光電型煙霧探測(cè)器的設(shè)計(jì)報(bào)告

1、HEFEI UNIVERSHY OF TECHNOLOGY電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院微波光電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告課題名稱： 光電型煙霧探測(cè)器的設(shè)計(jì)姓 名：陶輝 20114712專業(yè)班級(jí)： 電子科11-1班指導(dǎo)老師：±興小組成員：陶輝鐘小康袁傳翰國(guó)建凌峰日 期： 2013-2014 學(xué)年第3學(xué)期第1-2周火災(zāi)探測(cè)報(bào)警技術(shù)發(fā)展概況近十幾年來(lái)， 世界各國(guó)都對(duì)火災(zāi)的預(yù)防、 報(bào)警和控制進(jìn)行了大量的研究， 使火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)產(chǎn)品更新?lián)Q代速度非?？?。 探測(cè)器的性能和系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制日趨完善，可靠性越來(lái)越高。模糊控制、小波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)的理論方法越來(lái)越多地用于火災(zāi)的判定。 感煙式火災(zāi)探測(cè)器是目前世界上應(yīng)用

2、較普遍的一類(lèi)火災(zāi)探測(cè)器， 而光電感煙探測(cè)器是利用起火時(shí)產(chǎn)生的煙霧能夠改變光的傳播特性這一基本性質(zhì)而研制的。世界上火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)報(bào)警技術(shù)己經(jīng)有100多年的歷史。1890年英國(guó)人研制成功了感溫式火災(zāi)探測(cè)器， 開(kāi)創(chuàng)了歷史上火災(zāi)探測(cè)技術(shù)的先例。從19世紀(jì)40年代到20世紀(jì)40年代，感溫探測(cè)器一直占據(jù)主導(dǎo)地位， 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)處于初級(jí)發(fā)展階段。 這一時(shí)期探測(cè)器的主要類(lèi)型有： 定溫探測(cè)器、 差溫探測(cè)器和差定溫組合式探測(cè)器。 探測(cè)技術(shù)主要是根據(jù)感溫探測(cè)器的采集的溫度信號(hào)， 判定它是否超過(guò)某一閾值。 但是由于感溫探測(cè)器的靈敏度較低， 探測(cè)火災(zāi)的速度比較慢， 尤其對(duì)陰燃火災(zāi)往往不響應(yīng)，因此，它無(wú)法較好地實(shí)現(xiàn)火災(zāi)

3、早期報(bào)警的要求。自 20世紀(jì)40年代瑞士西伯樂(lè)斯公司研制出第一只離子感煙探測(cè)器，并組建了世界上第一家生產(chǎn)火災(zāi)報(bào)警設(shè)備廠， 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警技術(shù)開(kāi)始了真正有意義的推廣和發(fā)展。到 20世紀(jì)70年代，離子型感煙火災(zāi)探測(cè)器將感溫火災(zāi)探測(cè)器排擠到次要地位，火災(zāi)信號(hào)傳輸為多線制，包括 N+餞或更多線?；饎?shì)蔓延往往始于煙霧，感煙探測(cè)技術(shù)使人類(lèi)在實(shí)現(xiàn)火災(zāi)早期報(bào)警向前邁進(jìn)了一大步。20世紀(jì)70年代末，由于離子感煙探測(cè)器的放射性問(wèn)題以及抗干擾能力及穩(wěn)定性差、誤報(bào)率高的問(wèn)題，一種更新的光電式感煙探測(cè)器得到了大力研制和發(fā)展，并逐漸打破離子式感煙探測(cè)器的壟斷局面。 通常， 離子式感煙探測(cè)器更適合偵測(cè)焰火， 而光電式對(duì)緩慢的

