基于單片機的安全防范報警系統設計

羅功銀 周正 饒強

摘要：隨著電子技術的飛速發展，報警系統已從原來的簡單化、局部化向智能化、集成化發展。本文重點闡述了以80C52單片機為基礎的火災報警系統，采用數字溫度傳感器DS18B20采集溫度信號，由四位數碼管顯示當前溫度，同時由16*16LED點陣顯示當前情況，低于報警門限顯示“正常”，高出則顯示“火警！”。

關鍵詞：火災報警；80C52單片機；DS18B20；16*16LED點陣

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：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

隨著現代生活水平的不斷提高，款類各樣的電器用品已經成為時尚家庭選擇配備，但這也使得潛在的火災隱患攀升，事故頻發，一套智能化的火災報警系統的研發設計即已成為時下的迫切與必需。本文針對現代家庭和公共場合存在的安全綜合問題，提出了基于單片機的火災報警系統，實現了當前溫度顯示、人性化的各種文字提示和溫度預、報警等預訂功能。

1 單片機的發展與應用

自問世以來，單片機性能在不斷地提升和完善，它不僅能滿足很多應用的需要，而且具有集成度高、功能強、速度快、功耗低、使用方便、性能可靠、價格低廉等特點，因此正在逐步取代現有的多片微機應用系統。

單片機從8位、16位，再升級到現如今的32位[1]，品種型號各具特色，且互成互補，同時又基于單片機的可觀顯著優點，使得其應用已然遍及各個領域，主要包括智能儀表、機電一體化、實時控制、分布式多機系統和家居生活等關鍵具體的多個方面[2-3]。

2 火災報警系統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

傳統的溫度檢測系統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系統必須經過專門的接口電路轉換成數字信號后才能送入微處理器進行處理，存在可靠性差、成本高、精度低等諸多缺點，故不適合作為本文報警系統的溫度傳感器。

2.1.2 方案二：集成溫度傳感器AD590

AD590是電流型溫度傳感器，通過對電流的測量可得到所需要的溫度值。AD590的測溫范圍為-55～+150℃，電源電壓范圍為4～30V，對應于熱力學溫度T每變化1K，就輸出1uA的電流。在298.2K（對應于25.2℃）時輸出電流恰好等于298.2uA。設計上，還可承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而反接也不會損壞，且精度高，誤差為±0.3°C。

2.1.3 方案三：數字溫度傳感器DS18B20

隨著現代信息技術的飛速發展和傳統工業改造的逐步實現，能獨立工作的溫度檢測系統已廣泛應用于各個不同領域。現在很多溫度檢控場合已廣泛使用單總線的溫度傳感器[4]，使整個防范系統簡單可靠。

在多點溫度測量系統中，單總線數字溫度傳感器因其體積小巧、系統結構組成簡單等優點，應用前景日趨理想廣闊[5]。每一個數字溫度傳感器內均有唯一的64位序列號，只有獲得該序列號后才能對其進行操作，也才能在多傳感器系統中將其實現有效識別。DS18B20是DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器，因其具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易配處理器等優點，特別適合構成多點溫度測控系統，其溫度測量范圍為-55～+125℃，測溫分辨率可達0.0625℃。

2.2 16*16點陣LED電子顯示屏方案比較

本文的火災安全防范報警系統選取16*16點陣LED電子顯示屏。下面針對幾種顯示屏方案給出評析比對。

2.2.1 方案一：74HC573作為行驅動

2.2.1.1 行驅動電路

電路中，采用2個8位數據鎖存器74HC573作為LED點陣顯示屏列驅動。顯示屏行數據直接由單片機P1口和P2口控制，程序編寫較簡單。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計，不適合本文設計的系統。

2.2.1.2 列驅動電路

單片機P0口低4位輸出的列信號經4/16線譯碼器74LS154譯碼后生成16條列選通信號線，再經過驅動器驅動對應的列線。一條列線上要帶動16行的LED進行顯示，按每一LED器件20mA電流計算，16個LED同時發光時，需要320mA，選用三極管8550作為驅動管可滿足要求。

2.2.2 方案二：74HC595作為行驅動

74HC595集成電路作為LED點陣顯示屏的硬件原理如圖1所示。

2.2.2.1 行驅動電路

該方案行驅動電路由集成電路74HC595構成并實現，其中具有一個8位串入并出的移位寄存器和一個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立，可以在分別顯示本列各行數據的同時，傳送下一列的行數據，即達到重疊處理的目的。

