【文章內容簡介】 硬件設計本次設計的森林火災監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分主要由ZigBee模塊、主控芯片（STC89C52）、時鐘部分DS130顯示部分LCD160溫度傳感器電路、煙霧檢測電路和報警電路部分組成。各部分相互協(xié)作，構成有機統(tǒng)一的整體，從而實現(xiàn)通過煙霧濃度實現(xiàn)火災防范的功能。 單片機最小系統(tǒng)的設計STC89C52具有的特點是：40個引腳，128 比特隨機存取數(shù)據存儲器（RAM），4KB片內程序存儲器，5個中斷優(yōu)先級，2層中斷嵌套中斷，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口， 2個16位可編程定時計數(shù)器，片內時鐘振蕩器，2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路。 STC89C52可以通過硬件設置振蕩頻率為0Hz，也可以通過對軟件的設置來進入省電模式。在空閑的模式下，單片機的CPU就會停止工作而RAM定時計數(shù)器、串行口以及外部中斷系統(tǒng)繼續(xù)去工作，這樣就可以在掉電的情況下使振蕩器凍結，將數(shù)據保存在RAM中，掉電的時候系統(tǒng)會停止芯片的其它功能，直至外部中斷響應或硬件電路進行復位。STC89C52芯片有三種封裝形式PDIP、TQFP和PLCC，這三種不同的封裝形式適應不同產品的需求。特別注意：31腳(EA/VPP)是選擇片內外存儲器的引腳，當EA/VPP接高電平時，單片機在復位后從內部ROM的0000H開始執(zhí)行；當EA/VPP接低電平時，復位后直接從外部ROM的0000H開始執(zhí)行。單片機外圍需要一個復位電路，單片機在啟動時都需要復位，以使CPU及系統(tǒng)各個電路的狀態(tài)都處于一個確定的初始狀態(tài)，并且從這個初始狀態(tài)開始工作。復位后PC＝0000H，使單片機從第—個單元取指令。當振蕩器穩(wěn)定且系統(tǒng)處在正常的工作狀態(tài)，如果RST引腳上有一個保持2個機器周期以上的高電平，則CPU便能響應并復位系統(tǒng)[10]。單片機最小系統(tǒng)的復位方式有：上電復位和手動按鈕復位。為了保險起見，電源穩(wěn)定后還得經過一定時間的延時再撤除復位信號，以防止電源的開關或電源插頭分合的過程中所引起的抖動對復位的影響。最小系統(tǒng)中復位電路的電容C1的大小會直接影響單片機的復位時間，通常采用10uF左右極性電容，單片機最小系統(tǒng)的電容值越大復位時間就越短。單片機最小系統(tǒng)中晶振的振蕩頻率會直接影響到單片機的處理速度，頻率越大則處理速度越快。 時鐘電路：單片機引腳18和引腳19外接晶振及電容，STC89C52單片機的工作頻率在2~33MHz范圍內，單片機工作頻率取決于晶振XT的頻率。兩個小電容通常取值30pF，以保證振蕩器電路的穩(wěn)定性及快速性[11]。此設計中P0口作為輸出口用來驅動LCD顯示，而P0口內部又沒有上拉電阻，所以加上10K上拉電阻。： 單片機最小系統(tǒng)電路圖在單片機的最小電路系統(tǒng)上分別設計主模塊和從模塊。主模塊主要由單片機控制DS1302時鐘芯片，從模塊主要由單片機控制DS18B02溫度傳感器和MQ2煙霧傳感器，主從模塊同時由單片機控制LCD1602顯示器和Zigbee模塊。 時鐘電路設計 DS1302是一種低功耗，高性能的實時時鐘芯片，它是由美國DALLAS公司推出的。它附加31字節(jié)靜態(tài)RAM，采用SPI三線接口和單片機同步通信，且可以采用突發(fā)方式來一次性傳送多個字節(jié)的時鐘信號和RAM數(shù)據。DS1302實時時鐘能給單片機提供年、月、日、星期、時、分和秒等信息，一個月小于31天能自動調節(jié)。它采用兩個電源供電（主電源與備用電源），可以設置備用電源的充電方式，提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力，DS1302可以用于數(shù)據記錄，尤其是對某些具有特殊意義的數(shù)據點的記錄 ，能實現(xiàn)數(shù)據與出現(xiàn)該數(shù)據的時間同時記錄，基于這一點，DS1302可以實現(xiàn)定時功能，通過記錄的定時時間與實時時間比對，實現(xiàn)定時時間到后，發(fā)出信號。DS1302與單片機之間進行通信可以采用同步串行方式，且僅需用到三個口線：RES復位、I/O數(shù)據線和SCLK串行時鐘。DS1302工作的時候功耗較低，保持數(shù)據和時鐘信息的時候功率小于1mW。 DS1302內部管腳圖 DS1302內部管腳引腳號名稱功能1VCC1備份電源輸入2X13X24GND地5RST控制移位寄存器/復位6I/O數(shù)據輸入/輸出7SCLK串行時鐘8VCC2主電源輸入 DS1302的數(shù)據讀寫方式有兩種，一種是多字節(jié)操作方式，另一種是單字節(jié)操作方式。