电子信息工程毕业论文—利用单片机结合传感器技术而开发设计的智能火灾报警系统论文

哈尔滨远东理工学院哈尔滨远东理工学院 学士学位论文 题目：单片机结合传感器技术智能火灾报警系统 姓名：李晨曦 分院：工学院 专业：电子信息工程 学号：09030212 指导教师：王鑫 二 0年月日 毕业设计（论文）评语及成绩 一、指导教师评语： 是否同意参加答辩： 指导教师签字： 20年月日 二、评阅人评语： 是否同意参加答辩： 评阅教师签字： 20年月日 三、答辩委员会评语： 是否建议授予学士学位： 答辩委员会成员签字：1、2、3、 4、5、6、 7、8、 9、 20年月日 四、答辩委员会主任单位 答辩委员会主任职称 答辩委员会主任签字 20年月日 五、毕业设计（论文）成绩： 学生所在分院盖章： 20年月日 哈尔滨远东理工学院哈尔滨远东理工学院 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 学生姓名李晨曦学号09030212 分院工学院专业电子信息工程 任务起止时间：2012年 12月 10日 至2013年5 月 31 日 毕业设计（论文）题目： 利用单片机结合传感器技术而开发设计的智能火灾报警系统 毕业设计（论文）工作内容： 计以 MCS-51 单片机为硬件核心实现智能火灾报警系统的设计。 文中选用 MQ-2 型半 导体烟雾传感器实现烟雾的检测；选用 DS18B20 数字温度传感器实现温度的检测；使用 ADC0809 对 MQ-2 采集的模拟信号进行 A/D 转换， 以便单片机处理。 由于 ADC0809 的时钟 信号通常为 500KHz，故而选用 74LS74 进行分频。单片机处理数据后，与设定的上限值 进行比较，超过上限值时，发出指令，实现光报警，达到预期的效果。 毕业设计（论文）进度安排： 1、查阅中外文文献资料，写出文献综述阶段： 2012 年 12 月 10 日2013 年 1 月 10 日 2、调查、设计、实验、研究阶段： 2013 月 1月 11 日2013 年 3 月 31 日 3、设计（论文）撰写与整理阶段： 2013 年 4月 1 日2013 年 5 月 31 日 指导教师意见与要求： 签字： 年月日 主任意见： 签字： 年月日 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 -I- 摘要 随着现代家庭用火、用电量的增加，家庭火灾发生的频率越来越高，火灾报警器也随 之被广泛的应用于各种场合。本设计是利用单片机结合传感器技术而开发设计的智能火灾 报警系统。设计目的是设计和实现一种分布式智能火灾报警控制系统，实现系统软硬件的 组成和实现。论文中主要针对智能火灾报警器系统中的各个组成部件进行了介绍，对它的 主控电路和外围设备电路之间的接口技术，还有软件方面进行了重点介绍。 设计以 MCS-51 单片机为硬件核心实现智能火灾报警系统的设计。文中选用 MQ-2 型半 导体烟雾传感器实现烟雾的检测；选用 DS18B20 数字温度传感器实现温度的检测；使用 ADC0809 对 MQ-2 采集的模拟信号进行 A/D 转换，以便单片机处理。由于 ADC0809 的时钟信 号通常为 500KHz，故而选用 74LS74 进行分频。单片机处理数据后，与设定的上限值进行 比较，超过上限值时，发出指令，实现光报警，达到预期的效果。 关键词：火灾；单片机；报警器；ADC0809；传感器 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 -II- Abstract With the modern family the use of fire, electricity consumption increases, households are more frequent fires, fire alarm also will be widely used in various applications. This design is the use of microcomputer with the sensor technology development and design of intelligent fire alarm system. Design purpose is to design and implementation of a distributed intelligent fire alarm control system, and the composition and realization of hardware and software. The main thesis of intelligent fire alarm system of the component parts have been introduced, its main control circuit and peripheral circuits interface between technology and software were also highlighted. Designed to MCS-51 microcontroller core for the hardware realization of intelligent fire alarm system. A selection MQ-2-type semiconductor Smoke Sensors detect smoke; optional digital temperature sensor DS18B20 Temperature measurement; use of the MQ-2 ADC0809 analog signals acquisition A / D converter for single chip processing. As the ADC0809 clock signal is usually 500KHz, Guer 74LS74 for frequency selection. MCU processing data, and set the upper limit comparison, over the limit, give directions, to achieve sound and light alarm, to achieve the desired results. Key words：Fire，MCU，alarm apparatus，ADC0809，sensor 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 -III- 目录 摘要I Abstract.II 目录. III 第 1 章 绪论. 1 1.1 火灾报警技术的发展概况 1 1.2 智能火灾报警系统 1 1.3 课题研究的意义 2 1.4 本章小结. 2 第 2 章 方案设计. 4 2.1 系统的主要功能及原理 4 2.1.1 目的和要求. 