智能火灾报警系统设计.docx

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智能火灾报警系统设计

JIUJIANGUNIVERSITY

毕业设计

题目智能火灾报警系统设计

英文题目Intelligentfirealarmsystemdesign

院系机械和材料工程学院

专业测控技术和仪器

姓名

年级

指导教师

二零一二年六月

摘要

目前，随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，由此引起的火灾也越来越多，在我们生活得四周到处潜伏着火灾隐患。

为了避免火灾以及减少火灾造成的损失，我们必须按照“隐患险于明火，防患胜于救灾，责任重于泰山”的概念设计和完善火灾自动报警系统，将火灾消灭在萌芽状态，最大限度地减少社会财富的损失。

智能火灾报警系统是微电子技术、信息技术、通信技术、计算机技术等当代新技术和传统的火灾探测及防火安全技术有机结合的产物。

消防电子产品及其应用开发技术的不发展，高效可靠的火灾探测方法及多种形式的智能火灾自动报警系统形式的出现，带来了许多新的相关技术课题，其中智能化火灾探测和报警、系统工程设计和应用、系统工程施工机维护管理是智能消防安全体系的重要环节。

关键词：

单片机火灾报警传感器

ABSTRACT

Now,withelectronicproductsusedinhumanlifemoreandmorewidely,theresultingfire,moreandmore,weliveinfirehazardslurkingaroundeverywhere.Toavoidfiresandreducefirelosses,wemustfollowthe"hiddendangersfireinpreventionisbetterthandisasterrelief,theresponsibilityisextremelyheavy,"theconceptdesignandimprovementofautomaticfirealarmsystem,firenippedinthebud,themaximumreducethelossofsocialwealth.

Intelligentfirealarmsystemismicroelectronicstechnology,informationtechnologyandcommunicationtechnology,thecomputertechnology,contemporarynewtechnologyandthetraditionalfiredetectionandfirepreventionsafetytechnologyoftheorganiccombinationofproduct.Fireelectronicproductsanditsapplicationdevelopmentoftechnologydevelopment,highefficientandreliablefiredetectionmethodandthemanykindsofformsofintelligentautomaticfirealarmsystemformsofappear,broughtanumberofnewtechnologyrelatedtothetopics,includingintelligentfiredetectionandalarm,systemengineeringdesignandapplication,systemengineeringconstructionmachinemaintenancemanagementisintelligentfiresafetysystemimportantsegment.

Keywords：

SCMfirealarmsensor

第一章绪论

1.1选题背景

近年来全国火灾事故频繁发生，造成人、财、物的巨大损失。

用户对火灾报警以至自动消防系统的要求越来越高。

针对多起火灾事故的分析，排除水压不足等因素外，现有的消防隔断未能起到应有的作用，是造成重大损失的关键。

本文基于上述考虑，通过研发全自动智能防火卷闸门电气控制系统，满足了防火卷闸门的各种动作状态要求，也满足了用户的不同使用环境的需要。

其主要功能是在火灾发生时，控制防火卷闸门可靠、准确地运行，实现防火卷闸门的一步降或二步降，达到分区防火，控制火势蔓延，减少火灾损失的目的防火卷闸门控制方式主要分为手动调整自动和联动等各种控制方式同时预留和上位机的通讯接口，为自动消防系统作好前期准备。

