。dq为数字信号输入/输出端;gnd为电源地;vdd为外接供电的电源输入端,内部结构图如图3.1所示。 图3.1 ds18b20内部结构图 ?ds18b20的管脚排列如图3.2所示。 图3.2 dsb1820的外部管脚排列图 s18b20引脚定义: 1i/o为数字信号输入/输出端; 2gnd为电源地; 3vdd为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。 ds18b20可以程序设定912位的分辨率,及把用户设定的报警温度存储在eeprom中,掉电后依然保存。ds18b20的性能是新一代产品中最好的。性价比也非常出色。ds18b20开辟了温度传感器技术的新概念,ds18b20的电压、特性及封装有更多的选择。 光刻rom中的64位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该ds18b20的地址序列码。64位光刻rom的排列是:开始8位(28h)是产品类型标号,接着的48位是该ds18b20自身的序列号,最后8位是前面56位的循环冗余校验码。光刻rom的作用是使每一个ds18b20都各不相同,这样就可以实现一根总线上挂接多个ds18b20的目的8。3.1.2 ds18b20的工作原理 s18b20中的温度传感器可完成对温度的测量,在12位转化分辨率时,用16位符号扩展的二进制补码形式提供,以0.0625/lsb形式表达,温度值格式如表3.1所示,其中s为符号位。 表3.1 ds18b20 温度值格式表sssss 12位分辨率转化后得到的12位数据,存储在18b20的两个8比特的ram中,二进制中的前面5位是符号位,如果测得的温度大于0,这5位为0,只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度;如果温度小于0,这5位为1,测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。 表3.2 部分温度对应值表 温度/二进制表示十六进制表示 +125 0000 01111101 0000 07d0h +85 0000 01010101 0000 0550h +25.0625 0000 00011001 0000 0191h +10.125 0000 00001010 0001 00a2h +0.5 0000 00000000 0010 0008h 0 0000 00000000 1000 0000h ds18b20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存ram和一个非易失性的可电擦除的eeram,后者存放高温度和低温度触发器th、tl和结构寄存器。 配置寄存器的内容用于确定温度值转换的数字分辨率,配置寄存器结构的意义如表3.3所示: 表3.3 配置寄存器结构意义tmr1r011111 低五位一直都是1 ,tm是测试模式位,用于设置ds18b20在工作模式还是在测试模式。r1和r0用来设置分辨率,如表3.4所示: 表3.4 温度分辨率设置表r1r0分辨率温度最大转换时间009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms 高速暂存存储器包含了8个连续字节,前两个字节是测得的温度信息,第一个字节的内容是温度的低八位,第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是th、tl的易失性拷贝,第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝,这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新9。第六、七、八个字节用于内部计算。第九个字节是冗余检验字节。ds18b20暂存寄存器各字节意义如表3.5所示: 表3.5 ds18b20暂存寄存器分布 温度 lsb 温度 msbth用户字节1tl用户字节2配置寄存器保留保留 3.1.3 基于ds18b20温度采集电路设计 本文中采用ds18b20温度传感器作为系统的温度采集部分。设计方法如下:vdd:为可选电源脚,电源电压范围3 v5.5v,当工作于寄生电源时,此脚必须接地。 dq:数据输入/输出脚。漏极开路,常态下接高电平。 gnd:采用外部电源方式,此脚不可悬空。 另外单总线需接一个约4.7k欧姆的上拉电阻,以保证单总线的闲置状态下为高电平。