（交通信息工程及控制专业论文）红外线超低功耗烟雾探测器的研究.pdf

摘要 在现代化的公路交通运营现场和管理部门、如收费站，监控中心，隧道，以及在其 它军用和民用设施中，火灾自动报警系统已成为必不可少的设施。利用先进的技术手段， 不断改进和开发火灾报警消防设备有着重要的社会意义和广泛的发展前景。光电型感烟 探测器具有精度高，寿命长，成本低，生产、安装简单，适应范围广等优点，将可能成为 火灾探测器的主流产品。本文在进行大量调研和实验的基础上，研究设计了红外线光电 烟雾探测报警器，取得了较好的效果。具体工作有以下几个方面：设计了一种红外光 散射式烟雾探测报警器。对烟感探测器的红外传感器电路进行了反复的实际试验和测 试。选用用m s p 4 3 0 超低功耗系列单片机作为探测器的微处理器，设计出了探测器的 信息处理系统，设计并调试了主要的系统信息处理和控制软件。充分利用单片机的片 上资源，设计了a d 转换电路和先进的1 2 c 总线系统，缩小了体积，降低了功耗，提高了 系统性能。 关键词：烟雾探测器、红外线、1 2 c 总线、m s p 4 3 0 a b s t r a c t i nt h em o d e mh i g h w a yt r a f f i c o p e r a t i o nd e p a r t m e n ta n da d m i n i s t r a t i o ns e c t i o nf o r e x a m p l et o l ls t a t i o n ，m o n i t o r i n gc e n t e r , t u n n e la n d i no t h e r m i l i t a r y u s eo rc i v i l i a nu s e f a c i l i t i e s ，f i r ea l a r m i n gs y s t e mh a sb e c a m e a l l i n d i s p e n s a b l ef a c i l i t y u s i n ga d v a n c e d t e c h n o l o g i c a lm e a n st oi m p r o v ef i r ea l a r m i n gs y s t e ma n df a c i l i t i e sh a ss i g n i f i c a n ts o c i a l m e a n i n ga n db r o a dp r o s p e c t s o p t o e l e c t r o n i cs m o k ed e t e c t o rw i t ht h ef o l l o w i n gs t r o n g p o i n t s ：h i g hd e g r e eo fa c c u r a c y , l o n gl i f et i m e ，l o wc o s t ，e a s yi n s t a l l a t i o nm e t h o da n dw i d e s u i t a b l ew i l lb e c o m em a i nf l o wo ff i r ea l a r m i n gd e t e c t o r t h i sp a p e rb a s e do ng r e a ta m o u n to f e x p e r i m e n t sa n dr e s e a r c h e s ，d e s i g n e da no p t o - e l e c t r o n i cs m o k ed e t e c t o rw a r n e ra n dg o ta g o o dr e s u l t t h ew o r km a d eo nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：f i r s t ，d e s i g n e da s m o k ed e t e c t o rb a s e do n ak - r e f l e c to p t o e l e c t r o n i cd e t e c ts o l u t i o n s e c o n d ，m a d em a n yp r a c t i c a le x p e r i m e n t sa n d t e s t i n g s t o i n s p e c t t h ei r - t r a n s d u c ec i r c u i t t h i r d ，c h o s e nm s p 4 3 0s e r i e sl o wp o w e r c o n s u m p t i o nc h i pa sd e t e c t o r sm i c r o c o n t r o l l e r , d e s i g n e da i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs y s t e mf o r t h es m o k ed e t e c t o r , d e s i g n e da n dd e b u g g e rt h ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs y s t e ma n dt h e m i c r o c o n t r o l l e r f o r t h ，t o o kf u l la d v a n t a g eo fm i c r o c o n t r o l l e r sr e s o u r c e s ，d e s i g n e da dt r a n s c i r c u i ta n da d v a n c e d1 2 cs y s t e mb u s ，r e d u c e dt h ev o l u m ea n dp o w e rc o n s u m p t i o no f s y s t e m ，i m p r o v e ds y s t e mp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：s m o k e d e t e c t o r , i n f r a r e d ，1 2 cb u s m s p 4 3 0 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 随着交通事业和国家各项建设事业的快速发展，人们的防火意识日益增强，也由于 重大火灾事故的发生，往往造成严重的人员伤亡和财产损失，引起了交通部门、各级政 府和社会各界、企事业单位的普遍重视。为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危 害，保护人身和财产安全，在现代化的公路交通运营现场和管理部门如收费站、监控中 心、隧道，在民用建筑如宾馆、图书馆、科研、工业和商业部门，在军事领域如机场、 仓库、飞机、舰船、营地等方面，火灾自动探测报警装置已成为必不可少的设施。火灾 报警及消防控制设施对保障人民生命财产安全，保障社会安定，保障交通事业和其它国 民经济各部门的安全运营有着重要的意义。利用先进的技术手段，不断改进和开发火灾 报警消防设备有着重要的社会意义和广泛的发展前景，为此本课题探讨实践了火灾烟雾 探测器的设计和开发问题。 随着科学技术的进步，火灾探测的手段也在不断地丰富和发展，目前大的分类有感 烟、感温、可燃气体探测等。由于工程实际和火灾探测器的工作环境等因素，对探测器 的性能、功能提出了一系列的要求。本题目的研究针对这些需求作了积极的努力和尝试。 首先在方案选择方面，对现行的各种探测器研究方向进行了比较分析，认为光电式 烟雾探测器有着较好的优势和前景。火灾探测器性能的一个重要标志就是要尽可能早的 发现火情，而一般可燃物的火灾特点都是先有烟雾出现，才逐步发展成为明火和大火。 因此，对一般可燃物而言，从烟雾探测入手，就抓住了问题的关键，相比感温和感光探 测器，可以较早地发现火情。在探测器的安装布设方面，感烟探测器也有独到的优势， 这是源于烟雾的特点形成的。烟雾是无孔不入的，而且扩散速度非常快，一般扩散速度 在垂直方向可达1 “ 6 m 秒。因此，烟雾探测器的安装位置比较好选择，它是全范围性的 检测，一只探测器可以监控的范围比较大。而感温探测器则必须安装在靠近火源的地方， 才能早期发现火灾苗头。对于感光探测器而言，必须有明火出现它才能发现火情，其探 测器感光元件必须对准火源才能得到有效信号，它还存在易受其它光源干扰的弱点。因 此，感烟探测器在一般可燃物火灾探测方面适应范围较广。 其次，在光电式烟雾探测方式上，有两种方法可以选择，即减光式和散射式。减光 式是通过烟雾对光路的阻隔和对光线的衰减来感知烟雾的存在的。探测器必须在一定的 距离上安装发光和受光元件，才能得到有效的烟雾信号，这种方式易受可移动物和外界 1 第一章绪论 光线的干扰。而散射式烟雾探测器是根据烟雾颗粒对光线的散射来探测烟雾的，它的发 光和受光元件可以安装相距很近的距离而得到显著的散射信号，从而有效的减小了探测 器的体积。当把发光和受光元件安装在密闭光路的黑盒子中时，它基本不受外界光线的 干扰。 再次，选择红外线作为光电烟雾探测光源是基于红外线对于烟雾颗粒的敏感性的。 红外线还具有隐蔽性好，不易受自然光和其它光源干扰的特点。 鉴于以上因素，本设计选择了红外线光电烟雾探测器为主要研究方向。 1 2 国内外的研究现状 火灾报警探测器是组成各类火灾自动报警系统不可缺少的传感装置，其作用是将代 表火情发生的物理量如温度、气体性质、火焰红外、紫外线辐射强度和烟雾浓度等转换 成模拟或数字电量，向集中或分布式火灾报警系统馈送信号，或单点独立工作向本地发 出火警信息。根据不同的环境，火灾报警探测器大致可分为气体探测器、感温探测器和 感烟探测器等。由于烟雾是与燃烧现象相关性很强的可探测火警早期信号，所以，感烟 探测器也是消防工程中使用较多的探测器。根据工作原理的不同，感烟探测器又分为离 子式和光电式两类。离子型感烟探测器对烟雾的探测响应性能较为均衡，但其主要单元 是利用放射源镅2 4 1 进行工作，这种材料在制、存储、运输、使用和报废处理等环节都 存在着环保问题，它对潮湿环境非常敏感也影响了它的使用范围，南方的潮湿环境不利 于它的应用。目前离子感烟探测器在国内外均处于淘汰的过程当中。光电式烟雾探测器 是通过烟雾对光线的透射、折射、散射等影响而工作的，它对木柴、纸张和丝绵织物等 燃烧时产生的白色烟雾有比较好的响应，甚至优于离子式感烟探测器。光电感烟探测器 抛弃了放射源，全部由电子元器件和光电元件组成，具有环保意义。