毕业设计（论文）-基于单片机的火灾自动报警系统的设计.doc

00学院本科毕业设计（论文） 目录摘要 设计一种火灾自动报警控制系统。火灾报警技术研究的主要内容是：火灾参数的检测技术，火灾信息处理与自动报警技术，消防设备联动与协调控制技术，消防系统的计算机管理技术，以及火灾监控系统的设计、构成、管理和使用等。该系统由单片机构成，采用了整体解决方案，其主要特点为：低功耗，模拟量，报警迅速和抗干扰能力强。关键词：智能火灾报警控制器，模拟信号，单片机，烟雾探测器Abstract Introduces a kind of intelligent fire alarm control system and its working principleThe main research works on intelligent fire control technology are the detection of fire parameters，the process of fire information and automatic alarm，fire control equipment linkage and harmony control，management of firecontrol system ，the design，construction，management，use of computer supervising system of fire contro1Single chip is adopted in the system for a special solution is givenThe main characteristics are low power los， analog signals， quick alarming and strong antiinterferenceability application in fire control system Key words：intelligent fire alarm controller； analog signals；singlechip microcomputer；Smog detector 目录绪 论11.1 课题的研究背景11.2 课题设计的意义11.3 火灾报警控制系统的分类及特点21.4 课题完成的功能31.5 课题设计的方案3第二章 ADC0809芯片及ATC0809单片机42.1ADC0809芯片简介42.2ADC0809模数转换器的引脚功能52.3A/D转换器的主要技术参数62.4ADC0809与单片机接口62.5 AT89C51单片机性能介绍82.5.1 主要特性82.5.2管脚说明92.5.3振荡器特性102.5.4芯片擦除112.6 声光报警模块11第三章 系统硬件设计133.1 系统组成原理133.2 传感器的工作原理及组成143.3 气体、门磁开关和温度传感器143.3.1 气体传感器143.3.2 门控传感器153.3.3 温度传感器163.3.4 传感器的接口电路173.4 传感器的放大电路203.4.1集成运算放大器的组成203.4.2 差动放大电路213.4.3 仪表放大电路22第四章 系统软件设计23结论27致谢28附录129参考文献30III00学院本科毕业设计（论文） 绪论绪 论1.1 课题的研究背景 进入上世纪90年代后，我国经济步入高速发展的时期，城市化建设不断加快，城市建筑也由分散式低密度向集中式高密度过渡，林立的高层建筑成了城市的主要的标志。居民住进了高层塔楼，企业搬进了摩天大楼，高层建筑有效利用空间，节约了城市中本就十分紧张的土地资源。任何事物的发展都具有两面性，高层建筑中各种通讯线路、动力和照明线路、以及各种系统中线路纵横交错，致使火灾的发生概率也在大幅增加。加之现代建筑的密闭性较强，一旦发生火灾，整幢大楼就像一个大的火炉，而楼梯道、各种通风管道、线路竖井都是效果极佳的火筒，从而给灭火施救造成了巨大的难度，对火灾发生后及时发现、及时控制的要求促使了火灾报警产品应运而生。与此同时，现代计算机技术、通讯网络技术和自动控制技术的飞速发展又为人类实现更加理想化的生活提供了可能。智能小区应运而生了。在智能小区内安装智能型火灾报警控制系统是必不可少的。智能型火灾报警系统是一个集信号检测、传输、处理和控制于一体的控制系统，代表了当前火灾报警系统的发展方向。随着科学技术的迅猛发展以及国内外经济的迅速增长，市场上迫切需要一种容量大、性能优越、可靠性高、便于安装、使用和维护的智能型火灾报警控制系统。1.2 课题设计的意义 我国的火灾自动报警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，国产火灾自动报警系统均采用汉字显示，价格低廉，适合我国国情，但是火灾自动报警系统由于多数没有分布智能，可靠性低，且产品没有形成系列化、品种不全，产品的外观也较差，编程复杂，调试不方便，设备兼容性差。