引言
    為了避免火災(zāi)的發(fā)生，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)歷經(jīng)150多年的發(fā)展，已進(jìn)入廣泛應(yīng)用階段。如今，火災(zāi)探測器經(jīng)歷了開關(guān)量探測器、模擬量探測器和智能型探測器三個(gè)發(fā)展階段。本文將介紹一種智能型火災(zāi)探測器的設(shè)計(jì)過程。

光電感煙火災(zāi)探測器的硬件設(shè)計(jì)
    本文中光電感煙火災(zāi)探測器硬件設(shè)計(jì)分為CPU選型、硬件電路和總線接口設(shè)計(jì)三個(gè)部分。

CPU選型
    本文根據(jù)光電感煙火災(zāi)探測器的實(shí)際需求，從CPU的性價(jià)比、功耗、開發(fā)難易程度等方面綜合考慮，選用了PIC系列單片機(jī)。該系列單片機(jī)采用RISC結(jié)構(gòu)，其高速度、低電壓、低功耗、大電流LCD驅(qū)動(dòng)能力和低價(jià)位OTP技術(shù)等都體現(xiàn)出單片機(jī)產(chǎn)業(yè)的新趨勢。

    PIC系列8位單片機(jī)共有三個(gè)系列，即基本級、中級和高級，通過對CPU的I／O口線、功耗、成本的比較，最終選擇了中級的PICl6C712。系統(tǒng)利用CPU的捕捉輸入端口接收控制器發(fā)來的地址、命令、數(shù)據(jù)，并將探測器的地址、報(bào)警閾值等信息存入E2PROM中，對接收放大電路輸出電壓進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。

硬件電路設(shè)計(jì)
    本文設(shè)計(jì)的光電感煙火災(zāi)探測器的電路系統(tǒng)主要由CPU、存儲(chǔ)器、發(fā)射電路、接收放大電路、總線接口電路、穩(wěn)壓電路、信號返回電路及確認(rèn)燈電路組成，如圖1所示。

    串行E2PROM存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)探測器的出廠序列號、地址編碼、報(bào)警閾值等信息，該存儲(chǔ)器可在線電擦除、電寫入，具有體積小、接口簡單、數(shù)據(jù)保存可靠、可在線改寫、功耗低等特點(diǎn)。

    目前常用的串行EzPROM有兩線制、三線制兩種。兩線制產(chǎn)品用于需要12C總線、有抗噪聲性能、I／O口線受限制的應(yīng)用中，三線制產(chǎn)品用于有限制規(guī)約要求，且采用SPI規(guī)約、需要有更高時(shí)鐘頻率要求，或需要16位數(shù)據(jù)字寬的應(yīng)用中。

    為節(jié)約CPU的I／O口線，本文選用兩線制串行EPROM芯片24LC01。

    采用時(shí)鐘(sCL)和數(shù)據(jù)(sDA)兩根線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，接口十分簡單。SDA是串行數(shù)據(jù)腳。該腳為雙向腳，漏極開路，用于地址、數(shù)據(jù)的輸入和數(shù)據(jù)的輸出，使用時(shí)需加上拉電阻。SCL是時(shí)鐘腳，該腳為器件數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐綍r(shí)鐘信號。

    SDA和SCL腳均為施密特觸發(fā)輸入，并有濾波電路，可有效抑制噪聲尖峰信號，保證在總線噪聲嚴(yán)重時(shí)器件仍能正常工作。

總線接口設(shè)計(jì)
    火災(zāi)探測器與火災(zāi)報(bào)警控制器之間采用總線連接，在直流24V電源上疊加7.5V脈沖信號，脈沖信號(包含地址與數(shù)據(jù))經(jīng)耦合后送至CPU進(jìn)行譯碼、接收。

    火災(zāi)探測器利用CPU的捕捉輸入口接收控制器發(fā)來的地址、命令和數(shù)據(jù)信息，將探測器的地址、報(bào)警閾值等信息存入E2pROM中，對接收放大電路輸出電壓進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。

    為了在通訊時(shí)使總線電壓保持相對恒定，采用高低電平交替發(fā)送信息的辦法，即通過高電平或低電平的不同寬度來表示不同的信息，可以有效利用總線的帶寬。在本系統(tǒng)中，為了減少脈沖個(gè)數(shù)，每個(gè)脈沖表示兩位2進(jìn)制碼。

    火災(zāi)報(bào)警控制器在巡檢時(shí)最多發(fā)送16位數(shù)據(jù)、2位校驗(yàn)位，其中前8位是地址或命令、后8位是數(shù)據(jù)，起始信號為5ms的低電平，校驗(yàn)脈沖同時(shí)也是停止脈沖?？刂破鬟€向火災(zāi)探測器等部件發(fā)送廣播信號，探測器根據(jù)不同的命令接收或返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

    當(dāng)探測器接收到與自身地址碼相同的尋址信號時(shí)，CPU控制信號返回電路以脈沖幅度固定的電流信號向控制器返回探測器的地址、檢測值、故障、火警狀態(tài)等信息，返回的數(shù)據(jù)共10位，其中8位數(shù)據(jù)、2位校驗(yàn)，探測器在控制器發(fā)送數(shù)據(jù)完成１ms后立即返回?cái)?shù)據(jù)，脈沖幅度為40mA。[nextpage]

