【導(dǎo)讀】少于萬字），A0圖紙。合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。3．按學(xué)院指定的地點進行設(shè)計，嚴(yán)格按照進度計劃完成畢業(yè)設(shè)計任務(wù)。火災(zāi)已成為我國常發(fā)性和破壞性以及影響力最強的災(zāi)害之一。和城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市高層、地下建筑以及大型綜合性建筑日益增多，計的火災(zāi)報警系統(tǒng)是為了避免火災(zāi)造成的重大損失。控制器AT89C51是火災(zāi)報警系統(tǒng)的核心。光電式感煙傳感器與溫度傳感器。LM94022的組合使用保證了報警的可靠性，減小了系統(tǒng)的誤報率。有效地防止和減少火災(zāi)危害，對保護人身安全和財產(chǎn)安全具有現(xiàn)實意義。

　　

【正文】 位輸入端 REST 上加入高電平 ,采用的辦法是在 REST 端和正電源 Vcc 之間接一個按鈕。當(dāng)人為按下按鈕時，則 Vcc的 +5V 電平就會直接加到 REST 端，系統(tǒng)復(fù)位。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數(shù)十毫秒，所以，設(shè)計完全能夠滿足復(fù)位的時間要求。復(fù)位電路中 SWPB 為手動復(fù)位開關(guān)，電容 C10 可避免高頻諧波對電路的干擾。AT89C51 的復(fù)位電路如圖 33 所示。 第 3 章 火災(zāi)報警系統(tǒng)的硬件設(shè)計 23 圖 33 晶振電路與復(fù)位電路 傳 感器控制電路 由于傳感器輸出的模擬信號比較微弱，且含有干擾信號，所以系統(tǒng)需要將信號進行放大和濾波 [2,10]。 溫度傳感器使用的是高精度 模擬輸出 CMOS 溫度傳感器 LM94022，該傳感器的末級為推挽輸出，輸出電壓與感測的溫度成反比，即溫度越高輸出電壓越低；可提供 4 個不同增益讓用戶自行選擇，其中包括 ℃ 、 mV /℃ 、 /℃ 及 /℃ 。本設(shè)計溫度傳感器靈敏度選擇 ℃ ，所以 LM94022 的 GS0 和 GS1 端口都接地，溫度信號調(diào)理電路如圖 34 所示。煙霧傳感器輸出電壓較大，能達到幾伏，不需要放大煙霧信號，只需要將信號濾波處理，煙霧信號調(diào)理電路如圖 35所示。由于溫度、煙霧信號調(diào)理電路運放 LM324 接直流電源，電路中有直流，所以在電路中設(shè)計了起隔直通交的電容 C C C7。 系統(tǒng)采用固定門限檢測法 [12,14]判斷火災(zāi)是否發(fā)生，溫度閾值設(shè)定為 57℃ ，煙霧濃度閾值設(shè)燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 定為 %每英尺。 圖 34 溫度信號調(diào)理電路 電路設(shè)計中要求高輸入低輸出，故放大電路、濾波電路的前置電阻 RR8 的阻值設(shè)為 10K 和 1K[15]。由于運放 LM324 的輸入級是差動放大電路，要求兩端輸入回路參數(shù)對稱，即 PN RR ? ， FN RRR //1? ，故 645 //RRR ? ，KR ? 。依據(jù)運算放大器 “ 虛短 ” 、 “ 虛斷 ” 特性，有 ??? uu 。電壓放大倍數(shù)為： 464u RRRRA Ff ?? ， 6uf ??A (31) 圖 35 煙霧信號調(diào)理電路 濾波電路能使有用頻率信號通過，同時抑制無用頻率成分，濾除或衰減無用頻率信號到足夠小。一階濾波電路過渡帶較寬，幅頻特性的最大衰減頻率僅為 20dB/十倍頻。 為使濾波器的濾波特性接近理想特性，即在通頻帶內(nèi)特性曲線更平緩在同頻帶外特性曲線衰減更陡峭，只有增加網(wǎng)絡(luò)的級數(shù)，系第 3 章 火災(zāi)報警系統(tǒng)的硬件設(shè)計 25 統(tǒng)使用二階濾波器電路 [8]。由于在火災(zāi)發(fā)生早期，溫度煙霧信號是一種緩變信號 [3,18]，故系統(tǒng)使用二階有源低通濾波器電路（ Low Pass Filter， LPF）。將串聯(lián)的兩節(jié) RC 低通網(wǎng)絡(luò)直接與反向電壓跟隨器電路相連，可構(gòu)成煙霧、溫度調(diào)理電路中的簡單二階低通濾波器電路 [9,22]。二階低通濾波電路中KRRRRR 1141398 ????? ， FCCCCC ? ????? 。 LPF 電路電壓放大倍數(shù)為： 2u )s(s31 1s RCRCA ???）（ (32) 用 ?j 取代 s，且令 RC?2f0 ? ， KH? ，得出電壓放大倍數(shù)為： 020uff3jff11???????????A (33) 由于為信號頻率二次冪的函數(shù)式，故為二階 LPF。設(shè) 帶通截止頻率為 Hf ，則當(dāng) Hff? 時，上式的分母的模應(yīng)等于 2 ，可解出二階 LPF 的上限截止頻率為： ?H ， KHH ? (34) 二階低通濾波電路的衰減斜率可達 40dB/十倍頻，但是 又 由于 Hf 遠(yuǎn)離0f ，即在 0ff? 處，信號的放大倍數(shù)已急劇下降，所以該濾波電路以降低濾波器通頻帶為代價來獲得濾波器衰減斜率 [3,22]。 聲光報警電路 聲光報警電路在 AT89C51 的控制下，可以根據(jù)不同的情況（火災(zāi)、異常、故障 )，發(fā)出不同的聲光信號報警。 聲音報警電路如圖 36 所示。由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致于單片機的 I/O 口是無法直接驅(qū)動的，所以要利用放大電路來驅(qū)動，一般使用三極管來放大電流就可以了。聲報警電路由單片機的 P10 引腳 進行控制，當(dāng) P10 輸出的電平為高電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音報警；否則，三極管截止，蜂鳴器不發(fā)出聲音 [6,22]。