毕业设计（论文）基于单片机的火灾报警器设计.doc

目 录1 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2 国内外的研究现状21.3 本文内容的结构安排32 火灾报警系统整体方案设计52.1火灾产生原理及过程52.2系统总体方案设计62.2.1 系统硬件总体构架62.2.2 系统软件总体构架72.3系统主要器件的选择82.3.1 火灾探测器的选择82.3.2 单片机及A/D转换芯片的选择123 火灾自动报警系统硬件设计143.1 前段信号调理电路143.2 复位电路与晶振电路163.2.1晶振电路163.2.2 复位电路163.4 数据采集电路184 火灾报警系统程序设计214.1软件开发环境214.2火灾报警系统程序设计214.2.1数据采集程序224.2.2火灾判断与报警程序245 总结265.1 总结265.2 展望26附录1 系统程序28附录2 系统原理图31参考文献32致谢341 绪论1.1 课题研究的背景和意义在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。火灾是世界上发生频率较高的一种灾害，几乎每天都有火灾发生。据联合国“世界火灾统计中心(WFSC)2000统计资料”，全球每年大约发生火灾600万至700万次，全球每年死于火灾的人数约为65000至75000人。其中，欧美地区发生的火灾较多，死亡人数却相对较少，这与欧美发达国家的生活水平以及消防技术和设施有关;相比较而言，亚洲地区发生火灾次数较少，但死亡人数较多，这与亚洲经济发展程度不高、消防设施不完善等因素有关。据统计，我国70年代火灾年平均损失不到2.5亿元，80年代火灾年平均损失接近3.2亿元。进入90年代，特别是1993年以来，火灾造成的直接财产损失上升到年均十几亿元，年均死亡2000多人。随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾发生的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。一旦发生火灾，将对人的生命和财产造成极大的危害1。严峻的事实证明，随着社会和经济的发展，社会财富日益增加，火灾给人类、社会和自然造成的危害范围不断扩大，它不仅毁坏物质财产，造成社会秩序的混乱，还直接危胁生命安全，给人们的心灵造成极大的伤害。残酷的现实让人们逐渐认识到监控预警和消防工作的重要性，良好的监控系统和及时的报警机制可以大大降低人员的伤亡，为社会减少不必要的损失2。火灾自动报警系统(FAS)就是为了满足这一需求而研制出的，并且其自身的技术水平也在随着人们需求的不断地提高，在功能、结构、形式等方面不断地完善。火灾自动报警系统能迅速监测火情，可发现人们不易发觉的火灾早期特征，可将火灾带来的生命财产损失降到最低限度。火灾发生的早期，会使得燃烧物质分解，析出大量的有毒气体CO，人们可能在毫无察觉火情的情况下就发生了CO中毒，从而无力逃生，火灾自动报警系统可监测到CO浓度的变化，为人们提供CO浓度超标报警信息，通知人们及时疏散3。火灾自动报警系统可作为城市消防系统的单元，通过城市消防专用网与城市消防报警中心联网，及时将报警信息传递到消防报警中心，城市消防报警中心会自动查找到火灾发生的位置，并为消防队员制定消防路线图，以便消防队员可以迅速抵达火灾地点4。火灾自动报警系统能对火灾进行实时监测和准确报警，有着防止和减少火灾危害、保护人身安全和财产安全的重要意义，有着很大的经济效益和社会效益。1.2 国内外的研究现状根据现代战争的突发性、立体性和区域不确定性,使攻防界线模糊,作战方向多变,战火灾自动报警系统已有百余年的发展历史，19世纪40年代美国诞生的火灾报警装置标志着火灾自动报警系统首次进入人们的视野5。1890年在英国，感温式火灾探测器研制成功并应用于火灾探测系统，标志着火灾自动报警系统的发展走上正轨6。此后，随着世界科技取得了突飞猛进的进步和各种新兴技术的出现和发展，火灾监测技术也相应迅速发展，各种类型的火灾探测器相继问世，并日臻完善，火灾自动报警系统也在此基础上逐渐地蓬勃发展起来，其发展过程可以分为以下几个阶段:第一阶段，从19世纪40年代至20世纪40年代，火灾报警系统处于发展的初级阶段，采用的探测器主要是感温式的探测器，它通过采集温度信号，然后判定是否超出设定的阂值，从而判断是否有火灾发生。