【文章內容簡介】 Z典型內部系統(tǒng)時鐘，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，構成各種廉價的測控應用系統(tǒng)。 TLC549的引腳圖 鍵盤輸入模塊芯片選擇本系統(tǒng)的門控密碼輸入部分采用HD7279(A)加64個獨立按鍵構成的鍵盤電路。HD7279(A)是一片具有串行接口的，可同時驅動8位共陰式數(shù)碼管(或64只獨立LED)的智能顯示驅動芯片，該芯片同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣[15]。HD7279內部含有譯碼器，可直接接受16進制碼，HD7279A還同時具有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。其特點如下： (1)串行接口 (2)各位獨立控制譯碼/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，方便控制獨立LED (5)64鍵鍵盤控制器，內含去抖動電路 HD7279引腳圖 系統(tǒng)各功能子模塊設計 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，一個是給USB接口供電的5V，另一個是給單片機供電的5V，所以選擇AMS1117來進行電壓調節(jié)。 輸出5V的電壓如上圖所示。 單片機內部結構及最小系統(tǒng) AT89S52/AT89C51的內部結構簡圖如下所示： AT89S52/AT89C51的內部結構簡圖 單片機的最小系統(tǒng)由單片機、外部晶振、以及復位電路組成。本系統(tǒng)使用的兩款單片機均需要5V供電，引腳布局也是相同的，所以他們的最小系統(tǒng)是可以互相轉換的[16]。在這里就以AT89S52為例來說明最小系統(tǒng)的構成。 AT89S52最小系統(tǒng)AT89S52單片機采用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： (1)電源及時鐘引腳：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。在訪問外部 存儲器時，可分時用作低8位地址線和8位數(shù)據(jù)線； P1口(～，即1~8腳)：P1口是一個帶有內部上拉電阻的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口是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I／O口。在訪問外部存儲器時，它送出高8位地址。 P3口(~，即10～17腳)：P3口是一個帶有內部上拉電阻的8雙向I／O口。在單片機中，這8個引腳都有各自的第二功能。在實際工作中大多數(shù)情況下AT89S52單片機都使用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外部計數(shù)0脈沖輸入端T1外部計數(shù)1脈沖輸入端WR寫外設控制信號輸出端RD讀外設控制信號輸出端 火災探測器的設計 火災是發(fā)生頻率比較高的災難，無論是電氣設備、煤氣泄漏還是人為的原因都有可能引發(fā)火災。依據(jù)人們的經(jīng)驗，在火災發(fā)生的初始階段及時報警，及時采取滅火措施能取得比較好的滅火效果，火災報警宜早不宜遲。 本文采用的DS18B20作為火災的溫度監(jiān)控傳感器，它是單總線結構與單片機僅需一根數(shù)據(jù)線即可，2端直接接單片機的管腳相連。 CH376與單片機連接圖 RS232串口設計為了便于上位機查看調試結果，我在整體系統(tǒng)中加入了串口來監(jiān)視程序運行的情況，我們采用串行接口RS232進行數(shù)據(jù)通信，RS232C是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標準。RS是英文“推薦標準”的縮寫，232為標識號，C表示修改次數(shù)。RS232C總線標準設有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道。其電路原理圖如下： MAX232串口電路 A/D模塊設計經(jīng)氣敏傳感器所檢測的電壓信號為模擬信號，無法直接被單片機所識別，所以在經(jīng)過放大電路后對信號進行A/D轉換，將模擬信號轉化為數(shù)字信號輸入單片機。首先對信號進行放大和濾波獲取我們需要的有用信號。將TGS202獲取到的模擬信號經(jīng)過前級放大電路和后續(xù)的二階低通濾波器整理后輸出為A/D的輸入信號。 