《2017畢業(yè)論文-基于AT89S51單片機的火災檢測報警系統(tǒng)的設計.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《2017畢業(yè)論文-基于AT89S51單片機的火災檢測報警系統(tǒng)的設計.doc（32頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書（2008）火災檢測報警系統(tǒng)的設計摘要：火災檢測報警系統(tǒng)是現代樓宇建筑很重要的一個環(huán)節(jié),對人身安全及財產的保護有這不可或缺的意義。火災檢測報警系統(tǒng)的設計是以51系列的單片機AT89S51和W77E58為核心,采用無線通訊技術構成的檢測報警系統(tǒng)。系統(tǒng)由檢測發(fā)射部分和接收控制部分兩部分組成。檢測部分針對發(fā)生火災時產生的煙霧與溫度的變化進行設計，煙霧檢測采用了Motorola公司生產的具有聲光報警電路的MC14468芯片，配合外圍電路構成；溫度檢測采用數字溫度傳感器件DS18B20構成。通訊收發(fā)部分使用美國Nordic公司最新推出的基于無線通信的 nRF401型單片射頻

2、收發(fā)器，采用了無線通信和FSK（頻移鍵控）調制解調技術，工作頻率穩(wěn)定且抗干擾能力強，不需要對數據進行編碼，外圍電路簡單，使用方便。關鍵字：火災報警;無線;單片機;27The design on the fire detection and alarm systemAbstract: The fire detection alarm system is a very important part of the modern building, and it has the unique significance to the personal safety and property protec

3、tion. The design on the fire detection and alarm system discussed how the wireless technology constitute the detection alarm system on the base of the series from 51 SCM AT89S51 and W77E58. The system mainly consist of the sending part of testing and receving part of control. The testing part was de

4、signed to the smoke and temperature changes on fire, The smoke testing part used the MC14468 chip with a sound and light alarm circuit produced by the Motorola company, with the external circuit. The temperature testing part consist of the digital temperature sensor of a DS18B20. The communication t

5、ransceivers part used the nRF401 single radio transceiver based on the latest wireless communications which was produced by the United States Nordic companies. This part used the wireless communications and FSK (FSK) modem technology, and it has the features of the stable frequency, strong anti-inte

6、rference ability, the simple external circuit, easy to use. And it also need no data encoding.Keyword: fire alarm; wireless; SCM;目錄1概 述12系統(tǒng)總體設計方案12.1智能報警系統(tǒng)的總體構成12.2報警系統(tǒng)的功能及工作過程32.2.1報警系統(tǒng)的特點和功能32.2.2系統(tǒng)的基本工作過程33用戶端探測器設計33.1防火探測器電路設計43.1.1溫度探測器53.1.2離子感煙探測器54用戶端自動報警器設計94.1用戶端自動報警器總體設計94.2聲光報警電路94.3用戶端自

7、動報警器軟件編制104.3.1探測模塊程序設計114.3.2報警模塊程序設計114.3.3控制模塊程序設計125管理監(jiān)控中心中央控制器設計125.1中央控制器硬件總體設計125.1.1 LED數碼顯示模塊的設計145.1.2上位機連接模塊的設計165.2管理監(jiān)控中心報警器硬件電路的連接185.3管理監(jiān)控中心端自動報警器軟件編制185.3.1接受信息模塊程序設計185.3.2報警模塊程序設計185.3.3控制模塊程序設計196無線通訊模塊的設計196.1通訊模塊總體設計196.1.1 nRF401天線設計與外部連接196.1.2無線通訊模塊的電路設計216.2發(fā)射部分設計226.3接受部分設計2

8、26.4通訊模塊軟件設計227系統(tǒng)的抗干擾措施238結 束 語25致 謝26參考文獻27附 錄28附錄1源程序28附錄2設計圖紙28火災檢測報警系統(tǒng)的設計1概 述針對國內外的發(fā)展情況，住宅智能安全防范系統(tǒng)是我國未來智能住宅建設的重點發(fā)展方向。智能化火災檢測報警系統(tǒng)是依托無線網作傳輸媒體的報警系統(tǒng)。無線收發(fā)器采用美國Nordic公司最新推出的基于無線通信的nRF401型單片射頻收發(fā)器，該芯片采用了無線通信和FSK（頻移鍵控）調制解調技術，工作頻率穩(wěn)定且抗干擾能力強，不需要對數據進行編碼，外圍電路簡單，使用方便。由于采用低發(fā)射功率和高接收靈敏度的設計方案，因此不受無線電管理條例的限制，無須辦理許可

9、證。nRF401的引入是本系統(tǒng)的突出特點之一，極大的提高了系統(tǒng)的實時性，這對系統(tǒng)安全是相當重要的。與傳統(tǒng)的區(qū)域報警系統(tǒng)相比，具有硬件簡單、安裝方便的優(yōu)點，而對于實行物業(yè)管理的居民區(qū)以及機關、事業(yè)單位的辦公區(qū)則采用分戶對值班室的聯網方案。 火災檢測報警系統(tǒng)符合國家建設部對普及型住宅小區(qū)的要求，實現功能包括：能對住宅的火災實行自動檢測報警；住宅設置緊急呼叫系統(tǒng)；用戶端自動報警器對各傳感器的信號進行檢測和控制；小區(qū)管理中心中央控制器對各用戶端自動報警器完成數據的采集和信號的傳輸。 智能報警系統(tǒng)主要包含用戶端電子防火系統(tǒng)及監(jiān)控管理控制中心兩大部分。用戶端的電子防火系統(tǒng)又包括探測器、自動報警器及輸出等組

