基于煙霧檢測火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)

摘要：討論了用MC14468離子型煙霧檢測報(bào)警器、單片機(jī)8051、nRF401單片射頻收發(fā)器構(gòu)成的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。由于引入了無線通信技術(shù)和 FSK(頻移鍵控)調(diào)制解調(diào)技術(shù)為核心的nRF401射頻收發(fā)器，使系統(tǒng)的性能大大提高，尤其是使系統(tǒng)報(bào)警更具實(shí)時(shí)性和可靠性。關(guān)鍵詞：MC14468;8051;nRF401;FSK;火災(zāi)報(bào)警 一、前言 現(xiàn)代建筑的特點(diǎn)是樓層不斷加高，這主要是從緩解城市用地緊張的角度出發(fā)的，同時(shí)還便于集中供電、供熱、供氣，便于集中控制和管理。現(xiàn)在，不論是普通型(比如民用住宅)還是豪華型(比如高級賓館)的高層建筑，都日益重視防火和安全技術(shù)的普及應(yīng)用。因?yàn)槠錁菍佣?、人員密集，如果發(fā)生火災(zāi)，疏散困難，撲救也困難，勢必造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。為了保障高層建筑安全可靠，必須設(shè)計(jì)出具有可靠性高、實(shí)時(shí)性好的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警與消防系統(tǒng)，其要求是：(1)當(dāng)有火情發(fā)生時(shí)，能以最快的速度檢測報(bào)警，并能檢測火情發(fā)生的具體地點(diǎn)(特定的地址編碼);(2)經(jīng)查實(shí)確認(rèn)后，能及時(shí)的通報(bào)消防部門滅火;(3)系統(tǒng)本身應(yīng)有自身故障檢測的功能，如系統(tǒng)欠電壓報(bào)警和自檢功能等，保證自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)功能完好;(4)較高的系統(tǒng)抗干擾能力，防止系統(tǒng)發(fā)生誤報(bào)警。

目前，雖然已經(jīng)有多種火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，但大多還屬于脫機(jī)方式，最終要靠人來聯(lián)系消防部門，往往由于不能及時(shí)報(bào)警而造成重大損失。如果能夠以在線的方式直接工作，將很大程度上減輕財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。我們正是著眼于這一問題，力圖從根本上解決脫機(jī)信號傳輸方式存在的問題，直接將信號通過無線傳輸技術(shù)發(fā)送給主控室或消防部門，達(dá)到第一時(shí)間救火、滅火的目的。 二、系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)由兩部分組成：檢測發(fā)射部分和接受控制部分，其結(jié)構(gòu)如圖1和圖 2所示。二者均采用單片機(jī)控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)。由于采用了nRF401單片射頻收發(fā)器，從而達(dá)到了無線傳輸?shù)哪康?，能迅速的發(fā)出報(bào)警信號，方便及時(shí)的控制火情。檢測發(fā)射端和接收控制端選用了目前市場上已經(jīng)成熟的高性能芯片，其外圍電路結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)容易，可靠實(shí)用。系統(tǒng)由三大芯片互相配合構(gòu)成，檢測裝置采用了Motorola公司生產(chǎn)的具有聲光報(bào)警電路的MC14468芯片，能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)并行檢測，配合外圍電路可構(gòu)成多點(diǎn)煙霧報(bào)警系統(tǒng)，其應(yīng)用電路如圖3所示。 無線收發(fā)器采用美國Nordic公司最新推出的基于無線通信的 nRF401型單片射頻收發(fā)器，它采用了無線通信和FSK(頻移鍵控)調(diào)制解調(diào)技術(shù)，工作頻率穩(wěn)定且抗干擾能力強(qiáng)，不需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，外圍電路簡單，使用方便，其應(yīng)用電路如圖4所示。由于采用低發(fā)射功率和高接收靈敏度的設(shè)計(jì)方案，因此不受無線電管理?xiàng)l例的限制，無須辦理許可證。nRF401的引入是本系統(tǒng)的突出特點(diǎn)之一，它極大的提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，這對安全系統(tǒng)是相當(dāng)重要的。單片機(jī)采用8051，它不但是MC14468與nRF401之間的橋梁，還起著控制各芯片時(shí)鐘周期相互配合的作用，這也是相當(dāng)重要的一環(huán)。由于本系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡單，軟件容易實(shí)現(xiàn)，因此不需要對8051進(jìn)行特別的擴(kuò)展。

