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作者：胡皓 王兴

链接：基于烟雾检测火灾自动报警系统 - 中国知网

来源：中国知网

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，去其他检测报警单元
INT8.2 53144 MC 14468 135126117 1089 M IM离子室IM离子源CiOl”R21.5MCs：1000更能提高系统的可靠性。每次TO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。
nRF4O1 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 fO 成为 433.92 MHz或434.33 MHz （双频道），调制后， ±厶/=0±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
nRF4O1 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 可直接米用多位LED显示，不用扩展任何接口。
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 INTO 控制单 片机内部定时器T0工作，定时 9O ms，TO 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，

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TO定时90 ms，在此期间，如一直能检测 到烟雾，确认有火情存在，TO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。
INTO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 nRF4O1 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：
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.
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

接收控制端流程图Automatic Fire Alarm System Based On Smoke DetectionAbstract： The automatic fire alarm system is discussed which consists of a iron-type smoke detector NC14468, a microcontroller 8051 and a radio frequency transceiver nRF401. Because of nRF401 being introduced into which adopts the radio communication technology and the FSK technology , the system is improved increasingly in the performances , such as real-time function and high responsibility.Keywords：MC14468；805 1；nRF401；FSK； fire alarm