国外产品多数具有分布智能，可靠性高，产品具有系列化、品种齐全，产品外观美观，人机对话功能强。缺点是多数没有汉化，操作维护不便，价格较高，设备兼容性差。 根据以上的分析，开发具有国际先进水平的火灾自动报警设备，价格介于进口设备和国产设备之间，从而具有很高的性能价格比，因此，研制一种结构简单、价格低廉的智能型火灾报警器是非常必要的。1.3 火灾报警控制系统的分类及特点 火灾自动报警系统，一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成。其主要组成部分就是火灾探测器。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两种：即感烟探测器、感温探测器和光辐射探测器三大类，从物理作用上区分，可分为离子型、光电型。从信号方式区分，可分为开关型，模拟型及智能型。感温式探测器又可分为定温探测器、差温探测器、差定温探测器；感烟式探测器分为离子感烟探测器、光电感烟探测器；感光式探测器分为紫外光焰探测器、红外光焰探测器等。其中离子感烟探测器稳定性能较好，误报率又低，寿命长等优点，在火灾报警系统中被广泛使用。 目前，智能型火灾报警控制装置的优点大多由微处理器组成。智能型火灾报警控制装置的发展具有以下特点： （1）系统规模大 随着火灾自动报警控制装置技术的发展，火灾自动报警控制装置的容量不断大。系统可编地址，火灾报警显示发生地点，并发出声光报警，目前有的火灾报警控制装置的最大地址数(回路数)达到上万个。 （2）探测对象多样化 火灾自动报警控制装置除了有火灾报警功能外，还有防盗报警、燃气泄漏报警功能等。 （3）功能模块化、软件化，火灾自动报警控制装置采用可编址功能模块，对制造、设计、维修有很大方便。大部分功能通过软件设定，便于系统功法减低误报率。 （4）系统集散化 它本身是集散系统，功能集中，系统分散，一旦某一部分发生故障，不会对其他部分造成影响。联网功能增强，应用网络技术，不但火灾自动报警控制装置可以相互连接，而且可以和建筑物自动控制系统联网，增强了综合防灾能力，多个建筑物的控制系统也可以连接起来，相互传递信息，便于发挥智能建筑的优越性。 （5）功能智能化 在火灾自动报警控制装置中采用模拟火灾探测器，具有高灵敏度和蓄积时间设定能力。有的火灾探测器内置微处理器，具有信号处理能力，形成分布式智能系统。应用分布式智能技术，可减少误报的可能性，在火灾自动报警系统中采用人工智能、火灾数据库、模糊逻辑理论、人工神经网络等技术。 3300学院本科毕业设计（论文） ADC0809芯片及AT0809单片机1.4 课题完成的功能 当报警器监测到火情信息后，将表征火灾参数的物理量转化为电信号，通过电子线路将其放大、变换、传输、处理，直接通过Modem经公用电话交换网迅速向消防指挥中心报告火情信息(包括火灾单位编码、单位名称、火情级别以及报警时间等)，同时产生声光报警信号，并按事先预留的电话号 码自动拨号通知单位有关负责人。消防指挥中心根据接收到的火警信息，立即在消防信息数据库中查询单位位置、周围道路、交通、水源情况等基本信息，根据所获得的信息迅速确定最佳救火方案，通过网络将出警命令直接下达各消防中队。1.5 课题设计的方案 智能型火灾报警系统要求选用结构简单、价值低廉的元器件构成，而且要考虑其实用性。传感器的选取：  要准确地进行火灾报警，选择合适的温度和烟雾传感器是准确报警的前提。综合考虑各因素，本文选择集成温度传感器AD590和气体传感传感器AD590和气体传感器TGS202用作采集系统的敏感元件。 方案是采用以AT89C51为核心的单片机系统，可以实现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，当报警器监测到火情信息后，直接通过Modem经公用电话交换网迅速向消防指挥中心报告火情信息(包括火灾单位编码、单位名称、火情级别以及报警时间等)，同时产生声光报警信号，并按事先预留的电话号码自动拨号通知单位有关负责人，大大提高了系统的智能化程度，并且系统所测结果的精度很高。该方案比较实用，技术也比较成熟，普及程度比较高。 当火灾发生时，报警器监测到火灾信息后，除了在火灾现场产生声光报警信号外，还需要将火灾信息按事先预留的电话号码自动拨号通知单位有关人员，并迅速上报消防指挥中心，为此，系统设计了单片机与Modem通讯模块， 直接通过Modem经公用电话交换网迅速向消防指挥中心报告火情信息(包括火灾单位编码、单位名称、火情级别以及报警时间等)，同时产生声光报警信号，并按事先预留的电话号码自动拨号通知单位有关负责人。第二章 ADC0809芯片及ATC0809单片机2.1ADC0809芯片简介常用的集成A/D转换器有8位、10位、12位、16位等，每种又可分为不同的型号。下面以ADC0809为例介绍集成A/D转换器的内部结构与外部特性。ADC0809是CMOS的8位A/D转换器，采用逐次逼近式进行A/D转换。