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第1章引言
1.1研究背景
火灾是指在时间和空间上失去控制,对财产和人身造成一定损害的燃烧现象称为火灾。
从燃烧的角度看,火灾的实质是燃烧,是一种自然现象,但绝大多数火灾同人的因素有关,是社会现象。
火灾的发生过程是复杂的,常常表现出普遍性、随机性、必然性和相似性。
火灾发生的普遍性,是说火灾不论在什么单位和部位,从草原到森林,从居民住宅到大大小小的企业、事业单位,到处都可能发生,这表明了火灾发生的普遍性。
经验告诫人们,任何单位、任何部位,也包括组成社会的细胞——家庭,都要无一例外地预防火灾。
火灾的发生的随机性,是说人们无法事前准确预测何地、何时、何物将发生火灾,以及火灾现场规模大小、火势呈现方式。
这种特性告诫人们要时时刻刻预防火灾,不可麻痹懈怠[1]。
实践证明,随着社会和经济的发展,消防工作的重要性就越来越突出。
由此,火灾报警器在消防工作的作用尤为突出了。
19世纪40年代美国诞生的火灾报警装置标志着火灾自动报警系统首次进入人们的视野[2]。
1890年在英国,感温式火灾探测器研制成功并应用于火灾探测系统,标志着火灾自动报警系统的发展走上正轨[3]。
在我国,采用的无线通信方式的火灾自动报警系统日益受到重视。
由于其具有安装简便、对建筑物无损坏作业、灵活性好,易于扩展等优点,适用于许多场合,如名胜古迹、体育馆、博物馆、展览中心、处于施工阶段的建筑物、医院等。
火灾自动报警系统的智能性主要体现在火灾判决和统筹管理方面,一般分为分散式、集中式和分布式,分散式系统由非智能型控制器若干智能型探测节点组成,由探测节点完成火灾状态的判断;
集中式系统由智能型控制器和若干非智能探测节点构成,探测节点仅将火灾参量传送给控制器,由控制器智能地判断火灾状态;
分布式系统的控制器和探测节点均为智能型,也是今后火灾自动报警系统的发展方向[4]。
1.2设计的目的和意义
在各种灾害中,火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。
据联合国“世界火灾统计中心(WFSC)2000统计资料”,全球每年大约发生火灾600万至700万次,全球每年死于火灾的人数约为65000至75000人。
其中,欧美地区发生的火灾较多,死亡人数却相对较少,这与欧美发达国家的生活水平以及消防技术和设施有关;
相比较而言,亚洲地区发生火灾次数较少,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。
据统计,我国70年代火灾年平均损失不到2.5亿元,80年代火灾年平均损失接近3.2亿元。
进入90年代,特别是1993年以来,火灾造成的直接财产损失上升到年均十几亿元,年均死亡2000多人。
随着经济和城市建设的快速发展,城市高层、地下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。
一旦发生火灾,将对人的生命和财产造成极大的危害[5]。
火灾自动报警系统能迅速监测火情,可发现人们不易发觉的火灾早期特征,可将火灾带来的生命财产损失降到最低限度。
火灾发生的早期,会使得燃烧物质分解,析出大量的有毒气体CO,人们可能在毫无察觉火情的情况下就发生了CO中毒,从而无力逃生,火灾自动报警系统可监测到CO浓度的变化,为人们提供CO浓度超标报警信息,通知人们及时疏散[6]。
为此,本系统由火灾检测模块、A/D转换模块、信号处理模块和声光报警模块组成。
火灾检测模块由温度检测和烟雾检测构成,其温度传感器选用AD590,气体传感器选用TGS202。
A/D转换模块选用常用ADC0809。
声光报警模块分为声音报警和光报警。
火灾探测器通过对火灾发出的物理、化学现象——燃烧气体、烟雾粒子、温度的探测,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。
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,并显示出火灾的位置。
这是一种结构简单、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾传感器,具有一定实用价值。
第2章系统设计方案
2.1火灾的产生机理
