【正文】 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)采集報(bào)。 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)。 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。 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 。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)。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。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)。 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。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)。 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)。 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)。 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?，表示轉(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。 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。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。 LE 端接至單片機(jī)的地址鎖存允許 ALE 端。圖中 三態(tài)允許控制端 OE 接地，表示三態(tài)門一直打開。 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(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載或總線。單片機(jī)的 P0 口接受 ADC0809 傳輸來(lái) 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。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]]。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。系統(tǒng) AT89C51 與 ADC0809 接口電路如圖 38 所示。 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]。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。 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。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。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。 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。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(wú)法直接驅(qū)動(dòng)的，所以要利用放大電路來(lái)驅(qū)動(dòng)，一般使用三極管來(lái)放大電流就可以了。 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。 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。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]。 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]。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(wú)用頻率成分，濾除或衰減無(wú)用頻率信號(hào)到足夠小。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 ? 。 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。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。 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 /℃ 。AT89C51 的復(fù)位電路如圖 33 所示。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。 手動(dòng)按鈕復(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)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，且振蕩器穩(wěn)定后，如果 REST引腳上有一個(gè)高電平并維持 2 個(gè)機(jī)器周期 （ 24 個(gè)振蕩周期 ） 以上，則 CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)都需要復(fù)位，以使 CPU 及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。 復(fù)位電路 復(fù)位電路的基本功能是 [9]：系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)。由于外接電容 C C6 的容量大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，電容的容量大小范圍為 30 10pF pF? ；如果使用陶瓷諧振，則電容容量大小為40 10 FpF p? 。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振蕩器一起構(gòu)成自激振蕩器 [6,15]。穩(wěn)壓器內(nèi)部含有過流、過熱保護(hù)電路。 常見集成穩(wěn)壓器有固定式三端壓器與可調(diào)式三端穩(wěn)壓器，固定式三端穩(wěn)壓器的常見產(chǎn)品有輸出固定正電壓的 LM78系列和輸出固定負(fù)電壓的LM79系列，如 LM7805 輸出電壓為 +5V， LM7905 輸出電壓為－ 5V。但是，電容量達(dá)到一定值以后，再加大電容量對(duì)提高濾波效果已無(wú)明顯作用。這種電容 帶兩端電壓不能突變的特性，正好可以用來(lái)承擔(dān)濾波的任務(wù)。充電的時(shí)候，電容器兩端的電壓逐漸升高，直到接近充電電壓；放電的時(shí)候，電容器兩端的電壓逐漸降低，直到完全消失。 電容濾波電路工作原理：電容器是一個(gè)儲(chǔ)存電能的倉(cāng)庫(kù)。這種脈動(dòng)直流一般是不能直接用來(lái)給無(wú)線電裝供電的。電容濾波電路的主要作用是把整流器輸出電壓中的波動(dòng)成分盡可能地減小，改造成接近恒穩(wěn)的直流電。 