商场火灾检测与自动报警控制系统的设计

商场火灾检测与自动报警控制系统的设计摘要：介绍了一种基于单片机控制的火灾报警系统，它选用温度烟雾传感器作为敏感元件，一旦出现异常，系统将显示出具体的事故位置，并启动报警装置。是集预防、检测、报警于一体的智能化火灾自动报警系统。系统软件由结构化模块组成，整个系统具有可靠性高，精确，使用灵活方便等优点。关键词：单片机；温度烟雾传感器；A/D转换器；多路模拟转换开关；中图资料法分类号：TP273DesignoffireexamineandautomaticcontrolsystemofgivinganalarminmarketplaceYangMing(Departmentofelectricengineering,Henanuniversityofscienceandtechnology，Jiaozuo454000,Henan)Abstract:Acontrolsystemofgivinganalarmbasedonsinglechipmicrocomputerisdesigned．Itchoosetemperatureandfogsensorassensitivitycomponent,oncefindingurgentcase,systemwillshowexactaccidentlocationandstartupinstallationofgivinganalarm．Itisaintelligentizedfireexamineandautomaticcontrolsystem.Thesystemsoftwareincludesofsomestructuredmodules.Keywords:singlechipmicrocomputer;temperatureandfogsensor;A/Dtransition;simulationswitchofroutes;1前言目前，随着国内经济发展的需要，各大中城市都侧重于兴建大型豪华宾馆酒店、办公楼、购物商场等公共场所，在一定程度上，就加大了防火灭火的困难，迫切需要在智能建筑中设计一套火灾自动报警系统。火灾自动报警系统探测火灾隐患，肩负安全防范重任，是智能建筑中建筑设备自动化系统（CBS）的重要组成部分。智能建筑中的火灾自动报警系统设计首先必须符合GB50116-98《火灾自动报警系统设计规范》的要求，同时也要适应智能建筑的特点，合理选配产品，做到安全适用、技术先进、经济合理。火灾自动报警系统有区域报警系统，集中报警系统和控制中心报警系统三种基本形式，具体采用何种报警，可根据工程建设规模，保护对象的性质，区域划分和消防管理机构等因素综合分析后确定。本设计采用集中报警系统，将所监视的若干区域内的传感器输入的电压信号，以声、光形式显现出来，将着火区域和该区域的具体着火部位显示在屏幕上。随着人们对火灾初期特征研究和火灾探测技术研究的不断深入，一些发达国家对早期火灾探测报警技术的研究与产品开发十分重视。早在20世纪80年代，日本、美国、英国、瑞士、德国、澳大利亚等国家就开始投入大量的科研经费、科技力量进行技术研究和产品开发。对于易燃、易爆场所，一旦爆炸起火，火势蔓延速度之快，难以控制等特点，人们开发研制了在火灾爆炸事故之前，从可燃气体浓度方面进行故障和火灾爆炸危险性等方面预测的线型可燃气体探测报警系统。它采用光学原理利用不同气体在光谱特性的差别进行气体浓度探测,从根本上解决了点型可燃气体传感元件中毒、稳定性差、寿命短等缺陷,用于大面积可燃气体探测报警时,性能价格比较高,其原理可扩展用于其他场所气体泄漏的监测。火灾探测报警系统可靠性的提高体现在用智能技术处理传感器提供的火灾信息。人们建立了多种火灾探测算法、模糊逻辑、神经网络模式，也有从事研究非火灾探测的模式。而各种单一传感器提供的火灾信息均混杂非火灾信息,给从传感器提供的火灾信息上判别火灾增加了难度。于是人们开始探索新型探测原理的传感器件(如气体气味传感器等)和复合探测器，取得显著成效的是对火灾过程的多参数进行监测的复合传感器。它对火灾产生的多种参数进行多种信息的分析，排除干扰，确定火灾，从而提高了判断火灾的准确性。而与之配套的硬件则采用复合多传感等传感方式，为判断火灾提供更加充分的火灾信息。成熟的产品有温、烟复合型智能火灾探测报警系统，并已用于实际工程。我国的火灾报警器控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，其智能化速度也越来越高。目前国内厂家多偏重于大型仓库，商场，高级写字楼，宾馆等场所大型火灾报警系统的研发，他们采用集中区域控制方式，其系统复杂、成本较高。火灾的发生和发展过程是一个复杂的物理化学过程,而且与环境的相关性很强。一个火灾过程一般都伴随着烟气、温、光等信号的产生。基于不同环境及不同燃烧物成分的火灾的生成气成分、烟雾的粒径构成、温度分布及光谱均有不同，因此，火灾过程涉及多个物理和化学参数，而且特征性比较强，与一般的扰动有着本质的区别。基于这种特性，多元复合探测技术在火灾探测领域得到广泛采用，如采用物复合的双波段火焰探测器等。