【文章內(nèi)容簡介】 第3章 火災報警系統(tǒng)模塊設計本章將詳細闡述系統(tǒng)各個模塊的設計，包括各個模塊端口、硬件描述語言（VHDL）程序設計、功能實現(xiàn)。該火災報警系統(tǒng)由傳感器和主控器及其報警輔助設備（如蜂鳴器，指示燈）構(gòu)成，綜合考慮系統(tǒng)性能與成本，以EDA技術為核心的系統(tǒng)設計。其中傳感器負責數(shù)據(jù)采集，并送主控器；主控器負責數(shù)據(jù)處理與功能調(diào)用，完成傳感器檢測、數(shù)據(jù)分析、觸發(fā)火災的判斷以及驅(qū)動報警電路的工作。 控制器系統(tǒng)設計方案分析本系統(tǒng)設計要求，或在報警系統(tǒng)主控器可有以下三個電路模塊組成：數(shù)據(jù)采集控制轉(zhuǎn)換模塊，其功能是控制接收傳感器數(shù)據(jù)并控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADC0809進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換控制，發(fā)出控制信號；火災分析判斷模塊，其功能是根據(jù)采集轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)與災情預設值比較進行邏輯判斷環(huán)境的火災狀態(tài)，并根據(jù)判斷結(jié)果給出報警驅(qū)動信號，驅(qū)動報警裝置報警；火災等級顯示指示模塊，其功能是根據(jù)邏輯判斷得知環(huán)境狀態(tài)的火災等級將其用數(shù)碼管顯示，并有指示燈指示等級狀態(tài)?；馂膱缶到y(tǒng)控制器的系統(tǒng)框圖如（31）所示。其中，CLKIN為時鐘輸入信號，時鐘上升沿敏感；REST為復位信號，高電平有效是系統(tǒng)復位，重啟工作；HANDWORK為手動輸入報警信號；ADCEOC為數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADC0809轉(zhuǎn)換結(jié)束控制信號輸入；ADCDATA[7…0]數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADC0809輸出的8位數(shù)據(jù)；ADCADD為數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADC0809通道選擇控制信號輸出；ADCSTART、ADCRST、ADCALE、ADCCOE為數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADC0809轉(zhuǎn)換狀態(tài)控制信號輸出；LEDDRIVER、LEDCOM為數(shù)碼管顯示控制信號輸出；GLED、BLED、YLED、RLED為安全狀態(tài)等級指示燈控制輸出信號；ALARMNEWS報警驅(qū)動信號輸出；LEDA、LEDB、LEDC分別為溫度、煙霧濃度、一氧化碳濃度的邏輯判斷結(jié)果指示輸出信號?；馂膱缶刂破鞯墓ぷ髁鞒蹋菏紫?，對系統(tǒng)進行復位清零，使其各電路模塊均處于初始狀態(tài)；當時鐘輸入信號CLKIN有效時，給出模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809轉(zhuǎn)換控制信號開始轉(zhuǎn)換采集到的數(shù)據(jù)，然后讀入轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)ADCDATA[7…0]。此時，系統(tǒng)火災分析判斷模塊電路對數(shù)據(jù)進行邏輯判斷，給出溫度、煙霧濃度、一氧化碳濃度的判斷結(jié)果，并給出指示輸出信號LEDA、LEDB、LEDC，輸出報警驅(qū)動信號ALARMNEWS。同時，火災等級狀態(tài)顯示指示狀態(tài)模塊電路根據(jù)判斷結(jié)果有數(shù)碼管顯示火災狀態(tài)等級并輸出指示燈控制信號GLED、BLED、YLED、RLED。 主要電路模塊設計分析 ．1 數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換電路設計由于系統(tǒng)中的各個傳感器返回的信號均為模擬量，無法被控制器模塊電路直接接收和處理，所以需要將這些信號進行A/D轉(zhuǎn)換，本設計選用模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809進行A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換控制模塊主要實現(xiàn)對ADC0809進行模數(shù)轉(zhuǎn)的控制和轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理。ADC0809概述1）0809的芯片說明：ADC0809是COMS的8位A/D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部有一個8通道多路開關，可控制8個模擬量中的一個進入轉(zhuǎn)換器中，ADC0809是采樣分辨率為8位的，轉(zhuǎn)換時間約100us，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換，以逐次逼近原理進行?！獢?shù)轉(zhuǎn)換的器件。 ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖（32）所示 32 ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖由上圖可知，ADC0809由一個8路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。 （2）對ADC0809主要信號引腳的功能說明如下：IN7～IN0——模擬量輸入通道START——轉(zhuǎn)換啟動信號。START上升沿時，復位ADC0809；START下降沿時啟動芯片，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應保持 低電平。A、B、C——地址線。 通道端口選擇線，A為低地址，C為高地址，引腳圖中為ADDA，ADDB和ADDC。CLK——時鐘信號。ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。通常使用頻率為500KHz的時鐘信號ALE——地址鎖存允許信號。對應ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存EOC——轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。EOC=0,正在進行轉(zhuǎn)換；EOC=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標志，又可作為中斷請求信號使用。D7～D0——數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機的數(shù)據(jù)線直接 相連。D0為最低位，D7為最高OE—— 輸出允許信號。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。Vcc—— +5V電源。Vref——參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基準。其典型值為+5V(Vref(+)=+5V, Vref()=5V).（3）引腳結(jié)構(gòu)圖如下圖（33）所示：圖（33）引腳結(jié)構(gòu)圖 當ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0－IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表31所示。 表31 通道選擇C00001111B00110011A01010101通道ININ0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN72） ADC0809應用說明 （1）ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器。 （2）初始化時，使START和OE信號全為低電平。 （3）送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。 （4）在START端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。 （5）是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號來判斷。（6）當EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給處理器了。3） 主要特性（1）8路輸入通道，8位A／D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。 （2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。 （3）轉(zhuǎn)換時間為100μs （4）單個＋5V電源供電 （5）模擬輸入電壓范圍0～＋5V，不需零點和滿刻度校準。 （6）工作溫度范圍為40～＋85攝氏度 （7）低功耗，約15mW。 4) ADC0809的工作過程下圖（34）是ADC0809的主要控制信號時序圖。START是轉(zhuǎn)換啟動信號，高電平有效，上升沿將逐次逼近寄存器復位。ALE是3位通道選擇地址（ADDA、ADDB、ADDC）信號的所存信號。首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一。EOC是轉(zhuǎn)換情況狀態(tài)信號，當啟動 A／D轉(zhuǎn)換約100US后， EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行。直到A／D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平時，則控制輸出三態(tài)門打開，把轉(zhuǎn)換好的8位數(shù)據(jù)結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 對于ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的控制程序段的VHDL設計，根據(jù)ADC0809的A/D轉(zhuǎn)換控制要求，我們可以用一個狀態(tài)機來實現(xiàn)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換如下圖（35）所示右圖（36）是模數(shù)轉(zhuǎn)換器控制電路模塊框圖。