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(cè)器經(jīng)歷了開(kāi)關(guān)量探測(cè)器、模擬量探測(cè)器和智能型探測(cè)器三個(gè)發(fā)展階段。本文將介紹一種智能型火災(zāi)探測(cè)器的設(shè)計(jì)過(guò)程。

光電感煙火災(zāi)探測(cè)器的硬件設(shè)計(jì)
    本文中光電感煙火災(zāi)探測(cè)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(cè)器的實(shí)際需求，從CPU的性價(jià)比、功耗、開(kāi)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(shì)。

    PIC系列8位單片機(jī)共有三個(gè)系列，即基本級(jí)、中級(jí)和高級(jí)，通過(guò)對(duì)CPU的I／O口線、功耗、成本的比較，最終選擇了中級(jí)的PICl6C712。系統(tǒng)利用CPU的捕捉輸入端口接收控制器發(fā)來(lái)的地址、命令、數(shù)據(jù)，并將探測(cè)器的地址、報(bào)警閾值等信息存入E2PROM中，對(duì)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(cè)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(hào)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(cè)器的出廠序列號(hào)、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(jiǎn)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(jiǎn)單。SDA是串行數(shù)據(jù)腳。該腳為雙向腳，漏極開(kāi)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(hào)。

    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(hào)，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(cè)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(hào)，脈沖信號(hào)(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(cè)器利用CPU的捕捉輸入口接收控制器發(fā)來(lái)的地址、命令和數(shù)據(jù)信息，將探測(cè)器的地址、報(bào)警閾值等信息存入E2pROM中，對(duì)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(duì)恒定，采用高低電平交替發(fā)送信息的辦法，即通過(guò)高電平或低電平的不同寬度來(lái)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(hào)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(cè)器等部件發(fā)送廣播信號(hào)，探測(cè)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(cè)器接收到與自身地址碼相同的尋址信號(hào)時(shí)，CPU控制信號(hào)返回電路以脈沖幅度固定的電流信號(hào)向控制器返回探測(cè)器的地址、檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器的報(bào)警信息，我們?cè)O(shè)計(jì)了報(bào)警廣播通信協(xié)議。火災(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(cè)器收到廣播信號(hào)時(shí)，如該探測(cè)器有報(bào)警信號(hào)需要發(fā)送，則開(kāi)始逐位發(fā)送自己的地址，此時(shí)可能有多個(gè)探測(cè)器有報(bào)警信號(hào)，例如兩個(gè)探測(cè)器的地址分別是1和2(以下稱１#和2#探測(cè)器)，探測(cè)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(cè)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(guò)總線把數(shù)據(jù)返回，如圖3中B點(diǎn)，當(dāng)2#收到該信號(hào)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。控制器在通訊完成后，已經(jīng)獲知1#探測(cè)器有新報(bào)警，則通過(guò)巡檢該地址的方式獲得該探測(cè)器的報(bào)警信息。

    1#探測(cè)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(cè)器繼續(xù)返回自己的信號(hào)，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(cè)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(cè)器必須保持一致。

    由于每次廣播通訊的過(guò)程中低電平的脈沖寬度都小于5ms，因此其它探測(cè)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(cè)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(duì)進(jìn)入探測(cè)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(cè)器響應(yīng)閾值，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)值變化量超過(guò)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(cè)室的內(nèi)壁不可能成為絕對(duì)黑體，發(fā)光元件發(fā)出的光經(jīng)過(guò)內(nèi)壁多次反射后，必然在探測(cè)空間內(nèi)形成一定照度的背景光，通過(guò)對(duì)背景光變化信號(hào)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(cè)室的狀態(tài)等，使探測(cè)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(duì)該程序的初始化設(shè)置，檢查探測(cè)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(hào)。
　　
　　比較中斷功能
　　該模塊向控制器發(fā)送返回信號(hào)。
　　
　　定時(shí)器0中斷功能
　　該模塊對(duì)接收到的編碼信號(hào)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(yǔ)
    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(cè)器已通過(guò)國(guó)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。