220V 的交流電通過變壓器 T1 轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，?jīng) D1~D4 整流以后將交流電壓變成脈動(dòng)的直流電壓，再經(jīng)濾波電容 C11 濾除紋波，輸出直流電壓 VO， VO與交流電壓 Vi的關(guān)系為 VO=（ ~）Vi。電容 C13（ ）能改善負(fù)載的瞬態(tài)影響 ，從而為接收主機(jī)提供穩(wěn)定的工作電壓。 220V 的交流電通過變壓器 T1 轉(zhuǎn)變?yōu)?2V 的交流電，經(jīng) D1~D4（ 1N4007）整流以后將 12V 的交流電壓變成脈動(dòng)的直流電壓，再經(jīng)濾波電容 C11（ 470μF）和 C12（ ）濾除紋波，輸出+12V 的直流電壓。集成電路型穩(wěn)壓電源具有性能穩(wěn)定、帶負(fù)載能力強(qiáng)、使用方便等特點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用 [22]。 本章小結(jié) 本章主要介紹了該火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)和各種器件的 詳細(xì)介紹和正確選澤主要包括控制芯片 AT89C5 AD 轉(zhuǎn)換器和傳感器，并介紹了該火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的傳感器的工作原理。 (6) 轉(zhuǎn)換速度取于決芯片的時(shí)鐘頻率。 (4) 具有鎖存控制的 8路模擬選通開關(guān)。 (2) 最大不可調(diào)誤差： ADC0809為 ? 1LSB。 圖 28 ADC0809 引腳 圖 A/D轉(zhuǎn)換電路采用了常用的 8位 8通道數(shù)模轉(zhuǎn)換專用芯片 ADC0809，ADC0809由 8路模擬開頭、地址鎖存與譯碼器、 8位 A/D轉(zhuǎn)換器和三態(tài)輸出鎖存 緩沖器組成，芯片引腳圖如圖 28所示 [20,21]。其內(nèi)部有一個(gè) 8 通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通 8 路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。不同類型的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度相差甚遠(yuǎn)； (3) 轉(zhuǎn)換誤差 ： 轉(zhuǎn)換誤差表示 A/D 轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別，常用最低有效位的倍數(shù)表示； (4) 線性度 ： 線性度指實(shí)際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移。 A/D 轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)有： 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 (1) 分辨率 ： 分辨率表示 A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。但是大多數(shù)單片機(jī)本身只能識(shí)別和處理數(shù)字量，因此必須經(jīng)過模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換 （ A/D轉(zhuǎn)換 ） ，才能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)對(duì)被控對(duì)象的識(shí)別和處理。 LM94022 的管腳排列如圖 27 示。差定溫式探測(cè)器一般多是膜盒式或熱敏半導(dǎo)體電阻式等點(diǎn)型組合式探測(cè)器 溫度探測(cè)器使用的是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的集成溫度傳感器LM94022，該傳感器屬于高精度模擬輸出 CMOS 溫度傳感器，不僅工作電壓低、靜態(tài)電流小和輸出功率極低，而且能與模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)配合使用。線型差溫式探測(cè)器是根據(jù)廣 泛的熱效應(yīng)而 動(dòng)作的，點(diǎn)型差溫式探 測(cè)器是根據(jù)局部的熱效應(yīng)而動(dòng)作的，主要感溫器件是空氣膜盒、熱敏半導(dǎo)體電阻元件等。 2． 差 溫式探測(cè)器 ： 差溫式探測(cè)器是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，火災(zāi)引起的溫度上升速率超過某個(gè)規(guī)定值時(shí)啟動(dòng)報(bào)警的火災(zāi)探測(cè)器。其中線型是當(dāng)局部環(huán)境溫度上升達(dá)到 規(guī)定值時(shí)，可熔絕緣物熔化使兩導(dǎo)線短路，從而產(chǎn)生火災(zāi)報(bào)警信號(hào)。根據(jù)監(jiān)測(cè)溫度參數(shù)的不同，一般用于工業(yè)和民用建筑中的溫度探測(cè)器有 [4,14,17]： 1． 定溫式探測(cè)器 ： 定溫式探測(cè)器是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，火災(zāi)引起的溫度上升超過某個(gè)定值時(shí)啟動(dòng)報(bào)警的火災(zāi)探測(cè)器。 火災(zāi)時(shí)物質(zhì)的燃燒產(chǎn)生大量的熱量，使周圍溫度發(fā)生變化。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 靈敏度 顆粒直徑 /181。 綜上所述，光電感煙探測(cè)器在正常運(yùn)行中對(duì)煙霧的識(shí)別能力較強(qiáng)，穩(wěn)定性較好。當(dāng)煙霧顆粒直徑在 0. 5～ 0. 9181。時(shí) ，受光元件狀態(tài)最佳。當(dāng)無(wú)煙霧顆粒進(jìn)入光敏室時(shí)，受光元件不產(chǎn)生光電流，這就實(shí)現(xiàn)了將煙霧信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的物理基礎(chǔ) [12]。當(dāng)火災(zāi)陰燃階段，煙霧顆粒進(jìn)入光敏室，紅外光源（發(fā)光元件）發(fā)射的在煙霧顆粒上產(chǎn)生散射。散射光強(qiáng)同波長(zhǎng)的四次方成反比。m 之間。光敏管采用硅（ Si）光電池。選擇光譜 范圍在 0. 54～ 0. 95181。在兩者之間加上遮光部件，且之間形成角度以避免受光元件直接接收發(fā)光元件發(fā)出的光線。對(duì)火災(zāi)初期形成的煙霧進(jìn)行可靠的探測(cè)，可以用紅外光作為散射光源。這就說(shuō)明太大的顆粒散射能力也不強(qiáng)。然而必須注意散射能力也依賴散射函數(shù) )(2Us? 。 根據(jù)瑞利散射理論，空氣中的煙霧顆粒 可以近似看成一個(gè)微小的圓球 ，這時(shí)的瑞利比 ( 散射能力 ) 為 [12,17]： )()()( 2202 UKVR sssp h ???? ?? (21)式中： )os(3)(32 UUCS in UUUs ??? 為散射函數(shù)； 24 ??? SinRU S? ； SR 為圓球半徑； 為波長(zhǎng)；? ? 為散射角； sphV 為圓球的體積； K 為散射測(cè)量中的物理常數(shù)； s???0 為反差因子。當(dāng)