【正文】 運(yùn)行 Keil 軟件需要 WIN9 NT、WIN20 WINXP 等操作系統(tǒng)。 調(diào)試工具 1）單片機(jī)編程工具 本系統(tǒng)軟件編程使用 KeilμVision 4軟件來完成， Keil C51 是美國 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機(jī) C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。本文用到的 AT89C52 單片機(jī)支持匯編語言、 C 語言或者二者的混合語言編寫程序。早期在研制單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，大多以匯編語言作為軟件工具，而后期廣泛采用的是 C 語言，這是因?yàn)?C 語言是一種結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)語言，可讀性和可移植性都非常好，采用 C 語言編寫單片機(jī)應(yīng)用程序的周期短，而且調(diào)試和排錯(cuò)也比較 簡單。流程圖如圖 所示。程序流程圖如圖 所示。子程序的流程圖如圖 所示。程序流程圖如圖 所示。程序流程圖如圖 所示。程序流程圖如圖 所示。當(dāng)確認(rèn)輸入完成時(shí)，若正在執(zhí)行的是輸入密碼的操作，則會(huì)調(diào)用密碼對(duì)比的子程序；若正在執(zhí)行的是修改密碼操作，按下后執(zhí)行密碼擦除以及重寫操作 。其設(shè)計(jì)流程圖如圖 所示： 首先它會(huì)進(jìn)行判斷是否輸入密碼，若輸入密碼，則保存輸入的密碼以及密碼位數(shù)，初始化 顯示處理 鍵掃、求鍵號(hào) 鍵處理 有鍵按下否 ? 輸入鍵處理 確認(rèn)鍵處理 修改密碼鍵處理 數(shù)字鍵處理 開始 N Y 第 30 頁 共 61 頁 若非輸入密碼則判斷是否需要修改密碼，同樣，調(diào)用修改密碼程序并保存修改后的密碼及密碼位數(shù)。然后顯示模塊顯示初值，并等待按鍵事件，若有按鍵按下則進(jìn)行相應(yīng)的按鍵處理，處理完按鍵事件后繼續(xù)等待下一次按鍵，如圖 所示。報(bào)警子程序流程圖如下圖 45 所示，將溫度設(shè)置為 100℃ ，煙霧濃度設(shè)置的是 開 始 讀取濾波電壓 X 返 回 差別并確 定 X 所在的電壓區(qū)間 求電壓值 X 與所在區(qū)間下限差 Xm=XXi 求 X 所在區(qū)間的上下限濃度值的差 Z=f(Xi+1)f(Xi) 求上下限電壓值的差 Xd=Xi+1Xi 求 Z 與 Xd 的比值 K=Z/Xd 求 K 與 X 的和 S=K*Xm 求 f(X)=f(Xi)+S 保存濃度值 第 28 頁 共 61 頁 ％，第一次采集完再延遲 20s 采集，分析判斷兩次采集到的數(shù)據(jù)，若一致則發(fā)出信號(hào)指示并啟動(dòng)報(bào)警，若不一致則需要檢測，進(jìn)行故障診斷。分段插值法線性化程序流程圖如圖 所示： 圖 線性化子程序流程圖 （ 4）報(bào)警子程序 當(dāng)煙霧濃度或溫度值超過報(bào)警限設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)會(huì)接收信號(hào)控制蜂鳴器發(fā)聲，對(duì)應(yīng)指示燈會(huì)閃亮以提示操作人員采取安全對(duì)策或自動(dòng)控制相關(guān)安全裝置，從而保障生產(chǎn)安全，避免火災(zāi)和爆炸事故的發(fā)生。電壓值與氣體濃度之間是非線性的關(guān)系，為了實(shí)時(shí)顯示煙霧濃度需要對(duì)其進(jìn)行線性化處理。 操作流程如下圖所示，首先設(shè)定采樣次數(shù)，調(diào)用 A/D 采樣子程序進(jìn)行采樣，每次采樣完采樣次數(shù)自增 1，當(dāng)達(dá)到采樣達(dá)到提前設(shè)定的采樣次數(shù)后對(duì)采樣值進(jìn)行處理，即先排序，去掉第一個(gè)個(gè)最后一個(gè)最大最小值，將剩余的第 2 到第 9 個(gè)采樣值累加求和，再求平均，最后將處理后的數(shù) 據(jù)送入寄存器存儲(chǔ)。因此，我們提出去極值平均濾波法，即先對(duì)N 個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，去掉其中的最大值和最小值，然后計(jì)算余下的 N–2 個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。 