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1、毕业设计基于QuartusII的火警报警系统设计与仿真学校： 班级：学号：指导老师：目 录摘 要1Abstract21.1 现今火灾报警技术发展及国内外研究概况31.2 现代消防对火灾检测与报警的要求41.3 课题研究的意义41.4 设计工作任务及内容安排5第2章系统方案设计62.1 火灾报警系统对设计的要求62.2 系统开发环境简介62.3 系统方案设计72.3.1 传感器选型方案简介82.3.2 系统主要功能9第3章 火灾报警系统模块设计113.1 控制器系统设计方案113.2 主要电路模块设计分析123.21 数据采集转换电路设计123.2.2 火灾分析判断模块设计153.2.3 火灾等
2、级显示指示模块设计173.2.4 传感器的选型173.2.4.2 烟雾传感器HIS-07183.2.5 放大电路的设计203.2.6 报警与显示电路设计213.2.7 电源管理模块223.3 小结23第4章 控制器各功能模块实现的VHDL源程序244.1 A/D转换模块的VHDL程序：244.2 火灾等级显示指示VHDL程序：264.3 火灾分析判断的VHDL程序264.4 火灾报警系统顶层模块电路的VHDL实现:28第5章 系统的仿真与调试315.1 功能调试315.1.1在调 显示功能调试315.1.2 逻辑判断分析功能调试315.1.3 蜂鸣器功能调试315.1.4 A/D转换功能调试3
3、15.2 系统整体运行调试315.3 小结31结论32致 谢33参考文献34附 录35附录1 系统电路连接图35 摘 要从1847年世界上第一台火灾报警装置出现以来，随着公共消防意识的提高与传感器技术的进步，火灾检测的特征量与界定阈值等问题已经基本解决，但是现有的研究在很大程度上并没有解决系统适应性与准确性的矛盾。火灾报警系统的课题研究，对于开发出优秀的火灾报警系统具有重要意义。本文首先简单介绍了火灾对人类生活的影响并介绍了当今世界火灾报警系统的发展情况；然后，介绍了一种多传感器火灾报警系统的设计，讲解了火灾报警系统的软件功能设计并给出了系统与各个功能模块的程序流程图；之后详细讲解了系统的各功
4、能模块的设计，其中设计的最后部分还论述了提高系统抗干扰能力与可靠性的一些方法，并对系统的可扩展性做了简单介绍，软件设计包括针对单片机和传感器的数据采集与数据模糊处理、系统检测与报警程序的设计；之后对硬件进行了简单的调试，对调试结果进行了一些分析；最后，文章对整个设计进行了概括性总结。本文的重点是系统的硬件以及模糊判断的算法设计，其中详细介绍并论述了系统所需要实现的功能以及各个模块的设计，整个报警系统主要完成采集传感器数据、处理信息并做出判断等功能。最后的实验结果表明，该设计能够有效解决灵敏度与报警准确率之间的矛盾，能够达到预期的效果。本设计具有高可靠性低误报率等特点，有一定的实用价值。关键词：
5、火灾报警；多传感器；模糊判断；权重算法设计AbstractFire is a common and high-onset disaster. As the fire itself is highly destructive, it usually causes a lost of life and property. This article describes the affection of fire on human life and introduces the development of fire alarm systems today in world at first; the
6、n, it introduces a design of multi-sensor fire alarm system, explains amply about the hardware and software design of each module in system; besides, we did simple hardware debugging, as well as some analysis of the results of the debugging; at last, the article sums up the entire design in general.