这一阶段，火灾报警系统简单，仅靠单一的温度参量进行火灾判断。但是它易受环境中其他干扰源的影响，灵敏度低，响应速度慢，无法判断阴燃火灾，也无法满足智能化火灾报警系统的要求。第二阶段，20世纪40年代末，瑞士物理学家 Emst Meili研究的离子感烟探测器推出以后，引起了人们对离子感烟探测器的重视，随后感烟探测器得到广泛应用，并逐渐占据了绝大部分市场，迫使感温式探测器退居其次；到70年代末，光电式感烟探测器在光电技术的基础上发展起来，并很快得到大力发展，它的使用寿命长，抗干扰能力强，没有离子感烟探测器的放射性问题。在这一阶段，火灾报警系统普遍采用多线制布局方式，布线、调试、系统可靠性是系统发展的瓶颈。第三阶段，20世纪80年代初期，总线型火灾报警系统开始兴起，在火灾报警领域中迈出了一大步，并得到了较普遍的应用。它使得布线工作量显著减少，安装调试更加容易，更能精确报警定位。但是这一时期的火灾报警系统的智能化水平不高，采用有线连接对工程要求高。第四阶段，从20世纪80年代中后期开始，随着计算机技术、控制技术、集成电路技术、传感器技术及智能技术的快速发展，火灾自动报警系统步入智能化时代，智能化火灾报警系统迅速发展起来，各种智能型的火灾自动报警系统相继出现。模拟量可寻址技术的应用使得火灾报警系统的安全性、精准性和智能性有了很大提高，在火灾自动报警系统发展史上具有里程碑的意义7。近年来，采用无线通信方式的火灾自动报警系统在国外悄然兴起。这种系统引入了无线电通信技术，利用无线通信方式代替传统的有线通信方式，将大多的电器装置通过无线连接方式进行信息传输与控制，适用于各类建筑和场所。无线火灾自动报警系统起初仅用于特殊场合，如博物馆、名胜古迹等不宜布线的场合，而且其价格也比较高8。随着科技进步和元器件成本的降低，无线火灾自动报警系统的研发和生成成本也随之降低，它在性能和价格上都具有很强的竞争力，其市场潜力已经崭露头角9。在我国，采用的无线通信方式的火灾自动报警系统日益受到重视。由于其具有安装简便、对建筑物无损坏作业、灵活性好，易于扩展等优点，适用于许多场合，如名胜古迹、体育馆、博物馆、展览中心、处于施工阶段的建筑物、医院等。火灾自动报警系统的智能性主要体现在火灾判决和统筹管理方面，一般分为分散式、集中式和分布式，分散式系统由非智能型控制器若干智能型探测节点组成，由探测节点完成火灾状态的判断;集中式系统由智能型控制器和若干非智能探测节点构成，探测节点仅将火灾参量传送给控制器，由控制器智能地判断火灾状态；分布式系统的控制器和探测节点均为智能型，也是今后火灾自动报警系统的发展方向10。1.3 本文内容的结构安排基于社会和经济方面的需求，本课题旨在开发一个能够对监测点实时监控、报警的智能火灾报警系统。智能型火灾报警系统是一个集信号检测、传输、处理、报警于一体的系统。随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下建筑以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势，市场上迫切需要一种容量大、可靠性高、使用简单的智能型火灾报警控制系统。该火灾报警系统是以AT89C51单片机作为控制中心，接受、处理火灾探测器输出的烟雾浓度信号、温度信号，并进行声光报警。本文的结构安排如下：第1章：绪论。主要介绍课题的研究背景和意义，介绍了火灾报警系统的发展状况。此外，介绍了论文的主要内容及章节安排。第2章：介绍了火灾探测原理，给出火灾自动报警系统的总体设计构架，分别给出硬件和软件的整体构架，并给出系统设计中的主要器件的选型。第3章：火灾自动报警系统硬件设计，详细介绍了传感器信号调理电路、单片机处理电路及声光报警电路，并给出相应的设计原理图。第4章：火灾自动报警系统监控程序设计，介绍数据采集子程序、火灾判断与报警子程序等。第5章：对本文工作进行总结，并对火灾报警器的发展前景进行展望。