智能路灯监控系统设计

智能路灯监控系统设计摘要本设计主要针对当前社会出现大量偷盗电缆的现象，给国家造成巨大的经济损失，扰乱社会治安。本智能系统采用宏晶科技的新一代超强抗干扰/高速/低功耗单片机STC89C58RD，利用电力载波和GSM（GLOBALSYSTEMFORMOBILECOMMUNICATIONS）通信方式实现对电缆的时时监控，同时可实现对控制柜、现场工作参数做遥测、遥控等功能，具有较强的适用价值。关键字单片机；电缆防盗；电力载波技术；GSMABSTRACTTHEMAJORDESIGNTARGETEDATTHEEMERGENCEOFALARGENUMBEROFCABLETHEFT,INFLICTINGHUGEECONOMICLOSSES,ANDDISTURBSOCIALORDERTHESYSTEMUSESHONGJINGTECHNOLOGYOFTHENEWGENERATIONSUPERINTERFERENCE/HIGHSPEED/LOWPOWERSINGLECHIPSTC89C58RD,THEUSEOFPOWERLINECARRIERANDGSMGLOBALSYSTEMFORMOBILECOMMUNICATIONSCOMMUNICATIONSCABLERIGHTWAYTOACHIEVETHECONSTANTMONITORING,CONTROLCANBEREALIZEDRIGHTCOUNTERSSITEPARAMETERSTELEMETRY,REMOTECONTROL,ANDOTHERFUNCTIONS,THEAPPLICATIONOFTHESTRONGVALUEKEYWORDSSINGLECHIP,CABLESTEALPROOF,ELECTRICCARRIERTRANSMISSIONTECHNIQUE,GSM一、概述本次设计的智能路灯监控系统以单片机为核心，主要由现场系统、通讯系统、监控中心三部分组成。现场系统由监控主机、监控末端组成。监控主机一般安装在路灯电控箱内，它是一个集数据采集、开关控制、防盗报警及网络通讯于一体的硬件模块。监控主机以功能强大的多微处理器为核心，配以测量控制电路、电缆防盗监测等电路组成的高性能网络智能节点，是集测量（电压、电流、电能抄录）、开关灯控制（自动、远程）、电缆防盗检测与报警、电控箱开门报警、停电报警、GSM通讯等功能为一体的智能设备。它根据监控中心发出的命令可将采集到的数据通过GSM移动网实时发送到总控室，根据总控室的命令，控制各支路的供电通断，根据防盗报警监测电路将报警信号迅速上报总控室。监控末端一般装在支路最后一杆电杆，与监控主机互相配合完成电缆防盗报警功能，即使线路停电也能起到防盗报警作用。通讯系统由中国移动建立的移动网承担，主要应用手机网的GSM短信功能实现监控主机与监控中心的通讯。因此只要手机能打通的地方，就可以建立现场系统，而且可以跨区域、跨城镇组成统一的远程监控网络。监控主机与监控末端的通讯是通过电力载波的方式实现，河南理工大学2007届优秀毕业设计（论文）文摘选编153利用现成的电力线完成电缆防盗的功能。监控中心主要由监控服务器、GSM通讯适配器组成。监控服务器主要负责通过GSM通讯适配器与现场系统的通讯（命令下达、数据抄读、各种报警信号的接收）、数据分析、状态/数据显示、报表统计与打印。若需要在其它微机上（甚至是在异地微机上）也能对系统进行监控、查询，则只要添加相应设备（如局域网设备、INTERNET设备）即可。系统总的框架图如图1所示。图1系统框架图二、系统功能的实现智能控制区别与传统控制系统在于其控制的人性化、多功能化。在本设计中主要完成的功能包括电缆防盗、控制柜门开报警、掉电报警、时控和光控结合、对现场信号采集控制等。本设计的硬件电路最大的特点是，所有的外围电路都采用插件的形式，这样可以减少印刷板的设计成本，扩展功能也容易。由于本系统是做成产品应用到现场，不同的地方可能具体要求的功能不同，这样设计板子可以减少开发的周期与成本。21电缆防盗功能的实现电缆防盗的实现主要通过监控主机与监控末端的通信来实现。监控主机安装在路灯的总控柜里，监控末端安装在每条支路的最后一支电杆上，通过电力载波的方式完成防盗的功能。电力线载波通信技术是利用现有的电力线，将模拟或数字信号通过载波方式用电力线进行传输，再通过专用的电力线调制解调器将被传输信号从电力线上分离出来，传送到终端设备。这样将电力网与数据网合二为一，不敷设额外的通信线路，直接利用已有的电力线资源进行数据信号的传输，大大降低通信成本和维护成本。但其中也存在问题，电力线的主要功能是给用电设备传送电能，而不是用来传送数据的，而且在不同的建筑内、不同的应用场合、不同地区、不同国家，电力线通信的性能差别很大。所以要可靠地实现电力线载波通信，必需河南理工大学2007届优秀毕业设计（论文）文摘选编154采用性能较高的调制解调器技术，使得无论在怎样恶劣的条件下都能从电力线中分离出所需的信号。因此电力载波芯片的性能直接影响到整个系统的可靠性。在本系统中采用的载波芯片是PL3150。它内部的载波方式是窄带BPSK（BINARYPHASESHIFTKEYING）技术，它相对于传统窄带载波FM通信方式和扩频通信技术，在对各种产生电力线噪声设备的适应能力方面效果良好。单片机采用逐一扫描的方式，先发送地址信号，相应的地址回应，其他末端不响应。主机发送通信信号，如果末端不响应或者错误响应则认为电缆被截取，若通信完好则继续下一末端的扫描。