4 2.1.2 系统的工作原理 4 2.2 系统芯片的选择 4 2.2.1 单片机的选择. 4 2.2.2 A/D 转换器的选择.5 2.2.3 烟雾传感器的选择. 5 2.2.4 温度传感器的选择. 6 2.3 本章小结 7 2.4 系统的结构原理框图 7 第 3 章 硬件模块设计. 8 3.1 单片机主控处理模块 8 3.1.1 主要性能参数. 8 3.1.2 功能特性概述. 10 3.1.3 工作特性. 10 3.2 A/D 转换模块11 3.2.1ADC0809 芯片的基本知识12 3.2.3 主要特性. 13 3.2.4 ADC0809 的工作原理简介.13 3.2.5ADC0809 应用说明14 3.3 数据采集模块 15 3.3.1 烟雾报警器模块. 15 3.3.2 温度报警器模块. 17 3.4 报警电路模块 20 3.5本章小结 20 第 4 章 软件设计. 21 4.1 编程 Keil 环境介绍21 4.2 系统软件设计 22 4.2.1 ADC0809 流程图.22 4.2.2 DS18B20 流程图22 4.2.3系统软件流程图. 22 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 -IV- 4.3 本章小结 23 第 5 章 系统调试. 24 5.1 系统调试的步骤 24 5.2 调试过程中遇到的问题及解决方法 24 5.3 本章小结 25 结论. 26 致谢. 27 参考文献. 28 附录 A30 附录 B31 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 -1- 第 1 章 绪论 近年来随着计算机在社会领域的渗透，单片机1的应用正在不断地走向深入，同时带 动传统控制检测日新月益得更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往 往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以 及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。 随着科学技术的不断发展，火灾报警2器因其具有体积小、功耗低、功能强、成本低 等特点正在向各个领域渗透，在家用电器、安全保卫以及人们日常生活中广泛应用。 本 文给出 STC89C51 单片机的工作原理，传感器3与 ADC809 和 C514的连接5方式和单 片机软件解码应用程序，并提供了对火灾采集信号检测的应用程序。本文给出用软件方式 实现火灾报警的单片机程序，对于硬件电路，采集信号由 MQ-26和 DS18B20 完成，而接 受部分则只需要在单片机系统中添加一个 A/D7芯片就可完成。 1.1 火灾报警技术的发展概况 我国的火灾自动报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，其智能化 程度也越来越高。目前国内厂家多偏重用于大型仓库、商场、高级写字楼、宾馆等场所大 型火灾报警系统的研发，他们采用集中区域报警控制方式，其系统复杂、成本较高。而在 居民住宅区、机房、办公室等小型防火单位，需要设置一种单一或区域联网、廉价实用的 智能火灾报警装置，因此，研制一种结构简单、价格低廉的智能 8火灾报警器是非常必要 的。 火灾报警系统，从发展过程来看，大体可分为三个阶段: 第一阶段为多线型火灾自动报警系统，每个探测器除需提供两根电源线外，还需提供 一根报警信号线，探测器电源由报警器提供，探测器的信号线均连接到报警显示盘上，报 警时点亮相应的指示灯，如日本“日探”公司生产的 CPF 火灾报警系统。此类系统的功能 一般以报警为主，辅以一些简单的联动功能(也为多线制)，如驱动蜂鸣器等，其报警器对 外围探测器，无故障检测功能，只会对电源线的断线作出故障反应，安装此类系统比较繁 琐，特别是校线工作量较大。 第二阶段为总线型火灾自动报警系统，已采用微处理器控制。其线制一般有四线制、 三线制、二线制。探测器和模块通过总线与控制器实现信号传送。其探测器的报警形式为 开关量，它的灵敏度在制造时，通过硬件决定，不可调整。此类系统可通过各种模块对各 联动设备实行较复杂的控制。此类系统已具有系统自检以及对外围器件的故障检验等功 能，但对故障类型不能区分。目前国内生产的火灾自动报警系统大多数为此类产品。由于 此类产品具有先进的报警和控制功能，施工、安装较为方便，且价格较低，己被大量使用。 第三阶段为智能型火灾自动报警系统，由于采用了先进的计算机控制技术，智能化程 度大大提高，探测器的报警形式采用模拟量，并可通过软件对其灵敏度根据使用场合、时 间进行设定和调整，如可设定白天、夜间、休息日不同灵敏度。对探测器的使用环境参数 变化较大的场所，灵敏度设定相对低一些，对环境较稳定或一些重要的场所，灵敏度设定 相对高一些，这一功能可提高系统的稳定性及可靠性，减少误报。 1.2 智能火灾报警系统 火灾自动报警系统属于楼宇自动化范畴，是当前楼宇自动化的一个主要构成系统。其 设置目的是为了防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。火灾报警技术是预防火灾的 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 -2- 一项基础工作，应用范围广泛。