【導(dǎo)讀】本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）。多傳感器火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文I. 摘要：從1847年世界上第一臺(tái)火災(zāi)報(bào)警裝置出現(xiàn)以來，隨著公共消防意識(shí)的提高與傳。感器技術(shù)的進(jìn)步，火災(zāi)檢測(cè)的特征量與界定閾值等問題已經(jīng)基本解決，但是現(xiàn)有的研究。在很大程度上并沒有解決系統(tǒng)適應(yīng)性與準(zhǔn)確性的矛盾。開發(fā)出優(yōu)秀的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)具有重要意義。本文首先簡(jiǎn)單介紹了火災(zāi)對(duì)人類生活的影響并介紹了當(dāng)今世界火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的發(fā)展。能設(shè)計(jì)并給出了系統(tǒng)與各個(gè)功能模塊的程序流程圖；之后詳細(xì)講解了系統(tǒng)的各功能模塊。硬件及軟件設(shè)計(jì)，其中硬件設(shè)計(jì)的最后部分還論述了提高系統(tǒng)抗干擾能力與可靠性的一。需要實(shí)現(xiàn)的功能以及各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，整個(gè)報(bào)警系統(tǒng)主要完成采集傳感器數(shù)據(jù)、處理信。息并做出判斷等功能。最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)能夠有效解決靈敏度與報(bào)警準(zhǔn)確率之間的矛盾，能夠。達(dá)到預(yù)期的效果。本設(shè)計(jì)具有高可靠性低誤報(bào)率等特點(diǎn)，有一定的實(shí)用價(jià)值。

　　

【正文】 業(yè)論文 20 看門狗簡(jiǎn)介 在實(shí)際應(yīng)用中，單片機(jī)的工作環(huán)境很復(fù)雜，易受到來自各方面的干擾，使內(nèi)部指針混亂或者進(jìn)入死鎖狀態(tài) 導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的無響應(yīng)或者崩潰，為了解決這一問題，通常會(huì)在設(shè)計(jì)中 加入程序運(yùn)行時(shí)間 (Runtime Monitoring)監(jiān)控電路 ，即 “看門狗 (Watchdog)”技術(shù)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到程序運(yùn)行時(shí)間超出預(yù)設(shè)值時(shí)自動(dòng)復(fù)位系統(tǒng) ，將系統(tǒng)指針強(qiáng)制指向 0000H 入口 ，使程序脫離死循環(huán)，可有效解決軟件系統(tǒng)的運(yùn)行故障。 本設(shè)計(jì)使用的 STC89C52RC 單片機(jī)內(nèi)置有硬件看門狗 ，使看門狗的配置極大地簡(jiǎn)化，僅需要 將 對(duì)應(yīng)的特殊功能寄存器 EN_WDT 賦給啟動(dòng)指即可完成看門狗的啟用。 看門狗的命令碼見表 36。 表 36 看門狗命令碼 位 其中， EN_WDT 為看門狗允許位，當(dāng)值為 “1”時(shí)，看門狗啟動(dòng)； CLR_WDT 為看門狗計(jì)時(shí)器清零位，值 為 “1”時(shí)將清零看門狗計(jì)時(shí)器，同時(shí)將此位置 “0”； IDLE_WDT 為看門狗 “空閑模式 ”位，當(dāng)置為 “1”時(shí)，看門狗定時(shí)器在空閑模式下 任然 計(jì)時(shí) ，置 “0”時(shí)則不會(huì)在空閑模式下計(jì)時(shí)。 PS2,PS1,PS0 為看門狗計(jì) 時(shí)器預(yù)分頻值， 預(yù)分頻值如表 37 所示。 表 37 看門狗計(jì)時(shí)器預(yù)分頻值 PS2 PS1 PS0 預(yù)分頻值 0 0 0 2 0 0 1 4 0 1 0 8 0 1 1 16 1 0 0 32 1 0 1 64 1 1 0 128 1 1 1 256 看門狗定時(shí)器溢出時(shí)間 可由 公式 “溢出時(shí)間 =(N預(yù)分頻 32768)/時(shí)鐘頻率 ”推算 ，其中 N 是單片機(jī)工作周期 T。例如 當(dāng) 單片機(jī)工作在 12T、 12MHz，預(yù)分頻 256 的狀態(tài)下時(shí)，看門狗定時(shí)器的溢出時(shí)間為 1225632768/12021000= 秒。 