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《火灾报警自动系统电路设计论文》

安防系统工程方案设计

火灾报警自动系统电路设计

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学生姓名

指导教师

2011年12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。

本系统可安装在各防火单位，它负责不断地向所监视的现场发车巡检信号，监视现场的温度、浓度等，并不断反馈给报警控制器，控制器将接到的信号与内存的正常整定值比较、判断确定火灾。

当发生火灾时，可实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等，是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾传感器，具有一定的实用价值。

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.

Thesystemcanbeinstalledinallfireunits,whichisresponsibleforcontinuouslymonitoringthesitetostarttheinspectionsignal,monitorthesiteoftemperature,concentration,andcontinuousfeedbacktothealarmcontroller,thecontrollerwillreceivethesignalandthenormalmemorysettingvaluewasdeterminedbycomparingtodeterminethefire.Whenfireoccurs,canachievesoundandlightalarm,faultdiagnosis,concentrationdisplay,alarmlimitsettings,delayalarmandserialcommunicationwiththehostcomputerisasimplestructure,stableperformance,easytouse,inexpensive,intelligentsmokesensor,hassomepracticalvalue.

Keywords：

SCMfirealarmsensor

绪论

多少年来，火灾一直是人们所遭遇的最主要灾害之一，曾对人类的文明造成了重大破坏，许多著名的建筑大都毁于火灾。

例如：

我国的南宋在杭州建都后，先后发生火灾20次，其中5次使全城为之一空。

公元1201年3月（农历）的一场大火烧了数天，蔓延到城内外10余里，烧毁宫室、军营、仓库、民宅等58000余间，受灾达186300余人，成为我国灾害火灾之最。

现在,火灾仍然不断对人类社会造成巨大损失伤害,根据世界火灾统计中心的统计,近年来全球范围内,每年发生的火灾有600-700万起,死亡人数为65000-75000人.大多数国家的火灾直接损失都占国民经济总值的0.2%以上.实际上,发生火灾后,除了直接经济人亡财产损失外还有相当大的间接损失,所以要发展加强火灾防范,加强火灾方便的研究。

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。

在工业和民用建筑、宾馆、酒店、图书馆、科研和商业部门及大型工厂,火灾报警系统已成为笔要的装置。

火灾报警系统对现代建筑起着极其重要的安全保障作用。

火灾报警控制器是火灾报警系统的核心。

本文对火灾报警控制器和探测器做了深入的研究,并全面阐述了火灾报警控制器和探测器硬件和软件设计。

以下是本文完成的主要工作:

1.火灾报警系统的控制器采用AT89S52单片机的火灾自动报警系统,AT89S52是一个低功耗,高性能的CMOS8位单片机,片内含4kBytesISP（In-systemprogramma2ble）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,该器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。

在控制器中采用LCD显示器进行报警系统所需各种信息显示，2火灾报警控制器选用了以西门子PLC为核心部件进行设计.所设计的控制器具有较高的性价比,还具有操作人员管理、报告信息查询、探测器管理、预报警、火警处理、通讯等功能,它实现了对火灾信息的检测和传送;为提高系统的适应性与扩展性,进行了写码器设计。

3.控制器与探测器之间的通讯采用无线高频通讯方式进行,运用KB8825双频合成器进行了无线通讯电路设计,具有抗干扰能力强。

第一章火灾自动报警系统的简介

1.1火灾自动报警系统的结构及特点

本设计采用气体传感器、温度传感器、AT89S52单片机以及LED显示灯模块设计了一种智能火灾报警器，可以实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。

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。

本系统采用ATMEL公司的AT89S52单片机作为处理器，主要完成以下工作：

1.基于AT89S52的火灾报警检测设计方案。

2.温度传感器AD590、烟雾传感器TGS202、A/D转换芯片ADC0809的选择以及与单片机的接口电路设计。

3.LED数码管驱动芯片ICM7218与单片机的接口电路及其与数码管的硬件连接。

4.设计主要软件程序模块，完成软件设计。

1.2系统总体功能概述

火灾报警系统一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成。

火灾探测器通过对火灾发出的物理、化学现象——气（燃烧气体）、烟（烟雾粒子）、热（温度）、光（火焰）的探测，将探测到的火情信号转化成火警电信号传递给火灾报警控制器。