7、 This article focuses on hardware design and fuzzy judgment algorithm design, which describes and discusses amply the design and achievement of every function the system needs. The alarm system is designed for sensor data acquisition, information processing, making judgments and so on. The last part
8、 of the hardware design is also discussed some ways to improve anti-jamming capability and reliability, and gives a brief introduction of the systems extendibility. Software design includes the design of MCU and sensors data acquisition programs, data fuzzy processing programs, system check & alarm
9、programs, and we completes a fire alarm system software functional design and gives the system and program flow chart of the various functional modules. Simulation results show that the design can effectively solve the contradiction between sensitivity and alarm accuracy; its able to achieve the des
10、ired results. This design has high reliability with low false alarm rate, etc., but in some areas still needs further improvement and refinement.Key words: fire alarm, multi-sensors, fuzzy judgment, permission assign algorithm design第1章 绪 论本章主要介绍了现今火灾报警技术的发展概况，现代消防对火灾检测与报警的要求以及国内外相关的研究现状，讲述了本设计的主要内容
11、、任务和相关安排以及本课题的研究意义。1.1 现今火灾报警技术发展及国内外研究概况火灾是指在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。实践证明，随着社会和经济的发展，消防工作的重要性就越来越突出。“预防火灾和减少火灾的危害”是对消防立法意义的总体概括，包括了两层含义：一是做好预防火灾的各项工作，防止发生火灾；二是火灾绝对不发生是不可能的，而一旦发生火灾，就应当及时、有效地进行扑救，减少火灾的危害。从1847年美国牙科医生坎宁和缅因大学教授法莫研制出世界上第一台城镇火灾报警装置至今，已有一百多年的历史。火灾报警系统的发展已经
12、过了以下几个阶段：19世纪40年代到20世纪40年代是火灾报警器发展的第一阶段，这期间的火灾报警以单线感温报警为主，即通过简单的探测和报警电路判断环境温度是否超过预先设置的阈值，由于受限于这一时期的电子技术和传感器技术，报警器的可靠性、准确性和灵敏度均不高。20世纪50年代到70年代则是火灾报警器发展的第二阶段，火灾报警已经由单线制变化为多线制。多线制火灾报警器与上一代火灾报警器的区别在于火灾探测器与火灾报警控制器之间不再是一对一而是多对一的关系，而且多线制要求每个探测器与控制器之间使用两条以上的导线连接以保证每个探测点都能准确发出报警信号。但多线制火灾报警系统过于复杂的设计与布线，使得安装和
13、维护都很不方便，并且成本也比单线制报警器高很多。20世纪80年代到20世纪末，微处理器技术逐渐民用化并迅速普及起来，极大地改变了火灾报警系统的设计思路，于是出现了以单片机为核心的总线制火灾报警系统。即为火灾报警器发展的第三阶段。这种自动报警系统已采用微处理器控制，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，此类系统可进行现场编程，并通过各种模块对各联动设备实行较复杂的控制，具有系统自检及对外围器件的故障检验等功能。现代建筑因为体量大、层数多、人员多，并使用了大量可燃材料装修，而且垂直疏散困难很大，所以火灾危险性也很大。近十几年来，世界各国都对火灾的预防、报警和控制进行了大量的
