基于單片機(jī)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u25873基于單片機(jī)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)案例 1163811.1單片機(jī)最小系統(tǒng) 1173981.1.1STC89C51系列單片機(jī) 1231061.1.2STC89C51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1203271.1.3STC89C51系列單片機(jī)引腳功能 3112141.1.4復(fù)位電路 4305321.1.5時(shí)鐘電路 5302901.2溫度傳感器 526911.3煙霧傳感器 6145451.4AD模數(shù)轉(zhuǎn)換電路AD0832 6206011.5報(bào)警電路 8143931.6復(fù)位電路 8290571.8電源電路 9158691.8.1主電源 9209281.9.2備用電源 91.1單片機(jī)最小系統(tǒng)1.1.1STC89C51系列單片機(jī)STC89C51是采用8051核的ISP在系統(tǒng)可編程芯片，最高工作時(shí)鐘頻率為80MHz，片內(nèi)含4KBytes的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和存儲(chǔ)單元，特點(diǎn)是能直接在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行編程，連接PC端后可用PC端的程序?qū)⒂脩舻某绦虼a下載到單片機(jī)內(nèi)部，無需編程器，節(jié)約成本且更加便捷。STC89C51系列單片機(jī)是單時(shí)鐘單機(jī)器周期的兼容8051內(nèi)核單片機(jī)，是高速/低功耗的新一代8051單片機(jī)，具有全新的流水線和精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路。1.1.2STC89C51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)該單片機(jī)由中央處理器（CPU），存儲(chǔ)器，I/O接口三大部分組成。其中CPU包括運(yùn)算器和控制器兩大部分。運(yùn)算器對(duì)操作數(shù)進(jìn)行算數(shù)，邏輯和位操作運(yùn)算。主要由算數(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU，累加器A，位處理器程序狀態(tài)字寄存器PSW及兩個(gè)暫存器等部分組成。1.算計(jì)邏輯運(yùn)算單元(ALU)可對(duì)8位變量邏輯運(yùn)算（與，或，異或，循環(huán)，求補(bǔ)和清零），還可進(jìn)行算數(shù)運(yùn)算（加，減，乘，除）。ALU還具有位操作功能，對(duì)位變量進(jìn)行位處理，如置“1”，清“0”，求補(bǔ)，測(cè)試轉(zhuǎn)移及“與”“或”等邏輯。2.累加器(A)使用最頻繁的寄存器，一般寫為Acc或A，Acc既是ALU的輸入數(shù)據(jù)源之一，也是ALU運(yùn)算結(jié)果的存放單元。大多數(shù)數(shù)據(jù)傳送都通過累加器，相當(dāng)于數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，A的進(jìn)位Cy是特殊的，因?yàn)樗彩俏惶幚頇C(jī)的位累加器。1.程序狀態(tài)字寄存器（PSW)PSW位于片內(nèi)特殊功能寄存器區(qū)，字節(jié)地址為D0H。其中包含了程序運(yùn)行狀態(tài)的信息，其中4位保存當(dāng)前指令執(zhí)行后的狀態(tài)，供程序查詢和判斷。格式如下表所示。表3-1PSW格式D7D6D5D4D3D2D1D0PSWCyAcF0RS1RS0OV--PD0H其中各個(gè)位的功能如下表表3-2PSW功能Cy（PSW.7）位標(biāo)志位：可寫為C，在算數(shù)和邏輯運(yùn)算時(shí)，若有進(jìn)位/借位，Cy=1，否則Cy=0。在位處理器中，.它是位累加器Ac（PSW.6）輔助進(jìn)位標(biāo)志位：在BCD碼運(yùn)算時(shí)，用作十進(jìn)位調(diào)整，當(dāng)D3位向D4位產(chǎn)生進(jìn)位或借位時(shí)，Ac=1；否則Ac=0。F0（PSW.5）用戶設(shè)定標(biāo)志位：由用戶使用的一個(gè)狀態(tài)標(biāo)志位，可用指令使其置1或清0。可控制程序的流向。RS1,RS0(PSW.4，PSW.3)4組工作寄存器區(qū)選擇：選擇片內(nèi)PAM區(qū)的4組工作寄存器區(qū)中的某一組為當(dāng)前工作寄存區(qū)0V（PSW.2）溢出標(biāo)志位：當(dāng)執(zhí)行算數(shù)指令時(shí)，用來指示運(yùn)算結(jié)果是否產(chǎn)生溢出。