694523558毕业设计（论文）火灾报警系统的研究

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1、火灾报警系统设计 - I -摘要火灾已成为我国常发性和破坏性以及影响力最强的灾害之一。随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下建筑以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。在工业和民用建筑、宾馆、酒店、图书馆、科研和商业部门，火灾报警系统已成为必要的装置。火灾报警系统对现代建筑起着极其重要的安全保障作用。火灾报警控制器是火灾报警系统的核心。本文对火灾报警控制器和探测器做了深入的研究，并全面阐述了火灾报警控制器和探测器硬件和软件设计。以下是本文完成的主要工作： 1火灾报警系统的控制器采用C8051F020单片机进行设计，所设计的控制器具有较高的性

2、价比，还具有操作人员管理、报警信息查询、探测器管理、预报警、火警处理、通讯等功能，在控制器中采用LCD显示器进行报警系统所需各种信息显示。 2探测器控制电路的核心采用PHILIP公司的低功耗P87LPC762单片机，它实现了对火灾信息的检测和传送；为提高系统的适应性与扩展性，进行了写码器设计。 3控制器与探测器之间的通讯采用无线高频通讯方式进行，运用 KB8825双频合成器进行了无线通讯电路设计，具有抗干扰能力强、功耗低等优点，可靠地完成了探测器与控制器之间的无线通信。 本文设计的火灾报警系统能有效地防止和减少火灾危害，解决有线火灾报警系统不能解决的问题，对保护人身安全和财产安全具有现实意义。

3、关键词 火灾报警系统；火灾探测器；单片机；无线通讯AbstractIn our country, as a disaster, the fire has many characteristics, such as: mediocrity, breakage and influence. In recent years, the economy and the construction develop quickly, increasing of modern building, underground architecture and large-scale construction, the

4、 occasion of fire is increasing, the quantity of fire and the losing it leads to raise gradually, the intention of fireproofing is avoiding loss. In the instruction of industry and civil, hotel, grogshop, library, the department of scientific research and trade, the fire alarm system has become the

5、necessary installation. The fire alarm system has important functions to the modern buildings. The fire alarm system controller is its core. We introduce the research of fire alarm controller and narrate its hardware and software. The fire alarm system controller is designed by the C8051F020 MCU, it

6、 has a high rate of capability and price, at the same time, it has many functions such as: handlers manage, alarm information inquire, detector manage, preparative alarm, the process of fire alarm, communication and so on. In the controller, the LCD display shows all kinds of fire alarm information.

7、 The detectors control circuits is designed by P87LPC762 MCU, it can detect and transmit the fire information. We design a coder for improving the systems adaptability and reliability. The communication mode of controller and detector is wireless, the core of wireless communication circuit is KB8825

8、 dual frequency synthesizer, it is strong anti-jamming and low power. It is reliability to complete the wireless communication function between the controller and detector. The fire alarm system can avoid and reduce the fire harm. It settles the problem that the wire fire alarm system can not fulfil

9、l. Keywords fire alarm system; fire detector; MCU; wireless communication- II -火灾报警系统设计目录摘要IAbstractII目录11 绪 论31.1 课题背景31.2 国内外报警系统的现状及发展情况31.2.1 火灾报警系统发展历程31.22 火灾报警系统在国内外的发展情况41.3 火灾报警系统的分类41.4 课题研究的目的和意义52 方案设计和探测器的选择62.1 总体设计方案62.2 硬件电路的设计方案62.3 火灾探测器的选择82.3.1 火灾报警探测器的探测原理82.3.2 火灾探测器的分类92.3.3 火

10、灾探测器的误报警原因92.3.4 火灾探测器的标定102.3.5 离子感烟探测器102.3.6 通讯方式122.4 本章小结123 火灾报警控制器的具体设计133.1 电源模块的设计133.1.1 供电方式的选择133.1.2 变压器的选择133.1.3 稳压电源的设计143.1.4 不间断供电电路183.2 主控模块设计193.2.1 MCU的选择193.2.2 C8051F020的功能、特点193.2.3 MCU资源分配213.2.4 电源监视电路233.2.5 键盘电路接口243.2.6 LCD模块的接口电路243.3 本章小结264 火灾报警系统探测器的硬件设计274.1 探测器控制电

11、路的设计274.2 无线高频接收、发射电路294.3 写码器设计314.4 本章小结325 火灾报警系统的软件设计335.1 火灾报警系统设计的要求335.2 火灾报警系统控制器软件设计335.3 火灾报警系统探测器单片机软件设计355.4 火灾报警系统通讯模块软件设计365.5 本章小结37结 论38参考文献39致 谢411 绪 论1.1 课题背景 火灾是世界上发生频率较高的一种灾害，几乎每天都有火灾发生，据联合国“世界火灾统计中心（WFSC）2000统计资料”，全球每年约发生火灾600万至700万次，全球每年死于火灾的人数约为65000人至75000人。 欧洲和北美发生的火灾较多，死亡人数

12、却相对较少，这与欧美发达国家的生活水平高以及消防设施完善有关；亚洲居住人数最多，发生火灾次数较少，但死亡人数较多，这与亚洲经济发展程度不高、消防设施不完善等因素有关。 火灾早已成为我国常发性和破坏性以及影响力最强的灾害之一。随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下建筑以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾发生的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。我国2000年中国火灾统计年鉴记载，从1950年至1999年，全国共发生火灾3258105起，死亡人数165499人，伤313766人，直接经济损失1828亿元1。我国每年的起火次数较少，但死亡人数较高，这说明我国的消防保护体系对保护生

