毕业设计（论文）-基于单片机的火灾报警系统设计.doc

火灾报警系统设计 作者姓名: 专业名称:测控技术与仪器 指导老师: 火灾报警系统设计 I 摘摘 要要 火灾已成为我国常发性和破坏性以及影响力最强的灾害之一。 在工业和民用建筑、宾馆、酒店、图书馆、科研和商业部门，火 灾报警系统已成为必要的装置。火灾报警系统对现代建筑起着极 其重要的安全保障作用。火灾报警控制器是火灾报警系统的核心。 火灾报警系统通过一定的方式向火灾报警控制器发出火灾报警信 号，火灾报警控制器收到报警信号后，立即发出声光报警，并打 开消防联动装置。本设计的检测装置由离子感烟传感器 UD-02 和与之配套的专用集成电路 DQ-295 等组成，通过对现场的火灾 参数采集，模/数转换，地址编码，然后传送给单片机，由单片 机进行相应的运算处理，判断现场是否发生火灾。这种信号处理 方式将单片机用于火灾模式判别，可以根据火灾发生时，火灾参 数的发展变化规律来识别真假火灾，不同于传统单一的定值判别 方式，有利于提高火灾判别的准确性。 关键词 火灾报警系统；火灾探测器；单片机； 控制； 消防联 动 火灾报警系统设计 II ABSTRACT In our country, as a disaster, the fire has many characteristics, such as: mediocrity, breakage and influence. . In the instruction of industry and civil, hotel, grogshop, library, the department of scientific research and trade, the fire alarm system has become the necessary installation. The fire alarm system has important functions to the modern buildings. The fire alarm system controller is its core. Fire alarm system of hotel sends out the correlated signal to the single Chip MircroComputer in some way,then the single Chip MircroComputer will drive the Acousto-optics alarm device and the linkaged fire preventional device after receive the signal.In this Paper,the mointor deveice is made of Ion feeling smoke sensor with the model of UD-02 and its corresponding integrated connection chip with the model of DQ-295.It will gather all the fire Parameter ,then Process the data in A/D converter in order to judge whether there may be a fire or not,the core unit of this Processing way of signal is a single Chip MircroComputer,it has the ability to identificate the true or false fire according to the processed date.It is very advantage to inhance the accurate degree of the fire. Keywords: Fire alarm system；fire detector；MCU; control ； linkaged fire preventional device 火灾报警系统设计 III 目录目录 摘摘 要要I ABSTRACTABSTRACT.II 目录目录 .III 1 1 绪论绪论 .1 1.1 课题背景.1 1.2 现有火灾自动报警系统比较 1 1.2.1 