1.2火灾探测器

1、火灾探测器发展特点

随着应用领域的不断扩大，应用需求不断提高，普通类型的感温、感烟火灾探测报警系统已不能满足需要，运用高新技术的新型探测器在不断研发，其特点是：

1）功能更新

现代火灾探测器的最大特征之一就是判别功能和判定决定权不仅从观念上分离，而且在实际应用中已经分别执行。

早期的判别功能和判定决定权合二为一，由设置在探测器中的传感器件实现，因而处理问题死板且易受干扰。

而现代火灾探测传感器的判别功能和判定决定权由软件控制，能滤除干扰，识别真假火灾，实现火灾智能判断。

2）可靠性提高

火灾探测报警系统可靠性的提高首先体现在用智能技术处理传感器提供的火灾信息。

人们采用多种火灾探测算法和复合多传感等传感方式，为判断火灾提供了更加充分可靠的信息。

模糊逻辑、神经网络等高新技术用于火灾的判别，大大提高火灾探测的可靠性。

3）报警时间提前

新型火灾探测器已不局限于对已发生的火灾及时报警，可以在火灾发生之前的几小时或几天内，识别潜在的火灾危险性，实现超早期火灾报警。

2、火灾探测器新技术

1）高灵敏度探测技术应用目前已研究开发出激光式高灵敏度感烟火灾探测器、吸气式高灵敏度火灾探测报警系统和气体火灾探测报警系统等超早期火灾探测报警产品。

这些系统采用激光粒子计数原理、激光散射原理监视被保护空间，以单位体积内粒子增加的多少来判断是否可能发生火灾。

和普通感烟火灾探测报警系统相比，这种系统的探测灵敏度提高了两个数量级甚至更多。

但目前，这种技术还仅限于对烟粒子的探测，在应用中不同程度地受到了应用场所环境的限制。

2）气体浓度探测技术应用利用气体和气体成分对火灾早期阶段生成物或构成火灾的要素进行探测的火灾探测技术，也能够实现超早期火灾探测。

易燃易爆场所一旦爆炸起火，火势蔓延速度极快，难以控制，人们为此专门开发研制了在火灾爆炸事故之前，从可燃气体浓度方面进行故障和火灾爆炸危险性等方面预测的线型可燃气体探测报警系统。

它采用光学原理，利用不同气体光谱特性的差别进行气体浓度探测，从根本上解决了点型可燃气体传感元件稳定性差、寿命短等缺陷，用于大面积可燃气体探测报警时，性能价格比较高，其原理还可扩展用于其他场所气体泄漏的监测。

3）多信息技术应用早期的火灾探测器对于火灾信息的反应是输出信息“0”或“1”即开关量，其他信息仅围绕反映开关是否正常、能否动作等。

而现代火灾探测器是对火灾过程进行监测，有些探测器实质上只起传感器的作用。

因此，其火灾信息量明显增加。

另一方面，各种单一传感器提供的火灾信息均混杂非火灾信息，给从传感器提供的火灾信息上判别火灾增加了难度，人们于是开始研究基于新型探测原理的传感器件（如气体传感器等）和复合探测器，对火灾过程的多参数进行监测，配以智能判别技术，以达到减少误报，提高可靠性的目的。

细微特征的辨识也是从提供信息角度识别火灾的一种方法。

采用单片机的智能火灾探测器，可以打破采样受控制器控制的被动局面，主动获取对于识别真假火灾参数非常重要的细微信息。

1.3系统设计思想

系统硬件及信号由AT89C51单片机内部有非易失性Flash存储器分别包含128字节RAM、32条I/O口线、3个16位定时/计数器、6输入4优先级嵌套中断结构、1个串行I/O口（可用于多机通信、I/O扩展或全双工UART）以及片内振荡器和时钟电路。

