光電型煙霧探測(cè)器的設(shè)計(jì)報(bào)告

1、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)告課題名稱：_ 光電型煙霧探測(cè)器的設(shè)計(jì) _ 姓名:_ 陶耀 _ 專業(yè)班級(jí)：_ 電子科22班 _ 指導(dǎo)老師：_ 劉士興 _ 小組成員：陶輝鐘小康袁傳翰陳國(guó)建趙凌峰日 期： _ 2023-2014學(xué)年第3學(xué)期第2-2周 _ 、火災(zāi)探測(cè)報(bào)警技術(shù)發(fā)展概況近十幾年來(lái)，世界各國(guó)都對(duì)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(cè)報(bào)警系統(tǒng)產(chǎn)品更新?lián)Q代速度非?？臁Ｌ綔y(cè)器的性能和系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制曰趨完善，可靠性越來(lái)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(lái)越多地用于火災(zāi)的判定。感煙式火災(zāi)探測(cè)器是目前世界上應(yīng)用較普遍的一類火災(zāi)探測(cè)器，而光電感煙探測(cè)器是利用起火

2、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(dòng)探測(cè)報(bào)警技術(shù)己經(jīng)有100多年的歷史。1890年英國(guó)人研制成功了感溫式火災(zāi)探測(cè)器，開(kāi)創(chuàng)了歷史上火災(zāi)探測(cè)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(cè)器一直占據(jù)主導(dǎo)地位，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)處于初級(jí)發(fā)展階段。這一時(shí)期探測(cè)器的主要類型有：定溫探測(cè)器、差溫探測(cè)器和差定溫組合式探測(cè)器。探測(cè)技術(shù)主要是根據(jù)感溫探測(cè)器的采集的溫度信號(hào)，判定它是否超過(guò)某閾值。但是由于感溫探測(cè)器的靈敏度較低，探測(cè)火災(zāi)的速度比較慢，尤其對(duì)陰燃火災(zāi)往往不響應(yīng)，因此，它無(wú)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(lè)斯公司研制出第一只離子感煙探測(cè)

3、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(dòng)報(bào)警技術(shù)開(kāi)始了真正有意義的推廣和發(fā)展。 至ij20世紀(jì)70年代， 離子型感煙火災(zāi)探測(cè)器將感溫火災(zāi)探測(cè)器排擠到次要地位，火災(zāi)信號(hào)傳輸為多線制，包括n+1線或更多線?；饎?shì)蔓延往往始于煙霧，感煙探測(cè)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(cè)器的放射性問(wèn)題以及抗干擾能力及穩(wěn)定性差、誤報(bào)率高的問(wèn)題，一種更新的光電式感煙探測(cè)器得到了大力研制和發(fā)展，并逐漸打破離子式感煙探測(cè)器的壟斷局面。通常，離子式感煙探測(cè)器更適合偵測(cè)焰火，而光電式對(duì)緩慢的陰燃火比較敏感。這一時(shí)期的火災(zāi)探測(cè)技術(shù)主要是根據(jù)感煙探測(cè)器采集的煙霧信號(hào)，判定

4、是否超過(guò)某一閾值。隨后，火災(zāi)探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器放射源輻射，解決了污染問(wèn)題。到目前為止，火災(zāi)探測(cè)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(guó)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(zhēng)的重要手段，在預(yù)防火災(zāi)、保護(hù)國(guó)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(cè)器主要由光學(xué)探測(cè)室及相關(guān)電路

5、組成，由紅外發(fā)光元件、紅外光接收元件、光學(xué)探測(cè)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(zhǎng)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(guò)程稱為散射。光學(xué)探測(cè)室z形遮光部件及其它構(gòu)件組合成探測(cè)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(duì)不易流出，以減少外界氣流的影響。光電型煙霧探測(cè)電路模塊是通過(guò)一對(duì)紅外線發(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(dòng)，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

6、光，紅外光在無(wú)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(wú)信號(hào)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(hào)輸出） ?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，有煙顆粒進(jìn)入光學(xué)探測(cè)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(hào)，信號(hào)通過(guò)經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大，光電信號(hào)被放大數(shù)十倍，使得探測(cè)電路的靈敏度很高。光敏二極管接收到散射光信號(hào)隨煙霧濃度増加而加大，經(jīng)過(guò)微處理器內(nèi)嵌的adc做模數(shù)轉(zhuǎn)換后作為煙霧傳感數(shù)據(jù)，報(bào)警器采用延時(shí)的工作方式，煙霧檢測(cè)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

7、統(tǒng)。報(bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1。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(hào)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(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路再將該模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)后送入單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，并對(duì)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(hào)不為零時(shí)， 啟動(dòng)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：at89c51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y,內(nèi)部振蕩

8、電路就會(huì)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3opf,電容的大小起頻率微調(diào)的作用。時(shí)鐘電路如圖3-3。圖時(shí)鐘電路(2) 復(fù)位電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)有多種復(fù)位電路，本系統(tǒng)采用自動(dòng)復(fù)位( 上電復(fù)位 )與手動(dòng)復(fù)位方式 , 電路如下圖。當(dāng)上電時(shí)，c3充電，電源經(jīng)過(guò)電容器c3加到reset引腳，使單 片機(jī)復(fù)位；在正常工作時(shí)，按下復(fù)位鍵時(shí)單片機(jī)復(fù)位。圖3? 2復(fù)位電路圖3.1信號(hào)采集及前置放大電路在許多檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合，傳感器輸出的信號(hào)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(duì)這種信號(hào)的放大就需要放大電路具有很好的共模

