【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 Z典型內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘，電源為 3V至 6V。它能方便地采用三線串行接口方式與各種微處理器連接，構(gòu)成各種廉價(jià)的測(cè)控應(yīng)用系統(tǒng)。 TLC549的引腳圖 鍵盤(pán)輸入模塊芯片選擇本系統(tǒng)的門(mén)控密碼輸入部分采用HD7279(A)加64個(gè)獨(dú)立按鍵構(gòu)成的鍵盤(pán)電路。HD7279(A)是一片具有串行接口的，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管(或64只獨(dú)立LED)的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片同時(shí)還可連接多達(dá)64鍵的鍵盤(pán)矩陣[15]。HD7279內(nèi)部含有譯碼器，可直接接受16進(jìn)制碼，HD7279A還同時(shí)具有2種譯碼方式，HD7279(A)還具有多種控制指令，如消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等。其特點(diǎn)如下： (1)串行接口 (2)各位獨(dú)立控制譯碼/不譯碼及消隱和閃爍屬性 (3)(循環(huán))左移/(循環(huán))右移指令 (4)具有段尋址指令，方便控制獨(dú)立LED (5)64鍵鍵盤(pán)控制器，內(nèi)含去抖動(dòng)電路 HD7279引腳圖 系統(tǒng)各功能子模塊設(shè)計(jì) 電源模塊我所用的電源是輸出7V的鋰電池，而本文中涉及到的電路中的電壓，一個(gè)是給USB接口供電的5V，另一個(gè)是給單片機(jī)供電的5V，所以選擇AMS1117來(lái)進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。 輸出5V的電壓如上圖所示。 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及最小系統(tǒng) AT89S52/AT89C51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下所示： AT89S52/AT89C51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 單片機(jī)的最小系統(tǒng)由單片機(jī)、外部晶振、以及復(fù)位電路組成。本系統(tǒng)使用的兩款單片機(jī)均需要5V供電，引腳布局也是相同的，所以他們的最小系統(tǒng)是可以互相轉(zhuǎn)換的[16]。在這里就以AT89S52為例來(lái)說(shuō)明最小系統(tǒng)的構(gòu)成。 AT89S52最小系統(tǒng)AT89S52單片機(jī)采用40只引腳的雙列直插封裝(DP)方式，其40只引腳按功能可分3類(lèi)： (1)電源及時(shí)鐘引腳：Vet、Vss；XTALl、XTAL2。 (2)控制引腳：、ALE、／VP、RESET。 (3)I/O口引腳：PO、PPP3，為4個(gè)8位I／O口的外部引腳。 P0口（~，即39~32腳)：是雙向8位三態(tài)I／O口。在訪問(wèn)外部 存儲(chǔ)器時(shí)，可分時(shí)用作低8位地址線和8位數(shù)據(jù)線； P1口(～，即1~8腳)：P1口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I／O口。每一位都能作為可編程的通用輸入／輸出線。 P2口(~，即21~28腳)：P2口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I／O口。在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，它送出高8位地址。 P3口(~，即10～17腳)：P3口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8雙向I／O口。在單片機(jī)中，這8個(gè)引腳都有各自的第二功能。在實(shí)際工作中大多數(shù)情況下AT89S52單片機(jī)都使用P3口的第二功能，表31列出了P3口的第二功能[17]。 表31 P3口的第二功能引腳 第二功能名稱RXD串行口接收數(shù)據(jù)輸入端TXD串行口發(fā)送數(shù)據(jù)輸出端INT0外部中斷0輸入端 INT1外部中斷1輸入端 T0外部計(jì)數(shù)0脈沖輸入端T1外部計(jì)數(shù)1脈沖輸入端WR寫(xiě)外設(shè)控制信號(hào)輸出端RD讀外設(shè)控制信號(hào)輸出端 火災(zāi)探測(cè)器的設(shè)計(jì) 火災(zāi)是發(fā)生頻率比較高的災(zāi)難，無(wú)論是電氣設(shè)備、煤氣泄漏還是人為的原因都有可能引發(fā)火災(zāi)。依據(jù)人們的經(jīng)驗(yàn)，在火災(zāi)發(fā)生的初始階段及時(shí)報(bào)警，及時(shí)采取滅火措施能取得比較好的滅火效果，火災(zāi)報(bào)警宜早不宜遲。 