使用AT89C51芯片，能够满足需要，还可以使外围器件尽可能少，另外价格也便宜，所以选用它。

防火门及相应的控制、动力机构安装完毕后，首先要确定时间。

通过传送信号给单片机，通知单片机要开始设置时间。

有3个时间要设置：

防火门的全程上升时间和全程下降时间及从顶下降到中位所需的时间。

所确定的时间被存在EEPROM中。

上述3个时间存入EEPROM后，就可以随意按动“上”、“下”、“停”3个按钮中的任何一个，使防火门运行或停止。

通常使防火门停在最高处，当火灾发生时，防火门向下运行，切断火势曼延的通路。

发生火灾时，防火门的工作模式有如下几种，我们可以预先做以下设置。

1）烟雾二步降。

发生火灾，一般都是烟先窜到防火门，火后一步到。

防火门的传感器感知到烟信号后，防火门立即开始下降，并发出声光报警信号。

防火门下降到中位（通常门已关闭一半，下面一半开着，让人逃生）停止下降，延时一段时间，以便让里面的人逃生，而后继续下降（称作第二步下降），直到防火门完全关闭为止。

在第二步下降过程中，只要有人按动“上”、“下”、“停”3个按钮中的任何一个，门就会自动上升到中位，以便人逃离火场。

2）烟温二步降。

火灾发生，烟雾先到达，这时防火门附近的温度还处在正常范围。

防火门感知此烟，立即下降到中位，并在中位停下来，以便人员逃生。

在防火门附近的温度上升到一定的高度以前，防火门将一直停在中位。

当防火门的感应系统感知到防火门附近的温度达到比较高的程度后，防火门开始第二步下降，从中位下降到把整个门关闭。

因为只有温度达到一定的高度，才说明火将曼延过来，须迅速彻底关闭防火门。

防火门在第二步下降的过程中，若有人按动“上”、“下”、“停”3个按钮中任何一钮，门都将上升到中位。

到达中位后，将立刻开始下降，但只要有人再次按任何一钮，门仍将上升到中位。

不论是烟雾二步降还是烟温二步降，当门彻底关闭后，只要有人按上述3个钮任一钮，门就上升到中位，以让人逃离火场。

3）高温处理。

不论初始设置的是烟雾二步降还是烟温二步降，只要高温先到达或是和烟雾信号同时到达，防火门都将从顶不停地一直下降到底。

还有一种情形也会导致“高温处理”：

若火灾发生时没有高温，当防火门从顶下降到中位前或下降到中位后在中位停留的时间内，检测到有高温信号，防火门系统将自动转入高温处理，立即开始第二步下降。

火扑灭后，防火门系统检测到既无烟又无高温，则确认火已灭，便自动关闭报警信号，防火门自动上升到正常位置。

第二章前向通道的设计

2.1温度传感器

火灾总伴随着火焰、烟雾和温度，随着燃烧，室内温度将上升。

将烟雾传感器作为第一感受器，温度传感器作为智能计算的补充传感器。

当报警环境出现烟雾后，温度传感器根据设定温度值确定是否报警。

为防止漏报，另一组温度传感器设定了温度的报警极限，当温度超过这个极限立刻报警。

温度传感器利用半导体PN结的负温度系数工作，它有三路输出，其中两路测量温度梯度，一路测量极限温度。

图2-1是一个温度传感器的结构单元。

其基本工作原理是利用硅PN结的负温度系数测量环境温度。

由

、

、

、

以及

经

、

分压给

的基极提供一个电压基准。

这个电压基准使得

在常温下不导通，例如，假设在常温下，NPN晶体管的发射结在

=0.65V时导通，而电压基准设定为0.60V，这时，

处于截止状态。

由于硅器件的发射结导通电压

是负的温度系数（典型值为-2mV/℃），随着温度上升，器件的导通电压线性下降。

当温度上升25℃时，

的发射结导通电压

下降为0.60V,达到设定值使

导通。

由原先的高电平输出下降为低电平输出。

图2-1温度传感单元原理图

作为电压基准，希望经

、

分压得到的电压值具有较低的温度系数。

在这个电路中，利用正温度系数的齐纳击穿稳压管和PN结的负温度系数实现低温度系数的要求。

防火系统采用了复合形式的智能型火灾传感电路，代替了过去的单一形式的传感器，如火焰传感器、温度传感器、烟雾传感器等，这样就不会出现误报情况。

此传感器具有不受使用场所无交流电源的限制，静态功耗低、安装比较隐蔽、灵敏度高等特点。

2.2烟雾传感器

1、工作原理

离子烟雾传感器单电离室的工作原理，如图2-2所示。

图2-2电离室工作原理图

图2-2（a）是单电离室的结构图，P1和P2是一对电极，在电极之间放有放射性物质241Am，不断放出α射线，高速运动的α离子撞击极板间的空气分子，将其电离为正离子和负离子，从而使电极之间原来不导电的空气具有了导电性。

如果在极板P1和P2之间加上一个电压E，极板间原来杂乱无章的正负离子，在电场的作用下作有规则的运动，从而在极板间形成电离电流

，施加的电压越高，则电离电流越大，当电离电流增加到一定值时，将不再增加，此电流称为饱和电流

，如图2-2（b）所示。

实际使用的离子烟雾传感器电路如图2-3所示。

图2-3离子烟雾传感器电路图

为了减少温度、湿度等环境条件变化对电离电流带来的影响，以提高传感器工作的稳定性，将两个电离室串接起来和电源相接，上面的一个为补偿电离室，下面的一个为检测电离室，在结构上检测电离室做成烟雾容易进入的型式，而补偿电离室做成烟雾很难进入、而空气又能慢慢进入的型式。

当有火灾发生时，烟雾进入检测电离室，由于烟离子的阻挡作用，一方面使电离后的正负离子在电场中的运动速度降低，另一方面使α射线的电离能力降低，从而使检测电离室的电离电流减小，这一现象，相当于补偿电离室的等效电阻未变，而检测电离室的等效电阻变大，从而使A点的电位升高。