13、命安全还有一定的差距，因此现阶段有必要提高全民的防火安全观念，提高我国消防设施水平。 火灾作为危害人类生存的大敌，越来越受到人们的重视。一旦发生火灾，将对人的生命财产造成极大的危害，于是人们开始寻求一种早期发现火灾的方法，以便控制和扑灭火灾，减少损失，保障生命安全。火灾报警系统就是为了满足这一需求而研制出来的，并越来越被人们所接受，其自身技术水平也随着人们需求的不断提高，在功能、结构、形式等方面不断地完善。 1.2 国内外报警系统的现状及发展情况 1.2.1 火灾报警系统发展历程 火灾报警系统，从发展过程来看，大体可分为三个阶段。 第一阶段：多线型火灾自动报警系统。每个探测器除需提供两根电源线

14、外，还需提供一根报警信号线，探测器电源由报警器提供，探测器的信号线均 连接到报警显示盘上，报警时点亮相应的指示灯，如日本“日探”公司生产的CPF火灾报警系统，此类系统的功能一般以报警为主，辅以一些简单的联动功能（也为多线制），如驱动警铃等，其报警器对外围探测器无故障检测功能，只会对电源线的断线做出故障反应，安装此类系统比较繁琐，特别是校线工作量较大2。第二阶段：总线型火灾自动报警系统。这种自动报警系统已采用微处理器控制，其线制一般有四线制、三线制、二线制，探测器和模块均采用地址编码形式，通过总线与控制器实现信号传送，其探测器的报警形式为开关量，它的灵敏度在制造时，通过硬件决定，不可调整，此类系

15、统可进行现场编程，并通过各种模块对各联动设备实行较复杂的控制，此类系统已具有系统自检以及对外围器件的故障检验等功能，但对故障类型不能区分，目前国内生产的火灾自动报警系统大多数为此类产品，由于此类产品具有报警和控制功能，它的施工、安装较为方便，且价格较低，已被大量使用3。第三阶段：智能型火灾自动报警系统。由于采用了先进的计算机控制技术，智能化程度大大提高，探测器的报警形式采用数字量，并可通过软件对其灵敏度根据使用场合、时间进行设定和调整，如可设定白天、夜间、休息日不同灵敏度。对探测器的使用环境参数变化较大的场所，灵敏度设定相对低一些，对环境较稳定或一些重要的场所，灵敏度设定相对高一些，这一功能可

16、提高系统的稳定性及可靠性，减少误报4 5。 1.22 火灾报警系统在国内外的发展情况 1.国外一些较发达的国家，具有火灾预防、报警、扑救、善后处理等比较完善的消防体系。政府每年都要拨出大笔资金用于消防设备更新、人员培训以及消防设施维护。德国、日本、美国等国家就采用计算机与用户终端的传感器或者用户终端信号采集器相连，对火灾自动报警设备实时监控以及故障远程传输。例如：美国、加拿大、英国、澳大利亚、日本等国家在建设和应用城市火灾自动报警监控系统方面均有可供借鉴的成功经验。他们将自动火灾报警作为公共报警手段接入监控系统，并有效运行多年，使消防指挥中心能够快速准确判断火灾地点、火灾类型，并调度消防部队迅

17、速到达现场，自动报警监控系统在此起到了很大的作用。此外，这些国家在监控系统管理方面比较规范，专门成立一个监控服务机构，该机构的责任是保证火灾报警数据通信畅通，为用户服务，对用户负责，同时向消防部队传送可靠的火灾报警信息，而消防部门的主要责任是对此类服务机构进行资质审查及监督管理。这种管理运作方式已经取得了良好的效果。2.我国火灾报警系统起步较发达国家晚几十年，从上世纪70年代我国才开始研制生产火灾报警系统产品。进入80年代后，国内主要厂家也多是模仿国外产品，或是引进国外技术进行生产，没有真正意义上的核心技术，并且市场也刚刚开始发育。火灾报警产品真正发展是在90年代以后，随着政府逐渐开放国门，国

18、外企业开始大量进入中国消防市场，带来先进技术的同时也促进了市场的成熟。这时期，我国生产火灾报警产品的企业也得到了快速发展，部分企业进行了合资生产、技术合作，取得了不菲的成绩，也造就了现今市场上许多有实力的商家，部分技术已接近或赶上了国际水平。 1.3 火灾报警系统的分类 火灾报警系统根据需要可划分为区域报警系统、集中报警系统和控制中心报警系统6。 区域报警系统是由火灾探测器、受动火灾报警按钮、区域控制器等组成。区域可以视为一栋楼或几层楼的范围，在区域报警系统中宜设置一台区域控制器，最多设置不应超过三台区域控制器。 集中报警控系统是由火灾探测器、手动火灾报警按钮、区域报警控制器、集中报警控制器等

19、组成。在集中报警系统中应设置一台集中报警控制器和两台以上的区域报警控制器。集中报警控制器应设置专用值班室或消防值班室内，由专人看守。 控制中心报警系统是由火灾探测器、手动火灾报警按钮、区域报警控制器、集中报警控制器、消防控制设备等组成。系统中应至少设置一台集中报警控制器和相关的消防控制设备设置在值班室，其他部位的集中报警控制器应将火灾报警信号和消防联动控制信号均送至消防控制值班室。 1.4 课题研究的目的和意义 本系统研究的火灾报警系统里来源于校企横向合作项目，它主要应用在宾馆、酒店的场合。其中，火灾报警控制器是一种能接收、显示和传递火灾报警等信号的报警装置，它是火灾报警系统的主要组成部分。火