14、研究，使智能型火灾报警系统的产品更新换代速度非常快。探测器由普通探测器发展到带编码地址的探测器，信号线由原来的多线制发展到二总线制，探测器的性能和系统的联动控制日趋完善，可靠性越来越高。在国外的产品中，分布智能系统技术得到了较为广泛的应用，这类系统的显著特点有：多判数据火灾探测技术，完善的功能设置以适应一般场合的使用，通过编程使探测器适应特殊的场合或环境需要，可以对自身电路及传感器进行检测，具有环境因素补偿，故障报告功能，具有良好的可扩展性，多级判断设计提高报警的准确程度，有完善的通讯协议，低功耗。同国外相比，国内在火灾报警系统的研究上还是有一定的差距的。现在国内火灾报警技术也将重点放在了分布
15、智能系统上，也有相当多优秀的产品出现，但国内铲平普遍存在的缺乏核心技术的问题使得国内产品和国外的产品相比之下还是存在诸如可靠性、稳定性差、探测器信号处理方法单一，智能化程度低、未能很好解决探测器灵敏度和误报率之间矛盾等问题。1.2 现代消防对火灾检测与报警的要求由于城市规模日益扩大，高层建筑、地下建筑、公共娱乐场所及大型综合性建筑越来越多，建筑布局及功能日益复杂，用火、用电、用气和化学物品的应用日益广泛，火灾的复杂性、危险性大大增加。但是城市的消防站、消防供水、消防通信、消防通道等公共消防设施的建设却发展缓慢，远远不能满足现代防火、灭火的需要，使社会抗御火灾的能力相当薄弱。因此现代消防建设对火
16、灾检测与报警的要求也与日俱增，主要体现在以下几点：第一，高层、超高层建筑对消防设施的要求。这类高层建筑的火灾一般有如下几个特点：多采用大跨度钢架结构和灵活的环境布置，使建筑物开间和隔墙布置复杂，随着建筑高度增加，在起火前室内外温差所形成的热风压大，起火后由于温度变化而引起烟气运动的风火压大，因而火灾使烟气弥漫、扩散迅速；为了加强艺术效果和舒适性的要求，装饰材料多种多样，且多为易燃或可燃材料；建筑内大量使用各种电气设备，电气设备配电线路和信息数据通信布线系统密如蛛网，一旦发生火灾，会迅速蔓延；建筑内人员众多，一旦发生火灾，疏散难度大；建筑多是多用途的综合性大楼，从而造成安全疏散通道曲折隐藏。由此
17、可见，现代化高层建筑对火灾报警系统在火灾整体的检测灵敏度、多样化检测标准、准确度、可靠性以及极端条件下系统工作稳定性有了更多的要求。第二，工厂、企业都有大型或特大型的仓库，用以存放各种材料、设备，一旦仓库失火，将给工厂、企业带来巨大的经济损失，甚至导致工厂、企业的停产。而这些仓库又往往存在面积大、货物货架高、死角多等对火灾监视不利的因素，此外，各种有毒或特殊材料的特点也对火灾监测有很大影响。所以，也要通过火灾报警系统来克服这些不利因素，对仓库进行有效的火灾监视。第三，由于火灾发生的可能性很大程度上取决于环境因素，因此火灾报警系统需要不仅能对固定环境的活在进行监测，更要能够针对不同环境条件下变化
18、环境中的火灾隐患进行监控，这对报警系统的智能化以及传感器技术提出了新的要求。1.3 课题研究的意义火灾也给人类带来了巨大的灾难,在我们生活的四周到处潜伏着火灾隐患。为了避免火灾,人类在减少引起火灾的因素同时,也尽力在发生火灾时，及时报警，并采取有效措施控制火情的发展，将火灾消灭在萌芽状态,以确保人身安全。最大限度地减少社会财富的损失。上文中已经提到过，我国火灾报警系统技术的主要不足之处在于缺乏自己的核心技术，因此如何设计一个具有自己独创元素的系统将不仅有利于提高系统设计水平，也能够为以后更多消防检测系统的设计提供很多优秀的参考。对应火警报警系统而言，务必要通过有效的方法保证其在任何环境下，都能
19、最大程度的可靠工作。EDA技术已成为现代电子系统设计和电子产品研制开发的最有效的工具,是电子工程师们使用的一种基本工具。基于EDA技术的数字电路相比于基于MCU的数字电路,稳定性更好,容错性更宽泛,速度也更快。因此，开发一种基于EDA技术和大规模可编程逻辑器件的火警报警系统有着非常现实的意义1.4 设计工作任务及内容安排根据现今国内外火灾报警系统的设计理念，针对现有火灾报警器存在的不足，我设计了一种多传感器检测基于Quartus-II平台利用EDA技术的一款火警报警系统并进行了仿真试验。该设计的主要工作任务包括：传感器的选型。包括火灾报警系统中各传感器的选型及其放大电路设计与绘制，传感器及各模
20、块电路的连接设计。系统中央控制器设计。包括火灾报警系统主控程序设计，各个功能模块的程序设计，数据收集与模糊判断算法设计。对整个设计系统各功能模块进行仿真调试试验。本文的内容安排如下：第一章，简单介绍的火灾报警的背景以及现今火灾报警技术的国内外研究现状，以及全文内容的安排。第二章，描述火灾报警系统的设计方案，包括传感器的选型以及详细说明系统功能及开发平台的介绍。第三章，详细讲解该系统各个模块的设计思路和工作电路原理，分析实现各个功能的设计方法。第四章，详细介绍了整个火灾报警系统的编程设计思想，实现各个功能的模块程序设计。第五章，对完成的系统原型进行了简单的一些调试，并在调试过程中发现并解决软件漏
