火灾报警系统毕业论文

1 学学士士学学位位论论文文 论论文文题题目目 智智能能火火灾灾报报警警控控制制系系统统 英 英 文 文 IntelligentIntelligent firefire alarmalarm andand controlcontrol systemsystem 学学 院院 物物理理与与信信息息工工程程学学院院 专专 业业 电电子子信信息息工工程程 姓姓 名名 陈陈 洋洋 学学 号号 2 20 00 02 22 22 20 00 00 03 36 65 5 指指导导教教师师 李李建建民民 20062006 年年 6 6 月月 1515 日日 2 目目 录录 文献综述 3 摘要 6 Abstract 6 第一章第一章 绪论绪论 7 1 1 课题的开发景 7 1 2 课题设计的意义 7 1 3 课题完成的功能 7 1 4 课题的设计方案 8 第二章第二章 系统设计原理系统设计原理 9 2 1 系统组成原理 9 2 2 系统原理设计框图 10 2 3 系统硬件电路原理图 10 第三章第三章 传感器电路及其接口传感器电路及其接口 10 3 1 传感器的工作原理及组成 10 3 2 气体 门磁开关和温度传感器 11 3 2 1 气体传感器 11 3 2 2 门控传感器 12 3 2 3 温度传感器 12 3 2 4 传感器的接口电路 13 第四章第四章 传感器的放大电路传感器的放大电路 17 4 1 集成运算放大器的组成 17 4 2 差动放大电路 18 4 3 差动放大电路 19 第五章第五章 ADC0809 芯片简介及接口芯片简介及接口 20 5 1 ADC0809 芯片简介 20 5 2 ADCADC0809 模数转换器的引脚功能 21 5 3 A D 转换器的主要技术参数 21 5 4 ADC0809 与单片机接口 22 第六章第六章 AT89C51AT89C51 单片机性能介绍单片机性能介绍 23 6 1 主要特性 23 6 2 管脚说明 24 6 3 振荡器特性 25 6 4 芯片擦除 26 6 5 声光报警模块 26 第七章第七章 系统软件设计系统软件设计 27 结 论 31 致 谢 32 参考文献 32 3 文文 献献 综综 述述 摘摘 要 要 本文综述了火灾报警系统的发展和及现状 简述了国内外生产的火 灾报警系统的优缺点 并且对智能型火灾报警器进行了简单的实例的分析 关键字 关键字 单片机 传感器 智能型火灾报警器 1 引言引言 进入上世纪90年代后 我国经济步入高速发展的时期 城市化建设不断加 快 城市建筑也由分散式低密度向集中式高密度过渡 林立的高层建筑成了城 市的主要的标志 居民住进了高层塔楼 企业搬进了摩天CBD 高层建筑有效 利用空间 节约了城市中本就十分紧张的土地资源 任何事物的发展都具有两 面性 高层建筑中各种通讯线路 动力和照明线路 以及各种系统中线路纵横 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 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报警产品应运而生 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类实现更加理想化的生 活提供了可能 智能小区应运而生了 在智能小区内安装智能型火灾报警控制 系统是必不可少的 智能型火灾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 代表了当前火灾报警系统的发展方向 随着科学技术的 迅猛发展以及国内外经济的迅速增长 市场上迫切需要一种容量大 性能优越 可靠性高 便于安装 使用和维护的智能型火灾报警控制系统 当火灾发生时 报警器监测到火灾信息后 除了在火灾现场产生声光报警 信号外 还需要将火灾信息按事先预留的电话号码自动拨号通知单位有关人员 并迅速上报消防指挥中心 为此 系统设计了单片机与Modem通讯模块 直接 通过Modem经公用电话交换网迅速向消防指挥中心报告火情信息 包括火灾单位 编码 单位名称 火情级别以及报警时间等 同时产生声光报警信号 并按事 先预留的电话号 码自动拨号通知单位有关负责人 2 2 火灾报警控制系统现状及发展方向火灾报警控制系统现状及发展方向 我国的火灾自动报警控制系统经历了从无到有 从简单到复杂的发展过程 其智能化程度也越来越高 目前 国产火灾自动报警系统均采用汉字显示 价 格低廉 适合我国国情 但是火灾自动报警系统由于多数没有分布智能 可靠 性低 且产品没有形成系列化 品种不全 产品的外观也较差 编程复杂 调 试不方便 设备兼容性差 国外产品多数具有分布智能 可靠性高 产品具有 系列化 品种齐全 产品外观美观 人机对话功能强 缺点是多数没有汉化 操作维护不便 价格较高 设备兼容性差 根据以上的分析 开发具有国际先进水平的火灾自动报警设备 价格介于 4 进口设备和国产设备之间 从而具有很高的性能价格比 因此 研制一种结构 简单 价格低廉的智能型火灾报警器是非常必要的 3 3 火灾报警控制系统的分类火灾报警控制系统的分类 