毕业设计（论文）-火灾报警控制器设计.doc

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 47 页 共 51页摘 要 火灾作为危害人类生存的大敌,越来越受到人们的重视。随着高层建筑的不断增多, 火灾隐患增加。一旦发生火灾,将对人的生命财产造成极大的危害,会给国家造成极大的经济损失,给社会带来重大影响。所以，如何较快的检测到火灾越来越受到人们的重视，各个国家在这方面都投入的巨大的人力和物力，各种各样的火灾检测及报警系统便应运而生了。 本系统根据火灾发生时的特征即烟和热，利用qm-n5传感器检测烟雾，利用ds18b20检测温度，当检测到烟雾或温度较高时，通过单片机处理实现报警，并通过max485实现与上位机通信，实现上位机对下位机的分布式监控。 本系统下位机有信号采集模块，报警模块，串口通信模块组成，上位机通过vb界面对下位机进行监控。整个系统效果还是比较好的，反应也较快，测量结果比较准确，有一定的实用性和应用前景。关键词：传感器;max485;上位机;下位机；分布式abstract as the great enemy of mankinds survival,the fire are getting more and more attention with the continuous increase in high-rise building, the hidden trouble of fire increased. once a fire happened ,there will be a great harm to peoples lives and property ,it will cause great economic losses and a major impact on the community.so,how to konw quikely when the fire happens are receiving more and more peoples attention,and every country are putting more and more people and money on this aspect.so,a wide rang of fire detection and alarm system came into being. according to the characteristics of a happenning fire ,namely the heat and smoke,the system in this paper make use of qm-n5 smoke detection sensors to detect the smoke,make use of ds18b20 to test the heat,when the system find the smoke or high temperature,handling by the scm,the system will give an alarm.the system communicate with the pc through max485,so that the pc can control the scm. the system are made up of signal acquisition module, alarm modules, serial communication modules.the pc monitor the scm through vb interface.the final effect of the entire system is relatively good, and has the faster response the measurement is also comparatively accurate, it still has a certain relevance and application prospects.key words: sensor; max485; pc; the next crew目 录引言11 课题的现状及研究意义21.1 课题现状21.2 课题的研究意义21.3 课题要求和各章内容安排22 相关技术和基础理论介绍32.1 传感器概述32.2 rs485总线42.2.1简介42.2.2 rs -485 方式构成的多机通信52.3 主要器件及应用62.3.1温度传感器ds18b2062.3.2烟雾传感器qm-n592.3.3 max485102.3.4 stc89c51123 系统的总体分析与器件的选择163.1 系统的整体框架163.2 温度传感器的选型173.3 烟雾传感器选型174 硬件电路设计及其实现184.1 单片机最小系统184.2 温度检测模块184.3 烟雾检测模块204.4 远距离通信电路204.5 报警电路225 软件部分设计235.1 下位机程序设计235.1.1主程序235.1.2温度读取程序235.1.3 ds18b20初始化、读写程序285.1.4下位机通信程序295.2 上位机程序设计306 电路布板，调试及故障分析316.1 pcb设计一般步骤316.2 pcb布线工艺要求346.3 电路的调试及故障分析357 总结36谢 辞37参考文献38附 录1 系统pcb图39附 录2 程序40 引言 在众多灾害中,火灾已成为我国常发性、破坏性和影响力最强的灾害之一。