近年来，CO传感技术有了一定的突破，功耗显著理参数复合的温烟复合探测器，采用不同波段光传感器降低,灵敏度有了一定的提高，寿命也有所增加。众所周知CO是几乎所有燃烧过程的生成物,CO传感器的引入对提高火灾探测器的可靠性具有深远的意义。目前,许多厂家及科研机构都在进行包含CO传感器的复合型探测器的研制工作，并取得了一定的进展。随着传感技术及火灾特征性研究的发展,复合探测技术将逐渐成熟,从而从根本上解决由于特征分析无法辨识火灾与非火灾参数而引起的误报问题。我国自1985年以来，单片机的开发和应用取得了一定的进展，尤其进入90年代以后，在自动控制、智能仪表、自动测试、家电、通讯得到了很好的应用，其中用单片机开发的火灾自动报警器就是很好的一例火灾自动报警器最初是以晶体管继电器为分立元N-传感器数量（只），取整数；S-该探测区域的面积（m2）；A-传感器的保护面积（m2）；K-修正系数特级保护对象取0.70へ0.8，一级保护对象取0.8へ0.9，二级保护对象取0.9へ1.0：注：感烟和感温传感器均以此式计算。（3）火灾传感器按其结构和作用原理不同，可分为感温探测器，感烟探测器，感光探测器，可燃气体探测器等，它们分别适用于不同场合。为了准确的进行火灾报警，针对商场，选用合适的温度和烟雾传感器是准确报警的前提，综合考虑各种因素，本系统选择集成温度传感器AD590和气体传感器TGS202用作采集系统的敏感元件。AD590是美国AnalogDevices公司生产的一种电流型二端温度传感器。电路如图4所示。AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。AD590是一种电流型温度传感器。它的主要特性如下：流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：mA/K式中：—流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T—热力学温度，单位为K。AD590的测温范围为-55℃～+150AD590的电源电压范围为4V～30V。电源电压可在4V~6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。输出电阻为710MW。精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。由于AD590是电流型温度传感器，它的输出同绝对温度成正比，即1uA/k,而数模转换芯片AD0809的输入要求是电压量，所以在AD590的负极接出一个10k欧的电阻R1和一个100欧的可调电阻W，将电流量变为电压量送入ADC0809。通过调节可调电阻，便可在输出端VT获得与绝对温度成正比的电压量，即10mV/K。由于在火灾发生时，将会出现木材、纤维、纸张等大量材料的燃烧。火灾中气体烟雾主要是CO2和CO。TGS202气体传感器都能探测CO2，CO，甲烷，煤气等多种气体，它灵敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体的探测，具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。鉴于以上情况，本次设计中的气体传感器采用TGS202型气敏传感器。如图5所示，当TGS202探测到CO2或CO时，传感器的内阻变小，VA迅速上升。选择适当的电阻阻值，使得当气体浓度达到一定程度（如CO浓度达到0.06%）时，VA端获得适当的电压（设为3V）。符号参数名称技术条件Tao使用温度-20℃as储存温度-20℃RH相对湿度小于95%RHO2氧气浓度21%(标准条件)氧气浓度

会影响灵敏度特性表1TGS202环境条件表2.1.2多路模拟转换开关如图7所示AD7501的引脚和等值图。包括，8路输入：S1～S8，1路输出：OUT。

输出选择：当EN有效时，A2～A0选择S1～S8中某路输出。例如，A2A1A0=000时，OUT=S1。在本系统中，由于AD7501是一种8路模拟输入的器件，故可接8路温度烟雾传感器，8片AD7501分别接到ADC0809的8路模拟输入端口时，8片AD7501的控制线A2，A1，A0分别并联接至单片机的P1.0，P1.1和P1.2，由P1.0，P1.1，P1.2连续不断的提供000～111的变化信号，由于AD7501的EN端高电平有效，在设计中，8片AD7501的EN端通过译码电路后分别接到单片机的P1.3，P1.4，P1.5分时提供高电平，连续不断的选定8片AD7501，同时，AD7501的A2，A1，A0在000～111的变化信号下，巡回检测8路模拟量输入，并将采集到的数据通过A/D转换器传送至内部电路。具体电路如图7所示。2.1.3AA/D转换器芯片的种类较多，按转换原理可分为计数器式A/D，逐次逼近式A/D，双积分式A/D，并行A/D等多种。根据系统要求，我们选用ADC0809转换器。ADC0809是National半导体公司生产CMOS材料的A/D转换器。