传统火灾探测技术 2 1.2.2 智能火灾探测技术 2 1.3 火灾报警系统在国内的发展情况 3 1.4 本设计研究的主要任务及意义 4 2 2 系统原理及总体方案设计系统原理及总体方案设计 .5 2.1 系统原理 5 2.2 系统设计 6 2.2.1 系统各模块的设计 6 2.2.2 系统总构架的设计 6 3 3 系统硬件设计系统硬件设计 .8 3.1 硬件组成 8 3.2 烟雾信号采集模块 9 3.2.1 离子感烟传感器的原理 .9 3.2.2 离子感烟传感器专用集成电路 DQ-295 .13 3.2.3 离子感烟火灾报警器应用电路 15 3.3 单片机控制中心.16 3.3.1 时钟电路及其功能要求 16 3.3.2 中断系统 17 3.4 声光报警模块 20 3.4.1 声音报警电路 20 3.4.2 LED 显示器 .21 3.5 接口芯片 8243 .22 3.6 电源系统设计 23 火灾报警系统设计 IV 3.7 消防联动装置 25 4 4 系统软件设计系统软件设计 .27 4.1 主程序设计 27 4.2 读数子程序 27 4.3 查找报警点子程序 28 4.4 显示及报警子程序 29 4.5 联动消防 30 4.6 延时子程序 31 5 5 总结总结 .32 5.1 全文工作总结 32 5.2 系统展望 32 致谢致谢 .34 参考文献参考文献 .35 附录附录 .36 火灾报警系统设计 1 1 绪论绪论 1.1 课题背景课题背景 火灾是世界上发生频率较高的一种灾害，几乎每天都有火灾发 生。发达国家的火灾较多，死亡人数却相对较少，这与发达国家 的生活水平高以及消防设施完善有关。我国火灾事故相对于发达 国际而言偏少，但是火灾带来的人员和财产损失却相对很高。 近年来，随着科学技术日新月异的发展，我国生产力水平达到 了前所未有的高度。火灾也成为我国常发性和破坏性以及影响力 最强的灾害之一。经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下 建筑以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾 发生的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。例如，以高层建筑 来说，其都有建筑高、建筑面积大、用电设备多、供电要求高、 人员集中等特点。在这样的地方场所内，各种电气电子设备高度 集中且处于长期运行状态，电器设备过载、过热、短路的火灾隐 患较多；另外，由于人群的集中，也从客观上存在着火灾隐患。 一旦发生火灾将很难及时救助，势必给国家和个人带来不可估量 的损失。 为此，火灾报警系统就是为了满足这一需求而研制出来的，并 越来越被人们所接受，其自身技术水平也随着人们需求的不断提 高，在功能、结构、形式等方面不断地完善。现在，火灾自动报 警系统已经是随时警惕火灾、及时报警以及可以达到可以输出联 动灭火型号的忠实哨兵，是早期报警的有力手段。实践证明，设 置先进的火灾报警以及自动灭火系统是自防自救的关键。 1.2 现有火灾自动报警系统比较现有火灾自动报警系统比较 随着传感器技术及火灾特征性研究的发展，复合探测技术逐 渐成熟，将来势必从根本上解决由于特征分析无法辨识火灾与非 火灾参数而引起的各种问题。 我国自 1985 年以来，单片机的开发和应用取得了一定的进展， 火灾报警系统设计 2 尤其进入 90 年代以后，在自动控制、智能仪表、自动测试、家 电、通讯领域得到了很好的应用，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 为分立元件的产品，80 年代末，90 年代初随着微型计算机的开 发应用，出现了以微机为核心的通用火灾报警器。它的应用使人 们对火灾的控制能力大大增强，使危害大大降低。火灾报警器的 主要心脏部件就是单片机，通过它接收来自火灾探测器的报警信 号，经过确认后，进行相应的处理。可见，从信号的接收处理到 报警甚至消防，完全实现了自动控制，单片机在其中起到了关键 的作用。 1.2.1 传统火灾探测技术传统火灾探测技术 传统的火灾探测报警技术是由火灾探测器感知现场的某种火灾 参数(如烟浓度、温度等)，当被感知的火灾参数达到某个限度值 后，火灾探测器通过一定的方式向火灾报警控制器发出火灾报警 信号，火灾报警控制器收到报警信号后，立即发出声光报警。