利用电力线虽然可以降低开发成本，但由于电力线上的负载变化大，噪声大，有可能产生误报的现象，所以在必要时，特别时控制支路比较长时需要加适配器，加强、校正信号。因此电力载波也存在弊端，需要改进的方向就是无线通信，利用集成的无线微功数传模块，通信可靠、快速、低功耗。22“门磁”的设计此功能主要针对在现场防止控制柜被恶意损坏或者偷窃而设计的。“门磁”专业名为磁控开关。由于其结构简单，成本低，性能可靠、稳定等的优点，在现场中被广泛应用。磁控开关由两个部件组成一个是受磁力控制的开关，安装于门框、窗框等固定物体上，其两端连接到控制主机的防区接线端子；另一个是磁铁，安装于门、窗等移动物体上。当门、窗关上时，开关和磁铁靠近，受磁力作用，磁控开关闭合；反之，当门、窗开启时，磁铁远离开关，由于受不到磁力作用，开关开路。磁控开关就是以开或闭的动作来触发控制主机报警的。在本系统中，当控制柜门被强制打开时，会触发警铃报警并发送信号到监控中心，以使管理人员能够及时了解现场的状况，并采取措施。在这其中还有个问题是，当维修人员或者管理人员要开门查看时，不应该报警。此时可以发送控制命令到监控主机，主机触发相应信号使得手机供电电源断电，断开与监控中心的通信。开门后关断报警电路进行正常维护。当工作完成后，可以合上电路，同时发控制命令使手机上电进入正常监控状态。23掉电报警功能的实现当控制的区域出现市电停电或者是意外的断电，为了让监控中心及时获得信息，设计了停电报警的功能。其主要还是防止出现意外的情况使整个控制柜失电，给市民以及路人带来不便。主要检测的是从变压器进控制柜的总线，检测三相电，同时防止出现断相的情况。其原理如图2所示。河南理工大学2007届优秀毕业设计（论文）文摘选编155图2掉电报警原理图U、V、W三相的断电检测电路均相同，它们是一个接有电容滤波器和光电耦合器的单相半波整流电路。以U相为例，当U相有交流电且电压极性使二极管D导通时，则一方面给电容C充电，另一方面使光电耦合器导通，此时相应的单片机检测口为低电平；当交流电反相时，D截止，C所储存的电能仍能维持光电耦合器导通，而当U相出现断电时，光耦不工作，这时单片机的检测口为高电平。同理，V相、W相原理也一样。当出现故障时，可以驱动相应的继电器，使外围电路工作。同时也可以通过手机发送短信到监控中心，使相关部门能及时了解情况并解决故障。24时控与光控结合时控就是定时开机、定时关机。由实时时钟提供时间，可以根据季节变化来改变开关灯的时间。改变时间可以由管理部门派人到现场修改，也可以通过监控中心发送控制命令实现遥控的功能。但是，仅仅有时控是不行的。这其中不排除有其他意外情况发生，比如天气的影响，在阴天、扬尘、大雾等的恶劣环境时，虽然还不到设定的开灯时间，但是天气原因能见度已经很低，按照交通安全应该开灯，这时就需要增加新的功能，也就是所谓的光控。在时控的基础上加上光控，完善系统。光控的核心器件就是光敏电阻。光敏电阻的基本原理是，当有光线照射在某些半导体时，这些半导体就像导体一样，导电能力很强；当没有光线照射时，这些半导体就像绝缘体一样不导电，人们根据光照会使半导体的导电性能发生显著变化这一特性，用半导体材料制成了各种电子元件。把用于光线照射有关的半导体材料制成的电子元件（电阻）称为光敏电阻。在本设计中选用的光敏电阻器是硫化镉光敏电阻器，对可见光最敏感，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达数十万欧姆（）甚至数兆欧姆（M）；在强光条件下，它的阻值（亮阻）仅有几百欧姆（）至数千欧姆（K）。暗阻是亮阻的几百倍或者数千倍。根据差距较大的亮阻与暗阻，产生相反的信号，触发相应的控制端口，实现控制功能。25现场参数的测量在监控中心需要及时了解现场系统的工作状态，这就涉及遥感、遥测的功能。在现场需要安装检测参数的器件，在本系统中主要对现场的电压、电流信号进行测量，以防出现漏电河南理工大学2007届优秀毕业设计（论文）文摘选编156厉害或者偷电现象。检测电压、电流信号分别用的电压、电流交流互感器。电流互感器和电压互感器在电路中的作用就是“检测元件”。我们对大电流和高电压直接测量起来不方便，也不安全，就开发了这二种电器当做人们的“眼睛”，随时监测着电路的电流和电压。互感器和变压器的工作原理相同，都是运用电磁感应原理来工作的。变压器的作用是将一种等级的电压变换成另一种等级的同频率的电压，它只能实现电压的变换，不能实现功率的变换。互感器分为电压互感器和电流互感器。电压互感器的作用是供给测量仪表、继电器等电压，从而正确的反映一次电气系统的各种运行情况，使测量仪表、继电器等二次电气系统与一次电气系统隔离，以保证人员和二次设备的安全，将一次电气系统的高电压变换成统一标准的低电压值（100伏，100/1732伏，100/3伏）。电流互感器的作用与电压互感器的作用基本相同，不同的就是电流互感器是将一次电气系统的大电流变换成标准的5安或1安供给继续电器，测量仪表的电流线圈。由于检测出来的电压、电流信号是模拟量，单片机处理的是数字量，这期间设计模数转换的问题。在一定意义上讲，A/D转换的精度决定了控制系统的精度。本设计中的A/D转换芯片是TLC1543。TLC1543是美国TI司生产的多通道、低价格的模数转换器。采用串行通信接口，具有输入通道多、性价比高、易于和单片机接口的特点，可广泛应用于各种数据采集系统。由于采用串行接口，与单片机连线少、简单，可以减少单片机I/O口的负担。