多点红外火灾探测系统设计-毕业设计.doc

毕 业 论 文 （科 学 研 究 报 告）题 目多点红外火灾探测系统设计院(系)别专 业级 别 学 号姓 名指导老师 华 侨 大 学 教 务 处 2012年6月2 摘 要本设计利用对射反射式红外传感器对受限空间内火灾进行探测，分析火源发展状态与红外传感器输出之间的关系，在此基础上设计出多点红外火灾探测软硬件系统。系统围绕flame-1000火焰传感器和AT89C51单片机进行设计。火焰传感器送出的模拟信号经过滤波和放大后输入ADC0809，然后转化为数字量，经过单片机处理后，将各传感器的状态显示在12864液晶显示屏上，若检测到火源，则报警。主要完成了系统原理图以及硬件电路板的绘制，并进行了一定的软件设计，多点红外火灾探测系统大大缩短了火灾早期报警时间、提高了准确度，火灾自动报警系统已经形成了探测不同火灾的现代消防自动化系统，使各类工业建筑、高层民用建筑、地下建筑等得到了更有效的保护。而火灾探测技术是有效避免灾难性火灾的重要保障，智能火灾探测技术能在火灾发生的早期，准确的判断火灾、预报火警，从而保障人民的生命财产安全。关键词：红外探测，A/D转换，单片机，液晶显示 ABSTRACTThis design using reflected type infrared sensors to detect the fire within limited space, this paper analyzes the development status and the sources of the relationship between the infrared sensor output, and based on this, design more infrared fire detection software and hardware systems. System is centered with flame-1000 flame sensors and AT89C51 single-chip microcomputer to carry on the design. The flame sensor sent the analog signal after filter and amplification ADC0809 input, and then into the digital quantity, single chip after treatment, the state of the sensors will be displayed in 12864 the LCD screen, if detection to fire, then give an alarm. We mainly completed system diagram and the drawing of PCB, and certain software design, more infrared fire detection system greatly reducing the time of early fire alarming, raise the accuracy, automatic fire alarm system has already formed the detection of different fire modern fire-fighting automation system, make all kinds of industrial architecture, high civil buildings, underground building wait to have a more effective protection. And fire detection technology is effective to avoid catastrophic fire of important guarantee, intelligent fire detection technology in the fire can early and accurate judgment fire, forecast the fire alarm, thus ensure the peoples life and property security. Keywords： Infrared detection, A/D conversion, microcontroller, liquid crystal display目 录 第一章 绪论11.1 火灾的形成与危害.11.1.1漏电火灾11.1.2 短路火灾11.1.3 过负荷火灾11.1.4 接触电阻过大火灾21.1.5 火灾的危害21.2 火灾探测的地位与作用.31.2.1 