多功能聲光報(bào)警器的研制

鮑春光+++張浪

摘 要：文章研究的防火防盜報(bào)警器以80C51單片機(jī)為核心，可以區(qū)別火災(zāi)報(bào)警和非法闖入報(bào)警兩種報(bào)警類型。系統(tǒng)由主芯片電路、數(shù)碼顯示電路、聲光報(bào)警電路和信號(hào)采集電路組成。其中數(shù)碼顯示電路采用共陰極數(shù)碼管，聲光報(bào)警電路由9012三極管、LED和揚(yáng)聲器組成，信號(hào)采集電路中傳感器采用溫度傳感器和紅外發(fā)射對(duì)管，當(dāng)傳感器檢測(cè)到溫度和遮擋信號(hào)后，發(fā)送信號(hào)到CPU進(jìn)行處理，驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警電路發(fā)出聲音和光信號(hào)進(jìn)行報(bào)警，并顯示報(bào)警的類別。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)仿真測(cè)試，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)掃描顯示技術(shù)；傳感器；聲光報(bào)警；80C51

隨著我國(guó)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，人們生活水平的日益提高，以及人們對(duì)于自身安全和生活周邊環(huán)境安全的日益重視，對(duì)于防火防盜的需求也大大增加，尤其對(duì)于偷盜、火災(zāi)等事故進(jìn)行報(bào)警和監(jiān)測(cè)[1]的要求也愈高，同時(shí)人們也對(duì)報(bào)警器的簡(jiǎn)單、方便、實(shí)用和性價(jià)比提出了要求。

本設(shè)計(jì)正是基于這種現(xiàn)狀，對(duì)于防火防盜的簡(jiǎn)單實(shí)用系統(tǒng)的需求，開(kāi)發(fā)了一套利用溫度傳感器、紅外線傳感器和自動(dòng)控制中的報(bào)警系統(tǒng)，配合80C51主芯片設(shè)計(jì)的聲光報(bào)警系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)不同于一般的PLC及硬件組成的控制系統(tǒng)[2]，是以單片機(jī)為主體設(shè)計(jì)的自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。為確保傳送到單片機(jī)的信息的安全、可靠，采用溫度傳感器、紅外線傳感器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集，還可擴(kuò)展其多功能報(bào)警類別[3]。即可檢測(cè)非法闖入和火災(zāi)兩種報(bào)警類型，并用數(shù)碼管顯示報(bào)警類別，這是本品的一個(gè)特色。本文產(chǎn)品成本低、性能好，具有較高的性價(jià)比，有著廣闊的市場(chǎng)前景[4]。

1 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路由主芯片電路、聲光報(bào)警電路、傳感器電路、數(shù)碼顯示電路和電源電路等組成。

1.1 主芯片電路

80C51系列單片機(jī)在各種產(chǎn)品中應(yīng)用頻繁，它以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，技術(shù)成熟，多年占據(jù)單片機(jī)系統(tǒng)的主流地位。80C51單片機(jī)主要由以下部分組成：（1）CPU系統(tǒng)；（2）存儲(chǔ)器系統(tǒng)；（3）I/O口和其他動(dòng)能單元。80C51系列單片機(jī)封裝分為采用雙列直插式（DIP）和貼片式LCC。本文考慮到系統(tǒng)成本和電路設(shè)計(jì)難度，選用主芯片80C51，采用常用的總線型DIP40封裝。

1.2 聲光報(bào)警電路組成及原理

該部分電路主要采用9012三級(jí)管Q1、發(fā)光二級(jí)管LED（D1）、若干電阻及揚(yáng)聲器LS1組成。單片機(jī)P3.1口接發(fā)光二極管D1，發(fā)光二極管D1再接R1，最后R1接電源VCC，從而構(gòu)成報(bào)警器的發(fā)光部分。P3.7口接R2，R2接三級(jí)管Q1的基極，三極管發(fā)射極接電源VCC，接收級(jí)接揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器的另一端接電阻R11，再接地端，也就構(gòu)成了報(bào)警器的發(fā)聲部分。

