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毕业设计72吉首大学基于单片机89C51的光电式测温器的研制
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基于单片机 89C51 的 光电 式 测温 器的研制 孙建生 （吉首大学物理科学与信息工程学院，湖南 吉首 416000） 摘 要 本 文设计一种由单片机 AT89C51、双音频拨号译码电路、电力线载波收发电路、语音电路、 光敏 电阻等组成的 测温 报警系统。实验证明，该系统报警快速、准确。由于该系统电路简单，而且利用的是电力线传输信号， 不需要线路投资 ，节省了报警系统的成本。 本文对其硬件电路和软件流程做了较为详细的阐述。 关键词 ： 电阻式传感器；单片机； 测温 报警电路 The Research on the Resistance Fire Detectors Based on 89C51 Single Chip Microcomputer Sun Jiansheng (College of Physics Science and Information Engineering, Jishou University,Jishou Hunan 416000) Abstract The paper design a fire alarm system which is formed by single chip microcomputer AT89C51, double audio dial decoding circuits, power line carrier receiving circuits, voice circuits, and thermistor, and so on. It is proved by experiments that the system was faster and more accurate. The system circuit was simple; adopting the power lines for transmission signal lines, which were not required investment for lines. And the cost was declined. All of its hardware circuit and software flow were detailed elaborately. Key words: resistance sensor; single chip microcomputer; alarm circuit nts 目 录 第一章 总体方案设计 。 1 1.1 绪论 1 1.1.1 研究火灾报警器的意义 1 1.1.2 火灾报警器的工作特点 1 1.1.3 电力线通信简介 1 1.1.4 传感器简介 2 1.2系统总体框图 3 1.2.1拨号报警电路框图 3 1.2.2接收电路框图 4 第二章 硬件电路设计 。 5 2.1 探测电路设计 5 2.1.1 热敏电阻简介 5 2.1.2 探测电路总体设计 6 2.2 拨号报警电路设计 6 2.2.1 拨号报警电路主要元器件介绍 6 2.2.2 拨号报警总体电路设计 .11 2.3 接收电路设计 11 2.3.1 接收系统主要元器件介绍 11 2.3.2 接收报警总体电路设计 13 2.4 通信过程 13 第三章 电源 电路设计 。 15 3.1 电源电路总体设计 15 3.2 电源电路的原理 16 3.2.1 电源变压器 16 3.2.2 整流 16 3.2.3 滤波 16 3.2.4 稳压 16 第四章 系统软件设计 。 17 4.1室内报警系统程序设计 17 4.2发射 程序设计 18 4.3接收 程序设计 19 nts 第五章 设计总结 。 20 参考文献 21 附录一 22 附录二 23 附录三 24 nts基于单片机 89C51的电阻式火灾报警器的研制 总体方案设计 1 第一章 总体方案设计 1.1 绪论 随着工业过程自动化的不断的发展，辐射测温越来越广泛的应用于冶金、材料、化工等行业。