基于单片机的火灾报警系统研究

目录TOC\o"1-3"\f\h\u18231引言 1294081.1课题的研究目的和意义 1175381.2传统火灾自动报警系统及国内外现状 2245361.3无线火灾自动报警系统及国内外现状 3123741.4短距离无线通信技术的现状与开展趋势 476301.5本课题研究的主要内容 495322系统方案的总体设计 564982.2系统方案确实定 6286262.2.1总体系统实现方案 674972.2.2火灾检测传感器方案 6261792.2.3短距离无线通信模块方案 7113002.3主要器件的选用 9310462.3.1温度传感器的选择 9291872.3.4时钟芯片的选择 13292032.3.5存储芯片的选择 13212452.4本章小结 14279363电路的硬件设计 1519253.1火灾报警主控制器硬件设计 15244803.1.1AT89S52单片机简述15318403.1.2火灾报警主控制器时钟电路 1897523.1.3火灾报警主控制器存储电路1970273.1.4火灾报警主控制器无线通信电路20195963.1.5火灾报警主控制器键盘电路 2229973.1.6火灾报警主控制器显示电路 2312893.1.7火灾报警主控制器电源电路25107693.1.8火灾报警主控制器报警电路 27101423.2火灾报警系统子机硬件设计 28189403.2.1温度监测电路设计 28120323.2.2烟雾监测电路设计 3310303.2.3系统子机电源电路设计 35326244火灾报警系统软件设计 37188684.1火灾报警控制器软件设计 37290754.1.1火灾报警控制器主程序 37290244.1.3火灾报警控制器液晶显示程序 38105994.2火灾报警系统子机软件设计 42168914.2.1火灾报警系统子机主程序 42167574.2.2温度测量子程序 4314974.2.3烟雾测量子程序 44217364.3本章小结 4494625结论 461863附录A原理图 472648附录B局部程序 5024265参考文献 5930067致谢 621引言1.1课题的研究目的和意义火灾严重威胁着人类的生命财产平安，每年我国由火灾引起的灾难数不胜数，然而，准确、及时的对火灾进行预测已成为迫在眉睫的事情。目前，火灾探测技术是预防火灾发生的最有效的手段，根据火灾发生初期的迹象来判断并进行预测，从而使人们在第一时间对这些迹象进行处理，有效的减少了火灾的发生。火灾自动报警系统所具有的早期发现并通知火灾和启动灭火设备灭火的功能，使大量火灾在起初阶段就被扑灭，防止了重大经济损失，成为现代消防不可缺少的平安技术措施[1,2]。预防和消除火灾引起了消防部门和社会各方面的高度重视，因此使火灾自动报警设备的设计、生产、应用有了较大的开展。火灾自动报警系统是在保护对象发生火灾的情况下自动探测、显示火灾警报的装置。安装火灾自动报警系统的目的，就是及时发现火灾、及时采取灭火、疏散等措施，最大限度的降低因火灾带来的损失。为了更好地进行人机交互，把与火灾有关的各种信息以文字或图形方式显示在液晶屏或CRT上。火灾自动报警系统是由火灾报警控制器、火灾报警探测器及其它现场报警器组成。按照消防标准，火灾报警探测器主要有感烟探测器、感温探测器、手动报警按钮等。火灾自动报警技术根据其开展,通常分为两个阶段。把上世纪80年代初兴起的新一代报警系统称为“现代火灾自动报警系统〞。把采用80年代以前技术生产的目前仍在使用的系统通常称为“传统火灾自动报警系统〞[3]。当前火灾探测领域广泛使用的智能探测器的探测方式是将火灾探测及信号处理都集中在探测器内部，在探测器内部设有微处理器，这样探测器就不是单纯的传感器。在探测器内部可以融入更多、更先进的火灾信号算法。由于其内部有微处理器，每个探测器都有信号处理软件，就地采集就地处理，不需要经过线路传输，信号的真实程度得到提高。当今，微处理器技术开展非常迅速，低价位，低功耗，高性能的小型单片机比比皆是，这就为开展智能型探测器提供了充分的物质保障。所以，智能火灾探测器也是现在消防领域的一个重要开展方向。普通可燃物燃烧的表现形式是：首先产生燃烧气体和烟雾，在氧气供给充足的条件下才能到达完全燃烧，产生火焰并发出一些可见光与不可见光，同时释放大量的热，使得环境温度升高。普通可燃物由初起阴燃阶段开始，到火焰燃烧、火势渐大，最终酿成火灾的起火过程。因此在该系统中我们以环境温度、烟雾浓度作为判断火灾的依据。传统火灾报警系统有准确度低、存在误报和漏报等问题，针对传统火灾报警系统这些问题，本文设计了基于AT89S52的无线火灾报警系统，该系统具有较高的可靠性、稳定性、准确度。1.2传统火灾自动报警系统及国内外现状国际上，火灾自动报警技术根据其开展,通常分为两个阶段。把上世纪80年代初兴起的新一代报警系统称为“现代火灾自动报警系统〞。把采用80年代以前技术生产的目前仍在使用的系统通常称为“传统火灾自动报警系统〞[3]。传统火灾自动报警系统主要是多线制开关量式火灾自动报警系统。根据其开展和应用说明，不同型号，不同类型的火灾自动报警系统根据其场合的要求进行安装使用，均能发挥其监控火情的作用。但存在明显的缺乏：一是抗干扰能力差、误报率较高。判断火灾仅仅是根据探测的某个火灾现象参数是否超过设定值阈值来确定是否报警，所以无法排除环境和其它干扰因素。由于灵敏度过高或过低，会使报警不及时、漏报或形成误报。二是功能少，性能差，不能满足开展的要求。现代火灾自动报警系统的主要形式有：总线制可寻址开关量式火灾报警系统，模拟量传输式火灾报警系统，分布智能火灾报警系统和无线火灾自动报警系统。目前较为常用的一种火灾报警控制形是集散式火灾自动报警系统。此种控制形式在信号传输方面大多数采用有线传输，通常采用的是RS-232，RS-485总线或CAN总线。现代火灾自动报警系统的特点：一是具备自动检测功能的系统提高了系统的可靠性。二是为能够准确的定位火灾发生的地址，火灾自动报警探测器具备了自动编址功能。三是模拟量探测器能及时准确的预知火灾和提供火灾的详细情况。我国火灾自动报警系统研究比西方国家晚些，主要安装在大型计算机中心，高层建筑等地，其工程技术水平还相对落后，存在着一些比较突出的问题，表现在：〔1〕适用范围过小。在我国，主要是根据《高层民用建筑设计防火标准》、《建筑设计防火标准》规定安置在大型计算机中心、高级宾馆、高层建筑，学校，大型公共建筑中，而中小型公众聚集场所及社区民居住宅区都没有安装火灾自动报警系统。〔2〕智能化程度低。目前，我国的火灾自动报警系统具备了一定的智能化，但存在巡检速度慢、稳定性和可靠性差的缺点。〔3〕网络化程度低。各区域火灾自动报警系统间没有建立网络，使得它们不能共享资源和效劳，有可能使消防人员不能及时到达火灾现场，延缓救缓，造成额外经济损失和人员伤亡。〔4〕组件连接方式有待改善。多线制和总线制是我国火灾自动报警系统的主要连接方式。火灾报警探测器与火灾报警控制器主要采用两根或多根铜芯绝缘导线或铜芯电缆相连接，这种连接方式施工与维护复杂，加大了系统本钱费用，且功耗大，降低了系统的抗干预性。〔5〕火灾自动报警系统误报、漏报问题较多。由于存在以上问题，火灾自动报警应用技术应进一步着眼于当前国际开展的新形势，加快更新改造进程，加强对数字技术和新工艺、新材料的应用，改良系统能力，使火灾自动报警应用技术向着高可靠、低误报和网络化、智能化、无线化、社区化方向开展[４]。1.3无线火灾自动报警系统及国内外现状无线火灾报警系统是近几年来国外开展起来的新型火灾报警系统，它是利用无线火灾探测装置发出的火警信号和故障信号，并记录发出这些信号的地点和时间的火灾自动报警专用设备[５,６]。近年来，无线火灾报警系统在国外已经开展起来，并走向了实用化。