随着电子技术特别 是光电子技术的飞速发展而日趋成熟。光电感烟探测器还具有精度高、寿命长、抗潮湿、 抗电磁干扰、安装简单，生产成本较低等优点，因而成了国际上各国政府和消防电子企 业开发研究、推广使用的重点方向，将可能成为火灾探测器的主流产品。 1 3 本课题研究的主要内容 目前，红外技术已经成为先进科学技术的重要组成部分，本课题研究的主要内容是 基于红外线的智能光电烟雾探测报警系统开发需要解决的各种理论、设计和实践问题。 主要有以下几个方面：首先探究了一般火灾发生的机理和过，火灾发生过程中烟雾产生 的机理及烟雾的组成成分，分析对比了各种烟雾探测手段的优势和不足，明确了本题目 2 长安大学硕士学位论文 研究的主要方向：课题研究中分析了用光电法探测烟雾存在的原理，确定了用红外线作 为媒介探测烟雾的方案；在烟雾探测器的开发过程中，分析了探测器的功能需求，设计 了探测器的系统结构；依据理论分析指导，选择了红外探测传感器的光电元件，分析了 传感器的工作特点，设计了传感器的合理结构，通过大量的实验，确定了光电元件的安 装方法；依据简单，可靠的原则，设计调试了传感器的硬件电路，并进行了感烟测试； 在分析对比的基础上，选择了烟雾探测器的单片机品牌，设计了单片机信息采集与处理 系统的硬件电路和相关软件，并进行了模拟和数字部分的整合，进行了大量的系统感烟 测试。 在研究过程中，对烟雾探测器在工作可靠，低功耗，结构简单，低成本等方面进行 了积极的努力和尝试，取得了一定的效果。 3 第二章烟雾探测原理及火灾报警系统概述 第二章烟雾探测原理及火灾报警系统概述 2 1 普通可燃物火灾发生过程 普通可燃物质燃烧时，物质受热产生燃烧气体发生阴燃，并产生烟雾，在氧气供应 充足的条件下才能逐步达到完全燃烧，产生火焰并发出一些可见光与不可见光，同时释 放大量的热，使得环境温度升高。普通可燃物质由火灾初期阴燃开始，到火焰燃烧，火 势渐大，最终酿成火灾，图2 1 给出了常见火灾发生过程中烟气浓度和温度随时间变化 的曲线，下面分为三个阶段具体介绍： 火灾初起和阴燃阶段：普通可燃物在火灾初起和阴燃阶段尽管产生了烟雾气溶胶， 并且大量的烟雾气溶胶可能已经充满建筑内空间，但是环境温度不高，火势尚未达到蔓 延发展的程度。这个阶段占时较长，如果在此阶段能将重要的火灾信息一烟雾浓度有 效地探测出来，就可以将火灾的损失控制在最低程度。 火焰燃烧阶段：经过一定的火灾初起和阴燃阶段后，足够的蓄积热量会使着火物质 温度升高，并且在物质的着火点开始加速，发展成火焰燃烧，形成火焰扩散，火势开始 蔓延，环境温度不断升高，燃烧不断扩大，形成火灾。普通可燃物在此阶段产生的烟雾 量相对减少并趋于饱和，但火灾发展所产生的足够热量会引起环境温度的较大变化。如 果能将火灾引起的明显温度变化这一参量探测出来，也可作为一种火灾探测的手段。 冒 垒燃瞬段 ， 弋 厶妙 ，影 一潜盟h 燃一一火嫡蕊饶 一韧超叫”。 对问 图2 1 常见火灾发生过程 a ：烟雾浓度与时间关系b ：气流温度与时间的关系 物质全燃阶段产生火焰辐射：普通可燃物在全燃阶段会产生各种波长的火焰光，火 焰的热辐射含有大量的红外线和紫外线，所以，对火灾产生的红外和紫外光辐射进行探 4 长安大学硕士学位论文 测也是火灾探测的一种方案。但是对于有较长阴燃阶段的普通可燃物火灾而言，由于普 通可燃物在燃烧过程产生大量的烟雾，降低了光的可见度，因此会影响对火焰光的探测 效果。 火灾熄灭阶段：火势逐渐减小，明火消失，烟气浓度逐步减小，火场温度快速下降。 2 2 烟雾的产生与构成 可燃物是可以用三种形态出现的，即气态、液态和固态。燃烧通常是以空气中的氧 气作为助燃剂的。可燃气体燃烧时，需与助燃剂混合。如果燃烧发生前，可燃气体己与 空气混合均匀，称之为预混燃烧，若在燃烧过程中可燃气体和空气边混合边燃烧则称之 为扩散燃烧。物质在液态和固态状况下，很难与空气混合均匀形成预混燃烧。其燃烧发 生的过程是当有足够的外部热量作用于可燃物时，液态和固态物质先受热蒸发出气体， 或者分解出可燃气体，( 如c o 、h 2 等) ，气态的可燃物与空气均匀混合而发生预混燃烧， 燃烧产生的热量使得液态或固态物质的表面又分解出可燃气体、从而不断形成扩散燃 烧。燃烧的同时有较大的分子团，灰烬和未燃烧的物质颗粒悬浮在空气中，这种粒子的 直径大约为o 0 1 微米，被称为气溶胶。伴随气溶胶产生的还有直径在0 o l 1 0 微米之 间的液态或固态颗粒，这些物质称为烟雾。它是由极小的炭黑粒子、完全燃烧或不完全 燃烧的灰分及可燃物的其他燃烧分解产物所组成。烟雾的浓度及成分取决燃烧物的化学 组成和燃烧时的温度、氧气来源等燃烧条件。在燃烧充分的情况下，物质燃烧产生的烟 气成分以二氧化碳、一氧化碳、水蒸气等为主；在不完全燃烧条件下，不仅有上述燃烧 生成物，还会有醇、醚等有机化合物。含炭量多的物质，在氧气不足的条件下燃烧时， 有大量的炭粒子产生。通常，烟雾在低温时，即阴燃阶段，以液滴粒子为主，烟气发白 或呈青白色。当温度上升至起火阶段时，因发生脱水反应，产生大量的游离的炭粒子， 常呈黑色或灰黑色。燃烧发生后，烟雾会流动扩散，扩散速度与烟雾的温度和流动方向 有关。烟雾在水平方向的扩散流动速度较慢，大约为o 3 米秒0 8 米秒。烟雾在垂 直方地面方向的扩散流动速度较大，大约为1 米秒 - - 5 米秒。在上下连通的竖直通路 中，例如楼梯间或管道井等，会产生烟囱效应，烟雾上升的速度可达6 米秒 - - 一8 米秒。 