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 圖 36 蜂鳴器報警 圖 37 光報警電路 光報警電路路如圖 37，其中單片機的 P2 口進行控制， P2 口的 P23～P26 分別控制 4 個發(fā)光二極管，予以光報警，如圖所示。 P23～ P26 控制的燈依次為紅色 (火災(zāi)信號燈 )、紅色 (異常信號燈 ) 、黃色 (故障信號燈 )和綠色(正常信號燈 ) 。當(dāng) P23～ P26 輸出低電平時，對應(yīng)的信號燈便會發(fā)光報警。 第 3 章 火災(zāi)報警系統(tǒng)的硬件設(shè)計 27 數(shù)據(jù)采集 與分析 電路 本 設(shè)計中的 A/D 使用的是通用 8 位芯片 ADC0809，芯片的幾個重要管腳功能如下 [18]： ALE 為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng) 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 IN0IN7 上的一路模擬量輸入，通道選擇如表所示。 START為轉(zhuǎn)換啟動信號，當(dāng) START 上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進行 A/D 轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間， START 應(yīng)保持低電平。 EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當(dāng) EOC 為高電平時， 表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進行 A/D 轉(zhuǎn)換。OE 為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。 OE＝ 1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)； OE＝ 0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài) [19]。 由于本設(shè)計中數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片使用的是 ADC0809，其工作的時鐘信號為500KHz，因其內(nèi)部沒有時鐘電路，時鐘信號由外部 AT89C51 的 ALE 端口提供。系統(tǒng) AT89C51 與 ADC0809 接口電路如圖 38 所示。 圖 38 AT89C51 與 ADC0809 接口電路 當(dāng) AT89C51 的 ALE 端口不訪問外部存儲器時， AT89C51 的 ALE 端以時鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的正脈沖信號，故晶振設(shè)定 12MKz，再經(jīng)過二燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 分頻電路，單片機即可向 ADC0809 輸出 500KHz 的時鐘信號。二分頻電路由 D 觸發(fā)器實現(xiàn)， R、 S 端接地， D 接 Q 非， Q 端作為輸出端， CLK 接 AT89C51的 ALED 端。 D 觸發(fā)器的特性方程為 [3,15] DQ ??1n （ 35） 由于當(dāng) CP=1 時， D 觸發(fā)器有效； CP=0 時，觸發(fā)器保持原來狀態(tài)。故D 觸發(fā)器能 實現(xiàn)對 ALE 端口的信號二分頻 [1,14]]。由于本火災(zāi)報警系統(tǒng)只采集溫度、煙霧信號，經(jīng)過調(diào)理的溫度、煙霧信號分別進入 ADC0809 的 IN0和 IN1 端口，其余輸入引腳接地， 8 個數(shù)字量輸出引腳接 AT89C51 的 P0口。單片機的 P0 口接受 ADC0809 傳輸來 8 位數(shù)字量，向 A/D 輸出的 8 位地址經(jīng)地址鎖存器 74LS373 鎖存，選擇低 3 位地址作為 A/D 的通道選通地址。 ADC0809 通道選通如表 31。 表 31 ADC0809 通道選通 通入通道 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 A B C 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 本設(shè)計使用 74LS373 作為地址鎖存器，當(dāng)三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時，輸出端 Q0~Q7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負(fù)載或總線。當(dāng) OE 為高電平時， Q0~Q7 呈高阻態(tài)，既不驅(qū)動總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。圖中 三態(tài)允許控制端 OE 接地，表示三態(tài)門一直打開。鎖存允許端 LE 為高電平時，輸出端 Q0~Q7 狀態(tài)與輸入端 D0~D7狀態(tài)相 同；當(dāng) LE 由 “ 1” 變?yōu)?“ 0” 時，數(shù)據(jù)輸入鎖存器中。 LE 端接至單片機的地址鎖存允許 ALE 端。 當(dāng) P20=0時，與寫信號 WR共同選通 ADC0809。圖中 ALE信號與 START信號連在一起，在 WR 信號的前沿寫入地址信號，在其后沿啟動轉(zhuǎn)換。當(dāng)ALE 端口變?yōu)楦唠娖?，?74LS373 輸出端的低 3 位地址存入 A/D 的地址鎖存器中，此地址經(jīng)譯碼選通 8 路模擬輸入之一到比較器。 