三、發(fā)射部分 MC系列芯片MC14468為離子型煙霧檢測報(bào)警芯片，是目前市場上很流行的集火災(zāi)檢測與報(bào)警于一體的智能傳感器。當(dāng)檢測到煙霧顆粒時(shí)，它能驅(qū)動(dòng)其外圍連接的壓電陶瓷蜂鳴器或壓電式揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲，與此同時(shí)，還驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管(LED)以1Hz的頻率閃爍發(fā)光，利用聲光報(bào)警達(dá)到煙霧報(bào)警的最佳效果。 MC14468的1腳(檢測輸出端)直接聯(lián)接單片機(jī)的INT0，當(dāng)檢測到煙霧時(shí)，其輸出的高電平通過INT0控制單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器T0工作，定時(shí)90 ms，T0溢出中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)(房間號或之前對該系統(tǒng)的有意義編碼)給單片射頻收發(fā)器nRF401。在檢測到煙霧時(shí)，MC14468自身的100 mV的滯后電壓會(huì)防止其他外界因素(如飛蟲)造成的誤報(bào)警，輔以單片機(jī)產(chǎn)生90 ms的延時(shí)，更能提高系統(tǒng)的可靠性。每次T0記時(shí)開始時(shí)，要由軟件重新置初值，從而不會(huì)由于90 ms期間MC14468管腳1上的信號消失或變低而導(dǎo)致下次運(yùn)行出錯(cuò)。 nRF401的串行口直接和單片機(jī)的串行口連接(DIN接TXD，DOUT接RXD)， TXEN端的高/低電平由軟件設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)nRF401發(fā)射模式與接收模式之間的相互切換。當(dāng)需要發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，由晶振電路產(chǎn)生的4 MHz頻率作為其內(nèi)部鎖相環(huán)的基準(zhǔn)頻率，經(jīng)鎖相環(huán)和壓控震蕩器進(jìn)行N倍頻后，中心頻率f0成為433.92 MHz或434.33 MHz(雙頻道)，調(diào)制后，f=f0%26;#177;△f=f0%26;#177;15 kHz(該芯片調(diào)制度為%26;#177;15 kHz)，最后經(jīng)功率放大器放大后從PCB天線上發(fā)射出去。 四、接收部分 nRF401從PCB天線上接收到調(diào)頻信號時(shí)，單片機(jī)置TXEN端為低電平，功率放大器被關(guān)斷從而進(jìn)入接收狀態(tài)。調(diào)頻信號依次經(jīng)低噪聲放大器放大，經(jīng)混頻器(其作用是抵消本機(jī)發(fā)送器與接收器之間的高頻干擾)變成中頻，再經(jīng)帶通濾波器濾波和調(diào)制器解調(diào)后，成為數(shù)據(jù)輸出。這時(shí)單片機(jī)切換到發(fā)射模式，回送握手信號，nRF401把得到的數(shù)據(jù)輸送給單片機(jī)，經(jīng)處理后從P1口輸出到LED上顯示(火情來源地信息)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)報(bào)警器報(bào)警。 相比于檢測發(fā)射端電路，接收控制端電路更簡單。各管腳引線方法兩者基本相同，只是軟件實(shí)現(xiàn)稍有不同。它可直接采用多位LED顯示，不用擴(kuò)展任何接口。 五、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 初始化主要是指對定時(shí)器工作方式寄存器、中斷允許寄存器、串口工作方式寄存器等的設(shè)定。當(dāng)檢測到有煙霧時(shí)，先由定時(shí)器T0定時(shí)90 ms，在此期間，如一直能檢測到煙霧，確認(rèn)有火情存在，T0溢出中斷，開始發(fā)送數(shù)據(jù)(可以是火情地址編碼)，經(jīng)由nRF401的PCB天線發(fā)射出去。 INT0被設(shè)置為下降沿觸發(fā)，如果90 ms期間MC14468管腳1信號消失或變低，都會(huì)引起外部INT0中斷，計(jì)數(shù)器重新置初值。當(dāng)接收控制端接收到收據(jù)時(shí)，回送握手信號，以示發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)，同時(shí)控制壓電陶瓷蜂鳴器報(bào)警，并控制LED顯示數(shù)據(jù);如沒接收到，即檢測發(fā)射端沒接收到應(yīng)答信號，則重新發(fā)送，直到接收到為止。TXEN端的高/低電平由軟件設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)nRF401發(fā)射模式與接收模式之間的相互切換。 程序主要采用匯編語言，運(yùn)用自上而下的設(shè)計(jì)思想，總體分為兩部分，如流程圖5所示。整個(gè)軟件系統(tǒng)有主程序和中斷程序、顯示程序、延時(shí)程序等子程序。主程序主要是對系統(tǒng)的初始化以及檢測處理，中斷程序主要是發(fā)送數(shù)據(jù)并通過nRF401發(fā)射出去，顯示模塊實(shí)現(xiàn)的功能是接收數(shù)據(jù)并送LED顯示，同時(shí)啟動(dòng)報(bào)警，延時(shí)程序是為了nRF401的發(fā)射模式與接收模式之間相互切換時(shí)序的需要。

六、結(jié)論 綜上所述，由MC14468、8051、nRF401三大芯片組成的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，具有功能強(qiáng)、靈活性高、可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)、實(shí)用方便，符合安全系統(tǒng)的要求。 參考文獻(xiàn)： [1] 沙占友 . 集成化智能傳感器原理與應(yīng)用[M] . 北京：電子工業(yè)出版社，2004. [2] 余錫存，曹國華 . 單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M] . 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002