基于单片机控制的无线烟雾检测报警系统

・ｌ８・　科技论坛　基于单片机控制的无线烟雾检测报警系统　刘瑞涛　（石家庄职业技术学院电气与电子工程系，河北石家庄０５００８１）　摘要：本设计提出了一种基于单片机控制的无线数据传输问题的解决方案。该方案以ｎＲＦ４０１为无线传输芯片来设计无线烟雾检　测报警系统，采用低功耗、性价比高的ＡＴ８９Ｓ５１单片机作为控制核心，采用ＭＣ１４４６８离子型烟雾检测报警芯片作为检测火灾及烟雾的传　感器，再结合其他外围电路组成烟雾检测报警系统，并最终进行显示和发出声光报警。该系统使用方便，扩展性强，可广泛应用于商场、酒　店、居民住宅等高层建筑等场合。　关键词：无线传输；ｎＲＦ４０１；ＡＴ８９Ｓ５１；ＭＣ１４４６８　对于现代高层建筑，防火等安全防护技术设备的应用越来越普及，　由于楼层高、人员密集，一旦发生火灾，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。对火灾发现的时间越早越能减少灾害　造成的损失，这时安装烟雾检测报警装置就显得尤为重要。　１系统设计要求及整体设计结构　本文设计的无线烟雾检测报警系统是以单片机为控制核心，由烟　雾检测报警模块和无线通信模块共同组成，实现以下设计要求：及时感　应火情发生，迅速检测并发出报警信息，并能给出具体地点；系统本身　具有自我检测及欠电压报警功能，保证系统本身正常工作；具有一定的　抗干扰能力，防止系统发生误报警情况。根据以上的要求，由离子型烟　雾传感器芯片检测烟雾存在，确认后经无线射频芯片发送给主机，并通　过主机进行控制，达到第一时间发现，第一时间处理。　本系统主要由两部分组成：检测发射部分和接收控制部分。两部分　均采用ＡＴ８９Ｓ５　１单片机为控制核心，硬件结构简单，设计成本低。检测　发射部分采用了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，　无线收发器采用ｎＲＦ４０１单片收发射频器，从而达到了无线传输的目　的，能迅速发出报警信号，方便及时控制火情。接收控制部分接收无线　射频收发器发送的数据信息，传人到单片机里进行处理并显示和报警。　此系统的特点是引入了无线射频模块，大大提高了系统的实时陛，对于　及时发现火情并及时处理提供了硬件保障。系统总体结构框图如图１　所示。　２主要芯片介绍和硬件原理图　声光报警　１Ｆ　离子型烟　卜、　单　机　ａ）检测发射部分　雾传感器　声光报警　／１　苴　机　显示　ｂ）接收控制部分　图１系统总体结构框图　２．１　ＭＣ　１４４６８芯片介绍　ＭＣ　１４４６８芯片是Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司ＭＣ系列芯片，为离子型烟雾检测　德母■出　报警芯片，是市场占有率较高，使用非常广泛的集火灾检测与报警于一　体的智能传感器。当芯片检测到烟雾颗粒时，它有专门的引脚驱动蜂鸣　器等发生装置发出报警声，同时还有专门的引脚驱动发光二极管以　１Ｈｚ的频率闪烁发光，利用发出的声光报警信　的同时使报警效果达　到最佳。　ＭＣ１４４６８芯片内部有振荡器、定时器、锁存器、报警控制逻辑电　路、高输入阻抗的比较器和电阻网络等。其主要特点有：内置高输入阻　抗的场效应管和比较器；内含压电式蜂鸣器的驱动电路，可以直接驱动　蜂鸣器；探测信号输入端具有保护二极管；电池欠压报警，电池电压报　警点可通过外接电阻设置；探测阀值即灵敏度可通过电阻进行设置；具　有—个１０引脚，允许４０个报警单元相互连接在一起，组成一个多点报　警区域系统。当没有检测到烟雾时，ＭＣ　１４４６８的振荡器的振荡周期是　１．６７ｓ，在此期间电源都供芯片工作，声光装置不启动；当检测到有烟雾　时，振荡器的振荡周期变为４０ｍｓ，蜂鸣器驱动电路启动，输出高电平　１６０ｍｓ，停止８０ｍｓ，同时连接的发光二极管闪烁，频率为１Ｈｚ。