基于光电感烟探测器的火灾报警系统设计.docx
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基于光电感烟探测器的火灾报警系统设计
基于光电感烟探测器的火灾报警系统设计
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本科毕业设计（论文）
基于光电感烟探测器的火灾报警系统设计
张彦宾
燕山大学
2013年6月
本科毕业设计（论文）
基于光电感烟探测器的火灾报警系统设计
学院：
里仁学院
专业：
检测技术及仪器
学生姓名:
张彦宾
学号：
091203021086
指导教师：
刘永红
答辩日期:
2013年6月16日
燕山大学毕业设计（论文）任务书
学院：
电气工程学院系级教学单位：
仪器科学与工程系
学
号
0912*******6
学生
姓名
张彦宾
专业
班级
检测09—2
题
目
题目名称
基于光电感烟探测器的火灾报警系统设计
题目性质
1。
理工类：
工程设计（）；工程技术实验研究型（√）；
理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）
2。
管理类（）；3。
外语类（）；4.艺术类（）
题目类型
1.毕业设计（√）2.论文（）
题目来源
科研课题（）生产实际（√）自选题目（）
主
要
内
容
1.设计基于单片机的火灾报警系统，完成感烟探测器探头设计及信号处理系统设计。
2.完成系统硬件系统设计及其软件算法流程。
3.烟尘实验结果分析。
基
本
要
求
1.按电气工程学院本科生学位论文撰写规范的要求完成设计论文一份（不少于2.4万字），A0图纸。
2.说明书及插图一律打印，要求条理清晰、文笔流畅、图形及文字符号符合国家现行标准。
3．按学院指定的地点进行设计，严格按照进度计划完成毕业设计任务.
参
考
资
料
单片机技术及应用
传感技术及应用
相关学术期刊
周次
1—4周
5—8周
9—12周
13—16周
17-18周
应
完
成
的
内
容
查阅相关资料
分析确定设计方案，进行系统结构设计
系统软件系统设计
系统软件调试与实验
修改论文，准备答辩
指导教师:
刘永红
职称：
副教授2012年11月27日
系级教学单位审批：
年月日
摘要
火灾已成为我国常发性和破坏性以及影响力最强的灾害之一.随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下建筑以及大型综合性建筑日益增多,火灾隐患也大大增加，火灾的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势，本文设计的火灾报警系统是为了避免火灾造成的重大损失。
本文在对火灾报警控制器和传感器做了深入研究的基础上，设计了基于AT89C51单片机的火灾报警系统，是一种复合型火灾报警系统。
火灾报警控制器AT89C51是火灾报警系统的核心。
光电式感烟传感器与温度传感器LM94022的组合使用保证了报警的可靠性，减小了系统的误报率。
本文设计的火灾报警系统对现代建筑起着极其重要的安全保障作用能有效地防止和减少火灾危害，对保护人身安全和财产安全具有现实意义.
关键词火灾报警系统；单片机;传感器;声光报警
Abstract
Firehasbecomedestructiveandoftenmadeandmostinfluentialdisasters。
Withtherapideconomicdevelopmentandurbanconstruction,urbanhigh—riseandundergroundbuildingsandlarge-scaleintegratedarchitecturalincreasingfirehazardsaregreatlyincreased，thenumberoffiresandtheresultinglosseswereincreasing,thepaperdesignofthefirealarmsystemisdesignedtoavoidfirecausedsignificantlosses.
Inthispaper,forfirealarmcontrollersandsensorsdoin—depthresearch，basedonAT89C51microcontrollerisdesignedbasedfirealarmsystem,isacompositetypefirealarmsystem.FirealarmcontrollerAT89C51isthecoreofthefirealarmsystem.PhotoelectricsmokesensorandthetemperaturesensorusedincombinationLM94022ensurethereliabilityofthealarm，thesystemreducesthefalsealarmrate。
Thisdesignofthefirealarmsystemonmodernarchitectureplaysavitalroleinthesafetyandsecuritycaneffectivelypreventandreducefirehazards,toprotectpersonalsafetyandpropertysecurityofpracticalsignificance.
