基于PIC單片機(jī)的點(diǎn)型光電感煙探測(cè)器設(shè)計(jì)

火災(zāi)是人類面臨的最大威脅之一，火災(zāi)探測(cè)對(duì)防御火災(zāi)具有舉足輕重的作用。光電感煙探測(cè)器是目前消防中使用的主要探測(cè)器之一。光電感煙探測(cè)器分為兩大類：其中“線型光電感煙”是利用煙霧對(duì)光束能量的衰減原理制成的光電感煙探測(cè)器，該探測(cè)器正常工作需要比較長(zhǎng)的空間距離，所以稱之為“線型”，否則，煙霧對(duì)光束能量的衰減太小不能獲取足夠的報(bào)警信息；“點(diǎn)型光電感煙”是利用煙霧對(duì)光束的散射原理制作的光電感煙探測(cè)器，該探測(cè)器總體積不超過(guò)１０×１０×１０ｃｍ，所以稱之為“點(diǎn)型”。本文主要介紹基于ＰＩＣ１６Ｆ６７６單片機(jī)的點(diǎn)型光電感煙探測(cè)器的設(shè)計(jì)方法。

１　點(diǎn)型光電感煙原理

點(diǎn)型光電感煙探測(cè)器是“主動(dòng)”式探測(cè)器，其工作原理見(jiàn)圖１。沒(méi)有煙霧時(shí)，由于光學(xué)迷宮的特殊設(shè)計(jì)（即紅外發(fā)光二極管與光電接收二極管的軸向夾角成鈍角等等），光電接收二極管不能直接接收到紅外發(fā)光二極管（在火災(zāi)報(bào)警領(lǐng)域主要采用紅外波段，波長(zhǎng)在９００ｎｍ左右）發(fā)射的光信號(hào)，當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙霧擴(kuò)散到探測(cè)器的迷宮之內(nèi)會(huì)對(duì)紅外發(fā)光二極管的發(fā)射光產(chǎn)生散射，從而使光電接收二極管能夠接收到散射光信號(hào)，光信號(hào)的大小標(biāo)志著煙霧濃度，也標(biāo)志著火災(zāi)燃燒的程度。

光學(xué)迷宮的主要功能是阻止外部的雜散光進(jìn)入光電接收二極管的探測(cè)領(lǐng)域，吸收內(nèi)部雜散光信號(hào)以降低本底，同時(shí)保證煙霧的通暢進(jìn)入。總之，光學(xué)迷宮的作用是保證沒(méi)有煙霧進(jìn)入迷宮時(shí)放大器的輸出信號(hào)（本底信號(hào)）最小，而當(dāng)有煙霧進(jìn)入迷宮時(shí)，光電接收二極管能接收到足夠的被煙霧散射的光信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)放大和識(shí)別以形成報(bào)警信號(hào)。

２ PIF16F676單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換

ＰＩＣ１６Ｆ６７６單片機(jī)有８?jìng)€(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入通道，共用一套采樣、保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。其中模數(shù)轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成１０位數(shù)字信號(hào)。與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相關(guān)的寄存器主要有ＡＤＣＯＮ０、ＡＤＣＯＮ１、ＡＢ-ＳＥＬ、ＡＤＲＥＳＨ、ＡＤＲＥＳＬ。寄存器的位定義及其相應(yīng)功能簡(jiǎn)介見(jiàn)表１。如果模數(shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘源采用內(nèi)部晶振，則該模數(shù)轉(zhuǎn)換電路還可以工作在單片機(jī)的睡眠模式。

表1 與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相關(guān)的主要寄存器

假設(shè)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的使用要求是：放大信號(hào)由模擬輸入通道管腳ＰＩＮ７(ＲＣ３／ＡＮ７)輸入；模數(shù)轉(zhuǎn)換生成的１０位二進(jìn)制數(shù)據(jù)從寄存器ＡＤＲＥＳＨ的最高位開(kāi)始存放；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用的參考電壓是單片機(jī)工作電壓ＶＤＤ，采用的時(shí)鐘取自內(nèi)部晶振；則寄存器的部分設(shè)置程序如下：

;以下６句對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相關(guān)寄存器進(jìn)行初始化

ＭＯＶＬＷ Ｂ＇０００１１１００＇;

ＭＯＶＷＦ ＡＤＣＯＮ０;

ＭＯＶＬＷ Ｂ＇０１１１００００＇;

ＭＯＶＷＦ ＡＤＣＯＮ１;

ＭＯＶＬＷ Ｂ＇１０００００００＇; ?