在蜂鸣器　驱动电路停止输出时，检测芯片继续检测烟雾的变化，如果此时没有检　测到烟雾，则停止声光报警。在报警过程中，电池欠电压报警将被禁止　（见图２）。　２．２　ｎＲＦ４０１无线射频收发芯片介绍　簟八ＪＩ！■出曩连　欠压设置　檎舅■出　Ｕ如　慑护下■　僖号●入　慑护．ｔ：ｎｔ　曼ｔ成设置　晶餐嗽毫　ｎＳＩＩ　Ｉ８ｌ援　电誓正鞭　定时电阻　魇博■入　电谭鱼摄　图２　ＭＧ￣４４６８引脚图　ｎＲＦ４０１是美国Ｎｏｒｄｉｃ公司的产品，是一个为４３３ＭＨｚ频段设计　的真正单片无线射频收发芯片。它采用ＦＳＫ调制解调技术，最高工作速　率可以达到２０Ｋ，发射功率可以调整，最大发射功率是＋ｌＯｄＢｍ。　ｎＲＦ４０１的天线接口设计为查分天线，以便使用低成本的ＰＣＢ天线。它　要求的外围电路简单，所需元器件少，只需一个４ＭＨｚ的晶振即可，收　发天线合一。无需进行初始化和设置，数据不需要编码，有两个工作频　图３　Ｍ￣１４４６８检测电路　（下转２０页）　・２０・　科技论坛　剂的氟化锂是可以增加电解质导电率的，但由于　价格比较昂贵，　３．２主要技术特点　并且我国氧化铝中锂盐的含量已经偏高，因此在工业生产中不必另　与普通槽相比，新型结构槽在结构设计、施工材料、筑炉方式、　外添加了。同时要保持阳极的完整性，防止阳极的氧化，并利用一切　焙烧启动等许多方面都存在较大的差异。材料方面：新型结构槽采　机会打捞槽内的炭渣，保持电解质的洁净，减少电解质的电阻，增加　用ＴｉＢ２／Ｃ可湿润阴极，电解槽底部和侧边采用保温性能较好的材　电解质导电率。　质；结构方面：在整个电解槽内形成了铝液导流网络，出铝端设置专　２．６降低阳极效应系数。阳极效应是熔盐电解特有的现象，而以　门的蓄铝池以汇集汇铝沟导出的铝液；焙烧过程：采用焦粒焙烧技　电解铝生产表现优为明显。生产中当阳极效应发生时，电解槽电压　术，加大分流量，控制炉膛内升温过程的均匀与合理，以及电流分布　急剧升高，达到２Ｏ　５０Ｖ，有时甚至更高，炉帮熔化，增加消耗。它的　均匀无异常；启动过程：采用湿法无效应启动方法，启动后及时打捞　发生对整个电解系列产生很大影响，使电流效率降低，影响电解各　炭渣，同时检查阴极是否有掉快，然后根据槽型灌人一定量的铝液，　个技术指标，且使铝的产量和质量降低，破坏了整个电解系列的平　保证凸台上部８－１２ｃｍ。后期管理：在３０天内分阶段将电压从６．８Ｖ　稳供电。实现低阳极效应系数的途径：（１）原料保障：对进厂氧化铝　左右降至３．７５Ｖ，并将其它工艺参数调整到位，以形成良好的保温型　进行单包验料，按质量优劣分类存放，优先使用质量尖的最差的氧　炉膛。　化铝用作阳极保温，其它混合使用，确保氧化铝粒度的稳定。（２）设　３．３工业应用效果　备保障：设备上从打壳气缸的力度，打壳锤头形状、长短，压缩空气　某企业３００ＫＡ系列２０１电解槽在２０１１年５月初开始启动，通　的压力等方面消除故障，减少因设备故障导致效应的发生；（３）下料　过不断的调整工艺参数，优化电解质成分，在两个月的时间内实现　保障：保证下料口开孔率达到７０％以上，严格控制下料口氧化铝堆　系列完成电压为３．８２Ｖ，炉帮厚度为１２．８ｃｍ，平均极距为３．８ｃｍ，电　料的产生，确保氧化铝进入电解槽。（４）作业质量保障：包括多方面　解温度为９４２￣Ｃ，电流效率９２．３３％，完成直流电耗１２３５０ｋｗｈ以下。　的内容，如电解质洁净，测量数据准确，异常、事故处理及时，工作环　４结论　境的规范管理，现场整洁，阳极电流分布、覆盖料均匀；电解质成分　面对日益困难的电解铝行业，只有通过不断的探索节能降耗的　稳定，电压摆幅小等。（５）控制保障：氧化铝浓度尽可能控制在较低　有效途径并努力落实，同时配合新技术的不断应用，才能使电解铝　窄的范围内，保证电解质液中的氧化铝浓度控制在１．５％～２．５％。　工业长期稳定的良性发展，使企业在竞争激烈的市场中占有不败之　３新型结构电解槽技术的应用　地。　３．