ii 基于單片機(jī)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要隨著科技快速的發(fā)展和人們安全意識(shí)的提高，現(xiàn)在許多的領(lǐng)域都開始安裝火災(zāi)報(bào)警?；馂?zāi)報(bào)警系統(tǒng)的控制核心便是單片機(jī)，單片機(jī)工作時(shí)特別穩(wěn)定，準(zhǔn)確度也高，而且耗電量低，正因?yàn)槿绱?，這樣才保證了單片機(jī)報(bào)警的可靠性和準(zhǔn)確性。該設(shè)計(jì)的電路是由一種以ARM的基于Cortex－M3架構(gòu)內(nèi)核的STM32微處理器作為控制核心、以感煙探測(cè)器以及感溫探測(cè)器組合起來的復(fù)合型火災(zāi)探測(cè)器作為報(bào)警數(shù)據(jù)的采集、用NRF24L01作為傳輸方式的報(bào)警數(shù)據(jù)的探測(cè)與無線傳輸系統(tǒng)。在本文中，詳細(xì)介紹了整個(gè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。對(duì)于硬件的設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一組集火災(zāi)報(bào)警數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、傳輸?shù)裙δ艿挠布娐贰?duì)于軟件的設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)是詳細(xì)的介紹了各模塊相關(guān)軟件流程，其中包括系統(tǒng)初始化模塊、NRF初始化模塊、區(qū)域火災(zāi)復(fù)合探測(cè)器初始化配置。在完成相關(guān)設(shè)計(jì)之后，便對(duì)整個(gè)利用Keil平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。采用模塊化思想，其次基于NRF24L01無線通信定出了軟件設(shè)計(jì)的方案，并且系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行正常，數(shù)據(jù)傳輸可靠，報(bào)警功能正常運(yùn)行。關(guān)鍵字：探測(cè)器；無線傳輸；STM32;NRF24L01目錄TOC\o"1-3"\h\u25847引言 3158481、油浸式變壓器 3120891.1、油浸式變壓器結(jié)構(gòu) 3204211.2、油浸式變壓器的火災(zāi)危險(xiǎn)性分析 355862、設(shè)計(jì)方案的選擇和總體設(shè)計(jì) 4320082.1、基于單片機(jī)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng) 4189482.2、基于ZigBee的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng) 538812.3、基于技術(shù)背景的總體設(shè)計(jì) 6244733、硬件設(shè)計(jì) 7251193.1、傳感器的選擇 7175953.1.1、煙霧傳感器的選擇 7197873.1.2、MQ-2氣敏傳感器基本測(cè)試電路 855383.1.3、溫度傳感器的選擇 9319913.1.4、溫度傳感器的控制電路 1247593.2、單片機(jī)的選型 1322533.3、顯示器模塊電路設(shè)計(jì) 14294643.4、蜂鳴器模塊電路設(shè)計(jì) 14140534、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 15264054.1、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 1562354.2、電源電路設(shè)計(jì) 16245814.3、A/D轉(zhuǎn)換 16213954.4、無線傳輸模塊（NRF24L01）的設(shè)計(jì) 17173995、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 19208795.1、開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介 1932475.2、軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 20284195.2.1、總體設(shè)計(jì) 2037375.2.2、系統(tǒng)初始化 2159065.2.3、無線模塊 22223125.2.4、報(bào)警流程 2473776、系統(tǒng)測(cè)試 26170946.1、測(cè)試條件 2646136.2、測(cè)試過程 26120656.3、檢測(cè)無線通信的可靠性 2732576.4、火災(zāi)環(huán)境下的測(cè)試 2953406.5、測(cè)試分析 2968157、總結(jié)與展望 30276477.1、本文設(shè)計(jì)總結(jié) 30226167.2、工作展望 316286參考文獻(xiàn) 3218737附錄一MQ-2煙霧傳感器標(biāo)準(zhǔn)工作條件 35引言電力系統(tǒng)中的電力變壓器是輸配電能的重要裝置，其中油浸式變壓器是在電力系統(tǒng)中相關(guān)領(lǐng)域最為常見，而且對(duì)發(fā)電廠和變、配電站的正常運(yùn)行造成影響的正是這些油浸式變壓器，因?yàn)楫?dāng)變壓器由電氣故障造成火災(zāi)或爆炸時(shí)，其中裝在變壓器內(nèi)的絕緣油會(huì)使火災(zāi)的情況變得更加糟糕，它會(huì)對(duì)周圍相關(guān)建筑、設(shè)備以及人員的安全造成嚴(yán)重威脅。