26“三遥”的实现在本系统中提到的“三遥”指的是遥感、遥测、遥控。所谓的遥就是远程控制，其实现的方法是通过监控主机与监控末端通信，利用GSM网络，实现监控中心对主机的远程无线控制。在监控主机中安装有简易的手机，可以与监控中心联系。要使单片机与手机之间实现通讯，还必须解决电平转换的问题。为实现数据通讯，接口之间通过MAX232电平转换芯片实现从TTL电平到RS232电平的转换。三、保护电路的设计由于本系统是在野外工作，易受到外界的干扰与破坏，所以滤波和过压保护是少不了的环节。主要用的过压保护器件有压敏电阻、瞬态抑制二极管、放电管。31压敏电阻压敏电阻是广泛用于电子设备雷电防护的防雷器件。它是一种半导体非线性电阻，当作用在其两端的电压高于压敏电压时即被导通，呈现低阻值，甚至接近短路状态；当高于压敏电压的电压被撤销以后，它又恢复高阻状态。压敏电阻具有很多优点，如非线性特性好、流通容量大、残压水平低、动作响应快、无序流等。在雷电的多级保护电路中，压敏电阻可用作第一、二级保护。河南理工大学2007届优秀毕业设计（论文）文摘选编15732瞬态抑制二极管瞬态抑制二极管的工作原理与稳压二极管一样，只是结构上有差别。瞬态抑制二极管与稳压二极管相比，可耗散的功率较大，最大允许反向电流可达几安到几十安，可吸收瞬时高电压脉冲所造成的瞬间大电流。设备正常工作时，瞬态二极管不工作，相当于开路。当工作电压中有瞬间高压脉冲时，瞬态二极管在高压脉冲的作用下，可将电压钳位于一定的电压值从而保护设备。高压脉冲过去后，瞬态二级管又相当于开路。瞬态抑制二极管主要用于防雷保护电路中的最末一级，是用于电子电路细保护的组件。33放电管它是一种陶瓷或玻璃封装的、内充低压惰性气体的开关型保护器件，一般分两电极和三电极两种结构。工作原理是气体放电，当极间的电场强度超过气体的击穿强度时，就引起间隙放电，从而限制了极间的电压，使与放电管并联的其它器件得到保护。通流容量较大，8/20US脉冲波形时能疏导L0KA的脉冲电流；漏电流小。但是其响应速度较慢，一般100NS；放电电压不稳定；当电压大于12V和电流大于100MA时会产生后续电流。通常应用于测量、控制、调节技术的电路和电子数据处理传输电路等预期不会出现强大的放电压电流的电路中。四、电源模块的设计在设计中用到的直流供电电源是从电网经整流、滤波、稳压而来。其中的稳压环节需要专门设计。利用价格便宜的交流电网，可不间断的供电。稳压器选用LM317、7805、7812。LM317为三端可调集成稳压器，使用简单方便，接线少，三个接线端分别称为输入端VI、输出端VO和调整端ADJ，只用接少许外围元件就可实现可调的稳压电源功能。通过改变两只外接电阻的比例，就可在12V32V范围内改变输出电压。它的可调是通过改变电阻网络的比例来实现的。由LM317组成的可调稳压电路如图3所示。图3可调稳压电源原理图河南理工大学2007届优秀毕业设计（论文）文摘选编158图中R1和R2组成了可调输出的电阻网络。为了能使电路中偏置电流和调整管漏电流被吸收，R1一般选为120300，输出端与调整端ADJ之间的基准电压值VREF125V，通过R1所释放的电流为510MA，输入外接电容C1有利于提高纹波抑制能力，输出端外接电容C3能消除振荡，确保电路稳定工作。此时输出电压VO125IADJ125/R1R2，其中IADJ一般很小，通常为50UA，如果忽略不计，则VO125（1R2/R1）。五、结束语经过一个月的毕业设计，到现在成稿已定。提出的基本功能电缆报警、控制柜门开报警、掉电报警、时控和光控结合、现场参数测量功能都已设计成功。本设计题目来源于苏州富瑞达电子有限公司，目前已经做出样机，并在苏州相城区、太仓、昆山等地方试运行，效果良好。我在其中主要任务是原理图绘制、检测部分的设计以及现场安装、调试、维护。在毕业设计期间也得到郑征老师的大力帮助，在此表示由衷的感谢参考资料1钟睿单片机原理及应用开发技术北京航空航天大学出版社,20012赵家贵电子电路设计中国计量出版社,20003肖景和实用报警电路300例电子科技大学出版社,19984康华光电子技术基础（模拟部分、数字部分）高等教育出版社,19985何希才传感器技术及应用北京航空航天大学出版社,20056方大千实用电子控制电路国防工业出版社,2003河南理工大学2007届优秀毕业设计（论文）文摘选编159多路温度巡检系统的硬件设计电气03级5班张阳指导教师杨凌霄摘要本设计针对目前暖气泄漏检测的现状及其存在的主要问题，设计了一种7路温度巡检仪。该设计可扩展为099路，因此可以巡回检测多个测试点的温度，不仅具有精度高、功耗低等优点，还可以及时显示和采取保护措施，使用相当方便。在硬件上，温度检测元件采用单总线方式下的先进的数字式温度传感器，摒弃了传统的A/D转换器，电路结构大为简化。在软件上，用汇编语言对单片机编程以实现对各测试点温度值的检测和集中管理，并且通过软件编程以极少量按键实现了对仪表的方便操作。系统设计出来后，用PROTEUS软件对其进行了仿真。另外，从软硬件两方面对系统进行了抗干扰性的设计，从而使系统的可靠性得到明显的提高。该课题的研究将对一般环境下的温度的巡回检测提高到了一个新的水平，具有较高的社会推广价值。