１新技术开发　参考文献　２００９年，中国铝业公司郑州研究院成功开发了“新型结构电解　『１１邱竹贤．预焙槽炼Ｓｇ［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，２００５．　槽技术”，该技术的成功标志着我国导流铝电解槽技术研究取得了　［２】干益人．低槽电压电解可行性分析．（内部资料）．　革命性的重大突破，使我国拥有了具有自主知识产权的世界领先的　［３】李庆宏．大型预焙铝电解槽与炭阳极［ｃ］．全国第九届铝用炭素信息　新一代导流电解技术，支撑我国由铝工业大国向铝工业强国的历史　交流会论文集．　性跨越。试验表明，新型结构导流电解槽能在工作电压３．７５Ｖ左右　【４】王民，陶甫明．３００ＫＡ铝电解槽节能技术技术实践ｆＪ１．矿冶，２００９　稳定运行，比正常铝电解槽降低电压３００ｍｙ，电能利用率提高　（３）．　５～７％，吨铝节电８００　１０００　ＫＷ・ｈ。　（上接１８页）　端，１脚（检测输出）连接单片机的外部中断输入引脚，利用单片机内部　定时器的延时和ＭＣ１４４６８自身１００ｍＶ滞后电压防止误报警，提高系　统的可靠性。其硬件电路如图３所示。　ｎＲＦ４０１与单片机的串行口直接相连，ＤＩＮ连接ＴＡＤ，ＤＯＵＴ连接　ＲＸＤ，ＴＸＥＮ为发射接收控制引脚，与单片机一个１０口相连，实现发射　模式和接收模式的相互切换。选用４ＭＨｚ晶振，其它电路如图４所示。　４系统软件程序设计　系统的软件也分为检测发射程序和接收控制程序。它们包含的主　要程序函数有：地址设定程序，中断程序，定时器中断程序，ｎＲＦ４０１收　发程序，显示程序和报警程序，最后的主程序主要是实现对定时器初始　化，外部中断初始化和串口初始化的赋值和设置。在定时器定时期间，　如果一直检测到烟雾则启动定时器中断，如果此期间烟雾消失则启动　外部中断，计数器重新置初值。由于烟雾检测模块和无线传输模块控制　比较简单，软件程序设计难度不大，不再展开说明。其它程序如显示程　序和报警程序可以参考教科书相关程序，此处不再赘述。　图４　ｎＲＦ４０１硬件电路　结束语　本文采用ＭＣ１４４６８烟雾检测报警芯片和ｎＲＦ４０１无线射频收发　率：４３３．９２／４３４．３３ＭＨｚ，工作电压范围为２－７—５Ｖ，还具有省电的待机模　芯片谢十了烟雾检测报警系统，在使用中ＭＣ１４４６８注意外围电路各个　式。ｎＲＦ４０１无线收发芯片的内部主要包括：发射电路，接收电路，模式　元器件参数的选择，ｎＲＦ４０１在硬件上要注意天线的接法和程序设计时　和低功耗控制逻辑电路及串行接口等。ｎＲＦ４０１主要特陛如下：工作频　时序的配合。此系统由于采用了无线传输方式，大大简化了工程中的难　率为国际通用的数传频段；ＦＳＫ调制，抗干扰能力强；采用ＰＬＬ频率合　度与成本，具有一定的社会经济价值。本系统还具有一定的拓展眭，将　成技术，频率稳定『生极好；灵敏度高，功耗小，可以低工作电压工作；开　ＭＣ１４４６８的Ｉ／Ｏ引脚进行硬件修改，可以进行多检测点网络的设计。　阔地使用距离可达１０００ｍ。在使用时，还要根据时序参数表注意不同工　参考文献　作模式间相互转换时的具体延时时间。　［１］张玉建．基于ｎＲＦ２４Ｌ０１的无线温湿度检测系统设计叨．物联网技术，　３系统硬件电路设计　２０１２（１）：２１－２３．　本系统硬件系统分为检测发射和接收控制两部分。两个部分都采　［２］王建，李培江，卢洁等．基于无线数据采集的则控系统的研究叨．科技信　用ＡＴ８９Ｓ５　１单片机作为电路核心，都采用按键复位和１　１．０５９２ＭＨｚ晶　息，２０１２（１５）：３３，８９．　振，在检测发射电路中单片机的ＩＯ口用来设置楼号和房间号，接收控　ｆ３］刘文，戴尔晗，王勇．基于５１系列单片机的无线智能温控系统设计叨．　制电路中单片机的１０口用来显示楼号和房间号并声光报警。设定楼号　电子测试，２００９（１０）：４Ｏ＿４４．　和房间号采用拨码开关或跳帽。ＭＣ１４４６８的１５脚（检测输入）连接检测