这 种信号处理方式的火灾报警设备在实际应用中有几个不足之处： (1)探测器的灵敏度固定，不易改变，这样在不同场合、不同 环境中使用就不能选择最佳的火灾探测灵敏度，选择高了容易误 报警，选择低了一旦发生火灾，报警不及时会损失严重。 (2)火灾探测报警系统缺乏故障的自诊断、自排除能力。火灾 报警系统是长年不间断运行的设备，要求具有高度可靠的性能。 (3)火灾报警的判据单一，对环境背景的干扰影响无法消除， 这样在一些场合就不能提供准确的报警。传统的火灾探测报警系 统的火灾判据仅仅是根据某种火灾参数是否达到某一定值来确定， 这一判别工作是在火灾探测器中由硬件电路实现的，这样就有可 能由于环境背景的影响，或火灾探测器内部电路的缓慢漂移，产 生误报。 1.2.2 智能火灾探测技术智能火灾探测技术 为了克服传统火灾探测技术的弊病，近年来发展了智能型火灾 报警技术，完全摆脱了传统的火灾报警信号处理方式，使得火灾 报警系统的可靠性有较大提高，这种智能分几个方面： 火灾报警系统设计 3 (1)探测智能：采用单片机作为信号处理芯片，通过对现场的 火灾参数采集，模/数转换，地址编码，然后传送给火灾报警控 制器，由火灾报警控制器中的计算机进行相应的运算处理，判断 现场是否发生火灾，这种信号处理方式将计算机用于火灾模式判 别，可以根据火灾发生时，火灾参数的发展变化规律来识别真假 火灾，改变传统单一的定值判别方式，有利于提高火灾判别的准 确性。 (2)监控智能：在传统的百家系统中监控功能智能由硬件逻辑 电路来完成。不仅增加成本，而且许多系统内部的故障都不能报 警。采用智能技术后，系统的正常维护工作由计算机自身的软件 完成，周期地运行自诊断程序，可以发现系统的任何微小的故障， 大大提高了系统运行的可靠性能。 (3)抗干扰智能：由于系统的运行环境比较复杂，有时线路上 和环境空间存在着严重的干扰信号，这些在传统的报警系统中难 以滤除，影响系统的正常运行。抗干扰智能采用各种消除干扰的 软件技术(如数字滤波等)，把干扰信号限制到最低限度，提高和 系统的抗干扰能力。 1.3 火灾报警系统在国内的发展情况火灾报警系统在国内的发展情况 我国火灾报警系统起步较发达国家晚几十年，从上世纪 70 年 代我国才开始研制生产火灾报警系统产品。进入 80 年代后，国 内主要厂家也多是模仿国外产品，或是引进国外技术进行生产， 没有真正意义上的核心技术，并且市场也刚刚开始发育。火灾报 警产品真正发展是在 90 年代以后，随着政府逐渐开放国门，国 外企业开始大量进入中国消防市场，带来先进技术的同时也促进 了市场的成熟。这时期，我国生产火灾报警产品的企业也得到了 快速发展。 也就是说，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，其智能化程度也越来越高。目前已有多家 科研院所和厂家致力于研发适合我国消防领域特点的火灾自动报 警监控联网技术及相关产品，在部分城市建立了火灾报警监控网 火灾报警系统设计 4 络系统，在消防监控和灭火救援方面发挥了重要作用。虽然我国 应用自动报警装置的时间并不长，但是据不完全统计，准确报警 事例已达数千次。资料显示，凡装有自动报警系统的建筑物中， 当火情发生时，由于能够及时报警，把火灾消灭在初期，从而大 大减少了火灾的危害。随着现代科技的发展，火灾探测与报警技 术也在不断提高。作为一门多专业、多学科的综合性火灾探测与 报警技术，近几年得到了迅速发展，已成为人类与火灾作斗争的 重要手段。 1.4 本设计研究的主要任务及意义本设计研究的主要任务及意义 本设计研究的火灾报警系统，它主要应用在宾馆、酒店的场 合。其中，火灾报警控制器是一种能接收、显示和传递火灾报警 等信号的报警装置，它是火灾报警系统的主要组成部分。火灾报 警探测器是监视周围环境状况的“感觉器官”，而火灾报警控制器 则是系统的“神经”、 “大脑”，是整个系统的核心。火灾报警控制 器担负着监视探测器及系统自身的工作状况、处理火灾探测器输 出的报警信号、进行声光报警、指示报警的具体部位、时间及执 行相应的辅助控制等任务。 研制火灾报警控制器的目的是为了 立足于掌握核心开发技术，降低系统成本。 但是，鉴于笔者的知识水平所限，本设计研究的目的仅限于： 能综合运用所学基础理论、基本知识、基本技能；分析、解决本 专业实际问题的能力；全面分析、考虑问题的思维方式、工作方 法；计算、绘图和编写设计文件的能力以及实际工作能力、社会 活动能力。当然选择这个课题，是立足于自动化控制的培养目标， 体现了本专业工程训练的要求。