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 4 4 智能型火灾报警控制装置的优点智能型火灾报警控制装置的优点 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 5 5 智能型火灾报警系统的实例分析智能型火灾报警系统的实例分析 任何火灾 在其初始发展阶段 都将伴随烟雾 热量和火焰的产生 烟 热 光是物质燃烧的三大特征 火灾早期预报的重要手段 就是通过安装在现 场的各类火灾探测器对火灾产生的烟 热 光 等火灾参量做出有效响应 即 应用相应的敏感元件 将表征火灾参数的物理量转化为电信号 通过电子线路 将其放大 变换 传输 处理 发出报警信号 并以特定的音响和闪光报警信 5 号引起人们的警觉 呼唤工作人员采取必要的灭火措施 有效地制止火灾的发 生 一般小型防火单位火灾报警系统如图1所示 现场火灾报警器通过对传感器 火情信息的检测 使用智能识别算法实现对火灾的监测 当报警器监测到火情 信息后 直接通过Modem经公用电话交换网迅速向消防指挥中心报告火情信息 包括火灾单位编码 单位名称 火情级别以及报警时间等 同时产生声光报 警信号 并按事先预留的电话号 码自动拨号通知单位有关负责人 消防指挥中 心根据接收到的火警信息 立即在消防信息数据库中查询单位位置 周围道路 交通 水源情况等基本信息 根据所获得的信息迅速确定最佳救火方案 通过 网络将出警命令直接下达各消防中队 6 6 小结小结 随着科学技术水平迅猛发展 安全防范技术也得到迅速发展 智能住宅的 安全防范系统正朝着多功能型方向发展 这种多功能型安全防范系统具有安全 对讲 防盗报警 防火 火灾报警 防煤气泄漏 家用电器设备自动控制等综 合性功能 它能更有效保证居民的生命和财产的安全 7 7 参考文献参考文献 单片机原理及应用 张伟主编 机械工业出版社 单片机微型计算机原理及应用 张毅坤 陈善久 裘雪红编著 西安电子科 技大学出版社 百度搜索引擎 GOOGLE搜索引擎 维普资讯 6 智能火灾报警控制系统智能火灾报警控制系统 摘要摘要 介绍一种智能火灾报警控制系统及其工作原理 智能防火技术研究的主 要内容是 火灾参数的检测技术 火灾信息处理与自动报警技术 消防设备联 动与协调控制技术 消防系统的计算机管理技术 以及火灾监控系统的设计 构成 管理和使用等 该系统由单片机构成 采用了独特的整体解决方案 其 主要特点为 低功耗 模拟量 报警迅速和抗干扰能力强 关键词 智能火灾报警控制器 模拟信号 单片机 烟雾探测器 IntelligentIntelligent firefire alarmalarm andand controlcontrol systemsystem AbstractAbstract introduces a kind of intelligent fire alarm control system and its working principle The main research works on intelligent fire control technology are the detection of fire parameters the process of fire information and automatic alarm fire control equipment linkage and harmony control management of firecontrol system the design construction management use of computer supervising system of fire contro1 Single chip is adopted in the system for a special solution is given The main characteristics are low power los analog signals quick alarming and strong anti interferenceability application in fire control system KeyKey wordswords intelligent fire alarm controller analog signals single chip microcomputer Smog detector 7 绪绪 论论 1 11 1 课题的开发背景课题的开发背景 进入上世纪 90 年代后 我国经济步入高速发展的时期 城市化建设不断加 快 城市建筑也由分散式低密度向集中式高密度过渡 林立的高层建筑成了城 市的主要的标志 居民住进了高层塔楼 企业搬进了摩天大楼 高层建筑有效 利用空间 节约了城市中本就十分紧张的土地资源 任何事物的发展都具有两 面性 高层建筑中各种通讯线路 动力和照明线路 以及各种系统中线路纵横 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 