基于烟雾检测火灾自动报警系统

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:讨论了用MC14468离子型烟雾检测报警器、单片机8051、nRF401单片射频收发器构成的火灾自动报警系统。由于引入了无线通信技术和FSK(频移键控)调制解调技术为核心的nRF401射频收发器,使系统的性能大大提高,尤其是使系统报警更具实时性和可靠性。 关键词:MC14468;8051;nRF401;FSK;火灾报警 一、前言 现代建筑的特点是楼层不断加高,这主要是从缓解城市用地紧张的角度出发的,同时还便于集中供电、供热、供气,便于集中控制和管理。现在,不论是普通型(比如民用住宅)还是豪华型(比如高级宾馆)的高层建筑,都日益重视防火和安全技术的普及应用。因为其楼层多、人员密集,如果发生火灾,疏散困难,扑救也困难,势必造成严重的人员伤亡和财产损失。为了保障高层建筑安全可靠,必须设计出具有可靠性高、实时性好的火灾自动报警与消防系统,其要求是:(1)当有火情发生时,能以最快的速度检测报警,并能检测火情发生的具体地点(特定的地址编码);(2)经查实确认后,能及时的通报消防部门灭火;(3)系统本身应有自身故障检测的功能,如系统欠电压报警和自检功能等,保证自动报警系统功能完好;(4)较高的系统抗干扰能力,防止系统发生误报警。 目前,虽然已经有多种火灾自动报警系统,但大多还属于脱机方式,最终要靠人来联系消防部门,往往由于不能及时报警而造成重大损失。如果能够以在线的方式直接工作,将很大程度上减轻财产损失和人员伤亡。我们正是着眼于这一问题,力图从根本上解决脱机信号传输方式存在的问题,直接将信号通过无线传输技术发送给主控室或消防部门,达到第一时间救火、灭火的目的。 二、系统的总体结构 本系统由两部分组成:检测发射部分和接受控制部分,其结构如图1和图 2所示。二者均采用单片机控制,系统结构简单,容易实现。由于采用了nRF401单片射频收发器,从而达到了无线传输的目的,能迅速的发出报警信号,方便及时的控制火情。检测发射端和接收控制端选用了目前市场上已经成熟的高性能芯片,其外围电路结构简单,实现容易,可靠实用。系统由三大芯片互相配合构成,检测装置采用了Motorola公司生产的具有声光报警电路的MC14468芯片,能实现多点并行检测,配合外围电路可构成多点烟雾报警系统,其应用电路如图3所示。 无线收发器采用美国Nordic公司最新推出的基于无线通信的 nRF401型单片射频收发器,它采用了无线通信和FSK(频移键控)调制解调技术,工作频率稳定且抗干扰能力强,不需要对数据进行编码,外围电路简单,使用方便,其应用电路如图4所示。由于采用低发射功率和高接收灵敏度的设计方案,因此不受无线电管理条例的限制,无须办理许可证。nRF401的引入是本系统的突出特点之一,它极大的提高了系统的实时性,这对安全系统是相当重要的。单片机采用8051,它不但是MC14468与nRF401之间的桥梁,还起着控制各芯片时钟周期相互配合的作用,这也是相当重要的一环。由于本系统整体结构简单,软件容易实现,因此不需要对8051进行特别的扩展。 三、发射部分 MC系列芯片MC14468为离子型烟雾检测报警芯片,是目前市场上很流行的集火灾检测与报警于一体的智能传感器。当检测到烟雾颗粒时,它能驱动其外围连接的压电陶瓷蜂鸣器或压电式扬声器发出报警声,与此同时,还驱动发光二极管(LED)以1Hz的频率闪烁发光,利用声光报警达到烟雾报警的最佳效果。 MC14468的1脚(检测输出端)直接联接单片机的INT0,当检测到烟雾时,其输出的高电平通过INT0控制单片机内部定时器T0工作,定时90 ms,T0溢出中断,进入中断服务程序,通过串口发送数据(房间号或之前对该系统的有意义编码)给单片射频收发器nRF401。在检测到烟雾时,MC14468自身的100 mV的滞后电压会防止其他外界因素(如飞虫)造成的误报警,辅以单片机产生90 ms的延时,更能提高系统的可靠性。每次T0记时开始时,要由软件重新置初值,从而不会由于90 ms期间MC14468管脚1上的信号消失或变低而导致下次运行出错。 nRF401的串行口直接和单片机的串行口连接(DIN接TXD,DOUT接RXD), TXEN端的高/低电平由软件设置,可实现nRF401发射模式与接收模式之间的相互切换。当需要发射数据时,由晶振电路产生的4 MHz频率作为其内部锁相环的基准频率,经锁相环和压控震荡器进行N倍频后,中心频率f0成为433.92 MHz或434.33 MHz(双频道),调制后,f=f0%26;#177;△f=f0%26;#177;15 kHz(该芯片调制度为%26;#177;15 kHz),最后经功率放大器放大后从PCB天线上发射出去。 四、接收部分 nRF401从PCB天线上接收到调频信号时,单片机置TXEN端为低电平,功率放大器被关断从而进入接收状态。调频信号依次经低噪声放大器放大,经混频器(其作用是抵消本机发送器与接收器之间的高频干扰)变成中频,再经带通滤波器滤波和调制器解调后,成为数据输出。这时单片机切换到发射模式,回送握手信号,nRF401把得到的数据输送给单片机,经处理后从P1口输出到LED上显示(火情来源地信息),同时驱动报警器报警。 相比于检测发射端电路,接收控制端电路更简单。各管脚引线方法两者基本相同,只是软件实现稍有不同。它可直接采用多位LED显示,不用扩展任何接口。 五、系统软件设计 初始化主要是指对定时器工作方式寄存器、中断允许寄存器、串口工作方式寄存器等的设定。当检测到有烟雾时,先由定时器T0定时90 ms,在此期间,如一直能检测到烟雾,确认有火情存在,T0溢出中断,开始发送数据(可以是火情地址编码),经由nRF401的PCB天线发射出去。INT0被设置为下降沿触发,如果90 ms期间MC14468管脚1信号消失或变低,都会引起外部INT0中断,计数器重新置初值。当接收控制端接收到收据时,回送握手信号,以示发送下一帧数据,同时控制压电陶瓷蜂鸣器报警,并控制LED显示数据;如没接收到,即检测发射端没接收到应答信号,则重新发送,直到接收到为止。TXEN端的高/低电平由软件设置,可实现nRF401发射模式与接收模式之间的相互切换。 程序主要采用汇编语言,运用自上而下的设计思想,总体分为两部分,如流程图5所示。整个软件系统有主程序和中断程序、显示程序、延时程序等子程序。主程序主要是对系统的初始化以及检测处理,中断程序主要是发送数据并通过nRF401发射出去,显示模块实现的功能是接收数据并送LED显示,同时启动报警,延时程序是为了nRF401的发射模式与接收模式之间相互切换时序的需要。 六、结论 综上所述,由MC14468、8051、nRF401三大芯片组成的火灾自动报警系统,具有功能强、灵活性高、可靠性好、抗干扰能力强、实时性高等优点,系统整体结构简单、容易实现、实用方便,符合安全系统的要求。 参考文献: [1] 沙占友 . 集成化智能传感器原理与应用[M] . 北京:电子工业出版社,2004. [2] 余锡存,曹国华 . 单片机原理及接口技术[M] . 西安:西安电子科技大学出版社,2002
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