火灾报警系统的设计实施.docx
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火灾报警系统的设计实施.docx
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火灾报警系统的设计实施
摘要
近些年,电子科学技术和计算机软硬件技术的飞速进步,在许多领域上已大面积应用火灾报警系统和灭火系统。
高性能的单片机已成为控制核心的主流,由于其工况稳定性高,精度高,通用性能良好且功耗低,这些因素保证了其报警的可靠性和准确性。
本设计的电路由交一直流转换电路,稳压电路,气敏传感电路,温度监测电路,数模转换电路,单片机控制电路,数码管显示电路和无线传输电路共同构成。
通过这些电路可实现数据处理,数据显示系统,时间显示区块,状态显示区块,故障检测,报警气体报警信号采集,实现无线传输、多点位实时监控和联动消防等功能。
软件部分采用ptotel绘制电路图。
本设计可完成烟气温度数据采集报警到消防联动的全部过程。
关键字:
单片机火灾报警消防联动数据采集
Abstract
Inrecentyears,withtherapidprogressofElectronicScienceandcomputersoftwareandhardwaretechnology,firealarmsystemandfireextinguishingsystemhavebeenwidelyusedinmanyfields.Highperformancesinglechipmicrocomputerhasbecomethemainstreamofthecontrolcore.Becauseofitshighstability,highprecision,goodgeneralperformanceandlowpowerconsumption,thesefactorsensurethereliabilityandaccuracyofitsalarm.ThecircuitiscomposedofAC-DCconversioncircuit,voltagestabilizingcircuit,gassensingcircuit,temperaturemonitoringcircuit,digitaltoanalogconversioncircuit,singlechipmicrocomputercontrolcircuit,nixietubedisplaycircuitandwirelesstransmissioncircuit.Throughthesecircuits,dataprocessing,datadisplaysystem,timedisplayblock,statusdisplayblock,faultdetection,alarmgasalarmsignalcollection,wirelesstransmission,multi-pointreal-timemonitoringandlinkagefirecontrolcanberealized.Thesoftwarepartusesptoteltodrawthecircuitdiagram.Thedesigncancompletethewholeprocessfromfluegastemperaturedatacollectionandalarmtofirelinkage.
Keywords:
SinglechipmicrocomputerFirealarmFirelinkageDataacquisition
第一章绪论
随着时代的发展,城市建筑群落的不断进步,其不论是数量还是个体规模都在不断的提升,其具有人口密集、设备先进、多功能、豪华内饰等特点,同时也是家庭生活的一部分。
火力和电力的使用也增加了,家庭火灾的频率也在增加。
造成家庭火灾的元有很多,其主要原因体现在使用火源不小心和没有采取有效的预防措施,火灾发生后及时采取抢救措施。
在家庭中,一旦发生火灾,最容易出现的现象就是没有及时的对火灾进行救援,现场缺乏有效的消防设备,再加上当事人面对火灾的恐惧心理造成逃生不及时等因素,导致了失去生命、失去财产的重大灾难。