9、抑制比以及高増益、低噪聲和高輸入阻抗。只有傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大電路對(duì)其進(jìn)行的放大、濾波、電平調(diào)整. 才能滿足單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的要求。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(dòng)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，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(wú)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)?，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(dòng)，紅外光在無(wú)煙顆粒存在的情況下，由于遮光板

10、的阻光作用，光線不能射入接收元件，接收元件接近無(wú)信號(hào)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(hào)輸岀）?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，有煙顆粒進(jìn)入光學(xué)探測(cè)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(hào), 信號(hào)通過(guò)經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大 （在兩級(jí)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） ，光電信號(hào)被放大數(shù)十倍，使得探測(cè)電路的靈敏度很高。圖3-4信號(hào)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的轉(zhuǎn)換速度較快，完成一次的轉(zhuǎn)換時(shí)間為100片左右,可對(duì)0-5v的模 擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。多路開(kāi)關(guān)可選通

11、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 喬，adc0808的主要引腳功能如下。(1) ino in7是8路模擬信號(hào)輸入端。d0 d7是8位數(shù)字量輸出端。(2) abc分別是ale控制8路模擬通道切換，a.b,c分別與三根地址線或數(shù)字線相連，三者編碼對(duì)應(yīng)8個(gè)通道地址口。c,b,a=ooo111分別對(duì)應(yīng)ino-in7 通道地址。(3) oe,start,clk,eoc為控制信號(hào)端，oe為輸出允許端，start為啟動(dòng)信號(hào) 端，clock為時(shí)鐘信號(hào)輸入端 ,eoc為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)端。(4) vref(+)和vref(-)為參考電壓

12、輸入端。adc0808雖然有8路模擬通道可以同時(shí)輸入8路模擬信號(hào)，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(duì)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(guò)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。圖3-5 adc0808引腳圖和內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖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(wèn)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74ls373o74ls373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

13、點(diǎn)在于：控制端g為高電平時(shí)，輸出q0q7 跟隨輸入信號(hào)do d7的狀態(tài) ;g下跳沿時(shí) ,do d7的狀態(tài)被鎖存在q0 q7上。由于adc0808片內(nèi)無(wú)時(shí)鐘， 可利用at89c51提供的地址鎖存允許信號(hào)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6mh乙則ale腳的輸出頻率為1mh乙在經(jīng)二分頻后為500khz, 恰好符合adc0808對(duì)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adc0808電路中，地址譯碼引腳a、b、c分別與地址總線的低三位a0.

14、a1.a2相連，以選通in0-in7中的一路。將p2.7 作為片選信號(hào)， 在啟動(dòng)a/d轉(zhuǎn)換時(shí)，由單片機(jī)的寫信號(hào)和p2.7控制adc的地址 鎖存和轉(zhuǎn)換啟動(dòng)，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(dòng)轉(zhuǎn)換。在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，用低電平的讀信號(hào)和p2.7腳經(jīng)一級(jí)或非門后，產(chǎn)生的正脈沖作為oe信號(hào)，用以打開(kāi)三態(tài)輸出鎖存器。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)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zfo圖3? 6 adc0808與單片機(jī)的接口電路圖3.3總電路設(shè)計(jì)圖圖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(yǔ)言，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行

15、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(duì)八路數(shù)據(jù)的采集與處理，能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)、地址的顯示。程序流程圖如下圖所示；信號(hào)采集調(diào)用a/d轉(zhuǎn)換程序變量是否在安全范用主程序 : org 0000h ajmp main org 000bh ajmp itop org 0100h main: mov ro,#3oh擻據(jù)區(qū)首地址mov r4,#08h;8路模擬信號(hào)mov也#ooh;模擬通道0 mov p2,#7fh;adco8o8 片選端口地址mov a.#00h; movx r1a啟動(dòng)adc0808 setb px1; loop: cjne ro,#1oh,l1;和閾

16、值比較li: jc l2; setb p1.0;高于閾值置1 lcall start; p1.0端口產(chǎn)生脈沖報(bào)警ajmp l3; l2:clr tro; clr eto; clr ea; clr p1.0; l3: nop jnb p3.3.lp;查詢eoc 狀態(tài)lcallrdad;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,r1;讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果movro a存入內(nèi)存inc r0;數(shù)據(jù)區(qū)地址加1 inc r1;輸入模擬輸入通道m(xù)ovx r1a啟動(dòng)下一路通道轉(zhuǎn)換djnzr4丄0op1;8路未完，循環(huán)mov r0,#30h;8路輸入完成mov r4,#

17、08h; mov rl,#00h; mov a,#00h; movx r1a重新啟動(dòng)adc0808 loop1: ret;返回start: push psw;保護(hù)斷點(diǎn)push acc;保護(hù)斷點(diǎn)mov sp,#7oh;設(shè)置堆棧指針mov tmod,#10h;ig置to 為方式1 mov tlo,#o ch; mov tho, #0 feh; setbtro; setb eto; setb ea; pop acc; pop psw; ret itop: clr ea;關(guān)中斷push psw ；現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)push acc setb ea ；開(kāi)中斷mov tl0,#0ch ； to 重置初值mov th

18、o, #ofeh cpl p1.0 clr ea pop acc pop psw setb ea reti end 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?、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(guò)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(guò)處理給予正確的報(bào)警信號(hào)，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，能夠從整體上把握智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在這兩個(gè)星期的學(xué)習(xí)中，我學(xué)