2 火灾报警系统整体方案设计2.1火灾产生原理及过程火灾是一种失去人为控制的由燃烧造成的灾害，产生火灾的基本要素是可燃物、助燃物和点火源。可燃物以气态、液态和固态三种形态存在，助燃物通常是空气中的氧气。根据可燃气体与空气混合方式不同有两种燃烧方式，如果在燃烧前，可燃气就与空气均匀混和，则称之为预混燃烧；如果可燃气体和空气分别进入燃烧区边混合边燃烧，则称之为扩散燃烧。液体和固体是凝聚态物质，难与空气均匀混合，它们燃烧的基本过程是当从外部获取一定的能量时，液体或固体先蒸发成蒸汽或分解出可燃气体(如CO、H2等)的分子团、灰烬和未燃烧的物质颗粒悬浮在空气中，称之为气溶胶。一般气溶胶的分子较小(直径0.01m)。在产生气溶胶的同时，产生分子较大(直径0.01一10m)的液体或固体微粒，称为烟雾。可燃气体与空气混合，在较强火源作用下产生预混燃烧。着火后，燃烧产生的热量使液体或固体的表面继续放出可燃气体，并形成扩散燃烧。同时，发出含有红、紫外线的火焰，散发出大量的热量11。这些热量通过可燃物的直接燃烧、热传导、热辐射和热对流，使火从起火部位向周围蔓延，导致了火势的扩大，形成火灾。其中的气溶胶、烟雾、火焰和热量都称为火灾参量，通过对这些参量的测定便可确定是否存在火灾。根据火灾发生时产生现象的不同，可以将火灾分为慢速阴燃、明火和快速发展火焰等。阴燃就是在疏松或颗粒介质中形成的缓慢进行的热解和氧化反应，它能长时间自行维持并传播，当条件发生变化时，或者自行熄灭，或者转化为明火。明火则是火灾发生时燃烧火焰产生的热量使液体或固体的表面放出可燃气体，并形成扩散燃烧，同时发出含有红、紫外线的火焰。快速发展火焰则是火灾扩散的速度特别快，这种类型的火灾一般为空气中混有大量可燃气体。通过大量的研究表明阴燃是诱发火灾的重要原因12。总的来说，普通可燃物在燃烧时表现为以下形式：首先是产生燃烧气体，然后是烟雾，在氧气充足的条件下才能达到全部燃烧，产生火焰，发出可见光和不可见光，并散发出大量的热，使环境温度升高。起火过程中，起初和阴燃两个阶段所占的时间比较长，虽然产生大量的烟雾，但是环境温度不太高，若探测器就应该从此阶段开始进行探测，就可以火灾损失控制在最小限度。火焰燃烧后，迅速蔓延，产生大量的热使得环境温度升高，如果能将这时能够探测到有效地温度值，就可以比较及时地控制火灾。起火过程曲线如图2.1所示13。图2.1 起火过程曲线2.2系统总体方案设计2.2.1 系统硬件总体构架报警系统主要由数据采集模块、单片机控制模块、声光报警模块组成。图2.2为火灾报警系统的结构框图14。图2.2 系统结构框图单片机是整个报警系统的核心，系统的工作原理是：先通过传感器 (包括温感和烟感)将现场温度、烟雾等非电信号转化为电信号，调理电路将传感器输出的电信号进行调理(放大、滤波等)，使之满足A /D转换的要求 ,最后由A /D转换电路 ,完成将温度传感器和烟雾传感器输出的模拟信号到数字信号的转换，单片机判断现场是否发生火灾。如果发生火灾，系统以声光的形式报警。本火灾自动报警系统具有以下功能：(1)声、光双重报警功能。(2)系统故障报警功能。当系统出现硬件故障时，能发出故障报警信号。(3)异常报警功能。当环境出现异常(如烟雾浓度过大或是温度较高)时，能发出异常报警信号，引起人们注意，尽可能避免火灾的发生。(4)火灾报警功能。一旦真出现火灾(烟雾和温度同时出现异常)时，能立即发出声光火灾警报15。2.2.2 系统软件总体构架为了便于系统维护和功能扩充，采用了模块化程序设计方法，系统各个模块的具体功能都是通过子程序调用实现的。本系统主要包括数据采集子程序、火灾判断与报警子程序等，系统程序流程图如图2.3所示。图2.3 程序流程图为了降低误报率，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，然后综合多次判断结果做出最终的火情判断。主程序是一个无限循环体，其流程是：首先在上电之后系统的各部分包括单片机各个端口输入输出的设置、外围驱动电路和数据存储电路等完成初始化，其次是对芯片内的程序进行初始化，接下来执行火灾报警系统中的数据采集任务，数据通信任务和查询判断任务。2.3系统主要器件的选择2.3.1 火灾探测器的选择1）探测器简介火灾探测器是火灾报警系统的重要组成部分，直接关系到整个系统的正常运行。