光電型煙霧探測器的設(shè)計(jì)報(bào)告.doc

1、課題名稱: 姓 名: 專業(yè)班級: 指導(dǎo)老師: 小組成員： 日 期:HEFEi UNIVERSI1Y OF TECHNOLOGY電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院微波光電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告光電型煙霧探測器的設(shè)計(jì)陶輝 20114712電子科11-1班劉士興陶輝鐘小康袁傳翰陳國建趙凌峰2013-2014 學(xué)年第3學(xué)期第1-2周、火災(zāi)探測報(bào)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(yù)防、 報(bào)警和控制進(jìn)行了大量的研究， 使 火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)產(chǎn)品更新?lián)Q代速度非?？?。 探測器的性能和系統(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(jìn)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

2、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(shí)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(bào)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(jì) 40年代到 20世紀(jì) 40年代，感溫探測器一直占據(jù)主導(dǎo)地位， 火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)處于初級發(fā)展 階段。這一時(shí)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)

3、，因此，它無法較好地實(shí)現(xiàn)火災(zāi)早期報(bào)警的要求。自20世紀(jì)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(bào)警設(shè)備廠， 火災(zāi)自動報(bào)警技術(shù)開始了真正有意義的推廣 和發(fā)展。到20世紀(jì)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(shí)現(xiàn)火災(zāi)早期報(bào)警向前邁進(jìn)了一大步。20世紀(jì) 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(bào)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

4、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(shí)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(bào)警技術(shù) 逐漸進(jìn)入智能化時(shí)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(dú)立式光電感煙火災(zāi)探測報(bào)警器是目前世界上應(yīng)用較普遍的一類獨(dú)立工作的火 災(zāi)探測報(bào)警器， 它不但可以在火災(zāi)初期發(fā)現(xiàn)火災(zāi)， 同時(shí)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(bào)警技術(shù)已發(fā)展成為一門多學(xué)科、 多專業(yè)的綜合應(yīng)用 科學(xué)，在建筑、工業(yè)、國防和科學(xué)技術(shù)等各個(gè)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

5、段， 在預(yù)防火災(zāi)、 保護(hù)國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn) 安全方面發(fā)揮了巨大的作用。二、煙霧報(bào)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(xué)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(xué)探測暗室組成。光電感煙機(jī)理如下：煙粒子和光相互作用時(shí)， 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(qiáng)度不同，這個(gè)過程稱為散射。光學(xué)探測室Z形遮光部件及其 它構(gòu)件組合成探測室的光學(xué)暗室內(nèi)腔， 最大限度的減弱環(huán)境光線的影響。同時(shí)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(jìn)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

6、發(fā)射和接收二極管實(shí)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(shí)際當(dāng)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(shí)，有煙顆粒進(jìn)入光學(xué)探測室，紅外光經(jīng)煙顆粒散射并 到達(dá)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

7、數(shù)據(jù)。報(bào)警器采用延時(shí)的工作方式，煙霧檢測報(bào)警器以 AT89C51單片機(jī)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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，配合外 圍電路構(gòu)成煙霧報(bào)警系統(tǒng)。報(bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2-1 o圖2-1可燃煙霧報(bào)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(jī)可識別的數(shù)字信號 后送入單片機(jī)。單片機(jī)對該數(shù)字信號進(jìn)行處理，并對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。當(dāng) 輸入A/D轉(zhuǎn)換器的放大信號不為零時(shí)，啟動報(bào)警電路。反之則為正常工作狀態(tài)。三、AT89C51的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路（1）時(shí)鐘電路：AT89C5

8、1單片機(jī)芯片內(nèi)部設(shè)有一個(gè)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(shí)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丫，內(nèi)部振蕩電路就會產(chǎn)生自激振蕩。系統(tǒng)采用 的定時(shí)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(shí)鐘電路如圖3-3。C1C59 XRYstal30pO O-l|圖3-1 時(shí)鐘電路（2）復(fù)位電路：單片機(jī)有多種復(fù)位電路，本系統(tǒng)采用自動復(fù)位（上電復(fù)位）與手動復(fù)位方式， 電路如下圖。當(dāng)上電時(shí)，C3充電，電源經(jīng)過電容器 C3加到RESET引腳，使單 片機(jī)復(fù)位；

