畢業(yè)論文_基于單片機的家用安保系統(tǒng)-機械資料單片機設(shè)計

第 1 頁 共 59 頁 第一章 緒 論 題 來源及背景 火災和煤氣泄漏是世界上發(fā)生頻率較高的災害，幾乎每天都有火災或煤氣泄漏事件發(fā)生，一旦發(fā)生火災和煤氣泄露，將對人的生命財產(chǎn)造成極大的危害，于是人們開始尋求一種預先發(fā)現(xiàn)災害的方法，以便控制和撲滅火災，減少損失，保障生命安全。安保系統(tǒng)就是為了滿足這一需求而研制出來的，并越來越被人們所接受，其自身技術(shù)水平也隨著人們需求的不斷提高，在功能、結(jié)構(gòu)、形式等方面不斷地完善。 內(nèi)外安保系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展情況 用安保系統(tǒng)的發(fā)展歷程 家用安保系統(tǒng)，從發(fā)展過程來看，大 體可分為三個階段 : 第一階段為多線型安保系統(tǒng)，每個探測電路除需提供兩根電源線外，還需要提供一根報警信號線，探測電路電源由報警系統(tǒng)提供，探測電路的信號線均連接到報警顯示盤上，報警時點亮相應的指示燈，如日本“日探”公司生產(chǎn)的 災報警系統(tǒng)。此類系統(tǒng)的功能一般以報警為主，輔以一些簡單的聯(lián)動功能 (也為多線制 )，如驅(qū)動警鈴等，其報警器隊外圍探測電路，無故障檢測功能，只會對電源線的斷線作出故障反應，安裝此類系統(tǒng)比較繁鎖，特別是校線工作量較大。 第二階段為總線型安保系統(tǒng)，已采用微處理器控制。其線制一般為四線制、三線制、二線制。探測電路和模塊通過總線與控制器實現(xiàn)信號傳送。其探測電路的輸出形式為開關(guān)量，它的靈敏度在制造時，通過硬件決定，不可調(diào)整。此類系統(tǒng)可通過各種模塊對各聯(lián)動設(shè)備實行較復雜的控制。此類系統(tǒng)已具有系統(tǒng)自檢以及對外圍器件的故障檢驗等功能，但對故障類型不能區(qū)分。目前國內(nèi)生產(chǎn)的火災自動報警系統(tǒng)大多數(shù)為此類產(chǎn)品。由于此類產(chǎn)品具有先進的報警和控制功能施工、安裝較為方便，且價格較低，己被大量使用。 第三階段為智能型安保系統(tǒng)，由于采用了先進的計算機控制技術(shù)，傳感器輸出信號的調(diào)理具有智能性，其智能化程度大大提高。探測電路的 輸出形采用模擬量，并可通過軟件對其靈敏度根據(jù)使用場合、時間進行設(shè)定和調(diào)整，可設(shè)定白天、夜間、休息日不同靈敏度。對探測電路的使用環(huán)境參數(shù)變化較大的所，靈敏度設(shè)定相對低一些，對環(huán)境較穩(wěn)定或一些重要的場所，靈敏度設(shè)定相高一些，這一功能可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，減少誤報。 用安保系統(tǒng)在國外的發(fā)展情況 國外一些較發(fā)達的國家，具有火災及煤氣泄漏預防、報警、撲救、善后處理等比較 第 2 頁 共 59 頁 完善的消防體系。政府每年都要撥出大筆資金用于消防設(shè)備更新、人員培訓以及消防設(shè)施維護。德國、日本、美國等國家就采用計算機與用戶終端 的傳感器或者用戶終端信號采集器相連，對火災及煤氣泄漏自動報警設(shè)備實時監(jiān)控以及故障遠程傳輸。例如：美國、加拿大、英國、澳大利亞、日本等國家在建設(shè)和應用城市火災及煤氣泄漏自動報警監(jiān)控系統(tǒng)方面均有可供借鑒的成功經(jīng)驗。他們將自動火災及煤氣泄漏報警作為公共報警手段接入監(jiān)控系統(tǒng)，并有效運行多年，使消防指揮中心能夠快速準確判斷危害地點、類型，并調(diào)度消防部隊迅速到達現(xiàn)場，自動報警監(jiān)控系統(tǒng)在此起到了很大的作用。此外，這些國家在監(jiān)控系統(tǒng)管理方面比較規(guī)范，專門成立一個監(jiān)控服務機構(gòu)，該機構(gòu)的責任是保證火災及煤氣泄漏報警數(shù)據(jù)通信暢通 ，為用戶服務，對用戶負責，同時向消防部隊傳送可靠的報警信息，而消防部門的主要責任是對此類服務機構(gòu)進行資質(zhì)審查及監(jiān)督管理。這種管理運作方式已經(jīng)取得了良好的效果。 用安保系統(tǒng)在國內(nèi)的發(fā)展情況 我國火災及煤氣泄漏報警系統(tǒng)起步較發(fā)達國家晚幾十年，從上世紀 70 年代我國才開始研制生產(chǎn)火災及煤氣泄漏報警系統(tǒng)產(chǎn)品。進入 80 年代后，國內(nèi)主要廠家也多是模仿國外產(chǎn)品，或是引進國外技術(shù)進行生產(chǎn)，沒有真正意義上的核心技術(shù)，并且市場也剛剛開始發(fā)育?；馂募懊簹庑孤﹫缶a(chǎn)品真正發(fā)展是在 90 年代以后，隨著政府逐漸開放國門，國外 企業(yè)開始大量進入中國消防市場，帶來先進技術(shù)的同時也促進了市場的成熟。這時期，我國生產(chǎn)火災及煤氣泄漏報警產(chǎn)品的企業(yè)也得到了快速發(fā)展，部分企業(yè)進行了合資生產(chǎn)、技術(shù)合作，取得了不菲的成績，也造就了現(xiàn)今市場上許多有實力的商家，部分技術(shù)已接近或趕上了國際水平。 