基于單片機(jī)的安全防范報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅功銀 周正 饒強(qiáng)

摘要：隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，報(bào)警系統(tǒng)已從原來(lái)的簡(jiǎn)單化、局部化向智能化、集成化發(fā)展。本文重點(diǎn)闡述了以80C52單片機(jī)為基礎(chǔ)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集溫度信號(hào)，由四位數(shù)碼管顯示當(dāng)前溫度，同時(shí)由16*16LED點(diǎn)陣顯示當(dāng)前情況，低于報(bào)警門限顯示“正常”，高出則顯示“火警！”。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)報(bào)警；80C52單片機(jī)；DS18B20；16*16LED點(diǎn)陣

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： With the quick development of electronic technology，alarm system has changed from simplication and localization to intelligence and integration. This text mostly introduces the guard and alarm system based on MCU， which collects the signal of tempreture with temperature sensor called DS18B20.The system shows the current temperature with four nixie tube.Whats more，the 16*16 LED display screen shows “normal”， while shows fire alarm on the other situation that the current tempreture is below the alarm threshold .

Key words： fire alarm； the MCU of 80C52； DS18B20 ；16*16LED

0 引言

隨著現(xiàn)代生活水平的不斷提高，款類各樣的電器用品已經(jīng)成為時(shí)尚家庭選擇配備，但這也使得潛在的火災(zāi)隱患攀升，事故頻發(fā)，一套智能化的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)即已成為時(shí)下的迫切與必需。本文針對(duì)現(xiàn)代家庭和公共場(chǎng)合存在的安全綜合問(wèn)題，提出了基于單片機(jī)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)前溫度顯示、人性化的各種文字提示和溫度預(yù)、報(bào)警等預(yù)訂功能。

1 單片機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用

自問(wèn)世以來(lái)，單片機(jī)性能在不斷地提升和完善，它不僅能滿足很多應(yīng)用的需要，而且具有集成度高、功能強(qiáng)、速度快、功耗低、使用方便、性能可靠、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，因此正在逐步取代現(xiàn)有的多片微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。

單片機(jī)從8位、16位，再升級(jí)到現(xiàn)如今的32位[1]，品種型號(hào)各具特色，且互成互補(bǔ)，同時(shí)又基于單片機(jī)的可觀顯著優(yōu)點(diǎn)，使得其應(yīng)用已然遍及各個(gè)領(lǐng)域，主要包括智能儀表、機(jī)電一體化、實(shí)時(shí)控制、分布式多機(jī)系統(tǒng)和家居生活等關(guān)鍵具體的多個(gè)方面[2-3]。

2 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)外圍硬件電路方案比較

2.1 溫度傳感器方案比較

2.1.1 方案一：熱敏電阻

傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)系統(tǒng)大多采用熱敏電阻作為傳感器。但是采用熱敏電阻作為傳感器的溫度檢測(cè)系統(tǒng)必須經(jīng)過(guò)專門的接口電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后才能送入微處理器進(jìn)行處理，存在可靠性差、成本高、精度低等諸多缺點(diǎn)，故不適合作為本文報(bào)警系統(tǒng)的溫度傳感器。

2.1.2 方案二：集成溫度傳感器AD590

AD590是電流型溫度傳感器，通過(guò)對(duì)電流的測(cè)量可得到所需要的溫度值。AD590的測(cè)溫范圍為-55～+150℃，電源電壓范圍為4～30V，對(duì)應(yīng)于熱力學(xué)溫度T每變化1K，就輸出1uA的電流。在298.2K（對(duì)應(yīng)于25.2℃）時(shí)輸出電流恰好等于298.2uA。設(shè)計(jì)上，還可承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而反接也不會(huì)損壞，且精度高，誤差為±0.3°C。

2.1.3 方案三：數(shù)字溫度傳感器DS18B20

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實(shí)現(xiàn)，能獨(dú)立工作的溫度檢測(cè)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)不同領(lǐng)域?，F(xiàn)在很多溫度檢控場(chǎng)合已廣泛使用單總線的溫度傳感器[4]，使整個(gè)防范系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠。

在多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)中，單總線數(shù)字溫度傳感器因其體積小巧、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景日趨理想廣闊[5]。每一個(gè)數(shù)字溫度傳感器內(nèi)均有唯一的64位序列號(hào)，只有獲得該序列號(hào)后才能對(duì)其進(jìn)行操作，也才能在多傳感器系統(tǒng)中將其實(shí)現(xiàn)有效識(shí)別。DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，因其具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、易配處理器等優(yōu)點(diǎn)，特別適合構(gòu)成多點(diǎn)溫度測(cè)控系統(tǒng)，其溫度測(cè)量范圍為-55～+125℃，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625℃。