START 上升沿將A/D 內(nèi)的寄存器清零，下降沿啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，之后 EOC 端變成低電平，指示轉(zhuǎn)換正在進行。例如，輸出地址 F8H 可選通通道 IN0，實現(xiàn)對溫度 傳感器第 3 章 火災(zāi)報警系統(tǒng)的硬件設(shè)計 29 輸出的模擬量進行轉(zhuǎn)換；輸出地址 F9H 可選通通道 IN1，實現(xiàn)對煙霧傳感器輸出的模擬量進行轉(zhuǎn)換。 ADC0809 的轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號 EOC 接到 AT89C51的 INT1 引腳，當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換完成后， EOC 變?yōu)楦唠娖剑硎巨D(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器 ,并產(chǎn)生產(chǎn)生中斷。當(dāng) AT89C51 知道 A/D 轉(zhuǎn)換完成后，P20 與讀信號 RD 共同控制下的 A/D 端口 OE 電平變?yōu)楦唠娖綍r，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到單片機上。 本章小結(jié) 本章主要介紹了該火災(zāi)報警系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。主要有電源模塊的設(shè)計來為該系統(tǒng)提供適合的 工作電源，單片機小系統(tǒng)電路包括晶振電路和復(fù)位電路，傳感器的控制電路來進行煙霧和溫度信號的采集并轉(zhuǎn)換為電信號，聲光報警電路的設(shè)計來實現(xiàn)報警功能，數(shù)據(jù)采集與分析電路的設(shè)計 將 經(jīng) 放大濾波 處理過的溫度和煙霧信號 分析處理來發(fā)出報警指令。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 第 4 章 火災(zāi)報警系統(tǒng)軟件設(shè)計 基于 Keil C51 軟件開發(fā)環(huán)境 本系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)的匯編語言而采用 C 語言進行程序設(shè)計。因為 C 語言的描述由函數(shù)組成，是一種結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計語言，所以更容易實現(xiàn)模塊化，而且具有可讀性好，易于移植等優(yōu)點，同時還有匯編語言一樣的位操作功能的硬件詳細(xì)控制 指令 [6,8]。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面，可以使用結(jié)構(gòu)體和數(shù)組，能夠處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)，可用于實時處理系統(tǒng)。 本系統(tǒng)的軟件編程使用的是美國 Keil Software 公司出品的 Keil C51，是51 系列兼容單片機 C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng) [7,10]。 Keil C51 軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全 Windows 界面。另外重要的一點，Keil C51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。 C51 工具包的整體結(jié)構(gòu)中， Vision 與 Ishell 分 別是 C51 for Windows 和for Dos 的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個開發(fā)流程 [21,22]。開發(fā)人員可用 IDE 本身或其它編輯器編輯 C 或匯編源文件。然后分別由 C51 及 A51 編譯器編譯生成目標(biāo)文件 (OBJ)。目標(biāo)文件可由 LIB51 創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經(jīng) C51 連接定位生成絕對目標(biāo)文件 (ABS)。 ABS 文件由 OH51 轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 Hex 文件，以供調(diào)試器dScope51 或 tScope51 使用進行源代碼級調(diào)試，也可由仿真器使用直接對 目標(biāo)板進行調(diào)試，也可以直 接寫入程序存貯器如 EPROM 中。 火災(zāi)報警系統(tǒng)程序設(shè)計 為了便于系統(tǒng)維護和功能擴充，采用了模塊化程序設(shè)計方法，系統(tǒng)各個模塊的具體功能都是通過子程序調(diào)用實現(xiàn)的 ， 既使得程序結(jié)構(gòu)清晰，又便于以后進一步擴展其功能 。本系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集子程序、火災(zāi)判斷與報警子程序等 [14,22] 。 為了降低誤報率，系統(tǒng)采用了多次采集、多次判斷的方法。每次數(shù)據(jù)采集后根據(jù)得到的數(shù)據(jù)對現(xiàn)場情況進行判斷，然后綜合多次判斷結(jié)果做出最終的火情判斷。 第 4 章 火災(zāi)報警系統(tǒng)軟件設(shè)計 31 火災(zāi)報警系統(tǒng)控制器上采用 AT89C51 作為主控芯片，其主要功能包括：控制 IO 端口、邏 輯判斷處理、驅(qū)動外部電路和 A/D 采樣等，該部分是火災(zāi)報警系統(tǒng)智能化的集中體現(xiàn)。系統(tǒng)程序流程圖如圖 41 所示。 開始初始化第一次溫度煙霧信號采集第二次溫度煙霧信號采集報警判斷