起初，无线火灾报警系统不仅价格高，而且局部探测装置必须通过布线进行连接，这仅适合于一些特殊场所，如具有历史价值的古建筑物，将火灾自动报警探测器安装在不易、不可能实现布线的彩绘天花板与石墙上。如今，几乎所有的电器装置都可以改由无线控制，可广泛地应用于各类建筑和场所。无线火灾自动报警系统安装简单、方便、快捷，适用于包括家庭等多种场所，不会对建筑物自身造成伤害，具备有线火灾自动报警系统不可比较的优点。由于无线火灾自报警系统不采用导线，因此可以方便地将火灾报警探测器从室内移到室外进行工艺处理，完成后再将探测器放回原位。这些都为无线火灾报警系统的开展提供了技术保障。美国松柏公司〔ITI公司〕成立于1981年，其创办人创造了第一代全监控无线报警系统。1983年前，美国的无线系统一般并不可靠，ITI公司采用了多种军用技术使无线报警方法有所突破，采用数码传送及鉴别技术，大大提高了可靠性及干扰的排除[７]。1983年推出第一代可靠性的无线报警系统，第三代技术是世界上最先进的无线报警技术，第四代产品将推出。我国在无线报警系统开展方面滞后于国外，但近年来有所开展[７]。开始之初，无线火灾报警系统不仅价格高，而且仅适合于一些特殊场所。现在，能用布线连接的电器几乎都可以用无线电信号来实现，广泛地应用于各类建筑物及场所。我国无线火灾报警系统技术根本空白，虽然有人进行了这方面的研究，但并没有成型产品推向市场。因此，无线火灾自动报警系统的研究势在必行。1.4短距离无线通信技术的现状与开展趋势随着移动通信需求和远程数据采集量的增加，加之有线传输的费用日益增长，人们正逐渐认识到在许多检测领域采用无线传输的必要性。在过去的几年中，无线通讯领域取得了很大的进展，这其中包括数字电路和射频电路制作工艺的进步、低功耗电路、高能电池以及微电子技术的采用。以上诸多方面的开展使移动通信设备更加灵巧、经济、可靠。与上述技术一样，数字通信技术和数字调制技术的开展也发挥了很大的作用，他们使无线通信网络向更加经济、更加容易操作的方向开展。所以如果我们能够很好地了解无线通信的根本原那么以及这些技术的特点，就能更好地理解并完成传感数据的无线采集。无线数据通信技术可分为两大类：一是基于蜂窝的接入技术，如蜂窝数字分组数据(CDPD)，通用分组无线传输技术(GPRS)、EDGE等。二是基于局域网的技术，如IEEE802.11WLAN、Bluetooth、IrDA、Home-RF、微功率短距离无线通信技术等。与目前已经具备相当规模的无线长距离通信网络(如蜂窝移动通信网)相比，短距离无线通信系统在根本结构、效劳范围、应用层次及通信业务(数据、话音)上，均有很大的不同。1.5本课题研究的主要内容本课题的研究任务是研发一种基于单片机的无线火灾自动报警系统，该系统采用无线电信号传输代替通常用的双总线或多总线的传输模式。本系统包括火灾自动报警系统控制器、火灾自动报警系统子机两局部。火灾自动报警控制是控制处理中心，相当于人的大脑；火灾自动报警系统子机完成对火灾报警控制器和火灾报警探测器间的数据处理转发。无线火灾报警系统具有数据交换、误码率低、火警预报、上报及时等特点，实现了施工简单、安装容易。从而最大程度的减少由于火灾带来的经济损失和人员伤亡。本课题的主要研究内容如下：(1)火灾自动报警控制器整体设计及实现，包括时钟存储电路、电路、液晶显示电路、键盘电路、通讯电路、电源电路等硬件设计及时钟、液晶、键盘、通讯等软件编程；(2)火灾自动报警系统子机整体设计及实现，包括探测器、通讯电路等硬件设计及通讯等软件编程；(3)火灾自动报警系统整体软件设计及实现，包括显示、无线通讯及火警检测、数据处理、无线通讯协议等软件编程。2系统方案的总体设计火灾现场环境的检测有许多方法，可供选择的器件和运用的技术也有多种。因此，系统的总体设计方案应在满足系统整体性能指标的前提下，充分考虑系统使用的环境，所选的结构要尽量简单实用、易于实现，器件的选用要着眼于适宜的参数、稳定的性能、较低的功耗、低廉的本钱以及较好的互换性能。2.1火灾报警控制器及系统子机功能要求依据中华人民共和国国家标准GB4717-93对火灾报警控制器及系统子机的要求，火灾报警控制器及系统子机应具有以下功能：(1)火灾报警功能火灾报警控制器及系统子机接收到探测器的异常信息后，经屡次识别确认，发出声、光报警等信号，指示火灾发生的部位。报警时火警指示灯亮，火警音响，同时显示第一次报警地址及循环显示后续报警地址，并可显示报警总数和报警点的地理位置及类型。报警声响可以手动消除，光信号可以保持，直至手动复位。当有新的报警发生时，声光报警再次启动。火灾自动报警系统具有火警优先功能，即当前系统无论处于任何状态下，只要出现了火警，那么系统由当前状态自动切换至火警显示状态。(2)故障报警功能火灾报警控制器有完善的故障监视系统，可以对以下情况：主电故障、备电故障等。声报警可以手动消除，光报警那么持续保持，直至故障消除。(3)中文显示及时钟功能火灾报警控制器配置点阵式大屏幕液晶显示器〔蓝底白字〕，多级菜单式操作，全中文功能提示。火灾自动报警系统具有实时时钟显示功能，内含时钟芯片。(4)具有后备电源功能在火灾报警控制器中备有浮充电池，在火灾报警控制器投入使用时，应将电源开关全翻开，当主电网有电时，火灾报警控制器自动利用主电进行供电。当主电网断电或欠压时备用电池自行启动。(5)存储功能用户从火警报警控制器上进行相关查询及有火警、故障等信息需要在液晶屏进行显示时，都需要从火灾报警系统控制器的存储单元读取。系统的功能往往决定了系统采用的结构，本系统要实现的是温度和烟雾数据的测量、存储、显示及后期处理等功能，因此系统采用近几年来成熟的各种温烟传感技术、短距离无线通信技术、数据处理控制技术等来构造根本的系统功能。系统的总体结构可以设想为温度烟雾采集模块、短距离无线通信模块、系统控制及数据处理模块、存储、显示及报警等几大局部。2.2系统方案确实定2.2.1总体系统实现方案火灾自动报警系统由火灾报警控制器和火灾报警系统子机组成。当火警探测器监测到火灾、故障等异常情况时，系统子机通过无线通讯模块以无线电波的形式将这些信息发射给系统控制器，系统控制器一端有同样无线通讯模块将信号接收进来。火灾报警控制器通过无线模块接收这些信息后，及时进行相应的处理，使用户可以要根据这些提示进行相应的灭火、排除故障等操作。同时火灾报警控制器将这些火警及故障信息在液晶屏上予以显示、存储，以备用户将来查询所用。无线火灾自动报警系统设计方案如图2-1。图2-1火灾自动报警系统设计方案2.2.2火灾检测传感器方案火灾发生时，会产生大量烟雾和热量，温度和烟雾是最明显的物理变化和化学反响过程。火灾探测的原理是检测火灾发生产生的各种物理、化学变化，进行动态监测，并将其转化为电信号传送给火灾报警控制器，从而实现对火灾的检测和报警。常见的火灾探测传感器根据所检测的对象不同，可以分为以下几种：(1)感温探测器的检测对象是温度，其结构简单，可靠性高；(2)感烟探测器的检测对象是烟雾微料，对烟雾敏感，技术成熟，可靠性高；(3)气体探测器适用于散发可烯气体和可燃汽的场所，但会降低其探测的灵敏度；(4)火焰探测器的检测对象是火焰辐射光，其探测范围广，对火焰反响速度快，但易受太阳光等高温物体辐射干扰；(5)图像探测器其检测对象是烟雾、火焰形状，适合商场等大空间建筑物；综上比照，感温传感器，感烟传感器本钱低，适用环境广，抗干扰能力强，因此本系统主要采用这两种传感器。2.2.3短距离无线通信模块方案目前国内外比较成熟的短距离无线通信技术主要有以下几种：〔1〕红外通信技术〔IrDA〕[8,9,10]红外通信技术IrDA(InfraRedDataAssociation)采用人眼看不到的红外线传输信息，是使用最广泛的短距离无线通信技术。