20 世纪 80 年代以来，欧美各国竞相研究多光谱测温技术，主要用来解决高温及超高温目标真实温度、物体的发射率及热物性的动态测量。 1982 年， Cashdollar 研制成了 PbSe 作为探测器的 6波长高温计，用来测量在粉尘爆炸过程中粉尘粒子及气体的温度 ;1992 年， Cezairliyan 等人研制成了亚毫秒级的 6 波长高温计，在脉冲加热下测量了妮金属试样的亮度温度。一九九一年由意大利罗马大学与哈尔滨工业大学联合开发取消干涉光镜一种光学系统用于辐射测温，由哈尔滨工业大学于九二年首先研制出来，并在加拿大多伦多世界温度学术会议上发表论文，受到同行业高度评价。它改变了传统的方式为辐射测温开辟了一个科学实用的途径。 将光纤传感技术与辐射测温相结合，利用光纤的优点，实现了另一种测量高温的方法。光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而另辟新径的一种崭新的传感技术。随着技术的不断进步，玻璃纤维 的制造工艺不断改进， 1970 年时，早已发展起来的玻璃纤维对光波的衰减从 1 OOOdb/km 下降到 20db/km，所以 1970 年被誉为光纤通信年 :同时，室温下连续工作的半导体激光器获得了突破性进展。这两件事使人们不仅提出了光纤通信概念，而且在这以后光纤通信技术获得了很快的发展。 在光纤通信系统中，光纤用作远距离传输光波信号的媒质。人们很快发现，通信质量易受干扰的一个原因是光纤对外界环境因素十分敏，如温度、压力、电场、磁场等物理量的大小。另一方面，光纤本身有许多固有的优点，如长距离低损耗、易弯曲、体积小 、重量轻、成本低、防水、放火、耐腐蚀、抗电磁干扰等。这促使人们在各个领域对光纤传感器进行深入研究，使得光纤传感技术获得了飞速发展一在航天 (飞机及航天器各部位压力、温度传感、陀螺 )，航海 (声纳 )，石油化工 (液面、流量、二相流中空隙度的测量 )，电力工业 (高压输电网的电流、电压计量 )，核工业 (放射剂量、原子能发电站泄露剂量监测 )，医疗器械 (血液流速、血压及心音测量 )，科学研究 (地球自转、敏感蒙皮 )等技术领域都取得了可喜的研究成果。 光纤传感器有一个特点，同一种调制机制 (如强度、相位调制 )可实现不同物理量 (如温度、压力等 )检测，或者说，同一物理量的检测 (如温度 )又可用不同的调制机制 (如强度、相位调制等 )来实现。光纤传感器是以光学技术为基础，不但能构成纯电子技术不能实现的传感器，还能结合光、电技术各自的特长，扩大传感器的应用范围。由于光纤材料科学的发展，提供低损耗高质量、多规格的光纤 :光纤传感理论的发展解决了光纤间的藕合、光纤阵列间的祸合、光纤与光源间的祸合设计的理论依据，从而促使了红外辐射测温和光纤传感结合形成光纤传感测温。 为了适应传感器发展的要求，采用了智能化传感器设计，传感器的智能化归功于计算机技 术、微电子技术，特别是微计算机技术的迅猛发展。使传感器系统在测量过程自动化、测量结果的智nts基于单片机 89C51的电阻式火灾报警器的研制 总体方案设计 2 能化处理和仪器功能仿人化等方面都有了巨大的进展。智能传感器技术是一正在蓬勃发展的现代传感器技术，是涉及微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、电路与系统、传感技术、神经网络技术、模糊理论等多种学科的综合性技术。智能化传感器与传统传感器相比，具有高精度、高可靠性与高稳定性、高信噪比与高分辨力、强自适应性以及高性价比等优点。智能化传感器设计是传感器传统设计中的一次革命，是世界传感器的发展趋势。 将辐射测温、 光纤传感技术和智能传感器技术相结合而产生了智能光纤传感测温的构想，利用以上技术，充分发挥各自优势，形成了形形色色的新型的智能化的光纤温度传感器。本文在上述技术基础上开发了具有自动校准、多点补偿以及显示、存储、输入等功能的智能化光纤传感测温系统，并开发了基于虚拟仪器技术的高精度光纤传感测温系统。 1.1.1 研究 测温 报警器的意义 如 发生了火灾，如能及时发现，就能及早扑灭，避免酿成重大事故。