区域报警器将接收到火警信号后经分析处理发出声光报警信号，警示消防控制中心的值班人员，并在屏幕上显示出火灾的房间号。

集中报警是将接收到的信号以声光形式表现出来，其屏幕上也显示出着火的楼层和房间号，利用本机专用电话还可迅速发出指示和向消防队报警。

此外，也可以控制有关的灭火系统或将火灾信号传输给消防控制室。

第二章火灾自动报警系统的工作原理

2.1火灾报警控制器原理及选择

火灾报警控制器是火灾自动报警系统的重要组成部分。

在火灾自动报警系统中，火灾探测器是系统的感觉器官，随时监视着周围环境中的火灾情况。

而火灾报警控制器是系统的“躯体”和“大脑”，是系统的核心，它可以供给火灾探测器稳定的直流电源，监测连接的各类火灾探测器有无故障。

当火灾探测器探测到火灾情况后，接受火灾探测器发来的报警，迅速、正确地进行转换和数据处理，指示报警具体部位和时间，同时执行相应的辅助控制等诸多任务。

因此火灾报警控制器除了具有控制、记忆、识别和报警功能外，还具有自动检测、联动控制、打印输出、图象显示、图形显示、通信广播等功能。

火灾报警控制器的的基本工作原理如下图2，在图所示中，对输入单元而言，集中报警控制器与区域报警控制器有所不同。

区域报警报警控制器处理的探测信号可以是各种火灾探测器，手动报警按钮或其他探测单元的输出信号。

而集中报警控制器处理的是区域报警控制器输出的信号。

由于两者的传输特性不同，相应输出单元的接口电路也不同，通常，采用总线传输方式的接口电路工作原理是、通过监控单元将待巡检（待巡检）的地址（部位）信号发送到总线上，经过一定时序。

监控单元从总线上读回信息，执行响应报警处理功能，一般时序要求严格，每个时序都有其固定含义。

火灾报警控制器工作时的基本顺序要求为：

发地址——等待---读信息---等待。

控制器周而复始地执行上述时序，完成对整个信号源的检测。

对于输出单元而言，集中火灾报警控制器与区域火灾报警器大同小异，只是集中火灾报警控制器的功能比较复杂。

区域报警系统

2.2火灾探测器的选择及联动系统

根据火灾的特点选择探测器。

火灾探测器是消防自动报警的眼睛。

它将火灾信号快速传到报警控制器,发出警报信号。

在设计时除按照《火灾自动报警系统设计规范》的规定外,还须着重考虑以下方面:

（1）设计中尽可能选用光电感烟探测器,不用或少用污染环境的离子感烟探测器（欧洲国家已禁用）;

（2）探测器与控制器选用同一个生产厂家的产品;

（3）选用经国家检测部门鉴定的产品,尤其要重视用户的质量反馈意见;

（4）针对不同保护对象火灾危险性分析,选用不同类型的火灾探测器。

如图所示,火灾探测器通过对火灾发出的物理、化学现象———气（燃烧气体）、烟（烟雾粒子）、热（温升）、光（火焰）的探测,将探测到的火情信号转化为火警电信号,现场人员发现火情后应立即按动手动报警按钮或消火栓按钮,发出火警电信号。

火灾报警控制器接到火警电信号后,经处理,一方面发出预警、火警声光报警信号,同时显示并记录火警地址和时间,告诉消防控制室（中心）的值班人员;另一方面将火警电信号传送至各楼层（防火分区）所设置的火灾显示盘显示火警发生的地址,通知楼层（防火分区）值班人员立即察看火情并采取相应的扑灭措施。

