光電型煙霧探測器的設(shè)計報告

..電子科學與應(yīng)用物理學院微波光電子技術(shù)課程設(shè)計報告課題名稱：光電型煙霧探測器的設(shè)計姓名:陶輝20114712專業(yè)__電子科11-1班指導劉士興小組成員：陶輝鐘小康袁傳翰陳國建趙凌峰日期：2013-2014學年第3學期第1-2周一、火災(zāi)探測報警技術(shù)發(fā)展概況近十幾年來,世界各國都對火災(zāi)的預防、報警和控制進行了大量的研究,使火災(zāi)探測報警系統(tǒng)產(chǎn)品更新?lián)Q代速度非?？臁Ｌ綔y器的性能和系統(tǒng)的聯(lián)動控制日趨完善,可靠性越來越高。模糊控制、小波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進的理論方法越來越多地用于火災(zāi)的判定。感煙式火災(zāi)探測器是目前世界上應(yīng)用較普遍的一類火災(zāi)探測器,而光電感煙探測器是利用起火時產(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)自動探測報警技術(shù)己經(jīng)有100多年的歷史。1890年英國人研制成功了感溫式火災(zāi)探測器,開創(chuàng)了歷史上火災(zāi)探測技術(shù)的先例。從19世紀40年代到20世紀40年代,感溫探測器一直占據(jù)主導地位,火災(zāi)自動報警系統(tǒng)處于初級發(fā)展階段。這一時期探測器的主要類型有：定溫探測器、差溫探測器和差定溫組合式探測器。探測技術(shù)主要是根據(jù)感溫探測器的采集的溫度信號,判定它是否超過某一閾值。但是由于感溫探測器的靈敏度較低,探測火災(zāi)的速度比較慢,尤其對陰燃火災(zāi)往往不響應(yīng),因此,它無法較好地實現(xiàn)火災(zāi)早期報警的要求。自20世紀40年代瑞士西伯樂斯公司研制出第一只離子感煙探測器,并組建了世界上第一家生產(chǎn)火災(zāi)報警設(shè)備廠,火災(zāi)自動報警技術(shù)開始了真正有意義的推廣和發(fā)展。到20世紀70年代,離子型感煙火災(zāi)探測器將感溫火災(zāi)探測器排擠到次要地位,火災(zāi)信號傳輸為多線制,包括N+1線或更多線?；饎萋油加跓熿F,感煙探測技術(shù)使人類在實現(xiàn)火災(zāi)早期報警向前邁進了一大步。20世紀70年代末,由于離子感煙探測器的放射性問題以及抗干擾能力及穩(wěn)定性差、誤報率高的問題,一種更新的光電式感煙探測器得到了大力研制和發(fā)展,并逐漸打破離子式感煙探測器的壟斷局面。通常,離子式感煙探測器更適合偵測焰火,而光電式對緩慢的陰燃火比較敏感。這一時期的火災(zāi)探測技術(shù)主要是根據(jù)感煙探測器采集的煙霧信號,判定是否超過某一閾值。隨后,火災(zāi)探測報警技術(shù)逐漸進入智能化時代。目前感煙式火災(zāi)探測器有離子感煙式、光電感煙式、激光感煙式等幾種型式。獨立式光電感煙火災(zāi)探測報警器是目前世界上應(yīng)用較普遍的一類獨立工作的火災(zāi)探測報警器,它不但可以在火災(zāi)初期發(fā)現(xiàn)火災(zāi),同時解決了離子火災(zāi)探測器放射源輻射,解決了污染問題。到目前為止,火災(zāi)探測報警技術(shù)已發(fā)展成為一門多學科、多專業(yè)的綜合應(yīng)用科學,在建筑、工業(yè)、國防和科學技術(shù)等各個領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用,它已成為人類同火災(zāi)作斗爭的重要手段,在預防火災(zāi)、保護國家經(jīng)濟建設(shè)和人民生命財產(chǎn)安全方面發(fā)揮了巨大的作用。二、煙霧報警器的原理和工作結(jié)構(gòu)光電型煙霧探測器主要由光學探測室及相關(guān)電路組成,由紅外發(fā)光元件、紅外光接收元件、光學探測暗室組成。光電感煙機理如下:煙粒子和光相互作用時,粒子以同樣波長再輻射己經(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度不同,這個過程稱為散射。光學探測室Z形遮光部件及其它構(gòu)件組合成探測室的光學暗室內(nèi)腔,最大限度的減弱環(huán)境光線的影響。同時它也形成煙顆粒迷宮,一方面煙顆粒容易流入,另一方面煙進入后相對不易流出,以減少外界氣流的影響。光電型煙霧探測電路模塊是通過一對紅外線發(fā)射和接收二極管實現(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,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,接收元件接近無信號輸出〔實際當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輸出。火災(zāi)發(fā)生時,有煙顆粒進入光學探測室,紅外光經(jīng)煙顆粒散射并到達接收二極管,產(chǎn)生電流信號,信號通過經(jīng)過兩級放大,光電信號被放大數(shù)十倍,使得探測電路的靈敏度很高。