摘要：本文探討一種智能型火災(zāi)探測器的設(shè)計過程。通過對火災(zāi)報警控制器配套的光電感煙火災(zāi)探測器的設(shè)計。探討利用AT89C2051微處理器芯片完成信息的探測、多地址信息的發(fā)送控制及分析、判斷、報警等功能。

關(guān)鍵詞：AT89C2051；火災(zāi)探測；報警

在現(xiàn)代智能樓宇控制系統(tǒng)中，為了避免火災(zāi)的發(fā)生及最大可能減少損失，使災(zāi)情報告快速而準確，常采用火災(zāi)自動報警及聯(lián)動控制技術(shù)。本文將探討一種智能型火災(zāi)探測器的設(shè)計過程。

我們設(shè)計的是與火災(zāi)報警控制器配套的光電感煙火災(zāi)探測器。為了提高火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的準確性及快速性，要求光電感煙探測器本身具有微處理器的功能，要對探測到的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，以提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，并且探測器與控制器之間采用全數(shù)字通訊，這樣可以實現(xiàn)多回路（感煙探測器或輸入/出模塊）控制時，巡檢周期比較?。?～4s），控制器報警周期短，系統(tǒng)聯(lián)動周期為快等特點。

1探測器硬件設(shè)計

火災(zāi)探測器硬件的設(shè)計可分為微處理器選型、硬件電路設(shè)計和接口電路設(shè)計等三部分。

1.1微處理器選型。根據(jù)系統(tǒng)對光電感煙火災(zāi)探測器的實際需求，考慮到探測器要對數(shù)據(jù)進行必要的預(yù)處理，屬于智能型終端設(shè)備，所以從微處理器的性價比、功耗、開發(fā)難易程度等方面綜合考慮，我們選用了AT89C2051單片機。AT89C2051是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS型的8位單片機，片內(nèi)含2k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（EPROM）和128 bytes的隨機數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性Flash存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容MCS-51指令系統(tǒng)，具有高速度、低電壓、低功耗、大電流LCD驅(qū)動能力和低價位等特點，基本體現(xiàn)出了單片機產(chǎn)業(yè)的新趨勢。

1.2硬件電路設(shè)計?；馂?zāi)探測器的硬件電路主要由微處理器、存儲系統(tǒng)、發(fā)射電路、接收與放大電路、接口電路、穩(wěn)壓電路、信號傳輸電路及燈光顯示電路等組成，硬件電路原理如圖1所示。

系統(tǒng)利用微處理器的端口接收控制器發(fā)來的地址、命令、數(shù)據(jù)等信息，并將探測器的地址、報警閾值等信息存入存儲器中，對接收與放大電路的輸出電壓進行A/D轉(zhuǎn)換。

根據(jù)探測器收集與處理數(shù)據(jù)信息的需要，系統(tǒng)應(yīng)該具備一個單獨的存儲系統(tǒng)。在考慮系統(tǒng)的體積與硬件條件后，我們選擇了串行Flash存儲器，用于存儲探測器的序列編號、地址編碼、報警閾值等信息。目前常用的串行Flash有兩線制和三線制兩種，我們選用了三線制產(chǎn)品SSF1101，該產(chǎn)品具有體積小、接口簡單、數(shù)據(jù)保存可靠、可在線改寫、功耗低等諸多特點，其與AT89C2051微處理器的連接方式也十分簡單。我們使用單片機的三根口線（P1.0、P1.1、P1.2）分別與SSF1101的接口SI、SCK及SO端相連以實現(xiàn)簡單的三線串行通信，單片機的另一口線（P1.3）與CS相連用于控制對器件的訪問。

1.3火災(zāi)感煙探測器與報警器間的電路連接。在火災(zāi)感煙探測器與火災(zāi)報警控制器之間采用電源線調(diào)制連接，即在直流24V電源上疊加7.5V脈沖信號，脈沖信號（包括地址與數(shù)據(jù)）經(jīng)耦合后送到微處理器進行譯碼、接收。探測器利用微處理器的捕捉輸入口接收報警控制器發(fā)來的地址、命令和數(shù)據(jù)信息，然后將探測器的地址、報警閥值等信息存入Flash中，并對接收放大電路輸出電壓進行A/D轉(zhuǎn)換。為了保證在通信時使電源線上的電壓保持相恒定，我們采用高低電平交替發(fā)送信息的辦法，即通過高電平或低電平的不同寬度來表示不同的信息。為了減少脈沖個數(shù)，每個脈沖表示兩位二進制碼，其編碼形式如表示。