21、洞，改进系统的设计。并对系统做简单的环境稳定性测试。第2章系统方案设计2.1 火灾报警系统对设计的要求火灾会给带来巨大的生命财产损失，为此设计的火灾报警系统不仅需要能够实现火灾监控与报警功能，还需要能在火灾环境下正常工作，即火灾报警系统不仅需要有良好的硬件性能，其软件也需要满足运行环境对稳定性、兼容性和即时性要求，下面分别介绍这几个要求的具体内容。1)软件运行稳定性：由于火灾报警系统的工作环境相比其它类型电子系统更为复杂，往往在火灾中会处于高温、高辐射或由电气火灾引起的电磁干扰下，而这些环境因素对系统运行稳定性的影响是巨大的。在设计系统时，除了硬件选型时选择抗干扰性能优异的元件之外，在系统设计
22、时也需要从程序运行稳定性的角度进行相关设计。2)兼容性：上一点中已经说到，火灾报警系统常工作于极端环境下，因此其硬件尤其是传感器等易损耗部件的更换会经常发生，而当没有同样型号的配件时，通常也只能用同类型器件替换，此时除了涉及到兼容性问题。在设计时，不仅需要考虑到硬件的兼容性（工作电压、电流、信号强度等），在软件方面同样需要顾及到软件系统与替换器件的兼容性（信号格式、工作周期等），以保证系统能正常运行。3)数据处理即时性：火灾发生时，能不能及时进行火灾告警将直接影响能否控制火灾规模、减少火灾造成的生命财产损失。因此系统信息处理的即时性也相当重要，除了硬件设计方面尽量降低信号延迟、减少硬件环节意之
23、外，设计一个有效率的数据处理算法显得相当重要。但是数据处理算法的设计又不能一味采用高速处理算法，在同样的硬件环境下，随着处理速度的提高，误警率会呈对数形式提高，所以在软件中数据处理算法要在权衡准确性与速度的前提下做出相对最优的设计。2.2 系统开发环境简介Quartus II design 是最高级和复杂的，用于system-on-a-programmable-chip (SOPC)的设计环境。 QuartusII design 提供完善的 timing closure 和 LogicLock 基于块的设计流程。QuartusII design是唯一一个包括以timing closure 和
24、基于块的设计流为基本特征的programmable logic device (PLD)的软件。 Quartus II 设计软件改进了性能、提升了功能性、解决了潜在的设计延迟等，在工业领域率先提供FPGA与mask-programmed devices开发的统一工作流程。 Altera Quartus II 作为一种可编程逻辑的设计环境, 由于其强大的设计能力和直观易用的接口，越来越受到数字系统设计者的欢迎。 Altera Quartus II （3.0和更高版本）设计软件是业界唯一提供FPGA和固定功能HardCopy器件统一设计流程的设计工具。工程师使用同样的低价位工具对Stratix F
25、PGA进行功能验证和原型设计，又可以设计HardCopy Stratix器件用于批量成品。系统设计者现在能够用Quartus II软件评估HardCopy Stratix器件的性能和功耗，相应地进行最大吞吐量设计。 Altera的Quartus II可编程逻辑软件属于第四代PLD开发平台。该平台支持一 个工作组环境下的设计要求，其中包括支持基于Internet的协作设计。Quartus平台与Cadence、ExemplarLogic、MentorGraphics、Synopsys和Synplicity等EDA供应商的开发工具相兼容。改进了软件的LogicLock模块设计功 能，增添 了Fast
26、Fit编译选项，推进了网络编辑性能，而且提升了调试能力。 支持MAX7000/MAX3000等乘积项器件 2.0版Quartus II设计软件现在除了支持Altera的APEX 20KE，APEX 20KC， APEX II，ARM的Excalibur嵌入处理器方 案，Mercury，FLEX10KE和ACEX1K之外，还支持MAX3000A，MAX7000系列乘积项器件。MAX3000A和MAX7000设计者现在可 以使用QuartusII设计软件中才有的所有强大的功能。 软件体积缩小，运行速度加快 QuartusII2.0安装软件为290M,完全安装为700M,如果定制安装，不选择Exca
27、libur嵌入处理器，则安装所需空间为460M,比QuartusII1.1版本减少一半以上的空间要求，却能支持ALTERA全部芯片的开发。 同时软件的装载，编译，仿真速度比1.1版本大 大加快。 LogicLock设计流程把性能提升15% QuartusII2.0 设计软件通过增强层次LogicLock模块级设计方式，将性能平均改善15%。 LogicLock设计流程把整个模块的放置交由 设计者控制，如果必要的话，可以采用辅助平面布置。LogicLock设计流程运行设计者单独地优化和锁定每个模块的性能，在大 型SOPC设计的构建过程中也保持整个系统的性能。2.0版Quartus II设计软件把