10、成部分，并將模塊化思想引入此系統(tǒng)，從而使整個系統(tǒng)的功能更完善、靈活、可調。系統(tǒng)包含硬件電路的設計與應用方面，實現過程包括電路原理設計、元器件(芯片)選擇與特性測試、編制程序及軟件調試、設計外觀及制板、產品抗干擾。另外，在滿足各項性能指標的前提下，不僅要考慮到系統(tǒng)的易用性，還要努力降低成本，使其經濟實用，在保證靈敏度的情況下，盡量降低誤報率，確保在同類產品中的競爭地位。2系統(tǒng)總體設計方案2.1智能報警系統(tǒng)的總體構成 智能住宅火災檢測報警系統(tǒng)開發(fā)設計方案是參照國內外相關技術的發(fā)展狀況，結合我國住宅建設的實際情況，以及各相關方面的協調發(fā)展狀況，為滿足新時期居民的居住要求，真正實現智能化報警的要求來確

11、定的?；馂臋z測報警系統(tǒng)是一種新型的電子安全報警系統(tǒng)，系統(tǒng)的設計是將電子探測和智能控制技術相結合，系統(tǒng)總體構成包括火災檢測探測器、用戶端自動報警器、管理監(jiān)控中心中央控制器與通訊線路四個模塊，系統(tǒng)組成框圖如圖2-1所示。用戶端自動報警器（AT89S51）溫度探測器離子煙霧探測器防火探測器開關量的輸入緊急呼救開關通訊模塊工作燈報警燈故障燈報警蜂鳴器警示信息報警蜂鳴器LED數碼顯示報警通訊模塊小區(qū)監(jiān)控管理中心中央控制器CPU(W77E58)聯動模塊主控計算機圖 2-1 智能火災檢測報警系統(tǒng)組成框圖用戶端自動報警器安裝于居民住宅內，用于對居民住宅各個不同部位的不同類型探測器(離子感煙、溫度)進行監(jiān)測與控

12、制，并對從各個探測器采集來的數據進行處理。當出現異常情況時，及時報警，并與中央控制器建立聯系，將相關信息傳送至中央控制器中。小區(qū)監(jiān)控管理中心中央控制器安裝于住宅小區(qū)的值班室內，可以同時控制、管理多個用戶端自動報警器，主要用于接收處理從用戶端報警器傳來的數據信息，一旦收到報警信息立即進行存儲以備查詢，主控計算機通過對中央控制器的查詢可顯示出各種報警信息，同時由高響度喇叭等設備告知值班人員，以便及時做出相應的處理。2.2報警系統(tǒng)的功能及工作過程2.2.1報警系統(tǒng)的特點和功能（1）報警功能：一旦有火警發(fā)生，立即發(fā)出報警，能準確到具體樓層、具體房間、具體探測器；（2）自動記錄功能：即時記錄異樣情況，以

13、中文打??；（3）資料檔案功能：能儲存歷史火警資料，為做好防火工作提供依據；（4）狀態(tài)指示功能：對一切消防設備的工作狀態(tài)進行顯示；（5）信息反饋功能：可對任何樓層的火警信息由計算機喇叭或電鈴發(fā)出火警報警聲以引起值班人員的警覺；（6）疏散指示功能：一旦發(fā)生火警，能將火災樓層按設定的疏散方案及時顯示于電腦的顯示屏上，協助指揮員分析火情，指導疏散；（7）滅火準備功能：一旦發(fā)生火警，能自動啟動消防水泵投入運行，為消防栓的滅火提供充足的水源。 （8）用戶端自動報警器內提供備用電源，在沒有市電的情況下，交直流供電自動切換，確保系統(tǒng)在停電時能繼續(xù)工作。2.2.2系統(tǒng)的基本工作過程用戶端的防范現場，一旦發(fā)生災情

14、，與之相應的報警探測器(各種火災傳感器及手動報警按鈕等)則立即向用戶端自動報警器發(fā)出報警信號。接到警情事件后，自動報警器立即進行確認(多次巡檢中斷信號)，若50s后無人解除警情同時警情確認無誤后，進行事件的現場聲(蜂鳴器)、光(LED)報警。在用戶端自動報警器的面板上設有按鈕以及三色警燈(LED)，三色警燈分別指示火災防火報警、正常工作及系統(tǒng)出現故障的狀態(tài)，即報警燈(紅)、工作燈(綠)和故障燈(黃)。與此同時，前端自動報警器通過通訊線路向小區(qū)監(jiān)控中心發(fā)送報警信號，從小區(qū)監(jiān)控中心的計算機屏幕上不但可以準確地區(qū)別顯示出報警的類別(火警、緊急呼救等)，還可以顯示出報警的單位、地址、電話號碼及聯系人等

15、信息，并由中央控制器打印出報警的有關信息，同時報警信息發(fā)送至主控計算機數據庫，以備查詢。3用戶端探測器設計探測器電路設計是本課題電路設計的重點之一，探測器電路部分，由多種類型傳感器實現多元信號綜合檢測是本系統(tǒng)中探測電路部分的基本設計思想，多元信號檢測一方面完成火情的實時監(jiān)測任務，另一方面大大降低了探測器部分的誤報率，提高了整個系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性。3.1防火探測器電路設計防火探測器是由溫度探測和離子感煙探測構成的復合型火災探測器。多傳感器設計思想解決了傳統(tǒng)單一防火探測器一直存在的誤報率高的問題，增強了火災探測的可靠性。復合型火災探測器原理示意圖如圖3-1所示。由于單元探測技術所采用的單一參數

