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火災是人類(lèi)面臨的最大威脅之一,火災探測對防御火災具有舉足輕重的作用｡光電感煙探測器是目前消防中使用的主要探測器之一｡光電感煙探測器分為兩大類(lèi):其中“線(xiàn)型光電感煙”是利用煙霧對光束能量的衰減原理制成的光電感煙探測器,該探測器正常工作需要比較長(cháng)的空間距離,所以稱(chēng)之為“線(xiàn)型”,否則,煙霧對光束能量的衰減太小不能獲取足夠的報警信息;“點(diǎn)型光電感煙”是利用煙霧對光束的散射原理制作的光電感煙探測器, 該探測器總體積不超過(guò)10x10x10cm,所以稱(chēng)之為“點(diǎn)型”｡本文主要介紹基于PIC16F676單片機的點(diǎn)型光電感煙探測器的設計方法｡ 1 點(diǎn)型光電感煙原理 點(diǎn)型光電感煙探測器是“主動(dòng)”式探測器,其工作原理見(jiàn)圖1｡沒(méi)有煙霧時(shí),由于光學(xué)迷宮的特殊設計(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(在火災報警領(lǐng)域主要采用紅外波段,波長(cháng)在900nm左右)發(fā)射的光信號,當有火災發(fā)生時(shí),煙霧擴散到探測器的迷宮之內會(huì )對紅外發(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,光信號的大小標志著(zhù)煙霧濃度,也標志著(zhù)火災燃燒的程度｡ 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領(lǐng)域,吸收內部雜散光信號以降低本底,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(本底信號)最小,而當有煙霧進(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,然后經(jīng)過(guò)放大和識別以形成報警信號｡ 2 PIF16F676單片機的模數轉換 PIC16F676單片機有8個(gè)模數轉換輸入通道,共用一套采樣､保持､模數轉換電路｡其中模數轉換電路負責把模擬信號轉換成10位數字信號｡與模數轉換模塊相關(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功能簡(jiǎn)介見(jiàn)表1｡如果模數轉換的時(shí)鐘源采用內部晶振,則該模數轉換電路還可以工作在單片機的睡眠模式｡ 表1 與模數轉換模塊相關(guān)的主要寄存器 寄存器名稱(chēng) 寄存器位定義 寄存器位功能簡(jiǎn)介 BIT7(ADFM) 規定模數轉換生成的10位二進(jìn)制數據的保存方式 BIT6(VCFG) 規定模數轉換采用的參考電壓 BIT5(未用) 模數轉換控制寄存器0 ADCON0 BIT4(CHS2) BIT3(CHS1) BIT2(CHS0) BIT4~BIT2聯(lián)合起來(lái)規定模數轉換的通道選擇,因為PIC16F676共有8個(gè)模數轉換輸入通道 BIT1(GO/DOWN) 標志著(zhù)模數轉換是否完成 BIT0(ADON) 模數轉換正在進(jìn)行還是被關(guān)掉 BIT6(ADCS2) BIT6~BIT3聯(lián)合起來(lái)規定模數轉換模塊采用的時(shí)鐘 模數轉換控制寄存器1 ADCON1 BIT5(ADCS1) BIT4(ADCS0) 其它數據位 未用 模擬輸入選擇寄存器ABSEL 所有數據位 因為PIC16F676共有8個(gè)模數轉換輸入通道,該通道還可以用作普通的I/O口,該寄存器用于設定管腳如何使用 模數轉換結果存儲寄存器ADRESH､ADRESL 所有數據位 兩個(gè)寄存器聯(lián)合存儲最終轉換生成的10位二進(jìn)制數據 假設對模數轉換模塊的使用要求是:放大信號由模擬輸入通道管腳PIN7(RC3/AN7)輸入;模數轉換生成的10位二進(jìn)制數據從寄存器ADRESH的最高位開(kāi)始存放;模數轉換模塊采用的參考電壓是單片機工作電壓VDD,采用的時(shí)鐘取自?xún)炔烤д?則寄存器的部分設置程序如下: ;以下6句對模數轉換模塊相關(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; 以下是模數轉換模塊完成一個(gè)完整的模數轉換所采用的程序片斷: BSF ADCON0,ADON; ;以下4句完成模擬數據的采樣延時(shí) MOVLW SAMPLE TIME MOVWF TEMP0 FOR_SAMPLE DECFSZ TEMP0,1 GOTO FOR_SAMPLE ;以下3句監測模數轉換過(guò)程的完成與否 BSF ADCON0,GO_DONE ;啟動(dòng)模數轉換 CONVERTING BTFSC ADCON0,GO_DONE GOTO CONVERTING BCF ADCON0,ADON ;關(guān)閉模數轉換 3 探測器與總線(xiàn)的接口 該探測器與總線(xiàn)的接口包括編碼輸入電路和回執輸出電路｡ 3.1 編碼輸入電路 編碼輸入電路是總線(xiàn)與探測器的接口,用于把總線(xiàn)編碼的電平幅度(一般24V)降低到適合單片機輸入的要求(一般5V)｡由于輸入編碼信號經(jīng)過(guò)遠距離長(cháng)線(xiàn)傳輸后,部分信號會(huì )發(fā)生畸變｡故應用編碼輸入電路對總線(xiàn)編碼信號進(jìn)行濾波,以消除總線(xiàn)干擾,同時(shí)可利用比較器電路對輸入編碼信號做整形｡