基于單片機(jī)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

1、四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于單片機(jī)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué) 生：何凡學(xué) 號(hào)：10021010404專 業(yè)：自 動(dòng) 化 班 級(jí)：2010.4指導(dǎo)教師：范 燾四川理工學(xué)院自動(dòng)化與電子信息學(xué)院二O一四年六月1摘 要本文設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)為基礎(chǔ)，同時(shí)集成了語(yǔ)音芯片ISD1420、A/D轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器AD590和氣體傳感器TGS202等，利用多傳感器信息融合技術(shù)，火災(zāi)探測(cè)器通過(guò)對(duì)火災(zāi)發(fā)出的物理、化學(xué)現(xiàn)象燃燒氣體、煙霧粒子、溫度的探測(cè)，將探測(cè)到的火情信號(hào)轉(zhuǎn)化成火警電信號(hào)傳遞給火災(zāi)報(bào)警控制器，火災(zāi)報(bào)警器再發(fā)出報(bào)警信號(hào)。這是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉、智能化的報(bào)警器

2、系統(tǒng)，具有一定實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：火災(zāi)報(bào)警器；AD590；ISD1420；A/D轉(zhuǎn)換器； ISD1420ABSTRACTThis paper designed a fire alarm based on single chip microcomputer, at the same time integration of voice chip ISD1420, A/D converter, temperature sensor AD590 and TGS202 gas sensors, using multi-sensor information fusion technology, the fi

3、re detector based on detection and fire a physical, chemical phenomena the combustion gases, smoke particles, the temperature, the fire the detected signal is transformed into the fire alarm signal to the fire alarm controller, fire alarm and alarm signal. This is an alarm system which has the advan

4、tages of simple structure, convenient operation, low price, intelligent, have certain practical value.Key words: Fire alarm; AD590; ISD1420; A/D converter; III 目錄摘 要IABSTRACTII第1章 引 言11.1研究背景11.2設(shè)計(jì)的目的和意義1第2章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案32.1 火災(zāi)的產(chǎn)生機(jī)理32.2 火災(zāi)報(bào)警器的類型42.3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的方法62.3.1系統(tǒng)硬件結(jié)62.3.2系統(tǒng)軟件方案7第3章 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)93.1 系統(tǒng)芯片介

5、紹93.1.1 AD590溫度傳感器93.1.2 TGS202氣體傳感器103.1.3 ISD420語(yǔ)音芯片113.1.4 80C51芯片133.1.5 A/D轉(zhuǎn)換芯片153.1.6數(shù)碼顯示電路173.2 單片機(jī)外圍接口電183.2.1 晶振電路183.2.2 復(fù)位電路183.2.3 信號(hào)處理電路193.2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路213.2.5 報(bào)警電路233.2.6 語(yǔ)音報(bào)警電路233.2.7 狀態(tài)指示燈電路243.2.8 數(shù)碼管顯示電路24第4章 火災(zāi)報(bào)警器的軟件設(shè)計(jì)264.1 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境264.3 主程序流程264.2 主程序初始化流程圖274.3 數(shù)據(jù)采集子程序284.4 火災(zāi)判斷與報(bào)警

6、程序304.4.1 火災(zāi)報(bào)警數(shù)據(jù)處理方法304.4.2 火災(zāi)判斷與報(bào)警304.5 系統(tǒng)仿真31第5章 結(jié)束語(yǔ)35致謝36參考文獻(xiàn)37附錄381第1章 引 言1.1 研究背景火災(zāi)是指在時(shí)間和空間上失去控制，對(duì)財(cái)產(chǎn)和人身造成一定損害的燃燒現(xiàn)象稱為火災(zāi)。從燃燒的角度看，火災(zāi)的實(shí)質(zhì)是燃燒，是一種自然現(xiàn)象，但絕大多數(shù)火災(zāi)同人的因素有關(guān)，是社會(huì)現(xiàn)象?；馂?zāi)的發(fā)生過(guò)程是復(fù)雜的，常常表現(xiàn)出普遍性、隨機(jī)性、必然性和相似性。火災(zāi)發(fā)生的普遍性，是說(shuō)火災(zāi)不論在什么單位和部位，從草原到森林，從居民住宅到大大小小的企業(yè)、事業(yè)單位，到處都可能發(fā)生，這表明了火災(zāi)發(fā)生的普遍性。經(jīng)驗(yàn)告誡人們，任何單位、任何部位，也包括組成社會(huì)的細(xì)

7、胞家庭，都要無(wú)一例外地預(yù)防火災(zāi)?；馂?zāi)的發(fā)生的隨機(jī)性，是說(shuō)人們無(wú)法事前準(zhǔn)確預(yù)測(cè)何地、何時(shí)、何物將發(fā)生火災(zāi)，以及火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)規(guī)模大小、火勢(shì)呈現(xiàn)方式。這種特性告誡人們要時(shí)時(shí)刻刻預(yù)防火災(zāi)，不可麻痹懈怠1。實(shí)踐證明，隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，消防工作的重要性就越來(lái)越突出。由此，火災(zāi)報(bào)警器在消防工作的作用尤為突出了。19世紀(jì)40年代美國(guó)誕生的火災(zāi)報(bào)警裝置標(biāo)志著火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)首次進(jìn)入人們的視野2。1890年在英國(guó)，感溫式火災(zāi)探測(cè)器研制成功并應(yīng)用于火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)，標(biāo)志著火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的發(fā)展走上正軌3。在我國(guó)，采用的無(wú)線通信方式的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)日益受到重視。由于其具有安裝簡(jiǎn)便、對(duì)建筑物無(wú)損壞作業(yè)、靈活性好，易于擴(kuò)展

8、等優(yōu)點(diǎn)，適用于許多場(chǎng)合，如名勝古跡、體育館、博物館、展覽中心、處于施工階段的建筑物、醫(yī)院等?；馂?zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的智能性主要體現(xiàn)在火災(zāi)判決和統(tǒng)籌管理方面，一般分為分散式、集中式和分布式，分散式系統(tǒng)由非智能型控制器若干智能型探測(cè)節(jié)點(diǎn)組成，由探測(cè)節(jié)點(diǎn)完成火災(zāi)狀態(tài)的判斷;集中式系統(tǒng)由智能型控制器和若干非智能探測(cè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，探測(cè)節(jié)點(diǎn)僅將火災(zāi)參量傳送給控制器，由控制器智能地判斷火災(zāi)狀態(tài)；分布式系統(tǒng)的控制器和探測(cè)節(jié)點(diǎn)均為智能型，也是今后火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的發(fā)展方向4。1.2 設(shè)計(jì)的目的和意義在各種災(zāi)害中，火災(zāi)是最經(jīng)常、最普遍地威脅公眾安全和社會(huì)發(fā)展的主要災(zāi)害之一。據(jù)聯(lián)合國(guó)“世界火災(zāi)統(tǒng)計(jì)中心（WFSC）2000統(tǒng)計(jì)

