自动灭火系统毕业设计论文完整版Word下载.docx
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在上世纪70年代后期，开始出现一门新兴的多学科交叉应用基础科学，火灾科学，其中心内容就是用现代高科技手段研究火灾发生、发展和防治的机理和规律，为火灾防治提供新的思想、理论和方法，使得人类对火灾的研究进入了科学化、系统化的轨道，并促进了防火、灭火技术的进步。
本文基于上述考虑，通过研发全自动灭火控制系统，满足了用户的不同使用环境的需要。
通过温度传感器和烟雾传感器检测出信号，也可通过控制电路使电话自动拨号（119），并报告现场地址。
这对有效、快速扑救具有积极意义。
本系统适用于各种消防环境，尤其适合于不能用水做灭火介质的地方，如图书馆、档案馆、计算机房等处。
因单片机集成度高，故该装置具有结构简单，可靠性高，成本低等优点。
1.2自动灭火系统设计的意义
仓库自动报警灭火系统。
美国现在已制定了相关规范对其推广，英国、澳大利亚、也在使用，实践证明仓库内安装该系统能够扑救仓库初期火灾，保护仓库财产安全，降低火灾损失以及为抢救货物提供足够的时间并能及时报警。
随着我国自动报警灭火系统的不断发展，自动报警灭火系统大大的降低了火灾的危害性，把火灾给人们带来的经济损失将到了最低，为确保人的生命及财产安全提供了保障。
在本次自动报警灭火系统采用了烟雾传感器之间的互锁模式进行控制，避免了因烟雾在仓库中的扩散而引起的其他非着火区域的错误报警与灭火，大大减少了系统的误报率，有很强的实用意义。
且在本次设计中还采用了先报警后灭火的报警灭火模式，给管理人员提供了有效的火灾确认时间，大大减少了因误报带来的损失，具有很强的实用价值。
1.3自动灭火系统的总体设计方案
图1-1设计原理框图
图1-1基本上完整的说明了整个系统硬件部分的设计思路，首先是外界的温度信号和烟雾浓度信号被我们采集，然后通过转化，这里需要做一下说明，由于温度传感器选用的是集成的DS18B20，自带AD转换，而烟雾传感器输出的信号作为辅助判断，我们为了节约成本，只需要知道其是否在危险范围内，因此通过简单的电压比较器即可实现（具体见后文），输入信号进入单片机后，即可由MCU进行判断，然后通过一系列I/O端口发出电平信号，来驱动外界的灭火设备。
我们可以通过连接的键盘，达到故障复位，阀值设定等。
我们可参考附录的总体电路图，键盘部分、声光报警部分、驱动电路部分均是通过软件编程来控制其运行的。
2自动灭火系统中火灾探测器的选择
2.1概述
对于一个自动灭火系统更而言，火灾探测器像是整个系统的一扇窗户，是对外界信息就行读取的渠道，它的重要性也就不言而喻了。
如何正确有效的选取火灾探测器，对于整个自动灭火系统有着实质性的影响。
下面我们现对火灾发生的相关特征进行简单的了解，以确定我们需要从哪些方面来进行火灾的检测。
火灾初期有阴燃阶段，产生大量的烟和少量的热，很少或没有火焰辐射，火灾中期发展迅速，产生大量热、烟和火焰辐射。
我们针对现场的这些信息收集，诸如温度、烟雾浓度（产生的气体）、火焰等，来判断火灾是否发生，这是火灾探测基本思路。
因此，我们可以很清楚的知道了探测器需要完成的任务，即对温度、烟雾浓度、火焰等相关信息的获取。
鉴于本次自动灭火系统主要适用于计算机房、通讯机房、配电房、油浸变压器、自备发电机房、图书馆、档案室、博物馆及票据、文物资料库等场所，我们可以通过对温度和烟雾浓度的检测来判断火灾是否发生。
由于场所的不定性，在不同高度的建筑物设置火灾探测器时可参照表2-1的规定。
表2-1点型感烟、感温火灾探测器的实用高度
房间高度（m）
感烟探测器
感温探测器
一级
二级
三级
12<
h
20
不适合
8<
12
适合
6<
8
4<
6
4
通过上表的了解，若是对于一般高度的房间，感烟和感温基本上能满足要求；
同时我们需要考虑另一个问题，即探测器所能覆盖的范围，通过参照一些规范和本系统的要求，对火灾探测器的设置如下：
（1）一个探测区域内至少应布置一只火灾探测器。
（2）在宽度小于3m以内的过道顶棚上设置探测器时宜居中布置。
感温探测器的安装间距L不应超过10m，感烟探测器的安装间距L不应超过15m，探测器至端墙的距离不应大于探测器间距的1/2。
（3）感烟探测器、感温探测器的保护面积和保护半径应该通过现场的测试检验可知。
（4）探测器至墙壁、梁的水平距离不应小于0.5m，并且探测器的周围0.5m内不应有遮挡物。
（5）探测器宜水平安装，如必须倾斜安装时，倾斜角不应大于45。
当屋顶坡度θ大于45时，应加木台或类似方法安装探测器。
