基于单片机的火灾报警系统的设计与制作

1、 本科毕业设计说明书（论文） 第 页 共 40 页 目 次1 引言11.1 概述11.2 火灾报警11.3 火灾探测器22 总体设计及方案论证42.1 系统设计思想42.2 方案论证43 单片机AT89C51概述53.1 AT89C51单片机简介53.2 AT89C51部分工作特性介绍84 报警器硬件设计104.1 硬件组成104.2 单片机控制模块114.3 温度采集模块124.4 烟雾、红外探测模块164.5 温度显示模块164.6 声光报警模块195 软件设计235.1 主要设计思路与电路图235.2 主程序流程图246 调试结果246.1 DS18B20温度探测模块与LCD1602显示

2、模块246.2 红外、烟雾探测模块与声光报警266.3 单片机复位电路277 设计拓展277.1 系统组成和工作原理277.2 MT8880简介287.3 设计思想30结论31致谢32参考文献33附录34 本科毕业设计说明书（论文） 第 33 页 共 40 页 1 引言1.1 概述 随着生活水平的不断提高，尤其是物质生活水平的提高，火灾发生的次数、频率和造成的损失都在不断增加，人们对人身安全及家庭财产越来越重视，安全已成为一种市场需求；同时经济的飞速发展及城市的人口急剧增加，给家庭防控增加了难度并提出了新的课题。如何用最低的人力物力财力在第一时间发现火警、尽可能减少火灾造成的伤害成为人们最关心

3、的话题。我国的火灾报警系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，智能化程度也越来越高。目前国内厂家生产的火灾报警系统多面向于大型仓库、商场、宾馆、写字楼等大型场所，主要采用的是集中区域报警控制方式，其成本高、系统复杂。而在小型防火单位，如居民住宅、办公室等场所，需要设置一种单一或区域联网、廉价实用的火灾自动探测报警装置，因此，研制一种结构简单、价格低廉的火灾报警器是非常必要的。本设计是主要应用与居民住宅、办公室的小型防火报警器，价格低廉且可在火灾发生初期就检测到险情，发出声光报警并显示该场所的环境温度。1.2 火灾报警所谓火灾自动报警系统，主要由触发器、火灾报警装置以及具有其他辅助功能的装置

4、组成，能在火灾初期将燃烧产生的烟雾、热量、火焰等物理量，通过火灾探测器变成电信号，传输到火灾报警控制器，并同时显示出火灾发生的部位、时间等，使人们能够及时发现火灾、并采取有效措施扑灭火灾，最大限度减少因火灾造成的生命和财产的损失，是人们同火灾作斗争的有力工具。火灾自动报警系统，为解决火灾报警系统存在的两个难题（误报、漏报）提供了新的方法和手段，并在处理火灾真伪方面表现出明显的有效性和创新性，这是火灾报警系统在技术上的飞跃1。目前普遍采用的火灾自动报警技术主要有两种。一种是非智能火灾自动报警技术，包括嫁接新技术的老式或传统火灾自动报警技术、七十年代末出现的可寻址火灾自动报警技术和八十年代初期出现

5、的模拟量可寻址火灾自动报警技术，这些技术尽管高科技含量少，但由于成本低，能够满足众多民用或商业防火保护需要，至今仍被许多国家广泛应用。另一种则是代表现代化火灾自动报警技术发展水平和发展趋势的智能火灾自动报警技术，包括从八十年代初期开发到九十年代中期已经发展成熟并得到广泛应用的、采用具有人工智能理论和技术的高级算法软件的智能集中型模拟量可寻址火灾自动报警技术（由智能控制器做报警决策），和九十年代初期开发并得到应用的采用人工智能理论和技术的高级算法软件（主要指模糊逻辑和神经网络软件技术）的智能分布型火灾自动报警技术（由智能探测器做报警决策）2。智能火灾自动报警技术主要用于解决大、中型空间防火安全和

6、多种系统的联动问题。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。未来的火灾自动报警系统将以无线传感型为主，它是小而低成本的密集的无线网络，用以收集和传输环境数据，部署无需预先设置基础设施且维修量小，其种种优点表明无线传感火灾自动报警系统将取代传统的有线型3。1.3 火灾探测器1.3.1 火灾探测器简介火灾探测器是火灾探测系统最重要的组成部分之一，它至少含有一个能连续或以一定频率周期探测物质燃烧过程中所产生的各种物理、化学现象的传感器，并且能够向控制和指示设备提供一个适合的信号。其基本功能就是对物质燃烧过程中产生的各种气、烟、热、光（火焰）等表征火灾的信号的物理、化学参量做出