28、新的LogicLock设计流程算法集成到未来的Altera器 件中，该算法充分利用了模块级设计的优势。 采用快速适配选项缩短编译时间 QuartusII2.0增加了一个新的快速适配编译选项，选择中这个选项，将会比缺省设置要缩短50%的编译时间。快速适配功能保留了 最佳性能的设置，加快了编译过程。这样布局适配算法反复的次数更少，编译速度更快，对设计性能的影响最小。 新的功能减小了系统级验证 2.0版Quartus II设计软件引入了新的功能，加快验证过程，这通常是SOPC设计流程中最漫长的阶段。在最初的编译时间中，新的 SignalProbe技术允许用 户在保留设计最初布线，时限和设计文件的同时
29、把内部节点引到未用的管脚进行分析。SignalProbe技术完 成了现有SignalTap嵌入逻辑分析的功能。 而且，设计者能够使用新版本中提供的HDL测试模板快速地开发HDL仿真矢量。 2.0版 Quartus II设计软件也可以自动地从QuartusII仿真器波形文件中创建完整的HDL测试平台。 2.0版Quartus II设计软件也支持高速I/O设计，生成专用I/O缓冲信息规范（IBIS）模型导入到常用的EDA信号集成工具中。IBIS模型 根据设计中每个管脚的I/O标准设置来定制，简化第三方工具的分析。2.3 系统方案设计本节主要针对该火灾报警系统的设计所需的元器件、系统需要实现的功能与
30、设计要求以及系统工作流程等问题。本系统属于分布式多传感器火灾报警系统，与传统火灾报警系统相比有以下优点：第一，多判数据处理。由于系统使用多传感器监测，因此系统对火灾的检测也是基于多判数据处理的，将系统中的多个传感器采集到的数据送入控制模块统一处理，将多组参数进行组合判断，使各个传感器互为补充，能让系统根据同一时刻各传感器返回的信息准确区分火灾险情与干扰源，拓宽了检测范围，提高了灵敏度，同时还能获得较低的误警率。第二，实时环境数据监测与模糊判断。传感器的输出并非是其对环境信息的连续检测结果，而是根据其检测周期有间隔地输出，因此传统火灾报警系统就存在检测的实时性问题，而基于EDA技术和多传感器的本
31、系统使用硬件描述语言（VHDL）对数据进行处理，可达到对传感器输出的信号及环境数据进行实时监测的效果；与此同时，本系统并不完全依赖数据阈值的判断，而是加入了带有持续时间检测的模糊判断，能够有效区分火灾与干扰源。2.3.1 传感器选型方案简介对火灾报警系统来说，传感器的性能在整个系统的工作效能上有着举足轻重的作用，因此传感器的选型尤为重要，根据本系统的设计要求，使用温度传感器、一氧化碳传感器和烟雾传感器。设计中这三种传感器均为模拟信号传感器，通过放大整形电路与A/D转换后作为送入MCU处理的数据。本设计中对传感器的性能有着如下要求：烟雾检测：05%/英尺，误差10；温度检测：0200，误差4；一
32、氧化碳：0500ppm，误差5ppm。这些性能指标即设计中各传感器的选型的主要依据，其次在选型中也应考虑到元件性价比的因素，在满足性能指标的基础上尽可能提高元件性能。2.3.1.1 温度传感器本设计使用高精度热电偶温度传感器YH-WEP-01/Pt100，其形为薄膜铂电阻，是用真空沉积的薄膜技术把铂膜溅射在陶瓷基片上。膜厚在2m以内，用玻璃烧结料把Ni（或Pd）引线固定，经激光调阻制成的薄膜元件。传感器工作时因环境温度的变化，使自身内阻发生相应变化，在固定电流下转化为一定的电压，经过放大整形后送入A/D转换，成为能被单片机识别的温度数据信号。测量范围：-50500；R0=1000；工作电流：0
33、.5mA；线性度：0.17%；测量误差：(0.10+0.0017| t |)；外形结构：5.02.0金属壳封装；延长线：0.510.0。由上述性能指标可知该传感器符合设计的性能要求，同时其体积小巧、温感灵敏且误差很小，适合火灾检测的温度测量。2.3.1.2 烟雾传感器本设计使用的烟雾传感器为离子式烟雾传感器HIS-07，该传感器是基于类比最佳性能设计的单源双室DSCB型电离室，电离室中安装的电离源为Am-241，专用于感烟探测。当流经内外电离室的电子流不平衡时，集电极充电直到电离电流达到平衡，在无烟或无燃烧物时，集电极除手电离电流潮汐影响外保持平衡电位。当烟雾进入外电离室时对电离电流产生影响，
34、使电离电流下降，集电极重新充电直到新的平衡电位，这时的电位变化经整形后送入A/D转换，即可得到烟雾浓度的数据。测量范围：0%5%；工作电压：9V；测量误差：0.1V；UL217标准大气中输出电压：5.60.4V；工作湿度：95%RH；棉芯2%/foot烟灵敏度：0.60.1V；集电极平衡电位：5.50.3V；绝缘体漏电电流：0.5pA；电离源活度：0.5Ci(18Kbq)10%；电离室25cm处辐射剂量率：0.03mGy/年。由上述性能指标可知该传感器符合设计的性能要求，HIS-07传感器的生产制作符合GB4715-93国家标准，采用单源双室结构，体积小，便于安装；在适用范围的环境条件下集电极
