摘要：介绍了笔者研制的一种主动型火灾自动报警控制系统。该系统基于单片机构造，采取了一套独特的整体解决方案：主动式报警、分布式控制和多主式通讯；其主要特点为：低功耗，模拟量，报警迅速和抗干扰能力强。分布式智能报警系统可克服传统的被动型报警系统的弊端，系目前国内外主要研究方向。本系统已形成产品，获得广泛地好评。
关键词：单片机（MCU 模拟量 主动式报警 分布式控制 多主式通讯
1 概 述
目前国内应用的火灾自动报警系统大部分属于被动式报警体系，即主机依次查询同一回路中的各个探测点，从而取得探测点的状态信息，以确定报警与否，此体系对于居于回路末端的探测点报警极为不利；且由于主机负责回路的查询和火灾的辨识，造成其主机负担过重。为克服上述不足，笔者研制出主动型火灾自动报警系统。本系统主要特点：探测器主动辨识火灾，并主动实时向控制主机报警。在自动控制系统中，传感器的精度决定系统的精度，因此探测器在火灾自动报警系统中的作用极为重要。探测器包括如下几个模块：烟探测模块、信号放大模块、采样保持模块、AD转换模块、火警处理模块、数据存储模块、通讯模块、电源模块和指示灯。其原理如图1框图所示。
2 烟信号的采样
烟探测模块原理为：一个发光元件发射的光由于烟雾颗粒而引起散射，其散射光被一个光接收元件所接收，利用其输出电平探测烟雾浓度。其结构为以一定角度放置于迷宫中的一个红外发光二极管和一个光电二极管组成。迷宫保证在没有烟雾的条件下，光电二极管接收不到发光二极管发射的红外光以及环境光线。迷宫外设有防虫网，以避免昆虫等进入烟室，引起误报动作。
光接收元件产生的变化信号Vs作为信号放大模块的输入信号，经过放大模块的电压并联负反馈三级放大，再经过一级增益可调的工作点稳定电流串联负反馈放大电路放大后，输出的模拟量信号为：
V0 = AuVs = Auf（S）
式中 Au——放大电路的放大倍数；
S——烟雾浓度。
经过适当放大,获得的微秒级信号由采样保持模块保持，受门限电路监控，当信号大于某一预定值时，触发单片机的外部中断源，单片机开始采样信号，采样完毕，控制泻放电路清除采样信号。
3 AD转换及火警的辨识
AD转换模块通过单片机内置集成模拟比较器并辅以相应软件算法实现，参见文献［1］。硬件电路如图4所示，其中RC模数转换器由二个电阻和一个电容构成。微控制器的输出端（管脚11，其输出范围近似从0到VCC）对电容C交替地进行充放电，电容C同时连接到内部比较器的同相输入端（管脚12）上，待测未知电压加在内部比较器的反相输入端（管脚13）上，微控制器测量电容上的电压与待测电压相等的时间，则未知电压是测得的时间的函数。
电容上的电压由指数方程给出：
VC＝VCC（1-e-t/RC）
式中 VC——t时刻电容上的电压；
VCC—— 电压源；
RC——电阻和电容值的乘积，也称作网络的“时间参数”。
使用RC转换法的第一个问题，是不使用浮点运算和超越函数来解指数方程的困难性。以一个压缩的时间角度看，指数曲线的大部分变直，从而考虑将其近似为一条直线。但是这个设想由于曲线上各个点的斜率的持续变化而失效，并产生一明显的偏差，即使曲线非常接近VCC的渐近线时，也无助于问题的解决。
而如果用一个可查询表来映射每个采样时间间隔的预定值，微控制器就不必实时地解该指数方程。该方法允许在简化转换软件时，按照实际需要来编码和格式化数据，且可利用数据中存在的对称性来减小表的大小。
第二个问题是由于元件值的变化产生的显著误差。通常当电容上的电压减小时，电容上电压的变化也减小。为此可利用电容充/放电周期的对称性，来减小元件值变化对转换精度的影响。具体地说，就是当电压低于VCC/ 2时用周期中的充电部分测量，当电压高于VCC/ 2时用周期的放电部分测量，可使最大误差降低到VCC/ 2点处的误差。
