基于單片機(jī)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)

精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)專心---專注---專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的工作原理2.1系統(tǒng)總體功能概述。整體電路的框圖如圖2-1所示：圖2-1系統(tǒng)原理及組成框圖傳感器圖2-1系統(tǒng)原理及組成框圖傳感器放大電路A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)狀態(tài)指示燈聲音報(bào)警濃度顯示按鍵串口通信第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1核心芯片選擇1.芯片AT89S52在火災(zāi)報(bào)警器的設(shè)計(jì)中，單片機(jī)是其核心部件。它一方面要接收來(lái)自傳感器送來(lái)的溫度、煙霧對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)和故障檢測(cè)信號(hào)，另一方面要對(duì)這兩種信號(hào)分別進(jìn)行處理，以控制后續(xù)電路進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作；與此同時(shí)查詢是否有鍵按下的請(qǐng)求。在單片機(jī)完成這些工作的過(guò)程中，尤其是信號(hào)處理中，比較濃度值后送入顯示的軟件實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，要求單片機(jī)具備較快的運(yùn)算速度，使檢測(cè)人員能夠較準(zhǔn)確地觀測(cè)到煙霧濃度，并根據(jù)情況進(jìn)行相應(yīng)的處理。并且也要考慮選擇低價(jià)實(shí)用的機(jī)型，并為研制同一系列的低功耗產(chǎn)品做準(zhǔn)備。根據(jù)多方面的比較，本設(shè)計(jì)選用ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)作為控制器。AT89S52是一個(gè)低功耗、高性能的CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kBytes(In-systemprogrammable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)。芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)AT89S52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。AT89S52片內(nèi)集成256字節(jié)程序運(yùn)行空間、8K字節(jié)Flash存儲(chǔ)空間，支持最大64K外部存儲(chǔ)擴(kuò)展。根據(jù)不同的運(yùn)行速度和功耗的要求，時(shí)鐘頻率可以設(shè)置在0-33M之間。片內(nèi)資源有4組I/O控制端口、3個(gè)定時(shí)器、8個(gè)中斷、軟件設(shè)置低能耗模式、看門狗和斷電保護(hù)?？梢栽?V到5.5V寬電壓范圍內(nèi)正常工作。不斷發(fā)展的半導(dǎo)體工藝也讓該單片機(jī)的功耗不斷降低。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的具體情況，采用雙列直插DIP-40封裝。AT89S52的引腳圖如圖3-1所示：圖3-1DIP-40封裝AT89S52引腳圖2、集成溫度傳感器AD590圖3-2AD590應(yīng)用電路圖3-2AD590應(yīng)用電路 AD590是美國(guó)AnalogDevices公司生產(chǎn)的一種電流型二端傳感器，電路如圖所示。由于AD590是電流型溫度傳感器，它的輸出同絕對(duì)溫度成正比，及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)10千歐的電阻R1和一個(gè)100歐的可調(diào)電阻W，將電流量變?yōu)殡妷毫克腿階DC080。通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻便可在輸出端V獲得與絕對(duì)溫度成正比的電壓量，即10mV∕K,溫度0℃時(shí)輸出為0，溫度25℃時(shí)輸出為2.982V。這樣便于A/D轉(zhuǎn)換器采集數(shù)據(jù)。AD590的應(yīng)用電路如圖3-2所示。3、氣體傳感器TGS-202圖3-3TGS202檢測(cè)電路圖3-3TGS202檢測(cè)電路火災(zāi)中氣體煙霧主要是CO和CO，TGS202氣體傳感器能探測(cè)CO，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)。如上圖所示，當(dāng)TGS202探測(cè)到CO或CO時(shí)，傳感器的內(nèi)阻變小，V迅速上升。選擇適當(dāng)?shù)碾娮枳柚?，使得?dāng)氣體濃度達(dá)到一定程度（如CO濃度達(dá)到0.06﹪）時(shí)，V端獲得適當(dāng)?shù)碾妷海ㄔO(shè)為3V）。電路圖如圖3-3所示。