基于单片机的安全防范报警系统设计

罗功银 周正 饶强

摘要：随着电子技术的飞速发展，报警系统已从原来的简单化、局部化向智能化、集成化发展。本文重点阐述了以80C52单片机为基础的火灾报警系统，采用数字温度传感器DS18B20采集温度信号，由四位数码管显示当前温度，同时由16*16LED点阵显示当前情况，低于报警门限显示“正常”，高出则显示“火警！”。

关键词：火灾报警；80C52单片机；DS18B20；16*16LED点阵

中图分类号：TP391 文献标志码：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

随着现代生活水平的不断提高，款类各样的电器用品已经成为时尚家庭选择配备，但这也使得潜在的火灾隐患攀升，事故频发，一套智能化的火灾报警系统的研发设计即已成为时下的迫切与必需。本文针对现代家庭和公共场合存在的安全综合问题，提出了基于单片机的火灾报警系统，实现了当前温度显示、人性化的各种文字提示和温度预、报警等预订功能。

1 单片机的发展与应用

自问世以来，单片机性能在不断地提升和完善，它不仅能满足很多应用的需要，而且具有集成度高、功能强、速度快、功耗低、使用方便、性能可靠、价格低廉等特点，因此正在逐步取代现有的多片微机应用系统。

单片机从8位、16位，再升级到现如今的32位[1]，品种型号各具特色，且互成互补，同时又基于单片机的可观显著优点，使得其应用已然遍及各个领域，主要包括智能仪表、机电一体化、实时控制、分布式多机系统和家居生活等关键具体的多个方面[2-3]。

2 火灾报警系统外围硬件电路方案比较

2.1 温度传感器方案比较

2.1.1 方案一：热敏电阻

传统的温度检测系统大多采用热敏电阻作为传感器。但是采用热敏电阻作为传感器的温度检测系统必须经过专门的接口电路转换成数字信号后才能送入微处理器进行处理，存在可靠性差、成本高、精度低等诸多缺点，故不适合作为本文报警系统的温度传感器。

2.1.2 方案二：集成温度传感器AD590

AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。AD590的测温范围为-55～+150℃，电源电压范围为4～30V，对应于热力学温度T每变化1K，就输出1uA的电流。在298.2K（对应于25.2℃）时输出电流恰好等于298.2uA。设计上，还可承受44V正向电压和20V反向电压，因而反接也不会损坏，且精度高，误差为±0.3°C。

2.1.3 方案三：数字温度传感器DS18B20

随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，能独立工作的温度检测系统已广泛应用于各个不同领域。现在很多温度检控场合已广泛使用单总线的温度传感器[4]，使整个防范系统简单可靠。

在多点温度测量系统中，单总线数字温度传感器因其体积小巧、系统结构组成简单等优点，应用前景日趋理想广阔[5]。每一个数字温度传感器内均有唯一的64位序列号，只有获得该序列号后才能对其进行操作，也才能在多传感器系统中将其实现有效识别。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，因其具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配处理器等优点，特别适合构成多点温度测控系统，其温度测量范围为-55～+125℃，测温分辨率可达0.0625℃。

2.2 16*16点阵LED电子显示屏方案比较

本文的火灾安全防范报警系统选取16*16点阵LED电子显示屏。下面针对几种显示屏方案给出评析比对。

2.2.1 方案一：74HC573作为行驱动

2.2.1.1 行驱动电路

电路中，采用2个8位数据锁存器74HC573作为LED点阵显示屏列驱动。显示屏行数据直接由单片机P1口和P2口控制，程序编写较简单。但是该电路占用了大量I/O口资源，影响了其他硬件电路的设计，不适合本文设计的系统。

2.2.1.2 列驱动电路

单片机P0口低4位输出的列信号经4/16线译码器74LS154译码后生成16条列选通信号线，再经过驱动器驱动对应的列线。一条列线上要带动16行的LED进行显示，按每一LED器件20mA电流计算，16个LED同时发光时，需要320mA，选用三极管8550作为驱动管可满足要求。

2.2.2 方案二：74HC595作为行驱动

74HC595集成电路作为LED点阵显示屏的硬件原理如图1所示。

2.2.2.1 行驱动电路

该方案行驱动电路由集成电路74HC595构成并实现，其中具有一个8位串入并出的移位寄存器和一个8位输出锁存器，而且移位寄存器和输出锁存器的控制室各自独立，可以在分别显示本列各行数据的同时，传送下一列的行数据，即达到重叠处理的目的。