火灾探测的发展31.2.2 探测传感器的分类31.2.3 探测传感器的选择41.3 课题的要求和目的.5第二章 硬件设计62.1 总体设计思路.62.1.1 单片机的选用62.1.2 红外传感器82.2 时钟复位模块.92.3 模数转换模块.112.3.1 ADC0809模数转换芯片112.3.2 模数转换电路设计132.4 分频电路模块142.4.1 CD4013芯片142.4.2 分频电路设计152.5 存储模块162.5.1 24C02芯片162.5.2 存储电路设计182.6 报警模块192.7 串口通信模块.192.7.1 MAXA232芯片192.7.2 串口通信电路设计212.8 按键模块222.9 显示模块232.9.1 12864芯片引脚功能232.9.2 12864与单片机接口电路252.10 滤波放大模块.262.10.1 LM339芯片262.10.2 滤波放大电路设计272.11 硬件电路板的制作.28第三章 软件设计303.1 总体设计思路.303.2 A/D转换程序设计.313.3 主程序设计.32第四章 结束语34致 谢35参 考 文 献36附 录37第一章 绪论1.1 火灾的形成与危害 火灾的形成有很多种原因，要进行火灾探测必须要先熟悉引发火灾的原因，掌握需要探测的量，才能更有效，有目的的对火灾进行监测与控制。一般来说，火灾按引发原因可以分为电气火灾、液化石油气火灾、厨房火灾、不良安全行为火灾、家庭装修火灾等，这里只讨论电气火灾的形成与危害。电气火灾一般是指由于电气线路、用电设备、器具以及供电设备出现故障性释放的热能，如高温、电弧、电火花，以及非故障性释放的热能，如电热器具的炽热表面，在具备燃烧条件下引燃本体或其他可燃物而造成的火灾，也包括由雷电和静电引起的火灾。它按引发原因大致可以分为漏电火灾、短路火灾、过负荷火灾和接触电阻过大火灾。 1.1.1漏电火灾 所谓漏电，就是线路的某一个地方因为某种原因（自然原因或人为原因，如风吹雨打、潮湿、高温、碰压、划破、摩擦等）使电线的绝缘或支架材料的绝缘能力下降，导致电线与电线之间（通过损坏的绝缘、支架等）、导线与大地之间（电线通过水泥墙壁的钢筋、马口铁皮等）有一部分电流通过，这种现象就是漏电。当漏电发生是，漏泄的电流在流入大地途中，如遇电阻较大的部位时，会产生局部高温，致使附近的可燃物着火，从而引起火灾。此外，在漏电点产生的漏电火花，同样也会引起火灾。1.1.2 短路火灾电气线路中的裸导线火绝缘导线的绝缘体破损后，火线与邻线，或火线与地线（包括接地从属于大地）在某一点碰在一起，引起电流突然大量增加的现象就叫短路，俗称碰线、混线或连电。由于短路时电阻突然减小，电流突然增大，其瞬间的发热量也很大，大大超过了线路正常工作时的发热量，并在短路点易产生强烈的火花和电弧，不仅能使绝缘层迅速燃烧，而且能够使金属融化，引起附近的易燃可燃物燃烧，造成火灾。1.1.3 过负荷火灾 所谓过负荷是指当导线中通过电流量超过了安全载流量时，导线的温度不断升高，这种现象就叫导线过负荷。 当导线过负荷时，加快了导线绝缘层老化变质。当严重过负荷时，导线的温度会不断升高，甚至会引起导线的绝缘发生燃烧，并能引燃导线附近的可燃物，从而造成火灾。1.1.4 接触电阻过大火灾 众所周知：凡是导线与导线、导线与开关、熔断器、仪表等连接的地方都有接头，在接头的接触面上形成的电阻称为接触电阻。当有电流通过接头时会发热，这是正常现象。如果接头处理良好，接触电阻不大，则接头点的发热就很少，可以保持正常温度。如果接头中有杂质，连接不牢靠或其他原因使接头接触不良，造成接触部位的局部电阻过大，当电流通过接头时，就会在此处产生大量的热，形成高温，这种现象就是接触电阻过大。 在有较大电流通过的电气线路上，如果在某处出现接触电阻过大这种现象时，就会在接触电阻过大的局部范围内产生极大的热量，使金属变色甚至熔化，引起导线的绝缘层发生燃烧，并引燃附近的可燃物或导线上积落的粉尘、纤维等，从而造成火灾。1.1.5 火灾的危害随着人类文明的不断进步，诱发火灾的因素大量增多，火灾发生的频率正在加大，火灾的后果更为严重，火灾对人类社会造成的危害越来越大。目前，全世界平均每天发生火灾2万多起，平均每天有近千人在火灾中丧生。火灾已成为现代社会的“恐怖杀手”。火灾的危害首先表现在威胁人们的生命安全。据有关火灾统计资料表明，我国每年有大量人员在火灾中死亡。仅2005年，全国就发生火灾235941起，共有2496人葬身火海，2506人不同程度受伤。有的人虽然死里逃生，却留下了永久的心灵创伤。尤其是一些群死群伤恶性火灾事故的发生，更给人们带来巨大灾难，严重影响社会和谐稳定。可以说，火灾直接或间接地威胁着人类的生存和发展。火灾对人们的危害还表现在侵吞大量社会物质财富。一把火，往往使人们辛勤劳动创造出的物质财富，顷刻间化为灰烬。“贼偷二次不穷，火烧一把精光”这句谚语，形象、生动地说明了火灾的冷酷无情。