基于PIC單片機的點型光電感煙探測器設(shè)計
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火災(zāi)是人類面臨的最大威脅之一，火災(zāi)探測對防御火災(zāi)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：其中“線型光電感煙”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的空間距離，所以稱之為“線型”，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１０×１０×１０ｃｍ，所以稱之為“點型”。本文主要介紹基于ＰＩＣ１６Ｆ６７６單片機的點型光電感煙探測器的設(shè)計方法。
１ 點型光電感煙原理
點型光電感煙探測器是“主動”式探測器，其工作原理見圖１。沒有煙霧時，由于光學(xué)迷宮的特殊設(shè)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(zāi)報警領(lǐng)域主要采用紅外波段，波長在９００ｎｍ左右）發(fā)射的光信號，當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時，煙霧擴散到探測器的迷宮之內(nèi)會對紅外發(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(biāo)志著煙霧濃度，也標(biāo)志著火災(zāi)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入光電接收二極管的探測領(lǐng)域，吸收內(nèi)部雜散光信號以降低本底，同時保證煙霧的通暢進入?？傊?，光學(xué)迷宮的作用是保證沒有煙霧進入迷宮時放大器的輸出信號（本底信號）最小，而當(dāng)有煙霧進入迷宮時，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)過放大和識別以形成報警信號。
２ PIF16F676單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換
ＰＩＣ１６Ｆ６７６單片機有８個模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入通道，共用一套采樣、保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。其中模數(shù)轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)把模擬信號轉(zhuǎn)換成１０位數(shù)字信號。與模數(shù)轉(zhuǎn)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(yīng)功能簡介見表１。如果模數(shù)轉(zhuǎn)換的時鐘源采用內(nèi)部晶振，則該模數(shù)轉(zhuǎn)換電路還可以工作在單片機的睡眠模式。
表1 與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相關(guān)的主要寄存器
| 寄存器名稱 | 寄存器位定義 | 寄存器位功能簡介 |
| BIT7（ADFM） | 規(guī)定模數(shù)轉(zhuǎn)換生成的10位二進制數(shù)據(jù)的保存方式 | |
| BIT6（VCFG） | 規(guī)定模數(shù)轉(zhuǎn)換采用的參考電壓 | |
| BIT5（未用） | ||
| 模數(shù)轉(zhuǎn)換控制寄存器0 ADCON0 | BIT4（CHS2） BIT3（CHS1） BIT2（CHS0） | BIT4～BIT2聯(lián)合起來規(guī)定模數(shù)轉(zhuǎn)換的通道選擇，因為PIC16F676共有8個模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入通道 |
| BIT1（GO/DOWN） | 標(biāo)志著模數(shù)轉(zhuǎn)換是否完成 | |
| BIT0（ADON） | 模數(shù)轉(zhuǎn)換正在進行還是被關(guān)掉 | |
| BIT6(ADCS2) | BIT6～BIT3聯(lián)合起來規(guī)定模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用的時鐘 | |
| 模數(shù)轉(zhuǎn)換控制寄存器1 ADCON1 | BIT5(ADCS1) | |
| BIT4（ADCS0） | ||
| 其它數(shù)據(jù)位 | 未用 | |
| 模擬輸入選擇寄存器ABSEL | 所有數(shù)據(jù)位 | 因為PIC16F676共有8個模數(shù)轉(zhuǎn)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(shè)定管腳如何使用 |
| 模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲寄存器ADRESH、ADRESL | 所有數(shù)據(jù)位 | 兩個寄存器聯(lián)合存儲最終轉(zhuǎn)換生成的10位二進制數(shù)據(jù) |
假設(shè)對模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換生成的１０位二進制數(shù)據(jù)從寄存器ＡＤＲＥＳＨ的最高位開始存放；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用的參考電壓是單片機工作電壓ＶＤＤ，采用的時鐘取自內(nèi)部晶振；則寄存器的部分設(shè)置程序如下：
;以下６句對模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相關(guān)寄存器進行初始化
ＭＯＶＬＷ Ｂ＇０００１１１００＇;
ＭＯＶＷＦ ＡＤＣＯＮ０;
ＭＯＶＬＷ Ｂ＇０１１１００００＇;
ＭＯＶＷＦ ＡＤＣＯＮ１;
ＭＯＶＬＷ Ｂ＇１０００００００＇; ?