报警早，损失少，不仅对发生火灾的单位和个人具有重要 作用，而且对公安消防监督机构及时扑灭火灾、减少人员伤亡和财产损失同样具有十分重 要的现实意义。 火灾自动报警系统由触发器件、火灾报警装置、火灾警报装置及具有其他辅助功能的 装置组成。随着电子技术和计算机技术的迅速发展，火灾自动报警系统的结构、形式越来 越灵活多样，很难精确划分为几种固定的模式。火灾自动报警技术趋向于智能化系统，这 种系统可组合成任何形式的火灾自动报警网络形式，既可以是区域报警系统，又可以是集 中报警系统或控制中心报警系统形式。 所谓智能火灾自动报警系统，应当是：使用探测器件9将火灾发生期间所产生的烟、 温等信号以模拟量形式，连同外界相关的环境参数一起传送给报警器，报警器再根据获取 的数据及内部存储的大量数据，利用火灾模型判据来判断火灾是否存在，这样的系统称为 智能火灾自动报警系统。从传统型走向智能型，是国内外火灾自动报警系统技术发展的必 然趋势。智能型火灾报警系统是一个集信号检测、传输、处理和控制于一体的控制系统， 代表了当前火灾报警系统的发展方向。随着科学技术的迅猛发展以及国内外经济的迅速增 长，市场上迫切需要一种容量大、性能优越、可靠性高、便于安装、使用和维护的智能型 火灾报警控制系统。在本次设计中采用了感烟效果好、灵敏度高的 MQ-2 烟雾传感器和 DS18B20 数字温度传感器来完成设计要求。 智能火灾自动报警控制系统具有如下特点： 1.为全面有效地反映被监视环境的各种细微变化，智能系统采用了设有专用芯片的模 拟量探测器，对烟雾和灰尘等影响实施自动补偿，同时有数字量的探测器，直接将采集的 信号信息送入控制器进行自动处理，从而为实现各种智能特性、解决无灾误报和准确报警 奠定了技术基础； 2.系统采用主从式网络结构，解决了对不同工程的适应性，又提高了运行的可靠性； 3.利用全总线计算机通信技术，既完成了总线报警，又实现了总线联动控制，彻底避 免了控制输出与执行机构之间的长距离穿线布管，大大方便了系统布线设计和现场施工。 4.基于单片机的灵活性，可对整个系统进行扩展，实现更多的功能。 1.3 课题研究的意义 随着生产和生活的迅猛发展，消防安全显得越来越重要。本文就智能火灾报警系统中 探测器的选型及单片机联动设计方案的合理选择等问题，结合在实际工程中的应用，作初 步探讨，供参考。伴随着科学技术的不断进步，智能火灾报警系统必将得到更快的发展。 智能火灾报警控制器是一种能向火灾探测器供电、接收、显示和传递火灾报警等信号的报 警装置，它是智能火灾报警系统的重要组成部分。在智能火灾报警系统中，火灾探测器随 时监视着周围环境的情况，是系统的“感觉器官” 。火灾报警控制器则是该系统的“躯体” ， “大脑” ，是系统的核心。火灾报警控制器担负着为火灾探测器提供稳定的工作电源;监视 探测器及系统自身的工作状态:接受、转换、处理火灾探测器输出的报警信号:进行声光报 警；同时执行相应辅助控制等任务。 1.4 本章小结 传感器技术经过十几年的发展，因其具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点正 在向各个领域渗透，而单片机的应用正在随着计算机在社会各个领域的渗透不断地走向深 入，将单片机与传感器技术有机的结合起来，既方便了人们的日常生活，又推动了科学的 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 -3- 发展。如今，将单片机技术恰当的应用在传感器技术中，是技术进步的必然结果。 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 -4- 第 2 章 方案设计 2.1 系统的主要功能及原理 2.1.1 目的和要求 本次设计是设计和实现一种分布式智能火灾报警控制系统，实现系统软硬件的组成和 实现。实时、准确报警和可靠的联动控制，使系统可靠性高、灵活性强、人机界面友好。 设计成果能对室内烟雾(CO2，CO10，甲烷等)及温度突变进行报警，烟雾和温度同时出 现异常，则说明有火灾，发出火灾警报。通过设计熟悉 51 单片机的使用方法、ADC0809 和 DS18B20、MQ-2 传感器11等芯片的工作原理及其使用，并通过 Keil12编程往单片机 上下载程序，进而实现对外接在单片机上的电路控制报警系统，驱动扬声器，达到预期效 果。在智能火灾报警系统设计过程中，根据设计要求编写程序，绘制 Protel13原理图来达 到设计的最优化和理想化、实用化。 2.1.2 系统的工作原理 本文的智能火灾报警系统14的工作，首先，通过数据采集模块的 MQ-2 烟雾传感器采 集周围环境的烟雾浓度，经 A/D 转换送到单片机控制中心进行处理；同时由 DS18B20 数 字温度传感器采集周围环境中的温度，经过信息处理，转化为 C5115单片机能够处理的数 字量。在 STC89C5RC 单片机中，采集并经过处理的数据要与系统所规定的相关上限值进 行比较（上限值是保证系统正常工作同时周围环境处于良好状态时的上限） ，如果超过了 上限值，则说明周围环境异常，要报警，以便人们的正常生活和工作。把信息综合处理， 根据实际的需要以及现场的环境，来发现和识别警报，构成智能化的监控系统，提高了系 统工作的可靠性。 图 2.1 模块框图 2.2 系统芯片的选择 2.2.1 单片机的选择 单片机是本方案的灵魂，所以我们选择是需要慎之又慎，下面我们来拿 8031 和 STC89C5RC 做一下比较。 8031 片内不带程序存储器 ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路 373， 外接的程序存储器多为 EPROM 的 2764 系列。 用户若想对写入到 EPROM 中的程序进行修 改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。写入到外接程序存储器 数据采集模块A/D 转换模块 单片机主控 处理模块 报警电路模块 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 -5- 的程序代码没有什么保密性可言。 