2005年，全国因火灾造成的直接财产损失就超过13.6亿元。火灾的破坏性不仅表现在造成人身死亡、财物毁坏的后果，还表现在造成成严重的间接损失。一场火灾烧毁房屋、工厂，财产损失可以用金钱来计算，但是火灾造成工厂停业、工人失业、学校停课、学生失学等损失就无法用金钱来计算。现代社会的各行各业都密切相关，如果烧毁了文物、档案、科研成果、重要资料等，其损失更是难以用经济价值计算。人类的生存，离不开森林、草原、江河湖海，它们对调节气候、净化空气、维持生态平衡、保护人类适宜的生存环境，都有着很大的作用和影响。而一场大火，尤其是森林、石油品仓库和重要工业基地火灾，往往对环境和人们健康造成一定影响。1.2 火灾探测的地位与作用 火的出现和应用对于人类文明的发展和社会进步起到了巨大的推动作用，可以不夸张地说，没有火的应用就没有人类社会的物质文明和精神文明，也就没有人类今天的繁荣和成就。在众多灾种中，火灾造成的直接损失约为地震的5倍，仅次于干旱和洪涝，而火灾发生的频率则居于各种灾种之首。 有效预防可以大大降低引起火灾的概率，不过当火灾发生后如果在早期就能够检测并扑灭则也可以减少火灾带来的危害和损失。火灾探测与报警技术始于19世纪中期，1847年美国的Channing和Farmer首先研制了火灾报警发送装置，同年德国的Siemens和Halske公司将电报装置用于传送火灾报警信号，线代火灾自动探测与报警技术开始逐渐发展起来。1.2.1 火灾探测的发展火灾是一种复杂的物理和化学反应过程，其间会伴随着出现燃烧气体、烟雾、温度、火焰等特征，火灾探测技术正是借助这些特征来作为火灾识别的参数，尽早地自动探测到火灾并发出警报，最大程度地挽救人民生命和财产。目前对于火灾过程中产生的烟雾、温度以及火焰的测量都分别有成熟的产品，如感温探测器、感烟探测器、火焰探测器等。随着社会的进步和科技的发展，人们开始不断地致力于新的火灾探测技术的研究，火灾探测技术开始逐渐走向成熟。1.2.2 探测传感器的分类火灾探测器的种类很多，大致有如下几种：（1） 离子感烟探测器。（2） 光电感烟探测器。（3） 感温探测器（包括定温式和差温式）。（4） 气体式探测器。（5） 红外线式探测器。（6） 紫外线式探测器。常用的火灾探测器基本原理如下：（1）感烟火灾探测器火灾发展过程大致可以分为初期阶段、发展阶段和衰减熄灭阶段。感烟火灾探测器的功能在于：在初燃生烟阶段，能自动发出火灾报警信号，以期将火扑灭在未成灾害之前。根据结构不同，感烟探测器可分为离子感烟探测器和光电感烟探测器。 离子感烟探测器 离子式感烟探测器是由两个内含Am241放射源的串联室、场效应管及开关电路组成的。内电离室即补偿室，是密封的，烟不易进入；外电离室即检测室，是开孔的，烟能够顺利进入。在串联两个电离室的两端直接接入24V直流电源。当火灾发生时，烟雾进入检测电离室，Am241产生的射线被阻挡，使其电力能力降低，因而电离电流减少，检测电离室空气的等效阻抗增加，而补偿电离室因无烟进入，电离室的阻抗保持不变，因此，引起施加在两个电离室两端分压比的变化，在检测电离室两端的电压增加量大道一定值时，开关电路动作，发出报警信号。 光电感烟探测器 光电式感言探测器由光源、光电元件和电子开关组成。利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测，并解释发出报警信号。按照光源不同，可分为一般光电式、激光光电式、紫外光光电式和红外光光电式等4种。 （2）感温火灾探测器 感温探测器按结构原理不同有双金属片型、膜盒型、热敏电子元件型等三种。 双金属片型是应用两种不同膨胀系数的金属片作为热敏元件的，一般制成差温和定温两种形式，定温式是当环境温度上升大道设定温度时，定温不见立即动作，发出报警信号；差温式是当环境温度急剧上升，其温升速率（C/min）达到或超过探测器规定的动作温升速率时，差温部件立即动作，发出报警信号。 膜盒型探测器是由波纹管组成一个气室，室内空气只能通过气塞螺钉的小孔与大气想通。一般情况下（指环境温升速率不大于1C/min），气室受热，室内膨胀的气体可以通过气塞螺钉小孔泄漏到大气中去。当发生火灾时，温升速率急剧增加，气室内的气压增大，波纹管向上鼓起，推动弹性接触片，接通电接点，发出报警信号。 电子感温探测器由两个阻值和温度特性相同的热敏电阻和电子开关线路组成，两个热敏电阻中的一个可直接感受环境温度的变化，而另一个则封闭在一定热容量的小球内。当外界温度变化缓慢时，两个热敏电阻的组织随温度变化基本相接近，开关电路不动作。火灾发生时，环境温度剧烈上升，两个热敏电阻阻值变化不一样，原来的稳定状态破坏，开关电路打开，发出报警信号。1.2.3 探测传感器的选择（1）根据火灾的特点选择传感器 火灾初期有阴燃阶段，产生大量的烟和少量的热，很小或没有火焰辐射，应选用感烟传感器。 