电路连接如图3.3所示。 图3.3 温度采集电路3.2 烟雾采集电路的硬件设计 在上一章主要器件的选型中,选用了mq-2/mq-2s气体传感器作为本次设计的烟雾模块探测器。mq-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡sno2。当传感器所处环境中存在可燃气体时,传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号10。 mq-2/mq-2s气体传感器的电路原理图如图3.4。 图3.4 mq-2/mq-2s气体传感器的电路原理图 因mq-2/mq-2s气体传感器输出的是模拟信号,因此需要经过模数转换。本次设计选取的转换芯片为adc0809,在整体电路中,采用网络标号的方法,根据烟雾浓度,输出为0到5v,mq-2具体电路设计如图3.5。 图3.5 烟雾采集电路原理图3.3 at89s52单片机及其外围电路设计3.3.1 at89s52单片机的结构和功能 89c51系列单片机最早是由intel公司开发和生产的,intel公司在1980年推出mcs-51单片机,也称89c51单片机。at89s52单片机是atmel公司1989年生产的产品,atmel率先把89c51内核与flash技术相结合,推出轰动业界的at89系列单片机11。因此,at89s52实际上是增强版的“89c51”系列单片机。 at89s52的电路原理图如下图3.6。 图3.6 at89s52电路原理图 40只引脚按照其功能来分,可分为3类: a电源及时钟引脚:vcc、vss;xtal1、xtal2。 b控制引脚:psen、ale、ea、reset。 ci/o口引脚:p0、p1、p2、p3,为4个8位i/o口的外部引脚。at89s52单片机的内部结构: 18位的cpu,片内有振荡器和时钟电路,工作频率为024mhz。 2)片内有256字节数据存储器ram。 3)片内有 8k字节程序存储器 rom。 4)4个8位的并行i/o口(p0、p1、p2、p3)。 5)1个全双工串行通讯口。 6)3个16位定时器/计数器(t0、t1、t2)。 7)可处理6个中断源,两级中断优先级。图3.7 at89s52单片机的内部结构图 本设计采用atmel生产的mcs-51系列的at89s52单片机芯片作为主芯片。具有如下功能:与mcs-51单片机产品兼容;8k字节在系统可编程flash存储器; 内部具有丰富资源,可以很好利用其内部定时器等;相比at89c51,芯片体积较小,且用电量很低;相对较多的io口,设计更加灵活;封装较为常见,方便进行设计。3.3.2 at89s52的时钟电路 时钟电路由外接谐振器的时钟振荡器、时钟发生器及关断控制信号等组成。时钟振荡器是单片机的时钟源,时钟发生器对振荡器的输出信号进行二分频,关断控制信号和旧用于单片机的功耗管理,降低单片机的功耗12。 本设计中,采用内部振荡方式进行时钟电路的设计,采用内部振荡时需在xtal1 和 xtal2脚接一只频率范围为033m赫兹的晶体振荡器或陶瓷振荡器及两只30pf或40pf的微调电容。因此,本文中采用11.0592m赫兹晶振(为了保证通信电路不产生误码,在本章第6节中将详述其原因)与两个30pf与地相连,并从xtal1输入,从xtal2输出。形成反馈电路,达到对单片机at8952的激励。 本系统的时钟电路如图3.8所示。 图3.8 at89s52时钟电路3.3.3 at89s52的复位电路 复位是指在规定的条件下单片机自动将cpu及与程序运行相关的主要功能部件、i/o口等设置为确定的初始状态的过程。at89s52单片机内部有一个由施密特触发器等组成的复位电路。本次设计采用上电复位的方式进行复位。上电时,rst下端高电平的维持时间取决于r和c的值。要使单片机可靠复位必须保证该维持时间足够长。 本系统单片机的复位电路,采用阻容式充放电原理,进行单片机上电自动复位功能。因此采用一个10uf的电解电容与一个10k电阻进行组合,设计成复位电路,如图3.9所示。 图3.9 at89s52复位电路3.4 a/d转换器芯片及其相关接口电路的设计3.4.1 adc0809简介 adc0809是adi公司生产的8位8通道ad转换芯片(模拟量转换为数字量),adc0809具有八位输出精度,转换精度达到1/28,本设计交由at89s52进行数据处理。adc0809使用方便,操作简单等功能,可由单片机直接提供其转换所需的控制信号,时钟信号,每次完成转换时间迅速,满足设计需求。 