通訊與下載電路設(shè)計(jì) 由于 RS232 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定發(fā)送數(shù)據(jù)線 TXD 和接受數(shù)據(jù)線 RXD 采用 EIA 電平， 即 傳送助記符 地址 名稱 7 6 5 4 3 2 1 0 重置值 WDT_CONTR E1H WDT 控制 寄存器 EN_WDT CLR_WDT IDLE_WDT PS2 PS1 PS0 XX00, 0000 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 21 數(shù)字 “1”時(shí)，傳輸線上的電平在 3~15V之間；傳送數(shù)字 “0”時(shí)，傳輸線上的電平在 +3~+15V之間。但單片機(jī)串行口采用正邏輯的 TTL 電平，這樣就存在 TTL 電平與 EIA 電平的轉(zhuǎn)換問題，例如當(dāng)單片機(jī)和 PC 進(jìn)行串行通行時(shí)， PC COM1 或者 COM2 口發(fā)送引腳 TXD信號(hào)是 EIA 電平，不能直接與單片機(jī)串行口接收端 RXD 引腳相連；同樣單片機(jī)串行口發(fā)送端 TXD 引腳輸出信號(hào)采用正邏輯的 TTL 電平 ，也不能直接與 PC 串行口 COM1 或COM2 的 RXD 端相連。故在通訊電路中加入一片 MAX232CPE 芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，這樣可以實(shí)現(xiàn)程序的下載與仿真功能。 芯片的引腳分配以及邏輯 原理 圖見圖 317。 與 PC 進(jìn)行通訊時(shí)，系統(tǒng)通過串口 —USB 轉(zhuǎn)接線與 PC 連接，通過下載軟件將程序下載到單片機(jī)中，通訊模塊的硬件原理圖見圖 318。 圖 317 MAX232 電平轉(zhuǎn)換芯片引腳分配及邏輯原理圖 圖 318 通訊模塊硬件連接圖 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 20 A pr 201 0 S he e t of F i l e : E : \畢設(shè)資料 \電路圖 \ F i r e _A l e r t .dd b D r a w n B y :12345678 910111213141516R 1 I NR 2 I NT 1 I NT 2 I NC 1+C 1R 1 O U TR 2 O U TT 1 O U TT 2 O U TC 2+C 2GNDV+ V VCCU3M A X 232 C P E162738495D B 9C 13474C 12474C4474C6474 C7474V C CP 30P 31西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 22 小結(jié) 本章對(duì)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的 個(gè)硬件模塊設(shè)計(jì)作了詳細(xì)介紹，選擇 STC89C52RC 作為系統(tǒng)處理器，傳感器選用了 Pt100 熱電偶溫度傳感器、 HIS07 例子煙霧傳感器、 ME4CO電化學(xué)一氧化碳傳感器，詳細(xì)介紹了傳感器信息采集電路、示警與顯示電路、看門狗和通信模塊的設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)各模塊功能的結(jié)合 和 報(bào)警系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)工作。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 23 第 4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本章將詳細(xì)介紹火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)過程， 從 系統(tǒng)功能 對(duì)軟件設(shè)計(jì)的各方面要求 ，軟件開發(fā)環(huán)境 到 各個(gè)功能實(shí)現(xiàn)的軟件算法與代碼分析 。 