芯片内有一个8路模拟开关，一个比较器，一个带有树状模拟开关的256R分压器和一个逐次逼近的寄存器等等，其内部结构如图3.1所示。 图2.1 ADC0809内部逻辑框图 图中8路模拟开关用于选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，并公用一个A/D转换器进行转换。IN0IN7为8路模拟量输入端，模拟量输入电压的范围是05V，对应的数字量为00HFFH，转换时间为100s。ADDA、ADDB、ADDC为通道地址线，用于选择通道。ALE是通道地址锁存信号，其上升沿时，把ADDA、ADDB、ADDC地址状态送入地址锁存器中。VREF(+)、VREF()接基准电源，在精度要求不太高的情况下，供电电源就可用作基准电源。START是启动引脚，其上脉冲的下降沿启动一次新的A/D转换。EOC是转换结束信号，可用于向单片机申请中断或供单片机查询。CLK是时钟端，典型的时钟频率为640KHZ。DB0DB7是数字量输出。树状开关和256R分压器组成一个基本D/A转换器。当给ADC0809一个启动信号（START）后，通过控制与时序电路以及逐次逼近寄存器，采用逐步逼近的方式进行A/D转换。ADC0809转换后的数字量通过三态缓冲器输出，当输出允许OE=“1”时，打开三态输出门输出数字量。输入ADC0809的模拟信号是单极性的（0+5V）。2.2ADC0809模数转换器的引脚功能 IN0IN7:8路模拟量输入。A、B、C:3位地址输入端的不同组合选择,八路模拟量输入。ALE:地址锁存启动信号，在ALE的上升沿，将A、B、C上的通道地址锁存到内部的地址锁存器。D0D7:八位数据输出线，A/D转换结果由这8根线传送给单片机。OE:允许输出信号。当OE=1时，即为高电平，允许输出锁存器输出数据。 图2.2 START:启动信号输入端，START为正脉冲，其上升沿清除ADC0808的内部的各寄存器，其下降沿启动A/D开始转换。 EOC:转换完成信号，当EOC上升为高电平时，表明内部A/D转换已完成。CLK:时钟输入信号，0809的时钟频率范围在101200kHz，典型值为640kHz。VREF9=0，V REF9-0：参考电压输入端。VCC：+5V电源。GND：地。 2.3A/D转换器的主要技术参数（1）分辨率：分辨率是指输出数字量变化一个最小单位(最低位的变化)，对应输入模拟量需要变化的量。 输出位数越多，分辨率越高。通常以输出二进制码的位数表示分辨率。（2）转换特性：输入的是n位二进制数字信息B，输出的是与输入数字量成正比例的电压或电流。（3）线性度：当数字量变化时，D/A输出的电模拟量按比例关系变化的程度。模拟量输出偏离理想输出的最大值称为线性误差。（4）精度： 实际输出值与理论计算值之差。这种差值是由转换过程中的各种误差引起的，主要指静态误差，它包括以下几种：非线性误差，比例系数误差，漂移误差，转换时间。此外，还有输入低电平、电源电压范围、基准电压范围、温度系数等参数。2.4ADC0809与单片机接口图2.4 ADC0809与89C51单片机的接口电路图A/D转换电路采用了常用的8位8通道数模转换专用芯片ADC0809，电路如图2.4所示。温度、烟雾传感器的输出分别接到ADC0809的IN0和IN1。ADC0809的通道选择地址A，B，C分别由AT89C51的P00P02经地址锁存器74LS373输出提供。当P2.7=0时，与写信号WR共同选通ADC0809。图中ALE信号与ST信号连在一起，在WR信 号的前沿写入地址信号，在其后沿启动转换。例如，输出地址7FF8H可选通通道IN0，实现对温度传感器输出的模拟量进行转换；输出地址7FF9H可选通通道IN1，实现对烟雾传感器输出的模拟量进行转换。图中ADC0809的转换结束状态信号EOC接到AT89C51的INT1引脚，当A/D转换完成后，EOC变为高电平，表示转换结束，产生中断。在中断服务程序中，将转换好的数据送到指定的存储单元。00学院本科毕业设计（论文） ADC0809芯片及AT0809单片机2.5 AT89C51单片机性能介绍       AT89C51如图2.5所示是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图2.5AT89C51单片机2.5.1 主要特性 在众多的51系列单片机中，要算 ATMEL 公司的AT89C51、AT89S51更实用，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为 ATMEL AT89xx 做的编程器均带有这些功能。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。再着，AT89C51、AT89S51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。