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报警产品应运而生 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类实现更加理想化的生 活提供了可能 智能小区应运而生了 在智能小区内安装智能型火灾报警控制 系统是必不可少的 智能型火灾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 代表了当前火灾报警系统的发展方向 随着科学技术的 迅猛发展以及国内外经济的迅速增长 市场上迫切需要一种容量大 性能优越 可靠性高 便于安装 使用和维护的智能型火灾报警控制系统 1 21 2 课题设计的意义课题设计的意义 我国的火灾自动报警控制系统经历了从无到有 从简单到复杂的发展过程 其智能化程度也越来越高 目前 国产火灾自动报警系统均采用汉字显示 价 格低廉 适合我国国情 但是火灾自动报警系统由于多数没有分布智能 可靠 性低 且产品没有形成系列化 品种不全 产品的外观也较差 编程复杂 调 试不方便 设备兼容性差 国外产品多数具有分布智能 可靠性高 产品具有 系列化 品种齐全 产品外观美观 人机对话功能强 缺点是多数没有汉化 操作维护不便 价格较高 设备兼容性差 根据以上的分析 开发具有国际先进水平的火灾自动报警设备 价格介于 8 进口设备和国产设备之间 从而具有很高的性能价格比 因此 研制一种结构 简单 价格低廉的智能型火灾报警器是非常必要的 1 31 3 课题完成的功能课题完成的功能 当报警器监测到火情信息后 将表征火灾参数的物理量转化为电信号 通 过电子线路将其放大 变换 传输 处理 直接通过Modem经公用电话交换网 迅速向消防指挥中心报告火情信息 包括火灾单位编码 单位名称 火情级别以 及报警时间等 同时产生声光报警信号 并按事先预留的电话号 码自动拨号 通知单位有关负责人 消防指挥中心根据接收到的火警信息 立即在消防信息 数据库中查询单位位置 周围道路 交通 水源情况等基本信息 根据所获得 的信息迅速确定最佳救火方案 通过网络将出警命令直接下达各消防中队 1 41 4 课题设计的方案课题设计的方案 1 4 11 4 1 方案一方案一 当被监视的环境中烟雾急剧增加时 使空气中的透光性恶化 此时光敏 三极管接收到的光通量减少 其内阻增大 串联感光电路中的电流也随之减 小 使报警电路工作 发出报警声响 如图 1 1 所示 图 1 1 图 1 1 1 4 1 4 2 2 方案二方案二 智能型火灾报警系统要求选用结构简单 价值低廉的元器件构成 而且 要考虑其实用性 传感器的选取 要准确地进行火灾报警 选择合适的温度和烟雾传感 器是准确报警的前提 综合考虑各因素 本文选择集成温度传感器 AD590 和 气体传感器 TGS202 用作采集系统的敏感元件 光敏 三极 管 反馈 电路 报警 电路 9 硬件电路方框图如图 1 2 所示 图 1 2 比较以上两种方案 方案一是采用的传统的模拟控制方式 其难以实现复 杂的控制和计算 控制方案也比较麻烦 方案二是采用以 AT89C51 为核心的单 片机系统 可以实现由单片机控制实现不同的声光报警 异常报警 故障报警 火灾报警 功能 当报警器监测到火情信息后 直接通过 Modem 经公用电话交 换网迅速向消防指挥中心报告火情信息 包括火灾单位编码 单位名称 火情级 别以及报警时间等 同时产生声光报警信号 并按事先预留的电话号码自动拨 号通知单位有关负责人 大大提高了系统的智能化程度 并且系统所测结果的 精度很高 该方案比较使用 技术也比较成熟 普及程度比较高 经过比较 本设计决定采用第二种方案 第二章第二章 系统设计原理系统设计原理 2 12 1 系统组成原理系统组成原理 一般小型防火单位火灾报警系统如系统原理设计框图所示 现场火灾报警 器通过对传感器火情信息的检测 通过放大器将信号进行放大 然后通过 A D 转换 将信号送到单片机 使用智能识别算法实现对火灾的监测 当报警器监 测到火情信息后 直接通过 Modem 经公用电话交换网迅速向消防指挥中心报告 火情信息 包括火灾单位编码 单位名称 火情级别以及报警时间等 同时产 10 生声光报警信号 并按事先预留的电话号码自动拨号通知单位有关负责人 消 防指挥中心根据接收到的火警信息 立即在消防信息数据库中查询单位位置 周围道路 交通 水源情况等基本信息 根据所获得的信息迅速确定最佳救火 方案 通过网络将出警命令直接下达各消防中队 本文将详细介绍小型防火单 位语音数字联网报警器的设计与实现 2 22 2 系统原理设计框图如图系统原理设计框图如图 1 21 2 所示所示 2 32 3 系统硬件电路原理图系统硬件电路原理图 C 23 B 24 A 25 D0 17 D1 14 D2 15 D3 8 D4 18 D5 19 D6 20 D7 21 ALE 22 ST ART 6 OE 9 VCC 11 AIN0 26 AIN1 27 AIN2 28 AIN3 1 AIN4 2 AIN5 3 AIN6 4 AIN7 