它是具有8个通道的模拟量输入线，可在程序控制下对任意通道进行A/D转换，得到8位二进制数字量。其主要技术指标如下：电源电压：6.5V分辨率：8位时钟频率：640KHZ转换时间：100µS未经调整误差：1/2LSB和1LSB模拟量输入电压范围：0－5V功耗：15为了满足多种需要，目前已经设计并生产出多种高质量的A/D转换器。在A/D转换器芯片里面集成了多路开关，采样保持器和A/D转换器。可方便的构成多通路模拟量输入通道。ADC0809是单片双列直插式集成电路芯片，是8通路8位A/D转换器，其主要特点是：分辨率8位；总的不可调误差为1LSB；当模拟输入电压范围为0—5V时，可使用单一的+5V电源；转换时间100us；温度范围-45—+86度；可直接与CPU连接，不需要另加接口逻辑；内部带8路模拟开关，可以输入8路模拟信号；输出带锁存器；逻辑电平与TTL兼容。1.电路组成及转换原理ADC0809是一种带有8位转换器、8位多路切换开关以及与微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。8位A/D转换器的转换方法为逐次逼近法。在A/D转换器的内部含有一个高阻抗抗斩波稳定比较器，一个带有模拟开关数组的256R分压器，以及一个逐次逼近的寄存器。八路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在八个通道中任意访问一个单边的模拟信号。ADC0809无须调零和满量程调整，又由于多路开关的地址输入能够进行锁存和译码，而且它的三态TTL输出也可以锁存，所以易于与微处理机进行接口。ADC0809由两大部分所组成，第一部分为八通道多路模拟开关，它的基本原理与CD4051类似。它用于控制C、B、A端子和地址锁存允许端子，可使其中一个通道被选中。第二部分为一个逐次逼近型A/D转换器，它由比较器、控制逻辑、输出缓冲锁存器、主次、逐次逼近寄存器以及开关数组和256R电阻分压器组成。后两种电路（即开关树组和256R电阻分压器）组成D/A转换器。控制逻辑用来控制逐次逼近寄存器从高位到低位逐次取“1”，然后将此数字量送到开关树组（8位开关），用来控制开关S7—S0与参考电平相连接。参考电平经256R权电阻分压器，则输出一个模拟电压U0，U0与UI在比较器中进行比较。当U0>UI时,本位D=0;当U0<UI时,则本位D=1.因此,从D0-D7比较8次即可逐次逼近寄存器中的数字量,即与模拟量UI所相当的数字量相等.此数字量送入输出锁存器,并同时发转换结束脉冲.2.ADC0809的外引脚及功能D0～D7：8位数字量输出引脚；IN0～IN7：8位模拟量输入引脚；START：A/D转换启动信号输入端，当START为高电平时，开始A/D转换；EOC：转换结束信号输出引脚，当A/D转换完毕之后，发出一个正脉冲,表示A/D转换结束，此信号可用作为A/D转换是否结束的检测信号或中断申请信号；OE(OUTPUTENABLE)：输出允许控制端，如此信号被选中时，允许从A/D转换器中读取数字量；CLOCK：时钟信号输入端；ALE：地址锁存允许信号输入端，高电平有效。当ALE为高电平时，允许C、B、A所示的通道被选中，并将该通道的模拟量接入A/D转换器；ADCA、ADCB、ADCC：地址输入线，经译码后可选通IN0～IN7八通道中的一个通道进行转换。A、B、C的输入与被选通的通道的关系如表2所示。被选通的通道CBAIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7000011110011001101010101表2输入与被选通的通道关系当CBA为000时，选中IN0通道接入；当CBA为001时，选中IN1通道接入；当CBA为111时，选中IN7通道接入。VREF（+）、VREF（-）：参考电压端子，用来提供D/A转换器权电阻的标准电平。在单极性输入时，VREF（+）=5V，VREF（-）=0V；当模拟量为双极性时，VREF（+）、VREF（-）分别接+、—极性的参考电压。3.与系统的连接信号目前微机控制系统中都采用集成电路A/D转换器芯片，各种集成电路A/D转换器芯片都提供了便于外部连接的外引管脚。A/D转换器对外的连接信号，有下列几类：模拟输入信号、数据输出信号、启动转换信号和转换结束信号及数据的读取。A/D转换器和系统连接时，就要考虑这些信号的连接问题。（1）输入模拟电压的连接A/D转换器的输入模拟电压往往既可以是单端输入，又可以是双端差动输入（差动输入）。如单通路8位A/D转换器ADC0809就是这样，它的两个输入端为VIN（-）、VIN（+）。如果用单端输入的正向信号，则把VIN（-）接地，信号加到VIN（+）端；如果用单端输入的负向信号，则把VIN（+）接地，信号加到VIN（-）端。如果用差动输入，则模拟信号加在VIN（-）端和VIN（+）之间。ADC0809可以从IN0-IN7接8路模拟电压输入，通常接成单端、单极性输入，这时VREF（+）=5V，VREF（-）=0V，也可以接成双极性输入，这时VREF和VREF应分别接+、-极性的参考电压。