火灾发展迅速，产生大量的热、烟和火焰辐射，可选用感烟传感器、感温传感器、火焰传感器或其组合。 火灾发展迅速、有强烈的火焰辐射和少量的烟和热，应选用火焰探测器。 火灾形成特点不可预料，可进行模拟试验，根据试验结果选择探测器。（2）根据安装场所环境特征选择传感器 相对湿度长期大于95%，气流速度大于5m/s，有大量粉尘、水雾滞留，可能产生腐蚀性气体，在正常情况下有烟滞留，产生醇类、醚类、酮类等有机物质的场所，不宜选用离子感烟传感器。 可能产生阴燃或者火灾不及早报警将造成重大损失的场所，不宜选用感温探测器；温度在0C以下的场所，不宜选用定温传感器；正常情况下温度变化大的场所，不宜选用差温传感器。 有下列情形的场所，不宜选用火焰传感器：a、 可能发生无焰火灾；b、 在火焰出现前有浓烟扩散；c、 传感器的镜头易被污染；d、 传感器的“视线”易被遮挡；e、 传感器易被阳光或其他光源直接或间接照射；f、 在正常情况下，有明火作业以及X射线、弧光等影响1.3 课题的要求和目的本课题要求利用对射反射式红外传感器对受限空间内火灾进行探测，分析火源发展状态与红外传感器输出之间的关系，在此基础上设计出多点红外火灾探测软硬件系统并能够实现显示火灾状态，具有声光报警功能。目的在于熟悉反射式红外传感器的测量方法，掌握软硬件系统的开发原理。大大缩短了火灾早期报警时间、提高了准确度，火灾自动报警系统已经形成了探测不同火灾的现代消防自动化系统，使各类工业建筑、高层民用建筑、地下建筑等得到了更有效的保护。 要解决的问题主要有火焰传感器的基本原理及参数设定，单片机的选择与基本使用方法的熟悉，A/D转换器的连接，数字量信号的输入，模拟量信号的滤波与转换，火灾现场传感器状态的显示及火灾的判定，报警系统的设计与连接。第二章 硬件设计2.1 总体设计思路 本次课题的要求是利用对射反射式红外传感器对受限空间内火灾进行探测，分析火源发展状态与红外传感器输出之间的关系，在此基础上设计出多点红外火灾探测软硬件系统。要求能够实现显示火灾状态，具有声光报警功能。因此，我们在拥有了flame-1000火焰传感器后，就要围绕此款传感器进行系统设计，首先我们选用了AT89C51单片机作为核心单元，由于传感器有模拟量输出，在考虑到我们要使用4个传感器进行全方位测量，所以选用了8路的ADC0809作为A/D转换器。其次，要求对火灾状态进行监测，于是使用12864来进行显示处理，并进行声光报警。剩下的就是一般的时钟复位系统、按键模块与存储模块的组合。总体设计框图如图2.1所示：传感器1传感器2传感器3传感器4 单片机报警模块存储模块显示模块时钟复位A/D图2.1 硬件设计框图2.1.1 单片机的选用AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash 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。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000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，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机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。外形及引脚排列如图2.2所示主要特性：图2.2 AT89C51引脚图与MCS-51 兼容 4K字节可编程FLASH存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24MHz 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特性概述：AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。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/地址的低八位。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外部必须接上拉电阻。 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口作为低八位地址接收。 端口管脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（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）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口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表2.1所示：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。