它利用红外线的通断表示计算机中的0-1逻辑，通常有效作用半径2米，传统速度可达4Mbit/s，1995年IrDA将通信速率扩展到的高达16Mbit/s，红外技术采用点到点的连接方式，发射、接收具有方向性，具有体积小、功耗低、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、速度快、保密性强、本钱低廉的特点。因此广泛应用于各种遥控器，笔记本电脑，PDA，移动等移动设备。但红外技术只是一种视距传输技术，有效距离近，发射角度较小，一般不超过20度，两台相互通信的设备之间必须对准，而且传输数据时两台设备之间不能有阻挡物，只能限于两台设备通信，无法灵活构成网络，且无法用于边移动边使用的设备，另外，IrDA设备中的核心部件LED易磨损。〔2〕蓝牙技术〔Bluetooth〕[8,9,10]蓝牙技术使用全球统一开放的2.4GHz的ISM频段，采用跳频扩频FHSS技术实现设备之间的无线互连，有穿透能力，能够全方位传送，主要面对网络中各种数据和语音设备，通过无线方式将它们连成一个微微网(Piconet)。多个微微网之间也可以形成分布式网络(Scatternet)，从而方便，快速的实现各类设备之间的通信。蓝牙技术作为一种新兴的技术，主要具有以下特点:标准的开放性、产品的互操作性及兼容性、公用通信频段以及提供大容量的语音和数据网络。蓝牙技术目前只是一种行业联盟制定的短距离无线通信标准。〔3〕微功率短距离无线通信技术[10]近年来，随着大规模集成电路技术的开展，短距离无线通信系统的大局部功能都可以集成到一块芯片内部，一般使用单片数字信号射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块，所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界影响。射频芯片一般采用FSK调制方式，工作于ISM频段，通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现根本的数据无线传输功能。新一代短距离无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点，而且开发简单快速，可以方便地嵌入到各种设备中，实现设备间的无线连接，因此，较适合搭建小型网络，在工业、民用领域得到较为广泛的应用。综上比照，微功率短距离无线收发芯片的可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，通讯协议简单透明，技术成熟。使用该种方案无线通讯接口与数据采集系统接口电路设计简单可靠。2.2.4数据处理方案[11]现代科学技术的不断进步，一些先进的算法不断产生。这些算法在各个行业中得到了广泛应用，使该行业得到新的开展。火灾报警探测领域同其他领域一样，先进的算法使火灾探测技术更上一个新的台阶。本系统采用门限检测法和变化率检测法对火灾信息进行判断。火灾检测方法最早使用的是固定门限检测法，其检测方法是以火灾报警传感器采集到的数据值作为火灾报警的依据，将这个数据值与固定的门限值比较,当采集到的数据值超过报警门限值时，表示有火警发生，发出报警信息；否那么就是没有火警发生。固定门限检测法具有计算量好的优点，而且该算法易于实现。但是由于算法简单，误报或漏报率高。因此为了提高火灾传感器的抗干扰能力，对固定门限值检测法进行改良，其原理是“浮动底线＋固定报警门限值〞。根据火灾探测器的工作环境不同，对固定报警门限值设置不同的值。当其值适中时，火灾探测器工作在正常模式；当值较高时，火灾探测器工作在低灵敏度模式；当值较低时，火灾探测器工作在高灵敏度模式。感温火灾探测器的报警门限值是75oC。任何物质的燃烧都会明显的温度变化,因此感温火灾报测器可以利用温度变化率对火灾进行检测。在实际计算中对一段时间内的温度采样，计算信号变化斜率值，将其与设定的斜率门限值进行比较。以此来判断火灾是否发生。为了提高检测的可靠性和抗干扰能力，在使用这种算法时同时可以使用信号平均和延时等处理手段。2.3主要器件的选用2.3.1温度传感器的选择随着温度传感器智能化、集成化技术的进步，数字式温度传感器也得到了快速开展，世界上许多公司推出了新型的数字温度传感器系列。在如此众多的产品中选择出适宜的器件，应该把握以下几点：外围电路应该尽量简单；测温的精度、分辨率要适宜，以便减少不必要的电路和软件开发本钱；温度传感器采用的总线负载能力如何，能否满足多点测温的需要；占用MCU的I/O引脚数情况如何，因为MCU的系统资源非常珍贵，输入通道有限，多点温度测量时，如果测量的点数超过了输入通道时，就要添加多路复用器，这将增加本钱和开发时间，应尽量节约与MCU的通信协议应尽量简单，温度测量的软件开发难度、本钱要尽量小。目前在数字温度传感器中采用的串行总线主要有Philips公司的I2C总线，Motorola公司的SPI总线，NationalSemiconductor公司的Microwireplus总线，DallasSemiconductor公司的1-Wire总线和Siemens公司的Profibus总线等。常用的数字温度传感器主要有：①AD7418是是美国模拟器件公司〔ADI〕推出的单片温度测量与控制用集成电路。其内部包含有带隙温度传感器和10位A/D转换器。测温范围为-55℃～+125℃，具有10位数字输出温度值，分辨率为0.25℃，精度为±2℃，转换时间为15～30ms。具有体积小、编程简单、使用容易、测量精度高，并且不易受环境千扰等优点。AD7418可以级联至多8片在同一个I2C总线上。②MAX6575L/H是美国MAXIM公司的一种单总线式数字温度传感器，具有较好的线性、较低的功耗，而且编程简单，调试容易，使用方便。测温范围为-40～+125℃，其误差范围：在25℃时优于±3℃,在85℃时优于±4.5℃，在125℃时优于±5℃。但是MAX6575L/H在其测温范围内非线性误差较大，因此，当它用于高精度温度测量时，必须对其进行非线性补偿。它最多允许在一根MCU的I/O总线上同时挂接8个MAX6575L/H进行多点温度测量。为了防止多个传感器同时测温时有重叠的现象，MAX6575提供了“L〞和“H〞两种型号的传感器,它们的使用方法相同,而且每一种型号的传感器又可以通过时间选择引脚。但是，MAX6575L的远距离传输特性并不理想，传输范围只能在5m以内，超过此范围将采集不到被测温度数据，这也是这种器件的一个弊端。③DS18B20是美国Dallas半导体公司的新一代数字式温度传感器，它具有独特的单总线接口方式，即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器，从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接口时需要的A/D转换器及其它复杂外围电路的缺点，而且，可以通过总线供电，由它组成的温度测控系统非常方便，而且本钱低、体积小、可靠性高。DS18B20的测温范围-55～+125℃，最高分辨率可达0.0625℃，由于每一个DS18B20出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其ROM中，因此CPU可用简单的通信协议就可以识别，从而节省了大量的引线和逻辑电路。Dallas公司的单总线技术具有较高的性能价格比，有以下特点：①适用于低速测控场合，测控对象越多越显出其优越性；②性价比高，硬件施工、维修方便，抗干扰性能好；③具有CRC校验功能，可靠性高；④软件设计标准，系统简明直观，易于掌握。由于DS18B20独特的单总线接口方式在多点测温时有明显的优势，占用MCU的I/O引脚资源少，和MCU的通信协议比较简单，本钱较低，传输距离远，所以，选用DS18B20做为温度测量的传感器。