【正文】 微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫“ 1”時 ，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在給出地址“ 1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P3 口： P3口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機(jī)器周期的高電平時當(dāng) 8051 通電，時鐘電路開始工作，在 RESET 引腳上出現(xiàn) 24 個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。 RESET 由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從 0000H 地址開始執(zhí)行程序。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。如想禁止 ALE 的輸出可在SFR8EH 地址上置 0。另外，該引腳被略微拉高。PSEN：外部程序存儲器的選通信號。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。注意加密方式 1 時， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 振蕩器特性： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“ 1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。在閑置模式下， CPU 停止工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。其內(nèi)部有一個 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，只選通 8 路模擬輸入信號中的一個 進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 2）具有轉(zhuǎn)換起停控制端。 6）工作溫度范圍為 40～ +85 攝氏度 7）低功耗，約 15mW。 3．外部特性（引腳功能） ADC0809 芯片有 28 條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖所示。 IN0～ IN7： 8 路模擬量輸入端。 ADDA、 ADDB、 ADDC： 3 位地址輸入線，用于選通 8 路模擬輸入中的一路 ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。 EOC： A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。要求時鐘頻率不高于 640KHZ。 Vcc：電源，單一 +5V。 首先輸入 3 位地址，并使 ALE 1，將地址存入地址鎖存器中。 START 上升沿將逐次逼近寄 存器復(fù)位。直到A/D 轉(zhuǎn)換完成， EOC 變?yōu)楦唠娖?，指?A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送 A/D 轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。為此可采用下述三種方式。例如 ADC0809 轉(zhuǎn)換時間為 128μ s，相當(dāng)于 6MHz 的 MCS51 單片機(jī)共 64 個機(jī)器周期。 （ 2）查詢方式 A/D 轉(zhuǎn)換芯片由表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號，例如 ADC0809 的 EOC 端。 （ 3）中斷方式 把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號（ EOC）作為中斷請求信號，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。首先送出口地址并以信號有效時， OE 信號即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機(jī)接受。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，只需要將信號濾波處理，煙霧信號調(diào)理電路如圖 所示。 圖 溫度信號調(diào)理電路 電路設(shè)計中要求高輸入低輸出，故放大電路、濾波電路的前置電阻 R R8的阻值設(shè)為 10K[24]。依據(jù)運算放大器“虛短”、“虛斷”特性，有。一階濾波電路過 渡帶較寬，幅頻特性的最大衰減頻率僅為20dB/十倍頻。由于在火災(zāi)發(fā)生早期，溫度煙霧信號是一種緩變信號 [25]，故系統(tǒng)使用二階有源低通濾波器電路（ Low Pass Filter， LPF）。二階低通濾波電路中。設(shè)帶通截止頻率為，則當(dāng)時，上式的分母的模應(yīng)等于，可解出二階 LPF 的上限截止頻率為： ， （ 34） 二階低通濾波電路的衰減斜率可達(dá) 40dB/十倍頻，但是有 由于遠(yuǎn)離，即在處，信號的放大倍數(shù)已急劇下降，所以該濾波電路以降低濾波器通頻帶為代價來獲得濾波器衰減斜率 [27]。這個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。由于外接電容 C C6 的容量大小會 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；如果使用陶瓷諧振，則電容容量大小為。 復(fù)位電路 復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號。