表2.1 P3口管脚功能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。2.1.2 红外传感器图2.3 flame-1000火焰传感器如图2.3所示，该产品能够探测火焰发出的波段范围分别为700-1100nm的短波近红外线（SW-NIR）。产品的特点：1、 双重输出组合，数字输出使得系统设计简化，更为简单；模拟输出使得需要高精度的场合使用，更为精确。满足不同需求的场合使用。2、 检测距离可调节，通过调节精密电位器，检测距离能够方便的调节。3、 板载LED指示灯，指示传感器状态，调试很方便。4、 板载M3安装孔，方便安装。5、 采用沉金设计，使得模块更为稳定与美观。6、 整块传感器在厂家采用机器焊接完成（非拼版焊接），性能稳定，表现出众。产品性能：探测波长：700-1100nm探测距离：大于1.5m供电电压3V-5.5V输出方式： -数字输出 当检测到火焰时输出高电平没有检测到火焰时输出低电平。 -模拟输出 输出端电压随着火焰强度的变化而变化。引脚说明：VCC:电源正极3-5.5VGND:电源负极AOUT:模拟输出引脚DOUT:数字输出引脚注意事项：阳光对其有一定影响，使用时避开阳光使用，为减少干扰，可以在传感器端加热缩管。2.2 时钟复位模块 单片机通过外接晶体的引脚XTAL1和XTAL2与AT89C51片内的反向放大器构成振荡电路，通常可以用两种方式产生单片机所需的时钟信号。一种为内部方式，利用单片机内部的反相器作为振荡电路，利用外接晶体作为定时单元。晶体的频率范围在1.212MHz之间任选。另一种为外部方式，通常产生1.212MHz的方波。 当振荡器运行时，在RST/VPD引脚会出现两个周期的高电平使单片机复位，复位后内部寄存器的状态如表2.2所示：寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTMOD00HACC00HTCONO0HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0-P3FFHSCON00HIP(XXX0000)SBUF(XXXXXXXX)IE(0XX00000)PCON(0XXX000)表2.2 复位后各寄存器状态 复位电路在单片机应用系统中是非常重要的。如果复位电路不可靠，可能造成整个系统不能正常工作。在我们设计的系统中，电路图如图2.4所示：图2.4 复位电路2.3 模数转换模块模数转换(ADC)亦称模拟一数字转换，与数/模(D/A)转换相反，是将连续的模拟量（如象元的灰阶、电压、电流等）通过取样转换成离散的数字量。例如，对图象扫描后，形成象元列阵，把每个象元的亮度（灰阶）转换成相应的数字表示，即经模/数转换后，构成数字图象。通常有电子式的模/数转换和机电式模/数转换二种。在工程设计中，由于单片机只能接受、处理数字量信号，所以模拟量信号在送入单片机之前必须通过相应的装置转换为数字量。2.3.1 ADC0809模数转换芯片ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。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A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据，是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。图2.5 ADC0809引脚图引脚图如图2.5：主要特性：8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位具有转换起停控制端转换时间为100s(时钟为640kHz时)，130s（时钟为500kHz时）单个+5V电源供电模拟输入电压范围0+5V，不需零点和满刻度校准工作温度范围为-40+85摄氏度低功耗，约15mW引脚功能：IN0IN7：8路模拟量输入端。D0D7：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。 EOC： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 Vref（+）、Vref（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一+5V。 GND：地。ADC0809的工作过程：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 转换数据的传送 A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。