電路工作過(guò)程如下：首先設(shè)定溫度傳感器的閾值為65℃。當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到周圍溫度上升到65℃以上或紅外對(duì)管有遮擋時(shí)，單片機(jī)P3.7腳就輸出低電平，三極管Q1導(dǎo)通，揚(yáng)聲器通過(guò)電阻R11后接地，即揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)LED發(fā)光。反之，沒(méi)有觸發(fā)報(bào)警信號(hào)時(shí)，單片機(jī)P3.1和P3.7引腳輸出的是高電平，三極管Q1截止，揚(yáng)聲器和發(fā)光二極管都不工作。此方案性能穩(wěn)定、電路簡(jiǎn)單[5]。組成如圖1所示。

1.3 顯示電路組成及原理

在一般電子系統(tǒng)中與人類感官最直接相關(guān)的就是人機(jī)交互設(shè)備。在本文中即是顯示電路，它是可以顯示系統(tǒng)的報(bào)警類型，本文的顯示電路采用共陰極即低電平驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。其共陰級(jí)數(shù)碼管工作原理為：其8各發(fā)光二極管的陰極在數(shù)碼管內(nèi)部全部連接在一起，所以成“共陰”，而它們的陽(yáng)級(jí)是獨(dú)立的，在設(shè)計(jì)電路時(shí)把陰極接地。當(dāng)給數(shù)碼管的任一個(gè)陽(yáng)極加一個(gè)高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管就點(diǎn)亮了[6]。

1.4 電源電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用市電供電，因此需要設(shè)計(jì)電源電路進(jìn)行變壓，給系統(tǒng)各部分提供能量。電源原理圖如圖2所示。

其工作過(guò)程為：市電經(jīng)過(guò)變壓器后變?yōu)?V左右交流電，然后經(jīng)過(guò)四只IN4O01整流二極管組成的全波整流電路后，將降壓后的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，最后經(jīng)過(guò)濾波電容濾波和三端穩(wěn)壓器W7805后輸出穩(wěn)定的+5v的電壓[7]，供給系統(tǒng)各部分電路。發(fā)光二極管D5，作為供電的指示器，來(lái)顯示是否有電，以通知用戶檢查[8]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

主程序的執(zhí)行從串口初始化開(kāi)始，包括設(shè)置定時(shí)器1為模式2，裝初值設(shè)定波特率，波特率為9600bit/s，啟動(dòng)定時(shí)器，設(shè)置設(shè)置串口通信模式為方式1，使串口允許接受數(shù)據(jù)，波特率不倍頻，開(kāi)總中斷，開(kāi)串行中斷。然后進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，先復(fù)位溫度傳感器DS18B20，跳過(guò)ROM匹配，寫(xiě)溫度轉(zhuǎn)換指令。這樣就可以獲取溫度值了，同樣首先復(fù)位溫度傳感器DS18B20，跳過(guò)ROM匹配，發(fā)送讀溫度命令，分別讀出高八位和低八位，進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到真實(shí)的十進(jìn)制溫度值，與所設(shè)定的65℃進(jìn)行比較，大于等于此值就進(jìn)行聲光報(bào)警并顯示火警和火災(zāi)地點(diǎn)。否則順序查看P1.1～P1.7口是否為低電平，若是則進(jìn)行聲光報(bào)警并顯示類型和地點(diǎn)，否則返回不斷循環(huán)。

2.2 溫度傳感器電路設(shè)計(jì)

讀DS18B20指令字節(jié)的流程：首先進(jìn)行DS18B20的初始化，再對(duì)ROM進(jìn)行操作命令，最后對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行操作。其中每一步操作都要遵循嚴(yán)格的工作時(shí)序和通信協(xié)議。本文溫度傳感器電路設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)DS18B20的通信協(xié)議，須經(jīng)三個(gè)步驟：（1）每一次讀寫(xiě)之前都需要先對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位；（2）發(fā)送一條ROM指令；（3）發(fā)送RAM指令，以上操作完成后才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。

DS18B20 復(fù)位流程：數(shù)據(jù)端先置位后，再將數(shù)據(jù)端清零，然后延時(shí)480us，繼續(xù)將數(shù)據(jù)端置位，檢測(cè)數(shù)據(jù)端是否為低電平，如果為低電平，就設(shè)置標(biāo)志位表示存在，然后延時(shí)180us，數(shù)據(jù)端置位，復(fù)位完成。

