火灾报警系统设计与实现毕业论文.doc

沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）火灾报警系统设计与实现毕业论文目 录1 绪 论11.1 课题背景和研究的意义11.2 火灾报警系统的发展历程和发展现状2 1.2.1 火灾报警系统的发展过程.2 1.2.2 国内外火灾报警系统的发展现状.31.3 火灾报警器的现状及特点41.4 课题任务及要求42 火灾报警系统的总体方案设计与分析52.1 火灾产生原理及过程52.2 系统总体方案设计62.3 系统主要器件的选择7 2.3.1 火灾探测器选择7 2.3.2 单片机芯片的选择9 2.3.3 A/D转换芯片的选择.102.4 系统的工作过程113 火灾报警系统的硬件设计123.1 单片机最小系统123.1.1 晶振电路123.1.2 复位电路123.2 蜂鸣器驱动电路133.3 键盘电路14 3.4 显示电路.16 3.5 时钟模块及接口电路17 3.6 A/D转换电路.17 3.7 本章小结.204 火灾报警系统的软件设计214.1 开发工具介绍214.2 主程序设计21 4.3 A/D转换器程序设计22 4.4 时钟模块程序设计235 系统的仿真255.1 Proteus仿真软件的介绍255.2 火灾报警系统仿真的效果255.2.1 初始状态下的仿真效果255.2.2 烟雾报警的仿真效果265.2.3 温度报警的仿真效果366 火灾报警系统的整体调试286.1 火灾报警系统的焊接与组装286.2 火灾报警系统整体调试286.2.1 调试前准备286.2.2 调试过程286.3 调试结果及结论297 结 论30结束语31致 谢32参考文献33附录 火灾报警系统电路图34附录 火灾报警系统元件清单35附录 火灾报警系统设计作品实物36附录 主控单片机程序清单37III581 绪 论1.1 课题背景和研究的意义 在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。火灾是世界上发生频率较高的一种灾害，几乎每天都有火灾发生。据联合国“世界火灾统计中心(WFSC)2000统计资料”，全球每年大约发生火灾600万至700万次，全球每年死于火灾的人数约为65000至75000人。其中，欧美地区发生的火灾较多，死亡人数却相对较少，这与欧美发达国家的生活水平以及消防技术和设施有关;相比较而言，亚洲地区发生火灾次数较少，但死亡人数较多，这与亚洲经济发展程度不高、消防设施不完善等因素有关。据统计，我国70年代火灾年平均损失不到2.5亿元，80年代火灾年平均损失接近3.2亿元。进入90年代，特别是1993年以来，火灾造成的直接财产损失上升到年均十几亿元，年均死亡2000多人。随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾发生的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。一旦发生火灾，将对人的生命和财产造成极大的危害。严峻的事实证明，随着社会和经济的发展，社会财富日益增加，火灾给人类、社会和自然造成的危害范围不断扩大，它不仅毁坏物质财产，造成社会秩序的混乱，还直接危胁生命安全，给人们的心灵造成极大的伤害。残酷的现实让人们逐渐认识到监控预警和消防工作的重要性，良好的监控系统和及时的报警机制可以大大降低人员的伤亡，为社会减少不必要的损失。火灾自动报警系统(FAS)就是为了满足这一需求而研制出的，并且其自身的技术水平也在随着人们需求的不断地提高，在功能、结构、形式等方面不断地完善。火灾自动报警系统能迅速监测火情，可发现人们不易发觉的火灾早期特征，可将火灾带来的生命财产损失降到最低限度。火灾发生的早期，会使得燃烧物质分解，析出大量的有毒气体CO，人们可能在毫无察觉火情的情况下就发生了CO中毒，从而无力逃生，火灾自动报警系统可监测到CO浓度的变化，为人们提供CO浓度超标报警信息，通知人们及时疏散。火灾自动报警系统可作为城市消防系统的单元，通过城市消防专用网与城市消防报警中心联网，及时将报警信息传递到消防报警中心，城市消防报警中心会自动查找到火灾发生的位置，并为消防队员制定消防路线图，以便消防队员可以迅速抵达火灾地点。火灾自动报警系统能对火灾进行实时监测和准确报警，有着防止和减少火灾危害、保护人身安全和财产安全的重要意义，有着很大的经济效益和社会效益。