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3.2方案二
主控芯片使用51系列AT89C51单片机,片内ROM全都采用FlashROM,能以3V的超底压工作,同时也与MCS-51系列单片机完全该芯片内部存储器为8KBROM存储空间,且具有在线编程可擦除技术,当在对电路进行调试时,由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时,不需要对芯片多次拔插,所以不会对芯片造成损坏。
与前面相比,采用美国DALLAS半导体公司继DS1820之后推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件,测温范围为-55~125℃,最大分辨率可达0.0625℃。
采用数字式温度传感器DS18B20,此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输,易于与单片机连接,可以去除A/D模块,降低硬件成本,简化系统电路。
另外,数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点。
采用LCD液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,图形,具有超精致影像画质、十足平面显示、节省空间、节省能源等优点。
3.3两种方案的比较与选择
两种方案比较AT89C51在对电路进行调试时有较大优势,稳定性相对比较高,在自动火灾报警系统的设计中,单片机是其核心部件。
单片机一方面要接收来自传感器送来的感应信号和故障检测信号,另一方面要对不同信号分别进行处理,控制后续电路的相应工作,同时还要查询是否有按键按下的请求。
如今市面上比较普遍的单片机主要是89C51系列。
89C51单片机应用普遍,工具多,易上手,片源广,价格低,编程灵活,控制简单,很适合我们所要制作的火灾自动报警系统。
本火灾自动报警系统中,以AT89C51单片机为主控核心,使用DS18B20温度传感器采集温度信息,使用MQ-2气体传感器采集气体信息。
DS18B20采集的数据为数字信号,可以直接发送至单片机进行处理。
MQ-2气体传感器输出的信号一般比较微弱,需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电平调整,满足单片机对输入信号的要求。
MQ-2半导体烟雾传感器属于电阻型,因此只需串联一个参考电阻,再经过一个放大电路即可发送给ADC0804采集,信号经过A/D转换模块后传送进入单片机进行处理。
单片机内部程序中预先设定报警临界值,包括温度过高报警和气体浓度过高报警。
单片机正常工作后,判断所接收到的数据是否达到报警临界值,如果到达报警值单片机控制蜂鸣器和LED灯进行报警,如果没有达到报警值单片机继续接收并处理新数据。
如果单片机接收到报警按键信号,直接报警。
单片机实时向SMC1602A液晶显示模块输出显示信号,液晶显示模块显示周围环境温度和气体数值。
下图是系统工作原理框图:
图1系统结构图
4基于单片机的智能火灾报警控制系统的硬件设计部分
本火灾自动报警系统应由触发器件、警报装置、显示装置以及数据处理等装置组成。
触发器件包括自动或者手动产生报警信号的器件,如DS18B20温度传感器,MQ-2气体传感器,手动报警按钮。
警报装置包括声音报警装置(蜂鸣器)和光报警装置(LED灯)。
显示装置是SMC1602A液晶显示模块,能够实时显示由DS18B20温度传感器和MQ-2气体传感器所传送的数据。
采用AT89S51单片机作为主控芯片进行数据处理和各项操作。
其中MQ-2气体传感器需要配置放大电路和A/D转换模块对其信号进行处理,采用LM324芯片做放大电路,ADC0832芯片制作A/D转换模块。
4.1关键芯片介绍
4.1.1AT89C51
AT89C51是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89C51具有如下特点:
40个引脚,4kBytesFlash片内程序存储器,128bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。
此外,AT89C51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下,CPU暂停工作,而RAM定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。
其引脚图如图2所示。
图2AT89C51的引脚图
1.主要特性:
•8031CPU与MCS-51兼容
•4K字节可编程FLASH存储器(寿命:
1000写/擦循环)
•全静态工作:
0Hz-33MHz
•三级程序存储器保密锁定
•128*8位内部RAM
•32条可编程I/O线
•两个16位定时器/计数器
•6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.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P0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。
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(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。
I/O口作为输入口时有两种工作方式,即所谓的读端口与读引脚。
读端口时实际上并不从外部读入数据,而是把端口锁存器的内容读入到内部总线,经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。
只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。
输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作。
这是由硬件自动完成的,不需要我们操心,然后再实行读引脚操作,否则就可能读入出错,如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0,Q端为0,Q^为1加到场效应管栅极的信号为1,该场效应管就导通对地呈现低阻抗,此时即使引脚上输入的信号为1,也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1。
若先执行置1操作,则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入,由于在输入操作时还必须附加一个准备动作,所以这类I/O口被称为准双向口。
