烟雾检测的火灾自动探测报警系统设计

摘要：设计了一种由离子型烟雾检测报警器MC14468、AT89C51单片机、单片射频收发器nRF401构成的火灾自动报警系统。该系统分为检测发送部分和接收控制部分，采用单片机的多机通信模式和串行传输方式实现数据的传输。由于引入了无线通信技术为核心的nRF401和MC14468，系统的性能大大提高，且具有较高的可靠性。
关键词：烟雾检测；MC14468；AT89C51；nRF401；火灾报警

1 概述
    火灾作为危害人类生存的大敌，越来越受到人们的重视。而设计出具有可靠性高、实时性好的火灾自动报警与消防系统是科技化社会发展的需要，也是保障人们正常生活的需要。从发展过程来看，火灾自动报警技术大体可分为3类：多线型火灾自动报警系统、总线型火灾自动报警系统、智能型无线火灾自动报警系统。目前，智能型无线火灾自动报警系统是主要的研究方向。本文设计的基于烟雾检测的火灾自动探测报警系统采用比较先进的数字检测传感器和无线收发器件，具有智能化、可靠性强、扩展性强等特点，可以投入实际的生产。
    系统检测部分采用离子型烟雾检测报警器MC14468，而主从机采用无线通信芯片nRF401。此种方案能够很好地检测到烟雾，无需专用的数模转换芯片，也无需使用通信协议；容易扩展，可以实现火灾的多地点与多点检测、报警的功能；在硬件电路和软件设计上也十分简单，只需要几块简单的芯片即可，大大节约了成本。此外，系统本身具有自身故障检测的功能和较高的抗干扰能力，可防止系统发生误报警。

2 系统总体设计
    系统采用了主从式通信方式，即一个主机、多个从机，其结构图如图1所示。此系统的特点就是可以无限地扩展从机，只需在软件上稍作修改即可，这就在很大程度上满足了高楼大厦消防的需要。本系统可以分为多个子系统，各个子系统在结构上基本相似，下面就子系统的构成作具体说明。

    子系统由两部分组成：检测发射部分和接收控制部分。二者均采用单片机控制，系统结构简单，容易实现。检测发射端和接收控制端选用了目前市场上已经成熟的高性能芯片，其外围电路结构简单、可靠实用。系统检测装置采用了Motorola公司生产的具有声光报警电路的MC 14468芯片，能实现多点并行检测，配合简单的外围电路可构成多点烟雾报警系统。无线收发器采用基于无线通信的nRF401型单片射频收发器，从而达到了无线传输的目的，能迅速地发出报警信号，方便及时地控制火情。它采用了无线通信和FSK(频移键控)调制解调技术，工作频率稳定且抗干扰能力强，不需要对数据进行编码，外围电路简单，使用方便。由于采用低发射功率和高接收灵敏度的设计方案，因此不受无线电管理条例的限制，无需办理许可证。单片机采用AT89C51，它不但是MC14468与nRF401之间的桥梁，还起到控制各芯片时钟周期相互配合的作用，这也是相当重要的一环。由于本系统整体结构简单，软件容易实现，因此不需要对AT89C51进行特别的扩展。
    检测发射部分的结构图如图2所示。此部分的功能主要是完成烟雾的智能检测报警和信号的无线发射。MC14468为离子型烟雾检测报警芯片，是目前市场上很流行的集火灾检测与报警于一体的智能传感器。当检测到烟雾颗粒时，它能驱动其外围连接的压电陶瓷蜂鸣器或压电式扬声器发出报警声，与此同时，还驱动发光二极管(LED)以1 Hz的频率闪烁发光，利用声光报警达到烟雾报警的最佳效果。

    接收控制部分的结构图如图3所示。此部分主要实现信号的接收和报警功能。nRF401从PCB天线上接收到调频信号时，单片机置TXEN端为低电平，功率放大器被关断从而进入接收状态。调频信号依次经低噪声放大器放大，经混频器变成中频(其作用是抵消本机发送器与接收器之间的高频干扰)，再经带通滤波器滤波和调制器解调后，成为数据输出。这时单片机切换到发射模式，回送握手信号，nRF401把得到的数据输送给单片机，经处理后利用P0(段码)和P1(位码)口采用动态显示输出到两位数码管上显示(火情来源地信息：房间编号)，同时驱动报警器报警。相比检测发射端电路，接收控制端电路更简单。各引脚接线方式两者基本相同，只是软件实现稍有不同。接收控制端电路可直接采用多位LED显示，不用扩展任何接口。