此外,在这些地方发生火灾,其中大部分都是挤满了人,材料集中,火情蔓延扩散的速度很快,而消防通道经常拥挤,消防车难以进入,这使得它很难开展消防工作。
小火可能最终造成了一场大灾难。
因此,我们必须做好一份好工作,根据这种观念,隐藏的危险要比明火好,预防比救灾好。
1.1研究的目的和意义
近些年,电子科学技术和计算机软硬件技术的飞速进步,在许多领域上已大面积应用火灾报警系统和灭火系统。
目前,新型的建筑火灾报警系统,目前研究的火灾报警系统的目的是可以提前告知使用者在小程度范围内的火灾的发生,并且在初期就采取控制措施来控制初期火灾,其在火灾发生地或其他地方设置一种自动报警和消防系统。
火控设施,是一种强大的工具,火灾自动报警系统是将火灾期间的烟雾、光线和温度环境的闭环通过相应的探测器送到中央处理单元(CPU),在快速报警后,通知建筑人员快速疏散或采取有效的灭火措施来控制火灾。
火灾自动报警系统的作用主要体现在火灾初期,通过温度传感器、烟气传感器和光传感器等将火灾燃烧时产生的热量、烟雾和光辐射等物理量,转化成电信号,传输到火灾报警控制器(cpu),控制器处理这些信号,并发出警报,显示出火灾发生的部位,记录火灾发生的时间和火灾持续时间。
高爆报警音可以提醒火场附近人员疏散。
安全第一,预防为主。
火灾报警器的根本目的,就是为了能够火灾发生初期探测到火灾的发生,为消防人员,工作人员争取时间,有更多时间采取措施,把火灾控制和消灭在初期阶段。
若耽误了火灾初期的警报时间,延误报警,导致火势大范围扩散,就极易造成重大的人身伤亡或者财产损失。
1.2我国发展形势分析
在目前,我国的火灾报警系统已经有非一般的飞跃。
只有在19世纪70年代,火灾报警系统的产品才得到开发和生产。
进入了上世纪80年代以后,北美的主要产品也在模仿其他地区的产品,在这时世界才刚刚兴起火灾报警系统,大量引进其他地区的先进生产技术核心。
到上世纪90年代以后,随着国内市场的逐步开放,使得国外企业逐步进入中国的火灾报警系统市场,引进先进技术,同一定程度上也促进我国火警系统发展与成熟。
与此同时,国内的火灾报警产品在一定程度上得到了飞跃的进步。
而且,我国也与很多合资企业也达成了生产与技术的良好合作,取得了一定的成果,在市场上产生了许多强大的业务。
一些技术标准已经符合国际标准。
大约在九十年代,中国刚刚研制火灾报警系统,那时的产品技术含量不高、完整性和可用性也很低,社会对此的认知也不那么高。
国外产品技术含量较高,占据了中国市场的大部分。
然而,当国外高技术的产品涌入中国时,中国也没有固步自封,反而敢于向国外先进技术公司不断地学习、进步,抓住了属于自己的机会,迅速发展,也抓住了属于自己的市场。
在此之后,也有很多技术管理的高等人才进入到国有企业和民营企业中,于是,用了10多年时间才取代了他们的产品,这也是咱们自己的品牌产品,与国际水平接轨,重新进驻国内市场,取得了良好的效果,而许多国外的产品并不占优多大优势,在现在看来,仍是我国真正自立自强的典范。
现在,我们还在改进技术,加强管理,并准备进军海外市场。
第二章火灾报警系统的整体方案设计
2.1发生火灾的特点
火灾发生在不同的场合,所以火灾前后的情况也各不相同。
例如,在住宅、各种商店和超市与更复杂的类型的易燃物质,更密集的网吧和电影院,和车库,在各种类型的仓库,如粮食仓库和储油库、现代车辆,如汽车、飞机和船只,一些火灾发生缓慢,缓慢变化的因素,如温度,适湿度等等,如果底漆和开火导致可燃物质接近和达到燃点不能有效控制,大火将逐渐扩散,造成巨大的灾难。
对于这种类型的火灾,我们应该警惕,及时发现,能够有效控制火灾的发生。
对于一些更快的火,通常在几秒到几十秒内,火就会失去控制。
例如,在2012年8月26日凌晨,陕西省延安市安塞县发生一次重大车祸。
大量的甲醇燃烧得如此之快以至于乘客们没有时间逃跑。
对于这种火灾,我们只能采取措施消除一切可能的火灾因素,否则后果将不堪设想。
当火灾发生时,它将失去燃烧引起的灾难。
火的基本元素是火源、可燃材料和可燃材料。
通常可燃物质有四种形态:
气态、液态、固态和固液混合态。
可燃物质通常是空气中的氧气。
