烟雾检测器设计学士毕业论文.docx
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烟雾检测器设计学士毕业论文
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目录
1功能说明………………………………………………………………………3
2感烟火灾探测器的介绍………………………………………………………3
2.1离子感烟探测器………………………………………………………………3
2.2光电感烟探测器………………………………………………………………4
2.3两者比较……………………………………………………………………4
2.4其他感烟探测器………………………………………………………………5
3MC14468传感器…………………………………………………………………6
3.1MC14468的结构特点及工作原理……………………………………………6
3.2MC14468传感器应用举例……………………………………………………7
4AT89C51单片机………………………………………………………………9
4.1AT89C51单片机管脚说明……………………………………………………9
4.2AT89C51单片机振荡器特性…………………………………………………11
4.3AT89C51单片机芯片擦除……………………………………………………12
5无线收发芯片nRF401…………………………………………………………12
6RFID系统………………………………………………………………………15
7烟雾检测器系统设计…………………………………………………………15
7.1烟雾检测器总体结构…………………………………………………………15
7.2烟雾检测器系统设计…………………………………………………………16
8烟雾检测器系统软件设计……………………………………………………20
8.1软件设计………………………………………………………………………20
8.2软件设计流程图………………………………………………………………22
9智能火灾报警系统的设计……………………………………………………23
9.1智能火灾报警系统的设计应用………………………………………………23
9.2智能探测器数量的确定………………………………………………………23
10软件设计程序清单及部分注释……………………………………………24
参考文献………………………………………………………………………27
1功能说明
电子科技的飞速发展，给古老的火灾报警系统生产带来了巨大的变革，现代的电子技术的研发，产生了一系列的火灾自动报警系统。
现代建筑的特点是楼层不断加高，这主要是从缓解城市用地的紧张的角度出发，同时还便于集中供电、供热、供气，便于集中管理和控制。
现在，不论是普通型（比如民用住宅）还是豪华型（比如高级宾馆）的高层建筑，都日益重视防火和安全技术的普及应用。
因为其楼层多、人员密集，如果发生火灾，疏散困难，扑救也困难，势必造成严重的人员伤亡和财产损失。
为了保障高层建筑的安全可靠，必须设计出具有可靠性高、实时性好的火灾自动报警与消防系统，其要求是：
（1）当有火情发生时，能以最快的速度检测报警，并能检测火情发生的具体地点（特定的地址编码）；
（2）经查实确认后，能及时的通报消防部门灭火；
（3）系统本身应有自身故障检测的功能，如系统欠电压报警和自检功能等，保证自动报警系统功能完好；
（4）较高的系统抗干扰能力，防止系统发生误报警。
目前，虽然已经有多种火灾自动报警系统，但大多还属于脱机方式，最终要靠人来联系消防部门，往往由于不能及时报警而造成巨大损失。
如果能够以在线的方式直接工作，将很大程度上减轻财产损失和人员伤亡。
我们正是着眼于这一问题，力图从根本上解决脱机信号传输方式存在的问题，直接将信号通过无线传输技术发送给主控室或消防部门，达到第一时间救火、灭火的目的[1]。
2感烟火灾探测器的介绍
2.1离子感烟探测器
离子型烟雾报警器，它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正、负离子，在电场的作用下各向正负电极移动。
在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。
一旦有烟雾进入外电离室，烟雾达到3.0%ft时就干扰了带电粒子的正常运动，使电流，电压就有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是就发出了信号达到报警的目的[2]。
由于离子烟雾报警器对小粒子较敏感，所以在烹饪时会有较快的反应。
如果你遇到过这类问题，你可以有以下几种选择：
（1）将烟雾报警器安装在离烹饪的地方较远处，那么烟雾粒子到达报警器时就会变弱很多，如果你选择了这种方法，就应该弄清楚空气的流动方向。
否则也起不到什么效果。
（2）安装一个光电烟雾报警器。
当发生的火灾产生的是较小的粒子，你可能失去较早报警的机会，但是你也省去多个烟雾报警器失灵的麻烦。
（3）安装一个离子光电联合烟雾报警器。
如果两种传感器结合在一起，离子传感器的敏感度可以设置的小一些，这样装置就会减少误报，同时你也可以拥有一个对蔓延快的熊熊大火和蔓延较慢的闷烧的火灾都有较大灵敏度的烟雾报警器。