單片機(jī)在啟動時都需要復(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。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果 REST 引腳上有一個高電平并維持2 個機(jī)器周期 24 個振蕩周期 以上，則 CPU 就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。 手動按鈕復(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 之間接一個按鈕。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達(dá)數(shù)十毫秒，所以，設(shè)計完全能夠 滿足復(fù)位的時間要求。 AT89C51 的復(fù)位電路如圖 所示。 聲音報警電路如圖 所示。聲報警電路由單片機(jī)的 P10 引腳進(jìn)行控制，當(dāng) P10 輸出的電平為 高電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音報警；否則，三極管截止，蜂鳴器不發(fā)出聲音 [24]。 ～ 控制的燈依次為紅色 火災(zāi)信號燈 、紅色 異常信號燈 、黃色 故障信號燈 和綠色 正常信號燈 。 圖 光報警 數(shù)據(jù)采集電路 本設(shè)計中的 A/D 使用的是通用 8 位芯片 ADC0809，芯片的幾個重要管腳功能如下： ALE 為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。 A， B 和 C 為地址輸入線，用于選通 IN0IN7 上的一路模擬量輸入 START 為轉(zhuǎn)換啟動信號當(dāng) ST 上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間， ST 應(yīng)保持低電平。當(dāng) EOC 為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 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)。二分頻電路由 D 觸發(fā)器實現(xiàn)， R、S 端接地， D 接 Q 非， Q 端作為輸出端， CLK 接 AT89C51 的 ALED 端。故 D 觸發(fā)器能實現(xiàn)對 ALE 端口的信號二分頻 [28]。單片機(jī)的 P0 口接受ADC0809 傳輸來 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。 表 ADC0809 通道選通 通入通道 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 A 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 C 0 1 0 1 0 1 0 1 本設(shè)計使用 74LS373 作為地址鎖存器，當(dāng)三態(tài)允許控制端 OE為低電平時，輸出端 O0~O7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負(fù)載或總線。圖中三態(tài)允許控制端 O0~O7 狀態(tài)與輸入端 D0~D7 狀態(tài)相同；當(dāng) LE 由“ 1”變?yōu)椤?0”時，數(shù)據(jù)輸入鎖存器中。 當(dāng) P20 0 時，與寫信號 WR 共同選通 ADC0809。當(dāng) ALE 端口變?yōu)楦唠娖剑瑢?74LS373 輸出端的低 3 位地址存入 A/D 的地址鎖存器中，此地址經(jīng)譯碼選通 8 路模擬輸入之一到比較器。例如，輸出地址 F8H 可選通通道 IN0，實現(xiàn)對溫度傳感器輸出的模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換；輸出地址F9H 可選通通道 IN1，實現(xiàn)對煙霧傳感器輸出的模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng) AT89C51知道 A/D 轉(zhuǎn)換完成后， P20 與讀信號 RD 共同控制下的 A/D 端口 OE 電平變?yōu)楦唠娖綍r，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到單片機(jī)上。因為 C 語言的描述由函數(shù)組成，是一種結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計語言，所以更容易實現(xiàn)模塊化，而且具有可讀性好，易于移植等優(yōu)點，同時還有匯編語言一樣的位操作功能的硬件詳細(xì)控制指令 [29]。 本系統(tǒng)的軟件編程使用的是美國 Keil Software 公司出品的 Keil C51，是51 系列兼容單片機(jī) C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。另外重要的一點， Keil C51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。 C51 工具包的整體結(jié)構(gòu)中，μ Vision 與 Ishell 分別是 C51 for Windows 和for Dos 的集成開發(fā)環(huán)境 IDE ，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個開發(fā)流程。然后分別由 C51 及 A51 編譯器編譯生成目標(biāo)文件 .OBJ 。 