圖 主程序初始化流程圖 （ 2）濾波子程序 在對(duì)氣體濃度采樣時(shí)，可能會(huì)遇到尖峰脈沖干擾的現(xiàn)象，這種干擾通常只影響個(gè)別采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，得到的數(shù)據(jù)與其他采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)相差比較大，所以要進(jìn)行處理。首先設(shè)定定時(shí)器工作方式，然后開系統(tǒng)中斷，以便響應(yīng)中斷定時(shí)，及時(shí)對(duì)氣體濃度和溫度進(jìn)行采樣。 第 24 頁 共 61 頁 圖 火災(zāi)監(jiān)控主程序流程圖 火災(zāi)監(jiān)控各部分子程序 （ 1）初始化子程序 主程序初始化流程圖如下 圖所示。 主程序還包括狀態(tài)指示燈及按鍵功能，中斷子程序等，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)傳感器的采集到的溫度就會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)溫度值達(dá)到設(shè)定值時(shí)單片機(jī)會(huì)發(fā)出信號(hào)控制狀態(tài)指示等，同時(shí)當(dāng)報(bào)警拉響之后，我們需要關(guān)閉報(bào)警聲音，這是需要一個(gè)按鍵，它由單片機(jī)程序來控制，關(guān)上按鍵后報(bào)警器會(huì)自動(dòng)消除。 程序初始化結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。 火災(zāi)監(jiān)控部分主 要程序 火災(zāi)監(jiān)控主程序 系統(tǒng)主程序流程圖如圖 . 首先要給傳感器預(yù)熱三分鐘，因?yàn)閭鞲衅餍枰A(yù)熱一段時(shí)間才能正常采集煙霧和溫度信息。但是大體的流程是一樣的，都是先進(jìn)行硬件系統(tǒng)的初始化，然后等待傳感器或輸入設(shè)備獲取外部信號(hào)，緊接著實(shí)現(xiàn)所要的功能。本章主要介紹主控模塊以及部分功能模塊的單片機(jī)程序。 SCL為同步時(shí)鐘輸入端， SDA 為數(shù)據(jù)總線，與 DS18B20 一樣 ST24C02B3 也是單總線結(jié)構(gòu)。EEPROM 是一種特殊形式的 閃存 ，其應(yīng)用通常是個(gè)人電腦中的 電壓 來擦寫和重編程。不像 EPROM 芯片，EEPROM不需從 計(jì)算機(jī) 中取出即可修改。 本設(shè)計(jì)中采用了 HD7279A鍵盤以減輕 MCU的壓力，他可控制 64 個(gè)獨(dú)立按鍵及 8 個(gè)數(shù)碼管之間的通信，負(fù)責(zé)獲取輸入密碼傳給單片機(jī)以及顯示密碼，單片機(jī)獲取到輸入的密碼后進(jìn)行比較后控制門鎖的開關(guān)。全編碼鍵盤能夠由硬件邏輯自動(dòng)提供與被按鍵對(duì)應(yīng)的編碼，此外，還會(huì)具有去抖動(dòng)和多鍵、竄鍵保護(hù)電路，這種鍵盤使用方便，但需要較多的硬件，價(jià)格較貴，一般的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)很少采用。一個(gè)鍵盤實(shí)際上就是一個(gè)開關(guān)，單片機(jī)根據(jù) I／ O 線的高低電平來判斷一個(gè)按鍵的開關(guān)狀態(tài)。 鍵盤電路設(shè)計(jì) 鍵盤電路是人機(jī)對(duì)話的重要組成部分，它 主要實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳輸命令等功能，是人機(jī)交互不可缺少的一種輸入方式。可安置另一輸入電源，使邏輯能在低電壓下工作。具有兩抑制輸人來使器件不受輸入信號(hào)影響。 圖 為電機(jī)控制電路圖。這種方式結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)是，需要的元件很少從而使得裝配成本低，可靠性高和占空間少。 本系統(tǒng)中使用電機(jī)來控制門鎖的打開和關(guān)閉，需要穩(wěn)定的輸出控制，所以采用了L297 加 L298 電路， L297 是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器 (包括環(huán)形分配器 )， L298 是雙 H 橋式驅(qū)動(dòng)器。此器件只需要時(shí)鐘、方向和模式輸入信號(hào)。 第 21 頁 共 61 頁 L297 是步進(jìn)電機(jī)控制集成芯片（包括環(huán)形分配器），可產(chǎn)生四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，應(yīng)用于微處理機(jī)控制兩相雙極性和四相單極性步進(jìn)電機(jī)。 