每次對時鐘/日歷的8字節(jié)或31字節(jié)RAM進行全體寫入或讀出的操作，稱其為多字節(jié)操作方式，而每次僅寫入或讀出一個字節(jié)數(shù)據稱為單字節(jié)操作。當以多字節(jié)方式寫時鐘寄存器時，必須按數(shù)據傳送的順序依次寫到8個寄存器中。但是，當以多字節(jié)方式寫RAM時，則不必寫所有31個字節(jié)。不管是否寫了全部31個字節(jié)，所寫的每一個字節(jié)都將傳送至RAM。DS1302是SPI總線驅動方式。它不僅要向寄存器寫入控制字，還需要讀取相應寄存器的數(shù)據。為了啟動數(shù)據傳輸，CE引腳信號應由低變高，當把CE驅動至邏輯1狀態(tài)時，SCLK必須為邏輯0，數(shù)據在SCLK的上升沿串行輸入。在開始的8個時鐘周期將命令字（具有地址和控制信息的8位數(shù)據）裝進移位寄存器之后，其余的時鐘在讀操作的時候輸出數(shù)據，在寫操作的時候輸入數(shù)據，所有數(shù)據在時鐘的下降沿變化。不管是讀周期亦或是寫周期，也無論是多字節(jié)傳送還是單字節(jié)傳送的方式，都要通過控制字指定40字節(jié)中的哪個會被訪問。對于單字節(jié)操作，包括命令字節(jié)在內，每次為2個字節(jié)，需要16個時鐘；對于時鐘/日歷多字節(jié)模式操作，每次為7個字節(jié)，需要72個時鐘；而對于RAM多字節(jié)模式操作，每次則為32字節(jié)，需要多達256個時鐘。所有寫入或讀出操作都是先向芯片發(fā)送一個命令字節(jié)?？刂谱止?jié)最高的有效位（位7）必須為邏輯1，如果為0，就不能將數(shù)據寫進DS1302中。位6為0，表示為存放或取出日歷時鐘的數(shù)據，為1表示為存放或取出RAM數(shù)據。操作單元的地址由位5至位1（A4A0）標示，而最低有效位（位0）若為1時表示要實行讀操作，為0時表示要實行寫操作?？刂谱止?jié)一般從其最低位來開始傳輸。在控制字指令輸入之后的下一個SCLK時鐘上升沿時，DS1302中寫入數(shù)據，數(shù)據的輸入從最低位（0位）開始。而同樣的，在緊跟8位控制字指令后的下一個SCLK脈沖的下降沿，讀出DS1302的數(shù)據，讀出的數(shù)據也是從最低位到最高位。：表 DS1302控制字1RAMA4A3A2A1A0RDCKWRDS1302中與時間、日期有關的寄存器共有12個，其中7個存放數(shù)據的格式為BCD碼格式。 DS1302寄存器讀寫地址讀寄存器寫寄存器Bit7Bit7Bit7Bit7Bit7Bit7Bit7Bit7范圍81H80HCH10秒秒005983H82H10分分005985H84H12010時時02324AM/PM11287H86H10日日13189H88H10月月1128BH8AH00000周178DH8CH10年年00998FH8EHWP0000000――第一行為秒寄存器，CH是時鐘暫停標志位，CH位為1的時候時鐘停止，為0的時候時鐘運行；第二行為分寄存器，bit0~bit6表示分鐘數(shù)，因采用BCD編碼，所以低四位所能表示的最大數(shù)字為9，計數(shù)滿則向高三位進1；第三行為時寄存器，12/24用來定義DS1302小時的運行模式，12小時的模式下bit5若為1表示PM(下午），bit5若為0表示AM(上午)；第八行為控制寄存器，bit7為寫保護位WP，當WP為1時，寫保護位可以防止對任何一個寄存器的寫操作，在任何對時鐘和RAM的寫操作之前，WP位必須為0 ； DS1302分別有SCLK、I/O、RST與單片機連接， ，： DS1302與單片機的接口電路 顯示電路設計工業(yè)字符型液晶LCD1602指的是顯示的內容為16*2，且能同時顯示兩行，每行16個字符。常見的LCD1602字符液晶顯示器有兩種，一種是藍色背光白色字體顯示，另一種是綠色背光黑色字體顯示，本課題所用LCD1602液晶顯示器模塊，顯示屏是藍色背光白色字體，因為白色字體藍色背光看起來比較清楚。LCD1602分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應用中并無差別。1602LCD所采用的是標準的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口。 引腳接口說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據2VDD電源正極10D3數(shù)據3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據4RS數(shù)據/命令選擇12D5數(shù)據5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據6E使能信號14D7數(shù)據7D0數(shù)據15BLA背光源正極8D1數(shù)據16BLK背光源負極 液晶顯示器LCD1602與單片機STC89C52的接口由一組8位數(shù)據傳輸線和3根控制線完成。