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轉換為數(shù)字信號，然后輸出給單片機，單片機再進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理及相關控制。 A/D模塊電路圖 無線通信模塊本系統(tǒng)采用nrf24l01作為無線通信控制模塊，可使用手持的微型無線電遙控器，可以使報警裝置進入布防狀態(tài)或撤防狀態(tài)。在門和控制端均有一塊nrf24l01模塊進行無線通信，nrf24l01使用spi接口與單片機進行通信，由于AT89s52單片機上沒有硬件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 電機驅動模塊本文采用使用L297+L298的經(jīng)典電路設計，具有外圍元件簡單，工作穩(wěn)定性好的特點。L297+L298集成塊是專為步進電機驅動而設計。L298是雙Ｈ橋式驅動器。L298內含的功率輸出器件設計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是步進電機控制集成芯片（包括環(huán)形分配器），可產(chǎn)生四相驅動信號，應用于微處理機控制兩相雙極性和四相單極性步進電機。電動機可由半階梯、正常和斬波驅動模式驅動，同時設于晶片內的ＰＷＭ斬波線路容許以開關形式控制線路的電流。此器件只需要時鐘、方向和模式輸入信號。相位是由內部產(chǎn)生的，因此可減輕微處理機和程序設計的負擔。 本系統(tǒng)中使用電機來控制門鎖的打開和關閉，需要穩(wěn)定的輸出控制，所以采用了L297加L298電路，L297是步進電動機控制器(包括環(huán)形分配器)，L298是雙H橋式驅動器。它們所組成的微處理器至雙橋式步進電動機的接口如圖3所示。這種方式結合的優(yōu)點是，需要的元件很少從而使得裝配成本低，可靠性高和占空間少。并且通過軟件開發(fā)，可以簡化和減輕微型計算機的負擔。 。 電機控制電路L298芯片是一種高壓、大電流雙全橋式驅動器，其設計是為接受標準TTL邏輯電平信號和驅動電感負載的，例如繼電器、圓筒形線圈、直流電動機和步進電動機。具有兩抑制輸人來使器件不受輸入信號影響。每橋的三級管的射極是連接在一起的，相應外接線端可用來連接外設傳感電阻?？砂仓昧硪惠斎腚娫?，使邏輯能在低電壓下工作。L298芯片是具有15個引出腳的雙列直插式封裝的集成芯片。 鍵盤電路設計鍵盤電路是人機對話的重要組成部分，它主要實現(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)、傳輸命令等功能，是人機交互不可缺少的一種輸入方式。鍵盤是利用機械金屬點的結合和斷開來實現(xiàn)信息的輸入。一個鍵盤實際上就是一個開關，單片機根據(jù)I／O線的高低電平來判斷一個按鍵的開關狀態(tài)。微處理器所采用的鍵盤有兩種，一種是全編碼鍵盤；另一種是非編碼鍵盤。全編碼鍵盤能夠由硬件邏輯自動提供與被按鍵對應的編碼，此外，還會具有去抖動和多鍵、竄鍵保護電路，這種鍵盤使用方便，但需要較多的硬件，價格較貴，一般的單片機應用系統(tǒng)很少采用。非編碼鍵盤只簡單的提供行和列的矩陣，其它工作都靠軟件來完成，由于其經(jīng)濟實用，目前在單片機應用系統(tǒng)中多采用這種辦法[18]。本設計中采用了HD7279A鍵盤以減輕MCU的壓力，他可控制64個獨立按鍵及8個數(shù)碼管之間的通信，負責獲取輸入密碼傳給單片機以及顯示密碼，單片機獲取到輸入的密碼后進行比較后控制門鎖的開關。 EEPROM模塊EEPROM（電可擦寫可編程只讀存儲器）是用戶可更改的只讀存儲器（ROM），其可通過高于普通電壓的作用來擦除和重編程（重寫）。不像EPROM芯片，EEPROM不需從計算機中取出即可修改。在一個EEPROM中，當計算機在使用的時候可頻繁地反復編程，因此EEPROM的壽命是一個很重要的設計考慮參數(shù)。EEPROM是一種特殊形式的閃存，其應用通常是個人電腦中的電壓來擦寫和重編程。EEPROM在本系統(tǒng)用主要用來存儲用戶的密碼，配合鍵盤來實現(xiàn)對門鎖的監(jiān)控。SCL為同步時鐘輸入端，SDA為數(shù)據(jù)總線，與DS18B20一樣ST24C02B3也是單總線結構。 EEPROM電路4 系統(tǒng)軟件設計 上一章介紹系統(tǒng)的硬件設計，當完成了系統(tǒng)的硬件設計后，接下來就是要在系統(tǒng)硬件的基礎上編寫程序。本章主要介紹主控模塊以及部分功能模塊的單片機程序。 在實現(xiàn)火災監(jiān)控與防盜監(jiān)控的基本功能的過程有所不同，在本章我將在本章逐一介紹。