随着经济和城市建设的快速发展,城市高层、地下建筑以及大型综合性建筑日益增多,火灾隐患也大大增加,火灾发生的数量及其造成的损失都呈逐年上升趋势。 虽然我国城市中的大、中型建筑及公共场所安装的火灾探测报警系统及消防设施已逐渐普及、完善,但在实际使用过程中暴露出的问题也日益突出。 随着网络技术、控制技术和通讯技术的高速发展,为消防行业的现代化动态管理提供了可能。自动控制技术、传感技术逐渐被广泛地应用在工业与民用建筑上,而以网络技术为核心的分布式技术的迅速渗入,为分布式火灾自动报警监控系统的建立拓展了发展空间。 dcs是分散控制系统（distributed control system）的简称，国内一般习惯称为集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（computer）、通讯（communication）、显示（crt）和控制（control）等4c技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。dcs具有高可靠性、灵活性、易于维护等特点。 本文介绍的系统是应用温度传感器ds18b20、烟雾传感器mqn5，通过传感器测量数据，通过单片机处理传到上位机（pc机）显示。设计简单实用的特点,实现单片机对传感器的控制,该设计可以加快检测速度、提高效率、增强安全性。其中的当烟雾达到一定浓度时，会声光报警，提醒人们可能有火灾发生或者有其他异常情况发生。1 课题的现状及研究意义1.1 课题现状 在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。人类能够对火进行利用和控制，是文明进步的一个重要标志。火，给人类带来文明进步、光明和温暖。但是，失去控制的火，就会给人类造成灾难。所以说人类使用火的历史与同火灾作斗争的历史是相伴相生的，人们在用火的同时，不断总结火灾发生的规律，尽可能地减少火灾及其对人类造成的危害。 随着社会的不断发展，在社会财富日益增多的同时，导致发生火灾的危险性也在增多，火灾的危害性也越来越大。据统计，我国70年代火灾年平均损失不到2 .5亿元，80年代火灾年平均损失不到3.2亿元。进入90年代，特别是1993年以来，火灾造成的直接财产损失上升到年均十几亿元，年均死亡2000多人。实践证明，随着社会和经济的发展，消防工作的重要性就越来越突出。 对于火灾最好的方案当然是预防为主，但当火灾已经发生时，如何才能较快的检测到火灾并发出危险警报就显得尤其重要。所以各种火灾报警系统便应运而生。其中尤以分布式火灾报警系统发展最快，因为它有效的结合各种软硬件设施，并加入了网络技术，使得人们能在火灾造成影响较小时像人们发出警报。1.2 课题的研究意义 火灾一般有初始、蔓延和扩大几个阶段，把火灾消灭在萌芽状态，对做好城市消防工作有着十分重要的意义。消防工作实行“预防为主，防消结合”的方针。这是我国人民长期以来与火灾作斗争的经验总结。 对本课题的研究可以在火灾发生的初期更快更好的检测并发出报警，更好地保卫社会主义现代化建设，保障公共财产和公民生命财产的安全，减少火灾造成的社会秩序的混乱。1.3 课题要求和各章内容安排 设计的任务是采用单片机为核心器件，配合单总线数字温度传感器ds18b20和烟雾传感器qm-n5实现分布式温度和烟雾信息的采样与控制，下位机通过发光二极管实时显示温度，并通过rs485协议实现与上位机的远距离通信。上位机通过vb程序对下位机的工作进行实时监视。系统能有良好的实时性、准确性和可靠性。并且具有一定的实际意义。 各章内容安排：第一二章两章主要是基础理论知识的介绍。主要有本课题的研究意义、传感器的相关理论知识以及简要的分析了一下所用到芯片相关理论知识；第三章主要从总体方面分析系统的设计以及用到的相关原理；第四章是本次系统设计的硬件电路设计部分，详细分析了每一模块的原理、功能、相关原理图以及元件和参数的选择；第五章系统的软件部分设计，分模块介绍显示电路的软件编程；第六章主要讲述了系统的分析测试情况；第七章主要陈述本次系统设计的总体以及各功能的实现情况；最后是主要参考的文献、系统的原理图、pcb图以及完整的程序代码。2 相关技术和基础理论介绍本系统最重要的部分就是信号的采集和信号的传输。因此传感器和rs-485的通信协议是整个系统的基础。我们先来了解下这些知识。