題研究內(nèi)容及意義 題研究內(nèi)容 本文設(shè)計的家用安保系統(tǒng)是以 片機作為控制中心，接受、處理火災和煤氣泄露探測電路輸出的報警信號并進行聲音報警，同時執(zhí)行相應的輔助控制等任務。本論文一共分為四部分介紹。第一部分是緒論；第二部分是 系統(tǒng)簡介；第三部分是家用安保系統(tǒng)硬件設(shè)計，分別介紹傳感器電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、單片機機控制電路、聲音報警控制電路、排氣控制電路，溫度顯示電路以及小區(qū)聯(lián)動等；第四部分是家用安保系統(tǒng)軟件設(shè)計，介紹各部分軟件流程及整體軟件設(shè)計；第五部分是結(jié)論與展望。 題研究意義 家用安保系統(tǒng)是將探測與報警并加以控制處理的系統(tǒng)。為了及時發(fā)現(xiàn)火災及煤氣泄 第 3 頁 共 59 頁 漏隱患并報警，家庭住宅已采用家用安保報警系統(tǒng)。隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，住宅對火災報警和煤氣泄漏報警系統(tǒng)提出了更高的要求。家用安保系統(tǒng)己成為家庭住宅中必不可少的保安裝置 。因此，設(shè)計簡單實用的家用安保系統(tǒng)有著防止和減少火災危害、保護人身安全和財產(chǎn)安全的重要意義。 第 4 頁 共 59 頁 第二章 系統(tǒng)方案 論證 本次設(shè)計的內(nèi)容是基于單片機的家用安保系統(tǒng)，就是利用傳感器對所需要的模擬信號 (溫度、氣體信號 )進行采集，并用 A/D 轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)變成對應的數(shù)字信號，再由單片機對其進行處理，并向控制電路發(fā)出相應的控制信號 (顯示與報警等 )，同時可用數(shù)字鍵盤設(shè)置溫度報警和煤氣泄露報警等級等。系統(tǒng)方案論證如下： 述 使用家用安保系統(tǒng)的目的就是及早報告火災及煤氣泄漏的發(fā)生，從而迅速有效的控制火災及煤氣泄漏， 把損失降到最低。而通常設(shè)計的安保系統(tǒng)存在以下問題： 例分別為 31和 27 。而造成上述問題的罪魁禍首就是由于缺乏規(guī)范、統(tǒng)一的通訊標準。 報現(xiàn)象也是目前主要存在的問題，環(huán)境中各種因素，如：靜電、灰塵顆粒、氣流、殺蟲劑、磁場、氣溫劇烈變化、水蒸氣等都會與火災及煤氣泄漏發(fā)生時的狀況接近，從而使安保設(shè)備發(fā)生誤判而報警。 針對以上這些問題，能夠?qū)那樽龀隹焖佟⒕_探測和有效控制是目前急需解決的問題，所以本課題的目標是：設(shè)計一套簡單實用、 抗干擾能力強、性價比高的家用安保系統(tǒng)。 統(tǒng)方案分析 根據(jù)設(shè)計要求，設(shè)計的家 用安保系統(tǒng)包括探測電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、單片機控制電路、顯示電路、聲音報警電路、鍵盤電路、排氣電路等，下面將對各部分電路進行簡單分析。 一、探測電路 探測電路用于對住宅空間內(nèi)各區(qū)域的火災信號及煤氣泄漏信號進行探測，傳感器就是能感知環(huán)境中此類信號參數(shù)的器件，也是構(gòu)成探測電路的核心器件。探測火災信號的傳感器目前主要有氣敏型、感溫型、感煙型、感光型、感聲型五大類。由于建筑結(jié)構(gòu)和功能的多元化，為了準確、及時地探測火災，并進行報警 ，對火災探測元件提出了更高的要求。選擇火災探元件器時必須充分考慮火災探測元件的性能、建筑空間形狀、火災特點和可能發(fā)生的危險。 對于普通可燃燒物質(zhì)的表現(xiàn)形式，首先是產(chǎn)生燃燒氣體，然后是煙霧，在氧氣供應充分的條件下，才能達到全部燃燒，產(chǎn)生火焰，并散發(fā)出大量的熱，使環(huán)境溫度升高（起火過程曲線如圖 2示）。 第 5 頁 共 59 頁 圖 2火過程曲線 如圖 2示，起火過程中，總是前兩個階段所占有的時間比較長，這是燃燒的開始階段。如果要把火災損失控制在最小限度，保證人身不受傷亡，那么火災的探測元 件就應該從此階段開始進行探測為宜。因此，結(jié)合設(shè)計的實際需要，選擇感溫傳感器。本系統(tǒng)中，對各類感溫傳感器進行比較后，根據(jù)設(shè)計本系統(tǒng)的實際情況出發(fā)，在設(shè)計系統(tǒng)時選擇了由 司生產(chǎn)的集成電路溫度傳感器 目前，用于檢測氣體成分的方法很多，常見的檢測氣體的方法有電化法、光學法、電氣法。氣敏傳感器主要是利用物理效應、化學反應等機理制作而成。主要分類有半導體式、 固體電解質(zhì)式、電化學式和接觸燃燒式。 半導體電阻式氣敏傳感器是目前廣泛應用的氣敏傳感器之一。它是利用金屬氧化物半導體與氣體接觸時，材料的電導率發(fā)生變化 的原理來制作的。 固體電解質(zhì)氣敏傳感器則是利用被測氣體在敏感電極上發(fā)生化學反應，所生成的離子通過固體電解質(zhì)傳遞到參比電極，使電極間產(chǎn)生的電位隨氣體分壓而變化的原理來對氣體進行檢測的。 