5 CREF 12 VREF 16 CLK 10 EOC 7 0809 VSS 13 U2 ADC0809 1D 3 2D 4 3D 7 4D 8 5D 13 6D 14 7D 17 8D 18 1Q 2 2Q 5 3Q 6 4Q 9 5Q 12 6Q 15 7Q 16 8Q 19 VCC 20 GND 10 OC 1 C 11 74LS373 U3 74LS373 12 340 340 340 340 D1 D2 D3 D4 C1 1 V 2 C1 3 C2 4 C2 5 V 6 T2OUT 7 R2IN 8 R2OU T 9 T2IN 10 T1IN 11 R1OU T 12 R1IN 13 T1OUT 14 GND 15 VCC 16 U4 MAX232 5V 灯灯 灯灯 灯灯 灯灯 C1 1uF C2 1uF C3 1uF C 30pF C4 1uF 0 1uF C 30pF 5V P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RESET 9 P3 0 10 P3 1 11 P3 2 12 P3 3 INT1 13 P3 4 14 P3 5 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 XTAL 2 18 XTAL 1 19 VSS 20 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSEN 29 ALE 30 EA Vpp 31 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 VCC 40 89C 51 U1 AT89C51 1 12MH Z C 10uF R 10K 5V 5V R RES2 12V 5V 5V 第三章第三章 传感器电路及接口传感器电路及接口 3 13 1 传感器的工作原理及组成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 11 传感器的组成传感器的组成 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 1 所示 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 本系统所用到的是气体传感器和温度传感器 3 23 2 气体 门磁开关和温度传感器气体 门磁开关和温度传感器 3 2 13 2 1 气体传感器气体传感器 火灾中气体烟雾主要是 CO2 和 CO TGS202 气体传感器应用电路如图 3 2 所 示 它能探测 CO2 CO 甲烷 煤气等多种气体 他灵敏度高 稳定性好 气 体传感器 TGS202 适合于火灾中气体的探测 如图 3 1 所示 当 TGS202 探测到 CO2 或 CO 时 传感器的内阻变小 VA 迅速上升 选择适当的电阻阻值 使得当 气体浓度达到一定程度 如 CO 浓度达到 0 06 时 VA 端获得适当的电压 设 12 为 3 V 图 3 2 3 2 23 2 2 门控传感器门控传感器 门控传感器采用热电式传感器 IRA E100SZ1 当检测到有人接触时 传感 器接收到的温度升高 接收到的信号经过交流放大器放大 使传感器的弱小电 压升高 使输出能使 ADC0809 能够识别的电压值 当电压值小于 0 8V 时 可以 认为传感器正常工作 输出为 0 当电压高于 0 8V 以后 就被认为是有人 接触到此传感器 送到 ADC0809 的信号就会为 1 通过主机发出报警信号通 知用户 如图 3 3 所示 3 2 33 2 3 温度传感器温度传感器 AD590 是美国 Analog Devices 公司生产的一种电流型二端温度传感器 应 用电路如图 3 4 所示 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 1 A 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 13 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 25 C 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 1 A 的电 流变化 相等于 1 C 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 如图 3 4 3 2 43 2 4 传感器的接口电路传感器的接口电路 接口电路就是将传感器与后续有关电路相联系 构成实用传感器系统 这 种接口有两种 即硬件接口和软件接口 所谓软件接口就是不管传感器与微型 计算机连接方式如何 要在 CPU 控制下用相应程序取自传感器的数据存入计算 机 由计算机进行处理 所谓硬件接口 就是考虑传感器与计算机连接采用何 种电路 通过什么样输入口 获得期望的精度与响应特性 接口设计是应考虑以下两个问题 其一是传感器的输出与计算机输入的匹 