在以往，雖然裝設(shè)了一定的防火、防爆措施在油浸式變壓器內(nèi)部，但在現(xiàn)實(shí)生活中，這種做法起到的作用并不理想。在變壓器中發(fā)生火災(zāi)的一般原因都是源于變壓器的匝間絕緣以及主絕緣。故對(duì)油浸式電力變壓器合理、安全、有效地裝設(shè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)就突顯得十分關(guān)鍵。1、油浸式變壓器1.1、油浸式變壓器結(jié)構(gòu)油浸式電力變壓器是我們?nèi)粘Ｉ钪凶顬槌Ｒ姷囊环N配電裝置，油浸式電力變壓器在我們的生活中隨處可見，其普遍應(yīng)用于工礦企業(yè)和大型民用建筑的供配電系統(tǒng)中，它是一類非常重要的配電裝置。通常情況下，器身、油箱、冷卻控制裝置、防護(hù)裝置以及出線裝置就構(gòu)成了油浸式電力變壓器的主體結(jié)構(gòu)，其中器身部位一般包括鐵芯、繞組(繞圈)、絕緣、引線和分接開關(guān)；油箱一般主要包括油箱本身和油箱附件；冷卻裝置包括散熱器和冷卻器；防護(hù)裝置通常是包括儲(chǔ)油柜、油標(biāo)、安全氣道、吸濕器、測(cè)溫元件以及氣體繼電器；其中的輸出線裝置包括高、低壓套管。1.2、油浸式變壓器的火災(zāi)危險(xiǎn)性分析在多數(shù)情況下大都直接采用紙板和棉紗以及布等各種易燃可燃物質(zhì)來充當(dāng)油浸式電力變壓器的絕緣襯墊和支架，并同時(shí)在電力變壓器內(nèi)部裝滿了絕緣油。在日常生活中，當(dāng)變壓器內(nèi)部溫度達(dá)到165～190℃的時(shí)候就達(dá)到了變壓器油的燃點(diǎn)了，若溫度達(dá)到330℃左右就達(dá)到了變壓器油的自燃點(diǎn)了，由此可見其還是一種非常容易燃燒的絕緣液體，是屬于碳?xì)浠衔锏囊环N。油浸式電力變壓器假若在很長(zhǎng)一段時(shí)間里都是過負(fù)荷運(yùn)行，短路等電氣安全故障就很容易在內(nèi)部發(fā)生，電弧就是在這種情況下產(chǎn)生的，同時(shí)帶來高溫，在這樣情況下，絕緣油就會(huì)快速被引燃，并且同時(shí)變壓器內(nèi)部的壓力也會(huì)被快速地增大，直接導(dǎo)致變壓器外殼爆裂而造成火災(zāi)發(fā)生。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，對(duì)于油浸式變壓器這種特殊情況和環(huán)境，救火工作也顯得十分的不方便，并且變壓器內(nèi)部的絕緣油還會(huì)加速火災(zāi)的蔓延，隱藏著巨大的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)后，空氣的溫度達(dá)到800℃高溫時(shí)，變壓器里的絕緣油將被分解為可燃?xì)怏w。爆炸危害是其產(chǎn)生的最大危害。檢測(cè)變壓器是否發(fā)生了火災(zāi)的一個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)便是檢測(cè)溫度和煙霧濃度。為了讓變壓器內(nèi)部的火災(zāi)隱情可以及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，同時(shí)考慮到電力變壓器火災(zāi)的類型，便選取溫度傳感器和煙霧傳感器來采集電力變壓器周圍的相關(guān)信息和相關(guān)數(shù)據(jù)。2、設(shè)計(jì)方案的選擇和總體設(shè)計(jì)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)由傳感器、蜂鳴器、單片機(jī)、顯示屏等組成?；馂?zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的火災(zāi)探測(cè)器作為檢測(cè)火災(zāi)是否發(fā)生的重要部件，因?yàn)槠涮厥庑缘拇嬖?，選擇不同的傳感器是為了適應(yīng)不同的環(huán)境情況，其中有種離子感煙式探測(cè)器因?yàn)榫哂休^低的誤報(bào)率并且運(yùn)行起來非常穩(wěn)定，所以被普遍應(yīng)用在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。目前變壓器火災(zāi)事故的絕大多數(shù)原因都是因?yàn)樽儔浩骶植窟^熱了或發(fā)生故障引發(fā)電弧導(dǎo)致引燃了變壓器油，為了變壓器周圍環(huán)境以及人員的安全，故需在變壓器內(nèi)部安裝火災(zāi)報(bào)警裝置。本設(shè)計(jì)將在變壓器油枕、升高座、油箱外部等各處安置火災(zāi)報(bào)警設(shè)備。2.1、基于單片機(jī)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)作為一種特殊的控制芯片，單片機(jī)除了體積小的同時(shí)，在結(jié)構(gòu)上也是十分的簡(jiǎn)單，同時(shí)還具備著很高的可靠性，并且能夠把各功能部件聚合，最方便的是其應(yīng)用了總線結(jié)構(gòu)，基于以上的結(jié)構(gòu)讓單片機(jī)的工作可靠性和它的抗干擾能力大大得到了提升。另外，由于單片機(jī)體積小，所以在惡劣的電磁環(huán)境中其也可以很好地發(fā)揮作用。并且單片機(jī)的控制能力也非常的強(qiáng)悍，而且其對(duì)于電壓的要求也十分的低并且是低功耗運(yùn)行，在通常情況下，在2.2V的低電壓下單片機(jī)就可以正常運(yùn)行。而且在實(shí)現(xiàn)同一種功能的情況下，與其它種類微型計(jì)算機(jī)開發(fā)出來的控制系統(tǒng)相比較來說，換做用單片機(jī)開發(fā)反而會(huì)更加實(shí)惠?；诂F(xiàn)在的社會(huì)發(fā)展步伐來看，以及科技的不斷發(fā)展，在將來不久單片機(jī)所擁有的功能會(huì)越來越多同時(shí)單片機(jī)也會(huì)變得更加小巧，也會(huì)更加方便操作?