显然烟雾浓度越大，烟离子的阻挡作用越强，A点电位越高。

这一电压信号经由T1、T2组成的跟随电路，传送给模/数转换电路，实现对烟雾浓度的采样。

采用离子源作为烟敏元件的突出特点是电流消耗极低，适合在系统中使用。

图2-3中的

为自检电阻器，由于离子源等效电阻很高（一般在10MΩ以上），只要适当选择

，就可使

上的压降在正常情况下近似为0。

对探测器进行自检时，一个逻辑高电压加到

上，使传感器输出升高，单片机根据自检前后的模/数转换结果，可判断出模/数转换及传感器两个模块的功能是否正常。

2.3单片机的选择

单片机是本方案的灵魂，所以我们选择是需要慎之又慎，下面我们来拿8031和AT89C51做一下比较。

8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。

用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。

写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。

由于上述类型的单片机应用的早，影响很大，已成为事实上的工业标准。

后来很多芯片厂商以各种方式和Intel公司合作，也推出了同类型的单片机，如同一种单片机的多个版本一样，虽都在不断的改变制造工艺，但内核却一样，也就是说这类单片机指令系统完全兼容，绝大多数管脚也兼容；在使用上基本可以直接互换。

我们统称这些和8051内核相同的单片机为"51系列单片机"。

在众多的51系列单片机中，要算ATMEL公司的AT89C51更实用，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为ATMELAT89Cx做的编程器均带有这些功能。

显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。

写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。

而且AT89C51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。

单对AT89C51来说，在实际电路中可以直接互换8051和8751，替换8031只是第31脚有区别，8031因内部没有ROM，31脚需接地（GND），单片机在启动后就到外面程序存储器读取指令；而8051/8751/89c51因内部有程序存储器，31脚接高电平（Vcc），单片机启动后直接在内部读取指令。

也就是51芯片的31脚控制着单片机程序从内部读取还是从外部读取，31脚接电源，程序从内部读取，31脚接地，程序从外部读取，其他无须改动。

另外，AT89C51替换8031后因不用外存储器，不必安装原电路的外存储器和373芯片。

由于内部RAM的存在，可以减少I/O扩展芯片、锁存器及片外RAM等等，使整个设计显得简单明了，所以我们选择AT89C51。

2.4运算放大器AD595

AD595具有热电偶信号放大和冰点补偿双重功能,AD595适用于Ｋ型热电偶,是14脚DIP封装。

AD595有二个等级（Ｃ级和Ａ级）,±3℃的校准准确度。

具有以下特性:

·低阻抗电压输出:

10ｍＶ/℃

·片内冰点补偿

·电源电压范围:

+5V～±15V

·低功耗:

＜1MW

·热电偶断线报警功能

·高阻抗差动输入

·可用作摄氏温度传感器

·差动输入可抑制热电偶引线上的共模噪声电压

·补偿、零点、标度系数都预先用激光校准

·可用于Ｔ型热电偶由于热电偶的输出电势和温度成非线性关系,下列转换函数将决定芯片的实际输出电压:

在控制系统中，传感器和检测电路输出的信号，一般都比较小，不能直接进行显示记录和控制。

为此，当用传感器把非电量转换成电量后，大都需要放大。

2.5A/D转换器

A/D转换器的功能是将模拟量电信号转换成数字量。

在本设计中，我采用了ADC0809转换器，它可以将多路转换器输入的模拟量进行A/D转换，所以省略了多路开关。

由于控制系统是对温度和烟的浓度进行检测，相当于A/D转换器的转换时间来说信号变化很慢，所以采样保持器（保持在A/D转换时间内输入的模拟信号不变）也可以省去。

因此，模拟信号经过放大后可以直接进入A/D转换器。

ADC0809内部结构

有模拟多路转换开关和A/D转换两大部分组成。

模拟多路转换开关由8路模拟开关和3位地址锁存和译码器组成，地址锁存允许信号ALE将三位地址信号ADDC、ADDB和ADDA进行锁存，然后由译码电路选通其中一路摸拟信号加到A/D转换部分进行转换。