2.1 传感器概述一、传感器的定义传感器是一种以测量为目的，以一定的精度把测量转换为与值偶确定关系的、便于处理的另一种物理量器件，传感器的输出信号多为易于处理的电量，如电压、电流、频率等。传感器由敏感元件、传感元件及转换电路三个部分组成。二、传感器的分类传感器的种类繁多，分类方法也不尽相同，一般常用的分类方法有两种：一种是按被测的对象的参数分类；另一种是按传感器的变换原理分类。此外，还有其他的分类方法，如按传感器材料分类，按传感器本身是否能产生电动势分类和按驶入、输出特性分类等。按变换原理分类的传感器有：电阻式传感器、电感式传感器、压电式传感器、光电式传感器光栅式传感器、热点式传感器、红外传感器、光纤传感器、超声波传感器、激光传感器等。按被测对象的参数分类的传感器有：温度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、力矩传感器、加速度传感器、流速传感器、振动传感器等传感器的上述两种分类方式各有其优缺点。按被测对象参数分类是实用性强，便于选用，但缺乏系统性。例如测温用的传感器有很多种，有利用热电变换原理的热电偶传感器，有利用光电变换原理的光电高温计等。按变换原理分类时虽然传感器的用途和名称未明显标出，但却显示了传感器相互间的本质区别，便于了解各种传感器的各自特点，故基本上都用变换原理分类。三、传感器的发展方向传感器是检测系统中的重要主要组成部分，它的精度、可靠性。稳定性、抗干扰性等直接关系到控制系统的性能。因此，应不断地开发新型传感器以于检测系统。1. 由于传感器都是利用材料的各种效应、特性等来实现非电量转换成电量，所以应采用新材料、新技术、新工艺及探讨新理论来发展传感器。2为了适应计算机对信息的处理，应发展数字式的传感器，这样可省去模数转换电路，而直接于计算机连接。3. 为了适应工业和实验中的非接触式检测需要，应使用激光、微波、红外等技术。4. 发展“传像技术”。随着科学的发展，不但要求传感“个别非电量”，而且要求传感被测源的全部信息（即传像）。那就要求传感器不但是小型和微型，而且应从单个发展到组合式（传感器阵列）形式，其中每个小传感器测出被测源一个“像素”，整体构成“图像传感”，并能在显示屏上显示等。5. 发展“仿生传感器”。生物体充满着大量有传感作用的细胞，如视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉、冷热感觉等细胞，这些感觉细胞，将非电量转换成“生物电流”，由神经系统传到大脑进行处理，再发出各种控制命令。6. 传感器是属于敏感技术范畴之内，而敏感元件是基础元件，有了优良的敏感元件，才能有高性能的传感器，所以应优先开发新的领域和原理，生产出优良的敏感元件。2.2 rs485总线2.2.1简介在自动化控制领域,随着分布式控制系统的发展,在工业上的分布式控制系统中,经常需要采用串行通信来达到远程信息交换的目的。目前,用于串行通信的接口标准包括: rs - 232 、rs - 422 、rs -423 和rs - 485 。rs232 是最早的串行接口标准,广泛应用在短距离、较低波特率串行通信中。其后发展起来的rs - 422 、rs - 485 是平衡传送的电气标准,比起rs - 232 非平衡的传送方式在电气指标上有了大幅度的提高。rs - 485 串行接口的电气标准实际上是rs - 422 的变型, 它属于七层osi(open system interconnection ,开放系统互连) 模型物理层的协议标准。由于性能优异、结构简单、组网容易,rs - 485 总线标准得到了越来越广泛的应用。rs485总线是一种国际性的开放式的现场总线标准。采用双绞线差分传输方式，可连接成半双工和全双工两种通信方式。最远传输距离是1200米。差分输入范围是-7v12v。接受器输入灵敏度为200mv，输入阻抗大于或等于12千欧，标准接点数为32个，即每个rs485接口芯片的驱动器能驱动32个标准的rs485负载。根据规定，标准的rs485接口的输入阻抗为大于等于12千欧，相应的标准驱动节点数为32。为了适应更多的节点的通信场合，有些芯片的输入阻抗设计成1/2的负载（大于或等于24千欧）、1/4负载（大于或等于48千欧）、甚至是1/负载（大于或等于96千欧）等，相应的节点数可增加到64、128、256等。2.2.2 rs -485 方式构成的多机通信利用pc 机与单片机构成的多机通信系统,采用主从式结构:主机控制多个从机,作为从机的单片机不主动发送命令或数据,一切都由主机pc 机控制;并且在一个多级系统中,只有一台主机,各台从机之间不能相互通信,即使有信息交换也必须通过主机转发。现在一般采用rs 485 构成的多机通信系统原理框图,如图2.1所示。在总线末端接一个匹配电阻,吸收总线上的反射信号,使得正常传输信号无毛刺。匹配电阻的取值应该与总线的特性阻抗相当。在总线上没有信号传输时,总线处于悬浮状态,容易受干扰信号的影响。将总线上的差分信号的正端a + 和负端b - 之间接一个10 k的电阻;负端b -和地间接一个10 k的电阻,形成一个电阻网路。