【導(dǎo)讀】近年來(lái)我國(guó)火災(zāi)的頻繁發(fā)生，給國(guó)家和人民造成了巨大的損失。及時(shí)的預(yù)警，是降低火災(zāi)造成的。損失的有效方法。本文介紹的就是一款基于單片機(jī)的智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。在文章里，我對(duì)單片機(jī)及其他硬件都有介紹。同時(shí)對(duì)溫度傳感器和煙霧傳感器都有。隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)越發(fā)完善，趨向于智能化。

　　

【正文】 17 表 34 Flssh 編程和校驗(yàn)特性 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 4 前向通道的設(shè)計(jì) 溫度傳感器 火災(zāi)總伴隨著火焰、煙霧和溫度，隨著燃燒，室內(nèi)溫度將上升。將煙霧傳感器作為第一感受器，溫度傳感器作為智能計(jì)算的補(bǔ)充傳感器。當(dāng)報(bào) 警 環(huán)境出現(xiàn)煙霧后，溫度傳感器根據(jù)設(shè)定溫度值確定是否報(bào) 警 。為防止漏報(bào)，另一組溫度傳感器設(shè)定了溫度的報(bào)警極限，當(dāng)溫度超過(guò)這個(gè)極限立刻報(bào)警。 溫度傳感器利用半導(dǎo)體 PN結(jié)的負(fù)溫度系數(shù)工作，它有三路輸出，其中兩路測(cè)量溫度梯度，一路測(cè)量極限溫度。 圖 41是一個(gè)溫度傳感器的結(jié)構(gòu)單元。其基本工作原理是利用硅 PN結(jié)的負(fù)溫度系數(shù)測(cè)量環(huán)境溫度。由 1R 、 1D 、 2D 、 1Z 以及 1T ,經(jīng) 2R 、 3R 分壓給 2T 的基極提供一個(gè)電壓基準(zhǔn)。這個(gè)電壓基準(zhǔn)使得 2T 在常溫下不導(dǎo)通，例如，假設(shè)在常溫下， NPN晶體管的發(fā)射結(jié)在 REV =，而電壓基準(zhǔn)設(shè)定為 ，這時(shí)， 2T 處于截止?fàn)顟B(tài)。由于硅器件的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓 REV 是負(fù)的溫度系數(shù) (典型值為 2mV/℃ )，隨著溫度上升，器件的導(dǎo)通電壓線性下降。當(dāng)溫度上升 25℃時(shí)， 2T 的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓 REV 下降為 ,達(dá)到設(shè)定值使 2T 導(dǎo)通。 0V 由原先的高電平輸出下降為低電平輸出。 圖 41 溫度傳感單元原理圖 作為電壓基準(zhǔn)，希望經(jīng) 2R 、 3R 分壓得到的電壓值具有較低的溫度系數(shù)。在這個(gè)電路中，利用正溫度系數(shù)的齊納擊穿穩(wěn)壓管和 PN結(jié)的負(fù)溫度系數(shù)實(shí)現(xiàn)低溫度系數(shù)的要求。 防火系統(tǒng)采用了復(fù)合形式的智能型火災(zāi)傳感電路，代替了過(guò)去的單一形式的傳感器，如火焰?zhèn)鞲衅?、溫度傳感器、煙霧傳感器等，這樣就不會(huì)出現(xiàn)誤 報(bào)情況。 此傳感器 具有不受使用場(chǎng)所無(wú)交流電源的限制，靜態(tài)功耗低、安裝比較隱蔽、靈敏度高等特點(diǎn)。 煙霧傳感器 工作原理 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 離子煙霧傳感器 單電離室的工作原理，如圖 42所示。 圖 42 電離室工作原理圖 圖 42（ a）是單電離室的結(jié)構(gòu)圖， P1和 P2是一對(duì)電極，在電極之間放有放射性物質(zhì) 241Am，不斷放出α射線，高速運(yùn)動(dòng)的α離子撞擊極板間的空氣分子，將其電離為正離子和負(fù)離子，從而使電極之間原來(lái)不導(dǎo)電的空氣具有了導(dǎo)電性。如果在極板 P1和 P2之間加上一個(gè)電壓 E，極板間原來(lái)雜亂無(wú)章的正負(fù)離 子，在電場(chǎng)的作用下作有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，從而在極板間形成電離電流 hI ，施加的電壓越高，則電離電流越大，當(dāng)電離電流增加到一定值時(shí)，將不再增加，此電流稱為飽和電流 sI ，如圖 42（ b）所示。實(shí)際使用的離子煙霧傳感器電路如圖 43 所示。 圖 43 離子煙霧傳感器電路圖 為了減少溫度、濕度等環(huán)境條件變化對(duì)電離電流帶來(lái)的影響，以提高傳感器工作的穩(wěn)定性，將兩個(gè)電離室串接起來(lái)與電源相接，上面 的一個(gè)為補(bǔ)償電離室，下面的一個(gè)為檢測(cè)電離室，在結(jié)構(gòu)上檢測(cè)電離室做成煙霧容易進(jìn)入的型式，而補(bǔ)償電離室做成煙霧很難進(jìn)入、而空氣又能慢慢進(jìn)入的型式。