；趩纹瑱C(jī)的各類應(yīng)用也越來越多，從老百姓的日常生活應(yīng)用再到軍隊(duì)的軍事應(yīng)用，單片機(jī)在其發(fā)揮的作用也越來越重要。同時(shí)因?yàn)橐詥纹瑱C(jī)為控制核心的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，在軟件開發(fā)方面比較方便，同時(shí)操作也十分簡(jiǎn)單，所以得到廣泛應(yīng)用?；谝陨锨樾?，在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中，以單片機(jī)為控制核心的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)是最為常見的。2.2、基于ZigBee的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)ZigBee技術(shù)是屬于無線雙向通信技術(shù)的一種。操作簡(jiǎn)單、低功耗、成本低是其主要的特點(diǎn)，對(duì)于距離短、功耗小且電子數(shù)據(jù)之間傳輸速率不高的各類大型電子裝置之間的數(shù)據(jù)傳輸以及其他比較典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)的傳輸，這些便主要應(yīng)用ZigBee技術(shù)。同時(shí)因?yàn)閆igBee技術(shù)系統(tǒng)方便操作、成本低廉、能耗小等特點(diǎn)，如果能夠與人工智能相輔相成，必可以發(fā)揮出更好的效果。ZigBee的特點(diǎn)主要有：（1）低成本：經(jīng)過大幅簡(jiǎn)化協(xié)議后，便降低了對(duì)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)和計(jì)算能力的要求，因此成本很大程度上被減少了。（2）低傳輸速率：ZigBee可以工作在20-250kbit/s的相對(duì)較低的速率下。（3）近距離：ZigBee設(shè)備進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸范圍通常是10-100米之間。在增加射頻發(fā)射功率后，傳輸范圍便可以擴(kuò)大至1-3km。若是通過路由和節(jié)點(diǎn)間的轉(zhuǎn)發(fā)，則傳輸距離就會(huì)變得更遠(yuǎn)。（4）安全系數(shù)高：在檢查數(shù)據(jù)完整性和鑒權(quán)功能方面，ZigBee技術(shù)都有提供。同時(shí)設(shè)置了三級(jí)安全性在數(shù)據(jù)的傳輸過程中。實(shí)際上來講第一級(jí)可以認(rèn)為是一種無安全的處理方式，針對(duì)某一些應(yīng)用來講，若不是很重視安全性或者一個(gè)足夠的安全保護(hù)可以讓上級(jí)保護(hù)來提供，器件便可以有很多機(jī)會(huì)完全可以通過上層選擇此種安全方式對(duì)其進(jìn)行安全轉(zhuǎn)移擇。對(duì)第二級(jí)的安全保護(hù)等級(jí)來說，我們完全可以同時(shí)接入控制清單（ACL）來防范非法器件來獲取數(shù)據(jù)，所以在這一級(jí)，所有的其他加密手段都不需要。針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過程中的第三級(jí)安全級(jí)別，采用了AES的對(duì)稱安全密碼。AES也可以被廣泛用來保護(hù)數(shù)據(jù)凈荷以及防止攻擊者冒充合法用戶。2.3、基于技術(shù)背景的總體設(shè)計(jì)近年來，我國(guó)不斷發(fā)展電力行業(yè)，電力變壓器遍布我國(guó)的絕大多數(shù)地區(qū)，但同時(shí)也帶來了一個(gè)嚴(yán)重的問題，就是當(dāng)變壓器發(fā)生故障時(shí)，如果問題無法快速得到處理，便會(huì)影響附近居民的用電。同時(shí)因?yàn)殡娏ψ儔浩靼惭b環(huán)境的隨機(jī)性，同時(shí)因?yàn)樽儔浩骶嚯x變電所遠(yuǎn)近的不確定性，這便造成了沒有辦法廣泛地傳播以Zigbee技術(shù)為基礎(chǔ)核心的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。相反NRF24L01無線傳輸模塊可以將相關(guān)信息和數(shù)據(jù)及時(shí)并實(shí)時(shí)的傳輸回來，而不受太多的限制。通過比較和分析，更加合適本課題設(shè)計(jì)的是以單片機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)核心的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)整體框架圖如圖2.1。圖2.1系統(tǒng)整體框架3、硬件設(shè)計(jì)3.1、傳感器的選擇3.1.1、煙霧傳感器的選擇煙霧式傳感器是火災(zāi)檢測(cè)中一個(gè)重要的元件，其主要的工作便是將煙霧濃度轉(zhuǎn)化成單片機(jī)可以識(shí)別的電流或電壓信號(hào)。煙霧信號(hào)經(jīng)過放大電路以及A/D轉(zhuǎn)換電路后，相關(guān)的模擬量就被轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，最后這樣可以處理的信號(hào)被單片機(jī)識(shí)別，便將數(shù)據(jù)處理，緊接著和主機(jī)通過NRF24L01無線傳輸模塊來進(jìn)行通信，并實(shí)時(shí)地將信息發(fā)送到顯示屏。由上便知，一個(gè)十分重要的信號(hào)采集部件就是煙霧傳感器。煙霧的產(chǎn)生通常是火災(zāi)的前兆，基于以上，為了提前對(duì)火災(zāi)做出預(yù)警，對(duì)系統(tǒng)來說，安置一種可以快速檢測(cè)煙霧濃度的傳感器便顯得十分重要。通過相關(guān)比較和分析以及查閱資料，最終將采用MQ-2型普通氣敏煙霧傳感器。