在分配元件值时，必须首先确定比较器采样输出的时间间隔，采样周期应尽可能地短，以获得最大的转换精度和最小的转换时间。采样周期受限于执行必需的代码所需的时间，由微控制器的时钟速率决定。但是较频繁的采样又会影响电路的功耗指标，这表明采样周期的选择还牵涉到一个经验值的问题。
时间常数(RC)影响电容充/放电波形的形状：在电容开始充电或放电时，波形非常陡，随着时间增加而逐渐趋缓。因此必须选择适当的值，使波形的陡峭部分在希望的分辨率下是可解的。充电波形的陡峭部分发生在原点附近，放电部分的陡峭部分发生在VCC附近，为此可利用波形的对称性，在波形的两个部分中使用同一个时间常数来测量。
连接到微控制器管脚11的上拉电阻R1，为微控制器提供内部上拉小电流，对电容充/放电周期中充电部分的RC网络时间常数具有不利影响，将在充/放电波形中产生一对称波形，它产生转换错误，故需对电阻值的选择给出一个附加的限制——令上拉电阻R1的值远远小于R2的值——即可减小电容充放电路径不同所产生的影响。
时间常数(RC)，是所要求的转换器分辨率的函数，决定了电容充放电周期的长短，其所需的时间越长，测量循环的采样数也越多，并且查询表的入口数越多。
电容充放电周期计算的电压的缩减表如表1所示。电压的顺序，前半部分升序，后半部分降序，电容电压的轨迹定义了表的入口的顺序。
每半个周期的采样数多于达到范围值2.5 V所需的数目，这样设置允许存在“快＂周期，它在每半个周期中最后一个采样前就达到了标称的中值。值得指出的是，计算出的采样点N=0和N=1的电压间的差值小于希望的分辨率0.050 V，但是相邻采样点的电压差值随着N增大而减小，这反映了电路中电压和时间的非线性关系。
由于功耗指标要求，单片机平时处于节电状态，由门限监控电路监控，当超过预定值时产生中断唤醒，单片机进入上述采样分析状态，通过智能化分析软件对所获数据进行处理，辨识火警。
4 通讯模块
通讯模块包括发送/接收电路和通讯软件两部分。本系统采用两总线制，由两根总线传输电源并载波串行信号。
接收电路采用电阻直接耦合方式，通过反相器从总线上接收数据。
R4=R3，R2>R1。二极管、电容和电阻R2、R4提供了参考点，通过R1和R3的分压关系耦合信号，提供给单片机的串行输入口RXD。
发送电路亦采用直接耦合方式，但是为了保护系统，使用了光电隔离芯片。光电耦合芯片采用快速响应器件，并提供足够大的瞬间电流。放大电路可以瞬间拉低总线到12V。
串行通讯软件是体现本系统优点的一个应用，由于具有单片机，探测器可以和主机进行双向式对话，具有传输信息量大、方式灵活、报警及时等优点，克服了传统系统传输信息量有限，只有在主机点名的时刻才可以报警的弊端。
本系统采用两总线结构，一根地线和一根信号线。信号线采用24 V载波的形式，既可以为探测器提供电源，又可以提高抗干扰性能。其实现采用多主竞争的模式：主机、探测器1、探测器2、……、探测器n统一编址。主机和探测器居于同等地位，均可作为主机向总线上的其它从机广播信息，也可以作为从机接收其它主机的广播。但是一旦主从呼叫地址匹配，总线上同一时刻只有一对主机和从机进行双向对话式通讯，其它从机对接收到的信息不作进一步的处理，快速退出中断处理。
