饒光洋,薛金水,盧宇帥（廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州，510520）

基于單片機(jī)控制的光電式煙霧感應(yīng)報(bào)警器的設(shè)計(jì)

饒光洋,薛金水,盧宇帥
（廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州，510520）

目前國內(nèi)多側(cè)重于大型場所的大型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的研發(fā)，而在居民住宅區(qū)等小型防火單位，卻需要安裝廉價(jià)實(shí)用的煙霧自動(dòng)報(bào)警裝置，因此，我們就有必要設(shè)計(jì)開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉的數(shù)字聯(lián)網(wǎng)煙霧報(bào)警器，以適應(yīng)市場的需求。本文通過煙霧感應(yīng)電路，配合單片機(jī)控制電路，設(shè)計(jì)合理的報(bào)警系統(tǒng)，簡單易用，使單片機(jī)在煙霧報(bào)警系統(tǒng)中得到充分的應(yīng)用。

報(bào)警系統(tǒng)；煙霧感應(yīng)；感應(yīng)電路

1 光電式火災(zāi)探測器基本原理

光電式感煙探測器由光源、光電元件和電子開關(guān)組成。利用光散射原理對(duì)火災(zāi)初期產(chǎn)生的煙霧進(jìn)行探測，并及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。按照光源不同，可分為一般光電式、激光光電式、紫外光光電式和紅外光光電式等4種。由于激光光電式、紫外光光電式和紅外光光電式的成本相對(duì)高，都不值得采用，下面就一般光電式感煙探測器根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，一般光電式可分為遮光型和散射型兩種。

1.1 遮光型光電煙感探測方式：由一個(gè)光源（燈泡或發(fā)光二極管）和一個(gè)光電元件對(duì)應(yīng)裝在小暗室內(nèi)構(gòu)成。在無煙情況下，光源發(fā)出的光通過透鏡聚成光束，照射到光電元件上，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，使整個(gè)電路維持在正常狀態(tài)，不發(fā)出報(bào)警。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生有煙霧進(jìn)入探測器，使光的傳播特性改變，光強(qiáng)明顯減弱，電路正常狀態(tài)被破壞，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

1.2 散射光電式煙感探測方式：發(fā)光二極管和光電元件設(shè)置的位置不是對(duì)應(yīng)的。光電元件設(shè)置在多孔的小暗室里。無煙霧時(shí)，光不能射到光電元件上，電路維持正常狀態(tài)。而發(fā)生火災(zāi)時(shí)，有煙霧進(jìn)入探測器，光通過煙霧粒子的反射或散射到達(dá)光電元件上，則光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大電路放大后，由單片機(jī)檢查到該信號(hào)，驅(qū)動(dòng)自動(dòng)報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警信號(hào)。由于遮光型光電煙感探測方式需要有光學(xué)組件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜成本也就高了，本設(shè)計(jì)采用的是這種散射光電式煙感探測方式，以下簡稱煙感。

2 報(bào)警系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

在居民住宅區(qū)等小型防火單位中一般都是采用如圖1所示的簡單的煙霧感應(yīng)報(bào)警系統(tǒng)。

圖1 煙霧感應(yīng)報(bào)警系統(tǒng)

圖1中的煙感部分為本文設(shè)計(jì)的部分，可由多個(gè)煙感和一個(gè)檢測主機(jī)夠成報(bào)警系統(tǒng)。每一個(gè)煙感和主機(jī)是采用開關(guān)信號(hào)的方式檢測報(bào)警信號(hào)，如果①號(hào)煙感發(fā)生了火警，那么①號(hào)煙感就會(huì)輸出開關(guān)信號(hào)，檢測主機(jī)通過IO口的查詢方式就知道了哪個(gè)地方出現(xiàn)了火警。