烟气是有毒的，吸入人体会造成对器官的刺激，并引起窒息。高温烟气还会灼伤人体。 2 3 火灾信息探测的一般方法 火灾信息探测以物质燃烧过程中产生的各种火灾现象为依据，以实现早期发现为目 标。利用一定的仪器对火灾临近区域的物理或化学现象进行探测，主要方法有感烟式， s 第二章烟雾探测原理及火灾报警系统概述 温式、感光式火灾探测器和可燃气体探测器等。 感烟火灾探器具有结构简单，发现火情及时等优点，通常对探测区域内某一点或某 一连续线路周围的烟雾参数敏感，常用的有空气离化探测法和光电探测法。离化法的产 品成为离子感烟探测器，它在内外电离室里有放射源，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。 一旦有烟雾窜逃外电离室。干扰了带电粒子的正常运动，改变了外电离室的等效阻抗( 增 大) ，但内电离室等效阻抗不变，从而使内外电离室的电压分配变化，根据电压的变化 送至m c u 处理可发出警报。空气离化探测法因为涉及放射源的污染处理问题，其应用收 到较大的影响。 光电式感烟探测又分为减光法和散射法两种，而散射法在火情早期发现方面具有一 定的优势。散射式光电探测是根据光线散射定律，在暗箱内设置发光源，当烟气进入时， 其粒径大于光线波长的烟雾颗粒会对光线产生散射，用光敏接收元件检测散射光的强弱 得到火灾信号的。 理论分析指出，散射型光电感烟探测器的输出信号与辐射光的强度，波长、离子浓 度、粒径、散射角、散射体积和光敏元件的受光面积、受光元件的灵敏度等因素相关， 当确定了光电器件、辐射强度和探测器烟室结构后，输出信号仅与粒子的浓度和粒径有 关。 实验证明散射光强度与散射角度和粒径有关，随着粒径的增大，前向散射的强度增 大，侧向散射次之、后向散射减小，但无论粒径大小如何变化，前向散射信号总优于后 向散射信号。由于前向散射结构背景信号较弱，制造上难度低；而后向散射结构背景信 号强，灵敏度不易做得高。因而前向散射结构得到较多的应用。 感温探测器：运用金属热胀冷缩的特性。正常的情况下，探测器的电路断开；当温 度升到一定值时，由于金属膨胀、延伸，导体接通，于是发出信号。可以利用某些金属 易熔的特性，在探测器里固定一块低熔点合金，当温度升到它的熔点( 7 0 9 0 c ) 时，金 属熔化，借助弹簧的作用力，使触头相碰，电路接通，发出信号。这种探测器属定温型。 即当外界温度超过某一限值时就报警：另一种是差温型，升温的速度超过特定值时，便 会感应报警。如将两者结合起来，便成为差定温组合式。感温探测器还有感温电缆等形 式。 2 4 烟雾探测报警系统的基本构成 6 长安大学硕士学位论文 1 、基本1 2 c 总线构成的烟雾探测报警系统 火灾探测器在工程应用中，往往都需要在一定的空间范围里多点安装，科学有效的 联网是系统经济性和可靠性的关键，若采用简单的星型网络结构，系统的线路根数将是 总线型结构的n 倍( n 为系统中的探头数量) 。在此基础上，若选用常规的并行总线，其 总线中的信号线根数又是串行总线中信号线根数的数倍。鉴于此，本设计采用先进的1 2 c 总线方案进行系统的整合。1 2 c 总线是i n t e r - i c 的缩写，它是p h ili p s 公司开发的一种 用于多端控制的双线串行双向数据总线系统，可以方便地完成多机间的非主从通信或主 从通信。1 2 c 总线始终与先进技术保持同步，但它保留了很好的向下兼容性。用1 2 c 总线 构成的多机通信系统具有结构简单，程序编写方便，易于实现系统软硬件的模块化和标 准化设计的优点。下面对1 2 c 总线的特性进行概要的介绍。 i 2 c 总线支持任何芯片类型工艺的芯片如：n m o s ，c m o s ，双极型。它采用二线制s d a ( 串 行数据线) 和s c l ( 串行时钟线) 把系统中的各单元连接在一起，实现信息的相互传递。i 2 c 属于多主总线，总线可以由多个互接的主机控制，连接到总线上的每个工作单元都有一 个唯一的地址，在执行数据传输时，都可以被看成是主机或从机，作为主机时，它是初 始化总线的单元，负责初始化数据的传输并负责在时钟线上产生允许数据传输的时钟信 号。这时，其他连接在总线上的被寻址器件被看作是从机。s d a 线和s c l 线都是双向线， 需要通过一个上拉电阻接到系统电源的正端，空闲时两总线均为高电平。因此，各工作 单元具体与总线相连的器件必须是漏极开路或集电极开路，互连总线实现多个单元的线 与功能。s d a 线上的数据必须在时钟信号高电平期间保持稳定，数据线上的电平状态只 能在时钟线s c l 电平为低时发生变化。同时，连接到总线上的单元都可以作为一个发送 器或接收器来工作，也可以分时作为发送器和接收器来工作。下面对1 2 c 总线的主要特 性进行简要的归纳。 二线制总线结构，即一根串行时钟总线s c l ，一根串行数据总线s d a 。 多主机系统：具有总线仲裁功能，当有两个以上的主机同时启动总线时，可以通 过冲突检测和和仲裁机制来保证系统正常运行。 单元编址：总线上挂接的每个工作单元都设有唯一的识别地址。 数据传输为双向8 位，传输速率在标准模式时为l o o k b p s ，快速模式下为4 0 0 k b p s ， 高速模式下可达4 m b p s 。 连接到同一总线工作单元数量仅受总线最大电容4 0 0 p f 的限制。 基于1 2 c 总线的烟雾探测系统结构如图2 2 所示。 7 第二章烟雾探测原理及火灾报警系统概述 p f ( ： 探测嚣i上位主仉 f 串行数据 。