基于单片机控制的智能火灾报警系统设计-毕业设计

基于单片机控制的智能火灾报警系统设计-毕业设计内容摘要：

51 可使用对芯片上的 3 个加密位 LB1， LB2， LB3 进行编程（ P）或不编程（ U）来得到如下表 32 所示的功能： 表 32 加密位保护功能表 注：表中的 U—— 表示未编程， P—— 表示编程 当加密位 LB1 被编程时，在复位期间， EA 端的逻辑电平被采样并所存，如果单片机上电后一直没有复位，则所存起的初始值是一个随机数，且这个随机数会一直到真正复位为止，为单片机能正常工作 ，被锁存的 EA 电平值必须与该引脚当前的逻辑电平一致，此外，加密位只能通过整片的方式擦除。 Flash 闪速存储器的编程 AT89C51 单片机内部有 4K 字节的 Flash PEROM,这个 Flash 存储阵列出厂时已处于擦除状态（即所有存储单元的内容均为 FFH），用户随时可对其进行编程。 编程接口可接受高电压（ +12V）或低电压（ ccV ） 的允许编程信号。 低电压编程模式适合于用户在线编程系统，而高电压编程模式可与通用 EPROM 编程器兼容。 AT89C51 单片机中，有些属于低电压编程方式，而有些则是高电压编程方式，用户可从芯片上的型号而后读取芯片内的签名字节获得该信息，见表 33。 AT89C51 的程序存储器阵列是采用字节写入方式编程的，每次写入一个字节，要对整个芯片 PERROM 程序存储器写入一个非空字节，必须使用片擦除的方式将整个存储器的内容清除。 14 表 33 AT89C51 的程序存储器阵列是采用字节写入方式编程的，每次写入一个字节，要对整个芯片 PERROM 程序存储器写入一个非空字节，必须使用 片擦除的方式将整个存储器的内容清除。 编程方式 编程前，须按表 34和图 34 及图 35所示设置好地址，数据及控制信号，编程单元的地址加在 P1 口和 P2 口的 11 位地址范围为 0000H0FFFH，数据 P0口输入，引脚 , 和 , 的电平设置见表 34， PSEN 为低电平， RST 保持高电平， EA/ ppV 引脚是编程电源的输入端，按要求加上编程电源， ALE/PROG 引脚输入编程脉冲（负脉冲）。 编程时，可 采用 4— 20MHz 的时钟震荡器， AT89C51 编程方法如下： 1 在地址线上加上要编程单元的地址信号。 2 在数据线上加上要写入的数据字节。 3 激活相应的控制信号。 4 在高电压编程方式时，将 EA/ ppV 端加上 +12V 编程电压。 5 每对 Flash 存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个ALE/PROG 编程脉冲。 改变编程单元的地址和写入的数据，重复 1— 5步骤，直到全部文件编程结束。 每个字节写入周期是自身定时的，通常约为。 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（ ） 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。 Ready/Busy 字节编程的进度可通过“ RDY/BSY”输出信号监测，编程期间， ALE 变成高电平“ H”后 (RDY/BSY)端电平被拉低，表示正在编程状态（忙状态）。 编程结束后， 变为高电平准备就绪 状态。 程序效验 15 如果加密位 LB1， LB2 没有进行编程，则代码数据可通过地址和数据线读回原编写的数据，采用下图 34 和图 35 的电路，程序存储器的地址由 P1 和 P2 口的 —— 输入，数据由 P0 口读出， , 和 , 的控制信号见表 34，PSEN 保持低电平， ALE， EA 和 RST 保持高电平，效验时， P0 口必须接上 10K 左右的上拉电阻。 