2.3.2烟雾传感器的选择[12]绝大多数物质在燃烧的开始阶段，首先产生烟雾，烟雾具有很大的流动性，它能潜入建筑物的任何空间。烟雾具有毒性，它对人的生命具有特别大的威胁。火灾中约有70%的死者是由于燃烧气体或烟雾窒息造成的。因此要实现早期发现火灾，减少火灾损失，在通常情况下利用感烟式火灾探测器会有良好效果。这种探测器可探测70%以上的火灾。感烟火灾探测器是目前世界上应用最普遍、数量最多的探测器。感烟式火灾探测器分为点型与线型，点型分为离子型感烟和光电型感烟，线型分为激光感烟别离式红外光束感烟。离子感烟式探测器〔点型探测器〕：它是在电离室内含有少量放射性物质，可使电离室内空气成为导体，允许一定电流在两个电极之间的空气中通过，射线使局部空气成电离状态，经电压作用形成离子流，这就给电离室一个有效的导电性。当烟粒子进入电离化区域时，它们由于与离子相接合而降低了空气的导电性，形成离子移动的减弱。当导电性低于预定值时，探测器发出警报。光电感烟探测器〔点型探测器〕：它是利用起火时产生的烟雾能够改变光的传播特性这一根本性质而研制的。根据烟粒子对光线的吸收和散射作用。光电感烟探测器又分为遮光型和散光型两种。根据接入方式和电池供电方式等的不同，感烟探测器又可分为联网型烟感，独立型烟感，无线型烟感。红外光束感烟探测器〔线型探测器〕：它是对警戒范围内某一线状窄条周围烟气参数响应的火灾探测器。它同前面两种点型感烟探测器的主要区别在于线型感烟探测器将光束发射器和光电接受器分为两个独立的局部，使用时分装相对的两处，中间用光束连接起来。红外光束感烟探测器又分为对射型和反射型两种。离子感烟探测器对小粒子响应灵敏度高,随着烟的色带由可见烟到不可见烟的变化，相对响应灵敏度增加得很小，即离子感烟探测器响应灵敏度与烟的颜色近似无关；光电感烟探测器对大粒子响应灵敏度高，散射光型光电探测器对灰色的可见烟具有较高的响应灵敏度，由于黑烟对光的吸收作用而对其响应较迟钝，因此其对小粒子响应小.综上比照，离子感烟探测器对各种烟雾的响应灵敏度都较高。因此，本系统采用离子式感烟探测器作为系统的感烟器件。2.3.3无线收发芯片的选择[13]无线收发芯片的种类和数量比较多，在设计中选择适宜芯片可以提高产品开发周期、节约本钱。在选择时，应主要参考以下几点：①收发芯片的数据传输是否需要进行曼彻斯特编码采用曼彻斯特编码的芯片，在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更多的内存和程序容量，并且曼彻斯特编码大大降低数据传输的效率，一般仅能到达标称速率的1/3，而采用串口传输的芯片，应用及编程非常简单，传送的效率很高，标称速率就是实际速率，编程方便。②收发芯片所需的外围元件数量芯片外围元器件的数量直接关系到系统的复杂程度和本钱，因此应该选择外围元件少的收发芯片。③功耗大多数无线收发芯片是应用在便携式产品上的，因此功耗也非常重要，应该根据需要选择综合功耗较小的产品．④发射功率在同等条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用发射功率较高的产品。常用的无线收发芯片主要有：①nRF24E1是挪威NordicVLSIASA公司最近开发的一种嵌入了高性能单片机内核的高速单片无线收发芯片[15]。采用先进的0.18μsCMOS工艺、6mm×6mm的36引脚QFN封装；以nRF2401芯片结构为根底，将射频、8051MCU、9输入12位ADC、125频道、UART、SPI、PWM、RTC、WDT全部集成到单芯片中；内部有电压调节器〔工作电压1.9～3.6V〕和VDD电压监视，通常开关时间小于200μs，数据速率1Mbps，输出功率0dBm；不需要外接SAW滤波器，极少的外围电路，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成，所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界影响；工作在全球开放的2.4GHz频段、勿需申请通信许可证。②nRF903单片射频收发器芯片工作在915MHz国际通用的ISM频段；GMSK/GFSK调制和解调,抗干扰能力强；采用DDS+PLL频率合成技术，频率稳定性好；灵敏度高达-100dBm,最大发射功率达+10dBm；数据速率可达76.8Kbit/s；170个频道,适合需要多信道工作的特殊场合；可方便地嵌入各种测量和控制系统中进行无线数据双向传输，在仪器仪表数据采集系统、无线数据通信系统、计算机遥测遥控系统等中应用。③nRF401是挪威NordicVLSI公司推出的单芯片RF收发机，专为在433MHzISM(工业、科研和医疗)频段工作而设计。该芯片集成了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制、FSK解调、双频道切换等功能，具有性能优异、功耗低、使用方便等特点。nRF401的外围元件很少，仅10个左右。只包括一个4MHz基准晶振(可与MCU共享)、一个PLL环路滤波器和一个VCO电感，收发天线合一，没有调试部件，这给研制及生产带来了极大的方便。基于nRF401本钱低、可靠性高、外围设计简单的优点，本系统将nRF401做为无线收发芯片的首选。2.3.4时钟芯片的选择目前单片机可用时钟芯片很多，但功能都很相似，例如HOLTEK公司生产的HT1380和DALLAS公司生产的DS1302。下面仅介绍一下DS1302：DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、日期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式。DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线：RES〔复位〕、I/O〔数据线〕、SCLK〔串行时钟〕。时钟/RAM的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。DS1302工作时功耗很低保持数据和时钟信息时功率小于1mW。DS1302是由DS1202改良而来，增加了以下的特性：双电源管脚用于主电源和备份电源供给，Vcc1为可编程涓流充电电源，附加七个字节存储器。它广泛应用于、、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。2.3.5存储芯片的选择系统主机对火灾发生的时间、地方以及火灾报警探测器等的相关信息进行存储，因此火灾报警系统要具有存储功能。考虑到需要存储的信息量不多，本系统选用AT24C16。AT24C16是16K位的非易失性随机存储器，具有非易失性，并且可以象RAM一样快速读写数据。在掉电状态下，数据可以保存10年。比EEPROM或其他非易失性存储器可靠性更高，系统更简单。与EEPROM不同，AT24C16以总线速度进行写操作，没有任何延时。数据送到AT24C16直接写到具体的单元地址,下一个操作可以立即执行。接口方式为工业标准二线制造串行接口，这种方式占用单片机脚位少，占用线路板空间小，节省系统资源。2.3.6键盘、显示模块的选择[14]用户与火灾自动报警系统进行交互时，主要是通过显示屏显示输出和键盘手动输入完成的。显示单元是人机交互的窗口，是传递仪表工作状态和检测数据的关键性设备，通常的显示器件有液晶显示器〔LCD〕和数码管显示器〔LED〕。其中数码管仅能显示有限的几位数字或字母且占用系统管脚资源较多。由于火灾报警系统要求显示系统时间、火警、故障等信息，信息较多。