甲e 吣 串行瞒中 f 援浏器探溺器 n 图2 2 探测报警系统结构图 其中探测器即是分布于工程中探测需求空间的烟雾探测器，也是本课题研究的重点。探 测器的分布范围可以是几个房间，一层楼或一栋楼等。探测器既可以单点工作，独立完 成探测报警功能，也可以联网工作，将所在点的探测结果传送给主机，进行上一级的判 断和报警。主机是探测系统的上位机，它也具有1 2 c 总线联网功能，在工程中可以是楼 层或楼栋火灾报警器。主机上可以挂接多种火灾探测器，并可以与消防报警系统联动， 控制卷帘防火门、排烟风扇、喷淋系统、气体灭火系统在必要时及时工作，同时还可以 控制发声、发光单元，向人们发出火警信息。主机还可配备存储、打印和显示装置。 2 、i 总线扩展方法 基本1 2 c 总线组成的火灾烟雾探测报警系统由于受到总线电容负载的限制，其连接 的探测器个数和传输距离都比较有限。为了扩大系统的容量和增加传输距离，可以采用 1 2 c 总线扩展技术。 所谓总线扩展，就是在总线上加接总线中继器，每加一个中继器可以扩展一倍的传 输距离。下面简要介绍一款皇家飞利浦电子集团出品的1 2 c 总线扩展器件p c a 9 5 1 5 。 p c a 9 5 1 5 是一款采用b i c m o s 工艺的总线中继器，通过它可以扩展1 2 c 和s m b u s 系统。 p c a 9 5 1 5 在保持总线操作模式和特性的情况下，通过缓存数据线( s d a ) 和时钟线( s c l ) 的数据实现1 2 c 总线扩展，总线容性负载能力最大为4 0 0 p f 。 1 2 c 总线上4 0 0 p f 的负载能力制约了器件的数目和总线的长度。1 2 c 总线通过使用 固 长安大学硕士学位论文 p c a 9 5 1 5 隔离为两个独立的总线，可以容纳的更多的器件和具有更长的长度。两个具有 不同特性的1 2 c 总线可以通过p c a 9 5 1 5 中继进行数据通信，如：电压分别是5 v 和3 3 v ， 或传输时钟频率分别是4 0 0 k h z 和i o o k h z 的两个1 2 c 总线系统，这里要求当4 0 0 k h z 的总 线在传输数据时，必须要通过p c a 9 5 1 5 将i o o k h z 的总线隔离分开。 p c a 9 5 15 总线中继器的特性 双通道，双方向缓冲区； 兼容1 2 c 总线和s m b u s 两种总线； 使能端高电平有效； 总线开漏输入，输出； 无自锁运行； 支持总线仲裁和时钟伸展； 支持标准模式或快速模式，支持多个主机操作； 掉电条件下1 2 c 引脚为高输入阻抗引脚； 正常工作电压范围为3 0 v 3 6 v ； 1 2 c 总线和使能端引脚最高输入电压为5 5 v ； 时钟频率范围从0 h z - - - 4 0 0 k h z ； 静电保护指标在人体放电模型下超过2 0 0 0 v ( 依据标准j e s d 2 2 - a 114 ) ，在机 器模型下测试超过15 0 v ( 依据标准j e s d 2 2 - a 115 ) 和在器件充电模型下测试超过 10 0 0 v ( 依据标准j e s d 2 2 c 10 1 ) ； 根据j e d e c 标准j e s d 7 8 所做的锁定测试超过10 0 m a ； 提供s 0 8 和t s s o p 8 两种不同的封装。 p c a 9 5 1 5 总线中继器的片内结构： p c a 9 5 1 5 总线中继器的片内结构见图2 3 所示 9 第二章烟雾探测原理及火灾报警系统概述 图2 3p c a 9 5 1 5 内部结构框图 p c a 9 5 1 5 的管脚图管脚描述如下： n c s c l o s d a 0 g n o v c c s c l l s d a l e n 11 n c 无连接 2 s c l 0总线0 串行时钟输入 3 s d a 0 总线0 串行数据输入 4| g n d 电源地( 0 v ) 5 e n高电平有效使能输入 6| s d a l总线1 串行数据 71 s c l l 总线1 串行时钟 1 8l v c c 电源电压 3 、扩展1 2 c 总线构成的烟雾探测报警系统 使用中继器扩展工2 c 总线构成的烟雾探测报警系统如图2 - 4 所示， 1 0 长安大学硕士学位论文 图2 4 扩展1 2 c 总线报警系统 需要说明，本设计采用了m s p 4 3 0 系列单片机，1 2 c 总线模块是单片机的片内资源， 降低了系统成本，适合于小型消防报警系统应用。对于较大系统的组成，建议采用4 8 5 总线或c a n 总线等，可以传输更远的距离。 第三章红外线烟雾探测器硬件设计 第三章红外线烟雾探测器硬件设计 3 1 红外线烟雾探测器单元的系统构成 光红外线烟雾探测器单元的系统构成见图3 1 ，红外烟雾探头产生的烟雾信息经过 滤波和放大等处理环节，送给模数转换单元进行数字化处理，再由单片机信息处理系统 实时进行采样判别，当发现火情时，单片可发出声光报警信息，实现单点工作。同时， 还可以通过联网总线，将报警信息传输给上位主机。 图3 1 烟雾探测器系统构成图 3 2 红外线烟雾传感器探头的设计 红外线烟雾检测传感器的性能是整个烟雾探测器的关键，必须进行精细的设计和调 试。因为自然光和外界光都含有一定的红外光成分，都会对红外光传感器产生一定的干 扰，因此本设计采用了密封的方法，将传感器探头放在一个暗室里，阻断外界光线的进 入。