Flash 编程和效验的波形时序（高电压编程方式 ppV =12V 及 ppV =5V） ]10[ 图 34 图 35 16 芯片擦除 利用控制信号的正确组合并保持 ALE/PROG 引脚 10Ms 的低电平脉冲宽度即将PEROM 阵列（ 4K 字节）和三个加密位整片擦除，代码阵列在片擦除操作中将任何非空单元写入“ 1”，这步骤需要在编程之前进行。 读片内签名字节 AT89C51 单片机内有三个签名字节，地址为 030H， 031H 和 032H。 用于声明 该器件的厂商，型号和编程电压。 读签名字节的过程和单元 030H， 031H 及 032H 的正常效验相仿，只需将 和 保持低电平，返回值意义如下： （ 030H） 1EH 声明产品由 ATMEL 公司制造 ； （ 031H） 51H 声明为 AT89C51 单片机 ； （ 032H） FFH 声明 12V 编程电压 ； （ 032H） 05H 声明为 5V编程电压。 编程接口： 表 34 Flssh 编程和校验特性 ]11[ 采用控制信号的正确组合可对 FLASH 闪速存储阵列中的每一代码 字进行写入和存储器的整片擦除，写操作周期是自身定时的，初始化后他将自动定时到操作完成。 17 第四章 前向通道的设计 4． 1 温度传感器 火灾总伴随着火焰、烟雾和温度，随着燃烧，室内温度将上升。 将烟雾传感器作为第一感受器，温度传感器作为智能计算的补充传感器。 当报 警 环境出现烟雾后，温度传感器根据设定温度值确定是否报 警。 为防止漏报，另一组温度传感器设定了温度的报警极限，当温度超过这个极限立刻报警。 温度传感器利用半导体 PN结的负温度系数工作，它有三路输出，其中两路测量温度梯度，一路测量极限温度。 图 41是一个温度传感器的结构单元。 其基本工作原理是利用硅 PN结的负温度系数测量环境温度。 由 1R 、 1D 、 2D 、 1Z 以及 1T ,经 2R 、 3R 分压给 2T 的基极提供一个电压基准。 这个电压基 准使得 2T 在常温下不导通，例如，假设在常温下， NPN晶体管的发射结在 REV =，而电压基准设定为 ，这时， 2T 处于截止状态。 由于硅器件的发射结导通电压 REV 是负的温度系数 (典型值为 2mV/℃ )，随着温度上升，器件的导通电压线性下降。 当温度上升 25℃时， 2T 的发射结导通电压 REV 下降为 ,达到设定值使 2T 导通。 0V 由原先的高电平输出下降为低电平输出。 ]12[ 图 41 温度传感单元原理图 作为电压基准，希望经 2R 、 3R 分压得到的电压值具有较低的温度系数。 在这个电路中，利用正温度系数的齐纳击穿稳 压管和 PN结的负温度系数实现低温度系数的要求。 防火系统采用了复合形式的智能型火灾传感电路，代替了过去的单一形式的传感器，如火焰传感器、温度传感器、烟雾传感器等，这样就不会出现误报情况。 此传感器 具有不受使用场所无交流电源的限制，静态功耗低、安装比较隐蔽、灵敏度高等特点。 18 烟雾传感器 工作原理 离子烟雾传感器 单电离室的工作原理，如图 42所示。 ]13[ 图 42 电离室工作原理图 图 42（ a）是单电离室的结构图， P1和 P2是一对电极，在电极之间放有放射性物质 241Am，不断放出α射线，高速运动的α离子撞击极板间的空气分子，将其电离为正离子和负离子，从而使电极之间原来不导电的空气具有了导电性。 如果在极板 P1和 P2之间加上一个电压 E，极板间原来杂乱无章的正负离子，在电场的作用下作有规则的运动，从而在极板间形成电离电流 hI ，施加的电压越高，则电离电流越大，当电离电流增加到一定值时，将不再增加，此电流称为饱和电流 sI ，如图 42（ b）所示。 实际使用的离子烟雾传感器电路如图 43 所示。 图 43 离子烟雾传感器电路图 为了减少温度、湿度等环境条件变化对电离电流带来的影响，以提高传感器工作的稳定性，将两个电离室串接起来与电源相接，上面的一个为补偿电离室，下面的一个为检测电离室，在结构上检 测电离室做成烟雾容易进入的型式，而补偿电离室做成烟雾很难进入、而空气又能慢慢进入的型式。 