自动化专业的灵魂是控制，控制 的核心思想是反馈，反馈的前提是检测， 火灾报警系统的设计 这一题目也能反应出学习的结晶。 火灾报警系统设计 5 2 系统原理及总体方案设计系统原理及总体方案设计 2.1 系统原理系统原理 火灾报警系统，一般由火灾探测器和控制器组成。其中火灾探 测器是识别火灾是否发生的专门仪器，根据建筑物或实地场所的 要求，安装不同类型的火灾探测器。火灾探测器主要分为感烟探 测器、感温探测器和光辐射探测器三大类，其中离子感烟探测器 稳定性能较好，误报率低，寿命长等优点，在火灾报警系统中被 广泛使用。此设计即是从离子感烟探测器出发进行研究的。 火灾报警系统如图 2-1 所示。现场火灾报警器通过对探测器火 情信息的检测，使用智能识别算法实现对火灾的监测。当报警器 监测到火情信息后，产生声光报警信号，同时打开联动消防装置。 离子感烟传感器信号调理电路采样比较 信号调理电路离子感烟传感器采样比较 采样比较 采样比较 离子感烟传感器 离子感烟传感器信号调理电路 信号调理电路 灾 火 控 制 器 模 块 声光报警 显示记录 联动消防 图 2-1 火灾报警系统原理图 火灾报警系统设计 6 2.2 系统设计系统设计 2.2.1 系统各模块的设计系统各模块的设计 第一，传感器的设计。传感器的作业环境是非常关键的一环， 这决定了在具体环境中传感器的选型问题。传感器所要达到的任 务目标必须准确无误地反应传感器在规定的工作环境中的作用。 本设计选用离子感烟传感器（UD-02 型离子感烟传感器） 。相对 于感温传感器和气体传感器，离子感烟传感器能在火灾超早期作 出准确判断。 第二，单片机的选取。根据要求，本设计选用的单片机为 AT89C51。 第三，接口芯片。本设计的接口芯片采用并行接口芯片 8243。通过 8243 进行多探头监控。 第四，报警装置。本设计的报警装置采用声光报警装置：首先， 起火点会发出声音报警；同时，总控端也会产生声音报警并会显 示具体的着火地点（即探头位置） 。 第五，电源的设计。由于要整个系统必须 24 小时连续工作， 并要保证在市电突然停止供电的一定时间内保持系统正常工作， 所以系统采用双电源供电模式。即采用主供电模式和从供电模式 达到一用一备的目的。具体设计见后阐述。 第六，消防联动装置。当单片机探测到火情后，会自动打开联 动消防装置。 2.2.2 系统总构架的系统总构架的设计设计 火灾报警系统，能对监测点进行自动检测，一旦出现火情能立 即报警，并能指示出发生火灾的具体地点。本火灾报警系统具有 结构简单、可靠性高、成本低等特点。 硬件电路如图 2-2 所示，主机选用 AT89C51 单片机，4 线/7 线译码器选用 74LS48，数码显示部分选用 BS212 共阴数码管， 报警电路可选用一片 KD9561 及放大器、扬声器来构成，多点检 测电路选用 8243 并行 I/O 口。由于 8243 每片有四个口，每个口 有四个点，故每片 8243 可监测 16 个离子烟雾探测器探头，图 火灾报警系统设计 7 2-2 用了两片 8243，即可检测 32 个探头。根据需要，还可增加 8243 的数量。 图 2-2 火灾报警系统硬件结构图 火灾报警系统设计 8 3 系统硬件设计系统硬件设计 火灾报警系统硬件的设计在 2.2 中已经作了初步的探讨，本 章将继续讲述该系统硬件的设计并予以深化。 3.1 硬件组成硬件组成 通过对火灾情况的分析，本设计采用如图 3-1 所示的硬件组成， 报警器硬件由烟雾信号采集模块，声光报警模块以及联动消防模 块组成。图中 1，2，3 组成数据采集模块，4，5 组成声光报警 模块，5，6 组成联动消防装置。其中，1 为传感器，将现场烟雾 浓度这一非电信号转化为电信号；2 为信号调理电路，将传感器 输出的电信号进行调理（放大、滤波等） ，使之满足比较转换电 路的要求；3 为比较转换电路，完成将烟雾传感器输出的模拟信 号转换为数字信号。声光报警模块由单片机和报警电路组成，由 单片机控制实现不同的声光报警（异常报警、故障报警、火灾报 警）功能。下面对上述的各模块进行详细的介绍 图 3-1 火灾自动报警系统硬件框图 火灾报警系统设计 9 3.2 烟雾信号采集模块烟雾信号采集模块 图 3-1 中 1，2，3 组成烟雾数据采集模块，将现场烟雾浓度这 一非电信号转化为电信号，并以数字量的形式送给单片机。 