35、平衡电位变化值基本在参数范围内，稳定性较高；集电极平衡电位一致性好，响应时间较短，适于火灾检测中的烟雾测量。2.3.1.3 一氧化碳传感器本设计使用的一氧化碳传感器为ME4-CO型电化学传感器，该传感器根据电化学的原理工作，利用待测气体在电解池中工作电极上的电化学氧化过程，通过电子线路将电解池的工作电极和参比电极恒定在一个适当的电位，在该电位下可以发生待测气体的电化学氧化，由于氧在氧化和还原反应时所产生的法拉第电流很小，可以忽略不计，于是待测气体电化学反应所产生的电流与其浓度成正比并遵循法拉第定律。于是通过将电流转换为电压信号并整形方法送入A/D转换就可以确定一氧化碳气体的浓度数据。测量范围：
36、01500ppm；工作电压：9V；测量误差：0.080.02uA/ppm；零点漂移(-2040)：9ppm；工作湿度：15%95%RH；响应时间：25s；分辨率：1ppm；稳定性：5%/年；重复性：2%输出值。由上述性能指标可知该传感器符合设计的性能要求，ME4-CO传感器对CO有很高的灵敏度，具有良好的重复性和长期的稳定性，抗干扰特性良好，适合是用于火灾环境下的一氧化碳气体检测。2.3.2 系统主要功能本设计的火灾报警系统具有以下几个功能：1) 火灾检测：传感器返回的数据经中央控制处理器判断为火灾时，发出火灾报警信号，并显示于显示器上；2) 状态示警：根据传感器返回的环境信息，即时显示环境状
37、态；3) 外部设备控制：当系统做出火灾判断时能同时发出报警驱动信号启动相应外部设备如蜂鸣器工具等。2.3.3 系统结构与工作流程该火灾报警系统由图（2-1）中所示的几个部分构成。传感器安装于检测现场，通过导线连接到主板传感器驱动电路，传感器返回的信号送到整形电路后转换为05V的电平信号，由A/D转换芯片转换为数字信号送入控制器。系统的其他部分均安装在主板上，控制器接收到来自各传感器的数据后将数值显示，并根据事先制定好的规则判断是否有火灾情况，如果有火灾情况则将报警信息发出，驱动蜂鸣器发出声音报警。为了提高系统的可靠性，系统在硬件设计上采用了一些措施。设计系统的时候，不能只考虑正常状态的运行，对
38、于干扰源也要有所考虑。由于可能会有因某些特定原因产生的类似火灾的干扰源触发报警系统，如果用通常的处理方法，需要大量的判断时间，可能会造成硬件的损坏。为了解决这样的情况，对系统做出如下设计：若检测到单一传感器的数据迅速变化，则检测其余传感器是否检测到触发火灾相应的数据变化，同时判断结果是否到达报警阈值，如果没有检测到相应变化则视为干扰源，并根据设置的阀值直接报警。2.4 小结本章针对各个传感器的选型方案和工作参数，对系统的主要功能和工作流程等问题进行了简单描述，使读者对整个火灾报警系统有了一个整体了解，为整个系统的设计介绍开头。第3章 火灾报警系统模块设计本章将详细阐述系统各个模块的设计，包括各
39、个模块端口、硬件描述语言（VHDL）程序设计、功能实现。该火灾报警系统由传感器和主控器及其报警辅助设备（如蜂鸣器，指示灯）构成，综合考虑系统性能与成本，以EDA技术为核心的系统设计。其中传感器负责数据采集，并送主控器；主控器负责数据处理与功能调用，完成传感器检测、数据分析、触发火灾的判断以及驱动报警电路的工作。3.1 控制器系统设计方案分析本系统设计要求，或在报警系统主控器可有以下三个电路模块组成：数据采集控制转换模块，其功能是控制接收传感器数据并控制数模转换器ADC0809进行数据转换控制，发出控制信号；火灾分析判断模块，其功能是根据采集转换好的数据与灾情预设值比较进行逻辑判断环境的火灾状态
40、，并根据判断结果给出报警驱动信号，驱动报警装置报警；火灾等级显示指示模块，其功能是根据逻辑判断得知环境状态的火灾等级将其用数码管显示，并有指示灯指示等级状态。火灾报警系统控制器的系统框图如（3-1）所示。其中，CLK-IN为时钟输入信号，时钟上升沿敏感；REST为复位信号，高电平有效是系统复位，重启工作；HANDWORK为手动输入报警信号；ADCEOC为数模转换器ADC0809转换结束控制信号输入；ADCDATA70数模转换器ADC0809输出的8位数据；ADCADD为数模转换器ADC0809通道选择控制信号输出；ADCSTART、ADCRST、ADCALE、ADCCOE为数模转换器ADC08