7、有效响应，并转化为计算机可接收的电信号，供计算机分析处理4。火灾探测器一般由敏感元件传感器、处理单元和判断及指示电路组成，其中敏感元件传感器可以对一个或多个火灾参量起监视作用，做出有效响应，然后经过电子或机械方式进行处理，并转化为电信号5。a） 衡量火灾探测器产品质量的主要技术指标灵敏度，即响应火灾参量的敏感程度、可靠性、稳定性和抗干扰性。国家技术监督局颁布了国家标准：如GB4715-93典型感烟火灾探测器技术要求及试验方法，GB4716-93典型感温火灾探测器技术要求及试验方法等，国际标准如ISO07240-1火灾探测和报警系统等。b）火灾探测器的分类根据监测的火灾特性不同，火灾探测器可分为

8、感烟、感温、感光、复合和可燃气体等五种类型6。感烟探测器可分为离子型、光电型、激光型和红外线束型四种。感温探测器根据其感热效果和结构形式可分为定温式、差温式及差定温式三种。目前，大多数消防系统中使用的是离子感烟探测器、光电感烟探测器及感温探测器7。c）火灾探测器的工作原理下面就几种常用的探测器的工作原理做简要介绍。感烟探测器：该种探测器主要响应燃烧或热解产生的固件、液体微粒即烟雾粒子，主要用来探测可见或不可见的燃烧产物及起火速度缓慢的初期火灾。离子型主要是利用烟雾粒子改变电离室电流原理而设计的，探测器内部装有放射源的电离室为传感器件；光电型主要是应用烟雾粒子对光线产生散射及折射、吸收或遮挡的原

9、理而设计，有减光型和散射型，探测器内部有光学系统和红外线光源做探测器件；红外光束型应用烟雾粒子吸收或散射红外光束的原理而设计，主要包括一个光源，一套光线照准装置和一个接受装置。感温探测器：该种探测器主要是利用热敏元件来探测火灾。在火灾初期阶段，除了有大量烟雾产生外，物质在燃烧过程中会释放出大量的热量，周围环境温度急剧上升。该种探测器中热敏元件的阻值随温差发生变化，从而将温度信号转变成电信号，并进行报警处理。1.3.2 火灾探测器发展特点随着应用领域的不断扩大，应用需求不断提高，普通类型的感温、感烟火灾探测报警系统已不能满足需要，运用高新技术的新型探测器在不断研发，其特点是：a）功能更新现代火灾

10、探测器的最大特征之一就是判别功能和判别决定权不仅从观念上分离，而且在实际应用中已经分别执行。早期的判别功能和判别决定权合二为一，由设置在探测器中的传感器件实现，因而处理问题死板且易受干扰。而现代火灾探测传感器的判别功能和判别决定权由软件控制，能滤除干扰，识别真假火灾，实现火灾智能判断。b）可靠性提高火灾探测报警系统可靠性的提高首先体现在用智能技术处理传感器提供的火灾信息。人们采用多种火灾探测算法和复合多传感等传感方式，为判断火灾提供了更加充分可靠的信息。模糊逻辑、神经网络等高新技术用于火灾的判别，大大提高了火灾探测的可靠性8。c）报警时间的提前新型火灾探测器已不局限于对已发生的火灾及时报警，可

11、以在火灾发生前的几小时或几天内，识别潜在的火灾危险性，实现超早期火灾报警。2 总体设计及方案论证 火灾智能监测系统是由传感器、信号变换、单片机及相应的信号显示、输出部分组成。通过温度、烟雾传感器和红外传感器采集信号，根据差值和内部的软件设计来对温度高低、烟雾浓度和红外辐射等进行检测及控制，及时准确的报警和灭火，实现物资损失降低到最小。2.1 系统设计思想系统硬件及信号由AT89C51单片机提供，显示模块选用LCD1602，传感器选用温度传感器、烟雾传感器、红外传感器，报警模块是发光二级管和蜂鸣器。其中LCD1602用来显示温度，当烟雾传感器和红外传感器监测到异常的时候，会点亮发光二级管，同时蜂

12、鸣器长时间发出声响。2.2 方案论证2.2.1 火灾报警系统结构一个完整的火灾报警系统，应包括以下几个部分：系统控制模块、火灾探测模块、数据转换模块以及报警模块，其中最重要的应属系统控制模块和火灾探测模块。系统控制模块主要由MCS-51单片机控制，可显示现场温度和烟雾浓度等；火灾探测模块则包括温度探测器、烟雾探测器、红外探测器等。在火灾探测模块探测到火情后，经数据转换模块转换为电信号，传达至系统控制模块并发出火警信号。系统控制模块是设计的中心，主要由单片机控制，由液晶显示屏显示数据。在控制模块接收到火警信号后，会发出声光报警，此时可从显示屏上观测火灾现场的温度。在火灾被扑灭后，会及时解除声光报