L298 是雙Ｈ橋式驅(qū)動(dòng)器。 圖 nrf24l01 連接圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 本文采用使用 L297+L298 的經(jīng)典電路設(shè)計(jì)，具有外圍元件簡單，工作穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。在門和控制端均有一塊 nrf24l01模塊進(jìn)行無線通信， nrf24l01 使用 spi 接口與單片機(jī)進(jìn)行通信，由于 AT89s52 單片機(jī)上沒有硬件 spi 需要軟件模擬，我選用了單片機(jī) 到 這四個(gè)管腳作為模擬的 spi 口，圖 3 13 為 nrf24l01 的連接圖。 圖 傳感器和后續(xù)的放大濾波電路 A/D 模塊將放大和濾波處理后的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后輸出給單片機(jī)，單片機(jī)再進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù) 處理及相關(guān)控制，圖 為 A/D 模塊的電路圖。首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波獲取我們需要的有用信號(hào)，圖 為傳感器和后續(xù)的放大濾波電路。 RS232C 總線 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有 25條信號(hào)線，包括一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道。 圖 CH376 與單片機(jī)連接圖 RS232 串口設(shè)計(jì) 為了便于上位機(jī)查看調(diào)試結(jié)果，我在整體系統(tǒng)中加入了串口來監(jiān)視程序運(yùn)行的情況，我們采用串行接口 RS232 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信， RS232C 是 美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA（ Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)人們的經(jīng)驗(yàn)，在火災(zāi)發(fā)生的初始階段及時(shí)報(bào)警，及時(shí)采取滅火措施能取得比較好的滅 火效果，火災(zāi)報(bào)警宜早不宜遲。 第 18 頁 共 61 頁 在實(shí)際工作中大多數(shù)情況下 AT89S52 單片機(jī)都使用 P3 口的第二功能，表 31 列出了 P3 口的第二功能 [17]。 P3 口 (~ 共 8 條引腳，即 10～ 17 腳 )： P3 口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 雙向 I／ O 口。 P2 口 (~ 共 8 條引腳，即 21~28 腳 )： P2 口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／ O 口。在訪問外部 存儲(chǔ)器時(shí)，可分時(shí)用作低 8 位地址線和 8 位數(shù)據(jù)線； P1 口 (～ 共 8 條引腳，即 1~8 腳 )： P1 口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／ O 口。 (3)I/O 口引腳： PO、 P P P3，為 4 個(gè) 8 位 I／ O 口的外部引腳。 第 17 頁 共 61 頁 圖 AT89S52 最小系統(tǒng) AT89S52單片機(jī)采用 40只引腳的雙列直插封裝 (DP)方式，其 40只引腳按功能可分3 類： (1)電源及時(shí)鐘引腳： Vet、 Vss； XTALl、 XTAL2。在這里就以 AT89S52 為例來說明最小系統(tǒng)的構(gòu)成。 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及最小系統(tǒng) AT89S52/AT89C51 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖如下所示： 圖 AT89S52/AT89C51 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖 單片機(jī)的最小系統(tǒng)由單片機(jī)、外部晶振、以及復(fù)位電路組成。