淺議煙霧報(bào)警系統(tǒng)中單片機(jī)的應(yīng)用

【摘 要】防火工作的重要性在現(xiàn)代社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不容小覷，由于國(guó)內(nèi)現(xiàn)在防火系統(tǒng)的研發(fā)比較單一，越來(lái)越難以適應(yīng)日漸復(fù)雜的火情。如今，在居民住宅區(qū)等小型防火單位，廉價(jià)實(shí)用的煙霧自動(dòng)報(bào)警裝置是最合適的選擇，因此，我們就有必要研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的數(shù)字聯(lián)網(wǎng)煙霧報(bào)警器，以適應(yīng)市場(chǎng)的需求。該文通過煙霧信號(hào)采集電路、模擬轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路和GSM網(wǎng)絡(luò)的組合，設(shè)計(jì)合理的報(bào)警系統(tǒng)，簡(jiǎn)單易用，使單片機(jī)在煙霧報(bào)警系統(tǒng)中得到充分的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；煙霧報(bào)警系統(tǒng)；A/D轉(zhuǎn)換電路；煙霧信號(hào)采集電路

隨著人民生活水平的提高，液化石油氣、管道煤氣進(jìn)入了更多人的住宅里，人們?cè)谙硎苄┈F(xiàn)代設(shè)施帶來(lái)了便利的時(shí)候，卻也增加了火災(zāi)隱患。所以火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制系統(tǒng)就顯得尤其重要了。而我國(guó)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制系統(tǒng)在科技發(fā)展進(jìn)程中得到不斷的改進(jìn)，其智能化程度也越來(lái)越高。目前我國(guó)人口不斷的增長(zhǎng)，土地也開始的稀缺，所以為了緩解城市用地的緊張，居住的樓層不斷加高，這不但便于集中供電、供熱、供氣，而且也可以集中控制和管理。但是，這樣也帶來(lái)了隱患，樓層多、人員密集，一旦發(fā)生火災(zāi)，疏散困難，容易造成經(jīng)濟(jì)和人員的損失。為了保障高層建筑安全可靠，就需要設(shè)計(jì)出可靠性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，煙霧報(bào)警系統(tǒng)就針對(duì)像居住等小型防火單位設(shè)計(jì)出來(lái)，既簡(jiǎn)單也易用，本文就這方面的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用做一個(gè)闡述。

1、煙霧報(bào)警系統(tǒng)的現(xiàn)狀

目前，我國(guó)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警設(shè)備市場(chǎng)是國(guó)產(chǎn)、合資生產(chǎn)與進(jìn)口產(chǎn)品“三足鼎立分天下”，而隨著國(guó)內(nèi)防火技術(shù)的不斷提高，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)產(chǎn)品也有所增長(zhǎng)，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)機(jī)制下，有實(shí)力的企業(yè)可以進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)的生產(chǎn)，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的功能、性能基礎(chǔ)上，廠家的布線方式、信號(hào)傳輸方式、信號(hào)處理方式都有所不同，產(chǎn)品之間的兼容性就降低。而國(guó)家對(duì)建筑物不斷的規(guī)范，安裝煙霧自動(dòng)報(bào)警控制系統(tǒng)的建筑物也會(huì)越來(lái)越多。雖說(shuō)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已有多種煙霧自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，但大多還屬于脫機(jī)方式，系統(tǒng)不能自動(dòng)撥號(hào)聯(lián)系消防部門，也會(huì)因?yàn)椴荒芗皶r(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，讓消防部門第一時(shí)間接到報(bào)警信號(hào)，這樣將很大程度上減輕財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。

2、單片機(jī)在煙霧報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 煙霧報(bào)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

煙霧報(bào)警系統(tǒng)是能夠?qū)Νh(huán)境中的煙霧濃度進(jìn)行檢測(cè)，并具有報(bào)警功能的儀器。報(bào)警儀器由煙霧信號(hào)采集電路、模擬轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路和 GSM 網(wǎng)絡(luò)等部分組成，具體如圖 1 所示。