当火灾发生时，把火灾产生的各种非电量参数(如烟雾，温度)变成电量参数传送给控制器。其特点是模拟量传输，跟随各种非电量参数的变化而变化16。火灾探测器根据火灾发生时所表现出来的物理现象可以分为：气敏型、感温型、感烟型、感光型、感声型五大类。 (l)感温探测器感温探测器一般分为定温式和差温式。单一的感温探测器灵敏度低、探测速度慢、探测范围小，尤其对阴燃情况不响应，因此不适用于火灾早期的探测，而在设计时往往安装在不宜安装感烟探测器的区域17。(2)感烟探测器感烟探测器可以分为离子感烟探测器和光电感烟探测器18。感烟探测器具有非常好的早期报警功能，即使在不太好的环境条件场所也会有比较好的探测效果，它一般适用于极高的房屋或空心花板或地下室中。感烟探测器适用于火灾前期及早期，产生大量的烟和少量的热，但它不能区分火灾信号与非火灾信号，如厨房烟、水蒸气等，所以误报率较高。(3)气体探测器气体探测器的主要作用是在发生可燃气体泄漏危险时，提醒有关人员采取相关措施以保护现场工作人员、生产设备的安全运转以及周围环境。气体探测器适用于散发可燃气体和可燃蒸汽的场所。但由于气体探测器探测对像CO易与还原气体发生化学反应，因此在有还原气体的场所可能会发生误报警。(4)图像探测器图像火灾探测器分为烟雾图像探测器、火焰图像探测器、激光图像感烟探测器等，它们都非常适合于商场大空间建筑。但烟雾图像火灾探测器对不规则物体或相似图像可能发生误报警;而火焰图像探测器则对高温物体或太阳光照射可能发生误报警;激光图像感烟火灾探测器则由于其良好的探测性能，发生误报警的概率小，非常适合商场建筑的火灾探测19。(5)红、紫外火焰探测器火灾中能够辐射出红外线的不仅仅是火焰，一些高温物体的表面都能发出与火焰红外线频带相吻合的红外线，因此这些并非火灾的红外源就容易使单波段红外火焰探测器产生误报警20。紫外火焰探测器灵敏度高(ms级)，反应快，适合在火灾时有强烈的火焰辐射而无阴燃阶段且需对火焰做出快速反应的场合，但当环境中有紫外辐射、高温物体或有太阳光直射时可能或产生误报警，因此，紫外火焰探测器不宜用于火焰出现前有浓烟扩散或有阳光直射的地方。烟雾浓度是火灾的特性参数之一，在较大范围的监视场所，烟雾探测一直被广泛使用的火灾探测方法。火灾中会产生大量的热，温度也是火灾的另一特性参数，和环境温度相比火灾的温升是很明显的，所以温度也被用来进行火灾探测21。然而烟雾探测器在受到外界非火灾的干扰信号会产生误报警，且对于某些黑烟的探测并不敏感。温度探测器可以很好地补充烟雾探测器造成的漏报，但由于只有在燃烧的后两个阶段才会发生明显的变化，报警的响应时间慢。因此根据以上情况以及本系统的要求，采用感烟探测器和感温探测器相结合的多传感器探测方法22，可以发挥各自的优势、弥补不足之处，在火灾发生的早期就能够更加准确的报警。2）烟雾探测器感烟探测器采用的是日本NEMOTO公司生产NIS-09C离子型感烟探测器，内部有微量的放射性物质媚(Am)241，探测器被金属电极覆盖，放射能不会泄露。它对白色、灰白和黑色烟雾都有良好的响应，但其受环境湿度影响较大。符合美国UL217标准，欧洲EN-54-7标准及GB4715-93国家标准。NIS-09C是具有低功耗、普适性的传感器，适用于高灵敏度烟雾探测器、火灾报警系统。其特性参数和温湿度特性参数分别见表2.1和表2.2。NIS-09C离子烟雾探测器探测到的是烟雾浓度模拟量，通过其灵敏度特性（如表所示）可以看出，烟雾浓度p和输出电压v之间是近似线性的关系，其特性曲线方程：v=-0.3p+5.6。表2.1 NIS-09C烟雾探测器的主要特征参数表灵敏度特性(UL217标准)电源电压特性(25 60%RH)烟雾浓度输出电压(V)误差(V)电源电压输出电压(V)05.6±0.4063.3±0.315.3±0.50.3±0.195.6±0.425.0±0.50.6±0.1128.0±0.734.7±0.50.9±0.21510.0±0.8544.4±0.51.2±0.21813±1.0表2.2 NIS-09C烟雾传感器的温湿度特性参数表温度特性(湿度：60%RH)湿度特性(温度：25)温度()输出(V)湿度(%RH)输出(V)05.15±0.40305.75±0.50255.60±0.40605.60±0.40505.85±0.40905.45±0.403）温度探测器温度探测器使用的是美国国家半导体公司生产的集成温度传感器LM94022，该传感器属于高精度模拟输出CMOS温度传感器，不仅工作电压低、静态电流小和输出功率极低，而且能与模数转换器(ADC)配合使用。