火灾自动报警系统的设计.docx
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火灾自动报警系统的设计
摘要
设计一种火灾自动报警控制系统。
火灾报警技术研究的主要内容是:
火灾参数的检测技术,火灾信息处理与自动报警技术,消防设备联动与协调控制技术,消防系统的计算机管理技术,以及火灾监控系统的设计、构成、管理和使用等。
该系统由单片机构成,采用了整体解决方案,其主要特点为:
低功耗,模拟量,报警迅速和抗干扰能力强。
关键词:
智能火灾报警控制器,模拟信号,单片机,烟雾探测器
Abstract
Introducesakindofintelligentfirealarmcontrolsystemanditsworkingprinciple.Themainresearchworksonintelligentfirecontroltechnologyarethedetectionoffireparameters,theprocessoffireinformationandautomaticalarm,firecontrolequipmentlinkageandharmonycontrol,managementoffirecontrolsystem,thedesign,construction,management,useofcomputersupervisingsystemoffirecontro1.Singlechipisadoptedinthesystemforaspecialsolutionisgiven.Themaincharacteristicsarelowpowerlos,analogsignals,quickalarmingandstronganti—interferenceability.applicationinfirecontrolsystem.
Keywords:
intelligentfirealarmcontroller;analogsignals;single—chipmicrocomputer;Smogdetector
绪论
1.1课题的研究背景
进入上世纪90年代后,我国经济步入高速发展的时期,城市化建设不断加快,城市建筑也由分散式低密度向集中式高密度过渡,林立的高层建筑成了城市的主要的标志。
居民住进了高层塔楼,企业搬进了摩天大楼,高层建筑有效利用空间,节约了城市中本就十分紧张的土地资源。
任何事物的发展都具有两面性,高层建筑中各种通讯线路、动力和照明线路、以及各种系统中线路纵横交错,致使火灾的发生概率也在大幅增加。
加之现代建筑的密闭性较强,一旦发生火灾,整幢大楼就像一个大的火炉,而楼梯道、各种通风管道、线路竖井都是效果极佳的火筒,从而给灭火施救造成了巨大的难度,对火灾发生后及时发现、及时控制的要求促使了火灾报警产品应运而生。
与此同时,现代计算机技术、通讯网络技术和自动控制技术的飞速发展又为人类实现更加理想化的生活提供了可能。
智能小区应运而生了。
在智能小区内安装智能型火灾报警控制系统是必不可少的。
智能型火灾报警系统是一个集信号检测、传输、处理和控制于一体的控制系统,代表了当前火灾报警系统的发展方向。
随着科学技术的迅猛发展以及国内外经济的迅速增长,市场上迫切需要一种容量大、性能优越、可靠性高、便于安装、使用和维护的智能型火灾报警控制系统。
1.2课题设计的意义
我国的火灾自动报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程,其智能化程度也越来越高。
目前,国产火灾自动报警系统均采用汉字显示,价格低廉,适合我国国情,但是火灾自动报警系统由于多数没有分布智能,可靠性低,且产品没有形成系列化、品种不全,产品的外观也较差,编程复杂,调试不方便,设备兼容性差。
国外产品多数具有分布智能,可靠性高,产品具有系列化、品种齐全,产品外观美观,人机对话功能强。
缺点是多数没有汉化,操作维护不便,价格较高,设备兼容性差。
根据以上的分析,开发具有国际先进水平的火灾自动报警设备,价格介于进口设备和国产设备之间,从而具有很高的性能价格比,因此,研制一种结构简单、价格低廉的智能型火灾报警器是非常必要的。
1.3火灾报警控制系统的分类及特点
火灾自动报警系统,一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成。
其主要组成部分就是火灾探测器。
火灾探测器是识别火灾是否发生的专门仪器,根据建筑物或实地场所的要求,安装不同类型的火灾探测器。
火灾探测器主要分为两种:
即感烟探测器、感温探测器和光辐射探测器三大类,从物理作用上区分,可分为离子型、光电型。
从信号方式区分,可分为开关型,模拟型及智能型。
感温式探测器又可分为定温探测器、差温探测器、差定温探测器;感烟式探测器分为离子感烟探测器、光电感烟探测器;感光式探测器分为紫外光焰探测器、红外光焰探测器等。
其中离子感烟探测器稳定性能较好,误报率又低,寿命长等优点,在火灾报警系统中被广泛使用。
目前,智能型火灾报警控制装置的优点大多由微处理器组成。