火灾探测器数量的计算：
一个探测区域内所需设置的探测器数量，应由下式计算：
（2.1）
式中：
N—一个探测区域所需设置的探测器数量（只），N
1（取整数）；
S—一个探测区域的面积（m2）;
A—一个探测器的保护面积；
K—修正系数，重点保护建筑K取0.7～0.9，普通保护建筑K取1.0。
可以根据所处房间的大小和保护级别来合理安排探测器的数目和位置。
2.2感温探测器选择
测量温度的关键是温度传感器，本次设计中，我考虑了两种设计方案。
（1）方案一
采用热电偶温差电路测温，温度检测部分使用低温热偶，热电偶由两个焊接在一起不同金属导线组成，热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。
通过将参考节点保持在已知温度并测量该电压，便可推断出检测节点的温度。
数据采集部分使用带有A/D通道的单片机，将随温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，将被测温度显示出来。
热电偶电路的优点是测温范围广，且体积下。
但是存在输出电压小、容易受到来自导线环路的噪声影响以及漂移较高的缺点，并且需要设计A/D转换电路，因此可靠性较差、测量温度准确率低。
（2）方案二
采用数字温度传感器，将温度直接转化成数字信号经单片机输出。
数字温度传感器的内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路,其特点是能直接输出数字化的温度数据及相关的温度控制量，自动适配各种微控制器（MCU）。
采用数字温度传感器以实现温度数字化，既能以数字形式直接输出被测温度值，具有测量误差小，分辨力高，抗干扰能力强，能够远程传输数据，带串行总线接口等优点。
本此感温探测器选用的是DS18B20芯片。
DS18B20是美国Dallas公司最新推出的一种单总线系统的数字温度传感器。
与传统的热敏电阻温度传感器不同，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式，可以分别在93.75ms和750ms内将温度值转化9位和12位的数字量。
因而使用DS18B20可使系统结构更简单，可靠性更高。
芯片的耗电量很小，从总线上“偷”一点电存储在片内的电容中就可正常工作，一般不用另加电源。
最可贵的是这些芯片在检测点已把被测信号数字化了，因此在单总线上传送的是数字信号，这使得系统的抗干扰性好、可靠性高、传输距离远。
2.3DS18B20
2.3.1DS18B20特点：
（1）单线接口，只有一根信号线与CPU连接单总线器件，具有线路简单，体积小的特点；
（2）不需要备份电源，可通过信号线供电，电源电压范围从3.3～5V；
（3）传送串行数据，不需要外部元件；
（4）温度测量范围从-55℃～+125℃；
（5）通过编程可实现9～12位的数字值读数方式（出厂时被设置为12位）；
（6）零功耗等待；
（7）现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，如环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
2.3.2DS18B20的内部结构
DS18B20内部结构主要由四部分组成：
64位激光ROM，温度敏感元件，非易失性温度报警触发器TH和TL，高速暂存器。
64位激光ROM是出厂前被光刻好的，它其中保存着该DS18B20的产品信息和产品系列编码，可以看作是该DS18B20的地址序列号。
单总线上所有DS18B20器件可以通过检索器件的ROM中的内容进行识别。
DS18B20的管脚排列如图2-1所示。
图2-1DS18B20管脚排列
引脚功能如下：
VDD：
可选电源脚，电源电压范围3~5.5V。
工作于寄生电源时，此引脚应接地；
DQ：
数据输入/输出脚，漏极开路，常态下高电平。
2.3.3DS18B20测温原理
DS18B20内含两个温度系数不同的温敏振荡器，其中温敏振荡器1相当于测温元件，温敏振荡器2相当于标尺，通过不断比较两个温敏振荡器的振荡周期，得到两个温敏振荡器在测量温度下的振荡频率比值，根据频率比值和温度的对应曲线，得到相应的温度值。
其原理图如图2-2所示：
具体测温过程如下：
首先由预置器2将温度寄存器预置为对应于温度下限（-55℃）的值。
然后，由预置器1对计数器1也预置一个对应于温度下限（-55℃）的计数值，计数器1接收温度振荡器1的输出信号并进行减法运算。
