【文章內(nèi)容簡介】 射型兩種，在此主要介紹散射型。 散射型光電感煙探測器是利用煙離子對光的散射作用而制成的。其工作原理圖如圖 所示，在暗室內(nèi)的光源 (一般是紅外發(fā)光二極管 )和受光元件 (一般是光敏二極管 )之間設(shè)置有遮光塊，在無煙進(jìn)入暗室時(shí)，光源發(fā)出的光不能直接照射到受光元件上，電路無輸出。當(dāng)有煙霧進(jìn)入暗室時(shí)，由于煙粒子對光的散射作用，受光元件將接收到散射光，煙霧越 濃，接收到的散射光就越強(qiáng)，當(dāng) 12 煙霧達(dá)到一定濃度是，光敏二極管導(dǎo)通，電路輸出信號。同樣由抗干擾電路確認(rèn)有兩次煙霧濃度達(dá)到預(yù)定值時(shí)，則電路輸出信號報(bào)警。 圖 散射型光電感煙探測器原理圖 光電感煙探測器的電路原理方框圖如下圖 所示。 圖 光電感煙探測器的電路原理方框圖 為了防止干擾和減少損耗，發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電路由脈沖信號控制，使其工作在通斷狀態(tài)，紅外發(fā)光二極管每隔約 發(fā)光一次，持續(xù)時(shí)間大約 100 微秒。因?yàn)榘l(fā)光電流較大，最大值約1A，所以一般不由電源直接供電，而采取電容充放電形 式供電。接收器的光敏元件輸出的信號幅值很小，一般用集成運(yùn)算放大器接成高倍數(shù)的放大電路進(jìn)行放大。抗干擾電路對瞬時(shí)及短時(shí)的干擾有較強(qiáng)的抑制作用。輸出電路通常由晶閘管或互補(bǔ)雙穩(wěn)態(tài)等具有自保持作用的電路組成。 I/V 變換 在工業(yè)現(xiàn)場檢測和控制中，需要用 A/D 轉(zhuǎn)換器對信號進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換，從而由單片機(jī)根據(jù)得出的信息對現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，由于現(xiàn)場各種電磁的干擾較多，且需將信號通過長線送出，因而采用電流形式。通常信號用各種傳感器以 0～ 10mA 或 4～ 20mA 電流形式送出，而 A/D 轉(zhuǎn)換器輸入為電壓信號，需要將電流 轉(zhuǎn)換成 0～ 5V 的電壓信號，因而數(shù)據(jù)采集中的 I/V 變換便必不可少。在此我將就 4～ 10mA 轉(zhuǎn)換成 0～ 5V 的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。 在 4～ 20mA 電流轉(zhuǎn)換中，實(shí)際 4mA 電流代表零點(diǎn)，為此當(dāng)要轉(zhuǎn)換成 0V 電壓時(shí)，必須在電路中產(chǎn)生偏壓將其抵消，以使其輸出為 0V，該電路如圖 所示。 13 圖 4～ 20mA/0～ 5V 轉(zhuǎn)換電路 在這個(gè)電路中， VR 偏壓取 5V。則放大器 A 運(yùn)放輸出為 0～ 5V，這是因?yàn)椋? VVR outRRfi??? Ri? 0V V V VR R i? ? ? (V0≈ Vi) 1 (1 )ffout i RiiRRV V V? ? ? 這里 Rf=250Ω ， Ri=1KΩ ，故 fiRR =，則有 (1 0 .2 5 ) 0 .2 5 5out iVV? ? ? ? 這樣當(dāng)電流 I=4mA 時(shí)，在電阻 R 上取得電壓 Vi=1V，故 Vout =0，而當(dāng) I=20mA 時(shí)，則 Vi=5V，Vout =5V，這樣就實(shí)現(xiàn)了 4~20mA 變換成 0~5V。 采樣保持器的設(shè)計(jì) A/D轉(zhuǎn)換過程 (即采樣信號的量化過程 )需要時(shí)間，這個(gè)時(shí)間稱為 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間。在 A/D轉(zhuǎn)換期間，如果輸入信號變化較大，就會(huì)引起轉(zhuǎn)換誤差。所以，一般情況下采樣信號都不直接送至 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換 ，還需加保持器作信號保持。保持器把 t=kT時(shí)刻的采樣保持到 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。 T為采樣周期， k=0， 1， 2，?為采樣序號。 采樣保持器的基本組成電路如圖 示，由輸入輸出緩沖器 A A2和采樣開關(guān) S 保持電容 CH等組成。采樣時(shí)， S 閉合， Uin通過 A1 對 CH 快速充電， VOUT 跟隨 Uin；保持期間， S 斷開，由于A2 的輸入阻抗很高，理想情況下 Uout=VC 保持不變，采樣保持器一旦進(jìn)入保持期，便應(yīng)立即啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換器，保證 A/D 轉(zhuǎn)換期間輸入恒定。 