MQ-2氣敏傳感器特點(diǎn)：MQ-2型傳感器對(duì)于液化石油氣等相關(guān)煙霧有著十分高的靈敏度，特別是對(duì)于烷類煙霧最為敏感。抗干擾能力非常強(qiáng)，可以排除其他非可燃性煙霧的干擾穩(wěn)定性高，響應(yīng)時(shí)間短，可以持久穩(wěn)定工作。但也存在不足之處：先加熱一段時(shí)間是其工作前的必做事項(xiàng)，否則其輸出的數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確。MQ-2的結(jié)構(gòu)圖如圖3.1圖3.1MQ-2煙霧傳感器結(jié)構(gòu)圖3.1中，部件1是氣體敏感層，其是用二氧化錫材料構(gòu)成;部件2是電極，其是由材料金組成;部件3是測(cè)量電極引線，其由材料鉑組成;部件4是加熱器，其由材料鎳鉻合金構(gòu)成;部件5是陶瓷管，其由材料三氧化二鋁組成;部件6防爆管;部件7是卡環(huán)，其由材料鍍鎳銅材構(gòu)成;部件8是基座;部件9是針狀管腳。煙霧傳感器的標(biāo)準(zhǔn)工作條件見附錄一。綜上所述:MQ-2煙霧傳感器符合本設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，其對(duì)煙霧濃度大小也可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的檢測(cè)，并且報(bào)警動(dòng)作也能夠在同一時(shí)間啟動(dòng)。當(dāng)其測(cè)試的煙霧值大于20時(shí)，系統(tǒng)就啟動(dòng)報(bào)警。3.1.2、MQ-2氣敏傳感器基本測(cè)試電路圖3.2煙霧傳感器的基本測(cè)試電路圖3.2中，加熱器的電壓是VH，其是加熱傳感器以便傳感器可以正常工作的;其中決定傳感器性能的就是負(fù)載電阻RL的值;RL上電壓VRL大小的測(cè)定用VC(需直流電源供電)。MQ-2設(shè)計(jì)電路如圖3.3所示圖3.3MQ-2傳感器接口電路3.1.3、溫度傳感器的選擇當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，變壓器內(nèi)部的溫度就會(huì)快速上升，由此可見從溫度的變化情況來看就可以判斷火災(zāi)是否發(fā)生了。電力變壓器在的絕緣等級(jí)為A級(jí)，在多數(shù)情況下其都是使用油浸紙來絕緣。對(duì)于變壓器上層的油溫，按照相關(guān)規(guī)定，95℃是其極限，但是出于對(duì)變壓器壽命的考慮，其實(shí)溫度最好是不超過85℃。經(jīng)過相關(guān)分析，最合適的選擇就是DS18B20作為溫度檢測(cè)器，因?yàn)槠渚€路簡(jiǎn)單，編程容易，但是其比AD590精度要低。但是AD590還需要其它輔助電路，因此AD590線路較復(fù)雜，編程難度比較大，但是AD590溫度測(cè)量精確。同時(shí)考慮到電路的設(shè)計(jì)成本，故采用DS18B20作為該系統(tǒng)的溫度傳感器，當(dāng)其傳遞的數(shù)據(jù)高于85℃時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)報(bào)警。目前DS18B20溫度傳感器普遍應(yīng)用于工業(yè)、建筑行業(yè)等。跟其他溫度傳感器不同的之處在于DS18B20芯片的通信是用一根單線總線進(jìn)行的，根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，便只需要一根數(shù)據(jù)線就可以和中央通信。它有自己的工作溫度范圍，大致是從-55°C到+125°C，并能夠?qū)?shù)值精確到±0.5°C。DS18B20在內(nèi)部的結(jié)構(gòu)方框圖如圖3.4所示。圖3.4DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20的一個(gè)重要核心技術(shù)特點(diǎn)之一就是它是一個(gè)直接數(shù)字溫度傳感器。其測(cè)量精度分別有9，10，11和12位這四種，而且其對(duì)應(yīng)的增量分別是0.5°C，0.25°C，0.125°C以及0.0625°C。當(dāng)DS18B20芯片上電時(shí)，其默認(rèn)的分辨率是12位，而且DS18B20通常是在低功耗空閑狀態(tài)下上電。具體參數(shù)見表3.2。表3.2分辨率寄存器分辨率寄存器TMR1R011111配置寄存器實(shí)現(xiàn)溫度和數(shù)字之間的轉(zhuǎn)化主要是通過配置不同的位數(shù)。TM處于測(cè)試模式位時(shí)，低五位便一直是“1”。DS18B20是在工作模式還是在測(cè)試模式就是通過配置寄存器來設(shè)置的。在出廠時(shí)一般該位就被設(shè)置為0，對(duì)于用戶來說是不要做任何改變；設(shè)置分辨率的兩個(gè)位分別為R0和R1，如表3.3所示:表3.3溫度分辨率設(shè)定R1R0分辨率溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750msDS18B20溫度傳感器的測(cè)溫系統(tǒng)由斜坡累加器、高溫度系數(shù)振蕩器TH、低溫度系數(shù)振蕩器TL、減法計(jì)數(shù)器以及溫度存儲(chǔ)器組成。其原理圖如3-5所示。圖3.5DS18B20的測(cè)溫原理芯片在上電后就一直處于低功耗的等待狀態(tài)；這意味芯片要進(jìn)行溫度測(cè)量以及模數(shù)轉(zhuǎn)換是在總線控制器下達(dá)[44h]指令之后。然后，相關(guān)的溫度數(shù)據(jù)將由溫度寄存器保存起來，其便繼續(xù)保持等待狀態(tài)。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換一次后，便開始比較高、低溫度系數(shù)振蕩器中設(shè)置的報(bào)警值與轉(zhuǎn)換后的溫度值。