毕业设计（论文）-烟雾检测器设计.doc

1 绪论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uv185260nm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。 3 mc14468传感器3.1 mc14468的结构特点及工作原理烟雾检测器mc144671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mc144671具有）；(7)mc14468还具有一个i/o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。mc144671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。mc144671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，mc144671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。图3.1 mc14468与mc14467-1引脚功能当mc144671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。mc14467-1和mc14468还可以工作于一种自控模式，用来检测装置的工作状态，将1脚接至vdi可模拟检测出有烟情况。mc14468还有一个i/o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，i/o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。3.2 mc14468传感器应用举例我们用mc 14468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10 a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8.2 m。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3.2 ta-jy-9708型家用火灾自动探测报警器原理图类似mc14467-1和mc14468的芯片还有家托罗拉公可生产的mc14678和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。4 at89c51单片机4.1 at89c51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(fperomfalsh programmable and erasable read only memory)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i/o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i/o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i/o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i/o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p3.0 rxd(串行输入口)p3.1 txd(串行输出口)p3.2 /int0(外部中断0)p3.3 /int1(外部中断1)p3.4 t0(记时器0外部输入)p3.5 t1(记时器1外部输入)p3.6 /wr(外部数据存储器写选通)p3.7 /rd(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。ale/prog: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1/6。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。/ea/vpp: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4.1 at89c51管脚图4.2 at89c51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。