4、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片ICM7218ICM7218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ICM7218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。其引腳圖和內(nèi)部框圖如圖3-4所示。圖3-4ICM7218引腳圖及內(nèi)部框圖圖3-4ICM7218引腳圖及內(nèi)部框圖3.2單片機(jī)外圍接口電路AT89S52單片機(jī)外圍接口電路如圖3-5所示，主要包括：1.晶振電路：內(nèi)部時(shí)鐘電路的晶振頻率一般選擇在4MHZ~12MHZ之間（該設(shè)計(jì)選用6MHZ），外接兩個(gè)諧振電容。該電容的典型值為30pF,該設(shè)計(jì)選用33pF。2.復(fù)位電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)復(fù)位采用按鍵高電平復(fù)位，而單片機(jī)在平時(shí)則復(fù)位端為低電平0.3.直流電源圖3-5單片機(jī)外圍接口電路圖3-5單片機(jī)外圍接口電路3.3信號(hào)處理電路圖3-6信號(hào)處理電路圖3-6信號(hào)處理電路對(duì)于傳感器輸出的模擬信號(hào)，一般要用運(yùn)算放大器對(duì)其進(jìn)行調(diào)理或放大，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入模擬量幅值及極性的要求。在本報(bào)警器電路中，同樣要對(duì)兩類傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)理。電路圖如上圖3-6所示，運(yùn)算放大器接成電壓放大電路。從傳感器采集過(guò)來(lái)的微弱電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)電壓放大器的放大，得到較強(qiáng)的模擬電壓信號(hào)。采樣時(shí)，把相應(yīng)的模擬電壓信號(hào)從Vi端送進(jìn)LM324A進(jìn)行放大處理后，從Vo端輸出送入A/D轉(zhuǎn)換電路。3.4A/D轉(zhuǎn)換模塊經(jīng)氣敏傳感器所檢測(cè)的電壓信號(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)進(jìn)行A/D裝換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)。A/D轉(zhuǎn)換電路采用了常用的8位8通道數(shù)模轉(zhuǎn)換常用芯片ADC0809，煙霧、溫度傳感器的輸出端分別接到ADC0809的IN0和IN1。ADC0809的通道選擇地址由AT89S52的P0.0～P0.2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ST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ADC0809轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號(hào)EOC接到AT89S52的INT1引腳，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完成后，EOC變?yōu)楦唠娖剑硎巨D(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提供的地址鎖存使能信號(hào)ALE經(jīng)D觸發(fā)器二分頻后獲得時(shí)鐘。因?yàn)锳LE信號(hào)的頻率是單片機(jī)時(shí)鐘頻率的1/6，如果時(shí)鐘頻率為6MHZ，則ALE信號(hào)的頻率為1MHZ，經(jīng)二分頻后為500KHZ，與ADC0809的典型值吻合。電路圖如圖3-7所示。3.5聲音報(bào)警電路由AT89S52的21腳實(shí)現(xiàn)聲音報(bào)警控制。當(dāng)可燃性氣體濃度或溫度超過(guò)限定值時(shí)，將P2.0置為低電平，三極管導(dǎo)通，揚(yáng)聲器發(fā)出鳴叫報(bào)警。其電路原理圖如圖3-8所示。圖3-8聲音報(bào)警電路圖3.6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，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。顯示器的第一位顯示所選擇的通道號(hào)，而后三位則顯示該通道傳送進(jìn)來(lái)的相應(yīng)的數(shù)字量。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)，27、3、1、25、2、24、26腳分別接數(shù)碼管的a、b、c、d、e、f、g，15、16、23、20腳為位選，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)P0口，WRITE、MODE是寫控制位和模式控制位，分別接單片機(jī)P3.6、P2.6。其電路圖如圖3-9所示。圖3-9數(shù)碼管顯示電路圖圖3-9數(shù)碼管顯示電路圖3.7狀態(tài)指示燈及控制鍵電路圖3-11控制按鍵連接示意圖狀態(tài)指示燈及控制鍵電路如圖3-10、3-11所示，單片機(jī)AT89S52的P2.2、P2.3、P2.4控制輸出的狀態(tài)指示燈。綠燈亮表示正常狀態(tài)，環(huán)境中沒有火災(zāi)危險(xiǎn)。