其主要特性如下：(1)工作电压低，可在1.5V电压下工作；且工作电压范围宽，为1.55.5V；(2)静态电流小，典型值为541A；(3)末级为推挽输出，输出电压与感测的温度成反比，确保芯片即使在较高的温度范围内仍可保持极高的灵敏度；(4)可提供4个不同增益让用户自行选择，其中包括-5.5mV/ 、-8.2 mV / 、-10.9mV /及-13.6mV /；(5)温度范围宽，可以监控由-50至150范围内的温度；(6)设计灵活、功率极低，采用极小巧的SC70封装，大小与美国国冢半导体的标准型号LM20温度传感完全相同。LM94022的管脚排列如图2.4所示。图2.4 LM94022管脚排列当给LM94022的灵敏度选择输入端GS0、GS1施加不同电平时，有4种不同的灵敏度供用户选择，如表2.3所示(由于输出电压随温度升高而下降，其灵敏度为负值)。用户可根据测温的范围及接口电路的工作电压的条件来合理。选择要求高电平大于(VDD-0.5V) ；低电平小于0.5V。表2.3 LM94022的4种灵敏度GS0GS1灵敏度典型值(mV/)00-5.501-8.210-10.911-13.6LM94022的输出特性如图2.5所示，这是测量温度与输出电压在不同灵敏度时的特性。由于输出电压随温度升高而下降，其灵敏度为负值。从图可看出，LM94022的输出电压与感测的温度成反比，并且其线性度极好，这是线性化后的特性。在VDD为5V时，不同灵敏度的几个特定温度值时的输出电压如表2.4所示（典型值）。图2.5 LM94022的输出特性表2.4 VDD为5V，t为25时的输出电压值被测温度GS=00(mV)GS=01(mV)GS=10(mV)GS=11(mV)-501299195526163277-251168176723662965010341565210026332589813651831229850760115915581958续表2.4 VDD为5V，t为25时的输出电压值被测温度GS=00(mV)GS=01(mV)GS=10(mV)GS=11(mV)75619949129016091004767379971257125332521711901150183301420593按表2.4的数据计算出的灵敏度值与表2.3给出的典型灵敏度有一些差值。例如，在GS=00时，-25时的输出电压为1168 mV，-50时的输出电压为1299 mV，则其平均灵敏度为-5.24 mV /；50时的输出电压为760 mV，75时的输出电压为619 mV，则其平均灵敏度为5.64 mV /。表2中GS=00时，灵敏度为-5.5 mV /。2.3.2 单片机及A/D转换芯片的选择本设计的控制芯片使用的是ATMEL公司生产的AT89C51，AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM）和128字节的随机存取数据存储器（RAM）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一个低功耗高性能单片机，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，可灵活应用于各种控制领域。40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口。AT89C51的引脚图如图2.6所示。芯片可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程，其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。