因此，本系统采用点阵式大屏幕液晶显示屏，全中文提示。本系统采用HS12864点阵式液晶屏，全中文显示综合功能信息，操作直观方便。键盘电路的结构可以分为独立式按键和矩阵式键盘两种方式。独立式按键就是各按键间相互独立，每个按键各占用一根I/O口线，各口线间的按键工作状态不会影响其他口线上的工作状态。可通过检测输入线的电平状态来判断哪个按键被按下了。独立式按键电路灵活，软件结构简单，但占用单片机I/O口数量较多，浪费大，适用于按键较少的系统中。矩阵式键盘是一种适合按键数量较多的系统中，它是由行线和列线组成的，又称行列式键盘。按键位于行列的交叉点上，这种结构，节省I/O口线。矩阵式键盘的工作原理：行线是通过上拉电阻接到＋5V上。当无按键时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行线电平状态由与此行线相连的列线电平决定。即列线电平为低电平，那么行线电平为低；列线电平为高电平，那么行线电平为高。本系统键盘采用矩阵式键盘，也就是行列式键盘，由行线和列线组成。采用这种结构主要是考虑到I/O口线的节省，在能节省口线的同时又能满足系统对键盘的要求。2.4本章小结本章首先介绍了系统方案的总体要求，然后又介绍了系统方案的设想，最后介绍了器件的选用，确定了系统的设计方案。系统的总体结构框图如图2-2所示。图2-2系统结构框图3电路的硬件设计根据上一章所选的系统方案设想，下面进行系统硬件电路的具体设计，由图2-2所示，系统由主控机和系统子机两局部组成。其中主控机由时钟模块、键盘显示模块、无线数据收发模块、声光报警模块及电源模块等局部组成；系统子机由温度传感器，烟雾传感器、无线数据收发模块等组成。系统总体工作原理是由数字温度传感器和离子烟雾传感器把监控现场数据传到系统子机CPU，处理后通过无线收发电路向主控机发送信号，接收端收到信号经主控机CPU处理后，进行分析和判断后，把结果通过LCD液晶屏显示出来，并把相关数据存储到存储器中，假设有火灾，那么进行相关报警操作。3.1火灾报警主控制器硬件设计火灾报警控制器是以AT89S52芯片为核心；以HS12864点阵式液晶屏进行显示；同时还具有人工干预单片机主要手段的键盘；进行信息传递的无心线通信模块；存储火灾信息的存储器；为整个主控机进行供电的电源模块等。整个火灾自动报警控制器是一个复杂的单片机控制系统，单片机是其核心部件。火灾自动报警主控制器接收系统子机从探测器转发过来关于火灾、故障等报警信号，并对这些信号进行处理后向用户发出声、光等报警信息；所有操作指示、包括火灾警、故障等系统反响信息都在系统提供的液晶屏上显示，让用户操作更简单、灵活、方便、图像信息更直观。本系统还具有时钟电路，为系统提供日期及时间，时间以直观方式显示在液晶屏上，且为液晶待机时主界面。以上这些硬件模块电路设计主要本着抗干能力强，传递信息准确、可靠，硬件电路简洁、本钱较少为根本原那么。3.1.1AT89S52单片机简述[15，16]AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。指令系统与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。AT89S52管脚定义如图3-1。图3-1AT89S52管脚定义P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1〞时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1〞时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入〔P1.0/T2〕和定时器/计数器2的触发输入〔P1.1/T2EX〕。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。引脚号第二功能：P1.0T2〔定时器/计数器T2的外部计数输入〕，时钟输出P1.1T2EX〔定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制〕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口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动AT89S52引脚图PLCC封装4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1〞时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流〔IIL〕。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器〔例如执行MOVX@DPTR〕时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址〔如MOVX@RI〕访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1〞时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流〔IIL〕。P3口亦作为AT89S52特殊功能〔第二功能〕使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。端口引脚第二功能：P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INTO(外中断0)P3.3INT1(外中断1)P3.4TO(定时/计数器0)P3.5T1(定时/计数器1)P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器读选通)此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE〔地址锁存允许〕输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲〔PROG〕。如有必要，可通过对特殊功能存放器〔SFR〕区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。PSEN：程序储存允许〔PSEN〕输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令〔或数据〕时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP：外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器〔地址为0000H-FFFFH〕，EA端必须保持低电平〔接地〕。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平〔接Vcc端〕，CPU那么执行内部程序存储器的指令。FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。AT89S52单片机最小系统电路连接方式如图3-2。图3-2AT89S52单片机最小系统电路连接图3.1.2火灾报警主控制器时钟电路时钟电路为火灾自动报警系统提供存储火灾报警发生时间及时间显示功能所需的时钟基准。本系统采用高性能、低功耗的实时时钟芯DS1302。该芯片采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，该芯片可提供秒、分、时、日、星期、月和年进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM存放器。