3 系统硬件设计
    整个系统可以分为两个模块：检测发射模块和接收控制模块。检测发射模块又可分为检测部分(包括声光报警及启动灭火装置)、单片机控制部分以及射频发射部分；而接收控制模块又可以分为接收部分、单片机处理部分、声光报警部分和显示部分。
3．1 单片机外围电路
    本系统中，单片机的主要功能是进行外部器件的控制与报警，在数据处理方面主要是以中断方式进行数据的串行传输。在整个系统中它是控制核心，在检测发射端和接收控制端都必须用到。本系统选用一种带4 KB闪烁可编程可擦除，高性能CMOS八位微处理器AT89C51作为控制器件。检测发射端单片机控制部分硬件电路包括看门狗复位电路、晶振电路，以及手动报警按钮等附属单片机电路。P1．0口连接了手动报警按钮，只要有人提前发现火灾，不用等待系统自动报警，可以直接按下此报警按钮进行报警。单片机的其他接口连接发射芯片nRF401部分的电路。单片机在此电路中的作用主要是完成一些数据的接收，通过外部中断1(INT1)检测系统是否发生火灾，并且随时接收外部直接报警按钮的输入信号，一旦有火灾发生(即外部中断1有中断)和P1．0口为低电平，则通过串口传送到接收端。在接收控制端也用单片机进行数据处理和报警，电路的结构基本相似，包括看门狗复位电路、晶振电路，以及2位数码管显示部分和报警模块。其功能主要是完成数据的接收、报警和显示。
3．2 检测报警电路
    由MC14468构成的烟雾检测报警电路如图4所示。MC14468的1脚(检测输出端)直接连接单片机的中断口。当检测到烟雾时，其输出的高电平通过中断控制单片机内部定时器T0工作，定时90 ms，T0溢出中断，进入中断服务程序，通过串口发送数据(房间号或之前对该系统设置的有意义编码)给单片射频收发器nRF401。

    MC14468自身的100 mV的滞后电压会防止其他外界因素(如飞虫)造成的误报警，辅以单片机产生90 ms的延时，更能提高系统的可靠性。  nRF401的串行口直接和单片机的串行口连接(DIN接TXD，DOUT接RXD)，TXEN端的高／低电平由软件设置，可实现nRF401发射模式与接收模式之间的相互切换。当需要发射数据时，由晶振电路产生的4 MHz频率作为其内部锁相环的基准频率，经锁相环和压控振荡器进行N倍频后，最后经功率放大器放大后从PCB天线上发射出去。该装置采用9 V叠层电池供电，其中Rt和Ct分别为振荡电阻和振荡电容。LED采用高亮度发光二极管，R1为限流电阻。T2为压电陶瓷蜂鸣器(或压电扬声器)。T1为离子源，采用镅241，其放射性强度低至0．8μCi(即0．8微居里)，不会对人体造成伤害，也不会污染环境。R4和R5为分压电阻。在此系统中MC14468的第2脚(I／O)接有继电器，这是为自动启动灭火装置而设计的。只要烟雾传感器检测到烟雾，不但可以给单片机提供中断信号，而且能够自动通过继电器启动灭火的设备(此灭火设备可以是水龙头开关等，具体视实际情况而定)。
3．3 射频收发电路
    单片机AT89C51是无线模块的核心，而nRF401用于数据的无线收发。nRF401的典型应用连接图如图5所示，可直接用于单片机或计算机串口异步传输。从图中可以看到，外围元件很少，包括一只基准晶振及几只无源器件，没有调试部件，天线用微带天线直接设计在线路板上，这给研制及生产带来了极大的方便。在此设计中，必须首先对单片机的串口数据传输速率进行设置，并应该确保发送端和接收端的数据传输速率设定为完全一致。在数据发送时，只需要将待发送的数据字节写入到单片机的SBUF寄存器单元；数据的接收由串口中断服务程序完成，单片机只需在串口接收中断服务程序中，将SBUF的内容读入所设置的接收缓冲区。