A/D转换部分包括比较器、逐次逼近寄存器SAR、256R电阻网络、树状电子开关、控制和时序电路等，另外具有三态输出锁存缓冲器，其输出数据线可直接连CPU的DB。

具体见下图2-4。

图2-4ADC0809内部结构

ADC0809的引脚功能：

D7-D0：

8位数据输出线；

IN7-IN0：

8路模拟信号输入；

ADDC、ADDB、ADDA：

8路模拟信号输入通道的地址选择线；

ALE：

地址锁存允许，其正跳变锁存地址选择线状态，经译码选通对应的模拟输入信号；

START：

启动信号，上升沿使片内所有寄存器清零，下降沿启动A/D转换；

EOC：

转换结束，转换开始后，此引脚变为低电平，转换一结束，此引脚变为高电平；

OE：

输出允许，此引脚为高电平有效，当有效时，芯片内部三态数据输出锁存缓

冲器被打开，转换结果送到D7-D0；

CLOCK：

时钟，最高可达1280KHz，由外部提供；

REF（+）、REF（-）：

参考电压正极、负极，通常REF（+）接Vcc，REF（-）接GND；

Vcc：

电源，+5V，GND：

地线。

在论文的硬件设计中ADC0809因内部带有三态门输出锁存器，故它可以直接和AT89C51的P0口相连，ALE和START由

和P2.7口经或非门后控制，输出允许OE由

和P2.7口经或非门后控制，转换结束输出信号EOC经反向器后和INT1非相连，以提供A/D转换的中断方式。

ADC0809的时钟输入信号CLK有ALE经二分频后提供，也可由外部500kHZ时钟源提供，八路模拟量有IN7-IN0端输入。

2.6键盘输入

键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。

按键是一种常开型按钮开关。

平时（常态时），按键的两个触点处于断开状态，按下键时它们才闭合（短路）。

键盘分编码键盘和非编码键盘。

键盘上闭合键的识别由专用的硬件译码器实现，并产生键编号或键值的称编码键盘，如BCD码键盘、ASCII码键盘等；靠软件识别的称为非编码键盘。

在单片机组成的测控系统及智能化仪器中，用的最多的是非编码键盘。

本系统中，采用4×2键盘。

4×2的键盘结构如图所示，图中行线通过电阻接+5V，当键盘上没有健闭合时，所有的行线和列线断开，行线XO、X1呈高电平。

当键盘上某一个键闭合时，该健所对应的行线和列线短路。

例如，6号键按闭合时，行线Xl和列线Y1短路，此时Xl的电平由Y1的电平所决定，如果把行线接到微机的输人口，列线接到微机的输出口，则在微机的控制下，使列线Y1为低电平（0），其余四根列线Y0、Y2、Y3都为高电平。

然后微机通过输人口读行线的状态，如果X0、X1都为高电平，则Y1这一列上没有键闭合，如果读出的列线状态不全为高电平，则为低电子的行线和Y1相交的键处于闭合状态；如果Y1这一列上没有键闭合，接着使列线Y1为低电平，其余列线为高电平。

用同样的方法检查Y2这一列上有无键闭合，以此类推，最后使列线Y3为低电平，其余的列线为高电平，检查Y3这一列上是否有健闭合。

这种逐行逐列地检查键盘状态的过程称为对键盘的一次扫描。

CPU对键盘扫描可以采取程序控制的随机方式，CPU在空闲时扫描键盘，也可以采取定时控制方式，每隔一定时间，CPU对键盘扫描一次，CPU可随时响应健输入请求。

也可以采用中断方式，当键盘上有键闭合时，向CPU请求中断，CPU响应键盘输入中断请求，对键盘扫描，以识别那一个键处于闭合状态，并对键输入信息做出相应处理。

CPU对键盘上闭合键键号的确定，可根据行线和列线的状态计算求得，还可以根据行线和列线状态查表求得。

键盘共八个：

“↑”为使显示数字加一

“↓”为使显示数字减一

“→”为显示屏的闪烁光标右移

“←”为显示屏的闪烁光标左移

“启动”为使整个系统运行

“停止”为使整个系统停止

“更改”为调解系统的设置以及切换温度和浓度的显示

“确认”为使系统设置值进行保存

图2-5键盘显示原理图

第三章后向通道的设计

3.1卷帘门电机正反转控制

卷帘门自动控制工作原理：

图3-1所示采用SSR的三相感应电动机的正反转控制电路。

电路中，开关S接1侧时为控制电路正转，接2侧时控制电机反转。

SSR

（2）和SSR（3）同时导通是电动机正转，SSR

（1）和SSR（4）同时导通时电机反转。

正转和反转SSR若同时导通，则会使电源短路而损坏SSR，为此，要增设VT1和VT2等构成的连锁电路。

图3-1卷帘门自动控制原理图

当单片机整个系统全部崩溃的时候，我们就采用紧急应急系统，采用电机手动系统，以便减少不必要的损失。

卷帘门采用可逆控制和互锁。

所谓“可逆”控制，就是可以同时控制电动机的正转和反转。

产生过程中，各种产生机械常常要求具有上下、左右、前后、往返等具有方向运动控制，这就要求电动机能够实现可逆运行。

如电梯的上下运行、起重机的吊钩的上升和下降、机床工作台的前进和后退及主轴的正转和反转等运动的控制，就是通过“可逆”控制实现的。

由交流电动机工作原理可知，若将接至电动机的三相电源进线中的任意两相对调，即可使电动机反向旋转。

所以我可用两个方向相反的单向控制线路组合而成可逆控制线路，

如图3-2所示。

图3-2卷帘门手动控制