20、灾报警探测器是监视周围环境状况的“感觉器官”，而火灾报警控制器则是系统的“神经”、“大脑”，是整个系统的核心。火灾报警控制器担负着监视探测器及系统自身的工作状况、处理火灾探测器输出的报警信号、进行声光报警、指示报警的具体部位、时间及执行相应的辅助控制等任务。 研制火灾报警控制器的目的是为了立足于掌握核心开发技术，降低系统成本。 尽管通过最近几年的消防治理整顿，取得了不少成绩，但与其他国家相比，千次火灾死亡人数较多，我国的火灾形势不容乐观，加之我国经济在高速发展，生活水准大幅度提高，各种生产、办公以及居住场所火灾大增，塑料制品和双层玻璃的大量应用，使火场的外部求援困难重重7。因此，设计简单实用的

21、火灾报警控制系统有着防止和减少火灾危害、保护人身安全和财产安全的重要意义。2 方案设计和探测器的选择 2.1 总体设计方案 由以上的分析，本系统的总体设计框图如图2-5所示，现在对该图进行简要说明： 该系统工作中离子探测器的探头将探测的物理信号转换为电压信号，然后送入探测器，由探测器内的P87PLC762单片机处理，将处理信号送往振荡器混频、高频电路调制、发射。无线传输的高频信号由报警控制器的接收电路接收、解调后送往MCU（C8051F020）处理。最后输出，由指示灯、LCD显示火警情况，等待操作人员处理。 P87LPC762单片机离子感烟探测器信号流信 号 流被探测对象信 号 流信号流输出设

22、备信号流C8051F020处理器接收、发送电路图2-5 总体设计框图 Fig.2-5 The overall design frame 2.2 硬件电路的设计方案 在本系统中，按功能可分为探测器模块、控制器模块和通讯模块三部分。 图2-6是报警系统的组成图。报警系统以控制器为核心，通过它对探测器采集到的信息进行处理。同时将各种信息如：探头的现状、火警等信息送往输出设备，通过报警指示灯点亮，LCD显示和打印机打印信息等实现人机信息交互。 探测器模块控制器模块无线通讯模块图2-6 报警系统的组成 Fig.2-6 The form of alarm system 图2-7是探测器模块原理框图。探测器

23、工作过程中，探测器内部的核心控制器芯片P87PLC762单片机对离子感烟探测器探头传来的数据进行处理。并将处理后的信息送往调制电路，经过调制电路对信号调制后，由发射电路将信号发给控制器的接收电路。P87LPC762单片机信 号 流离子感烟探测器信 号 流被探测对象信 号 流高频发射电路信 号 流混频电路图2-7 探测器模块框图 Fig.2-7 The configuration of detector module 为实现对火灾情况进行实时、准确、快速的控制，选择合适的微处理器进行控制器设计是很有必要的，考虑的问题有：能否对探测器实施24小时不间断的监控，能否及时准确报告火灾情况，是否有对系统

24、信息进行处理足够大的程序储存空间。基于以上几点考虑，选用C8051F020芯片进行控制器设计，它有以下几个方面的优点8：1. 带有与8051全兼容的高速（峰值达25MIPS）微控制器内核； 2. 大容量的Flash程序存储（64KB）和内部数据存储器RAM（4352B）； 3. 具有较高精度和速度的两个多通道ADC（最大速度可达100kbps）和2路12位DAC； 4. 功耗低，供电电压为3.3V，典型工作电流为12mA，并具有多种节电休眠和停机模式，全部I/O、RST、JTAG引脚均允许5V电压输入； 5. 片内JTAG仿真电路可提供全速、非插入式的电路内仿真，极大方便了软件调试。 采用C8

25、051F020单片机作为控制器的主控器件来完成整个系统的控制、测量、输出以及与各种输出、输入模块的通信。充分显示C8051F020单片机的特点，采用C8051F020内部的ADC对电源电路实施监控，并充分利用C8051F020丰富的I/O口资源，将它们分配给LCD、键盘、打印机、调制口，报警指示灯等设备，有机的实现了系统的各项功能。并且实现整个系统的性价比高的特点。图2-8是控制器的模块框图，控制器的核心芯片为美国CYGNAL集成产品公司生产的C8051Fxxx系列中子系列C8051F02xxx系列中的C8051F020单片机，它带有与8051完全兼容的高速（峰值可达25MIPS）微控制器内核

26、。由控制器模块中的接收电路接收探测器发来的信号后，然后经过解调电路对信号进行解调，然后由C8051F020单片机对信号进行处理。处理后的结果送往LCD和打印机。由LCD显示现况和打印机打出报表供操作人员进行相应处理。C8051F020处理器信 号 流解调电路信 号 流高频信号信 号 流输出设备图2-8 控制器的模块框图 Fig.2-8 The configuration of controller module2.3 火灾探测器的选择 2.3.1 火灾报警探测器的探测原理物质燃烧，就必然有热量释放出来，环境温度升高，而在燃烧速度非常缓慢的情况下，这种热（温度）是不容易鉴别出来的。物质在燃烧开始