13、警。火灾探测模块是本设计的重要组成部分之一，它至少应含有一个能连续或以一定频率周期探测物质燃烧过程中所产生的各种物理现象、化学现象的传感器，并可向系统控制模块发送探测信号。其基本功能是对物质燃烧过程中产生的各种热度、烟雾、红外等物理或化学量做出及时响应，通过温度、烟雾传感器和红外传感器采集信号后，供系统控制模块分析处理。经过单片机与其设定值进行比较后，根据差值和内部的软件设定对温度高低、烟雾浓度和红外辐射进行检测及调控，及时准确的报警。根据检测的火灾特性不同，火灾探测器可以分为感烟、感温、感光、复合和监测可燃气体等多种类型。本设计中的火灾探测器的基本功能为感烟、感温和红外探测，其中感烟探测器主

14、要用来探测可见和不可见的燃烧产物，感温探测器主要利用热敏元件来探测火情，红外探测器则用以监测红外辐射。2.2.2 单片机的选择 单片机是本方案的灵魂，所以我们的选择务必慎重。在众多的单片机中，51系列单片机以其高性能、高速度啊、体积小、价格低廉、可重复编程和方便功能扩展等优点，在市场上得到广泛的应用9。这其中，AT89C51是这几年我国非常流行的单片机，由ATMAL公司开发生产，在原基础上增强了许多特征，如时钟频率更高，使运行速度更快；采用CHMOS工艺，功耗更低；工作电压范围更广10。其最大的提高还是其内部程序存储器由原来的ROM或EPROM，转变成Flash存储器，使用更方便，寿命更长，可

15、以反复擦写1000次以上10。综上所述，我们选择AT89C51单片机作为本设计的中心。3 单片机AT89C51概述AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能8位单片机。其片内含4K bytes的可反复擦写的只读程序存储器（ROM）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AT89C51单片机可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。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器

16、组合在单个芯片中，ATMEL公司的AT89C51是一种高效微控制器，它为许多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。3.1 AT89C51单片机简介3.1.1 AT89C51单片机功能概述AT89C51内部含有8位CPU，片内振荡器，4K字节FLASH程序指令存储器，128字节RAM，21个特殊功能寄存器，32根I/O口线，可寻址各64K的外部数据、程序存储器空间，2个16位的定时器/计数器，5个中断源，2个优先级，1个全双工串行口，位寻址功能，适用于位运算的布尔处理机11。除了128×8的片内数据存储器、4K×8程序存储器、中断、串行口、定时器/计数器模块以外，还有

17、4个I/O（P0、P1、P2、P3），其余部分构成了中央处理器CPU。CPU、存储器、I/O口三部分由片内总线紧密地联系在一起11。3.1.2 AT89C51方框图 AT89C51方框图如图3.1所示图3.1 AT89C51内部结构图3.1.3 AT89C51引脚图AT89C51的引脚图排列如图3.2所示图3.2 AT89C51的引脚排列3.1.4 引脚功能说明a）电源引脚： Vcc：电源引脚。 GND：地。b）外接晶体引脚： XTAL1：反向振荡放大器的输入端及内部时钟工作电路的输入端。 XTAL2：反向振荡器的输出端12。c）控制信号引脚： RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现

18、两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 ALE/：当访问外部存储器时，ALE输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。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。需要注意的是：每当用作外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。若想禁止ALE的输出可在特殊功能寄存器（SFR）区中8EH单元的D0位置位，此时，只有在执行MOVX和MOVC指令时ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。 ：外部程序存储器的选读信号。在外部程序存储器取指令期间，每个机器周期两次有效，

19、即输出两个脉冲。在此期间访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。 /Vpp：外部访问允许位。欲使CPU仅访问外部程序存储器（0000H-FFFFH），必须保持低电平（接地）。若加密位被编程，复位时内部会锁存端状态。当端保持高电平时（接Vcc），CPU执行内部程序存储器的指令。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（Vpp）。d）输入/输出端口引脚： P0口：是一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可接收8个TTL门电流。当P0口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入。P0口用于数据存储器或外部程序存储器时，可定义为数据/地址的低8位。在FLASH编程时，P0 口作为原码输入

20、口；当FLASH进行校验时，P0口输出原码，此时P0口外部必须被拉高。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4个TTL门电流。P1口管脚写入“1”后，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，可用作输入口；P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流。在FLASH编程和校验时，P1口接收低8位地址。P2口：是一个带内部上拉电阻的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，此时作为输入口；作为输入口使用时，由于内部上拉的缘故，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。当用于访问外部程序存储器或16位地址外部数据存储器