当总线上没有信号传输时,正端a + 的电平大约为312 v ,负端b- 的电平大约为116 v ,即使有干扰信号,也很难产生串行通信的起始信是0 ,从而增加了总线抗干扰的能力。图 2.1 多机通信原理框图 图 2.2 rs - 485 互连示意图2.3主要器件及应用本课题所用到的主要器件除了传感器，即温度传感器ds18b20和烟雾传感器qm-n5，还有max系列的芯片max485。2个stc89c51的单片机。2.3.1温度传感器ds18b20 ds18b20是美国dallas半导体公司生产的单总线可组网数字式温度传感器。它的测量范围为-50至+125，精度可达0.1不需a/d转换电路，直接将温度值转换成数字量。ds18b20遵循严格的单线串行通信协议，每一个ds18b20在出厂时都用激光进行了调较，并具有唯一的64位序列号，所以多个ds18b20可以共存与同一条线上。ds18b20的内部使用了在板（on-board）专利技术。封装为to-92的ds18b20将全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内如图2.3。其外围电路简单，可广泛应用于温度控制，温度测量，工作系统及任何热敏感系统中。图 2.3 ds18b20引脚ds18b20的内部主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光rom、单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式ram）用于存储用户设定的温度上下限值的th和tl触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（crc）发生器等七部分。ds18b20的内部结构如图2.4所示。图 2.4 ds18b20内部结构ds18b20测量温度时使用特有的温度测量技术。ds18b20内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f。，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f。当计数门打开时，ds18b20对f。计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以补偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应为9位（符号占1位），但因符号位扩展成高8位，故以16位补码形式读出，表2.1给出了温度和数字量的关系。表 2.1 ds18b20输出数据与温度关系dsl820工作过程分三步，如下：（1）初始化 单总线上的所有处理均从初始化开始（2）rom操作命令 总线主机检测到dsl820的存在便可以发出rom操作命令之一，如表2.2。表 2.2 ds18b20 rom操作命令（3）存储器操作命令存储器命令如表2.3。表 2.3 ds18b20存储器操作命令ds1820使用中注意事项 （1）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于ds1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对ds1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。对ds1820操作部分最好采用汇编语言实现。 （2）在ds1820的有关资料中均未提及单总线上所挂ds1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个ds1820，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂ds1820超过8个时，就需解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。 （3）连接ds1820的总线电缆是有长度限制的。当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用ds1820进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。 （4）在ds1820测温程序设计中，向ds1820发出温度转换命令后，程序总要等待ds1820的返回信号，一旦某个ds1820接触不好或断线，当程序读该ds1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行ds1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。2.3.2烟雾传感器qm-n5 qm-n5型气敏元件是金属氧化物sno2为主要材料的n型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体的浓度增加而迅速升高。