3.2.1 离子感烟传感器的原理离子感烟传感器的原理 离子感烟传感器探头电路是利用两片放射性物质 241（AM） 源构成的两个电离室（检测电离室和补偿电离室） 及场效应晶体管（EFT）等电子元件件组成。 其工作原理为：P1 和 P2 是一相对的电极，在电极之间放有 放射源 241 镅，由于它持续不断地放射出 射线， 粒子以 高速运动，撞击空气分子，从而使极板间空气分子电离为正离子 和负离子（电子） ，这样电极之间原来不导电的空气具有了导电 性，实现这个过程的装置我们称它为电离室，如图 3-2 所示 图 3-2 电离电流的形成 如果在极板 P1 和 P2 间加上一个电压 E，极板间原来做杂乱无 章运动的正负离子，此时在电场的作用下，正负离子做有规则的 运动，正离子向负极运动，负离子向正极运动，从而形成了电离 电流 I。当然，施加电压 E 愈高，电离电流愈大。直到电离电流 增加到一定值时，外加电压再增高，电离电流也不会增加，形成 火灾报警系统设计 10 一个饱和电流 IS。如图 3-3 所示 图 3-3 电离电流和电压的关系 电离室又可分为双极性和单极性两种。整个电离室全部被 a 射 线所照射，电离室内的空气都被电离，我们把这种电离室称为双 极性电离室。而单极性是指电离室局部被 a 射线所照射，使一部 分形成电离区，而未被 a 射线所照射的部分则为非电离区，即主 探测区。 本设计选用的离子感烟传感器 UD-02 为单极性的。当发生火 灾时烟雾进入电离室后，单极性电离室要比双极性电离室的电流 变化大，也就是说可以得到较大的电压变化量，从而可以提高离 子感烟传感器的灵敏度。 同时在离子感烟传感器设计中，是将两个单极性电离室串联起 来。如图 3-4 所示，一个作为检测电离室 AB（也叫外电离室） ， 做成烟雾容易进入的结构；另一个作为补偿电离室 BC（也叫内 电离室） ，做成烟粒子难进入而空气又能缓慢进入的结构形式。 电离室采用这种串联的方式，主要是为了减少环境温度、湿度、 气压等自然条件的变化对电离电流的影响，提高离子感烟探测器 的环境使用能力和稳定性（离子感烟探测器电路主要有三部分组 成，即前置放大器，总线无极性变换电源电路以及解码电路） 。 火灾报警系统设计 11 图 3-4 离子感烟探测器工作原理图 在正常工作状态下，放射源放出的射线电离了电离室的空气，便有电流 从 A 经过 B 流向 C，这时电离室是一个典型的电阻元件。在初始条件下， B 点的电位 Vb 是相对稳定的，烟雾进入 AB 之间的检测室时，电离状态 发生变化，导致 AB 之间的电阻阻值变化，而 BC 间组成的参照室因为不 感觉烟的存在，基本保持阻值初始状态不变，根据欧姆定律，在 B 点上 分压值发生相应的变化，这个变化经过电路放大，作为火警信号输出，从 而实现烟信号到电信号的转变。 至于烟雾进入 AB 检测室是如何使电离状态发生变化，是因为 当烟雾进入电离室 AB 时，部分正离子和负离子被吸附在了烟雾 颗粒或者那些燃烧生成物上，所以他们在电场中的速度比原来慢 得多，并且在移动中部分正负离子中和，这样到达正负极板的离 子数量相对减少，从而离子电流变小。烟雾数量越多，离子电流 就越小，而 BC 电离室基本无烟雾进入，离子电流恒定，这样就 改变了 B 点的电位。 如图 3-5 是离子感烟传感器的等效电路图，无烟雾时，B 点电 位约为 1/2E。若有烟雾，外电离室的离子电流减小，等效电阻 增加，B 点电位下降，其下降程度与烟雾数量成正比。有烟雾和 无烟雾时其电位差可达 1V 以上。 火灾报警系统设计 12 图 3-5 离子感烟传感器等效电路图 本设计选用的 UD-02 型离子感烟传感器具有灵敏度、可靠性 好，性能符合标准等特点。其对外有三个引出脚：A 电极（接电 源正端+9V） 、C 电极（接地） 、B 电极（收集电极即输出端） ， 外形如图 3-6 所示。 图 3-6 UD-02 型传感器 火灾报警系统设计 13 3.2.2 离子感烟传感器专用集成电路离子感烟传感器专用集成电路 DQ-295 根据设计选用的 UD-20 型离子感烟传感器，有 DQ-295 与之相 配套的专用集成电路。DQ-295 的管脚排列如图 3-7 所示， 图 3-7 DQ-295 管脚图 DQ-295 各引脚功能如下： 第 15 脚接离子感烟传感器的收集电极；12 脚为内部振荡器的 外接电容脚；7 脚接定时电阻；14、15 脚为输入保护用；5 脚为 发光管 LED；1 与 4 脚为检测脚；3 与 15 脚为电压与灵敏度设 置脚；10 与 11 脚为报警输出脚。