关键词单总线；温度巡回检测；数字式温度传感器ABSTRACTINACCORDANCEWITHTHEPRESENTSITUATIONANDMAINLYEXISTINGPROBLEMSOFTHEWARMAIRMACHINELEAKSTHEEXAMINATION,AKINDOF7ROADTEMPERATURECRUISINGTESTINSTRUMENTHASBEENDESIGNEDINTHISARTICLETHEROADSNUMBEROFTHEMETERCANBEBROADENEDFROMNO0TONO99BESIDESITSHIGHPRECISION,LOWPOWER,ITCANDISPLAY,WHICHMAKESITEASILYCONTROLLEDONTHEHARDWARE,THE1WIREPROGRESSIVEDIGITALTHERMOMETERHASBEENELECTEDTOTESTTEMPERATURE,SOTHETRADITIONALA/DCONVERTERWASNOTBEUSEDTHISMAKESTHEMETERCIRCUITEASYONTHESOFTWARE,USINGASSEMBLYLANGUAGEINPROGRAMMINGFORCPUREALIZEDMONITORINGTHETEMPERATUREONEVERYROADANDCENTERMANAGEMENTTHESYSTEMDESIGNAFTERCOMINGOUTTHESOFTWAREOFPROTEUSASTOITSPROCEEDEDREALLYIMITATEINADDITION,THEREAREONLYSOMEBUTTONS,BUTCANCONTROLEASILYGENERALLY,THESTUDYONTHISTOPICWILLDEVELOPAHIGHLEVELOFTHECOMMONENVIRONMENTALTEMPERATUREINSTRUMENTINITSMEASURINGANDMANAGEMENT,ANDITISVERYWORTHYOFGENERALIZATIONANDAPPLICATIONKEYWORDSSINGLEBUSROVINGTEMPERATUREDETECTIONDIGITALTEMPERATURESENSOR一、概述本设计针对目前暖气泄漏检测的现状及其存在的主要问题，设计了一种基于AT89C51单片机的多路温度巡检系统，采用DALLAS公司的单总线智能温度传感器DS18B20来采集温度采集，采用ATMEL公司生产的的低功耗CMOS串行EEPROMAT24C02来进行采集数据的保存，采用T6963C液晶控制器来进行采集温度的显示，并通过自定义的键盘对本系统进行河南理工大学2007届优秀毕业设计（论文）文摘选编160控制。系统设计方框图如图11所示。图11系统设计方框图二、多路温度巡检系统的设计实现21测温电路的设计本设计是用七个DS18B20组成的测温电路，DS18B20的主要特性适应电压范围更宽，电压范围3055V，在寄生电源方式下可由数据线供电；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；DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；温度范围55125，在1085时精度为05；可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为05、025、0125和00625，可实现高精度测温；在9位分辨率时最多在9375MS内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750MS内把温度值转换为数字，速度更快；测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；负压特性电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。七个DS18B20占用的是P11至P17。这种硬件设计方法软件编程简单，相当于对7个DS18B20进行单独操作。这样省去了对DS18B20内部64位序列号的操作，不用在进行仿真之前就把每个DS18B20的序列号存到单片机内部，省去部分内存，需要读哪个DS18B20，就直接对其所连接的I/O操作即可，比较容易实现。P1口每一位均可独立作为I/O口，P1口可作为通用双向I/O口用，当P1口输出高电平时，能直接驱动拉电流负载，因此不必再外接上拉电阻。当端口用作输入时，和P0口一样，为了避免误读，必须先向对应的输出锁AT89C51测温电路7个DS18B20采样P1复位电路时钟电路RSTLCD液晶显示P0P2键盘AT24C02P36P37河南理工大学2007届优秀毕业设计（论文）文摘选编161存器写入“1”，使FET截止，然后在读端口引脚。由于片内输入电阻较大，约为2040K，所以不会对输入的数据产生影响。单总线智能温度传感器DS18B20用来采集温度信号，因为DS18B20输出值直接就是数字信号，所以不必使用A/D转换器和相关的接口芯片，就可以直接送入单片机进行数字处理，它采用一根I/O数据线传输数据和命令，售价低廉，广泛用于食品库、冷库、粮库，是DS1820的改进型产品。PI/O47KVCC1GND2DQ3VDDDS18B20VCC图21外部供电方式单点测温电路图22存储器电路的设计由于单片机内部的存储容量有限，又由于本设计所要储存的数据大于单片机内部的存储容量，所以说外扩一个存储器对本设计而言是非常必要的。