煙霧檢測的火災(zāi)自動探測報警系統(tǒng)設(shè)計

摘要：設(shè)計了一種由離子型煙霧檢測報警器MC14468、AT89C51單片機、單片射頻收發(fā)器nRF401構(gòu)成的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為檢測發(fā)送部分和接收控制部分，采用單片機的多機通信模式和串行傳輸方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。由于引入了無線通信技術(shù)為核心的nRF401和MC14468，系統(tǒng)的性能大大提高，且具有較高的可靠性。
關(guān)鍵詞：煙霧檢測；MC14468；AT89C51；nRF401；火災(zāi)報警

1 概述
    火災(zāi)作為危害人類生存的大敵，越來越受到人們的重視。而設(shè)計出具有可靠性高、實時性好的火災(zāi)自動報警與消防系統(tǒng)是科技化社會發(fā)展的需要，也是保障人們正常生活的需要。從發(fā)展過程來看，火災(zāi)自動報警技術(shù)大體可分為3類：多線型火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、總線型火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、智能型無線火災(zāi)自動報警系統(tǒng)。目前，智能型無線火災(zāi)自動報警系統(tǒng)是主要的研究方向。本文設(shè)計的基于煙霧檢測的火災(zāi)自動探測報警系統(tǒng)采用比較先進(jìn)的數(shù)字檢測傳感器和無線收發(fā)器件，具有智能化、可靠性強、擴展性強等特點，可以投入實際的生產(chǎn)。
    系統(tǒng)檢測部分采用離子型煙霧檢測報警器MC14468，而主從機采用無線通信芯片nRF401。此種方案能夠很好地檢測到煙霧，無需專用的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，也無需使用通信協(xié)議；容易擴展，可以實現(xiàn)火災(zāi)的多地點與多點檢測、報警的功能；在硬件電路和軟件設(shè)計上也十分簡單，只需要幾塊簡單的芯片即可，大大節(jié)約了成本。此外，系統(tǒng)本身具有自身故障檢測的功能和較高的抗干擾能力，可防止系統(tǒng)發(fā)生誤報警。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計
    系統(tǒng)采用了主從式通信方式，即一個主機、多個從機，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。此系統(tǒng)的特點就是可以無限地擴展從機，只需在軟件上稍作修改即可，這就在很大程度上滿足了高樓大廈消防的需要。本系統(tǒng)可以分為多個子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上基本相似，下面就子系統(tǒng)的構(gòu)成作具體說明。

    子系統(tǒng)由兩部分組成：檢測發(fā)射部分和接收控制部分。二者均采用單片機控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)。檢測發(fā)射端和接收控制端選用了目前市場上已經(jīng)成熟的高性能芯片，其外圍電路結(jié)構(gòu)簡單、可靠實用。系統(tǒng)檢測裝置采用了Motorola公司生產(chǎn)的具有聲光報警電路的MC 14468芯片，能實現(xiàn)多點并行檢測，配合簡單的外圍電路可構(gòu)成多點煙霧報警系統(tǒng)。無線收發(fā)器采用基于無線通信的nRF401型單片射頻收發(fā)器，從而達(dá)到了無線傳輸?shù)哪康?，能迅速地發(fā)出報警信號，方便及時地控制火情。它采用了無線通信和FSK(頻移鍵控)調(diào)制解調(diào)技術(shù)，工作頻率穩(wěn)定且抗干擾能力強，不需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，外圍電路簡單，使用方便。由于采用低發(fā)射功率和高接收靈敏度的設(shè)計方案，因此不受無線電管理條例的限制，無需辦理許可證。單片機采用AT89C51，它不但是MC14468與nRF401之間的橋梁，還起到控制各芯片時鐘周期相互配合的作用，這也是相當(dāng)重要的一環(huán)。由于本系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡單，軟件容易實現(xiàn)，因此不需要對AT89C51進(jìn)行特別的擴展。
    檢測發(fā)射部分的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。此部分的功能主要是完成煙霧的智能檢測報警和信號的無線發(fā)射。MC14468為離子型煙霧檢測報警芯片，是目前市場上很流行的集火災(zāi)檢測與報警于一體的智能傳感器。當(dāng)檢測到煙霧顆粒時，它能驅(qū)動其外圍連接的壓電陶瓷蜂鳴器或壓電式揚聲器發(fā)出報警聲，與此同時，還驅(qū)動發(fā)光二極管(LED)以1 Hz的頻率閃爍發(fā)光，利用聲光報警達(dá)到煙霧報警的最佳效果。

