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