可燃物被点燃以后,可燃物燃烧所产生的许多热量会使可燃物表面的可燃气体加剧释放,造成其他物质的扩散燃烧。
同时,随着红外线和紫外线的火焰,大量的热量会被释放出来,引起火灾。
气溶胶、烟雾、火焰和热都被称为火参数。
通过测量这些参数,我们可以确定是否有火灾。
依据现场发生火灾时的不同现象,通常把火情分为前期的缓慢的阴燃和后期强烈的明火燃烧,根据实际现象分析,缓慢的阴燃是发生火灾的主要原因。
物质燃烧的常见过程一般是:
首先,可燃物开始燃烧并在其表面产生气体,然后变成烟雾,然后,当氧气充足时,它会产生火焰,可见光和看不见的光。
伴随着大量的热量,环境温度迅速上升。
在火的过程中,初始和阴燃过程占据了较长的时间。
虽然产生了大量的烟气,但环境温度并不太高。
如果探测器在这个阶段开始探测,就可以把火控制在最低限度。
燃烧后火焰会迅速蔓延,而周围的温度会随着大量热量的产生而迅速上升。
如果此时能检测到有效的温度值,就可以更及时地控制火灾发生过程如图2.1所示。
图2.1火灾发生过程图
2.2方案设计
2.2.1方案一串级报警电路设计
串级电路设计,首级的设计为气敏传感器电路,它的作用是当火灾发生的烟雾气体进入传感器中时,发岀报警信号使远端的接收装置接收信号。
设计末级为接收报警电路,它的作用是接收到气敏传感器电路发出的信号后在远端发出报警功能。
图2.2串级报警电路设计思路框图
2.2.2方案二区域报警电路设计
区域报警电路的设计是将气体烟雾报警器放置于固定的区域内,报警电路是由电源电路、稳压电路和气敏传感电路以及触发报警电路共同组成。
图2.3区域报警设计思路框图
2.2.3方案三单片机报警电路设计
火灾报警系统是以单片机为核心,完成对烟雾等数据的处理,达成火灾烟雾气体的浓度显示、烟雾气体的状态显示和火灾中的声音报警、按键输入以及发生故障时的自动检测等功能,利用区域报警电路采集气体报警信号。
火灾报警器的检测模式是通过巡回程序的设定,共有两级报警值设定,在发生火灾时可联动灭火水源进行消防灭火。
本系统也可以配备具有更高稳定性、更准确的测量精度、更强的通用性和更低的功率耗能的单片机,以保证火灾报警系统的可靠性和精确性。
图2.4单片机报警系统结构框图
2.3方案选择
串级远程报警电路设计适合于人流较多且安全隐患不集中的地方,如大型商场,大型工厂等。
这种设计的最主要特点就是所监控的范围广而且很便捷,还可进行远程报警,但也存在一些劣势,实施难度较大,投入成本高且线路复杂。
不适用于小区域设置。
区域报警电路设计可应用在一定范围内的火灾气雾报警,例如小型办公区或者家庭等。
这样的设计方案的优点是使用简单、投入成本低而且易于实现。
但对控制监测能力不强,没有自动功能。
不适于设计要求。
单片机设计电路具有高精度和稳定的工况的特点,并且能更好的实现控制要求。
利用其无线传输的特性可以更好的实现功能拓展,方便监控,是我们的首选设计方案。
第三章火灾报警系统的设备选型
3.1单片机及程序软件的选型
3.1.1STC89C52RC单片机的优势
STC89C52RC单片芯片包含8KB(可承受1000次写入周期)可编程可重写只读程序内存,其输出引脚和指令系统与MCS-51兼容。
单片机芯片内的闪存处理器允许程序在系统内进行调用以其调整,并且可以使用常规的固态内存编程器编程⑷。
因此,STC89C52RC是一种功耗非常低,且工作性能突岀的单片机,可以通用地应用于各种控制领域。
STC89C52RC与8051相比较,具有芯片处理更高速、所需能耗更低、抗干扰能力更强的特点,并且所有的指令代码完全兼容常规的8051单片机指令代码。
有12个时钟/周期和6个时钟/周期选项。
STC89C52RC单片机与AT89C52对比有以下优点:
(1)串行下载模式支持STC,下载程序更加便利;
(2)4KB单片机继承了EPROM的能力;
(3)P4和更多的I/O;
(4)STC89C52RC项目有更多的擦除生活;
(5)工作电压为5.5V-3.3v/8051禾口3.3-2.0V;
(6)操作频率0-40MHZ以及实际的工作频率是48mhzo用户应用程序空间是8k字节;
(7)集成512kb的RamSTC89C52RC单片机;
(8)共设置有32个通用的输入输出通道,其中P0端口是输岀端口,起到漏极开路的保护输出作用。
