光電型煙霧探測(cè)器的設(shè)計(jì)報(bào)告

..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)__電子科11-1班指導(dǎo)劉士興小組成員：陶輝鐘小康袁傳翰陳國(guó)建趙凌峰日期：2013-2014學(xué)年第3學(xué)期第1-2周一、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?？臁Ｌ綔y(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)用較普遍的一類火災(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)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+1線或更多線?；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)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用,它已成為人類同火災(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)暗室內(nèi)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,其電路原理如圖所示。紅外發(fā)光二極管工作在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)微處理器內(nèi)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AT89C51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,ADC0808進(jìn)行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。單片單片機(jī)煙霧傳感器放大電路A/D轉(zhuǎn)換LED狀態(tài)指示燈圖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單片機(jī)芯片內(nèi)部設(shè)有一個(gè)由反向放大器構(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)鐘可由內(nèi)部或外部生成,在XTAL1和XTAL2引腳上外接晶體振蕩器Y,內(nèi)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12MHZ,C1、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。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RESET引腳,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。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)的要求。圖3-3LM324四運(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,可在較寬電壓范圍內(nèi)的單電源或雙電源下工作,其電源電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。火災(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3-4信號(hào)采集及前置放大電路圖3.2A/D轉(zhuǎn)換電路ADC0808是一種逐次逼近式8路模擬輸入、8位數(shù)字量輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。ADC0808的轉(zhuǎn)換速度較快,完成一次的轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs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的主要引腳功能如下。<1>IN0～I(xiàn)N7是8路模擬信號(hào)輸入端。D0～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=000～111分別對(duì)應(yīng)IN0～I(xiàn)N7通道地址。<3>OE,START,CLK,EOC為控制信號(hào)端,OE為輸出允許端,START為啟動(dòng)信號(hào)端,CLOCK為時(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。ADC0808雖然有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、C3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。圖3-5ADC0808引腳圖和內(nèi)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Q0～Q7跟隨輸入信號(hào)D0～D7的狀態(tài);G下跳沿時(shí),D0～D7的狀態(tài)被鎖存在Q0～Q7上。由于ADC0808片內(nèi)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ADC0808具有輸出三態(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ADC0808電路中,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IN0～I(xiàn)N7中的一路。將P2.7作為片選信號(hào),在啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換時(shí),由單片機(jī)的寫信號(hào)和P2.7控制ADC的地址鎖存和轉(zhuǎn)換啟動(dòng),由于ALE和START連在一起,因此ADC0808在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引腳,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。圖3-6ADC0808與單片機(jī)的接口電路圖3.3總電路設(shè)計(jì)圖圖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)、地址的顯示。程序流程圖如下圖所示:開(kāi)始開(kāi)始初始化初始化信號(hào)采集信號(hào)采集調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換程序調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換程序YY變量是否在安全范圍變量是否在安全范圍NN聲光報(bào)警聲光報(bào)警結(jié)束結(jié)束主程序:ORG0000HAJMPMAINORG000BHAJMPITOPORG0100HMAIN:MOVR0,#30H;數(shù)據(jù)區(qū)首地址MOVR4,#08H;8路模擬信號(hào)MOVR1,#00H;模擬通道0MOVP2,#7FH;ADC0808片選端口地址MOVA,#00H;MOVXR1,A;啟動(dòng)ADC0808SETBPX1;LOOP:CJNER0,#10H,L1;和閾值比較L1:JCL2;SETBP1.0;高于閾值置1LCALLSTART;P1.0端口產(chǎn)生脈沖報(bào)警AJMPL3;L2:CLRTR0;CLRET0;CLREA;CLRP1.0;L3:NOPJNBP3.3,LP;查詢eoc狀態(tài)LCALLRDAD;轉(zhuǎn)換完成,讀取a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果子程序LP:SJMPLOOP;循環(huán)RDAD:MOVXA,R1;讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果MOVR0,A;存入內(nèi)存INCR0;數(shù)據(jù)區(qū)地址加1INCR1;輸入模擬輸入通道MOVXR1,A;啟動(dòng)下一路通道轉(zhuǎn)換DJNZR4,LOOP1;8路未完,循環(huán)MOVR0,#30H;8路輸入完成MOVR4,#08H;MOVR1,#00H;MOVA,#00H;MOVXR1,A;重新啟動(dòng)ADC0808LOOP1:RET;返回START:PUSHPSW;保護(hù)斷點(diǎn)PUSHAcc;保護(hù)斷點(diǎn)MOVSP,#70H;設(shè)置堆棧指針MOVTMOD,#10H;設(shè)置T0為方式1MOVTL0,#0CH;MOVTH0,#0FEH;SETBTR0;SETBET0;SETBEA;POPAcc;POPPSW;RETITOP:CLREA;關(guān)中斷PUSHPSW；現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)PUSHAccSETBEA；開(kāi)中斷MOVTL0,#0CH；T0重置初值MOVTH0,#0FEHCPLP1.0CLREAPOPAccPOPPSWSETBEARETIEND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?、硬件模塊設(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)周圍環(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)主要由單片機(jī)主控處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、報(bào)警電路模塊四個(gè)模塊組成。了解了四個(gè)模塊的使用方法和連接方法,能夠從整體上把握智