及时发现火灾，一方面依靠人的警惕 ,但也不是每个场所、任何时间都有人在巡视活动，所以，另一方面还要借助于一定的设备。各种 类型的火灾报警器就能代替人的一部分作用，它每时每刻都坚守着自己的岗位，一旦发生火灾，就能及时地向人们报警。 1.1.2 测温 报警器的工作特点 测温 报警器的关键设备是探测器。也叫敏感头、探头。它能及时发现 温度过高现象，然后通过收信、发信、报警等部分向人们发出报警信号。当温度过高 时，必然会伴随着产生烟雾、高温和火光， 光纤 探测器对这些都很敏感。当有烟雾、高温、火光产生的时候，它就改变了平时的正常状态，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 10。 火灾探测报警控制器是一种能自动探测，预报火灾发生的设备。它通过火灾探测器或传感器对火灾发生时产生的各种理化特性 (如烟雾 ,高温 ,火焰 ,气体等 )来探测火灾的发生 ,对尽早提醒值班人员及时扑救初始火灾，疏散人员逃生，减少人员伤亡和财产损失，避免重大火灾的发生起着至关重要的作用。 火灾探测报警控制器通过各种探测器如感烟探测器、感温探测器、感光探测器等，对保护场所的烟 ,温 ,光等信息进行探测取样并传送到控制器。由控制器进行识别、分析、判断、确认火灾的发生，再将火灾发生的信息进行显示和告知值班 人员。 光纤传感器原理 1. 1 物体的热辐射 任何物体总是不断的自发发射电磁波。这种自发的电磁辐射，对常温物体来说，主要 集中在红外波段，有强烈的热作用，因此又称热辐射。物体的热辐射程度主要由物体的温 度决定，所以也称温度辐射。物体的温度辐射特性是光学温度传感的基础，也是红外探测、 红外遥感、红外跟踪制导等红外技术的基础。 nts基于单片机 89C51的电阻式火灾报警器的研制 总体方案设计 3 1.物体发光的基本形式 物体发光有两种基本形式 :热辐射和“发光”辐射。 热辐射亦称温度辐射。任何物体只要它的温度高于热力学温度，它就一定要不断地发 射电磁辐射，并 称之为热辐射。热辐射的特性与物体的温度密切相关。在这种发射过程中， 只要维持物体的温度不变，物体就可以持续不断地发射电磁波。包括固体、液体、甚至相 当厚的气体在内的任何物体都有这种辐射发生。温度低时，发射不可见的红外线，高于 500左右，开始发射部分近红外的可见光 :温度越高时，发射的波长越短，大约 1500 0C 时，开始发射白光，其中还有相当多的紫外线。热辐射的另一个特点是辐射光谱是连续的。 它不仅与物体温度有关，还与物体的表面特征有关。 “发光”辐射与热辐射不同。它主要是借助其它一些外来激发过程 而获得能量产生辐 射发射的。这种发光形式包括电致发光一物体中的原子在由电场加速的电子作用下，被激 发到激发状态，当它返回到正常状态时放出能量将产生辐射 ;光致发光一物体被光辐射而 引起的自身发射 ;化学发光一由于化学反应引起发光 ;热发光一物体被加热到一定温度后 引起发光，它与热辐射不同，它只有在达到一定温度后才开始发光，而热辐射在任何温度 下都产生辐射。“发光”辐射的基本特征是非平衡发射，不能用温度描述。其光谱不再是 连续谱，而是带光谱和线光谱。 2.基尔霍夫定律 温度为 T 的物体一定产生与温度 T 相应的电 磁波。这是 说，任何有温度的物体总是不断地在发射电磁能。同时，物 体也在不断的吸收辐射。任何物体都在不断的吸收辐射和发 射辐射。与物体从周围吸收辐射的能量恰好等于本身因发射 辐射而减少的能量时，物体就处于热平衡状态。此时，物体 的状态就可用一个确定的温度值来表征。基尔霍夫定律正是 回答了在热平衡状态下，物体的吸收特性和发射特性之间的 关系。 基尔霍夫定律指出 :在一定温度下，物体对波长入的光 的吸收率 a 扭 ,劝与该物体发射出该波长入的光的辐出度 M 扭，约成正比，而且比例系数 f 扭，约对任何物体都一样。用 数学形式表达出来就是 nts基于单片机 89C51的电阻式火灾报警器的研制 总体方案设计 4 公式（ 1） 式中下标 1， 2，表示不同物体的代号。 如图 1 所示，物体 A 置于一个真空绝热的闭腔容器中 ，物体与容器只能通过辐射交换 热量，最终物体与容器之间达到热平衡。