9、資料”，全球每年大約發(fā)生火災(zāi)600萬(wàn)至700萬(wàn)次，全球每年死于火災(zāi)的人數(shù)約為65000至75000人。其中，歐美地區(qū)發(fā)生的火災(zāi)較多，死亡人數(shù)卻相對(duì)較少，這與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的生活水平以及消防技術(shù)和設(shè)施有關(guān)；相比較而言，亞洲地區(qū)發(fā)生火災(zāi)次數(shù)較少，但死亡人數(shù)較多，這與亞洲經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度不高、消防設(shè)施不完善等因素有關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)70年代火災(zāi)年平均損失不到2.5億元，80年代火災(zāi)年平均損失接近3.2億元。進(jìn)入90年代，特別是1993年以來(lái)，火災(zāi)造成的直接財(cái)產(chǎn)損失上升到年均十幾億元，年均死亡2000多人。隨著經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市高層、地下以及大型綜合性建筑日益增多，火災(zāi)隱患也大大增加，火災(zāi)發(fā)生的數(shù)

10、量及其造成的損失呈逐年上升趨勢(shì)。一旦發(fā)生火災(zāi)，將對(duì)人的生命和財(cái)產(chǎn)造成極大的危害5?；馂?zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)能迅速監(jiān)測(cè)火情，可發(fā)現(xiàn)人們不易發(fā)覺(jué)的火災(zāi)早期特征，可將火災(zāi)帶來(lái)的生命財(cái)產(chǎn)損失降到最低限度?；馂?zāi)發(fā)生的早期，會(huì)使得燃燒物質(zhì)分解，析出大量的有毒氣體CO，人們可能在毫無(wú)察覺(jué)火情的情況下就發(fā)生了CO中毒，從而無(wú)力逃生，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)到CO濃度的變化，為人們提供CO濃度超標(biāo)報(bào)警信息，通知人們及時(shí)疏散6。為此，本系統(tǒng)由火災(zāi)檢測(cè)模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)處理模塊和聲光報(bào)警模塊組成?；馂?zāi)檢測(cè)模塊由溫度檢測(cè)和煙霧檢測(cè)構(gòu)成，其溫度傳感器選用AD590，氣體傳感器選用TGS202。A/D轉(zhuǎn)換模塊選用常用ADC

11、0809。聲光報(bào)警模塊分為聲音報(bào)警和光報(bào)警?；馂?zāi)探測(cè)器通過(guò)對(duì)火災(zāi)發(fā)出的物理、化學(xué)現(xiàn)象燃燒氣體、煙霧粒子、溫度的探測(cè)，將探測(cè)到的火情信號(hào)轉(zhuǎn)化成火警電信號(hào)傳遞給火災(zāi)報(bào)警控制器。報(bào)警器將接收到火警信號(hào)后經(jīng)分析處理發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，警示消防控制中心的值班人員，并顯示出火災(zāi)的位置。這是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉、智能化的煙霧傳感器，具有一定實(shí)用價(jià)值。第2章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2.1 火災(zāi)的產(chǎn)生機(jī)理眾所周知，物質(zhì)燃燒的基本條件是：可燃物、助燃物（氧氣）、和足夠的溫度。其中可燃物為氣體時(shí)，根據(jù)它和空氣混合方式的不同可以分成預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒兩種。當(dāng)可燃物是液體和固體時(shí)，因?yàn)樗鼈冸y與空氣均勻混合，所以它們?nèi)紵?/p>

12、的基本過(guò)程是當(dāng)外部提供一定的能量時(shí)，液體或固體先蒸發(fā)成蒸汽或分解出可燃?xì)怏w（如CO、H2等），同時(shí)還形成一些氣溶膠。這些氣相形式的可燃物與空氣混合，在較強(qiáng)火源作用下產(chǎn)生預(yù)混燃燒。著火后，燃燒火焰產(chǎn)生的熱量使液體或固體的表面繼續(xù)釋放出大量的熱量。這些熱量通過(guò)可燃物的直接燃燒、熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對(duì)流，使火從起火部位向周圍蔓延，這就是常說(shuō)的火蔓延。火蔓延導(dǎo)致了火勢(shì)的擴(kuò)大，形成了火災(zāi)根據(jù)火災(zāi)發(fā)生的場(chǎng)所不同，一般將火災(zāi)分成建筑火災(zāi)，森林火災(zāi)；根據(jù)燃燒空間的不同可分為受限空間火災(zāi)和開(kāi)放空間火災(zāi)。典型的受限空間固體物質(zhì)火災(zāi)點(diǎn)火源的發(fā)展都要經(jīng)歷四個(gè)階段:早期、陰燃、火焰和放熱。圖2-1為火災(zāi)產(chǎn)生的不同階段的生

13、成產(chǎn)物圖7。其中，不可見(jiàn)煙發(fā)生在火災(zāi)早期，可以根據(jù)火災(zāi)產(chǎn)生氣體進(jìn)行探測(cè)；在火災(zāi)的陰燃期出現(xiàn)可見(jiàn)煙霧信號(hào)可用于探測(cè)；起火階段可以根據(jù)火焰進(jìn)行探測(cè)；高溫階段可以利用溫度信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。高溫時(shí)間熄滅溫度起火陰火早期火焰可見(jiàn)煙不可見(jiàn)煙火災(zāi)產(chǎn)物溫度信號(hào)煙霧信號(hào)圖2-1 火災(zāi)煙霧和溫度變化曲線圖2.2 火災(zāi)報(bào)警器的類型（1）感煙火災(zāi)探測(cè) 感煙式火災(zāi)探測(cè)器具有早期報(bào)警的效果，是目前使用最為廣泛的一種探測(cè)器。感煙火災(zāi)探測(cè)器可分為離子型、光電型、電容式和半導(dǎo)體型等幾種。其中又以離子型和光電型火災(zāi)探測(cè)器使用居多。（2）感溫火災(zāi)探測(cè)器物質(zhì)在燃燒過(guò)程中，釋放出大量的熱，使環(huán)境溫度升高，探測(cè)器中的熱敏元件發(fā)生物理變化，從

14、而將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，傳輸給火災(zāi)報(bào)警控制器，發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)。由于可采用敏感元件繁多，如熱敏電阻、熱電偶、雙金屬片、易熔金屬、膜盒式半導(dǎo)體元件等，故而感溫式火災(zāi)探測(cè)器的種類也頗多。根據(jù)感熱效果和結(jié)構(gòu)型式，可將它們分為定溫火災(zāi)探測(cè)器、差溫火災(zāi)探測(cè)器和差定溫復(fù)合火災(zāi)探測(cè)器。定溫火災(zāi)探測(cè)器根據(jù)局部環(huán)境到達(dá)規(guī)定溫度上下時(shí)開(kāi)始動(dòng)作。差溫火災(zāi)探測(cè)器根據(jù)升溫速率來(lái)動(dòng)作，如果升溫速率超過(guò)預(yù)定值時(shí)則發(fā)出報(bào)警信號(hào)。差定溫復(fù)合火災(zāi)探測(cè)器是兼有差溫、定溫兩種功能的感溫火災(zāi)探測(cè)器。（3）感光火災(zāi)探測(cè)器感光火災(zāi)探測(cè)器又稱為火焰探測(cè)器，僅適用于有焰燃燒，只能在起火階段進(jìn)行探測(cè)，不適合于火災(zāi)早期探測(cè)。它是一種響應(yīng)火焰輻射