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)對(duì)軟件設(shè)計(jì)的要求 火災(zāi)會(huì)給 帶來巨大的 生命財(cái)產(chǎn)損失，為此設(shè)計(jì)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)不僅需要能夠?qū)崿F(xiàn) 火災(zāi)監(jiān)控與報(bào)警功能，還需要 能在火災(zāi)環(huán)境下正常工作 ，即火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)不僅需要有良好的硬件性能，其軟件 也需要滿足運(yùn)行環(huán)境對(duì)穩(wěn)定性、 兼容 性和即時(shí)性要求，下面分別介紹這幾個(gè)要求的具體內(nèi)容。 1) 軟件運(yùn)行穩(wěn)定性： 由于火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的工作環(huán)境相比其它類型電子系統(tǒng)更為復(fù)雜， 往往在火災(zāi)中會(huì)處于高溫、高輻射或由電氣火災(zāi)引起的電磁干擾下 ，而這些環(huán)境因素對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響是巨大的。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，除了硬件選型時(shí)選擇抗干擾性能優(yōu)異的元件之外，在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)也需要從程序運(yùn)行穩(wěn)定性的角 度進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。 2) 兼容 性： 上一點(diǎn)中已經(jīng)說到，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)常工作于極端環(huán)境下，因此其硬件尤其是傳感器等 易損耗 部件 的更換會(huì)經(jīng)常發(fā)生，而當(dāng)沒有同樣型號(hào)的配件時(shí)，通常也只能用同類型器件替換，此時(shí)除了涉及到兼容性問題。 在設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要考慮到硬件的兼容性（工作電壓、電流、 信號(hào)強(qiáng)度等 ） ，在軟件方面 同樣 需要顧及到 軟件系統(tǒng)與替換器件的 兼容性（信號(hào)格式、工作周期等），以保證系統(tǒng)能正常運(yùn)行。 3) 數(shù)據(jù)處理即時(shí)性： 火災(zāi)發(fā)生時(shí)， 能不能及時(shí) 進(jìn)行 火災(zāi) 告警 將直接影響 能否 控制火災(zāi)規(guī)模、減少火災(zāi)造成的生命財(cái)產(chǎn)損失 。因此系統(tǒng)信息處理的即時(shí)性也 相當(dāng)重要，除了硬件設(shè)計(jì)方面 盡量降低信號(hào)延遲、減少硬件環(huán)節(jié)意之外，設(shè)計(jì)一個(gè)有效率的 數(shù)據(jù)處理算法顯得相當(dāng)重要。但是數(shù)據(jù)處理算法的設(shè)計(jì)又不能一味 采用高速處理算法，在同樣的硬件環(huán)境下，隨著處理速度的提高，誤警率 會(huì)呈對(duì)數(shù)形式提高，所以在軟件中數(shù)據(jù)處理算法 要在權(quán)衡準(zhǔn)確性與速度的前提下 做出相對(duì)最優(yōu)的設(shè)計(jì)。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 24 軟件開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以 51 系列單片機(jī)為核心展開的，該系列單片機(jī)所采用的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，針對(duì)此系列單片機(jī)開發(fā) 過程發(fā)布的指令集也相當(dāng)齊全， 極大的簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程，考慮到軟件開發(fā)的 編程難度，單片機(jī)的軟件 設(shè)計(jì)使用 C 語(yǔ)言作為開發(fā)語(yǔ)言。 C 語(yǔ)言是一種通用編程語(yǔ)言，既可用于 PC 程序設(shè)計(jì)，也可以對(duì)單片機(jī)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，由于 C 語(yǔ)言 既有 高級(jí)語(yǔ)言 很強(qiáng)的表達(dá)性和運(yùn)算能力，又可以像低級(jí)語(yǔ)言直接對(duì)硬件進(jìn)行操作 ，能夠解決匯編編程中的很多問題。