由于上述类型的单片机应用的早，影响很大，已成为事实上的工业标准。后来很多芯 片厂商以各种方式与 Intel 公司合作，也推出了同类型的单片机，如同一种单片机的多个版 本一样，虽都在不断的改变制造工艺，但内核却一样，也就是说这类单片机指令系统完全 兼容，绝大多数管脚也兼容；在使用上基本可以直接互换。我们统称这些与 8051 内核相 同的单片机为 51 系列单片机。 在众多的 51 系列单片机中，要算 ATMEL 公司的 STC89C5RC 更实用，因他不但和 8051 指令、管脚完全兼容，而且其片内的 4K 程序存储器是 FLASH 工艺的，这种工艺的 存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为 ATMELAT89Cx 做的编程器均带 有这些功能。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入 单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。而且 STC89C5RC 目 前的售价比 8031 还低，市场供应也很充足。 单对 STC89C5RC 来说，在实际电路中可以直接互换 8051 和 8751，替换 8031 只是第 31 脚有区别，8031 因内部没有 ROM，31 脚需接地，单片机在启动后就到外面程序存储器 读取指令；而 8051/8751/89c51 因内部有程序存储器，31 脚接高电平，单片机启动后直接 在内部读取指令。也就是 51 芯片的 31 脚控制着单片机程序从内部读取还是从外部读取， 31 脚接电源，程序从内部读取，31 脚接地，程序从外部读取，其他无须改动。另外， STC89C5RC 替换 8031 后因不用外存储器，不必安装原电路的外存储器和 373 芯片。 由于内部 RAM 的存在，可以减少 I/O 扩展芯片、锁存器及片外 RAM 等等，使整个设 计显得简单明了，所以我们选择 STC89C5RC。 2.2.2 A/D 转换器的选择 A/D 转换器的种类很多，就位数来分，有 8 位、10 位、12 位、16 位等。位数越高， 其分辨率也越高，但价格也越贵。而就其结构而言，有单一的 A/D 转换器，有内含多路开 关的 A/D 转换器。根据本设计的需要，我选择的 A/D 转换器是 ADC0809 芯片。 ADC0809 是美国 Analog Device 公司生产的 8 位逐次逼近式模数转换器， 转换速率高， 自带三态输出缓冲电路，可直接与各种典型的 8 位或 16 位的微处理器相连而无需附加逻 辑接口电路，且能与 CMOS 及 TTL 兼容，是目前我国应用最广泛，价格便宜的 A/D 转换 器。加之内部含有三态输入缓冲电路，可直接与各种微处理器连接，且无须附加逻辑接口 电路，内部设置的高精参考电压源和时钟电路，使它不需要任何外部电路和时钟信号，就 能完成 A/D 转换功能，应用非常方便。 2.2.3 烟雾传感器的选择 烟雾检测报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气 站、喷漆作业等易发 生可燃烟雾泄漏的场所，根据报警器检测烟雾 种类的要求，一般选用接触燃烧式烟雾传 感器和半导体烟雾传感器。 使用接触燃烧式传感器，其探头的阻缓及中毒，是不可避免的问题。 阻缓是当在烟 雾与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些 固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降 低。虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果 长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致传感器最终丧失检测烟雾的能力。 中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将 使催化元件产生不可逆转的 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 -6- 中毒，以致灵敏度很快就丧失。当怀疑检测环 境中存在这些物质时，经常对探头进行标 定，是必须且有效的办法。 因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。一般连续使用两个月 后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，无形中加大了工作人员的工作 量，同时增加了报警器的维护成本。 半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器以及 用单晶半导体器件制作的烟雾传感器，它具有灵敏度高， 响应快、体积小、结构简单， 使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。半导体烟雾传感器的性能主要看其灵敏 度、选择性(抗干扰性)和稳 定性(使用寿命)。 经过对比上述两种烟雾传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出： 灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象， 维护成本较低等。因此，本设计采用半导体烟雾传感器作为报警器烟雾信息采集部分的核 心。而在众多半导体气体传感器中，本设计选用 MQ-2 型烟雾传感器，这种型号的传感器 不但具备一般半导体烟雾传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。 2.2.4 温度传感器的选择 温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。温度传感器的发展大致经历 了以下 3 个阶段： 1.传统的分立式温度传感器（含敏感元件） ，主要是能够进行非电量和电量之间转换。 