15、光譜中的紅外和紫外的點(diǎn)型火災(zāi)探測(cè)器，主要有紅外火焰型和紫外火焰型兩種。紅外火焰探測(cè)器的探測(cè)波長(zhǎng)為 7000 微米，紫外火焰探測(cè)器的探測(cè)波長(zhǎng)為 4000微米。由于光輻射的傳播速度快（83 10m /s ），且火焰探測(cè)器的傳感器件接收光輻射的響應(yīng)時(shí)間極短（ms 數(shù)量級(jí)），因而火焰探測(cè)器響應(yīng)速度也極快。它對(duì)于環(huán)境中氣流速度也沒(méi)什么限制，這類探測(cè)器適用于生產(chǎn)、儲(chǔ)存和運(yùn)輸高度易燃物質(zhì)（特別是可燃液體火災(zāi)或爆炸品）的危險(xiǎn)性場(chǎng)所以及昂貴設(shè)備或關(guān)鍵設(shè)施對(duì)火情有特殊監(jiān)測(cè)需要的地方。對(duì)于起火速度快，且無(wú)煙遮蔽的明火火災(zāi)反應(yīng)最為靈敏。其中紫外火焰探測(cè)器不受風(fēng)雨、陽(yáng)光、高濕度、氣壓變化、極限環(huán)境濕度等影響，能在室外使

16、用，但在雷電及電弧光有大量紫外線產(chǎn)生的場(chǎng)所運(yùn)用此設(shè)備時(shí)，必須采取一定措施以防止非火災(zāi)報(bào)警。另外，在產(chǎn)生火光之前就有大量煙霧產(chǎn)生的場(chǎng)合，不宜單獨(dú)采用紫外火焰探測(cè)器，必須與其它感煙探測(cè)器聯(lián)合使用。一般紫外火焰探測(cè)器同快速滅火系統(tǒng)和抑爆系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)8，組成快速自動(dòng)報(bào)警滅火系統(tǒng)和自動(dòng)報(bào)警抑爆系統(tǒng)。（4）圖像火災(zāi)探測(cè) 對(duì)于物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的火焰，除了可以分析它的光譜特征外，還可以對(duì)其火焰形狀進(jìn)行利用，這樣就產(chǎn)生了圖像火災(zāi)探測(cè)器。火焰是高溫物體，而它的周圍環(huán)境則是處于常溫狀態(tài)?；馂?zāi)火焰在發(fā)展的過(guò)程中其形狀有一個(gè)不斷變化和持續(xù)的過(guò)程，而普通火焰，如打火機(jī)點(diǎn)火、蠟燭燃燒、煤氣火焰等，以及高溫發(fā)光源，如白熾燈、電爐等，

17、則沒(méi)有這個(gè)變化過(guò)程。這樣就形成了火災(zāi)識(shí)別和探測(cè)算法的重要基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)已有研究表明利用液晶片和 CCD 攝像機(jī)可對(duì)火災(zāi)圖像進(jìn)行有效的探測(cè)9。（5）氣體火災(zāi)探測(cè)目前氣體火災(zāi)探測(cè)器主要有兩類：可燃?xì)怏w型（主要探測(cè)對(duì)象是還原性氣體）和燃燒氣體產(chǎn)物型（主要探測(cè)對(duì)象是 CO 和 CO2）。 可燃?xì)怏w通常是指城市煤氣、石油液化氣、汽油蒸汽、酒精蒸汽、天然氣以及煤礦瓦斯等易燃易爆、有毒有害的氣體。這些氣體主要含有烷類、烴類、烯類、醇類、氫以及一氧化碳等成分。因此，在生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用這些氣體的過(guò)程中，如果違反操作規(guī)程或設(shè)備密封質(zhì)量不好，都有可能發(fā)生可燃?xì)怏w泄漏現(xiàn)象，進(jìn)而釀成火災(zāi)或爆炸事故。 針對(duì)這些可燃?xì)怏w

18、探測(cè)器主要有半導(dǎo)體型可燃?xì)怏w探測(cè)器、載體催化型可燃?xì)怏w探測(cè)器、固體電介質(zhì)型可燃?xì)怏w探測(cè)器、光電型可燃?xì)怏w探測(cè)器等。火災(zāi)發(fā)生的氣態(tài)燃燒產(chǎn)物主要成分為 H2O、一氧化碳 CO、二氧化碳CO2、碳?xì)浠衔铮–xHy）。一般情況下，CO 和 CO2在空氣中的含量極低。只有在燃燒發(fā)生時(shí)才會(huì)產(chǎn)生大量的 CO 和 CO2。這些氣體比煙霧粒子產(chǎn)生得早，在感煙火災(zāi)探測(cè)器尚未發(fā)出報(bào)警信號(hào)前已達(dá)到相當(dāng)大的濃度。所以，針對(duì)這兩種氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)將會(huì)在很大程度上反映出環(huán)境中有燃燒現(xiàn)象發(fā)生，而且早期報(bào)警的效果比感煙探測(cè)器好。（6）燃燒聲音火災(zāi)探測(cè) 聲音火災(zāi)探測(cè)器利用燃燒所特有的次聲波現(xiàn)象制成的聲音傳感器。物質(zhì)在燃燒過(guò)程中，會(huì)

19、放出大量的熱能，對(duì)周圍空氣進(jìn)行加熱，使得空氣膨脹，形成壓力聲波，其頻率僅有數(shù)赫茲。這種超低頻（次聲波）的聲音現(xiàn)象為物質(zhì)燃燒所共有。且在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，日常雜音很少，所以，可以在很大程度上避免環(huán)境對(duì)探測(cè)器的干擾。2.3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的方法火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)是由火災(zāi)探測(cè)部分和報(bào)警部分組成?；馂?zāi)探測(cè)器通過(guò)對(duì)火災(zāi)發(fā)出的物理、化學(xué)現(xiàn)象氣（燃燒氣體）、煙（煙霧粒子）、熱（溫度）、光（火焰）的探測(cè)，將探測(cè)到的火情信號(hào)轉(zhuǎn)化成火警電信號(hào)傳遞給火災(zāi)報(bào)警控制器。報(bào)警器將接收到火警信號(hào)后經(jīng)分析處理發(fā)出報(bào)警信號(hào)，警示消防控制中心的值班人員，并在屏幕上顯示出火災(zāi)的位置，整體電路的框圖如圖2-2所示 ： 傳感器放 大 器AD轉(zhuǎn)換器