雖然 從代碼運(yùn)行效率上來看 C 語(yǔ)言設(shè)計(jì)的軟件代碼冗余度較匯編代碼 更 高 ，但卻具有匯編程序不具備的高度可移植性 ， 且本設(shè)計(jì)使用的單片機(jī)內(nèi)置程序存儲(chǔ)器有足夠空間 。 此外由于匯編程序開發(fā)周期長(zhǎng)，調(diào)試相對(duì)困難，程序可讀性低等缺點(diǎn)， 故使用 C 語(yǔ)言作為軟件開發(fā)的語(yǔ)言。 設(shè)計(jì)所采用 由 Keil Software 基于 Windows 開發(fā)的 Keil μVision3 單片機(jī)開發(fā)平臺(tái)，軟件包含一個(gè)高效的編輯器、一個(gè)項(xiàng)目管理器和一個(gè)制作工具，支持所有的 KEIL 8051工具包括 C 編譯器宏匯編器連接 /定位器目標(biāo)代碼到 HEX 的轉(zhuǎn)換器 ，軟件具有如下特點(diǎn)： 1) 全功能的源代碼編輯器 ； 2) 器件庫(kù)用來配置開發(fā)工具設(shè)置 ； 3) 項(xiàng)目管理器用來創(chuàng)建和維護(hù)項(xiàng)目 ； 4) 集成 MAKE 工具可以匯編編譯和連接嵌入式應(yīng)用 ； 5) 對(duì)話框形式的開發(fā)工具的設(shè)置 ； 6) 源代碼級(jí) CPU 和外圍器件的調(diào)試器 ； 7) 使用 高級(jí) GDIAGDI 接口在目標(biāo)硬件上進(jìn)行軟件調(diào)試 /同 Monitor51 進(jìn)行通信 。 軟件 的運(yùn)行界面如圖 41 所示。 火災(zāi)報(bào)警 系統(tǒng) 軟件 流程 本系統(tǒng)的軟件分為自檢、傳感器 數(shù)據(jù)接收 、 數(shù)據(jù)分析處理與判斷 以及驅(qū)動(dòng)顯示和報(bào)警電路 幾個(gè)主要 功能 。程序開始運(yùn)行后，系統(tǒng)首先對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行初始化以便開始系統(tǒng)自檢，隨后系統(tǒng)進(jìn)入自檢階段，軟件將根據(jù)各個(gè)傳感器返回的信息判斷 傳感器功能是都正常，若發(fā)現(xiàn)異常將及時(shí) 把 錯(cuò)誤信息顯示出來 ，同時(shí)掛起系統(tǒng)，避免繼續(xù)運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)可能造成的損害 ，若傳感器正常，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)環(huán)境溫度對(duì)照事先寫入的環(huán)境權(quán)重?cái)?shù)值 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 25 圖 41 Keil μVision3 軟件開發(fā)界面 表分配 變量權(quán)值 ；然后系統(tǒng)開始進(jìn)入循環(huán)檢測(cè)各個(gè)傳感器返回?cái)?shù)據(jù)的監(jiān)控狀態(tài)，每一次遍歷傳感器返回信息后， 將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷是否有異常狀況 ， 數(shù)據(jù)判斷方式根據(jù)設(shè)計(jì)的權(quán)重算法進(jìn)行 模糊判斷 ， 確定為異常時(shí)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的消息提示或報(bào)警提示 。軟件總體流程圖見圖 42。 圖 42 軟件系統(tǒng)總體流程圖 本系統(tǒng)的報(bào)警 方式分為 2 種： “顯示警告消息 ”與 “消息 +蜂鳴器報(bào)警 ”。 根據(jù)火災(zāi)從產(chǎn)生到發(fā)展各個(gè)階段的特點(diǎn)， 作了以下設(shè)計(jì)： 1) 火災(zāi)初期示警： 初始化傳感器系統(tǒng)自檢開始讀取傳感器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)綜合分析是否異常 ？是否氣體異常 ？暗火火災(zāi)報(bào)警氣體濃度異常報(bào)警是是否暗火火災(zāi) ？是否明火火災(zāi) ？ 明火火災(zāi)報(bào)警否否其它異常提示否是是傳感器是否異常 ？