4 系统软件设计
    单片机控制部分和数据传输部分采用串行传输，根据系统特点采用串行通信半双工制式的同步通信方式。此系统中采用的都是数字元件，可以直接提供电平信号，发送和接收数据时也是通过无线收发元件完成，因此无需用到通信协议。本系统中，AT89C51串行口工作于方式1，即每帧10位的异步通信格式：1位起始位，8位数据位(低位在前)，1位停止位。根据nRF401的传输特点，选择波特率1．2 kb／s，根据相应的关系设定定时器的初值和工作方式。
4．1 整体构思
    软件部分主要是设计单片机的串行传输。当接收控制端接收到收据时，回送握手信号，以示发送下一帧数据；同时控制压电陶瓷蜂鸣器报警，并控制LED显示数据。若没接收到，即检测发射端没接收到应答信号，则重新发送，直至接收到为止。TXEN端的高／低电平由软件设置，可实现nRF401发射模式与接收模式之间的相互切换。
    程序设计运用自上而下的思想，整个软件系统包括主程序、中断程序、显示程序、延时程序等子程序。主程序主要是对系统的初始化以及检测处理；中断程序主要是发送数据并通过nRF401发射出去；显示程序的功能是接收数据并送LED显示，同时启动报警；延时程序为了满足nRF401的发射模式与接收模式之间相互切换时序的需要。
4．2 主程序
    主程序主要完成对单片机串口、定时器、寄存器等的初始化。当检测到有烟雾时，先由定时器T0定时90 ms。在此期间，若一直能检测到烟雾，确认有火情存在，则T0溢出中断，开始发送数据(可以是火情地址编码)，经由nRF401的PCB天线发射出去。INT1被设置为边沿触发方式，如果90 ms期间MC14468引脚1的信号消失或变低，都会引起外部INT1中断，计数器重新置初值。主程序流程如图6所示。

4．3 检测发射端中断子程序
    检测发射端中断子程序的主要功能是时刻检查室内的烟雾浓度，一旦达到设定的灵敏度，就申请单片机外部INT1中断。中断程序中主要是完成数据的传输，通过与主机的两次握手来判定数据传输的正误，这在很大程度上保证了数据传输的有效性，提高了系统的可靠性。程序运行时，首先检测是否有手动报警和来自MC14468元件的报警信号。如果有报警信号，则马上启动T0定时器定时90 ms；定时完毕后再检测是否还有火灾信号，如果有则改变nRF401的模式，开始发送数据。首先发送请求信号，然后等待接收端的握手信号，一旦握手信号正确，则开始发送数据(发送的数据是预先设置韵2位数房间编码)。发送完毕后等待第二次握手信号，来判断数据是否正确接收。如果接收完毕则中断返回，继续重复上面的检测工作。此中断程序的流程如图7所示。

4．4 接收控制端中断子程序
    接收控制端中断子程序主要是完成各个火灾检测地点火灾信息的接收，它时刻工作在串行口中断方式，接收各个从机的火灾信息。在接收数据时，保持和火灾发生地从机两次握手，并接收数据，刷新显示，同时启动报警电路，显示有火灾发生。接收控制端中断子程序的实现方式和检测发射端相似，其流程如图8所示。

结语
    本文设计的基于烟雾检测的火灾自动探测报警系统，是现代智能控制理论和无线传播技术在消防自动化系统中的应用，也是对目前消防自动化系统的一种智能化改进和完善。此系统设计简单，且具有高效率和高可靠性。本系统检测部分可以扩展得更为丰富，还可增加其他类型传感器，比如有毒气体检测传感器、感光型传感器，甚至还可加上红外线传感器来增加防盗功能等。智能化是整个火灾报警系统发展的趋势。随着网络技术的发展，火灾自动报警系统和网络的结合将更加紧密，远程监控、控制会逐步受到人们的重视，火灾报警技术将得到进一步的发展。