20、單片機(jī)狀態(tài)指示燈聲音報(bào)警溫度顯示按鍵通信接口圖2-2 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的原理圖2.3.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)該火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、聲光報(bào)警模塊組成。單片機(jī)是此報(bào)警系統(tǒng)的核心，其原理是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器（煙感和溫感）將非電信號(hào)變成電信號(hào)，再通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)理（放大、濾波等），使之滿足A/D轉(zhuǎn)換器的要求，最后A/D轉(zhuǎn)換器在將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào) ，在由單片機(jī)判斷現(xiàn)場(chǎng)是否發(fā)生火災(zāi)。如果發(fā)生火災(zāi)，就以聲光進(jìn)行報(bào)警。本文設(shè)計(jì)的用于小型防火單位的單片機(jī)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）能對(duì)室內(nèi)煙霧（CO2，CO） 及溫度突變進(jìn)行報(bào)警，具有聲、光雙重報(bào)警功能。（2）系統(tǒng)故障報(bào)警功能。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)

21、硬件故障時(shí)，能發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)。（3）異常報(bào)警功能。當(dāng)環(huán)境出現(xiàn)異常(如煙霧濃度過(guò)大或是溫度較高)時(shí)，能發(fā)出異常報(bào)警信號(hào)，引起人們注意，盡可能避免火災(zāi)的發(fā)生。（4）火災(zāi)報(bào)警功能。一旦真出現(xiàn)火災(zāi)（煙霧和溫度同時(shí)出現(xiàn)異常）時(shí)，能立即發(fā)出語(yǔ)音、光火災(zāi)警報(bào)9 。據(jù)類似本系統(tǒng)的報(bào)警器現(xiàn)場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)安全可靠，誤報(bào)率低。且由于其體積小、操作維護(hù)方便、成本低廉等，具有廣闊的應(yīng)用前景。2.3.2系統(tǒng)軟件方案Y開(kāi)始初始化 溫度煙霧信號(hào)采集報(bào)警判斷正?；馂?zāi)報(bào)警N圖2-3 程序流程圖為了便于系統(tǒng)維護(hù)和功能擴(kuò)充，采用了模塊化程序設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)各個(gè)模塊的具體功能都是通過(guò)子程序調(diào)用實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集子程

22、序、火災(zāi)判斷與報(bào)警子程序等，系統(tǒng)程序流程圖如圖2-3所示。為了降低誤報(bào)率，系統(tǒng)采用多次采集、多次判斷的方法。每次數(shù)據(jù)采集后根據(jù)得到的數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行判斷，然后綜合多次判斷結(jié)果做出最終的火情判斷。主程序是一個(gè)無(wú)限循環(huán)體，其流程是：首先在上電之后系統(tǒng)的各部分包括單片機(jī)各個(gè)端口輸入輸出的設(shè)置、外圍驅(qū)動(dòng)電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路等完成初始化，其次是對(duì)芯片內(nèi)的程序進(jìn)行初始化，接下來(lái)執(zhí)行火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，數(shù)據(jù)通信任務(wù)和查詢判斷任務(wù)。第3章 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)芯片介紹3.1.1 AD590溫度傳感器 AD590測(cè)量熱力溫度、攝氏溫度、兩點(diǎn)溫度差、多點(diǎn)平均溫度的具體電路，廣泛應(yīng)用于不同的

23、溫度控制場(chǎng)合。由于AD590精度高、價(jià)格低、不需要輔助電源、線性好，常用于測(cè)溫和熱電偶冷端補(bǔ)償10。所以本文選擇AD590溫度傳感器。AD590是美國(guó)Analog Devices公司生產(chǎn)的一種電流型二端溫度傳感器。電路如圖3-1所示。由于AD590 是電流型溫度傳感器，他的輸出同絕對(duì)溫度成正比，即1A/k，而數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片ADC0809 的輸入要求是電壓量，所以在AD590 的負(fù)極接出一個(gè)1k的電阻R和一個(gè)100的可調(diào)電阻W，將電流量變?yōu)殡妷毫克腿階DC0809。通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻，便可在輸出端VT獲得與絕對(duì)溫度成正比的電壓量，即10 mV/K。+5V1000R100WVT10mv/KAD590圖

24、3-1 AD590應(yīng)用電路圖AD590的規(guī)格如下：（1）其輸出電流是以絕對(duì)溫度零度（-273）為基準(zhǔn)，溫度每增加1，它會(huì)增加1輸出電流。（2）可測(cè)量范圍-55到+150。（3）供電電壓范圍+4V到+30V。（4） 精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55+150范圍內(nèi)，非線形誤差0.3。3.1.2 TGS202氣體傳感器火災(zāi)中氣體煙霧主要是CO2 和CO。TGS202氣體傳感器能探測(cè)CO2、CO、甲烷、煤氣等多種氣體，它靈敏度高，穩(wěn)定性好，適合于火災(zāi)中氣體的探測(cè)。如圖3-2所示，當(dāng)TGS202探測(cè)到CO2或者CO時(shí)，傳感器的內(nèi)阻變小，VA迅速上升。選擇適當(dāng)?shù)碾娮?/p>

25、阻值，使得當(dāng)氣體濃度達(dá)到一定程度（如CO濃度達(dá)到0.06%）時(shí)，VA端獲得適當(dāng)?shù)碾妷海ㄔO(shè)為5V）。VAV1V2R圖3-2 TGS202應(yīng)用電路圖3.1.3 ISD420語(yǔ)音芯片圖3-3 ISD1420引腳電源（VCCA，VCCD）：芯片內(nèi)部的模擬和數(shù)字電路使用不同的電源總線，并且分別引到外封裝上，這樣可使噪聲最小。模擬和數(shù)字電源端最好分別走線，盡可能在靠近供電端處相連，而去耦電容應(yīng)盡量靠近芯片。地線（VSSA，VSSD）：芯片內(nèi)部的模擬和數(shù)字電路也使用不同的地線，這兩個(gè)腳最好在引腳焊盤上相連。錄音（/REC）：低電平有效。只要/REC 變低（不管芯片處在節(jié)電狀態(tài)還是正在放音），芯片即開(kāi)始錄音。

26、邊沿觸發(fā)放音（/PLAYE）：此端出現(xiàn)下降沿時(shí)，芯片開(kāi)始放音。電平觸發(fā)放音（/PLAYL）：此端出現(xiàn)下降沿時(shí)，芯片開(kāi)始放音。 錄音指示（/RECLED）：處于錄音狀態(tài)時(shí)，此端為低，可驅(qū)動(dòng) LED。話筒參考（MIC REF）：此端是前置放大器的反向輸入。當(dāng)以差分形式連接話筒時(shí)，可減小噪聲，提高共模抑制比。自動(dòng)增益控制（AGC）：AGC 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)器整前置境益以補(bǔ)償話筒輸入電平的寬幅變化，使得錄制變化很大的音量（從耳語(yǔ)到喧嘩囂聲）時(shí)失真都能保持最小。模擬輸出（ANA OUT）：前置放大器輸出.前置電壓增益取決于AGC 端的電平。模擬輸入（ANA IN）：此端即芯片錄音的輸入信號(hào)。對(duì)話筒輸入來(lái)說(shuō)，AN