1.2 火灾报警器的发展过程 根据现代战争的突发性、立体性和区域不确定性,使攻防界线模糊,作战方向多变,火灾报警系统已有百余年的发展历史，19世纪40年代美国诞生的火灾报警装置标志着火灾自动报警系统首次进入人们的视野。1890年在英国，感温式火灾探测器研制成功并应用于火灾探测系统，标志着火灾自动报警系统的发展走上正轨。此后，随着世界科技取得了突飞猛进的进步和各种新兴技术的出现和发展，火灾监测技术也相应迅速发展，各种类型的火灾探测器相继问世，并日臻完善，火灾报警系统也在此基础上逐渐地蓬勃发展起来，其发展过程可以分为以下几个阶段:第一阶段，从19世纪40年代至20世纪40年代，火灾报警系统处于发展的初级阶段，采用的探测器主要是感温式的探测器，它通过采集温度信号，然后判定是否超出设定的阂值，从而判断是否有火灾发生。这一阶段，火灾报警系统简单，仅靠单一的温度参量进行火灾判断。但是它易受环境中其他干扰源的影响，灵敏度低，响应速度慢，无法判断阴燃火灾，也无法满足智能化火灾报警系统的要求。第二阶段，20世纪40年代末，瑞士物理学家 Emst Meili研究的离子感烟探测器推出以后，引起了人们对离子感烟探测器的重视，随后感烟探测器得到广泛应用，并逐渐占据了绝大部分市场，迫使感温式探测器退居其次；到70年代末，光电式感烟探测器在光电技术的基础上发展起来，并很快得到大力发展，它的使用寿命长，抗干扰能力强，没有离子感烟探测器的放射性问题。在这一阶段，火灾报警系统普遍采用多线制布局方式，布线、调试、系统可靠性是系统发展的瓶颈。第三阶段，20世纪80年代初期，总线型火灾报警系统开始兴起，在火灾报警领域中迈出了一大步，并得到了较普遍的应用。它使得布线工作量显著减少，安装调试更加容易，更能精确报警定位。但是这一时期的火灾报警系统的智能化水平不高，采用有线连接对工程要求高。第四阶段，从20世纪80年代中后期开始，随着计算机技术、控制技术、集成电路技术、传感器技术及智能技术的快速发展，火灾自动报警系统步入智能化时代，智能化火灾报警系统迅速发展起来，各种智能型的火灾自动报警系统相继出现。模拟量可寻址技术的应用使得火灾报警系统的安全性、精准性和智能性有了很大提高，在火灾自动报警系统发展史上具有里程碑的意义。近年来，采用无线通信方式的火灾自动报警系统在国外悄然兴起。这种系统引入了无线电通信技术，利用无线通信方式代替传统的有线通信方式，将大多的电器装置通过无线连接方式进行信息传输与控制，适用于各类建筑和场所。无线火灾自动报警系统起初仅用于特殊场合，如博物馆、名胜古迹等不宜布线的场合，而且其价格也比较高。随着科技进步和元器件成本的降低，无线火灾自动报警系统的研发和生成成本也随之降低，它在性能和价格上都具有很强的竞争力，其市场潜力已经崭露头角。在我国，采用的无线通信方式的火灾自动报警系统日益受到重视。由于其具有安装简便、对建筑物无损坏作业、灵活性好，易于扩展等优点，适用于许多场合，如名胜古迹、体育馆、博物馆、展览中心、处于施工阶段的建筑物、医院等。火灾自动报警系统的智能性主要体现在火灾判决和统筹管理方面，一般分为分散式、集中式和分布式，分散式系统由非智能型控制器若干智能型探测节点组成，由探测节点完成火灾状态的判断;集中式系统由智能型控制器和若干非智能探测节点构成，探测节点仅将火灾参量传送给控制器，由控制器智能地判断火灾状态；分布式系统的控制器和探测节点均为智能型，也是今后火灾自动报警系统的发展方向。1.3 火灾报警器的现状及特点 消防报警产品是一个系列产品，包括火灾探测设备、信息传输设备、报警分析控制器、消防控制联动。是物理传感技术、自动控制、计算机技术、数据传输和管理、智能楼宇等技术的综合集成，属于高新技术。依托中国多年的基本建设的发展，这个行业也得到发展，具备了和国外知名企业抗衡的能力。在目前中国许多冠名以高新技术的行业中，中国企业大多做的是下游的制造和服务，分取极少一部分的利润，象消防报警产品那样又拥有自我知识产权，又拥有大量市场的行业其实是很少的。在消防报警产品的技术含量上，国内产品和国外产品差距不是很大，许多指标已经超越，存在的问题是：类似于国外消防报警产品的大批量规模化的生产才刚起步，有待于积累经验和技术；也因此在产品一致性和长期稳定性上有一些差距；国内正在形成权重的大型企业和集团，这样可以带领国内的各家企业去冲击海外市场，并最终占领海外的消防报警市场。1.4 课题任务及要求火灾报警系统，作为智能建筑中的一个重要子系统，其重要性是众所周知的。要在智能建筑中创造一个安全的环境，消防安全是其中的一个重要的方面。