LCD1602的RS、RW、數(shù)據輸入口DB0~~，因為是接在P0口,所以要接上拉電阻。： 圖 LCD1602與單片機的接口電路 煙霧檢測電路的設計MQ2氣體傳感器是SnO2(氧化錫)半導體氣敏傳感器屬于電阻型氣敏元件。它是利用氣體在半導體表面的氧化和還原反應導致敏感元件阻值變化。若氣濃度發(fā)生變化，其阻值也將隨之變化。根據這一變化，可以從阻值的變化得出吸附氣體的種類和濃度。MQ2的主要特點：(1)具有信號輸出指示。(2)雙路信號輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）(3)TTL輸出有效信號為低電平。（當輸出為低電平時信號燈亮，可直接單片機）(4)模擬量輸出0~5V電壓，濃度越高電壓值越高。(5)快速的響應恢復特性。(6)具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。(7)適宜于煙霧、液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣等的探測。主要由煙霧傳感器MQ2和相關元器件構成。 煙霧檢測電路圖傳感器的電導率是隨空氣中可燃氣體濃度的增大而增大，再使用相應的外圍電路就可將電導率的變化轉變成與該氣體濃度變化相對應的電信號。一般情況下，傳感器輸出的信號會比較弱，而且其中還包括了一些避免不了的干擾，對這種信號的放大就需要有很好的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗的放大電路。當傳感器輸出的信號經過前置放大電路對其進行的放大、濾波、電平調整后，輸出的信號才能滿足單片機對輸入信號的要求。煙霧傳感器是氣電變換器，它屬于氣敏傳感器，它將空氣中煙霧或可燃性氣體的含量(即濃度)轉化成對應的電壓或者電流信號，傳感器作為煙霧報警器的信號采集部分，是整個系統(tǒng)的核心組成部分之一。一個煙霧傳感器既可以只實現(xiàn)單個功能，也可以實現(xiàn)多種功能的。一個完整的煙霧傳感器都必須具有：(a)能夠檢測到某一種單一的煙霧，且對于其他的共存煙霧不響應或低響應； (b)對被檢測的煙霧應具有比較精準的靈敏度，可以有效地去檢測適用范圍之內的煙霧濃度；(c)對被檢測的信號應做到響應的速度快且重復性好；(d)其工作的穩(wěn)定性長期較好，制造成本比較低且其使用與維護較方便等條件。 DS18B20外圍電路的設計溫度傳感器我們選擇DALLAS(達拉斯)公司生產的DS18B20。主要是因為它精度高，測量范圍廣。除此之外，它還具有超小的體積，超低的硬件開消，精度高，抗干擾能力強，附加功能強等優(yōu)勢。它的封裝形式比較多樣化，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼式，主要根據應用場合的不同而改變其外觀。DS18B20數(shù)字溫度傳感器提供912位的攝氏溫度測量并有一個報警功能。它接收或者發(fā)送信息是通過一個單線接口，因此在DS18B20和中央處理器之間只需一條連接線。此外，DS18B20可以直接從單線通訊線上面攝取能量，所以除去了它對外部電源的需求。每個DS18B20都有一個比較特別的64位序列號，因此它允許多只DS18B20同時連在一根單線總線上。這一個特殊性能在HVAC環(huán)境控制、探測儀器或機器的溫度、建筑物以及過程監(jiān)測和控制等方面都非常有用。DS18B20的另一個功能是它能在無外部電源供電的情況下正常工作。由于DS18B20的溫度檢測和數(shù)字數(shù)據輸出在一個芯片上集成，因此抗干擾力更強。它的一個工作周期可以分為數(shù)據處理和溫度檢測兩個部分。DS18B20三種形態(tài)的存儲器分別為：（1）ROM 只讀存儲器。DS18B20共有64位ROM，它用來存放DS18B20的ID編碼，單線系列編碼（DS18B20的編碼是19H）是它的前8位，而芯片中唯一的序列號是后面48位，以上56位的CRC（冗余校驗）碼是最后8位。用戶不能更改數(shù)據出產時的設置；（2）RAM 數(shù)據暫存器，它用于內部的數(shù)據存取和計算，數(shù)據會在斷電后丟失。DS18B20的RAM共有9個字節(jié)，每個字節(jié)為8位。第1和第2個字節(jié)為溫度轉換之后的數(shù)據信息，第3和第4個字節(jié)為用戶EEPROM（經常用在溫度報警值儲存）的鏡像，它的值在上電復位的時候會被刷新。第5個字節(jié)則為用戶第3個EEPROM的鏡像。第第7和第8個字節(jié)是計數(shù)寄存器，它的設計目的是可以讓用戶獲得更高的溫度分辨率，它也是內部溫度轉換和計算的暫存單元。第9個字節(jié)是前8個字節(jié)的CRC碼；（3）EEPROM 非易失性記憶體。它用來存放一些需要長時間保存的數(shù)據、上限或者下限的溫度報警值和校驗數(shù)據，DS18B20一共有3位EEPROM，且都在RAM存在鏡像，用來方便用戶的操作。DS18B20的主要特征有：(1) 全數(shù)字的溫度轉換和輸