21、时，P2口输出高8位地址数据。P2口在FLASH编程和校验时接收高8位地址信号和控制信号。P3口：P3口是带内部上拉电阻的8位双向I/O口，可接收、输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它被内部上拉为高电平，并用作输入口；作为输入口时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，其功能如表3.1所示13表3.1 P3口第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口)P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外中断0）P3.3（外中断1）P3.4T0（定时器/计数器0）P3.5T1（定时器/计数器1）P3.6（外部存储器写选通）P3.7（外部存储器

22、读选通）3.2 AT89C51部分工作特性介绍3.2.1 时钟振荡器AT89C51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。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接在放大器的反馈电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、起振的难易程度以及温度稳定性。如果选择使用石英晶体，推荐电容使用30pF（±10pF）；如果使用陶瓷谐振器建议选择40pF（±10pF）

23、。用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如下图3.3右图所示。这种情况下，外部时钟脉冲接到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。图3.3 振荡电路图3.3中左图为内部震荡方式，右图为外部震荡方式。3.2.2 空闲节电模式AT89C51有两种可用软件编程的省电模式，它们是空闲模式和掉电模式。这两种方式是控制专用寄存器PCON（即电源中指寄存器）中的PD（PCON.1）和IDL（PCON.0）位来实现。PD

24、是掉电模式，当PD=1时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态。IDL是空闲等待方式，当IDL=1时，激活空闲工作模式，单片机进入睡眠状态。如需同时进入两种工作模式，即PD和IDL同时为1，则先激活掉电模式。在空闲工作模式状态，CPU保持睡眠状态而所有片外的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。终止空闲工作模式的方法有两种，其一是任何一条被允许的中断事件被激活，IDL被硬件清除，即可终止空闲工作模式，程序会首先响应中断，进入中断服务程序，执行完中断服务程序并紧随RET1指令后，下一条要执行的

25、指令就是使单片机进入空闲模式那条指令后面的一条指令。其二是通过硬件复位也可将空闲工作模式终止，需要注意的是，当通过硬件复位来终止空闲工作模式时，CPU通常是从激活空闲模式那条指令的下一指令开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期有效，在这种情况下，内部禁止CPU访问片内RAM，而允许访问其它端口，为了避免可能对端口产生意外写入，空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。3.2.3 掉电模式在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是

26、硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不包括RAM中的内容，在Vcc恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间使振荡器重启动并稳定工作。3.2.4 数据查询AT89C51单片机用数据查询方式来检测一个写周期是否结束，在一个写周期中，如需读取最后写入的那个字节，则读出的数据的最高位（P0.7）是原来写入字节最高位的反码。写周期完成后，有效的数据就会出现在所有输出端上，此时，可进入下一个字节写周期。写周期开始后，可在任意时刻进行数据查询。4 报警器硬件设计设计原理：温度传感器实时监测温度并将获取的信息传送给单片机，然后在液晶显示屏上显示实时温度；同时单片机借助烟雾传感器和红外传感

27、器巡回监测烟雾和红外（由中断控制），一旦检测到异常就立刻发出声光报警，只有两项异常全部被排除，系统才能解除声光报警。当系统出现异常的时候，可以通过复位键对单片机进行控制，使整个系统复位，重新开始检测。4.1 硬件组成如图4.1，本系统主要由单片机控制模块、温度采集模块、烟雾探测模块、红外探测模块、温度显示模块、声光报警模块几个部分组成。图4.1 硬件组成4.2 单片机控制模块图4.2 单片机控制模块连线经过综合考虑，本系统的中心控制器选择为AT89C51单片机。如图4.2所示，P0口用于控制液晶显示屏，显示温度；P1.0连接温度传感器，用于温度采集；中断口P3.2、P3.3分别连接烟雾传感器和

28、红外传感器，用于烟雾采集和红外探测；P2.0是发光二级管，用来显示液晶显示屏是否正常工作；P1.1、P1.2连接的发光二级管分别用来表示烟雾指标和红外指标是否超标，同P1.3连接的蜂鸣器一起用来实现声光报警。除此以外，单片机的20脚接地，40脚接电源，18、19脚接12MHz晶振输入端，31脚接电源。4.3 温度采集模块本系统要求实时显示环境温度，当温度高于常态时发出声光报警。为了更准确更快速地采集到环境温度，采用温度传感器DS18B20作为温度敏感元件。4.3.1 DS18B20简介DS18B20是常用的温度传感器，具有独特的单总线接口方式，支持多节点，使分布式温度传感器设计大为简化。测温时

29、无需任何外围元件，可以通过数据线直接供电，具有超低功耗工作方式。测温范围为-55至+125，精度为0.5，可直接将温度转换值以16位二进制数字码的方式串行输出，因此特别适合单线多点温度测量系统。由于传送的是串行数据，可以不需要放大器和A/D转换器，因而这种测温方式大大提高了各种温度测控系统的可靠性，降低了成本、缩小了体积14。DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图4.3所示。其外形小巧，便于使用。图4.3 DS18B20内部结构框图DS18B20主要包括4个数据部件。（1）64位激光ROM；（2） 非易失性温度报警触发器TH和TL；（3） 高速暂存器；（4）