众所周知,物质燃烧的基本条件是:
可燃物、助燃物(氧气)、和足够的温度。
其中可燃物为气体时,根据它和空气混合方式的不同可以分成预混燃烧和扩散燃烧两种。
当可燃物是液体和固体时,因为它们难与空气均匀混合,所以它们燃烧的基本过程是当外部提供一定的能量时,液体或固体先蒸发成蒸汽或分解出可燃气体(如CO、H2等),同时还形成一些气溶胶。
这些气相形式的可燃物与空气混合,在较强火源作用下产生预混燃烧。
着火后,燃烧火焰产生的热量使液体或固体的表面继续释放出大量的热量。
这些热量通过可燃物的直接燃烧、热传导、热辐射和热对流,使火从起火部位向周围蔓延,这就是常说的火蔓延。
火蔓延导致了火势的扩大,形成了火灾根据火灾发生的场所不同,一般将火灾分成建筑火灾,森林火灾;
根据燃烧空间的不同可分为受限空间火灾和开放空间火灾。
典型的受限空间固体物质火灾点火源的发展都要经历四个阶段:
早期、阴燃、火焰和放热。
图2-1为火灾产生的不同阶段的生成产物图[7]。
其中,不可见烟发生在火灾早期,可以根据火灾产生气体进行探测;
在火灾的阴燃期出现可见烟雾信号可用于探测;
起火阶段可以根据火焰进行探测;
高温阶段可以利用温度信号进行探测。
高温
时间
熄灭
温度
起火
阴火
早期
火焰
可见烟
不可见烟
火灾产物
温度信号
烟雾信号
图2-1火灾烟雾和温度变化曲线图
2.2火灾报警器的类型
(1)感烟火灾探测
感烟式火灾探测器具有早期报警的效果,是目前使用最为广泛的一种探测器。
感烟火灾探测器可分为离子型、光电型、电容式和半导体型等几种。
其中又以离子型和光电型火灾探测器使用居多。
(2)感温火灾探测器
物质在燃烧过程中,释放出大量的热,使环境温度升高,探测器中的热敏元件发生物理变化,从而将温度信号转变成电信号,传输给火灾报警控制器,发出火灾报警信号。
由于可采用敏感元件繁多,如热敏电阻、热电偶、双金属片、易熔金属、膜盒式半导体元件等,故而感温式火灾探测器的种类也颇多。
根据感热效果和结构型式,可将它们分为定温火灾探测器、差温火灾探测器和差定温复合火灾探测器。
定温火灾探测器根据局部环境到达规定温度上下时开始动作。
差温火灾探测器根据升温速率来动作,如果升温速率超过预定值时则发出报警信号。
差定温复合火灾探测器是兼有差温、定温两种功能的感温火灾探测器。
(3)感光火灾探测器
感光火灾探测器又称为火焰探测器,仅适用于有焰燃烧,只能在起火阶段进行探测,不适合于火灾早期探测。
它是一种响应火焰辐射光谱中的红外和紫外的点型火灾探测器,主要有红外火焰型和紫外火焰型两种。
红外火焰探测器的探测波长为7000微米,紫外火焰探测器的探测波长为4000微米。
由于光辐射的传播速度快(83×
10m/s),且火焰探测器的传感器件接收光辐射的响应时间极短(ms数量级),因而火焰探测器响应速度也极快。
它对于环境中气流速度也没什么限制,这类探测器适用于生产、储存和运输高度易燃物质(特别是可燃液体火灾或爆炸品)的危险性场所以及昂贵设备或关键设施对火情有特殊监测需要的地方。
对于起火速度快,且无烟遮蔽的明火火灾反应最为灵敏。
其中紫外火焰探测器不受风雨、阳光、高湿度、气压变化、极限环境湿度等影响,能在室外使用,但在雷电及电弧光有大量紫外线产生的场所运用此设备时,必须采取一定措施以防止非火灾报警。
另外,在产生火光之前就有大量烟雾产生的场合,不宜单独采用紫外火焰探测器,必须与其它感烟探测器联合使用。
一般紫外火焰探测器同快速灭火系统和抑爆系统联动[8],组成快速自动报警灭火系统和自动报警抑爆系统。
(4)图像火灾探测
对于物质燃烧产生的火焰,除了可以分析它的光谱特征外,还可以对其火焰形状进行利用,这样就产生了图像火灾探测器。
火焰是高温物体,而它的周围环境则是处于常温状态。
火灾火焰在发展的过程中其形状有一个不断变化和持续的过程,而普通火焰,如打火机点火、蜡烛燃烧、煤气火焰等,以及高温发光源,如白炽灯、电炉等,则没有这个变化过程。
这样就形成了火灾识别和探测算法的重要基础。
国内已有研究表明利用液晶片和CCD摄像机可对火灾图像进行有效的探测[9]。
(5)气体火灾探测
目前气体火灾探测器主要有两类:
可燃气体型(主要探测对象是还原性气体)和燃烧气体产物型(主要探测对象是CO和CO2)。
可燃气体通常是指城市煤气、石油液化气、汽油蒸汽、酒精蒸汽、天然气以及煤矿瓦斯等易燃易爆、有毒有害的气体。