16、火災探測器(包括閾值觸發(fā)式和模擬量式)對火災特征信號響應靈敏度的不均勻性，導致它對實際火災的探測能力受到了限制，尤其是用于對家庭住宅火情的準確探知更是重要。因此，報警系統(tǒng)中對火災信號的檢測采用多傳感器/多判據的火災探測技術，將探測器探測到的多元火災探測信息經單片機進行綜合判斷，在軟件設計中加入了神經網絡智能算法，仿真實現了多元同步智能探測。溫度探測器 MCU單片機預處理神經網絡離子感煙探測器圖3-1 復合型火災探測器原理示意圖實際上，響應各種不同類型的火災，通常使用不同類型的火災傳感器，比較實驗結果如表3-1中所示。離子感煙探測器不僅可探測一般火情，對陰燃火尤其有極好的探測效果，主要用于火情早

17、期各種燃燒的煙霧顆粒進行探測，這一點就彌補了感溫探測器對陰燃火不敏感，響應速度慢以及不能區(qū)分是火災的熱還是空調或烹飪蒸氣的熱等缺點。表3-1各種火災探測器比較實驗對照表傳感器類型單傳感器元件閾值探測器多傳感元件探測器實驗火類型光電感煙探測差溫探測離子感煙探測離子和差溫復合探測木材明火不合適最佳最佳最佳木材熱解火最佳不合適合適合適綿繩陰燃火很合適不合適最佳最佳聚氨酯塑料火很合適合適很合適很合適正庚烷火很合適很合適最佳最佳無煙液體火不合適最佳不合適最佳3.1.1溫度探測器溫度探測器使用數字溫度傳感器DS18B20，5V直流電壓供電。DS18B20是DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器，具有3

18、引腳TO92小體積封裝形式；溫度測量范圍為-55+125，可編程為9位12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.0625，被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產生；多個DS18B20可以并聯到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。以上特點使DS18B20非常適用于遠距離多點溫度檢測系統(tǒng)。 DS18B20的測溫原理是利用溫敏振蕩器的頻率隨溫度變化的關系，把溫度信號直接轉換為串行數字信號，通過內部計數器對受溫度影響的振蕩器周期的計數可實現溫度測量。探測器中DS18B

19、20采用外接電源供電方式，保證在有效的DS18B20時鐘周期內能提供足夠的電流，圖3-2中通過單片機的一個I/O口（P1.7）對DS18B20進行控制并取得溫度值。DS18B20+5VMCUP1.7圖3-2 溫度探測器電路單片機不斷的對DS18B20檢測到的溫度進行判斷，當超過預設的溫度值時，就觸發(fā)報警機制，這樣就實現的溫度檢測報警功能。3.1.2離子感煙探測器3.1.2.1離子感煙探測器的工作原理離子感煙式火災探測器是采用空氣離化探測火災方法構成和工作的。它利用放射性同位素釋放的高能量射線將局部空間的空氣電離產生正、負離子，在外加電壓的作用下形成離子電流。當火災產生的煙霧及燃燒產物，即煙霧氣

20、溶膠進入電離空間（一般稱作電離室）時，表面積較大的煙霧顆粒將吸附其中的帶電粒子，產生離子電流變化，經電子線路加以檢測，從而獲得與煙濃度有直接關系的電測信號，用于火災確認和報警。 系統(tǒng)中離子煙霧傳感器采用了UD-20型離子煙霧傳感器，它的靈敏度高，可靠性好，具有兩個電離室和一個放射源，其外形如圖3-3所示。A電極接9V電源正極，B電極接電源負極（地），C電極為收集電極。在205時，在空氣清潔的條件下，收集電極的平衡點位為55.6V；有煙霧時，收集電極的電位僅為1.11.2V，電壓差值較大，這樣可以保證判斷的準確性。BAC進煙孔圖3-3 UD-02 型離子式煙霧傳感器3.1.2.2 MC14468

21、的結構特點及工作原理（1）結構特點MC14468是美國摩托羅拉公司生產的離子感煙探測報警專用芯片，為大規(guī)模CMOS電路構造。它只需外接一個離子源和用于安裝離子源的離子室及少量的外部元件，即完成煙霧探測、報警的功能。當探測到煙霧時，它能通過外接的壓電式換能器和內部的驅動電路發(fā)出報警的功能。它主要具有以下一些特點：（a）內置高輸入阻抗的場效應管比較器；（b）內含壓電式蜂鳴器的驅動電路，可以直接驅動蜂鳴器；（c）探測信號輸入端具有保護二極管；（d）電池欠壓報警，電池電壓報警點可通過外接電阻設置；（e）探測閥值即靈敏度可通過電阻進行設置；（f）具有一個I/O腳，允許40個報警單元相互連接在一起，組成一

22、個多點報警區(qū)域系統(tǒng)。（2）工作原理MC14468為雙列直插式（DIP）16腳封裝，其引腳如圖3-4所示。 圖3-4 MC14468封裝圖由圖可以看出它具有直接同離子室中的各極相連的引腳（引腳14、15、16）和發(fā)光二極管驅動輸出引腳（引腳5）等。MC14468的內部結構框圖如圖3-5所示。圖3-5 MC14468內部結構內含有振蕩器、定時器、鎖存器、報警控制邏輯電路，和高輸入阻抗的比較器、電阻網絡等。沒有檢測到煙霧時，MC14468內部振蕩周期為1.67S。每個1.67S周期內，內部的電源都提供給整個芯片工作。除了LED閃亮、電池欠壓告警和有煙霧報警期間，它都不停的檢測有無煙霧，每24個周期檢