具体特性如下：与MCS-51 兼容；4K字节可编程闪烁存储器；寿命：1000写/擦循环；数据保留时间：10年；全静态工作：0Hz-24Hz；三级程序存储器锁定；128*8位内部RAM；32可编程I/O；两个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路2.5.2管脚说明  VCC：供电电压。    GND：接地。    P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。    P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。    P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。    P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）；P3.1 TXD（串行输出口）；P3.2 /INT0（外部中断0）；P3.3 /INT1（外部中断1）；P3.4 T0（记时器0外部输入）；P3.5 T1（记时器1外部输入）；P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）；P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）；P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。    RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。   /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。    /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。    XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。    XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.5.3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。有余输入质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。2.5.4芯片擦除  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 声光报警模块 声光报警电路在单片机P1口的控制下，由单频音报警接口电路组成，发音元件通常采用压电蜂鸣器，这种蜂鸣器只需在其两引线上加315V的直流电压，就能产生3kHZ左右的蜂鸣振荡音响，比电研式蜂鸣器结构简单，耗电少，且更适于在单片机系统中应用。如图2.6所示，P1.0接晶体管基极输入端，但P1.0输出高电平“1”时，晶体管导通，压电蜂鸣器得电而鸣音；P1.0输出低电平“0”时，三极管退出导通状态，蜂鸣器停止发音。 图2.6单频音报警接口电路    由P1口的P1.4P1.7分别控制4个发光二极管，予以光报警，如图2.7所示。P1.4P1.7控制的灯依次为绿色(正常信号灯)、黄色(故障信号灯)、红色(异常信号灯)和红色(火灾信号灯)。当这些输出端输出低电平时，对应的信号灯便会发光报警。图2.7 光报警电路图00学院本科毕业设计（论文） 系统硬件设计第三章 系统硬件设计3.1 系统组成原理 现场火灾报警器通过对传感器火情信息的检测，通过放大器将信号进行放大，然后通过A/D转换，将信号送到单片机，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，直接通过Modem经公用电话交换网迅速向消防指挥中心报告火情信息(包括火灾单位编码、单位名称、火情级别以及报警时间等)，同时产生声光报警信号，并按事先预留的电话号码自动拨号通知单位有关负责人。消防指挥中心根据接收到的火警信息，立即在消防信息数据库中查询单位位置、周围道路、交通、水源情况等基本信息，根据所获得的信息迅速确定最佳救火方案，通过网络将出警命令直接下达各消防中队。系统硬件电路原理图见附录1。00学院本科毕业设计（论文） 系统硬件设计3.2 传感器的工作原理及组成 传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。传感器输出信号有很多形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形式由传感器的原理确定。 传感器的组成：一般讲传感器由敏感元件和转换元件组成。但是由于传感器输出信号一般都很微弱。需要有信号调节与转换电路将其放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的形式。