ＭＯＶＷＦ ＡＢＳＥＬ；
以下是模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊完成一個完整的模數(shù)轉(zhuǎn)換所采用的程序片斷：
ＢＳＦ ＡＤＣＯＮ０,ＡＤＯＮ;
;以下４句完成模擬數(shù)據(jù)的采樣延時
ＭＯＶＬＷ ＳＡＭＰＬＥ ＴＩＭＥ
ＭＯＶＷＦ ＴＥＭＰ０
ＦＯＲ_ＳＡＭＰＬＥ ＤＥＣＦＳＺ ＴＥＭＰ０,１
ＧＯＴＯ ＦＯＲ_ＳＡＭＰＬＥ
;以下３句監(jiān)測模數(shù)轉(zhuǎn)換過程的完成與否
ＢＳＦ ＡＤＣＯＮ０,ＧＯ_ＤＯＮＥ
;啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換
ＣＯＮＶＥＲＴＩＮＧ ＢＴＦＳＣ ＡＤＣＯＮ０,ＧＯ_ＤＯＮＥ
ＧＯＴＯ ＣＯＮＶＥＲＴＩＮＧ
ＢＣＦ ＡＤＣＯＮ０,ＡＤＯＮ ;關(guān)閉模數(shù)轉(zhuǎn)換
３ 探測器與總線的接口
該探測器與總線的接口包括編碼輸入電路和回執(zhí)輸出電路。
３．１ 編碼輸入電路
編碼輸入電路是總線與探測器的接口，用于把總線編碼的電平幅度（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)過遠(yuǎn)距離長線傳輸后，部分信號會發(fā)生畸變。故應(yīng)用編碼輸入電路對總線編碼信號進行濾波，以消除總線干擾，同時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(nèi)部恰好集成了一個功能強大的比較器，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 | 寄存器位定義 | 寄存器位功能簡介 |
| 比較器控制寄存器CMCON | BIT7（未用 | |
| BIT6（COUT） | 比較器的輸出位，該位數(shù)值就是比較器的輸出結(jié)果 | |
| BIT5（未用） | ||
| BIT4（CINV） | 控制比較器的輸出結(jié)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） | 參考電壓啟動控制位 |
| 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(shè)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(fù)向）輸入；參考電壓選自片內(nèi)參考電壓（參考電壓設(shè)定為３Ｖ）（連接比較器的正向）；比較器的輸出結(jié)果不反向（即比較器正向輸入大于負(fù)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(shè)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（其十進制是１４）１４／２４×５＝３Ｖ
ＭＯＶＷＦ ＶＲＣＯＮ
３．２ 回執(zhí)輸出電路
回執(zhí)輸出電路用于把探測到的代表煙霧濃度的數(shù)字信號通過總線回送到控制器。單片機信號一般為５Ｖ，總線上的信號大于２０Ｖ?；貓?zhí)輸出電路必須進行電平轉(zhuǎn)換，并使信號有足夠的總線驅(qū)動能力。
４ 探測器的地址讀寫
火災(zāi)報警控制器通過總線上的地址編碼來識別各個探測器。以往探測器的編碼是依靠機械式撥碼開關(guān)實現(xiàn)的。由于撥碼開關(guān)壽命短、易損壞而且成本較高，因此現(xiàn)在多采用串行ＥＥＰＲＯＭ來存儲探測器地址。同時，探測器工作過程中的其它重要數(shù)據(jù)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(nèi)置有１２８字節(jié)的串行ＥＥＰＲＯＭ，因此使用ＰＩＣ１６Ｆ６７６有助于簡化電路設(shè)計、降低成本。與ＰＩＣ１６Ｆ６７６片內(nèi)串行ＥＥＰＲＯＭ有關(guān)的寄存器主要有ＥＥＤＡＴ、ＥＥＡＤＲ、ＥＥＣＯＮ１、ＥＥＣＯＮ２（ＥＥＣＯＮ２不是一個物理可用的寄存器）。其具體功能見表３所列。