（4）安装一个有静音功能的离子烟雾报警器。
这样你可以让报警器降低灵敏度15分钟，抽烟或做饭时避免刺耳的报警声。
2.2光电感烟探测器
光电式感烟探测器由光源、光电元件和电子开关组成。
利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测，并及时发出报警信号。
按照光源不同，可分为一般光电式、激光光电式、紫外光光电式和红外光光电式等4种[3]。
光电型烟雾报警器，它有一个发光元件和一个光敏元件，平常光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如果有烟雾从中阻隔，到达光敏元件上的光就显著减弱，达到3.0%ft时光敏元件就把光强的变化变成电的变化，通过放大电路向人们报警。
光电感烟探头是一种检测燃烧产生的烟雾微粒的火灾探测器。
光电感烟作为前期、早期火灾报警是非常有效的。
对于要求火灾损失小的重要地点，火灾初期有阴燃阶段，产生大量的烟和少量的热，很少或没有火焰辐射的火灾，都适合选用[4]。
2.3两者比较
离子烟雾报警器对微小的烟雾粒子的感应要灵敏一些，对各种烟能均衡响应；而前向式光电烟雾报警器对稍大的烟雾粒子的感应较灵敏，对灰烟、黑烟响应差些。
当发生熊熊大火时，空气中烟雾的微小粒子较多，而闷烧的时候，空气中稍大的烟雾粒子会多一些。
如果火灾发生后，产生了大量的烟雾的微小粒子，离子烟雾报警器会比光电烟雾报警器先报警。
这两种烟雾报警器时间间隔不大，但是这类火灾的蔓延极快，此类场所建议安装离子烟雾报警器较好。
另一类是闷烧火灾发生后，产生了大量的稍大的烟雾粒子，光电烟雾报警器会比离子烟雾报警器先报警，这类场所建议安装光电烟雾报警器。
如果你想将两者的长处兼而有之，你可以在要求安装烟雾报警器的地方将两种烟雾报警器都安上。
2.4其他感烟探测器
红外光束感烟探测器采用UV185～260nm火焰窄光谱信号轨对轨采集全脉冲分析技术（PPW）设计，避免了传统探测器的易受干扰的弱点。
采用斜率递增信号检测技术（PAM）对探测环境进行监测，提高了探测器的稳定性及持续使用性。
保证了探测器在尽量降低误报的同时，快速完成火焰识别检测火情的能力，通过CPU对探测管监控，延长了探测管的使用寿命。
探测器适用于各类：
油库、酒库、飞机库、化工设备场所、军事设备场所、液化气站、电站等火灾萌发时无阴燃阶段或较少阴燃阶段，而以直接产生明火为主的场所。
具有较高的抗干扰能力，不受风雨、高温、高湿及自然人工光源等影响，可良好工作于室内环境[5]。
探测器采用六线制连接方式（两根电源线，两根火警触点线，两根故障触点线），报警时火警触点由常开变常闭，报故障时故障触点由常闭变常开，可与任意厂家的火灾报警系统连接。
还有一种叫管道抽吸式感烟探测器，它的工作原理与光电感应探测器中另一种散射型相似，通过烟雾的反射或散射产生光敏电流，主要用在船舶上。
近年来还出现了激光感烟探测器，它也是利用光电感应原理，不同的是光源改用激光束。
这种探测器采用半导体器件，体积小、价格低、耐震动、寿命长，很有发展前途[6]。
3MC14468传感器
3.1MC14468的结构特点及工作原理
烟雾检测器MC14467—1和MC14468是美国摩托罗拉（MOTOROLA）公司生产的离子感烟探测报警专用芯片，为大规模CMOS电路构造。
它只需外接一个离子源和用于安装离子源的离子室及少量的外部元件，即完成烟雾探测、报警的功能。
当探测到烟雾时，它能通过外接的压电式换能器和内部的驱动电路发出报警声。
它主要具有以下一些特点：
（1）内置高输入阻抗的场效应管和比较器；
（2）内含压电式蜂呜器的驱动电路，可以直接驱动蜂呜器；
（3）探测信号输入端具有保护二极管；
（4）电池欠压报警，电池电压报警点可通过外接电阻设置；
（5）探测阀值即灵敏度可通过电阻进行设置；
（6）具有电池极性反接保护功能（仅MC14467—1具有）；
（7）MC14468还具有一个IO脚，允许40个报警单元相互连接在一起，组成一个多点报警区域系统。
MC14467—1和MC14468为双列直插式（DIP）16脚封装，其引脚如图3.1所示。
由图可看出它具有直接同离子室中的各极相连的引脚和发光二极管驱动输出脚等。
MC14467—1和MC14468内含有振荡器、定时器、锁存器、报警控制逻辑电路和高输入阻抗的比较器、电阻网络等。
没有检测到烟雾时，MC14467—1和MC14468的内部振荡器振荡周期为1.67S。
每个1.67S周期内，内部的电源都提供给整个芯片工作。
除了LED闪亮、电池欠压告警和有烟雾报警期间，它都不停地检测有无烟雾，每24个周期检测一次电池电压是否正常，它是通过与比较器中的一个齐纳稳压二极管相比较而得出，因为整个探测装置对功耗的要示比较高，所以经12脚接的振荡电容应该选低泄漏的电容，以提高电池使用寿命[7]。
当MC14467—1或MC14468一旦检测到有烟雾时，振荡器的振荡周期变为40MS，压电蜂鸣器振荡驱动电路启动，启动使能输出为维持高电平160MS后，停止80MS。
在停止期间，继续检测烟雾的变化，这时如果没有检测到烟雾，则禁止蜂鸣器振荡电路振荡，将不发出报警声。