其内部功能框图见图 3-8 所示。 火灾报警系统设计 14 图 3-8 DQ-295 内部结构框图 DQ-295 集成块内部设有检测信号阀值设置（超过阀值即输出 报警声）以及电池（或电源）低压设置（电压低于某值时发出报 警声） 。 见图 3-8，其中 A1 是电池低电压比较器 A2 信号电压比较 器。 A1 作为检测电池电压的比较器，用来检测电池的分压与内部稳 压管相比较，若电池电压较高，比较器 A1 端输出高电平；若电 池电压不足，则 A1 输出低电平，并给出电池电压不足的报警声 （每 24 个时钟脉冲检测一次） 。3 脚为电池电压外部设置端，可 以通过外接电阻网络来改变其低电压报警阀值。 A2 是检测信号阀值比较器，无烟雾信号时，传感器的输出平 衡电压大于内部设置的阀值电压，比较器 A2 输出低电平；当有 烟雾信号时，传感器输出电压下降 1V 左右，则其电压小于内部 设置的阀值电压，A2 翻转为输出高电平，并发出调制报警声。 与 A1 一样，也可以通过第 13 脚的外接电阻网络来改变阀值电 平高低。 火灾报警系统设计 15 3.2.3 离子感烟火灾报警器应用电路离子感烟火灾报警器应用电路 (1)电路原理： 离子感烟火灾报警器的应用电路见图 3-9 所示。它由离子感烟 传感器 UD-02 和与之配套的专用集成电路 DQ-295 等组成。 图 3-9 离子感烟火灾报警器 离子感烟传感器由内外两个电离室组成，当空气中无烟雾时， 输出端 B 输出电平约等于 1/2 电源电压即 4.5V，这时集成块不 工作，压电陶瓷喇叭无声。当空气中有烟雾粉尘时，烟雾颗粒进 入传感器的外电离室，使离子电流大幅下降，相当于等效电阻增 大，所已 B 端电平下降。此电平下降的信号加到集成块的第 15 脚，使集成块触发工作，第 10、11 脚就输出调制的报警信号， 推动压电陶瓷报警喇叭发出响亮的报警声。 (2)元器件选择与制作 电阻 R 均用 RTX1/8W 型炭膜电阻器； 电容可用 CT1 型磁介电容器； LED 为普通红色二极管； 扬声器为三端压电陶瓷扬声器； 火灾报警系统设计 16 为保证电路可靠正常工作，电源采用 9V 稳压电源供给。 3.3 单片机控制中心单片机控制中心 本设计是基于单片机的声光火灾报警器，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。 AT89C51 是一种低功耗/低电压、高性能的 8 位单片机、片内 带有 4K 字节的 FLASH 可编程，可擦除只读存储器（EPROM） ，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 FLASH 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 AT89C51 是一种功能强、灵活性高且价格合理的单 片机、可方便应用在与本次设计相关的控制领域。 3.3.1 时钟电路时钟电路及其功能要求及其功能要求 (1)时钟电路 AT89C51 内部有一个由反向放大器所构成的振荡电路，XTAL1 和 XTAL2 分别为振荡电路的输入端和输出端，时钟可以由内部方 式产生或外部方式产生。在此设计中选用内部方式产生时钟。内 部方式时钟电路与 AT89C51 单片机连接如图 3-10 所示。在 XTAL1 和 XTAL2 引脚上外接定时元件，内部振荡电路就产生自激 振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路。 晶体可以在 1.2MHZ 到 12MHZ 之间选择。电容值在 5-30PF 之间 选择。 火灾报警系统设计 17 图 3-10 内部方式时钟电路 (2)时钟电路功能要求 由控制器每延时 3 秒对每个烟雾传感器探头进行循环扫描。 3.3.2 中断系统中断系统 中断技术是计算机一项很重要的技术。中断系统是指能够实 现中断功能的相关硬件电路和软件程序。中断系统的功能主要为 了解决快速的 CPU 与慢速的外设间的矛盾。有了中断系统能使 计算机的功能更强、效率更高、使用更加方便灵活。 MCS51 系列单片机中，不同类型的单片机，其中断源数量 不同。8051 单片机的中断系统包括 5 个中断源、中断请求标志 位（分别在特殊功能寄存器 TCON 和 SCON 中） 、中断允许控制 寄存器 IE、中断优先级寄存器 IP 及内部硬件查询电路等部分。 