光电型烟雾探测器的设计报告

..电子科学与应用物理学院微波光电子技术课程设计报告课题名称：光电型烟雾探测器的设计姓名:陶辉20114712专业__电子科11-1班指导刘士兴小组成员：陶辉钟小康袁传翰陈国建赵凌峰日期：2013-2014学年第3学期第1-2周一、火灾探测报警技术发展概况近十几年来,世界各国都对火灾的预防、报警和控制进行了大量的研究,使火灾探测报警系统产品更新换代速度非常快。探测器的性能和系统的联动控制日趋完善,可靠性越来越高。模糊控制、小波、神经网络等先进的理论方法越来越多地用于火灾的判定。感烟式火灾探测器是目前世界上应用较普遍的一类火灾探测器,而光电感烟探测器是利用起火时产生的烟雾能够改变光的传播特性这一基本性质而研制的。世界上火灾自动探测报警技术己经有100多年的历史。1890年英国人研制成功了感温式火灾探测器,开创了历史上火灾探测技术的先例。从19世纪40年代到20世纪40年代,感温探测器一直占据主导地位,火灾自动报警系统处于初级发展阶段。这一时期探测器的主要类型有：定温探测器、差温探测器和差定温组合式探测器。探测技术主要是根据感温探测器的采集的温度信号,判定它是否超过某一阈值。但是由于感温探测器的灵敏度较低,探测火灾的速度比较慢,尤其对阴燃火灾往往不响应,因此,它无法较好地实现火灾早期报警的要求。自20世纪40年代瑞士西伯乐斯公司研制出第一只离子感烟探测器,并组建了世界上第一家生产火灾报警设备厂,火灾自动报警技术开始了真正有意义的推广和发展。到20世纪70年代,离子型感烟火灾探测器将感温火灾探测器排挤到次要地位,火灾信号传输为多线制,包括N+1线或更多线。火势蔓延往往始于烟雾,感烟探测技术使人类在实现火灾早期报警向前迈进了一大步。20世纪70年代末,由于离子感烟探测器的放射性问题以及抗干扰能力及稳定性差、误报率高的问题,一种更新的光电式感烟探测器得到了大力研制和发展,并逐渐打破离子式感烟探测器的垄断局面。通常,离子式感烟探测器更适合侦测焰火,而光电式对缓慢的阴燃火比较敏感。这一时期的火灾探测技术主要是根据感烟探测器采集的烟雾信号,判定是否超过某一阈值。随后,火灾探测报警技术逐渐进入智能化时代。目前感烟式火灾探测器有离子感烟式、光电感烟式、激光感烟式等几种型式。独立式光电感烟火灾探测报警器是目前世界上应用较普遍的一类独立工作的火灾探测报警器,它不但可以在火灾初期发现火灾,同时解决了离子火灾探测器放射源辐射,解决了污染问题。到目前为止,火灾探测报警技术已发展成为一门多学科、多专业的综合应用科学,在建筑、工业、国防和科学技术等各个领域内得到了广泛应用,它已成为人类同火灾作斗争的重要手段,在预防火灾、保护国家经济建设和人民生命财产安全方面发挥了巨大的作用。二、烟雾报警器的原理和工作结构光电型烟雾探测器主要由光学探测室及相关电路组成,由红外发光元件、红外光接收元件、光学探测暗室组成。光电感烟机理如下:烟粒子和光相互作用时,粒子以同样波长再辐射己经接收的能量,再辐射可以在所有的方向上发生,但通常在不同方向上其强度不同,这个过程称为散射。光学探测室Z形遮光部件及其它构件组合成探测室的光学暗室内腔,最大限度的减弱环境光线的影响。同时它也形成烟颗粒迷宫,一方面烟颗粒容易流入,另一方面烟进入后相对不易流出,以减少外界气流的影响。光电型烟雾探测电路模块是通过一对红外线发射和接收二极管实现的,其电路原理如图所示。红外发光二极管工作在930nm波段,由微处理器I/O引脚驱动,也可以由专用振荡电路提供脉冲,控制红外发射二极管发出脉冲光,红外光在无烟颗粒存在的情况下,由于遮光板的阻光作用,光线不能射入接收元件,接收元件接近无信号输出〔实际当中由于不能完全避免的杂散光的存在,接收元件有微弱信号输出。火灾发生时,有烟颗粒进入光学探测室,红外光经烟颗粒散射并到达接收二极管,产生电流信号,信号通过经过两级放大,光电信号被放大数十倍,使得探测电路的灵敏度很高。光敏二极管接收到散射光信号随烟雾浓度增加而加大,经过微处理器内嵌的ADC做模数转换后作为烟雾传感数据。报警器采用延时的工作方式,烟雾检测报警器以AT89C51单片机为控制核心,发光二极管与光敏二极管构成烟雾传感器,ADC0808进行A/D转换,配合外围电路构成烟雾报警系统。报警器系统结构如图2-1。单片单片机烟雾传感器放大电路A/D转换LED状态指示灯图2-1可燃烟雾报警器系统结构框图该系统的工作由烟雾信号采集及放大电路将采集到的烟雾浓度信息转化为放大的模拟电信号。