ＭＯＶＷＦ ＡＢＳＥＬ；

以下是模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊完成一個(gè)完整的模數(shù)轉(zhuǎn)換所采用的程序片斷：

ＢＳＦ ＡＤＣＯＮ０,ＡＤＯＮ;

;以下４句完成模擬數(shù)據(jù)的采樣延時(shí)

ＭＯＶＬＷ ＳＡＭＰＬＥ ＴＩＭＥ

ＭＯＶＷＦ ＴＥＭＰ０

ＦＯＲ_ＳＡＭＰＬＥ ＤＥＣＦＳＺ ＴＥＭＰ０,１

ＧＯＴＯ ＦＯＲ_ＳＡＭＰＬＥ

;以下３句監(jiān)測(cè)模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程的完成與否

ＢＳＦ ＡＤＣＯＮ０,ＧＯ_ＤＯＮＥ

;啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換

ＣＯＮＶＥＲＴＩＮＧ ＢＴＦＳＣ ＡＤＣＯＮ０,ＧＯ_ＤＯＮＥ

ＧＯＴＯ ＣＯＮＶＥＲＴＩＮＧ

ＢＣＦ ＡＤＣＯＮ０,ＡＤＯＮ ;關(guān)閉模數(shù)轉(zhuǎn)換



３　探測(cè)器與總線的接口

該探測(cè)器與總線的接口包括編碼輸入電路和回執(zhí)輸出電路。

３．１ 編碼輸入電路

編碼輸入電路是總線與探測(cè)器的接口，用于把總線編碼的電平幅度（一般２４Ｖ）降低到適合單片機(jī)輸入的要求(一般５Ｖ)。由于輸入編碼信號(hào)經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離長(zhǎng)線傳輸后，部分信號(hào)會(huì)發(fā)生畸變。故應(yīng)用編碼輸入電路對(duì)總線編碼信號(hào)進(jìn)行濾波，以消除總線干擾，同時(shí)可利用比較器電路對(duì)輸入編碼信號(hào)做整形。一般情況下，為了降低成本，該比較器可用分離元件搭建，而單片機(jī)ＰＩＣ１６Ｆ６７６內(nèi)部恰好集成了一個(gè)功能強(qiáng)大的比較器，該比較器的正向輸入是單片機(jī)的管腳１３(ＲＡ０／ＡＮ０／ＣＩＮ＋), 反向輸入為單片機(jī)的管腳１２（ＲＡ１／ＡＮ１／ＣＩＮ－），輸出是管腳１１（ＲＡ２／ＡＮ２／ＣＯＵＴ）。與此比較器相關(guān)的寄存器有ＣＭＣＯＮ和ＶＲＣＯＮ,具體功能參見(jiàn)表２。

表2 與比較器模擬相關(guān)的關(guān)鍵性寄存器

如果對(duì)比較器的使用要求是：模擬信號(hào)由單片機(jī)管腳１２（連接比較器的負(fù)向）輸入；參考電壓選自片內(nèi)參考電壓（參考電壓設(shè)定為３Ｖ）（連接比較器的正向）；比較器的輸出結(jié)果不反向（即比較器正向輸入大于負(fù)向輸入則比較器輸出高電平，反之輸出低電平），則此與比較器相關(guān)的寄存器ＣＭＣＯＮ、ＶＲＣＯＮ設(shè)置程序如下：

ＭＯＶＬＷ Ｂ＇０００１００１１＇ ;選擇比較器模式０１１

ＭＯＶＷＦ ＣＭＣＯＮ

ＭＯＶＬＷ Ｂ＇１０１０１１１０＇ ;選擇參考電壓１１１０（其十進(jìn)制是１４）１４／２４×５＝３Ｖ

ＭＯＶＷＦ ＶＲＣＯＮ

３．２ 回執(zhí)輸出電路

回執(zhí)輸出電路用于把探測(cè)到的代表煙霧濃度的數(shù)字信號(hào)通過(guò)總線回送到控制器。單片機(jī)信號(hào)一般為５Ｖ，總線上的信號(hào)大于２０Ｖ?；貓?zhí)輸出電路必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，并使信號(hào)有足夠的總線驅(qū)動(dòng)能力。

４ 探測(cè)器的地址讀寫

火災(zāi)報(bào)警控制器通過(guò)總線上的地址編碼來(lái)識(shí)別各個(gè)探測(cè)器。以往探測(cè)器的編碼是依靠機(jī)械式撥碼開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的。由于撥碼開(kāi)關(guān)壽命短、易損壞而且成本較高，因此現(xiàn)在多采用串行ＥＥＰＲＯＭ來(lái)存儲(chǔ)探測(cè)器地址。同時(shí)，探測(cè)器工作過(guò)程中的其它重要數(shù)據(jù)也需要存儲(chǔ)保留，所以更有必要使用串行ＥＥＰ-ＲＯＭ。而單片機(jī)ＰＩＣ１６Ｆ６７６本身恰好內(nèi)置有１２８字節(jié)的串行ＥＥＰＲＯＭ，因此使用ＰＩＣ１６Ｆ６７６有助于簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)、降低成本。與ＰＩＣ１６Ｆ６７６片內(nèi)串行ＥＥＰＲＯＭ有關(guān)的寄存器主要有ＥＥＤＡＴ、ＥＥＡＤＲ、ＥＥＣＯＮ１、ＥＥＣＯＮ２（ＥＥＣＯＮ２不是一個(gè)物理可用的寄存器）。其具體功能見(jiàn)表３所列。