在烟雾报警过程中，将禁止电池欠压报警，同时LED发光二极管指示灯闪亮，频率约为1Hz。
检测输入端的邻近脚均设置有隔离保护，这三个脚的输入端电压必须在100MV以内，以维持其泄漏电流最小化，提高其测量精度，15脚检测输入端内部设置有保护二极管，防止静电干扰等引起场效应管损坏。
烟雾检测的灵敏度和电池欠压告警值可通过外接电阻来设置，它们共用一个电阻分压网络，通过3脚将一电阻接到VDD，可设置电池欠压告警电压值，通过13脚将一电阻接至VSS可设置灵敏度级别；灵敏度级别的设置也可以通过改变离子室的结构或离子源的强度。
电池欠压告警值一般设置为7.0V左右[8]。
态，将1脚接至VDI可模拟检测出有烟情况。
MC14468还有一个IO脚，可将40个检测单元构成的一个多点探测区域，在得电后的三个振荡器周期内，IO引脚处于无效状态，以消除其它单元的意外变化引起的误报警等。
为提高噪声抑制能力，它同其它单元信息交换主要采用电流传输方式[9]。
3.2MC14468传感器应用举例
我们用MC14468设计的TA-JY-9708型家用火灾自动探测报警器的原理，离子室中的离子电流随着探测现场的烟雾变化而变化，从而产生微弱的电压变化传的检测端15,由MC14468内部的逻辑处理电路处理后，启动蜂鸣器驱动电路，蜂鸣器驱动电路经外接的C10、R10、R9形成调制的变频输出，从而推动蜂鸣器发出报警声。
通过报普声音和发光二极管V1的闪烁等来判定所处的各种状态。
当V1发光二极管闪亮，并且蜂鸣器发出刺耳的音频报警声时，为本处有火灾报警信号。
当只有刺耳的报警声，而发光二极管不闪亮时，为本区域探测网中其他地方报警，提醒用户注意危险。
当为一短促的嘟嘟声，且V1发光二极管闪亮时，为电池欠压告警，提醒用户更换电池。
当为一短促的嘟嘟声，且V1发光二极管不亮，则为探测报警器的灵敏度级别有所降低，提醒用户进行适当的维护，以提高其探测灵敏度。
同时不同状态的闪亮频率还有所区别。
蜂鸣器XI共有三个级，分别为B极、S极、F极，系美国进口，由中美合资南京华锋电子有限公司经销。
B1为9V叠层电池，探测报警器处于监控状态时电流只有10μA左右，所以一般情况下电池至少可以使用一年以上。
图3.2中，R8用来设置电池欠压告警值可以根据需要来进行调整；R7用来设置探测灵敏度，R4为定时电阻，一般选用8.2MΩ。
V1可选用目前市场上新推出的高亮度发光二极管，以减少损耗。
R1、R2、V2和V3是当接成区域报警网时用来保护芯片免遭意外干扰或静电等造成损坏。
离子室所用放射源可选用镅241（Am241），强度约0.8微居里即可。
探测报警器安装后，一般每一个月要自检一次，检查报警等各种功能是否正常，为此设里了一自检按钮，安装在先体的外部供用户自检使用.整个装置内设有金属屏蔽层，可防止外部各种信号干扰。
内置离子源强度较小，不会对环境造成污染，不会对人体有伤害，符合有关规范要求[10]。
图3.2TA-JY-9708型家用火灾自动探测报警器原理图
MC14570。
它们的基本工作原理相同，只是因其内部无电池欠压告警电路，只能通过外接集中供电电源头实现.比较实用于一个较大的住宅小区，采用统一的电源并在布线时引至每一安装此装置的居民家中即可[11]。
4AT89C51单片机
4.1AT89C51单片机管脚说明
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[12]。
AT89C51管脚（如图4.1所示）说明：
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向IO口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向IO口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向IO口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向IO口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2INT0（外部中断0）
P3.3INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6WR（外部数据存储器写选通）
P3.7RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALEPROG:
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的16。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。
EAVPP:
当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH）,不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA
端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
图4.1AT89C51管脚图
4.2AT89C51单片机振荡器特性