模数转换电路再将该模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。单片机对该数字信号进行处理,并对处理后的数据进行分析。当输入A/D转换器的放大信号不为零时,启动报警电路。反之则为正常工作状态。三、AT89C51的时钟电路和复位电路〔1时钟电路：AT89C51单片机芯片内部设有一个由反向放大器构成的振荡器,XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端,时钟可由内部或外部生成,在XTAL1和XTAL2引脚上外接晶体振荡器Y,内部振荡电路就会产生自激振荡。系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振频率选择12MHZ,C1、C2的电容值取30pF,电容的大小起频率微调的作用。时钟电路如图3-3。图3-1时钟电路〔2复位电路：单片机有多种复位电路,本系统采用自动复位〔上电复位与手动复位方式,电路如下图。当上电时,C3充电,电源经过电容器C3 加到RESET引脚,使单片机复位；在正常工作时,按下复位键时单片机复位。图3-2复位电路图3.1信号采集及前置放大电路在许多检测技术的应用场合,传感器输出的信号比较弱,而且其中还包括了工频、静电和电磁耦合等共模干扰,对这种信号的放大就需要放大电路具有很好的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。只有传感器输出的信号经过前置放大电路对其进行的放大、滤波、电平调整,才能满足单片机对输入信号的要求。图3-3LM324四运放引脚图和结构图设计中采用LM324作为电路的运算放大器。LM324是价格便宜的带差动输入功能的高增益四运算放大器。LM324的静态功耗小、价格低廉,可在较宽电压范围内的单电源或双电源下工作,其电源电流很小且与电源电压无关,四个运放一致性好；其输入偏流电阻是温度补偿的,也不需外接频率补偿,可做到输出电平与数字电路兼容。红外发光二极管工作在930nm波段,由微处理器I/O引脚产生的方波驱动,红外光在无烟颗粒存在的情况下,由于遮光板的阻光作用,光线不能射入接收元件,接收元件接近无信号输出〔实际当中由于不能完全避免的杂散光的存在,接收元件有微弱信号输出。火灾发生时,有烟颗粒进入光学探测室,红外光经烟颗粒散射并到达接收二极管,产生电流信号,信号通过经过两级放大〔在两级放大之间放置了有滤波效果的电路即电阻R16与电容C10并联电路,光电信号被放大数十倍,使得探测电路的灵敏度很高。 图3-4信号采集及前置放大电路图3.2A/D转换电路ADC0808是一种逐次逼近式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。ADC0808的转换速度较快,完成一次的转换时间为100μs左右,可对0-5V的模拟信号进行转换。多路开关可选通8个模拟通道,允许8路模拟量分时输入,共用一个A/D转换器进行转换,这是一种经济的多路数据采集方法。如图3-6所示,ADC0808的主要引脚功能如下。<1>IN0～IN7是8路模拟信号输入端。D0～D7是8位数字量输出端。<2>A,B,C分别是ALE控制8路模拟通道切换,A,B,C分别与三根地址线或数字线相连,三者编码对应8个通道地址口。C,B,A=000～111分别对应IN0～IN7通道地址。<3>OE,START,CLK,EOC为控制信号端,OE为输出允许端,START为启动信号端,CLOCK为时钟信号输入端,EOC为转换结束信号端。<4>Vref<+>和Vref<->为参考电压输入端。ADC0808虽然有8路模拟通道可以同时输入8路模拟信号,但每个瞬间只能转换一路,各路之间的切换由软件变换通道地址实现。地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码,其译码输出用于通道选择,其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出,因此可以直接与系统数据总线相连。图3-5ADC0808引脚图和内部逻辑结构图A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成,因为只有确认完成后,才能进行传送。设计中采用中断方式进行数据传送。