4.3 at89c51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nrf401nrf401（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5.1 nrf401引脚功能表pinnamepin functiondescription1xc1输入参考振荡器输入端2vdd电源电源端口 (+3-5v dc)3vss地地 (0v)4filt1输入滤波器接入端口5vco1输入压控振荡电感端口6vco2输入压控振荡电感端口7vss地地 (0v)8vdd电源电源端口 (+3-5v dc)9din输入发射数据输入10dout输出接收数据输出11rf_pwr输入射频功率设置12cs输入通道选cs=0=433.92mhz(channel#1)cs=1=434.33mhz(channel#2)13vdd电源电源端口 (+3-5v dc)14vss地地 (0v)15ant2输入/输出天线接口16ant1输入/输出天线接口17vss地地 (0v)18pwr_up输入电源 开/关pwr_up=1 =power up (operating mode)pwr_up=0 =power down (standby mode)19txen输入工作模式txen = 1 = transmit modetxen = 0 = receive mode20xc2输出参考振荡器输出端表5.2 nrf401电气性能参数paremetersvalueunit工作频道433.92/434.33mhz调制方式fsk频偏15khz谢频输出功率 0.4k,3v10dbm接收灵敏度0.4k,br=20 kbit/s ber10-105dbm最大传送数码率20k bit/s适用电压范围2.75.25v接收状态功耗250ua发射状态功耗 -10 dbm8ma等待状态功耗88ua图5.1 nrf401的应用电路6 rfid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，该系统与其他有线通信系统相比有着性能及成本的优势。对于该系统在后面我们将较详细地叙述14。7 烟雾检测器系统设计7.1烟雾检测器总体结构本系统由两部分组成：检测发射部分和接收控制部分，其结构如图7.1和图7.2所示。检测发射部分和接收控制部分，二者均采用单片机控制，系统结构简单，容易实现。由于采用了nrf401单片射频收发器，从而达到了无线传输的目的，能迅速的发出报警信号，方便及时的控制火情。检测发射端和接收控制端选用了目前市场上已经成熟的高性能芯片，其外围电路结构简单，实现容易，可靠实用。系统由三大芯片互相配合构成，检测装置采用了motorola公司生产的具有声光报警电路的mc14468芯片，能实现多点并行检测，配合外围电路可构成多点烟雾报警系统，其应用电路如图3.3所示。 无线收发器采用美国nordic公司最新推出的基于无线通信的 nrf401型单片射频收发器，它采用了无线通信和fsk（频移键控）调制解调技术，工作频率稳定且抗干扰能力强，不需要对数据进行编码，外围电路简单，使用方便，其应用电路如图3.4所示。由于采用低发射功率和高接收灵敏度的设计方案，因此不受无线电管理条例的限制，无须办理许可证。nrf401的引入是本系统的突出特点之一，它极大的提高了系统的实时性，这对安全系统是相当重要的。单片机采用at89c51，它不但是mc14468与nrf401之间的桥梁，还起着控制各芯片时钟周期相互配合的作用，这也是相当重要的一环。由于本系统整体结构简单，软件容易实现，因此不需要对at89c51进行特别的扩展13。发射单片机at89c51声光报警射频收发器nrf401智能传感器mc14468图7.1 检测发射端框图led显示单片机at89c51射频收发器 nrf401发射报警接收图7.2 接收控制端框图7.2烟雾检测器系统设计mc系列芯片mc14468为离子型烟雾检测器报警芯片，是目前市场上很流行的集火灾检测与报警于一体的智能传感器。当检测到烟雾颗粒时，它能驱动其外围连接的压电陶瓷蜂鸣器或压电式扬声器发出报警声，与此同时，还驱动发光二极管（led）以1hz的频率闪烁发光，利用声光报警达到烟雾报警的最佳效果16。mc14468的1脚（检测输出端）直接接单片机的int0（如图7.3），当检测到烟雾时，其输出的高电平通过int0控制单片机内部定时器t0工作，定时一段时间，t0溢出中断，进入中断服务程序，通过串口发送数据（房间号或之前对系统的有意义编码）给单片射频收发器nrf401。在检测到烟雾时，mc14468自身的100mv的滞后电压会防止其他外界因素（如飞虫）造成误报警，辅以单片机产生一定的延时，更能提高系统可靠性。每次t0计时开始时，要由软件重新置初值，从而不会因定时期间mc14468管脚1上的信号消失或变低而导致下次运行出错17。图7.3 mc14468构成的烟雾检测报警电路nrf401是集发射接收为一体的无线数传芯片，它是一个为433mhz频段设计的真正单片机uhf无线收发芯片，采用fsk调制解调技术。最高工作速度可达20k发射功率可以调整，最大为+10dbm。nrf401集成度高，工作频率稳定可靠，外围元器件少，功率极低，适合便携式产品的设计。在以下设计的电路中(如图7.4)通过at89c51的p2.5口控制射频芯片的pwr_up，使其为“1”时表示进入正常工作模式，为“0”时表示进入待机模式；p2.6接射频芯片的cs，控制发送接收频率，为“1”表示工作频率为434.32mhz。为“0”表示工作频率为433.92mhz。p2.7控制射频芯片的txen端，使其为“1”表示进入发送模式，为“0”表示进入接收模式18。nrf401的串行口直接与单片机的串行口连接（din接txd,dout接rxd），txen端的高/低电平由软件设置，可实现nrf401发射模式与接收模式之间的相互切换。当需要发射数据时，由晶振电路产生的4mhz频率作为其内部锁相环的基准频率，经锁相环和压控振荡器进行n倍频后，中心频率f0成为433.9mhz或434.33mhz（双频道），调制后，f=f0f=f015 khz（该芯片调制度为15 khz），最后经功率放大器放大后从pcb天线上发射出去19。