这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、氢以及一氧化碳等成分。
因此,在生产、运输、储存和使用这些气体的过程中,如果违反操作规程或设备密封质量不好,都有可能发生可燃气体泄漏现象,进而酿成火灾或爆炸事故。
针对这些可燃气体探测器主要有半导体型可燃气体探测器、载体催化型可燃气体探测器、固体电介质型可燃气体探测器、光电型可燃气体探测器等。
火灾发生的气态燃烧产物主要成分为H2O、一氧化碳CO、二氧化碳CO2、碳氢化合物(CxHy)。
一般情况下,CO和CO2在空气中的含量极低。
只有在燃烧发生时才会产生大量的CO和CO2。
这些气体比烟雾粒子产生得早,在感烟火灾探测器尚未发出报警信号前已达到相当大的浓度。
所以,针对这两种气体进行监测将会在很大程度上反映出环境中有燃烧现象发生,而且早期报警的效果比感烟探测器好。
(6)燃烧声音火灾探测
声音火灾探测器利用燃烧所特有的次声波现象制成的声音传感器。
物质在燃烧过程中,会放出大量的热能,对周围空气进行加热,使得空气膨胀,形成压力声波,其频率仅有数赫兹。
这种超低频(次声波)的声音现象为物质燃烧所共有。
且在这个频率范围内,日常杂音很少,所以,可以在很大程度上避免环境对探测器的干扰。
2.3技术实现的方法
火灾报警系统是由火灾探测部分和报警部分组成。
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。
报警器将接收到火警信号后经分析处理发出报警信号,警示消防控制中心的值班人员,并在屏幕上显示出火灾的位置,整体电路的框图如图2-2所示:
图2-2火灾报警系统的原理图
2.3.1系统硬件结构
该火灾报警系统主要由数据采集模块、控制模块、声光报警模块组成。
单片机是此报警系统的核心,其原理是通过现场的传感器(烟感和温感)将非电信号变成电信号,再通过信号调理电路进行调理(放大、滤波等),使之满足A/D转换器的要求,最后A/D转换器在将模拟信号转化为数字信号,在由单片机判断现场是否发生火灾。
如果发生火灾,就以声光进行报警。
本文设计的用于小型防火单位的单片机火灾报警系统具有以下特点:
(1)能对室内烟雾(CO2,CO)及温度突变进行报警,具有声、光双重报警功能。
(2)系统故障报警功能。
当系统出现硬件故障时,能发出故障报警信号。
(3)异常报警功能。
当环境出现异常(如烟雾浓度过大或是温度较高)时,能发出异常报警信号,引起人们注意,尽可能避免火灾的发生。
(4)火灾报警功能。
一旦真出现火灾(烟雾和温度同时出现异常)时,能立即发出语音、光火灾警报[9]。
据类似本系统的报警器现场模拟实验表明,本系统安全可靠,误报率低。
且由于其体积小、操作维护方便、成本低廉等,具有广阔的应用前景。
2.3.2系统软件方案
图2-3程序流程图
为了便于系统维护和功能扩充,采用了模块化程序设计方法,系统各个模块的具体功能都是通过子程序调用实现的。
本系统主要包括数据采集子程序、火灾判断与报警子程序等,系统程序流程图如图2-3所示。
为了降低误报率,系统采用多次采集、多次判断的方法。
每次数据采集后根据得到的数据对现场情况进行判断,然后综合多次判断结果做出最终的火情判断。
主程序是一个无限循环体,其流程是:
首先在上电之后系统的各部分包括单片机各个端口输入输出的设置、外围驱动电路和数据存储电路等完成初始化,其次是对芯片内的程序进行初始化,接下来执行火灾报警系统中的数据采集任务,数据通信任务和查询判断任务。
第3章火灾报警系统的硬件设计
3.1系统芯片介绍
3.1.1AD590温度传感器
AD590测量热力温度、摄氏温度、两点温度差、多点平均温度的具体电路,广泛应用于不同的温度控制场合。
由于AD590精度高、价格低、不需要辅助电源、线性好,常用于测温和热电偶冷端补偿[10]。
所以本文选择AD590温度传感器。
AD590是美国AnalogDevices公司生产的一种电流型二端温度传感器。
电路如图3-1所示。
由于AD590是电流型温度传感器,他的输出同绝对温度成正比,即1μA/k,而数模转换芯片ADC0809的输入要求是电压量,所以在AD590的负极接出一个1kΩ的电阻R和一个100Ω的可调电阻W,将电流量变为电压量送入ADC0809。
通过调节可调电阻,便可在输出端VT获得与绝对温度成正比的电压量,即10mV/K。
+5V
1000Ω
R
100ΩW
