基于單片機的光纖煙霧濃度檢測系統(tǒng)

潘瑋煒，茍爽爽，王冬生，張曉榮，王桂梅

(河北工程大學(xué)，河北省智能工業(yè)裝備技術(shù)重點實驗室，河北邯鄲 056038)

0 引言

現(xiàn)有的煙霧濃度檢測報警器主要有離子式、光電式、激光式。其中離子式容易對環(huán)境造成污染且不易儲存，光電式易受環(huán)境光及黑煙影響，激光式煙霧濃度檢測價格高，不適合廣泛使用[1-3]。針對以上問題，結(jié)合光電式與激光式煙霧濃度檢測，設(shè)計了一種新型的基于單片機的光纖煙霧濃度檢測系統(tǒng)。采用光纖激光器作為光源，以硅光電池作為系統(tǒng)的光電探測器，成本低，結(jié)構(gòu)簡單，無污染，不受自然光及黑煙影響，可靠性與靈敏度高，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強，具有一定的工程實用價值。

1 硬件系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)檢測的內(nèi)容與方法

光電傳感裝置首先將煙霧濃度的變化轉(zhuǎn)換為光信號的變化，再通過光電探測器轉(zhuǎn)換成電信號，傳感裝置的原理框圖如圖1所示。本文選擇光纖激光器作為光電傳感器的光源，以彌補傳統(tǒng)光電式煙霧檢測器采用普通紅外光作為光源易受環(huán)境影響的不足[4-5]。

圖1 傳感裝置原理圖

由于硅光電池的短路電流與入射光強度具有很好的線性關(guān)系，且硅光電池成本低，但光電流比較微弱，而帶動的電流負(fù)載較強，故采用運放AD8606構(gòu)成電壓跟隨器來實現(xiàn)阻抗匹配，減小信號失真，以確保檢測系統(tǒng)的可靠性。單片機只能接收數(shù)字信號，而前級電路產(chǎn)生的信號為模擬信號，因此需要采用10位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器TLC1549CP作為系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量被單片機讀取后會與閾值進行比較，判斷是否需要報警，并由字符液晶屏LCD1602顯示當(dāng)前煙霧濃度值。在以單片機為主控芯片的報警系統(tǒng)中，有源蜂鳴器不需要外接驅(qū)動信號，更便于程序控制，而電磁式蜂鳴器體積較小，故采用電磁式有源蜂鳴器作為檢測系統(tǒng)的報警器[6-8]。系統(tǒng)硬件包括單片機最小系統(tǒng)電路、信號采集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、顯示及報警電路，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電路原理框圖

1.2 單片機最小系統(tǒng)電路

最小系統(tǒng)包括電源電路、復(fù)位電路、晶振電路以及串行通信電路[9-11]。

復(fù)位是對單片機進行初始化操作，STC89C52是高電平復(fù)位，令RST引腳保持2個機器周期時間的高電平即可讓單片機復(fù)位，復(fù)位方式有上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù)位2種。除系統(tǒng)崩潰或故障的情況外，基本不需要進行復(fù)位操作，選擇按鍵手動復(fù)位電路如圖3所示。STC89C52單片機內(nèi)部含有一個高增益反相放大器用于構(gòu)成振蕩器，引腳XTAL1(X1)和XTAL2(X2)分別是該放大器的輸入端和輸出端。為簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用內(nèi)部觸發(fā)方式，晶振電路如圖4所示。由于需要通過串口對程序進行下載，設(shè)置晶振頻率為11.059 2 MHz。

圖3 單片機復(fù)位電路

圖4 單片機晶振電路

STC89C52單片機串行通信包括RS232和RS485，整個過程僅需下載程序時完成一次點對點通信，且傳輸距離短，采用RS232串行通信。STC89C52串行口輸出TTL電平，而RS232的邏輯電平與TTL電平完全不同，需要接入MAX202CPE芯片進行電平轉(zhuǎn)換，串行通信電路如圖5所示。

圖5 單片機串口通信電路

1.3 信號處理電路

信號處理模塊包括以AD8606構(gòu)成的電壓跟隨器為核心的信號采集電路、以TLC1549CP及其參考電壓發(fā)生電路為核心的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，如圖6所示。AD8606電壓跟隨器電路是同向放大電路的極端情況，它的電壓增益為1，即輸出電壓與輸入電壓完全相等，可實現(xiàn)高阻信號源對低阻負(fù)載的驅(qū)動，且沒有電壓損失。另外可以避免信號的損耗，消除前后級電路之間的相互影響，起到隔離緩沖作用。輸出端并聯(lián)接入濾波電容C17和C18，C17電容值較大，用于濾除低頻信號，C18電容值較小，用于濾除高頻信號。

TLC1549CP模數(shù)轉(zhuǎn)換器的正常工作需要高精度參考電壓的輸入，由TCM828和AD1585ART提供。開關(guān)電容式電壓轉(zhuǎn)換器TCM828是一種以電容作為儲能元件的DC-DC轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%，通過內(nèi)置組合開關(guān)的配合，將能量儲存到電容器中，再以受控方式釋放，以獲得更穩(wěn)定的輸出電壓。AD1585ART是串聯(lián)式的帶隙基準(zhǔn)電壓源，其功耗低、成本低、壓差低且精度高，利用電阻壓降的正溫漂補償晶體管發(fā)射結(jié)正向壓降的負(fù)溫漂，實現(xiàn)了穩(wěn)定電壓輸出。