智能型火灾报警控制装置的发展具有以下特点:
(1)系统规模大随着火灾自动报警控制装置技术的发展,火灾自动报警控制装置的容量不断大。
系统可编地址,火灾报警显示发生地点,并发出声光报警,目前有的火灾报警控制装置的最大地址数(回路数)达到上万个。
(2)探测对象多样化火灾自动报警控制装置除了有火灾报警功能外,还有防盗报警、燃气泄漏报警功能等。
(3)功能模块化、软件化,火灾自动报警控制装置采用可编址功能模块,对制造、设计、维修有很大方便。
大部分功能通过软件设定,便于系统功法减低误报率。
(4)系统集散化它本身是集散系统,功能集中,系统分散,一旦某一部分发生故障,不会对其他部分造成影响。
联网功能增强,应用网络技术,不但火灾自动报警控制装置可以相互连接,而且可以和建筑物自动控制系统联网,增强了综合防灾能力,多个建筑物的控制系统也可以连接起来,相互传递信息,便于发挥智能建筑的优越性。
(5)功能智能化在火灾自动报警控制装置中采用模拟火灾探测器,具有高灵敏度和蓄积时间设定能力。
有的火灾探测器内置微处理器,具有信号处理能力,形成分布式智能系统。
应用分布式智能技术,可减少误报的可能性,在火灾自动报警系统中采用人工智能、火灾数据库、模糊逻辑理论、人工神经网络等技术。
1.4课题完成的功能
当报警器监测到火情信息后,将表征火灾参数的物理量转化为电信号,通过电子线路将其放大、变换、传输、处理,直接通过Modem经公用电话交换网迅速向消防指挥中心报告火情信息(包括火灾单位编码、单位名称、火情级别以及报警时间等),同时产生声光报警信号,并按事先预留的电话号码自动拨号通知单位有关负责人。
消防指挥中心根据接收到的火警信息,立即在消防信息数据库中查询单位位置、周围道路、交通、水源情况等基本信息,根据所获得的信息迅速确定最佳救火方案,通过网络将出警命令直接下达各消防中队。
1.5课题设计的方案
智能型火灾报警系统要求选用结构简单、价值低廉的元器件构成,而且要考虑其实用性。
传感器的选取:
要准确地进行火灾报警,选择合适的温度和烟雾传感器是准确报警的前提。
综合考虑各因素,本文选择集成温度传感器AD590和气体传感传感器AD590和气体传感器TGS202用作采集系统的敏感元件。
方案是采用以AT89C51为核心的单片机系统,可以实现由单片机控制实现不同的声光报警(异常报警、故障报警、火灾报警)功能,当报警器监测到火情信息后,直接通过Modem经公用电话交换网迅速向消防指挥中心报告火情信息(包括火灾单位编码、单位名称、火情级别以及报警时间等),同时产生声光报警信号,并按事先预留的电话号码自动拨号通知单位有关负责人,大大提高了系统的智能化程度,并且系统所测结果的精度很高。
该方案比较实用,技术也比较成熟,普及程度比较高。
当火灾发生时,报警器监测到火灾信息后,除了在火灾现场产生声光报警信号外,还需要将火灾信息按事先预留的电话号码自动拨号通知单位有关人员,并迅速上报消防指挥中心,为此,系统设计了单片机与Modem通讯模块,直接通过Modem经公用电话交换网迅速向消防指挥中心报告火情信息(包括火灾单位编码、单位名称、火情级别以及报警时间等),同时产生声光报警信号,并按事先预留的电话号码自动拨号通知单位有关负责人。
第二章ADC0809芯片及ATC0809单片机
2.1 ADC0809芯片简介
常用的集成A/D转换器有8位、10位、12位、16位等,每种又可分为不同的型号。
下面以ADC0809为例介绍集成A/D转换器的内部结构与外部特性。
ADC0809是CMOS的8位A/D转换器,采用逐次逼近式进行A/D转换。
芯片内有一个8路模拟开关,一个比较器,一个带有树状模拟开关的256R分压器和一个逐次逼近的寄存器等等,其内部结构如图3.1所示。
图2.1ADC0809内部逻辑框图
图中8路模拟开关用于选通8个模拟通道,允许8路模拟量分时输入,并公用一个A/D转换器进行转换。
IN0-IN7为8路模拟量输入端,模拟量输入电压的范围是0-5V,对应的数字量为00H-FFH,转换时间为100μs。
ADDA、ADDB、ADDC为通道地址线,用于选择通道。
ALE是通道地址锁存信号,其上升沿时,把ADDA、ADDB、ADDC地址状态送入地址锁存器中。
VREF(+)、VREF(-)接基准电源,在精度要求不太高的情况下,供电电源就可用作基准电源。
START是启动引脚,其上脉冲的下降沿启动一次新的A/D转换。
EOC是转换结束信号,可用于向单片机申请中断或供单片机查询。
CLK是时钟端,典型的时钟频率为640KHZ。
DB0-DB7是数字量输出。
树状开关和256R分压器组成一个基本D/A转换器。
当给ADC0809一个启动信号(START)后,通过控制与时序电路以及逐次逼近寄存器,采用逐步逼近的方式进行A/D转换。
ADC0809转换后的数字量通过三态缓冲器输出,当输出允许OE=“1”时,打开三态输出门输出数字量。
输入ADC0809的模拟信号是单极性的(0~+5V)。
2.2 ADC0809模数转换器的引脚功能
IN0~IN7:
8路模拟量输入。
A、B、C:
3位地址输入端的不同组合选择