Keywords Firealarmsystem,MCU,Sensors，Sound-lightalarm
第1章绪论
1。
1概述
1.1.1研究背景
火灾是世界上发生频率较高的一种灾害,几乎每天都有火灾发生，据联合国“世界火灾统计中心（WFSC）2000统计资料”,全球每年约发生火灾600万至700万次，全球每年死于火灾的人数约为65000人至75000人[1］。
欧洲和北美发生的火灾较多，死亡人数却相对较少,这与欧美发达国家的生活水平高以及消防设施完善有关；亚洲居住人数最多，发生火灾次数较少,但死亡人数较多，这与亚洲经济发展程度不高、消防设施不完善等因素有关。
火灾早已成为我国常发性和破坏性以及影响力最强的灾害之一。
随着经济和城市建设的快速发展,城市高层、地下建筑以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加,火灾发生的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势.我国2000年《中国火灾统计年鉴》记载，从1950年至1999年，全国共发生火灾3258105起,死亡人数165499人，伤313766人，直接经济损失1828亿元［1]。
我国每年的起火次数较少,但死亡人数较高,这说明我国的消防保护体系对保护生命安全还有一定的差距，因此现阶段有必要提高全民的防火安全观念,提高我国消防设施水平。
火灾作为危害人类生存的大敌,越来越受到人们的重视.随着我国现代化建设的发展,各种现代化楼宇对火灾报警和自动灭火系统提出了更高的要求。
大宾馆、酒店、商场、图书馆、博物馆、档案馆和办公楼等,自动灭火系统已成为必不可少的安保装置.一旦发生火灾，将对人的生命财产造成极大的危害，于是人们开始寻求一种早期发现火灾的方法，以便控制和扑灭火灾，减少损失，保障生命安全。
火灾报警系统就是为了满足这一需求而研制出来的,并越来越被人们所接受，其自身技术水平也随着人们需求的不断提高，在功能、结构、形式等方面不断地完善。
火灾报警控制器是一种能接收、显示和传递火灾报警等信号的报警装置，它是火灾报警系统的主要组成部分［2]。
火灾报警探测器是监视周围环境状况的“感觉器官”，而火灾报警控制器则是系统的“神经”、“大脑”，是整个系统的核心.火灾报警控制器担负着监视探测器及系统自身的工作状况、处理火灾探测器输出的报警信号、进行声光报警、指示报警的具体部位、时间及执行相应的辅助控制等任务。
研制火灾报警控制器的目的是为了立足于掌握核心开发技术，降低系统成本。
尽管通过最近几年的消防治理整顿，取得了不少成绩,但与其他国家相比，火灾死亡人数较多,我国的火灾形势不容乐观，加之我国经济在高速发展，生活水准大幅度提高，各种生产、办公以及居住场所火灾大增，塑料制品和双层玻璃的大量应用，使火场的外部求援困难重重［3]。
因此，设计简单实用的火灾报警控制系统有着防止和减少火灾危害、保护人身安全和财产安全的重要意义.
1。
1。
2火灾报警系统的类型
根据火灾报警系统中所使用的探测器种类的不同，火灾报警系统可以分为以下四种[5]：
（1）感温型火灾报警系统
由于火灾发生时燃烧物会产生大量的热量，使得周围温度迅速变化。
感温型火灾报警系统就是通过判断周围温度变化而产生响应的火灾报警系统，再把温度的变化转换为电信号以达到判断报警的目的。
根据探测温度参数的不同，一般可以将感温型火灾报警系统分为定温式、温差式等几种。
（2）感烟型火灾报警系统
烟雾是早期火灾的重要特征之一［5]。
在火灾发生的初期，由于温度比较低,许多物质都处于阴燃阶段，产生大量的烟雾.感烟型火灾报警系统就是对空气中可见或不可见的烟雾粒子进行探测，然后将烟雾浓度的变化转换为电信号来触发报警.感烟型火灾报警系统主要有激光感烟式、光电感烟式和离子感烟式等。
（3）感光型火灾报警系统
物质燃烧不但会产生烟雾和热量，同时也会产生可见或不可见的光辐射。
感光型火灾报警系统就是通过响应火灾中产生的光特性，即扩散火焰的光强度和闪烁频率，来触发报警系统的[5，6]。
根据感应的敏感波长，可以将感光型火灾报警系统分为对波长较短的光辐射敏感的紫外报警系统和对波长较长的光辐射敏感的红外报警系统.