本设计采用ATMEL公司生产的的低功耗CMOS串行EEPROMAT24C02来进行采集数据的保存，它内含2568位存储空间，具有工作电压宽（2555V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10MS）等特点，24C02采用的I2C总线，它通过SDA（串行数据线）及SCL（串行时钟线）两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件。存储器硬件连接电路如图22所示。图22AT24C02与单片机的连接图P36P37AT89C5112348765AT24C0251K51K5V河南理工大学2007届优秀毕业设计（论文）文摘选编162图22中AT24C02的1、2、3脚是三条地址线，用于确定芯片的硬件地址。在电路图连接中它们都接地，第8脚和第4脚分别为正、负电源。第5脚SDA为串行数据输入/输出，数据通过这条双向I2C总线串行传送，在电路图连接中和单片机的P37连接。第6脚SCL为串行时钟输入线，在电路图连接中和单片机的P36连接。SDA和SCL都需要和正电源间各接一个51K的电阻上拉。第7脚需要接地。23按键电路的设计键盘是单片机应用系统中一个至关重要的部件。它能实现输入数据、传送命令等功能，是人工干预计算机的主要手段。键盘可分为编码键盘和非编码键盘两种。前者用软件来识别和产生代码，后者用硬件来识别。由于本设计所用的I/O口线多，按键数多，所以本设计选用了矩阵式键盘作为本设计的键盘，键盘为44键盘。键盘占用了P20至P27。012389ABCDEF47K47K47K47K45675V图23键盘电路图按键的功能如表21所示。如图23所示按键号从左至右，从上至下依次排列（F号键未定义）。表21按键功能表按键号功能叙述0号键转换标志位键，寄存器清零1号键读第一路温度2号键读第二路温度3号键读第三路温度4号键读第四路温度5号键读第五路温度河南理工大学2007届优秀毕业设计（论文）文摘选编1636号键读第六路温度7号键读第七路温度8号键循环显示7路温度9号键设置LCD显示模式A号键向上键B号键向下键C号键对24C02进行写操作D号键对24C02进行读操作E号键对24C02清零24显示电路的设计LCD显示器有分段式和点阵式两种结构。点阵式是在上下两个电极基板上喷上大小和间隔相等、上下对应的电极点阵。其中上电极基板上的每个电极对外均有引线，用于接驱动电压，而下电极基板上的所有电极均接到一个公共电极COM上，电极由二氧化锡透明导电材料组成。点阵式可用于文字、图形以及数字显示。分段式LCD显示器与LED显示器相似，也采用七段式显示。不同的是LCD显示器的结构除在上电极基板上喷上AG这七个笔画外，还在下电极基板喷上与笔画相对应的“日”字形电极且接公共电极COM。本设计中，数据要求在显示器中能够滚动显示，还要能显示出文字，所以本设计选择了点阵式的LCD显示器作为本设计的液晶显示器。在众多的LCD液晶显示器中，我选择了T6963C驱动的液晶显示器。如图24所示。T6963C可以与80系列8位微处理器直接接口，内部具有128个字符的ROM字符发生器，可对8KBYTE的显示RAM内存操作，并且字符与图形可同时显示,可以选择“OR”，“AND”，“EXOR”方式。在本设计中，液晶显示采用间接控制方式。间接控制方式是单片机通过并行接口间接实现对液晶显示模块控制。根据液晶显示模块的需要，并行接口需要一个8位并行接口和一个3位并行口。AT89C51的P0口作为数据总线，P3口中3位作为读，写及寄存器选择信号。由于并行接口只用于液晶显示模块，所以CE信号接地就行了，如图25所示。河南理工大学2007届优秀毕业设计（论文）文摘选编164AT89C51P07D0D7RDWRC/DCEHALTP33P34P35RST10K10K5V图24液晶显示框图图25间接访问方式接口电路图间接控制方式的基本程序如下（1）读标志字子程序占用寄存器A；输出寄存器A存储标志字。PR0ORLP3,38H控制口初始化，C/D1OLRP1,0FFHP1口为输入方式CLRP33RD0MOVA,P1读标志字SETBP33RD1RET此程序可以用直接访问方式中的PR01，PR02，PR03和PR06等子程序直接调用。路号X传感器序号温度1XXXXXX2XXXXXX3XXXXXX4XXXXXX5XXXXXX6XXXXXX7XXXXXX向下滚动显示河南理工大学2007届优秀毕业设计（论文）文摘选编165（2）写指令和数据子程序占用寄存器R2，R3，R4，A；输入寄存器R2参数第一字节，R3参数第二字节，R4指令代码PR1ACALLPR01双字节参数指令入口MOVA,R2ACALLPR14PR11ACALLPR01单字节参数指令入口MOVA,R3ACALLPR14PR12ACALLPR01无参数指令入口MOVA,R4SJMPPR15PR14CLRP35写数据入口，C/D0PR15CLRP34WR0MOVP0,A写入SETBP34WR1SETBP35C/D1RET（3）读数据子程序占用寄存器A；输出寄存器A存储数据PR2ACALLPR01CLRP35C/D0ORLP0,0FFHP1口输入方式CLRP33RD0MOVA,P0读数据SETP33RD1SETP35C/D1RET25时钟电路的设计8051芯片内部有一个高增益的反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，分别是8051的19脚和18脚。