【導(dǎo)讀】本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的應(yīng)急燈控制器。該設(shè)計(jì)以MCS-51單片機(jī)為。核心，符合消防應(yīng)急燈具國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBl7945-2021。論文首先分析了消防應(yīng)急疏。接著介紹了常用消防應(yīng)急燈的分類，著重說(shuō)明了自帶電源消防應(yīng)急燈具的。工作原理，提出了符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的總體結(jié)構(gòu)框圖。隨后，合理的選擇了主要器。態(tài)檢測(cè)以及RS-485通信等功能。在軟件設(shè)計(jì)方面，分析了控制器的工作邏輯，畫(huà)出了系統(tǒng)主程序框圖和電池開(kāi)路、短路及正常狀態(tài)分析流程圖。

　　

【正文】 耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過(guò)調(diào)節(jié)控制端電流來(lái)改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的（見(jiàn)圖 ）。 當(dāng)在輸入端加一正向?qū)妷海?LED 發(fā)光，光敏三級(jí)管受光照，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，三級(jí)管相當(dāng)于開(kāi)關(guān)。此“開(kāi)關(guān)”的通斷由輸入端決定 。 U?O P T O I S O 1 1AK1CE 圖 TPL5211 引腳圖 26 1A—— 陽(yáng)極 1K—— 陰極 1C—— 發(fā)射極 1E—— 集電極 接口 51 單片機(jī)僅含有一個(gè)具有 UART 全部功能的串口，該接口可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，也可以作為一個(gè)同步移位寄存器使用。需要說(shuō)明的是，這個(gè)串口的信號(hào)電平是 TTL 電平，在近距離傳輸過(guò)程中可以比較好的滿足要求，一般可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定串口數(shù)據(jù)通信的距離是 5~10m，如果進(jìn)一步提高通信距離，誤碼率會(huì)明顯增加。在很多需要提高串口通信距離的應(yīng)用場(chǎng)合 RS485 可以很好的滿足要求。 RS485 標(biāo)準(zhǔn)采用平衡式發(fā)送、差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來(lái)驅(qū)動(dòng)總線，具體技術(shù)參數(shù)如下： 1） 接收器的輸入電阻 RIN? 12 ?K 。 2） 驅(qū)動(dòng)器能輸出 ? 7V 的共模電壓。 3） 輸入端的電容 ? 50pF . 4） 在節(jié)點(diǎn)數(shù)為 32 個(gè)，配置 120? 的終端電阻的情況下，驅(qū)動(dòng)器至少還能輸出電壓 。 5） 接收器的輸入靈敏度為 ? 200mV（即 VAVB? ，表示信號(hào)“ 1”；VAVB? ,表示信號(hào)“ 0”） 需要說(shuō)明的是， RS485 接口標(biāo)準(zhǔn)中 12 ?K 接收器輸入阻抗被稱為單位阻抗，在一個(gè)總線上最多只能連接 32 個(gè)單位阻抗的收發(fā)器。這使單個(gè)總連接多于 32 個(gè)節(jié)點(diǎn)成為可能，因?yàn)橐恍┹斎胱杩垢叩慕邮掌鞅粡V泛使用。 此外，在 RS485 總線末端接入 120? 的電阻是為了對(duì)通信線路進(jìn)行阻抗匹配。因?yàn)樾盘?hào)在傳送時(shí)，若遇到阻抗不連接的情況，會(huì)出現(xiàn)反射現(xiàn)象從而影響信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，所以必須采用匹配的辦法來(lái)消除反射。雙絞 線的特性阻抗一般在 110~130?