27、阶段，首 先释放出来的是燃烧气体，比如：单分子的CO和CO2等气体。其次还有悬浮在空气中较大的分子团、灰烬和未燃烧的物质颗粒，我们把这些悬浮物称为气溶胶，粒子直径一般在0.01m左右。对于普通可燃烧物质的表现形式，首先是产生燃烧气体，然后是烟雾，在氧气供应充分的条件下，才能达到全部燃烧，产生火焰，并散发出大量的热，使环境温度升高（起火过程曲线如图1-1所示）。图1-1 起火过程曲线 Fig.1-1 The process of firing curve 由于火灾发生时，会产生烟雾、高温和火光等现象，探测器对这些很敏感。当有烟雾、火光、高温产生时，它就改变平时的正常状态，引起电流、电压或机械部分

28、发生变化或位移，信号经过放大，送入控制器，并以声、光等形式发出警报信号，显示火灾的部位、地点。 2.3.2 火灾探测器的分类 探测器是火灾报警系统的现场探测部件，它的好坏直接关系到整个系统是否正常运行。当火灾发生时，把因火灾产生的各种非电量参数（如烟，温度等参数）变成电量参数传送给控制器。其特点是模拟量传输，跟随各种非电量参数（如烟、温度等参数）变化而变化。火灾探测器根据火灾发生时所表现出来的物理现象可以分为：气敏型、感温型、感烟型、感光型、感声型五大类9。2.3.3 火灾探测器的误报警原因任何一种火灾探测器都只是针对火灾中同时出现的多种物理量中的一种进行探测，不可避免的受到环境中某些相似因素

29、的影响，从而导致误报警（误报警是指在非火灾情况下，火灾探测器发出的报警），表2-1列出了几类火灾探测器误报警的部分环境因素。表2-1 误报警原因 Table2-1 The error alarm reason火灾中的物理量探测器类型识别模式误报警因素接触型CO、CO2气体探测器接触还原气体温度感温探测器气体或温度变化固体颗粒感烟探测器灰尘、水滴、小昆虫静电探测器静电非接触型辐射光火焰探测器闪烁频率照明、太阳光燃烧音声音探测器功耗谱强度生活、生产噪音烟雾形状图像探测器颜色、边缘不规则物体、相似色火焰形状图像探测器辐射能量区别高温物体、太阳光照射解决误报警问题已成为提高火灾探测器准确性的关键所在，

30、减少和降低误报警，有以下几条比较有效的途径： 1避免和减少环境因素对误报警的影响。该方法着眼于引起误报警的环境因素，通过改进探测器结构设计和规定使用条件入手来减低误报警。 2考察参量变化与实际火灾过程的比较。该方法着眼于识别方式，通过模拟方式监测某一物理参量的变化历程，并与实验所得火灾过程相应物理参量变化曲线相比较，由此来判断是否发生火灾。这种方法需要大量的火灾实验数据为基础。 3改单一物理参量监测为多参量复合监测，降低误报警。实行多参量复合监测要依据所在建筑及火灾特点（或火灾数据）取舍物理量，既可减低火灾误报警，又能保证经济和技术上可行。 4寻找适当的信号处理算法，如：复合趋势算法、模糊逻辑

31、算法和人工神经网络算法等，在提高灵敏度的同时将误报率降低到极限。 2.3.4 火灾探测器的标定 火灾探测器安放的环境复杂多变，对被探测的环境变量的阀值要求就不一样。在火灾探测器安装之前，必须要对它们进行标定。标定的目的是根据具体要求设定火灾探测器的阀值。 对离子感烟探测器来说，环境变量比较单一。烟进入的直接效果是改变栅极电压，而栅极电压是离子室的端电压和离子室的机械结构及放射源决定的。由于机械件几何结构的精密性，可以做到准确的放射源配对，从而得到足够准确的分压比。阈值与烟浓度的模拟就可以简单地由设定控制离子室的端电压来达到足够的精度。离子型探头的标定技术易于掌握，实现比较容易10。 标定的准确

32、性对能否使火灾探测器发挥应有的效能非常重要。虽然人们对离子型中的放射源的隐忧一直存在，但是由于离子型探头的标定易于掌握和实现，所以很多用户采用离子型。 2.3.5 离子感烟探测器离子感烟探测器的工作原理是：离子感烟探测器探头电路是利用两片放射性物质241（AM）源构成的两个电离室（检测电离室和补偿电离室）及场效应晶体管（EFT）等电子元件件组成。其工作原理为：P1和P2是一相对的电极，在电极之间放有源241镅，由于它持续不断地放射出粒子以高速运动，撞击空气分子，从而使极板间空气分子电离为正离子和负离子（电子），这样电极之间原来不导电的空气具有了导电性，实现这个过程的装置我们称它为电离室，如图2

33、-1所示。 图2-1 电离电流的形成Fig.2-1 The form of ionization current如果在极板P1和P2间加上一个电压E，极板间原来做杂乱无章运动的正负离子，此时在电场的作用下，正负离子做有规则的运动，正离子向负极运动，负离子向正极运动，从而形成了电离电流I。施加电压E愈高，电离电流愈大。当电离电流增加到一定值时，外加电压再增高，电离电流也不会增加，此电流称之为饱和电流IS，如图2-2所示。图2-2 电离电流和电压的关系 Fig.2-2 The relation of ionization current and voltage 一般离子感烟器的电离室均设计成单极性