光敏二極管接收到散射光信號隨煙霧濃度增加而加大,經(jīng)過微處理器內(nèi)嵌的ADC做模數(shù)轉(zhuǎn)換后作為煙霧傳感數(shù)據(jù)。報警器采用延時的工作方式,煙霧檢測報警器以AT89C51單片機為控制核心,發(fā)光二極管與光敏二極管構(gòu)成煙霧傳感器,ADC0808進行A/D轉(zhuǎn)換,配合外圍電路構(gòu)成煙霧報警系統(tǒng)。報警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1。單片單片機煙霧傳感器放大電路A/D轉(zhuǎn)換LED狀態(tài)指示燈圖2-1可燃煙霧報警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖該系統(tǒng)的工作由煙霧信號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。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路再將該模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機可識別的數(shù)字信號后送入單片機。單片機對該數(shù)字信號進行處理,并對處理后的數(shù)據(jù)進行分析。當輸入A/D轉(zhuǎn)換器的放大信號不為零時,啟動報警電路。反之則為正常工作狀態(tài)。三、AT89C51的時鐘電路和復位電路〔1時鐘電路：AT89C51單片機芯片內(nèi)部設(shè)有一個由反向放大器構(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)部振蕩電路就會產(chǎn)生自激振蕩。系統(tǒng)采用的定時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。時鐘電路如圖3-3。圖3-1時鐘電路〔2復位電路：單片機有多種復位電路,本系統(tǒng)采用自動復位〔上電復位與手動復位方式,電路如下圖。當上電時,C3充電,電源經(jīng)過電容器C3 加到RESET引腳,使單片機復位；在正常工作時,按下復位鍵時單片機復位。圖3-2復位電路圖3.1信號采集及前置放大電路在許多檢測技術(shù)的應(yīng)用場合,傳感器輸出的信號比較弱,而且其中還包括了工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾,對這種信號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經(jīng)過前置放大電路對其進行的放大、濾波、電平調(diào)整,才能滿足單片機對輸入信號的要求。圖3-3LM324四運放引腳圖和結(jié)構(gòu)圖設(shè)計中采用LM324作為電路的運算放大器。LM324是價格便宜的帶差動輸入功能的高增益四運算放大器。LM324的靜態(tài)功耗小、價格低廉,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關(guān),四個運放一致性好；其輸入偏流電阻是溫度補償?shù)?也不需外接頻率補償,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,紅外光在無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,接收元件接近無信號輸出〔實際當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輸出?；馂?zāi)發(fā)生時,有煙顆粒進入光學探測室,紅外光經(jīng)煙顆粒散射并到達接收二極管,產(chǎn)生電流信號,信號通過經(jīng)過兩級放大〔在兩級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,光電信號被放大數(shù)十倍,使得探測電路的靈敏度很高。 圖3-4信號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)換時間為100μs左右,可對0-5V的模擬信號進行轉(zhuǎn)換。多路開關(guān)可選通8個模擬通道,允許8路模擬量分時輸入,共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換,這是一種經(jīng)濟的多路數(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～IN7是8路模擬信號輸入端。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,三者編碼對應(yīng)8個通道地址口。C,B,A=000～111分別對應(yīng)IN0～IN7通道地址。<3>OE,START,CLK,EOC為控制信號端,OE為輸出允許端,START為啟動信號端,CLOCK為時鐘信號輸入端,EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號端。