發(fā)生報(bào)警的條件是測(cè)量的溫度大于高溫度系數(shù)振蕩器或是小于地溫度系數(shù)振蕩器。DS18B20輸出的數(shù)據(jù)可以供給0.5度的分辨率。表3.6展現(xiàn)了溫度和輸出數(shù)據(jù)的關(guān)系。其遞增的幅度是0.5℃，測(cè)量范圍（-55℃～+125℃）。當(dāng)TH以及TL的寄存器為8位時(shí)，寄存器格式如表3.4。當(dāng)TH以及TL的寄存器為16位時(shí)，寄存器格式如表3.5。其描述溫度正、負(fù)的標(biāo)志位為S：S=0，標(biāo)志溫度為正；S=1，標(biāo)志溫度為負(fù)。因?yàn)榧拇嫫鱐H和TL有著非易失性的特性，因此數(shù)據(jù)在芯片斷電的時(shí)候仍可以保存下來。表3.48位寄存器格式BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0S26252423222120表3.5溫度寄存器的格式LSBYTEBIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0232221202-12-22-32-4MSBYTEBIT15BIT14BIT13BIT12BIT11BIT10BIT9BIT8SSSSS262524如表3.5，存儲(chǔ)的兩個(gè)字節(jié)，一個(gè)字節(jié)8位共16位，高字節(jié)的前5位是符號(hào)位S，經(jīng)過單線接口，單片機(jī)就讀到該數(shù)據(jù)，讀取的順序是低位在前高位在后。假若我們所測(cè)得的實(shí)際溫度是大于0的話，那么這5位數(shù)值就為‘0’，然后我們只需把測(cè)到的數(shù)值再乘以0.0625（默認(rèn)精度是12位），就能直接得到真正的實(shí)際溫度了；如果我們所測(cè)量的溫度值是小于0的話，那么這5位數(shù)值就為‘1’，然后我們只需把測(cè)到的數(shù)值取反加1后再乘以0.0625就能獲得實(shí)際的溫度了。我們以85度為例，此時(shí)溫度應(yīng)該大于0，所以應(yīng)該可以看到兩個(gè)字節(jié)的前5位均是0，然后再二進(jìn)制轉(zhuǎn)十進(jìn)制：6+2^4+2^2+2^0=85。

數(shù)據(jù)輸出的十六進(jìn)制為0X0550，因高字節(jié)的高5位是0，所以表明檢測(cè)的溫度是正的溫度值，0X0550所對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制是1360，然后將這個(gè)值乘以12位精度0.0625，所以可以得到+85度。表3.6溫度表示值與輸出數(shù)值的關(guān)系TEMPERATURE(C)DIGITALOUTPUT(BINARY)DIGITALOUTPUT(HEXADECIMAI）+125000001111101000007D0h+85*00000101010100000550h+25.062500000001100100010191h+10.125000000001010001000A2h+0.500000000000010000008h000000000000000000000h-0.51111111111111000FFF8h-10.1251111111101011110FF5Eh-25.06251111111001101111FE6Fh-551111110010010000FC90h3.1.4、溫度傳感器的控制電路DS18B20的溫度信號(hào)不用經(jīng)過其他的相關(guān)處理便可以直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后用來進(jìn)行對(duì)微控制器的處理。溫度傳感器DS18B20囊括了許多優(yōu)點(diǎn)；線路不復(fù)雜、價(jià)格不貴。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選便是DS18B20。DS18B20設(shè)計(jì)電路如圖3.6所示：圖3.6DS18B20傳感器接口電路3.2、單片機(jī)的選型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的關(guān)鍵就在于這硬件方面，當(dāng)考慮到火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的性能、功耗等，選取相對(duì)合理的硬件就顯得十分的關(guān)鍵。電力變壓器作為電力系統(tǒng)中一個(gè)關(guān)鍵的器件，所以其必須裝設(shè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。本文將采用處理速度敏捷、所需能耗低、抗干擾能力強(qiáng)的STM32單片機(jī)作為本系統(tǒng)的處理器。STM32單片機(jī)芯片主要特性如下:

1.采用用途非常廣泛的arm內(nèi)核。

2.其集成了十分豐富的接口以及通信模塊和其他相關(guān)功能模塊。

3.開發(fā)工具，比較齊全，開發(fā)資料也比較豐富。

4.可選擇的型號(hào)非常多，基本上都不需要外部的硬件擴(kuò)展。

5.對(duì)于功耗方面控制得也十分好，其次，它的實(shí)時(shí)性也比較強(qiáng)。