2.2 16*16點(diǎn)陣LED電子顯示屏方案比較

本文的火災(zāi)安全防范報(bào)警系統(tǒng)選取16*16點(diǎn)陣LED電子顯示屏。下面針對(duì)幾種顯示屏方案給出評(píng)析比對(duì)。

2.2.1 方案一：74HC573作為行驅(qū)動(dòng)

2.2.1.1 行驅(qū)動(dòng)電路

電路中，采用2個(gè)8位數(shù)據(jù)鎖存器74HC573作為L(zhǎng)ED點(diǎn)陣顯示屏列驅(qū)動(dòng)。顯示屏行數(shù)據(jù)直接由單片機(jī)P1口和P2口控制，程序編寫較簡(jiǎn)單。但是該電路占用了大量I/O口資源，影響了其他硬件電路的設(shè)計(jì)，不適合本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。

2.2.1.2 列驅(qū)動(dòng)電路

單片機(jī)P0口低4位輸出的列信號(hào)經(jīng)4/16線譯碼器74LS154譯碼后生成16條列選通信號(hào)線，再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的列線。一條列線上要帶動(dòng)16行的LED進(jìn)行顯示，按每一LED器件20mA電流計(jì)算，16個(gè)LED同時(shí)發(fā)光時(shí)，需要320mA，選用三極管8550作為驅(qū)動(dòng)管可滿足要求。

2.2.2 方案二：74HC595作為行驅(qū)動(dòng)

74HC595集成電路作為L(zhǎng)ED點(diǎn)陣顯示屏的硬件原理如圖1所示。

2.2.2.1 行驅(qū)動(dòng)電路

該方案行驅(qū)動(dòng)電路由集成電路74HC595構(gòu)成并實(shí)現(xiàn)，其中具有一個(gè)8位串入并出的移位寄存器和一個(gè)8位輸出鎖存器，而且移位寄存器和輸出鎖存器的控制室各自獨(dú)立，可以在分別顯示本列各行數(shù)據(jù)的同時(shí)，傳送下一列的行數(shù)據(jù)，即達(dá)到重疊處理的目的。

74HC595的輸入側(cè)有8個(gè)串行移位寄存器，每個(gè)移位寄存器的輸出都連接一個(gè)輸出鎖存器。引腳Ds是串行數(shù)據(jù)的輸入端。引腳SHcp是移位寄存器的移位時(shí)鐘脈沖，在其上升沿發(fā)生移位，并將SHcp的下一個(gè)數(shù)據(jù)打入最低位。移位后的所有位信號(hào)出現(xiàn)在各移位寄存器的輸出端，也就是鎖存器的輸入端。STcp是輸出鎖存器的打入信號(hào)，其上升沿將移位寄存器的輸出打入到輸出寄存器。引腳OE是輸出三態(tài)門的開(kāi)放信號(hào)，只有當(dāng)其為低時(shí)輸出鎖存器的輸出才開(kāi)放，否則呈高阻態(tài)。MR信號(hào)是移位寄存器的清0輸入端，當(dāng)其為低時(shí)移位寄存器的輸出全部為0。由于SHcp和STcp2個(gè)信號(hào)是互相獨(dú)立的，所以能夠做到輸入串行移位與輸出鎖存器互不干擾。芯片的輸出端為Q0～Q7，最高位Q7可作為多片74HC595級(jí)聯(lián)輸出。但因?yàn)镼7受輸出鎖存器打入控制，所以還從輸出鎖存器前引出了Q7，作為與移位寄存器完全同步的級(jí)聯(lián)輸出。

2.2.2.2 列驅(qū)動(dòng)電路

同方案一中的電路設(shè)計(jì)與配置。

綜上比較可知，采用方案二雖然編寫程序較復(fù)雜，但其行驅(qū)動(dòng)電路只需占用3個(gè)單片機(jī)I/O口，大大節(jié)約了I/O口資源，故選擇方案二。

2.3 鍵盤控制方案比較

各種人性化的設(shè)計(jì)中，除了要有智能控制外，還要有人機(jī)交互的接口，而這一常用接口就是鍵盤。下面針對(duì)鍵盤控制提出方案對(duì)照。

2.3.1 方案一：通過(guò)74HC21擴(kuò)展中斷口

通過(guò)74HC21擴(kuò)展中斷口實(shí)現(xiàn)鍵盤控制的原理圖如圖2所示。

該方案通過(guò)2個(gè)四輸入與門74HC21實(shí)現(xiàn)對(duì)80C51中斷口的擴(kuò)展。

2.3.2 方案二：通過(guò)二極管擴(kuò)展中斷口

該方案通過(guò)穩(wěn)壓二極管實(shí)現(xiàn)對(duì)80C51中斷口的擴(kuò)展。

由于方案一較方案二電路簡(jiǎn)單，且穩(wěn)定性優(yōu)良，故選擇方案一。

2.4 數(shù)碼管顯示方案比較

作為一種應(yīng)用普及型的顯示器件，數(shù)碼管尤其適用于對(duì)價(jià)格、亮度等條件比較敏感，同時(shí)基本上只要求顯示數(shù)字量的指定場(chǎng)合，所以在數(shù)據(jù)顯示，定時(shí)控制等方面成為流行配置。文中也相應(yīng)進(jìn)行了核心設(shè)計(jì)比較。