黃燈亮表示傳感器加熱絲發(fā)生斷線或者接觸不良。紅燈亮表示環(huán)境中煙霧濃度、溫度超過(guò)報(bào)警限值，提醒用戶盡快采取相應(yīng)措施?？刂奇I電路采用獨(dú)立式按鍵設(shè)計(jì)。4個(gè)按鍵分別接到片。P1.0、P1.1、P1.2和RST，對(duì)于這種鍵各程序可以采用中斷查詢的方法，功能就是：檢測(cè)是否有鍵閉合，如有鍵閉合，則去除鍵抖動(dòng)，判斷鍵號(hào)并轉(zhuǎn)入相應(yīng)的鍵處理。4個(gè)鍵定義如下：P2.1：S1功能轉(zhuǎn)換鍵，按此鍵則開始鍵盤控制。P2.5：S2加，按此鍵則溫度設(shè)定值加一度或煙霧濃度增加0.01％。P2.6：S3減，按此鍵則溫度設(shè)定減少一度或煙霧濃度減少0.01％。RST：S4復(fù)位鍵，使系統(tǒng)復(fù)位。3.8報(bào)警器故障自診斷判斷傳感器電源連接情況。在傳感器的地端串聯(lián)一個(gè)電阻R，當(dāng)傳感器正常連接時(shí)，電阻和傳感器分壓，此時(shí)電阻兩端有微弱的電壓，單片機(jī)可以通過(guò)P2.1口檢測(cè)到：如果如果傳感器電源連接不正常，則會(huì)產(chǎn)生斷路，檢測(cè)到電阻兩端電壓為0。第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1主程序流程圖主程序流程圖如圖4-1所示：Y開始初始化Y開始初始化傳感器預(yù)熱、故障檢測(cè)鍵盤處理報(bào)警限設(shè)置報(bào)警子程序平均值法濾波線性化處理設(shè)置指示燈狀態(tài)YN是否按下模式切換A/D轉(zhuǎn)換N是否超過(guò)報(bào)警限濃度顯示圖4-1主程序流程圖首先要給傳感器預(yù)熱三分鐘，因?yàn)閭鞲衅餍枰A(yù)熱一段時(shí)間才能正常采集煙霧和溫度信息。預(yù)熱同時(shí)，對(duì)傳感器加熱絲故障檢測(cè)，采用軟件方式檢測(cè)傳感器加熱絲或電纜線是否斷線或者接觸不良。程序初始化結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。AT89S52單片機(jī)對(duì)傳感器檢測(cè)到的煙霧濃度和溫度信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、平均值法濾波、線性化處理后，將檢測(cè)值與報(bào)警限設(shè)定值相比較，判斷是否報(bào)警。同時(shí)送入顯示器顯示通道及相應(yīng)的數(shù)字量。主程序還包括狀態(tài)指示燈及按鍵功能，中斷子程序等，使報(bào)警器功能更加完善，給用戶帶來(lái)便利。4.2主程序初始化流程圖主程序初始化流程圖如圖3-2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，開啟綠燈，設(shè)置報(bào)警限初值。開始開始定時(shí)器初始化開中斷關(guān)閉蜂鳴器，打開綠燈設(shè)定初值YN是否保持報(bào)警初值返回圖4-2主程序初始化流程圖4.3濾波子程序在對(duì)氣體濃度采樣時(shí)，可能會(huì)遇到尖脈沖干擾的現(xiàn)象。干擾通常只影響個(gè)別采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)與其他采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)相差比較大。如果采用一般的平均值法，則干擾將“平均”到計(jì)算結(jié)果上去，故平均值法不易消除由于脈沖干擾而引起的煙霧濃度采樣值的偏差。為此，可采取去極值平均濾波法，先對(duì)N個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，去掉其中的最大值和最小值，然后計(jì)算余下的N–2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。這種方法既可濾去脈沖干擾又可濾去小的隨機(jī)干擾。保證報(bào)警器檢測(cè)煙霧濃度的準(zhǔn)確性，減小誤報(bào)、錯(cuò)報(bào)的可能。開始開始設(shè)定采樣次數(shù)調(diào)用A/D采樣求第二個(gè)到第九個(gè)采樣值的累加和將累加和求平均值送入寄存器NY已達(dá)到設(shè)定次數(shù)將采樣值排序圖4-4濾波子程序流程圖4.4線性化子程序本論文報(bào)警器使用的TGS-202型傳感器的電阻是隨著可燃?xì)怏w濃度值的升高而降低的，因此輸入單片機(jī)的電壓也是隨之降低的。電壓值與氣體濃度之間是非線性的關(guān)系，為了實(shí)時(shí)顯示煙霧濃度需要對(duì)其進(jìn)行線性化處理。在誤差許可范圍內(nèi)，根據(jù)標(biāo)定曲線形狀，以及單片機(jī)處理能力，把曲線分成若干小段，對(duì)每小段分別線性化根據(jù)分段線性插值法求輸入單片機(jī)的某一電壓值對(duì)應(yīng)的煙霧濃度的公式如下：式中，N為所分區(qū)間個(gè)數(shù)，f(x)為實(shí)際煙霧檢測(cè)濃度，x為實(shí)際氣體檢測(cè)濃度對(duì)應(yīng)的電壓值，xi是區(qū)間的下限濃度對(duì)應(yīng)電壓值，xi+1是區(qū)間的上限濃度對(duì)應(yīng)電壓值，f(xi)為區(qū)間下限煙霧濃度值，f(xi+1)為區(qū)間上限煙霧濃度值。分段插值法線性化程序流程圖如圖4-5所示：圖4-5線性化子程序圖4-5線性化子程序4.5報(bào)警子程序報(bào)警子