電化學式氣敏傳感器是利用電極和電解質(zhì)組成的電池中，氣體與電極進行氧化還原反應，從而使兩極間輸出的電流或電壓隨氣體濃度而變化的原理制作的。 燃燒式氣敏傳感器是基于強催化劑使氣體在其表面燃燒時產(chǎn)生熱量，而使貴金屬電極電導隨氣體濃度發(fā)生變化來對氣體進行檢測的。 比較上述四類氣敏傳感器，半導體傳感器以其易于實現(xiàn)集成化、微型化靈敏度高等諸多優(yōu)點，一直引起世 界各國科學家的重視和興趣。由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，以半導體傳感器為代表的各種固態(tài)傳感器相繼問世。這類傳感器主要是以半導體為敏感材料，在各種物理量的作用下引起半導體材料內(nèi)載流子濃度或分布的變化，通過檢測這些物理特性的變化，即可反應被測參數(shù)值。它與各種結(jié)構(gòu)型傳感器相比，具有如下特點： 第 6 頁 共 59 頁 由于傳感器是基于物理變化的，因而沒有相對運動部件，可以做到結(jié)構(gòu)簡單、微型化； 靈敏度高，動態(tài)性能好，輸出為電量； 采用半導體為敏感材料易于實現(xiàn)傳感器集成化、智能化； 功耗低，安全可靠。 本系統(tǒng)結(jié)合實際應 用需要選擇國產(chǎn)的 氣敏 傳感器來探測氣體的濃度。 二、 A/D 轉(zhuǎn)換電路 采集的溫度信號是模擬信號，需 轉(zhuǎn) 換成數(shù)字信號才能輸入單片機以識別。 A/D 轉(zhuǎn)換器是通過一定的電路，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的裝置，它是數(shù)據(jù)采集通道中的一個重要環(huán)節(jié)，是信號轉(zhuǎn)換的一種主要方式。 A/D 轉(zhuǎn)換器種類很多，目前應用廣泛的主要有 3 種，逐次逼進式、雙積分式和 V/F 變換式。其轉(zhuǎn)換原理各不相同，本系統(tǒng)選擇逐次逼近式A/D 轉(zhuǎn)換器，其是使用最多的一種 A/D 轉(zhuǎn)換方法。逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器主要包含 D/較器、輸出鎖存器、移位寄存器和控制 邏輯等部分。其主要原理是，將輸入的待轉(zhuǎn)換的模擬信號 一個推測信號 比較，根據(jù)推測信號大于還是小于輸入信號來決定需要增大還是減小該推測信號，以便逐步向輸入模擬信號逼近。推測信號由D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出獲得，當推測信號與模擬信號相等時，向 D/A 轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量就是對應的模擬信號的數(shù)字量。 目前，中外廠家已生產(chǎn)出位數(shù) (如 8 位、 10 位、 12 位、 14 位、 16 位，直到 24 位不同的各種型號的 A/D 轉(zhuǎn)換器，本系統(tǒng)中選用了由美國模擬器件公司生產(chǎn)的低功耗 8 位逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器 為模數(shù)轉(zhuǎn)換器件。 三、控 制芯片的確定： 在智能系統(tǒng)中，控制芯片起到核心的作用，它就像人的大腦一樣，控制身體的各個器官的工作。在智能系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示、鍵盤設(shè)定和報警等都要受到它的控制，目前，市場上的單片機種類很多，有 8 位、 16 位、 32 位的；有 司生產(chǎn)的，有 司生產(chǎn)的，也有 司生產(chǎn)的等等。不同的產(chǎn)品具有不同的優(yōu)缺點，從價格、性能、實際情況等諸多方面考慮，本次設(shè)計選擇了由 司生產(chǎn)的 片機作為控制系統(tǒng)的核心。 四、顯示電路 顯示電路的功能是將采集到的溫度數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)的形式直 觀低顯示出來，同時在鍵盤設(shè)定狀態(tài)下，顯示當前設(shè)定的數(shù)值。本次設(shè)計采用 8 段 示器構(gòu)成顯示電路。 五、鍵盤電路 鍵盤是智能系統(tǒng)的輸入設(shè)備，它是向人們提供通道來控制智能系統(tǒng)的工作。在本系統(tǒng)中用于設(shè)置溫度上限報警和室內(nèi)煤氣濃度報警等級。實際應用中，有單按鍵組成的鍵盤和矩陣按鍵組成的鍵盤，它們各有優(yōu)缺點，單按鍵電路簡單，但不便于人們使用，而 第 7 頁 共 59 頁 矩陣按鍵比較直觀易懂，特別適合民用。因此，本系統(tǒng)設(shè)計的鍵盤采用 34 矩陣鍵盤 。 六、聲音報警電路 聲音報警電路的功能是當室內(nèi)發(fā)生災情時，系統(tǒng)就會啟動揚聲器發(fā)出聲音來提醒人們采 取相應措施來解決災情。 七、排氣電路 拍氣電路通過啟動排氣扇來排出當室內(nèi)發(fā)生災情時室內(nèi)泄露的煤氣，以及降低火災釋放出的溫度和煙霧濃度。 統(tǒng)方案確定 方案選擇的好壞，影響系統(tǒng)的性能、成本、可靠性等多方面因素。