4、陰燃火比較敏感。 這一時(shí)期的火災(zāi)探測(cè)技術(shù)主要是根據(jù)感煙探測(cè)器采集的煙霧信號(hào)， 判定是否超過(guò)某一閾值。 隨后， 火災(zāi)探測(cè)報(bào)警技術(shù)逐漸進(jìn)入智能化時(shí)代。目前感煙式火災(zāi)探測(cè)器有離子感煙式、 光電感煙式、 激光感煙式等幾種型式。獨(dú)立式光電感煙火災(zāi)探測(cè)報(bào)警器是目前世界上應(yīng)用較普遍的一類(lèi)獨(dú)立工作的火災(zāi)探測(cè)報(bào)警器， 它不但可以在火災(zāi)初期發(fā)現(xiàn)火災(zāi)， 同時(shí)解決了離子火災(zāi)探測(cè)器放射源輻射，解決了污染問(wèn)題。到目前為止， 火災(zāi)探測(cè)報(bào)警技術(shù)已發(fā)展成為一門(mén)多學(xué)科、 多專業(yè)的綜合應(yīng)用科學(xué)，在建筑、工業(yè)、國(guó)防和科學(xué)技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，它已成為人類(lèi)同火災(zāi)作斗爭(zhēng)的重要手段， 在預(yù)防火災(zāi)、 保護(hù)國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)安

5、全方面發(fā)揮了巨大的作用。二、煙霧報(bào)警器的原理和工作結(jié)構(gòu)光電型煙霧探測(cè)器主要由光學(xué)探測(cè)室及相關(guān)電路組成，由紅外發(fā)光元件、紅外光接收元件、光學(xué)探測(cè)暗室組成。光電感煙機(jī)理如下：煙粒子和光相互作用時(shí)， 粒子以同樣波長(zhǎng)再輻射己經(jīng)接收的能量， 再輻射可以在所有的方向上發(fā)生，但通 常在不同方向上其強(qiáng)度不同，這個(gè)過(guò)程稱為散射。光學(xué)探測(cè)室Z形遮光部件及其 它構(gòu)件組合成探測(cè)室的光學(xué)暗室腔，最大限度的減弱環(huán)境光線的影響。同時(shí)它也 形成煙顆粒迷宮，一方面煙顆粒容易流入，另一方面煙進(jìn)入后相對(duì)不易流出， 以 減少外界氣流的影響。光電型煙霧探測(cè)電路模塊是通過(guò)一對(duì)紅外線發(fā)射和接收二極管實(shí)現(xiàn)的，具電路原理如圖所示。紅外發(fā)光二極

6、管工作在930nm波段，由微處理器I/O引腳驅(qū)動(dòng)， 也可以由專用振蕩電路提供脈沖，控制紅外發(fā)射二極管發(fā)出脈沖光，紅外光在無(wú) 煙顆粒存在的情況下，由于遮光板的阻光作用，光線不能射入接收元件，接收元 件接近無(wú)信號(hào)輸出（實(shí)際當(dāng)中由于不能完全避免的雜散光的存在， 接收元件有微 弱信號(hào)輸出）?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，有煙顆粒進(jìn)入光學(xué)探測(cè)室，紅外光經(jīng)煙顆粒散射并 到達(dá)接收二極管，產(chǎn)生電流信號(hào)，信號(hào)通過(guò)經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大，光電信號(hào)被放大數(shù)十 倍，使得探測(cè)電路的靈敏度很高。光敏二極管接收到散射光信號(hào)隨煙霧濃度增加 而加大，經(jīng)過(guò)微處理器嵌的ADC做模數(shù)轉(zhuǎn)換后作為煙霧傳感數(shù)據(jù)。報(bào)警器采用延時(shí)的工作方式，煙霧檢測(cè)報(bào)警器以 AT89C

7、51單片機(jī)為控制核 心，發(fā)光二極管與光敏二極管構(gòu)成煙霧傳感器， ADC0808a彳T A/D轉(zhuǎn)換，配合外 圍電路構(gòu)成煙霧報(bào)警系統(tǒng)。報(bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2-1。LED狀態(tài)指示燈煙霧傳感器圖2-1可燃煙霧報(bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖該系統(tǒng)的工作由煙霧信號(hào)采集及放大電路將采集到的煙霧濃度信息轉(zhuǎn)化為放 大的模擬電信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路再將該模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào) 后送入單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，并對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。當(dāng) 輸入A/D轉(zhuǎn)換器的放大信號(hào)不為零時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警電路。反之則為正常工作狀態(tài)。三、AT89C51的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路(1)時(shí)鐘電路：AT89C51片機(jī)芯片部設(shè)有一個(gè)由反向放大器