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。因此，信号调节与转换电路以及所需电源都应作为传感器组成的一部分。如图3.1所示： 图3.1 传感器的组成方框图 常用的信号调节与转换电路有放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等，它们分别与相应的传感器相配合。本系统所用到的是气体传感器和温度传感器。3.3 气体、门磁开关和温度传感器3.3.1 气体传感器 火灾中气体烟雾主要是CO2和CO。TGS202气体传感器应用电路如图所示，它能探测CO2，CO，甲烷、煤气等多种气体，他灵敏度高，稳定性好，气体传感器TGS202适合于火灾中气体的探测。如图2.2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006)时，VA端获得适当的电压(设为3 V)。 图3.2 TGS202气体传感器应用电路3.3.2 门控传感器 门控传感器采用热电式传感器IRAE100SZ1，当检测到有人接触时，传感器接收到的温度升高，接收到的信号经过交流放大器放大，使传感器的弱小电压升高，使输出能使ADC0809能够识别的电压值，当电压值小于0.8V时，可以认为传感器正常工作，输出为“0”。当电压高于0.8V以后，就被认为是有人接触到此传感器，送到ADC0809的信号就会为“1”，通过主机发出报警信号通知用户，如图2.3所示。 图3.3门磁传感器电路3.3.3 温度传感器 AD590是美国Analog Devices公司生产的一种电流型二端温度传感器。应用电路如图3.4所示。由于AD590是电流型温度传感器，他的输出同绝对温度成正比，即1A/k，而数模转换芯片ADC0809的输入要求是电压量，所以在AD590的负极接出一个10 k的电阻R1和一个100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10 mV/K。 AD590只需单电源工作，输出的是电流而不是电压，因此，抗干扰能力强，要求的功率很低（1.5mV/+5V/+25°C），使得AD590特别适于工作运动测量。因为是高阻抗电流输出，所以长线上的电阻对器件工作上影响不大。用绝缘良好的双绞线连接，可以使器件在距电源25m处正常工作。高输出阻抗又能极好的消除电源电压漂移和纹波的影响，电源由5V变到10V时，最大只有1µA的电流变化，相当于1°C的等效误差。输出特性也使得AD590易于老化，可以使CMOS多路转换器来开关期间的输出电流或用逻辑门的输出作为器件的工作电源来切换。还要指出的是，AD590能经受高至44V的正向电压和20V的反向电压，因而不规则的电源变化或管脚反接也不会损坏器件。图3.4 AD590应用电路3.3.4 传感器的接口电路 接口电路就是将传感器与后续有关电路相联系，构成实用传感器系统。这种接口有两种，即硬件接口和软件接口。所谓软件接口就是不管传感器与微型计算机连接方式如何，要在CPU控制下用相应程序取自传感器的数据存入计算机，由计算机进行处理。所谓硬件接口，就是考虑传感器与计算机连接采用何种电路，通过什么样输入口，获得期望的精度与响应特性。 接口设计是应考虑以下两个问题，其一是传感器的输出与计算机输入的匹配。传感器的输出信号有三种形式，即数字开关量、数字脉冲列和模拟信号，相应有三接口，如图3.5所示。 (c) 图3.5接口电路硬件接口 如图3.5（a）为微动开关与光电开关等传感器输出的数字开关量。 数字开关量有两种输出类型，电压输出型和触点输出型，传感器与控制装置连接有多种形式，一般有传感器输出0V或5V电压信号可以直接与控制装置连接。但对于程序控制器，多半采用触点输出形式。而电压输出型传感器要采用晶体管作为无触点作用连接。如图（b）所示的数字脉冲列信号，一般是用计数电路进行计数，然后送入计算机。而（c）所示传感器输出为模拟信号，对模拟信号处理最为复杂。首先要把模拟信号变为适合A/D转换器进行模/数转换。虽进行了预处理但还要放大、分压、滤波、取样保持和加减运算等，这一般采用运算放大器电路来实现， 如图3.6所示。 图3.6放大与分压电路 其二是器件的选用。分立元件、组件和大规模集成块都可实现相应的接口功能。但要兼顾成本、时间和技术力量选择合适的器件。接口的具体实现可采用硬件或软件，对于硬件接口主要考虑A/D转换器与计算机连接基本方式。首先经过预处理，把传感器输出为05V的电压信号，再经A/D转换为8为数字信号。一般是计算机发出启动信号，启动A/D转换为数字信号。一般是计算机发出启动信号，启动A/D开始转换，并用状态标志位来检测转换的结束，若转换期间状态标志位呈现低电平，一旦转换完成，状态标志位便呈现高电平，计算机的CPU通过各种方法检测到这个状态位的高电平的出现，并把数据取走。 A/D转换器的重要之处是转换速度与分辨率。