可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通32.768kHz晶振。DS1302芯片的特点：(1)Vcc1为后备电源，Vcc2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行；(2)31*8位数据存储RAM；(3)工作电压：2.0V～5.5V；(4)单字节传送和多字节传送两种读/写时钟或RAM数据；(5)时芯片可以采用8脚DIP或8脚SOIC封装；(6)适用温度范围：—40oC～+85oC。DS1302与AT89S52应用连接电路如图3-3。图3-3DS1302与AT89S52连接电路3.1.3火灾报警主控制器存储电路[18]系统主机对火灾发生的时间、地方以及火灾报警探测器等的相关信息进行存储，因此火灾报警系统要具有存储功能。本系统选用AT24C16。芯片AT24C16的特点如下：(1)AT24C16是串行、非易失的EEPROM存储器，低压和标准电压工作(Vcc=1.8V—5.5V)，2048x8〔4k〕存储空间，斯密特触发，噪声抑制滤波输入，内部有64页，允许局部页写操作；(2)采用8引脚封装，具有结构紧凑、存储容量大等特点，可以在2线总线上并接多片芯片，在使用时只需通过不同的地址对芯片进行访问；(3)AT24C16采用的是I2C总线[19]。I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。AT24C16与AT89S52连接电路图3-4。图3-4AT24C16与AT89S52连接电路3.1.4火灾报警主控制器无线通信电路[24]火灾报警主控制器与系统子机之间靠无线通信芯片来实现信息交互，本系统选用nRF401。nRF401芯片的简介：射频收发芯片nRF401工作在433MHz国际通用的ISM频段；FSK调制和解调，抗干扰能力强；采用PLL频率合成技术，频率稳定性好；灵敏度高达-105dBm，最大发射功率到达+10dBm；数据速率可达20Kbit/S；可方便地嵌入测量和控制系统中。nRF401具有两个信号通道，适合需要多信道工作的特殊场合；可直接与微控制器接口；低工作电压〔2.7V—3.6V〕，功耗低，发射时电源电流8mA，接收时电源电流250μA，接收待机状态仅为8μA；仅需外接一个晶体和几个阻容、电感元件，即可构成一个完整的射频收发器。nRF401采用20脚SSOIC封装，内部电路可分为发射电路、接收电路、模式和低功耗控制逻辑电路几局部。发射电路包含有：射频功率放大器，锁相环〔PLL〕，压控振荡器〔VCO〕，频率合成器等电路。基准振荡器采用外接晶体振荡器产生电路所需的基准频率。本机振荡用锁相环〔PLL〕方式，由在DDS根底上的频率合成器、外接的无源回路滤波器和压控振荡器组成。压控振荡器由片内的振荡电路和外接的电感组成。要发射的数据通过DIN端〔第9脚〕输入。接收电路包含有：低噪声放大器、混频器、FSK解调器、滤波器等电路。接收电路中，低噪声放大器放大输入的射频信号，接收灵敏度-105dBm。混频器采用Ⅰ级混频结构，混频器的输出信号经中频滤波器滤波后送入FSK解调器解调，解调后的数字信号在DOUT端〔第10脚〕输出。9脚DIN输入数字信号和10脚DOUT输出数字信号均为标准的逻辑电平信号，需要发射的数字信号通过DIN输入，解调出来的信号经过DOUT输出；12脚通道选择：CS=“0〞为通道#〔1433.9,MHz〕，CS=“1〞为通道#2〔434.33MHz〕；18脚电源开关；PWR—UP=“0〞为待机模式；19脚发射允许：TXEN=“1〞为发射模式；TXEN=“0〞为接收模式。nRF401内部结构图3-5，引脚图3-6。图3-5nRF401内部结构图图3-6nRF401引脚图nRF401电路如图3-7所示。1脚和20脚之间连接的是震荡电路，采用4MHz的晶震；9脚是数据的输入引脚，10脚是数据的输出引脚，11脚可以通过选择不同的R3值调整发射功率，当R3＝22kΩ时，有最大发射功率＋10dBm；15脚和16脚是环形天线的连接引脚；18脚可控制工作和待机模式；19脚可以控制发射和接收模式。在无线火灾报警系统中，nRF401主要完成对现场报警数据和命令参数的无线传输。图3-8是发送和接收电路框图。图3-7nRF401电路P258051P26P27RXDTXDTXENPWR_UPCSnRF401DOUTDIN图3-8发送和接收电路框图3.1.5火灾报警主控制器键盘电路本系统键盘采用矩阵式键盘，也就是行列式键盘，由行线和列线组成。采用这种结构主要是考虑到I/O口线的节省，在能节省口线的同时又能满足系统对键盘的要求。键盘模块为4*4键盘，由AT89S52的I/O口组成，P04-P07是列线，P32-P35是行线。按键位置设置在行线和列线的交叉点上。键盘连接如图3-9。图3-9键盘电路这16个按键中，其中0-9为十个数字键，还有上翻页键、下翻页键、消音键、确认键及两个F功能键。各键功能说明如下：数字键：用于输入功能代码，例如时间及密码等；上下翻页键：用于查看上一条或者下一条记录；F1键：此键上退出当前状态，返回上一级菜单；F2键：根据不同菜单操作不同；确认键：对所进行的操作予以确认；消音键：消除火警或者故障声音。3.1.6火灾报警主控制器显示电路用户与火灾自动报警系统进行交互时，主要是通过液晶屏显示输出和键盘手动输入完成的。因此，液晶模块在火灾自动报警系统中是不可缺少，十分重要的。液晶屏显示的根本原理就是在两块平行板之间填充液态晶体材料，其材料的内局部子排列状况是通过电压来改变，从而实现遮光和透光，来到达显示深浅不同的图象。本系统要求能够进行汉字、字符和数字显示。本系统采用深圳汉昇实业生产的HS12864-15点阵式液晶屏，全中文显示综合功能信息，操作直观方便。液晶屏外形如图3-10。图3-10HS12864-15液晶屏实物图HS12864-15系列中文图形液晶模块的特性主要由其控制器ST7920决定。ST7920同时作为控制器和驱动器，它可提供33路com输出和64路seg输出。在驱动器ST7921的配合下，最多可以驱动256×32点阵液晶，同进可以实现图形、字符等显示。本液晶屏带LED背光，蓝底白字，背光寿命长，使用简单。。采用并口直接访问方式，3条位控制总线和8位并行数据总线输入输出与CPU接口通讯，并且该液晶屏内具有显示数据锁存器，操作指令简单。HS12864-15系列产品硬件特性如下：提供8位，4位并行接口及串行接口可选；并行接口适配M6800时序；自动电源起动复位功能；内部自建振荡源；64*16位字符显示RAM；2M位中文字型ROM，总共提供8192个中文字型；16K为半宽字型ROM，总共提供126个西文字型；64*16为字符产生RAM；驱动电压：5.0V。AT89S52与液晶模块接口电路如图3-11。图3-11AT89S52与液晶模块电路3.1.7火灾报警主控制器电源电路[14]我们把提供电压的装置称为电源，其作用是把其他形式的能转换成电能。整个系统中，电流和电压的稳定，将直接影响系统的工作性能和使用寿命。电源引起系统故障在所有故障中占一定的比例，因此一项重要的设计工作就是要设计一个可靠、稳定、高效、抗干预能力强的电源模块。整个系统的本钱、设计能力以及特殊芯片对电源的要求，是具体设计电源方案是要考虑的因素。每种电器设备都需要电源进行供电，火灾自动报警系统作为一个实时监控系统，更要求电源模块时刻进行供电。因此在市电停电的情况下，火灾自动报警系统依然要进行正常工作，这就需要两个电源。本系统采用主电源和备用电源，主电源是由市电提供的交流220V。