34、的，因为当发生火灾时，烟雾进入电离室后，单极性电离室要比双极性电离室的电离电流变化大，也就是说可以得到较大的电压变化量，从而可以提高离子感烟探测器的灵敏度，在实际的离子感烟探测器设计中，是将两个单极性电离室串联起来，一个作为检测电离室（也叫外电离室），做成烟雾容易进入的结构；另一个作为补偿电离室（也叫内电离室），做成烟粒子难进入而空气又能缓慢进入的结构形式，如图2-4所示。电离室采用这种串联的方式，主要是为了减少环境温度、湿度、气压等自然条件的变化对电离电流的影响，提高离子感烟探测器的环境使用能力和稳定性。离子感烟探测器电路主要有三部分组成，即前置放大器，总线无极性变换电源电路以及解码电路。

35、图2-3 检测电离室和偿电离室示意图 Fig.2-3 The testing ionization room and compensate ionization chart对各类火灾探测器进行比较后，根据设计本系统的实际情况出发，系统采用离子感烟探测器，它是一种室内安装的探测器，可以探测可见和不可见的烟雾，具有对火灾进行早期预报功能15。在火灾发生初期，当进入离子感烟探头中采样室的烟浓度超过由参考室的门限值时，离子感烟探头底座上的指示灯将点亮，同时送出报警电压信号。在输入回路中，离子感烟探测器内的接口电路十分关键。通过探测器接口电路可以将探头报警电压信号转变为不同频率的电信号传送到控制器，由控

36、制器判别处理，确定火灾位置报警11。综上所述，离子感烟探测器在正常运行中对烟雾的识别能力较强，稳定性较好。因此本系统所采用的火灾报警探测器是离子感烟探测器，由它把物质初期燃烧所产生的烟雾信号转换成支流电压信号12，通过导线传输给报警器，发出声光报警信号。2.3.6 通讯方式 在现代测试系统中，通讯方式较多。本系统主要应用的场合是宾馆和居民小区的建筑，如果在现有的建筑中采用有线通讯，则需要在楼层间打孔、架线，给原有环境带来一定的负面影响，甚至给生活带来不便，难以维护。因此系统的通讯方式采用无线通讯，无线通讯具有微功率发射、高抗干扰能力和低误码率、传输距离远、透明的数据传输、多信道、多速率、高可靠

37、性，体积小、重量轻等特点。不仅解决了以上问题，而且提高了系统整体性能13。 2.4 本章小结本章在分析了现阶段火灾报警系统存在的问题后，有针对性的提出了问题的解决方法，给出了系统设计的整体方案。并对系统的各个模块根据其功能做出了合理的划分，并论述它们之间的关系。根据实际设计的具体要求，选择了合理的解决办法。在后面的几章，将对各个模块进行详细的阐述，并给出具体的实现方法。3 火灾报警控制器的具体设计火灾报警系统控制器的硬件由电源模块和主控模块组成。电源模块用于对控制板上各电子元器件供电，并要保证在市电突然停止供电的一定时间内保持系统正常工作。主控模块完成火灾报警信息查询、探测器管理、预报警、火警

38、处理、通讯等功能。下面对这些电路的设计分别进行介绍。 3.1 电源模块的设计 在各种电子设备中，电源是不可缺少的组成部分，其性能的高低直接关系到电子设备的技术指标和能否安全有效的工作。我国市电电压波动较大，噪音污染比较严重，工控系统由电源引起的故障要占一定的比例。因此，精心设计一个可靠、高效、稳定的电源是一项重要的设计工作14。 3.1.1 供电方式的选择 因为整个系统必须24小时连续工作，并要保证在市电突然停止供电的一定时间内保持系统正常工作，所以系统采用双电源供电模式，即：主供电模式和从供电模式。其中主供电模式是通过工频变压器将市电降压，然后经过整流、滤波、稳压输出所要求的直流电；从供电模

39、式是在主电源突然停止供电的情况下，通过蓄电池直接供给系统所需的直流电，从而保持系统正常工作。 3.1.2 变压器的选择 目前，中、小功率电源变压器的系列产品供应较丰富。但是，选择合适的电源变压器必须根据设备的容量和环境来确定。变压器一般次级有几个绕组，其次级功率为： 基于变压器效率的考虑，则初级功率为：变压器的额定容量为： 需要注意如下两个问题： 1变压器的效率决定于变压器的损耗。设计小型变压器，一般不必详细计算其损耗，效率与次级功率的经验数据如表3-1。 表3-1 与次级功率的关系 Table3-1 The relation of and sub power次级容量400效率60%-70%7

40、0%-80%80%-85%85%-90%90%-95%95%2次级功率P1的计算。对于一般的电源变压器，负载为电阻时，次级电压、电流和负载的电压、电流相等，P1的计算比较简单，而整流变压器负载上需要的是平滑的直流，次级要接整流和滤波电路，这样变压器次级将有直流成份通过。因此，对于在不同的整流电路以及不同性质负载下，变压器次级功率和负载功率的关系如表3-2：表3-2 次级功率和负载功率的关系 Table3-2The relation of secondary power and load power电路形式负载性质次级电压U1次级电流I1次级功率P1半波整流电阻性2.22U01.57I03.49