若作为输入输出端口时,需要配置上拉电阻,而作为总线扩展用时,则无需配置上拉电阻。
Pl>P2、P3、P4四个端口在复位后都为弱上拉、准双向端口;
(9)ISP(系统编程)和IAP(应用编程)不需专用的编程器并且不需专用仿真器,都可以通过串口(RXD/P3.0,TXD/P3.1)直接下载用户程序,下载速度很快;
(10)具有EEPROM功能;
(11)具有看门狗功能;
(12)共有3个16位定时器/计数器,为定时器T0、Tl、T2;
(13)电源关闭模式可以通过外部中断低电平启动中断模式来唤醒;
(14)通用异步串行口(UART)也可用于实现多个带有定时器软件的UART。
图3.1STC89C52RC引脚说明
3.1.2STC89C52RC单片机的结构
引脚功能说明如下:
VCC:
电源电压。
GND:
接地。
P0端口:
P0是地址和数据双路双向的8位输入输出端口。
当作为输出端口时,具有8个TTL逻辑门,作为高阻抗输入时,则在P0端口写入真值。
当在访问外部数据存储或内部程序内存时,P0端口的双路双向通道发挥作用,激活上拉电阻,编程器接收指令,程序巡查,输出指令字节。
P1端口:
P1是一个8位双向输入输出端口,带有一个上拉电阻,具有4个TTL逻辑门。
当端口接收到真值信号时,利用内部上拉电阻将P1端口电位拉升到高电位水平,这时可以作为输入端口使用。
当作为输入端口使用时,由于其内部存在上拉电阻,由外部信号下拉引脚电位,输岀电流。
当闪存在工作时,P1端口收到的是一个8字节地址指令。
P2端口:
P2是一个8位双向输入输出端口,带有一个上拉电阻,具有4TTL逻辑门电路。
当端口接收到真值信号时,电流可以通过内部上拉电阻器拉升电位的端口输出。
当在访问外部数据存储或内部程序内存时,P2端口接收到的是一个16位地址。
P3端口:
P3是一个8位的双向输入输出端口,带有一个上拉电阻。
具有4个TTL逻辑门。
当端口接收到真值信号时,利用内部上拉电阻将P3端口电位拉升到高电位水平,这时可以作为输入端口使用。
当被用作输入时,由于内部的上拉电阻,pin3引脚输出接收一个外部信号,输出电流。
P3端口除了作为一般输入输出接口外,P3端口对于第二个功能则更为重要,如表所示。
P3端口会用作闪存编程和程序校准,接收到一些控制信号。
表3P3口的第二功能表
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD(穿行输出口)
P3.1
TXD(穿行输入口)
P3.2
INTO(外部中断0)
P3.3
INT1(外部中断1)
P3.4
T0(定时/计数器0)
P3.5
T1(定时/计数器0)
P3.6
WR(外部数据写选通)
P3.7
RD(外部数据读选通)
RST端口:
RST为复位输入。
当振荡器开始发挥作用时,RST引脚接收到两个周期以上高电平信号,RST发挥复位作用,将单片机复位。
ALE/PROG端口:
当在访问外部数据存储或内部程序内存时,ALE/PROG端口可以发出脉冲,锁定8位地址指令字符。
ALE/PROG端口可以用于外部计时或者接收时钟脉冲,因为ALE/PROG端口无时无刻都在以六分之一的周期输出振荡脉冲。
但当使用PROG功能时,应该禁止ALE功能。
PSEN端口:
PSEN是一个读频信号的外部程序存储器端口。
当外部程序访问单片机时,PSEN在每个时间周期中都会发出两次有效脉冲信号。
而当访问外部数据内存时,PSEN则不会发出两次有效脉冲信号。
EA/VPP端口:
允许外部访问端口。
为了让CPU只访问外部程序内存(地址为OOOOH-FFFFFFFH/EA),必须保持低(底层)。
这里值得注意的是,如果加密位LB1被加密时,在进行重置操作过程中,EA的状态将会被锁定。
如果EA是为VCC处理器,程序指令则只能在其内部程序内存中执行。
编程允许电源Vpp输出引脚电压为12V。
XTAL1端口:
XTAL1可作为两个输入端口,分别是振荡器反相放大器输入端口和内部时钟发生器的输入端口。
XTAL2端口:
XTAL2作为振荡器反相放大器输出端口。
3.2数模转换器的选型
ADC0832是个8位的串行接口的数模转换器。