煙霧信號(hào)采集電路主要由煙霧傳感器和模擬放大電路組成，它將煙霧信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬的信號(hào)。A/D（模數(shù)）轉(zhuǎn)換電路是將煙霧檢測(cè)電路傳來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后再傳入單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)這些數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波處理，并分析其值，看是否大于或等于某個(gè)預(yù)設(shè)值（也就是報(bào)警限），如果大于報(bào)警限值，則啟動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警信號(hào)。為方便檢測(cè)與監(jiān)控，使我們能夠直接觀察到環(huán)境中的可燃煙霧濃度值，可將濃度值送到顯示屏中，為了調(diào)節(jié)報(bào)警限，也可加入按鍵。可燃煙霧檢查報(bào)警器的兩大核心是煙霧傳感器和單片機(jī)，所以選擇合適、精確、經(jīng)濟(jì)的煙霧傳感器及單片機(jī)芯片是非常重要的。系統(tǒng)終端與用戶的煙霧報(bào)警系統(tǒng)相連接，對(duì)煙霧報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行及工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過煙霧信號(hào)采集，將數(shù)據(jù)和報(bào)警信息通過煙霧報(bào)警系統(tǒng)通信網(wǎng)傳送至用戶，同時(shí)發(fā)出警報(bào)。但由于煙霧報(bào)警系統(tǒng)生產(chǎn)廠家眾多，型號(hào)也多樣，其對(duì)外數(shù)據(jù)通信沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，所以進(jìn)行煙霧信號(hào)采集就會(huì)有極大的不便[1]。

2.2 煙霧報(bào)警系統(tǒng)的線路分析

報(bào)警器包括降壓整流、穩(wěn)壓電路、氣敏傳感元件和觸發(fā)、報(bào)警音響電路。具體的線路如圖 2 所示。半導(dǎo)體氣敏元件采用 QM-25 或 MQ211 型，適于煤氣、天然氣、汽油及各種煙霧的報(bào)警，由于要求燈絲加熱電壓穩(wěn)定，故采用了穩(wěn)壓塊 7805 對(duì)其燈絲電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，且需要開機(jī)預(yù)熱 3 分鐘。555 和 R2、RP2、C4 組成可控多諧振蕩器，一般情況下，強(qiáng)制復(fù)位端 4 腳處于電平，555 處于停振狀態(tài)，當(dāng) QM 型氣敏元件獲得可燃?xì)怏w或煙霧時(shí)，A-B 極間的阻值降低，使 4 腳電位上升到 1V 以上，555 起振，振蕩頻率取決于 R2、RP2、C4 的時(shí)間常數(shù)，即f=1.44/（R2+RP2）C4

圖示參數(shù)的振蕩頻率約 0.6～8k Hz， 調(diào)節(jié) RP2 ，使頻率在1500Hz 即可。

3、單片機(jī)在煙霧報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用

煙霧報(bào)警器是離子感煙探測(cè)器，感煙探測(cè)器在內(nèi)外電離室里面有放射源镅241，電離產(chǎn)生的正、負(fù)離子，在電場(chǎng)的作用下各向正負(fù)電極移動(dòng)。正常情況下，內(nèi)外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。但是，一旦有煙霧竄逃外電離室。干擾了帶電粒子的正常運(yùn)動(dòng)，電流、電壓就會(huì)所改變，破壞了內(nèi)外電離室之間的平衡，感煙探測(cè)器就會(huì)發(fā)出信號(hào)。煙霧是上升運(yùn)動(dòng)的，到達(dá)天花板底下。煙霧報(bào)警器通過煙發(fā)現(xiàn)火災(zāi)。在您沒有看到火苗或聞到煙味的時(shí)候，煙感器已經(jīng)知道了。它不停的工作，從不間斷。在報(bào)警時(shí)，它發(fā)出尖嘯刺耳的聲音，直到煙霧散去。在真實(shí)的火災(zāi)中，煙感器一直工作到被燒毀。煙霧報(bào)警器一般是將獨(dú)立的電池供電或交流電供電電池為備電，由總線供電，總線上可以連接有多個(gè)，與火災(zāi)報(bào)警控制器聯(lián)網(wǎng)、通訊組成一個(gè)報(bào)警系統(tǒng)，報(bào)警時(shí)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)聲音，感煙探測(cè)器分帶地址編碼的、不帶地址編碼的。