ABS 文件由 OH51 轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 Hex 文件，以供調(diào)試器 dScope51 或 tScope51 使用進(jìn)行源代碼級調(diào)試，也可由仿真器使用直接對 目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如 EPROM 中。 為了便于系統(tǒng)維護(hù)，在火災(zāi)報警系統(tǒng)的軟件設(shè)計中采用了模塊化程序設(shè)計方法，系統(tǒng)各個模塊的具體功能都是通過子程序調(diào)用 實現(xiàn)的。本系統(tǒng)主要包括主程序、溫度煙霧數(shù)據(jù)采集子程序、火災(zāi)判斷與報警子程序等 [ 4 ]。 圖 程序流程圖 主程序是一個無限循環(huán)體，其流程是：首先在上電之后系統(tǒng)的各部分包括單片機(jī)輸出輸入端口的設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲電路、外圍驅(qū)動電路等完成初始化，接下來執(zhí)行火災(zāi)報警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集程序、火災(zāi)判斷、報警程序。 集程序 數(shù)據(jù)采集是火災(zāi)報警系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。每次采集溫度煙霧數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)存入單片機(jī)的寄存器，然后在火災(zāi)判斷程序中，將采集的數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，判斷現(xiàn)場是否發(fā)生火災(zāi)。系統(tǒng)延時 50ms， 進(jìn)行第二次溫度煙霧信號采集，將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)存入寄存器中。 由于設(shè)計采用的是模塊化設(shè)計，系統(tǒng)實現(xiàn)報警功能是通過調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)的。當(dāng)系統(tǒng)采集 2 次溫度煙霧信號后，轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)存入單片機(jī)的寄存器中，系統(tǒng)再調(diào)用火災(zāi)判斷子程序。 圖 數(shù)據(jù)采集流程圖 在火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的程序設(shè)計中使用了延時程序，延時 10ms 的程序如下： void delay_10ms uint i while i uchar i ， j ， k ； for i 5 ； i 0 ； i for j 4 ； j 0 ； j for k 248 ； k 0 ； k ； ，與閾值相比較信號為，變換函數(shù)為 T[ ]，則固定門限檢測可表示為： ， （ 41） 其中，表示判定為火災(zāi)，表示判定為非火災(zāi)， S 為報警閾值 [31]。在本設(shè)計中報警溫度設(shè)為 57℃，煙霧報警濃度設(shè)為 ％， （ 42） 系統(tǒng)對溫度和煙霧進(jìn)行了兩次數(shù)據(jù)采集與判斷，每次信號采集后根據(jù)得到的數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值比較 ，當(dāng)溫度≥ 57℃，溫度異常，置寄存器變量 a 為 1，否則為 0；當(dāng)煙霧濃度≥ ％，煙霧濃度異常，置寄存器變量 b 為 1，否則為 0。系統(tǒng)對現(xiàn)場進(jìn)行報警判斷后，間隔 15s后（通過系統(tǒng)的延時程序?qū)崿F(xiàn)），再一次采集現(xiàn)場的溫度煙霧信號進(jìn)行判斷，即每一次聲光報警持續(xù) 15s，直到系統(tǒng)做出下一次判斷結(jié)果。 6 總結(jié)與展望 總結(jié) 本文設(shè)計了一種基于單片機(jī) AT89C51 的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，系統(tǒng)安全可靠，誤報率低，操作方便，成本較低。系統(tǒng)使用了8 位 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809，以通用芯片 AT89C51 作為系統(tǒng)的控制器。在系統(tǒng)的軟件設(shè)計方面，采用了模塊化程序設(shè)計方法，系統(tǒng)各個模塊的具體功能都是通過子程序調(diào)用實現(xiàn)的。 當(dāng)發(fā)生火災(zāi)，系統(tǒng)以聲光的形式 發(fā)出報警。如果系統(tǒng)出現(xiàn)硬件故障，能發(fā)出故障報警；如果只有一種信號參數(shù)出現(xiàn)異常 如煙霧濃度過大或是溫度較高 ，能發(fā)出異常報警信號；如果煙霧和溫度同時出現(xiàn)異常，則說明有火災(zāi)，發(fā)出火災(zāi)警報。 （ 2）火災(zāi)報警系統(tǒng)沒有聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時不能通過電話網(wǎng)絡(luò)向消防指揮中心報警。 展望 二十一世紀(jì)是網(wǎng)絡(luò)化時代，在計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展下，火災(zāi)探測報警技術(shù)的更新變化也非常明顯，總體來看，主要的發(fā)展變化是：數(shù)字技術(shù)和新工藝、新材料的應(yīng)用，改進(jìn)系統(tǒng)能力和減少維護(hù)要求，向著高可靠、低誤報和網(wǎng)絡(luò)化、智能化