在XTAL1和XTAL2两端跨接河南理工大学2007届优秀毕业设计（论文）文摘选编166石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自给振荡器，见下图26。两个电容通常取30PF左右，对振荡频率有微调作用。8051也可以使用外部振荡脉冲信号，由XTAL2输入，直接送至内部时钟电路。因为XTAL2的逻辑电平与TTL不兼容，所以应接一个上拉电阻。本设计选择的下图所示振荡电路，振荡频率为12MHZ，时钟发生器是一个2分频触发器电路，它将振荡器的信号频率FOSC除以2，向CPU提供了两相时钟信号P1和P2。时钟信号的周期称为机器状态时间S（STATE），它是振荡周期的2倍。在每个时钟周期（即机器状态时间）的前半周期，相位为1（P1）信号有效，在每个时钟周期的后半周期，相位2（P2）信号有效。每个时钟周期有两个节拍P1和P2，CPU就以两相时钟P1和P2为基本节拍指挥8051单片机各个部件协调地工作。时钟电路如图26所示。12MHZC130PFC230PFXTAL1XTAL2图26时钟电路26复位电路的设计复位电路虽然简单，但其作用非常重要，一个单片机能否正常运行，首先要检查是否能复位成功，在复位电路中，RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其时间应持续24个震荡周期以上，若使用频率为6MHZ的晶振，则复位信号持续时间应超过4US才能完成复位操作。在本设计中用到的是12MHZ的晶振。复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式，上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，只要电源VCC的上升时间不超过1MS，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的复位初始化。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种，其中，按键电平复位是通过使复位端经过电阻与VCC电源接通而实现的，而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，在本设计中采用的是按键电平复位，电路如图27所示。河南理工大学2007届优秀毕业设计（论文）文摘选编167C5VRSRRST图27复位电路图三、结束语本设计利用AT89C51为核心，使用了DS18B20芯片作为本设计的温度传感器，加上适当的外围电路，使本系统具有许多其它温度巡回检测系统所不具备的优点。DS18B20与传统的温度传感器相比，输出数字信号，从而在设计电路时不必去考虑A/D转换的问题，不仅获得了更优良的工作性能，提高了抗干扰能力和可靠性，而且使系统结构更简洁，维护方便，缩小了空间。这样的设计方法不仅对前端模拟信号处理电路提出了更高的要求,而且不具有数字通信和网络功能。本设计结合DS18B20的新特性和现代温度测量系统提出的新要求，提出了基于智能数字温度传感器DS18B20的高精度、多点温度测量系统设计方案。该方案具有安装方便、数字化程度高、精度高、适应性强等特点，在多种温度检测中具有广阔的应用前景。对本系统而言，仍然有许多不足之处。首先，由于对LCD液晶显示的了解不够，对硬件图上的LCD连接存在一定的问题。其次，DS18B20的测温范围小，仅适用于一般场合，这就使测温有了局限性。再次，由于本人能力有限不能很好的利用DS18B20的单总线技术，这成为本设计的一个设计缺陷。在本设计中，或许还存在一些问题，还请批评指证。参考资料1戴梅萼微型计算机技术及应用北京清华大学出版社,19972李朝青单片机原理及接口技术北京北京航天航空大学出版社,19983吴金戌,沈庆阳等8051单片机实践与应用北京清华大学出版社,20024余发山,王福忠单片机原理应用技术徐州中国矿业大学出版社,20035张毅刚,彭喜源等MCS51单片机应用设计哈尔滨哈尔滨工业大学出版社,19976夏路石,石宗义电路原理图与电路板设计教程北京北京希望电子出版社,20027余家春PROTEL99SE电路设计使用教程北京中国铁通出版社,2003河南理工大学2007届优秀毕业设计（论文）文摘选编1688余永权单片机原理及应用北京电子工业出版社,19979贾伯年传感器技术南京东南大学出版社,199710何立民I2C总线应用系统设计北京北京航空航天大学出版社,199611周云波由DS18B20单线数字温度计构成的单线多点温度测量系统北京电子技术应用,199612刘君华智能传感器系统西安西安电子科技大学出版社,199913赵佩华单片机接口技术及应用北京机械工业出版社,200214周月霞,孙传友DS18B20硬件连接及软件编程传感器世界,200115先锋工作室单片机程序设计实例北京清华大学出版社,20001624C02串行存储器中文官方资料手册广州广州周立功单片机发展有限公司17HTTP/WWWWANFANGDATACOMCN万方数据库18HTTP/DOWNICEMBEDCOMDS18B20在温度控制中的应用19HTTP/WWWHX51COM智能温度传感器DS18B20的原理与应用20HTTP/BLOGSINACOMCN/U/491A098B0100077UDS18B20资料河南理工大学2007届优秀毕业设计（论文）文摘选编169基于单片机的煤气泄漏检测与报警系统的设计电子信息科学与技术03级2班祁倩指导老师董爱华摘要本文介绍了一种基于单片机的煤气泄漏检测与报警系统，可对煤气浓度进行实时检测和监控、报警，而且还能实现自动开启和关闭排气装置和煤气管道阀门。