寫(xiě)DS18B20指令字節(jié)的流程：把進(jìn)位標(biāo)志位清零，再把數(shù)據(jù)端清零，然后延時(shí)15us，循環(huán)右移一次，進(jìn)位標(biāo)志位值送數(shù)據(jù)段，繼續(xù)延時(shí)30us，然后數(shù)據(jù)端置位，查看指令字節(jié)是否寫(xiě)完，寫(xiě)完即完成。

2.3 紅外傳感器電路設(shè)計(jì)

紅外傳感器對(duì)管由發(fā)射管D7和接收管D8組成。當(dāng)D7和D8之間有遮擋時(shí)，反向電壓起作用，接收管反向飽和漏電流迅速增加，即形成了光電流，當(dāng)光電流通過(guò)與三極管連接的電阻時(shí)，在電阻兩端將會(huì)產(chǎn)生隨入射光變化的電壓信號(hào)，此時(shí)輸出高電平，三極管Q1截止，報(bào)警電路不工作；當(dāng)發(fā)射管和接收管之間有物體遮擋時(shí)，電路中也有很小的反向飽和漏電流，此時(shí)相當(dāng)于光敏二極管截止，此時(shí)輸出低電平，三極管Q1也導(dǎo)通，此時(shí)報(bào)警電路蜂鳴器響起，LED閃爍。紅外傳感器流程圖如圖3所示：

3 系統(tǒng)調(diào)試與問(wèn)題分析

系統(tǒng)調(diào)試分為模塊調(diào)試和整機(jī)聯(lián)調(diào)。本設(shè)計(jì)借助于單片機(jī)仿真開(kāi)發(fā)器進(jìn)行整體編譯調(diào)試仿真，在仿真過(guò)程中利用單步、斷點(diǎn)調(diào)試仿真的方式進(jìn)行各模塊的調(diào)試。

仿真步驟如下：（1）硬件仿真設(shè)計(jì)的建立：使用菜單 “File-New”或者點(diǎn)擊工具欄的新建文件按鈕，即可以打開(kāi)一個(gè)新的硬件設(shè)計(jì)編輯窗口，在該窗口左上角找到元件庫(kù)選項(xiàng)，進(jìn)入元件庫(kù)中找到所需元件，七段數(shù)碼管、80C51單片機(jī)、溫度傳感器DS18B20、發(fā)光二極管、三極管、電阻、揚(yáng)聲器等，按要求鏈接好硬件電路。保存該文件，擴(kuò)展名為（.DSN），這里將文件保存為聲光報(bào)警器.DSN。（2）硬件仿真的實(shí)現(xiàn)：打開(kāi)硬件設(shè)計(jì)，左鍵雙擊80C51單片機(jī)即可彈出導(dǎo)入KEIL所生成的HEX文件的窗口，導(dǎo)入文件并選擇12M的時(shí)鐘頻率，點(diǎn)擊確定即可進(jìn)行仿真。

在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，遇到很多棘手問(wèn)題，其中包括以下內(nèi)容：

（1）用sbit在函數(shù)內(nèi)部定義位變量時(shí)編譯識(shí)別不了。

解決方法：通過(guò)查資料知道用sbit定義位變量時(shí)要在主函數(shù)執(zhí)行之前先聲明。

（2）仿真時(shí)程序運(yùn)行正確了，但七段數(shù)碼管卻不顯示。

解決方法：由于我的顯示七段數(shù)碼管連接在80C51單片機(jī)的P0口，由于P0口輸出驅(qū)動(dòng)電路中無(wú)上拉電阻，使用時(shí)外電路需再接上拉電阻。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文考慮產(chǎn)品的性價(jià)比，以80C51單片機(jī)為主芯片，經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求的分析，設(shè)計(jì)了兩種報(bào)警類型的聲光報(bào)警器，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期要求，而且通過(guò)對(duì)軟件部分主要算法的優(yōu)化，完善了系統(tǒng)性能。后期系統(tǒng)將增加更多的傳感器元件，不斷進(jìn)行擴(kuò)展和完善。

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作者簡(jiǎn)介：鮑春光（1999-），男，山東乳山人，研究方向：電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等。