74HC595的输入侧有8个串行移位寄存器，每个移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器。引脚Ds是串行数据的输入端。引脚SHcp是移位寄存器的移位时钟脉冲，在其上升沿发生移位，并将SHcp的下一个数据打入最低位。移位后的所有位信号出现在各移位寄存器的输出端，也就是锁存器的输入端。STcp是输出锁存器的打入信号，其上升沿将移位寄存器的输出打入到输出寄存器。引脚OE是输出三态门的开放信号，只有当其为低时输出锁存器的输出才开放，否则呈高阻态。MR信号是移位寄存器的清0输入端，当其为低时移位寄存器的输出全部为0。由于SHcp和STcp2个信号是互相独立的，所以能够做到输入串行移位与输出锁存器互不干扰。芯片的输出端为Q0～Q7，最高位Q7可作为多片74HC595级联输出。但因为Q7受输出锁存器打入控制，所以还从输出锁存器前引出了Q7，作为与移位寄存器完全同步的级联输出。

2.2.2.2 列驱动电路

同方案一中的电路设计与配置。

综上比较可知，采用方案二虽然编写程序较复杂，但其行驱动电路只需占用3个单片机I/O口，大大节约了I/O口资源，故选择方案二。

2.3 键盘控制方案比较

各种人性化的设计中，除了要有智能控制外，还要有人机交互的接口，而这一常用接口就是键盘。下面针对键盘控制提出方案对照。

2.3.1 方案一：通过74HC21扩展中断口

通过74HC21扩展中断口实现键盘控制的原理图如图2所示。

该方案通过2个四输入与门74HC21实现对80C51中断口的扩展。

2.3.2 方案二：通过二极管扩展中断口

该方案通过稳压二极管实现对80C51中断口的扩展。

由于方案一较方案二电路简单，且稳定性优良，故选择方案一。

2.4 数码管显示方案比较

作为一种应用普及型的显示器件，数码管尤其适用于对价格、亮度等条件比较敏感，同时基本上只要求显示数字量的指定场合，所以在数据显示，定时控制等方面成为流行配置。文中也相应进行了核心设计比较。

2.4.1 方案一：三极管驱动

基于三极管的数码管显示电路原理方案中，P0口用作7段数码管的字段选择信号，控制数码管的字段LED发光，由P1.0～P1.3口通过三极管用作数码管的位选信号，低电平选通，高电平关闭。

2.4.2 方案二：74HC573驱动

通过74HC573锁存器实现数码管显示的方案原理图如下图6所示。

本方案采用2个8数据锁存器74HC573分别实现对数码管数据以及位选信号的锁存。74HC573具有增强驱动能力，省却了常见驱动的三级管设置；另外，由于该芯片能够缓冲数据，可以开发运用P0口传输数据和位选信号，减少了对I/O口资源的使用。

经过比较，选择方案二为本文系统的数码管显示电路。

至此，基于前述分析成果，本文整合研究设计，并获得了安全防范报警系统的集成总电路。限于篇幅，集成总电路详图在文中不作赘述。设计后的系统成本经济，性能稳定，并具有良好的二次扩展能力，能够满足本文研究设计预定目标需求。

3 火灾报警系统软件设计

火灾安全防范报警系统的软件流程图如图4所示。

本文系统软件实现了当前温度显示、温度报警门限设置、16*16点阵LED电子显示屏文字的左移并显示当前状态和可人工控制的紧急报警按键。

3.1 温度显示以及电子滚动屏软件设计

由于单片机需要同时控制数码管和点阵显示屏2个显示界面，为了防止显示温度值和提示文字闪烁，单片机需要在数码管和点阵显示屏能够开启点亮的最小时缝进行扫描，故当点阵文字每向左一列便扫描数码管一次，如此即可同时保证数码管和点阵显示屏的稳定性。显示实现流程如图5所示。

3.2 按键设置软件设计

由于51单片机只有2个外部中断源，将根本无法满足本文火警系统的按键需求，故需要引入中断源的扩展设计。当软件设置进入中断程序后，就将对与中断口相关的I/O口的值进行逐一判断与比较，从而实现中断源扩展。具体流程如图6、图7所示。

4 结束语

本文简要介绍了单片机的发展概况、发展趋势以及应用领域，重点对数字温度传感器DS18B20以及其相关的单总线协议提供了基础支持性论述。此外，对报警系统外围硬件电路和软件进行了详细的对比解剖和分析，最终实现了数码管显示当前温度，16*16LED点阵显示当前情况，低于报警门限显示“正常”，高出则显示“火警”的火灾安全防范报警系统，以此来警示人们防范日益频繁的火警火情。

参考文献

[1] 徐玮，徐富军，沈建良. C51单片机高效入门[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2] 江志红.51单片机技术与应用系统开发案例精选[M]. 北京：清华大学出版社，2008.

[3] 孙育才.MCS-51系列单片微型计算机及其应用[M]. 4版. 南京：东南大学出版社，2004.

[4] 刘同法，陈忠平.单 片机外围接口电路与工程实践[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[5] 李钢，赵彦峰. 1—Wire总线数字温度传感器DS18B20原理及应用[J].现代电子技术，2005（21）：77-79.