傳感器異常提示是結(jié)束否是否西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 26 由于火災(zāi)發(fā)生的初期往往會(huì)有易燃物悶燒而產(chǎn)生煙霧和一氧化碳等氣體 ，而由于沒有明火，溫度的上 升并不明顯 ，根據(jù)這些特征，對(duì)火災(zāi)初期的檢測(cè)就集中在煙霧與一氧化碳濃度的監(jiān)控上，當(dāng)監(jiān)測(cè)到一氧化碳或煙霧濃度異常時(shí) ，將顯示氣體濃度異常的警示消息，此時(shí)蜂鳴器不工作。 2) 暗火火災(zāi)告警： 火災(zāi)從初期開始繼續(xù)發(fā)展，煙霧和一氧化碳濃度會(huì) 繼續(xù) 升高 ，溫度開始上升 ，但由于仍然沒有明火，仍然不會(huì)使溫度達(dá)到報(bào)警閾值 ，此時(shí)系統(tǒng)通過傳感器檢測(cè)到氣體和煙霧濃度的繼續(xù)升高， 將啟動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)將暗火火災(zāi)的消息顯示出來。 3) 明火火災(zāi)示警： 當(dāng)火災(zāi)發(fā)生至產(chǎn)生明火的狀態(tài)時(shí)火勢(shì)已經(jīng)具有一定的規(guī)模了，由于明火的出現(xiàn)，溫度會(huì)很快上升，同時(shí)消耗掉一 定的一氧化碳和煙霧，使這 兩者的測(cè)量數(shù)值反而會(huì)有一定下降，在環(huán)境氧氣消耗完之前，這個(gè)過程會(huì)持續(xù)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到溫度的快速上升 同時(shí)存在煙霧和易燃?xì)怏w時(shí)將顯示明火火災(zāi)報(bào)警消息， 并 啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警 。 軟件各功能模塊設(shè)計(jì) 系統(tǒng)自檢模塊設(shè)計(jì) 系統(tǒng)自檢模塊的功能是完成系統(tǒng)初期的傳感器功能檢測(cè)，測(cè)試傳感器是否正常，并得出系統(tǒng)工作環(huán)境的數(shù)據(jù)以選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)權(quán)值。 開機(jī)之后，通過主函數(shù)首先調(diào)用系統(tǒng)自檢函數(shù) system_chk()進(jìn)行自檢，程序首先會(huì)有一個(gè)約 500μs 的 延時(shí) ，防止因?yàn)橄到y(tǒng)初啟動(dòng)不穩(wěn)定造成的讀數(shù)錯(cuò) 誤，之后程序會(huì) 依次 啟動(dòng) 各個(gè) 傳感器所在的 A/D 轉(zhuǎn)換器讀取 信號(hào) ，由圖 3圖 36 所示的傳感器電路可知若 溫度 傳感器故障或拔出時(shí)， A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓將為 5V， 轉(zhuǎn)換結(jié)果將是 255，則將此數(shù)據(jù)作為判斷溫度傳感器是否正常的 判斷標(biāo)準(zhǔn) ，而一氧化碳傳感器和煙霧傳感器故障或拔出時(shí)， A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為 0，相應(yīng)輸出值為 0，則將此數(shù)據(jù)作為判斷煙霧和一氧化碳傳感器是否正常的判斷標(biāo)準(zhǔn)。 傳感器檢測(cè)確認(rèn)無誤之后，在屏幕上顯示 “SYSTEM NORMAL”字樣，然后根據(jù)讀取到的溫度信息對(duì)照權(quán)值分配表進(jìn)行權(quán)值分配，最后進(jìn)入系統(tǒng) 正式 運(yùn)行狀態(tài)。該模塊的軟件流程圖如圖 43 所示。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 27 圖 43 自檢模塊軟件流程圖 各傳感器數(shù)據(jù) 采集 與預(yù)處理 模塊 各傳感器的數(shù)據(jù)都是通過 A/D 轉(zhuǎn)換之后送入單片機(jī)的，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析之前需要先啟動(dòng)傳感器對(duì)應(yīng)的 A/D 轉(zhuǎn)換器讀取數(shù)據(jù) 。由于 A/D 轉(zhuǎn)換器的采樣與轉(zhuǎn)換速度很快，往往會(huì)產(chǎn)生很多重復(fù)值，故設(shè)計(jì)了一個(gè)采樣延遲和多次采樣平均值的算法：?jiǎn)?dòng) A/D 轉(zhuǎn)換之后 ，每一次采樣之前會(huì)延時(shí) 1ms，除此之外每次讀取的數(shù)據(jù)并不送入分析過程，而是先暫存在內(nèi)存中 ，每讀取 30 個(gè)數(shù)據(jù)