多功能聲光報警器的研制

鮑春光+++張浪

摘 要：文章研究的防火防盜報警器以80C51單片機為核心，可以區別火災報警和非法闖入報警兩種報警類型。系統由主芯片電路、數碼顯示電路、聲光報警電路和信號采集電路組成。其中數碼顯示電路采用共陰極數碼管，聲光報警電路由9012三極管、LED和揚聲器組成，信號采集電路中傳感器采用溫度傳感器和紅外發射對管，當傳感器檢測到溫度和遮擋信號后，發送信號到CPU進行處理，驅動聲光報警電路發出聲音和光信號進行報警，并顯示報警的類別。系統經過仿真測試，達到了設計要求。

關鍵詞：動態掃描顯示技術；傳感器；聲光報警；80C51

隨著我國信息技術產業的快速發展，人們生活水平的日益提高，以及人們對于自身安全和生活周邊環境安全的日益重視，對于防火防盜的需求也大大增加，尤其對于偷盜、火災等事故進行報警和監測[1]的要求也愈高，同時人們也對報警器的簡單、方便、實用和性價比提出了要求。

本設計正是基于這種現狀，對于防火防盜的簡單實用系統的需求，開發了一套利用溫度傳感器、紅外線傳感器和自動控制中的報警系統，配合80C51主芯片設計的聲光報警系統。本文設計不同于一般的PLC及硬件組成的控制系統[2]，是以單片機為主體設計的自動報警系統。為確保傳送到單片機的信息的安全、可靠，采用溫度傳感器、紅外線傳感器技術來實現信號的采集，還可擴展其多功能報警類別[3]。即可檢測非法闖入和火災兩種報警類型，并用數碼管顯示報警類別，這是本品的一個特色。本文產品成本低、性能好，具有較高的性價比，有著廣闊的市場前景[4]。

1 系統硬件電路的設計

系統硬件電路由主芯片電路、聲光報警電路、傳感器電路、數碼顯示電路和電源電路等組成。

1.1 主芯片電路

80C51系列單片機在各種產品中應用頻繁，它以系統結構合理，技術成熟，多年占據單片機系統的主流地位。80C51單片機主要由以下部分組成：（1）CPU系統；（2）存儲器系統；（3）I/O口和其他動能單元。80C51系列單片機封裝分為采用雙列直插式（DIP）和貼片式LCC。本文考慮到系統成本和電路設計難度，選用主芯片80C51，采用常用的總線型DIP40封裝。

1.2 聲光報警電路組成及原理

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

電路工作過程如下：首先設定溫度傳感器的閾值為65℃。當溫度傳感器檢測到周圍溫度上升到65℃以上或紅外對管有遮擋時，單片機P3.7腳就輸出低電平，三極管Q1導通，揚聲器通過電阻R11后接地，即揚聲器發出報警聲，同時LED發光。反之，沒有觸發報警信號時，單片機P3.1和P3.7引腳輸出的是高電平，三極管Q1截止，揚聲器和發光二極管都不工作。此方案性能穩定、電路簡單[5]。組成如圖1所示。

1.3 顯示電路組成及原理

在一般電子系統中與人類感官最直接相關的就是人機交互設備。在本文中即是顯示電路，它是可以顯示系統的報警類型，本文的顯示電路采用共陰極即低電平驅動數碼管。其共陰級數碼管工作原理為：其8各發光二極管的陰極在數碼管內部全部連接在一起，所以成“共陰”，而它們的陽級是獨立的，在設計電路時把陰極接地。當給數碼管的任一個陽極加一個高電平時，對應的發光二極管就點亮了[6]。

1.4 電源電路設計

本系統采用市電供電，因此需要設計電源電路進行變壓，給系統各部分提供能量。電源原理圖如圖2所示。

其工作過程為：市電經過變壓器后變為5V左右交流電，然后經過四只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換為直流電，最后經過濾波電容濾波和三端穩壓器W7805后輸出穩定的+5v的電壓[7]，供給系統各部分電路。發光二極管D5，作為供電的指示器，來顯示是否有電，以通知用戶檢查[8]。

