【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 下面對(duì)這些電路的設(shè)計(jì)分別進(jìn)行介紹。 電源模塊的設(shè)計(jì)在各種電子設(shè)備中，電源是不可缺少的組成部分，其性能的高低直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)和能否安全有效的工作。電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大，噪音污染比較嚴(yán)重，工控系統(tǒng)由電源引起的故障要占一定的比例。因此，精心設(shè)計(jì)一個(gè)可靠、高效、穩(wěn)定的電源是一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)工作。1) 供電模式因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)必須24小時(shí)連續(xù)工作，并要保證在市電突然停止供電的一定時(shí)間內(nèi)保持系統(tǒng)正常工作，所以系統(tǒng)采用雙電源供電模式，即：主供電模式和從供電模式。其中主供電模式是通過(guò)工頻變壓器將市電降壓，然后經(jīng)過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓輸出所要求的直流電；從供電模式是在主電源突然停止供電的情況下，通過(guò)蓄電池直接供給系統(tǒng)所需的直流電，從而保持系統(tǒng)正常工作。兩組電源之間的切換是通過(guò)一個(gè)二極管實(shí)現(xiàn)的。 供電模式框圖2) 變壓器的選擇目前，中、小功率電源變壓器的系列產(chǎn)品供應(yīng)較豐富。但是，選擇合適的電源變壓器必須根據(jù)設(shè)備的容量和環(huán)境來(lái)確定。變壓器一般次級(jí)有幾個(gè)繞組，其次級(jí)功率P1為： P1=P11+P12+…=U11I11+U12I12+…基于變壓器效率η的考慮，則初級(jí)功率P0為：P0=P1/η變壓器的額定容量為：P=（P0+P1）/η需要注意如下兩個(gè)問(wèn)題：變壓器的效率決定于變壓器的損耗。設(shè)計(jì)小型變壓器，一般不必詳細(xì)計(jì)算其損耗。 變壓器經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表次級(jí)容量101030308080200200400400效率60%70%70%80%80%85%85%90%90%95%95%次級(jí)功率P1的計(jì)算。對(duì)于一般的電源變壓器，負(fù)載為電阻時(shí)，次級(jí)電壓、電流和負(fù)載的電壓、電流相等，P1的計(jì)算比較簡(jiǎn)單，而整流變壓器負(fù)載上需要的是平滑的直流，次級(jí)要接整流和濾波電路，這樣變壓器次級(jí)將有直流成份通過(guò)。因此，對(duì)于在不同的整流電路以及不同性質(zhì)負(fù)載下，： 變壓器次級(jí)功率和負(fù)載功率的關(guān)系表電路形式負(fù)載性質(zhì)次級(jí)電壓U1次級(jí)電流I1次級(jí)功率P1半波整流電阻性電容性U0全波整流電阻性電容性U0電感性橋式整流電阻性電容性U0電感性I0倍壓整流電容性電源采用橋式整流、且負(fù)載呈電阻性，所以P1=。由表22可知變壓器次級(jí)電壓U1主要取決于負(fù)載電壓U0，根據(jù)對(duì)本系統(tǒng)各電路模塊功耗進(jìn)行最大量的估算，系統(tǒng)的電源變壓器采用16V、15W的規(guī)格。3) 不同電壓設(shè)計(jì)說(shuō)明本系統(tǒng)需要多種電壓，主板上存在的電壓主要有：TTL/CMOS元件的工作電壓為+5V和+，+12V專用蓄電池的充電電壓一般為+13V左右，液晶顯示器需要一個(gè)負(fù)的對(duì)比度調(diào)節(jié)電壓UADJ，本系統(tǒng)采用T6963C為控制器的點(diǎn)陣圖形字符顯示LCD需要的UADJ為10V。為得到系統(tǒng)要求的各種電壓，我們采用的方法是：將變壓器輸出的電壓經(jīng)過(guò)橋式整流、平滑濾波得到了+16V直流電，但是輸入輸出回路中的監(jiān)視電路對(duì)電壓的穩(wěn)定性要求較高，所以直流電還必須其經(jīng)過(guò)三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器LM317的穩(wěn)壓，從LM317輸出的波紋極小的+13V左右直流然后在經(jīng)過(guò)濾波后可為從電模式供電電源(+12V蓄電池)充電。