图2.6 AT89C51芯片的引脚图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，ADC0809由8路模拟开头、地址锁存与译码器、8位A/D转换器和三态输出锁存缓冲器组成，芯片引脚图如图2.7所示。图2.7 ADC0809芯片的引脚图ADC0809的主要性能指标为:（1）分辨率为8位。（2）最大不可调误差：ADC0809为1LSB。（3）单电源+5v供电，基准电压由外部提供，典型值为+5v，此时允许输入模拟电压为05V。（4）具有锁存控制的8路模拟选通开关。（5）可锁存三态输出，输出电平与TTL电平兼容。（6）转换速度取于决芯片的时钟频率。当时钟频率500KHz时，转换时间为128s。3 火灾自动报警系统硬件设计3.1 前端信号调理电路由于传感器输出的模拟信号比较微弱，且含有干扰信号，所以系统需要将信号进行放大和滤波。温度传感器使用的是高精度模拟输出CMOS温度传感器LM94022，该传感器的末级为推挽输出，输出电压与感测的温度成反比，即温度越高输出电压越低；可提供4个不同增益让用户自行选择，其中包括-5.5mV/ 、-8.2 mV / 、-10.9mV /及-13.6mV /。本设计温度传感器灵敏度选择-5.5mV/，所以LM94022的GS0和GS1端口都接地，温度信号调理电路如图3.1所示。烟雾传感器输出电压较大，能达到几伏，不需要放大烟雾信号，只需要将信号滤波处理，烟雾信号调理电路如图3.2所示。由于温度、烟雾信号调理电路运放LM324接直流电源，电路中有直流，所以在电路中设计了起隔直通交的电容C1、C2、C7。系统采用固定门限检测法23判断火灾是否发生，温度阈值设定为57，烟雾浓度阈值设定为3.2%每英尺。图3.1 温度信号调理电路电路设计中要求高输入低输出，故放大电路、滤波电路的前置电阻R4、R8的阻值设为10K24。由于运放LM324的输入级是差动放大电路，要求两端输入回路参数对称，即，故，。依据运算放大器“虚短”、“虚断”特性，有。电压放大倍数为：， （3-1）图3.2 烟雾信号调理电路滤波电路能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率成分，滤除或衰减无用频率信号到足够小。一阶滤波电路过渡带较宽，幅频特性的最大衰减频率仅为-20dB/十倍频。为使滤波器的滤波特性接近理想特性，即在通频带内特性曲线更平缓在同频带外特性曲线衰减更陡峭，只有增加网络的级数，系统使用二阶滤波器电路9。由于在火灾发生早期，温度烟雾信号是一种缓变信号25，故系统使用二阶有源低通滤波器电路（Low Pass Filter，LPF）。将串联的两节RC低通网络直接与反向电压跟随器电路相连，可构成烟雾、温度调理电路中的简单二阶低通滤波器电路26。二阶低通滤波电路中，。LPF电路电压放大倍数为： （3-2）用取代s，且令，得出电压放大倍数为： （3-3）由于为信号频率二次幂的函数式，故为二阶LPF。设带通截止频率为，则当时，上式的分母的模应等于，可解出二阶LPF的上限截止频率为： ， （3-4）二阶低通滤波电路的衰减斜率可达-40dB/十倍频，但是有由于远离，即在处，信号的放大倍数已急剧下降，所以该滤波电路以降低滤波器通频带为代价来获得滤波器衰减斜率27。3.2晶振电路与复位电路3.2.1晶振电路晶振电路为单片机AT89C51工作提供时钟信号，芯片中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振荡器一起构成自激振荡器。电路中的外接石英晶体及电容C5、C6接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路，系统的晶振电路如图3.3所示。由于外接电容C5、C6的容量大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，电容的容量大小范围为；如果使用陶瓷谐振，则电容容量大小为。本设计中使用石英晶体，电容的容值设定为30pF。3.2.2 复位电路复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。