本文采用的DS18B20作為火災(zāi)的溫度監(jiān)控傳感器，它是單總線結(jié)構(gòu)與單片機(jī)僅需一根數(shù)據(jù)線即可，2端直接接單片機(jī)的管腳相連。 CH376與單片機(jī)連接圖 RS232串口設(shè)計(jì)為了便于上位機(jī)查看調(diào)試結(jié)果，我在整體系統(tǒng)中加入了串口來(lái)監(jiān)視程序運(yùn)行的情況，我們采用串行接口RS232進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，RS232C是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA（Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫(xiě)，232為標(biāo)識(shí)號(hào)，C表示修改次數(shù)。RS232C總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有25條信號(hào)線，包括一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道。其電路原理圖如下： MAX232串口電路 A/D模塊設(shè)計(jì)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轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)。首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波獲取我們需要的有用信號(hào)。將TGS202獲取到的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)前級(jí)放大電路和后續(xù)的二階低通濾波器整理后輸出為A/D的輸入信號(hào)。 傳感器和后續(xù)的放大濾波電路A/D模塊將放大和濾波處理后的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后輸出給單片機(jī)，單片機(jī)再進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理及相關(guān)控制。 A/D模塊電路圖 無(wú)線通信模塊本系統(tǒng)采用nrf24l01作為無(wú)線通信控制模塊，可使用手持的微型無(wú)線電遙控器，可以使報(bào)警裝置進(jìn)入布防狀態(tài)或撤防狀態(tài)。在門(mén)和控制端均有一塊nrf24l01模塊進(jìn)行無(wú)線通信，nrf24l01使用spi接口與單片機(jī)進(jìn)行通信，由于AT89s52單片機(jī)上沒(méi)有硬件spi需要軟件模擬，圖3 13為nrf24l01的連接圖。圖中J2為連接天線的管腳。 nrf24l01連接圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊本文采用使用L297+L298的經(jīng)典電路設(shè)計(jì)，具有外圍元件簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。L297+L298集成塊是專為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)。L298是雙Ｈ橋式驅(qū)動(dòng)器。L298內(nèi)含的功率輸出器件設(shè)計(jì)制作在一塊石英基片上，由于制作工藝的同一性，因而具有分立元件組合電路不可比擬的性能參數(shù)一致性，工作穩(wěn)定。 L297是步進(jìn)電機(jī)控制集成芯片（包括環(huán)形分配器），可產(chǎn)生四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，應(yīng)用于微處理機(jī)控制兩相雙極性和四相單極性步進(jìn)電機(jī)。電動(dòng)機(jī)可由半階梯、正常和斬波驅(qū)動(dòng)模式驅(qū)動(dòng)，同時(shí)設(shè)于晶片內(nèi)的ＰＷＭ斬波線路容許以開(kāi)關(guān)形式控制線路的電流。此器件只需要時(shí)鐘、方向和模式輸入信號(hào)。相位是由內(nèi)部產(chǎn)生的，因此可減輕微處理機(jī)和程序設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)。 本系統(tǒng)中使用電機(jī)來(lái)控制門(mén)鎖的打開(kāi)和關(guān)閉，需要穩(wěn)定的輸出控制，所以采用了L297加L298電路，L297是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器(包括環(huán)形分配器)，L298是雙H橋式驅(qū)動(dòng)器。它們所組成的微處理器至雙橋式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的接口如圖3所示。這種方式結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)是，需要的元件很少?gòu)亩沟醚b配成本低，可靠性高和占空間少。