引言
    为了避免火灾的发生，火灾自动报警及联动控制技术历经150多年的发展，已进入广泛应用阶段。如今，火灾探测器经历了开关量探测器、模拟量探测器和智能型探测器三个发展阶段。本文将介绍一种智能型火灾探测器的设计过程。

光电感烟火灾探测器的硬件设计
    本文中光电感烟火灾探测器硬件设计分为CPU选型、硬件电路和总线接口设计三个部分。

CPU选型
    本文根据光电感烟火灾探测器的实际需求，从CPU的性价比、功耗、开发难易程度等方面综合考虑，选用了PIC系列单片机。该系列单片机采用RISC结构，其高速度、低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力和低价位OTP技术等都体现出单片机产业的新趋势。

    PIC系列8位单片机共有三个系列，即基本级、中级和高级，通过对CPU的I／O口线、功耗、成本的比较，最终选择了中级的PICl6C712。系统利用CPU的捕捉输入端口接收控制器发来的地址、命令、数据，并将探测器的地址、报警阈值等信息存入E2PROM中，对接收放大电路输出电压进行A／D转换。

硬件电路设计
    本文设计的光电感烟火灾探测器的电路系统主要由CPU、存储器、发射电路、接收放大电路、总线接口电路、稳压电路、信号返回电路及确认灯电路组成，如图1所示。

    串行E2PROM存储器用于存储探测器的出厂序列号、地址编码、报警阈值等信息，该存储器可在线电擦除、电写入，具有体积小、接口简单、数据保存可靠、可在线改写、功耗低等特点。

    目前常用的串行EzPROM有两线制、三线制两种。两线制产品用于需要12C总线、有抗噪声性能、I／O口线受限制的应用中，三线制产品用于有限制规约要求，且采用SPI规约、需要有更高时钟频率要求，或需要16位数据字宽的应用中。

    为节约CPU的I／O口线，本文选用两线制串行EPROM芯片24LC01。

    采用时钟(sCL)和数据(sDA)两根线进行数据传输，接口十分简单。SDA是串行数据脚。该脚为双向脚，漏极开路，用于地址、数据的输入和数据的输出，使用时需加上拉电阻。SCL是时钟脚，该脚为器件数据传输的同步时钟信号。

    SDA和SCL脚均为施密特触发输入，并有滤波电路，可有效抑制噪声尖峰信号，保证在总线噪声严重时器件仍能正常工作。

总线接口设计
    火灾探测器与火灾报警控制器之间采用总线连接，在直流24V电源上叠加7.5V脉冲信号，脉冲信号(包含地址与数据)经耦合后送至CPU进行译码、接收。

    火灾探测器利用CPU的捕捉输入口接收控制器发来的地址、命令和数据信息，将探测器的地址、报警阈值等信息存入E2pROM中，对接收放大电路输出电压进行A／D转换。

    为了在通讯时使总线电压保持相对恒定，采用高低电平交替发送信息的办法，即通过高电平或低电平的不同宽度来表示不同的信息，可以有效利用总线的带宽。在本系统中，为了减少脉冲个数，每个脉冲表示两位2进制码。

    火灾报警控制器在巡检时最多发送16位数据、2位校验位，其中前8位是地址或命令、后8位是数据，起始信号为5ms的低电平，校验脉冲同时也是停止脉冲。控制器还向火灾探测器等部件发送广播信号，探测器根据不同的命令接收或返回相应的数据。

    当探测器接收到与自身地址码相同的寻址信号时，CPU控制信号返回电路以脉冲幅度固定的电流信号向控制器返回探测器的地址、检测值、故障、火警状态等信息，返回的数据共10位，其中8位数据、2位校验，探测器在控制器发送数据完成１ms后立即返回数据，脉冲幅度为40mA。[nextpage]

光电感烟火灾探测器的软件设计
报警广播协议设计
  为使火灾报警控制器能快速响应探测器的报警信息，我们设计了报警广播通信协议。火灾报警控制器定时向整个回路发送广播信息，探测器收到广播信号时，如该探测器有报警信号需要发送，则开始逐位发送自己的地址，此时可能有多个探测器有报警信号，例如两个探测器的地址分别是1和2(以下称１#和2#探测器)，探测器首先发送自己的最低位，如图3中的A点，若最低位是1则发送脉冲宽度是1.024ms，如为0则宽度为0.768ms。

    当两个探测器同时发送时，返回的实际数据是1，控制器收到后，立刻通过总线把数据返回，如图3中B点，当2#收到该信号l时，与自己刚才发送的0相比较，发现不一致即退出通讯，1#则继续通讯，发送自己后边的所有地址位，直到发送完成。控制器在通讯完成后，已经获知1#探测器有新报警，则通过巡检该地址的方式获得该探测器的报警信息。

    1#探测器在成功进行一次报警广播通讯后，不再进行广播通讯，除非有新报警信息产生(所有信息有新的变化)。当控制器在下一个周期发送广播通讯时，2#探测器继续返回自己的信号，直到通讯完成。这样控制器在两个巡检周期内完成了两个报警信息的查询。

    探测器发送的每个脉冲必须在收到脉冲0.5－1ms时返回，所有探测器必须保持一致。

    由于每次广播通讯的过程中低电平的脉冲宽度都小于5ms，因此其它探测器可以据此判断通讯是否结束。

报警判据设计
    本文设计的光电感烟火灾探测器采用两发一收的双光路迷宫，微处理器实时计算与2个发射管构成前向散射光路和后向散射光路的接收管，以响应输出值的比值。根据不同颜色、粒径粒子的响应输出比值不同，对进入探测室烟雾颗粒进行分析、判断，确认烟雾颜色及水雾、灰尘等非火警因素，并根据烟雾颗粒的颜色调整探测器响应阈值，实现对各种颜色烟雾的均衡响应。

    前向散射、后向散射可各设一浮动阈值，其中后向散射阀值小，当检测值变化量超过浮动阈值进行连续采样判断。当前向散射、后向散射有一路出现故障时，另一路可独立进行火警判断。

    因为光学探测室的内壁不可能成为绝对黑体，发光元件发出的光经过内壁多次反射后，必然在探测空间内形成一定照度的背景光，通过对背景光变化信号的分析，判断发光元件的发光强度、接收元件的接收灵敏度、探测室的状态等，使探测器实现自诊断。
　　
软件设计实现
　　为了使软件有良好的可维护性，本文采用模块化设计。
　　
　　主程序功能
　　实现对该程序的初始化设置，检查探测器的地址、阈值、传感器故障，判断火警，写EEPROM等。
　　
　　捕捉中断功能
　　该模块接收控制器发送的编码信号。
　　
　　比较中断功能
　　该模块向控制器发送返回信号。
　　
　　定时器0中断功能
　　该模块对接收到的编码信号进行分析处理，准备需向控制器返回的数据。
　　
　　定时器2中断功能
　　该模块进行ACD采样间隔、巡检闪灯间隔的计时。

结语
    本文采用PIC16C712微控制器设计的智能型光电感烟火灾探测器已通过国家消防电子产品质量监督检验中心的检验，全面满足GB4715－2005的要求，能均衡响应黑烟、白烟，灵敏度高、报警响应速度快，具有较强的抗干扰、防误报能力。