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【摘 要】防火工作的重要性在现代社会的经济发展中不容小觑，由于国内现在防火系统的研发比较单一，越来越难以适应日渐复杂的火情。如今，在居民住宅区等小型防火单位，廉价实用的烟雾自动报警装置是最合适的选择，因此，我们就有必要研制一种结构简单、价格低廉的数字联网烟雾报警器，以适应市场的需求。该文通过烟雾信号采集电路、模拟转换电路、单片机控制电路和GSM网络的组合，设计合理的报警系统，简单易用，使单片机在烟雾报警系统中得到充分的应用。
【关键词】单片机；烟雾报警系统；A/D转换电路；烟雾信号采集电路
随着人民生活水平的提高，液化石油气、管道煤气进入了更多人的住宅里，人们在享受些现代设施带来了便利的时候，却也增加了火灾隐患。所以火灾自动报警控制系统就显得尤其重要了。而我国的火灾自动报警控制系统在科技发展进程中得到不断的改进，其智能化程度也越来越高。目前我国人口不断的增长，土地也开始的稀缺，所以为了缓解城市用地的紧张，居住的楼层不断加高，这不但便于集中供电、供热、供气，而且也可以集中控制和管理。但是，这样也带来了隐患，楼层多、人员密集，一旦发生火灾，疏散困难，容易造成经济和人员的损失。为了保障高层建筑安全可靠，就需要设计出可靠性强、实时性好的火灾自动报警系统，烟雾报警系统就针对像居住等小型防火单位设计出来，既简单也易用，本文就这方面的设计及其应用做一个阐述。
1、烟雾报警系统的现状
目前，我国火灾自动报警设备市场是国产、合资生产与进口产品“三足鼎立分天下”，而随着国内防火技术的不断提高，国内生产产品也有所增长，在国内市场机制下，有实力的企业可以进行火灾报警控制系统的生产，在标准规定的功能、性能基础上，厂家的布线方式、信号传输方式、信号处理方式都有所不同，产品之间的兼容性就降低。而国家对建筑物不断的规范，安装烟雾自动报警控制系统的建筑物也会越来越多。虽说国内市场已有多种烟雾自动报警系统，但大多还属于脱机方式，系统不能自动拨号联系消防部门，也会因为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，让消防部门第一时间接到报警信号，这样将很大程度上减轻财产损失和人员伤亡。
2、单片机在烟雾报警系统的设计
2.1 烟雾报警系统的硬件设计
烟雾报警系统是能够对环境中的烟雾浓度进行检测，并具有报警功能的仪器。报警仪器由烟雾信号采集电路、模拟转换电路、单片机控制电路和 GSM 网络等部分组成，具体如图 1 所示。
烟雾信号采集电路主要由烟雾传感器和模拟放大电路组成，它将烟雾信号转化为模拟的信号。A/D（模数）转换电路是将烟雾检测电路传来的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号，然后再传入单片机。单片机对这些数字信号进行滤波处理，并分析其值，看是否大于或等于某个预设值（也就是报警限），如果大于报警限值，则启动报警电路发出报警信号。为方便检测与监控，使我们能够直接观察到环境中的可燃烟雾浓度值，可将浓度值送到显示屏中，为了调节报警限，也可加入按键。可燃烟雾检查报警器的两大核心是烟雾传感器和单片机，所以选择合适、精确、经济的烟雾传感器及单片机芯片是非常重要的。系统终端与用户的烟雾报警系统相连接，对烟雾报警系统的设备运行及工作状态进行实时监控，通过烟雾信号采集，将数据和报警信息通过烟雾报警系统通信网传送至用户，同时发出警报。但由于烟雾报警系统生产厂家众多，型号也多样，其对外数据通信没有统一的标准规范，所以进行烟雾信号采集就会有极大的不便[1]。
2.2 烟雾报警系统的线路分析
报警器包括降压整流、稳压电路、气敏传感元件和触发、报警音响电路。具体的线路如图 2 所示。半导体气敏元件采用 QM-25 或 MQ211 型，适于煤气、天然气、汽油及各种烟雾的报警，由于要求灯丝加热电压稳定，故采用了稳压块 7805 对其灯丝电压进行稳压，且需要开机预热 3 分钟。555 和 R2、RP2、C4 组成可控多谐振荡器，一般情况下，强制复位端 4 脚处于电平，555 处于停振状态，当 QM 型气敏元件获得可燃气体或烟雾时，A-B 极间的阻值降低，使 4 脚电位上升到 1V 以上，555 起振，振荡频率取决于 R2、RP2、C4 的时间常数，即f=1.44/（R2+RP2）C4