14 － A1＋ ＋ A2 － S VC Vin U out CH L O G IC 圖 采 樣保持器的組成 在本設(shè)計(jì)中，我們采用集成采樣保持器 LF398，其原理結(jié)構(gòu)如圖 。采用 TTL邏輯電平控制采樣和保持， LF398的采樣控制電平為“ 1”，保持電平為“ 0”。保持電容 CH是外接的，其取值與采樣頻率和精度有關(guān)，減少 CH可提高采樣頻率，但會(huì)降低精度，所以通常 CH取 510～ 1000PF。當(dāng)LF398的 CH取為 ，信號達(dá)到 %精度所需的采樣時(shí)間是 25us，保持期間的輸出電壓下降率為每秒 3mV。若 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100us，轉(zhuǎn)換期間保持器輸出電壓下降約 300uV。所以才A/D轉(zhuǎn)換前對信號進(jìn)行保持是很必要的。 A 1+amp。000A 2+采 樣保 持0187U i nU o u t3512C H 1 2 V+ 1 2 V1 K Ω64調(diào) 零+ V S V S 圖 LF398原理結(jié)構(gòu)圖 模擬量輸入通道 我設(shè)計(jì)了含有 8路探測器和 8路手動(dòng)報(bào)警的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。利用 8位 A/D轉(zhuǎn)換器 ADC0809，采樣保持器 LF398， I/V轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)了模擬量的輸入通道電路，由于我們選擇的 ADC0809自身含有 8路多路開關(guān)，所以模擬量輸入通道不選用專門的多路開關(guān)。在開關(guān)量輸入通道用到了多路開關(guān)。 該電路主要技術(shù)指標(biāo)是： 8通道模擬量 輸入； 8位分辨率； A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100us； 15 應(yīng)答方式為查詢 。 圖 模擬量和開關(guān)量輸入通道圖 C+ 24 +5KC+ 24 +5K12345678.. ....+ 12V C C+5 +512345678L F 3 98 + 121 2P A 6PC0PC1PC2PC3P C 4A B C XIN HIN026msb21212220IN12723192418IN2282582615IN312714lsb2817IN42EOC7IN53ADDA25IN64ADDB24ADDC23IN75ALE22ref()16ENABLE9START6ref(+)12CLOCK10A D C 08 09+ 12V C C+5 +512345678L F 3 98 + 121 2P A 6.. .. .. 16 手動(dòng)采集數(shù)據(jù) 開關(guān)量的輸入接口電路 本系統(tǒng)中除了探測器探測環(huán)境因素外，當(dāng)人為發(fā)現(xiàn)火災(zāi)時(shí)，要有手動(dòng)的報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警。手動(dòng)報(bào)警器輸出的是開關(guān)量信號，需要有專門的開關(guān)量輸入電路來實(shí)現(xiàn)開關(guān)量信號的傳輸。 C+ 2 4 +5K 圖 采用光耦的輸入電路 對于從單片機(jī)裝置外部引入的接點(diǎn)，應(yīng)通過光電耦合器把外部信號送入單片機(jī)，如圖 所示，圖中 RC 用于消除振蕩。光電耦合器用光傳遞信號，因此可以使輸入與輸出在電氣上完全隔離，抗干擾能力強(qiáng)，特別是抗電磁干擾能力強(qiáng)，同時(shí)具有電平轉(zhuǎn)換作用。當(dāng)接點(diǎn) K 合上時(shí)，發(fā)光二極管流過電流，發(fā)出不可見光，激發(fā)光敏三極管，使其導(dǎo)通，將低電平送至單片機(jī)接口。當(dāng)接點(diǎn) K 斷開時(shí)，發(fā)光二極管無電流，光敏三極管不導(dǎo)通，這時(shí)高電平送到單片機(jī)接口。 多路開關(guān) 多路開關(guān)是用來切換模擬電壓信號的關(guān)鍵元件。利用多路開關(guān)可將各個(gè)輸入信號依次地或隨機(jī)地連接到公用放大器或 A/D 轉(zhuǎn)換器上。為了提高過程參數(shù)的測量精度，對多路開 關(guān)提出了較高的要求。理想的多路開關(guān)其開路電阻為無窮大，其接通時(shí)導(dǎo)通電阻為零。此外，還希望切換速度快、噪音小、壽命長、工作可靠。 17 常用的多路開關(guān)有 CD4051（或 MC14051）、 AD750 LF13508等。 CD4051的原理如圖 ，它是單端的 8通道開關(guān)，它有三根二進(jìn)制的控制輸入端和一根禁止輸入端 INH（高電平禁止）。片上有二進(jìn)制譯碼器，可由 A、 B、 C三個(gè)二進(jìn)制信號在 8個(gè)通道中選擇一個(gè)，使輸入和輸出接通。而當(dāng) INH為高電平時(shí)，不論 A、 B、 C為何值， 8個(gè)通道均不通。