相比于检测发射端电路，接收控制电路更简单。各引脚引线方法基本相同，只是软件实现稍有不同。它可直接采用多位led显示，不用扩展任何接口。nrf401从pcb天线上收到调频信号时，单片机置txen端为低电平，功率放大器被关断从而进入接收状态。调频信号依次经低噪音放大器放大，经混频器（其作用是抵消本机发送器与接收器之间的高频干扰）变成中频，再经带通滤波器滤波和调制器解调后，成为数据输出。这时单片机切换到发射模式，回送握手信号，nrf401把得到的数据输送给单片机，经处理后从p1口输出到led上显示（火情来源地）同时驱动报警器报警20。图7.4 无线发射电路如前所述，at89c51单片机片内带有一个4k字节的flash可编程可擦除只读存储器，这就决定了在某些方面其自身的优越性。众所周知，编写程序绝大多数需要反复调试，数次修改at89c51的可擦除可编程特性极大的方便了编程者的调试修改工作，因此，在rfid系统中，at89c51单片机得到了充分的应用。下面将以无线呼叫系统为例，系统包括发射和接收两部分：发射部分由按键、at89c51单片机控制器和nrf401芯片组成；接收部分由nrf401、at89c51单片机控制器和led显示以及蜂鸣器报警组成。在发射器中有约定的数据代码，当按键式将数据代码送入nrf401芯片，由它向外发射，同时接收部分由单片机控制nrf401芯片接收数据代码并显示报警，为了增强系统灵活性，发射器中的数据代码可以通过接口电路即时的输入，并且接收器接收到信号后反馈信息给发射器，即采用半双工的工作方式。图7.5为上电复位电路，在此我们采取手动复位的方式。图7.6为at89c51发射控制部分电路，其实际功能是当按键按下时，蜂鸣器发出报警声，从而在听觉上提醒操作者操作成功。同时，因为at89c51内部有程序存储器，31脚接高电平（vcc）,单片机启动后直接在内部读取指令。图7.7为接收电路示意图，它由接收芯片nrf401、并行接口芯片8155、单片机at89c51及共阴极led和语音报警提示电路等组成。ch1000是一种专为蜂鸣器设计的双极性集成电路，当nrf401接收到信号之后，其输出驱动外接压电片hd发出报警声。单片机通过并行口接口8155驱动led显示21。图7.5 上电复位电路图7.6 at89c51控制电路图7.7 无线呼叫系统接收电路8 烟雾检测器系统软件设计8.1 软件设计软件设计时，要注意nrf401模块工作模式切换时，编程中要做相应的延时处理。另外一个值得注意的问题是在无线呼叫系统进行工作时，可能会出现同时有几个发射器处于接收器的工作范围内，这样当有两个或两个以上的发射器同时发送数据时就会出现数据相互的干扰(碰撞)，所以就必须制定适当的通信方式。一般在rfid系统中有两种不同的基本通信方式：第一种通信方式：从接收器到发射器的数据传输为第一种通信形式。发送的数据流同时被所有的发射器接收，此方式称为“无线广播”(radio)。第二种通信方式:在接收器的应答范围内有多个发射器的数据同时传输给阅读器，这种通信方式称为多路存取。这是rfid系统中的主要通信方式之一22。 rfid系统是个小的无线局域网，所以应选用比较简单的多路存取方法。可以使用在rfid系统中的多路存取方法有aloha法，时隙aloha法，动态时隙aloha法，“二进制搜索”算法和“动态二进制搜索”算法等，在我们的无线呼叫系统中使用的是“动态二进制搜索”算法，这种算法有效地避免了通信碰撞问题。使用rf技术传输数据时很容易受外界的千扰：使传输的数据发生改变导致错误。校验是用以识别并以一定的措施进行数据校正的方法。在电路设计中经常使用的校验方法有循环冗余校验法(crc)、海明码、奇偶校验码等，本设计中采用最为简单的检错码奇偶校验码。奇偶校验是一种简单的广泛使用的校验方法。这种方法是把个奇偶校验位组合到每一字节中，并被传输，即每字节发送九位，在数据传输前必须确定是用偶数校验还是用奇数校验，以保证发射器和接收器二者都用同样的方法进行校验。本设计采用偶数校验23。初始化主要是指对定时器工作方式寄存器、中断寄存器、串口工作方式寄存器等的设定。当检测到烟雾时，先由定时器t0定时一段时间，在此期间，如以智能检测到烟雾，确认有火情存在，t0溢出中断，开始发送数据（可以是火情地址编码），经由nrf401的pcb天线发射出去。int0被设置为下降沿触发，如果定期间mc14468管脚1信号消失或变低，都会引起外部int0中断，计数器重新设置初值。当接收控制端接收到数据时，回送握手信号，以示发送下一帧数据，同时控制压电陶瓷蜂鸣器报警，并控制led显示数据；如没接收到，即检测发射端没接收到应答信号，则重新发送，直到接收到为止。txen端的高低电平由软件设置，可实现nrf401发射模式与接收模式之间的相互切换24。8.2软件设计流程图程序主要采用c语言，运用自上而下的设计思想，总体分为两部分，如流程图8.1所示。整个软件系统有主程序和中断程序、延时程序等子程序。主程序主要是对系统的初始化以及检测处理，中断程序主要是发送数据并通过nrf401发射出去，延时程序是为了nrf401的发射模式与接收模式之间相互切换时的需要。