14 配 传感器的输出信号有三种形式 即数字开关量 数字脉冲列和模拟信号 相应有三接口 如图 3 5 所示 c 图 3 5 如图 3 5 a 为微动开关与光电开关等传感器输出的数字开关量 因微动 开关有抖动 在与计算机连接时必须接入如图 3 6 所示 的消除抖动电路 图 3 6 消除抖动电路 15 数字开光量有两种输出类型 电压输出型和触点输出型 传感器与控制装 置连接有多种形式 一般有传感器输出 0V 或 5V 电压信号可以直接与控制装置 连接 但对于程序控制器 多半采用触点输出形式 而电压输出型传感器要采 用晶体管作为无触点作用连接 如图 b 所示的数字脉冲列信号 一般是用计数电路进行计数 然后送入 计算机 而 c 所示传感器输出为模拟信号 对模拟信号处理最为复杂 首先 要把模拟信号变为适合 A D 转换器进行模 数转换 虽进行了预处理但还要放大 分压 滤波 取样保持和加减运算等 这一般采用运算放大器电路来实现 如 图 3 7 所示 下一章节将具体介绍 输出 输入 1 输出 输入 1 2 R R 21 1 RR R 图 3 7 放大与分压电路 其二是器件的选用 分立元件 组件和大规模集成块都可实现相应的接口 功能 但要兼顾成本 时间和技术力量选择合适的器件 接口的具体实现可采 用硬件或软件 对于硬件接口主要考虑 A D 转换器与计算机连接基本方式 首 先经过预处理 把传感器输出为 0 5V 的电压信号 再经 A D 转换为 8 为数字 16 信号 一般是计算机发出启动信号 启动 A D 转换味为数字信号 一般是计算 机发出启动信号 启动 A D 开始转换 并用状态标志位来检测转换的结束 若 转换期间状态标志位呈现低电平 一旦转换完成 状态标志位便呈现高电平 计算机的 CPU 通过各种方法检测到这个状态位的高电平的出现 并把数据取走 A D 转换器的重要之处是转换速度与分辨率 但还要考虑传感器的响应 预处理电路特性和微处理机速度等 消除噪声的方法有 传感器与预处理放大电路接线要尽量短 传感器信号 界限要采用屏蔽线 外皮接地 放大电路的输入与输出之间尽量远离 放大电 路增益不要太高 以免产生振荡 放大电路与传感器远离 以免产生强电场 磁场的干扰等 软件接口是通过编程来实现 CPU 通过 A D 采集模拟数据方法大致有定时 询问 即定时查询标志位 转换结束取走数据 延时等待 即 CPU 发出启动转 换指令后 延时一段时间 转换结束后取走数据 中断技术 即采用中断方式 取走数据等 消除开关量抖动的软件方式是在检测到开关状态发生变换时 进 行一段的程序延迟 以避开开关抖动所造成的状态不稳时间 A D 转换的程序 实例如下 START LD A 00H OUT 00H A LD A 01H OUT 00H A INPUT IN A 02 H ANI 01H JP NZ INPUT 17 IN A 01H 第四章第四章 传感器的放大电路传感器的放大电路 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 4 14 1 集成运算放大器的组成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 4 1 a 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 U U U i U 0 U i U 故称端为同相端 当在端输入时 输出信号与的极性相反 故 U U i U 0 U i U 称端为反相输入端 图 4 1 b 为集成运算放大器的电路符号 U a 电路框图 18 b 符号 图 4 1 集成运算放大器内部电路框图 4 24 2 差动放大电路差动放大电路 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 4 2 所示 图 4 2 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 1 U 2 U 0 U 1 U 2 U 2 32 3 1 1 1 0 1 U RR R R R U R R U ff 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 3 RRf 21 RR 12 1 0 UU R R U f 19 上式是差动放大电路的常用公式 起输出增益取决于 1 RRf 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 4 34 3 仪表放大电路仪表放大电路 图 4 3 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 4 3 中 和都为同相放大器 为差动放大器 它把和的差 1 A 2 A 3 A 1 A 2 A 动输出变成单端输出 通常组成减法器 即 当时 3 A 6543 RRRR 21 RR 放大器的增益为 1 2 调节电位器 RP 便可改变增益的大小 RPR 1 图 4 3 仪表放大器电路 