具有结构简单、价格低廉、易于操作等特点。主要阐述了控制系统、信号检测系统、功能执行部件的硬件设计，给出了程序的设计方法，并对程序进行了简要的分析。关键词单片机；煤气泄漏；声光报警；气敏传感器ABSTRACTTHISPAPERINTRODUCESANOVELINTELLIGENTGASMONITORINGANDCONTROLLINGSYSTEMBASEDONTHESINGLECHIPCOMPUTERTECHNOLOGYITCANPROVIDEUSWITHTHEFOLLOWINGFUNCTIONSDYNAMICMEASUREMENTS,MONITORINGANDCONTROLLING,ANDALSOALARMSFORTHEONTHESPOTGASCONCENTRATIONBESIDES,THISSYSTEMCANAUTOMATICALLYOPENANDSHUTOFFTHEGASPIPEVALVEITISSIMPLEINSTRUCTURE,LOWCOSTANDEASYTOOPERATEANDSOONITBRIEFLYINTRODUCESTHECONTROLSYSTEMS,SIGNALSENSINGSYSTEMS,HARDWAREDESIGNOFTHEFUNCTIONALCOMPONENTSTHEPROCESSDESIGNMETHODOLOGYANDABRIEFANALYSISOFPROCEDURESWEREGIVENKEYWORDSSINGLECHIPCOMPUTERGASLEAKSOUNDLIGHTALARMGASSENSOR一、概述随着国民经济的日益发展，人民生活水平、生活质量的不断提高，公寓式客房、高级住宅小区越来越多，使煤气的使用更为普遍。煤气的开发利用大大造福于家庭生活，同时也带来了更多的爆炸或火灾隐患。由于使用不当或设备不完善、老化等问题引起煤气泄漏、爆炸的事故也在增多，极大地威胁着人们的生命财产安全。根据一氧化碳的性质，人体暴露在浓度为25106的一氧化碳中，人即会有轻度头痛、恶心等中毒症状。若持续两个小时或当一氧化碳浓度为1500106时，一氧化碳血红蛋白的结合率就会升高，人就会产生昏迷、抽搐等重度中毒的症状，给人体造成不可逆转的伤害，直至死亡。虽然人们对煤气泄漏事件有了一定的防范意识，但是，煤气泄漏事件造成的家庭悲剧时有发生，不仅带来了人员伤亡，而且还造成了严重的经济损失。为了确保家庭用气的安全，防止煤气泄漏引起的中毒和爆炸事件的发生，煤气泄漏检测与报警系统也就应运而生了。煤气泄漏检测报警系统能够检测室内煤气浓度，当煤气泄漏时产生报警，在减少人员伤亡和经济损失方面起到至关重要的作用。一般的煤气报警器功能单一，或是必须手动复位阀门系统，性能稳定性低，而大型的监河南理工大学2007届优秀毕业设计（论文）文摘选编170控系统又价格不菲，需专门的技术人员来管理，不适用于中小企业和家庭。本文设计了一种基于单片机的煤气泄漏与报警系统，具有结构简单、价格低廉、易于操作等特点，适于家庭使用。本系统采用单片机作为核心控制部件，气敏传感器作为信息提取部件。实现的功能如下气敏传感器实时检测室内煤气浓度信号，浓度信号经A/D转换后，送入单片机中，单片机对此信号进行处理后，送入显示电路，实时显示室内煤气浓度，当室内煤气浓度超限（即达到危险浓度）时，实现声光报警，并关闭气源、开启排气装置，待室内煤气浓度恢复到安全浓度后，停止报警及排气，并打开气源。本设计的原理框图如下图1所示图1总体框图整个系统的工作原理是利用半导体气敏传感器将煤气浓度变换成模拟电压信号，此电压信号经放大后送到A/D转换器，变换成数字量送入单片机进行数据分析。单片机将数据处理后，送显示电路显示浓度信息。当空气中的煤气浓度达到设定值时，将煤气管道关闭并打开排气装置，并输出数字信号驱动声光报警。二、煤气泄漏检测与报警系统的实现21检测模块的实现本系统采用半导体气敏传感器的气体检测部件。检测气体浓度时，用恒定电流对气敏传感器进行间接加热，由于其气体浓度等效电阻RS随着气体浓度增加而成非线性减少，需要对电路进行线性化校正。AD538是美国ADI公司出品的实时模拟计算器件，能提供精确的模拟乘、除和幂运算功能。该集成电路有三个输入电压VX，VY，VZ，转换函数为VOUTVY（VZ/VX）M可以通过连接特定管脚来实现特定函数。通过外接12个电阻可以实现不同的M值的指数运算，利用芯片上的对数比例和输出部分可以直接实现对书比例运算。半导体气敏传感器将煤气浓度转换为模拟电压信号，然后经线性化电路，将浓度与电执行电路检测电路单片机驱动电路开/关气源开启/关闭排气装置声光报警A/D转换显示电路河南理工大学2007届优秀毕业设计（论文）文摘选编171压成比例。这一与煤气浓度成比例，且经放大后的模拟电压信号送入后面的A/D转换中。这样就完成了煤气泄漏的检测。22控制模块的实现控制部分首先完成浓度信息的模拟数字转换，然后，将数据进行分析去控制各部分电路工作。1、A/D转换A/D转换采用AD0809逐次逼近式A/D转换器，它具有8个模拟量输入通道。本设计采用程序查询方式，需要将EOC通过三态门接至系统的一根数据总线上。