而TTL/CMOS元件需要穩(wěn)定的+5V電壓，實(shí)現(xiàn)+12V電壓轉(zhuǎn)換到+5V電壓時(shí)，采用了Maxim公司的高效DCDC轉(zhuǎn)換芯片MAX813。MAX813是一種高效、單極性、脈寬可調(diào)(PWM)、開(kāi)關(guān)模式的DCDC變壓器。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)電源模塊時(shí)，充分利用的它的這一特點(diǎn)。較好的得到了系統(tǒng)中各種輸入、輸出電路所需的+5V穩(wěn)壓電其中，MAX813要求輸入端電壓在+8V到+30V之間。在采用從電模式時(shí)，蓄電池也對(duì)MAX813進(jìn)行充電，讓其輸出穩(wěn)定的+5V電源，維持系統(tǒng)正常工作。在實(shí)現(xiàn)電壓由+5V轉(zhuǎn)換到10V時(shí)，采用了一片MAX749。MAX749就是一個(gè)專門用來(lái)產(chǎn)生LCD負(fù)電壓的電源變換器件。MAX749為倒相式PFM開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓，輸入電壓+2V至+6V，即可產(chǎn)生負(fù)的LCD偏置電壓，輸出電壓可達(dá)100V以上，可通過(guò)內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)節(jié)，或通過(guò)一個(gè)PWM信號(hào)或電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。給C8051F020單片機(jī)、TTL/COMS元件供電時(shí)，電源電壓需轉(zhuǎn)換到+，所以，從MAX813輸出端再接一個(gè)可調(diào)穩(wěn)壓器LM317，改變其可調(diào)端的電阻值，讓它輸出端輸出標(biāo)準(zhǔn)的+。本系統(tǒng)采用了LM317可調(diào)集成穩(wěn)壓器。由于從MAX813輸出的+5V電壓的紋波較大，而C8051F020需要較高的電壓穩(wěn)定性，%以上的穩(wěn)定性的+。三端可調(diào)正輸出集成穩(wěn)壓器LM317，可以組成各種恒流源。LM317屬于第二代三端集成穩(wěn)壓器，輸出電壓連續(xù)可調(diào)，是串聯(lián)浮式結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部設(shè)置了過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)及芯片過(guò)熱保護(hù)等電路，使用安全可靠。 集成穩(wěn)壓器性能參數(shù)見(jiàn)表輸出電壓V0（V）輸出電流I0(A)輸入電壓V1（V）電壓調(diào)整率SV(%/V)電流調(diào)整率S1(%)紋波抑制比SWAV(dB)≤V0≤375≤V1≤4080LM317內(nèi)部由穩(wěn)定性很高的恒流源提供電流IADJ=50uA作為基準(zhǔn)電壓源的供電電流，此電流從ADJ端（調(diào)整端）輸出。它的基準(zhǔn)電壓源是一種能帶間隙式基準(zhǔn)源，在輸出端和ADJ端提供穩(wěn)定性很高的電壓VREF=。LM317輸出電壓的計(jì)算公式如下: VOUT=(1+R2/R1)+IADJR2。 LM317電阻值表電壓6V→5V5V→R1200K200KR250K330K MCU設(shè)計(jì)說(shuō)明1) MCU選擇選擇單片機(jī)時(shí)考慮的主要問(wèn)題有：性價(jià)比較高、容易開(kāi)發(fā)。選擇單片機(jī)應(yīng)從兩個(gè)方面考慮：其一目標(biāo)系統(tǒng)需要資源情況；其二是選擇價(jià)格低的產(chǎn)品。資源方面考慮的重要指標(biāo)有：速度、位數(shù)、電壓、功耗、存儲(chǔ)器容量、系統(tǒng)擴(kuò)展與驅(qū)動(dòng)能力、抗干擾能力，是否嵌入ADC、DAC等。另外軟件開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)易性也是考慮的重要因素。