传统的分立式温度传感器如热电偶传感器。热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种 温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围 广，可从-501600进行连续测量,特殊的热电偶如金铁镍铬，最低可测到-269，钨 铼最高可达 2800。 2.模拟集成温度传感器/控制器。它的主要特点是功能单一（仅测量温度） 、测温误差 小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进 行非线性校准，外围电路简单。 3.智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式想数字式、集成化向智 能化及网络化的方向发展。 温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类：一类是接触式温度传感 器，一类是非接触式温度传感器。接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热 接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这是的示值即为被测对象的温度。这种测温方 法精度比较高，并可测量物体内部的温度分布。但对于运动的、热容量比较小的及对感温 元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。 非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。常用的是辐射热交换原理。此种测稳方 法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测量温度场 的温度分布，但受环境的影响比较大。 综合以上，我选择数字温度传感器 DS18B20。该产品采用美国 DALLAS 公司生产的 DS18B20 可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装 形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。DS18B20 一线总线数字式传感 器，独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯，用户可定义的非易失性温度报警设置 。 现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣 环境的现场温度测量，与前一代产品不同，新的产品支持 3V5.5V 的电压范围，使系统设 计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 -7- 2.3 本章小结 本章主要介绍了系统传感器和控制芯片的选择。本设计首要的一个关键任务就是 掌握传感器的工作方法及编码和解码，才能完成对火灾信号的接收，即在了解传感器的是 使用方法后，将传感器技术应用到单片机中，发出控制指令，然后实现报警。 2.4 系统的结构原理框图 图 2.2 智能火灾报警系统结构原理框图 光报警 蜂鸣器报警 4 分频电路 MQ-2 烟雾 传感器 DS18B20 温 度传感器 ADC0809 STC8 9C52 RC 单 片 机 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 -8- 第 3 章 硬件模块设计 在本设计中，最小单片机系统设计选用了 STC89C51RC 单片机进行控制。下面就将各 个部分电路设计给予介绍。 3.1 单片机主控处理模块 STC89C5RC 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS8 位单片机。片内含 4K bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 128 bytes 的随机存取数据存储器 （RAM） ， 器件采用 ATMEL 公司的高密度、 非易失性存储技术生产， 兼容标准 MCS-51 指 令系统，片内置通用 8 位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元，功能强大 STC89C5RC 单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。 3.1.1 主要性能参数 STC89C5RC 单片机主要包括中央处理器、 定时/计数器、 并行接口、 程序存储器(ROM)、 数据存储器(RAM)、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线三 大总线。 (1)中央处理器 中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是 8 位数据宽度的处理器，能处理 8 位 二进制数据或代码，CPU 负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控 制输入输出功能等操作。 (2)定时/计数器(ROM)： STC89C5RC 有两个 16 位的可编程定时/计数器， 以实现定时或计数产生中断用于控制 程序转向。 (3)并行输入输出(I/O)口： STC89C5RC 共有 4 组 8 位 I/O 口(P0、 P1、P2 或 P3)，用于对外部数据的传输。 (4)程序存储器(ROM)： STC89C5RC 共有 4096 个 8 位掩膜 ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。 (5)数据存储器(RAM) STC89C5RC 内部有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存器单元，它们是 统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用 户数据，所以，用户能使用的 RAM 只有 128 个，可存放读写的数据，运算的中间结果或 用户定义的字型表。 (6)全双工串行口： STC89C5RC 内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间串行数据传送，该串行 口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。 (7)中断系统： STC89C5RC 具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串 行中断，可满足不同的控制要求，并具有 2 级的优先级别选择。 STC89C5RC 单片机中的芯片均采用 40Pin 封装的双列直接 DIP 结构，如图是它们的 引脚配置，40 个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4 组 8 位共 32 个 I/O 口，中断口线与 P3 口线复用。 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 -9- 图 3-1 STC89C5RC 管脚图 引脚的功能加以说明： P0 口：P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每 位能驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口写“l”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序 存储器时， 这组口线分时转换地址 （低 8 位） 和数据总线复用， 在访问期间激活内部上拉电阻。 在 F1ash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。 P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是 由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。 表 3-1 P1 口第二功能 引脚号第二功能 P1.5MOSI（在系统编程用） P1.6MISO（在系统编程用） P1.7SCK（在系统编程用） P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流， 当 P2 口被写“1”时， 其管脚被内部上拉电阻拉高， 且作为输入。 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。 当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 -10- 低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口除了作为一般的 I/O 口线外， 更重要的用途是他的第二功能，见表 3-2。 表 3-2 P3 口第二功能 引脚号第二功能 P3.0RXD（串行输入） P3.1TXD（串行输出） P3.2INT0（外部中断 0） P3.3INT0（外部中断 0） P3.4T0（定时器 0 外部输入） P3.5T1（定时器 1 外部输入） P3.6WR（外部数据存储器写选通） P3.7RD（外部数据存储器写选通） RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字 节。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因 此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。 PSEN：外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号，当 AT89S51 从外部程序存储器执行外部代码时。 3.1.2 功能特性概述 STC89C5RC 提供以下标准功能：4K 字节 Flash 闪存存储器，128 字节内部 RAM，32 个 I/O 口线，两个 16 位定时/计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口， 片内振荡器及时钟电路。同时，STC89C5RC 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软 件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时/计数器，串行通 信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容。但振荡器停止工作并禁止其它 所有工作直到下一个硬件复位。 3.1.3 工作特性 (1) 时钟振荡器 STC89C5RC 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端。 这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或 陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图 3-2。 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 -11- 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:8-Jun-2010 Sheet of File:C:PROGRAM F ILESPROTEL 99SE汉化版EXAMPLESC51C.DDBDrawn By: C2 C1 Y1 XTAL2 XTAL1 GND XTAL2 XTAL1 GND 外部信号震荡输入 NC 内部振荡电路外部振荡电路 图 3-2 振荡电路 外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容 C1、C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振 荡电路，对外电容 C1、C2 虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡 频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体， 我们推荐电容使用30pF （10pF） 。 