之間，它與線的絕緣材料的厚度及導(dǎo)線的直徑有關(guān)，與絞合的松緊程度關(guān)系不是很大，所以通常在傳輸線末端連接 120? 的電阻進(jìn)行阻抗匹配。 在總線負(fù)載及阻抗匹配都符合技術(shù)要求的前提下， RS485 標(biāo)準(zhǔn)所達(dá)到的理論最高傳輸速度為 10Mbps，在此速率下的傳輸距離為 10m。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率在105~107bps 范圍內(nèi)時(shí)， 通信距離主要由傳輸線歐姆阻抗、集膚效應(yīng)等損耗引起信號(hào)畸變而受限制由于損耗與頻率有關(guān)，數(shù)據(jù)傳輸距離會(huì)隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的降低而增加。其關(guān)系可以用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：數(shù)據(jù)傳輸速率（ pbs） ? 傳輸距離 ? 108（ bps? m）。 27 當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率在 105bps 以下時(shí)，傳輸距離往往可以達(dá)到 1200m 以上。 MAXIM 公司生產(chǎn)的差分平衡型收發(fā)器芯片共有 8 種型號(hào)： MAX48 MAX48MAX485 以及 MAX487491。每種型號(hào)的 IC 芯片包含一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器，符合 RS485 通信標(biāo)準(zhǔn)。 本設(shè)計(jì)采用的是 MAX485 芯片。其工作電源為 +5V，額定電流為 300uA，采用雙工通訊方式。它完成獎(jiǎng) TTL 電平轉(zhuǎn)換為 RS485 電平的功能（見(jiàn)圖 ）。 RO—— 接收器的輸出 /RE—— 接收器輸出使能。 /RE=0，允許接收器輸出； /RE=1 接收器被禁止，輸出端為高祖。 DE—— 驅(qū)動(dòng)器輸出使能， DE=1，允許驅(qū)動(dòng)器工作； DE=0.，驅(qū)動(dòng)器被禁止，輸出端為高祖。 DI—— 驅(qū)動(dòng)器輸入， DI=1 輸出端 A 輸出為高， B 輸出為低； DI=0，反之。 A—— 接收器非反相輸出和驅(qū)動(dòng)器非反向輸出端。 B—— 接收器反相輸入和驅(qū)動(dòng)器反相輸出端。 RE5DE6R07 V C C 8B 9A 10G N D ADI12M A X 4 8 5U3 圖 MAX485 引腳圖 貼片防雷管 BA151N BA/BC 系列 本品為防感應(yīng)雷用貼片防雷管。主要用于高速數(shù)據(jù)通訊回路中起保護(hù)作用 （見(jiàn)圖 ） 。 主要 特性 有 ： 1） 比陶瓷管式封裝體積更小，更薄，適合高密度表面貼裝。（ ） 2） 電涌耐量高。（ 8/20μ s ,2021A） 3） 反應(yīng)速度快。 4） 電涌吸收性能好。絕緣電阻： 100MΩ Min（ DC100V） 5） 靜電容量： 1pF Max 28 V11 V2 2P1B A 1 5 1 N 圖 防感應(yīng)雷用貼片防雷管 自恢復(fù)保險(xiǎn)絲 自恢復(fù)保險(xiǎn)絲是一種過(guò)流電子保護(hù)元件，采用高分子有機(jī)聚合物在高壓、高溫，硫化反應(yīng)的條件下，攙加導(dǎo)電粒子材料后，經(jīng)過(guò)特殊的工藝加工而成。在習(xí)慣上把PPTC(Polymer Positive Temperature Coefficient)也叫自恢復(fù)保 險(xiǎn)絲。嚴(yán)格意義講： PPTC不是自恢復(fù)保險(xiǎn)絲， Resettable Fuse 才是自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。 自恢復(fù)保險(xiǎn)絲是由高科技聚合樹(shù)脂及納米導(dǎo)電晶粒經(jīng)特殊工藝加工制成，正常情況下，納米導(dǎo)電晶體隨樹(shù)脂基鏈接形成鏈狀導(dǎo)電通路，保險(xiǎn)絲正常工作；當(dāng)電路發(fā)生短路或者過(guò)載時(shí)，流經(jīng)保險(xiǎn)絲的大電流使其集溫升高，當(dāng)達(dá)到居里溫度時(shí)，其態(tài)密度迅速減小，相變?cè)龃?