特点：用于可燃性气体的检测（ch4、c4h10、h2、烟雾等）灵敏度高 响应速度快 输出信号大 寿命长，工作稳定可靠 图2.5 mqn5的外形原理： 在200-300度时，它吸附空气中的氧，形成的氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加，当遇到有能供给电子的可燃气体（如co等）时，原来吸附的氧托附，而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面；氧脱附放出电子，可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子，从而使氧化物半导体带电子密度增加，电阻值下降，可燃性气体不存在了，金属氧化物半导体优惠自动回复放的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是半导体气敏元件检测可燃性气体的基本原理。技术指标： 加热电压（vh） ac或dc 50.2v响应时间(trec)10s回路电压（vc）最大dc 24v恢复时间(trec)30s 负载电阴（rl）2k元件功耗0.7w清洁空气中电阻 （ra） 2000 k检测范围5010000ppm灵敏度（s=ra/rdg）4(在1000ppmc4h10中)使用寿命2年技术指标：加热电压(vh) ac或dc 50.5v回路电压(vc) 最大dc 24v负载电阻(rl) 2k清洁空气中电阻(ra) 4000k灵敏度(s=ra/rdg) 4(在1000ppmc4h10中)响应时间(tres) 10s恢复时间(trec) 30s检测范围 50-10000ppmvc输出信号rlvrlvh 图2.6基本测试电路使用方法及注意事项 元件开始通电工作时,没有接触可燃性气体,其电导率也急剧增加1分钟后达到稳定,这时方可正常使用,这段变化在设计电路时可采用延时处理解决.加热电压的改变会直接影响元件的性能,所以在规定的电压范围内使用为佳.元件在接触标定气体1000ppm c4h10后10秒以内负载电阻两端的电压可达到(vdg- va)差值的80%(即响应时间);脱离标定气体1000ppm c4 h1030秒钟以内负载电阻两端的电压下降到(vdg- va)差值的80%(即恢复时间).符号说明 检测气体中电阻- rdg 检测气体中电压- vdg rdg 与vdg的关系: rdg=rl(vc/vdg-1) 负载电阻可根据需要适当改动,不影响元件灵敏度. 使用条件:温度-1535;相对湿度4575%rh;大气压力80106kpa 环境温湿度的变化会给元件电阻带来小的影响,当元件在精密仪器上使用时,应进行温湿度补偿,最简便的方法是采用热敏电阻补偿之. 避免腐蚀性气体及油污染,长期使用需防止灰尘堵塞防爆不锈钢网.2.3.3 max485 max485接口芯片是maxim公司的一种rs-485芯片。采用单一电源+5 v工作,额定电流为300a,采用半双工通讯方式。它完成将ttl电平转换为rs-485电平的功能。其引脚结构如2.7所示。从图2.7中可以看出,max485芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。ro和di端分别为接收器的输出和驱动器的输入端,与单片机连接时只需分别与单片机的rxd和txd相连即可；re和de端分别为接收和发送的使能端,当re为逻辑0时,器件处于接收状态；当de为逻辑1时,器件处于发送状态,因为max485工作在半双工状态,所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；a端和b端分别为接收和发送的差分信号端,当a引脚的电平高于b时,代表发送的数据为1；当a的电平低于b端时,代表发送的数据为0。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制max485的接收和发送即可。同时将a和b端之间加匹配电阻,一般可选100的电阻。图 2.7 max485引脚结构单片机实现与pc机之间的通讯时,必须使用电平转换接口芯片,因为单片机输出的是ttl电平,必须经过电平转换才能和pc机的一致。本设计中采用rs-485协议进行远距离通信,所以单片机需要采用rs-485接口；而在pc机侧使用的是rs-232与rs-485的电平转换接口。在设计中采用的是电平转换模块,该接口使用简便、无需外加电源,而且不用任何软件初始化和修改。由于rs-485通信是一种半双工通信,发送和接收共用同一物理信道。在任意时刻只允许一台单机处于发送状态。因此要求应答的单机必须在监听到总线上呼叫信号已经发送完毕,并且没有其它单机发出应答信号的情况下,才能应答。半双工通信对主机和从机的发送和接收时序有严格的要求。如果在时序上配合不好,就会发生总线冲突,使整个系统的通信瘫痪,无法正常工作。