并且通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)，可以簡(jiǎn)化和減輕微型計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)。 。 電機(jī)控制電路L298芯片是一種高壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，其設(shè)計(jì)是為接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載的，例如繼電器、圓筒形線圈、直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。具有兩抑制輸人來(lái)使器件不受輸入信號(hào)影響。每橋的三級(jí)管的射極是連接在一起的，相應(yīng)外接線端可用來(lái)連接外設(shè)傳感電阻?？砂仓昧硪惠斎腚娫矗惯壿嬆茉诘碗妷合鹿ぷ?。L298芯片是具有15個(gè)引出腳的雙列直插式封裝的集成芯片。 鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)鍵盤(pán)電路是人機(jī)對(duì)話的重要組成部分，它主要實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳輸命令等功能，是人機(jī)交互不可缺少的一種輸入方式。鍵盤(pán)是利用機(jī)械金屬點(diǎn)的結(jié)合和斷開(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的輸入。一個(gè)鍵盤(pán)實(shí)際上就是一個(gè)開(kāi)關(guān)，單片機(jī)根據(jù)I／O線的高低電平來(lái)判斷一個(gè)按鍵的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。微處理器所采用的鍵盤(pán)有兩種，一種是全編碼鍵盤(pán)；另一種是非編碼鍵盤(pán)。全編碼鍵盤(pán)能夠由硬件邏輯自動(dòng)提供與被按鍵對(duì)應(yīng)的編碼，此外，還會(huì)具有去抖動(dòng)和多鍵、竄鍵保護(hù)電路，這種鍵盤(pán)使用方便，但需要較多的硬件，價(jià)格較貴，一般的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)很少采用。非編碼鍵盤(pán)只簡(jiǎn)單的提供行和列的矩陣，其它工作都靠軟件來(lái)完成，由于其經(jīng)濟(jì)實(shí)用，目前在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中多采用這種辦法[18]。本設(shè)計(jì)中采用了HD7279A鍵盤(pán)以減輕MCU的壓力，他可控制64個(gè)獨(dú)立按鍵及8個(gè)數(shù)碼管之間的通信，負(fù)責(zé)獲取輸入密碼傳給單片機(jī)以及顯示密碼，單片機(jī)獲取到輸入的密碼后進(jìn)行比較后控制門(mén)鎖的開(kāi)關(guān)。 EEPROM模塊EEPROM（電可擦寫(xiě)可編程只讀存儲(chǔ)器）是用戶可更改的只讀存儲(chǔ)器（ROM），其可通過(guò)高于普通電壓的作用來(lái)擦除和重編程（重寫(xiě)）。不像EPROM芯片，EEPROM不需從計(jì)算機(jī)中取出即可修改。在一個(gè)EEPROM中，當(dāng)計(jì)算機(jī)在使用的時(shí)候可頻繁地反復(fù)編程，因此EEPROM的壽命是一個(gè)很重要的設(shè)計(jì)考慮參數(shù)。EEPROM是一種特殊形式的閃存，其應(yīng)用通常是個(gè)人電腦中的電壓來(lái)擦寫(xiě)和重編程。EEPROM在本系統(tǒng)用主要用來(lái)存儲(chǔ)用戶的密碼，配合鍵盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)門(mén)鎖的監(jiān)控。SCL為同步時(shí)鐘輸入端，SDA為數(shù)據(jù)總線，與DS18B20一樣ST24C02B3也是單總線結(jié)構(gòu)。 EEPROM電路4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 上一章介紹系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，當(dāng)完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)后，接下來(lái)就是要在系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上編寫(xiě)程序。本章主要介紹主控模塊以及部分功能模塊的單片機(jī)程序。 在實(shí)現(xiàn)火災(zāi)監(jiān)控與防盜監(jiān)控的基本功能的過(guò)程有所不同，在本章我將在本章逐一介紹。但是大體的流程是一樣的，都是先進(jìn)行硬件系統(tǒng)的初始化，然后等待傳感器或輸入設(shè)備獲取外部信號(hào)，緊接著實(shí)現(xiàn)所要的功能。