表3 與PIC16F676內(nèi)置EEPROM相關(guān)的寄存器

因?yàn)槠瑑?nèi)ＥＥＰＲＯＭ的最大空間是１２８字節(jié)，所以ＥＥＡＤＲ寄存器僅使用到前７位，最高位不用。其中ＥＥＣＯＮ１用于實(shí)現(xiàn)對(duì)串行ＥＥＰＲＯＭ的具體操作命令。下面是部分讀取地址的操作程序：

?與串行ＥＥＰＲＯＭ有關(guān)的寄存器全部在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的第一分區(qū)中

ＢＳＦ ＳＴＡＴＵＳ?ＲＰ０

ＭＯＶＬＷ ．０ ;假如內(nèi)置ＥＥＰＲＯＭ的．０地址用于存儲(chǔ)探頭地址

ＭＯＶＷＦ ＥＥＡＤＲ

ＢＳＦ ＥＥＣＯＮ１?ＲＤ ;啟動(dòng)“讀”命令

ＭＯＶＦ ＥＥＤＡＴＡ,Ｗ

ＭＯＶＷＦ ＮＯＤＥ ;假如數(shù)據(jù)寄存器ＮＯＤＥ用于暫時(shí)存儲(chǔ)讀出的地址數(shù)據(jù)

存儲(chǔ)地址的操作程序片斷舉例：

ＢＳＦ ＳＴＡＴＵＳ,ＲＰ０ ;Ｂａｎｋ １

ＭＯＶＬＷ ．０ ;假如內(nèi)置ＥＥＰＲＯＭ的．０地址用于存儲(chǔ)探頭地址

ＭＯＶＷＦ ＥＥＡＤＲ ;Ａｄｄｒｅｓｓ ｔｏ ｒｅａｄ

ＭＯＶＬＷ ．１ ;假如探頭地址為“１”

ＭＯＶＷＦ ＥＥＤＡＴＡ ;Ｍｏｖｅ ｄａｔａ ｔｏ ｗ

ＢＳＦ ＳＴＡＴＵＳ,ＲＰ０ ;／／ＤＡＴＡ ＥＥＰＲＯＭ ＷＲＩＴＥ／／

ＢＳＦ ＥＥＣＯＮ１,ＷＲＥＮ ?;啟動(dòng)“寫”的使能命令

ＢＣＦ ＩＮＴＣＯＮ,ＧＩＥ ;暫時(shí)關(guān)閉全局中斷以執(zhí)行下列５句命令

;以下５句相當(dāng)重要并且必要，否則“寫操作”不能初始化。

;在執(zhí)行下列５句的過(guò)程中產(chǎn)生周期計(jì)數(shù)，任何不等于該計(jì)數(shù)的的數(shù)目將阻止數(shù)據(jù)寫入片內(nèi)ＥＥＰＲＯＭ．

ＭＯＶＬＷ Ｂ′０１０１０１０１′;

ＭＯＶＷＦ ＥＥＣＯＮ２ ;

ＭＯＶＬＷ Ｂ′１０１０１０１０′; ?

ＭＯＶＷＦ ＥＥＣＯＮ２;

ＢＳＦ ＥＥＣＯＮ１,ＷＲ ;啟動(dòng)“寫”命令

?以上５句相當(dāng)重要并且必要，否則“寫操作”不能初始化。

ＢＳＦ ＩＮＴＣＯＮ,ＧＩＥ ; 打開(kāi)全局中斷

ＢＣＦ ＥＥＣＯＮ１,ＷＲＥＮ ; 完成“寫操作”之后關(guān)閉“寫”的使能命令

５　基于PIF16F676的感煙探測(cè)器

圖３是采用ＰＩＣ１６Ｆ６７６單片機(jī)設(shè)計(jì)的光電煙探測(cè)器的硬件結(jié)構(gòu)框圖。

圖４是該光電感煙探測(cè)器的工作程序框圖。表４簡(jiǎn)要注解了圖４所示的程序流程圖中所使用的程序模塊的具體功能。

表4 程序流程圖中程序模塊的功能定義

６　結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了基于ＰＩＣ１６Ｆ６７６的點(diǎn)型光電感煙探測(cè)器的設(shè)計(jì)原理和方法，重點(diǎn)介紹了單片機(jī)ＰＩＣ１６Ｆ６７６的轉(zhuǎn)換功能及其在探測(cè)器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法和程序，最后給出了探測(cè)器的系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)流程。該光電感煙探測(cè)器不僅功耗很低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，同時(shí)利用單片機(jī)有助于探測(cè)器的智能化探測(cè)。