9、在正常工作時(shí)，按下復(fù)位鍵時(shí)單片機(jī)復(fù)位。R8 I10R7I10C3TI22u圖3-2復(fù)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(jìn)行的放大、濾波、電平調(diào)整，才能滿足單片機(jī)對輸入信號的要 求。（同栢輸入端）0圖3-3 LM324四運(yùn)放引腳圖和結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)中采用LM324作為電路的運(yùn)算放大器。LM324是價(jià)格便宜的帶差動輸入 功能的高增益四運(yùn)算放大器。LM324的靜態(tài)功耗小、價(jià)格低廉，

10、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(gè)運(yùn)放一致性好；其輸入偏流電阻是溫度補(bǔ)償?shù)模?也不需外接頻率補(bǔ)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(shí)際當(dāng)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(shí)，有煙顆粒進(jìn)入光學(xué)探測室，紅外光經(jīng)煙顆粒散射并到達(dá)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）

11、，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3.2 A/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勺轉(zhuǎn)換速度較快，完成一次的轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100卩s左右，可對0-5V的模 擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這是一種經(jīng)濟(jì)的多路數(shù)據(jù)采集方法。如圖3-6所示， ADC0808勺主要引腳功能如下。(1) IN0IN7是8路模擬信號輸入端。DO- 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

12、或數(shù) 字線相連，三者編碼對應(yīng) 8個(gè)通道地址口。C,B,A=000111分別對應(yīng)IN0IN7 通道地址。(3) OE,START,CLK,EO(為控制信號端，0E為輸出允許端，STAR功啟動信號 端, CLOCKS時(shí)鐘信號輸入端,EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號端。Vref(+)和Vref(-)為參考電壓輸入端。ADC0808S然有8路模擬通道可以同時(shí)輸入8路模擬信號，但每個(gè)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(shí)現(xiàn)。 地址鎖存與譯碼電路完成 對A、B、C 3個(gè)地址位進(jìn)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。1羽27326

13、斗ADC255216?3*mm22S219201019111$121713161415一1片A叫啊叫 ALEDJMSB|IN.-*叫一I lNr-* flu FSTART-*EOC*-OE CLOCK-* 怙一4 NDD廣BEOC0E屢圖3-5 ADC0808引腳圖和內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖LSDJ:*%A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題 是如何確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。設(shè)計(jì)中采用 中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。擴(kuò)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(kuò)展中。其主要特點(diǎn)在于：控制端G為高電平時(shí)，輸

14、出QCQ7跟隨輸入信號D(D7的狀態(tài);G下跳沿時(shí)，D(D7的狀態(tài)被鎖存在Q(Q7上。由 于ADC0808內(nèi)無時(shí)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(jī)的時(shí)鐘頻率的1/6。由于單片 機(jī)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寸時(shí)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(jī)擴(kuò)展連接 ADC08086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IN

15、0IN7中的一路。將P2.7作為片選信號，在啟動 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，由單片機(jī)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(shí)，啟動轉(zhuǎn)換。在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，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0E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(jī)的INTO引腳，單片機(jī)讀取 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果并將結(jié)果送P1.0 端口顯示。QQQQ QQQQU374LS373U4:BC230pXTAL 1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/A

16、D5P0.6/AD6RSTP0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10PSENP2.3/A11ALEP2.4/A12EAP2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P 1 .0P3.0/RXDP 1.1P3.1/TXDP1.2P3.2/INT0P1 3P3 3/INI1P1.4P3.4/T0P1.5P3.5/T1P1.6P3.6/WRP1.7P3.7/RD89C5132212223242526272839336321213”1516829303117221612DDDD DDDD |OE3710OEVREF(-) VREF(+)OUT8ALEOUT7ADD COUT6ADD