30、CRC的发生器。DS18B20有两种工作模式，寄生电源工作方式和外接电源工作方式。与单片机的接口电路如图4.4和图4.5所示，其中图4.4中的DS18B20采用寄生电源方式，其VDD和GND端均接地；图4.5中DS18B20采用外接电源方式，其VDD端用VPU（+3V至+5V）电源供电14。图4.4 寄生电源方式图4.5 外接电源方式DS18B20是一种可编程的数字温度传感器，它的工作是靠计算机给它发控制命令进行的。根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM存储器操作

31、指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待16-60微秒左右，后发出60-240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号后表示复位成功。主机检测到DS18B20的存在，便可以向ROM操作命令之一，这些命令及作用如表4.1所示。可以发现其指令简单，便于操作。表4.1 ROM指令表指 令约定代码功 能读ROM33H读DS18B20ROM中的编码（即64位地址）匹配ROM55H发出此命令后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码相对应的DS18B20使之响应，为下一步对该DS18B20的读写做准备跳过ROMCCH忽

32、略64位ROM地址，直接向DS18B20发温度变换命令。适用于单片工作搜索ROMF0H用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数和识别64位ROM地址，为操作各器件作好准备报警搜索ECH执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出相应RAM存储器操作指令主要用于对DS18B20进行读、写、启动等操作。在DS18B20中有8个随机存储器，和温度测量有关的主要是前4个。其中第0字节是温度转换值的低8位寄存器，第1字节是温度转换值的高8位寄存器，第2字节是温度报警值的上限寄存器，第3字节是温度报警值的下限寄存器14。可以通过下述指令对它们进行操作，如表4.2所示。表4.2 RAM指令表指 令约定

33、代码功 能写随机存储器4EH向DS18B20的温度报警值的上、下限寄存器中写温度报警限值读随机存储器BEH读DS18B20的8个随机存储器启动温度转换44H该命令发出后，DS18B20开始进行温度变换。转换完毕后，DS18B20把测得的温度值存入编号为0号或者1号的两个8位RAM存储器复制随机存储器48H用于把DS18B20中的报警值存入非易失的EEPROM中重新调出B8H用于把EEPROM中的报警值再次调入随机存储器中读电源B4H该命令发出后，DS18B20将提供其电源模式信息，如果是数据总线供电方式则返回一个“0”，如果是外部供电方式则返回一个“1”4.3.2 DS18B20时序a) 初始

34、化时序图4.6 初始化时序图b) 写时序图4.7 写时序图c) 读时序图4.8 读时序图4.3.3 DS18B20连线图在本系统设计中DS18B20的连线图如图4.9所示。图4.9 DS18B20连线图4.4 烟雾、红外探测模块烟雾传感器就是通过监测烟雾浓度来实现火灾防范的，烟雾传感器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进、工作可靠的传感器，被广泛应用于各种消防报警系统，性能远优于气敏电阻类火灾报警器15。本系统采用离子式感烟探测器作为烟雾探测元件。离子式感烟传感器的工作原理是：两个电离室串联，构成等效于电阻串联的偏置电路，其中一个是基本不与外界相通的内电离室，另一个是与外界相

35、通的外电离室（即检测电离室），两个电离室中均放入一片放射源镅241（Am241），不断地放射出粒子，使两室内的气体都被部分电离。当有烟雾进入外电离室，因烟雾颗粒吸附一部分离子，使外室的离子电流减小，等效于电阻增大、分压电位增高。当烟雾达到检测的限定浓度时，则电位增高到能触发开关电路（高电位触发性）而报警。本系统设计使用的离子式感烟探器型号为SS-168，供电电压为9V，输出触发报警电路的高电平大约为3V。本系统的红外检测模块采用单光束反射取样式光电传感器ST178，该传感器是由南平旭光电子科技有限公司开发生产的主要应用于物体运动方向及正反转转速、行程测量等。其在本系统中的应用原理是，光电传感器

36、接收孔探测到火焰辐射的较强烈的红外时，接收管导通输出一定的电压，辐射越强烈，则3脚输出的电压也越大。而且ST178对人体辐射的红外线波长不敏感，对火焰辐射的红外线可灵敏检测，价格也很实惠。4.5 温度显示模块4.5.1 LCD1602简介1602采用标准16引脚接口，引脚功能如表4.3所列，其中8位数据总线D0-D7和RS、R/W、EN三个控制端口，各分解时序操作速度支持到1MHz，并且带有字符对比度调节和背光16。表4.3 1602引脚使用说明编 号符 号引脚说明使用方法1VSS电源地2VDD电源3V0液晶显示偏压（对比度）信号调整端外接分压电阻，调节屏幕亮度。接地时对比度最高，接电源时对比

