【導(dǎo)讀】本文設(shè)計了一種基于單片機的應(yīng)急燈控制器。該設(shè)計以MCS-51單片機為。核心，符合消防應(yīng)急燈具國家標(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，著重說明了自帶電源消防應(yīng)急燈具的。工作原理，提出了符合國家標(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)檢測以及RS-485通信等功能。在軟件設(shè)計方面，分析了控制器的工作邏輯，畫出了系統(tǒng)主程序框圖和電池開路、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，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的（見圖 ）。 當(dāng)在輸入端加一正向?qū)妷海?LED 發(fā)光，光敏三級管受光照，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，三級管相當(dāng)于開關(guān)。此“開關(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—— 陽極 1K—— 陰極 1C—— 發(fā)射極 1E—— 集電極 接口 51 單片機僅含有一個具有 UART 全部功能的串口，該接口可以同時進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，也可以作為一個同步移位寄存器使用。需要說明的是，這個串口的信號電平是 TTL 電平，在近距離傳輸過程中可以比較好的滿足要求，一般可以實現(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，誤碼率會明顯增加。在很多需要提高串口通信距離的應(yīng)用場合 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)器來驅(qū)動總線，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)動器能輸出 ? 7V 的共模電壓。 3） 輸入端的電容 ? 50pF . 4） 在節(jié)點數(shù)為 32 個，配置 120? 的終端電阻的情況下，驅(qū)動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“ 1”；VAVB? ,表示信號“ 0”） 需要說明的是， RS485 接口標(biāo)準(zhǔn)中 12 ?K 接收器輸入阻抗被稱為單位阻抗，在一個總線上最多只能連接 32 個單位阻抗的收發(fā)器。這使單個總連接多于 32 個節(jié)點成為可能，因為一些輸入阻抗更高的接收器被廣泛使用。 此外，在 RS485 總線末端接入 120? 的電阻是為了對通信線路進(jìn)行阻抗匹配。因為信號在傳送時，若遇到阻抗不連接的情況，會出現(xiàn)反射現(xiàn)象從而影響信號的遠(yuǎn)距離傳輸，所以必須采用匹配的辦法來消除反射。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， 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)驗公式計算：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，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： MAX48 MAX48MAX485 以及 MAX487491。每種型號的 IC 芯片包含一個驅(qū)動器和一個接收器，符合 RS485 通信標(biāo)準(zhǔn)。 本設(shè)計采用的是 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 TTL 電平轉(zhuǎn)換為 RS485 電平的功能（見圖 ）。 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)動器輸出使能， DE=1，允許驅(qū)動器工作； DE=0.，驅(qū)動器被禁止，輸出端為高祖。 DI—— 驅(qū)動器輸入， 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)動器非反向輸出端。 B—— 接收器反相輸入和驅(qū)動器反相輸出端。 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)保險絲 自恢復(fù)保險絲是一種過流電子保護(hù)元件，采用高分子有機聚合物在高壓、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 險絲。嚴(yán)格意義講： PPTC不是自恢復(fù)保險絲， Resettable Fuse 才是自恢復(fù)保險絲。 自恢復(fù)保險絲是由高科技聚合樹脂及納米導(dǎo)電晶粒經(jīng)特殊工藝加工制成，正常情況下，納米導(dǎo)電晶體隨樹脂基鏈接形成鏈狀導(dǎo)電通路，保險絲正常工作；當(dāng)電路發(fā)生短路或者過載時，流經(jīng)保險絲的大電流使其集溫升高，當(dāng)達(dá)到居里溫度時，其態(tài)密度迅速減小，相變增大，內(nèi)部的導(dǎo)電鏈路呈雪崩態(tài)變或斷裂，保險絲呈階躍式遷到高阻態(tài)，電流被迅速夾斷，從而對電路進(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)保險絲恢復(fù)為正常狀態(tài)，無需人工更換。 分析電路 MAX485 發(fā)送或接收通過引腳 DE 即單片機引腳 控制 , =0 時 , /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， 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)生短路或者過載時 ，電路被自恢復(fù)保險絲PPTC 斷開，故障清除時， PPTC 可使電路自動回復(fù) 。 29 4 軟件分析 根據(jù)對應(yīng)急燈集中控制的需要，主控器的主要任務(wù)是對應(yīng)急燈發(fā)來的信號進(jìn)行集中管理及 按需要對應(yīng)急燈實現(xiàn)相應(yīng)控制。而對應(yīng)急燈信號采樣的任務(wù)，主要是由分散在應(yīng)急燈上的單片機來完成的。 主控制器軟件設(shè)計 主控制器的主要功能是對分散的應(yīng)急燈進(jìn)行集中管理 。 所以，主控器的軟件 設(shè)計的中心任務(wù)應(yīng)圍繞著與下位機的數(shù)據(jù)通信 。 