同一類產(chǎn)品往往很多兼容系列，不同廠商價(jià)格有很大的區(qū)別。更重要的是要選擇供貨服務(wù)好、能提供良好的技術(shù)服務(wù)支持、信譽(yù)高的代理經(jīng)銷商。根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，我們?cè)O(shè)計(jì)系統(tǒng)控制器時(shí)，選擇了一片美國(guó)CYGNAL集成產(chǎn)品公司生產(chǎn)的C8051F020單片機(jī)作為系統(tǒng)的處理器，它具有如下幾個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)：速度快、強(qiáng)大的模擬信號(hào)處理功能、先進(jìn)的JTAG調(diào)試功能、強(qiáng)大的控制功能、豐富的串行接口、多達(dá)22個(gè)中斷源、可靠的安全機(jī)制、有多大64K的FLASH存儲(chǔ)器，部分可以作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用，同時(shí)片內(nèi)可有多達(dá)4KB的RAM存儲(chǔ)器等。因此C8051F020是一種集成度高、功能強(qiáng)大的單片機(jī)芯片，非常適合于要求速度快、可靠性高、擴(kuò)展功能強(qiáng)和節(jié)電的應(yīng)用系統(tǒng)[9]。C8051F020介紹C8051F020單片機(jī)具有100個(gè)引腳。其主要特點(diǎn)如下：CPU核C8051F020單片機(jī)采用Cygnal公司的專利CIP－51微處理器內(nèi)核。平均每個(gè)時(shí)鐘可以執(zhí)行完1條單周期指令，從而大大提高了指令運(yùn)行速度。同時(shí)，C8051F020單片機(jī)擴(kuò)展了中斷處理，增加了中斷源，可提供22個(gè)中斷源，這對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是很重要的；另外C8051F020單片機(jī)還具有內(nèi)部時(shí)鐘，但若需要也可接外部時(shí)鐘。該芯片在程序運(yùn)行時(shí)可實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外部時(shí)鐘的切換，這在低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中非常實(shí)用；同時(shí)， C8051F020的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖C8051F020還在內(nèi)部增加了復(fù)位源，從而大大提高了系統(tǒng)的可靠性。ADC和DACC8051F020單片機(jī)內(nèi)部有兩個(gè)多通道的ADC子系統(tǒng)（12位的ADC0和8位的ADC1），兩個(gè)子系統(tǒng)由逐次逼近型ADC、多通道模擬輸入輸出選擇器和增益放大器組成。其ADC0的最大采樣速率可達(dá)100kbps，可提供12位精度。ADC1的最大采樣速率達(dá)500kbps，可提供8位精度，該ADC均由CIP－51通過(guò)特殊功能寄存器控制。C8051F020單片機(jī)內(nèi)部具有2通道12位DAC和2個(gè)比較器，CPU一般通過(guò)特殊功能寄存器來(lái)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器和比較器，CPU可以將任何一個(gè)DAC置于低功耗關(guān)斷方式。C8051F020中的DAC為電壓輸出模式，它可與ADC共用參考電平。I/O口C8051F020單片機(jī)除具有標(biāo)準(zhǔn)8051的P0、PP2和P3四個(gè)8位I/O口外，還有更多的擴(kuò)展8位I/O口，每個(gè)端口I/O引腳都可以設(shè)置為推挽或漏極開(kāi)路輸出，同時(shí)具有低功耗模式。通過(guò)對(duì)數(shù)字交叉開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，可將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源定向到P0、P1和P2端口，并可將定時(shí)器、串行總線、外部中斷源、A/D轉(zhuǎn)換輸入以及比較器輸出通過(guò)數(shù)字交叉開(kāi)關(guān)控制寄存器定向到P0、PP2中的I/O口，以允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用選擇通用I/O端口和所需數(shù)字資源的組合。