89C51的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口。
接下来让我们再看另一个问题,这四个端口还有一个差别,除了P1口外P0P2P3口都还有其他的功能。
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低位字节。
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。
4.1.21620LCD
1602字符型液晶,能够同时显示16x02即32个字符(16列2行)。
通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD,多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚),其控制原理与14脚的LCD完全一样。
图31620LCD图41620LCD电路
引脚
符号
功能说明
1
VSS
一般接地
2
VDD
接电源(+5V)
3
V0
液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高(对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度)。
4
RS
RS为寄存器选择,高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
5
R/W
R/W为读写信号线,高电平
(1)时进行读操作,低电平(0)时进行写操作。
6
E
E(或EN)端为使能(enable)端,下降沿使能。
7
DB0
底4位三态、双向数据总线0位(最低位)
8
DB1
底4位三态、双向数据总线1位
9
DB2
底4位三态、双向数据总线2位
10
DB3
底4位三态、双向数据总线3位
11
DB4
高4位三态、双向数据总线4位
12
DB5
高4位三态、双向数据总线5位
13
DB6
高4位三态、双向数据总线6位
14
DB7
高4位三态、双向数据总线7位(最高位)(也是busyflag)
15
BLA
背光电源正极
16
BLK
背光电源负极
表11620LCD引脚功能
4.2单片机主控制器模块的设计
4.1.1单片机最小系统电路
AT89C51单片机是低功耗的、具有4KB在线课编程Flash存储器的单片机。
它与通用80C51系列单片机的指令系统和引脚兼容。
片内的Flash可允许在线重新编程,也可使用非易失性存储器编程。
他将通用CPU和在线可编程Flash集成在一个芯片上,形成了功能强大、使用灵活和具有较高性能性价比的微控制器。
单片机最小系统如图2所示,单片机的XTAL1和XTAL2引脚用于连接晶振电路。
XTAL1接外部晶振和微调电容的一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输入,XTAL2接外部晶振和微调电容的另一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输出。
RESET为复位引脚,连接复位电路,它用于对单片机进行初始化。
复位电路包括复位电容,复位电阻和复位开关。
图2单片机最小系统
4.1.2复位电路的设计
复位电路是使单片机的CPU或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态,并从这上状态开始工作。
(1)单片机常见的复位电路
通常单片机复位电路有两种:
上电复位电路,按键复位电路。
上电复位电路:
上电复位是单片机上电时复位操作,保证单片机上电后立即进入规定的复位状态。
它利用的是电容充电的原理来实现的。
按键复位电路:
它不仅具有上电复位电路的功能,同时它的操作比上电复位电路的操作要简单的多。
如果要实现复位的话,只要按下RESET键即可。
它主要是利用电阻的分压来实现的
在此设计中,采用的按键复位电路。
按键复位电路如图3所示。
图3复位电路
(2)复位电路工作原理
上电复位要求接通电源后,单片机自动实现复位操作。
上电瞬间RESET引脚获得高电平,随着电容的充电,RERST引脚的高电平将逐渐下降。
RERST引脚的高电平只要能保持足够的时间(2个机器周期),单片机就可以进行复位操作。
上电与按键均有效的复位电路不仅在上电时可以自动复位,而且在单片机运行期间,利用按键也可以完成复位操作。
4.1.3晶振电路的设计
晶振电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号,而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。
单片机本身就如一个复杂的同步时序电路,为了保证同步工作方式的实现,电路应在唯一的时钟信号控制下严格地工作。
通常在引脚XTALl和XTAL2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器,如图4中Y1、C1、C2。
可以根据情况选择6MHz、12MHz或24MHz等频率的石英晶体,补偿电容通常选择30pF左右的瓷片电容。
图4时钟振荡电路
4.3显示模块设计
本火灾自动报警系统需要实现对周围环境温度和气体的实时监测,故需要显示模块来显示周围环境的温度和气体变量。
采用SMC1602A液晶显示模块可以实时清楚的显示周围环境变量,该液晶显示模块能够同时显示16x02即32个字符,也就是16列2行,便于独立显示温度和气体变量。
下图为显示模块。
图显示模块电路
液晶1,2脚为电源;
15,16为背光电源;
为防止直接加5v电压烧坏背光灯,可在15脚串联一个10欧的电阻用于限流。
液晶3脚为对比度调节端,通过一个10k的电位器接地来调节液晶显示调节度。
首次使用时,在液晶上电状态下,调节至液晶上面一行显示出黑色小格为止。
液晶4脚为向液晶控制器写数据/写命令选择端。
液晶5脚为读/写选择端,如果只是写入命令和显示数据,可直接接地。
液晶6脚为使能信号。
1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形,这些字符有:
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码,比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B(41H),显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来,我们就能看到字母“A”。
因为1602识别的是ASCII码,试验可以用ASCII码直接赋值,在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值,如'
A’。
读的时候,先读上面那列,再读左边那行,如:
感叹号!
