基于单片机的光纤烟雾浓度检测系统

潘玮炜，苟爽爽，王冬生，张晓荣，王桂梅

(河北工程大学，河北省智能工业装备技术重点实验室，河北邯郸 056038)

0 引言

现有的烟雾浓度检测报警器主要有离子式、光电式、激光式。其中离子式容易对环境造成污染且不易储存，光电式易受环境光及黑烟影响，激光式烟雾浓度检测价格高，不适合广泛使用[1-3]。针对以上问题，结合光电式与激光式烟雾浓度检测，设计了一种新型的基于单片机的光纤烟雾浓度检测系统。采用光纤激光器作为光源，以硅光电池作为系统的光电探测器，成本低，结构简单，无污染，不受自然光及黑烟影响，可靠性与灵敏度高，稳定性好，抗干扰能力强，具有一定的工程实用价值。

1 硬件系统

1.1 系统检测的内容与方法

光电传感装置首先将烟雾浓度的变化转换为光信号的变化，再通过光电探测器转换成电信号，传感装置的原理框图如图1所示。本文选择光纤激光器作为光电传感器的光源，以弥补传统光电式烟雾检测器采用普通红外光作为光源易受环境影响的不足[4-5]。

图1 传感装置原理图

由于硅光电池的短路电流与入射光强度具有很好的线性关系，且硅光电池成本低，但光电流比较微弱，而带动的电流负载较强，故采用运放AD8606构成电压跟随器来实现阻抗匹配，减小信号失真，以确保检测系统的可靠性。单片机只能接收数字信号，而前级电路产生的信号为模拟信号，因此需要采用10位逐次逼近型A/D转换器TLC1549CP作为系统的模数转换器。转换后的数字量被单片机读取后会与阈值进行比较，判断是否需要报警，并由字符液晶屏LCD1602显示当前烟雾浓度值。在以单片机为主控芯片的报警系统中，有源蜂鸣器不需要外接驱动信号，更便于程序控制，而电磁式蜂鸣器体积较小，故采用电磁式有源蜂鸣器作为检测系统的报警器[6-8]。系统硬件包括单片机最小系统电路、信号采集电路、模数转换电路、显示及报警电路，如图2所示。

图2 系统电路原理框图

1.2 单片机最小系统电路

最小系统包括电源电路、复位电路、晶振电路以及串行通信电路[9-11]。

复位是对单片机进行初始化操作，STC89C52是高电平复位，令RST引脚保持2个机器周期时间的高电平即可让单片机复位，复位方式有上电自动复位和按键手动复位2种。除系统崩溃或故障的情况外，基本不需要进行复位操作，选择按键手动复位电路如图3所示。STC89C52单片机内部含有一个高增益反相放大器用于构成振荡器，引脚XTAL1(X1)和XTAL2(X2)分别是该放大器的输入端和输出端。为简化系统结构，采用内部触发方式，晶振电路如图4所示。由于需要通过串口对程序进行下载，设置晶振频率为11.059 2 MHz。

图3 单片机复位电路

图4 单片机晶振电路

STC89C52单片机串行通信包括RS232和RS485，整个过程仅需下载程序时完成一次点对点通信，且传输距离短，采用RS232串行通信。STC89C52串行口输出TTL电平，而RS232的逻辑电平与TTL电平完全不同，需要接入MAX202CPE芯片进行电平转换，串行通信电路如图5所示。

图5 单片机串口通信电路

1.3 信号处理电路

信号处理模块包括以AD8606构成的电压跟随器为核心的信号采集电路、以TLC1549CP及其参考电压发生电路为核心的模数转换电路，如图6所示。AD8606电压跟随器电路是同向放大电路的极端情况，它的电压增益为1，即输出电压与输入电压完全相等，可实现高阻信号源对低阻负载的驱动，且没有电压损失。另外可以避免信号的损耗，消除前后级电路之间的相互影响，起到隔离缓冲作用。输出端并联接入滤波电容C17和C18，C17电容值较大，用于滤除低频信号，C18电容值较小，用于滤除高频信号。

TLC1549CP模数转换器的正常工作需要高精度参考电压的输入，由TCM828和AD1585ART提供。开关电容式电压转换器TCM828是一种以电容作为储能元件的DC-DC转换器，转换效率高达95%，通过内置组合开关的配合，将能量储存到电容器中，再以受控方式释放，以获得更稳定的输出电压。AD1585ART是串联式的带隙基准电压源，其功耗低、成本低、压差低且精度高，利用电阻压降的正温漂补偿晶体管发射结正向压降的负温漂，实现了稳定电压输出。

