【導(dǎo)讀】少于萬字），A0圖紙。合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。3．按學(xué)院指定的地點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，嚴(yán)格按照進(jìn)度計(jì)劃完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)?；馂?zāi)已成為我國(guó)常發(fā)性和破壞性以及影響力最強(qiáng)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(jì)的火災(zāi)報(bào)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(bào)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(bào)警的可靠性，減小了系統(tǒng)的誤報(bào)率。有效地防止和減少火災(zāi)危害，對(duì)保護(hù)人身安全和財(cái)產(chǎn)安全具有現(xiàn)實(shí)意義。

　　

【正文】 鈕復(fù)位需要人為在復(fù)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(gè)按鈕。當(dāng)人為按下按鈕時(shí)，則 Vcc的 +5V 電平就會(huì)直接加到 REST 端，系統(tǒng)復(fù)位。由于人的動(dòng)作再快也會(huì)使按鈕保持接通達(dá)數(shù)十毫秒，所以，設(shè)計(jì)完全能夠滿足復(fù)位的時(shí)間要求。復(fù)位電路中 SWPB 為手動(dòng)復(fù)位開關(guān)，電容 C10 可避免高頻諧波對(duì)電路的干擾。AT89C51 的復(fù)位電路如圖 33 所示。 第 3 章 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 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(hào)比較微弱，且含有干擾信號(hào)，所以系統(tǒng)需要將信號(hào)進(jìn)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(jí)為推挽輸出，輸出電壓與感測(cè)的溫度成反比，即溫度越高輸出電壓越低；可提供 4 個(gè)不同增益讓用戶自行選擇，其中包括 ℃ 、 mV /℃ 、 /℃ 及 /℃ 。本設(shè)計(jì)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(hào)調(diào)理電路如圖 34 所示。煙霧傳感器輸出電壓較大，能達(dá)到幾伏，不需要放大煙霧信號(hào)，只需要將信號(hào)濾波處理，煙霧信號(hào)調(diào)理電路如圖 35所示。由于溫度、煙霧信號(hào)調(diào)理電路運(yùn)放 LM324 接直流電源，電路中有直流，所以在電路中設(shè)計(jì)了起隔直通交的電容 C C C7。 系統(tǒng)采用固定門限檢測(cè)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(jì)（論文） 24 定為 %每英尺。 圖 34 溫度信號(hào)調(diào)理電路 電路設(shè)計(jì)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(yùn)放 LM324 的輸入級(jí)是差動(dòng)放大電路，要求兩端輸入回路參數(shù)對(duì)稱，即 PN RR ? ， FN RRR //1? ，故 645 //RRR ? ，KR ? 。依據(jù)運(yùn)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(hào)調(diào)理電路 濾波電路能使有用頻率信號(hào)通過，同時(shí)抑制無用頻率成分，濾除或衰減無用頻率信號(hào)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(jí)數(shù)，系第 3 章 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 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(hào)是一種緩變信號(hào) [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(jiǎn)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(hào)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(shí)，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(dá) 40dB/十倍頻，但是 又 由于 Hf 遠(yuǎn)離0f ，即在 0ff? 處，信號(hào)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(jià)來獲得濾波器衰減斜率 [3,22]。 聲光報(bào)警電路 聲光報(bào)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(hào)報(bào)警。 聲音報(bào)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(jī)的 I/O 口是無法直接驅(qū)動(dòng)的，所以要利用放大電路來驅(qū)動(dòng)，一般使用三極管來放大電流就可以了。聲報(bào)警電路由單片機(jī)的 P10 引腳 進(jìn)行控制，當(dāng) P10 輸出的電平為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音報(bào)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(jì)（論文） 26 圖 36 蜂鳴器報(bào)警 圖 37 光報(bào)警電路 光報(bào)警電路路如圖 37，其中單片機(jī)的 P2 口進(jìn)行控制， P2 口的 P23～P26 分別控制 4 個(gè)發(fā)光二極管，予以光報(bào)警，如圖所示。 P23～ P26 控制的燈依次為紅色 (火災(zāi)信號(hào)燈 )、紅色 (異常信號(hào)燈 ) 、黃色 (故障信號(hào)燈 )和綠色(正常信號(hào)燈 ) 。當(dāng) P23～ P26 輸出低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的信號(hào)燈便會(huì)發(fā)光報(bào)警。 第 3 章 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 27 數(shù)據(jù)采集 與分析 電路 本 設(shè)計(jì)中的 A/D 使用的是通用 8 位芯片 ADC0809，芯片的幾個(gè)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(shí)，地址鎖存與譯碼器將 A， B， C 三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)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(dòng)信號(hào)，當(dāng) START 上跳沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時(shí)，開始進(jìn)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(hào)。當(dāng) EOC 為高電平時(shí)， 表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號(hào)，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)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(jì)中數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片使用的是 ADC0809，其工作的時(shí)鐘信號(hào)為500KHz，因其內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，時(shí)鐘信號(hào)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(chǔ)器時(shí)， AT89C51 的 ALE 端以時(shí)鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的正脈沖信號(hào)，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(jì)（論文） 28 分頻電路，單片機(jī)即可向 ADC0809 輸出 500KHz 的時(shí)鐘信號(hào)。