主机在广播时，首先监视总线一个时间段，如果该时间段内没有接收到信息，则认为总线上空，无其它主机工作，马上占据总线，发送信息；反之，等待一个时间段，再次监测总线，直至发送完成。从机以中断方式接收信息，当总线上有信息时，系统进入中断服务程序：首先校验地址，若地址匹配，则应答主机，主从机开始以双向对话式通讯接收数据包。一般性地，探测器作为主机时，发送的信息是面向系统主机，而非面向其它探测器，因此要求探测器程序在判别地址非匹配以及接收到非本机的数据后，应尽快退出中断处理程序，以减少系统功耗，避免总线电流尖峰过大。
按照功能，该软件模块由两个子程序模块组成：报警模块和查询模块。火警的发生，由探测器检测并判别，实时传送给控制主机，保证了系统对报警的快速响应；而对探测器的状态查询，由主机统一调度，保证了主机逻辑的清晰，探测器以中断方式响应主机的查询。
报警模块的物理执行顺序为：报警条件成立，探测器向主机发送呼叫信号，主机以中断方式响应该信号并发送确认信号，探测器发送数据包，校验。探测器在判别报警条件成立后，能够主动地向主机报警，这是本系统的突出特点，但是要配合主机的中断式接收软件使用。软件的流程图详见文献 ［2］。
查询模块以中断方式接收主机的点名，并作出应答，其流程图详见文献［2］。
5 功 耗
本系统采用桥式整流，有利于施工安装。数字电路部分采用3 V电源，模拟电路部分采用10 V电源。单片机选用低功耗型，上电初始化操作完成后，单片机由软件设置进入闲置状态，在500 kHz条件下，电流仅为200μA（激活工作时，电流为1.4 mA），而整个电路电流约为400μA（表2）。使用计数器T0和串口接收RXD作为外部唤醒中断，分别进入报警中断处理模块和查询中断处理模块，其处理时间小于1μs，工作完成后，仍旧进入闲置状态。虽然单片机工作电流较大，但由于为瞬间工作，因此其对总线电流的影响可以忽略不计。进入报警状态后，探测器将点亮一个高亮度指示灯，需3μA电流；与此同时，单片机进入闲置状态，电流为200μA，甚至可以进入掉电状态，电流仅为7～8μA，可不予考虑。
6 结束语
主动型火灾自动报警系统具有如下特点：
(1) 本系统采用分布式信号处理技术，即在探测器、模块及控制器中均有微处理器和相应的信息处理程序。其中，系统中设置的探测器不再是简单的传感器，它对采集的现场信号先由内部的微处理器进行分析处理，然后进行初步的火灾辨识。探测器平时只接收控制器传送的查巡信号，火警时探测器以中断方式向控制器传送采集处理后的信息数据，由控制器做进一步分析判断。
(2) 本系统采用智能火灾探测报警技术，对烟雾及温感探头的报警级别可以根据用户所在地的环境情况任意设置，并可设置昼夜灵敏度差异；对探头的灵敏度降低进行漂移补偿；从多方面消除了误报的可能性。
(3) 本系统有较强的现场编程功能。通过编程，定义输入输出功能及逻辑运算功能，可实现很复杂的联动控制功能，确保在故障或火警时系统能有效的实现一系列联动控制。
本应用已形成产品，具有安装简便、报警快速、误报率低等特性，深受用户好评。总体上，本应用符合感烟探测器的发展方向，将单片机引入到探测器中，使探测器具有了智能化的物理基础，完全摆脱了一般系统中被动的地位。通过单片机良好的功能，我们可以把探测器与主机结合为一个有机的整体，使主机对于探测器的状态、系统的整体状态有全面的了解，从而能够对系统进行强而有力的控制。
本应用着重于硬件的实现和智能化算法的初步实现，今后的发展方向在于火警辨识软件算法的智能化的提高。一个可能的方向是模糊控制的引入，利用专家经验数据库对火灾进行辨识，可以极大限度地减少误报。
参考文献
1 Atmel Corporation，Microcontroller Data Book，1995
2 章新华、肖泽南 ，一种光电感烟探测器的应用 , 现代建筑防火技术研讨会论文集 ，141 页，中国建筑学会建筑防火综合技术研究会，1998年10月