交流220V经整流滤波电路转换为直流6V，再经过分压后对整个系统各局部进行供电。备用电源那么采用6V蓄电池。火灾自动报警系统控制器的主要芯片供电电集中在4.5V～5.5V，主控芯片采用AT89S52作为MCU，具有独立方向控制功能的IO引脚，具有强大的带负载能力。本系统中市电交流电压220V/50HZ，经过变压器初级绕组，次级绕组输出交流电变换成电路所需的低压交流电。低压交流电再经过整流电路得到＋6V直流电压，此时是脉动直流。经过桥式整流、平滑滤波后得到的直流电仍然有局部交流，这时还不能对电压波动敏感的元器件直接供电，因此要进行稳压。本系统采用开关电压调节器LM2596，能够输出3A的驱动电流，可固定输出5V。封装形式有5脚TO-220封装和5脚TO-263表贴。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件，外围电路简单，仅需4个外接元件。在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在±4%的范围内，振荡频率误差在±15%的范围内。经过上述变压、整流及稳压电路，将市电220V转化为器件所需的5V直流电压。电源可以在停电时自动实现切换供电。正常供电时，自动对后备蓄电池充电，并有充电保护功能[32]。如图3-12所示，在供电正常时，J2得电吸合，其动触点与“N/O〔常开点〕〞接通，后备蓄电池正端与IC1的反相端相联。IC1〔LM308〕和D3、D4组成电压比较器，参考电压由D3、D4决定。这里用一个硅二极管〔D3〕和一个6.2V的稳压二极管〔D4〕组成6.9V的参考电压，对充电压电压进行监控。当IC1的2脚输入电压〔既蓄电池电压〕低于6.9V时，IC1的6脚输出高电平，T1导通，J1得电，其动触点与“N/O〔常开点〕〞接通，电源电压通过R3对蓄电池充电，同时LED2点亮为充电指示。改变R3阻值可调整充电电流。随着充电时间增加，IC1的2脚电压逐渐增加，当电压大于参考电压6.9V时，IC1的6脚输出低电平，T1截止，J1失电，断开充电回路，实现自动充电保护功能。当停电时，J2失去电源，其动触点与“N/C〔常闭点〕〞接通，蓄电池对系统供电，实现停电时自动切换功能。变压器选用次级为6V/200mA的电源变压器。J1、J2选用线圈电压为6V的继电器。其他器件选择可参考图示，无特殊要求。图3-12系统主机电源电路3.1.8火灾报警主控制器报警电路当现场的温度或者烟雾浓度信息超过临界值时能发出声光报警，由主控芯片的P0.3输出报警信号。平时P0.3输出高电平，三极管Q1导通，555处于强制复位状态；当报警发生时P0.3输出低电平，三极管Q1截止，555震荡器复位管脚高电平，多谐振荡器工作，从而使发光二极管闪烁发光，扬声器发声，发出声光报警[33]。其连接电路如图3-13。图3-13报警电路3.2火灾报警系统子机硬件设计火灾自动报警系统子机同样具有相对复杂的功能，采用单片机控制。系统子机仍然采用AT89S52芯片为核心。一台主控制器可以同时带多台火系统子机。系统子机具有电源模块，为子机系统提供电源。火灾自动报警系统子机具有双向通讯，一方面要接收来自控制器的各种操作命令，另一方面又要将接收到的命令经过处理后发送给探测器；同样地，系统子机由无线通讯电路上报信息给主控制器，也将火警、故障等信息通过无线通讯模块上报主控制器。因此，火灾报警系统子机无线通讯功能是重要功能之一。每台系统子机各自具有一个唯的地址号，用于控制器对每台系统子机进行区分。系统子机硬件模块电路设计以具有很好抗干性，传递信息准确、可靠，操作方便简单，硬件电路简洁、本钱较少为根本原那么。3.2.1温度监测电路设计系统选用DS18B20做为温度测量的传感器，针对51单片机I/O口线较少的特点，用一只DS18B20型单线数字式集成温度传感器组成温度采集网络。数字式温度传感器DS18B20简介：单总线是美国DALLAS半导体公司近年推出的新技术，它只定义了一根信号线，总线上的每个器件都能够在适当的时间驱动它，相当于把单片机的地址nRF401线、数据线、控制线合为一根信号线对外进行数据交换。为了区分这些芯片，厂家在生产芯片时，为每个芯片编制了惟一的序列号，通过寻址就能把芯片识别出来。从而能使这些器件挂在一根信号线上进行串行分时数据交换，大大简化了硬件电路。DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的应用单总线技术的数字温度传感器。它的主要技术特性如下：①具有独特的单线接口方式，即微处理器与其接口时仅需占用1位I/O端口；②支持多节点，使分布式多点测温系统的线路结构设计和硬件开销大为简化；③测温时无需任何外部元件：④可以通过数据线供电，具有超低功耗工作方式：⑤测温范围为-55℃+125℃，测温精度为±0.5℃：⑥温度转换精度9-12位可编程，能够直接将温度转换值以16位二进制数码的方式串行输出。12位精度转换的最大时间为750ms。因为它是数字输出，而且只占用一个I/O端口，所以它特别适合于微处理器控制的各种温度测控系统，防止了模拟温度传感器与微处理器接口时需要的A/D转换和较复杂的外围电路。缩小了系统的体积，提高了系统的可靠性。1．DS18B20的结构DS18B20主要由四局部组成。①64位光刻ROM数据存储器。②温度传感器。③非易失性电可擦写温度报警触发器TH和TL。④非易失性电可擦写设置存放器。如图3-3所示，器件只有3根外部引脚，其中VDD和GND为电源引脚，另一根DQ线那么用作I/O总线，因此称为一线式数据总线。与单片机接口的每个I/O口可挂接多个DS18B20器件。每片DS18B20含有一个唯一的64位ROM编码。头八位是产品系列编码，表示产品的分类编号；接着的48位是一个惟一的产品序列号，序列号是一个15位的十进制编码，每个芯片惟一的编码可以通过寻址将其识别出来，最后8位是前56位的循环冗余(CRC)校验码，是数据通信中校验数据传输是否正确的一种方法。所以多片DS18B20能够连接在同一条数据线上而不会造成混乱。这为温度的多点测量带来了极大的方便。DS18B20传感器的内部数据存储器由9个字节组成。第一、二个字节是温度数据(MSB、LSB)，可以在系统配置存放器中自行设置数据位数(9～12位)，数据位越多温度分辨率越高，多余的高位是温度数据的符号扩展位。第三、四字节是温度上下限报警值(TH、TL)。第五字节是系统配置存放器，存放器各位定义如下：第八位用来设置传感器的工作状态，“1〞为测试状态，“0〞为操作状态，出厂设置为操作功能状态，用户不能修改；第七、六两位是温度转换数据位的设置(00、01、10、11分别对应9、10、11、12位温度数据)，出厂设置为12位温度数据位，用户可根据需要进行修改，其余位无效。第六、七、八字节保存未用。第9个字节是CRC校验码，是前面8个字节的循环校验码，用在通信中验数据传送的正确性。图3-14DS18B20的结构框图温度传感器的转换结果以16位二进制补码的形式存放在便笺式存储器中，其中第一个字节〔Byte0〕存放测温结果的低位〔LSByts〕，第二个字节〔Byte1〕存放测温结果的高位〔MSByts〕，S为符号位，其它位为数据位，温度为负时S=1；温度为正时S=0。格式如下：Bit0Bit7LSByts232221202-12-22-32-4Bit8Bit15MSBytsSSSSS262524如果测量的温度值高于温度报警触发器TH或低于TL中的值，那么DS18B20内部的报警标志位就被置位，表示温度测量值超出范围。DS18B20的温度转换位数可以选择9～12位，分别对应的测温分辨率为0.5℃,0.25℃，0.125℃，0.0625℃。不过温度转换位数越大，转换时间也越长。