6.對(duì)各種流行的嵌入式操作系統(tǒng)，支持比較好，各大嵌入式操作系統(tǒng)網(wǎng)站，基本上都會(huì)提供支持，他的相應(yīng)的代碼。3.3、顯示器模塊電路設(shè)計(jì)在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中設(shè)計(jì)能顯示數(shù)據(jù)的顯示器，能夠?qū)φ麄€(gè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的運(yùn)行狀況有一個(gè)更加清晰的了解。OLED顯示模塊接口電路如圖3.7所示。圖3.7OLED顯示屏接口電路3.4、蜂鳴器模塊電路設(shè)計(jì)當(dāng)系統(tǒng)判斷出發(fā)生火災(zāi)后，蜂鳴器器就開始動(dòng)作，發(fā)出警報(bào)聲音，提醒有火災(zāi)發(fā)生了。對(duì)于本設(shè)計(jì)，經(jīng)過相關(guān)考慮，將會(huì)采用一種常用的蜂鳴器，其電路如圖3.8所示。圖3.8蜂鳴器模塊電路4、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)4.1、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)圖4.1STM32F103C8T6核心板硬件在下位機(jī)方面，該系統(tǒng)選擇了控制核心——處理器STM32F103C8T6。STM32F103C8T6單片機(jī)最小系統(tǒng)主要分為主芯片，復(fù)位電路，時(shí)鐘電路等。對(duì)其設(shè)置一個(gè)復(fù)位的機(jī)制，是為了避免單片機(jī)進(jìn)入死機(jī)不能處理的情況。復(fù)位的作用是讓單片機(jī)進(jìn)行初始化，即返回初始狀態(tài)。再次上電是復(fù)位處理方式之一,但與這種方式相比,增設(shè)一個(gè)復(fù)位按鍵是相對(duì)更加合理的方式,這樣可以避免反復(fù)上電和斷電對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行造成干擾。復(fù)位電路如圖4.2所示圖4.2復(fù)位電路對(duì)于內(nèi)部時(shí)鐘電路的晶振頻率通常是選擇4MHZ~12MHZ之間（該設(shè)計(jì)選用8MHZ），并且同時(shí)外接兩個(gè)諧振電容，在此設(shè)計(jì)中，相關(guān)電容選用20pF。晶振電路如圖4.3所示圖4.3晶振電路4.2、電源電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中的STM32F103C8T6單片機(jī)的輸入電壓是2.0V－3.6V，而NRF24L01無線傳輸模塊和OLED顯示模塊則需要的輸入電壓是3.3V，感煙探測(cè)器采用5V供電。電源電路如圖4.4所示圖4.45Ｖ－3.3Ｖ直流降壓轉(zhuǎn)換電路4.3、A/D轉(zhuǎn)換在實(shí)際生活中，單片機(jī)無法直接識(shí)別煙霧傳感器檢測(cè)到的模擬信號(hào)，因此這種模擬信號(hào)若想被單片機(jī)識(shí)別，就一定需要在經(jīng)過電路放大然后再經(jīng)過模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換。一般對(duì)STM32F103系列單片機(jī)來說，其內(nèi)部會(huì)有1-3個(gè)12位的ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器），而且其ADC都是相互獨(dú)立的，且每個(gè)ADC都有6個(gè)外部通道。照這樣計(jì)算，內(nèi)部3個(gè)ADC就可以在同一時(shí)間測(cè)量18路通道。所以直接完成模擬輸入量向數(shù)字輸出量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換就只需要一個(gè)模擬輸入量,而且外部不需要再連接ADC轉(zhuǎn)換芯片。4.4、無線傳輸模塊（NRF24L01）的設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇了使用NRF24L01無線收發(fā)模塊，采用一個(gè)NRF24L01模塊從機(jī)發(fā)送，同時(shí)一個(gè)NRF24L01模塊主機(jī)接收。NRF24L01無線傳輸模塊之所以能夠滿足多點(diǎn)通信和調(diào)頻需要，是因?yàn)槠浒送ㄐ磐ǖ溃?26個(gè)）以及數(shù)據(jù)通道（6個(gè)）。NRF24L01可達(dá)8Mb/s的通信速率，因?yàn)槠洳捎?線SPI通信端口。NRF24L01的收發(fā)模式總共有三種——EnhancedShockBurstTM收發(fā)、ShockBurstTM收發(fā)、直接收發(fā)。出于相關(guān)考慮，本設(shè)計(jì)將選擇EnhancedShockBurstTM這種收發(fā)模式，因?yàn)閷?duì)于編程方面，這種模式將會(huì)相對(duì)來說更加簡(jiǎn)單并且具有更高的穩(wěn)定性。接下來要介紹的是怎樣把NRF24L01設(shè)置成EnhancedShockBurstTM收發(fā)模式。當(dāng)設(shè)置完成后，在NRF24L01工作的過程中，若要完成接收模式和發(fā)送模式之間的變化只需將最低一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容改變就可以了。其中ShockBurstTM的配置字由四個(gè)部分組成：1、數(shù)據(jù)包的寬度2、地址位的寬度：3、地址4、CRC。NRF24L01配置字的CONFIG寄存器的位描述如圖4.5所示。圖4.5CONFIG寄存器的位描述若要實(shí)現(xiàn)多個(gè)NRF24L01模塊之間的聯(lián)系，就需要滿足四個(gè)相同的條件：發(fā)射接收數(shù)據(jù)寬度、發(fā)射接收地址、發(fā)射接收頻道、發(fā)射接收速率都相同。NRF24L01的發(fā)射以及接收地址全為8位地址，一共126個(gè)頻道，在理論上是可以實(shí)現(xiàn)１個(gè)主機(jī)和無數(shù)個(gè)從機(jī)之間的通信。但是在現(xiàn)實(shí)生活中，通信地址或者通信頻道設(shè)置過近的話，這樣會(huì)產(chǎn)生互相干擾，本設(shè)計(jì)主要是模擬了１主1從之間的通信。NRF24L01引腳如4.6圖所示。