    接收控制部分的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。此部分主要實現(xiàn)信號的接收和報警功能。nRF401從PCB天線上接收到調(diào)頻信號時，單片機置TXEN端為低電平，功率放大器被關(guān)斷從而進(jìn)入接收狀態(tài)。調(diào)頻信號依次經(jīng)低噪聲放大器放大，經(jīng)混頻器變成中頻(其作用是抵消本機發(fā)送器與接收器之間的高頻干擾)，再經(jīng)帶通濾波器濾波和調(diào)制器解調(diào)后，成為數(shù)據(jù)輸出。這時單片機切換到發(fā)射模式，回送握手信號，nRF401把得到的數(shù)據(jù)輸送給單片機，經(jīng)處理后利用P0(段碼)和P1(位碼)口采用動態(tài)顯示輸出到兩位數(shù)碼管上顯示(火情來源地信息：房間編號)，同時驅(qū)動報警器報警。相比檢測發(fā)射端電路，接收控制端電路更簡單。各引腳接線方式兩者基本相同，只是軟件實現(xiàn)稍有不同。接收控制端電路可直接采用多位LED顯示，不用擴展任何接口。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    整個系統(tǒng)可以分為兩個模塊：檢測發(fā)射模塊和接收控制模塊。檢測發(fā)射模塊又可分為檢測部分(包括聲光報警及啟動滅火裝置)、單片機控制部分以及射頻發(fā)射部分；而接收控制模塊又可以分為接收部分、單片機處理部分、聲光報警部分和顯示部分。
3．1 單片機外圍電路
    本系統(tǒng)中，單片機的主要功能是進(jìn)行外部器件的控制與報警，在數(shù)據(jù)處理方面主要是以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的串行傳輸。在整個系統(tǒng)中它是控制核心，在檢測發(fā)射端和接收控制端都必須用到。本系統(tǒng)選用一種帶4 KB閃爍可編程可擦除，高性能CMOS八位微處理器AT89C51作為控制器件。檢測發(fā)射端單片機控制部分硬件電路包括看門狗復(fù)位電路、晶振電路，以及手動報警按鈕等附屬單片機電路。P1．0口連接了手動報警按鈕，只要有人提前發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，不用等待系統(tǒng)自動報警，可以直接按下此報警按鈕進(jìn)行報警。單片機的其他接口連接發(fā)射芯片nRF401部分的電路。單片機在此電路中的作用主要是完成一些數(shù)據(jù)的接收，通過外部中斷1(INT1)檢測系統(tǒng)是否發(fā)生火災(zāi)，并且隨時接收外部直接報警按鈕的輸入信號，一旦有火災(zāi)發(fā)生(即外部中斷1有中斷)和P1．0口為低電平，則通過串口傳送到接收端。在接收控制端也用單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和報警，電路的結(jié)構(gòu)基本相似，包括看門狗復(fù)位電路、晶振電路，以及2位數(shù)碼管顯示部分和報警模塊。其功能主要是完成數(shù)據(jù)的接收、報警和顯示。
3．2 檢測報警電路
    由MC14468構(gòu)成的煙霧檢測報警電路如圖4所示。MC14468的1腳(檢測輸出端)直接連接單片機的中斷口。當(dāng)檢測到煙霧時，其輸出的高電平通過中斷控制單片機內(nèi)部定時器T0工作，定時90 ms，T0溢出中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)(房間號或之前對該系統(tǒng)設(shè)置的有意義編碼)給單片射頻收發(fā)器nRF401。