图示参数的振荡频率约 0.6～8k Hz， 调节 RP2 ，使频率在1500Hz 即可。
3、单片机在烟雾报警系统中的应用
烟雾报警器是离子感烟探测器，感烟探测器在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正、负离子，在电场的作用下各向正负电极移动。正常情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。但是，一旦有烟雾窜逃外电离室。干扰了带电粒子的正常运动，电流、电压就会所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，感烟探测器就会发出信号。烟雾是上升运动的，到达天花板底下。烟雾报警器通过烟发现火灾。在您没有看到火苗或闻到烟味的时候，烟感器已经知道了。它不停的工作，从不间断。在报警时，它发出尖啸刺耳的声音，直到烟雾散去。在真实的火灾中，烟感器一直工作到被烧毁。烟雾报警器一般是将独立的电池供电或交流电供电电池为备电，由总线供电，总线上可以连接有多个，与火灾报警控制器联网、通讯组成一个报警系统，报警时现场无声音，感烟探测器分带地址编码的、不带地址编码的。
烟雾传感器和烟雾探测芯片组成了传统的烟雾报警器，探测芯片接收传感器信号并进行处理，从处理的数据中，判断是否发生火灾。这种烟雾探测器结构简单、成本低，但存在误报率高和环境适应能力差等缺点。为解决这个问题，单片机应用在报警器中，以识别传感器因环境影响而产生的干扰信号。传统的烟雾报警器有如下三个缺点，（1）采用普通的单片机，增加报警器的功耗，对长时间需要供电的烟雾报警器而言，是不太理想的。（2）传感器产生的微弱模拟信号，要经过放大、A/D 转换之后才能被单片机处理。采用独立的 A/D 转化电路，不但增加系统的功耗，也降低了系统的可靠性；（3）单片机软件设计不合理，也会降低报警器的报警准确性。操作控制也不灵活。所以选择合理的单片机是非常有必要的。 MSP430 系列单片机，它是 TI 公司推出的 16 位超低功耗的混合数字信号处理器，针对用户的应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上。 MSP430 是精简指令集（RISC）结构的 16 位单片机，在 8MHz 晶振工作时，指令速度可以达到 8MIPS。MSP430 单片机的电源是采用 1.8V～3.6V 低电压，在 RAM 数据保持下，其耗电只有0.1μA。 MSP430 有正常工作模式（AM）和 5 种低功耗工作模式（LPM0～LPM4）。 MSP430 的超低功耗，在供电要求苛刻的报警系统中，具有优良的特性。MSP430 系列单片机，其结合了 TI 公司高性能的模拟技术，也有丰富的外设，而这些外设包括多通道高精度的 ADC 和 DAC、片内模拟比较器、片内数控振荡器（DCO）、大量的 I/O 端口以及大容量的片内存储器等，这使得单片机可以满足多数用户的需求。
4、总结与建议
本文设计使用了具有自动采集信号和模块序列，以及多次转换的超低功耗单片机SP430，实现了对烟雾信号和电池电压的精确检测，也完善了单点式烟雾报警器的低电压检测烟雾报警功能，在硬件选型中，充分考虑超低功耗要求，在可靠性、稳定性和实用性等方面均比以往探测器有所改进。
【参考文献】
[1] http：//119.china.com.cn/txt/2009-02/25/content_2753279.htm.
[2]基于单片机的火灾报警系统[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/view/
cdff0c225901020207409c39.html.