VT
10mv/K
AD590
图3-1AD590应用电路图
AD590的规格如下:
(1)其输出电流是以绝对温度零度(-273)为基准,温度每增加1℃,它会增加1
输出电流。
(2)可测量范围-55℃到+150℃。
(3)供电电压范围+4V到+30V。
(4)精度高。
AD590共有I、J、K、L、M五档,其中M档精度最高,在-55℃~+150℃范围内,非线形误差±
0.3℃。
3.1.2TGS202气体传感器
火灾中气体烟雾主要是CO2和CO。
TGS202气体传感器能探测CO2、CO、甲烷、煤气等多种气体,它灵敏度高,稳定性好,适合于火灾中气体的探测。
如图3-2所示,当TGS202探测到CO2或者CO时,传感器的内阻变小,VA迅速上升。
选择适当的电阻阻值,使得当气体浓度达到一定程度(如CO浓度达到0.06%)时,VA端获得适当的电压(设为5V)。
VA
V1
V2
图3-2TGS202应用电路图
3.1.3ISD420语音芯片
图3-3ISD1420引脚
电源(VCCA,VCCD):
芯片内部的模拟和数字电路使用不同的电源总线,并且分别引到外封装上,这样可使噪声最小。
模拟和数字电源端最好分别走线,尽可能在靠近供电端处相连,而去耦电容应尽量靠近芯片。
地线(VSSA,VSSD):
芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线,这两个脚最好在引脚焊盘上相连。
录音(/REC):
低电平有效。
只要/REC变低(不管芯片处在节电状态还是正在放音),芯片即开始录音。
边沿触发放音(/PLAYE):
此端出现下降沿时,芯片开始放音。
电平触发放音(/PLAYL):
录音指示(/RECLED):
处于录音状态时,此端为低,可驱动LED。
话筒参考(MICREF):
此端是前置放大器的反向输入。
当以差分形式连接话筒时,可减小噪声,提高共模抑制比。
自动增益控制(AGC):
AGC动态调节器整前置境益以补偿话筒输入电平的宽幅变化,使得录制变化很大的音量(从耳语到喧哗嚣声)时失真都能保持最小。
模拟输出(ANAOUT):
前置放大器输出.前置电压增益取决于AGC端的电平。
模拟输入(ANAIN):
此端即芯片录音的输入信号。
对话筒输入来说,ANAOUT端应通过外接电容连至本端。
喇叭输出(SP+、SP-):
这对输出端能驱动16Ω以上的喇叭。
单端使用时必须在输出端和喇叭间接耦合电容,而双端输出既不用电容又能将功率提高4倍。
录音时,它们都呈高阻态;
节电模式下,它们保持为低电平。
外部时钟(XCLK):
此端内部有下拉元件,不用时应接地。
输入时钟的占空比无关紧要,因为内部首先进行了分频。
地址(A0~A7):
地址端有两个作用,取决于最高(MSB)两位A7、A6的状态。
语音芯片与单片机的连接,常通过串行口来实现,串行口也可以通过辅助电路分时多用。
定义好串行口的工作方式(串行口控制寄存器SCON字节地址为98H,可位寻址),当由按键输入或其它需要语音输出时,串行口向CPU申请中断,响应中断后,CPU便可以从串行数据中识别出语音段编号,输出语音信号。
发送结束,中断由软件清零。
3.1.480C51芯片
图3-480C51芯片的引脚图
下面按引脚功能分为4个部分叙述个引脚的功能。
(1)电源引脚VCC和VSS
VCC(40脚):
接+5V电源正端;
VSS(20脚):
接+5V电源正端。
(2)外接晶振引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1(19脚):
接外部石英晶体的一端。
在单片机内部,它是一个反相放大器的输入端,这个放大器构成采用外部时钟时,对于HMOS单片机,该引脚接地;
对于CHOMS单片机,该引脚作为外部振荡信号的输入端。
XTAL2(18脚):
接外部晶体的另一端。
在单片机内部,接至片内振荡器的反相放大器的输出端。
当采用外部时钟时,对于HMOS单片机,该引脚作为外部振荡信号的输入端。
对于CHMOS芯片,该引脚悬空不接。
(3)控制信号或与其它电源复用引脚
控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、ALE/P、PSEN和EA/VPP等4种形式。
RST/VPD(9脚):