2.1 功能分析

根據(jù)上述煙霧感應(yīng)報(bào)警系統(tǒng)的需求，煙感主要實(shí)現(xiàn)如下的功能：

2.1.1 報(bào)警模式選擇功能

該煙感可以通過硬件跳線方法選擇報(bào)警模式，主要有觸發(fā)長報(bào)模式和自動(dòng)報(bào)警模式兩種觸發(fā)長報(bào)模式：是當(dāng)有火警方式時(shí)，報(bào)警器一直是輸出開關(guān)信號(hào)給檢測主機(jī)，需要人為的干預(yù)才可以解除警報(bào)。

自動(dòng)報(bào)警模式：是當(dāng)有火警方式時(shí)，報(bào)警器輸出開關(guān)信號(hào)給檢測主機(jī)，當(dāng)煙霧散去時(shí)候報(bào)警自動(dòng)器關(guān)斷給檢測主機(jī)的開關(guān)信號(hào)，此時(shí)也就不報(bào)警了。

2.1.2 輸出開關(guān)信號(hào)方式選擇

報(bào)警系統(tǒng)的檢測主機(jī)可接收的開關(guān)信號(hào)有兩種，一種是常開的信號(hào)，另一種是常閉的信號(hào)。設(shè)置煙感報(bào)警器為常開的開關(guān)信號(hào)：在沒有煙霧時(shí)，開關(guān)是處于斷開的狀態(tài)，當(dāng)檢測到有煙霧時(shí)，開關(guān)閉合這樣報(bào)警主機(jī)就檢測到了報(bào)警信號(hào)。而常閉的信號(hào)與常開信號(hào)是剛剛相反的。

2.2 確立設(shè)計(jì)方案

本著以節(jié)約成本為目的，本項(xiàng)目采用的是臺(tái)灣松翰2501B的一次性燒寫的單片機(jī)芯片，該芯片每片的價(jià)格約為0.6元，加上其他的外圍元器件和PCB板成本價(jià)格可以控制在8～10元，這是一種經(jīng)濟(jì)可行的方案。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 寬電壓電源設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用的是一種可以兼容直流和交流的電源設(shè)計(jì)，輸入的電壓范圍是交直流7～35V。如圖2是電源穩(wěn)壓電路。L1、L2為交直流的輸入端，Q8、Q9組成橋式整流，Q4、Q5、Q10、D1組成的是串聯(lián)穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓出來的電壓大小由穩(wěn)壓二極管D1的決定，在本設(shè)計(jì)中D1是一個(gè)12V的穩(wěn)壓二極管，所以串聯(lián)穩(wěn)壓的電壓為12V，該電壓再經(jīng)過5V的三端穩(wěn)壓器件穩(wěn)定在5V提高給其他電路工作。整個(gè)穩(wěn)壓電路的比較簡單，經(jīng)實(shí)際的驗(yàn)證在交直流7～35V的輸入電壓情況下都可以很穩(wěn)定的工作。

3.2 紅外信號(hào)發(fā)射電路

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)是光電式感煙檢測，采用的是一對(duì)光電對(duì)射管其實(shí)物如圖3，白色的是發(fā)射管，黑色的是接收管。發(fā)射電路如圖4所示seout端接單片機(jī)的IO管腳，由單片機(jī)控制發(fā)射電路是否允許發(fā)射管TX1發(fā)出紅外光電信號(hào)，當(dāng)seout為低電平時(shí)發(fā)射紅外光電信號(hào)，高電平時(shí)禁止發(fā)射紅外光電信號(hào)。

圖3 光電對(duì)管

圖4 發(fā)射電路

3.3 紅外信號(hào)接收電路

圖5 紅外接收電路

圖2 電源穩(wěn)壓電路

圖5 是紅外接收電路，D2是紅外光電信號(hào)的接收管，在沒有接收到光電信號(hào)的時(shí)候其內(nèi)阻約為6～8K，當(dāng)接收到發(fā)射管的紅外光電信號(hào)時(shí)，內(nèi)阻就急劇減小為2～3歐姆。由于D2內(nèi)阻減小Q3的基極變成低電平Q3 C、E導(dǎo)通，Q6獲得基極偏流導(dǎo)通，C極電位被拉低即是接在單片機(jī)的外部中斷的管腳被拉成了電平，單片機(jī)根據(jù)該電平判斷已經(jīng)接收到了紅外光電信號(hào)，執(zhí)行相關(guān)的處理程序。