12位精度的最大转换时间为750ms。DS18B20的测温范围为-55～+125℃，温度转换结果以16位二进制方式单线输出,转换的位数可通过写配置存放器〔字节4〕设定,其格式如下：Bit7Bit00R1R011111R1、R0的设定值与位数、分辩率和最大转换时间的关系如表3-1所示，可见位数每减少一位，分辩率同比减少而转换时间那么加快一倍,器件上电时默认分辩率为12位。表3-1配置存放器设置R1R0分辨率℃最大转换时间ms有效位数000.593.759位〔Bit11～Bit3〕010.25187.5010位〔Bit11～Bit2〕100.125375.0011位〔Bit11～Bit1〕110.0625750.0012位〔Bit11～Bit0〕温度报警触发器和设置存放器都由非易失性电可擦写存储器(EEPROM)组成，设置值通过相应命令写入，一旦写入后不会因为掉电而丧失。2.DS18B20的测温原理DS18B20的温度传感器是通过温度对振荡器的频率影响来测量温度，如图3-15所示。DS18B20内部有两个不同温度系数的振荡器。低温系数振荡器输出的时钟脉冲信号通过由高温系数振荡器产生的门开通周期而被计数，通过该计数值来测量温度。计数器被预置为与-55℃对应的一个基数值，如果计数器在高温系数振荡器输出的门周期结束前计数到零，表示测量的温度高于-55℃，被预置在-55℃的温度存放器的值就增加一个增量，同时为了补偿和修正温度振荡器的非线性，计数器被斜率累加器所决定的值进行预置，时钟再次使计数器计数直至零，如果开门通时间仍未结束，那么重复此过程，直到高温度系数振荡器的门周期结束为止。这时温度存放器中的值就是被测的温度值。这个值以16位二进制补码的形式存放在便笺式存储器中。温度值由主机通过发读存储器命令读出，经过取补和十进制转换，得到实测的温度值。图3-15DS18B20测温原理3.DS18B20的封装和供电方式DS18B20是DS1820的升级产品，一般封装为TO-92，比DS1820的PR-35封装更小。DS18B20只有三根外引线：单线数据传输端口DQ、共用地线GND、外供电源线VDD。DS18B20有两种供电方式：一种为数据线供电方式，此时VDD接地，它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能量，来完成温度转换，完成温度转换的时间较长。当使用数据总线寄生供电时，供电端必须接地，同时总线口在空闲的时候必须保持高电平，以便对传感器充电。但当所测温度超过100℃时，DS18B20的漏电流增大，传感器从I/O线上获取的电流缺乏以维持DS18B20通讯所需的电流，此时只能选用外部供电方式。比较而言，寄生电源方式少用一根导线，但它完成温度测量所需的时间较长，而外部电源方式测量速度那么要快些。因此，本系统采用外部供电方式。DS18B20与单片机电路连接图如3-16。图3-16DS18B20与单片机电路连接图3.2.2烟雾监测电路设计本系统采用离子式烟雾传感器设计烟雾报警电路。离子烟雾报警是通过测量空气中的正负电荷的平衡来工作的。这种报警器的传感器是一个离子室。内部有一小片放射性物质〔离子源〕，这种物质能在感应室内流动的空气中产生一股微小的电流。当烟雾粒子进入到感应室后，就会扰乱那里的正负电荷的平衡，同时也会使这股电流发生变化。当烟雾逐渐加重，正负电荷的不平衡性就会加强。当这种平衡性到达一定的限度，就会发出报警信号。在本设计中，选用NIS-09声光传感器。它是离子式烟雾传感器，是日本NEMOTO公司专为检测延误而精心设计的新型传感器。它的输出模拟量与我们所用的A/D转换器〔ADC0832〕输入等级不相符合〔NIS-09声光传感器输出电压是5.6+0.4v，A/D转换器的输入量程是0～+5V〕。因此，设计时先将传感器输出电压分压后，再输入A/D转换器的输入端口。检测方式：离子型，一源两室。放射参数：电源电压是DC9V，输出电压是5.6+0.4V，电流损耗是27+3pA，灵敏度是0.6+0.1V。NIS-09特性参数如表3-2所示：(a)灵敏度特性〔根据UL217标准风速0.1M/秒〕。(b)电源电压特性〔25℃60﹪RH〕。(c)温湿度特性温度特性〔温度60﹪〕。(d)温度特性〔温度25℃〕源：放射元素是媚241，放射量是平均33.3KBq.=0.9uCi〔29K—37KBq〕。工作环境：电源电压是DC6.0-18.0V，最大24V；温度是0-50℃，最大-10-60℃。典型特性:表3-2NIS-09特性参数〔a〕灵敏度特性(9V)〔b〕电源电压特性声光强度〔%英尺〕输出电压〔V〕误差〔△V〕05.6±0.4015.3±0.50.3±0.125.0±0.50.6±0.134.7±0.50.9±0.244.4±0.51.2±0.254.2±0.51.4±0.2电源电压输出电压〔V〕63.3±0.395.6±0.4128.0±0.71510.0±0.851813.0±1.0湿度〔%C〕输出〔V〕305.75±0.5605.6±0.4905.45±0.4温度〔℃〕输出〔V〕05.15±0.4255.6±0.4505.85±0.4〔C)温度特性〔d〕温度ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢送，其目前已经有很高的普及率。ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。ADC0832管脚图如图3-17。图3-17ADC0832管脚图烟雾传感器NIS-09输出的模拟量信号，经过分压后，通过模数转换器ADC0832的CH0脚输入，输出结果经DO和DI引脚输入控制器。烟雾监测电路如图3-18。图3-18烟雾监测电路3.2.3系统子机电源电路设计火灾报警器系统子机电源模块对整个子机系统提供电源，使其能够正常工作。本子机采用9V锂电池供电。经过滤波电容附去电源波动后，为烟雾传感器供电。再经过采用COMS技术的三端口低功耗电压调整器LM7805，将9V电源变换为芯片AT08S52和ADC0832所需的5V电源。系统子机电源电路如图3-19。图3-19系统子机电源电路LM7805允许的输入电压可达35V，输出5V的固定电压；输出电压差典型值50mV；LM7805的静态电流功耗典型值8mA；输出阻抗：15mΩ；LM7805的工作温度系数0OC～125OC；存储温度-65OC～150OC；封装采用TO-220。4火灾报警系统软件设计程序设计总体采用结构化设计方法，根据系统结构，自动火灾报警器系统软件主要分为控制器软件设计和系统子机软件设计。其中又可分为各模块子程序的设计。4.1火灾报警控制器软件设计本系统中的火灾报警控制器采用C语言对AT89S52单片机进行程序编写[21，22]。主要分为火灾报警控制器主程序、时钟程序、液晶程序、寻键程序、存储程序和通讯子程序几个模块。几个模块共同工作完成火灾报警控制器的主要功能。4.1.1火灾报警控制器主程序火灾报警控制器主程序是火灾报警系统上电后最先运行的程序，其功能是对单片机及外围器件进行初始化，及相应的参数配置。初始化完成后，液晶进入初始显示界面。当有键按下时，查询是否为功能键。为功能键时，按照不同键码执行不同子功能程序。如果不是功能键，程序回到液晶初始界面显示，等待下次人机交互。当无线通讯模块接收到火灾报警信号时，进入报警中断程序。手动复位或报警信号消除后，液晶再次进入初始显示界面。火灾报警控制器主程序流程如图4-1。图4-1火灾报警控制器主程序流程图4.1.2火灾报警控制器时钟程序[20]时钟芯片采用DS1302，其软件程序主要包括初始化、写时钟芯片、读时钟芯片。在发生火警、故障等时，要把相应的时间信息同其他相关信息写入存储器芯片