本次毕业设计的主要内容是以单片机为核心，借助可靠、成熟通讯手段，以最直观的形式，直接把火灾报警地点反映到终端上。该系统应具有以下功能：1、运用LCD对当前温度进行显示； 2、通过按键可对相关的参数值进行设置。2 火灾报警系统的总体方案设计与分析2.1 火灾产生原理及过程火灾是一种失去人为控制的由燃烧造成的灾害，产生火灾的基本要素是可燃物、助燃物和点火源。可燃物以气态、液态和固态三种形态存在，助燃物通常是空气中的氧气。根据可燃气体与空气混合方式不同有两种燃烧方式，如果在燃烧前，可燃气就与空气均匀混和，则称之为预混燃烧；如果可燃气体和空气分别进入燃烧区边混合边燃烧，则称之为扩散燃烧。液体和固体是凝聚态物质，难与空气均匀混合，它们燃烧的基本过程是当从外部获取一定的能量时，液体或固体先蒸发成蒸汽或分解出可燃气体(如CO、H2等)的分子团、灰烬和未燃烧的物质颗粒悬浮在空气中，称之为气溶胶。一般气溶胶的分子较小(直径0.01m)。在产生气溶胶的同时，产生分子较大(直径0.01一10m)的液体或固体微粒，称为烟雾。可燃气体与空气混合，在较强火源作用下产生预混燃烧。着火后，燃烧产生的热量使液体或固体的表面继续放出可燃气体，并形成扩散燃烧。同时，发出含有红、紫外线的火焰，散发出大量的热量。这些热量通过可燃物的直接燃烧、热传导、热辐射和热对流，使火从起火部位向周围蔓延，导致了火势的扩大，形成火灾。其中的气溶胶、烟雾、火焰和热量都称为火灾参量，通过对这些参量的测定便可确定是否存在火灾。根据火灾发生时产生现象的不同，可以将火灾分为慢速阴燃、明火和快速发展火焰等。阴燃就是在疏松或颗粒介质中形成的缓慢进行的热解和氧化反应，它能长时间自行维持并传播，当条件发生变化时，或者自行熄灭，或者转化为明火。明火则是火灾发生时燃烧火焰产生的热量使液体或固体的表面放出可燃气体，并形成扩散燃烧，同时发出含有红、紫外线的火焰。快速发展火焰则是火灾扩散的速度特别快，这种类型的火灾一般为空气中混有大量可燃气体。通过大量的研究表明阴燃是诱发火灾的重要原因。总的来说，普通可燃物在燃烧时表现为以下形式：首先是产生燃烧气体，然后是烟雾，在氧气充足的条件下才能达到全部燃烧，产生火焰，发出可见光和不可见光，并散发出大量的热，使环境温度升高。起火过程中，起初和阴燃两个阶段所占的时间比较长，虽然产生大量的烟雾，但是环境温度不太高，若探测器就应该从此阶段开始进行探测，就可以火灾损失控制在最小限度。火焰燃烧后，迅速蔓延，产生大量的热使得环境温度升高，如果能将这时能够探测到有效地温度值，就可以比较及时地控制火灾。起火过程曲线如图一所示。图一 起火过程曲线2.2 系统总体方案设计 2.2.1系统硬件总体构架 报警系统主要由数据采集模块、单片机控制模块、声光报警模块、显示模块、时钟模块组成。图二为火灾报警系统的结构框图。温度、烟雾传感器信号调理电路A/D转换 按键液晶显示模块ATC89C51单片机声光报警系统 时钟系统图二 系统结构框图设置报警值或时间是否按键？初始化液晶延时15ms 开始 2.2.2系统软件总体构架 检测温度检测气体浓度 报警 LED亮蜂鸣器发声是否超过设定值？ 报警 LED亮蜂鸣器发声是否超过设定值？ 否 是 否 否 是 是 是图三 系统软件程序流程图首先要给传感器预热一段时间，因为我准备采用MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器，该传感器在不通电存放一段时间后，再次通电时，传感器不能立即正常采集烟雾信息，需要一段时间预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。所以需要延时15ms，如图三所示。2.3 系统主要器件的选择2.3.1 火灾探测器选择1）探测器简介火灾探测器是火灾报警系统的重要组成部分，直接关系到整个系统的正常运行。当火灾发生时，把火灾产生的各种非电量参数(如烟雾，温度)变成电量参数传送给控制器。其特点是模拟量传输，跟随各种非电量参数的变化而变化。火灾探测器根据火灾发生时所表现出来的物理现象可以分为：气敏型、感温型、感烟型、感光型、感声型五大类。根据老师的要求，火灾报警系统的探测器选择感温型和感烟型。 (l)感温探测器感温探测器一般分为定温式和差温式。单一的感温探测器灵敏度低、探测速度慢、探测范围小，尤其对阴燃情况不响应，因此不适用于火灾早期的探测，而在设计时往往安装在不宜安装感烟探测器的区域。本设计采用DS18B20温度传感器，测温范围为-55125，最高分辨率可达0.0625。DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用三线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的热点。DS18B20平面图如图 (2)感烟探测器感烟探测器可以分为离子感烟探测器和光电感烟探测器。感烟探测器具有非常好的早期报警功能，即使在不太好的环境条件场所也会有比较好的探测效果，它一般适用于极高的房屋或空心花板或地下室中。感烟探测器适用于火灾前期及早期，产生大量的烟和少量的热，但它不能区分火灾信号与非火灾信号，如厨房烟、水蒸气等，所以误报率较高。本设计选用MQ-2型烟雾传感器，这种型号的传感器不但具备一般半导体烟雾传感器灵敏度 高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。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，就会引起表而电导率的变化。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型燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的基本原理。MQ-2型传感器的结构图如 图四所示，其外观如图五所示。图四 传感器结构图图五 传感器外观图2.3.2 单片机及A/D转换芯片的选择本设计的控制芯片使用的是ATMEL公司生产的AT89C51，AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM）和128字节的随机存取数据存储器（RAM）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一个低功耗高性能单片机，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，可灵活应用于各种控制领域。40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口。AT89C51的引脚图如图六所示。芯片可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程，其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。图六 AT89C51芯片的引脚图ADC0832 简介：ADC0832是NS(National Semiconductor)公司生产的串行接口8位A/D转换器，通过三线接口与单片机连接，功耗低，性能价格比较高，适宜在袖珍式的智能仪器仪表中使用。ADC0832 为8位分辨率8位串行A/D转换器ADC0832图七 ADC0832芯片的引脚图ADC0832有DIP和SOIC两种封装，DIP封装的ADC0832引脚排列如图七所示。各引脚说明如下： CS片选端，低电平有效。 CH0，CH1两路模拟信号输入端。 DI两路模拟输入选择输入端。 DO模数转换结果串行输出端。 CLK串行时钟输入端。 Vcc/REF正电源端和基准电压输入端。GND电源地。128s。2.4 系统的工作过程单片机是整个报警系统的核心，系统的工作原理是：先通过传感器 (包括温感和烟感)将现场温度、烟雾等非电信号转化为电信号，调理电路将传感器输出的电信号进行调理(放大、滤波等)，使之满足A /D转换的要求 ,最后由A /D转换电路 ,完成将温度传感器和烟雾传感器输出的模拟信号到数字信号的转换，单片机判断现场是否发生火灾。如果发生火灾，系统以声光的形式报警并在液晶显示屏上显示。3 火灾报警系统的硬件设计3.1 单片机最小系统3.1.1 晶振电路晶振电路为单片机AT89C51工作提供时钟信号，芯片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荡器一起构成自激振荡器。电路中的外接石英晶体及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路，系统的晶振电路如图八所示。由于外接电容C1、C2的容量大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，电容的容量大小范围为；如果使用陶瓷谐振，则电容容量大小为。本设计中使用石英晶体，电容的容值设定为30pF。