RST即为RESET,VPD为备用电源,所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。
当单片机振荡器工作时,该引脚上出现持续两个机器周期的高电平,就可实现复位操作,使单片机复位到初始状态。
当VCC发生故障,降低到低电平规定值或掉电时,该引脚可接上备用电源VPD(+5V)为内部RAM供电,以保证RAM中的数据不丢失。
ALE/P(30脚):
当访问外部存储器时,ALE(允许地址锁存信号)以每机器周期两次的信号输出,用于锁存出现在P0口的低
PSEN(29脚):
片外程序存储器读选通输出端,低电平有效。
当从外部程序存储器读取指令或常数期间,每个机器周期PESN两次有效,以通过数据总线口读回指令或常数。
当访问外部数据存储器期间,PESN信号将不出现。
EA/Vpp(31脚):
EA为访问外部程序储器控制信号,低电平有效。
当EA端保持高电平时,单片机访问片内程序存储器4KB(MS—52子系列为8KB)。
若超出该范围时,自动转去执行外部程序存储器的程序。
当EA端保持低电平时,无论片内有无程序存储器,均只访问外部程序存储器。
对于片内含有EPROM的单片机,在EPROM编程期间,该引脚用于接21V的编程电源Vpp。
(4)输入/输出(I/O)引脚P0口、P1口、P2口及P3口
P0口(39脚~22脚):
P0.0~P0.7统称为P0口。
当不接外部存储器与不扩展I/O接口时,它可作为准双向8位输入/输出接口。
当接有外部程序存储器或扩展I/O口时,P0口为地址/数据分时复用口。
它分时提供8位双向数据总线。
对于片内含有EPROM的单片机,当EPROM编程时,从P0口输入指令字节,而当检验程序时,则输出指令字节。
P1口(1脚~8脚):
P1.0~P1.7统称为P1口,可作为准双向I/O接口使用。
对于MCS—52子系列单片机,P1.0和P1.1还有第2功能:
P1.0口用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2;
P1.1用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。
对于EPROM编程和进行程序校验时,P0口接收输入的低8位地址。
P2口(21脚~28脚):
P2.0~P2.7统称为P2口,一般可作为准双向I/O接口。
当接有外部程序存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时,P2口用于高8位地址总线送出高8位地址。
对于EPROM编程和进行程序校验时,P2口接收输入的8位地址。
P3口(10脚~17脚):
P3.0~P3.7统称为P3口。
它为双功能口,可以作为一般的准双向I/O接口,也可以将每1位用于第2功能,而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。
P3口的第2功能见下表
表1单片机P3.0管脚含义
引脚
第2功能
P3.0
RXD(串行口输入端0)
P3.1
TXD(串行口输出端)
P3.2
P3.3
INT1(中断1请求输入端,低电平有效)
P3.4
T0(时器/计数器0计数脉冲端)
P3.5
T1(时器/计数器1数脉冲端)
P3.6
WR(数据存储器写选通信号输出端,低电平有效)
P3.7
RD(数据存储器读选通信号输出端,低电平有效)
综上所述,MCS—51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点:
(1)980单片机功能多,引脚数少,因而许多引脚具有第2功能;
(2)单片机对外呈3总线形式,由P2、P0口组成16位地址总线;
由P0口时
复用作为数据总线。
3.1.5A/D转换芯片
在单片机控制系统中,控制或测量对象的有关变量,往往是一些连续变化的模拟量,如温度、压力、流量、位移、速度等物理量。
但是大多数单片机本身只能识别和处理数字量,因此必须经过模拟量到数字量的转换(A/D转换),才能够实现单片机对被控对象的识别和处理。
完成A/D转换的器件即为A/D转换器。
A/D转换器的主要性能参数有:
(1)分辨率分辨率表示A/D转换器对输入信号的分辨能力。
A/D转换器的分辨率以输出二进制数的位数表示;
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