要做到总线上的设备在时序上的严格配合,必须要遵从以下几项原则。(1)复位时,主从机都应该处于接收状态/re和de端相连为低时,从机处于接收状态,在上电复位时,由于硬件电路稳定需要一定的时间,并且单片机各端口复位后处于高电平状态,这样就会使总线上各个分机处于发送状态,加上上电时电路的不稳定,可能向总线发送信息。因此,如果用一根口线作发送和接收控制信号,应该将口线反向后接入max485的控制端,使上电时max485处于接收状态。(2)控制端/re,de的信号要求在rs-232,rs-422等全双工通讯过程中,发送和接收信号分别在不同的物理链路上传输,发送端始终为发送端,接收端始终为接收端,不存在发送、接收控制信号切换问题。在rs-485半双工通信中,由于max485的发送和接收都由同一器件完成,并且发送和接收使用同一物理链路,必须对控制信号进行切换。控制信号何时为高电平,何时为低电平,一般以单片机的ti,ri信号作参考。发送时,检测ti是否建立起来,当ti为高电平后关闭发送功能转为接收功能;接收时,检测ri是否建立起来,当ri为高电平后,接收完毕,又可以转为发送。(3)发送控制信号在时序上的要求总线上所连接的各单机的发送控制信号在时序上完全隔开。为了保证发送和接收信号的完整和正确,避免总线上信号的碰撞,对总线的使用权必须进行分配才能避免竞争,连接到总线上的单机,其发送控制信号在时间上要完全隔离。总之,发送和接收控制信号应该足够宽,以保证完整地接收一帧数据,任意两个单机的发送控制信号在时间上完全分开,避免总线争端。2.3.4 stc89c51 在本设计中采用的是atmal公司生产的stc89c51单片机，它是低功耗的、具有8kb在线可编程flash存储器的单片机。它与通用80c51系列单片机的指令系统和引脚兼容。片内的flash可允许在线重新编程，也可使用通用非易失性存储器编程器编程。它将通用cpu和在线可编程flash集成在一个芯片上，形成了功能强大、使用灵活和具有较高性能价格比的微控制器。简单概括来说，单片机应用系统的结构可分为三个层次：第一层是指单片机：通常指应用系统主处理机，即所选择的单片机器件。第二层是指单片机系统：指按照单片机的技术要求和嵌入对象的资源要求而构成的基本系统，入时钟电路、复位电路和扩展存储器于单片机构成了单片机系统。第三层是指单片机应用系统：指能满足嵌入对象的要求的全部电路系统。（1）单片机的基本原理在通用微机中央处理器基础上，将输入/输出（i/o）接口电路、时钟电路以及一定容量的存储器等部件集成在同一芯片上，在加上必要的外围器件，如晶体振荡器，就构成了一个较为完整的计算机硬件系统，由于这类计算机系统的基本部件均集成在同一芯片内，因此被称为单片机控制器（single-chip_micro control，简称单片机）或微控制单元（microcontroller unit，简称mcu）。（2）stc89c51系列单片机引脚功能分类单片机引脚结构图如图2.8所示：图2.8 stc89c51引脚结构图下面就对stc89c51的各引脚功能说明见表2.1所示：名 称管脚号类型名称和功能diplccqfpvcc404438i电源：提供掉电、空闲、正常工作电压p0.0-0.739-3243-3637-30i/op0口:p0口是开漏双向口可以写为1 使其状态为悬浮用作高阻输入p0 也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节在访问外部数据存储器时作数据总线此时通过内部强上拉输出1。p1.0-1.71-82-940-441-3i/op1口:p1口是带内部上拉的双向i/o口向p1口写入1时p1口被内部上拉为高电平时可用作输入口，当作为输入脚时被外部拉低的p1口会因为内部上拉而输出电流。p2.0-2.721-2824-3118-25i/op2口：p2口是带内部上拉的双向i/o 口，向p2口写入1时p2 口被内部上拉为高电平，可用作输入口。名 称管脚号类型名称和功能diplccqfpp3.0-3.710-1711,13-195,7-13i/op3口：p3 口是带内部上拉的双向i/o 口，向p3 口写入1时，p3口被内部上拉为高电平，可用作输入口；当作为输入脚时，被外部拉低的p3口会因为内部上拉而输出电流。 rst9104i复位：当晶振在运行中时，只要复位管脚出现2个机器周期高电平即可复位，内部有扩散电阻连接到vss，仅需要外接一个电容到vcc即可实现上电复位。ea/vpp313529o接电源vccxtal1192115i晶体1：反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入xtal2182014o晶体2：反相振荡放大器输出表2.1 stc89c51各个引脚功能图示 电源引脚vcc-40脚 电源端，stc89c51工作电压为5v工作电压则是5v。gnd-20脚 接地端。 外接晶体引脚xtal1，xtal2接石英晶体振荡器。