当有火灾发生时，烟雾进入检测电离室，由于烟离子的阻挡作用，一方面使电离后的正负离子在电场中的运动速度降低，另一 19 方面使α射线的电离能力降低，从而使检测电离室的电离电流减小，这一现象，相当于补偿电离室的等效电阻未变，而检测电离室的等效电阻变大，从而使 A点的电位升高。 显然烟雾浓度越大，烟离子的阻挡作用越强， A 点电位越高。 这一电压信号经由T T2组成的跟随电路，传送给模 /数转换电路，实现对烟雾浓度的采样。 采用离子源作为烟敏元 件的突出特点是电流消耗极低，适合在系统中使用。 ]14[ 图 43中的 tR 为自检电阻器，由于离子源等效电阻很高（一般在 10MΩ以上），只要适当选择 tR ，就可使 tR 上的压降在正常情况下近似为 0。 对探测器进行自检时，一个逻辑高电压加到 tR 上，使传感器输出升高，单片机根据自检前后的模 /数转换结果，可判断出模 /数转 换及传感器两个模块的功能是否正常。 试验结果 探测器试验是根据 传输与火灾报警的基本要求进行的。 工作方式试验 因为模 /数转换的时钟信号 CLK是由程序产生的，所以不同的工作方式，将产生不同的时钟频率 CLKF 和转换周期 CYCt。 探测器若按先转换后接收方式工作，在 CONVt 时间段内，不接收数据， CLKF 最高可达 ，提高了有 效转换速度，有助于减小采样保持器泄露电流的影响，但由于转换之后必须重新读取数据，却使转换周期 CYCt 变长，势必降低主控机对探测器的访问速度；若按边转换边接收方式工作，虽 CLKF 最高只能达到 ，降低了有效转换速度，但转换周期 CYCt 可在第 14个时钟信号之后提前结束，从而缩短了转换周期 CYCt ，提高了主控机对探测器的访问速度；此外，在边转换边接收方式 下，模数转换的位数还可灵活地选择，例如火灾报警一般只要有 8位的转换精度就足够了，这时采用边转换边接收方式，可使控制信号由低变高的时间提前4个时钟周期。 下面对几种输出模式的测试就是按 8位精度边转换边接收方式进行的。 输出模式试验 为了给主控机提供火灾识别的依据，根据经验，主要试验了图 44, 所示的 3种输出模式。 ]15[ 图 44 试验图形 （ 1）环境漂移模式，将探测器置于有数人吸烟的适当大小的房间，形成薄烟 缭绕的环境，然后记录探测器的输出数据，绘制出如图 44(a)所示曲线，其特点是输出上下飘忽不定，但有一个接近平稳的均值； 20 （ 2）突发干扰模式，在传感器的自检输入端施加 )231()( 2 rr fCSrbfCSbj efC CRefRIS    （ 1） 设采用周期脉动激励电流，应使每个周期自热平衡过程互不影响，这样可以避免自热的累积，有效地控制自热的影响。 为此，应使激励电流脉动间歇时段足够长，以给出足够的自热平衡时间。 这一要求可表示为 ST 〉〉 rfC 式中 T为激励脉动电流的周期。 间歇激励方式的效果 ]16[ 铂电阻采用脉动激励电流的间歇供电方式工作对克服自热影响有显著效果。 脉动激励电流的占空比越小，则自热量越少，温升就越小。 为评价间歇激励方式的效果，将直流激励方式和间歇激励方式作对比。 直流激励方式的铂电阻产生稳定的自热温升为 fRI bjZ 2)(   （ 2） 取式（ 1）与式（ 2）之比值 rr fCSrbfCSZefCCReSq   2231)( )(  来表征间歇激励方法的效果。 工程实践上，可控制 q值在 2101 以下，使自热影响十分微小而忽略不计。 4． 3 运算放大器 AD595 AD595具有热电偶信号放大和冰点补偿双重功能 ,AD595适用于Ｋ型热电偶 ,是 14脚 DIP 封装。 AD595 有二个等级 (Ｃ级和Ａ级 ),177。 3℃的校准准确度。 具有以下特性 : ]17[ 低阻抗电压输出 :10ｍＶ /℃ 片内冰点补偿 电源电压范围 :+5V～177。 15V 低功耗 :＜ 1MW 热电偶断线报警功能 高阻抗差动输入 可用作摄氏温度传感器。