若有溢出0V=1;否則0V=0。PSW.1保留位PSW.0奇偶保留位，指令執(zhí)行后，累加器的“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)還是偶數(shù)。奇數(shù)時(shí)P=1，偶數(shù)時(shí)P=0。在串行通信中常會(huì)用奇偶檢驗(yàn)的方法來檢驗(yàn)串行運(yùn)輸?shù)目煽啃浴Ｏ卤頌镽S1,RS0和四組寄存器的對(duì)應(yīng)關(guān)系表3-2RS1和RS0和寄存器的對(duì)應(yīng)表RS1RS0所選的四組寄存器000區(qū)（內(nèi)部RAM地址00H-07H）011區(qū)（內(nèi)部RAM地址08H-0FH）102區(qū)（內(nèi)部RAM地址10H-17H）113區(qū)（內(nèi)部RAM地址18H-1FH）控制器主要功能是專門用于快速確認(rèn)和自動(dòng)識(shí)別指令,并根據(jù)這條識(shí)別指令的不同特點(diǎn)來準(zhǔn)確控制一個(gè)單片機(jī)的各種基本功能和元組件,以保證單片機(jī)的各部分都能夠有可能協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作。控制器包括程序計(jì)數(shù)器，指令寄存器，指令譯碼器，定時(shí)及控制邏輯電路等，用于控制指令的讀入，譯碼，執(zhí)行。從而輕松實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種重要功能控制元件的定時(shí)與高速邏輯運(yùn)動(dòng)控制。程序計(jì)數(shù)器PC是一個(gè)獨(dú)立的16位程序計(jì)數(shù)器,它不可以被訪問,當(dāng)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位時(shí),PC的內(nèi)容設(shè)置為0000H,從程序存儲(chǔ)器0000H單元中選擇取一個(gè)指令,開始進(jìn)行執(zhí)行程序。PC的主要工作過程為：CPU讀指令時(shí)，PC的內(nèi)容作為所取指令的地址，程序存儲(chǔ)器在此輸出指令字節(jié)，同時(shí)PC自動(dòng)+1。PC中的內(nèi)容變化軌跡決定程序流程。當(dāng)順序執(zhí)行程序時(shí)加1，當(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)移程序或子程序，中斷子程序調(diào)用時(shí)，自動(dòng)將其內(nèi)容更改成做要轉(zhuǎn)移的目的地址。PC的計(jì)數(shù)寬度決定了存儲(chǔ)器的地址范圍，本PC為16位，故可對(duì)64kb尋址。存儲(chǔ)器有不同的獨(dú)立的存儲(chǔ)器邏輯空間，當(dāng)系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器尋址方式和尋址機(jī)構(gòu)的差別，需要不同的指令來完成操作。C51系列的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器包括256KB的片內(nèi)RAM和64KB的外部擴(kuò)容RAM，程序存儲(chǔ)器含4K片內(nèi)ROM和64KB片外ROM。1.1.3STC89C51系列單片機(jī)引腳功能STC89C51與AT89C51系列單片機(jī)的引腳結(jié)構(gòu)基本相同，圖1.4為邏輯引腳圖。圖1.4STC89C51邏輯引腳圖STC89C51共40個(gè)引腳，可大致分為四類：電源，時(shí)鐘，控制和I/O引腳，表3-3STC89C51引腳功能表引腳名稱功能說明40Vcc運(yùn)行和程序校驗(yàn)時(shí)+5V電壓20GND接地19XTAL1輸入到振蕩器的反相放大器18XTAL2反相放大器的輸出，輸入到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器32-39P0口8位漏極開路的雙向I/O口，當(dāng)使用片外存儲(chǔ)器（RAO及RAM時(shí)），做地址和數(shù)據(jù)復(fù)用線1-8P1口8位準(zhǔn)雙向I/O口，在程序校驗(yàn)編程期間，用于輸入低位字節(jié)地址21-28P2口8位準(zhǔn)雙向I/O口，當(dāng)使用片外存儲(chǔ)器（ROM及RAM）是，輸入高8位地址10-17P3口8位準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電路9RST復(fù)位輸入信號(hào)，高電平有效31EA/VPP片外程序存儲(chǔ)器訪問允許信號(hào)，低電平有效30ALE/PROG地址鎖存允許信號(hào)輸出29PSEN片外存儲(chǔ)器選通信號(hào)，低電平有效。