在消防控制室（中心）还可能通过火灾报警控制器的通讯接口,将火警信号在CRT微机彩显系统显示屏上更直观地显示出来.。

（火灾探测器接线实物图）

联动控制器则从火灾报警控制器读取火警数据,经预先编程设置好的控制逻辑（“或”、“与”、“片”、“总报”等控制逻辑）处理后,向相应的控制点发出联动控制信号,并发出提示声光信号,经过中继执行件去控制相应的外控消防设备,如:

排烟阀、排烟风机等防烟排烟设备,防火阀、防火卷帘门等防火设备,广播、警笛、声光报警器等报警设备,关闭空调、电梯迫降、打开人员疏散指示灯等,启动消防泵、喷淋泵等消防灭火设备,等等。

外控消防设备的启停状态应反馈给联动控制器主机并以光信号形式显示出来,使消防控制室（中心）值班人员了解外控设备的实际运行情况,消防内部电话、消防内部广播起到通讯联络、对人员疏散和防火灭火的调度指挥作用。

第三章硬件部分设计

3.1整体电路的框图

系统原理及组成框图

3.2核心芯片选择

3.2.1本系统选择8052单片机为核心。

图3-1DIP-40封装AT89S52引脚图

3.2.2集成温度传感器AD590

3.2.3气体传感器TGS-202

3.2.4数码管驱动芯片ICM7218

ICM7218是INTERSIL公司生产的一种性能价格比较高的通用8位LED数码管驱动电路,28脚双列封装,是一种多功能LED数码管驱动芯片,可与多种单片机接口使用。

ICM7218的输出可直接驱动LED显示器,不需外接驱动电路,工作电压为+5V,其构成的显示电路结构简单,使用方便。

同样由单片机向ICM7218写控制字及数据，编程部分像给外部RAM写数据一样简单。

当单片机写入模式控制字后，ICM7218以约定的方式接收显示数据并将数据写入静态显示RAM中。

数据接收结束，ICM7218在扫描控制电路的控制下，按设定的译码模式，以动态扫描显示方式向段显示驱动器和位控驱动器发出控制信号，直到下一个控制字写入前，不停地进行动态显示工作。

其引脚图和内部框图如图所示。

3.3单片机外围接口电路

AT89S52单片机外围接口电路如图所示，主要包括：

1.晶振电路：

内部时钟电路的晶振频率一般选择在4MHZ~12MHZ之间（该设计选用6MHZ），外接两个谐振电容。

该电容的典型值为30pF,该设计选用33pF。

2.复位电路：

单片机复位采用按键高电平复位，而单片机在平时则复位端为低电平0.