（1） 定时传送方式 对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128s，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。 （2） 查询方式 A/D转换芯片有表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。 （3） 中断方式 用表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。 不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。2.3.2 模数转换电路设计A/D转换器的主要性能指标如下：1、分辨率分辨率指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。通常以数字信号的位数n来表示。n位转换器，其数字量变化范围为02n-1，当输入电压满刻度为XV时，则转换电路对输入模拟电压的分辨能力为X/（2n-1）。如果是8位的转换器。5V满量程输入电压时，则分辨率为5/（28-1）=19.6078mV。2、转换速率转换速率是指完成一次A/D转换所需的时间的倒数。即每秒转换的次数，采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率必须小于或等于转换速率。3、精度A/D转换器的精度是指与数字输出量所对应的模拟输入量实际值理论之间的差值。A/D转换电路中与每个数字量对应的模拟输入量并非一个单一的数值，而是一个范围值，其中的大小理论上取决于电路的分辨率。定义为数字量的最小有效位LSB。但在外界环境的影响下，与每一数字输出量对应的输入量实际范围往往偏离理论值。基于以上特点，我们在该系统中选用ADC0809这个8位A/D转换器，在分辨率上满足要求。对于该八路通道输入信号，八位A/D转换器，其精度为 输入为05V时，分辨率为 其中： A/D转换器的满量程值 ADC的二进制位数量化误差为 ADC0809是TI公司生产的8位逐次逼近式模数转换器，包括一个8位的逼近型的ADC部分，并提供一个8通道的模拟多路开关和联合寻址逻辑，为模拟通道的设计提供了很大的方便。用它可直接将8个单端模拟信号输入，分时进行A/D转换，在多点巡回监测、过程控制等领域中使用非常广泛,所以本设计中选用该芯片作为A/D转换电路的核心。ADC0809与单片机接口电路如图2.6所示：图2.6 ADC0809与单片机接口电路 2.4 分频电路模块分频就是用同一个时钟信号通过一定的电路结构转变成不同频率的时钟信号。四分频就是通过有分频作用的电路结构，在时钟每触发4个周期时，电路输出1个周期信号。 比如用一个脉冲时钟触发一个计数器，计数器每计4个数就清零一次并输出1个脉冲。那么这个电路就实现了四分频功能。2.4.1 CD4013芯片CD4013是一双D触发器,由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q反输出，此器件可用作移位寄存器，且通过将Q输出连接到数据输入，可用作计算器和触发器。在时钟上升沿触发时，加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。其引脚图如图2.7所示：图2.7 CD4013引脚图功能表如表2.3所示：表2.3 CD4013功能表2.4.2 分频电路设计在本系统中，由于ADC0809的工作频率最好在500kHz左右，但是单片机接的是12MHz的晶振，ALE端输出的方波频率在2MHz，因此使用四分频电路使接到ADC0809上的振荡频率为500kHz。我设计的四分频电路使用的是CD4013双D触发器作为核心元件，通过两个D触发器构成四分频电路，具体接法如图2.8所示：图2.8 四分频电路2.5 存储模块2.5.1 24C02芯片24C02/04/08/16/32/64是电可擦除PROM，分别采用256/512/1024/2048/4096/8192X8-bit的组织结构以及两线串行接口。电压可允许低至1.8V，待机电流和工作电流分别为1uA和1mA。24C02/04/08/16/32/64具有页写能力，每页分别为8/16/16/16/32/32字节。24C02/04/08/16/32/64具有8-pin PDIP和8-pin SOP两种封装形式。