當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙霧進(jìn)入檢測(cè)電離室， 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 由于煙離子的阻擋作用，一方面使電離后的正負(fù)離子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)速度降低，另一方面使α射線的電離能力降低，從而使檢測(cè)電離室的電離電流減小，這一現(xiàn)象，相當(dāng)于補(bǔ)償電離室的等效電阻未變，而檢測(cè)電離室的等效電阻變大，從而使 A點(diǎn)的電位升高。顯然煙霧濃度越大，煙離子的阻擋作用越強(qiáng)， A 點(diǎn)電位越高。這一電壓信號(hào)經(jīng)由T T2組成的跟隨電路，傳送給模 /數(shù)轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙霧濃度的采樣。采用離子源作為煙敏元件的突出特點(diǎn)是電流消耗極低，適合在系統(tǒng)中使用。 ]14[ 圖 43中的 tR 為自檢電阻器，由于離子源等效電阻很高（一般在 10MΩ以上），只要適當(dāng)選擇 tR ，就可使 tR 上的壓降在正常情況下近似為 0。對(duì)探測(cè)器進(jìn)行自檢時(shí)，一個(gè)邏輯高電壓加到 tR 上，使傳感器輸出升高 ，單片機(jī)根據(jù)自檢前后的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，可判斷出模 /數(shù)轉(zhuǎn)換及傳感器兩個(gè)模塊的功能是否正常。 試驗(yàn)結(jié)果 探測(cè)器試驗(yàn)是根據(jù) 傳輸與火災(zāi)報(bào)警的基本要求進(jìn)行的。 工作方式試驗(yàn) 因?yàn)槟?/數(shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘信號(hào) CLK是由程序產(chǎn)生的，所以不同的工作方式，將產(chǎn)生不同的時(shí)鐘頻率 CLKF 和轉(zhuǎn)換周期 CYCt 。探測(cè)器若按先轉(zhuǎn)換后接收方式工作，在 CONVt 時(shí)間段內(nèi)，不接收數(shù)據(jù)， CLKF 最高可達(dá) ，提高了有效轉(zhuǎn)換速度，有助于減小采樣保持器泄露電流的影響，但由于轉(zhuǎn)換之后必須重新讀取數(shù)據(jù)，卻使轉(zhuǎn)換周期 CYCt 變長(zhǎng)，勢(shì)必降低主控機(jī)對(duì)探測(cè)器的訪問(wèn)速度；若按邊轉(zhuǎn)換邊接收方式工作，雖 CLKF 最高只能達(dá)到 ，降低了有效轉(zhuǎn)換速度，但轉(zhuǎn)換周期 CYCt 可在第 14個(gè)時(shí)鐘信號(hào)之后提前結(jié)束，從而縮短了轉(zhuǎn)換周期 CYCt ，提 高了主控機(jī)對(duì)探測(cè)器的訪問(wèn)速度；此外，在邊轉(zhuǎn)換邊接收方式下，模數(shù)轉(zhuǎn)換的位數(shù)還可靈活地選擇，例如火災(zāi)報(bào)警一般只要有 8位的轉(zhuǎn)換精度就足夠了，這時(shí)采用邊轉(zhuǎn)換邊接收方式，可使控制信號(hào)由低變高的時(shí)間提前4個(gè)時(shí)鐘周期。下面對(duì)幾種輸出模式的測(cè)試就是按 8位精度邊轉(zhuǎn)換邊接收方式進(jìn)行的。 輸出模式試驗(yàn) 為了給主控機(jī)提供火災(zāi)識(shí)別的依據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，主要試驗(yàn)了圖 44, 所示的 3種輸出模式 。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 圖 44 試驗(yàn)圖形 （ 1）環(huán)境漂移模式，將探測(cè)器置于有數(shù)人吸煙的適當(dāng)大小的房間，形成薄煙繚繞的環(huán)境，然后記錄探測(cè)器的 輸出數(shù)據(jù)，繪制出如圖 44(a)所示曲線，其特點(diǎn)是輸出上下飄忽不定，但有一個(gè)接近平穩(wěn)的均值； （ 2）突發(fā)干擾模式，在傳感器的自檢輸入端施加 )231()( 2 rr fCSrbfCSbj efC CRefRIS ?? ????? ?? （ 1） 設(shè)采用周期脈動(dòng)激勵(lì)電流，應(yīng)使每個(gè)周期自熱平衡過(guò)程互不影響，這樣可以避免自熱的累積，有效地控制自熱的影響。為此，應(yīng)使激勵(lì)電流脈動(dòng)間歇時(shí)段足夠長(zhǎng)，以給出足夠的自熱平衡時(shí)間。這一要求可表示為 ST? 〉〉 rfC 式 中 T為激勵(lì)脈動(dòng)電流的周期。 間歇激勵(lì)方式的效果 鉑電阻采用脈動(dòng)激勵(lì)電流的間歇供電方式工作對(duì)克服自熱影響有顯著效果。脈動(dòng)激勵(lì)電流的占空比越小，則自熱量越少，溫升就越小。為評(píng)價(jià)間歇激勵(lì)方式的效果，將直流激勵(lì)方式和間歇激勵(lì)方式作對(duì)比。