图八 晶振电路3.1.2 复位电路复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。AT89C51的复位信号是从REST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果REST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位，本设计采用的是手动按钮复位。 手动按钮复位需要人为在复位输入端REST上加入高电平,采用的办法是在REST端和正电源Vcc之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到REST端，系统复位。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，设计完全能够满足复位的时间要求。复位电路中为手动复位开关，AT89C51的复位电路如图九所示。图九 复位电路3.2 蜂鸣器驱动电路由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O 口是无法直接驱动的（但AVR可以驱动小功率蜂鸣器），所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。如图十所示图十 蜂鸣器驱动电路3.3 继电器驱动电路继电器驱动电流一般需要20-40mA或更大，线圈电阻100-200欧姆，因此要加驱动电路。 晶体管用来驱动继电器，必须将晶体管的发射极接地。具体电路如图十一。NPN晶体管驱动时：当晶体管T1基极被输入高电平时，晶体管饱和导通，集电极变为低电平，因此继电器线圈通电，触点RL1吸合。当晶体管T1基极被输入低电平时，晶体管截止，继电器线圈断电，触点RL1断开。图十一 继电器驱动电路3.4 键盘电路 键盘电路的作用是通过按键可以设定烟雾浓度报警值和温度报警值，还可以设定时间等。每个按键的功能如图十二所示。图十二 按键说明 在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。如图十三所示。 图十三 键盘电路3.5 显示电路 显示部分我选择LCD1602，其原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样就可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动和易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携电脑、数字摄像机和PDA移动通信工具等众多领域。其特点：（1）显示质量高由于液晶显示器每一个点抽到信后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器那样需要不断刷新新亮点，因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。（2）数字式接口液晶显示器都是数字式的，与单片机系统接口更加简单可靠，操作更加方便。（3）体积小、重量轻液晶显示器通过显示屏上的点击控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上臂相同显示面积的传统显示器要轻的多。（4）功耗低相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其他显示器要少的多。字符型模块的性能重量轻：100g；体积小：2.0V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)，后面有详细说明。SCLK为时钟输入端。DS1302的原理图如图十五所示：图十五 时钟电路3.7 A/D转换电路A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。芯片具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件连接和处理器控制变得更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。其主要特点如下： 8位分辨率，逐次逼近型，基准电压为5V； 5V单电源供电； 输入模拟信号电压范围为05V； 输入和输出电平与TTL和CMOS兼容； 在250KHZ时钟频率时，转换时间为32us； 具有两个可供选择的模拟输入通道； 功耗低，15mW。 