2 系統軟件設計

2.1 系統主程序設計

主程序的執行從串口初始化開始，包括設置定時器1為模式2，裝初值設定波特率，波特率為9600bit/s，啟動定時器，設置設置串口通信模式為方式1，使串口允許接受數據，波特率不倍頻，開總中斷，開串行中斷。然后進行溫度轉換，先復位溫度傳感器DS18B20，跳過ROM匹配，寫溫度轉換指令。這樣就可以獲取溫度值了，同樣首先復位溫度傳感器DS18B20，跳過ROM匹配，發送讀溫度命令，分別讀出高八位和低八位，進行轉換得到真實的十進制溫度值，與所設定的65℃進行比較，大于等于此值就進行聲光報警并顯示火警和火災地點。否則順序查看P1.1～P1.7口是否為低電平，若是則進行聲光報警并顯示類型和地點，否則返回不斷循環。

2.2 溫度傳感器電路設計

讀DS18B20指令字節的流程：首先進行DS18B20的初始化，再對ROM進行操作命令，最后對存儲器進行操作。其中每一步操作都要遵循嚴格的工作時序和通信協議。本文溫度傳感器電路設計時，根據DS18B20的通信協議，須經三個步驟：（1）每一次讀寫之前都需要先對DS18B20進行復位；（2）發送一條ROM指令；（3）發送RAM指令，以上操作完成后才能對DS18B20進行預定的操作。

DS18B20 復位流程：數據端先置位后，再將數據端清零，然后延時480us，繼續將數據端置位，檢測數據端是否為低電平，如果為低電平，就設置標志位表示存在，然后延時180us，數據端置位，復位完成。

寫DS18B20指令字節的流程：把進位標志位清零，再把數據端清零，然后延時15us，循環右移一次，進位標志位值送數據段，繼續延時30us，然后數據端置位，查看指令字節是否寫完，寫完即完成。

2.3 紅外傳感器電路設計

紅外傳感器對管由發射管D7和接收管D8組成。當D7和D8之間有遮擋時，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，當光電流通過與三極管連接的電阻時，在電阻兩端將會產生隨入射光變化的電壓信號，此時輸出高電平，三極管Q1截止，報警電路不工作；當發射管和接收管之間有物體遮擋時，電路中也有很小的反向飽和漏電流，此時相當于光敏二極管截止，此時輸出低電平，三極管Q1也導通，此時報警電路蜂鳴器響起，LED閃爍。紅外傳感器流程圖如圖3所示：

3 系統調試與問題分析

系統調試分為模塊調試和整機聯調。本設計借助于單片機仿真開發器進行整體編譯調試仿真，在仿真過程中利用單步、斷點調試仿真的方式進行各模塊的調試。

仿真步驟如下：（1）硬件仿真設計的建立：使用菜單 “File-New”或者點擊工具欄的新建文件按鈕，即可以打開一個新的硬件設計編輯窗口，在該窗口左上角找到元件庫選項，進入元件庫中找到所需元件，七段數碼管、80C51單片機、溫度傳感器DS18B20、發光二極管、三極管、電阻、揚聲器等，按要求鏈接好硬件電路。保存該文件，擴展名為（.DSN），這里將文件保存為聲光報警器.DSN。（2）硬件仿真的實現：打開硬件設計，左鍵雙擊80C51單片機即可彈出導入KEIL所生成的HEX文件的窗口，導入文件并選擇12M的時鐘頻率，點擊確定即可進行仿真。

在系統調試過程中，遇到很多棘手問題，其中包括以下內容：

（1）用sbit在函數內部定義位變量時編譯識別不了。

解決方法：通過查資料知道用sbit定義位變量時要在主函數執行之前先聲明。

（2）仿真時程序運行正確了，但七段數碼管卻不顯示。

解決方法：由于我的顯示七段數碼管連接在80C51單片機的P0口，由于P0口輸出驅動電路中無上拉電阻，使用時外電路需再接上拉電阻。

4 結束語

本文考慮產品的性價比，以80C51單片機為主芯片，經過對實際應用需求的分析，設計了兩種報警類型的聲光報警器，經過實際測試，達到了預期要求，而且通過對軟件部分主要算法的優化，完善了系統性能。后期系統將增加更多的傳感器元件，不斷進行擴展和完善。

參考文獻

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[8]孫余凱，吳鳴山，等.傳感器應用電路300例[M].北京：中國鐵道出版社，2008：1-6.

作者簡介：鮑春光（1999-），男，山東乳山人，研究方向：電子技術和計算機技術等。