8、構(gòu)成的振蕩器，XTAL1和XTAL2 分別為振蕩電路的輸入端和輸出端，時(shí)鐘可由部或外部生成，在XTAL1和XTAL2引腳上外接晶體振蕩器Y,部振蕩電路就會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。系統(tǒng)采用的定時(shí)元件 為石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶振頻率選擇12MHZC1、C2的電容值 取30pF,電容的大小起頻率微調(diào)的作用。時(shí)鐘電路如圖3-3。C1C5口 XRYstal30p圖3-1 時(shí)鐘電路(2)復(fù)位電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)有多種復(fù)位電路，本系統(tǒng)采用自動(dòng)復(fù)位(上電復(fù)位)與手動(dòng)復(fù)位方式， 電路如下圖。當(dāng)上電時(shí)，C3充電，電源經(jīng)過(guò)電容器 C3加到RESEE唧，使單 片機(jī)復(fù)位；在正常工作時(shí)，按下復(fù)位鍵時(shí)單片機(jī)復(fù)位。 R8oO11

9、0IR7 ' I ，10C3IP22u圖3-2復(fù)位電路圖3.1 信號(hào)采集及前置放大電路在許多檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合，傳感器輸出的信號(hào)比較弱，而且其中還包括了 工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對(duì)這種信號(hào)的放大就需要放大電路具有很好 的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗。只有傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)前 置放大電路對(duì)其進(jìn)行的放大、濾波、電平調(diào)整，才能滿足單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的要圖3-3 LM324四運(yùn)放引腳圖和結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)中采用LM324作為電路的運(yùn)算放大器。LM324是價(jià)格便宜的帶差動(dòng)輸入 功能的高增益四運(yùn)算放大器。LM324的靜態(tài)功耗小、價(jià)格低廉，可在較寬電壓圍 的單電源或雙電源下工作，其電源電

10、流很小且與電源電壓無(wú)關(guān)，四個(gè)運(yùn)放一致性 好；其輸入偏流電阻是溫度補(bǔ)償?shù)?，也不需外接頻率補(bǔ)償，可做到輸出電平與數(shù) 字電路兼容。紅外發(fā)光二極管工作在 930nm波段，由微處理器I/O引腳產(chǎn)生的方波驅(qū)動(dòng)， 紅外光在無(wú) 煙顆粒存在的情況下，由于遮光板的阻光作用，光線不能射入接收元件，接收元件接近無(wú)信 號(hào)輸出（實(shí)際當(dāng)中由于不能完全避免的雜散光的存在，接收元件有微弱信號(hào)輸出）?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，有煙顆粒進(jìn)入光學(xué)探測(cè)室，紅外光經(jīng)煙顆粒散射并到達(dá)接收二極管，產(chǎn)生電流信號(hào)， 信號(hào)通過(guò)經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大（在兩級(jí)放大之間放置了有濾波效果的電路即電阻R16與電容C10并聯(lián)電路），光電信號(hào)被放大數(shù)十倍，使得探測(cè)電路的靈敏度很高。圖

11、3-4信號(hào)采集及前置放大電路圖3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路ADC080犯一種逐次逼近式8路模擬輸入、8位數(shù)字量輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。ADC0808勺轉(zhuǎn)換速度較快，完成一次的轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100仙s左右，可對(duì)0-5V的模 擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。多路開(kāi)關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這是一種經(jīng)濟(jì)的多路數(shù)據(jù)采集方法。如圖3-6所示， ADC0808勺主要弓I腳功能如下。(1)IN0IN7是8路模擬信號(hào)輸入端。DO- D7是8位數(shù)字量輸出端。(2)A,B,C分別是ALE控制8路模擬通道切換，A,B,C分別與三根地址線或數(shù) 字線相連，三者編碼對(duì)應(yīng) 8個(gè)通道地址口。C,B,A=