5 个中断源分为 2 个中断优先级，可实现两级中断嵌套，IE 控制 CPU 是否响应中断请求。由 IP 设置个中断源的优先级，同一优 先级内的各中断源同时提出中断请求时，由内部查询电路确定其 响应次序。 (1)系统的基本组成 火灾报警系统设计 18 MCS-51 系列单片机有 5 个中断源。中断源分为 2 个中断优先 级，即高优先级和低优先级，每个中断源的优先级都可由软件来 设定。 MCS-51 的中断系统由 4 个与中断有关的特殊功能寄存器 (TCON、SCON 的相关位作中断源的标志位)、中断允许控制寄 存器 IE、中断优先级管理(IP 寄存器)和中断顺序查询逻辑电路等 组成。 中断源：MCS-51 单片机有五个中断源。其中、为 外部中断源，其中断请求信号分别由 P3.2、P3.3 引脚输入，可 选择低电平有效或下降沿有效(由和设置)。内部中断源有 T0、T1 溢出中断。串行口发送/接收共用一个中断源。 中断请求标志位：有五个中断请求标志位。标志位分别为 IE0、IE1、TF0、TF1、TI/RI。 中断允许：两级串联式中断允许。EA=1,开 CPU 中断；开 某个中断源中断时，还需将对应中断源的中断允许位 (EX0、ET0、EX1、ET1、ES)置位。中断允许控制位存放在特殊 功能寄存器 IE 中。 中断优先级：MCS-51 单片机中断分二级，即高级和低级。 对于每个中断源均可通过中断优先级控制寄存器中相应位控制， 当某中断源的优先控制位置“1”时，该中断源设置为高级，否 则为低级。对于同级中断源，由内部硬件查询逻辑来确定响应次 序。 中断源的入口地址：不同中断源均有不同的中断矢量，当某 中断源的中断请求被 CPU 响应之后，CPU 将通过硬件自动地把 相应中断源的中断入口地址(又称中断矢量地址)装入 PC 中，即 从此地址开始执行中断服务程序。因此，使用时一般在此地址单 元中存放一条跳转指令，当 CPU 响应中断时，使单片机自动执 行相应入口地址的跳转指令，然后再通过该跳转指令跳至到用户 安排的中断服务程序的入口处。MCS-51 单片机各中断源的矢量 地址是固定的。中断源的入口地址分别为： 外部中断 0 中断： 0003H 最高级 火灾报警系统设计 19 TO 定时器 0 中断： 000BH 外部中断 1 中断： 0013H T1 定时器 1 中断： 001BH 串行口输入/输出中断： 0023H 最低级 (2)中断控制部分的功能 8051 单片机中断控制部分由 4 个专用寄存器组成，他们的功 能分述如下： 中断请求标志寄存器。 5 个中断源的中断请求标志位以及定时器/计数器的控制位， 均设置在定时控制寄存器 TCON 和串行口控制寄存器 SCON 中。 中断开放和屏蔽 MCS-51 单片机中，设有一个专用寄存器 IE（称为中断允许寄存 器） 。其作用是用来对各中断源进行开放或屏蔽的控制。 中断优先级设定 MCS-51 单片机的中断分为 2 个优先级，每个中断源的优先级都 可以通过中断优先级寄存器 IP 中的相应位来设定。 中断管理 受 IP 寄存器控制，CPU 将各中断源的优先级分为高低 2 级，并 遵循以下 2 条基本原则： 1)低优先级中断源可以被高优先级中断源中断，反之不能。 2)一种中断一旦得到响应，与它同级的中断不能再中断它。 3)当 CPU 同时收到几个同一优先级的中断请求时，按自然优 先级顺序确定应该响应哪个中断请求；其自然优先级由硬件形成， 排列如下： 中断源 同级自然优先级 外部中断 0 最高级 定时器 0 中断 外部中断 1 定时器 1 中断 串行口中断 最低级 中断相应的阻断 火灾报警系统设计 20 在中断处理过程中，若发生下列情况，中断相应会受到阻断： 1)同级或高优先级的中断正在进行； 2)现在的机器周期不是执行指令的最后一个机器周期，即正在 执行的指令还没完成前不响应任何中断； 3)正在执行的是中断返回指令 RETI 或是访问专用寄存器 IE 或 IP 的指令。CPU 在执行 RETI 或读写 IE 或 IP 之后，不会马 上相应中断请求，至少要在执行其它一条指令之后才会响应。 若存在上述任一种情况，中断查询结果就被取消。 中断处理过程 中断处理过程分为三个阶段，即中断响应、中断处理和中断返 回。由于不同的计算机有不同的中断系统硬件结构，其中断相应 的方式也有所不同。8051 单片机的中断响应与中断返回由 CPU 硬件自动完成，而中断处理由软件完成。它们的详细过程在此就 不赘述。 