潘瑋煒，茍爽爽，王冬生，張曉榮，王桂梅

(河北工程大學(xué)，河北省智能工業(yè)裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北邯鄲 056038)

0 引言

現(xiàn)有的煙霧濃度檢測(cè)報(bào)警器主要有離子式、光電式、激光式。其中離子式容易對(duì)環(huán)境造成污染且不易儲(chǔ)存，光電式易受環(huán)境光及黑煙影響，激光式煙霧濃度檢測(cè)價(jià)格高，不適合廣泛使用[1-3]。針對(duì)以上問(wèn)題，結(jié)合光電式與激光式煙霧濃度檢測(cè)，設(shè)計(jì)了一種新型的基于單片機(jī)的光纖煙霧濃度檢測(cè)系統(tǒng)。采用光纖激光器作為光源，以硅光電池作為系統(tǒng)的光電探測(cè)器，成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)污染，不受自然光及黑煙影響，可靠性與靈敏度高，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

1 硬件系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)檢測(cè)的內(nèi)容與方法

光電傳感裝置首先將煙霧濃度的變化轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的變化，再通過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳感裝置的原理框圖如圖1所示。本文選擇光纖激光器作為光電傳感器的光源，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)光電式煙霧檢測(cè)器采用普通紅外光作為光源易受環(huán)境影響的不足[4-5]。

圖1 傳感裝置原理圖

由于硅光電池的短路電流與入射光強(qiáng)度具有很好的線性關(guān)系，且硅光電池成本低，但光電流比較微弱，而帶動(dòng)的電流負(fù)載較強(qiáng)，故采用運(yùn)放AD8606構(gòu)成電壓跟隨器來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，減小信號(hào)失真，以確保檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性。單片機(jī)只能接收數(shù)字信號(hào)，而前級(jí)電路產(chǎn)生的信號(hào)為模擬信號(hào)，因此需要采用10位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器TLC1549CP作為系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量被單片機(jī)讀取后會(huì)與閾值進(jìn)行比較，判斷是否需要報(bào)警，并由字符液晶屏LCD1602顯示當(dāng)前煙霧濃度值。在以單片機(jī)為主控芯片的報(bào)警系統(tǒng)中，有源蜂鳴器不需要外接驅(qū)動(dòng)信號(hào)，更便于程序控制，而電磁式蜂鳴器體積較小，故采用電磁式有源蜂鳴器作為檢測(cè)系統(tǒng)的報(bào)警器[6-8]。系統(tǒng)硬件包括單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、信號(hào)采集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、顯示及報(bào)警電路，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電路原理框圖

1.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

最小系統(tǒng)包括電源電路、復(fù)位電路、晶振電路以及串行通信電路[9-11]。

復(fù)位是對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化操作，STC89C52是高電平復(fù)位，令RST引腳保持2個(gè)機(jī)器周期時(shí)間的高電平即可讓單片機(jī)復(fù)位，復(fù)位方式有上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位2種。除系統(tǒng)崩潰或故障的情況外，基本不需要進(jìn)行復(fù)位操作，選擇按鍵手動(dòng)復(fù)位電路如圖3所示。STC89C52單片機(jī)內(nèi)部含有一個(gè)高增益反相放大器用于構(gòu)成振蕩器，引腳XTAL1(X1)和XTAL2(X2)分別是該放大器的輸入端和輸出端。為簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用內(nèi)部觸發(fā)方式，晶振電路如圖4所示。由于需要通過(guò)串口對(duì)程序進(jìn)行下載，設(shè)置晶振頻率為11.059 2 MHz。

圖3 單片機(jī)復(fù)位電路

圖4 單片機(jī)晶振電路

STC89C52單片機(jī)串行通信包括RS232和RS485，整個(gè)過(guò)程僅需下載程序時(shí)完成一次點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，且傳輸距離短，采用RS232串行通信。STC89C52串行口輸出TTL電平，而RS232的邏輯電平與TTL電平完全不同，需要接入MAX202CPE芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，串行通信電路如圖5所示。