圖4.6NRF24L01模塊引腳圖如4.6圖所示，NRF24L01模塊具有20個(gè)引腳，相應(yīng)的作用如圖4.7所示圖4.7NRF24L01模塊引腳功能NRF24L01模塊通常和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)合作都是通過串口。通過圖4.8可以看到，NRF24L01接口電路較為簡(jiǎn)單。圖4.8NRF24L01無線傳輸電路NRF24L01各引腳說明如下：（１）VCC：電源引腳，供給NRF24L013.3Ｖ直流電壓。（２）NRF_CE：使能發(fā)射或接收。（３）NRF_CSN：SPI片選信號(hào)。（４）SPI2_SCK：SPI時(shí)鐘引腳。（５）SPI2_MOSI:SPI數(shù)據(jù)輸入腳。（６）SPI2_MISO:SPI數(shù)據(jù)輸出腳。（７）NRF_IRQ：可屏蔽中斷腳。（８）GND；電源地。5、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1、開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介KeiluVision5最新款是一款非常出色的C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，軟件界面簡(jiǎn)潔大方，功能強(qiáng)勁實(shí)用，操作簡(jiǎn)單，KeiluVision5最新款采用了全新的用戶界面。與KeilMDK-ARMuVision4相關(guān)的內(nèi)容，在uVision5上也是可以兼容的。在MDKv5上還可以開發(fā)以前的相關(guān)項(xiàng)目，同時(shí)基于Cortex-M微控制器開發(fā)的支持MDKv5也做了相關(guān)的強(qiáng)化，而且還優(yōu)化了以前的傳統(tǒng)開發(fā)模式和界面。5.2、軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)5.2.1、總體設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)分為了兩部分，主要是火災(zāi)信號(hào)探測(cè)電路的軟件設(shè)計(jì)和模擬監(jiān)視室的軟件設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)總框圖如圖5.1所示。圖5.1軟件系統(tǒng)總框圖為了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單點(diǎn)，且同時(shí)為了滿足后期系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí)，將系統(tǒng)劃分成許多個(gè)任務(wù)和中斷。從機(jī)的主程序流程圖如圖5.2所示。系統(tǒng)上電后，初始化就開始，等初始化完成后系統(tǒng)開始判辨有沒有發(fā)生火災(zāi)，假若系統(tǒng)判辨出發(fā)生了火災(zāi)，系統(tǒng)就要對(duì)溫度和煙霧濃度數(shù)據(jù)實(shí)行接收，并且對(duì)接收到的相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)行相關(guān)的處理，同時(shí)系統(tǒng)報(bào)警。而且相關(guān)的火災(zāi)數(shù)據(jù)將在OLED屏上展現(xiàn)出來。圖5.2從機(jī)程序流程圖5.2.2、系統(tǒng)初始化當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后最先開始的工作就是初始化操作，然后再進(jìn)行其它相應(yīng)的操作。系統(tǒng)初始化程序的流程圖如圖5.3所示圖5.3系統(tǒng)初始化程序流程圖5.2.3、無線模塊經(jīng)過相關(guān)的分析和比較，本系統(tǒng)選擇NRF24L01無線模塊來實(shí)現(xiàn)通信。該無線模塊的基本特點(diǎn)如下：（1）全球開放ISM頻段（2.4Ｇ）通信，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)多路通道的數(shù)據(jù)接收。（2）短時(shí)間傳輸，因此極小概率會(huì)發(fā)生無線傳輸中的碰撞。（3）接入點(diǎn)的頻道多（4）工作電壓要求低（5）系統(tǒng)的功耗消耗少對(duì)于數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，主、從機(jī)都需要。然后接下來介紹的是在收發(fā)模式下，模塊的寄存器和相關(guān)功能說明，如圖5.4所示。圖5.4無線收發(fā)模式下寄存器及其功能說明模塊Tx模式配置的流程圖如下圖5.6所示：第一步給系統(tǒng)通電，然后再對(duì)傳輸模式標(biāo)志位進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，在完成相關(guān)步驟后再檢查是否有占用SPI總線，當(dāng)其被測(cè)到被占用時(shí)就需要等待500ms，延遲500ms后再次進(jìn)行檢測(cè)。若再次檢測(cè)過后，發(fā)現(xiàn)沒有被占用，便將TX數(shù)據(jù)堆棧地址和傳輸RX數(shù)據(jù)堆棧地址按照先后順序進(jìn)行傳輸，同時(shí)把數(shù)據(jù)寫入TXplayload，并設(shè)置成自動(dòng)應(yīng)答模式。再使能PiPe0，將模式設(shè)置為發(fā)射，并在此刻選擇RF通道，而且在同一時(shí)刻將發(fā)射功率等級(jí)設(shè)置完成，使能發(fā)射模塊，再最后才清零傳輸模式標(biāo)志位。圖5.6無線模塊ＴＸ模式初始化流程圖模塊Rx模式配置的流程圖如圖5.7所示圖5.7無線模塊RX模式初始化流程第一時(shí)間給系統(tǒng)通電后，讀取模式標(biāo)志位的設(shè)置就開始了，緊挨著就是檢查有沒有占用SPI總線，當(dāng)檢測(cè)到SPI總線被占用了，便等待500ms，延遲500ms后再進(jìn)行檢測(cè)SPI。