    MC14468自身的100 mV的滯后電壓會防止其他外界因素(如飛蟲)造成的誤報警，輔以單片機產(chǎn)生90 ms的延時，更能提高系統(tǒng)的可靠性。  nRF401的串行口直接和單片機的串行口連接(DIN接TXD，DOUT接RXD)，TXEN端的高／低電平由軟件設(shè)置，可實現(xiàn)nRF401發(fā)射模式與接收模式之間的相互切換。當(dāng)需要發(fā)射數(shù)據(jù)時，由晶振電路產(chǎn)生的4 MHz頻率作為其內(nèi)部鎖相環(huán)的基準(zhǔn)頻率，經(jīng)鎖相環(huán)和壓控振蕩器進(jìn)行N倍頻后，最后經(jīng)功率放大器放大后從PCB天線上發(fā)射出去。該裝置采用9 V疊層電池供電，其中Rt和Ct分別為振蕩電阻和振蕩電容。LED采用高亮度發(fā)光二極管，R1為限流電阻。T2為壓電陶瓷蜂鳴器(或壓電揚聲器)。T1為離子源，采用镅241，其放射性強度低至0．8μCi(即0．8微居里)，不會對人體造成傷害，也不會污染環(huán)境。R4和R5為分壓電阻。在此系統(tǒng)中MC14468的第2腳(I／O)接有繼電器，這是為自動啟動滅火裝置而設(shè)計的。只要煙霧傳感器檢測到煙霧，不但可以給單片機提供中斷信號，而且能夠自動通過繼電器啟動滅火的設(shè)備(此滅火設(shè)備可以是水龍頭開關(guān)等，具體視實際情況而定)。
3．3 射頻收發(fā)電路
    單片機AT89C51是無線模塊的核心，而nRF401用于數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。nRF401的典型應(yīng)用連接圖如圖5所示，可直接用于單片機或計算機串口異步傳輸。從圖中可以看到，外圍元件很少，包括一只基準(zhǔn)晶振及幾只無源器件，沒有調(diào)試部件，天線用微帶天線直接設(shè)計在線路板上，這給研制及生產(chǎn)帶來了極大的方便。在此設(shè)計中，必須首先對單片機的串口數(shù)據(jù)傳輸速率進(jìn)行設(shè)置，并應(yīng)該確保發(fā)送端和接收端的數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)定為完全一致。在數(shù)據(jù)發(fā)送時，只需要將待發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)寫入到單片機的SBUF寄存器單元；數(shù)據(jù)的接收由串口中斷服務(wù)程序完成，單片機只需在串口接收中斷服務(wù)程序中，將SBUF的內(nèi)容讀入所設(shè)置的接收緩沖區(qū)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    單片機控制部分和數(shù)據(jù)傳輸部分采用串行傳輸，根據(jù)系統(tǒng)特點采用串行通信半雙工制式的同步通信方式。此系統(tǒng)中采用的都是數(shù)字元件，可以直接提供電平信號，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時也是通過無線收發(fā)元件完成，因此無需用到通信協(xié)議。本系統(tǒng)中，AT89C51串行口工作于方式1，即每幀10位的異步通信格式：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位(低位在前)，1位停止位。根據(jù)nRF401的傳輸特點，選擇波特率1．2 kb／s，根據(jù)相應(yīng)的關(guān)系設(shè)定定時器的初值和工作方式。
4．1 整體構(gòu)思
    軟件部分主要是設(shè)計單片機的串行傳輸。當(dāng)接收控制端接收到收據(jù)時，回送握手信號，以示發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)；同時控制壓電陶瓷蜂鳴器報警，并控制LED顯示數(shù)據(jù)。若沒接收到，即檢測發(fā)射端沒接收到應(yīng)答信號，則重新發(fā)送，直至接收到為止。TXEN端的高／低電平由軟件設(shè)置，可實現(xiàn)nRF401發(fā)射模式與接收模式之間的相互切換。
    程序設(shè)計運用自上而下的思想，整個軟件系統(tǒng)包括主程序、中斷程序、顯示程序、延時程序等子程序。主程序主要是對系統(tǒng)的初始化以及檢測處理；中斷程序主要是發(fā)送數(shù)據(jù)并通過nRF401發(fā)射出去；顯示程序的功能是接收數(shù)據(jù)并送LED顯示，同時啟動報警；延時程序為了滿足nRF401的發(fā)射模式與接收模式之間相互切換時序的需要。
4．2 主程序
    主程序主要完成對單片機串口、定時器、寄存器等的初始化。當(dāng)檢測到有煙霧時，先由定時器T0定時90 ms。在此期間，若一直能檢測到煙霧，確認(rèn)有火情存在，則T0溢出中斷，開始發(fā)送數(shù)據(jù)(可以是火情地址編碼)，經(jīng)由nRF401的PCB天線發(fā)射出去。INT1被設(shè)置為邊沿觸發(fā)方式，如果90 ms期間MC14468引腳1的信號消失或變低，都會引起外部INT1中斷，計數(shù)器重新置初值。主程序流程如圖6所示。