，?nèi)部的導(dǎo)電鏈路呈雪崩態(tài)變或斷裂，保險(xiǎn)絲呈階躍式遷到高阻態(tài)，電流被迅速夾斷，從而對(duì)電路進(jìn)行快速，準(zhǔn)確的限制和保護(hù)，其微小的電流使保險(xiǎn)絲一直處于保護(hù)狀態(tài)，當(dāng)斷電和故障排除后，其集溫降低 ，態(tài)密度增大，相變復(fù)原，納米晶體還原成鏈狀導(dǎo)電通路，自恢復(fù)保險(xiǎn)絲恢復(fù)為正常狀態(tài)，無(wú)需人工更換。 分析電路 MAX485 發(fā)送或接收通過(guò)引腳 DE 即單片機(jī)引腳 控制 , =0 時(shí) , /RE=0, 則工作在接收方式 , 反之為發(fā)送方式。當(dāng) 高速數(shù)據(jù)通訊 時(shí)， 貼片防雷管 BA151N 在 回路中 用于 防 護(hù) 雷擊浪涌電壓 。 當(dāng)電路發(fā)生短路或者過(guò)載時(shí) ，電路被自恢復(fù)保險(xiǎn)絲PPTC 斷開(kāi)，故障清除時(shí)， PPTC 可使電路自動(dòng)回復(fù) 。 29 4 軟件分析 根據(jù)對(duì)應(yīng)急燈集中控制的需要，主控器的主要任務(wù)是對(duì)應(yīng)急燈發(fā)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行集中管理及 按需要對(duì)應(yīng)急燈實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制。而對(duì)應(yīng)急燈信號(hào)采樣的任務(wù)，主要是由分散在應(yīng)急燈上的單片機(jī)來(lái)完成的。 主控制器軟件設(shè)計(jì) 主控制器的主要功能是對(duì)分散的應(yīng)急燈進(jìn)行集中管理 。 所以，主控器的軟件 設(shè)計(jì)的中心任務(wù)應(yīng)圍繞著與下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信 。 當(dāng)應(yīng)急燈出現(xiàn)緊急的情況時(shí)，主控器應(yīng)該能顯示應(yīng)急燈的地址及其相應(yīng)的狀態(tài)，根據(jù)需要進(jìn)行聲光顯示 。 基于硬件電路的設(shè)計(jì)，能用鍵盤(pán)點(diǎn)亮或熄滅某一盞應(yīng)急燈，及時(shí)的查詢應(yīng)急燈的狀態(tài)，還應(yīng)該能夠通過(guò)編程點(diǎn)亮系統(tǒng)中的部分或全部應(yīng)急燈 。 一個(gè)好的系統(tǒng)應(yīng)有很好的可擴(kuò)展的能力，所以在系統(tǒng)的軟件里應(yīng)該 加入系統(tǒng)的時(shí)鐘，加入實(shí)時(shí)打印功能 。 并為以后功能擴(kuò)展提供條件 。 應(yīng)急燈單元軟件設(shè)計(jì) 經(jīng)第三章對(duì)每個(gè)模塊功能的分析，基于硬件電路的設(shè)計(jì)，應(yīng)急燈上的單片機(jī)有 3個(gè)任務(wù) —— 信號(hào)采集、點(diǎn)亮／關(guān)閉自己的燈、與主控器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信．應(yīng)急燈軟件流程圖如圖 所示。應(yīng)急燈軟件設(shè)計(jì)主要有四部分構(gòu)成，一是應(yīng)急燈狀態(tài)的采集和應(yīng)急燈的點(diǎn)亮／關(guān)閉；二是電池狀態(tài)的采集和電池充電；三是數(shù)據(jù)通訊程序；四是軟件設(shè)計(jì)抗干擾和軟件看門(mén)狗． 30 開(kāi) 始初 始 化應(yīng) 急 燈 狀 態(tài) 檢 測(cè)電 池 狀 態(tài) 檢 測(cè)電 池 充 電通 信 處 理應(yīng) 急 燈 狀 態(tài) 顯 示 圖 應(yīng)急燈主框圖 電池檢測(cè)軟件流程圖 圖 是電池檢測(cè)模塊的軟件流程圖，檢測(cè) 到的電壓輸入 A/D 轉(zhuǎn)換器中變?yōu)閿?shù)字信號(hào)送到單片機(jī)中進(jìn)行處理。 