基于微控制器２０５１實(shí)現(xiàn)的探測(cè)器設(shè)計(jì)

摘要：本文探討一種智能型火災(zāi)探測(cè)器的設(shè)計(jì)過(guò)程。通過(guò)對(duì)火災(zāi)報(bào)警控制器配套的光電感煙火災(zāi)探測(cè)器的設(shè)計(jì)。探討利用AT89C2051微處理器芯片完成信息的探測(cè)、多地址信息的發(fā)送控制及分析、判斷、報(bào)警等功能。

關(guān)鍵詞：AT89C2051；火災(zāi)探測(cè)；報(bào)警

在現(xiàn)代智能樓宇控制系統(tǒng)中，為了避免火災(zāi)的發(fā)生及最大可能減少損失，使災(zāi)情報(bào)告快速而準(zhǔn)確，常采用火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)。本文將探討一種智能型火災(zāi)探測(cè)器的設(shè)計(jì)過(guò)程。

我們?cè)O(shè)計(jì)的是與火災(zāi)報(bào)警控制器配套的光電感煙火災(zāi)探測(cè)器。為了提高火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及快速性，要求光電感煙探測(cè)器本身具有微處理器的功能，要對(duì)探測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，并且探測(cè)器與控制器之間采用全數(shù)字通訊，這樣可以實(shí)現(xiàn)多回路（感煙探測(cè)器或輸入/出模塊）控制時(shí)，巡檢周期比較?。?～4s），控制器報(bào)警周期短，系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)周期為快等特點(diǎn)。

1探測(cè)器硬件設(shè)計(jì)

火災(zāi)探測(cè)器硬件的設(shè)計(jì)可分為微處理器選型、硬件電路設(shè)計(jì)和接口電路設(shè)計(jì)等三部分。

1.1微處理器選型。根據(jù)系統(tǒng)對(duì)光電感煙火災(zāi)探測(cè)器的實(shí)際需求，考慮到探測(cè)器要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的預(yù)處理，屬于智能型終端設(shè)備，所以從微處理器的性價(jià)比、功耗、開(kāi)發(fā)難易程度等方面綜合考慮，我們選用了AT89C2051單片機(jī)。AT89C2051是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS型的8位單片機(jī)，片內(nèi)含2k bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器（EPROM）和128 bytes的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性Flash存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容MCS-51指令系統(tǒng)，具有高速度、低電壓、低功耗、大電流LCD驅(qū)動(dòng)能力和低價(jià)位等特點(diǎn)，基本體現(xiàn)出了單片機(jī)產(chǎn)業(yè)的新趨勢(shì)。

1.2硬件電路設(shè)計(jì)?；馂?zāi)探測(cè)器的硬件電路主要由微處理器、存儲(chǔ)系統(tǒng)、發(fā)射電路、接收與放大電路、接口電路、穩(wěn)壓電路、信號(hào)傳輸電路及燈光顯示電路等組成，硬件電路原理如圖1所示。

系統(tǒng)利用微處理器的端口接收控制器發(fā)來(lái)的地址、命令、數(shù)據(jù)等信息，并將探測(cè)器的地址、報(bào)警閾值等信息存入存儲(chǔ)器中，對(duì)接收與放大電路的輸出電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

根據(jù)探測(cè)器收集與處理數(shù)據(jù)信息的需要，系統(tǒng)應(yīng)該具備一個(gè)單獨(dú)的存儲(chǔ)系統(tǒng)。在考慮系統(tǒng)的體積與硬件條件后，我們選擇了串行Flash存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)探測(cè)器的序列編號(hào)、地址編碼、報(bào)警閾值等信息。目前常用的串行Flash有兩線制和三線制兩種，我們選用了三線制產(chǎn)品SSF1101，該產(chǎn)品具有體積小、接口簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)保存可靠、可在線改寫(xiě)、功耗低等諸多特點(diǎn)，其與AT89C2051微處理器的連接方式也十分簡(jiǎn)單。我們使用單片機(jī)的三根口線（P1.0、P1.1、P1.2）分別與SSF1101的接口SI、SCK及SO端相連以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的三線串行通信，單片機(jī)的另一口線（P1.3）與CS相連用于控制對(duì)器件的訪問(wèn)。