根據(jù)上述方案的分析，添加小區(qū)聯(lián)動，以 控制核心實現(xiàn)所要求功能的小型智能家用安保系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計框圖如圖 2示： 圖 2統(tǒng)硬件總體設(shè)計框圖 單片機控制系統(tǒng) 聲音報警電路 火災探測電路 煤氣泄漏探測電路 溫度 氣體濃度 顯示電路 排氣電路 小區(qū)控制（上位機） A/盤電路 第 8 頁 共 59 頁 第三章 家用安保系統(tǒng)硬件設(shè)計 家用安保系統(tǒng)的硬件由探測電路模塊、 A/D 轉(zhuǎn)換電路模塊 、 單片機控制模塊和系統(tǒng)監(jiān)視模塊組成。探測模塊用于對住宅空間內(nèi)各區(qū)域的火災信號及煤氣泄漏信號進行探測， A/D 轉(zhuǎn)換電路模塊 將探測的電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字信號輸入單片機。單片機控制模塊完成火災及煤氣泄漏信號查詢、處理。監(jiān)視模塊完成對危險的報警、現(xiàn)場處理、通訊等功能。下面對這些電路的設(shè)計分別進行介紹。 測電路模塊設(shè)計 在一個基本的報警系統(tǒng)中，作為探測報警信號的探測電路必不可少的部分，其性能的可靠性直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的技術(shù)指標、可靠性及能否安全工作，對系統(tǒng)設(shè)計的成敗起關(guān)鍵作用。因此，設(shè)計一個高效、 可靠、穩(wěn)定的探測電路是一項重要的設(shè)計工作。本系統(tǒng)的探測電路包括兩部分，一是對火災探測電路，這部分主要是通過探測溫度信號來完成對火災信號的探測；二是對煤氣泄漏探側(cè)電路，則是通過探測氣體信號來實現(xiàn)其探測。 災探測電路設(shè)計 系統(tǒng)采用的由 司生產(chǎn)的集成電路溫度傳感器 具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，該器件輸出電壓與攝氏溫度線性成比例。因而，從使用角度來說， 用開爾文標準的線性溫度傳感器相比更有優(yōu)越之處， 需外部校準或微調(diào)，可以提供 1/4C 的常用的室溫精度。主 要工作參數(shù)如下： 工作電壓：直流 430V； 工作電流：小于 133A； 輸出電壓： +6V 1V； 輸出阻抗： 1載時 精度： 精度（在 +25C 時）； 漏泄電流：小于 60A； 比例因數(shù)：線性 +C ； 非線性值： 1/4C ； 校準方式：直接用攝氏溫度校準； 封裝：密封 體管封裝或塑料 體管封裝； 使用溫度范圍： 55+150C 額定范圍。 第 9 頁 共 59 頁 火災探測電路采用核心部件是 電電壓為直流 15V 時，工作電流為120功耗極低，在全溫度范圍工作時，電流變化很小。 輸出電壓與攝氏溫度的線 性 關(guān)系可用公式 (3示， 0C 時輸出為 0 V，每升高 1C，輸出電壓增加 10 電源供應模式有單電源與正負雙電源兩種，其接法如圖 3-1(a)與圖 3-1(b)所示。正負雙電源的供電模式可提供負溫度的測量，單電源模式在 25C 下電流約為 50 非常省電。本系統(tǒng)采用的是單電源模式 ，設(shè)計的火災探測電路如圖 3示。 )=10CTC (3圖 3-1(a) 單電源模式 圖 3-1(b) 雙電源模式 420V) 0C l 第 10 頁 共 59 頁 圖 3災探測 電路 氣泄漏探測電路設(shè)計 本系統(tǒng)結(jié)合實際應用需要選擇 的 國產(chǎn) 氣敏 傳感器來探測氣體的泄露，氣敏 傳感器 是以金屬氧化物 主體材料的 N 型半導體氣敏元件，當元件接觸還原性氣體時，其電導率隨氣體濃度的增加而迅速升高。 氣敏元件 適用于天然氣、煤氣、氫氣、烷類氣體、烯類氣體、汽油、煤油、乙炔、氨氣、煙霧等的檢測，屬于 N 型半導體元件。靈敏度較高，穩(wěn)定性較好，響應和恢復時間短 。其具有以下特點： 用于可燃性氣體的檢測 ( )； 靈敏度高 ； 響應速度快 ； 輸出信號大 ； 壽命長，工作穩(wěn)定可靠 。 氣敏 傳感器的主要技術(shù)指標如表 3示。 712V 第 11 頁 共 59 頁 表 3氣敏 傳感器的主要技術(shù)指標 加熱電壓（ 應時間 (10S 回路電壓（ 最大 4V 恢復時間 (30S 負載 電阻 （ 2件功耗 潔空氣中電阻 （ 2000 測范圍 5010000敏度（ S= 4(在 1000 ) 使用壽命 2 年 煤氣泄漏探測電路 采用 氣敏傳感器來探測氣體的泄露，電路如圖 3示。探測電路中的氣敏傳感器以 輸出經(jīng) 壓跟隨器加到差動放大器 出是放大同相輸入端和反相輸入端的差動放大信號。 同相放大器，通過電阻 R 可調(diào) 增益，也就是調(diào)節(jié) 8 比較器的同相輸入端的電壓控制其輸出，進而與單片機的 一同控制其報警等級，從而完成對煤氣泄露的報警。 第 12 頁 共 59 頁 圖 3氣泄漏 探測 電路 2184 13 頁 共 59 頁 號放大電路 由于溫度傳感器 氣敏傳感器 輸出的電壓范圍 均約 為 0，雖然 這些 電壓范圍在 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入允許電壓范圍內(nèi)，但該電壓信號較弱， 此時就需要通過運算放大器對信號進行放大， 如果不進行放大直接進行 A/D 轉(zhuǎn)換則會導致轉(zhuǎn)換 成的數(shù)字量太小、精度低。 