AT89C51的复位信号是从REST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果REST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位，本设计采用的是手动按钮复位。手动按钮复位需要人为在复位输入端REST上加入高电平,采用的办法是在REST端和正电源Vcc之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到REST端，系统复位。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，设计完全能够满足复位的时间要求。复位电路中SW-PB为手动复位开关，电容Ch1可避免高频谐波对电路的干扰。AT89C51的复位电路如图3.3所示。图3.3 晶振电路与复位电路3.3声光报警电路声光报警电路在AT89C51的控制下，可以根据不同的情况（火灾、异常、故障)，发出不同的声光信号报警。声音报警电路如图3.4所示。由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O 口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。声报警电路由单片机的P10引脚进行控制，当P10输出的电平为高电平时，三极管导通，蜂鸣器的电流形成回路，发出声音报警；否则，三极管截止，蜂鸣器不发出声音24。图3.4 蜂鸣器报警光报警电路路如图3.5，其中单片机的P2口进行控制，P2口的P2.3P2.6分别控制4个发光二极管，予以光报警，如图所示。P2.3P2.6控制的灯依次为红色(火灾信号灯)、红色(异常信号灯) 、黄色(故障信号灯)和绿色(正常信号灯) 。当P2.3P2.6输出低电平时，对应的信号灯便会发光报警。图3.5 光报警3.4 数据采集电路本设计中的A/D使用的是通用8位芯片ADC0809，芯片的几个重要管脚功能如下：ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0-IN7上的一路模拟量输入，通道选择如表所示。START为转换启动信号，当START上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，START应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。由于本设计中数模转换芯片使用的是ADC0809，其工作的时钟信号为500KHz，因其内部没有时钟电路，时钟信号由外部AT89C51的ALE端口提供。系统AT89C51与ADC0809接口电路如图3.6所示。图3.6 AT89C51与ADC0809接口电路当AT89C51的ALE端口不访问外部存储器时，AT89C51的ALE端以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，故晶振设定12MKz，再经过二分频电路，单片机即可向ADC0809输出500KHz的时钟信号。二分频电路由D触发器实现，R、S端接地，D接Q非，Q端作为输出端，CLK接AT89C51的ALED端。D触发器的特性方程为 （3-5）由于当CP=1时，D触发器有效；CP=0时，触发器保持原来状态。故D触发器能实现对ALE端口的信号二分频28。由于本火灾报警系统只采集温度、烟雾信号，经过调理的温度、烟雾信号分别进入ADC0809的IN-0和IN-1端口，其余输入引脚接地，8个数字量输出引脚接AT89C51的P0口。单片机的P0口接受ADC0809传输来8位数字量，向A/D输出的8位地址经地址锁存器74LS373锁存，选择低3位地址作为A/D的通道选通地址。ADC0809通道选通如表3.1。表3.1 ADC0809通道选通通入通道IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7A00001111B00110011C01010101本设计使用74LS373作为地址锁存器，当三态允许控制端OE为低电平时，输出端O0O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，O0O7呈高阻态，既不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。