此时，物体与容器壁处于相同温度。 热平衡下，物体 A 所发射的功率等于它所吸收的功率，而且对任一波长成分都是这样， 有关系如下 对任一物体都成立。它表明，一个好的吸收体，一定也是一个好的发射体。于是有 即任何物体的光谱辐出度与光谱吸收率的比例系数与物体性质无关，等 于真空容器中的光 谱 辐 照 度 。1.1.4 传感器简介 光纤传感技术 光纤传感器是本世纪 70 年代中期发展起来的一种新型传感器。光纤传感技术是伴随 着光导纤维及光纤通信技术发展而另辟新径的一种崭新的传感技术。光纤传感器用光而不 用电来作为敏感信息的载体 ;用光纤而不用导线来作为传递敏感信息的媒质。因此，它同 时具有光纤及光学测量的一些极宝贵的特点 : nts基于单片机 89C51的电阻式火灾报警器的研制 总体方案设计 5 1)电绝缘。因为光纤本身是电介质，而且敏感元件也可用电介质材料制作，因此光纤传 感器具有良好的电绝缘性，特别适用于高压供电系统及大容量电机的测 试。 2)抗电磁干扰。这是光纤测量及光纤传感器的极其独特的性能特性，因此光纤传感器特 别适用于高压大电流、强磁场噪声、强辐射等恶劣环境中，能解决许多传感器无法解决的 问题。 3)非侵入性。由于传感头可做成电绝缘的，而且其体积可以做得很小 (最小可做到只稍 微大于光纤得芯径 )。因此，它不仅对电磁场是非侵入式的，而且对速度场也是非侵入式 的，故对被测场不产生干扰。这对于弱电磁场及小管道内流速、流量等的监测特别具有实 用价值。 4)高灵敏度。高灵敏度是光学测量的优点之一。利用光作为信息载体的光纤传感器的灵 敏度很高 。它是某些精密测量与控制的必不可少的工具。 S)容易实现对被测信号的远距离监控。由于光纤的传输损耗很小 (目前石英玻璃系光纤 的最小光损耗可低达 0.16db/km )，因此，光纤传感器技术与遥测技术相结合，很容易实 现对被测场的远距离监控。这对于工业生产过程的自动控制以及对核辐射、易燃、易爆气 体和大气污染等进行监测尤为重要。 以上优点促使人们在各个领域对光纤传感器进行深入研究，使得光纤传感技术获得了 飞速发展，概括地说，光纤传感器就是利用光纤将待测量对光纤内传输的光波参量进行调制，并对被调制过的光波 信号进行解调检测，从而获得待测量值的一种装置。 1. 3. 1 光导纤维 光导纤维简称光纤，如图 4 所示，它是由半径为 d 的高折射率 n，的中心部分 (芯子 ) 和半径为 b 的低折射率 n2 的外围包层构成的细长的光导波路。通常把芯子和包层一起统 称为芯线。最外层是保护层 (半径为。，折射率为 n3 )。这样的结构可以保证入射到光纤 内的光波集中在芯子内传播。 为保证入射到光纤内波长为入的光从芯子内入射到芯子一包层界面时被全反射，而只 集中在芯子内向前传播，则光的入射角的余角 0 应比用下式表示的临界角 e。小。 而 以比临界角大nts基于单片机 89C51的电阻式火灾报警器的研制 总体方案设计 6 的角度入射的光波，由于透过边界而没有传播。假设先由空气中入射到光 纤端面，并在光纤内传播，此时，在空气中的光的受光角 (光纤的中心轴与入射光所成的 角 )的最大值可利用斯涅耳定律求出 : 其中 NA C numerical aperture)称为数值孔径。它是表示向光纤入射信号光难易程度的参数。 光纤的 NA 越大，越能从宽范围内输入全反射光。 这种沿芯子传播的光，可以分解为沿轴向与沿截面传输的两种平面波成分。因为沿截面传 输的平面波是在芯子与包层的界面处全反射 :所以，当每一往复传输的相位变化是 2 的 整数倍时，就可以在截面内形成驻波。像这样的驻波光线组又称为“模”。“模”只能离散 地存在，光纤内只能存在特定数目的“模”的传输光波。如果用归一化频率 U 表达这些传 输模的总数，其值一般在 之间。归一化频率 U 由下式给出 能够传输较大 v 的光纤称为多模光纤。若芯子细到波长左右，仅能传输 v 小于 2. 41 的光 纤，称为单模光纤，这种光纤只允许光波在 )=0 的光路中传播。 1. 3. 2 光纤传感器及其分类 1.光纤传感器的组成 光纤传感器是一种把被测的某种量转换为可测的光信号的装置。