表3-4P3第二功能表引腳名稱功能說明10RXD串行輸入口11TXD串行輸出口12INT0外部中斷013INT1外部中斷114T0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0的外部輸入15T1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的外部輸入16WR低電平有效，片外存儲(chǔ)器寫選通17RD低電平有效，片外存儲(chǔ)器寫選通1.1.4復(fù)位電路復(fù)位電路一般有電源接上后自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位和通過人工進(jìn)行復(fù)位兩種。前一種復(fù)位方式是在系統(tǒng)和電源連接上的短暫瞬間,rst端被升高為高電平,自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位。當(dāng)電容器完成充電后,就相當(dāng)于一個(gè)通路轉(zhuǎn)變?yōu)閿嚅_,所以RST端重新回到低電平,程序開始運(yùn)行。手動(dòng)的人工復(fù)位就是在經(jīng)過一個(gè)上電自動(dòng)進(jìn)行的復(fù)位以后,若有必要進(jìn)行復(fù)位則只需按下一個(gè)高電平的復(fù)位鍵,rst端被提升到高電平后即可開始進(jìn)行復(fù)位。當(dāng)單片機(jī)的復(fù)位鍵返回到原始狀態(tài)后,電容器就開始對(duì)其進(jìn)行充電,RST引腳的電勢(shì)再次被提高,依舊是復(fù)位的狀態(tài),當(dāng)電容充電完成后,RST端電勢(shì)下降,復(fù)位完成。1.1.5時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路是向單片機(jī)提供正弦的準(zhǔn)確穩(wěn)態(tài)震蕩的電路。任意一件工作按照時(shí)間先后次序進(jìn)行。用來產(chǎn)生該時(shí)間的電路即為時(shí)鐘輸出電路。時(shí)鐘電路通常由晶體振蕩器、晶震控制芯片及其電容等構(gòu)成。而且單片機(jī)在運(yùn)行穩(wěn)定性和計(jì)算速率上受到了時(shí)鐘頻率的影響。時(shí)鐘通常分為兩大類,一類指的是內(nèi)部時(shí)鐘,另一類指的是外部時(shí)鐘。本系統(tǒng)stc89c51單片機(jī)需要外部的時(shí)鐘來給其提供標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。該芯片在生產(chǎn)時(shí)就在內(nèi)部集成了反向增益效果的運(yùn)算放大器。XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。因?yàn)橐粋€(gè)機(jī)器周期含有6個(gè)狀態(tài)周期，而每個(gè)狀態(tài)周期為2個(gè)振蕩周期，所以一個(gè)機(jī)器周期共有12個(gè)振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為12MHZ，一個(gè)振蕩周期為1/12us，故而一個(gè)機(jī)器周期為1us。將兩個(gè)相同電容的一極連接地面，另一極與兩個(gè)引腳連接，然后把晶振連接在兩個(gè)引腳之間，能產(chǎn)生穩(wěn)定頻率信號(hào)的時(shí)鐘電路就產(chǎn)生了。1.2溫度傳感器溫度傳感器采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20,5v直流電壓供電。DS18B20的自動(dòng)測(cè)溫系統(tǒng)工作基本原理是通過直接利用溫敏振蕩器波動(dòng)頻率與物體溫度值的波動(dòng)頻率變化之間的相互關(guān)系,把物體溫度波動(dòng)信號(hào)直接地轉(zhuǎn)換成串行式數(shù)字信號(hào),通過內(nèi)部的溫度計(jì)數(shù)器對(duì)所有直接受物體溫度頻率波動(dòng)變化影響的溫敏振蕩器信號(hào)進(jìn)行一個(gè)周期的自動(dòng)測(cè)溫進(jìn)行計(jì)數(shù),這即從而可以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)物體溫度的精確測(cè)量。探測(cè)器采用寄生電源電路作為供電方式,保證在有效的一個(gè)DS18B20工作周期內(nèi)提供足夠的電流,圖1.3中我們分別采用一個(gè)MOSFET管和一個(gè)MCU的I/O口電路來完成了對(duì)應(yīng)的ds18b2o的一個(gè)總線上拉,然后再通過另一個(gè)I/O對(duì)DS18B20進(jìn)行控制并取得溫度值。圖1.5DS18B20電路圖1.3煙霧傳感器煙霧傳感器選擇MQ-2煙霧傳感器,5V直流電壓供電。MQ-2型傳感器主體是由二氧化錫半導(dǎo)體氣敏復(fù)合材料焊接組成,屬于表面離子式N型半導(dǎo)體。