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 20 量仪器 仪表和医疗仪器等领域得到了广泛的应用 第五章第五章 ADC0809ADC0809 芯片简介及接口芯片简介及接口 5 15 1 ADC0809ADC0809 芯片简介芯片简介 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 下面以 ADC0809 为例介绍集成 A D 转换器的内部结构与外部特性 ADC0809 是 CMOS 的 8 位 A D 转换器 采用逐次逼近式进行 A D 转换 芯片 内有一个 8 路模拟开关 一个比较器 一个带有树状模拟开关的 256R 分压器和 一个逐次逼近的寄存器等等 其内部结构如图 5 1 所示 图 5 1 ADC0809 内部逻辑框图 图中 8 路模拟开关用于选通 8 个模拟通道 允许 8 路模拟量分时输入 并 公用一个 A D 转换器进行转换 IN0 IN7 为 8 路模拟量输入端 模拟量输入电 压的范围是 0 5V 对应的数字量为 00H FFH 转换时间为 100 s ADDA ADDB ADDC 为通道地址线 用于选择通道 ALE 是通道地址锁 存信号 其上升沿时 把 ADDA ADDB ADDC 地址状态送入地址锁存器中 VREF VREF 接基准电源 在精度要求不太高的情况下 供电电源就可用 作基准电源 START 是启动引脚 其上脉冲的下降沿启动一次新的 A D 转换 21 EOC 是转换结束信号 可用于向单片机申请中断或供单片机查询 CLK 是时钟端 典型的时钟频率为 640KHZ DB0 DB7 是数字量输出 树状开关和 256R 分压器 组成一个基本 D A 转换器 当给 ADC0809 一个启动信号 START 后 通过控制 与时序电路以及逐次逼近寄存器 采用逐步逼近的方式进行 A D 转换 ADC0809 转换后的数字量通过三态缓冲器输出 当输出允许 OE 1 时 打开三态输出 门输出数字量 输入 ADC0809 的模拟信号是单极性的 0 5V 在实用中 输 入信号有时是双极性的 5V 5V 此时可采用图 1 1 电路 5 25 2 ADC0809ADC0809 模数转换器的引脚功能模数转换器的引脚功能 IN0 IN7 8 路模拟量输入 A B C 3 位地址输入端的不同组合选择 八路模拟量输入 ALE 地址锁存启动信号 在 ALE 的上升沿 将 A B C 上的通道地址锁存到内部的地址 锁存器 D0 D7 八位数据输出线 A D 转换结果由 这 8 根线传送给单片机 OE 允许输出信号 当 OE 1 时 即为高电平 允许输出锁存器输出数据 图 5 2 START 启动信号输入端 START 为正脉冲 其上升沿清除 ADC0808 的内部 的各寄存器 其下降沿启动 A D 开始转换 EOC 转换完成信号 当 EOC 上升为高电平时 表明内部 A D 转换已完成 CLK 时钟输入信号 0809 的时钟频率范围在 10 1200kHz 典型值为 640kHz VREF9 0 V REF9 0 参考电压输入端 VCC 5V 电源 GND 地 5 35 3 A DA D 转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数 1 1 分辨率 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 22 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 2 转换特性 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 3 线性度 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 4 精度 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 1 非线性误差 2 比 例系数误差 3 漂移误差 4 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 5 45 4 ADC0809ADC0809 与单片机接口与单片机接口 图 5 3 ADC0809 与 89C51 单片机的接口电路图 A D 转换电路采用了常用的 8 位 8 通道数模转换专用芯片 ADC0809 电路 如图 4 5 所示 温度 烟雾传感器的输出分别接到 ADC0809 的 IN0 和 IN1 ADC0809 的通道选择地址 A B C 分别由 AT89C51 的 P0 0 P0 2 经 地址锁存器 74LS373 输出提供 当 P2 7 0 时 与写信号 WR 共同选通 ADC0809 图中 ALE 信号与 ST 信号连在一起 在 WR 信 号的前沿写入地址 信号 在其后沿启动转换 例如 输出地址 7FF8H 可选通通道 IN0 实现对温 23 度传感器输出的模拟量进行转换 输出地址 7FF9H 可选通通道 IN1 实现对烟 