（4）复合型火灾报警系统
如果报警系统同时对温度、烟雾和光辐射中的两种或两种以上参数做出响应，那么它就是复合型火灾报警系统[7,8]。
目前复合型火灾报警系统有感温感烟型、感烟感光型、感温感光型等多种形式。
1。
2国内外火灾报警系统的发展现状及趋势
我国火灾报警系统起步较发达国家晚几十年，从上世纪70年代我国才开始研制生产火灾报警系统产品.进入80年代后，国内主要厂家也多是模仿国外产品,或是引进国外技术进行生产，没有真正意义上的核心技术，并且市场也刚刚开始发育。
火灾报警产品真正发展是在90年代以后，随着政府逐渐开放国门，国外企业开始大量进入中国消防市场，带来先进技术的同时也促进了市场的成熟［9]。
这时期，我国生产火灾报警产品的企业也得到了快速发展，部分企业进行了合资生产、技术合作,取得了不菲的成绩，也造就了现今市场上许多有实力的商家,部分技术已接近或赶上了国际水平[7]。
经过几年的发展，随着国家对减灾、防灾得更加重视，和消防市场利润的吸引,火灾自动报警系统和消防广播、消防电源、及相关配套产品的生产厂家开始增多。
其中以秦皇岛海湾、北京利达、北京国泰怡安为代表的国产品牌逐步发展壮大起来。
国产火灾自动报警控制器已出现大屏幕彩色液晶汉字显示，汉字CRT显示系统.用户界面多采用VB或C语言等高级语言进行编制，使用方便、直观。
两总线、RS232、RS485、CAN等现场总线已经普及，可与计算机进行联网实现现场编程[10]。
同时根据场地不同,不同工作方式的系统也已使用,如无线火灾自动报警系统，空气取样火灾自动报警系统等，设备容量也有小系统如500点、中型系统如500至2000点、大型系统如3000点以上的多种型号.设备普遍具有体积小、容量大、传输速度快、误报率低、可联动设备多等特点［11]。
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国外一些较发达的国家,具有火灾预防、报警、扑救、善后处理等比较完善的消防体系.政府每年都要拨出大笔资金用于消防设备更新、人员培训以及消防设施维护。
德国、日本、美国等国家就采用计算机与用户终端的传感器或者用户终端信号采集器相连，对火灾自动报警设备实时监控以及故障远程传输[12］.例如：
美国、加拿大、英国、澳大利亚、日本等国家在建设和应用城市火灾自动报警监控系统方面均有可供借鉴的成功经验。
他们将自动火灾报警作为公共报警手段接入监控系统，并有效运行多年，使消防指挥中心能够快速准确判断火灾地点、火灾类型,并调度消防部队迅速到达现场，自动报警监控系统在此起到了很大的作用。
此外，这些国家在监控系统管理方面比较规范，专门成立一个监控服务机构，该机构的责任是保证火灾报警数据通信畅通,为用户服务，对用户负责，同时向消防部队传送可靠的火灾报警信息，而消防部门的主要责任是对此类服务机构进行资质审查及监督管理。
这种管理运作方式已经取得了良好的效果。
面对高新技术的发展机遇和国内市场国际化的竞争挑战，消防产品向高可靠、自动化、网络化的火灾探测报警技术发展。
传统火灾自动报警与现代自动报警系统的区别主要在于探测器本身的性能,其中现代自动报警系统使系统确定火灾的数据处理能力和自动化程度大为增加，减少了误报警的概率，增加了系统可靠性,这是现代火灾探测报警技术的发展方向［13］。
（1）智能化
火灾自动报警系统智能化是使探测系统能模仿人的思维，主动采集环境温度、湿度、灰尘、光波等数据模拟量并充分采用模糊逻辑和人工神经网络技术等进行计算处理，对各项环境数据进行对比判断，从而准确地预报和探测火灾，避免误报和漏报现象。
发生火灾时,能依据探测到的各种信息对火场的范围、火势的大小、烟的浓度以及火的蔓延方向等给出详细的描述，甚至可配合电子地图进行形象显示、对出动力量和扑救方法等给出合理化建议,以实现各方面快速准确反应联动，最大限度地降低人员伤亡和财产损失，而且火灾中探测到的各种数据可作为准确判定起火原因、调查火灾事故责任的科学依据。
此外,规模庞大的建筑使用全智能型火灾自动报警系统，即探测器和控制器均为智能型，分别承担不同的职能，可提高系统巡检速度、稳定性和可靠性.