光電感煙火災(zāi)探測器的軟件設(shè)計(jì)
報(bào)警廣播協(xié)議設(shè)計(jì)
  為使火災(zāi)報(bào)警控制器能快速響應(yīng)探測器的報(bào)警信息，我們設(shè)計(jì)了報(bào)警廣播通信協(xié)議?；馂?zāi)報(bào)警控制器定時(shí)向整個(gè)回路發(fā)送廣播信息，探測器收到廣播信號時(shí)，如該探測器有報(bào)警信號需要發(fā)送，則開始逐位發(fā)送自己的地址，此時(shí)可能有多個(gè)探測器有報(bào)警信號，例如兩個(gè)探測器的地址分別是1和2(以下稱１#和2#探測器)，探測器首先發(fā)送自己的最低位，如圖3中的A點(diǎn)，若最低位是1則發(fā)送脈沖寬度是1.024ms，如為0則寬度為0.768ms。

    當(dāng)兩個(gè)探測器同時(shí)發(fā)送時(shí)，返回的實(shí)際數(shù)據(jù)是1，控制器收到后，立刻通過總線把數(shù)據(jù)返回，如圖3中B點(diǎn)，當(dāng)2#收到該信號l時(shí)，與自己剛才發(fā)送的0相比較，發(fā)現(xiàn)不一致即退出通訊，1#則繼續(xù)通訊，發(fā)送自己后邊的所有地址位，直到發(fā)送完成?？刂破髟谕ㄓ嵧瓿珊?，已經(jīng)獲知1#探測器有新報(bào)警，則通過巡檢該地址的方式獲得該探測器的報(bào)警信息。

    1#探測器在成功進(jìn)行一次報(bào)警廣播通訊后，不再進(jìn)行廣播通訊，除非有新報(bào)警信息產(chǎn)生(所有信息有新的變化)。當(dāng)控制器在下一個(gè)周期發(fā)送廣播通訊時(shí)，2#探測器繼續(xù)返回自己的信號，直到通訊完成。這樣控制器在兩個(gè)巡檢周期內(nèi)完成了兩個(gè)報(bào)警信息的查詢。

    探測器發(fā)送的每個(gè)脈沖必須在收到脈沖0.5－1ms時(shí)返回，所有探測器必須保持一致。

    由于每次廣播通訊的過程中低電平的脈沖寬度都小于5ms，因此其它探測器可以據(jù)此判斷通訊是否結(jié)束。

報(bào)警判據(jù)設(shè)計(jì)
    本文設(shè)計(jì)的光電感煙火災(zāi)探測器采用兩發(fā)一收的雙光路迷宮，微處理器實(shí)時(shí)計(jì)算與2個(gè)發(fā)射管構(gòu)成前向散射光路和后向散射光路的接收管，以響應(yīng)輸出值的比值。根據(jù)不同顏色、粒徑粒子的響應(yīng)輸出比值不同，對進(jìn)入探測室煙霧顆粒進(jìn)行分析、判斷，確認(rèn)煙霧顏色及水霧、灰塵等非火警因素，并根據(jù)煙霧顆粒的顏色調(diào)整探測器響應(yīng)閾值，實(shí)現(xiàn)對各種顏色煙霧的均衡響應(yīng)。

    前向散射、后向散射可各設(shè)一浮動(dòng)閾值，其中后向散射閥值小，當(dāng)檢測值變化量超過浮動(dòng)閾值進(jìn)行連續(xù)采樣判斷。當(dāng)前向散射、后向散射有一路出現(xiàn)故障時(shí)，另一路可獨(dú)立進(jìn)行火警判斷。

    因?yàn)楣鈱W(xué)探測室的內(nèi)壁不可能成為絕對黑體，發(fā)光元件發(fā)出的光經(jīng)過內(nèi)壁多次反射后，必然在探測空間內(nèi)形成一定照度的背景光，通過對背景光變化信號的分析，判斷發(fā)光元件的發(fā)光強(qiáng)度、接收元件的接收靈敏度、探測室的狀態(tài)等，使探測器實(shí)現(xiàn)自診斷。
　　
軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
　　為了使軟件有良好的可維護(hù)性，本文采用模塊化設(shè)計(jì)。
　　
　　主程序功能
　　實(shí)現(xiàn)對該程序的初始化設(shè)置，檢查探測器的地址、閾值、傳感器故障，判斷火警，寫EEPROM等。
　　
　　捕捉中斷功能
　　該模塊接收控制器發(fā)送的編碼信號。
　　
　　比較中斷功能
　　該模塊向控制器發(fā)送返回信號。
　　
　　定時(shí)器0中斷功能
　　該模塊對接收到的編碼信號進(jìn)行分析處理，準(zhǔn)備需向控制器返回的數(shù)據(jù)。
　　
　　定時(shí)器2中斷功能
　　該模塊進(jìn)行ACD采樣間隔、巡檢閃燈間隔的計(jì)時(shí)。

結(jié)語
    本文采用PIC16C712微控制器設(shè)計(jì)的智能型光電感煙火災(zāi)探測器已通過國家消防電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的檢驗(yàn)，全面滿足GB4715－2005的要求，能均衡響應(yīng)黑煙、白煙，靈敏度高、報(bào)警響應(yīng)速度快，具有較強(qiáng)的抗干擾、防誤報(bào)能力。