八路模拟量输入。
ALE:
地址锁存启动信号,在ALE的上升沿,
将A、B、C上的通道地址锁存到内部的地址
锁存器。
D0~D7:
八位数据输出线,A/D转换结果由
这8根线传送给单片机。
OE:
允许输出信号。
当OE=1时,即为高电平,
允许输出锁存器输出数据。
图2.2
START:
启动信号输入端,START为正脉冲,其上升沿清除ADC0808的内部的各寄存器,其下降沿启动A/D开始转换。
EOC:
转换完成信号,当EOC上升为高电平时,表明内部A/D转换已完成。
CLK:
时钟输入信号,0809的时钟频率范围在10~1200kHz,典型值为640kHz。
VREF9=0,VREF9-0:
参考电压输入端。
VCC:
+5V电源。
GND:
地。
2.3 A/D转换器的主要技术参数
(1)分辨率:
分辨率是指输出数字量变化一个最小单位(最低位的变化),对应输入模拟量需要变化的量。
输出位数越多,分辨率越高。
通常以输出二进制码的位数表示分辨率。
(2)转换特性:
输入的是n位二进制数字信息B,输出的是与输入数字量成正比例的电压或电流。
(3)线性度:
当数字量变化时,D/A输出的电模拟量按比例关系变化的程度。
模拟量输出偏离理想输出的最大值称为线性误差。
(4)精度:
实际输出值与理论计算值之差。
这种差值是由转换过程中的各种误差引起的,主要指静态误差,它包括以下几种:
非线性误差,比例系数误差,漂移误差,转换时间。
此外,还有输入低电平、电源电压范围、基准电压范围、温度系数等参数。
2.4 ADC0809与单片机接口
图2.4ADC0809与89C51单片机的接口电路图
A/D转换电路采用了常用的8位8通道数模转换专用芯片ADC0809,电路如图2.4所示。
温度、烟雾传感器的输出分别接到ADC0809的IN0和IN1。
ADC0809的通道选择地址A,B,C分别由AT89C51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。
图中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。
例如,输出地址7FF8H可选通通道IN0,实现对温度传感器输出的模拟量进行转换;输出地址7FF9H可选通通道IN1,实现对烟雾传感器输出的模拟量进行转换。
图中ADC0809的转换结束状态信号EOC接到AT89C51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。
2.5AT89C51单片机性能介绍
AT89C51如图2.5所示是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
图2.5AT89C51单片机
2.5.1主要特性
在众多的51系列单片机中,要算ATMEL公司的AT89C51、AT89S51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ATMELAT89xx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。
再着,AT89C51、AT89S51目前的售价比8031还低,市场供应也很充足。
具体特性如下:
与MCS-51兼容;4K字节可编程闪烁存储器;寿命:
1000写/擦循环;数据保留时间:
10年;全静态工作:
0Hz-24Hz;三级程序存储器锁定;128*8位内部RAM;32可编程I/O;两个16位定时器/计数器;5个中断源;可编程串行通道;低功耗的闲置和掉电模式;片内振荡器和时钟电路
2.5.2管脚说明
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
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口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。
口管脚备选功能
P3.0RXD(串行输入口);P3.1TXD(串行输出口);P3.2/INT0(外部中断0);P3.3/INT1(外部中断1);P3.4T0(记时器0外部输入);P3.5T1(记时器1外部输入);P3.6/WR(外部数据存储器写选通);P3.7/RD(外部数据存储器读选通);P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
2.5.3振荡器特性
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入质内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
2.5.4芯片擦除
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。
此外,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下,CPU停止工作。