红外光发射和接收器件在暗室内的两边间隔一定距离并形成一定的夹角布放、进行 可靠固定。见图3 2 所示。两管之间的夹角是经过反复实验确定的，这保证了烟雾探测 器对散射光有足够的灵敏度。烟雾是通过眭折的通路进入烟室的，在烟气进入的通路上 还安装了很细的网罩，用于防尘和蚊虫。将红外元件的管脚引出暗室外与检测电路板相 连。在探头周围空间没有烟雾产生时，红外发射管发出的光线基本不能被红外接收接管 收到，因而不会产生检测信号。而当有烟雾进入暗室时，由于烟雾颗粒对红外光线的散 射，接收管就收到了散射来的红外光，进而产生一定的模拟量电信号，送给后续电路进 行处理，从而检测到烟雾的出现，并根据信号的大小判断出是否有火灾发生。 1 2 长安大学硕士学位论文 图3 2 暗室内红外对管布设示意图 3 3 烟雾传感器检测电路的设计 红外线烟雾探测器的烟雾传感器部分的电路结构如图3 3 所示 ! 一 一i ；一 ；= ! i 一一 = i j ” ￥l t 一i * 一k * 一；一o 一- o 一 图3 3 烟雾探测器传感器电路图 烟雾探测传感器前端部分由一个红外光电发射二极管和一个接收三极管组成。发射 管电路中串接了限流电阻以保证其有正常的发射功率而不会过载。红外接收器件选用的 是红外光敏三极管，其工作波段与发射管相匹配。选用三极管是其较二极管有更多的功 率输出。r 2 的配置为三极管提供了合理的工作点。该部分在无烟雾发生的情况下，功率 消耗较小。输出信号经过滤波后送给信号放大器放大。放大器用常用集成运算放大器 l m 3 2 4 组成。其管脚1 为输出端，管脚2 为反相输入端，管脚3 为同向输入端；样机中， 将探头的输出信号通过一个5 千欧姆的电阻r 输入到管脚2 ，即反向输入端，在输出端 和输入端之间用一个200 千欧的电阻相连，组成了一个反相放大器。接一个0 o i u f 1 3 第三章红外线烟雾探测器硬件设计 的电容，起滤波作用。根据放大器放大倍数的计算方法：么= 一面r 5 = 百2 0 0 k = 4 0 倍，即 当输入l m 3 2 4 电压为u o 时则输出信号约为一4 0 u 。通过示波器观察输出信号，有较好的 信噪比，便于后续电路的处理。为了与模数转换电路更好地匹配，放大器的参数可以根 据实际情况调整，亦可利用l m 3 2 4 的剩余单元，增加一级电压跟随器，提高电路的负载 能力和稳定性。 1 4 长安大学硕士学位论文 第四章探测器数据采集与处理系统设计 4 1 单片机选型与探测器系统硬件构成 4 1 1 单片机的选型 根据烟雾探测器的工作特点，设计中应考虑体积小，耗电少、成本低，温度适应范 围广，工作可靠，联网方便，也可以单点工作等方面。为此，对市售的单片机进行了对 比选型，发现msp430 系列单片机作为烟雾探测报警器的的微处理器比较合适。下 面对这种单片机进行分析和对比说明。m s p 4 3 0 系列是一个1 6 位的、具有精简指令集的、 超低功耗的混合型单片机，于1 9 9 6 年推出，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设 和方便灵活的开发手段，已成为众多单片机系列中引人注目的新品种，应用范围不断扩 大，其主要特点归纳如下： l 、处理能力方面：m s p 4 3 0 系列单片机是一个1 6 位的单片机，采用了精简指令集 ( r i s c ) 结构，具有丰富的寻址方式( 7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址) 、 简洁的2 7 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参 加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在8 m h z 晶体驱动下指令 周期为1 2 5n s 。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 2 、运算速度方面：m s p 4 3 0 系列单片机能在8 m h z 晶体的驱动下，实现1 2 5 n s 的 指令周期。1 6 位的数据宽度、1 2 5 n s 的指令周期以及多功能的硬件乘法器( 能实现乘 加) 相配合，能实现数字信号处理的某些算法( 如f f t 等) 。 3 、m s p 4 3 0 系列单片机的中断：其中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方 便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6 p s 。 4 、功耗方面：m s p 4 3 0 单片机是超低的功耗的，因为它在降低芯片的电源电压及灵 活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。 首先，m s p 4 3 0 系列单片机的电源电压采用的是1 8 3 6 v 电压。因而可使其在 i m h z 的时钟条件下运行时，芯片的电流在2 0 0 4 0 0 i ，t a 左右，时钟关断模式的最低功耗 只有0 1 m 。 其次，独特的时钟系统设计。在m s p 4 3 0 系列中有两个不同的系统时钟系统：基本 时钟系统和锁频环( f l l 和f l l + ) 时钟系统或d c o 数字振荡器时钟系统。