图6 信号处理电路

1.4 显示及报警电路

显示及报警电路如图7所示。K1为系统启动按钮。STC89C52单片机内部没有上拉电阻，所以在与LCD1602通过P0口相连时需要外接排阻以提供足够大的电流才能够驱动液晶屏进行显示。V0端是LCD1602的对比度调整端，对比度过高时会产生“鬼影”，对比度过低会导致显示不清甚至不能显示，因此接1个10 kΩ的电位器W1，用于调节LCD1602的对比度。蜂鸣器作为报警装置，通过1个PNP型三极管与单片机的P2.7引脚连接。利用三极管的开关特性对蜂鸣器起到控制作用，蜂鸣器低电平有效。当I/O口输出低电平时，三极管导通，蜂鸣器工作；当I/O口输出高电平时，三极管截止，蜂鸣器停止工作。

图7 显示及报警电路

2 系统软件

由于系统需要采集模拟量，采用单片机编译程序Keil进行软件程序设计，包括主程序、模数转换模块、显示模块与报警模块。

2.1 主程序设计

主程序实现系统上电后各部分元件的初始化，并调用各模块的子程序以及控制信号采集的启停，完成对整个烟雾检测系统的智能报警控制并对当前烟雾浓度进行显示，主程序流程图如图8所示。

图8 主程序流程图

本程序通过信号采集结果计算当前烟雾浓度，以硅光电池在无烟雾时的输出电压为基准，计算当前电压V与无烟雾时的电压V0的比值，即以输出电压的变化作为检测结果。当前烟雾浓度φ可按式(1)计算：

(1)

2.2 模数转换模块程序设计

图9 模数转换模块流程图

2.3 显示及报警模块程序设计

显示及报警模块流程图如图10所示。LCD1602是慢显示器件，所以在执行每条指令之前需要确认模块的忙标志位为低电平，否则指令失效。显示字符时要先输入显示字符地址，然后再写入需要显示的数据或字符。采用的有源蜂鸣器只要接通直流电压就可以发声，只需STC89C52的P2.7引脚输出低电平即可使蜂鸣器报警。

图10 显示及报警模块流程图

3 实验验证

基于MXY9001光电技术创新实验平台对设计的光纤烟雾检测报警系统进行了可行性与可靠性的实验验证，搭建的实物电路如图11所示。验证实验中提前设定的报警阈值为φ=20%，即烟雾浓度高于20%时蜂鸣器报警。接通电源，调节LCD1602的对比度，直至能清晰显示字符为止，打开光纤激光器的光源开关按下启动按钮K1，可以看到此时烟雾浓度为0。

图11 系统实物电路图

出于实验室用火安全考虑，采用模拟烟雾实验。用透明度不同的纸片对光源进行遮挡，模拟实际情况下不同烟雾对光源的遮挡，如图12所示。

(a)不透明纸片模拟结果

(b)半透明纸片模拟结果图12 不同透明度纸片模拟结果

采用不透明纸片模拟烟雾时，LCD1602显示当前烟雾浓度为100.1%，同时蜂鸣器报警；采用半透明纸片模拟烟雾时，LCD1602显示当前烟雾浓度为30.2%，同时蜂鸣器报警。实验结果表明系统对模拟烟雾响应速度基本满足报警要求，且烟雾浓度越高，响应速度越快。

采用不同颜色的纸片对比系统对深色和浅色烟雾的响应速度，以检验烟雾浓度检测系统对于各种烟雾是否均能很好的响应，如图13所示。采用黑色半透明纸片模拟烟雾时，LCD1602显示当前烟雾浓度为36.6%，同时蜂鸣器报警；采用白色半透明纸片模拟烟雾时，LCD1602显示当前烟雾浓度为30.2%，同时蜂鸣器报警。实验结果表明，系统对模拟烟雾的效应效果并未受到颜色影响，克服了传统光电式烟雾浓度检测对黑烟效果差的缺点。

(a)黑色纸片模拟结果

(b)白色纸片模拟结果图13 不同颜色纸片模拟结果

为了研究外部工作条件对系统工作稳定性的影响，模拟了系统在强光及高噪声环境下的工作情况，如图14所示。利用多个手机手电筒打光，模拟系统在强光条件下工作，用白色半透明纸片模拟烟雾，LCD1602显示当前烟雾浓度为39.2%，同时蜂鸣器报警；模拟系统在76 dB噪声环境下工作，用白色半透明纸片模拟烟雾，LCD1602显示当前烟雾浓度为34.1%。实验结果表明，系统的工作稳定性与可靠性受到外部光源及噪声的影响较小。

(a)强光条件模拟结果

(b)噪声环境模拟结果图14 强光及噪声环境模拟结果

4 结束语

本文设计的基于单片机的光纤烟雾浓度检测系统通过采用光纤激光器作为光源，以硅光电池作为系统的光电探测器，使系统的成本显著降低，简化了系统结构，无污染，解决了传统烟雾浓度检测器受自然光源影响大、对火灾黑烟响应效果不佳的问题。实验证明：烟雾浓度检测系统具有较高的可靠性与灵敏度，稳定性好，抗干扰能力强，具有一定的工程实用价值。