煙霧傳感器和煙霧探測(cè)芯片組成了傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警器，探測(cè)芯片接收傳感器信號(hào)并進(jìn)行處理，從處理的數(shù)據(jù)中，判斷是否發(fā)生火災(zāi)。這種煙霧探測(cè)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但存在誤報(bào)率高和環(huán)境適應(yīng)能力差等缺點(diǎn)。為解決這個(gè)問題，單片機(jī)應(yīng)用在報(bào)警器中，以識(shí)別傳感器因環(huán)境影響而產(chǎn)生的干擾信號(hào)。傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警器有如下三個(gè)缺點(diǎn)，（1）采用普通的單片機(jī)，增加報(bào)警器的功耗，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間需要供電的煙霧報(bào)警器而言，是不太理想的。（2）傳感器產(chǎn)生的微弱模擬信號(hào)，要經(jīng)過放大、A/D 轉(zhuǎn)換之后才能被單片機(jī)處理。采用獨(dú)立的 A/D 轉(zhuǎn)化電路，不但增加系統(tǒng)的功耗，也降低了系統(tǒng)的可靠性；（3）單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)不合理，也會(huì)降低報(bào)警器的報(bào)警準(zhǔn)確性。操作控制也不靈活。所以選擇合理的單片機(jī)是非常有必要的。 MSP430 系列單片機(jī)，它是 TI 公司推出的 16 位超低功耗的混合數(shù)字信號(hào)處理器，針對(duì)用戶的應(yīng)用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個(gè)芯片上。 MSP430 是精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)的 16 位單片機(jī)，在 8MHz 晶振工作時(shí)，指令速度可以達(dá)到 8MIPS。MSP430 單片機(jī)的電源是采用 1.8V～3.6V 低電壓，在 RAM 數(shù)據(jù)保持下，其耗電只有0.1μA。 MSP430 有正常工作模式（AM）和 5 種低功耗工作模式（LPM0～LPM4）。 MSP430 的超低功耗，在供電要求苛刻的報(bào)警系統(tǒng)中，具有優(yōu)良的特性。MSP430 系列單片機(jī)，其結(jié)合了 TI 公司高性能的模擬技術(shù)，也有豐富的外設(shè)，而這些外設(shè)包括多通道高精度的 ADC 和 DAC、片內(nèi)模擬比較器、片內(nèi)數(shù)控振蕩器（DCO）、大量的 I/O 端口以及大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器等，這使得單片機(jī)可以滿足多數(shù)用戶的需求。

4、總結(jié)與建議

本文設(shè)計(jì)使用了具有自動(dòng)采集信號(hào)和模塊序列，以及多次轉(zhuǎn)換的超低功耗單片機(jī)SP430，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煙霧信號(hào)和電池電壓的精確檢測(cè)，也完善了單點(diǎn)式煙霧報(bào)警器的低電壓檢測(cè)煙霧報(bào)警功能，在硬件選型中，充分考慮超低功耗要求，在可靠性、穩(wěn)定性和實(shí)用性等方面均比以往探測(cè)器有所改進(jìn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1] http：//119.china.com.cn/txt/2009-02/25/content_2753279.htm.

[2]基于單片機(jī)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/view/

cdff0c225901020207409c39.html.

[3]簡(jiǎn)易氣體煙霧報(bào)警器電路[EB/OL].http：//info.pcbtn.com/Html/555dl/135119522.html.

[4]基于 MSP430 單片機(jī)的煙霧報(bào)警器優(yōu)化設(shè)計(jì)[EB/OL].http：//www.51icjm.com/html/download/article-195.html.