表3 與PIC16F676內(nèi)置EEPROM相關(guān)的寄存器
| 寄存器名稱 | 寄存器位定義 | 寄存器位功能簡介 |
| EEPROM數(shù)據(jù)寄存器EEDAT | 所有數(shù)據(jù)位 | 用于暫時存儲操作的目標(biāo)數(shù)據(jù) |
| EEPROM地址寄存器EEADR | 所有數(shù)據(jù)位（7位） | 用于暫時存儲目標(biāo)數(shù)據(jù)的地址 |
| EEPROM控制寄存器EECON1 | BIT7～BIT4（未用） | |
| BIT3（WRERR） | 寫操作完畢還是被復(fù)位行為中斷 | |
| BIT2（WREN） | 允許還是禁止寫周期 | |
| BIT1（WR） | 啟動還是禁止寫過程 | |
| BIT0（RD） | 啟動還是禁止讀過程 |
因為片內(nèi)ＥＥＰＲＯＭ的最大空間是１２８字節(jié)，所以ＥＥＡＤＲ寄存器僅使用到前７位，最高位不用。其中ＥＥＣＯＮ１用于實現(xiàn)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(shù)據(jù)存儲器的第一分區(qū)中
ＢＳＦ ＳＴＡＴＵＳ?ＲＰ０
ＭＯＶＬＷ ．０ ;假如內(nèi)置ＥＥＰＲＯＭ的．０地址用于存儲探頭地址
ＭＯＶＷＦ ＥＥＡＤＲ
ＢＳＦ ＥＥＣＯＮ１?ＲＤ ;啟動“讀”命令
ＭＯＶＦ ＥＥＤＡＴＡ,Ｗ
ＭＯＶＷＦ ＮＯＤＥ ;假如數(shù)據(jù)寄存器ＮＯＤＥ用于暫時存儲讀出的地址數(shù)據(jù)
存儲地址的操作程序片斷舉例：
ＢＳＦ ＳＴＡＴＵＳ,ＲＰ０ ;Ｂａｎｋ １
ＭＯＶＬＷ ．０ ;假如內(nèi)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“寫”的使能命令
ＢＣＦ ＩＮＴＣＯＮ,ＧＩＥ ;暫時關(guān)閉全局中斷以執(zhí)行下列５句命令
;以下５句相當(dāng)重要并且必要，否則“寫操作”不能初始化。
ＭＯＶＬＷ Ｂ′０１０１０１０１′;
ＭＯＶＷＦ ＥＥＣＯＮ２ ;
ＭＯＶＬＷ Ｂ′１０１０１０１０′; ?
ＭＯＶＷＦ ＥＥＣＯＮ２;
ＢＳＦ ＥＥＣＯＮ１,ＷＲ ;啟動“寫”命令
?以上５句相當(dāng)重要并且必要，否則“寫操作”不能初始化。
ＢＳＦ ＩＮＴＣＯＮ,ＧＩＥ ; 打開全局中斷
ＢＣＦ ＥＥＣＯＮ１,ＷＲＥＮ ; 完成“寫操作”之后關(guān)閉“寫”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(shè)計的光電煙探測器的硬件結(jié)構(gòu)框圖。
圖４是該光電感煙探測器的工作程序框圖。表４簡要注解了圖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 | 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(qū)動發(fā)光電路、放大電路 |
| 模塊3 | 對光點二極管的放大輸出信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換、抗干擾處理 |
| 模塊4 | 對主機輸出回答信號 |
| 模塊5 | 點亮探測器指示燈 |
| 模塊6 | 熄滅探測器指示燈 |
６ 結(jié)束語
本文詳細(xì)介紹了基于ＰＩＣ１６Ｆ６７６的點型光電感煙探測器的設(shè)計原理和方法，重點介紹了單片機ＰＩＣ１６Ｆ６７６的轉(zhuǎn)換功能及其在探測器設(shè)計中的應(yīng)用方法和程序，最后給出了探測器的系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計流程。該光電感煙探測器不僅功耗很低、設(shè)計簡單，同時利用單片機有助于探測器的智能化探測。
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