基于单片机控制的火灾报警系统

基于单片机控制的火灾报警系统内容摘要：

射型两种，在此主要介绍散射型。 散射型光电感烟探测器是利用烟离子对光的散射作用而制成的。 其工作原理图如图 所示，在暗室内的光源 (一般是红外发光二极管 )和受光元件 (一般是光敏二极管 )之间设置有遮光块，在无烟进入暗室时，光源发出的光不能直接照射到受光元件上，电路无输出。 当有烟雾进入暗室时，由于烟粒子对光的散射作用，受光元件将接收到散射光，烟雾越 浓，接收到的散射光就越强，当 12 烟雾达到一定浓度是，光敏二极管导通，电路输出信号。 同样由抗干扰电路确认有两次烟雾浓度达到预定值时，则电路输出信号报警。 图 散射型光电感烟探测器原理图 光电感烟探测器的电路原理方框图如下图 所示。 图 光电感烟探测器的电路原理方框图 为了防止干扰和减少损耗，发光二极管的驱动电路由脉冲信号控制，使其工作在通断状态，红外发光二极管每隔约 发光一次，持续时间大约 100 微秒。 因为发光电流较大，最大值约1A，所以一般不由电源直接供电，而采取电容充放电形 式供电。 接收器的光敏元件输出的信号幅值很小，一般用集成运算放大器接成高倍数的放大电路进行放大。 抗干扰电路对瞬时及短时的干扰有较强的抑制作用。 输出电路通常由晶闸管或互补双稳态等具有自保持作用的电路组成。 I/V 变换 在工业现场检测和控制中，需要用 A/D 转换器对信号进行采集和转换，从而由单片机根据得出的信息对现场进行调节控制，由于现场各种电磁的干扰较多，且需将信号通过长线送出，因而采用电流形式。 通常信号用各种传感器以 0～ 10mA 或 4～ 20mA 电流形式送出，而 A/D 转换器输入为电压信号，需要将电流 转换成 0～ 5V 的电压信号，因而数据采集中的 I/V 变换便必不可少。 在此我将就 4～ 10mA 转换成 0～ 5V 的电路进行设计。 在 4～ 20mA 电流转换中，实际 4mA 电流代表零点，为此当要转换成 0V 电压时，必须在电路中产生偏压将其抵消，以使其输出为 0V，该电路如图 所示。 13 图 4～ 20mA/0～ 5V 转换电路 在这个电路中， VR 偏压取 5V。 则放大器 A 运放输出为 0～ 5V，这是因为： VVR outRRfi Ri 0V V V VR R i   (V0≈ Vi) 1 (1 )ffout i RiiRRV V V   这里 Rf=250Ω ， Ri=1KΩ ，故 fiRR =，则有 (1 0 .2 5 ) 0 .2 5 5out iVV    这样当电流 I=4mA 时，在电阻 R 上取得电压 Vi=1V，故 Vout =0，而当 I=20mA 时，则 Vi=5V，Vout =5V，这样就实现了 4~20mA 变换成 0~5V。 采样保持器的设计 A/D转换过程 (即采样信号的量化过程 )需要时间，这个时间称为 A/D转换时间。 在 A/D转换期间，如果输入信号变化较大，就会引起转换误差。 所以，一般情况下采样信号都不直接送至 A/D转换器转换 ，还需加保持器作信号保持。 保持器把 t=kT时刻的采样保持到 A/D转换结束。 T为采样周期， k=0， 1， 2，„为采样序号。 采样保持器的基本组成电路如图 示，由输入输出缓冲器 A A2和采样开关 S 保持电容 CH等组成。 采样时， S 闭合， Uin通过 A1 对 CH 快速充电， VOUT 跟随 Uin；保持期间， S 断开，由于A2 的输入阻抗很高，理想情况下 Uout=VC 保持不变，采样保持器一旦进入保持期，便应立即启动A/D 转换器，保证 A/D 转换期间输入恒定。 14 － A1＋ ＋ A2 － S VC Vin U out CH L O G IC 图 采 样保持器的组成 在本设计中，我们采用集成采样保持器 LF398，其原理结构如图。 采用 TTL逻辑电平控制采样和保持， LF398的采样控制电平为“ 1”，保持电平为“ 0”。 保持电容 CH是外接的，其取值与采样频率和精度有关，减少 CH可提高采样频率，但会降低精度，所以通常 CH取 510～ 1000PF。 当LF398的 CH取为 ，信号达到 %精度所需的采样时间是 25us，保持期间的输出电压下降率为每秒 3mV。 若 A/D转换器的转换时间为 100us，转换期间保持器输出电压下降约 300uV。 所以才A/D转换前对信号进行保持是很必要的。 A 1+amp。 000A 2+采 样保 持0187U i nU o u t3512C H 1 2 V+ 1 2 V1 K Ω64调 零+ V S V S 图 LF398原理结构图 模拟量输入通道 我设计了含有 8路探测器和 8路手动报警的火灾报警系统。 利用 8位 A/D转换器 ADC0809，采样保持器 LF398， I/V转换电路设计了模拟量的输入通道电路，由于我们选择的 ADC0809自身含有 8路多路开关，所以模拟量输入通道不选用专门的多路开关。 在开关量输入通道用到了多路开关。 该电路主要技术指标是： 8通道模拟量 输入； 8位分辨率； A/D转换时间为 100us； 15 应答方式为查询。 图 模拟量和开关量输入通道图 C+ 24 +5KC+ 24 +5K12345678.. ....+ 12V C C+5 +512345678L F 3 98 + 121 2P A 6PC0PC1PC2PC3P C 4A B C XIN HIN026msb21212220IN12723192418IN2282582615IN312714lsb2817IN42EOC7IN53ADDA25IN64ADDB24ADDC23IN75ALE22ref()16ENABLE9START6ref(+)12CLOCK10A D C 08 09+ 12V C C+5 +512345678L F 3 98 + 121 2P A 6.. .. .. 