存儲(chǔ)器C8051F020中包含有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器。具有標(biāo)準(zhǔn)8051的程序數(shù)據(jù)地址結(jié)構(gòu)，它包含有4352B的RAM以及64K字節(jié)的擴(kuò)展數(shù)據(jù)RAM。C8051F020單片機(jī)內(nèi)部帶有64k字節(jié)Flash存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器可按128字節(jié)為一個(gè)扇區(qū)來(lái)編程，同時(shí)也可以在線編程而不需要程序代碼的未用扇區(qū)可作為非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用。串行總線及JTAG編程調(diào)試C8051F020單片機(jī)除設(shè)計(jì)有標(biāo)準(zhǔn)的全雙UART之外，還設(shè)有I2C/SMBus、SPI串行總線等多類型串行總線端口，且通訊功能更加強(qiáng)大。另外，C8051F020單片機(jī)設(shè)計(jì)有JTAG口與片內(nèi)調(diào)試電路，因此可以實(shí)現(xiàn)非插入式在片仿真調(diào)試，與使用傳統(tǒng)的仿真相比更優(yōu)越，更能真實(shí)地在片放映仿真實(shí)時(shí)信息。2) 資源分配a) 鍵盤模塊鍵盤采用3行5列鍵盤，～，～。15個(gè)鍵盤中有0～9十個(gè)數(shù)字鍵，還有清除鍵、確認(rèn)鍵、消防鍵、消音鍵、默認(rèn)鍵。各鍵說(shuō)明如下：數(shù)字鍵：輸入需要巡檢的探頭數(shù)；確認(rèn)、清除鍵：對(duì)鍵入的數(shù)字進(jìn)行操作；消防鍵：手動(dòng)控制消防驅(qū)動(dòng)；消音鍵：按此鍵可在蜂鳴報(bào)警時(shí)關(guān)閉聲音輸出。默認(rèn)鍵：確認(rèn)系統(tǒng)默認(rèn)的探頭數(shù)，免去輸入數(shù)字的麻煩。b) LCD顯示模塊由于LCD液晶顯示器具有功耗低、壽命長(zhǎng)、無(wú)輻射、不易引起視疲勞等優(yōu)點(diǎn)，所以本系統(tǒng)的顯示模塊采用了以T6963C為核心控制芯片的LCD點(diǎn)陣圖形字符顯示器LG24064. LG24064已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了T6963C與行、列驅(qū)動(dòng)器及顯示緩沖區(qū)RAM的接口，同時(shí)也已用硬件設(shè)置了數(shù)據(jù)傳輸方式、顯示窗口長(zhǎng)度和寬度等。該模塊可顯示4行漢字，每行15字，共60個(gè)字，或顯示8行數(shù)字(包括字母)每行30字符，共240個(gè)字符?？梢詽h字與數(shù)字字母混排[10]?！?/RD,/CE/,CD；P3口作為數(shù)據(jù)輸出口。c) 時(shí)鐘存儲(chǔ)模塊、模塊的數(shù)據(jù)端和時(shí)鐘端。d) 無(wú)線通訊模塊：、串行口接數(shù)據(jù)端。e) 電壓監(jiān)測(cè)、 接監(jiān)測(cè)電路，監(jiān)視穩(wěn)壓元件LM317(橋式整流之后所接)的輸出端和蓄電池的輸入、輸出端電平變化。監(jiān)測(cè)電路如下圖示： 監(jiān)測(cè)電路6) 顯示燈系統(tǒng)中共7個(gè)LED發(fā)光管，分別是：主電故障、充電故障、備電故障、主電/備電工作、探頭故障、預(yù)警、火警，另有蜂鳴器兩個(gè)分別為故障聲和報(bào)警聲。它們代表系統(tǒng)的不同狀態(tài)。通過(guò)它們，用戶可以很容易掌握系統(tǒng)的現(xiàn)況。這些LED指示燈都是由C8051F020的I/O口通過(guò)5K的限流電阻和NPN三極管9014的驅(qū)動(dòng)直接控制的，因此C8051F020的各種控制信號(hào)可以直接達(dá)到LED指示燈。～、～。