（2）数据输出和系统总线的连接A/D转换器数据输出有两种方式，一种是A/D芯片内部带有三态输出门，其数据输出线可以直接挂到系统数据总线上去。另一种是A/D芯片内部不带三态输出门，或虽有三态输出门，但它不受外部信号控制，而是当转换结束时自动开门的，如AD570就是这种芯片。这类A/D转换器芯片的数据输出线都不能和系统数据总线相连接，而应外加输入缓存器或通过并行I/O口的输入端口才能和CPU之间交换数据。ADC0809的数据输出线具有三态输出门，其8位数据输出线可以直接接到系统数据总线上去。（3）A/D转换启动信号A/D转换器是在CPU控制下工作的，即由CPU发出启动转换信号。启动信号有电平启动和脉冲启动两种方式。CPU一般要通过并行接口输出端或用D触发器发出和保持有效的电平启动信号。ADC0809要求都要求用脉冲启动信号。通过读/写信号或程序控制得到足够宽度的脉冲信号。（4）转换结束信号及转换结束的读取A/D转换结束时，A/D转换芯片输出转换结束信号。转换结束信号也有两种：电平信号和脉冲信号。CPU检测到转换结束信号即可读取转换后数据。CPU一般可以采用3种方式和A/D转换器进行联络来实现对转换数据的读取。第一种是程序查询方式。就是在启动A/D转换器工作以后，程序不断读取A/D转换结束信号，若检测结束信号有效，则认为完成一次转换，即可用输入指令读取转换后数据。第二种是中断方式。即把A/D转换器送出的转换结束信号（有时可能要外加一个反向器）作为中断申请信号，送到CPU或中断控制器的中断请求输入端。第三种是固定的延迟程序方式。用这种方式时，要预先知道完成一次A/D转换需要的时间。CPU发出启动A/D命令之后，执行一个固定的延迟程序，延迟时间正好等于或略大于完成一次A/D转换所需要的时间，延时到，即可读取数据。三种方式中，当A/D转换时间较长时，宜采用中断方式。当A/D转换时间较短时，宜用查询方式或延迟方式。ADC0808/ADC0809是单片COMS型逐次逼近式8位模/数变换器，片内包含8位模数变换器，8通道多路连通8个单端模拟中的任何一个。由于ADC0808/ADC0809设计时考虑到若干种模/数变换技术的长处，所以芯片非常适用于控制，微控制器输入通道的接口电路，智能仪器和机床控制领域。1.主要性能逐次比较型；COMS工艺制造；单电源供电；无需外部进行零点和满度调整；可锁存三态输出，输出与TTL兼容；易于各种微控制器接口；具有锁存控制的8路模拟开关；分辨率：8位；功耗：15mw；轮换时间（FDK=500KHZ）：128μsADC0808：±0.2%ADC0809:±0.4%ADC0809的结构及引角见图8所示：ADC0809的接口及应用:图9所示是ADC0809与8031单片机的接口电路图。8路模拟量的变化范围在0～5V间，ADC0809的EOC转换结束信号接8031的外部中断1，8031通过地址线P2.0和读、写信号来控制转换器的模拟输入通道地址锁存、启动和输出允许。模拟输入通道地址A、B、C由P2.0～P0.2经锁存器提供。2.2程序存储器的设计可作为程序存储器的芯片有EPROM和EEPROM两种，从它们的价格和性能特点上考虑，对于大批量生产的已成熟的应用系统宜选用EPROM。而EPROM芯片的容量不同，其价格相差并不大，一般应选用速度高，容量大的芯片，这样可使译码电路简单，且为软件扩展留有一定的余地。MCS-51系列单片机扩展外部程序存储器的基本硬件电路如图10所示在CPU访问外部程序存储器时，P2口提供地址的高八位，P0口分时输出地址的底八位和接收外部程序存储器送到数据总线上的指令代码信息。EPROM的各种工作方式的含义如下：读方式。系统一般工作于这种方式。工作于这种方式的条件是：片选控制线和输出允许控制线同时为底电平保持方式。芯片进入保持方式的条件是：片选控制线为高电平。此时输出为高阻抗悬浮状态，不占用数据总线。编程方式。EPROM工作于这种方式的条件是：Vpp端施加规定的电压，和OE端施加合适的电平（不同芯片要求不同），这样就能将数据线上的数据固化到指定的地址空间。编程校验方式。Vpp端保持相应的高电平按读出方式操作，读出已固化的内容，以便校验写入的内容是否正确。编程禁止方式。当片选信号无效时输出呈高阻状态。禁止输出。虽然CE=0，芯片被选中，但由于OE=1，使输出三态门被封锁，故输出为高阻抗悬浮状态，不占用数据总线。其中的“读”、“保持（维持）”和“禁止输出”这三种方式是EPRO在应用系统中的正常工作方式。实际使用时必须了解所选择的EPROM的管脚配置和工作方式。扩展时选用何种类型的芯片，应根据应用系统的具体要求，综合考虑速度、容量、经济等问题确定。若对EPROM的容量要求不大，可选容量小的芯片。如果要求容量较大，可选容量最大的芯片或选用多片小容量芯片组成。扩展方法扩展程序存储器时，一般扩展容量都将大于256字节，因此，除了由P0口提供低8位地址线之外，还需由P2口提供若干位地址线，最大的扩展范围为64KB，即需16位地址线。CPU应向EPROM提供三种信号线；数据总线。