直到測(cè)到?jīng)]有被占用，ＲX數(shù)據(jù)堆棧地址的傳輸就開始了，并將模式設(shè)成自動(dòng)應(yīng)答。然后，使能PIPE0，并在此刻選擇RF通道，然后將發(fā)射功率等級(jí)設(shè)置完成，使能發(fā)射模塊，再最后才清零傳輸模式標(biāo)志位。5.2.4、報(bào)警流程報(bào)警是煙霧傳感器和感溫傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)識(shí)別，若識(shí)別出數(shù)據(jù)異常，便報(bào)警并發(fā)送數(shù)據(jù)。這時(shí)候火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)就要報(bào)警（在模擬條件為L(zhǎng)ED燈不停閃爍且蜂鳴器開始動(dòng)作），在OLED屏上同時(shí)展現(xiàn)了火災(zāi)數(shù)據(jù)及相關(guān)信息。系統(tǒng)的處理流程如圖5.8所示：圖5.8系統(tǒng)報(bào)警流程6、系統(tǒng)測(cè)試6.1、測(cè)試條件當(dāng)系統(tǒng)全部的硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)都完工后，接下來的工作便是測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)，其中測(cè)試火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的硬件功能是主要檢測(cè)工作，通過測(cè)試查看其能否正常工作。除此之外，還需要對(duì)溫度探測(cè)器和煙霧探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，并還需要對(duì)無線通信模塊也進(jìn)行檢測(cè)。系統(tǒng)實(shí)物如圖6.1所示。測(cè)試的內(nèi)容包括測(cè)試系統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警從機(jī)模塊和主機(jī)模塊以及顯示屏是否能夠正常顯示數(shù)據(jù)，以及主機(jī)和從機(jī)能否通過NRF24L01無線傳輸給相互聯(lián)系起來。圖6.1系統(tǒng)實(shí)物6.2、測(cè)試過程硬件檢測(cè)就是用萬用表去查看各個(gè)器件的走線是否正常，確保排除短路或斷線情況。同時(shí)還需要檢查電源串口，防止出現(xiàn)供電問題。編寫實(shí)現(xiàn)硬件電路功能：復(fù)位、中斷定時(shí)器、OLED顯示、NRF無線通信等的代碼，保證硬件的各部分功能正常。6.3、檢測(cè)無線通信的可靠性檢查NRF24L01無線通信模塊能否擔(dān)任通信重任是首要任務(wù)，然后就是檢測(cè)煙霧傳感器和溫度傳感器對(duì)環(huán)境的敏感度。然后把從機(jī)放在不一樣的環(huán)境中進(jìn)行檢測(cè)，是為了保證檢測(cè)的科學(xué)性。如圖6.2和圖6.3分別為室內(nèi)的測(cè)試和室外的測(cè)試。圖6.2室內(nèi)測(cè)試結(jié)果在室內(nèi)測(cè)試情況下，顯示結(jié)果為溫度25°Ｃ，煙霧濃度為2，在室外測(cè)試的溫度結(jié)果是24°Ｃ，煙霧濃度是0。圖6.3室外測(cè)試結(jié)果表6.1所示為測(cè)試的相關(guān)火災(zāi)數(shù)據(jù)。經(jīng)過檢測(cè)表明，煙霧傳感器和溫度傳感器器可以正常工作，而且對(duì)相關(guān)信號(hào)足夠靈敏。經(jīng)過檢測(cè)，NRF24L01無線通信模塊的通信是正常，而且對(duì)于數(shù)據(jù)的收發(fā)也是穩(wěn)定及時(shí)。表6.1測(cè)試的火災(zāi)報(bào)警數(shù)據(jù)和狀態(tài)位置溫度值煙霧濃度報(bào)警狀態(tài)NO.125°C2正常NO.224°C0正常6.4、火災(zāi)環(huán)境下的測(cè)試為了模擬變壓器在火災(zāi)環(huán)境下，系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，但因?yàn)闂l件的限制便選用點(diǎn)燃的紙作為模擬火災(zāi)源。通過這種模擬變壓器內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)的方式，檢查實(shí)際火災(zāi)情況下系統(tǒng)能否可靠有效的運(yùn)行。圖6.4火災(zāi)的測(cè)試情況圖6.4是模擬火災(zāi)環(huán)境下的測(cè)試情形，在這種火災(zāi)情況下主機(jī)的OLED顯示屏上展現(xiàn)出了相關(guān)火災(zāi)數(shù)據(jù)，這個(gè)結(jié)果就是說明，變壓器內(nèi)部是發(fā)生火災(zāi)了，因此報(bào)警信號(hào)指示燈在主機(jī)和從機(jī)上不停閃爍，同時(shí)蜂鳴器動(dòng)作發(fā)出響聲。6.5、測(cè)試分析為了模擬的合理性，將火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)連續(xù)開啟4小時(shí)，在此期間報(bào)警系統(tǒng)一切運(yùn)行正常。無線傳輸模塊傳輸?shù)男畔⒁矊?shí)時(shí)有效，不存在錯(cuò)誤的傳輸情況。通過相關(guān)測(cè)試，表明主機(jī)對(duì)相關(guān)煙霧和溫度數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確接收，而且出現(xiàn)火情時(shí)也可以完成精