CPU查询该总线的位是否为低电平，若为低电平，则再查询它是否为高电平，若是，则表明转换结束，CPU再执行读ADC0809端口的指令即可。在设计中仅仅用到一个模拟量输入通道，则只需将模拟量输入通道地址选择线A、B、C端接地，选择通道IN0。P21与SC连接，用来控制A/D转换的启停。P22与OE端相连，用来打开输出锁存器缓冲器，将其中的数据放到外部的数据线上。P20与EOC相连，采用查询方式，通过P20接收到的数据来判断是否转换结束。2、系统的核心控制部件AT89C51是一种低功耗、高性能的8位单片机，片内带有一个4K字节的FLASH可编程可擦除只读存储器，它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS51兼容。片内的FLASH存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。因此AT89C51是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，它可方便地应用在各种控制领域。经过分析比较，根据本课题的特点，选用ATMEL公司的89系列的标准型单片机AT89C51。我们将P0口作为A/D转换的数据输入端，P21和P22控制A/D转换的启停，P20与ADC0809的EOC相连，判断A/D转换是否结束。P26控制声光报警，P27控制执行电路。P1口接数码管显示电路，P30、P31、P32为数码管的片选信号输出。I/O口分配如下图2所示图2单片机接口配置AT89C51P1P0P30P20P31P32P21P22RESETP26XTAL1XTAL2P27数码管显示电路A/D转换后数字信号输入执行电路LED位选线ADC0809启停控制A/D转换结束信号复位电路时钟电路声光报警河南理工大学2007届优秀毕业设计（论文）文摘选编17223显示、报警与执行电路的实现1、显示电路的实现LED显示器具有耗电少、成本低廉、配置简单灵活、安装方便、耐振动、使用寿命长等优点，本着经济、实用的原则，系统采用LED显示器。本设计采用共阴极七段数码管显示室内煤气浓度，采用动态显示方法，这种方法中所有数码管共用同一个段码输出口，分时轮流通电，从而大大简化硬件线路，降低成本。由单片机的P1口向LED数码管送入显示码，由P30、P31、P32用来片选数码管。当P32为“0”时，选通第一片数码管，然后单片机将要显示数送至P1口，则显示出要显示的数字；同样，当第二片数码管被选通后，显示另外数字。2、声光报警的实现在该设计中，光报警电路采用发光二极管LED（LIGHTINGEMITTINGDIODE）来实现。声音报警电路是采用蜂鸣器来实现的。当单片机检测到煤气泄漏信号后，将通过软件使LED点亮，同时使蜂鸣器发出报警信号。设计中是由单片机的P26口完成声光报警的，当报警时，将该位置位，打开三极管接通电路，使发光二极管发光，蜂鸣器发出报警信号。3、执行电路的实现该部分电路包括开启排气装置和关闭气源两个部分，关闭气源防止煤气继续泄漏，排气装置排出气体，能彻底解决煤气泄漏问题。单片机完成控制处理总是以数字信号通过I/O口或数据总线送给控制对象，这些数字信号形态主要有开关量、二进制数字量和频率量。这里是以开关量形态的数字信号通过I/O口送给控制对象，这些信号须经功率放大后才能用来驱动被控对象，并且在单片机和功率放大电路之间需使用光电隔离技术。光电耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，当在发光二极管两端加正向电压时，发光二极管点亮，照射光敏晶体管使之导通，产生输出信号。因为开关量输入、输出通道是干扰窜入的渠道，要切断这条渠道就要去掉被控对象与输入、输出通道之间的公共地线，实现彼此电隔离以抑制干扰脉冲。电磁阀是工业过程控制系统常用的开关，以实现对系统介质的遥控或程控，是以电磁力转化为机械力来实现开关目的的，由于电磁阀具有体积小、重量轻、操作容易、维护方便等优点，应用已日趋广泛。本设计的执行电路的工作电压是交流220V，所以首先采用光电隔离，然后使继电器动作，驱动电磁阀工作，完成煤气管道的开关和排气装置的开关。系统总体电路图如下图3所示河南理工大学2007届优秀毕业设计（论文）文摘选编173图3系统总体硬件电路图三、软件设计系统软件采用汇编语言编制，包括系统主程序、A/D转换子程序和显示子程序等。系统主程序的功能是完成系统的初始化、信号采集及处理、浓度信息显示、浓度超限报警、阀门关闭和启动排气装置等，根据系统工作特点，程序采用结构化的软件设计方法。A/D转换子程序完成对A/D转换器的查询，首先启动A/D转换器，然后通过查询方式，检测是否A/D转换结束，如果没有结束，则延时后再次查询，等待转换结束，如果转换结束，则将数据存入数据单元。显示子程序完成浓度信号的显示，首先将从A/D转换器中得到的二进制转换数据转换成31EA/VP19X118X29RESET17PP33671612P3213P3315PP3345141P102P113P124P135P146P157P168P17P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P3011PP330110AT89C5117D0IN02614D115D2IN1278D318D4IN22819D520D6IN3121D7IN427EOCIN5325ADDA24ADD