如图2.9所示外接晶体引脚图： c2 xtal2 悬空 xtal2 c1 xtal1 外部振荡信号 xtal1 gnd gnd 接地 接地a内部方式 b外部方式图2.9 晶振外接结构引脚图 xtal1是片内振荡器的反相放大器输入端，xtal2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到xtal1，而xtal2悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12mhz，时钟频率就为6mhz。晶振的频率可以在1mhz-24mhz内选择，在本设计电路中选用了12mhz。电容取20pf左右。机器周期12时间周期，如12mhz的机器周期为1微秒。 输入输出引脚（4个i/o口）stc89c51共有4个i/o端口，为p0（p0.0po.7）、p1（p1.0p.7）、p2（p2.0p2.7）、p3（p3.op3.7），4个i/o口都是双向的，且每个口都具有锁存器。每个口有8条线，共计32条i/o线。各端口的功能叙述如下： p0端口p0.0-p0.7：p0是一个8位漏极开路型双向i/o端口，端口置1（对端口写1）时作高阻抗输入端。对内部flash程序存储器编程时，接收指令字节；校验程序时输出指令字节，要求外接上拉电阻。在访问外部程序和外部数据存储器时，p0口是分时转换的地址(低8位)/数据总线，访问期间内部的上拉电阻起作用。概括来说p0不扩充时，可做一般i/o使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。 p1端口p1.0p1.7：p1是一个带有内部上拉电阻的8位双向i/0端口。输出时可驱动4个ttl。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部flash程序存储器编程时，接收低8位地址信息。p1只做i/o口使用，其内部有上拉电阻。 p2端口p2.0p2.7：p2是一个带有内部上拉电阻的8位双向i/0端口。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部flash程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息。在访问外部程序和16位外部数据存储器时，p2口送出高8位地址。而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。p2做一般i/o使用时，其内部有上拉电阻。 p3端口p3.0p3.7：p3是一个带有内部上拉电阻的8位双向i/0端口。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平作输入用。对内部flash程序存储器编程时接控制信息。除此之外p3端口还用于一些专门功能，p13端口在做输入使用时，因内部有上拉电阻，被外部拉低的引脚会输出一定的电流。端口1、2、3有内部上拉电阻，当作为输入时，其电位被拉高，若输入为低电平可提供电流源；而端口0当作输入时，处在高阻抗的状态。 控制或复位引脚：reset 此脚为高电平时（约2个机器周期）可将单片机复位。rst/vpd当出现两个机器周期高电平时，单片机复位。复位后，p0p3输出高电平；sp寄存器为07h；其它寄存器全部清0；不影响ram状态。由于at89s52兼容了80c51的全部功能，所以可以用80c51来介绍stc89c51，具体如图2.10所示。 图 2.10 复位电路 3 系统的总体分析与器件的选择 3.1系统的整体框架 从上面的系统框架图可以很清楚的了解整个系统的各个模块，数据采集模块、数据传输模块，在开始制作一个系统之前，选好合适传感器是成功的第一步。3.2 温度传感器的选型 对于温度传感器的选择，笔者对多种传感器进行了比较，最终决定选择美国dallas半导体公司生产的单总线可组网数字式温度传感器ds18b20，这款传感器不但价格便宜，而且精度也较高。 在多点测温系统中，传统的测温方法是将模拟信号远距离采样进行ad转换，而为了获得较高的测温精度，就必须采用措施解决由长线传输，多点测量切换及放大电路零点漂移等造成的误差补偿问题。采用数字温度芯片ds18b20测量温度，输出信号全数字化。便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。在0100时，最大线形偏差小于1。ds18b20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计ds1820和微控制器stc89c51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。 采用温度芯片ds18b20测量温度，可以体现系统芯片化的趋势。部分功能电路的集成，使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。