基于烟雾检测火灾自动报警系统

摘要：讨论了用MC14468离子型烟雾检测报警器、单片机8051、nRF401单片射频收发器构成的火灾自动报警系统。由于引入了无线通信技术和FSK（频移键控）调制解调技术为核心的nRF401射频收发器，使系统的性能大大提高，尤其是使系统报警更具实时性和可靠性。
关键词：MC14468；8051；nRF401；FSK；火灾报警

一、前言

    现代建筑的特点是楼层不断加高，这主要是从缓解城市用地紧张的角度出发的，同时还便于集中供电、供热、供气，便于集中控制和管理。现在，不论是普通型（比如民用住宅）还是豪华型（比如高级宾馆）的高层建筑，都日益重视防火和安全技术的普及应用。因为其楼层多、人员密集，如果发生火灾，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。为了保障高层建筑安全可靠，必须设计出具有可靠性高、实时性好的火灾自动报警与消防系统，其要求是：（1）当有火情发生时，能以最快的速度检测报警，并能检测火情发生的具体地点（特定的地址编码）；（2）经查实确认后，能及时的通报消防部门灭火；（3）系统本身应有自身故障检测的功能，如系统欠电压报警和自检功能等，保证自动报警系统功能完好；（4）较高的系统抗干扰能力，防止系统发生误报警。

    目前，虽然已经有多种火灾自动报警系统，但大多还属于脱机方式，最终要靠人来联系消防部门，往往由于不能及时报警而造成重大损失。如果能够以在线的方式直接工作，将很大程度上减轻财产损失和人员伤亡。我们正是着眼于这一问题，力图从根本上解决脱机信号传输方式存在的问题，直接将信号通过无线传输技术发送给主控室或消防部门，达到第一时间救火、灭火的目的。

二、系统的总体结构

    本系统由两部分组成：检测发射部分和接受控制部分，其结构如图1和图 2所示。二者均采用单片机控制，系统结构简单，容易实现。由于采用了nRF401单片射频收发器，从而达到了无线传输的目的，能迅速的发出报警信号，方便及时的控制火情。检测发射端和接收控制端选用了目前市场上已经成熟的高性能芯片，其外围电路结构简单，实现容易，可靠实用。系统由三大芯片互相配合构成，检测装置采用了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，其应用电路如图3所示。 无线收发器采用美国Nordic公司最新推出的基于无线通信的 nRF401型单片射频收发器，它采用了无线通信和FSK（频移键控）调制解调技术，工作频率稳定且抗干扰能力强，不需要对数据进行编码，外围电路简单，使用方便，其应用电路如图4所示。由于采用低发射功率和高接收灵敏度的设计方案，因此不受无线电管理条例的限制，无须办理许可证。nRF401的引入是本系统的突出特点之一，它极大的提高了系统的实时性，这对安全系统是相当重要的。单片机采用8051，它不但是MC14468与nRF401之间的桥梁，还起着控制各芯片时钟周期相互配合的作用，这也是相当重要的一环。由于本系统整体结构简单，软件容易实现，因此不需要对8051进行特别的扩展。  

三、发射部分

    MC系列芯片MC14468为离子型烟雾检测报警芯片，是目前市场上很流行的集火灾检测与报警于一体的智能传感器。当检测到烟雾颗粒时，它能驱动其外围连接的压电陶瓷蜂鸣器或压电式扬声器发出报警声，与此同时，还驱动发光二极管（LED）以1Hz的频率闪烁发光，利用声光报警达到烟雾报警的最佳效果。

    MC14468的1脚（检测输出端）直接联接单片机的INT0，当检测到烟雾时，其输出的高电平通过INT0控制单片机内部定时器T0工作，定时90 ms，T0溢出中断，进入中断服务程序，通过串口发送数据（房间号或之前对该系统的有意义编码）给单片射频收发器nRF401。在检测到烟雾时，MC14468自身的100 mV的滞后电压会防止其他外界因素（如飞虫）造成的误报警，辅以单片机产生90 ms的延时，更能提高系统的可靠性。每次T0记时开始时，要由软件重新置初值，从而不会由于90 ms期间MC14468管脚1上的信号消失或变低而导致下次运行出错。

    nRF401的串行口直接和单片机的串行口连接（DIN接TXD，DOUT接RXD）， TXEN端的高/低电平由软件设置，可实现nRF401发射模式与接收模式之间的相互切换。当需要发射数据时，由晶振电路产生的4 MHz频率作为其内部锁相环的基准频率，经锁相环和压控震荡器进行N倍频后，中心频率f0成为433.92 MHz或434.33 MHz（双频道），调制后，f=f0±△f=f0±15 kHz（该芯片调制度为±15 kHz），最后经功率放大器放大后从PCB天线上发射出去。  

四、接收部分

    nRF401从PCB天线上接收到调频信号时，单片机置TXEN端为低电平，功率放大器被关断从而进入接收状态。调频信号依次经低噪声放大器放大，经混频器（其作用是抵消本机发送器与接收器之间的高频干扰）变成中频，再经带通滤波器滤波和调制器解调后，成为数据输出。这时单片机切换到发射模式，回送握手信号，nRF401把得到的数据输送给单片机，经处理后从P1口输出到LED上显示（火情来源地信息），同时驱动报警器报警。

    相比于检测发射端电路，接收控制端电路更简单。各管脚引线方法两者基本相同，只是软件实现稍有不同。它可直接采用多位LED显示，不用扩展任何接口。

五、系统软件设计

    初始化主要是指对定时器工作方式寄存器、中断允许寄存器、串口工作方式寄存器等的设定。当检测到有烟雾时，先由定时器T0定时90 ms，在此期间，如一直能检测到烟雾，确认有火情存在，T0溢出中断，开始发送数据（可以是火情地址编码），经由nRF401的PCB天线发射出去。INT0被设置为下降沿触发，如果90 ms期间MC14468管脚1信号消失或变低，都会引起外部INT0中断，计数器重新置初值。当接收控制端接收到收据时，回送握手信号，以示发送下一帧数据，同时控制压电陶瓷蜂鸣器报警，并控制LED显示数据；如没接收到，即检测发射端没接收到应答信号，则重新发送，直到接收到为止。TXEN端的高/低电平由软件设置，可实现nRF401发射模式与接收模式之间的相互切换。

    程序主要采用汇编语言，运用自上而下的设计思想，总体分为两部分，如流程图5所示。整个软件系统有主程序和中断程序、显示程序、延时程序等子程序。主程序主要是对系统的初始化以及检测处理，中断程序主要是发送数据并通过nRF401发射出去，显示模块实现的功能是接收数据并送LED显示，同时启动报警，延时程序是为了nRF401的发射模式与接收模式之间相互切换时序的需要。

六、结论

    综上所述，由MC14468、8051、nRF401三大芯片组成的火灾自动报警系统，具有功能强、灵活性高、可靠性好、抗干扰能力强、实时性高等优点，系统整体结构简单、容易实现、实用方便，符合安全系统的要求。

参考文献：
[1]  沙占友 . 集成化智能传感器原理与应用[M] . 北京：电子工业出版社，2004.
[2]  余锡存，曹国华 . 单片机原理及接口技术[M] . 西安：西安电子科技大学出版社，2002