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PIC16F676內部恰好集成了一個(gè)功能強大的比較器,該比較器的正向輸入是單片機的管腳13(RA0/AN0/CIN+), 反向輸入為單片機的管腳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 寄存器名稱(chēng) 寄存器位定義 寄存器位功能簡(jiǎn)介 比較器控制寄存器CMCON BIT7(未用 BIT6(COUT) 比較器的輸出位,該位數值就是比較器的輸出結果 BIT5(未用) BIT4(CINV) 控制比較器的輸出結果是否反向 BIT3(CIS) 控制輸入信號是從RA1(CIN1)還是RA0(CIN+)輸入 BIT2(CM2) BIT1(CM1) BIT2~BIT0聯(lián)合控制八種比較器I/O口工作模式的選擇 BIT0(CM0) 比較器參考電壓控制器VRCON BIT7(VREN) 參考電壓?jiǎn)?dòng)控制位 BIT6(未用) BIT5(VREN) 參考電壓范圍選擇控制位 BIT4(未用) BIT3(VR3) BIT3~BIT0聯(lián)合控制參考電壓的具體設置 BIT2(VR2) BIT1(VR1) BIT0(VR0) 如果對比較器的使用要求是:模擬信號由單片機管腳12(連接比較器的負向)輸入;參考電壓選自片內參考電壓(參考電壓設定為3V)(連接比較器的正向);比較器的輸出結果不反向(即比較器正向輸入大于負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%26;#215;5=3V MOVWF VRCON 圖2是該比較器的電路原理(包括比較器的參考電壓形成部分)框圖｡ 3.2 回執輸出電路 回執輸出電路用于把探測到的代表煙霧濃度的數字信號通過(guò)總線(xiàn)回送到控制器｡單片機信號一般為5V,總線(xiàn)上的信號大于20V｡回執輸出電路必須進(jìn)行電平轉換,并使信號有足夠的總線(xiàn)驅動(dòng)能力｡ 4 探測器的地址讀寫(xiě) 火災報警控制器通過(guò)總線(xiàn)上的地址編碼來(lái)識別各個(gè)探測器｡以往探測器的編碼是依靠機械式撥碼開(kāi)關(guān)實(shí)現的｡由于撥碼開(kāi)關(guān)壽命短､易損壞而且成本較高,因此現在多采用串行EEPROM來(lái)存儲探測器地址｡同時(shí),探測器工作過(guò)程中的其它重要數據也需要存儲保留,所以更有必要使用串行EEP-ROM｡而單片機PIC16F676本身恰好內置有128字節的串行EEPROM,因此使用PIC16F676有助于簡(jiǎn)化電路設計､降低成本｡與PIC16F676片內串行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內置EEPROM相關(guān)的寄存器 寄存器名稱(chēng) 寄存器位定義 寄存器位功能簡(jiǎn)介 EEPROM數據寄存器EEDAT 所有數據位 用于暫時(shí)存儲操作的目標數據 EEPROM地址寄存器EEADR 所有數據位(7位) 用于暫時(shí)存儲目標數據的地址 EEPROM控制寄存器EECON1 BIT7~BIT4(未用) BIT3(WRERR) 寫(xiě)操作完畢還是被復位行為中斷 BIT2(WREN) 允許還是禁止寫(xiě)周期 BIT1(WR) 啟動(dòng)還是禁止寫(xiě)過(guò)程 BIT0(RD) 啟動(dòng)還是禁止讀過(guò)程 因為片內EEPROM的最大空間是128字節,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)現對串行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)的寄存器全部在數據存儲器的第一分區中 BSF STATUS RP0 MOVLW .0 ;假如內置EEPROM的.0地址用于存儲探頭地址 MOVWF EEADR BSF EECON1 RD ;啟動(dòng)“讀”命令 MOVF EEDATA,W MOVWF NODE ;假如數據寄存器NODE用于暫時(shí)存儲讀出的地址數據 存儲地址的操作程序片斷舉例: BSF STATUS,RP0 ;Bank 1 MOVLW .0 ;假如內置EEPROM的.0地址用于存儲探頭地址 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(xiě)”的使能命令 BCF INTCON,GIE ;暫時(shí)關(guān)閉全局中斷以執行下列5句命令 ;以下5句相當重要并且必要,否則“寫(xiě)操作”不能初始化｡ ;在執行下列5句的過(guò)程中產(chǎn)生周期計數,任何不等于該計數的的數目將阻止數據寫(xiě)入片內EEPROM. MOVLW B′01010101′; MOVWF EECON2 ; MOVLW B′10101010′; MOVWF EECON2; BSF EECON1,WR ;啟動(dòng)“寫(xiě)”命令 以上5句相當重要并且必要,否則“寫(xiě)操作”不能初始化｡ BSF INTCON,GIE ; 打開(kāi)全局中斷 BCF EECON1,WREN ; 完成“寫(xiě)操作”之后關(guān)閉“寫(xiě)”的使能命令 5 基于PIF16F676的感煙探測器 圖3是采用PIC16F676單片機設計的光電煙探測器的硬件結構框圖｡ 圖4是該光電感煙探測器的工作程序框圖｡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 程序模塊名稱(chēng) 程序模塊完成的功能 模塊1 完成對主機發(fā)出的編碼信號的解碼 模塊2 驅動(dòng)發(fā)光電路､放大電路 模塊3 對光點(diǎn)二極管的放大輸出信號進(jìn)行模數轉換､抗干擾處理 模塊4 對主機輸出回答信號 模塊5 點(diǎn)亮探測器指示燈 模塊6 熄滅探測器指示燈 6 結束語(yǔ) 本文詳細介紹了基于PIC16F676的點(diǎn)型光電感煙探測器的設計原理和方法,重點(diǎn)介紹了單片機PIC16F676的轉換功能及其在探測器設計中的應用方法和程序,最后給出了探測器的系統硬件及軟件設計流程｡該光電感煙探測器不僅功耗很低､設計簡(jiǎn)單,同時(shí)利用單片機有助于探測器的智能化探測｡ |
