基于微控制器２０５１实现的探测器设计

摘要：本文探讨一种智能型火灾探测器的设计过程。通过对火灾报警控制器配套的光电感烟火灾探测器的设计。探讨利用AT89C2051微处理器芯片完成信息的探测、多地址信息的发送控制及分析、判断、报警等功能。

关键词：AT89C2051；火灾探测；报警

在现代智能楼宇控制系统中，为了避免火灾的发生及最大可能减少损失，使灾情报告快速而准确，常采用火灾自动报警及联动控制技术。本文将探讨一种智能型火灾探测器的设计过程。

我们设计的是与火灾报警控制器配套的光电感烟火灾探测器。为了提高火灾自动报警系统的准确性及快速性，要求光电感烟探测器本身具有微处理器的功能，要对探测到的数据进行预处理，以提高系统响应的快速性，并且探测器与控制器之间采用全数字通讯，这样可以实现多回路（感烟探测器或输入/出模块）控制时，巡检周期比较小（2～4s），控制器报警周期短，系统联动周期为快等特点。

1探测器硬件设计

火灾探测器硬件的设计可分为微处理器选型、硬件电路设计和接口电路设计等三部分。

1.1微处理器选型。根据系统对光电感烟火灾探测器的实际需求，考虑到探测器要对数据进行必要的预处理，属于智能型终端设备，所以从微处理器的性价比、功耗、开发难易程度等方面综合考虑，我们选用了AT89C2051单片机。AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS型的8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128 bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性Flash存储技术生产，兼容MCS-51指令系统，具有高速度、低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力和低价位等特点，基本体现出了单片机产业的新趋势。

1.2硬件电路设计。火灾探测器的硬件电路主要由微处理器、存储系统、发射电路、接收与放大电路、接口电路、稳压电路、信号传输电路及灯光显示电路等组成，硬件电路原理如图1所示。

系统利用微处理器的端口接收控制器发来的地址、命令、数据等信息，并将探测器的地址、报警阈值等信息存入存储器中，对接收与放大电路的输出电压进行A/D转换。

根据探测器收集与处理数据信息的需要，系统应该具备一个单独的存储系统。在考虑系统的体积与硬件条件后，我们选择了串行Flash存储器，用于存储探测器的序列编号、地址编码、报警阈值等信息。目前常用的串行Flash有两线制和三线制两种，我们选用了三线制产品SSF1101，该产品具有体积小、接口简单、数据保存可靠、可在线改写、功耗低等诸多特点，其与AT89C2051微处理器的连接方式也十分简单。我们使用单片机的三根口线（P1.0、P1.1、P1.2）分别与SSF1101的接口SI、SCK及SO端相连以实现简单的三线串行通信，单片机的另一口线（P1.3）与CS相连用于控制对器件的访问。

1.3火灾感烟探测器与报警器间的电路连接。在火灾感烟探测器与火灾报警控制器之间采用电源线调制连接，即在直流24V电源上叠加7.5V脉冲信号，脉冲信号（包括地址与数据）经耦合后送到微处理器进行译码、接收。探测器利用微处理器的捕捉输入口接收报警控制器发来的地址、命令和数据信息，然后将探测器的地址、报警阀值等信息存入Flash中，并对接收放大电路输出电压进行A/D转换。为了保证在通信时使电源线上的电压保持相恒定，我们采用高低电平交替发送信息的办法，即通过高电平或低电平的不同宽度来表示不同的信息。为了减少脉冲个数，每个脉冲表示两位二进制码，其编码形式如表示。

火灾报警控制器在进行巡检时，最多发送16位数据、2 位校验位，其中前8位是地址或命令，后8位是数据。起始信号为5ms的低电平，校验脉冲同时也是停止脉冲。控制器还向火灾探测器等部件广播信号，探测器根据不同的命令接收或返回相应的数据。当探测器接收到与自身地址码相同的寻址信号时，微处理器的控制信号返回电路以脉冲幅度固定的电流信号向报警控制器返回探测器的地址、检测值、故障、火警状态等信息，返回的数据共10位，其中8位数据、2位校验，探测器在报警控制器发送数据完成1ms后立即返回数据，脉冲幅度为40mA。

2系统程序设计

2.1确定报警广播通信协议。为使火灾报警控制器能快速响应探测器的报警信息，我们设计了报警广播通信协议。火灾报警控制器定时向整个回路发送广播信息，探测器收到广播信号时，如该探测器有报警信号需要发送，则开始逐位发送自己的地址，此时可能有多个探测器有报警信号，例如两个探测器的地址分别是1和2(以下称1#和2#探测器)，探测器首先发送自己的最低位，如图2中的A点，若最低位是1则发送脉冲宽度是1.024ms，如为0则宽度为0.768ms。

当两个探测器同时发送时，返回的实际数据是1，控制器收到后，立刻通过总线把数据返回，如图2中B点，当2#收到该信号1时，与自己刚才发送的0相比较，发现不一致即退出通讯，1#则继续通讯，发送自己后边的所有地址位，直到发送完成。控制器在通讯完成后，已经获知1#探测器有新报警，则通过巡检该地址的方式获得该探测器的报警信息。

1#探测器在成功进行一次报警广播通讯后，不再进行广播通讯，除非有新报警信息产生(所有信息有新的变化)。当控制器在下一个周期发送广播通讯时，2#探测器继续返回自己的信号，直到通讯完成。这样控制器在两个巡检周期内完成了两个报警信息的查询。

探测器发送的每个脉冲必须在收到脉冲0.5-1ms时返回，所有探测器必须保持一致。由于每次广播通信的过程中低电平的脉冲宽度都小于5ms，因此其它探测器可以据此判断通讯是否结束。

2.2报警判据设计

本文设计的光电感烟火灾探测器采用两发一收的双光路迷宫，微处理器实时计算与2个发射管构成前向散射光路和后向散射光路的接收管，以响应输出值的比值。根据不同颜色、粒径粒子的响应输出比值不同，对进入探测室烟雾颗粒进行分析、判断，确认烟雾颜色及水雾、灰尘等非火警因素，并根据烟雾颗粒的颜色调整探测器响应阈值，实现对各种颜色烟雾的均衡响应。

前向散射、后向散射可各设一浮动阈值，其中后向散射阈值小，当检测值变化量超过浮动阈值进行连续采样判断。当前向散射、后向散射有一路出现故障时，另一路可独立进行火警判断。因为光学探测室的内壁不可能成为绝对黑体，发光元件发出的光经过内壁多次反射后，必然在探测空间内形成一定照度的背景光，通过对背景光变化信号的分析，判断发光元件的发光强度、接收元件的接收灵敏度、探测室的状态等，使探测器实现自诊断。

2.3软件设计实现

为了使应用程序有良好的可维护性，程序采用了模块化设计，流程图如图所示。

主程序实现的功能实现对应用程序的初始化设置，包括检查探测器的地址、阈值、传感器故障，判断火警，写Flash等功能。中断服务程序功能包括四个模块，主要是完成对控制器发送信号的接收、向控制器返回信号、对接收信号及数据进行处理及进行A/D采样间隔、巡检、闪灯间隔的计时等功能。

总结。本文采用AT89C2051微控制器设计的智能光电感烟火灾探测器，通过在实验室测试，能较好地响应黑烟、白烟等，灵敏度高、报警响应速度快，具有较强的抗干扰和防误报能力。相信通过进一步的优化以后，一定能够产生较好的效益。