一般情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI 并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和DO/DI 的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK提供时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲到来之前DI端必须是高电平，表示启动位。在第2、3个时钟脉冲到来之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能，其功能项见表一。输入形式 配置位选择通道CH0CH1CHOCH1差分输入00+-01-+单端输入10+11+表一ADC0832配置位如表一所示，当配置位2位数据为1、0时，只对CH0 进行单通道转换。当配置2位数据为1、1时，只对CH1进行单通道转换。当配置2位数据为0、0时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当配置2位数据为0、1时，将CH0作为负输入端IN-，CH1 作为正输入端IN+进行输入。到第3个时钟脉冲到来之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个时钟脉冲开始由DO端输出转换数据最高位D7，随后每一个脉冲DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据D0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个时钟脉冲输出D0。随后输出8位数据，到第19 个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。图十六为ADC0832时序图。图十七为A/D转换电路。图十六 时序图图十七 A/D转换电路图4 火灾报警系统的软件设计4.1 开发工具介绍本系统摒弃了传统的汇编语言而采用C语言进行程序设计。因为C语言的描述由函数组成，是一种结构化的程序设计语言，所以更容易实现模块化，而且具有可读性好，易于移植等优点，同时还有汇编语言一样的位操作功能的硬件详细控制指令。数据结构方面，可以使用结构体和数组，能够处理复杂的数据，可用于实时处理系统。本系统的软件编程使用的是美国Keil Software公司出品的Keil C51，是51系列兼容单片机C语言软件开发系统。 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，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。 C51工具包的整体结构中，Vision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C51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 主程序设计多路数据采集系统控制器上采用AT89C51作为主控芯片，为了便于系统维护，在多路数据采集系统的软件设计中采用了模块化程序设计方法，系统各个模块的具体功能都是通过子程序调用实现的。既使得程序结构清晰，又便于以后进一步扩展其功能。本系统主要包括主程序、温度、烟雾数据采集子程序、时钟程序、数据异常判断与报警子程序等。主程序流程图如图所示。 开始 初始化液晶 延时15ms是否按键？检测周围温度检测气体浓度 否浓度是否超过阀值设置报警值或时间温度是否超过阀值 是 否 否 是 是 蜂鸣器发声 蜂鸣器发声 LED亮 LED亮 报警 报警图十八 主程序流程图4.3 A/D转换器程序设计 由温度、烟雾和光强传感器采集的数据，送至A/D转换器，在CS为低电平时，启动A/D转换器,经过四个时钟脉冲后，由DO开始一位一位的读取并由函数存储数据，读完8位数据后，CS为高电平，此时关闭A/D转换器，将经过处理的数据返回，送至单片机。模数转换程序设计流程图如所示。 图十九 A/D转换流程图4.4 时钟模块程序设计时钟芯片的主要的主要功能是完成年、月、日、时、分、秒的及时，通过外部接口为单片机系统提供日历和时钟。