二分頻電路由 D 觸發(fā)器實(shí)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(shí)， D 觸發(fā)器有效； CP=0 時(shí)，觸發(fā)器保持原來狀態(tài)。故D 觸發(fā)器能 實(shí)現(xiàn)對(duì) ALE 端口的信號(hào)二分頻 [1,14]]。由于本火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)只采集溫度、煙霧信號(hào)，經(jīng)過調(diào)理的溫度、煙霧信號(hào)分別進(jìn)入 ADC0809 的 IN0和 IN1 端口，其余輸入引腳接地， 8 個(gè)數(shù)字量輸出引腳接 AT89C51 的 P0口。單片機(jī)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(jì)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(shí)，輸出端 Q0~Q7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動(dòng)負(fù)載或總線。當(dāng) OE為高電平時(shí)， Q0~Q7 呈高阻態(tài)，既不驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(shí)，數(shù)據(jù)輸入鎖存器中。 LE 端接至單片機(jī)的地址鎖存允許 ALE 端。 當(dāng) P20=0 時(shí)，與寫信號(hào) WR共同選通 ADC0809。圖中 ALE信號(hào)與 START信號(hào)連在一起，在 WR 信號(hào)的前沿寫入地址信號(hào)，在其后沿啟動(dòng)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(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換，之后 EOC 端變成低電平，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。例如，輸出地址 F8H 可選通通道 IN0，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度 傳感器第 3 章 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 29 輸出的模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換；輸出地址 F9H 可選通通道 IN1，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙霧傳感器輸出的模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 ADC0809 的轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號(hào) 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(hào) RD 共同控制下的 A/D 端口 OE電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，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(jī)上。 本章小結(jié) 本章主要介紹了該火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)。主要有電源模塊的設(shè)計(jì)來為該系統(tǒng)提供適合的 工作電源，單片機(jī)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(jìn)行煙霧和溫度信號(hào)的采集并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，聲光報(bào)警電路的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，數(shù)據(jù)采集與分析電路的設(shè)計(jì) 將 經(jīng) 放大濾波 處理過的溫度和煙霧信號(hào) 分析處理來發(fā)出報(bào)警指令。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 第 4 章 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 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(yǔ)言而采用 C 語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。因?yàn)?C 語(yǔ)言的描述由函數(shù)組成，是一種結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，所以更容易實(shí)現(xiàn)模塊化，而且具有可讀性好，易于移植等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還有匯編語(yǔ)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(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。 本系統(tǒng)的軟件編程使用的是美國(guó) Keil Software 公司出品的 Keil C51，是51 系列兼容單片機(jī) C 語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng) [7,10]。 Keil C51 軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全 Windows 界面。另外重要的一點(diǎn)，Keil C51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。 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(gè)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(kù)文件，也可以與庫(kù)文件一起經(jīng) C51 連接定位生成絕對(duì)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(jìn)行源代碼級(jí)調(diào)試，也可由仿真器使用直接對(duì) 目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試，也可以直 接寫入程序存貯器如 EPROM 中。 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 為了便于系統(tǒng)維護(hù)和功能擴(kuò)充，采用了模塊化程序設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)各個(gè)模塊的具體功能都是通過子程序調(diào)用實(shí)現(xiàn)的 ， 既使得程序結(jié)構(gòu)清晰，又便于以后進(jìn)一步擴(kuò)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(bào)警子程序等 [14,22] 。 為了降低誤報(bào)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)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(bào)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 31 火災(zāi)報(bào)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(dòng)外部電路和 A/D 采樣等，該部分是火災(zāi)報(bào)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(hào)采集第二次溫度煙霧信號(hào)采集