P0接EPROM的的O0～O7（D7～D0）地址总线。P0口经锁存器向EPROM提供地址底8位，P2口提供高8位地址以及片选线。扩展的程序存储器究竟需要多少位地址线，应根据程序存储器的总容量和选用的EPROM芯片容量而定。如：2KB11条；4KB12条；8KB13条；16KB14条；32KB15条；64KB16条。控制总线。PSEN为片外程序存储器取指令控制信号，接EPROM的OE。ALE接锁存器的G。EA接地。扩展单片EPROM时，EPROM的地址线分别接到单片机上对应的地址线上，而片选信号接地。如果系统中需扩展两片以上的EPROM芯片，应考虑片选控制电路，此时EPROM的片选CE端应由片选信号来控制。片选信号常采用两种方法产生，一种是当系统总的容量较小、扩展芯片较少时，可用线选译码法产生片选，即用P2口的某些位（常用高位）作为片选线，一个位选中一片EPROM；第二种是全地址译码法，当系统容量较大，扩展的芯片较多时，可以将P2口多余的地址线接到译码器上，利用译码器的输出作为片选信号线。具体方法为：

（1）确定各片地址（一般采用译码器和逻辑电路译码）及片选方式。（2）各片数据口均接到数据总线上。（3）各片的地址线均接到地址总线上（片与片之间地址线应按位并起来）。各片上的OE均接到单片机的PSEN引脚上。在本系统中，我们选用2764作为扩展的片外程序存储器，具体电路将在地址译码电路中显示。2.3数据存储器的设计对于数据存储器的容量要求，各个系统之间差别比较大。若要求的容量不大，可以选用多功能的扩展芯片，如含有ROM的I/O口扩展芯片8155等；若要求较大容量的RAM，原则上应选用芯片容量较大的片子以减少RAM芯片数量而简化硬件线路。MCS-51扩展系统中，数据存储器由随机存储器组成，最大可扩展64KB字节。由于面向控制，实际需要扩展的容量不大，一般采用静态RAM较方便。随机存储器RAM是随时可读可写的存储器，分为RAM和NVRAM两类。RAM为挥发性随机存储器，在掉电后数据丢失；NVRAM为非挥发性随机存储器，在掉电后数据不丢失。RAM和NVRAM常用于暂存数据。非挥发性随机存储器NVRAM有Intel公司生产的2001和2004等型号。2001的容量为128字节（8位），2004的容量为256字节。挥发性随机存储器RAM有动态随机存储器DRAM和静态随机存储器SRAM两种。DRAM虽然价格低，但它需要不断刷新，由于MCS-51单片机没有刷新功能，当使用DRAM时，不得不设计刷新电路，这样增加了应用系统总的价格和体积，且使电路复杂，可靠性降低。因此在单片机应用系统中大多采用SRAM。目前常用的SRAM有6116（2KB*8），6264（8KB*8），62128（16KB*8）和62256（32KB*8）等。6116，6264，62128和62256各引脚功能如下：A0～A14：地址输入线；D0～D7：双向数据线（输出有三态）；CE，CE1和CE2：片选信号输入线，CE和CE1低电平有效，CE2高电平有效；OE：读选通信号输入线，低电平有效；WE：写选通信号输入线，低电平有效；Vcc：工作电压，+5V；GND：线路地；OE/RFSH（仅62256有此引脚）：读选通/刷新允许控制端，输入。当此引脚为低电平时，62256数据允许输出，不允许刷新；当此引脚为高电平时，62256内部刷新电路自动刷新。数据存储器的扩展方法数据存储器的扩展方法和扩展EPROM基本相同，CPU应向RAM提供三种信号总线。译码法也有两种：即线选法和全地址译码法。不同点是控制总线与扩展EPROM不一样，扩展RAM时的控制总线为：WR-片外数据存储器写控制信号，接RAM的写允许WE。RD-片外数据存储器读控制信号，接RAM的读允许OE。ALE-接锁存器的锁存使能端。扩展数据存储器时应注意：扩展容量为256B的RAM时，可采用MOVX@Ri指令访问外部RAM，仅用P0口传送8位地址。扩展容量大于256B而小于64KB的RAM时，访问外部RAM应采用MOVX@DPTR类指令。应与其他扩展的I/O接口芯片统一编址。在本系统中，我们选用6264作为扩展的片外数据存储器，具体电路将在地址译码电路中显示。2.4地址译码电路的设计MCS-51系统有充足的存储器空间，包括64KB程序存储器和64KB数据存储器，在应用系统中一般不需要这么大的容量。为了简化硬件线路，同时还要使所用到的存储器的空间地址连续，通常采用全地址译码法和线选法相结合的办法。MCS-51单片机扩展时的地址译码规则(1)程序存储器和数据存储器地址可以重叠使用。(2)外围扩展I/O接口芯片与数据存储器要统一编址。外围I/O接口芯片不仅要占用数据存储器地址单元，而且也使用了数据存储器的读/写控制信号与读/写指令。(3)地址总线宽度为16位，外部程序存储器和数据存储器的寻址范围各为64KB。MCS-51单片机扩展时的地址译码方法(1)线选法是将各扩展芯片上的地址线均接到单片机系统对应的地址总线上，且外围芯片上的片选也作为地址线接到地址总线剩余的高位任意一条线上。线选法的特点是：各扩展芯片均有独立片选控制线，地址有可能冲突且不连续。