41、P0电容性U02.2 I02.2 P0全波整流电阻性1.11 U00.79 I01.74 P0电容性U01.1 I02.2 P0电感性2.22 U00.7 I01.57 P0桥式整流电阻性1.11 U01.11 I01.23 P0电容性U01.56 I01.56 P0电感性1.11 U0I01.11 P0倍压整流电容性0.5 U03.1 I01.56 P0其中：U0、I0、P0分别为负载电压、电流、功率 电源采用桥式整流、且负载呈电阻性，所以P1=1.23P。由表2-2可知变压器次级电压U1主要取决于负载电压U0，根据对本系统各电路模块功耗进行最大量的估算，系统的电源变压器采用16V、15W的

42、规格。 3.1.3 稳压电源的设计 经桥式整流、平滑滤波后得到的直流电仍残留有交流成分，还不能直接对电压波动敏感的器件（如：TTL/CMOS元件）供电，还必须经过稳压。目前市场上的稳压电源按其工作状态分类，有线性稳压电源和开关稳压电源，调整元件工作在线性状态的称为线性稳压电源，又称为连续导电稳压电源，调整元件工作在开关状态的称为开关稳压电源。线性电源的优点是稳压性能好、输出波纹电压小。非常适合于稳压性能好、波纹小的场合。线性稳压电源可轻而易举的做到0.1%以上的稳定性。其主要缺点是功耗大。线性稳压电源是靠调整管本身的压降来补偿由于交流波动或负载影响产生的输出电压变化。调整管压降与输出电流的乘积

43、为线性稳压器重要的调整功耗，而且这部分功耗变为热量，升高了电路的温度，对电路板和元器件产生不良影响15。本系统采用TTL/CMOS器件，对TTL/CMOS电路来讲，正常工作电源电压为5V1%，即允许波动值仅0.05V。因此若采用电压稳定性欠佳的开关稳压电源，系统可能不能正常工作。由于本系统对稳定性要求较高，所以决定采用线性直流稳压电源。本系统的备用电源采用为蓄电池，而蓄电池的充电电流一般应控制在电池容量安培小时（AH）的十分之一，也就是说，对蓄电池充电需要一个恒流源。利用三端可调正输出集成稳压器LM317，可以组成各种恒流源。LM317属于第二代三端集成稳压器，输出电压连续可调，是串联浮式结构

44、，其内部设置了过流保护、短路保护、调整管安全工作区保护及芯片过热保护等电路，使用十分安全可靠。其性能参数见表3-3。 表3-3 LM317的性能参数 Table3-3 LM317 regulators performance parameter输出电压V0(V)输出电流I0(A)输入电压V1(V)电压调整率Sv(%V)电流调整率SI(%)纹波抑制比SWAV(dB)1.25V037155VI400010180LM317在本系统中的应用电路图如图3-1所示。图3-1 LM317应用电路图 Fig.3-1 The application circuit of LM317 LM317内部由稳定性很高的

45、恒流源提供电流IADJ=50uA作为基准电压源的供电电流，此电流从ADJ端（调整端）输出。它的基准电压源是一种能带间隙式基准源，在输出端和ADJ端提供稳定性很高的电压VREF=1.25V作为基准。LM317输出电压的计算公式如下16：VOUT=1.25（1+R2/R1）+IADJR2。本系统需要多种电压，主板上存在的电压主要有：TTL/CMOS元件的工作电压为+5V和+3.3V，+12V专用蓄电池的充电电压一般为+13V左右，液晶显示器需要一个负的对比度调节电压UADJ，本系统采用T6963为控制器的点阵图形字符显示LCD需要的UADJ为-10V。为得到系统要求的各种电压,我们采用的方法是：将

46、变压器输出的电压经过桥式整流、平滑滤波得到了+16V直流电，但是输入输出回路中的监视电路对电压的稳定性要求较高，所以直流电还必须其经过三端可调集成稳压器LM317的稳压，从LM317输出的波纹极小的+13V左右直流然后在经过滤波后可为从电模式供电电源（+12V蓄电池）充电。而TTL/CMOS元件则由DC-DC可调模块MAX831提供稳定的+5V电压，其中，MAX831要求输入端电压在+8V到+30V之间。在采用从电模式时，蓄电池也对MAX831进行充电，让其输出稳定的+5V电源，维持系统正常工作。由于系统中有采用+3.3V电源供电的TTL/COMS元件，所以，从MAX831输出端再接一个可调稳

47、压器LM317，改变其可调端的电阻值，让它输出端输出标准的+3.3V电压满足系统元件需要。由于整个系统必须24小时连续工作，系统采用双电源供电模式。从LM317稳压器输出的电压在蓄电池不足时，要以12V左右的电压给蓄电池充电，以防在市电突然中断时，蓄电池有足够的电量在设计系统规定的时间内维持系统正常工作，另外由于接口电路需要它正常工作的+5V电压，控制器核心芯片C8051F020供电电压+3.3V以及LCD驱动所需-10V电压。而LM317稳压器在压差大的情况下，转换效率低，而且需另加散热片。实现+12V电压转换到+5V电压时，采用了Maxim公司的高效DC-DC转换芯片MAX831，它的引脚

48、图如图3-2所示。图3-2 MAX831的引脚图Fig.3-2 The pin of MAX831MAX831是一种高效、单极性、脉宽可调（PWM）、开关模式的DC-DC变压器。本系统在设计电源模块时，充分利用的它的这一特点。较好的得到了系统中各种输入、输出电路所需的+5V稳压电源17。在本系统中MAX831稳压器将+12V电压转换为+5V电压的应用电路图如图3-3。 图3-3 MAX831应用电路图Fig.3-3 The application circuit of MAX831在实现电压由+5V转换到-10V时，采用了一片MAX749。本系统的显示模块采用了以T6963C为核心控制芯片的L