但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止
2.6声光报警模块
声光报警电路在单片机P1口的控制下,由单频音报警接口电路组成,发音元件通常采用压电蜂鸣器,这种蜂鸣器只需在其两引线上加3~15V的直流电压,就能产生3kHZ左右的蜂鸣振荡音响,比电研式蜂鸣器结构简单,耗电少,且更适于在单片机系统中应用。
如图2.6所示,P1.0接晶体管基极输入端,但P1.0输出高电平“1”时,晶体管导通,压电蜂鸣器得电而鸣音;P1.0输出低电平“0”时,三极管退出导通状态,蜂鸣器停止发音。
图2.6单频音报警接口电路
由P1口的P1.4~P1.7分别控制4个发光二极管,予以光报警,如图2.7所示。
P1.4~P1.7控制的灯依次为绿色(正常信号灯)、黄色(故障信号灯)、红色(异常信号灯)和红色(火灾信号灯)。
当这些输出端输出低电平时,对应的信号灯便会发光报警。
图2.7光报警电路图
第三章系统硬件设计
3.1系统组成原理
现场火灾报警器通过对传感器火情信息的检测,通过放大器将信号进行放大,然后通过A/D转换,将信号送到单片机,使用智能识别算法实现对火灾的监测。
当报警器监测到火情信息后,直接通过Modem经公用电话交换网迅速向消防指挥中心报告火情信息(包括火灾单位编码、单位名称、火情级别以及报警时间等),同时产生声光报警信号,并按事先预留的电话号码自动拨号通知单位有关负责人。
消防指挥中心根据接收到的火警信息,立即在消防信息数据库中查询单位位置、周围道路、交通、水源情况等基本信息,根据所获得的信息迅速确定最佳救火方案,通过网络将出警命令直接下达各消防中队。
系统硬件电路原理图见附录1。
3.2传感器的工作原理及组成
传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。
通常由敏感元件和转换元件组成。
其中,敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分,转换元件指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。
传感器输出信号有很多形式,如电压、电流、频率、脉冲等,输出信号的形式由传感器的原理确定。
传感器的组成:
一般讲传感器由敏感元件和转换元件组成。
但是由于传感器输出信号一般都很微弱。
需要有信号调节与转换电路将其放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的形式。
随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用,传感器的信号调节与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。
因此,信号调节与转换电路以及所需电源都应作为传感器组成的一部分。
如图3.1所示:
图3.1传感器的组成方框图
常用的信号调节与转换电路有放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等,它们分别与相应的传感器相配合。
本系统所用到的是气体传感器和温度传感器。
3.3气体、门磁开关和温度传感器
3.3.1气体传感器
火灾中气体烟雾主要是CO2和CO。
TGS202气体传感器应用电路如图所示,它能探测CO2,CO,甲烷、煤气等多种气体,他灵敏度高,稳定性好,气体传感器TGS202适合于火灾中气体的探测。
如图2.2所示,当TGS202探测到CO2或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3V)。
图3.2TGS202气体传感器应用电路
3.3.2门控传感器
门控传感器采用热电式传感器IRA-E100SZ1,当检测到有人接触时,传感器接收到的温度升高,接收到的信号经过交流放大器放大,使传感器的弱小电压升高,使输出能使ADC0809能够识别的电压值,当电压值小于0.8V时,可以认为传感器正常工作,输出为“0”。
当电压高于0.8V以后,就被认为是有人接触到此传感器,送到ADC0809的信号就会为“1”,通过主机发出报警信号通知用户,如图2.3所示。
图3.3门磁传感器电路
3.3.3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。
应用电路如图3.4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10kΩ的电阻R1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。
AD590只需单电源工作,输出的是电流而不是电压,因此,抗干扰能力强,要求的功率很低(1.5mV/+5V/+25°C),使得AD590特别适于工作运动测量。
因为是高阻抗电流输出,所以长线上的电阻对器件工作上影
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