因此，这种方法不适用于扩展芯片较多且容量小的存储器，一般只适用于扩展单片容量大的存储器。(2)全地址译码法是将各扩展芯片上的地址线均接到单片机系统对应的地址总线上。各片芯片的选择利用译码电路实现。具体电路如图所示，单片机外部扩展一片程序存储器2764，一片数据存储器6264，一片8255，单片机P2口中的高三位P2.5，P2.6，P2.7分别通过非门后接到三片芯片的片选信号端上（均为低电平有效）。2.5外围电路的设计由于单片机具有很多的特点，它被大量地应用于工业测控系统中，而在这些系统中，经常要对一些现场物理量进行测试或者将其采集下来进行信号处理之后再反过来去控制被测对象或相关设备。在这种情况下，应用系统的硬件设计就应包括与此有关的外围电路。例如键盘、显示器、打印机、开关量输入/输出设备、模拟量/数字量的转换设备、采样、放大等外围电路，要进行全盘合理设计。2.5.1并行I/O接口8255A扩展8255是由Intel公司生产的NMOS器件，输入和输出与TTL电平兼容。电源电流最大值为120mA。82C55A的CHMOS型，其引角和功能语255A兼容。它们有3个8位并行I/O口，具有三种工作方式，可通过编程改变其功能，它与MCS-51，MCS-96单片机和IBMPC/XT等微机借口方便，使用灵活，通用性强，8255A8255A共有40个引角，采用双列直插式封装，其引角见图8。个引角功能如下：D7へD0：三态双向数据线，与微机数据总线连接，用来传送数据信息；CS：片选信号，低电平有效时被选中；RD：读出信号线，底电平有效时允许数据读出；WR：写入信号线，底电平有效时允许数据写入；VCC：+5V电源；PA7へPA0：A口输入/输出线；PB7へPB0：B口输入/输出线；PC7へ口输入/输出线；PC0：C口输入/输出线；RESET；复位信号线，高电平有效。复位后清除控制寄存器，所有口均为输入；A1へA0：地址线，用来选择内部端口。8255应用电路8255A具有3个输入/输出端口，3种工作方式，因此它是一种功能很强的并行输入/输出接口，可方便地用作微型机与外围设备连接时的中间接口，它与87C51的接口电路如图9所示。8255A可再与键盘，显示器以及其他外部扩展元件连接，从而实现单片机与各种外部设备的连接。图9中8255A的片选脚可根据系统安排接到译码器的输出端。RESET可根据复位要求连接。扩展程序存储器时，一般扩展容量都将大于256字节，因此，除了由P0口提供低8位地址线之外，还需由P2口提供若干位地址线，最大的扩展范围为64KB，即需16位地址线。CPU应向EPROM提供三种信号线；(1)数据总线。P0接EPROM的的O0～O7（D7～D0）(2)地址总线。P0口经锁存器向EPROM提供地址底8位，P2口提供高8位地址以及片选线。扩展的程序存储器究竟需要多少位地址线，应根据程序存储器的总容量和选用的EPROM芯片容量而定。如：2KB11条；4KB12条；8KB13条；16KB14条；32KB15条；64KB16条。(3)控制总线。PSEN为片外程序存储器取指令控制信号，接EPROM的OE。ALE接锁存器的G。EA接地。扩展单片EPROM时，EPROM的地址线分别接到单片机上对应的地址线上，而片选信号接地。如果系统中需扩展两片以上的EPROM芯片，应考虑片选控制电路.2.5.2LED显示器与8255的接口显示器的种类很多，从液晶显示器，发光二极管显示器到CRT显示器，都可以与微机配接。在单片机应用系统中常用的显示器主要有发光二极管数码显示器（简称LED显示器）和液晶显示器（简称LCD显示器）。LED具有耗电少，成本低廉，配置简单灵活，安装方便，耐振动，使用寿命长等优点。为了能随时显示，扩展一片8255作为LED数码管的接口，动态显示电路由显示块，字型码锁存驱动器，字位锁存驱动器三部分组成。图6所示为6位LED动态显示器接口电路。采用8255作为单片机应用系统扩展的I/O口，占用片外数据存储器空间。图中，由6个LED显示器组成了6位显示块；8255的A口和一片8路三态反相缓冲器74LS240向LED显示块提供段选信号；8255的C口和一片6路集电极开路反相门电路7406（OC门输出）共同作为字位锁存驱动器，C口做LED的位选输出口，通过7406向LED显示块提供字位选择驱动信号。6个数码管的8段选线分别与74LS240的输出对应相连，而6个LED共阴极与7406的输出段对应相连。当要显示信息时，由A口输出字型段码的低电平，经74LS240反相为高电平有效，C口6路字位信号中每次仅选通一路输出高电平（其余字位为0），反相后为底电平有效选中相应的LED，则要显示的字符在该LED上显示出来。在这种显示电路中，一个字位一个字位地轮流点亮各个LED，每一个字位停留1ms左右，由于人的视觉暂留，好象6个LED是同时点亮的，并不觉察有闪烁现象。这种动态LED显示接口由于所有数码管共用同一个段码输出口，分时轮流通电，从而大大简化了硬件线路，降低了成本。不过在这种方式的数码管接口电路中，数码管不宜太多，一般在8个以内，否则每个数码管所分配到的实际导通时间太少，亮度不足。