74HC595的輸入側有8個串行移位寄存器，每個移位寄存器的輸出都連接一個輸出鎖存器。引腳Ds是串行數據的輸入端。引腳SHcp是移位寄存器的移位時鐘脈沖，在其上升沿發生移位，并將SHcp的下一個數據打入最低位。移位后的所有位信號出現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，其上升沿將移位寄存器的輸出打入到輸出寄存器。引腳OE是輸出三態門的開放信號，只有當其為低時輸出鎖存器的輸出才開放，否則呈高阻態。MR信號是移位寄存器的清0輸入端，當其為低時移位寄存器的輸出全部為0。由于SHcp和STcp2個信號是互相獨立的，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級聯輸出。但因為Q7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聯輸出。

2.2.2.2 列驅動電路

同方案一中的電路設計與配置。

綜上比較可知，采用方案二雖然編寫程序較復雜，但其行驅動電路只需占用3個單片機I/O口，大大節約了I/O口資源，故選擇方案二。

2.3 鍵盤控制方案比較

各種人性化的設計中，除了要有智能控制外，還要有人機交互的接口，而這一常用接口就是鍵盤。下面針對鍵盤控制提出方案對照。

2.3.1 方案一：通過74HC21擴展中斷口

通過74HC21擴展中斷口實現鍵盤控制的原理圖如圖2所示。

該方案通過2個四輸入與門74HC21實現對80C51中斷口的擴展。

2.3.2 方案二：通過二極管擴展中斷口

該方案通過穩壓二極管實現對80C51中斷口的擴展。

由于方案一較方案二電路簡單，且穩定性優良，故選擇方案一。

2.4 數碼管顯示方案比較

作為一種應用普及型的顯示器件，數碼管尤其適用于對價格、亮度等條件比較敏感，同時基本上只要求顯示數字量的指定場合，所以在數據顯示，定時控制等方面成為流行配置。文中也相應進行了核心設計比較。

2.4.1 方案一：三極管驅動

基于三極管的數碼管顯示電路原理方案中，P0口用作7段數碼管的字段選擇信號，控制數碼管的字段LED發光，由P1.0～P1.3口通過三極管用作數碼管的位選信號，低電平選通，高電平關閉。

2.4.2 方案二：74HC573驅動

通過74HC573鎖存器實現數碼管顯示的方案原理圖如下圖6所示。

本方案采用2個8數據鎖存器74HC573分別實現對數碼管數據以及位選信號的鎖存。74HC573具有增強驅動能力，省卻了常見驅動的三級管設置；另外，由于該芯片能夠緩沖數據，可以開發運用P0口傳輸數據和位選信號，減少了對I/O口資源的使用。

經過比較，選擇方案二為本文系統的數碼管顯示電路。

至此，基于前述分析成果，本文整合研究設計，并獲得了安全防范報警系統的集成總電路。限于篇幅，集成總電路詳圖在文中不作贅述。設計后的系統成本經濟，性能穩定，并具有良好的二次擴展能力，能夠滿足本文研究設計預定目標需求。

3 火災報警系統軟件設計

火災安全防范報警系統的軟件流程圖如圖4所示。

本文系統軟件實現了當前溫度顯示、溫度報警門限設置、16*16點陣LED電子顯示屏文字的左移并顯示當前狀態和可人工控制的緊急報警按鍵。

3.1 溫度顯示以及電子滾動屏軟件設計

由于單片機需要同時控制數碼管和點陣顯示屏2個顯示界面，為了防止顯示溫度值和提示文字閃爍，單片機需要在數碼管和點陣顯示屏能夠開啟點亮的最小時縫進行掃描，故當點陣文字每向左一列便掃描數碼管一次，如此即可同時保證數碼管和點陣顯示屏的穩定性。顯示實現流程如圖5所示。

3.2 按鍵設置軟件設計

由于51單片機只有2個外部中斷源，將根本無法滿足本文火警系統的按鍵需求，故需要引入中斷源的擴展設計。當軟件設置進入中斷程序后，就將對與中斷口相關的I/O口的值進行逐一判斷與比較，從而實現中斷源擴展。具體流程如圖6、圖7所示。

4 結束語

本文簡要介紹了單片機的發展概況、發展趨勢以及應用領域，重點對數字溫度傳感器DS18B20以及其相關的單總線協議提供了基礎支持性論述。此外，對報警系統外圍硬件電路和軟件進行了詳細的對比解剖和分析，最終實現了數碼管顯示當前溫度，16*16LED點陣顯示當前情況，低于報警門限顯示“正常”，高出則顯示“火警”的火災安全防范報警系統，以此來警示人們防范日益頻繁的火警火情。

參考文獻

[1] 徐瑋，徐富軍，沈建良. C51單片機高效入門[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2] 江志紅.51單片機技術與應用系統開發案例精選[M]. 北京：清華大學出版社，2008.

[3] 孫育才.MCS-51系列單片微型計算機及其應用[M]. 4版. 南京：東南大學出版社，2004.

[4] 劉同法，陳忠平.單 片機外圍接口電路與工程實踐[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2009.

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