扩展中地址锁存器使用74LS373。74LS373是八D锁存器,常应用在地址锁存及输出口的扩展中。其主要特点在于：控制端G为高电平时,输出Q0～Q7跟随输入信号D0～D7的状态;G下跳沿时,D0～D7的状态被锁存在Q0～Q7上。由于ADC0808片内无时钟,可利用AT89C51提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得,ALE脚的频率是AT89C51单片机的时钟频率的1/6。由于单片机频率采用6MHz,则ALE脚的输出频率为1MHz,在经二分频后为500kHz,恰好符合ADC0808对时钟频率的要求。由于ADC0808具有输出三态锁存器,因此其8位数据输出引脚可直接与数据总线相连。如图3-7所示,在单片机扩展连接ADC0808电路中,地址译码引脚A、B、C分别与地址总线的低三位A0,A1,A2相连,以选通IN0～IN7中的一路。将P2.7作为片选信号,在启动A/D转换时,由单片机的写信号和P2.7控制ADC的地址锁存和转换启动,由于ALE和START连在一起,因此ADC0808在锁存通道地址的同时,启动转换。在读取转换结果时,用低电平的读信号和P2.7脚经一级或非门后,产生的正脉冲作为OE信号,用以打开三态输出锁存器。转换结束信号EOC经反向后送到单片机的INT0引脚,单片机读取A/D转换结果并将结果送P1.0端口显示。图3-6ADC0808与单片机的接口电路图3.3总电路设计图图3-7总电路图设计四、软件设计系统的软件的设计采用的是汇编语言,对单片机进行编程实现各种功能。程序是在windows7环境下采用keil软件编写的,可以实现对八路数据的采集与处理,能实现对数据、地址的显示。程序流程图如下图所示:开始开始初始化初始化信号采集信号采集调用A/D转换程序调用A/D转换程序YY变量是否在安全范围变量是否在安全范围NN声光报警声光报警结束结束主程序:ORG0000HAJMPMAINORG000BHAJMPITOPORG0100HMAIN:MOVR0,#30H;数据区首地址MOVR4,#08H;8路模拟信号MOVR1,#00H;模拟通道0MOVP2,#7FH;ADC0808片选端口地址MOVA,#00H;MOVXR1,A;启动ADC0808SETBPX1;LOOP:CJNER0,#10H,L1;和阈值比较L1:JCL2;SETBP1.0;高于阈值置1LCALLSTART;P1.0端口产生脉冲报警AJMPL3;L2:CLRTR0;CLRET0;CLREA;CLRP1.0;L3:NOPJNBP3.3,LP;查询eoc状态LCALLRDAD;转换完成,读取a/d转换结果子程序LP:SJMPLOOP;循环RDAD:MOVXA,R1;读取转换结果MOVR0,A;存入内存INCR0;数据区地址加1INCR1;输入模拟输入通道MOVXR1,A;启动下一路通道转换DJNZR4,LOOP1;8路未完,循环MOVR0,#30H;8路输入完成MOVR4,#08H;MOVR1,#00H;MOVA,#00H;MOVXR1,A;重新启动ADC0808LOOP1:RET;返回START:PUSHPSW;保护断点PUSHAcc;保护断点MOVSP,#70H;设置堆栈指针MOVTMOD,#10H;设置T0为方式1MOVTL0,#0CH;MOVTH0,#0FEH;SETBTR0;SETBET0;SETBEA;POPAcc;POPPSW;RETITOP:CLREA;关中断PUSHPSW；现场保护PUSHAccSETBEA；开中断MOVTL0,#0CH；T0重置初值MOVTH0,#0FEHCPLP1.0CLREAPOPAccPOPPSWSETBEARETIEND五、结论本次设计以AT89C51单片机作为智能系统的主控制单元,辅之以适当的软、硬件模块设计完成以单片机为核心的智能火灾报警系统设计,实现火灾报警。本文的主要功能是基于单片机的硬件应用研究型设计,设计和实现一种分布式智能火灾报警控制系统。通过多个传感器感知火灾发生时周围环境的变化,及时采得数据,通过处理给予正确的报警信号,及时发现火灾,挽救生命财产损失。在本次设计中,主要掌握了C51单片机、KEIL软件编程方法,Proteus使用方法。硬件单元设计主要由单片机主控处理模块、A/D转换模块、数据采集模块、报警电路模块四个模块组成。了解了四个模块的使用方法和连接方法,能够从整体上把握智