用户也可以采用外部时钟。 此时， 外部时钟脉冲接XTAL1 端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2 则悬空。 由于外部时钟信号是通过一个 2 分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟 信号的占空比没有特殊要求，电脑最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产 品技术条件的要求。 (2) 复位电路 复位电路是单片机系统必须的，用来为单片机提供正确的复位信号。在整个智能火灾 报警系统设计中，要进行试验，必须对整个系统进行复位。复位是单片机的初始化操作。 单片机系统在上电启动运行时， 都需要先复位。 其作用是是 CPU 和系统中其它部件都处在 一个确定的初始条件，并从这个状态开始工作。因而，复位时一个很重要的操作方式。但 单片机本身是不能进行复位操作的，必须配合相应的外部复位电路来实现复位。 单片机的外部复位电路有上电复位和上电和按键均有效的复位方式两种。图 3-3 是 STC89C5RC 的上电和按键复位电路。 图 3-3STC89C5RC 的上电和按键复位电路 3.2 A/D 转换模块 在智能火灾报警系统设计中，由于 C51 单片机只能处理数字量，而烟雾传感器采集到 的信号确实模拟量，所以要加入 A/D 转换芯片ADC0809 芯片。 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:14-Jun-2010Sheet of File:E:material毕业 工作论文单片机知识单片机最小系统原理图.ddbDrawn By: C1 R1 100 R2 10K S1VCC REST 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 -12- 3.2.1ADC0809 芯片的基本知识 ADC0809 是带有 8 位 A/D 转换器、8 路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的 CMOS 组件。它是逐次逼近式 A/D 转换器，可以和单片机直接接口。ADC0809 的内部逻 辑结构如图 3-4。 由上图可知，ADC0809 由一个 8 路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个 A/D 转 换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8 路模拟量分时输 入，共用 A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存 A/D 转换完的数字量，当 OE 端为 高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 图 3-4ADC0809 内部逻辑结构 3.2.2 ADC0809 引脚结构 由图可知 ADC0809 为 28 引脚为双列直插式封装。引脚结构图如图 3-5 所示。 对 ADC0809 主要信号引脚的功能说明如下： IN7IN0模拟量输入通道。 ALE地址锁存允许信号。ALE 上跳沿，A、B、C 地址状态送入地址锁存器中。 START转换启动信号。START 上升沿时，复位 ADC0809；START 下降沿时启动芯 片，开始进行 A/D 转换；在 A/D 转换期间，START 应保持低电平。本信号有时简写为 ST。 A、B、C地址线。 通道端口选择线，A 为低地址，C 为高地址，引脚图中为 ADDA， ADDB 和 ADDC。 CLK时钟信号。ADC0809 的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有 时钟信号引脚。 通常使用频率为 500KHz 的时钟信号。 EOC转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号 即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 EOC CLK ST OE 三 态 输 出 锁 存 器 8 路 A / D 转 换 器 VREF-VREF+ A B C ALE 地址 锁存 与译 码器 8 路 模 拟 量 开 关 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 -13- D7D0数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0 为最低位，D7 为最高。 OE输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0， 输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。 Vcc+5V 电源。 Vref参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其 典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V)。 图 3-5 ADC0809 引脚结构图 3.2.3 主要特性 (1)8 路输入通道，8 位 AD 转换器，即分辨率为 8 位。 (2)具有转换起停控制端。 (3)转换时间为 100s。 (4)单个5V 电源供电。 (5)模拟输入电压范围 05V，不需零点和满刻度校准。 (6)工作温度范围为-4085 摄氏度。 (7)低功耗，约 15mW。 3.2.4 ADC0809 的工作原理简介 ADC0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是 05V，若信号太小，必须进 行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前 增加采样保持电路。 ADC0809 的工作过程是：首先输入 3 位地址，并使 ALE=1，将地址存入地址锁存器 中。 此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器。 START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。 下降沿启动 A/D 转换， 之后 EOC 输出信号变低， 指示转换正在进行。 直到 A/D 转换完成， EOC 变为高电平， 指示 A/D 转换结束， 结果数据已存入锁存器， 这个信号可用作中断申请。 当 OE 输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 ADC0809 有 4 条地址输入和控制线。ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当 ALE 线为高电平时，地址锁存与译码器将 A，B，C 三条地址线的地址信号进行锁存，经 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:14-Jun-2010Sheet of File:E:material毕业 工作论文单片机知识单片机最小系统原理图.ddbDrawn By: IN3 1 IN4 2 IN5 3 IN6 4 IN7 5 ST 6 EOC 7 D3 8 OE 9 CLK 10 VCC 11 VREF+ 12 GND 13 D1 14 21 15 VREF- 16 D0 17 D4 18 D5 19 D6 20 D7 21 ALE 22 C 23 B 24 A 25 IN0 26 IN1 27 IN2 28 ADC0809 U2A ADC0809 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 -14- 译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。 A， B 和 C 为地址输入线， 用于选通 IN0 IN7 上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。 由于 CLK 的时钟脉冲选用的是 500KHz，所以需要把单片机 ALE 产生的 2MHz 的脉 冲进行 4 分频，接到 ADC0809 的 CLK 管脚。分频我用的是 74Ls74 芯片。74ls74 是一个 边沿触发器数字电路器件，每个器件中包含两个相同的、相互独立的边沿触发 d 触发器电 路模块。内部管脚连接图如图 3-7 所示。 引脚介绍： 11 端与 3 端为原时钟输入端，5 端和 9 端为变换后的时钟输出端，2 端和 6 端联接，8 端和 12 端联接，7 端接电源负极，14 端接电源正极。分频电路如下图 3-7 所示。 图 3-74 分频电路 3.2.5ADC0809 应用说明 （1）ADC0809 内部带有输出锁存器，可以与 AT89S51 单片机直接相连。 （2）初始化时，使 ST 和 OE 信号全为低电平。 （3）送要转换的哪一通道的地址到 A，B，C 端口上。 （4）在 ST 端给出一个至少有 100ns 宽的正脉冲信号。 （5）是否转换完毕，我们根据 EOC 信号来判断。 （6）当 EOC 变为高电平时，这时给 OE 高电平，转换的数据就输出给单片机了。 CBA选择的通道 000IN0 001IN1 010IN2 011IN3 100IN4 101IN5 110IN6 111IN7 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 -15- 3.3 数据采集模块 数据采集模块是用来采集周围环境中的有用信息，以便单片机进行处理。这个模块主 要包括两个小模块：烟雾报警器模块和温度报警器模块。 3.3.1 烟雾报警器模块 此模块使用的是 MQ-2 烟雾报警器，是半导体型可燃气体敏感元件烟雾传感器。传感 器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中 存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路 即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。 图中纵坐标为传感器的电阻比（Rs/Ro） ，横坐标为气体浓度。 Rs 表示传感器在不同浓度气体中的电阻值；Ro 表示传感器在 1000ppm 氢气中的电 阻值； 图中所有测试都是在标准试验条件下完成的。 图中纵坐标是传感器的电阻比（Rs/Ro） 。 Rs 表示在含 1000ppm 丙烷、不同温/湿度下传感器的电阻值； Ro 表示在含 1000ppm 丙烷、20/65%RH 环境条件下传感器的电阻值 图1是传感器典型的灵敏度特性曲线。 图2是传感器典型的温度、湿度特性曲线。 图 1 图2 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 -16- 图3是传感器的基本测试电路。 该传感器需要施加 2 个电压：加热器电压（VH）和测试电压（Vc） 。其中 VH 用于为 传感器提供特定的工作温度。Vc 则是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的电压 （VRL） 。这种传感器具有轻微的极性，Vc 需用直流电源。在满足传感器电性能要求的前 提下，Vc 和 VH 可以共用同一个电源电路。为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的 RL 值。 MQ-2 气敏元件的结构和外形如