23、測一次電壓是否正常，它是通過與比較器中的一個齊納穩(wěn)壓二極管相比較而得出，應為整個探測裝置對功耗的要求比較高，所以經12腳接的振蕩電容應該選低泄露的電容，以提高電池壽命。當MC14468檢測到有煙霧時，振蕩器的振蕩周期變?yōu)?0ms，壓電蜂鳴器振蕩驅動電路啟動，啟動使能輸出為維持高電平160ms后，停止80ms。在停止期間，繼續(xù)檢測煙霧的變化，這時如果沒有檢測到煙霧，則禁止蜂鳴器振蕩電路振蕩，將不發(fā)出報警聲。在煙霧報警過程中，將禁止電池欠壓報警，同時LED發(fā)光二極管指示等閃亮，頻率約為1Hz。檢測輸入端的鄰近腳均設置有隔離保護，這三個腳的輸入端電壓必須在100mV以內，為維持其泄露電流最小化，提高

24、其測量精度，15腳檢測輸入端內部設置有保護二極管，防止靜電干擾等引起場效應管損壞。煙霧探測的靈敏度和電池欠壓告警值可以通過外接電阻來設置，它們共用一個電阻分壓網絡，通過3腳將一電阻接到VDD，可設置電池欠壓告警電壓值，通過13腳將一電阻接至VSS可設置靈敏度級別；靈敏度級別的設置也可以通過改變離子室的結構或離子源的強度。3.1.2.3離子感煙探測器電路設計（1）電路組成及工作原理當UD-02檢測到煙霧顆粒時，其收集電極C產生的檢測信號送到MC14468內部電路處理后，由10、11腳輸出報警信號，它能驅動其外圍連接的壓電陶瓷蜂鳴器或壓電式揚聲器發(fā)出報警聲，與此同時，還驅動發(fā)光二極管（LED）以1

25、Hz的頻率閃爍發(fā)光，利用聲光報警達到煙霧報警的最佳效果。MC14468的1腳（檢測輸出端）直接聯接單片機的INT0如圖3-6，當檢測到煙霧時，其輸出的高電平通過INT0控制單片機內部定時器T0工作，定時50 ms，T0溢出中斷，進入中斷服務程序。在檢測到煙霧時，MC14468自身的100 mV的滯后電壓會防止其他外界因素（如飛蟲）造成的誤報警，加以單片機產生50 ms的延時，更能提高系統(tǒng)的可靠性。每次T0記時開始時，要由軟件重新置初值，從而不會由于50 ms期間MC14468管腳1上的信號消失或變低而導致下次運行出錯。 圖3-6離子感煙探測電路（2）各元器件的作用及參數的確定電路中的按鈕SB用

26、來檢查報警功能是否正常。當按下SB時，9V電源經R4、R5分壓后變成4.5V由UD-02的A電極輸入傳感器，模擬有煙霧時的狀態(tài)，使收集電極C的輸出電壓降低。只要在此狀態(tài)下報警電路會發(fā)出報警聲，就表明電路正常工作。限流電阻R1 = （9V-2V）/ 20 mA =350 （這里黃色發(fā)光二極管的工作電壓為2V，工作電流為20mA）。RT和CT分別為振蕩電阻和振蕩電容。蜂鳴器驅動電路經外接的C2、R3、R2形成調制的變頻輸出，從而推動蜂鳴器發(fā)出報警。4用戶端自動報警器設計4.1用戶端自動報警器總體設計用戶端自動報警器是系統(tǒng)的又一設計重點，自動報警器組成框圖如圖4-1所示。系統(tǒng)微處理器采用美國ATME

27、L公司生產的AT89S51單片機，AT89S51采用CMOS工藝，是一種低功耗、高性能的，與INTEL 8051系列單片機完全兼容的8位微控制器，而且內部集成看門狗定時器不再像8051那樣需要外接看門狗芯片，節(jié)省了硬件資源。AT89S51內部具有4K字節(jié)的Flash(閃速)存儲器，可反復擦寫，在設計程序時可反復修改原程序、編譯、并燒寫到單片機，適合單片機最小系統(tǒng)的開發(fā)與研制。神經網絡智能處理溫度探測器用戶端自動報警器CPU AT89S51緊急呼叫按鈕輸入/輸出控制電路報警蜂鳴器LED指示燈離子感煙火災探測器通訊模塊圖4-1用戶端自動報警器組成框圖電路原理圖見附錄2.1。4.2聲光報警電路電路如

28、圖4-2（a）和（b）所示。當用戶端系統(tǒng)確認有火災發(fā)生時，P2.0和P2.3輸出低電平，使得PNP三極管導通。由圖4-2（a）可知當三極管Q1導通時紅色的LED發(fā)光，由圖4-2（b）可知當三級管Q4導通時蜂鳴器發(fā)聲。限流電阻R11=(5V-2V)/20mA=150 （這里紅色發(fā)光二極管的工作電壓為2V，工作電流為20mA）。電阻R8和R15取值較大，防止三極管擊穿時反向電流過大，破壞單片機芯片。 圖4-2（a）發(fā)光報警電路 （b）聲音報警電路4.3用戶端自動報警器軟件編制 用戶端軟件部分采用模塊化設計，分為主控模塊，探測模塊，報警模塊，通訊模塊。在Keil uVision2的環(huán)境里，應用C語言

29、編寫。完整程序見附錄1。主程序流程圖見圖4-3。開 始初始化T0是否溢出中斷？溫度是否超限？INT1是否中斷？NN NINT0中斷，重新置T0初值YYY返 回啟動報警機制返 回圖4-3主程序流程圖程序初始化后，即對溫度、煙霧及緊急按鈕進行監(jiān)控。當緊急報警按鈕按下時INT1中斷啟動報警機制；DS18B20的輸出端接至單片機P1.7口，當單片機檢測到溫度超過預設的溫限時，啟動報警機制；MC14468的1腳（檢測輸出端）直接聯接單片機的INT0，當檢測到煙霧時，其輸出的高電平通過INT0控制單片機內部定時器T0工作，定時50 ms，T0溢出中斷，進入中斷服務程序，啟動報警機制。啟動報警機制后，紅色的