2.4.1 方案一：三極管驅(qū)動(dòng)

基于三極管的數(shù)碼管顯示電路原理方案中，P0口用作7段數(shù)碼管的字段選擇信號(hào)，控制數(shù)碼管的字段LED發(fā)光，由P1.0～P1.3口通過(guò)三極管用作數(shù)碼管的位選信號(hào)，低電平選通，高電平關(guān)閉。

2.4.2 方案二：74HC573驅(qū)動(dòng)

通過(guò)74HC573鎖存器實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示的方案原理圖如下圖6所示。

本方案采用2個(gè)8數(shù)據(jù)鎖存器74HC573分別實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管數(shù)據(jù)以及位選信號(hào)的鎖存。74HC573具有增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，省卻了常見(jiàn)驅(qū)動(dòng)的三級(jí)管設(shè)置；另外，由于該芯片能夠緩沖數(shù)據(jù)，可以開(kāi)發(fā)運(yùn)用P0口傳輸數(shù)據(jù)和位選信號(hào)，減少了對(duì)I/O口資源的使用。

經(jīng)過(guò)比較，選擇方案二為本文系統(tǒng)的數(shù)碼管顯示電路。

至此，基于前述分析成果，本文整合研究設(shè)計(jì)，并獲得了安全防范報(bào)警系統(tǒng)的集成總電路。限于篇幅，集成總電路詳圖在文中不作贅述。設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)成本經(jīng)濟(jì)，性能穩(wěn)定，并具有良好的二次擴(kuò)展能力，能夠滿足本文研究設(shè)計(jì)預(yù)定目標(biāo)需求。

3 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

火災(zāi)安全防范報(bào)警系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4所示。

本文系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)了當(dāng)前溫度顯示、溫度報(bào)警門限設(shè)置、16*16點(diǎn)陣LED電子顯示屏文字的左移并顯示當(dāng)前狀態(tài)和可人工控制的緊急報(bào)警按鍵。

3.1 溫度顯示以及電子滾動(dòng)屏軟件設(shè)計(jì)

由于單片機(jī)需要同時(shí)控制數(shù)碼管和點(diǎn)陣顯示屏2個(gè)顯示界面，為了防止顯示溫度值和提示文字閃爍，單片機(jī)需要在數(shù)碼管和點(diǎn)陣顯示屏能夠開(kāi)啟點(diǎn)亮的最小時(shí)縫進(jìn)行掃描，故當(dāng)點(diǎn)陣文字每向左一列便掃描數(shù)碼管一次，如此即可同時(shí)保證數(shù)碼管和點(diǎn)陣顯示屏的穩(wěn)定性。顯示實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

3.2 按鍵設(shè)置軟件設(shè)計(jì)

由于51單片機(jī)只有2個(gè)外部中斷源，將根本無(wú)法滿足本文火警系統(tǒng)的按鍵需求，故需要引入中斷源的擴(kuò)展設(shè)計(jì)。當(dāng)軟件設(shè)置進(jìn)入中斷程序后，就將對(duì)與中斷口相關(guān)的I/O口的值進(jìn)行逐一判斷與比較，從而實(shí)現(xiàn)中斷源擴(kuò)展。具體流程如圖6、圖7所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了單片機(jī)的發(fā)展概況、發(fā)展趨勢(shì)以及應(yīng)用領(lǐng)域，重點(diǎn)對(duì)數(shù)字溫度傳感器DS18B20以及其相關(guān)的單總線協(xié)議提供了基礎(chǔ)支持性論述。此外，對(duì)報(bào)警系統(tǒng)外圍硬件電路和軟件進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比解剖和分析，最終實(shí)現(xiàn)了數(shù)碼管顯示當(dāng)前溫度，16*16LED點(diǎn)陣顯示當(dāng)前情況，低于報(bào)警門限顯示“正?！?，高出則顯示“火警”的火災(zāi)安全防范報(bào)警系統(tǒng)，以此來(lái)警示人們防范日益頻繁的火警火情。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐瑋，徐富軍，沈建良. C51單片機(jī)高效入門[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2] 江志紅.51單片機(jī)技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)案例精選[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[3] 孫育才.MCS-51系列單片微型計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用[M]. 4版. 南京：東南大學(xué)出版社，2004.

[4] 劉同法，陳忠平.單 片機(jī)外圍接口電路與工程實(shí)踐[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[5] 李鋼，趙彥峰. 1—Wire總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20原理及應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2005（21）：77-79.