集成運算放大器是具有差分輸入和直接耦合電路的高增益、寬頻帶的電壓放大器。 它的成本低 , 用途廣泛。當集成運算放大器外接不同的反饋網(wǎng)絡(luò)后 ,能實現(xiàn)多種電路功能：可作為放大器、模擬運算、有源濾波、振蕩器、轉(zhuǎn)換器 ( 如：電流 /壓轉(zhuǎn)換器、頻率 /電壓轉(zhuǎn)換器等 )、可構(gòu)成非線性電路 (如：對數(shù)轉(zhuǎn)換器、乘法器等 )等。集成運算放大器的類型很多，按特性分類有：通用型、高精度型、低功耗型、高速型、單電源型和低噪聲型等。按構(gòu)造分類有：雙極型、結(jié)型場效應管輸入型、 等。 系統(tǒng)中選 用通用型放大器 出的電壓信號進行幅度放大，還可對其進行阻抗匹配、波形變換、噪聲抑制等處理。 其主要極限參數(shù) ( 最大額定值 ) 如下 ： 最大電源電壓： 18V； 最大差分電壓 ( 同相端與反向端之間的輸入電壓 ): 30V； 最大輸入電壓 : 15V； 允許工作溫度 :0 C +70 C ； 允許功耗 : 最大輸出電壓 : 比電源電壓略低 。 系統(tǒng)采取同相輸入，電壓放大倍數(shù)為 5 倍， 輸入信號來自溫度傳感電路或煤氣泄漏傳感電路，經(jīng)信號放大后輸出到 A/D 轉(zhuǎn)換 電路，完成信號放 大， 電路圖如圖 3示。 第 14 頁 共 59 頁 20002號放大電路 ， 采集的溫度信號是模擬信號，需 轉(zhuǎn) 換成數(shù)字信號才能輸入單片機以識別。 目前，中外廠家已生產(chǎn)出位數(shù) (如 8 位、 10 位、 12 位、 14 位、 16 位，直到 24 位 )不同的各種型號的 A/D 轉(zhuǎn)換器，本系統(tǒng)中選用 8 位逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器 引腳圖如圖 3示。它共有 28 個引腳，其中： 7輸出數(shù)據(jù)線； 8 路模擬電壓輸入端； 路地址輸入； 啟動信號輸入端，下降沿有效； 路地址鎖存信號，用來鎖存 地址輸入，上升沿有效； 變換結(jié)束狀態(tài)信息，高電平表示一次變換以結(jié)束； 讀允許信號，高電平有效； 時鐘輸入端； )、 )參考電壓輸入端。 第 15 頁 共 59 頁 圖 3腳圖 工作時鐘為 10次變換時間為 100s。 作時的定是關(guān)系如圖 3示。 從圖中可以看到，在進行 A/D 變換時， 路地址應先送到 入端。 然后在 入端加一個正跳變脈沖，將路地址鎖存到 部的路地址寄存器中。這樣，對應路的模擬電壓輸入就和內(nèi)部變換電路接通。為了啟動變換工作序列，必須在加一個負跳變信號。此后變換工作開始進行，標志 在工作的狀態(tài)信息是 高電平 (閑狀態(tài) )變?yōu)榈碗娖?(工作狀態(tài) )。一旦變換結(jié)束， 號就又由低電平變?yōu)楦唠娖?。此時只要在 加一個高電平，即可打開數(shù)據(jù)線的三態(tài)緩沖器從7 數(shù)據(jù)線讀得一次變換后的數(shù)據(jù)。 第 16 頁 共 59 頁 圖 3時關(guān)系 經(jīng)過 換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量在輸入到單片機時，要通過地址鎖存器 將到單片機擴展總線上。 系統(tǒng)選擇地址鎖存器 74 到單片機擴展總線上。鎖存器 (3S,鎖存允許輸入有回環(huán)特性 )，常應用在地址鎖存及輸出口的擴展中。 74低功耗肖特基 存器，內(nèi)部有 8 個相同的 D 型 (三態(tài)同相 )鎖存器，由兩個控制端 (11 腳 G 或 1 腳 制。當 地時，若G 為高電平， 74收輸出的地址信號；如果 G 為低電平，則將地址信號鎖存。其工作原理是， 74輸出端 7 可直接與總線相連，當三態(tài)允許控制端 低電平時， 7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負載或總線。當 高電平時， 7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當鎖存允許端 高電平時， Q 隨數(shù)據(jù) D 而變。當 低電平時， Q 被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。 74引腳圖如圖 3示，真值表如表 3示。 E 7 地址 鎖存 啟動 第 17 頁 共 59 頁 圖 34腳圖 表 34值表 74出端符號 如下 ： 數(shù)據(jù)輸入端 三態(tài)允許控制端（低電平有效） 鎖存允許端 輸出端 74要工作 參數(shù) 如下 ： 電源電壓 ： 7V； 輸入電壓： 7V； 輸出高阻態(tài)時高電平電壓 ： 工作溫度： 070 ； 第 18 頁 共 59 頁 存儲溫度： 50 。 外接變換時鐘和參考電壓，在實際應用中變換時鐘常將單片機的時鐘經(jīng)分頻得到，而參考電壓常用現(xiàn)成的由廠家提供的高精度電源集成塊。