（2）多样化
火灾探测技术的多样化。
我国目前应用的火灾探测器按其响应和工作原理基本可分为感烟、感温、火焰、可燃气体探测器以及两种或几种探测器的组合等，其中，感烟探测器一枝独秀，但光纤线性感温探测技术、火焰自动探测技术、气体探测技术、静电探测技术、燃烧声波探测技术、复合式探测技术代表了火灾探测技术发展和开发应用研究的方向.此外,利用纳米粒子化学活性强、化学反应选择性好的特性，将纳米材料制成气体探测器或光电感烟探测器,用来探测有毒气体、易燃易爆气体、蒸气及烟雾的浓度并进行预警，具有反映快、准确性高的特点，目前已列为我国消防科研工作者的重点研究开发课题。
以火灾自动报警系统为代表的消防安全系统与防盗安全系统联动，以实现对生命财产的安全保护，是国外火灾自动报警系统的最新发展趋势，目前最现实的技术是体型探测技术，它能很好地兼容防火与防盗两个方面，很有发展前景.
（3）小型化
火灾自动报警系统的小型化是指探测部分或者说网络中的“子系统”小型化。
如果火灾自动报警系统实现网络化，那么系统中的中心控制器等设备就会变得很小，甚至对较小的报警设备安装单位就可以不再独立设置，而依靠网络中的设备、服务资源进行判断、控制、报警，这样火灾自动报警系统安装、使用、管理就变得简单、省钱、方便.
（4）社区化
目前我国火灾自动报警系统只被安装在重要建筑上，而在美国、日本等发达国家,包括许多居民家庭都安装了火灾自动报警系统。
随着我国经济的不断发展、人们安全意识的增强、火灾自动报警系统的进一步完善以及智能化程度的提高，在社区家庭特别是高级住宅积极推广应用防盗、防火联动报警装置或独立式感烟探测器,对于预防居民家庭火灾是非常必要和行之有效的措施.
（5）高灵敏性
以早期火灾智能预警系统为代表。
该系统除采用先进的激光探测技术和独特的主动式空气采样技术以外，还采用了“人工神经网络"算法,具有很强的适应能力、学习能力、容错能力和并行处理能力，近乎于人类的神经思维。
此外，该系统的子机与主机可以进行双向智能信息交流，使整个系统的响应速度及运行能力空前提高，误报率几乎接近零，灵敏度比传统探测器高1000倍以上,能探测到物质高热分解出的微粒子，并在火灾发生前的30min到120min预警，确保了系统的高灵敏性和高可靠性。
（6）兼容性
将火灾自动报警系统与自动喷水灭火系统合二为一，增强预警和扑救功能的兼容性，降低消防工程投资，从而可以进一步扩大火灾自动报警和自动喷水灭火系统的应用范围。
另外，火灾报警系统，从发展过程来看，大体可分为三个阶段[14,15]：
第一阶段：
多线型火灾自动报警系统。
每个探测器除需提供两根电源线外，还需提供一根报警信号线,探测器电源由报警器提供，探测器的信号线均连接到报警显示盘上,报警时点亮相应的指示灯,如日本“日探”公司生产的CPF火灾报警系统，此类系统的功能一般以报警为主，辅以一些简单的联动功能（也为多线制），如驱动警铃等,其报警器对外围探测器无故障检测功能，只会对电源线的断线做出故障反应，安装此类系统比较繁琐，特别是校线工作量较大。
第二阶段：
总线型火灾自动报警系统。
这种自动报警系统已采用微处理器控制，其线制一般有四线制、三线制、二线制，探测器和模块均采用地址编码形式，通过总线与控制器实现信号传送,其探测器的报警形式为开关量，它的灵敏度在制造时，通过硬件决定，不可调整，此类系统可进行现场编程，并通过各种模块对各联动设备实行较复杂的控制,此类系统已具有系统自检以及对外围器件的故障检验等功能,但对故障类型不能区分，目前国内生产的火灾自动报警系统大多数为此类产品，由于此类产品具有报警和控制功能，它的施工、安装较为方便，且价格较低，已被大量使用.
第三阶段：
智能型火灾自动报警系统.这是当今世界的主要发展趋势。
由于采用了先进的计算机控制技术，智能化程度大大提高,探测器的报警形式采用数字量，并可通过软件对其灵敏度根据使用场合、时间进行设定和调整，如可设定白天、夜间、休息日不同灵敏度。
对探测器的使用环境参数变化较大的场所，灵敏度设定相对低一些,对环境较稳定或一些重要的场所,灵敏度设定相对高一些，这一功能可提高系统的稳定性及可靠性，减少误报.