49、CD显示器。LCD需要一个负的对比度调节电压UADJ，其电压范围-10V左右。我们可以利用DC-DC变换器从逻辑电源转换生成负电源。MAX749就是一个专门用来产生LCD负电压的电源变换器件。MAX749为倒相式PFM开关稳压，输出电压可达-100V以上，可通过内部数模转换器进行调节，或通过一个PWM信号或电位器进行调节。给C8051F020单片机供电时，电源电压需转换到+3.3V，本系统采用了LM317可调集成稳压器。LM317可以提供0.1%以上的稳定性的+3.3V电压来供给C8051F020使用。 本系统MAX749应用电路采用了PNP晶体管驱动，其应用电路见图3-4。图3-4 MAX7

50、49应用电路 Fig.3-4 MAX749 application of circuit 3.1.4 不间断供电电路 对于重要生产过程或设备，突然停电会造成重大损失，这时要考虑不间断供电装置。常用的不间断供电装置有不间断供电电源UPS、柴油机发电机组、蓄电池和直流交流逆变器等。大容量UPS价格较贵；柴油发电机组启动慢、机械噪音大、而且必须定期进行维护；因此本系统采用蓄电池作为备用电源。对蓄电池容量的最低要求是：电池提供的电流要能维持系统满负荷运行8小时。蓄电池浮充电的一种简单的方法见图3-5。 蓄电池限流电阻稳压电源回路交流电源整流回路图3-5 浮充电方式不间断电源 Fig.3-5 The c

51、harge of uninterrupted power 当交流电源正常时，蓄电池相当于在电源线上并接旁路电容器，它对交流电源侵入的噪音有旁路作用，所以使系统的噪音容限得到提高18。 本系统需要由一个主电源（交流电源）和一个副电源（蓄电池）提供所需要的能量。在正常情况下，通过交流电源供电。当发生停电或交流电源发生故障时，备用的蓄电池对MAX831芯片供电来维持整个系统继续正常工作。两组电源之间的切换是通过一个二极管实现的。 3.2 主控模块设计 火灾报警控制器总体设计根据国家标准GB4717-93火灾报警控制器通用技术条件进行19，其功能主要有： 1. 有备用电源、实现主、备电自动切换，保证电

52、源不间断。 2. 故障时，则必须有故障报警，并伴有声光显示。当发生火灾时，记录第一个探头的时间、部位并进行锁存等。 当发生火灾时，首先报出预警信号，延时30秒，在这30秒内管理人员可以根据此时指示的探测器位置进一步确认，若属于误报可以按复位退出。由于标准要求不间断电源，当主电故障转换使用备用电时，必须有明确指示灯，同时为节省电能在正常监视无异常信息状态下，处于休眠方式，当故障或火警时，立即唤醒，进行显示处理。探测器总线上应含有下列信息： 1. 地址信息：地址数量可由编码器决定一般一个总线回路上不应超过256个探测器。2. 火灾现象数据：在整个系统中，火灾现象数据可以连续变化，多级变化信号的形式

53、传输。 3. 制信号以及探测器的反馈信号：用来确认火警信息，驱动门等以及启动测试程序等。 3.2.1 MCU的选择 主控模块的核心是一块八位MCU（微控制器）。它的主要功能是整个系统进行初始化，提供主板上的各种控制信号，并对读入的数据进行处理，并把处理的结果发送到输出模块和通讯模块。根据系统的具体要求，我们设计系统控制器时，选择了一片美国CYGNAL集成产品公司生产的C8051F020单片机作为系统的处理器，它具有如下几个重要的优点：速度快、强大的模拟信号处理功能、先进的JTAG调试功能、强大的控制功能、丰富的串行接口、多达22个中断源、可靠的安全机制、有多大64K的FLASH存储器，部分可以

54、作为数据存储器使用，同时片内可有多达4KB的RAM存储器等。 3.2.2 C8051F020的功能、特点 C8051F020单片机具有100个引脚，C8051F020的内部结构图如图3-6所示。图3-6 C8051F020的内部结构图 Fig.3-6 The figure of interior configuration of C8051F020其主要特点如下： 1. CPU核 C8051F020单片机采用Cygnal公司的专利CIP51微处理器内核。平均每个时钟可以执行完1条单周期指令，从而大大提高了指令运行速度。同时，C8051F020单片机扩展了中断处理，增加了中断源，可提供22个中断

55、源，这对实时多任务系统的实现是很重要的；另外C8051F020单片机还具有内部时钟，但若需要也可接外部时钟。该芯片在程序运行时可实现内、外部时钟的切换，这在低功耗应用系统中非常实用；同时C8051F020还在内部增加了复位源，从而大大提高了系统的可靠性。 2. ADC和DAC C8051F020单片机内部有两个多通道的ADC子系统（12位的ADC0和8位的ADC1），两个子系统由逐次逼近型ADC、多通道模拟输入输出选择器和增益放大器组成。其ADC0的最大采样速率可达100kbps，可提供12位精度。ADC1的最大采样速率达500kbps，可提供8位精度，该ADC均由CIP51通过特殊功能寄存器