時鐘的變換電路由 4013 雙 D 觸發(fā)器構(gòu)成，經(jīng) 4 次分頻后得到 變換時鐘 500換時鐘電路的時鐘輸入由單片機的 輸出，其電路圖如圖 3示。 圖 3換時鐘電路 系統(tǒng) A/D 轉(zhuǎn)換 電路由 換器、 74址鎖存器和雙 D 觸發(fā)器 4013構(gòu)成，實現(xiàn)對采集的溫度模擬信號的轉(zhuǎn)換 。因此，只要使用 換器的輸入通道 可。并用低 3 位數(shù)據(jù)線通過 74址鎖存器控制采集通道，同時使用片機的 控制 換器的讀寫控制。設(shè)計中采用延時方式模數(shù)轉(zhuǎn)換， 單片機 制 開始轉(zhuǎn)換、延時等待 A D 轉(zhuǎn)換結(jié)束以及讀出轉(zhuǎn)換好的 8 位數(shù)字量至單片機進行處理。 其電路如圖 3示。 第 19 頁 共 59 頁 )1528，單片機的作為系統(tǒng)的核心是無可質(zhì)疑的，他完成對系統(tǒng)控制 ，單片機控制模塊設(shè)計的好壞，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、安全性等性能指標。因此，設(shè)計一個好的單片機控制系統(tǒng)，對整個安保系統(tǒng)的成敗起決定性作用。 根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，選擇由 司生產(chǎn)的 片機。 一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器 (低電壓，高性能 微處理器，該器件采用 密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的 令集和 輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 閃爍存儲器組合在單個芯片中， 89一種高效微控制器。 片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 一個低功耗高性能單片機， 40 個引腳， 32 個外部雙向輸入 /輸出 (I/O)端口，同時內(nèi)含 2 個外中斷口， 2 個 16 位可編程定時計數(shù)器， 2 個全雙工串行通信口，它可以按照常規(guī)方法編程，也可以在線編程 (其將同用的微處理器和 儲器結(jié)合在一起，特別是可反復擦寫的 儲器可有效降低開發(fā)成本。 片機的引腳圖如圖 3示。 圖 3腳圖 引腳說明如下： 第 21 頁 共 59 頁 0 腳 ): 接地 。 0 腳 ): 主電源 +5V。 9 腳 ): 接外部晶體的一端。在片內(nèi)它是振蕩電路反相放大器的輸入端。在采用外部時鐘時，對于 片機，該端引腳必須接地；對于 片機，此引腳作為驅(qū)動端 。 8 腳 ): 接外部晶體的另一端。在片內(nèi)它是一個振蕩電路反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率是晶體振蕩頻率。若需采用外部時鐘電路，對于 片機，該引腳輸入外部時鐘 脈沖；對于 片機，此引腳應懸浮 。 腳 ): 單片機剛接上電源時，其內(nèi)部各寄存器處于隨機狀態(tài)，在該腳輸入 24個時鐘周期寬度以上的高電平將使單片機復位 ( 9 腳 ): 在訪問片外程序存儲器時，此端輸出負脈沖作為存儲器讀選通信號。向片外存儲器取指令期間， 號在 12 個時鐘周期中兩次生效。不過，在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效 號不出現(xiàn)。 同樣可驅(qū)動 8 個 們根據(jù) 出端是否有信號輸出，可以判別 80否在工作 。 0 腳 ): 在訪問片外程序存儲器時，此端輸出負脈沖作為存儲器讀選通信號。 向片外存儲器取指令期間， 號在 12 個時鐘周期中兩次生效。不過，在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效 號不出現(xiàn)。 同樣可驅(qū)動 8個 們根據(jù) 以判別 80 1 腳 ): 當 輸入高電平時， 片內(nèi)程序存儲器地址 0000H 單元開始執(zhí)行程序。當?shù)刂烦?4，將自動執(zhí)行片外程序存儲器 的程序。當 入低電平時， 訪問片外程序存儲器。在對 87程時，此引腳用于施加編程電壓 (39 腳 32 腳 )： 為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8電流。當 的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 程時， 作為原碼輸入口，當 行校驗時， 出原碼，此時 部必須被拉高 。 (1 腳 8 腳 )： 是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， 緩沖器能接收輸出 4電流。 管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， 被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 程和校驗時， 作為第八位地址接收 。 (26 腳 21 腳 )： 為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， 緩沖器可接收，輸出 4 個 電流，當 被寫 1時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為 第 22 頁 共 59 頁 輸入。并因此作為輸入時， 的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲 器進行存取時， 輸出地址的高八位。在給出地址 1時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時， 輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 在 程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號 。 (10 腳 17 腳 )： 管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出4 個 電流。當 寫入 1后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， 將輸出電流（ 是由于上拉的緣故。 也可作為 一些特殊功能口，如表 3示： 表 33 口特殊功能 端口 引腳 備選功能 行輸入口 行輸出口 部中斷 0 部中斷 1 0 記時器 0 外部輸入 1 記時器 1 外部輸入 部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 主要特性： 與 容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間： 10 年 全靜態(tài)工作： 0 三級程序存儲器鎖定 128*8 位內(nèi)部 32 可編程 I/O 線 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 5 個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 第 23 頁 共 59 頁 片機時鐘電路與復位電路 時鐘電路與復位電路不是單片機的內(nèi)部電路，但它們卻是單片機運行所必須的最基本的外加電路，雖然某些新型單片機已將復位電路集成在單片機內(nèi)，但對本系統(tǒng)所選擇設(shè)計單片機控制模塊而言，時鐘電路與復位電路的設(shè)計是必不可少的。 一、時鐘電路 片機 內(nèi)有一個構(gòu)成時鐘 振蕩器的高增益反相放大器，引腳 別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成一個自激振蕩電路。外部諧振電路并行連接石英晶體或陶瓷諧振器和負載電容 接電容的大小影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性。本電路設(shè)計選擇外接晶體，晶體的頻率為 12值選擇 33計的電路如圖 3示。 圖 3鐘電路 二、復位電路 在設(shè)計單片機應用系統(tǒng)時，必須 了解單片機的復位狀態(tài)和復位電路的設(shè)計。因為單片機應用系統(tǒng)工作時，會經(jīng)常要求進入復位工作狀態(tài)，因而要求復位電路必須能準確、可靠地工作，單片機的復位狀態(tài)與應用系統(tǒng)的復位狀態(tài)也是密切相關(guān)的。 1. 單片機的復位狀態(tài) 本系統(tǒng)選擇的單片機的復位是靠外部電路實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，只要在單片機的 腳上出現(xiàn) 24 個振蕩脈沖 (2 個機器周期 )以上高電平，單片機便實現(xiàn)初始化狀態(tài)復位。為了保證系統(tǒng)可靠的復位，在設(shè)計復位電路時，通常使 腳保持 10上的高電平。只要 持高電平，則 片機 就循環(huán)復位；當 高電平變?yōu)榈碗娖揭院螅瑔纹瑱C就從 0000H 地址開始執(zhí)行程序。復位不影響單片機內(nèi)部的 上電復位時，由于是重新供電， 斷電時的數(shù)據(jù)丟失。復位以后 初始復位狀態(tài)如表 3示。 _3P 33P Y 12M 第 24 頁 共 59 頁 表 3片機的復位狀態(tài) 專用寄存器 復位狀態(tài) 專用寄存器 復位狀態(tài) 000H P 07H 000H 0P 000B E 0000B 000B 通常單片機的復位操作有上電復位、信號復位、運行監(jiān)視復位。本系統(tǒng)結(jié)合實際需要采用上電復位，并且添加手動復位，設(shè)計出上電復位與開關(guān)復位組合電路。此電路既能實現(xiàn)單片機上電時的復位操作，保證單片機上電后立即進入規(guī)定的復位狀態(tài)，又能實現(xiàn)在家用安保系統(tǒng)做出報警后，以手動復位使單片機重新進入復位狀態(tài)。從而使得系統(tǒng)不至于在報警后不能回到初始狀態(tài)，系統(tǒng)功能更加 完善。 在該組合電路中，干擾容易串入復位端，影響單片機的復位可靠性。為了保證復位電路可靠地工作，并考慮住宅電壓波動大，將 路接施密特電路后再接入 位端，設(shè)計的抗干擾上電復位與開關(guān)復位電路如圖 3示。 