30、LED閃爍、蜂鳴器鳴叫，并且同時通過串口發(fā)送災情數據由nRF401發(fā)射到控制監(jiān)控中心。4.3.1探測模塊程序設計void int1_buttom() interrupt 2 /外部中斷1，用戶端緊急按鈕按下 warning(); /啟動報警void timer0_ISR() interrupt 1 /定時器0溢出中斷，檢測到煙霧 TH0 = 0 x3C; /為T0填入初值，定時時間為50ms TL0 = 0 xB0; warning(); void int0_ISR() interrupt 0 /外部中斷0，煙霧消失。 TH0 = 0 x3C; /為T0填入初值，定時時間為50ms TL0 =

31、 0 xB0;void read_ temperature() /讀取溫度 4.3.2報警模塊程序設計sbit LED_RED =P20; / 定義P2.0口，紅色ledsbit Beef =P23; / 定義P2.3，蜂鳴器void warning()LED_RED =0; / 點亮LEDBeef=0； / 蜂鳴器鳴叫transmint_data(); / 發(fā)送數據給控制中心4.3.3控制模塊程序設計void main() timer0_init(); / 定時器0初始化 serial_init(); / 串口初始化 while(1) / 反復檢測 read_temperature(); /

32、讀取溫度 if(sdata50)warning(); /超限報警5管理監(jiān)控中心中央控制器設計小區(qū)管理監(jiān)控中心中央控制器是系統(tǒng)中至關重要的一部分，它是主控計算機與用戶端自動報警器之間的橋梁、紐帶，負責主控計算機與自動報警器之間的指令、數據的存儲和傳輸，可以連接多個用戶端自動報警器。住宅小區(qū)中住戶的數目成百上千，每戶都安裝有一個用戶端自動報警器，由于通訊距離、速度和質量的限制，不可能每一個自動報警器都和主控計算機之間直接進行指令和數據的通訊，所以采用中央控制器作為中間橋梁，可以對自動報警器不間斷查詢，同時將自動報警器報警信息等數據事先存在中央控制器，等待主控計算機查詢。中央控制器實現的主要功能是：

33、當用戶端探測器監(jiān)測到警情時，通過住宅內的自動報警器傳輸至住宅小區(qū)管理監(jiān)控中心的中央控制器，并向相關部門(管理中心或戶主)發(fā)出報警信號。主控計算機將中央控制器接收到的報警信息準確顯示，如警情發(fā)生的住戶名稱、地址等，提示保安人員迅速確認警情，及時趕赴現場，以確保住戶人身和財產安全。5.1中央控制器硬件總體設計系統(tǒng)中的中央控制器作為主控計算機和自動報警器之間的橋梁，是數據的中間存儲站，組成框圖如圖5-1 所示，它包括上位機連接模塊、通訊模塊、LED數碼顯示模塊、高響度喇叭和水泵聯動模塊。系統(tǒng)微處理器采用Winbond公司推出的一個快速8051 兼容微控制器W77E58，它的內核經過重新設計，提高了時

34、鐘速度和存儲器訪問周期速度。經過這種改進以后，在相同的時鐘頻率下，它的指令執(zhí)行速度比標準8051 要快許多。一般來說，按照指令的類型，W77E58的指令執(zhí)行速度是標準8051的1.53倍。整體來看，W77E58的速度比標準的8051快2.5倍。在相同的吞吐量及低頻時鐘情況下，電源消耗也降低。由于采用全靜態(tài)CMOS設計，W77E58能夠在低時鐘頻率下運行。工作電壓為4.5V-5.5V，具有1KB片上外部數據存儲器，當用戶應用時使用片上SRAM代替外部SRAM，可節(jié)省更多I/O口。通訊模塊中央控制器CPUW77E58LED數碼顯示水泵聯動高響度喇叭電平轉化模塊PC機圖5-1 中央控制器組成框圖該芯

35、片具有如下特點：（1）8位CMOS微控制器；（2）每4個時鐘周期為一個機器周期的高速結構，最大外部時鐘頻率為40MHZ；（3）與標準80C52管腳兼容；（4）指令與MCS-51兼容；（5）4個8位I/O口；（6）一個附加的4位I/O口和等待狀態(tài)控制信號 (僅限44腳PLCC/QFP 封裝) ；（7）3個16位定時/計數器；（8）12個中斷源，2級中斷能力；（9）片上振蕩器及時鐘電路；（10）二個增強型全雙工串行口；（11）32KB，Flash EPROM；（12）256字節(jié)片內暫存RAM；（13）片內1KB外部數據存儲器（用MOVX指令訪問）；（14）可編程看門狗定時器；（15）軟件復位；（1

36、6）2個16位數據指針；（17）對外部RAM及外設的訪問周期可以進行軟件編程。5.1.1 LED數碼顯示模塊的設計5.1.1.1元器件的介紹系統(tǒng)中使用了LED動態(tài)掃描顯示技術。顯示譯碼器選用了目前廣泛使用的七段字符顯示器BS201，根據實際情況一共使用了六位；BCD-七段顯示譯碼器使用了可以直接驅動共陰極半導體數碼管BS201的SN7448；位選功能的實現選用了占用單片機端口較少的74SL138譯碼器。（1） 七段字符顯示器BS201BS201是磷砷化鎵發(fā)光二極管，發(fā)出的光線呈橙紅色。如圖5-2是BS201的外形圖和等效電路，這種數碼管的每個線段都是一個發(fā)光二極管，每一段的工作電流在10mA左