圖6 信號處理電路

1.4 顯示及報警電路

顯示及報警電路如圖7所示。K1為系統(tǒng)啟動按鈕。STC89C52單片機內(nèi)部沒有上拉電阻，所以在與LCD1602通過P0口相連時需要外接排阻以提供足夠大的電流才能夠驅(qū)動液晶屏進行顯示。V0端是LCD1602的對比度調(diào)整端，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，對比度過低會導(dǎo)致顯示不清甚至不能顯示，因此接1個10 kΩ的電位器W1，用于調(diào)節(jié)LCD1602的對比度。蜂鳴器作為報警裝置，通過1個PNP型三極管與單片機的P2.7引腳連接。利用三極管的開關(guān)特性對蜂鳴器起到控制作用，蜂鳴器低電平有效。當(dāng)I/O口輸出低電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器工作；當(dāng)I/O口輸出高電平時，三極管截止，蜂鳴器停止工作。

圖7 顯示及報警電路

2 系統(tǒng)軟件

由于系統(tǒng)需要采集模擬量，采用單片機編譯程序Keil進行軟件程序設(shè)計，包括主程序、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊與報警模塊。

2.1 主程序設(shè)計

主程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)上電后各部分元件的初始化，并調(diào)用各模塊的子程序以及控制信號采集的啟停，完成對整個煙霧檢測系統(tǒng)的智能報警控制并對當(dāng)前煙霧濃度進行顯示，主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

本程序通過信號采集結(jié)果計算當(dāng)前煙霧濃度，以硅光電池在無煙霧時的輸出電壓為基準(zhǔn)，計算當(dāng)前電壓V與無煙霧時的電壓V0的比值，即以輸出電壓的變化作為檢測結(jié)果。當(dāng)前煙霧濃度φ可按式(1)計算：

(1)

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊程序設(shè)計

圖9 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊流程圖

2.3 顯示及報警模塊程序設(shè)計

顯示及報警模塊流程圖如圖10所示。LCD1602是慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前需要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志位為低電平，否則指令失效。顯示字符時要先輸入顯示字符地址，然后再寫入需要顯示的數(shù)據(jù)或字符。采用的有源蜂鳴器只要接通直流電壓就可以發(fā)聲，只需STC89C52的P2.7引腳輸出低電平即可使蜂鳴器報警。

圖10 顯示及報警模塊流程圖

3 實驗驗證

基于MXY9001光電技術(shù)創(chuàng)新實驗平臺對設(shè)計的光纖煙霧檢測報警系統(tǒng)進行了可行性與可靠性的實驗驗證，搭建的實物電路如圖11所示。驗證實驗中提前設(shè)定的報警閾值為φ=20%，即煙霧濃度高于20%時蜂鳴器報警。接通電源，調(diào)節(jié)LCD1602的對比度，直至能清晰顯示字符為止，打開光纖激光器的光源開關(guān)按下啟動按鈕K1，可以看到此時煙霧濃度為0。

圖11 系統(tǒng)實物電路圖

出于實驗室用火安全考慮，采用模擬煙霧實驗。用透明度不同的紙片對光源進行遮擋，模擬實際情況下不同煙霧對光源的遮擋，如圖12所示。

(a)不透明紙片模擬結(jié)果

(b)半透明紙片模擬結(jié)果圖12 不同透明度紙片模擬結(jié)果

采用不透明紙片模擬煙霧時，LCD1602顯示當(dāng)前煙霧濃度為100.1%，同時蜂鳴器報警；采用半透明紙片模擬煙霧時，LCD1602顯示當(dāng)前煙霧濃度為30.2%，同時蜂鳴器報警。實驗結(jié)果表明系統(tǒng)對模擬煙霧響應(yīng)速度基本滿足報警要求，且煙霧濃度越高，響應(yīng)速度越快。

采用不同顏色的紙片對比系統(tǒng)對深色和淺色煙霧的響應(yīng)速度，以檢驗煙霧濃度檢測系統(tǒng)對于各種煙霧是否均能很好的響應(yīng)，如圖13所示。采用黑色半透明紙片模擬煙霧時，LCD1602顯示當(dāng)前煙霧濃度為36.6%，同時蜂鳴器報警；采用白色半透明紙片模擬煙霧時，LCD1602顯示當(dāng)前煙霧濃度為30.2%，同時蜂鳴器報警。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)對模擬煙霧的效應(yīng)效果并未受到顏色影響，克服了傳統(tǒng)光電式煙霧濃度檢測對黑煙效果差的缺點。

(a)黑色紙片模擬結(jié)果

(b)白色紙片模擬結(jié)果圖13 不同顏色紙片模擬結(jié)果

為了研究外部工作條件對系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的影響，模擬了系統(tǒng)在強光及高噪聲環(huán)境下的工作情況，如圖14所示。利用多個手機手電筒打光，模擬系統(tǒng)在強光條件下工作，用白色半透明紙片模擬煙霧，LCD1602顯示當(dāng)前煙霧濃度為39.2%，同時蜂鳴器報警；模擬系統(tǒng)在76 dB噪聲環(huán)境下工作，用白色半透明紙片模擬煙霧，LCD1602顯示當(dāng)前煙霧濃度為34.1%。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性與可靠性受到外部光源及噪聲的影響較小。

(a)強光條件模擬結(jié)果

(b)噪聲環(huán)境模擬結(jié)果圖14 強光及噪聲環(huán)境模擬結(jié)果

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的基于單片機的光纖煙霧濃度檢測系統(tǒng)通過采用光纖激光器作為光源，以硅光電池作為系統(tǒng)的光電探測器，使系統(tǒng)的成本顯著降低，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，無污染，解決了傳統(tǒng)煙霧濃度檢測器受自然光源影響大、對火災(zāi)黑煙響應(yīng)效果不佳的問題。實驗證明：煙霧濃度檢測系統(tǒng)具有較高的可靠性與靈敏度，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強，具有一定的工程實用價值。