摘要：介紹了點型光電感煙探測器的工作原理，闡述了PIC16F676單片機的特殊功能，同時給出了該功能在探測器設計中的應用方法，最后給出了基于PIC16F676單片機設計的探測器的硬件構成和軟件程序。

    關鍵詞：單片機(微控制器)；點型光電感煙探測器；PIC16F676

火災是人類面臨的最大威脅之一，火災探測對防御火災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，由于光學迷宮的特殊設計（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（在火災報警領域主要采用紅外波段，波長在９００ｎｍ左右）發(fā)射的光信號，當有火災發(fā)生時，煙霧擴散到探測器的迷宮之內會對紅外發(fā)光二極管的發(fā)射光產生散射，從而使光電接收二極管能夠接收到散射光信號，光信號的大小標志著煙霧濃度，也標志著火災燃燒的程度。

光學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域，吸收內部雜散光信號以降低本底，同時保證煙霧的通暢進入。總之，光學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，然后經過放大和識別以形成報警信號。

２ PIF16F676單片機的模數(shù)轉換

ＰＩＣ１６Ｆ６７６單片機有８個模數(shù)轉換輸入通道，共用一套采樣、保持、模數(shù)轉換電路。其中模數(shù)轉換電路負責把模擬信號轉換成１０位數(shù)字信號。與模數(shù)轉換模塊相關的寄存器主要有ＡＤＣＯＮ０、ＡＤＣＯＮ１、ＡＢ-ＳＥＬ、ＡＤＲＥＳＨ、ＡＤＲＥＳＬ。寄存器的位定義及其相應功能簡介見表１。如果模數(shù)轉換的時鐘源采用內部晶振，則該模數(shù)轉換電路還可以工作在單片機的睡眠模式。

表1 與模數(shù)轉換模塊相關的主要寄存器

假設對模數(shù)轉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)轉換生成的１０位二進制數(shù)據從寄存器ＡＤＲＥＳＨ的最高位開始存放；模數(shù)轉換模塊采用的參考電壓是單片機工作電壓ＶＤＤ，采用的時鐘取自內部晶振；則寄存器的部分設置程序如下：

;以下６句對模數(shù)轉換模塊相關寄存器進行初始化

ＭＯＶＬＷ Ｂ＇０００１１１００＇;

ＭＯＶＷＦ ＡＤＣＯＮ０;

ＭＯＶＬＷ Ｂ＇０１１１００００＇;

ＭＯＶＷＦ ＡＤＣＯＮ１;

ＭＯＶＬＷ Ｂ＇１０００００００＇; ?

ＭＯＶＷＦ ＡＢＳＥＬ；

以下是模數(shù)轉換模塊完成一個完整的模數(shù)轉換所采用的程序片斷：

ＢＳＦ ＡＤＣＯＮ０,ＡＤＯＮ;

;以下４句完成模擬數(shù)據的采樣延時

ＭＯＶＬＷ ＳＡＭＰＬＥ ＴＩＭＥ

ＭＯＶＷＦ ＴＥＭＰ０

ＦＯＲ_ＳＡＭＰＬＥ ＤＥＣＦＳＺ ＴＥＭＰ０,１

ＧＯＴＯ ＦＯＲ_ＳＡＭＰＬＥ

;以下３句監(jiān)測模數(shù)轉換過程的完成與否

ＢＳＦ ＡＤＣＯＮ０,ＧＯ_ＤＯＮＥ

;啟動模數(shù)轉換

ＣＯＮＶＥＲＴＩＮＧ ＢＴＦＳＣ ＡＤＣＯＮ０,ＧＯ_ＤＯＮＥ

ＧＯＴＯ ＣＯＮＶＥＲＴＩＮＧ

ＢＣＦ ＡＤＣＯＮ０,ＡＤＯＮ ;關閉模數(shù)轉換

圖2

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過遠距離長線傳輸后，部分信號會發(fā)生畸變。故應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 與比較器模擬相關的關鍵性寄存器

如果對比較器的使用要求是：模擬信號由單片機管腳１２（連接比較器的負向）輸入；參考電壓選自片內參考電壓（參考電壓設定為３Ｖ）（連接比較器的正向）；比較器的輸出結果不反向（即比較器正向輸入大于負向輸入則比較器輸出高電平，反之輸出低電平），則此與比較器相關的寄存器ＣＭＣＯＮ、ＶＲＣＯＮ設置程序如下：

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

圖２是該比較器的電路原理（包括比較器的參考電壓形成部分）框圖。

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換，并使信號有足夠的總線驅動能力。

４ 探測器的地址讀寫

火災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實現(xiàn)的。由于撥碼開關壽命短、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本身恰好內置有１２８字節(jié)的串行ＥＥＰＲＯＭ，因此使用ＰＩＣ１６Ｆ６７６有助于簡化電路設計、降低成本。與ＰＩＣ１６Ｆ６７６片內串行ＥＥＰＲＯＭ有關的寄存器主要有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內置EEPROM相關的寄存器

因為片內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有關的寄存器全部在數(shù)據存儲器的第一分區(qū)中

ＢＳＦ ＳＴＡＴＵＳ?ＲＰ０

ＭＯＶＬＷ ．０ ;假如內置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)據寄存器ＮＯＤＥ用于暫時存儲讀出的地址數(shù)據

存儲地址的操作程序片斷舉例：

ＢＳＦ ＳＴＡＴＵＳ,ＲＰ０ ;Ｂａｎｋ １

ＭＯＶＬＷ ．０ ;假如內置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 ;暫時關閉全局中斷以執(zhí)行下列５句命令

;以下５句相當重要并且必要，否則“寫操作”不能初始化。

    ;在執(zhí)行下列５句的過程中產生周期計數(shù)，任何不等于該計數(shù)的的數(shù)目將阻止數(shù)據寫入片內ＥＥＰＲＯＭ．

ＭＯＶＬＷ Ｂ′０１０１０１０１′;

ＭＯＶＷＦ ＥＥＣＯＮ２ ;

ＭＯＶＬＷ Ｂ′１０１０１０１０′; ?

ＭＯＶＷＦ ＥＥＣＯＮ２;

ＢＳＦ ＥＥＣＯＮ１,ＷＲ ;啟動“寫”命令

?以上５句相當重要并且必要，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單片機設計的光電煙探測器的硬件結構框圖。

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

６　結束語

本文詳細介紹了基于ＰＩＣ１６Ｆ６７６的點型光電感煙探測器的設計原理和方法，重點介紹了單片機ＰＩＣ１６Ｆ６７６的轉換功能及其在探測器設計中的應用方法和程序，最后給出了探測器的系統(tǒng)硬件及軟件設計流程。該光電感煙探測器不僅功耗很低、設計簡單，同時利用單片機有助于探測器的智能化探測。