處于200~300攝氏度時(shí),二氧化錫通過離子吸附空氣中的氫和氧,形成對(duì)于導(dǎo)體陽極或陰極的中性負(fù)離子從而進(jìn)行有效吸附,使半導(dǎo)體中的電子密度降低,從而直接導(dǎo)致電阻值大大增加。當(dāng)與煙霧接觸時(shí)，如果晶粒間界處的勢(shì)壘收到煙霧的調(diào)至而變化，就會(huì)引起表面導(dǎo)電率的變化。利用這一點(diǎn)就可以獲得這種煙霧存在的信息，煙霧的濃度越大，導(dǎo)電率越大，輸出電阻越低，則輸出的模擬信號(hào)就越大。MQ-2具有良好的穩(wěn)定性，對(duì)天然氣等煙霧具有很高的靈敏度，并且具有很強(qiáng)的抗干擾性，烷類的感應(yīng)比紙張木柴的感應(yīng)靈敏的多。圖3-6MQ-2煙霧傳感器電路圖1.4AD模數(shù)轉(zhuǎn)換電路AD0832ADC0809是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的帶有8位分辨率，雙通道的A/D轉(zhuǎn)換芯片，具有工作能耗低（約15mW），體積小，工作范圍廣（-40~+85攝氏度）的特點(diǎn)，圖3-8ADC0809引腳圖表3-5ADC0809引腳功能IN0-IN78位模擬量輸入端2.1-2.88位數(shù)字量輸出端ADDA,ADDB,ADDC3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路ALE地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效STARTA／D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少100ns寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換）EOCA／D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）OE數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHZ。REF(+)REF(-)基準(zhǔn)電壓。Vcc電源單一+5VGED接地adc0809的工作過程是：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A／D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖剑甘続／D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)OE輸入高電平時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。1.5報(bào)警電路根據(jù)火災(zāi)燃點(diǎn),設(shè)定溫度閾值，當(dāng)實(shí)測(cè)溫度超過低溫度閾值T1時(shí),觸發(fā)聲光報(bào)警。聲光報(bào)警模塊主要由有源蜂鳴器、PNP型三極管和發(fā)光二極管組成，原理圖如圖3-9所示。當(dāng)單片機(jī)的P1.1為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通并驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。單片機(jī)的P1.2引腳控制燈光報(bào)警，當(dāng)引腳為低電平時(shí)，發(fā)光二極管正向?qū)īo啟動(dòng)燈光報(bào)警。即該電路的主要作用是采集前端信號(hào),并且判斷火災(zāi)信號(hào)的真?zhèn)?一旦確定為火災(zāi)信號(hào),觸發(fā)聲光報(bào)警系統(tǒng)。圖3-9報(bào)警電路1.6復(fù)位電路復(fù)位電路即將電路恢復(fù)成初始狀態(tài)的電路，必要時(shí)可用手動(dòng)操作，復(fù)位電路一般分為積分，微分，看門狗和比較器型復(fù)位電路復(fù)位電路的工作流程為:當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)它給出了復(fù)位信號(hào),一直到整個(gè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電源電路保持穩(wěn)定以后,才取消信號(hào)。安全起見,電源在穩(wěn)定后還需要經(jīng)過一定的時(shí)間延長(zhǎng)才能撤銷掉復(fù)位信號(hào)，防止因開關(guān)或插頭抖動(dòng)影響復(fù)位。89C51單片機(jī)在每次運(yùn)行的時(shí)候都需要復(fù)位的,以便能夠讓CPU和系統(tǒng)的各個(gè)部件都同時(shí)處在初始狀態(tài),并且自初始狀態(tài)開始工作。3-10復(fù)位電路1.8電源電路1.8.1主電源本控制系統(tǒng)的主電源直接選擇交流220v的方式供電,其工作框圖設(shè)計(jì)如下表1.13所示。電源元件的部分是變壓器,整流器,穩(wěn)壓器。圖3-12主電源電路1.9.2備用