的ASCII为0x21,字母B的ASCII为0x42(前面加0x表示十六进制)。
1602通过D0~D7的8位数据端传输数据和指令。
显示模式设置:
(初始化)
00110000[0x38]设置16×
2显示,5×
7点阵,8位数据接口;
显示开关及光标设置:
00001DCBD显示(1有效)、C光标显示(1有效)、B光标闪烁(1有效)
000001NSN=1(读或写一个字符后地址指针加1&
光标加1),
N=0(读或写一个字符后地址指针减1&
光标减1),
S=1且N=1(当写一个字符后,整屏显示左移)
s=0当写一个字符后,整屏显示不移动
数据指针设置:
数据首地址为80H,所以数据地址为80H+地址码(0-27H,40-67H)
其他设置:
01H(显示清屏,数据指针=0,所有显示=0);
02H(显示回车,数据指针=0)。
4.4温度采集模块设计
本设计的测温元件采用DS18B20数字温度传感器,该产品采用美国DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成,具有耐磨耐碰,体积小,使用方便,封装形式多样,适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
使用DS18B20数字温度传感器,可以感测周围环境温度变化,并将数据传送给单片机进行处理,实现周围环境实时温度的监测。
DS18B20数字温度计提供9位温度读数,指示器件的温度。
信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出,因此从中央处理器到DS18B20仅需连接一条线(和地)。
读、写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供,而不需要外部电源。
DS18B20具有独特的单线接口,只需1个接口引脚即可通信;
多点能力使分布式温度检测应用得以简化;
不需要外部元件;
可用数据线供电,不需备份电源;
测量范围从-55℃至+125℃,增量值为0.5℃。
等效的华氏温度范围是-67°
F至257°
F;
以9位数字方式读出温度;
在1秒(典型值)内把温度变换为数字;
用户可定义的,非易失性的温度告警设置;
告诫搜索命令识别和寻址温度在编定的极限之外的器件(温度告警情况);
应用范围包括恒温控制,工业系统,消费类产品,温度计或任何热敏系统。
图5DS18B20封装图6DS18B20引脚图
图温度采集模块电路
DS18B20只需要接到控制器(单片机)的一个I/O口上,由于单总线为开漏所以需要外接一个5.1k的上拉电阻,本设计采用的是外部电源供电。
DS18B20数据线是开漏结构,这就意味着,在没有数据的时候,总线处于什么样的状态是不确定的.加一个上拉电阻就可以使总线在空闲的时候处于高电平状态。
DS18B20的2脚接一个电阻到5V电源正极,这样才会在2脚上出现正确的数字信号单片机才能正确读出和写入这些信号。
DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上,从而抗干扰力更强。
一个工作周期可分为两个部分,即温度检测和数据处理。
DS18B20共有三种形态的存储器资源,它们分别是:
ROM只读存储器,用于存放DS18B20ID编码,其前8位是单线系列编码(DS18B20的编码是19H),后面48位是芯片唯一的序列号,最后8位是以上56的位的CRC码(冗余校验)。
数据在出产时设置不由用户更改。
DS18B20共64位ROM。
RAM数据暂存器,用于内部计算和数据存取,数据在掉电后丢失,DS18B20共9个字节RAM,每个字节为8位。
第1、2个字节是温度转换后的数据值信息,第3、4个字节是用户EEPROM(常用于温度报警值储存)的镜像。
在上电复位时其值将被刷新。
第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。
第6、7、8个字节为计数寄存器,是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的,同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。
第9个字节为前8个字节的CRC码。
EEPROM非易失性记忆体,用于存放长期需要保存的数据,上下限温度报警值和校验数据,DS18B20共3位EEPROM,并在RAM都存在镜像,以方便用户操作。
在每一次读温度之前都必须进行复杂的且精准时序的处理,因为DS18B20的硬件简单结果就会导致软件的巨大开消,也是尽力减少有形资产转化为无形资产的投入,是一种较好的节约之道。
4.5气体采集模块设计
气体采集模块是能够检测环境中的烟雾等气体的浓度,并将其转换为数字信号传送至主控芯片,其最基本组成部分应包括:
气体信号采集电路、模拟放大电路、模数转换电路、单片机控制电路。
气体信号采集电路一般由气体传感器和模拟放大电路组成,将烟雾等气体信号转化为模拟的电信号。
模数转换电路将从烟雾检测电路送出的
模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。
本设计中采用的MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器属于气敏传感器,是气-电变换器,它将可燃性气体在空气中的含量(即浓
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