圖5 單片機(jī)串口通信電路

1.3 信號(hào)處理電路

信號(hào)處理模塊包括以AD8606構(gòu)成的電壓跟隨器為核心的信號(hào)采集電路、以TLC1549CP及其參考電壓發(fā)生電路為核心的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，如圖6所示。AD8606電壓跟隨器電路是同向放大電路的極端情況，它的電壓增益為1，即輸出電壓與輸入電壓完全相等，可實(shí)現(xiàn)高阻信號(hào)源對(duì)低阻負(fù)載的驅(qū)動(dòng)，且沒(méi)有電壓損失。另外可以避免信號(hào)的損耗，消除前后級(jí)電路之間的相互影響，起到隔離緩沖作用。輸出端并聯(lián)接入濾波電容C17和C18，C17電容值較大，用于濾除低頻信號(hào)，C18電容值較小，用于濾除高頻信號(hào)。

TLC1549CP模數(shù)轉(zhuǎn)換器的正常工作需要高精度參考電壓的輸入，由TCM828和AD1585ART提供。開(kāi)關(guān)電容式電壓轉(zhuǎn)換器TCM828是一種以電容作為儲(chǔ)能元件的DC-DC轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%，通過(guò)內(nèi)置組合開(kāi)關(guān)的配合，將能量?jī)?chǔ)存到電容器中，再以受控方式釋放，以獲得更穩(wěn)定的輸出電壓。AD1585ART是串聯(lián)式的帶隙基準(zhǔn)電壓源，其功耗低、成本低、壓差低且精度高，利用電阻壓降的正溫漂補(bǔ)償晶體管發(fā)射結(jié)正向壓降的負(fù)溫漂，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定電壓輸出。

圖6 信號(hào)處理電路

1.4 顯示及報(bào)警電路

顯示及報(bào)警電路如圖7所示。K1為系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕。STC89C52單片機(jī)內(nèi)部沒(méi)有上拉電阻，所以在與LCD1602通過(guò)P0口相連時(shí)需要外接排阻以提供足夠大的電流才能夠驅(qū)動(dòng)液晶屏進(jìn)行顯示。V0端是LCD1602的對(duì)比度調(diào)整端，對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，對(duì)比度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致顯示不清甚至不能顯示，因此接1個(gè)10 kΩ的電位器W1，用于調(diào)節(jié)LCD1602的對(duì)比度。蜂鳴器作為報(bào)警裝置，通過(guò)1個(gè)PNP型三極管與單片機(jī)的P2.7引腳連接。利用三極管的開(kāi)關(guān)特性對(duì)蜂鳴器起到控制作用，蜂鳴器低電平有效。當(dāng)I/O口輸出低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器工作；當(dāng)I/O口輸出高電平時(shí)，三極管截止，蜂鳴器停止工作。

圖7 顯示及報(bào)警電路

2 系統(tǒng)軟件

由于系統(tǒng)需要采集模擬量，采用單片機(jī)編譯程序Keil進(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì)，包括主程序、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊與報(bào)警模塊。

2.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)上電后各部分元件的初始化，并調(diào)用各模塊的子程序以及控制信號(hào)采集的啟停，完成對(duì)整個(gè)煙霧檢測(cè)系統(tǒng)的智能報(bào)警控制并對(duì)當(dāng)前煙霧濃度進(jìn)行顯示，主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

本程序通過(guò)信號(hào)采集結(jié)果計(jì)算當(dāng)前煙霧濃度，以硅光電池在無(wú)煙霧時(shí)的輸出電壓為基準(zhǔn)，計(jì)算當(dāng)前電壓V與無(wú)煙霧時(shí)的電壓V0的比值，即以輸出電壓的變化作為檢測(cè)結(jié)果。當(dāng)前煙霧濃度φ可按式(1)計(jì)算：

(1)

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊程序設(shè)計(jì)

圖9 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊流程圖

2.3 顯示及報(bào)警模塊程序設(shè)計(jì)