3.4 声光报警模块声光报警模块 数码显示部分选用 BS212 共阴数码管，报警电路选用一片 KD9561 及放大器、扬声器来构成。 3.4.1 声音报警电路声音报警电路 声音报警电路在单片机 P2 口的控制下，可以在检测到火灾时 发出声音报警信号。声音信号由专门的语音芯片 PB2130UP002A 提供，由单片机的 P2.0 控制。只有当该信号为高电平时，芯片 才会根据控制端的控制信号发出报警声，否则不会发声报警。由 于该报警器约需 10mA 的驱动电流，因此，选择 TTL 系列集成 电路 7406 或 7407 低电平驱动。 如图 3-11 所示，驱动器的输入端接 AT89C51 的 P2.0，当 P2.0 输出高电平“1”时，7406 的输出为低电平，使压电蜂鸣器引线 获得将近 5V 的直流电压，而产生蜂鸣音响；当 P2.0 端输出低电 平“0”时，7406 输出端升高到约+5V，压电蜂鸣器的两引线间 的直流电压降至接近于 0V，发音停止。 火灾报警系统设计 21 图 3-11 声音报警接口 3.4.2 LED 显示器显示器 由 P2 口的 P2.4P2.7 分别控制 BS212 共阴数码管，予以进行 光报警并显示着火的烟雾传感器探头号。本设计中选用的 BS212 是共阴数码管，即把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。 使用时公共阴极接地，这样阳极端输入高电平的段发光二极管就 导通点亮，而输入低电平的则不点亮。七段发光二极管，加上一 个小数点位，共计八段。因此，提供给 LED 显示器的字型代码 正好一个字节。因为此设计考虑的是 32 个烟雾传感器探头，顾 需 2 个 BS212 数码管显示数字。其与 AT89C51 单片机控制器的 连接图如下图 3-12。 火灾报警系统设计 22 图 3-12 BS212 与 89C51 连接图 3.5 接口芯片接口芯片 8243 综合考虑，本系统选用了 8243 芯片扩展单片机的并行 I/O 口。 8243 为 24 脚的双列直插式芯片，其与 AT89C51 连线如图 3-13 所示。 图 3-13 8243 与 89C51 连接图 该芯片共有 4 个 4 位的并行 I/O 端口，即 P4、P5、P6 和 P7 口，这四个端口均可独立地设置或为输入口或为输出口。由于各 端口均为 4 位，因此十分适宜用于 BCD 码的输入/输出。CS 为 芯片的片选信号，低电平有效。 8243 芯片的 P2 口(P2.0P2.3)为控制及信号端口，其有两个 作用，一是传送设置芯片各端口工作方式的命令及端口地址，二 是传送经芯片输入/输出的数据。在第一种情况下，由 P2.1、P2.0 指定端口的地址，由 P2.3、P2.2 规定端口的工作方式， 各位具体的定义见表 3-1 所示。 表 3-1 8243 芯片 P2 口传送控制命令时各位的定义 火灾报警系统设计 23 表 3-1 中的“或” 、 “与”方式是指分别把输出的数据同被寻址端口的内 容进行“逻辑或”及“逻辑与”运算后再写入该端口。 因 P2 口既要传送控制命令，又要输入/输出数据，因此 8243 芯片用 PROG 脚上的输出信号控制 P2 口上两种性质不同的信息 的传输。PROG 信号的控制作用可用图 3-14 所示的芯片输入/输 出时序图予以说明。 图 3-14 8243 芯片操作时序图 由图 3-16 可见，在进行输入/输出时，先通过 P2 口传送选择 端口及端口操作方式的控制命令，该命令由 PROG 的下跳沿锁 存至 8243 内部的指令寄存器和地址译码器；而后进行数据的传 送，由 PROG 的上跳沿将数据通过指定的端口输入/输出。由于 P4P7 端口的输出具有锁存功能，则在 PROG 的上跳沿后输出 的数据将一直保持在相应的端口上；但输入无锁存，因此要求外 部输入的数据在 PROG 为低电平时需保持有效，仅在完成数据 的输入后才可予以撤除。 3.6 电源系统设计电源系统设计 在各种电子设备中，电源是不可缺少的组成部分，其性能的高 低直接关系到电子设备的技术指标和能否安全有效的工作。因为 本设计的整个系统必须 24 小时连续工作，并要保证在市电突然 停止供电的一定时间内保持系统正常工作，所以系统采用双电源 火灾报警系统设计 24 供电模式，即主供电模式和从供电模式。 本设计的电源系统，选择稳压的电源，然后通过电源检测控制 部分电路连接到主板的电源系统。单片机检测到火灾信息后，应 该能够自动切断主