adc0809电路原理图如图3.10所示。 图3.10 adc0809电路原理图 adc0809的内部管脚功能图如图3.11所示。 图3.11 adc0809的内部管脚功能图 图中多路开关可选通8个模拟通道,允许8路模拟量分时输入,共用一个a/d转换器进行转换,这是一种经济的多路数据采集方法13。地址锁存与译码电路完成对a、b、c 3个地址位进行锁存和译码,其译码输出用于通道选择,其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出,因此可以直接与系统数据总线相连,表3.6为通道选择表。 表3.6 通道选择表 adc0809的封装为dip-28,采用两排直插式,符合多数封装定义。 主要引脚介绍功能如下: in0?in7为八路模拟量输入,输入范围根据参考电压可选择; clk输入时钟信号,主要为adc0809提供时钟信号; eoc转换表示位,根据时序,对单片机机型控制; abc对单片机八位的通道进行选择,其中ale为通道锁存信号,通过它来控制abc的输入; 电源输入为vcc,信号地位gnd。3.4.2 at89s52单片机与adc0809的接口设计 电路连接主要涉及两个问题。一是8路模拟信号通道的选择,二是a/d转换完成后转换数据的传送。 因此单片机p1口接收转换的数字量。模拟通道选择信号a、b、c都接地,因为只有一路模拟信号,而我们选择的是通道0,所以可以将通道选择按钮都接地,而地址锁存允许信号ale由p3.1控制。start信号接由p3.0控制。eoc通过一非门与单片机int1中断连接,则可以以中断的方式来判断何时adc0809转换完成。 另外参考电压直接利用本系统的vcc,因此要求vcc为标准的5v电压。因此正的参考电压输入端接+5v电压,负端接地,故而待转换的模拟量的范围为0v-5v。 adc0809与at89s52单片机的连接如图3.12所示。图3.12 adc0809与at89s52单片机的连接电路3.5 液晶显示模块的硬件设计3.5.1 fm12864m-12l液晶模块说明 液晶显示器lcd具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其它显示器无法比拟的优点,近几年来被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。lcd可分为段位式lcd、字符式lcd和点阵式lcd。其中,段位式lcd和字符式lcd只能用于字符和数字的简单显示,不能满足图形曲线和汉字显示的要求;而点阵式lcd不仅可以显示字符、数字,还可以显示各种图形、曲线及汉字、实现屏幕上下左右滚动、动画、分区开窗口、反转、闪烁等功能,用途十分广泛。而点阵式又分为带字库的和不带字库的,带字库的又分为带拼音输入法的和不带拼音输入法的。本控制器选用fm12864m-12l液晶模块,点阵图形型,带中文字库。在显示中文时可省去字模提取这一步骤14。 (1)总体描述 fm12864m-12l汉字图形点阵液晶显示模块,可显示汉字及图形,内置8192个中文汉字(16x16点阵)、128个字符(8x16点阵)及64x256点阵显示ram(gdram)。 主要技术参数和显示特性如下: 1电源:vdd 3.3v到+5v内置升压电路,无需负压; 2显示内容:128列 64行; 3显示颜色:黄绿; 4显示角度:6:00钟直视; 5lcd类型:stn; 6与mcu接口:8位或4位并行/3位串行;配置led背光; 7多种软件功能:光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等。 (2)模块引脚说明 fm12864m-12l一共有20个引脚,各引脚用法如表3.7所示。 表3.7 fm12864m-12l引脚说明表引脚号引脚名称方向功能说明1vss-模块的电源地2vdd-模块的电源正端3v0-lcd驱动电压输入端4rscsh/l并行的指令/数据选择信号;串行的片选信号5r/wsidh/l并行的读写选择信号;串行的数据口6eclkh/l并行的使能信号;串行的同步时钟7db0h/l数据08db1h/l数据19db2h/l数据210db3h/l数据311db4h/l数据412db5h/l数据513db6h/l数据614db7h/l数据715psbh/l并/串行接口选择:h-并行;l-串行16nc空脚17/reth/l复位 低电平有效18nc空脚19led_a-背光源正极(led+5v)20led_k-背光源负极(led-ov) 其工作条件为: a逻辑工作电压vdd:4.55.5v; b电源地gnd:0v; c工作温度ta:060常温 / -2075(宽温)。 (3)接口时序 模块有并行和串行两种连接方法。8位并行连接时序分为读和写两种,并行写时序如图3.13所示,并行读时序如图3.14所示,而串行读时序如图3.15所示。图3.13 并行写时序图图3.14 并行读时序图 图3.15 串行读时序 (4)显示ram 1、文本显示ram(ddram) 文本显示ram提供8个4行的汉字空间,当写入文本显示ram时,可以分别显示cgrom、hcgrom与cgram的字型;st7920a可以显示三种字型 ,分别是半宽的hcgrom字型、cgram字型及中文cgrom字型。三种字型的选择,由在ddram中写入的编码选择,各种字型详细编码如下: 显示半宽字型 :将一位字节写入ddram中,范围为02h-7fh的编码。 显示cgram字型:将两字节编码写入ddram中,总共有0000h,0002h,0004h,0006h四种编码。 显示中文字形:将两字节编码写入ddramk ,范围为a1a0h-f7ffhgb码或a140h-d75fhbig5码的编码。 2、绘图ram(gdram) 绘图显示ram提供1288个字节的记忆空间,在更改绘图ram时,先连续写入水平与垂直的坐标值,再写入两个字节的数据到绘图ram,而地址计数器(ac)会自动加一;在写入绘图ram的期间,绘图显示必须关闭,整个写入绘图ram的步骤如下: 首先:关闭绘图显示功能。 然后:先将水平的位元组坐标(x)写入绘图ram地址。 最后:再将垂直的坐标(y)写入绘图ram地址;将d15?d8写入到ram中;将d7?d0写入到ram中;打开绘图显示功能。绘图显示的缓冲区对应分布请参考“显示坐标”。3.5.2 fm12864m-12l与at89s52接口电路 目前,液晶显示模块与单片机的连接一共有四种方法:8位并行、4位并行、3位串行和2位串行。其中用得比较广泛的是8位和3位串行,下面就分别介绍一下这两种方法。 8位并行法首先使用at89s52单片机的8个i/o口(如p1.0-p1.7)分别与ms12864rlcm的8位数据口db0-db7相连,构成数据数据传输通道。另外单片机还需3个i/o口分别与lcm的读/写选择口(r/w)、数据/命令选择口(d/i)、使能信号输入口(e)连接。这种接法的优点是编程简单,易于单片机控制,缺点是单片机需要太多的i/o口与lcm连接,不适合在i/o口使用紧张的情况15。 3位串行法只需用单片机的3个i/o口分别与lcm的片选输入口(cs)、串行数据口(sid)和时钟输入口(sclk)相连接即可。这种接法的优点是与单片机的接口简单,适合在单片机i/o口紧张的情况使用,缺点是时序复杂,编程难度大,不易于单片机编程控制。 本次设计由于没有单片机i/o口使用紧张的情况,因使用8位并行接法,使编程简单,易于单片机控制。fm12864m-12l模块的电路设计以及与at89s52的接口电路如图3.16所示。 图3.16 fm12864m-12l与at89s52连接图 图中将io口db0-db7连接至p2口,作为数据传输口。lcd的电源共有2组,一组是用于驱动lcd显示,另一组用于背光显示。另外有个输入管脚v0需要接入lcd调整电压来调节对比度。通常刚使用液晶时的问题是由此引起的,对比度过高于或过低均会使屏幕无法正常显示。因此它可接1k-5k电位器的调整端,电位器两端分别接至vdd与vee。3.6 按键电路设计 人机交互是单片机应用系统的重要组成部分,是系统与操作人员间交互的窗口,是系统与外界联系的纽带和界面。一个安全可靠的应用系统必须具有方便、灵活的交互功能16。 交互系统中常用的输入设备是键盘。键盘是人向机器输入数据和对系统进行干预的基本设备,它实质上是一组按键开关的集合,按接口方式通常分为两种:编码式按键和独立式按键。相对于编码式按键来说,独立式按键电路配置灵活,软件结构简单,但在按键数量多时占用较多i/o线。由于本控制器按键数量较少,故采用独立式按键。 本控制器采用4个单独按键键盘,与at89s52接口电路如图3.17所示。图3.17 键盘与at89s52连接图3.7 通信电路设计 对于通信模块,主要有两种方式,一种为rs232串口通信,另一种是rs485串口通信。串行接口是一种可以将接受来自cpu的并行数据字符转换为连续的串行数据流发送出去,同时可将接受的串行数据流转换为并行的数据字符供给cpu的器件。