鑒于整個(gè)系統(tǒng)的硬件資源的有限以及實(shí)際應(yīng)用的情況，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分并沒(méi)有嵌入任何操作系統(tǒng)，通過(guò)中斷系統(tǒng)來(lái)調(diào)度各個(gè)任務(wù)。 火災(zāi)監(jiān)控部分主要程序 火災(zāi)監(jiān)控主程序 . 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)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，將采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換、平均值法濾波、線性化一系列處理，將檢測(cè)值與報(bào)警限設(shè)定值相比較，并作出判斷是否報(bào)警，同時(shí)將檢測(cè)到的溫度、濃度信號(hào)送入顯示器顯示通道，通過(guò)LED將相關(guān)的溫度、濃度顯示。 主程序還包括狀態(tài)指示燈及按鍵功能，中斷子程序等，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)傳感器的采集到的溫度就會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)溫度值達(dá)到設(shè)定值時(shí)單片機(jī)會(huì)發(fā)出信號(hào)控制狀態(tài)指示等，同時(shí)當(dāng)報(bào)警拉響之后，我們需要關(guān)閉報(bào)警聲音，這是需要一個(gè)按鍵，它由單片機(jī)程序來(lái)控制，關(guān)上按鍵后報(bào)警器會(huì)自動(dòng)消除。這樣使報(bào)警器功能更加完善，給用戶帶來(lái)便利。Y開(kāi)始初始化傳感器預(yù)熱、故障檢測(cè)鍵盤(pán)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 火災(zāi)監(jiān)控主程序流程圖 火災(zāi)監(jiān)控各部分子程序 （1）初始化子程序 主程序初始化流程圖如下圖所示。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。YN開(kāi)始定時(shí)器初始化開(kāi) 中 斷關(guān)閉蜂鳴器，打開(kāi)綠燈設(shè)定初值是否保持報(bào)警初值返回 主程序初始化流程圖（2）濾波子程序 在對(duì)氣體濃度采樣時(shí)，可能會(huì)遇到尖峰脈沖干擾的現(xiàn)象，這種干擾通常只影響個(gè)別采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，得到的數(shù)據(jù)與其他采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)相差比較大，所以要進(jìn)行處理。如果采用一般的平均值法，則干擾信號(hào)將被“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。因此，我們提出去極值平均濾波法，即先對(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型的隨機(jī)干擾，以保證報(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。操作流程如下圖所示，首先設(shè)定采樣次數(shù)，調(diào)用A/D采樣子程序進(jìn)行采樣，每次采樣完采樣次數(shù)自增1，當(dāng)達(dá)到采樣達(dá)到提前設(shè)定的采樣次數(shù)后對(duì)采樣值進(jìn)行處理，即先排序，去掉第一個(gè)個(gè)最后一個(gè)最大最小值，將剩余的第2到第9個(gè)采樣值累加求和，再求平均，最后將處理后的數(shù)據(jù)送入寄存器存儲(chǔ)。YN調(diào)用A/D采樣將采樣值排序求第二個(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開(kāi) 始設(shè)定采樣次數(shù)已達(dá)到設(shè)定次數(shù)到設(shè)定次數(shù) 濾波子程序流程圖（3）線性化子程序 本論文報(bào)警器使用的TGS202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。： 開(kāi) 始 讀取濾波電壓X 返 回 差別并確定X所在的電壓區(qū)間求電壓值X與所在區(qū)間下限差Xm=XXi 求X所在區(qū)間的上下限濃度值的差Z=f(Xi+1)f(Xi)求上下限電壓值的差Xd=Xi+1Xi 求Z與Xd的比值K=Z/Xd 求K與X的和S=K*Xm 求f(X)=f(Xi)+S 保存濃度值 線性化子程序流程圖（4）報(bào)警子程序當(dāng)煙霧濃度或溫度值超過(guò)報(bào)警限設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)會(huì)接收信號(hào)控制蜂鳴器發(fā)聲，對(duì)應(yīng)指示燈會(huì)閃亮以提示操作人員采取安全對(duì)策或自動(dòng)控制相關(guān)安全裝置，從而保障生產(chǎn)安全，避免火災(zāi)和爆炸事故的發(fā)生。為防止誤報(bào)