由光纤传感器组成的 变送 器是由光发送器、光纤传感器 (或敏感元件 )、光接收器、信号调理电路及光纤构成 的。即由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件，经敏感元件，光的某一性质受到被 测量的调制，己调光经接收光纤祸合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号调理 电路处理得到所需要的被测量。 可见，利用光纤传感器进行的测量是以光学测量为基础的。光是一种电磁波，其波长 范围从极远红外线的 10um 到极紫外线的 1 Onm。在研究光的敏感测量时需考虑光的电矢 量 E 的振动。通常用下式表示 式中 A 为电场 E 的振幅矢量 :。为光波的振动频率 ;P 为光相位 :t 为光的传播时间。 由式可见，只要使光的强度、偏振态 (矢量 A 的方向 )、频率和相位等参量之一随被 测量的变化而变化，或者说，受被测量调制，那么，就有可能通过对光的强度调制、偏振 调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。 2.光纤传感器的分类 光纤传感器可根据光纤在其中的作用，光受被测量调制的形式或根据光纤传感器中对 光信号的检测方法进行分类。 (1)根据光纤在传感器中的作用分类，光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三类。 nts基于单片机 89C51的电阻式火灾报警器的研制 总体方案设计 7 功能型光纤传感器 光纤 在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。此类传 感器的优点是结构紧凑、灵敏度高。但是，它需要特殊光纤和先进的检测技术，因此成本 高。 非功能型光纤传感器 光纤在其中仅起导光作用，仅将受被测量调制的光传送到敏感元件上。此类传感器无 需特殊光纤及其它特殊技术，比较容易实现，成本低，但灵敏度决定于探测器的性能，易 受到杂散光的干扰而降低其准确性和精确度，适用于对灵敏度要求不太高的场合。 拾光型光纤传感器 用光纤作探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。 （ 2)根据 光受被测对象调制形成进行分类，光纤传感器分为如下四类 : 强度调制型光纤传感器 这是一种利用被测量对辐射强度的调制，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感 器。这类光纤传感器的优点是结构简单、容易实现、成本低，其缺点是受光源强度的波动 和连接器损耗变化等的影响较大。 偏振调制光纤传感器 这是一种利用光的偏振态的变化来传递被测量的信息的传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影响，因此灵敏度高。 频率调制光纤传感器 这是一种利用由被测对象引起的光频率的变化来进行监测的传感器。 相位调制光纤 传感器 其基本原理是利用被测量随相位变化表征的特点，光的传播过程受到被测量的影响而 产生相位变化，然后利用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。这类传感器 的灵敏度很高，但由于必须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本很高。 1. 4 光纤传感测温 光纤温度传感器由集光器、传输光纤和光电转换及信号处理单元组成其原理如图 5 所 示，它主要是利用光导纤维祸合与传输的特性，将被测物体的表面辐射能量 (此能量与被 测物体表面温度有关 )传导至光电转换器，转换成电量，然后进行处理。 1.集光器 集光器是决定传感器灵敏度的主要部件，如何将光最大限度的传输到探测器是一个很 nts基于单片机 89C51的电阻式火灾报警器的研制 总体方案设计 8 重要的问题，而且根据探测物大小、距离不同的要求，对于集光器也有不同的形式。它 的主要作用就是收集被测物体的辐射功率，并汇聚到探测器上。 