但还要考虑传感器的响应、预处理电路特性和微处理机速度等。 消除噪声的方法有，传感器与预处理放大电路接线要尽量短；传感器信号界限要采用屏蔽线，外皮接地；放大电路的输入与输出之间尽量远离；放大电路增益不要太高，以免产生振荡；放大电路与传感器远离，以免产生强电场、磁场的干扰等。 软件接口是通过编程来实现。CPU通过A/D采集模拟数据方法大致有定时询问，即定时查询标志位，转换结束取走数据；延时等待，即CPU发出启动转换指令后，延时一段时间，转换结束后取走数据；中断技术，即采用中断方式取走数据等。消除开关量抖动的软件方式是在检测到开关状态发生变换时，进行一段的程序延迟，以避开开关抖动所造成的状态不稳时间。A/D转换的程序实例如下： START：LD A，00H OUT （00H），A LD A，01H OUT （00H），AINPUT：IN A，（02）H ANI 01H JP NZ，INPUT IN A，（01H）00学院本科毕业设计（论文） 系统硬件设计 3.4 传感器的放大电路 集成电路是利用各种不同的加工工艺，在一块连续的衬底材料上同时做出大量的三极管、二极管和电阻等电路元件，并把他们互连而成。这些元件尺寸极小、元件密度高、引线短，使得外部接线大为减少，从而提高了电子设备的可靠性与灵活性，降低了成本，使电子设备的装配大为减化，为电子技术的应用开辟了一个崭新的时代。 集成运算放大器就是其中之一，它是一个具有高放大倍数的直接耦合放大器。它首先被应用于模拟计算机的数值运算，所以称之为运算放大器。随着电子技术的发展，运算放大器的应用早已远远超出数值运算的范畴，作为一种放大器件，它广泛应用在测量、控制、通信、信号变换等各个方面。因此，集成运算放大器已成为模拟电路中的一个基本单元电路。可以这么说，凡需要电压放大的场合，都会首先考虑采用运算放大器。3.4.1集成运算放大器的组成 集成运算放大器的种类繁多，内部电路各不相同，但原则上它们都是由输入级、中间放大级、低阻输出级偏置电路组成，其构成框图如图3.7所示。输入级有和两个输入端。当在端输入时，输出信号与的极性相同，故称端为同相端；当在端输入时，输出信号与的极性相反，故称端为反相输入端。图3.7为集成运算放大器的电路符号。 图3.7集成运算放大器电路框图 （b）符号图3.8集成运算放大器内部电路框图3.4.2 差动放大电路 如果将输入信号同时加到运算放大器的同相端和反相输入端，便构成了差动放大电路，如图3.9所示。 图3.9 差动放大电路下面讨论差动放大电路输入与输出之间的关系。首先假设同相输入端对地短接，显然电路变成了反相放大器。如果再假设和同时输入，其输出电压应是和共同作用的结果，即上式右边第一项代表反向放大器的输出，而第二项代表同相放大器的输出。若令，则 上式是差动放大电路的常用公式，起输出增益取决于上式说明在四个电阻值相等的条件下，差动放大电路成为了一个减法器，其输出为两个输入信号直接相减。 这种差动放大电路在测量仪器及仪表中应用很广泛。3.4.3 仪表放大电路 图3.10的仪表放大器是由三个运算放大器组成的差动放大器，由于它主要用于测量仪表中，所以称为仪表放大器。目前仪表放大器已实现集成化，即将三个运算放大器集成在一个硅片上，形成了一种专用的高精密度仪表放大器，像美国生产的INA101就是这种集成电路。 在图3.10中，A1和A2都为同相放大器，A3为差动放大器，它把A1和A2的差动输出变成单端输出。通常A3组成减法器，即R3=R4=R5=R6。当R1=R2时放大器的增益为R1/RP，调节电位器RP，便可改变增益的大小。 图3.10仪表放大器电路 仪表放大器特别适合用于弱信号的放大，因此它常用作传感信号的放大，如热敏电阻传感信号、应变式传感信号、远距离传感信号等。因此，它在各种测量仪器、仪表和医疗仪器等领域得到了广泛的应用。00学院本科毕业设计（论文） 系统软件设计第四章 系统软件设计 为了降低误报率，系统采用了多次采集、多次判断的方法。每次数据采集后根据得到的数据对现场情况进行判断：00H表示正常、01H表示异常、02H表示火灾；然后综合多次判断结果做出最终的火情判断。具体判断方法如下： 单片微机主程序框图如图4.1所示。该程序首先初始化，置检查周期后读入烟感信号，然后判传感器有故障吗？如有则转故障报警，如没有故障则转换为探测周期，然后判有异常吗？即是否有烟感或温感动作？如有异常则判异常数是否有2，即烟感温感是否同时动作，如是则发火灾报警，如不是则发异常报警，如探测结果无异常则置检查周期重新读入烟感传感器信号。图4.1单片机主程序框图 图4.2是故障处理子程序。当在检查周期读入的烟感与温感信息存储在C中，为1是说明有故障信号存在，但第一次采集不能决定是故障，也可能是由干扰引起。这是利用了累加器Acc实现第二次采集，第一次采集的值与Acc相与，因第一次Acc值为“零”，故相与结果C1第二次Acc相反其值为“1”，如C值仍为“1”则想与仍为“1”，此时说明不是干扰是真故障，故发故障报警信号。 采集次数判零