27、A OUT 端應(yīng)通過(guò)外接電容連至本端。喇叭輸出（SP+、SP-）：這對(duì)輸出端能驅(qū)動(dòng)16以上的喇叭。單端使用時(shí)必須在輸出端和喇叭間接耦合電容，而雙端輸出既不用電容又能將功率提高4倍。錄音時(shí)，它們都呈高阻態(tài);節(jié)電模式下，它們保持為低電平。外部時(shí)鐘（XCLK）：此端內(nèi)部有下拉元件，不用時(shí)應(yīng)接地。輸入時(shí)鐘的占空比無(wú)關(guān)緊要，因?yàn)閮?nèi)部首先進(jìn)行了分頻。地址（A0A7）：地址端有兩個(gè)作用，取決于最高（MSB）兩位 A7、A6 的狀態(tài)。語(yǔ)音芯片與單片機(jī)的連接，常通過(guò)串行口來(lái)實(shí)現(xiàn)，串行口也可以通過(guò)輔助電路分時(shí)多用。定義好串行口的工作方式（串行口控制寄存器SCON字節(jié)地址為98H，可位尋址），當(dāng)由按鍵輸入或其它需要

28、語(yǔ)音輸出時(shí)，串行口向CPU申請(qǐng)中斷，響應(yīng)中斷后，CPU便可以從串行數(shù)據(jù)中識(shí)別出語(yǔ)音段編號(hào)，輸出語(yǔ)音信號(hào)。發(fā)送結(jié)束，中斷由軟件清零。3.1.4 80C51芯片圖3-4 80C51芯片的引腳圖下面按引腳功能分為4個(gè)部分?jǐn)⑹鰝€(gè)引腳的功能。（1）電源引腳VCC和VSSVCC（40腳）：接+5V電源正端；VSS（20腳）：接+5V電源正端。（2）外接晶振引腳XTAL1和XTAL2XTAL1（19腳）：接外部石英晶體的一端。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成采用外部時(shí)鐘時(shí)，對(duì)于HMOS單片機(jī)，該引腳接地；對(duì)于CHOMS單片機(jī)，該引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端。XTAL2（18腳）：接外

29、部晶體的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部，接至片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸出端。當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí)，對(duì)于HMOS單片機(jī)，該引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端。對(duì)于CHMOS芯片，該引腳懸空不接。（3）控制信號(hào)或與其它電源復(fù)用引腳 控制信號(hào)或與其它電源復(fù)用引腳有RST/VPD、ALE/P、PSEN和EA/VPP等4種形式。 RST/VPD （9腳）：RST即為RESET，VPD為備用電源，所以該引腳為單片機(jī)的上電復(fù)位或掉電保護(hù)端。當(dāng)單片機(jī)振蕩器工作時(shí)，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，就可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，使單片機(jī)復(fù)位到初始狀態(tài)。當(dāng)VCC發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值或掉電時(shí)，該引腳可接上備用電源VPD(+5V)為內(nèi)部

30、RAM供電，以保證RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。ALE/P（30腳）：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（允許地址鎖存信號(hào)）以每機(jī)器周期兩次的信號(hào)輸出，用于鎖存出現(xiàn)在P0口的低PSEN（29腳）：片外程序存儲(chǔ)器讀選通輸出端，低電平有效。當(dāng)從外部程序存儲(chǔ)器讀取指令或常數(shù)期間，每個(gè)機(jī)器周期PESN兩次有效，以通過(guò)數(shù)據(jù)總線口讀回指令或常數(shù)。當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器期間，PESN信號(hào)將不出現(xiàn)。EA/Vpp（31腳）：EA為訪問(wèn)外部程序儲(chǔ)器控制信號(hào)，低電平有效。當(dāng)EA端保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問(wèn)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器4KB（MS52子系列為8KB）。若超出該范圍時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器的程序。當(dāng)EA端保持低電平時(shí)，無(wú)論片內(nèi)有無(wú)

31、程序存儲(chǔ)器，均只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。對(duì)于片內(nèi)含有EPROM的單片機(jī)，在EPROM編程期間，該引腳用于接21V的編程電源Vpp。（4）輸入/輸出（I/O）引腳P0口、P1口、P2口及P3口P0口（39腳22腳）：P0.0P0.7統(tǒng)稱為P0口。當(dāng)不接外部存儲(chǔ)器與不擴(kuò)展I/O接口時(shí)，它可作為準(zhǔn)雙向8位輸入/輸出接口。當(dāng)接有外部程序存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O口時(shí)，P0口為地址/數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用口。它分時(shí)提供8位雙向數(shù)據(jù)總線。對(duì)于片內(nèi)含有EPROM的單片機(jī)，當(dāng)EPROM編程時(shí)，從P0口輸入指令字節(jié)，而當(dāng)檢驗(yàn)程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)。P1口（1腳8腳）：P1.0P1.7統(tǒng)稱為P1口，可作為準(zhǔn)雙向I/O接口使用。對(duì)于MC

32、S52子系列單片機(jī)，P1.0和P1.1還有第2功能：P1.0口用作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)脈沖輸入端T2；P1.1用作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部控制端T2EX。對(duì)于EPROM編程和進(jìn)行程序校驗(yàn)時(shí)，P0口接收輸入的低8位地址。P2口（21腳28腳）：P2.0P2.7統(tǒng)稱為P2口，一般可作為準(zhǔn)雙向I/O接口。當(dāng)接有外部程序存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O接口且尋址范圍超過(guò)256個(gè)字節(jié)時(shí)，P2口用于高8位地址總線送出高8位地址。對(duì)于EPROM編程和進(jìn)行程序校驗(yàn)時(shí)，P2口接收輸入的8位地址。P3口（10腳17腳）：P3.0P3.7統(tǒng)稱為P3口。它為雙功能口，可以作為一般的準(zhǔn)雙向I/O接口，也可以將每1位用于第2功能，而且

33、P3口的每一條引腳均可獨(dú)立定義為第1功能的輸入輸出或第2功能。P3口的第2功能見(jiàn)下表表1 單片機(jī)P3.0管腳含義引腳第2功能P3.0RXD（串行口輸入端0）P3.1TXD（串行口輸出端）P3.2TXD（串行口輸出端）P3.3INT1（中斷1請(qǐng)求輸入端，低電平有效）P3.4T0（時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)脈沖端）P3.5T1（時(shí)器/計(jì)數(shù)器1數(shù)脈沖端）P3.6WR（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通信號(hào)輸出端，低電平有效）P3.7RD（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端，低電平有效）綜上所述，MCS51系列單片機(jī)的引腳作用可歸納為以下兩點(diǎn)：（1）980單片機(jī)功能多，引腳數(shù)少，因而許多引腳具有第2功能；（2）單片機(jī)對(duì)外呈3總線形式，