而且，集成块的使用，有效地避免外界的干扰，提高测量电路的精确度。所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。本方案应用这一温度芯片，也是顺应这一趋势。3.3 烟雾传感器选型现在的技术，测烟雾有很多方法，可以直接用烟雾传感器，还可以利用光的散射原理等等。但是类似光散射这样的元件，还需要ad转化，电路接线会比较麻烦，笔者在烟雾检测用的传感器是qm-n5。它是个气敏元件。以sno2为主体材料的n型半导体气敏元件，当元件接触到还原性气体时，其电导率随气体的浓度的增加而迅速升高。而其电阻就会迅速降低，当串接一个电阻时，其分压就会变小，当把其输入到单片机i/o口时就会出现i/o口电平从高到低的变化，我们就可以通过查询或中断的方式进行处理，十分方便。所以笔者决定选用此种传感器。4 硬件电路设计及其实现4.1单片机最小系统 单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路. stc89c51单片机最小系统见图4.1。 图 4.1 stc89c51单片机最小系统下面笔者分别对最小系统的各个部分进行简单介绍，前面已经介绍了stc89c51在此不再赘述，首先介绍一下晶振电路。晶振电路： 晶振电路为单片机的正常工作提供时钟信号，可以说是单片机的心脏部分，它一般有晶振和电容两部分组成。晶振的选择根据系统的其他设计要求不同而有所不同，常用的有11.0592m和12m两种，11.0592一般用于串口通信，因为它可以提供准确的波特率，本系统因为要和上位机进行通信，故选用该种晶振。12m晶振是最常用的晶振，因为它可以产生精确的s级的机器周期,方便定时操作。4.2 温度检测模块根据供电方式的不同ds18b20有两种不同的接法。第一种：寄生电源在ds18b20内部温度转换时，为dq线上提供很强的上拉，采用电力mosfet直接给ds18b20供电，这种供电方式有两种好处：1）进行远距离测温时，无需本地电源；2）可以在没有常规电源的条件下读rom。采用这种供电方式时vdd必须接地，如图4.2所示。图 4.2 ds18b20寄生电源第二种：外接电源 第二种供电方式使用得比较普遍，具体电路如图4.3所示。将外部电源直接接到ds18b20的vdd上，这种方式下单片机一个i/o口可以接上多个ds18b20芯片。本系统采用这种方式。图 4.3 ds18b20接线图4.3烟雾检测模块 qm-n5的连接方式如图4.4所示，因为烟雾传感器内部1脚和三脚相连，4脚和6脚相连，所以电路连接只需一对就可以工作了。20k的可调电阻是为其报警功能而添加的。当传感器检测到烟雾的时间，第3和第6脚之间的电阻会变的很低，可调电阻在适合的阻值时，单片机的p1.2口就会被至为低电平，此时我们就可以通过查询或中断方式检测该信号变化，检测到后设置p1.3口也为低电平，加上个三极管，这样就可以驱动蜂鸣器，达到报警的目的。 图4.4 qm-n5的接线图4.4远距离通信电路 本系统采用max485实现单片机与pc机的通信，前面已经介绍了max485的使用方法及注意事项，在此笔者仅对该系统中max485的使用做简要介绍。影响rs-485总线通讯速度和通信可靠性的三个因素：在通信电缆中的信号反射 在通信过程中，有两种信号因导致信号反射：阻抗不连续和阻抗不匹配。阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通讯电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻，如图4.5所示。图 4.5 max485阻抗匹配电路在通讯电缆中的信号衰减 第二个影响信号传输的因素是信号在电缆的传输过程中衰减。一条传输电缆可以把它看出由分布电容、分布电感和电阻联合组成的等效电路。电缆的分布电容c主要是由双绞线的两条平行导线产生。导线的电阻在这里对信号的影响很小，可以忽略不计。信号的损失主要是由于电缆的分布电容和分布电感组成的lc低通滤波器。本设计采用了双绞线作为传输线。在通讯电缆中的纯阻负载 影响通讯性能的第三个因素是纯阻性负载（也叫直流负载）的大小。这里指的纯阻性负载主要由终端电阻、偏置电阻和rs-485收发器三者构成。在通讯波特率比较高的时候，在线路上偏置电阻是很有必要的。偏置电阻的连接方法如图3.10。它的作用是在线路进入空闲状态后，把总线上没有数据时（空闲方式）的电平拉离0电平。这样一来，即使线路中出现了比较小的反射信号或干扰，挂接在总线上的数据接收器也不会由于这些信号的到来而产生误动作。在实际应用中，rs-485总线加偏置电阻有两种方法： 把偏置电阻平衡分配给总线上的每一个收发器。这种方法给挂接在rs-485总线上的每一个收发器加了偏置电阻，给每一个收发器都加了一个偏置电压。 在一段总线上只用一对偏置电阻。这种方法对总线上存在大的反射信号或干扰信号比较有效。值得注意的是偏置电阻的加入，增加了总线的负载。 在pc机端加上rs-232转r