37、右，因而也把它叫做LED數碼管或LED七段顯示器。（2） BCD-七段顯示譯碼器SN7448在顯示模塊中起到驅動譯碼的作用。共陰數碼管的譯碼電路SN7448內部有限流電阻，故后接數碼管時不需外接限流電阻。但SN7448拉電流能力?。?mA）,灌電流能力大（6.4mA）, 所以一般都要外接電阻推動數碼管，如下圖5-3。其譯碼真值表如表5-1所示。表5-1 為BCD-七段顯示譯碼器的真值表輸 入輸 出A B C Da b c d e f g 顯示的數字0 0 0 01 1 1 1 1 1 0 00 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 10 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 20 0 1

38、1 1 1 1 1 0 0 1 30 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 40 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 50 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 6 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 71 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 81 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 9（3）74LS138譯碼器74LS138譯碼器在動態(tài)顯示模塊中起位選的作用，當某一位的共陰極輸入為0時即選通。其真值表如表5-2所示。表5-2為74LS138的譯碼器真值表輸 入輸 出G1G2A+G2BCBA1111111110111111111000001111111100011011

39、11111001011011111100111110111110100111101111010111111011101101111110110111111111105.1.1.2硬件電路的連接顯示模塊電路如圖5-3所示。圖5-3顯示模塊電路當用戶端有災情發(fā)生時，通過通訊線路傳送到控制管理中心，然后由單片機軟件實現火災確切位置的顯示。顯示的主要是事先定義好的有意義的數字，從左起兩位為樓號，中間兩位是樓層號，右邊兩位是房號。系統(tǒng)中只假設兩棟不同樓號，在不同樓層，不同房號的一對數據，由程序判斷傳送過來的災情數據。用戶端傳送數據0X01時，表示一號樓第一層的一號房有災情，顯示數據為010101；當用戶

40、端傳送的數據為0X11時，表示二號樓的第一層的一號房有災情，顯示數據為020101。因此可以根據實際情況定義相應的數據對。5.1.2上位機連接模塊的設計5.1.2.1元器件的介紹（1） 電平轉換芯片MAX232單片機的串口是使用TTL電平標準的，它的邏輯1電平是5V，邏輯0電平是0V，而電腦串行口所使用的是RS232C的電平標準，它的邏輯1電平是-3V-12V，邏輯0電平是+3V+12V。圖5-4 MAX232芯片MAX232是一種把電腦的串行口RS232信號電平轉換為單片機所用到的TTL信號電平的，芯片如上圖5-4所示。（2）9芯連接器圖5-5及表5-3分別為9芯連接器的外觀圖形和信號說明。

41、162DSRDCD7RTSRXD83TXD94CTS5RIDTRGNDDB9圖5-5 9芯D型連接器表5-3 9芯連接器信號說明引腳號信號名稱方向含義3TXD輸出數據發(fā)送端2RXD輸入數據接收端7RTS輸出請求發(fā)送（計算機要求發(fā)送數據）8CTS輸入清除發(fā)送（Moden準備接受數據）6DSR輸入數據設備準備就緒5SG-信號地1DCD輸入數據載波檢測4DTR輸出數據終端準備就緒（計算機）9RI輸入響鈴指示系統(tǒng)中只用到2、3、5三個引腳，構成了最簡單的連接方式。5.1.2.2硬件電路的連接單片機與上位連接的電路如圖5-6所示 圖5-6單片機與上位機的連接模塊當W77E58接受到報警數據后，即通過串行

42、口往上位機傳送數據。上位機接受到災情數據后即可進行相應的處理。5.2管理監(jiān)控中心報警器硬件電路的連接 見附錄2.2。 5.3管理監(jiān)控中心端自動報警器軟件編制監(jiān)控管理中心主要是對用戶端傳來的數據進行處理，當檢測到有報警信息時立即啟動報警機制。主要進行如下工作：高響度喇叭警示；LED數碼管顯示出現火災的方位；啟動水泵開關，為滅火做好準備；通過串口發(fā)送相關災情數據到PC機，進行相關處理。主程序流程如圖5-7所示。開 始初始化N是否接受到報警信息？Y啟動報警機制 圖5-7主程序流程圖 5.3.1接受信息模塊程序設計 接受信息控制請見通訊模塊軟件設計部分。5.3.2報警模塊程序設計 sbit Bell=

43、P17; / 定義P1.7，電鈴sbit Relay=P16; / 定義P1.6，繼電器水泵聯動warning() / 啟動報警Bell=0; / 響鈴Relay=0; / 打開繼電器display(); / 顯示火災方位5.3.3控制模塊程序設計void main() serial_init(); /串口初始化 receive_data(); / /接收數據 while(1) 6無線通訊模塊的設計6.1通訊模塊總體設計系統(tǒng)中的通訊部分，主要使用的是挪威Nordic公司推出的nRF401無線通訊芯片。該芯片使用了433MHz ISM頻段（用于工業(yè)，科學研究，和微波醫(yī)療方面的應用。應用ISM頻段

44、無需許可證，只需要遵守一定的發(fā)射功率，并且不要對其它頻段造成干擾即可），是真正的單片UHF無線收發(fā)一體芯片，它在一個20引腳的芯片中集成了高頻發(fā)射、高頻接受、PLL合成、FSK調制、FSK解調、多頻道切換的諸多功能，具有性能優(yōu)異、功耗低、使用方便等特點。不同于其他的RF芯片，nRF401通過單片機串口直接與MCU通信，而無需對數據進行曼切斯特編碼，這使得nRF401的外圍元件很少，只包括一個基準晶振和幾個無源器件，沒有調試部件，給產品研制和生產都帶來了極大的方便。6.1.1 nRF401天線設計與外部連接與其他RF芯片不同，nRF401的外部連接是相當簡單的，只需外接幾個簡單的元件，就可以實現