34、由P2、P0口組成16位地址總線；由P0口時(shí)復(fù)用作為數(shù)據(jù)總線。3.1.5 A/D轉(zhuǎn)換芯片在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，控制或測(cè)量對(duì)象的有關(guān)變量，往往是一些連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、流量、位移、速度等物理量。但是大多數(shù)單片機(jī)本身只能識(shí)別和處理數(shù)字量，因此必須經(jīng)過(guò)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換(A/D轉(zhuǎn)換)，才能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)對(duì)被控對(duì)象的識(shí)別和處理。完成A/D轉(zhuǎn)換的器件即為A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)有：（1）分辨率分辨率表示A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率以輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示；（2）轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間指A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來(lái)開(kāi)始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間

35、。不同類型的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度相差甚遠(yuǎn)；（3）轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別，常用最低有效位的倍數(shù)表示；（4）線性度線性度指實(shí)際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移。目前有很多類型的A/D轉(zhuǎn)換芯片，它們?cè)谵D(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換精度、分辨率以及使用價(jià)值上都各具特色，綜合全部因素設(shè)計(jì)決定采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開(kāi)關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片。如圖3-5。圖3-5 ADC0809引腳

36、圖ADC0809的引腳功能： D7-D0：8位數(shù)字量輸出引腳。 IN0-IN7：8位模擬量輸入引腳。 VCC ：+5V工作電壓。 GND ：地。REF（+）：參考電壓正端。REF（-）：參考電壓負(fù)端。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端。ALE：地址鎖存允許信號(hào)輸入端。EOC：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出。當(dāng)啟動(dòng)裝換時(shí)，該引腳為低電平，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，該引腳輸出 高電平。OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，如果從該引腳輸入高電平，則打開(kāi)輸出三態(tài)門，輸出鎖存器的數(shù)據(jù)從D0D7送出。ADC0809主要性能指標(biāo)：（1）分辨率為8位。（2）最大不可調(diào)誤差：ADC0809為1LSB。

37、（3）單電源+5v供電，基準(zhǔn)電壓由外部提供，典型值為+5v，此時(shí)允許輸入模擬電壓為0-5V。（4）具有鎖存控制的8路模擬選通開(kāi)關(guān)。（5）可鎖存三態(tài)輸出，輸出電平與TTL電平兼容。（6）轉(zhuǎn)換速度取于決芯片的時(shí)鐘頻率。當(dāng)時(shí)鐘頻率500KHz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為128s。3.1.6數(shù)碼顯示電路ICM7218 是INTERSIL公司生產(chǎn)的一種性能價(jià)格比較高的通用8位LED 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路，28 腳雙列封裝，是一種多功能LED 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片，可與多種單片機(jī)接口使用。ICM7218 的輸出可直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器，不需外接驅(qū)動(dòng)電路，工作電壓為+5V，其構(gòu)成的顯示電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。同樣由單片機(jī)向ICM721

38、8寫控制字及數(shù)據(jù)，編程部分像給外部RAM寫數(shù)據(jù)一樣簡(jiǎn)單。當(dāng)單片機(jī)寫入模式控制字后，ICM7218以約定的方式接收顯示數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)寫入靜態(tài)顯示RAM中。數(shù)據(jù)接收結(jié)束，ICM7218在掃描控制電路的控制下，按設(shè)定的譯碼模式，以動(dòng)態(tài)掃描顯示方式向段顯示驅(qū)動(dòng)器和位控驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制信號(hào)，直到下一個(gè)控制字寫入前，不停地進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示工作。3.2 單片機(jī)外圍接口電3.2.1 晶振電路晶振是晶體振蕩器的簡(jiǎn)稱，在電氣上它可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)在串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，晶振電路為單片機(jī)工作提供時(shí)鐘信號(hào)，這個(gè)信號(hào)就是單片機(jī)的工作速度，芯片中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTAL1和XTAL

39、2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英體或陶瓷諧振蕩器一起構(gòu)成自激振蕩器。電路中的外接是應(yīng)盡及兩個(gè)電容接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路，系統(tǒng)的晶振電路如圖3-7所示。由于外接電容的容量大小會(huì)輕微影響振蕩率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，電容量的大小范圍為30PF10PF；如果使用陶瓷諧振，則電容容量大小范圍40PF10PF。本文使用的石英晶體，電容的容值設(shè)定為30PF。3.2.2 復(fù)位電路復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)。為可靠起見(jiàn)，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信

40、號(hào)，以防電源開(kāi)關(guān)或電源插頭分合過(guò)程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)都需要復(fù)位，以使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開(kāi)始工作。80C51的復(fù)位信號(hào)是從REST引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，且振蕩器穩(wěn)定后，如果REST引腳上有一個(gè)高電平并維持2個(gè)機(jī)器周期(24個(gè)振蕩周期)以上，則CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位方式有：手動(dòng)按鈕復(fù)位和上電復(fù)位，本設(shè)計(jì)采用的是手動(dòng)按鈕復(fù)位。手動(dòng)按鈕復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端REST上加入高電平，采用的辦法是在REST端和正電源VCC之間接一個(gè)按鈕。當(dāng)人為按下按鈕時(shí)，則VCC的+5V電平就會(huì)直接加到REST

41、端，系統(tǒng)復(fù)位。由于人的動(dòng)作再快也會(huì)使按鈕保持接通達(dá)數(shù)十毫秒，所以，設(shè)計(jì)完全能夠滿足復(fù)位的時(shí)間要求。復(fù)位電路中SW-PB為手動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)，電容C1可避免高頻諧波對(duì)電路的干擾。復(fù)位電路如圖3-6。圖3-6 80C51晶振和復(fù)位電路原理圖3.2.3 信號(hào)處理電路傳感器輸出信號(hào)一般比較微弱，需要經(jīng)過(guò)前置電路對(duì)其進(jìn)行放大、濾波、電平調(diào)整，滿足單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的要求。本系統(tǒng)采用的半導(dǎo)體煙霧傳感器屬于電阻型，因此只需要串聯(lián)一個(gè)參考電阻，在經(jīng)過(guò)一個(gè)放大電路即可發(fā)送給ADC采集。由于系統(tǒng)采用的是單極性供電，所以采用同向比例放大電路，可以減少硬件的開(kāi)銷；反之，如果擦藥反向放大，則一般需要利用雙極性供電，這就是需要系