56、控制。 C8051F020单片机内部具有2通道12位DAC和2个比较器，CPU一般通过特殊功能寄存器来控制数模转换器和比较器，CPU可以将任何一个DAC置于低功耗关断方式。C8051F020中的DAC为电压输出模式，它可与ADC共用参考电平。 3. I/O口 C8051F020单片机除具有标准8051的P0、P1、P2和P3四个8位I/O口外，还有更多的扩展8位I/O口，每个端口I/O引脚都可以设置为推挽或漏极开路输出，同时具有低功耗模式。通过对数字交叉开关设计，可将内部数字系统资源定向到P0、P1和P2端口，并可将定时器、串行总线、外部中断源、A/D转换输入以及比较器输出通过数字交叉开关控制

57、寄存器定向到P0、P1、P2中的I/O口，以允许用户根据自己的特定应用选择通用I/O端口和所需数字资源的组合。 4. 存储器 C8051F020中包含有数据存储器和程序存储器。具有标准8051的程序数据地址结构，它包含有4352B的RAM以及64K字节的扩展数据RAM。C8051F020单片机内部带有64k字节Flash存储器，该存储器可按128字节为一个扇区来编程，同时也可以在线编程而不需要程序代码的未用扇区可作为非易失性数据存储器使用。 5. 串行总线及JTAG编程调试 C8051F020单片机除设计有标准的全双UART之外，还设有I2C/SMBus、SPI串行总线等多类型串行总线端口，且

58、通讯功能更加强大。另外，C8051F020单片机设计有JTAG口与片内调试电路，因此可以实现非插入式在片仿真调试，与使用传统的仿真相比更优越，更能真实地在片放映仿真实时信息。 3.2.3 MCU资源分配 本系统的主控板是一个比较复杂的、集多功能于一体的综合体。板上的信息不仅种类繁多，而且数量众多。主控模块的任务首先是对整个系统进行初始化，提供主板上的各种控制信号，对输入的大量信息进行处理，并把处理结果送到输出模块。见图3-7是主控模块的原理图。根据各个引脚的功能和外部环境的信号性质，必须对它们作合理的分配，在本系统中没有外部寄存器可访问，所以不用进行外部总线扩展。C8051F020片内配置了标

59、准的JTAG接口（IEEE1149.1）。在上位机软件的支持下，通过串行的JTAG接口可直接对安装在最终应用系统上的单片机进行非侵入式、不占用片内资源、全速在线系统的调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，同时支持断点、观察点、单步运行及停机命令。在使用JTAG接口进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。不但如此，C0851F020的JTAG逻辑还可以为在系统测试提供边界扫描功能。通过边界寄存器的编程控制可以对所有器件的引脚，SFR总线和I/O口的弱上拉功能实现观察和控制20。 当有火灾或探头故障发生时，系统除了对它们进行实时的处理之外，还要将它们发生的时间保存，供操作者查阅，因

60、此系统需要一个时钟源。PCF8563是PHILIPS公司推出性价比较高的一款工业级内含I2C总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历的芯片。所以我们采用PCF8563给系统提供时、分、秒等时间数据。PCF8563的多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能完成各种复杂的定时服务，甚至可以为单片机提供看门狗功能。其内部时钟电路、内部振荡电路、内部低电压检测电路（1.0V）以及两线制I2C总线通讯方式，不但使外围电路极其简洁，而且也增加了芯片的可靠性。同时每次读写数据后内嵌的字地址寄存器会自动产生增量35。在本系统中，PCF8563的工作过程如下:每秒钟将PCF8563的时分秒读入

61、C8051F020单片机，然后由单片机送往LCD显示。当某一时刻出现火警或事故时，控制器将此时的报警状态和时间保存在24WC02中。 系统中共8个LED发光管，分别是：主电故障、充电故障、备电故障、主电/备电工作、预警、消音、探头故障、火警，另有蜂鸣器一个。它们代表系统的不同状态。通过它们，用户可以很容易掌握系统的现况。这些LED指示灯都是由C8051F020的I/O口通过5K的限流电阻和NPN三极管9014的驱动直接控制的，因此C8051F020的各种控制信号可以直接达到LED指示灯。 3.2.4 电源监视电路 电源监视电路如图3-8所示。图3-8电源监视电路Fig.3-8The circu

62、it of power stakeout 如图C8051F020单片机主板设计电路图所示：C8051F020的ADC0、ADC1和ADC2分别对电源电路模块中的VA、VB和VC三点电压进行监视，主要任务是监视稳压元件D7输出端和蓄电池J2的输入、输出端电平变化。 3.2.5 键盘电路接口 键盘电路的接口电路如图3-9。 键盘采用3行5列键盘，由单片机的P2口组成，P20-P24是列扫描线，P25-P27是行扫描线。15个键盘中有0-9十个数字键，还有ESC（返回）键、F（功能）键、上翻页键、下翻页键、消音键，各键说明如下： 1. F键：按此进入各种功能选择菜单。 2. 上、下翻页键：用于在查看纪录时前后查看。 3. 数字键：用于输入功能代码、探头序号、密码、时间等。 4. ESC键：按此键退出当前状态，返回上一级菜单。 5.消音键：按此键可在蜂鸣报警时关闭声音输出。 3.2.6 LCD模块的接口电路 作为一个完整的火灾报警系统，显示部分是必不可少的一部分。在本系统设计中，显示模块采用主芯片为T6963的LCD点阵图形字符显示器，它可显示4行汉字，每行15字，共60个字，或显示8行数字（包括字母）每行30字符，共240个字符。可以汉字与数字字母混排21。 图3-10