雾传感器输出的模拟量进行转换 图中 ADC0809 的转换结束状态信号 EOC 接 到 AT89C51 的 INT1 引脚 当 A D 转换完成后 EOC 变为高电平 表示转换 结束 产生中断 在中断服务程序中 将转换好的数据送到指定的存储单元 第六章第六章 AT89C51AT89C51 单片机性能介绍单片机性能介绍 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS8 位 微处理器 俗称单片机 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 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 6 16 1 主要特性主要特性 在众多的 51 系列单片机中 要算 ATMEL 公司的 AT89C51 AT89S51 更实用 因他不但和 8051 指令 管脚完全兼容 而且其片内的 4K 程序存储器是 FLASH 工艺的 这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除 改写 一般专为 ATMEL AT89xx 做的编程器均带有这些功能 显而易见 这种单片机对开发设备 的要求很低 开发时间也大大缩短 写入单片机内的程序还可以进行加密 这 24 又很好地保护了你的劳动成果 再着 AT89C51 AT89S51 目前的售价比 8031 还低 市场供应也很充足 具体特性如下 与 MCS 51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命 1000 写 擦循环 数据 保留时间 10 年 全静态工作 0Hz 24Hz 三级程序存储器锁定 128 8 位 内部 RAM 32 可编程 I O 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 6 26 2 管脚说明管脚说明 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 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 25 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口 如下表所示 口管脚 备选功能 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 6 36 3 振荡器特性振荡器特性 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 26 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 6 46 4 芯片擦除芯片擦除 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合 并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成 在芯片擦操作中 代码阵列全被写 1 且 在任何非空存储字节被重复编程以前 该操作必须被执行 此外 AT89C51 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 6 56 5 声光报警模块声光报警模块 声光报警电路在单片机 P1 口的控制下 由单频音报警接口电路组成 发音 元件通常采用压电蜂鸣器 这种蜂鸣器只需在其两引线上加 3 15V 的直流电压 就能产生 3kHZ 左右的蜂鸣振荡音响 比电研式蜂鸣器结构简单 耗电少 且更 适于在单片机系统中应用 如下图中 P1 0 接晶体管基极输入端 但 P1 0 输出高电平 1 时 晶体 管导通 压电蜂鸣器得电而鸣音 P1 0 输出低电平 0 时 三极管退出导通 状态 蜂鸣器停止发音 27 由 P1 口的 P1 4 P1 7 分别控制 4 个发光二极管 予以光报警 如图 6 所 示 P1 4 P1 7 控制的灯依次为绿色 正常信号灯 黄色 故障信号灯 红色 异常信号灯 和红色 火灾信号灯 当这些输出端输出低电平时 对应的信号 灯便会发光报警 第七章第七章 系统软件设计系统软件设计 为了降低误报率 系统采用了多次采集 多次判断的方法 每次数据采集 后根据得到的数据对现场情况进行判断 00H 表示正常 01H 表示异常 02H 表 示火灾 然后综合多次判断结果做出最终的火情判断 具体判断方法如下 单片微机主程序框图如图 7 1 所示 该程序首先初始化 置检查周期后读 入烟感信号 然后判传感器有故障吗 如有则转故障报警 如没有故障则转换 28 为探测周期 然后判有异常吗 既是否有烟感或温感动作 如有异常则判异常 数是否有 2 即烟感温感是否同时动作 如是则发火灾报警 如不是则发异常 报警 如探测结果无异常则置检查周期重新读入烟感传感器信号 图 7 1 图 7 2 是故障处理子程序 当在检查周期读入的烟感与温感信息存储在