圖 3干擾上電復位與開關(guān)復位電路 第 25 頁 共 59 頁 統(tǒng)監(jiān)視模塊設(shè)計 家用安保系統(tǒng)完成對火災信號和煤氣泄漏信號的探測、信號轉(zhuǎn)換及控制系統(tǒng)處理后，需通過監(jiān)視電路對報警信號做出聲音報警、現(xiàn)場有毒氣體和煙霧排放及與小區(qū)聯(lián)動等，從而完成整個系統(tǒng)的功能，保障人員和財產(chǎn) 的安全。系統(tǒng)監(jiān)視模塊包含 8255A 接口電路 、 聲音報警電路、顯示電路、排氣電路及小區(qū)聯(lián)動四部分。 8255A 接口電路 在本系統(tǒng)中，和 片機 相連的引腳很多，但 片機的接口引腳只有 組，其中 的引腳又具有第二功能，不宜做數(shù)據(jù)輸入輸出口， 剩下的只有 。但由 來的八位數(shù)據(jù)占用 8 個端口，溫度顯示需要 11 個端口，矩陣鍵盤需要 7 個端口，加上其它輸出控制信號占用的端口，超過的 24 個端口。因此， 片機的端口不夠用，故在設(shè)計系統(tǒng)中，為了解決這一問題，須擴展單片機的接口。 擴展單片機接口的方法很多，可用的芯片也不少，如 8155、 8253、 8255A、 8279等。本設(shè)計中選用 8255A 接口芯片。 8255A 是 司生產(chǎn)的 一種通用的可編程并行 I/O 接口芯片，又稱 可編程外設(shè)接口芯片 (它采用 藝制造，單一 +5V 電源， 40 個引腳，雙列直插式封裝。它具有方式 0、方式 1、方式 2 三種工作方式，并且 這三種工作方式可以通過軟件編程來設(shè)定和改變。 8255A 與 列微處理器完全兼容，直接的位清 0/置 1 功能簡化了控制應用接口。 8255A 是應用最廣的并行 I/O 接口芯片。 8255A 的結(jié)構(gòu)框圖如圖 3示，它由以下幾部分組成。 (1) 三個數(shù)據(jù)輸入輸出端口 A、 B、 C， 每個端口均為 8 位，可選擇輸入或輸出操作。 端口 A：一個 8 位數(shù)據(jù)輸出鎖存 /緩沖器和一個 8 位數(shù)據(jù)輸入鎖存器。 端口 B：一個 8 位數(shù)據(jù)輸入 /輸出、鎖存 /緩沖器和一個 8 位數(shù) 據(jù)輸入緩沖器。 端口 C：一個 8 位數(shù)據(jù)輸出鎖存 /緩沖器和一個 8 位數(shù)據(jù)輸 入鎖存器（輸入無鎖存）。它可分為兩個 4 位端口使用，或用作與 A 口和 B 口配合的控制或狀態(tài)口，依工作方式而定。 第 26 頁 共 59 頁 圖 3255A 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 (2) A 組控制和 B 組控制 這兩組控制部件接受讀寫控制邏輯來的命令，接收數(shù)據(jù)總線上的控制字，然后向相應的端口發(fā)出命令，以控制其動作。 A 組控制部件控制 A 口及 C 口高 4 位。 B 組控制部件控制 B 口及 C 口低 4 位。 (3) 數(shù)據(jù)總線緩沖器 該緩沖器為雙向三態(tài)的 8 位數(shù)據(jù)緩沖器，它是 8255 與 統(tǒng)數(shù)據(jù)總線之間的接口，所有的輸入、輸出數(shù)據(jù)，以 及 出的控制字和從 8255A 讀回的狀態(tài)信息都通過它來傳送。 (4)讀 /寫控制邏輯 接收 出的地址 控制（ 片選（ 號，產(chǎn)生給 A 組、 B 組的控制信號，以完成對數(shù)據(jù)、狀態(tài)及控制信息的傳送。 8255A 芯片的引腳如圖 3示。 第 27 頁 共 59 頁 圖 3255A 的引腳圖 面向系統(tǒng)總線的信號線有： 向數(shù)據(jù)線。 過它向 8255A 發(fā) 送命令、數(shù)據(jù)； 8255A 通過它向 送狀態(tài)、數(shù)據(jù)。 片選信號線 低電平 有效，由系統(tǒng)地址總線經(jīng) I/O 地址譯碼器產(chǎn)生。 過發(fā)高位端口地址信號使它變成低電平時，才能對 8255A 進行讀寫操作。 讀信號線 該信號低電平有效， 過執(zhí)行 令，發(fā)出信號將數(shù)據(jù)或狀態(tài)信號從 8255A 讀至 寫信號線 該信號低電平有效， 過執(zhí)行 令，發(fā)寫信號將命令代碼或數(shù)據(jù)寫入 8255A。 位信號線，高電平有效，當 號來到時，所有內(nèi)部寄存器都被清除，同時 3 個數(shù)據(jù)端口 被自動置為輸入端口。 片內(nèi)部端口地址信號線，與系統(tǒng)地址 總線低位相連。該信號用來尋址8255A 內(nèi)部寄存器。兩位 地址，可形成片內(nèi)四個端口地址。 面向 I O 設(shè)備的信號線有： 口 A 的輸入輸出線 ； 口 B 的輸入輸出線 ； 口 C 的輸入輸出線 ； 第 28 頁 共 59 頁 這 24 根信號線均可用來連接 I O 設(shè)備，通過它們可以傳送數(shù)字量信息或開關(guān)量信息 。 +5V 電源。 線。 8255A 有兩個 8 位控制字：方式選擇控制字和 C 口按位置位復位控制字。這兩個控制字共用一個端口 地址，即控制字寄存器。為了區(qū)別這兩個控制字，規(guī)定了 為特征位，當 時，則是方式選擇控制字；當 時，則是 C