42、統(tǒng)額外的利用變壓芯片產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓，這顯然會(huì)釀成浪費(fèi)。常見(jiàn)的運(yùn)算放大器中，LM324價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)比較突出，所以本設(shè)計(jì)中的前置放大電路采用LM324作為電路的運(yùn)算放大器。LM324是單片機(jī)高增益四運(yùn)算放大器，可在較寬電壓范圍的單電源或雙電源下工作，其電源電流很小且與電源電壓無(wú)關(guān)，四個(gè)運(yùn)放一致性好；其輸入流電阻式文檔補(bǔ)償?shù)?，也不需要外接頻率補(bǔ)償，可做到輸出電平與數(shù)字電路的兼容。下面介紹運(yùn)算放大電路：從傳感器的上端出來(lái)的信號(hào)Vi經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器的同向輸入端，但是為保證引入的是負(fù)反饋，輸出電壓Vo通過(guò)電阻R4接到反相輸入端，同時(shí)，反相輸入端通過(guò)電阻R3接到參考電壓Vref。同相比例運(yùn)算電路中反

43、饋的組態(tài)為電壓串聯(lián)負(fù)反饋，同樣可以利用理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的兩個(gè)特點(diǎn)來(lái)分析其電壓放大倍數(shù)。根據(jù)放大的“虛段”和“虛斷”的特點(diǎn)可知，i-=i+=0，所以V-=Vo*R3/R3+Vref*R4/R3+R4 (3-1)而且V-=V+=ViVo=Vi*（R3+R4）/R3 (3-2)由以上兩式可求出Vo=Vref+R4/R3 (3-3)所以本放大電路的放大倍數(shù)A=1+R4/R3，此放大電路為同相比例放大電路，它的放大倍數(shù)總是大于或等于1。同相比例運(yùn)算電路有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）同相比例運(yùn)算放大電路時(shí)一個(gè)深度的電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。因?yàn)樵凇疤摰亍爆F(xiàn)象，所以其輸入端有較高的共模輸入 電壓。（2）電壓放大倍數(shù)

44、A=1+R4/R3，即輸出電壓與輸入電壓的幅值成正比且相位相同，所以此電路實(shí)現(xiàn)了同相比例放大。如果不接R4R3，則此電路就成了“電壓更隨器”，它可以減少電路模塊間由于阻抗引起額干擾。（3）由于引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，因此電路的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低。高輸入阻抗就可以減少放大電路對(duì)前端電路的影響，同時(shí)低輸出阻抗也可以提高自身的抗干擾性，這顯然有利于電路中其他模塊的設(shè)計(jì)。此放大電路導(dǎo)致的零點(diǎn)電壓，引入了零點(diǎn)調(diào)節(jié)功能，這樣可以更方便的調(diào)整由于不同的傳感器導(dǎo)致的零點(diǎn)變化問(wèn)題。它利用滑動(dòng)變阻器產(chǎn)生了一個(gè)參考電壓Vref，再利用電壓跟隨器把電壓輸入到運(yùn)算放大電路的參考端。所以調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，就可以直

45、接改變放大電路的參考電壓。如圖3-7所示：圖3-7 信號(hào)處理電路3.2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路經(jīng)過(guò)傳感器檢測(cè)的電信號(hào)為模擬信號(hào)，無(wú)法直接被單片機(jī)所識(shí)別，所以在經(jīng)過(guò)放大電路后對(duì)信號(hào)經(jīng)行A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)。本設(shè)計(jì)中的A/D使用的是通用8位芯片ADC0809，煙霧、溫度傳感器的輸出端經(jīng)過(guò)放大電路后分別接到ADC0809的IN0和IN1。 ADC0809的通道選擇地址由80C51的P0.0P0.2經(jīng)地址鎖存器74LS373輸出提供。當(dāng)P2.7=0時(shí)，與寫信號(hào)WR共同選通ADC0809。其中ALE信號(hào)與START信號(hào)連在一起，在WR信號(hào)的前沿寫入地址信號(hào)，在其后沿啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。圖中AD

46、C0809轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號(hào)EOC接到80051的INT0引腳，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完成后，EOC變成高電平，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，產(chǎn)生中斷。在中斷服務(wù)程序中，將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)送到指定的存儲(chǔ)單元。由于ADC0809片內(nèi)無(wú)時(shí)鐘，故利用8051提供的地址鎖存使信號(hào)ALE經(jīng)D觸發(fā)器二分頻獲得時(shí)鐘。因?yàn)锳LE信號(hào)的頻率為2MHz，經(jīng)二分頻后為1MHz，與ADC0809的典型值吻合。如圖3-8所示。 圖3-8 A/D轉(zhuǎn)換電路3.2.5 報(bào)警電路3.2.6 語(yǔ)音報(bào)警電路 圖 3-9 語(yǔ)音報(bào)警電路AD轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)傳輸給P0口，讀取P0口的內(nèi)容跟設(shè)定的值進(jìn)行判定，如果大于設(shè)定值，P2.1輸出低電平，控制語(yǔ)音芯片ISD14

47、20的發(fā)出火災(zāi)語(yǔ)音報(bào)警. 如果小于于設(shè)定值，P2.1輸出高電平，說(shuō)明正常，沒(méi)有火災(zāi)發(fā)生。3.2.7 狀態(tài)指示燈電路圖 3-10 狀態(tài)指示燈AD轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)傳輸給P0口，讀取P0口的內(nèi)容跟設(shè)定的值進(jìn)行判定，如果大于設(shè)定值，P2.3、P2.4輸出高電平，P2.2輸出低電平，控制黃色發(fā)光二級(jí)管的發(fā)光，說(shuō)明發(fā)生火災(zāi)。如果小于設(shè)定值，P2.2、P2.3輸出高電平，P2.4輸出低電平，控制綠色發(fā)光二級(jí)管的發(fā)光，說(shuō)明正常，沒(méi)有火災(zāi)發(fā)生。如果出現(xiàn)異常情況，P2.2、P2.4輸出高電平，P2.3輸出低電平，控制紅色發(fā)光二級(jí)管的發(fā)光。3.2.8 數(shù)碼管顯示電路數(shù)據(jù)采集進(jìn)來(lái)并被成功地由模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后，

48、就被傳送到系統(tǒng)的顯示模塊，讓人們更直接地觀察到相關(guān)數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)中，對(duì)LED進(jìn)行的是動(dòng)態(tài)掃描，除了給顯示器提供段的輸入之外，還要對(duì)顯示器進(jìn)行位控制。本系統(tǒng)顯示用的4位七段數(shù)碼管由數(shù)碼管專用驅(qū)動(dòng)芯片ICM7218A驅(qū)動(dòng)，分別接數(shù)碼管的a、b、c、d、e、f、g，DIGIT1、DIGIT2、 DIGIT3、 DIGIT4為位選，分別控制4位數(shù)碼管的亮滅，ID0-7為數(shù)據(jù)線，接單片機(jī)P1口。WRITE、MODE是寫控制位和模式控制位，分別接單片機(jī)P3.6、P2.5。如上圖3-11所示。圖3-11 數(shù)碼管顯示電路第4章 火災(zāi)報(bào)警器的軟件設(shè)計(jì)4.1 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境本次系統(tǒng)采用的是C語(yǔ)言。因?yàn)镃語(yǔ)言的描述由