首先，在接收到有效時鐘信號CLK時，根據(jù)數(shù)據(jù)通道選擇信號ADD采集到傳感器返回的數(shù)據(jù)，控制電路生成轉(zhuǎn)換開始的控制信號START，開始對采集到的數(shù)據(jù)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后根據(jù)各轉(zhuǎn)換狀態(tài)控制信號ALE、OC、EOC完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。當系統(tǒng)給出復位信號RST時，系統(tǒng)將重啟運行。 火災分析判斷模塊設計火災分析判斷電路。讀取到轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)后，根據(jù)電路程序的邏輯判斷思想，對數(shù)據(jù)與預設值進行比較該模塊的輸入信號有系統(tǒng)時鐘信號CLK，手動報警信號HAND，該信號色優(yōu)判斷，其電路框圖如右圖（37）。先級別最高，當該信號為高電平時，系統(tǒng)給出報警信號ALARM驅(qū)動報警。否則,系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)讀取控制信號ELECT，讀取數(shù)據(jù)DATA并與系統(tǒng)設定值進行比較判斷災情，若有災情給出相應的報警信號ALARM輸出,驅(qū)動報警裝置進行災情警報。并根據(jù)比較結(jié)果給出溫度、煙霧濃度、一氧化碳濃度的指示信號LEDA、LEDB、LEDC?；馂姆治雠袛嚯娐返臄?shù)據(jù)處理判斷邏輯流程如下圖38所示： 火災等級顯示指示模塊設計火災等級顯示電路的實質(zhì)其實就是一個簡單的LED共陰極顯示模塊的一譯碼器。七段數(shù)碼管常用的一般8字型abcdefgp,其中p為小數(shù)點，共陽極LED高電平有效，如右圖38所示。在本設計中不需要用到小數(shù)點位，因此用位寬為7的矢量表示7段數(shù)碼管即可。右圖39是火災等級顯示指示控制電路模塊框圖，GRADE為火災等級輸入信號，根據(jù)此信號系統(tǒng)給出等級顯示驅(qū)動信號SEG，同時，輸出相應的等級指示信號燈的指示信號GREENLED、BLUELED、YELLOWLED、REDLED。 傳感器的選型 溫度傳感器YHWEP01/Pt100YHWEP01/Pt100傳感器為本設計采用的高精度熱電偶溫度傳感器。傳感器工作時因環(huán)境溫度的變化，使自身內(nèi)阻發(fā)生相應變化產(chǎn)生相應，經(jīng)過放大整形后送入A/D轉(zhuǎn)換，成為能被控制器識別的溫度數(shù)據(jù)信號。其實物圖見圖（311），相關參數(shù)如表32所示。圖311 YHWEP01/Pt100溫度傳感器實物圖型號外形尺寸R0/Ω延長線/cm測量范圍/℃誤差/177。溫度系數(shù)αYHWEP01**100010(可加長)50~500+| t |+YHWEP02500表32 YHWEP01/Pt100溫度傳感器工作參由熱電偶的溫度計算公式： (31)其中，R0是0℃時的電偶內(nèi)阻，阻值1000Ω；溫度系數(shù)α=。由此可得，當溫度為200℃時，電偶內(nèi)阻Rt|t=200=1785Ω，又知電偶在t=0℃，驅(qū)動電壓為5V，故選用9kΩ電阻作為負載電阻，即圖312傳感器檢測電路中的電阻Rh，電阻Rt則為YHWEP01/Pt100熱電偶。圖312 溫度檢測電路原理圖 煙霧傳感器HIS07HIS07煙霧傳感器是日本為檢測煙霧而設計的新型傳感器，是為專用于煙霧檢測的傳感器實物圖及外形尺寸見圖313及圖314，其特性參數(shù)如表33所示。圖313 HIS07煙霧傳感器實物圖圖314 HIS07煙霧傳感器工程樣圖表33 HIS07煙霧傳感器工作參數(shù)靈敏度特性電源電壓特性濕度特性煙霧濃度%/英尺輸出電壓V誤差ΔV電源電壓V輸出電壓V濕度%RH輸出V0177。06177。30177。1177。177。9177。60177。2177。177。12177。90177。3177。177。15177。溫度特性4177。177。18177。溫度℃輸出V5177。177。0177。25177。50177。注：測試條件根據(jù)UL217標準，根據(jù)傳感器的特性，其輸出值正好是5V左右，因此不需要額外的放大電路，直接由A/D轉(zhuǎn)換即可得到需要的數(shù)字信號，煙霧檢測的電路原理圖如圖315所示。圖315 煙霧檢測電路原理圖 一氧化碳傳感器ME4COME4CO傳感器屬于電化學型傳感器，對電解容納室作了重新設計，減少了電解液泄露的風險，體積小，大幅度的減低了成本。輸出信號直線性、重復再現(xiàn)性優(yōu)越、不受濕度影響、電池可驅(qū)動。傳感器檢測煙霧的原理由以下反應式描述：CO + H2O→CO2 + 2H+ + 2e此時生成的電子分布在檢知電極，氫離子分布在電極旁邊的電解液中，形成兩層電。在此檢知電極和對向電極同外部電路相結(jié)合時，電子從檢知電極向?qū)ο螂姌O流動。氫離子在電解液中移動接受對向側(cè)電子，發(fā)生如下化學反應生成水。4H+ + O2 + 4e→2H2O其實物圖與主要性能參數(shù)分別如圖316和表34所示。圖316 ME4CO一氧化碳傳感器實物圖表34 ME4CO一氧化碳傳感器性能參數(shù)產(chǎn)品類型電化學氣敏元件分辨率1ppm塑料封裝（ME4）使用壓力范圍標準大氣壓177。10﹪產(chǎn)品封裝0—500ppm響應時間（T90）25S最