当对于一般的工业测量，待测目标的面积比较大，而且要求距离较远，集光器的设计 如下图所示。利用透镜将远处光源的光集中到光纤端面，由光纤传输到信号处理单元。在另外一些场合，又要求要对小目标，近距离测量，而且要求的测量目标大小为 1 个 毫米左右的直径，探头离被测物体的距离也仅为几厘米远近。为 此特采用自聚焦透镜祸合， 将光集中到光纤端面。将光纤与自聚焦透镜胶合在一起，平行光进入自聚焦透镜，经聚焦 全部进入光纤。祸合方式见下图所示。 2.传输光纤 传输光纤是将集光器得到的辐射能传输给后面的光电转换元件。其透过率是传输光纤 的主要参数，光在光纤内传播时，由于材料吸收等因素而衰减，透过率还与入射、出射端 面反射损耗及芯层、包层之间的全反射率有关。实践证明，当光纤材料与结构及祸合方式 固定之后，透过率便是一个稳定的参数。现在由于光纤生产技术的发展，使得光纤的损耗 率大为下降，同时在实际的传感 器应用中，传输光纤的长度又有限，所以被测物体辐射在 传输光纤中的衰减非常微弱。 3.光电转换及信号处理单元 这部分主要功能是将光信息转换为电量输出并显示，光电转换器一般采用光电二极 管、硅光电池等探测器。由于一般探测器的光敏元件面积较大，光纤与它们直接祸合可达 到较高的效率。信号处理主要作用是放大由探测器输出的微弱信号，以达到显示或记录所 钡叮温度的目的。其中除了放大探测器的输出信号外，还有线性化输出处理，发射率影响修 正，噪声抑制以及供电系统等。 nts基于单片机 89C51的电阻式火灾报警器的研制 总体方案设计 9 1.2 系统总体框图 报警系统在同 一变压器范围内，由单片机 AT89C51、双音频拨号译码电路、电力线载波收发电路、语音电路和 EPROM存储器等组成。 火灾探测报警控制系统室内分机如图 1.1： 图 1.1 室内拨号系统结构框图 拨号系统主要元器件选择： 1. 双音频拨号电路主要由芯片 MT5087组成； 2. 单片机控制器主要由芯片 AT89C51组成； 3. 火灾探测电路主要由热敏电阻组成； 4. 室内语音报警电路主要由芯片 TP-1106组成； 单片机控制 火灾的语音报警 复位电 路 火 灾 探 测 电 路 双 音 频拨 号 电 路 时钟电 路 电 力 线 接收电路 电 池 电 源+6V 输出 电池电源+5V 输出 nts基于单片机 89C51的电阻式火灾报警器的研制 总体方案设计 10 火灾探测报警控制系统室外控制室分机如图 1.2: 图 1.2 室外控制室系统结构框图 接收系统主要元器件选择： 1. 信号接收电路主要由芯片 MT8870组成； 2. 解调器主要由芯片 LM567组成； 3. 译码器主要由芯片 CD4028组成； 4. 单片机控制器主要由芯片 AT89C51组成； 5. 语音报警电路主要由芯片 TP-1106组成； 报警器的电路原理如附录一、二所示。 单片机控制中心 信号接收电路 解调器 译码器 语音报警电路 显示器 开关电源 +5V 输出 nts基于单片机 89C51的电阻式火灾报警器的研制 硬件电路设计 5 第二章 硬件电路设计 2.1 探测电路设计 2.1.1 热敏电阻简介 本系统采用 临界温度热敏电阻 CTR（ Critical Temperature Resistance）作为探测电路的传感器。热敏电阻的基本电气特性是它们随其温度变化而改变电阻。大多数应用，例如温度测量与控制或铜线圈补偿都要求热敏电阻中的功率维持在最小，免得引起自热。 热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件 。 热敏电阻由半导体陶瓷材料组成，利用的原理是温度引起电阻变化 。 若电子和空穴的浓度分别为 n、 p。 迁移率分别为 n 、 p ，则半导体的电导为 : ()npq n p (2.1) 因为 n、 p、 n 、 p 都是依赖温度 T 的函数，所以电 导是温度的函数，因此可由测量电导而推算出温度的高低，并能做出电阻 -温度特性曲线 。 这就是半导体热敏电阻的工作原理 。 热敏电阻包括正温度系数 PTC（ Positive temperature coefficient） 和负温度系数 NTC（ Negative Temperature Coefficient） 热敏电阻，以及临界温度热敏电阻 CTR。 