若LED位数教多时应应用增加驱动能力，以提高显示亮度的措施。2.5.3报警电路的设计由P1口的P1.4~P1.7分别控制4个发光二极管，予以声光报警，如图3-8所示。P1.4~.P1.7控制的灯依次为绿色（正常信号）、黄色（故障信号）、红色（异常信号）。当这些输出端输出低电平时，对应的信号灯便会发光报警。2.6单片机模块本设计是基于单片机的火灾报警控制系统，单片机是其中的核心部件，它就像大脑一样，是设计中的枢纽。89C51是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机，它采用了COMS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术。而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容。片内的存储器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。因此89C51是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机、可方便一应用在本次设计的控制领域。2.6.189C51单片机主要性能AT89C51和AT89LV51的内部结构和输出引脚都是相同的，它们之间的差别公在于工作电压范围的不同。AT89LV51可工作在低电压的情况。它的工作电压范围是（2.7--6）V。AT89C51具有下列主要性能：（1）4KB可改编程序FLASH存储器,可经受1000次的写入、擦除周期.全静态工作：0HZ--24MHZ。三级程序存储器保密。（2）全静态工作：0HZ--24MHZ。（3）三级程序存储器保密。（4）128×8字节内部RAM，32条可编程I/O线。（5）2个16位定时器/计数器。（6）6个中断源，可编程串行通道，片内时钟振荡器。（7）其8位的CPU电路：由算术逻辑运算部件ALU、指令寄存器、定时和控制电路、震荡器等电路组成。为整个单片机芯片提供控制逻辑时序信号，并完成各类算术、逻辑运算。（8）存储器电路：由2K字节的可编程闪烁存储器、程序地址寄存器、程序计数器等组成程序存储器电路，用来存放用户程序。（9）由128字节的RAM及RAM地址寄存器等组成数据存储器电路，用以存放用户数据。还有几个具有特殊功能的寄存器，包括累加器ACC、B寄存器、数据指针DPTR等，用以临时存放中间运算结果或一些特殊用途等。（10）输入、输出接口电路：P1、P3口的锁存器及串行口控制等组成并行/串行接口电路，完成单片机与外部设备之间的数据交换。其外部引脚与8051完全兼容。（11）芯片擦除特性：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。2.6.289C51单片机引脚介绍图3-10是AT98C51/LV51引脚结构图，有双列式插封装（dip）方式和方形封装方式。1、主电源引脚：Vcc电源端（2）GND接地端2、外接晶体引脚XTAL1和XTAL2其振荡器特性：

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。图3-10AT89C51/LV51引脚结构图（1）内部振荡电路反相放大器的输入端。外接晶体的一个引脚。采用外部振荡器时,此引脚接地。（2）内部振荡器时的反相放大器的输出端。外接晶体的加一个端，当采用外部振荡器时,此引脚接外部振荡源。3.控制或其它电源复用引脚PRST、ALE/、、/Vpp。（1）RST复位输入端。当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位。（2）ALE/当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低位字节。（3）外部程序存储器读选通信号输出端。（4）/Vpp为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。4.输入/输出引脚P0.0--P0.7P1.0--P1.7P2.0--P2.7P3.0--P3.72.7单片机工作方式的设计MCS-51单片机有复位，程序执行，掉电操作，底功耗等工作方式。其中，低功耗为CHMOS单片机所持有。复位方式1.MCS-51单片机的复位结构复位是使CPU的和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，HMOS型和CHMOS型51系列单片机的内部复位结构见图2-9：HMOS型51系列单片机的复位引脚通RST/VPD过一个施密特触发器与单片机内部复位电路相连。施密特触发器用来抑制噪声。内部复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出采样一次，有复位信号则实现复位。CHMOS型复位引脚只是RST，而不是RST/VPD,因为CHMOS单片机的备用电源也是由Vcc引脚提供的。