1.3火災(zāi)感煙探測(cè)器與報(bào)警器間的電路連接。在火災(zāi)感煙探測(cè)器與火災(zāi)報(bào)警控制器之間采用電源線調(diào)制連接，即在直流24V電源上疊加7.5V脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)（包括地址與數(shù)據(jù)）經(jīng)耦合后送到微處理器進(jìn)行譯碼、接收。探測(cè)器利用微處理器的捕捉輸入口接收?qǐng)?bào)警控制器發(fā)來(lái)的地址、命令和數(shù)據(jù)信息，然后將探測(cè)器的地址、報(bào)警閥值等信息存入Flash中，并對(duì)接收放大電路輸出電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。為了保證在通信時(shí)使電源線上的電壓保持相恒定，我們采用高低電平交替發(fā)送信息的辦法，即通過(guò)高電平或低電平的不同寬度來(lái)表示不同的信息。為了減少脈沖個(gè)數(shù)，每個(gè)脈沖表示兩位二進(jìn)制碼，其編碼形式如表示。

火災(zāi)報(bào)警控制器在進(jìn)行巡檢時(shí)，最多發(fā)送16位數(shù)據(jù)、2 位校驗(yàn)位，其中前8位是地址或命令，后8位是數(shù)據(jù)。起始信號(hào)為5ms的低電平，校驗(yàn)脈沖同時(shí)也是停止脈沖。控制器還向火災(zāi)探測(cè)器等部件廣播信號(hào)，探測(cè)器根據(jù)不同的命令接收或返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)。當(dāng)探測(cè)器接收到與自身地址碼相同的尋址信號(hào)時(shí)，微處理器的控制信號(hào)返回電路以脈沖幅度固定的電流信號(hào)向報(bào)警控制器返回探測(cè)器的地址、檢測(cè)值、故障、火警狀態(tài)等信息，返回的數(shù)據(jù)共10位，其中8位數(shù)據(jù)、2位校驗(yàn)，探測(cè)器在報(bào)警控制器發(fā)送數(shù)據(jù)完成1ms后立即返回?cái)?shù)據(jù)，脈沖幅度為40mA。

2系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

2.1確定報(bào)警廣播通信協(xié)議。為使火災(zāi)報(bào)警控制器能快速響應(yīng)探測(cè)器的報(bào)警信息，我們?cè)O(shè)計(jì)了報(bào)警廣播通信協(xié)議。火災(zāi)報(bào)警控制器定時(shí)向整個(gè)回路發(fā)送廣播信息，探測(cè)器收到廣播信號(hào)時(shí)，如該探測(cè)器有報(bào)警信號(hào)需要發(fā)送，則開(kāi)始逐位發(fā)送自己的地址，此時(shí)可能有多個(gè)探測(cè)器有報(bào)警信號(hào)，例如兩個(gè)探測(cè)器的地址分別是1和2(以下稱(chēng)1#和2#探測(cè)器)，探測(cè)器首先發(fā)送自己的最低位，如圖2中的A點(diǎn)，若最低位是1則發(fā)送脈沖寬度是1.024ms，如為0則寬度為0.768ms。

當(dāng)兩個(gè)探測(cè)器同時(shí)發(fā)送時(shí)，返回的實(shí)際數(shù)據(jù)是1，控制器收到后，立刻通過(guò)總線把數(shù)據(jù)返回，如圖2中B點(diǎn)，當(dāng)2#收到該信號(hào)1時(shí)，與自己剛才發(fā)送的0相比較，發(fā)現(xiàn)不一致即退出通訊，1#則繼續(xù)通訊，發(fā)送自己后邊的所有地址位，直到發(fā)送完成?？刂破髟谕ㄓ嵧瓿珊螅呀?jīng)獲知1#探測(cè)器有新報(bào)警，則通過(guò)巡檢該地址的方式獲得該探測(cè)器的報(bào)警信息。