4 測試

圖6 PCB效果圖

圖7 測試波形

圖6 是用PCB畫板軟件畫好的PCB效果圖，圖7為燒錄好程序后進(jìn)行的波形的測試情況。

主要技術(shù)參數(shù)：

工作電壓：DC/AC 7V～35V

待機(jī)電流：12mA (繼電器常閉)；500uA（繼電器常開）報(bào)警電流：10mA (繼電器常閉)；18mA (繼電器常開)報(bào)警指示：紅色LED常亮傳感器：紅外光電傳感器

工作溫度：—10°C~ +50°C

環(huán)境濕度：最大95%RH（無凝結(jié)現(xiàn)象）抗RF干擾：10MHz—1GHz 20V / m報(bào)警輸出：常開/常閉可選，接點(diǎn)容量 DC28V100mA

5 結(jié)束語

該光電式煙霧感應(yīng)報(bào)警器的設(shè)計(jì)方案成本低廉，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合國家安防規(guī)范。在深圳的某安防公司已經(jīng)產(chǎn)品化，并已經(jīng)大量的生產(chǎn)應(yīng)用在安防報(bào)警系統(tǒng)上，使用效果良好。在此設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上還可以修改成脫離報(bào)警主機(jī)的獨(dú)立煙感報(bào)警器，這樣可以更為便捷的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，例如工礦企業(yè)的施工現(xiàn)場等。

[1] 李泓.北京:北京航空航天大學(xué)出版社[M],2008（1）:330-369

[2] 謝啟源,袁宏永,蔣亞龍.大氣懸浮顆粒PM10對(duì)感煙火災(zāi)探測器本底效應(yīng)研究[N].中國工程科學(xué).2003.6

[3] 李宏文,冉鵬.吸氣式感煙探測器報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用[J].建筑科學(xué),2000,16(5):47-49

[4] 于永,戴佳,劉波.51單片機(jī)C語言常用模塊與綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例精講.電子工業(yè)出版社[N],2008（1）:145-158

[5] 楊欣,張延強(qiáng),張鎧麟等.實(shí)例解讀51單片機(jī)完全學(xué)習(xí)與應(yīng)用.電子工業(yè)出版社[N], 2011(2):449-453

[6] 國家火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范（GBJ 116 － 88）[S]

The development of photoelectric smoke sensor alarm system based on Sonix MCU control

Rao Guangyang，Xue Jinshui，Lu Yushuai
（Guangdong Polytechnic College，Guangzhou，510520）

At present the domestic focus on large areas of large fire alarm system research and development, and in the residential area of small fire units,but need to install the cheap and practical automatic smoke alarm device,therefore,it is necessary for us to design a kind of simple structure,low price digital networking smoke alarm,to meet the needs of the market.This article through the smoke sensing circuit,with the SCM control circuit,the alarm system is reasonable in design,easy to use,the single chip microcomputer in the smoke alarm system to obtain the full application.

alarm system;smoke induction;induction circuit

TN609

B

饒光洋（1981-），男，廣東南雄人，廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)訓(xùn)中心實(shí)訓(xùn)教師，實(shí)驗(yàn)師、電子工程師、高級(jí)技師，主要研究方向：單片機(jī)的應(yīng)用技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)。曾多次代表廣東工程技術(shù)技術(shù)學(xué)院指導(dǎo)學(xué)生參加省級(jí)、國家級(jí)的電子大賽，獲得省級(jí)二等獎(jiǎng)和三等獎(jiǎng)。

薛金水（1974-），男，廣東興寧人，廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用電子技術(shù)教研室主任，講師、電子工程師、高級(jí)技師，主要研究方向：電子技術(shù)教學(xué)科研。

盧宇帥（1985-），男，山西神池人，廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)訓(xùn)中心實(shí)訓(xùn)教師，助教，主要研究方向：自動(dòng)化控制技術(shù)。