有的使用 一个晶体振荡器( 3 2 7 6 8 h z ) ，有的使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生c p u 1 5 第四章探测器数据采集与处理系统设计 和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总 体功耗的控制。 由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显 著的不同。在系统中共有一种活动模式( a m ) 和五种低功耗模式( l p m o l p m 4 ) 。 在等待方式下，耗电为o 7 雌，在节电方式下，最低可达0 1 l x a 。 系统工作稳定上电复位后，首先由d c o c l k 启动c p u ，以保证程序从正确的位置 开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的 控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做c p u 时钟m c l k 时发生故 障，d c o 会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。 5 、丰富的片上外围模块m s p 4 3 0 系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。 它们分别是看门狗( w d t ) 、模拟比较器a 、定时器a ( t i m e r _ a ) 、定时器b ( t i m e r _ b ) 、 串口o 、1 ( u s a r t o 、1 ) 、硬件乘法器、液晶驱动器、1 0 位1 2 位a d c 、i2 c 总线、直接数据存取( d m a ) 、端口0 ( p 0 ) 、端口1 6 ( p 1 p 6 ) 、基本定时 器( b a s i ct i m e r ) 等的一些外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时 迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出a d 转换器；1 6 位定时器( t i m e r _ a 和t i m e r _ b ) 具有捕获比较功能，大量的捕获比较寄存器，可用 于事件计数、时序发生、p l u m 等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行 通信接口，可方便地实现多机通信等应用；具有较多的i 0 端口，最多达6 * 8 条i o 口线；p 0 、p 1 、p 2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入； 1 2 1 4 位硬 件a d 转换器有较高的转换速率，最高可达2 0 0 k b p s ，能够满足大多数数据采集应用； 能直接驱动液晶多达1 6 0 段；实现两路的1 2 位d a 转换；硬件i 2c 串行总线接口 实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输( d m a ) 模 块。m s p 4 3 0 系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。 6 、方便高效的开发环境：目前m s p 4 3 0 系列有o p t 型、f l a s h 型和r o m 型三种 类型的器件，这些器件的开发手段不同。对于o p t 型和r o m 型的器件是使用仿真器开 发成功之后再烧写或掩膜芯片；对于f l a s h 型则有十分方便的开发调试环境，因为器 件片内有j t a g 调试接口，还有可电擦写的f l a s h 存储器，因此采用先下载程序到 f l a s h 内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由j t a g 接口读取片内信息供设计者 调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台p c 机和一个j t a g 调试器，而不需要 1 6 长安大学硕士学位论文 仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和c 语言。 m s p 4 3 0 单片机目前主要以f l a s h 型为主。 7 、适应工业及运行环境：m s p 4 3 0 系列器件均为工业级的，运行环境温度为- 4 0 + 8 5 摄氏度，所设计的产品适合用于工业环境下。 目前，在实际工作中8 9 c 5 1 系列的单片机应用较为普遍，为了说明问题，将两者进 行一下比较： 首先，8 9 c5 1 单片机是8 位单片机。其指令是采用的被称为“c i s c 的复杂 指令集，共具有i i i 条指令。而m s p 4 3 0 单片机是1 6 位的单片机，采用了精简指令 集( r i s c ) 结构，只有简洁的2 7 条指令，大量的指令则是模拟指令，众多的寄存器 以及片内数据存储器都可参加多种运算。这些内核指令均为单周期指令，功能强，运行 的速度快。 其次，8 9 c5 1 单片机本身的电源电压是5 伏，有两种低功耗方式：待机方式和 掉电方式。