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入值在 0~5V 之間 1）當(dāng)輸入到 A/D 轉(zhuǎn)換器 IN1 中的電壓為 0~ 時(shí)，電池為短路狀態(tài)。 2）當(dāng)輸入到 A/D 轉(zhuǎn)換器 IN1 中的電壓為 ~ 時(shí)，電池為正常狀態(tài)。 3）當(dāng)輸入到 A/D 轉(zhuǎn)換器 IN1 中的電壓為 ~5V 時(shí)，電池為斷路狀態(tài)。 31 開(kāi) 始取 出 B T _ R E S 1B T _ R E S 1 3 . 2 V電 池 斷 路B T _ B R K = 1需 充 電C H _ F L G = 1B T _ R E S 1 0 . 5 V ?B T _ R E S 1 2 . 0 V ?N結(jié) 束NN電 池 短 路B T _ S H T ← 1電 池 正 常E D C _ F L G = 0E C _ F L G = 0 圖 電池檢測(cè)軟件流程圖 32 5 抗干擾措施 很多從事計(jì)算機(jī)控制工程的人員都有這樣的經(jīng)歷，當(dāng)他將經(jīng)過(guò)千辛萬(wàn)苦安裝和調(diào)試好的樣機(jī)投入工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行時(shí)，卻不能正常工作。有的一開(kāi)始 就失靈，有的是好是壞，讓人不知所措。為什么實(shí)驗(yàn)室能正常模擬運(yùn)行的系統(tǒng)，到了工業(yè)環(huán)境就不能正常運(yùn)行了呢？原因是工業(yè)環(huán)境有強(qiáng)大的干擾，微機(jī)系統(tǒng)沒(méi)有采取抗干擾措施，或者措施不力。由此可見(jiàn)，抗干擾技術(shù)的重要性。所謂抗干擾，就是有用信號(hào)以外的噪聲或造成計(jì)算機(jī)設(shè)備不能正常工作的破壞因素。 在與干擾作斗爭(zhēng)的過(guò)程中，人們積累了很多經(jīng)驗(yàn)，有硬件措施、有軟件措施，也有軟硬結(jié)合的措施。硬件措施如果得當(dāng)，可將絕大多數(shù)干擾拒之門(mén)外，但仍然有少數(shù)干擾竄入微機(jī)系統(tǒng)，引起不良后果，所以軟件抗干擾措施作為第二道防線是必不可少的。軟件抗干擾措 施是以 CPU 的開(kāi)銷(xiāo)作為代價(jià)的，影響到系統(tǒng)的工作效率和實(shí)時(shí)性。因此一個(gè)成功的抗干擾系統(tǒng)是由硬件和軟件相結(jié)合構(gòu)成的。硬件抗干擾效率高，但要求增加系統(tǒng)的投資和設(shè)備的體積。軟件干擾投資低，但要求降低系統(tǒng)的工作效率。 對(duì)于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，干擾及可能來(lái)源于外部，也可能來(lái)源于內(nèi)部。外部干擾指那些與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，而是有外界環(huán)境因素決定的；而內(nèi)部干擾則是由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、制造工藝等等決定的。外部干擾主要是空間電或磁的影響，環(huán)境溫度、濕度等氣象條件也是外來(lái)干擾。內(nèi)部干擾主要是分布電容、分布電感引起的耦合感應(yīng)，電磁場(chǎng)輻射感應(yīng)，長(zhǎng)線 傳輸?shù)牟ǚ瓷洌帱c(diǎn)接地造成的電位差引起的干擾，寄生振蕩引起的干擾，甚至元件產(chǎn)生的噪聲也屬于內(nèi)部干擾。 抗干擾技術(shù) 串模干擾及其抑制方法 所謂串模干擾就是指疊加在被測(cè)信號(hào)上的干擾噪聲。串模干擾和被測(cè)信號(hào)在回路中所處的地位是相同的，總是以兩者之和作為輸入信號(hào)。串模干擾也成為常態(tài)干擾。 串模干擾的抑制方法應(yīng)從干擾信號(hào)的特性和來(lái)源入手，分別對(duì)不同情況采取相 33 應(yīng)的措施。 