直流激勵(lì)方式的鉑電阻產(chǎn)生穩(wěn)定的自熱溫升為 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 fRI bjZ 2)( ?? ?? （ 2） 取式（ 1）與式（ 2）之比值 rr fCSrbfCSZefCCReSq ?? ?????? 2231)( )( ??? 來(lái)表征間歇激勵(lì)方法的效果。 工程實(shí) 踐上，可控制 q值在 2101? 以下，使自熱影響十分微小而忽略不計(jì)。 運(yùn)算放大器 AD595 AD595具有熱電偶信號(hào)放大和冰點(diǎn)補(bǔ)償雙重功能 ,AD595適用于Ｋ型熱電偶 ,是 14腳 DIP 封裝。 AD595 有二個(gè)等級(jí) (Ｃ級(jí)和Ａ級(jí) ),177。 3℃的校準(zhǔn)準(zhǔn)確度。 具有以下特性 : ]17[ 低阻抗電壓輸出 :10ｍＶ /℃ 片內(nèi)冰點(diǎn)補(bǔ)償 電源電壓范圍 :+5V～177。 15V 低功耗 :＜ 1MW 熱電偶斷線報(bào)警功能 高阻抗差動(dòng)輸入 可用作攝氏溫度傳感器 差動(dòng)輸入可抑制熱電偶引線上的共模噪聲電壓 補(bǔ)償、零點(diǎn)、標(biāo)度系數(shù)都預(yù)先用激光校準(zhǔn) 可用于Ｔ型熱電偶由于熱電偶的輸出電勢(shì)與溫度成非線性關(guān)系 ,下列轉(zhuǎn)換函數(shù)將決定芯片的實(shí)際輸出電壓 :在控制系統(tǒng)中，傳感器和檢測(cè)電路輸出的信號(hào)，一般都比較小，不能直接進(jìn)行顯示記錄和控制。為此，當(dāng)用傳感器把非電量轉(zhuǎn)換成電量后，大都需要放大。 AD595 芯片說(shuō)明 : 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 圖 45 AD595 結(jié)構(gòu)圖 表 41 管腳功能圖 A/D 轉(zhuǎn)換器 A/D 轉(zhuǎn)換器的功能是將模擬量電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。 在本設(shè)計(jì)中，我采用了 ADC0809 轉(zhuǎn)換器，它可以將多路轉(zhuǎn)換器輸入的模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換 ，所以省略了多路開(kāi)關(guān)。 由于控制系統(tǒng)是對(duì)溫度和煙的濃度進(jìn)行檢測(cè)，相當(dāng)于 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間來(lái)說(shuō)信號(hào)變化很慢，所以采樣保持器（保持在 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)輸入的模擬信號(hào)不變）也可以省去。因此，模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后可以直接進(jìn)入 A/D轉(zhuǎn)換器。 A/D 轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù) (1) 分辨率： 是指 A/D 轉(zhuǎn)換器可轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)的位 數(shù)。 (2) 轉(zhuǎn)換時(shí)間： 指從輸入啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)開(kāi)始到轉(zhuǎn)換結(jié)束，得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出量為止的時(shí)間其他參數(shù)與 D/A 轉(zhuǎn)換器類似。 A/D 轉(zhuǎn)換器與 CPU 的接口方法 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 (1) ADC 轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)三態(tài)緩沖器件與 CPU數(shù)據(jù)總線相連接（在芯片內(nèi)部沒(méi)有三態(tài)輸出緩沖器時(shí)）； (2) 為了輸入正確的轉(zhuǎn)換結(jié)果，必須解決好 A/D 轉(zhuǎn)換器和 CPU 取數(shù)之間的時(shí)間配合問(wèn)題。 (3) 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)（ START）：是由 CPU 提供給 ADC芯片的，在正脈沖的下降沿轉(zhuǎn)換開(kāi)始； (4) 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)（ EOC）：一 旦啟動(dòng)轉(zhuǎn)換， EOC 立即變低，直至轉(zhuǎn)換結(jié)束， EOC輸出高電平，通知 CPU轉(zhuǎn)換已結(jié)束； (5) 允許輸出信號(hào)（ OE）： ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束后，轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在輸出鎖存器中，并沒(méi)有送入數(shù)據(jù)總線上。 