热敏电阻的主要特点是： 灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大 10 100 倍以上，能检测出 10 6 的温度变化； 工作温度范围宽，常温器件适用于 -55 315 ，高温器件适用温度 高于 315 （目前最高可达到 2000 ），低温器件适用于 -273 55 ； 体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度； 使用方便，电阻值可在 0.1 100k 间任意选择； 易加工成复杂的形状，可大批量生产； 稳定性好、过载能力强 ； 在这些工作条件下，温度可升高 100 200，电阻可降至低电流条件下电阻值的千分之一，这自身加热特性使各个领域都可使用热敏电阻。在自热状态下，热敏电阻对改变热敏电阻的热传导率的任何条件都是热敏感的。如果排热速率可理想地固定不变，则热敏电阻对功率输入是 敏感的，因而，热敏电阻适合于电压电平或功率电平控制场合 1。 临界温度热敏电阻 CTR 具有负电阻突变特性，在某一温度下，电阻值随温度的nts基于单片机 89C51的电阻式火灾报警器的研制 硬件电路设计 6 增加激剧减小，具有很大的负温度系数 。 构成材料是钒、钡、锶、磷等元素氧化物的混合烧结体，是半玻璃状的半导体，也称 CTR 为玻璃态热敏电阻 。 骤变温度随添加锗、钨、钼等的氧化物而变 。 这是由于不同杂质的掺入，使氧化钒的晶格间隔不同造成的 。 若在适当的还原气氛中五氧化二钒变成二氧化钒，则电阻急变温度变大；若进一步还原为三氧化二钒，则急变消失 。 产生电阻急变的温度对应于半玻璃半导体物性急变的位 置，因此产生半导体 -金属相移 。 CTR能够作为控温报警等应用 。 2.1.2 探测电路总体设计 探测电路如图 2.1 所示： J 47u C1 10 10k 1M 2 0k 2 k 1 N 4 0 0 1 TRIG 2 Q 3 R 4 CVolt 5 THR 6 DIS 7 VCC 8 GND 1 U1 N E 5 5 5 9013 9013 +5V R t1 图 2.1 探测电路原理图 当有火灾发生时温度明显升高，热敏电阻探测到温度变化电阻值降低，三极管9013 道通，使 NE555 构成的单稳延时电路翻转， 3 脚输出约 50s 的高电平 ， 9013 导通，继电器 4098 吸合，将 +6V 电源接通，并将单片机 89C51 的 P1.6 端变为低电平 ,单片机执行拨号报警程序。 2.2 拨号报警电路设计 2.2.1 拨号报警电路主要元器件介绍 1.单片机芯片 AT89C51简介 系统的控制芯片采用 ATMEL公司生产的 AT89C51单片机，它采用 FLASH闪速存储器技术。由于 FLASH程序存储器可以使产品的开发过程中十分容易进行程序的修改和升级，不会像 OPT（ One Time Program） 产品那样一旦编程错误会导致整个 MCU（ Micro nts基于单片机 89C51的电阻式火灾报警器的研制 硬件电路设计 7 Controller Unit）成为废品，因此 ATMEL公司的 89系列单片机自 1994年一经问世，立刻成为传统 8051单片机的替代产品。 AT89C51的内部硬件资源有 ： 面向控制的 8位 CPU(Central Processing Unit)；2KB FLASH ROM(read-only memory)程序存储器 ； 2个 16位定时器 /计数器 ； 1个全双工的异步串行口 ； 5个中断源 ， 2个中断优先级的中断控制器。 (1)AT89C51的引脚说明 AT89C51的引脚图如图 2.2。它的管脚说明如下： 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。 表 2.1 P3口的特殊功能 P3.7 P3.6 P3.5 P3.4 P3.3 P3.2 P3.1 P3.0 /RD /WR T1 T0 /INT1 /INT0 TXD RXD 外部数据存储器写选通 外部数据存储器写选通 记时器 1外部输入 记时器 0外部输入 外部中断 1 外部中断 0 串行输出口 串行输入口 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。 