3.直流电源

图：

单片机外围接口电路

3.4信号处理电路

对于传感器输出的模拟信号，一般要用运算放大器对其进行调理或放大，以满足A/D转换器对输入模拟量幅值及极性的要求。

在本报警器电路中，同样要对两类传感器的输出信号进行放大调理。

电路图如上图3-6所示，运算放大器接成电压放大电路。

从传感器采集过来的微弱电压信号，经过电压放大器的放大，得到较强的模拟电压信号。

采样时，把相应的模拟电压信号从Vi端送进LM324A进行放大处理后，从Vo端输出送入A/D转换电路。

3.5A/D转换模块

经气敏传感器所检测的电压信号为模拟信号，无法直接被单片机所识别，所以在经过放大电路后对信号进行A/D装换，将模拟信号转化为数字信号输入单片机。

A/D转换电路采用了常用的8位8通道数模转换常用芯片ADC0809，烟雾、温度传感器的输出端分别接到ADC0809的IN0和IN1。

ADC0809的通道选择地址由AT89S52的P0.0～P0.2经地址锁存器74LS373输出提供。

当P2.7=0时，与写信号WR共同选通ADC0809。

其中ALE信号与ST信号连在一起，在WR信号的前沿写入地址信号，在其后沿启动转换。

图中ADC0809转换结束状态信号EOC接到AT89S52的INT1引脚，当A/D转换完成后，EOC变为高电平，表示转换结束，产生中断。

在中断服务程序中，将转换好的数据送到指定的存储单元。

由于ADC0809片内无时钟，故利用8051提供的地址锁存使能信号ALE经D触发器二分频后获得时钟。

因为ALE信号的频率是单片机时钟频率的1/6，如果时钟频率为6MHZ，则ALE信号的频率为1MHZ，经二分频后为500KHZ，与ADC0809的典型值吻合。

电路图如图。

图3-5A/D转换电路

3.6声音报警电路

由AT89S52的21脚实现声音报警控制。

当可燃性气体浓度或温度超过限定值时，将P2.0置为低电平，三极管导通，扬声器发出鸣叫报警。

其电路原理图如图3-8所示。

图3-6声音报警电路图

3.7数码管显示电路

数据采集进来并被成功地由模拟量转化为数字量后，就被传送到系统的显示模块，让人们更直接地观察到相关数据。

在本系统中，对LED进行的是动态扫描，除了给显示器提供段的输入之外，还要对显示器进行位控制。

显示器的第一位显示所选择的通道号，而后三位则显示该通道传送进来的相应的数字量。

本系统显示用的4位七段数码管由数码管专用驱动芯片ICM7218A驱动，27、3、1、25、2、24、26脚分别接数码管的a、b、c、d、e、f、g，15、16、23、20脚为位选，分别控制4位数码管的亮灭，ID0~7为数据线，接单片机P0口，WRITE、MODE是写控制位和模式控制位，分别接单片机P3.6、P2.6。