49、函數(shù)組成，是一種結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，所以更容易實(shí)現(xiàn)模塊化，而且具有可讀性好，易于移植等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還有匯編語(yǔ)言一樣的位操作功能的硬件詳細(xì)控制指令11。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面，可以使用結(jié)構(gòu)體和數(shù)組，能夠處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)，可用于實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。本系統(tǒng)的軟件編程使用的是美國(guó)Keil Software公司出品的Keil C51，是51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。 Keil C51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)更能 體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。C51工具包的整體結(jié)

50、構(gòu)中，Vision與Ishell分別是C51 for Windows和C51for Dos的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個(gè)開(kāi)發(fā)流程。開(kāi)發(fā)人員可用IDE本身或其它編輯器編輯C或匯編源文件。然后分別由C51及A51編譯器編譯生成目標(biāo)文件(.OBJ)。目標(biāo)文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫(kù)文件，也可以與庫(kù)文件一起經(jīng)C51連接定位生成絕對(duì)目標(biāo)文件(ABS)。ABS文件由OH51轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的Hex文件，以供調(diào)試器dScope51或tScope51使用進(jìn)行源代碼級(jí)調(diào)試，也可由仿真軟件Proteus使用直接對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如EPROM中。4.3 主程序

51、流程火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)控制器上采用80C51作為主控芯片，其主要功能包括：控制IO端口、邏輯判斷處理、驅(qū)動(dòng)外部電路、語(yǔ)音報(bào)警和A/D采樣等，該部分是火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)智能化的集中體現(xiàn)。為了便于系統(tǒng)維護(hù)，在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中采用了模塊化程序設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)各個(gè)模塊的具體功能都是通過(guò)子程序調(diào)用實(shí)現(xiàn)的。既使得程序結(jié)構(gòu)清晰，又便于以后進(jìn)一步擴(kuò)展其功能。本系統(tǒng)主要包括主程序、溫度煙霧數(shù)據(jù)采集子程序、火災(zāi)判斷與報(bào)警子程序等。主程序是一個(gè)無(wú)限循環(huán)體，其流程是：首先在上電之后系統(tǒng)的各部分包括單片機(jī)輸出輸入端口的設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、外圍驅(qū)動(dòng)電路等完成初始化，接下來(lái)執(zhí)行火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集程序、火災(zāi)判斷、報(bào)警程序。系統(tǒng)

52、初始化后，80C51的P2.4為低電平，P2.2、P2.3為高電平，所以只有綠燈亮，紅燈、黃燈不亮，蜂鳴器不報(bào)警。4.2 主程序初始化流程圖主程序初始化流程圖如圖4-2所示。這部分實(shí)現(xiàn)的功能包括各種I/O輸入輸出狀態(tài)的設(shè)定、寄存器初始化、中斷使能等。首先設(shè)定定時(shí)器工作方式，然后開(kāi)系統(tǒng)中斷，以便響應(yīng)中斷定時(shí)，及時(shí)對(duì)氣體濃度和溫度進(jìn)行采樣。然后關(guān)閉蜂鳴器，開(kāi)啟綠燈，設(shè)置報(bào)警限初值。NY定時(shí)器初始化開(kāi)中斷關(guān)閉蜂鳴器打開(kāi)綠燈是否報(bào)警設(shè)定初值開(kāi)始返回圖4-2 主程序初始化流程圖4.3 數(shù)據(jù)采集子程序數(shù)據(jù)采集是火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。為了降低誤報(bào)率，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)溫度煙霧采用了兩次采集、兩次判斷的方法。每

53、次采集溫度煙霧數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)存入單片機(jī)的寄存器，然后在火災(zāi)判斷程序中，將采集的數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，判斷現(xiàn)場(chǎng)是否發(fā)生火災(zāi)。具體流程是：系統(tǒng)和程序初始化后，驅(qū)動(dòng)ADC0809的IN0對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)接受轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)，存入寄存器，由INT0中斷服務(wù)程序完成；系統(tǒng)延時(shí)10ms，驅(qū)動(dòng)ADC0809的IN1對(duì)煙霧信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后存入寄存器。系統(tǒng)延時(shí)50ms，進(jìn)行第二次溫度煙霧信號(hào)采集，將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)存入寄存器中。單片機(jī)每次驅(qū)動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換后等待外部中斷，當(dāng)ADC0809的EOC端變?yōu)?時(shí)，說(shuō)明A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，再通過(guò)中斷服務(wù)程序讀取轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。由于設(shè)計(jì)采用的是模塊化

54、設(shè)計(jì)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能是通過(guò)調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)的。在數(shù)據(jù)采集子程序中，一次溫度煙霧信號(hào)采集延時(shí)10ms，是讓ADC0809準(zhǔn)備好進(jìn)行下一次信號(hào)轉(zhuǎn)換。當(dāng)系統(tǒng)采集2次溫度煙霧信號(hào)后，轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)存入單片機(jī)的寄存器中，系統(tǒng)再調(diào)用火災(zāi)判斷子程序。系統(tǒng)溫度煙霧信號(hào)采集程序流程圖如圖4-3所示：檢查EOC OE賦值1第二次采集完檢查EOC OE賦值1采集溫度信號(hào)接受溫度數(shù)據(jù)延時(shí)200ms采集煙霧信號(hào)接受煙霧數(shù)據(jù)圖4-2 數(shù)據(jù)采集流程開(kāi)始返回在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)中使用了延時(shí)程序，延時(shí)的程序如下：void delayMS(uchar ms)uchar a;while(ms-)for(a=0;a120;a-

55、);4.4 火災(zāi)判斷與報(bào)警程序4.4.1 火災(zāi)報(bào)警數(shù)據(jù)處理方法固定門限檢測(cè)法是使用最早，且應(yīng)用最廣泛的火災(zāi)探測(cè)方法，優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算量小且易于實(shí)現(xiàn)，其原理是根據(jù)火災(zāi)探測(cè)器的信號(hào)幅值作為火災(zāi)報(bào)警的依據(jù)，并與固定的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)信號(hào)幅值超過(guò)報(bào)警閾值時(shí)，則發(fā)出報(bào)警，否則解除報(bào)警12。 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中使用的是溫度傳感器AD590和煙霧傳感器TGS202，煙霧傳感器輸出電壓v與煙霧濃度p關(guān)系為：v=-0.3p+5.6，溫度傳感器使用的靈敏度是0.12 V/。在本設(shè)計(jì)中報(bào)警溫度設(shè)為57，煙霧報(bào)警濃度設(shè)為3.2英尺（參照市面銷售的火災(zāi)報(bào)警器溫度煙霧的報(bào)警臨界值）。經(jīng)過(guò)換算可得出溫度煙霧傳感器輸出火災(zāi)報(bào)警臨界電壓值為：，V溫度 =17V4.4.2 火災(zāi)判斷與報(bào)