所以一个最基本的实时时钟芯片通常会具有如下的一些部件：电源电路、时钟信号产生电路、实时时钟、数据存储器、通信接口电路、控制逻辑电路等。DS1302与微处理器进行数据交换时，首先由微处理器向电路发送命令字节，命令字节最高位Write Protect(D7)必须为逻辑1，如果D7=0，则禁止写DS1302，即写保护；D6=0，指定时钟数据，D6=1，指定RAM数据；D5D1指定输入或输出的特定寄存器；最低位LSB(D0)为逻辑0，指定写操作(输入)，D0=1，指定读操作(输出)。在DS1302的时钟日历或RAM进行数据传送时，DS1302必须首先发送命令字节。若进行单字节传送，8位命令字节传送结束之后，在下2个SCLK周期的上升沿输入数据字节，或在下8个SCLK周期的下降沿输出数据字节。时钟模块的流程图如图所示：图二十 时钟模块流程图4.5 传感器程序设计由于设计采用的是模块化设计，系统实现报警功能是通过调用子程序实现的。在数据采集子程序中，一次温度烟雾信号采集延时15ms，是让ADC0832准备好进行下一次信号转换。当系统采集2次温度烟雾信号后，转换好的数据存入单片机的寄存器中，系统再调用火灾判断子程序。系统温度烟雾信号采集程序流程图如图所示。 图二十一 数据采集流程图数据采集是火灾报警系统中的重要环节。为了降低误报率，系统设计时对温度烟雾采用了两次采集、两次判断的方法。每次采集温度烟雾数据后，将数据存入单片机的寄存器，然后在火灾判断程序中，将采集的数据与设定的阈值进行比较，判断现场是否发生火灾。5 系统的仿真5.1 Proteus仿真软件的介绍Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是： （1）原理布图 （2）PCB自动或人工布线 （3）SPICE电路仿真 可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。5.2 火灾报警系统仿真的效果5.2.1 初始状态下的仿真效果刚开始烟雾浓度为18，温度为19摄氏度。我设定的烟雾浓度超过100才报警，温度超过50摄氏度才报警，初始值在安全范围内，所以不报警，如图二十二图二十二 初始状态下仿真图5.2.2 烟雾报警的仿真效果烟雾浓度超过100时蜂鸣器发出声响，LED闪烁。如图所示。图二十三 烟雾报警仿真图5.2.3 温度报警的仿真效果当温度超过50摄氏度时，报警器报警。如图所示。图二十四 温度报警仿真图6 PCB结构图的设计6.1 PCB设计软件Protel 99SE介绍随着计算机技术的飞速发展，集成电路被广泛应用，电路越来越复杂，集成度越来越高，加之新型元件层出不穷，使得越来越多的工作已经无法用手工来完成，因此计算机辅助电路板设计已经成为电路板设计制作的必然趋势。Protel 99SE具有丰富的设计功能，能进行原理图的设计、印制电路板的设计、PCB板的设计等功能。Protel 99SE采用数据库的管理方式。Protel 99SE软件沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面与Protel 99大体相同，新增加了一些功能模块，功能更加强大。新增的层堆栈管理功能，可以设计32个信号层，16个地电层，16个机械层。新增的3D功能让您在加工印制版之前可以看到板的三维效果。增强的打印功能，使您可以轻松修改打印设置控制打印结果。Protel 99SE容易使用的特性还体现在“这是什么”帮助，按下右上角的小问号，然后输入你所要的信息，可以很快地看到特性的功能，然后用到设计中，按下状态栏末端的按钮，使用自然语言帮助顾问6.2 PCB设计的先期工作1、利用原理图设计工具绘制原理图，并且生成对应的网络表。当然，有些特殊情况下，如电路版比较简单，已经有了网络表等情况下也可以不进行原理图的设计，直接进入PCB设计系统，在PCB设计系统中，可以直接取用零件封装，人工生成网络表。2、手工更改网络表将一些元件的固定用脚等原理图上没有的焊盘定义到与它相通的网络上，没任何物理连接的可定义到地或保护地等。将一些原理图和PCB封装库中引脚名称不一致的器件引脚名称改成和PCB封装库中的一致，特别是二、三极管等。6.3 PCB设计环境1、进入PCB系统后的第一步就是设置PCB设计环境，包括设置格点大小和类型，光标类型，版层参数，布线参数等等。大多数参数都可以用系统默认值，而且这些参数经过设置之后，符合个人的习惯，以后无须再去修改。2、规划电路版，主要是确定电路版的边框，包括电路版的尺寸大小等等。