[3]简易气体烟雾报警器电路[EB/OL].http：//info.pcbtn.com/Html/555dl/135119522.html.
[4]基于 MSP430 单片机的烟雾报警器优化设计[EB/OL].http：//www.51icjm.com/html/download/article-195.html.
【关键词】单片机；烟雾报警系统；A/D转换电路；烟雾信号采集电路
随着人民生活水平的提高，液化石油气、管道煤气进入了更多人的住宅里，人们在享受些现代设施带来了便利的时候，却也增加了火灾隐患。所以火灾自动报警控制系统就显得尤其重要了。而我国的火灾自动报警控制系统在科技发展进程中得到不断的改进，其智能化程度也越来越高。目前我国人口不断的增长，土地也开始的稀缺，所以为了缓解城市用地的紧张，居住的楼层不断加高，这不但便于集中供电、供热、供气，而且也可以集中控制和管理。但是，这样也带来了隐患，楼层多、人员密集，一旦发生火灾，疏散困难，容易造成经济和人员的损失。为了保障高层建筑安全可靠，就需要设计出可靠性强、实时性好的火灾自动报警系统，烟雾报警系统就针对像居住等小型防火单位设计出来，既简单也易用，本文就这方面的设计及其应用做一个阐述。
1、烟雾报警系统的现状
目前，我国火灾自动报警设备市场是国产、合资生产与进口产品“三足鼎立分天下”，而随着国内防火技术的不断提高，国内生产产品也有所增长，在国内市场机制下，有实力的企业可以进行火灾报警控制系统的生产，在标准规定的功能、性能基础上，厂家的布线方式、信号传输方式、信号处理方式都有所不同，产品之间的兼容性就降低。而国家对建筑物不断的规范，安装烟雾自动报警控制系统的建筑物也会越来越多。虽说国内市场已有多种烟雾自动报警系统，但大多还属于脱机方式，系统不能自动拨号联系消防部门，也会因为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，让消防部门第一时间接到报警信号，这样将很大程度上减轻财产损失和人员伤亡。
2、单片机在烟雾报警系统的设计
2.1 烟雾报警系统的硬件设计
烟雾报警系统是能够对环境中的烟雾浓度进行检测，并具有报警功能的仪器。报警仪器由烟雾信号采集电路、模拟转换电路、单片机控制电路和 GSM 网络等部分组成，具体如图 1 所示。
烟雾信号采集电路主要由烟雾传感器和模拟放大电路组成，它将烟雾信号转化为模拟的信号。A/D（模数）转换电路是将烟雾检测电路传来的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号，然后再传入单片机。单片机对这些数字信号进行滤波处理，并分析其值，看是否大于或等于某个预设值（也就是报警限），如果大于报警限值，则启动报警电路发出报警信号。为方便检测与监控，使我们能够直接观察到环境中的可燃烟雾浓度值，可将浓度值送到显示屏中，为了调节报警限，也可加入按键。可燃烟雾检查报警器的两大核心是烟雾传感器和单片机，所以选择合适、精确、经济的烟雾传感器及单片机芯片是非常重要的。系统终端与用户的烟雾报警系统相连接，对烟雾报警系统的设备运行及工作状态进行实时监控，通过烟雾信号采集，将数据和报警信息通过烟雾报警系统通信网传送至用户，同时发出警报。但由于烟雾报警系统生产厂家众多，型号也多样，其对外数据通信没有统一的标准规范，所以进行烟雾信号采集就会有极大的不便[1]。
2.2 烟雾报警系统的线路分析
报警器包括降压整流、稳压电路、气敏传感元件和触发、报警音响电路。具体的线路如图 2 所示。半导体气敏元件采用 QM-25 或 MQ211 型，适于煤气、天然气、汽油及各种烟雾的报警，由于要求灯丝加热电压稳定，故采用了稳压块 7805 对其灯丝电压进行稳压，且需要开机预热 3 分钟。555 和 R2、RP2、C4 组成可控多谐振荡器，一般情况下，强制复位端 4 脚处于电平，555 处于停振状态，当 QM 型气敏元件获得可燃气体或烟雾时，A-B 极间的阻值降低，使 4 脚电位上升到 1V 以上，555 起振，振荡频率取决于 R2、RP2、C4 的时间常数，即f=1.44/（R2+RP2）C4