火災(zāi)報警控制器在進行巡檢時，最多發(fā)送16位數(shù)據(jù)、2 位校驗位，其中前8位是地址或命令，后8位是數(shù)據(jù)。起始信號為5ms的低電平，校驗脈沖同時也是停止脈沖。控制器還向火災(zāi)探測器等部件廣播信號，探測器根據(jù)不同的命令接收或返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)。當(dāng)探測器接收到與自身地址碼相同的尋址信號時，微處理器的控制信號返回電路以脈沖幅度固定的電流信號向報警控制器返回探測器的地址、檢測值、故障、火警狀態(tài)等信息，返回的數(shù)據(jù)共10位，其中8位數(shù)據(jù)、2位校驗，探測器在報警控制器發(fā)送數(shù)據(jù)完成1ms后立即返回數(shù)據(jù)，脈沖幅度為40mA。

2系統(tǒng)程序設(shè)計

2.1確定報警廣播通信協(xié)議。為使火災(zāi)報警控制器能快速響應(yīng)探測器的報警信息，我們設(shè)計了報警廣播通信協(xié)議?；馂?zāi)報警控制器定時向整個回路發(fā)送廣播信息，探測器收到廣播信號時，如該探測器有報警信號需要發(fā)送，則開始逐位發(fā)送自己的地址，此時可能有多個探測器有報警信號，例如兩個探測器的地址分別是1和2(以下稱1#和2#探測器)，探測器首先發(fā)送自己的最低位，如圖2中的A點，若最低位是1則發(fā)送脈沖寬度是1.024ms，如為0則寬度為0.768ms。

當(dāng)兩個探測器同時發(fā)送時，返回的實際數(shù)據(jù)是1，控制器收到后，立刻通過總線把數(shù)據(jù)返回，如圖2中B點，當(dāng)2#收到該信號1時，與自己剛才發(fā)送的0相比較，發(fā)現(xiàn)不一致即退出通訊，1#則繼續(xù)通訊，發(fā)送自己后邊的所有地址位，直到發(fā)送完成?？刂破髟谕ㄓ嵧瓿珊?，已經(jīng)獲知1#探測器有新報警，則通過巡檢該地址的方式獲得該探測器的報警信息。

1#探測器在成功進行一次報警廣播通訊后，不再進行廣播通訊，除非有新報警信息產(chǎn)生(所有信息有新的變化)。當(dāng)控制器在下一個周期發(fā)送廣播通訊時，2#探測器繼續(xù)返回自己的信號，直到通訊完成。這樣控制器在兩個巡檢周期內(nèi)完成了兩個報警信息的查詢。

探測器發(fā)送的每個脈沖必須在收到脈沖0.5-1ms時返回，所有探測器必須保持一致。由于每次廣播通信的過程中低電平的脈沖寬度都小于5ms，因此其它探測器可以據(jù)此判斷通訊是否結(jié)束。

2.2報警判據(jù)設(shè)計

本文設(shè)計的光電感煙火災(zāi)探測器采用兩發(fā)一收的雙光路迷宮，微處理器實時計算與2個發(fā)射管構(gòu)成前向散射光路和后向散射光路的接收管，以響應(yīng)輸出值的比值。根據(jù)不同顏色、粒徑粒子的響應(yīng)輸出比值不同，對進入探測室煙霧顆粒進行分析、判斷，確認煙霧顏色及水霧、灰塵等非火警因素，并根據(jù)煙霧顆粒的顏色調(diào)整探測器響應(yīng)閾值，實現(xiàn)對各種顏色煙霧的均衡響應(yīng)。

前向散射、后向散射可各設(shè)一浮動閾值，其中后向散射閾值小，當(dāng)檢測值變化量超過浮動閾值進行連續(xù)采樣判斷。當(dāng)前向散射、后向散射有一路出現(xiàn)故障時，另一路可獨立進行火警判斷。因為光學(xué)探測室的內(nèi)壁不可能成為絕對黑體，發(fā)光元件發(fā)出的光經(jīng)過內(nèi)壁多次反射后，必然在探測空間內(nèi)形成一定照度的背景光，通過對背景光變化信號的分析，判斷發(fā)光元件的發(fā)光強度、接收元件的接收靈敏度、探測室的狀態(tài)等，使探測器實現(xiàn)自診斷。

2.3軟件設(shè)計實現(xiàn)

為了使應(yīng)用程序有良好的可維護性，程序采用了模塊化設(shè)計，流程圖如圖所示。

主程序?qū)崿F(xiàn)的功能實現(xiàn)對應(yīng)用程序的初始化設(shè)置，包括檢查探測器的地址、閾值、傳感器故障，判斷火警，寫Flash等功能。中斷服務(wù)程序功能包括四個模塊，主要是完成對控制器發(fā)送信號的接收、向控制器返回信號、對接收信號及數(shù)據(jù)進行處理及進行A/D采樣間隔、巡檢、閃燈間隔的計時等功能。

總結(jié)。本文采用AT89C2051微控制器設(shè)計的智能光電感煙火災(zāi)探測器，通過在實驗室測試，能較好地響應(yīng)黑煙、白煙等，靈敏度高、報警響應(yīng)速度快，具有較強的抗干擾和防誤報能力。相信通過進一步的優(yōu)化以后，一定能夠產(chǎn)生較好的效益。