４ 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)要求與完成方法對(duì)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)軟件有如下要求：實(shí)時(shí)性——由于火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，對(duì)于系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間要求較高，所以對(duì)應(yīng)用軟件的執(zhí)行速度有一定的要求，即能夠在采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)后，在允許的時(shí)間間隔內(nèi)，及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、處理、并做出正確判斷，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。由于對(duì)程序執(zhí)行速度要求高，所以一般采用匯編編寫，對(duì)于一些需要隨機(jī)中斷并且處理的任務(wù)，可以采用中斷系統(tǒng)來(lái)完成，并且給不同的任務(wù)設(shè)置不同的中斷優(yōu)先級(jí)，保證需要及時(shí)處理的任務(wù)可以及時(shí)被響應(yīng)。靈活性和通用性——為了節(jié)省內(nèi)存和具有較高的適應(yīng)能力，軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，在編寫程序的時(shí)候，采用自頂向下的分析方法，將整個(gè)軟件系統(tǒng)劃分為若干個(gè)軟件功能模塊，然后針對(duì)每一個(gè)功能模塊編寫子程序。以后如果需要添加功能或修改現(xiàn)有功能，只需要添加或修改子程序即可?？煽啃浴诨馂?zāi)報(bào)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，可靠性是至關(guān)重要的，由于無(wú)線通訊部分信號(hào)傳輸關(guān)系復(fù)雜，為了保證系統(tǒng)軟件的可靠性，軟件的時(shí)序至關(guān)重要。采用多次確認(rèn)，多選則程序模式，以保證信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性[11]。 探頭部分軟件設(shè)計(jì) 主程序1) 說(shuō)明可靠性設(shè)計(jì)：在接收和發(fā)送過(guò)程中，都是多次確認(rèn)信號(hào)后才確認(rèn)操作，以避免接收或發(fā)送干擾信號(hào)。通訊協(xié)議：報(bào)警字格式為 1，0，1，0，0，預(yù)警，報(bào)警，電池檢測(cè)。 統(tǒng)一驗(yàn)證字格式為 1，1，0，0，1，1，0，0， 地址驗(yàn)證字格式為 1，0，1，0，1，0，1，0 地址字格式為 *，*，*，*，*，1，1，1統(tǒng)一信號(hào)為：統(tǒng)一驗(yàn)證字加地址字；報(bào)警信號(hào)為：地址字加報(bào)警字；地址信號(hào)為地址驗(yàn)證字加地址字。時(shí)序：在上電復(fù)位以后探頭等待接受統(tǒng)一信號(hào)，發(fā)送回復(fù)以后接受巡檢。因國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB471793要求報(bào)警信號(hào)須在10秒內(nèi)發(fā)出，一直探測(cè)器發(fā)出三次以上報(bào)警才算真正報(bào)警。，如默認(rèn)最大探頭數(shù)為50，滿足要求。所以默認(rèn)最大探頭數(shù)為50，巡檢次數(shù)定為24次。2) 流程圖 主程序流程圖 數(shù)據(jù)處理程序1) 說(shuō)明根據(jù)探頭規(guī)格有三種數(shù)據(jù)處理程序。2) 流程圖第一種 數(shù)據(jù)處理程序流程圖a第二種 數(shù)據(jù)處理程序流程圖b第三種 數(shù)據(jù)處理程序流程圖c 程序發(fā)送子程序1) 說(shuō)明發(fā)送程序以是對(duì)統(tǒng)一信號(hào)的回復(fù)，發(fā)送程序二是對(duì)巡檢信號(hào)的回復(fù)。2) 流程圖第一種 程序發(fā)送子程序a第二種 程序發(fā)送子程序b