计数器2接收温敏振荡器2的输出信号得到实际温度值并送给温度寄存器作为比较标尺。
如果计数器1首先递减到0，那么将向温度寄存器输出一个信号，温度寄存器的值将增加一位，对应温度值增加一个分辨率的值（如分辨率为0.5℃时，对应温度值增加0.5℃），说明实测温度高于-55℃。
随后，斜率累加器根据两个温敏振荡器的温度特性曲线计算出下一个温度位置处计数器1的预置计数值，对计数器1再次进行预置。
计数器1和计数器2再次开始计数。
如果计数器2先于计数器1到达0，完成一次测温。
温度寄存器中的值为测量所得的当前温度值。
通过这个过程不仅完成了测温，而且将完成了温度值的数字化，省去了A/D转换器。
图2-2DS18B20测温原理
DSl8B20中的数字温度传感器的分辨率可配置为9、10、11和12位，出厂默认设置为12位分辨率，对应的温度值分辨率分别为0.5、0.25、0.125和0.0625。
温度信息的低位、高位字节内容中，还包括了符号位S（是正温度还是负温度）和二进制小数部分，具体形式为：
低位字节:
MSB
23
22
21
2-1
2-2
LSB
2-3
2-4
高位字节:
S
26
25
24
这是12位分辨率的情况,如果配置为低的分辨率,则其中无意义位为0。
在DSl8B20完成温度变换之后,温度值与储存在TH和TL内的告警触发值进行比较。
由于是8位寄存器,所以9~12位在比较时忽略。
TH或TL的最高位直接对应于16位温度寄存器的符号位。
如果温度测量的结果高于TH或低于TL,那么器件内告警标志将置位,每次温度测量都会更新此标志。
只要告警标志置位,DSl8B20就将响应告警搜索命令,这也就允许单线上多个DSl8B20同时进行温度测量,即使某处温度越限,也可以识别出正在告警的器件。
2.3.4与单片机的接口电路
本次设计中采用的是外部供电方式，其与单片机接线方式如图2-3所示：
图2-3DS18B20的接线方式
2.4烟雾浓度探测器
烟雾传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量（即浓度）转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路或者LM339比较器将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。
传感器作为烟雾检测报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。
由此可见，传感器的选型是非常重要的。
2.4.1烟雾传感器介绍
（1）烟雾传感器的分类
（a）利用物理化学性质的烟雾传感器：
如半导体烟雾传感器、接触燃烧烟雾传感器等。
（b）利用物理性质的烟雾传感器：
如热导烟雾传感器、光干涉烟雾传感器、红外传感器等。
（c）利用电化学性质的烟雾传感器：
如电流型烟雾传感器、电势型气体传感器等。
（2）烟雾传感器应满足的基本条件一个烟雾传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；
可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。
但是，任何一个完整的烟雾传感器都必须具备以下条件：
（a）能选择性地检测某种单一烟雾，而对共存的其它烟雾不响应或低响应；
（b）对被测烟雾具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的烟雾浓度；
（c）对检测信号响应速度快，重复性好；
（d）长期工作稳定性好；
（e）使用寿命长；
（f）制造成本低，使用与维护方便。
（3）常见烟雾传感器可检测烟雾种类
由于烟雾的种类繁多，一种类型的烟雾传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的烟雾。
例如氧化物半导体烟雾传感器主要检测各种还原性烟雾，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。
固体电解质烟雾传感器主要用于检测无机烟雾，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。
2.4.2离子型烟雾传感器
综合考虑本次选用的是离子型传感器，型号为HIS-07或者NIS-07，以下为NIS-07的技术参数：
DC:
9V；
输出电压5.6+0.4V；
电流损耗：
27+3pA；
灵敏度0.6+0.1V；
湿度：
90%以下。