正常情况下消耗的电流为2 4 m a ，在掉电状态下，其耗电电流仍为3 m a ； 即使在掉电方式下，电源电压可以下降到2 v ，但是为了保存内部r a m 中的数据，还 需要提供约5 0 眦的电流。而m s p 4 3 0 系列单片机在低功耗方面的优越之处，则是8 9 c 5 1 系列不可比拟的。正因为如此，m s p 4 3 0 更适合应用于长期不间断通电工作的仪器、 仪表、电子装置等产品中。 再者，8 9 c 5 1 系列单片机由于其内部总线是8 位的，其内部功能模块基本上都是 8 位的虽然经过各种努力其内部功能模块有了显著增加，但是受其结构本身的限制很 大，尤其模拟功能部件的增加更显困难。m s p 4 3 0 系列其基本架构是1 6 位的，同时在 其内部的数据总线经过转换还存在8 位的总线，再加上本身就是混合型的结构，因而 对它这样的开放型的架构来说，无论扩展8 位的功能模块，还是1 6 位的功能模块， 即使扩展模数转换或数模转换这类的功能模块也是很方便的。这也就是m s p 4 3 0 系列产品和其中功能部件迅速增加的原因。 最后，就是在开发工具上面。对于8 9 c 5 1 来说，由于它是最早进入中国的单片机， 人们对它再熟悉不过了，再加上我国各方人士的努力，创造了不少适合我们使用的开发 工具。但是如何实现在线编程还是一个很大的问题。而对于m s p 4 3 0 系列而言，由于引 进了f l a s h 型程序存储器和j t a g 技术，不仅使开发工具变得简便，而且价格也相对 低廉，并且还可以实现在线编程。 1 7 第四章探测器数据采集与处理系统设计 鉴于以上分析，本设计选用m s p 4 3 0 单片机作为单点探测器的微处理器，为系统开 发提供了很多的方便，同时也有效地提升了系统的性能。具体实验选用了t i 公司的超 低功耗高性价比微处理器m s p 4 3 0 f 2 0 0 2 ， 4 1 2m s p 4 3 0 f 2 0 0 2 单片机的硬件构成 m s p 4 3 0 f 2 0 0 2 单片机的封装和管脚排列如图4 1 所示，内部组成见图4 2 所示。 d e vi c ep i n o u t ，m s p 4 3 0 x 2 0 x 2 v c c p 1 o 丌i a c l k a c l l o 或者1 2 c r m = i ( 住传送模式) 时，1 2 c d r 数据寄存器中已经准备好要发送新的数据，或者另一个主设备正在请求数据( 从传送 t x r d y i f g 模式) 。当1 2 c d r 数据寄存器和传送缓冲器满的时候该标志被自动清除。当1 2 c t x u d f = i 表示传送下溢。接收模式下该标志没有应用。 群呼中断标志。产生条件：当1 2c 模块接收到群呼地址( o o h ) 。该标志应用于接收 g c i f g 模式 开始信号检测中断标志。产生条件：在从模式下，1 2 c 模块检测到开始信号。1 2 c 模块 s t t i f g 可以工作在低功耗模式，此时1 2 c 的时钟源关闭，当主设备初始化一次新的通信，即 将s t t i f g 置位时，1 2 c 模块才脱离低耗能状态。该标志只用于从模式。 b 、1 2 c 总线相关控制寄存器 1 2 c 模块有丰富的寄存器资源供用户使用，如表4 7 所示。 长安大学硕士学位论文 表4 71 2 c 模块的控制寄存器 寄存器缩写形式 读写类型地址初始状态 1 2 c 中断使能寄存器 1 2 c i e 读写 0 5 0 h用p u c 复位 1 2 c 中断标志寄存器 1 2 c i f g 读写 0 5 1 h 用p u c 复位 1 2 c 字节数寄存器 1 2 c n d a t 读写 0 5 2 h 用p u c 复位 u s a r t o 控制寄存器 u o c t l 读写 0 7 0 h 用p u c 复位 1 2 c 传输控制寄存器 1 2 c t c t l读写 0 7 1 h 用p u c 复位 1 2 c 数据控制寄存器 1 2 c d c t l 只读 0 7 2 h用p u c 复位 1 2 c 分频寄存器 1 2 c p s c 读写 0 7 3 h 用p u c 复位 1 2 c s c l 高电平整寄存器 1 2 c s c l h 读写 0 7 4 h 用p u c 复位 1 2 c s c l 低电平调整寄存器 i z c s c l l读写0 7 5 h用p u c 复位 i z c 数据寄存器 1 2 c d r 读写 0 7 6 h 用p u c 复位 1 2 c 本地地址寄存器 1 2 c o a 读写 0 1 1 8 h 用p u c 复位 1 2 c 从地址寄存器1 2 c s a读写 0 1 1 a h 用p u c 复位 1 2 c 中断向量寄存器 1 2 c i v只读 0 1 1 c h 用p u c 复位 4 。4 2 探测器i2 c 总线通信程序流程设计 本设计的烟雾探测系统是一个多主机互连系统，结合1 2 c 总线的通信规程和单片机 的资源，给出了多主机系统1 2 c 总线通信程序流程图，分为主机状态和从机状态两个部 分。图4 1 4 是探测器主机状态通信流程图。在主机需要向总线发出开始始信号之前先 要检测一下总线是否为空闲状态，用b u s y 变量置0 代表总线空闲。具体采用多次检测 的方法，通过一定时间的连续续检测，当总线上的电平一直为高，说明总线目