通道選擇表見表 。 電平轉(zhuǎn)換 譯碼驅(qū)動(dòng)電路 X VDO VSS IN H A B C VEE x0 x1 x7 圖 CD4051原理圖 表 通道選擇 INH C B A X 接通 0 0 0 0 X0 0 0 0 1 X1 … … … … … 0 1 1 1 X7 1 全不通 CD4051有較寬的數(shù)字和模擬信號電平，數(shù)字信號為 3~15V，模擬信號峰 峰值為 15Vpp；當(dāng) VDD－ VEE=15V，輸入幅值為 15Vpp時(shí)，其導(dǎo)通電阻為 80Ω ；當(dāng) VDD－ VEE=10V時(shí)，其斷開時(shí)的漏電流為177。10pA；靜態(tài)功耗為 1μ W。 單 片機(jī)的設(shè)計(jì) 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要是以 MCS－ 51 單片機(jī)為核心，用 I/V 變換將探測器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸入到采樣保持器中進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，采取必要的抗干擾技術(shù)再輸入到 51 單片機(jī)中，以便單片機(jī)處理；除此之外，單片機(jī)還應(yīng)自帶時(shí)鐘功能，以保證數(shù)據(jù)采集時(shí)間的存儲；由于單片機(jī)自帶的 RAM 無法滿足需要，而本系統(tǒng)選用 8031 沒有 ROM，所以要對單片機(jī)進(jìn)行 RAM 和 ROM 的擴(kuò)展；顯示功能，因?yàn)榭紤]到硬件電路設(shè)計(jì)的通用性，所以添加了該常用功能；通信功能，實(shí)現(xiàn)主從機(jī)之間的通信；還應(yīng)包括提高系統(tǒng)抗干 擾能力的看門狗電路。由于本系統(tǒng)連接的外設(shè)較多，多 8031 的 I/O 口進(jìn)行了擴(kuò)展。 18 單片機(jī)的選擇 1. 單片機(jī)簡介 單片微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，也是一種非?；钴S和頗具生命力的機(jī)種。單片微型機(jī)簡稱單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器 (Microcontroller)。通常，單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件：中央處理器 CPU、存儲器和 I/O接口電路等。因此，單片機(jī)只需要和適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。 目前，單 片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，尤其是八位單片機(jī)已成為當(dāng)前單片機(jī)中的主流。單片機(jī)的發(fā)展具體體現(xiàn)在如下四個(gè)方面： CPU 功能增強(qiáng) 內(nèi)部資源增多 引腳的多功能化 低電壓和低功耗 MCS51 是美國 Intel 公司的八位高檔單片機(jī)系列，是在 MCS48 系列基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，也是我國目前應(yīng)用最廣泛的一種單片機(jī)系列。在這個(gè)系列里，有多種機(jī)型，性能特點(diǎn)也各不相同。在本課題設(shè)計(jì)中，選擇了 MCS51 系列中的 8031 進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 在 MCS51 系列里，所有產(chǎn)品都是以 8051 為核心電路發(fā)展起來的，它 們都具有 8051 的基本結(jié)構(gòu)和軟件特征。從制造工藝來看， MCS51 系列中的器件基本上可分為 HMOS 和 CMOS 兩大類 (見表 )。 CMOS 器件的特點(diǎn)是電流小和功耗低 (掉電方式下消耗 10μ A 電流 )，但對電平要求高 (高電平大于 ，低電平小于 )， HMOS 對電平要求低 (高電平大于 ，低電平小于)，但功耗大。 表 MCS51 系列芯片及制造工藝 ROM 型 無 ROM 型 EPROM 型 片內(nèi) ROM 片內(nèi) RAM 16 位定時(shí)器 制造工藝 8051 8031 8751 4KB 128B 2 HMOS 8051AH 8031AH 8751H 4KB 128B 2 HMOS 8052AH 8032AH 8752BH 8KB 256B 3 HMOS 80C51BH 80C31BH 87C51 4KB 128B 2 CHMOS 2. 8031 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) MCS51 系列各功能部件可劃分為 CPU、存儲器、 I/O 端口、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)等