在需要放置固定孔的地方放上适当大小的焊盘。注意：在绘制电路版地边框前，一定要将当前层设置成Keep Out层，即禁止布线层。6.4 PCB零件布局Protel99可以进行自动布局,也可以进行手动布局。如果进行自动布局，运行Tools下面的Auto Place,用这个命令，你需要有足够的耐心。布线的关键是布局，多数设计者采用手动布局的形式。用鼠标选中一个元件，按住鼠标左键不放，拖住这个元件到达目的地，放开左键，将该元件固定。Protel99在布局方面新增加了一些技巧。新的交互式布局选项包含自动选择和自动对齐。使用自动选择方式可以很快地收集相似封装的元件，然后旋转、展开和整理成组，就可以移动到板上所需位置上了。当简易的布局完成后，使用自动对齐方式整齐地展开或缩紧一组封装相似的元件。提示：在自动选择时，使用Shift+X或Y和Ctrl+X或Y可展开和缩紧选定组件的X、Y方向。注意：零件布局，应当从机械结构散热、电磁干扰、将来布线的方便性等方面综合考虑。先布置与机械尺寸有关的器件，并锁定这些器件，然后是大的占位置的器件和电路的核心元件，再是外围的小元件。6.5 PCB布线规则1、由于瞬变电流在线路上所产生的冲击干扰主要是由线路的电感造成的，因此应尽 量减小线路的电感。线路的电感与其长度成正比，与其宽度成反比，因而短而宽的线路对 抑制干扰是有利的。关键的信号线要尽量粗，并在两边加上保护地，高速线要短而直，导 线的宽度不要突变。 2、任何信号都不要形成环路，如不可避免，要让环路区尽量小。 3、PCB尽量使用45折线而不要采用90折线布线，这样可以减小高频信号对外的发 射与耦合。 4、一般采用平行的走线可以减少导线电感，但导线之间的互感和分布电容会增加。 为了抑制PCB线路之间的串扰，在设计布线时应尽量避免长距离的平行走线，尽可能拉开 线与线之间的距离，信号线与地线及电源线尽可能不交叉。在一些对干扰十分敏感的信号 线之间设置一根接地的线路，可以有效地抑制串扰。 5、布线尽可能把具有同一输出电流，而方向相反的信号利用平行布局方式来消除相 应的磁场干扰。 6、发热元件周围或大电流通过的引线应尽量避免使用大面积铜箔，否则，长时间受 热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时，最好用栅格状，这样有利于铜 箔与基板间粘合剂受热产生挥发性气体的排出。 7、焊盘中心孔的直径要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。 8、在 PCB 中，没有用到的区域最好由一个大的接地面来覆盖的，以此提供屏蔽和增 加去耦能力。6.6 火灾报警系统PCB结构图图二十五 PCB结构图7 火灾报警系统的整体调试7.1 火灾报警系统焊接与组装在焊接前应该对器件进行检验，看看是否符合要求。比如电阻的阻值是否符合要求，三极管和电容是否正常，按键是否好使，单片机能否写入程序等。都符合要求了进行焊接。对照硬件原理图，焊接硬件。焊接完成后，仔细检查主控板和每块显示单元板上的芯片焊接方向是否正确，在通电之前用万用表的二极管档测量电源端口，检查电源输入端是否有短路。确认无误后通电测试各测试点的电压电流值，检查是否在正常值范围内。7.2 火灾报警系统整机调试7.2.1 调试前准备1） 按设计要求查验设备的规格、型号、数量、配件等。 2）查对各种记录的文件表格是否齐全; 3）检查系统线路是否有错线、开路、虚焊、短路等。7.2.2 调试过程1） 线路测试及外部检查按图纸检查各种配线情况，首先是导线是否到位，是否存在不同性质的导线共管的现象；其次是各种火警设备接线是否正确，接线排列是否合理，接线端子处标牌编号是否齐全。2）线路校验先将被校验回路中的各个部件装置与设备接线端子打开进行查对。可采用数字式多路查线仪检查。检查探测回路线、通信线是否短路或开路，采用兆欧表 测试回路绝缘电阻，应对导线与导线、导线对地、导线对屏蔽层的电阻进行分别测试并记录。3）单体调试所谓单体调试就是对各种部位装置与设备在安装之前进行一些基本性能试验。4）探测器的检查对于开关量探测器可利用专用的火灾探测器检查装置检测。若无这类检查设备，可利用报警控制器代替，让报警控制器接出一个回路开通，接上探测器底座，然后利用报警控制器的自检、报警等功能，对探测器进行单体试验。5）火灾报警系统联调结束后，应采用专用检测仪对探测器逐个检测，要求探测器动作准确无误。对于感烟探测器可采用点型感烟探测器试验器进行测试。对其感烟功能进行测试