17、 BOUT5OUT4ADD AOUT3IN7OUT2IN6OUT1IN5IN4EOCIN3IN2STARTIN1CLOCKIN014818519204712862726ADC0808232425圖3-6ADC0808與單片機(jī)的接口電路圖3.3總電路設(shè)計(jì)圖R6lR522uU21918XTAL2X1TALRSTC230pPSENALEEAP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A

18、13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD丫5比U374IS37339VREF( + )1/OUT6ADD BADD AOUT3IN7IN4EOCSTARTIN1CLOCKIN0OUT8OUT7OUT5OUT4OUT2OUT1IN6IN5IN3IN261CALEADD C10 一11 12 13_1516U6(CLOCK)養(yǎng)I1622U4:B4LSoff 5匚R143.5M1 U124 HCNR200圖3-7總電路圖設(shè)計(jì)四、軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件的設(shè)計(jì)采用的是匯編語言，對單片機(jī)進(jìn)行

19、編程實(shí)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(shí)現(xiàn)對八路數(shù)據(jù)的采 集與處理，能實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)、地址的顯示。程序流程圖如下圖所示主程序 :ORG 0000HAJMP MAINORG 000BHAJMP ITOPORG 0100HMAIN:MOV R0,#30H;數(shù)據(jù)區(qū)首地址MOV R4,#08H;8路模擬信號MOV R1,#00H模擬通道0MOV P2,#7FH;ADC080片選端口地址MOV A,#00H;MOVX R1,A啟動 ADC0808SETB PX1;LOOP: CJNE R0,#10H,L1 和閾值比較L1: JC L2;SETB P1.0; 高于閾值置

20、1LCALL START; P1.0 端口產(chǎn)生脈沖報(bào)警AJMP L3;L2:CLR TR0;CLR ET0;CLR EA;CLR P1.0;L3: NOPJNB P3.3,LP; 查詢 eoc 狀態(tài)LCALL RDAD轉(zhuǎn)換完成，讀取a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果子程序LP: SJMP LOOP;循環(huán)RDAD: MOVX A,R取轉(zhuǎn)換結(jié)果MOV R0,A存入內(nèi)存INC R0; 數(shù)據(jù)區(qū)地址加 1INC R1; 輸入模擬輸入通道MOVX R1,A啟動下一路通道轉(zhuǎn)換DJNZ R4, LOOP1;8路未完，循環(huán)MOV R0,#30H;8 路輸入完成MOV R4,#08H;MOV R1,#00H;MOV A,#00H;M

21、OVX R1,A重新啟動 ADC0808LOOP1: RET;返回START: PUSH PSW保 護(hù)斷點(diǎn)PUSH Acc; 保護(hù)斷點(diǎn)MOV SP,#70H;設(shè)置堆棧指針MOV TMOD,#10H設(shè)置T0為方式1MOV TL0,#0CH;MOV TH0,#0FEH;SETB TR0;SETB ET0;SETB EA;POP Acc;POP PSW;RETITOP: CLR EA; 關(guān)中斷PUSH psyv現(xiàn)場保護(hù)PUSH AccSETB EA;開中斷MOV TL0,#0CH T0 重置初值MOV TH0,#0FEHCPL P1.0CLR EAPOP AccPOP PSWSETB EARETIE

22、ND五、結(jié)論本次設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)作為智能系統(tǒng)的主控制單元，輔之以適當(dāng)?shù)能洝?硬件模塊設(shè)計(jì)完成以單片機(jī)為核心的智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警。 本 文的主要功能是基于單片機(jī)的硬件應(yīng)用研究型設(shè)計(jì)， 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一種分布式智能 火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)。 通過多個(gè)傳感器感知火災(zāi)發(fā)生時(shí)周圍環(huán)境的變化， 及時(shí)采得 數(shù)據(jù)，通過處理給予正確的報(bào)警信號，及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，挽救生命財(cái)產(chǎn)損失。在本次設(shè)計(jì)中，主要掌握了 C51 單片機(jī)、 KEIL 軟件編程方法， Proteus 使 用方法。硬件單元設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)主控處理模塊、 A/D 轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)采集模 塊、報(bào)警電路模塊四個(gè)模塊組成。 了解了四個(gè)模塊的使用方法和連接方法， 能夠