电路图如图

3.8状态指示灯及控制键电路

图：

状态指示灯电路

图：

控制按键连接示意图

状态指示灯及控制键电路如图3-10、3-11所示，单片机AT89S52的P2.2、P2.3、P2.4控制输出的状态指示灯。

绿灯亮表示正常状态，环境中没有火灾危险。

黄灯亮表示传感器加热丝发生断线或者接触不良。

红灯亮表示环境中烟雾浓度、温度超过报警限值，提醒用户尽快采取相应措施。

控制键电路采用独立式按键设计。

4个按键分别接到片。

P1.0、P1.1、P1.2和RST，对于这种键各程序可以采用中断查询的方法，功能就是：

检测是否有键闭合，如有键闭合，则去除键抖动，判断键号并转入相应的键处理。

4个键定义如下：

P2.1：

S1功能转换键，按此键则开始键盘控制

P2.5：

S2加，按此键则温度设定值加一度或烟雾浓度增加0.01％。

P2.6：

S3减，按此键则温度设定减少一度或烟雾浓度减少0.01％。

RS：

S4复位键，使系统复位。

3.9报警器故障自诊断

判断传感器电源连接情况。

在传感器的地端串联一个电阻R，当传感器正常连接时，电阻和传感器分压，此时电阻两端有微弱的电压，单片机可以通过P2.1口检测到：

如果如果传感器电源连接不正常，则会产生断路，检测到电阻两端电压为0。

第四章系统软件设计

4.1主程序流程图

主程序流程图如图4-1所示：

图4-1主程序流程图

首先要给传感器预热三分钟，因为传感器需要预热一段时间才能正常采集烟雾和温度信息。

预热同时，对传感器加热丝故障检测，采用软件方式检测传感器加热丝或电缆线是否断线或者接触不良。

程序初始化结束后，系统进入监控状态。

AT89S52单片机对传感器检测到的烟雾浓度和温度信号进行A/D转换、平均值法滤波、线性化处理后，将检测值与报警限设定值相比较，判断是否报警。

同时送入显示器显示通道及相应的数字量。

主程序还包括状态指示灯及按键功能，中断子程序等，使报警器功能更加完善，给用户带来便利。

4.2主程序初始化流程图

主程序初始化流程图如图3-2所示。

这部分实现的功能包括各种I/O输入输出状态的设定、寄存器初始化、中断使能等。

首先设定定时器工作方式，然后开系统中断，以便响应中断定时，及时对气体浓度和温度进行采样。

然后关闭蜂鸣器，开启绿灯，设置报警限初值。

图4-2主程序初始化流程图

4.3滤波子程序

在对气体浓度采样时，可能会遇到尖脉冲干扰的现象。

干扰通常只影响个别采样点的数据，此数据与其他采样点的数据相差比较大。

如果采用一般的平均值法，则干扰将“平均”到计算结果上去，故平均值法不易消除由于脉冲干扰而引起的烟雾浓度采样值的偏差。

为此，可采取去极值平均滤波法，先对N个采样数据进行比较，去掉其中的最大值和最小值，然后计算余下的N–2个数据的算术平均值。

这种方法既可滤去脉冲干扰又可滤去小的随机干扰。

保证报警器检测烟雾浓度的准确性，减小误报、错报的可能。

图4-3滤波子程序流程图

4.4线性化子程序

本论文报警器使用的TGS-202型传感器的电阻是随着可燃气体浓度值的升高而降低的，因此输入单片机的电压也是随之降低的。

电压值与气体浓度之间是非线性的关系，为了实时显示烟雾浓度需要对其进行线性化处理。

在误差许可范围内，根据标定曲线形状，以及单片机处理能力，把曲线分成若干小段，对每小段分别线性化

根据分段线性插值法求输入单片机的某一电压值对应的烟雾浓度的公式如下：

式中，N为所分区间个数，f（x）为实际烟雾检测浓度，x为实际气体检测浓度对应的电压值，xi是区间的下限浓度对应电压值，xi+1是区间的上限浓度对应电压值，f（xi）为区间下限烟雾浓度值，f（xi+1）为区间上限烟雾浓度值。

分段插值法线性化程序流程图如图4-5所示：

4.5报警子程序

当烟雾浓度或温度值超过报警限设定值时，蜂鸣器发声，对应通道的红灯闪亮，以提示操作人员采取安全对策或自动控制相关安全装置，从而保障生产安全，避免火灾和爆炸事故的发生。

为防止误报，在程序设计上，对烟雾浓度和温度进行快速重复检测和延时报警，以区别出时管道中烟雾的泄露，还是由于暂时打开阀门产生的可燃烟雾的微量散失，防止误报。

报警子程序流程图如图4-6所示。

4.6键盘处理子程序

按键处理子程序流程图如图4-7所示。

图4-6键盘处理子程序流程图

结论

火灾报警器可保障生产与生活的安全，避免火灾和爆炸事故以及煤气中毒的发生，它是防火、防爆和安全生产所必备的仪器，具有广阔的市场空间与发展前景。

本论文是在对烟雾、温度传感器和报警技术进行深入研究的基础上，全面比较国内外同类产品的技术特点，合理地确定系统的设计方案，并对仪器的整体设计和各个组成部分进行了详细的分析和设计。

本次课程设计经过努力，整个系统实现了预期的目标。

本系统通过设计一个以AT89S52单片机为核心的火灾报警器可以实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警等功能。

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。

本报警器电路结构简单、可维护性好。

由于实现了对普通环境中烟雾浓度和温度的实时监控，因此具有非常普遍的意义，能广泛应用于居民家庭、企事业单位等多方面的安全防范。

但是也存在不少的不足。

由于电源的波动，传感器的电气特性等问题，使得A/D转换结果有时波动很大，这样就可能出现误报警。

由于时间的关系，系统中本应具有的串行通信的功能没有实现，而只是实现了烟雾浓度、温度显示及按键控制。

由于上述缺点的存在,此系统不是很完善，还有待进一步改进。

通过这次设计，更加深入的理解和掌握了这方面的知识，对本专业的认识也更加深入，使自己对本专业更加的热爱，更加明确了自己学习的目标和方向。

在设计过程中，自己也学到了许多新的知识，有很多感悟和体验心得。

而且，对工程设计的流程和步骤有了清晰的认识，为自己日后的学习和研究打下了坚实的基础。

参考文献

[1]潘永雄编著《新编单片机原理与应用实验》

[2]潘永雄编著《新编单片机原理与应用》

[3]王庆，《Protel99SE&DXP电路设计教程》

[4]华成英，《模拟电子技术基础》，第4版

[5]李中望，《一种智能火灾报警系统的设计方案》

[6]王忠民，《基于单片机的语音数字联网火灾报警器设计》