顯示及報(bào)警模塊流程圖如圖10所示。LCD1602是慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前需要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志位為低電平，否則指令失效。顯示字符時(shí)要先輸入顯示字符地址，然后再寫入需要顯示的數(shù)據(jù)或字符。采用的有源蜂鳴器只要接通直流電壓就可以發(fā)聲，只需STC89C52的P2.7引腳輸出低電平即可使蜂鳴器報(bào)警。

圖10 顯示及報(bào)警模塊流程圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于MXY9001光電技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)設(shè)計(jì)的光纖煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行了可行性與可靠性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，搭建的實(shí)物電路如圖11所示。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中提前設(shè)定的報(bào)警閾值為φ=20%，即煙霧濃度高于20%時(shí)蜂鳴器報(bào)警。接通電源，調(diào)節(jié)LCD1602的對(duì)比度，直至能清晰顯示字符為止，打開(kāi)光纖激光器的光源開(kāi)關(guān)按下啟動(dòng)按鈕K1，可以看到此時(shí)煙霧濃度為0。

圖11 系統(tǒng)實(shí)物電路圖

出于實(shí)驗(yàn)室用火安全考慮，采用模擬煙霧實(shí)驗(yàn)。用透明度不同的紙片對(duì)光源進(jìn)行遮擋，模擬實(shí)際情況下不同煙霧對(duì)光源的遮擋，如圖12所示。

(a)不透明紙片模擬結(jié)果

(b)半透明紙片模擬結(jié)果圖12 不同透明度紙片模擬結(jié)果

采用不透明紙片模擬煙霧時(shí)，LCD1602顯示當(dāng)前煙霧濃度為100.1%，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警；采用半透明紙片模擬煙霧時(shí)，LCD1602顯示當(dāng)前煙霧濃度為30.2%，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)對(duì)模擬煙霧響應(yīng)速度基本滿足報(bào)警要求，且煙霧濃度越高，響應(yīng)速度越快。

采用不同顏色的紙片對(duì)比系統(tǒng)對(duì)深色和淺色煙霧的響應(yīng)速度，以檢驗(yàn)煙霧濃度檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于各種煙霧是否均能很好的響應(yīng)，如圖13所示。采用黑色半透明紙片模擬煙霧時(shí)，LCD1602顯示當(dāng)前煙霧濃度為36.6%，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警；采用白色半透明紙片模擬煙霧時(shí)，LCD1602顯示當(dāng)前煙霧濃度為30.2%，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)對(duì)模擬煙霧的效應(yīng)效果并未受到顏色影響，克服了傳統(tǒng)光電式煙霧濃度檢測(cè)對(duì)黑煙效果差的缺點(diǎn)。

(a)黑色紙片模擬結(jié)果

(b)白色紙片模擬結(jié)果圖13 不同顏色紙片模擬結(jié)果

為了研究外部工作條件對(duì)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的影響，模擬了系統(tǒng)在強(qiáng)光及高噪聲環(huán)境下的工作情況，如圖14所示。利用多個(gè)手機(jī)手電筒打光，模擬系統(tǒng)在強(qiáng)光條件下工作，用白色半透明紙片模擬煙霧，LCD1602顯示當(dāng)前煙霧濃度為39.2%，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警；模擬系統(tǒng)在76 dB噪聲環(huán)境下工作，用白色半透明紙片模擬煙霧，LCD1602顯示當(dāng)前煙霧濃度為34.1%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性與可靠性受到外部光源及噪聲的影響較小。

(a)強(qiáng)光條件模擬結(jié)果

(b)噪聲環(huán)境模擬結(jié)果圖14 強(qiáng)光及噪聲環(huán)境模擬結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的光纖煙霧濃度檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)采用光纖激光器作為光源，以硅光電池作為系統(tǒng)的光電探測(cè)器，使系統(tǒng)的成本顯著降低，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，無(wú)污染，解決了傳統(tǒng)煙霧濃度檢測(cè)器受自然光源影響大、對(duì)火災(zāi)黑煙響應(yīng)效果不佳的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)證明：煙霧濃度檢測(cè)系統(tǒng)具有較高的可靠性與靈敏度，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。