一般完成这种功能的电路,我们称为串行接口电路17。 rs-232(ansi/eia-232标准)是ibm-pc及其兼容机上的串行连接标准。可用于许多用途,比如连接鼠标、打印机或者modem,同时也可以接工业仪器仪表。用于驱动和连线的改进,实际应用中rs-232的传输长度或者速度常常超过标准的值。rs-232只限于pc串口和设备间点对点的通信。rs-232串口通信最远距离是50英尺。 对于本系统,则设计了rs232的电路。在设计rs-232串行接口电路的过程中,在电平转换芯片的选择上采用了传统5v器件。其中,5v的rs-232电平转换芯片采用ti公司的232acwe。232是一种双组驱动器/接收器,片内含有一个电容性电压发生器以便在单5v电源供电时提供eia/tia-232-e电平。 通信电路设计如图3.18。 图3.18 通信电路设计3.8 消防联动系统设计 消防联动系统,即单片机完成信号处理的输出部分,采用继电器进行模拟。三路继电器,分别控制喷淋、排风与安全门等。所要完成的功能是根据数据处理结果,单片机的对应的i/o输出高电平或者低电平,控制继电器的闭合,达到控制喷淋或风扇的启动和停止,但是单片机i/o口的输出电流仅为20ma,不足以驱动继电器,同时也为提高其驱动能力和抗干扰能力,系统设计了继电器驱动电路,控制三极管等,达到自动控制的目的18。各部分继电器驱动电路原理图如图3.19、图3.20和图3.21。 图3.19 防火门驱动电路原理图 图3.20 排风门驱动电路原理图 图3.21 水喷淋的驱动电路原理图 当单片机的引脚输出低电平时,三极管饱和导通,+5v电源加到继电器线圈两端,继电器吸合,继电器的常开触点闭合,相当于开关闭合。当单片机的引脚输出高电平时,三极管截止,继电器线圈两端没有电位差,继电器衔铁释放,继电器的常开触点释放,相当于开关断开。注:在三极管截止的瞬间,由于线圈中的电流不能突变为零,继电器线圈两端会产生一个较高电压的感应电动势,线圈产生的感应电动势则可以通过二极管释放,从而保护了三极管免被击穿,也消除了感应电动势对其他电路的干扰,这就是二极管的保护作用。3.9 蜂鸣器报警电路的设计 蜂鸣器俗称喇叭,是广泛应用于各种电子产品的一种元器件,它用于提示、报警、音乐等许多应用场合。设计中io口通过三极管驱动蜂鸣器报警,电路如图3.22。 图3.22 蜂鸣器报警电路3.10 疏散指示灯的设计 疏散指示灯的作用是在火灾发生时,在复杂的烟雾环境中能够给被困人员指示安全方向19。根据国家标准gb4717-93火灾报警控制器通用技术条件来对火灾报警系统进行设计时它是火灾报警系统所必须有的。本系统设计三个不同颜色的led灯,以适应不同情况下的报警状况,具体设计电路如图3.23。 图3.23 疏散指示灯4 系统软件设计 软件设计是本控制器的重点和难点。目前存在有4种编程语言支持单片机,即汇编语言、pl/m语言、c语言和basic语言。其中汇编语言和c语言应用的较多,结合本控制器的特点,这里选用了功能强、效率高的c52高级语言。c52语言主要有以下特点:寄存器分配、不同存储器的寻址及数据类型可由编释器管理;程序有规范的结构,可分为不同的函数,这种方式可使程序结构化;编程及程序调试时间显著缩短,从而缩短开发周期,提高作用效率;提供的库包含许多子程序,具有较强的数据处理能力20。4.1 主程序流程图 主程序流程图如图4.1所示: 图4.1 主程序流程图 主程序上电之后,进行各器件初始化,然后读取烟雾信息,送第一行进行显示;然后ds18b20,送第二行显示;通信后完毕。4.2 模拟数字转换子程序 模/数(a/d)转换测量子函数用来控制对adc0809的模拟输入电压进行a/d转换,并将对应的数值移入内存单元。其程序流程如图4.2。 图4.2 a/d转换测量子函数流程图 ale为地址锁存允许输入线,高电平有效。st为转换启动信号。当st上跳沿时,所有内部寄存器清零;下跳沿时,开始进行a/d转换;在转换期间,st应保持低电平。eoc为转换结束信号。当eoc为高电平时,表明转换结束;否则,表明正在进行a/d转换。oe为输出允许信号,用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。oe=1,输出转换得到的数据;oe=0,输出数据线呈高阻状态。当eoc变为低电平时,这时给oe为高电平,转换的数据就输出给单片机了21。 adc0809进行a/d转换时,通过ale为高电平,使输入有效,然后ale改为低电平,锁存地址,地址锁存后将