37、度最低4RS数据/命令选择端高电平是选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器5RW读/写选择端当RW为高电平时执行读操作，低电平时执行写操作6E使能信号高电平使能7-14D0-D7数据I/O双向数据输入与输出15BLA背电源正极接到VDD，或通过10左右电阻接到VDD16BLK背电源负极接到VSSE为使能端，当RW为高电平时，E为高电平执行读操作；当RW为低电平时，E为下降沿执行写操作。操作时序说明如下：（1）当RS和RW同为低电平时，可以写入指令或显示地址；（2）当RS为低电平，RW为高电平时，可以读忙信号；（3）当RS为高电平，RW为低电平时，可以写入数据。4.5.2 操作1602的11条指

38、令详解对1602显示字符控制，通过访问1602内部RAM地址实现，1602内部控制器具有80字节RAM。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等。每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），控制简单。1602的读/写操作，即显示控制，是通过11条控制指令实现的，详见表4.4。详解指令如下：a）清显示，写该指令，所有显示清空，光标恢复到地址00H位置。b）光标复位，写该指令，光标返回到地址00H位置。c）光标和显示模式设置，写该指令作用如下

39、： 1）I/D为光标移动方向，高电平右移，低电平左移； 2）S为屏幕上所有文字是否左移或右移，高电平有效。表4.4 1602指令诠释表序号指令RSRWD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标复位0000000013光标和显示模式设置00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L6功能设置命令00001DLNF7字符发生器RAM地址设置0001自定义字符发生存储器CGRAM地址8数据存储器RAM地址设置001显示数据存储器DDRAM地址9读忙标志或光标地址01BF计数器地址AC10写数据到存储器10要写的数据11读数

40、据11读出的数据d）显示开/关控制，写该指令作用如下： 1）D位控制整体显示的开、关，高电平开显示，低电平关显示； 2）C位控制光标的开、关，高电平有光标，低电平无光标； 3）B位控制光标是否闪烁，高电平闪烁，电平不闪烁。e）光标或字符移位，写该指令作用如下： 1）S/C位为高电平移动显示的文字，低电平移动光标； 2）R/L位为移动方向控制，高电平右移，低电平左移。f）功能设置命令，写该指令作用如下： 1）DL位为高电平时为8位总线，低电平时为4位总线。当为4位总线时，DB4-DB7为数据口，一字节的数据传输需要传输两次，单片机发送输出给1602时，先传送高4位，后传送低4位；自1602读数据

41、时，第一次读取到的4位数据为低4位数据，后读取到的是高4位数据。1602初始化成4位数据线之前默认为8位，此时命令发送方式是8位格式，但数据线只需接4位，然后改到4位线宽，以进入稳定的4位模式； 2）N位设置为高电平时双行显示，设置为低电平时单行显示； 3）F位设置为高电平时显示5×10的点阵字符，低电平时显示5×7的点阵字符。g）读忙信号和光标地址，其中BF为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接受命令或数据，低电平表示不忙。在每次操作1602前，一定要确认液晶屏的“忙标志”为低电平（表示不忙），否则指令无效16。4.5.3 LCD1602连接本系统采用LCD1602来显

42、示带符号且带一位小数位的温度，其连线方式如图4.10所示。图4.10 LCD1602显示电路 由于LCD有两行数字显示位置，因此系统通电后，LCD有两种显示方式：LCD第一行显示“Text by DS18B20”，第二行显示“Temp:（实时温度）”。4.6声光报警模块本系统设计中，选用AT89C51单片机的内部中断来控制声光报警。4.6.1 8051单片机中断介绍MCS-51系列单片机中，由于类型不同，其中断源的个数和也不同。以8051为例，其中断源共有5个，包括串行口中断源1个，定时计数器溢出中断源2个和外中断源2个，这5个中断源分为两个优先级17。中断过程是在硬件基础上再配以相应软件实现

43、的。MCS-51中断系统的结构框图如图4.11所示。图4.11 MCS-51中断系统内部结构示意图由图可知，与中断有关的寄存器有4个，分别是中断源寄存器TCON和SCON、中断允许控制寄存器IE和中断优先级控制寄存器IP。有中断源5个，分别是外部中断0请求INT0、外部中断1请求INT1、定时器T0溢出中断请求TF0、定时器T1溢出中断请求TF1、串行中断请求RI和TI。5个中断源的排列顺序由中断优先级控制寄存器IP和顺序查询逻辑电路共同决定，5个中断源分别对应5个固定的中断入口地址。4.6.2 中断源和中断标志a）中断源通常，中断源有以下几种：1） 一般的输入输出设备。如键盘、打印机等，它们