图中三态允许控制端OE接地，表示三态门一直打开。锁存允许端LE为高电平时，输出端O0O7 状态与输入端D0D7状态相同；当LE由“1”变为“0”时，数据输入锁存器中。LE端接至单片机的地址锁存允许ALE端。当P20=0时，与写信号WR共同选通ADC0809。图中ALE信号与START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。当ALE端口变为高电平，将74LS373输出端的低3位地址存入A/D的地址锁存器中，此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将A/D内的寄存器清零，下降沿启动 A/D转换，之后EOC端变成低电平，指示转换正在进行。例如，输出地址F8H可选通通道IN0，实现对温度传感器输出的模拟量进行转换；输出地址F9H可选通通道IN1，实现对烟雾传感器输出的模拟量进行转换。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，结果数据已存入锁存器,并产生产生中断。当AT89C51知道A/D转换完成后，P20与读信号RD共同控制下的A/D端口OE电平变为高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到单片机上。4 火灾报警系统程序设计4.1软件开发环境本系统摒弃了传统的汇编语言而采用C语言进行程序设计。因为C语言的描述由函数组成，是一种结构化的程序设计语言，所以更容易实现模块化，而且具有可读性好，易于移植等优点，同时还有汇编语言一样的位操作功能的硬件详细控制指令29。数据结构方面，可以使用结构体和数组，能够处理复杂的数据，可用于实时处理系统。本系统的软件编程使用的是美国Keil Software公司出品的Keil C51，是51系列兼容单片机C语言软件开发系统。 Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能 体现高级语言的优势。C51工具包的整体结构中，Vision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经C51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对 目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。 4.2火灾报警系统程序设计火灾报警系统控制器上采用AT89C51作为主控芯片，其主要功能包括：控制IO端口、逻辑判断处理、驱动外部电路和A/D采样等，该部分是火灾报警系统智能化的集中体现。为了便于系统维护，在火灾报警系统的软件设计中采用了模块化程序设计方法，系统各个模块的具体功能都是通过子程序调用实现的。既使得程序结构清晰，又便于以后进一步扩展其功能。本系统主要包括主程序、温度烟雾数据采集子程序、火灾判断与报警子程序等 4 。系统程序流程图如图4.1所示。图4.1 程序流程图主程序是一个无限循环体，其流程是：首先在上电之后系统的各部分包括单片机输出输入端口的设置、数据存储电路、外围驱动电路等完成初始化，接下来执行火灾报警系统的数据采集程序、火灾判断、报警程序。系统初始化后，AT89C51的P26和P10口为低电平，P23、P24和P25口为高电平，所以只有绿灯D8亮，D5、D6、D7不亮，蜂鸣器不报警。4.2.1数据采集程序数据采集是火灾报警系统中的重要环节。为了降低误报率，系统设计时对温度烟雾采用了两次采集、两次判断的方法。每次采集温度烟雾数据后，将数据存入单片机的寄存器，然后在火灾判断程序中，将采集的数据与设定的阈值进行比较，判断现场是否发生火灾。具体流程是：系统和程序初始化后，驱动ADC0809的IN0对温度信号进行A/D转换，单片机接受转换好的数据，存入寄存器，由INT1中断服务程序完成；系统延时10ms，驱动ADC0809的IN1对烟雾信号