但是大體的流程是一樣的，都是先進行硬件系統(tǒng)的初始化，然后等待傳感器或輸入設備獲取外部信號，緊接著實現(xiàn)所要的功能。鑒于整個系統(tǒng)的硬件資源的有限以及實際應用的情況，本系統(tǒng)的軟件設計部分并沒有嵌入任何操作系統(tǒng)，通過中斷系統(tǒng)來調度各個任務。 火災監(jiān)控部分主要程序 火災監(jiān)控主程序 . 首先要給傳感器預熱三分鐘，因為傳感器需要預熱一段時間才能正常采集煙霧和溫度信息。預熱同時，對傳感器加熱絲故障檢測，采用軟件方式檢測傳感器加熱絲或電纜線是否斷線或者接觸不良。程序初始化結束后，系統(tǒng)進入監(jiān)控狀態(tài)。AT89S52單片機對傳感器檢測到的煙霧濃度和溫度信號進行實時監(jiān)控，將采集到的信號經(jīng)過A/D轉換、平均值法濾波、線性化一系列處理，將檢測值與報警限設定值相比較，并作出判斷是否報警，同時將檢測到的溫度、濃度信號送入顯示器顯示通道，通過LED將相關的溫度、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，當發(fā)生火災時傳感器的采集到的溫度就會發(fā)生變化，當溫度值達到設定值時單片機會發(fā)出信號控制狀態(tài)指示等，同時當報警拉響之后，我們需要關閉報警聲音，這是需要一個按鍵，它由單片機程序來控制，關上按鍵后報警器會自動消除。這樣使報警器功能更加完善，給用戶帶來便利。Y開始初始化傳感器預熱、故障檢測鍵盤處理報警限設置報警子程序平均值法濾波線性化處理設置指示燈狀態(tài)YN是否按下模式切換A/D轉換N是否超過報警限濃度顯示 火災監(jiān)控主程序流程圖 火災監(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。這部分實現(xiàn)的功能包括各種I/O輸入輸出狀態(tài)的設定、寄存器初始化、中斷使能等。首先設定定時器工作方式，然后開系統(tǒng)中斷，以便響應中斷定時，及時對氣體濃度和溫度進行采樣。然后關閉蜂鳴器，開啟綠燈，設置報警限初值。YN開始定時器初始化開 中 斷關閉蜂鳴器，打開綠燈設定初值是否保持報警初值返回 主程序初始化流程圖（2）濾波子程序 在對氣體濃度采樣時，可能會遇到尖峰脈沖干擾的現(xiàn)象，這種干擾通常只影響個別采樣點的數(shù)據(jù)，得到的數(shù)據(jù)與其他采樣點的數(shù)據(jù)相差比較大，所以要進行處理。如果采用一般的平均值法，則干擾信號將被“平均”到計算結果上去，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N個采樣數(shù)據(jù)進行比較，去掉其中的最大值和最小值，然后計算余下的N–2個數(shù)據(jù)的算術平均值。這種方法既可濾去脈沖干擾又可濾去小型的隨機干擾，以保證報警器檢測煙霧濃度的準確性，減小誤報、錯報的可能。操作流程如下圖所示，首先設定采樣次數(shù)，調用A/D采樣子程序進行采樣，每次采樣完采樣次數(shù)自增1，當達到采樣達到提前設定的采樣次數(shù)后對采樣值進行處理，即先排序，去掉第一個個最后一個最大最小值，將剩余的第2到第9個采樣值累加求和，再求平均，最后將處理后的數(shù)據(jù)送入寄存器存儲。YN調用A/D采樣將采樣值排序求第二個到第九個采樣值的累加和將累加和求平均值送入寄存器開 始設定采樣次數(shù)已達到設定次數(shù)到設定次數(shù) 濾波子程序流程圖（3）線性化子程序 本論文報警器使用的TGS202型傳感器的電阻是隨著可燃氣體濃度值的升高而降低的，因此輸入單片機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系，為了實時顯示煙霧濃度需要對其進行線性化處理。在誤差許可范圍內，根據(jù)標定曲線形狀，以及單片機處理能力，把曲線分成若干小段，對每小段分別線性化根據(jù)分段線性插值法求輸入單片機的某一電壓值對應的煙霧濃度的 公式如下： () 式中，N為所分區(qū)間個數(shù)，f(x)為實際煙霧檢測濃度，x為實際氣體檢測濃度對應的電壓值，xi是區(qū)間的下限濃度對應電壓值，xi+1是區(qū)間的上限濃度對應電壓值，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 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）報警子程序當煙霧濃度或溫度值超過報警限設定值時，單片機會接收信號控制蜂鳴器發(fā)聲，對應指示燈會閃亮以提示操作人員采取安全對策或自動控制相關安全裝置，從而保障生產(chǎn)安全，避免火災和爆炸事故的發(fā)生。為防止誤報