44、通过接口电路向CPU发出中断请求。2） 实时时钟及外界计数信号。如定时时间或计数次数一到，则向CPU发出中断请求。3） 故障源。当采样或运算结果溢出或系统掉电时，可通过报警、掉电等信号向CPU发出中断请求。4） 为调试程序而设置的中断源。调试程序时，为检查中间结果或寻找问题所在，往往要求设置断点或进行单步运行，这些人为设置的中断源的申请与响应均由中断系统来实现。MCS-51的5个中断源：1） INT0：外部中断0请求，由P3.2脚输入。通过IT0（TCON.0）来决定是低电平还是下跳有效。一旦输入信号有效，则IE0标志置位，请求中断。2） INT1：外部中断1请求，由P3.3脚输入。通过IT1

45、（TCON.2）来决定是低电平还是下跳有效。一旦输入信号有效，则IE1标志置位，请求中断。3） TF0：定时器T0溢出中断请求。当定时器T0产生溢出时，定时器T0中断请求标志位（TCON.5）置位，请求中断。4） TF1：定时器T1溢出中断请求。当定时器T1产生溢出时，定时器T1中断请求标志位（TCON.7）置位，请求中断。5） RI或TI：串行中断请求。当接收或发送完一串行帧时，串行口中断请求标志位RI（SCON.0）或TI（SCON.1）置位，请求中断。b）中断标志1）TCON寄存器中的中断标志TCON是定时器控制寄存器，同时也锁存T0和T1的溢出标志及外部中断INT0和INT1的中断标志

46、等。2）SCON寄存器中的中断标志SCON是串行口控制寄存器，其低2位TI和RI锁存串行口的接收中断标志和发送中断标志。8051系统复位后，TCON和SCON均清0，应用时要注意各标志位的初始状态。3） IE寄存器中断的开放和禁止标志计算机中断系统有两种不同类型的中断：一种称为非屏蔽中断，另一种称为可屏蔽中断。对非屏蔽中断，用户不能用软件的方法加以禁止，一旦有中断申请，CPU必须予以响应。对可屏蔽中断，用户则可以通过软件方法来控制是否允许某中断源的中断，允许中断称中断开放，不允许中断称中断屏蔽。MCS-51系列单片机的5个中断源都是可屏蔽中断，其中断系统内部设有一个专用寄存器IE用于控制CPU

47、对各中断源的开放或屏蔽。8951单片机系统复位后，IE中各中断允许标志均被清0，即禁止所有中断。4）IP寄存器中断优先级标志8051单片机有两个中断优先级，每个中断源都可以通过编程确定为高优先级中断或低优先级中断，因此，可以实现二级嵌套。同一优先级别中的中断源可能不止一个，也有中断优先权排队问题。专用寄存器IP为中断优先级寄存器，锁存各中断源优先级控制位，IP中的每一位均可由软件来置1或清0,1表示高优先级，0表示低优先级。当系统复位后，IP低5位全部清0，所有中断源均设定为低优先级中断。如果几个同一优先级的中断源同时向CPU发出中断申请，CPU将通过内部硬件查询逻辑，按自然优先级顺序确定先响

48、应哪个中断请求11。自然优先级由硬件形成，排列如表4.5所示。表4.5 中断源优先级、入口地址及中断编号中断源优先级入口地址中断编号外部中断0最 高最 低0003H0定时器T0中断000BH1外部中断10013H2定时器T1中断001BH3串行口中断0023H44.6.2 声光报警模块电路连接图4.12 声光报警模块电路注解：由于在proteus中无法进行烟雾传感器和红外传感器的模拟仿真，所以用开关代替这两部分进行模拟。设计思路是以两个开关从高电平向低电平的跳变触发中断控制，达到触发烟雾报警和红外报警的效果。5 软件设计5.1 主要设计思路与电路图主程序循环判断温度、烟雾、红外三个传感器是否监

49、测到异常，显示屏会实时显示当前温度，为了严谨，甚至可以显示零下的温度。一旦烟雾或红外传感器中的任意一个监测到异常，立刻会发出声光报警，只有当两项异常同时被排除，才会取消声光报警，只排除任意一个异常是不会取消报警的。系统会循环监测，不会终止。P1.0为温度传感器DS18B20的数据输入口，P0口为单片机向LCD1602串行输出温度数据的信号口，P0口与LCD1602之间接有上拉电阻，P2.0接有一个蓝色的发光二级管。单片机的两个中断口P3.2、P3.3是烟雾传感器和红外传感器的数据输入口（由于仿真软件中无法对这两种传感器进行仿真，所以用开关代替），P1.1接有一个红色发光二极管，P1.2接有一个

50、绿色发光二级管，P1.3接有一个蜂鸣器（为了软件仿真的效果，在电路图中用喇叭代替，但是在实际设计中还是要选用蜂鸣器）。设计电路图如图5.1所示。图5.1 设计电路图5.2 主程序流程图图5.2 主程序流程图6 调试结果6.1 DS18B20温度探测模块与LCD1602显示模块DS18B20探测温度，范围从-55至+125，同时显示在LCD1602的显示屏上。单片机P2.0口连接的蓝色发光二级管可显示LCD1602是否正常工作，当液晶显示屏正常工作的时候，蓝色发光二级管会亮，如图6.1所示。为了让本设计更严谨，液晶显示屏也可以显示零下温度，如图6.2所示。图6.1 高温显示图6.2 低温显示6.