无论是HMOS型还是CHMOS型的单片机，在振荡器正在运行的情况下，复位是靠在RST/VPD或RST引脚上施加持续2个机器周期（即24个振荡周期）的高电平来实现的。若使用频率为6MHZ的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。在RST引脚出现高电平后的第二个周期执行内部复位，以后每个周期重复一次，直至RST端变低。复位后内部各专用寄存器的状态如下：寄存器内容寄存器内容寄存器内容PC000HIE0X000000BTH200HAcc00HTMOD00HTL200HB00HTCON00HRLDH00HPSW00HT2CON00HRLDH00HSP07HTH000HSCON00HDPTR0000HTL000HSBUF不定P0∽P30FFTH100HPCON0XXX0000BIPXX000000BTL100HX表示任意状态2.复位的方式及电路MCS-51单片机通常采用上电自动复位、按钮电平复位、外部脉冲复位、上电+按钮电平复位、程序运行监视复位等方式。（1）简单的上电自动复位、按钮电平复位、外部脉冲复位、上电+按钮电平复位。上电复位是利用电容充电来实现的，即上电瞬间RST/VPD端的电位与Vcc相同，随着充电电流的减少，RST/VPD的电位下降，最后被嵌位在0V，如图18所示。按钮脉冲复位是由外部提供一个复位脉冲，如图19所示。按钮电平复位如图20所示，当按钮按下后，电源Vic通过电阻RS施加在单片机复位端RST/VPD上，实现单片机复位。上电+按钮电平复位电路如图21所示，是上电自动复位与按钮电平复位电路的组合，当振荡频率选用6MHZ时，图21中的取22UF，R取1K，RS为200欧左右。设计复位电路时应注意：要保证加在RST引角上的高电平持续2个机器周期，才能使单片机有效地复位。在实际的应用系统中，有些外围芯片也需要复位。如果这些复位端的复位电平要求与单片机复位一致，则可以与之相连。在图所示的简单复位电路中，干扰易穿入复位端，在大多数情况下不会造成单片机的错误复位，但会引起内部某些寄存器错误复位。这时，可在RST引角上接一个去哦去耦电容。在应用系统中，为了保证复位电路可靠地工作，常将R、C电路先接施密特电路，然后再接入单片机复位端。和外围电路复位端。这样，当系统有多个复位端时，能保证可靠地同步复位，且具有抗扰作用。（2）程序运行监视复位。程序运行监视复位通常由各种类型的程序监视定时器WDT（WatchDogTimer,俗称“看门狗”）实现。WDT可保证程序非正常运行（如程序“飞轶”、“死机”）时，能及时进入复位状态，恢复程序正常运行。WDT通常有以下几种实现方法供用户选择：（1）单片机内部带有WDT功能单元。（2）选择UP监视控制器件，这些器件中一般都有WDT电路，如Max705芯片。（3）在单片机外部设置WDT电路。图22所示是一个简单的程序运行状态监视电路。其工作原理为：当程序运行正常时，单片机通过I/O口线在A端施加一个按一定周期T变化的信号，两个延时元件均达不到延时时间且输出低电平，“或门”输出为“0”，不使单片机复位；当程序出现程序“飞轶”或“死机”时，单片机加在A端的电平停止变化，不论是高电平还是低电平，均有一个延时元件经一定延时后输出高电平，通过“或门”启动单稳触发器，强迫单片机复位。掉电操作方式单片机在正常运行时，片内RAM由Vcc供电。当掉电时，将会丢失RAM和寄存器中信息，如果想避免这种情况，可以把HMOS型的51单片机RST/VPD引角作为备用电源端，以低功耗保持片内RAM数据，这种方式称为掉电保护。一旦发现主电源Vcc有故障（掉电）或人为强迫使电源掉电，就通过INT0或INT1向CPU发出中断请求，在Vcc掉至低于下限工作电压之前，执行中断服务程序，把一些需要保护的信息转存到片内RAM中。其掉电保护的过程为：在图18所示HMOS型单片机的复位中，RST/VPD内部有两个二极管会自动切换片内RAM的电源。当Vcc大于RST/VPD引角电压时，VD1导通，VD2截止，片内RAM区由Vcc供电。当Vcc下跌至RST/VPD电压以下时，VD1截止，VD2导通，此时，片内RAM区由RST/VPD端备用电源供电保护信息。待Vcc恢复时，VPD仍要维持一段时间，在完成复位操作后VPD才能撤去。CHMOS低功耗工作方式CHMOS型单片机有两种低功耗方式，即待机方式和掉电保护方式。在低功耗方式，备用电源由Vcc输入，而不象HMOS那样由RST端输入。待机方式和掉电保护方式所涉及的硬件如图23所示。3软件设计合理的软件结构是设计出一个性能优良的单片机应用系统软件的基础，必须充分重视。依据系统的定义，可把整个工作分为若干相对独立的操作，再考虑各操作之间的相互联系及时间关系而设计出一个合理的软件结构。对于简单的单片机应用系统，可采用顺序结构设计方法，其系统软件由主程序和若干个中断服务程序构成。明确主程序和中断服务程序完成的操作及指定各中断的优先级。对于复杂的实时控制系统，可采用实时多任务操作系统。此操作系统应具备任务调度、实时控制、实时时钟、输入输出和中断控制、系统调用、多个任务并行运行等功能，以提