當(dāng)應(yīng)急燈出現(xiàn)緊急的情況時，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，能用鍵盤點亮或熄滅某一盞應(yīng)急燈，及時的查詢應(yīng)急燈的狀態(tài)，還應(yīng)該能夠通過編程點亮系統(tǒng)中的部分或全部應(yīng)急燈 。 一個好的系統(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)的時鐘，加入實時打印功能 。 并為以后功能擴(kuò)展提供條件 。 應(yīng)急燈單元軟件設(shè)計 經(jīng)第三章對每個模塊功能的分析，基于硬件電路的設(shè)計，應(yīng)急燈上的單片機有 3個任務(wù) —— 信號采集、點亮／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)計抗干擾和軟件看門狗． 30 開 始初 始 化應(yīng) 急 燈 狀 態(tài) 檢 測電 池 狀 態(tài) 檢 測電 池 充 電通 信 處 理應(yīng) 急 燈 狀 態(tài) 顯 示 圖 應(yīng)急燈主框圖 電池檢測軟件流程圖 圖 是電池檢測模塊的軟件流程圖，檢測 到的電壓輸入 A/D 轉(zhuǎn)換器中變?yōu)閿?shù)字信號送到單片機中進(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，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，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，電池為斷路狀態(tài)。 31 開 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 電池檢測軟件流程圖 32 5 抗干擾措施 很多從事計算機控制工程的人員都有這樣的經(jīng)歷，當(dāng)他將經(jīng)過千辛萬苦安裝和調(diào)試好的樣機投入工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行時，卻不能正常工作。有的一開始 就失靈，有的是好是壞，讓人不知所措。為什么實驗室能正常模擬運行的系統(tǒng)，到了工業(yè)環(huán)境就不能正常運行了呢？原因是工業(yè)環(huán)境有強大的干擾，微機系統(tǒng)沒有采取抗干擾措施，或者措施不力。由此可見，抗干擾技術(shù)的重要性。所謂抗干擾，就是有用信號以外的噪聲或造成計算機設(shè)備不能正常工作的破壞因素。 在與干擾作斗爭的過程中，人們積累了很多經(jīng)驗，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)干擾拒之門外，但仍然有少數(shù)干擾竄入微機系統(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 的開銷作為代價的，影響到系統(tǒng)的工作效率和實時性。因此一個成功的抗干擾系統(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。 對于計算機控制系統(tǒng)來說，干擾及可能來源于外部，也可能來源于內(nèi)部。外部干擾指那些與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無關(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)，電磁場輻射感應(yīng)，長線 傳輸?shù)牟ǚ瓷?，多點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信號上的干擾噪聲。串模干擾和被測信號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。串模干擾也成為常態(tài)干擾。 串模干擾的抑制方法應(yīng)從干擾信號的特性和來源入手，分別對不同情況采取相 33 應(yīng)的措施。 1）如果串模干擾頻率比被測信號的信號頻率高，則采用輸入低通濾波器來抑制高頻率串模干擾 ；如果串模干擾頻率落在被測信號頻譜的兩側(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，用雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器可以削弱串模干擾的影響。因為此類轉(zhuǎn)換器對輸入信號的平均值而不是瞬時值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以對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為整數(shù)倍，則通過積分比較變換后，對串模干擾有更好的抑制效果。 3）對于串模干擾主要來自電感應(yīng)情況下，對被測信號應(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抑制串模干擾。 5）采用雙絞線作信號引線的目的是減少電磁感應(yīng)，并且是個小環(huán)路的感應(yīng)電勢互相呈反向抵消。選用帶有屏蔽的雙絞線或同軸電纜作信號線，且有良好接地，并對測量儀表進(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)場產(chǎn)生干擾的環(huán)境條件和計算機等設(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 器把模擬信號電路與數(shù)字電路隔離開來，也就是把模擬地與數(shù)字地斷開，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管殼內(nèi)組成的，發(fā)光二極管兩端為信號輸入端，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，他們之間的信號是靠發(fā)光二極管在信號電壓的控制下發(fā)光，傳給光敏三極管來完成的。 光電隔離與變壓器隔離相比，實現(xiàn)起來比較容易，成本低，體積也小。因此在 34 計算機控制系統(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抑制共模干擾是利用屏蔽方法使輸入信號的“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、輸入阻抗高、漂移低、增益可調(diào)等優(yōu)點，是一種專門用來分離共模干擾與有用信號的器件。 長線傳輸干擾及其抑制方法 信號在長線中傳輸遇到三個問題：一是長線傳輸易受到外界干擾，二是具有信號延時，三是高速度變化的信號在長線中傳輸時，還有出現(xiàn)波反射現(xiàn)象。當(dāng)信號在長線中傳輸時，由于傳輸 線的分布電容和分布電感的影響，信號會在傳輸線內(nèi)部產(chǎn)