51、2 红外、烟雾探测模块与声光报警在本系统中需要使用离子型感烟探测器SS-168和光电传感器ST178，但由于这两种传感器无法在软件中进行仿真，所以选用开关代替。设计思路是借用单片机的中断口连接两个开关，外部中断触发方式选用边沿（下降沿）触发。当两个中断中的任意一个接收到下降沿信号的时候，对应的发光二级管就会亮，同时蜂鸣器发出警报。两个中断各对应一个不同颜色的发光二级管，但是共用一个蜂鸣器，所以解除任意一个开关触发的警报信号只能熄灭其对应的发光二极管，不能解除蜂鸣器的报警，只有同时解除两个警报信号才能解除蜂鸣器的报警。具体如图6.3、图6.4、图6.5所示。图6.3 声光报警-无警报状态图6.4

52、 声光报警-单警报状态图6.5 声光报警-双警报状态6.3 单片机复位电路当出现异常的时候，可以按下如图6.6左上所示的按键开关，使单片机复位，以便系统更加精确地工作。图6.6 单片机复位电路7 设计拓展在完成要求的基础上，可以对本系统进行拓展设计，如增添自动拨号报警的功能。自动拨号报警的主要功能为：用户根据需要把自己的手机号码、办公室电话或报警控制中心的电话预存入报警主机。报警主机不断对所监控的设备（温度传感器、烟雾传感器、红外传感器等）状况进行巡检，当有警报发生时（如烟雾浓度超标、红外辐射超标等），报警主机拨通预存入的电话号码，播放相应的警报语音。若电话占线或无人接听，会自动拨下一个预存的

53、电话号码，如果所有预存的电话都占线或无人接听，报警主机会自动循环把所有预存的电话重拨一遍，保证了报警的有效性和可靠性。7.1 系统组成和工作原理本系统采用AT89C51单片机为控制中心，外接EEPROM用于存储电话号码、设置参数以及警情信息等。当AT89C51单片机实时巡检到新的警报信号时，报警主机会自动进行警情处理。拨号报警的工作原理如下：系统自动地控制摘机/挂机电路，同时AT89C51单片机通过可编程并行接口8255将MT8880设置为呼叫模式，检测是否有拨号音。若有拨号音，则将MT8880设为突发方式，并按用户预设的电话号码自动循环拨号。拨号完成后立即检验对方是否摘机，一旦检测到对方摘机

54、就启动语音提示电路发送与警情相对应的语音信息，完成自动拨号报警。7.2 MT8880简介7.2.1 MT8880功能概述MT8880是一个带有呼叫处理滤波器的单片DTMF信号（双音多频信号）收发器，其制造采用MITEL公司的低功耗、高稳定性的ISO-CMOS技术。DTMF信号的接收部分采用DTMF信号接收单片机MT8870的工作制造标准；发送部分采用开关电容进行D/A转换发送高精度、低畸变的DTMF信号。内部寄存器提供一个群模式。在双音频模式下DTMF信号可以通过精确的时序被发送出去。可选择呼叫处理滤波器让一个微处理器处理呼叫音频信号。7.2.2 MT8880引脚功能MT8880具有与微控制器

55、（单片机）相连的接口，必须与单片机配合使用，其双列直插式20脚封装引脚如图7.1所示，引脚功能如下：图7.1 MT8880引脚图（1）IN+、IN-：分别为内部放大器的同相输入端和反相输入端，即接收DTMP信号的输入端；（2）GS：内部放大器的输出端，外接一个负反馈电阻至IN-端；（3）VREF：内部参考电压输出端，该参考电压等于UDD/2；（4）VDD、VSS：分别为电源的正、负端，供电电压为5V；（5）OSC1、OSC2：外接一个3.58MHz晶体，形成晶体振荡器；（6）TONE：双音频信号输出端；（7）R/W：读/写控制端，该端施以高电平时读MT8880，施以低电平时写MT8880；（8）RSI：用于选择内部各寄存器的控制端，该端施以高电平时选中控制寄存器或状态寄存器，施以低电平时选中发送数据寄存器或接收数据寄存器。更具体