下面介绍下离子型传感器的工作原理：
离子烟雾传感器单电离室的工作原理，如图4-2所示。
图2-4电离室工作原理图
图2-4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
。
实际使用的离子烟雾传感器电路如图2-5所示。
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与电源相接，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2-5离子烟雾传感器电路
3火灾探测器输出信号处理和数据的传输
我们都知道火灾探测器的输出信号可以是模拟信号，也可以是数字信号，而单片机所能识别只有TTL电平的数字信号，高于2.2V为逻辑1，低于0.8V为逻辑0，这就需要我们对传感器的输出信号进行转换。
同时，由于现场的各种干扰因素会导致信号的失真，频率的混叠，这也就要求我们对输出的模拟信号进行处理，以最大程度地原始地复现外界信息的变化。
从前面的对于DS18B20的介绍，它是一个集成的可编程的温度传感器，体积小小，数字化，网络化，精度高、接线简单，输出的直接为数字信号，传输串行的数据，不需外部设备，下面简单的说明下DS18B20与单片机信号处理的顺序：
初始化单总线系统；
执行某种ROM操作指令；
执行存储器操作指令；
处理数据。
如果测温现场需要多个温度传感器，PC与DS18B20的连接可使用DALLAS提供的单总线到PC串口或并口的适配器，常用的有DS9097串行口适配器和DS1410并行口适配器，这样只需要一条双绞线（一条为信号线，一条为地线）从控制器引入测温现场，然后将多个DS18B20挂在其上就行了。
由于本次信号的核心还是温度，对于烟雾浓度是用来辅助判断，为了节约成本，将不采用AD转换，用一个简单的电压比较器LM339来与预设定的电压值比较输出一个电压信号直接传输到单片机，即无需对烟雾浓度的具体值进行精确的了解，只是判断是否在危险范围内，这样可以省去很多信号处理电路，具体离子型烟雾传感器的输出信号的处理电路如下：
图3-1离子烟雾传感器信号处理电路
可以根据测试现场的环境来设定参考输入电压或者通过调动滑动变阻器即可实现简单的浓度预设值，需要进行现场的调试。
输出直接接到单片机的端口P1.0，低电平为安全，高电平为处于危险情况。
下面对上述电路进行简单的分析：
如图3-1选取LM339为电压比较器，比较器电路本身也有技术指标要求，如精度、响应速度、传播延迟时间、灵敏度等，大部分参数与运放的参数相同在要求不高时可采用通用运放来作比较器电路。
电压比较器是对两个模拟电压比较其大小（也有两个数字电压比较的，这里不介绍），并判断出其中哪一个电压高。
当“＋”输入端电压高于“－”输入端时，电压比较器输出为高电平；
当“+”端电压低于“－”输入端时，电压比较器输出端为低电平。
由于比较器与运放的内部结构基本相同，其大部分参数（电特性参数）与运放的参数项基本一样（如输入失调电压、输入失调电流、输入偏置电流等）。
所以计算时直接把它当做运放，离子烟雾传感器的电压输出在5.6+0.4v的范围左右波动，设为U，输出为U0。
参考电压可以取5V，设为Vcc，则输出
4自动灭火系统MCU控制器
4.1概述
控制器是整个灭火系统的灵魂，所以我们选择是需要慎之又慎。
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。
单对AT89C51来说，在实际电路中可以直接互换8051和8751。
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。
4.2AT89C51的介绍
4.2.1概述
AT89C51提供以下标准功能：
4K字节Flash闪存存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容。
但振荡器停止工作并禁止其它所有工作直到下一个硬件复位。
4.2.2主要性能参数
（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容
（2）4K字节可重擦写Flash闪速存储器
（3）1000次擦写中期
（4）全静态操作：
0Hz——24MHz
（5）三级加密程序存储器
（6）128*8字节内部RAM
（7）32个可编程I/O口线
（8）2个16位定时/计数
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