41、09转换状态控制信号输出；LEDDRIVER、LEDCOM为数码管显示控制信号输出；GLED、BLED、YLED、RLED为安全状态等级指示灯控制输出信号；ALARMNEWS报警驱动信号输出；LEDA、LEDB、LEDC分别为温度、烟雾浓度、一氧化碳浓度的逻辑判断结果指示输出信号。火灾报警控制器的工作流程：首先，对系统进行复位清零，使其各电路模块均处于初始状态；当时钟输入信号CLK-IN有效时，给出模数转换器ADC0809转换控制信号开始转换采集到的数据，然后读入转换好的数据ADCDATA70。此时，系统火灾分析判断模块电路对数据进行逻辑判断，给出温度、烟雾浓度、一氧化碳浓度的判断结果，并给出
42、指示输出信号LEDA、LEDB、LEDC，输出报警驱动信号ALARMNEWS。同时，火灾等级状态显示指示状态模块电路根据判断结果有数码管显示火灾状态等级并输出指示灯控制信号GLED、BLED、YLED、RLED。3.2 主要电路模块设计分析 3.21 数据采集转换电路设计由于系统中的各个传感器返回的信号均为模拟量，无法被控制器模块电路直接接收和处理，所以需要将这些信号进行A/D转换，本设计选用模数转换器ADC0809进行A/D转换。A/D转换控制模块主要实现对ADC0809进行模数转的控制和转换后数据的转换处理。ADC0809概述1）0809的芯片说明：ADC0809是COMS的8位A/D转换
43、器，其内部有一个8通道多路开关，可控制8个模拟量中的一个进入转换器中，ADC0809是采样分辨率为8位的，转换时间约100us，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换，以逐次逼近原理进行模数转换的器件。 ADC0809的内部逻辑结构图如图（3-2）所示 3-2 ADC0809的内部逻辑结构图由上图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁
44、存器取走转换完的数据。 （2）对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：IN7IN0模拟量输入通道START转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持 低电平。A、B、C地址线。 通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。CLK时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号ALE地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存EOC转换结束信号。EOC=0,正在进行转
45、换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。D7D0数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接 相连。D0为最低位，D7为最高OE 输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。Vcc +5V电源。Vref参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V).（3）引脚结构图如下图（3-3）所示：图（3-3）引脚结构图 当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址
46、线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表3-1所示。 表3-1 通道选择C00001111B00110011A01010101通道ININ0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN72） ADC0809应用说明 （1）ADC0809内部带有输出锁存器。 （2）初始化时，使START和OE信号全为低电平。 （3）送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。 （4）在START端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 （5）是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。（6）当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给处理器了。3） 主要特性（1）8路输入通道，8位AD转换器，即分辨率为8位。 （2）具有转换起停控制端。 （3）转换时间为100s （4）单个5V电源供电 （5）模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 （6）工作温度范围为-4085摄氏度 （7）低功耗，约15mW。 4) ADC0809的工作过程下图（3-4）是ADC0809的主要控制信号时序图。START是转换启动信号，高电平有效，上升