16 手动采集数据 开关量的输入接口电路 本系统中除了探测器探测环境因素外，当人为发现火灾时，要有手动的报警器进行报警。 手动报警器输出的是开关量信号，需要有专门的开关量输入电路来实现开关量信号的传输。 C+ 2 4 +5K 图 采用光耦的输入电路 对于从单片机装置外部引入的接点，应通过光电耦合器把外部信号送入单片机，如图 所示，图中 RC 用于消除振荡。 光电耦合器用光传递信号，因此可以使输入与输出在电气上完全隔离，抗干扰能力强，特别是抗电磁干扰能力强，同时具有电平转换作用。 当接点 K 合上时，发光二极管流过电流，发出不可见光，激发光敏三极管，使其导通，将低电平送至单片机接口。 当接点 K 断开时，发光二极管无电流，光敏三极管不导通，这时高电平送到单片机接口。 多路开关 多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。 利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或 A/D 转换器上。 为了提高过程参数的测量精度，对多路开 关提出了较高的要求。 理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其接通时导通电阻为零。 此外，还希望切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。 17 常用的多路开关有 CD4051（或 MC14051）、 AD750 LF13508等。 CD4051的原理如图 ，它是单端的 8通道开关，它有三根二进制的控制输入端和一根禁止输入端 INH（高电平禁止）。 片上有二进制译码器，可由 A、 B、 C三个二进制信号在 8个通道中选择一个，使输入和输出接通。 而当 INH为高电平时，不论 A、 B、 C为何值， 8个通道均不通。 通道选择表见表。 电平转换 译码驱动电路 X VDO VSS IN H A B C VEE x0 x1 x7 图 CD4051原理图 表 通道选择 INH C B A X 接通 0 0 0 0 X0 0 0 0 1 X1 … … … … … 0 1 1 1 X7 1 全不通 CD4051有较宽的数字和模拟信号电平，数字信号为 3~15V，模拟信号峰 峰值为 15Vpp；当 VDD－ VEE=15V，输入幅值为 15Vpp时，其导通电阻为 80Ω ；当 VDD－ VEE=10V时，其断开时的漏电流为177。 10pA；静态功耗为 1μ W。 单 片机的设计 火灾报警系统的硬件设计主要是以 MCS－ 51 单片机为核心，用 I/V 变换将探测器输出的电流信号转换为电压信号，输入到采样保持器中进行采样，然后进行 A/D 转换，采取必要的抗干扰技术再输入到 51 单片机中，以便单片机处理；除此之外，单片机还应自带时钟功能，以保证数据采集时间的存储；由于单片机自带的 RAM 无法满足需要，而本系统选用 8031 没有 ROM，所以要对单片机进行 RAM 和 ROM 的扩展；显示功能，因为考虑到硬件电路设计的通用性，所以添加了该常用功能；通信功能，实现主从机之间的通信；还应包括提高系统抗干 扰能力的看门狗电路。 由于本系统连接的外设较多，多 8031 的 I/O 口进行了扩展。 18 单片机的选择 1. 单片机简介 单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃和颇具生命力的机种。 单片微型机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器 (Microcontroller)。 通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器 CPU、存储器和 I/O接口电路等。 因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。 目前，单 片机正朝着高性能和多品种方向发展，尤其是八位单片机已成为当前单片机中的主流。 单片机的发展具体体现在如下四个方面： CPU 功能增强 内部资源增多 引脚的多功能化 低电压和低功耗 MCS51 是美国 Intel 公司的八位高档单片机系列，是在 MCS48 系列基础上发展而成的，也是我国目前应用最广泛的一种单片机系列。 在这个系列里，有多种机型，性能特点也各不相同。 在本课题设计中，选择了 MCS51 系列中的 8031 进行系统设计。 在 MCS51 系列里，所有产品都是以 8051 为核心电路发展起来的，它 们都具有 8051 的基本结构和软件特征。 从制造工艺来看， MCS51 系列中的器件基本上可分为 HMOS 和 CMOS 两大类 (见表 )。 CMOS 器件的特点是电流小和功耗低 (掉电方式下消耗 10μ A 电流 )，但对电平要求高 (高电平大于 ，低电平小于 )， HMOS 对电平要求低 (高电平大于 ，低电平小于)，但功耗大。 表 MCS51 系列芯片及制造工艺 ROM 型 无 ROM 型 EPROM 型 片内 ROM 片内 RAM 16 位定时器 制造工艺 8051 8031 8751 4KB 128B 2 HMOS 8051AH 8031AH 8751H 4KB 128B 2 HMOS 8052AH 8032AH 8752BH 8KB 256B 3 HMOS 80C51BH 80C31BH 87C51 4KB 128B 2 CHMOS 2. 8031 单片机内部结构 MCS51 系列各功能部件可划分为 CPU、存储器、 I/O 端口、定时器 /计数器和中断系统等。