nts基于单片机 89C51的电阻式火灾报警器的研制 硬件电路设计 8 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。 图 2.2 AT89C51 的 引脚图 图 2.3 时钟振荡电路(2) AT89C51的时钟电路 AT89C51的时钟电路如图 2.3。在芯片内部有一个高增益相反相放大器，其输入端为芯片引脚 XTAL1，其输出端为引脚 XTAL2 。而在芯片的外部， XTAL1和 XTAL2之间nts基于单片机 89C51的电阻式火灾报警器的研制 硬件电路设计 9 跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡。时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。一般电容 C1和 C2取30pF左右，晶体的振荡频率范围是 1.2MHz 12 MHz。晶体振荡频率高， 则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快。在通常应用情况下，使用振荡频率为的 12MHz。 (3)AT89C51的复位电路 单片机复位是使 CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。例如复位后 PC=0000H，使单片机从第一个单元取指令。无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。单片机复位的条件是：必须使 RST/VPD 或 RST引脚加上持续二个机器周期（即 24个振荡周期）的高电平。例如：若时钟频率为 12MHz，每机器周期为 1 s ，则只需 2 s 以上时间的高电平。在 RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。单片机常见的复位电路如图2.4（ a）（ b）所示。图 2.4（ a）为上电复位电路，它是利用电容充电来实现的。在接电瞬间， RST端的电位与 VCC相同，随着充电电流的减少， RST的电位逐渐下降。只要保证 RST为高电平的时间大于 2个机器周期，便能正常复位。图 2.4（ b）为按键复位电路。该电路除具有上电复位功能外，若要复位，只需按图 2.4（ b）中的 RESET键，此 时电源 VCC经电阻 R1、 R2分压，在 RST端产生一个复位高电平。 （ a） 上电复位电路 （ b） 按键复位电路 图 2.4 单片机常见的复位电路 nts基于单片机 89C51的电阻式火灾报警器的研制 硬件电路设计 10 2.通用音调译码器 LM567简介 图 2.5 LM567内部结构图 LM567为通用音调译码器，当输入信号于通带内时提供饱和晶体管对地开关，电路由 I与 Q检波器构成，由电压控制振荡器驱动振荡器确定译码器中心频率。用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。 主要用与振荡、调制、解调和遥控编、译码电路。如电力线载波通信、对讲机、遥控等。 LM567的功能有：（ 1）用外接电阻 20比 1频 率范围；（ 2）逻辑兼容输出具有吸收100mA电流吸收能力；（ 3）可调带宽从 0%至 14%；（ 4）宽信号输出与噪声的高抑制；（ 5）对假信号抗干扰；（ 6）高稳定的中心频率；（ 7）中心频率调节从 0.01Hz到 500Hz； （ 8）电源电压 5V-15V，推荐使用 8V； 3.双音多频电话拨号器 MT5087简介 MT5087是双音多频电话拨号器，通过该芯片可完成 4 4矩阵编码。 MT5087具有工作范围宽。输出电平可调。谐波失真小等特点。其引脚排列如图 2.6所示： nt
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