12、000111分別對(duì)應(yīng)IN0IN7 通道地址。(3)OE,START,CLK,EO控制信號(hào)端，OE為輸出允許端，STAR功啟動(dòng)信號(hào) 端，CLOCK；時(shí)鐘信號(hào)輸入端，EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)端。(4)Vref(+)和Vref(-)為參考電壓輸入端。ADC080強(qiáng)然有8路模擬通道可以同時(shí)輸入8路模擬信號(hào)，但每個(gè)瞬間只能 轉(zhuǎn)換一路，各路之間的切換由軟件變換通道地址實(shí)現(xiàn)。地址鎖存與譯碼電路完成對(duì)A、B、C 3個(gè)地址位進(jìn)行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉(zhuǎn)換結(jié) 果通過(guò)三態(tài)輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。地一 叫T 叫一START-EOC*-4-0E 一CLOCK-*Vtt - %出

13、一 GND LADCr像喟X：M了* -INt 一 IN：一風(fēng)- ADD, 卜砥* ! .4DD（* ALE一口郎|一 4一 q一旦一 DiLSB）TH一與5c(月/1K;筆如圾, 叫， 如%ALTCLOCK盯睢T5相R） 0.出切*圖3-5 ADC0808引腳圖和部邏輯結(jié)構(gòu)圖A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問(wèn)題 是如何確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。設(shè)計(jì)中采用 中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。擴(kuò)展中地址鎖存器使用74LS373 74LS373是八D鎖存器，常應(yīng)用在地址鎖 存及輸出口的擴(kuò)展中。其主要特點(diǎn)在于：控制端G為高電平時(shí)，輸出Qg Q7跟隨輸

14、入信號(hào)DA D7的狀態(tài);G下跳沿時(shí)，DO-D7的狀態(tài)被鎖存在Q0-Q7上。由 于ADC0808t無(wú)時(shí)鐘，可利用AT89C51提供的地址鎖存允許信號(hào) ALE經(jīng)D觸發(fā)器 二分頻后獲得，ALE腳的頻率是AT89C51單片機(jī)的時(shí)鐘頻率的1/6。由于單片機(jī) 頻率采用6MHz則ALE腳的輸出頻率為1MHz在經(jīng)二分頻后為500kHz,恰好符 合ADC0808對(duì)時(shí)鐘頻率的要求。由于 ADC0808M有輸出三態(tài)鎖存器，因此其 8 位數(shù)據(jù)輸出引腳可直接與數(shù)據(jù)總線相連。如圖3-7所示，在單片機(jī)擴(kuò)展連接 ADC08086路中，地址譯碼引腳 A、B、C 分別與地址總線的低三位 A0,A1,A2相連，以選通IN0IN7中

15、的一路。將P2.7作為片選信號(hào)，在后動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，由單片機(jī)的寫(xiě)信號(hào)和 P2.7控制ADC的地址 鎖存和轉(zhuǎn)換啟動(dòng)，由于ALE和STAR砒在一起，因此ADC080的鎖存通道地址的 同時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，用低電平的讀信號(hào)和P2.7腳經(jīng)一級(jí)或非門(mén)后，產(chǎn)生的正脈沖作為OE信號(hào)，用以打開(kāi)三態(tài)輸出鎖存器。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC 經(jīng)反向后送到單片機(jī)的INT0弓|腳，單片機(jī)讀取 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果并將結(jié)果送P1.0 端口顯示。22uU21918293031XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6RSTP0.7/A

16、D7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10PSEN-P2.3/A11ALEP2.4/A12EAP2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P1.0P3.0/RXDP1.1P3.1/TXDP1.2P3.2/INT0P1.3P3.3/INT1-P1.4P3.4/T0P1.5P3.5/T1P1.6P3.6/WRP1.7P3.7/RD39214 7 8 3 1181 137363534333214-15一16.17U374LS373一U191714158OEVREF(-)VREF(+)OUT8ALEOUT7ADDCOUT6ADDBOUT5ADDAOUT4OUT3IN7OUT2IN6OUT1I

17、N5IN4EOCIN3IN2STARTIN1CLOCKIN0ADC0808161222232425AT89C51圖3-6 ADC0808與單片機(jī)的接口電路圖3.3 總電路設(shè)計(jì)圖R5RST1TllH30p30pP1.0P1.6P17L112VP1.1P1.2P1.3P1.4P1.5PSENALE22uC2C4XTAL2U374IS37339163812VREF( + )cr1722P0.3/AD3OUT8ALEi .123P0.6/AD6OUT5ADD A18P0.7/AD7i aIN71EOCP2.7/A15P3.0/RXDP3.6/WRP3.7/RDU6(CLOCK)rP0.1/AD1P0.