图2.9 24C02引脚图引脚图如图2.9所示：特点如下： 宽范围的工作电压1.8V5.5V 低电压技术 存储器组织结构 -24C02,256X8(2K bits) 2线串行接口，完全兼容I2C总线 I2C时钟频率为1MHz（5V），400kHz（1.8V,2.5V,2.7V） 施密特触发输入噪声抑制 硬件数据写保护 内部写周期（最大5ms） 可按字节写 页写；8字节页（24C02） 可按字节，随机和序列读 自动递增地址 ESD保护大于2.5kV 高可靠性 -擦写寿命：100万次 -数据保存时间：100年 8-pin DIP和8-pin SOP封装 无铅工艺，符合RoHS标准引脚说明如表2.4：引脚号引脚名称功能说明1A0地址输入。A2、A1和A0是期间地址输入引脚。24C02/32/64使用A2、A1和A0输入引脚作为硬件地址，总线上可同时级联8个24C02/32/64器件。2A13A24SDA串行地址和数据输入/输出。SDA是双向串行数据传输引脚，漏极开路，需外接上拉电阻到Vcc5SCL串行时钟输入。SCL同步数据传输，上升沿数据写入，下降沿数据读出。6WP写保护。WP引脚提供硬件数据保护。当WP接地时，允许数据正常读写操作；当WP接Vcc时，写保护，只读。7GND地8VCC正电源表2.4 24C02引脚说明2.5.2 存储电路设计数据存储模块电路采用24C02来设计，电路中将E0、E1、E2引脚接地，写保护引脚WC也接地。AT89C51使用P3.4和P3.5引脚来模拟I2C总线，实现对存储器24C02的读写操作。其中，P3.4引脚（SCL）用于输出模拟时钟，P3.5引脚（SDA）用于输出串行数据。图2.10 总线时序图总线时序图如图2.10所示：具体连接方法如图2.11所示：图2.11 24C02与单片机连接电路2.6 报警模块 单片机的P2.3引脚用于控制蜂鸣器的工作状态。报警的工作过程是：当检测到没有火源时，单片机P2.3引脚输出高电平，PNP型三极管Q1处于关断状态。当检测到有火源时，单片机P2.3引脚输出低电平，三极管Q1导通，蜂鸣器BUZZER有电流经过提示声音报警。具体连接方法如图2.12所示：图2.12 报警电路2.7 串口通信模块2.7.1 MAXA232芯片MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电。MAX220MAX249系列线驱动器/接收器，专为EIA/TIA-232E以及V.28/V.24通信接口设计，尤其是无法提供12V电源的应用。这些器件特别适合电池供电系统，这是由于其低功耗关断模式可以将功耗减小到5W以内。MAX225、MAXX233、MAX235以及MAX245/MAX246/MAX247不需要外部元件，推荐用于印刷电路板面积有限的应用。其引脚图如图2.13所示：图2.13 MAX232引脚图引脚介绍：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。 第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。主要特点如下：1、符合所有的RS-232C技术标准 2、只需要单一 +5V电源供电 3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V- 4、功耗低，典型供电电流5mA 5、内部集成2个RS-232C驱动器 6、高集成度，片外最低只需4个电容即可工作。2.7.2 串口通信电路设计RS-232C接口是一种适用于数据终端设备（Data Terminal Equipment, DTE）和数据通信设备（Data Communication Equipment，DCE）之间的接口。RS-232C总线应用的初期用于连接公共电话网络的调制解调器进行数据通信。RS-232C采取不平衡传输方式，即单端通信。RS-232C标准规定其高电平为+3V+15V，低电平为-3V-15V，噪声容限为2V。另外该串口标准数据线传送采用负逻辑，即低电平表示1，高电平表示0；其他控制线采用正逻辑。因此，当单片机进行RS-232C通信时，就需要通过电平转换电路将RS-232C总线中的数据信号转换为TTL电平后才能接受，否则就会将TTL电路烧毁。另外，RS-232C的最大通信距离为15m，最高传送速率为20kbit/s，只能进行一对一的通信。RS-232C是一种由25条传输线构成的总线，总线和DTE以及总线和DCE之间的连接可以通过DB-25连接器完成。但是，出于节省资金和空间的考虑，现在大多数设备仅仅使用了其中的部分引脚，采用较小的连接器。因此，现在市场上最常见RS-232C有25针串口（DB-25）和9针串口（DB-9）两种接口形式。DB-9接口各引脚定义如表2.5所示：引脚缩写说明引脚缩写说明1DCD数据载波检测6DSR数据设备准备好2RXD接收数据7RTS请求发送3TXD发送数据8CTS清除发送4DTR数据终端准备DELL振铃指示5GND信号地表2.5 DB-9接口各引脚定义由于DB-9接口在设备上的广泛使用，使得很多情况下并不需要再像DB-25接口中定义的那样，将20根信