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
4.3AT89C51单片机芯片擦除
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM,定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
5无线收发芯片nRF401
nRF401（如表5.1和表5.2）是北欧集成电路公司最新推出的单片无线收发一体的芯片，采用蓝牙核心技术设计，在一个20脚的芯片中包括了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制、FSK解调、多频道切换等，是目前集成度最高的无线数传产品，具有性能优异、功耗低、使用方便等特点，nRF401的外围元件很少，只包括一个基准晶振和几个无源器件，没有调试部件，这给研制及生产带来了极大的方便。
nRF401采用抗干扰能力强的FSK调制方式，工作频率稳定可靠，外围元件少，便于设计生产，功耗极低，适合于便携及手持产品的设计，由于采用了低发射功率，高接收灵敏度的设计，满足无线电管制要求，无需使用许可证，是目前低功率无线数传的理想选择，可广泛用于遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线数字语音等。
nRF401无线收发芯片性能领先业界，其显著特点是外围元件较少（约10个），在设计上充分考虑了用户编程和使用的方便，例如nRF401可以直接接单片机串口发送接收数据，而无需对数据进行曼彻斯特编码，其他的单片RF收发芯片一般都需要对数据进行曼彻斯特编码后才能发送，采用曼彻斯特编码不仅增加了编程的复杂性，而且传输效率低，实际速率仅为标称的一半，不能满足实时传输的需要。
而nRF401系列独特的技术可以直接传送单片机串口数据，目前还没有其他厂商能做到这一点。
nRF401是目前外接元件最少的单片RF收发芯片之一，采用易于获得的4MHZ晶振，通过频率合成器合成433MHZ的工作频率，大大降低了成本，增加了使用的灵活性，而其他产品大多需要外接昂贵的变容二极管或表面波振子。
图5.1给出了nRF401的应用电路[13]。
表5.1NRF401引脚功能表
Pin
Name
Pinfunction
Description
1
XC1
输入
参考振荡器输入端
2
VDD
电源
电源端口（+3-5VDC）
3
VSS
地
地（0V）
4
FILT1
输入
滤波器接入端口
5
VCO1
输入
压控振荡电感端口
6
VCO2
输入
压控振荡电感端口
7
VSS
地
地（0V）
8
VDD
电源
电源端口（+3-5VDC）
9
DIN
输入
发射数据输入
10
DOUT
输出
接收数据输出
11
RF_PWR
输入
射频功率设置
12
CS
输入
通道选
CS="0"=>433.92MHz（Channel#1）
CS="1"=>434.33MHz（Channel#2）
13
VDD
电源
电源端口（+3-5VDC）
14
VSS
地
地（0V）
15
ANT2
输入输出
天线接口
16
ANT1
输入输出
天线接口
17
VSS
地
地（0V）
18
PWR_UP
输入
电源开关
PWR_UP="1"=>Powerup（Operatingmode）
PWR_UP="0"=>Powerdown（Standbymode）
19
TXEN
输入
工作模式
TXEN="1"=>Transmitmode
TXEN="0"=>Receivemode
20
XC2
输出
参考振荡器输出端
表5.2nRF401电气性能参数
Paremeters
Value
Unit
工作频道
433.92434.33
MHz
调制方式
FSK
频偏
15
KHz
谢频输出功率0.4k,3v
10
dBm
接收灵敏度0.4k,BR=20kbitsBER<10
-105
dBm
最大传送数码率
20
Kbits
适用电压范围
2.7~5.25
V
接收状态功耗
250
uA
发射状态功耗-10dBM
8
mA
等待状态功耗
8
8uA
图5.1nRF401的应用电路
6RFID系统
RFID即为非接触的识别系统，它是一种从20世纪90年代兴起的一种自动识别技术，它利用无线射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据，其数据存储在电子数据载体（称应答器）之中。
RFID是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。
系统由一个询问器（或阅读器）和很多应答器（或标签）组成。
然而，应答器的能量供应已及应答器与阅读器之间的数据交换不是通过电流的触点接通而是通过磁场或电磁场，这方面采用了无线电和雷达技术。
射频识别是无线电频率识别的简称，即通过无线电波进行识别。
同其它识别系统相比，射频识别系统具有许多优点，因此，射频识别系统开始占据巨大的销售市场。
这方面的例子有：
用非接触IC卡做短距离公共交通车票、公路收费系统以及在安全系统，银行，医院，商店，宾馆以及个人通信等场所广泛应用的无线呼叫系统，
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