开始开始初始化初始化int0中断，重新置t0t1初值t0是否溢出中断是否接收到第一帧数据nnn返回发送第一帧数据y是否接收到握手信号送led显示启动报警发握手信号n y是否接收到第二帧数据发送第一帧数据nyn发握手信号是否接收到握手信号y送led显示发送第一帧数据接收完y发送完结束结束图8.1 检测发射端流程图 接收控制端流程图9 智能火灾报警系统的设计9.1 智能火灾报警系统的设计应用随着科学技术的发展，智能火灾报警系统问世，从传统走向智能型是国外火灾报警系统技术发展的必然趋势，工程技术人员必须予以充分重视。以某大型建筑群为例：该建筑群是由三栋塔楼组成，一栋为25层，一栋13层和一栋12层的塔楼由4层裙楼连接而成，建筑面积6万平方米，建筑高度85米，主要功能：1至4层为商场，5层以上为写字楼。由于该大厦建筑面积大，探测区域广，探测器数量非常可观。传统的火灾自动报警系统已无法满足需要，因此，在设计中，经过反复的方案比较，选择了采用主从式网络结构的智能火灾报警控制系统，该系统利用大容量的控制矩阵交叉查寻软件包，以软件编程代替硬件组合，满足了大型工程的适应性，提高了消防联动的灵活性和可修改性。系统由主机、从机、复式器等构成。该工程消防控制中心设于1层，主机和消防联动控制柜设在消防中心，从机与复式器分设于楼层内25。9.2 智能探测器数量的确定设计时先根据火灾自动报警器系统设计规范的规定确定探测器的布局和设置。其规定探测区域内的每个房间至少应设置一只火灾探测器。感烟探测器的保护面积和保护半径应按表9.1确定。表中列出的是一个感烟探测器的保护面积和保护半径。建筑物内往往一个探测区域的面积较大，超过一只探测器的保护面积，这时需要计算一个探测区域内所需设置的探测器数量，可按式计算。式中:n为一个探测区域内所需设置的探测器数量（只），n取整数，s为一个探测区域的面积（平方米），a为探测器的保护面积，k为修正系数，重点保护建筑取0.7-0.9，非重点保护建筑取1.0。根据上式计算结果，该系统控制器为主从式网络结构，每个主从机系统，只能有一台主机，从机数量根据工程要求确定，一般按探测器数量计算，从机数量最多为15台。表9.1 感烟探测器的保护面积和半径火灾探测器的种类地面面积s()房间高度h(m)探测器的保护面积a和保护半径r屋顶坡度gg1515g30g30a()r(m)a()r(m)a()r(m)感烟探测器s80h12806.7807.2808.0s806h12806.71008.01209.9h6605.8807.21009.010 总结在这个设计的制作过程中,我遇到了各种各样的困难。首先在选择元器件上。因为在学习中我大多停留在基础知识上,平时动手操作的机会还不够多,对一些元器件的规格了解不多,所以选材上动了一番脑筋.设计的方案也是一改再改,根据查找资料和请教同学,最后才把设计图纸确定下。.经过这次毕业设计，我觉得自己学到了不少东西。学会了怎样查阅资料和利用工具书。当在设计过程中需要用一些不曾学过的东西时，就要去有针对性地查找资料，然后加以吸收利用，以提高自己的应用能力，而且还能增长自己见识，补充最新的专业知识，并熟练掌握了proteus软件画电路仿真。同时在这里，我要感谢我的导师任爱芝老师，她给了我许多的帮助。我还要感谢毕业设计过程中所有给我真诚帮助的老师和同学。附录 软件设计程序清单及部分注释#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int #define weixian 0x0auchar flag;/系统状态标志变量,1-有危险,0-无危险。sbit beep = p21;sbit rf_pwr = p25;sbit rf_cs = p26;sbit rf_txen = p27;sbit rf_dout = p30;sbit rf_din = p31;void delayms(uint z)uint x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-);void uart_init()/串口初始化函数tmod = 0x20; scon = 0x50; th1 = 0xfd; tl1 = th1; pcon = 0x00; tr1 = 1;void rf_init()/无线模块初始化函数rf_pwr = 0;rf_cs = 1;rf_txen = 1;void send(uchar dat)/无线发送子函数sbuf = dat;while(!ti);ti = 0;void main()uint i;ea = 1;ex0 = 1;uart_init();rf_init();flag = 0;while(1)if(flag=1)/发现危险发出警报。rf_pwr = 1;send(weixian);/发送预先设定好的危险标志for(i=0;i10000;i+)beep = 0;delayms(1);beep = 1;delayms(1);flag = 0;void int0() interrupt 0ex0 = 0;delayms(90);if(int0=0)flag = 1;ex0 = 1;参 考 文 献1 沙占友 . 集成化智能传感器原理与应用m . 北京：电子工业出版社，2004. 2 余锡存，曹国华 . 单片机原理及接口技术m . 西安：西安电子科技大学出 版社,20023 吴启鹏新世纪消防科学技术展望j中国消防大全，2000（11）：4-5