图示参数的振荡频率约 0.6～8k Hz， 调节 RP2 ，使频率在1500Hz 即可。
3、单片机在烟雾报警系统中的应用
烟雾报警器是离子感烟探测器，感烟探测器在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正、负离子，在电场的作用下各向正负电极移动。正常情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。但是，一旦有烟雾窜逃外电离室。干扰了带电粒子的正常运动，电流、电压就会所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，感烟探测器就会发出信号。烟雾是上升运动的，到达天花板底下。烟雾报警器通过烟发现火灾。在您没有看到火苗或闻到烟味的时候，烟感器已经知道了。它不停的工作，从不间断。在报警时，它发出尖啸刺耳的声音，直到烟雾散去。在真实的火灾中，烟感器一直工作到被烧毁。烟雾报警器一般是将独立的电池供电或交流电供电电池为备电，由总线供电，总线上可以连接有多个，与火灾报警控制器联网、通讯组成一个报警系统，报警时现场无声音，感烟探测器分带地址编码的、不带地址编码的。
烟雾传感器和烟雾探测芯片组成了传统的烟雾报警器，探测芯片接收传感器信号并进行处理，从处理的数据中，判断是否发生火灾。这种烟雾探测器结构简单、成本低，但存在误报率高和环境适应能力差等缺点。为解决这个问题，单片机应用在报警器中，以识别传感器因环境影响而产生的干扰信号。传统的烟雾报警器有如下三个缺点，（1）采用普通的单片机，增加报警器的功耗，对长时间需要供电的烟雾报警器而言，是不太理想的。（2）传感器产生的微弱模拟信号，要经过放大、A/D 转换之后才能被单片机处理。采用独立的 A/D 转化电路，不但增加系统的功耗，也降低了系统的可靠性；（3）单片机软件设计不合理，也会降低报警器的报警准确性。操作控制也不灵活。所以选择合理的单片机是非常有必要的。 MSP430 系列单片机，它是 TI 公司推出的 16 位超低功耗的混合数字信号处理器，针对用户的应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上。 MSP430 是精简指令集（RISC）结构的 16 位单片机，在 8MHz 晶振工作时，指令速度可以达到 8MIPS。MSP430 单片机的电源是采用 1.8V～3.6V 低电压，在 RAM 数据保持下，其耗电只有0.1μA。 MSP430 有正常工作模式（AM）和 5 种低功耗工作模式（LPM0～LPM4）。 MSP430 的超低功耗，在供电要求苛刻的报警系统中，具有优良的特性。MSP430 系列单片机，其结合了 TI 公司高性能的模拟技术，也有丰富的外设，而这些外设包括多通道高精度的 ADC 和 DAC、片内模拟比较器、片内数控振荡器（DCO）、大量的 I/O 端口以及大容量的片内存储器等，这使得单片机可以满足多数用户的需求。
4、总结与建议
本文设计使用了具有自动采集信号和模块序列，以及多次转换的超低功耗单片机SP430，实现了对烟雾信号和电池电压的精确检测，也完善了单点式烟雾报警器的低电压检测烟雾报警功能，在硬件选型中，充分考虑超低功耗要求，在可靠性、稳定性和实用性等方面均比以往探测器有所改进。
【参考文献】
[1] http：//119.china.com.cn/txt/2009-02/25/content_2753279.htm.
[2]基于单片机的火灾报警系统[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/view/
cdff0c225901020207409c39.html.
[3]简易气体烟雾报警器电路[EB/OL].http：//info.pcbtn.com/Html/555dl/135119522.html.
[4]基于 MSP430 单片机的烟雾报警器优化设计[EB/OL].http：//www.51icjm.com/html/download/article-195.html.