4．3 檢測發(fā)射端中斷子程序
    檢測發(fā)射端中斷子程序的主要功能是時刻檢查室內(nèi)的煙霧濃度，一旦達(dá)到設(shè)定的靈敏度，就申請單片機外部INT1中斷。中斷程序中主要是完成數(shù)據(jù)的傳輸，通過與主機的兩次握手來判定數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`，這在很大程度上保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?，提高了系統(tǒng)的可靠性。程序運行時，首先檢測是否有手動報警和來自MC14468元件的報警信號。如果有報警信號，則馬上啟動T0定時器定時90 ms；定時完畢后再檢測是否還有火災(zāi)信號，如果有則改變nRF401的模式，開始發(fā)送數(shù)據(jù)。首先發(fā)送請求信號，然后等待接收端的握手信號，一旦握手信號正確，則開始發(fā)送數(shù)據(jù)(發(fā)送的數(shù)據(jù)是預(yù)先設(shè)置韻2位數(shù)房間編碼)。發(fā)送完畢后等待第二次握手信號，來判斷數(shù)據(jù)是否正確接收。如果接收完畢則中斷返回，繼續(xù)重復(fù)上面的檢測工作。此中斷程序的流程如圖7所示。

4．4 接收控制端中斷子程序
    接收控制端中斷子程序主要是完成各個火災(zāi)檢測地點火災(zāi)信息的接收，它時刻工作在串行口中斷方式，接收各個從機的火災(zāi)信息。在接收數(shù)據(jù)時，保持和火災(zāi)發(fā)生地從機兩次握手，并接收數(shù)據(jù)，刷新顯示，同時啟動報警電路，顯示有火災(zāi)發(fā)生。接收控制端中斷子程序的實現(xiàn)方式和檢測發(fā)射端相似，其流程如圖8所示。

結(jié)語
    本文設(shè)計的基于煙霧檢測的火災(zāi)自動探測報警系統(tǒng)，是現(xiàn)代智能控制理論和無線傳播技術(shù)在消防自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用，也是對目前消防自動化系統(tǒng)的一種智能化改進(jìn)和完善。此系統(tǒng)設(shè)計簡單，且具有高效率和高可靠性。本系統(tǒng)檢測部分可以擴展得更為豐富，還可增加其他類型傳感器，比如有毒氣體檢測傳感器、感光型傳感器，甚至還可加上紅外線傳感器來增加防盜功能等。智能化是整個火災(zāi)報警系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，火災(zāi)自動報警系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合將更加緊密，遠(yuǎn)程監(jiān)控、控制會逐步受到人們的重視，火災(zāi)報警技術(shù)將得到進(jìn)一步的發(fā)展。