基于煙霧檢測火災(zāi)自動報警系統(tǒng)

摘要：討論了用MC14468離子型煙霧檢測報警器、單片機(jī)8051、nRF401單片射頻收發(fā)器構(gòu)成的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)。由于引入了無線通信技術(shù)和FSK（頻移鍵控）調(diào)制解調(diào)技術(shù)為核心的nRF401射頻收發(fā)器，使系統(tǒng)的性能大大提高，尤其是使系統(tǒng)報警更具實時性和可靠性。
關(guān)鍵詞：MC14468；8051；nRF401；FSK；火災(zāi)報警

一、前言

    現(xiàn)代建筑的特點是樓層不斷加高，這主要是從緩解城市用地緊張的角度出發(fā)的，同時還便于集中供電、供熱、供氣，便于集中控制和管理?，F(xiàn)在，不論是普通型（比如民用住宅）還是豪華型（比如高級賓館）的高層建筑，都日益重視防火和安全技術(shù)的普及應(yīng)用。因為其樓層多、人員密集，如果發(fā)生火災(zāi)，疏散困難，撲救也困難，勢必造成嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。為了保障高層建筑安全可靠，必須設(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)，其要求是：（1）當(dāng)有火情發(fā)生時，能以最快的速度檢測報警，并能檢測火情發(fā)生的具體地點（特定的地址編碼）；（2）經(jīng)查實確認(rèn)后，能及時的通報消防部門滅火；（3）系統(tǒng)本身應(yīng)有自身故障檢測的功能，如系統(tǒng)欠電壓報警和自檢功能等，保證自動報警系統(tǒng)功能完好；（4）較高的系統(tǒng)抗干擾能力，防止系統(tǒng)發(fā)生誤報警。

    目前，雖然已經(jīng)有多種火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，但大多還屬于脫機(jī)方式，最終要靠人來聯(lián)系消防部門，往往由于不能及時報警而造成重大損失。如果能夠以在線的方式直接工作，將很大程度上減輕財產(chǎn)損失和人員傷亡。我們正是著眼于這一問題，力圖從根本上解決脫機(jī)信號傳輸方式存在的問題，直接將信號通過無線傳輸技術(shù)發(fā)送給主控室或消防部門，達(dá)到第一時間救火、滅火的目的。

二、系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

    本系統(tǒng)由兩部分組成：檢測發(fā)射部分和接受控制部分，其結(jié)構(gòu)如圖1和圖 2所示。二者均采用單片機(jī)控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)。由于采用了nRF401單片射頻收發(fā)器，從而達(dá)到了無線傳輸?shù)哪康模苎杆俚陌l(fā)出報警信號，方便及時的控制火情。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，實現(xiàn)容易，可靠實用。系統(tǒng)由三大芯片互相配合構(gòu)成，檢測裝置采用了Motorola公司生產(chǎn)的具有聲光報警電路的MC14468芯片，能實現(xiàn)多點并行檢測，配合外圍電路可構(gòu)成多點煙霧報警系統(tǒng)，其應(yīng)用電路如圖3所示。 無線收發(fā)器采用美國Nordic公司最新推出的基于無線通信的 nRF401型單片射頻收發(fā)器，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(qiáng)，不需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，外圍電路簡單，使用方便，其應(yīng)用電路如圖4所示。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，無須辦理許可證。nRF401的引入是本系統(tǒng)的突出特點之一，它極大的提高了系統(tǒng)的實時性，這對安全系統(tǒng)是相當(dāng)重要的。單片機(jī)采用8051，它不但是MC14468與nRF401之間的橋梁，還起著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8051進(jìn)行特別的擴(kuò)展。  

三、發(fā)射部分

    MC系列芯片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1Hz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。

    MC14468的1腳（檢測輸出端）直接聯(lián)接單片機(jī)的INT0，當(dāng)檢測到煙霧時，其輸出的高電平通過INT0控制單片機(jī)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)的有意義編碼）給單片射頻收發(fā)器nRF401。在檢測到煙霧時，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(jī)產(chǎn)生90 ms的延時，更能提高系統(tǒng)的可靠性。每次T0記時開始時，要由軟件重新置初值，從而不會由于90 ms期間MC14468管腳1上的信號消失或變低而導(dǎo)致下次運行出錯。

    nRF401的串行口直接和單片機(jī)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)和壓控震蕩器進(jìn)行N倍頻后，中心頻率f0成為433.92 MHz或434.33 MHz（雙頻道），調(diào)制后，f=f0±△f=f0±15 kHz（該芯片調(diào)制度為±15 kHz），最后經(jīng)功率放大器放大后從PCB天線上發(fā)射出去。  

四、接收部分

    nRF401從PCB天線上接收到調(diào)頻信號時，單片機(jī)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（其作用是抵消本機(jī)發(fā)送器與接收器之間的高頻干擾）變成中頻，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(jī)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(jī)，經(jīng)處理后從P1口輸出到LED上顯示（火情來源地信息），同時驅(qū)動報警器報警。

    相比于檢測發(fā)射端電路，接收控制端電路更簡單。各管腳引線方法兩者基本相同，只是軟件實現(xiàn)稍有不同。它可直接采用多位LED顯示，不用擴(kuò)展任何接口。

五、系統(tǒng)軟件設(shè)計

    初始化主要是指對定時器工作方式寄存器、中斷允許寄存器、串口工作方式寄存器等的設(shè)定。當(dāng)檢測到有煙霧時，先由定時器T0定時90 ms，在此期間，如一直能檢測到煙霧，確認(rèn)有火情存在，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。INT0被設(shè)置為下降沿觸發(fā)，如果90 ms期間MC14468管腳1信號消失或變低，都會引起外部INT0中斷，計數(shù)器重新置初值。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)；如沒接收到，即檢測發(fā)射端沒接收到應(yīng)答信號，則重新發(fā)送，直到接收到為止。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。

    程序主要采用匯編語言，運用自上而下的設(shè)計思想，總體分為兩部分，如流程圖5所示。整個軟件系統(tǒng)有主程序和中斷程序、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，顯示模塊實現(xiàn)的功能是接收數(shù)據(jù)并送LED顯示，同時啟動報警，延時程序是為了nRF401的發(fā)射模式與接收模式之間相互切換時序的需要。

六、結(jié)論

    綜上所述，由MC14468、8051、nRF401三大芯片組成的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，具有功能強(qiáng)、靈活性高、可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)、實時性高等優(yōu)點，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、實用方便，符合安全系統(tǒng)的要求。

參考文獻(xiàn)：
[1]  沙占友 . 集成化智能傳感器原理與應(yīng)用[M] . 北京：電子工業(yè)出版社，2004.
[2]  余錫存，曹國華 . 單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M] . 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002