CPU 取數(shù)時(shí)，發(fā)出 OE信號(hào)選通芯片內(nèi)部三態(tài)輸出緩沖器將數(shù)據(jù)輸出。 A/D 轉(zhuǎn)換器與 CPU 之間傳送數(shù)據(jù)的方法 (1) 延時(shí)等待法 延時(shí)法是利用 CPU執(zhí)行一條輸出指令，啟動(dòng) ADC 轉(zhuǎn)換，然后 CPU執(zhí)行延時(shí)程序，延時(shí)時(shí)間大于所選用的 ADC 芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間，延時(shí)結(jié)束， CPU 執(zhí)行輸入指令，打開(kāi)三態(tài)門獲取 ADC轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)。 (2) 查詢法 查詢法是由 CPU 來(lái)檢查 EOC 信號(hào)。當(dāng) CPU 啟動(dòng) ADC 芯片開(kāi)始轉(zhuǎn)換之后，再通過(guò)狀態(tài)端口讀取 EOC 信號(hào)，檢查 ADC 是否轉(zhuǎn)換結(jié)束。若轉(zhuǎn)換結(jié)束，則讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，否則繼續(xù)查詢。 (3) 中斷法 用中斷法可提高 CPU 的利用率，當(dāng) ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束，由 EOC信號(hào)上升沿通過(guò) 8255A中斷控制邏輯向 CPU 發(fā)出中斷請(qǐng)求， CPU 響應(yīng)中斷在服務(wù)程序中讀取結(jié)果。 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809 及其接口 (1) 主要性能 ※ 8 位逐次逼近型 A/D轉(zhuǎn)換器，所有引腳的邏輯電平與 TTL兼容； ※ 帶有 鎖存功能的 8路模擬量轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，可對(duì) 8路 05V 模擬量進(jìn)行分時(shí)轉(zhuǎn)換； ※ 輸出具有三態(tài)鎖存 /緩沖功能； ※ 分辨率： 8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間： 100us； ※ 不可調(diào)誤差：177。 1LSB，功耗： 15mW； 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 ※ 工作電壓： +5V，參考電壓標(biāo)準(zhǔn)值 +5V； ※ 片內(nèi)無(wú)時(shí)鐘，一般需外加 640KHz 以下且不低于 100KHz 的時(shí)鐘信號(hào)。 (2) ADC0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu) ]19[ 有模擬多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和 A/D 轉(zhuǎn)換兩大部分組成。模擬多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)由 8路模擬開(kāi)關(guān)和 3 位地址鎖存與譯碼器組成， 地址鎖存允許信號(hào) ALE將三位地址信號(hào) ADDC、 ADDB和 ADDA 進(jìn)行鎖存，然后由譯碼電路選通其中一路摸 擬 信號(hào)加到 A/D轉(zhuǎn)換部分進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 A/D 轉(zhuǎn)換部分包括比較器、逐次逼近寄存器 SAR、 256R 電阻網(wǎng)絡(luò)、樹(shù)狀電子開(kāi)關(guān)、控制與時(shí)序電路等，另外具有三態(tài)輸出鎖存緩沖器，其輸出數(shù)據(jù)線可直接連 CPU的DB。具體見(jiàn)下圖 46。 圖 46 ADC0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu) （ 3） ADC0809 的引腳功能： D7D0： 8位數(shù)據(jù)輸出線； IN7IN0： 8路模擬信號(hào)輸入； ADDC、 ADDB、 ADDA： 8路模擬信號(hào)輸入通道的地址選 擇線； ALE：地址鎖存允許，其正跳變鎖存地址選擇線狀態(tài)，經(jīng)譯碼選通對(duì)應(yīng)的模擬輸入信號(hào)； START：?jiǎn)?dòng)信號(hào)，上升沿使片內(nèi)所有寄存器清零，下降沿啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換； EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束，轉(zhuǎn)換開(kāi)始后，此引腳變?yōu)榈碗娖?，轉(zhuǎn)換一結(jié)束，此引腳變?yōu)楦唠娖剑? OE：輸出允許，此引腳為高電平有效，當(dāng)有效時(shí)，芯片內(nèi)部三態(tài)