1）如果串模干擾頻率比被測(cè)信號(hào)的信號(hào)頻率高，則采用輸入低通濾波器來(lái)抑制高頻率串模干擾 ；如果串模干擾頻率落在被測(cè)信號(hào)頻譜的兩側(cè)，則應(yīng)用帶通濾波器。 2）當(dāng)尖峰型串模干擾成為主要干擾時(shí)，用雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器可以削弱串模干擾的影響。因?yàn)榇祟愞D(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的平均值而不是瞬時(shí)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以對(duì)劍鋒干擾具有抑制能力。如果去積分周期等于主要串模干擾的周期或?yàn)檎麛?shù)倍，則通過(guò)積分比較變換后，對(duì)串模干擾有更好的抑制效果。 3）對(duì)于串模干擾主要來(lái)自電感應(yīng)情況下，對(duì)被測(cè)信號(hào)應(yīng)盡可能早地進(jìn)行前置放大，從而達(dá)到提高回路中信號(hào)噪聲比的目的；或者盡可能早地完成模 /數(shù)轉(zhuǎn)換或采取隔離和屏蔽等措施。 4）從選擇邏輯器件入手 ，利用邏輯器件的特性來(lái)抑制串模干擾。 5）采用雙絞線作信號(hào)引線的目的是減少電磁感應(yīng)，并且是個(gè)小環(huán)路的感應(yīng)電勢(shì)互相呈反向抵消。選用帶有屏蔽的雙絞線或同軸電纜作信號(hào)線，且有良好接地，并對(duì)測(cè)量?jī)x表進(jìn)行電磁屏蔽。 共模干擾及其抑制方法 1..共模干擾 所謂共模干擾是指模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器兩個(gè)輸入端上共有的干擾電壓。這種干擾可能是直流電壓，也可以是交流電壓，其幅值可達(dá)到幾伏甚至更高，取決于現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生干擾的環(huán)境條件和計(jì)算機(jī)等設(shè)備的接地情況。共模干擾也稱為共態(tài)干擾。 1） 變壓器隔離 利用變壓 器把模擬信號(hào)電路與數(shù)字電路隔離開(kāi)來(lái)，也就是把模擬地與數(shù)字地?cái)嚅_(kāi)，以使共模干擾電壓不成回路，從而抑制了共模干擾。另外，隔離前和隔離后應(yīng)分別采用兩組互相獨(dú)立的電源，切斷兩部分的地線連接。 2） 光電隔離 光電耦合器是由發(fā)光二極管和光源三極管封裝在一個(gè)管殼內(nèi)組成的，發(fā)光二極管兩端為信號(hào)輸入端，光敏三極管的集電極和發(fā)射極分別作為光耦合器的輸出端，他們之間的信號(hào)是靠發(fā)光二極管在信號(hào)電壓的控制下發(fā)光，傳給光敏三極管來(lái)完成的。 光電隔離與變壓器隔離相比，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易，成本低，體積也小。因此在 34 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中光電隔離得到了廣 泛應(yīng)用。 3） 浮地屏蔽 采用浮地輸入雙層屏蔽放大器來(lái)抑制共模干擾是利用屏蔽方法使輸入信號(hào)的“模擬地”浮空，從而達(dá)到抑制共模干擾的目的。 4） 采用儀表放大器提高共模抑制比 儀表放大器具有共模抑制能力強(qiáng)、輸入阻抗高、漂移低、增益可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，是一種專門(mén)用來(lái)分離共模干擾與有用信號(hào)的器件。 長(zhǎng)線傳輸干擾及其抑制方法 信號(hào)在長(zhǎng)線中傳輸遇到三個(gè)問(wèn)題：一是長(zhǎng)線傳輸易受到外界干擾，二是具有信號(hào)延時(shí)，三是高速度變化的信號(hào)在長(zhǎng)線中傳輸時(shí)，還有出現(xiàn)波反射現(xiàn)象。當(dāng)信號(hào)在長(zhǎng)線中傳輸時(shí)，由于傳輸 線的分布電容和分布電感的影響，信號(hào)會(huì)在傳輸線內(nèi)部產(chǎn)