其特點(diǎn)如下： (1)串行接口 (2)各位獨(dú)立控制譯碼 /不譯碼及消隱和閃爍屬性 (3)(循環(huán) )左移 /(循環(huán) )右移指令 (4)具有段尋址指令，方便控制獨(dú)立 LED (5)64 鍵鍵盤控制器，內(nèi)含去抖動(dòng)電路 圖 HD7279 引腳圖 系統(tǒng)各功能子模塊設(shè)計(jì) 電源模塊 我所用的電源是輸出 7V 的鋰電池，而本文中涉及到的電路中的電壓，一個(gè)是給 USB 接口供電的 5V，另一個(gè)是給單片機(jī)供電的 5V，所以選擇 AMS1117 來進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。 HD7279(A)是一片具有串行接口的，可同時(shí)驅(qū)動(dòng) 8 位共陰式數(shù)碼管 (或 64只獨(dú)立 LED)的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片同時(shí) 還可連接多達(dá) 64 鍵的鍵盤矩陣 [15]。圖 是TLC549 的引腳圖。 NRF24L01 主要有以下一系列優(yōu)點(diǎn)： 小體積， QFN20 4x4mm 封裝 寬電壓工作范圍， ~，輸入 引腳 可承受 5V電壓輸入 (1)工作溫度范圍， 40℃ ～ +80℃ (2)工作頻率范圍， ～ (3)發(fā)射功率可選擇為 0dBm、 6dBm、 12dBm 和 18dBm 第 14 頁 共 61 頁 (4)數(shù)據(jù)傳輸速率 支持 1Mbps、 2Mbps[2] (5)低功耗設(shè)計(jì)，接收時(shí)工作電流 ， 0dBm 功率發(fā)射時(shí) ，掉電模式時(shí)僅為 900nA (6)126 個(gè)通訊通道， 6 個(gè)數(shù)據(jù)通道，滿足多點(diǎn)通訊和調(diào)頻需要 (7)增強(qiáng) 型 ―ShockBurst‖工作模式，硬件的 CRC 校驗(yàn)和 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的地址控制 (8)數(shù)據(jù)包每次可傳輸 1～ 32Byte 的數(shù)據(jù) (9)4 線 SPI通訊端口，通訊速率最高可達(dá) 8Mbps，適合與各種 MCU連接， 編程 簡單 (10)可通過 軟件 設(shè)置工作頻率、通訊地址、 傳輸速率 和數(shù)據(jù)包長度 (11)MCU 可通過 IRQ 引腳快判斷是否完成數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送 A/D 轉(zhuǎn)換芯片的選擇 TLC549 是 TI 公司生產(chǎn)的一種低價(jià)位、高性能的 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，它以 8 位開關(guān)電容逐次逼近 的方法實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換速度小于 17us，最大轉(zhuǎn)換速率為 40000HZ， 4MHZ 典型內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘，電源為 3V 至 6V。幾乎可以連接到各種單片機(jī)芯片，并完成無線數(shù)據(jù)傳送工 作。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型 ―SchockBurst‖模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。所有數(shù)據(jù)的讀，寫都是從最低位開始。寫 TH,TL 指令以及配置字節(jié)利用一個(gè)記憶功能的指令完成。如果 DS18B20 不使用報(bào)警檢查指令，這些寄存器可作為一般的用戶記憶用途。測量結(jié)果將被放置在 DS18B20 內(nèi)存中，并可以讓閱讀發(fā)出記憶功能的指揮，閱讀內(nèi)容的片上存儲(chǔ)器。 第 13 頁 共 61 頁 若指令成功地使 DS18B20完成溫度測量，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 DS18B20的存儲(chǔ)器。因?yàn)橐痪€通信接口，必須在先完成 ROM 設(shè)定，否則記憶和控制功能將無法使用。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和 控制領(lǐng)域。主要根據(jù)應(yīng)用場合的不同而改變其外觀。圖 為 TGS2