45、單片UHF無線接受和發(fā)送，其外部連接如圖6-1所示。圖6-1 nRF401內部構造以及外部連接nRF401的外部連接包括外接天線、參考晶振、PLL環(huán)路濾波、VCO電感和RF偏壓電阻及個部分，下面對其分別介紹。（1）參考晶振nRF401外接參考晶振為4MHz,通過內部的頻率合成433MHz的工作頻率。其外接晶振的規(guī)格如下：（a）并聯諧振頻率f=4.0000MHz；（b）等效電容Co5pF；（c）串聯等效電阻ESR150；（d）等效負載電容Cl14pF；（e）頻率穩(wěn)定度35ppm。（2）PLL環(huán)路濾波器PLL環(huán)路濾波器為單端二階濾波器，其電路連接如圖6-1，建議電阻值為4.7k，與電阻一側的電容為

46、15nF，另一側電容為820pF。（3）VCO電感芯片中的VCO電路部分需要外接一個高Q值為22Nh VCO電感，其要求為Q45433MHz，精度2%。（4）RF偏壓電阻RF偏壓電阻用于調整輸出發(fā)射功率，最大功率可以調整到+10dBm，發(fā)射功率與電阻關系可以用圖6-2表示。圖6-2偏壓電阻阻值對應的發(fā)射功率曲線（5）外接天線外接天線使用差分方式連接至nRF401的ANT1端和ANT2端，天線端推薦負載阻抗為400。功率放大器輸出是兩個開路輸出三極管，配置成差分放大方式，功率放大器的VDD必須通過集電極負載，當采用差分環(huán)形天線時，VDD必須通過環(huán)形開線的中心輸入，典型差分天線的原理圖如圖6-3所

47、示。圖6-3 nRF401外接差分天線電路6.1.2無線通訊模塊的電路設計使用nRF401進行無線通訊開發(fā)，通信質量與模塊的RF新能息息相關，因此nRF401通信模塊的硬件設計部分是十分重要的。為獲得較好的性能，應該嚴格按照nRF401設計文檔設計，元器件選擇也盡量與文檔要求的一致，電路原理圖如圖6-4。圖 6-4 nRF401的應用電路由于采用低發(fā)射功率和高接收靈敏度的設計方案，因此不受無線電管理條例的限制，無須辦理許可證。nRF401的引入是本系統(tǒng)的突出特點之一，它極大的提高了系統(tǒng)的實時性，這對安全系統(tǒng)是相當重要的。 6.2發(fā)射部分設計nRF401的串行口直接和單片機的串行口連接（DIN接

48、TXD，DOUT接RXD）， TXEN端的高/低電平由軟件設置，可實現nRF401發(fā)射模式與接收模式之間的相互切換。當需要發(fā)射數據時，由晶振電路產生的4MHz頻率作為其內部鎖相環(huán)的基準頻率，經鎖相環(huán)和壓控震蕩器進行N倍頻后，中心頻率f0成為433.92MHz或434.33MHz（雙頻道），調制后，f=f0f=f015kHz（該芯片調制度為15 kHz），最后經功率放大器放大后從PCB天線上發(fā)射出去。6.3接受部分設計nRF401從PCB天線上接收到調頻信號時，單片機置TXEN端為低電平，功率放大器被關斷從而進入接收狀態(tài)。調頻信號依次經低噪聲放大器放大，經混頻器（其作用是抵消本機發(fā)送器與接收器之

49、間的高頻干擾）變成中頻，再經帶通濾波器濾波和調制器解調后，成為數據輸出。這時單片機切換到發(fā)射模式，nRF401把得到的數據輸送給單片機，經處理后從P1口輸出到LED上顯示（火情來源地信息），同時驅動報警器報警。6.4通訊模塊軟件設計用戶端與監(jiān)控中心的程序流程如圖6-5。程序請見附錄1。開 始開 始初始化初始化檢測到災情？NN是否接受到數據幀？Y發(fā)送一幀數據Y報警圖6-5 用戶端與監(jiān)控中心通信程序流程圖7系統(tǒng)的抗干擾措施用戶端自動報警器以及中央控制器要在居民小區(qū)中完成與多種探測器的數據交換，工作環(huán)境較惡劣，易受到各種干擾的侵犯。根據其來源不同，主要有空間干擾(通過電磁輻射進入)、過程通道干擾(通

50、過與自動報警器及中央控制器相連的前向和后向通道進入)、供電系統(tǒng)干擾以及印制板與電路間產生的相互干擾。所以在設計上，應該采取必要的措施，免除和減小各種不良因素對系統(tǒng)的影響和損害，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。本系統(tǒng)主要采取以下幾個方面的措施來提高系統(tǒng)的抗干擾能力：（1）對于空間輻射干擾的抑制，主要解決辦法是屏蔽。靜電屏蔽使用導體材料即可。為達到電磁屏蔽的目的，可以把控制系統(tǒng)安裝在用鐵板做成的封閉機箱內，來屏蔽外部靜電和電磁場的干擾。（2）設計印制電路板時，合理布線，力求將系統(tǒng)中各元件之間、電路之間可能產生的不利影響限制在最低程度。（a）元件排列及信號走線盡量有序，短直，簡潔，避免相鄰電路相互影響