1。
3本文主要研究内容
本系统采用ATMEL公司的AT89C51单片机［1，16]作为处理器设计了一种智能火灾报警器，主要包括:
信号采集及前置放大电路、模数转换电路、单片机控制电路、声光报警电路等部分组成可以实现声光报警、故障自诊断、报警限设置、延时报警等功能［4,17]。
是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的火灾报警器，具有一定的实用价值.首先选择合理传感器、控制芯片AT89C51、AD转换器、LED等主要器件。
设计电源模块为系统提供电源。
完成信号采集、信号处理、数据分析、声光报警模块。
学习使用ProtelDXP2004完成硬件电路。
完成系统软件算法流程设计。
第2章火灾报警系统整体方案设计
2。
1引言
火灾报警系统，一般由火灾检测传感器、显示器、报警器和控制器等组成.其中火灾检测传感器是检测火灾是否发生的专门仪器，可根据建筑物或实地场所的要求,安装不同类型的火灾检测传感器。
火灾检测传感器[5，11]主要分为感烟探测器、感温探测器、光辐射探测器和复合型探测器四大类，其中光电感烟探测器稳定性能较好，误报率低,寿命长等优点，在火灾报警系统中被广泛使用。
使用火灾报警产品的目的就是及早报告火灾的发生,从而迅速有效的控制火灾，把损失降到最低。
而目前使用的火灾报警产品存在以下主要问题［10，17］：
（1）报警系统的维护保养和持续性的技术支持是目前最严重的问题，比例分别为31%和27％[18]。
而造成上述问题的罪魁祸首就是由于缺乏规范、统一的通讯标准。
（2）报警系统误报、漏报现象也是目前火灾报警行业主要存在的问题,自从火灾探测器问世以来，长期困扰产业界的就是上述两种现象.环境中各种因素，如：
静电、灰尘颗粒、气流、杀虫剂、磁场、气温剧烈变化、水蒸气等都会与火灾发生时的状况接近,从而使报警设备发生误判而报警。
针对以上这些问题，能够对火情做出快速、精确探测和有效控制是目前急需解决的问题,所以本课题的目标是:
设计一套简单实用、抗干扰能力强、性价比高的火灾报警系统.
2.2总体方案设计
由以上的分析，本系统的硬件设计框图如图2-1所示，该系统工作中传感器的探头将探测的物理信号转换为电压信号,经信号放大电路处理后送入单片机，单片机对该信号进行判断,如果该值超出安全范转，单片机就会立即输出报警信号。
显示电路能够准确的显示出火灾险情的具体地点,报警电路对工作人员起到警示的作用，从而及时的警示工作人员做出相应的处理。
图2-1系统原理及组成框图
2。
3器件选型
2.3。
1控制芯片的选型
本设计的控制芯片使用的是ATMEL公司生产的AT89C51，AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM）和128字节的随机存取数据存储器（RAM）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机［5，15］。
AT89C51是一个低功耗高性能单片机，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，可灵活应用于各种控制领域.40个引脚,32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口。
AT89C51的引脚图如图2-2示，芯片可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程，其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本［1,16]。
单片机是烟雾检测报警器的核心部件，一方面它要接收来自传感器的烟雾浓度的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对两种信号分别进行处理，控制后续电路的相应工作；同时，查询是否有键按下的命令。
在单片机实现的功能中，将模数转换后的信号做数字滤波，再进行线性化处理，这一过程的软件实现,需要单片机有较快的运算速度，使仪表监测人员能够观测到实时的烟雾浓度，并进行相应处理.同时,在能够满足报警器设计的计算速度及接口数的要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型,在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积.如今市面上比较普遍的单片机有51系列与STC系列.STC系列虽然功耗低，精简指令集，抗干扰性好,可靠性高,但是存在溢出隐患问题，而且更适用于工业用途；AT89C51单片机应用普遍，工具多，易上手，片源广,价格低，且适合民用、商用.用途更广泛。
综合以上观点，本论文选定AT89C51作为本系统的核心.
图2—2AT89C51芯片的引脚图
AT89C51管脚作用［1，9]
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流.当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故.在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收.
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉
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