1#探測(cè)器在成功進(jìn)行一次報(bào)警廣播通訊后，不再進(jìn)行廣播通訊，除非有新報(bào)警信息產(chǎn)生(所有信息有新的變化)。當(dāng)控制器在下一個(gè)周期發(fā)送廣播通訊時(shí)，2#探測(cè)器繼續(xù)返回自己的信號(hào)，直到通訊完成。這樣控制器在兩個(gè)巡檢周期內(nèi)完成了兩個(gè)報(bào)警信息的查詢。

探測(cè)器發(fā)送的每個(gè)脈沖必須在收到脈沖0.5-1ms時(shí)返回，所有探測(cè)器必須保持一致。由于每次廣播通信的過(guò)程中低電平的脈沖寬度都小于5ms，因此其它探測(cè)器可以據(jù)此判斷通訊是否結(jié)束。

2.2報(bào)警判據(jù)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的光電感煙火災(zāi)探測(cè)器采用兩發(fā)一收的雙光路迷宮，微處理器實(shí)時(shí)計(jì)算與2個(gè)發(fā)射管構(gòu)成前向散射光路和后向散射光路的接收管，以響應(yīng)輸出值的比值。根據(jù)不同顏色、粒徑粒子的響應(yīng)輸出比值不同，對(duì)進(jìn)入探測(cè)室煙霧顆粒進(jìn)行分析、判斷，確認(rèn)煙霧顏色及水霧、灰塵等非火警因素，并根據(jù)煙霧顆粒的顏色調(diào)整探測(cè)器響應(yīng)閾值，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種顏色煙霧的均衡響應(yīng)。

前向散射、后向散射可各設(shè)一浮動(dòng)閾值，其中后向散射閾值小，當(dāng)檢測(cè)值變化量超過(guò)浮動(dòng)閾值進(jìn)行連續(xù)采樣判斷。當(dāng)前向散射、后向散射有一路出現(xiàn)故障時(shí)，另一路可獨(dú)立進(jìn)行火警判斷。因?yàn)楣鈱W(xué)探測(cè)室的內(nèi)壁不可能成為絕對(duì)黑體，發(fā)光元件發(fā)出的光經(jīng)過(guò)內(nèi)壁多次反射后，必然在探測(cè)空間內(nèi)形成一定照度的背景光，通過(guò)對(duì)背景光變化信號(hào)的分析，判斷發(fā)光元件的發(fā)光強(qiáng)度、接收元件的接收靈敏度、探測(cè)室的狀態(tài)等，使探測(cè)器實(shí)現(xiàn)自診斷。

2.3軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

為了使應(yīng)用程序有良好的可維護(hù)性，程序采用了模塊化設(shè)計(jì)，流程圖如圖所示。

主程序?qū)崿F(xiàn)的功能實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用程序的初始化設(shè)置，包括檢查探測(cè)器的地址、閾值、傳感器故障，判斷火警，寫(xiě)Flash等功能。中斷服務(wù)程序功能包括四個(gè)模塊，主要是完成對(duì)控制器發(fā)送信號(hào)的接收、向控制器返回信號(hào)、對(duì)接收信號(hào)及數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及進(jìn)行A/D采樣間隔、巡檢、閃燈間隔的計(jì)時(shí)等功能。

總結(jié)。本文采用AT89C2051微控制器設(shè)計(jì)的智能光電感煙火災(zāi)探測(cè)器，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，能較好地響應(yīng)黑煙、白煙等，靈敏度高、報(bào)警響應(yīng)速度快，具有較強(qiáng)的抗干擾和防誤報(bào)能力。相信通過(guò)進(jìn)一步的優(yōu)化以后，一定能夠產(chǎn)生較好的效益。