<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輸入8路模擬信號,但每個瞬間只能轉(zhuǎn)換一路,各路之間的切換由軟件變換通道地址實現(xiàn)。地址鎖存與譯碼電路完成對A、B、C3個地址位進行鎖存和譯碼,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)及時傳送給單片機進行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認A/D轉(zhuǎn)換的完成,因為只有確認完成后,才能進行傳送。設(shè)計中采用中斷方式進行數(shù)據(jù)傳送。擴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展中。其主要特點在于：控制端G為高電平時,輸出Q0～Q7跟隨輸入信號D0～D7的狀態(tài);G下跳沿時,D0～D7的狀態(tài)被鎖存在Q0～Q7上。由于ADC0808片內(nèi)無時鐘,可利用AT89C51提供的地址鎖存允許信號ALE經(jīng)D觸發(fā)器二分頻后獲得,ALE腳的頻率是AT89C51單片機的時鐘頻率的1/6。由于單片機頻率采用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對時鐘頻率的要求。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,在單片機擴展連接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～IN7中的一路。將P2.7作為片選信號,在啟動A/D轉(zhuǎn)換時,由單片機的寫信號和P2.7控制ADC的地址鎖存和轉(zhuǎn)換啟動,由于ALE和START連在一起,因此ADC0808在鎖存通道地址的同時,啟動轉(zhuǎn)換。在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時,用低電平的讀信號和P2.7腳經(jīng)一級或非門后,產(chǎn)生的正脈沖作為OE信號,用以打開三態(tài)輸出鎖存器。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC經(jīng)反向后送到單片機的INT0引腳,單片機讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果并將結(jié)果送P1.0端口顯示。圖3-6ADC0808與單片機的接口電路圖3.3總電路設(shè)計圖圖3-7總電路圖設(shè)計四、軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件的設(shè)計采用的是匯編語言,對單片機進行編程實現(xiàn)各種功能。程序是在windows7環(huán)境下采用keil軟件編寫的,可以實現(xiàn)對八路數(shù)據(jù)的采集與處理,能實現(xiàn)對數(shù)據(jù)、地址的顯示。程序流程圖如下圖所示:開始開始初始化初始化信號采集信號采集調(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聲光報警聲光報警結(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MOVR1,#00H;模擬通道0MOVP2,#7FH;ADC0808片選端口地址MOVA,#00H;MOVXR1,A;啟動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ADC0808LOOP1:RET;返回START:PUSHPSW;保護斷點PUSHAcc;保護斷點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)場保護PUSHAccSETBEA；開中斷MOVTL0,#0CH；T0重置初值MOVTH0,#0FEHCPLP1.0CLREAPOPAccPOPPSWSETBEARETIEND五、結(jié)論本次設(shè)計以AT89C51單片機作為智能系統(tǒng)的主控制單元,輔之以適當?shù)能洝⒂布K設(shè)計完成以單片機為核心的智能火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計,實現(xiàn)火災(zāi)報警。本文的主要功能是基于單片機的硬件應(yīng)用研究型設(shè)計,設(shè)計和實現(xiàn)一種分布式智能火災(zāi)報警控制系統(tǒng)。通過多個傳感器感知火災(zāi)發(fā)生時周圍環(huán)境的變化,及時采得數(shù)據(jù),通過處理給予正確的報警信號,及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi),挽救生命財產(chǎn)損失。在本次設(shè)計中,主要掌握了C51單片機、KEIL軟件編程方法,Proteus使用方法。硬件單元設(shè)計主要由單片機主控處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、報警電路模塊四個模塊組成。了解了四個模塊的使用方法和連接方法,能夠從整體上把握智