51、；（b）盡量避免過長的平行走線，減少布線的分布電容；（c）接地線盡量加寬以減少接地電阻，并解決好接地點問題；（d）避免印制電路形成環(huán)路接受噪聲形成干擾；（e）按鈕等存操作時會產生火花，必須利用RC電路加以吸收。（3）CMOS芯片的阻抗很高，易受外界的干擾，故電路中不使用的輸入端不允許懸空，否則會引起邏輯電平不正常。根據實際情況，將多余的輸入端與正電源或地相接。（4）電阻系統(tǒng)本身對靜電的防護也是至關重要的。靜電產生的原因主要有兩種模式：人體帶電和電場感應帶電。考慮人體帶電模式，鑒于人主要接觸開關機控制CPU模塊，且主要是按鈕。為防止靜電危害，在按鈕的3個引線上對地分別串上3個防靜電電容，本系統(tǒng)使

52、用0.01uF的電容。8結 束 語至此火災檢測報警系統(tǒng)的設計已全部完成。系統(tǒng)以單片機智能芯片為核心，以無線網絡作為傳輸媒介，以多傳感器融合檢測和聲光的報警四部分組成整體的框架，討論了各芯片的運用和軟件的編制。設計的電路包括火災探測電路、中央控制電路（單片機模塊）、報警電路（蜂鳴器，發(fā)光二極管聲光報警和LED數碼管顯示）、聯動模塊電路（主要有水泵系統(tǒng)的控制和與上位機的連接）。火災檢測報警系統(tǒng)的工作原理為：系統(tǒng)上電啟動后，用戶端傳感器部分不斷的對探測區(qū)域進行檢測。一旦發(fā)現有災情（或緊急開關摁下），經過智能處理后（單片機）即進行現場報警（蜂鳴器、發(fā)光二極管聲光報警），同時通過無線收發(fā)芯片nRF401

53、將災情數據傳送到監(jiān)控中心。當控制中心收到報警信息后，隨即進行蜂鳴器報警和LED數碼管顯示災情發(fā)生地，同時打開水泵開關（保證噴淋系統(tǒng)可以正常運行），以及將災情數據進一部傳送到上位機，進行數據的保存和相關的處理。系統(tǒng)的設計作為智能住宅安防系統(tǒng)中，是在防火報警方面開發(fā)的一個嘗試，離最后的實用化、產品化還有相當的距離。隨著微電子技術、自動控制技術和傳感器技術發(fā)展，還將會得到更大的發(fā)展空間。根據住宅小區(qū)安防報警系統(tǒng)聯網形式來分析，未來的火災檢測報警系統(tǒng)有三個主要發(fā)展趨勢：（1）利用電話網形成的報警系統(tǒng)。是通過各種傳感器自動采集報警信號，經專用報警控制箱及電話網傳送到接/處警中心進行接/處警。該聯網方式技

54、術先進、質量可靠、功能多、價格適宜、使用操作方便，符合安防系統(tǒng)的要求。這類報警系統(tǒng)通常不需用特種業(yè)務號碼，其特點是組網靈活、覆蓋面廣。防范的區(qū)域可以包括一個城市，也可通過長途電話網將其他城市連接起來共同防范。（2）利用總線技術實現分布控制的總線聯網方式。各類控制器具有高度的智能和完善的網絡通訊功能，可以方便實現節(jié)點和節(jié)點之間的通訊。（3）采用以太網傳輸方式。這種聯網方式下的智能報警系統(tǒng)終端可方便接入各種寬帶網絡(以太網LAN, ADSL、雙向HFC等)、采用TCP/IP協議，支持各種網絡協議，使用確認重發(fā)機制，保證數據傳輸的可靠性，以穩(wěn)定可靠LINUX的網絡操作系統(tǒng)和功能強大的網絡數據庫SYB

55、ASE作為中心數據庫，可支持最大負荷的用戶數。致 謝在本次畢業(yè)設計期間，我要衷心地感謝指導老師孫宏國！從做畢業(yè)設計開始到結束，無論是在學習、工作還是生活中，都得到了孫老師無微不至的關懷和精心的指導！也正是孫老師以其深厚專業(yè)的知識、豐富的實踐經驗為本課題的設計提供了有效的指導和理論依據，才能使本課題得以圓滿結束和順利完成。本設計從選題、設計到編寫完稿，都得到老師的熱情指導，在此向我的老師表示我深切的謝意！設計中，有些單元設計部分由孫老師提供指導，并指導完成相關文字部分的編寫。孫老師治學態(tài)度嚴謹，待人親切耐心，使我學到了課本上學不到的東西,在此向老師表示深深的感謝！ 閔 東 2008-6-9參考文

56、獻1 彭介華.電子技術課程設計指導M.北京:高等教育出版社,2001.2 丁元杰.單片微機原理及應用.北京:機械工業(yè)出版社,2005.3 閻石.數字電子技術基礎.北京:高等教育出版社,1998.4 黃繼昌.實用報警電路.北京:人民郵電出版社,2005.5 陳南.智能建筑火災監(jiān)控系統(tǒng)設計.北京:清華大學出版社,2001.6 張立科.單片機通信技術與工程實踐.北京:人民郵電出版社,2005.7 范風強.單片機語言C51應用實戰(zhàn)集錦.北京:電子工業(yè)出版社,2005.8 趙亮.單片機C語言編程與習慣.北京:人民郵電出版發(fā)行,2003.9 康華光.電子技術基礎模擬部分（第四版）.北京.高等教育出版社，199910國家標準.火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范(GB50116-98).北京:中國計劃出版社,1999.11 nRF401.433MHz Single Chip RF Transceiver.Nordic,200212 13 15 16 附 錄附錄1源程序附錄1.1用戶端源程序附錄1.2監(jiān)控中心源程序附錄2設計圖紙附錄2.1原理圖附錄2.2 PCB圖