18、2/AD2P0.4/AD4P0.5/AD5P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.0/A8P2.1/A9OUT7OUT6OUT4OUT3OUT2OUT1ADD CADD BIN6IN5IN4IN3IN2IN1IN0610P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1U4:BSTARTCIOCK6，15U4:A圖3-7 總電路圖設(shè)計(jì)四、軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件的設(shè)計(jì)采用的是匯編語(yǔ)言，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)各種功能。程序是在windows7環(huán)境下采用keil軟件編寫(xiě)的，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)八路數(shù)據(jù)的采 集與處理，能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)、地址的

19、顯示程序流程圖如下圖所示主程序 :ORG 0000HAJMP MAINORG 000BHAJMP ITOPORG 0100HMAIN:MOV R0,#30H;數(shù)據(jù)區(qū)首地址MOV R4,#08H;8路模擬信號(hào)MOV R1,#00H;模擬通道0MOV P2,#7FH;ADC0808t 選端 口地址MOV A,#00H;MOVX R1,A;啟動(dòng) ADC0808SETB PX1;LOOP: CJNE R0,#10H,L1; 和閾值比較L1: JC L2;SETB P1.0; 高于閾值置1LCALL START; P1.0 端口產(chǎn)生脈沖報(bào)警AJMP L3;L2:CLR TR0;CLR ET0;CLR E

20、A;CLR P1.0;L3: NOPJNB P3.3,LP; 查詢 eoc 狀態(tài)LCALL RDAD轉(zhuǎn)換完成，讀取a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果子程序LP: SJMP LOOP;循環(huán)RDAD: MOVX A,R1讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果MOV R0,A;存入存INC R0; 數(shù)據(jù)區(qū)地址加 1INC R1; 輸入模擬輸入通道MOVX R1,A;啟動(dòng)下一路通道轉(zhuǎn)換DJNZ R4,LOOP1;8路未完，循環(huán)MOV R0,#30H;8路輸入完成MOV R4,#08H;MOV R1,#00H;MOV A,#00H;MOVX R1,A;重新啟動(dòng) ADC0808LOOP1: RET;返回START: PUSH PSVW 護(hù)斷點(diǎn)PUSH

21、 Acc; 保護(hù)斷點(diǎn)MOV SP,#70H;設(shè)置堆棧指針MOV TMOD,#10K置 T0 為方式 1MOV TL0,#0CH;MOV TH0,#0FEH;SETB TR0;SETB ET0;SETB EA;POP Acc;POP PSW;RETITOP: CLR EA; 關(guān)中斷PUSH PSWV現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)PUSH AccSETB EA;開(kāi)中斷MOV TL0,#0CH T0 重置初值MOV TH0,#0FEHCPL P1.0CLR EAPOP AccPOP PSWSETB EARETIEND五、結(jié)論本次設(shè)計(jì)以 AT89C51 單片機(jī)作為智能系統(tǒng)的主控制單元，輔之以適當(dāng)?shù)能洝⒂布K設(shè)計(jì)完成以單片機(jī)為核心的智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警。 本文的主要功能是基于單片機(jī)的硬件應(yīng)用研究型設(shè)計(jì)， 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一種分布式智能火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)。 通過(guò)多個(gè)傳感器感知火災(zāi)發(fā)生時(shí)周?chē)h(huán)境的變化， 及時(shí)采得數(shù)據(jù)，通過(guò)處理給予正確的報(bào)警信號(hào)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，挽救生命財(cái)產(chǎn)損失。在本次設(shè)計(jì)中，主要掌握了 C51 單片機(jī)、 KEIL 軟件編程方法， Proteus 使用方法。硬件單元設(shè)計(jì)主要由