它通过三线接口连接到单片机。
它的功耗低、性能好、价格高。
适用于袖珍智能仪表。
ADC0832是一个8位分辨率的数模转换器。
3.2.1功能特点
数模转换器的最高分辨率为256,可以满足模拟转换的一般要求。
ADC0832芯片具有两路输出的功能,有较强的数据传输位校验能力,数据传输误差率降低,转换效率提高,工作稳定性很好。
ADC0832独立芯片同时支持输入功能,可以多设备连接,处理器控制更便利。
通过数字量的输入,可以实现选择通道的功能。
其主要特点如下:
(1)8位分辨率,逐次逼近,基准电压5V;
(2)5V单电源;
(3)输入模拟信号的电压范围为0~5V;
(4)输入和输出水平与TTL和CMOS兼容;
(5)250KHZ时钟频率时转换周期为32us;
(6)有两个模拟输入通道可供选择;
(7)低功耗15mWo
3.2.2外部引脚及其说明
ADC0832有两种封装,分别是DIP和SOIC。
DIP封装的ADC0832引脚排列如图3.2所示。
各引脚说明如下:
(1)cs-芯片选择,低电平效率;
(2)CHO,CH1-两路模拟信号输入端;
(3)DI-模拟输入量端口;
(4)DO-模拟量转数字量输出串行输岀端;
(5)CLK串行时钟输入端;
(6)Vcc/REF-正电源端和基准电压输入端;
(7)GND-电源地。
3.2.3单片机对ADC0832的控制原理
一般而言,单片机与ADC0832可用的接口有4个。
然而,由于数字量输出通道和数字量输入通道在通信中并不是同时有效的,与单片机的接口是双向的,数字量输出通道和数字量输入通道可以在电路设计的数据通道上并行连接。
当ADC0832芯片不工作时,它的CS输入将会处于是高电平位状态,此时芯片禁用ADC0832的高电平,数字量输出通道和数字量输入通道可以是任意的。
在执行数模转换时,CS端必须处于低电平位,并一直保持在低电平位,直到转换完成为止。
当ADC0832芯片工作运行时,在芯片时钟输入CLK端口会接收到芯片处理器发出的数字量信号。
数字量输入端是高电位的前提下,时钟脉冲信号才能发挥作用,指示起始位。
在接收之后的时钟脉冲信号时,数字量输入端需要输入两位有效数字来选择通道函数,如表3-2所示。
表3-2ADC0832配置位
输入形式
配置位
选择通道
CHO
CH1
CHO
CH1
差分输入
0
0
+
—
0
1
—
+
单端输入
1
0
+
1
1
+
如表3-2所示,当配置位2位有效数字为1和0时,只执行CHO的一个通道转换。
当配置2位有效数字为1,1时,只有一个通道转换在CH1上执行。
当两个位置有效数字分别为0和0时,通道0作为负输入端,通道1作为正输入端。
⑷当两个位置有效数字分别为0和1时,通道0作为正输入端,反之,通道1作为负输入端。
当第三个时钟脉冲到达后,数字量输入端失去了输入功能,然后数字量输出通道和数字量输入通道开始使用数据输出来读取转换后的数据。
从下一个时钟脉冲开始,从数字量输岀端输出的最大的位D7是信号,而下一个比特数据是由每个脉冲的输出端完成的。
在第12位脉冲发出最低位有效数字DO之前,数据输出的一个字节完成。
就是这个位开始输出有效数字的下一个相对字节,也就是从第12个时钟脉冲的DO。
然后由第20个脉冲输出一个8位字节的有效数字,这也标志着数模转换的结束。
然后,禁用CS芯片,直接处理转换后的数据。
图3.3为ADC0832时序图。
图3.3ADC0832时序图
3.2.4ADC0832的应用
SPI是标准的同步串行外围接口,可以与其他设备直接连接。
SPI连接主机计算机MCU的串行时钟SCK。
⑸SPI串行扩展系统的主设备有无SPI接口皆可,但从设备必须配置有SPI接口。
3.3烟雾报警器选型
烟雾传感器是一种气体-电转换器,它将空气中测量的气体含量转换成电流信号。
烟雾探测报警的信号采集单元是十分重要的,是由烟雾传感器实现的。
当烟雾传感器处于烟雾环境中时,烟雾传感器的内置烟感电阻会随着烟雾的浓度增加而减少,致使后续电路点位降低,从而增加电流,反映出烟雾的浓度,发出警报。
3.3.1烟雾传感器分类
(1)离子式烟雾传感器
离子烟雾传感器的应用十分广泛,可以监测火灾烟雾浓度变化,从而判断火灾情况,发出警报。
在离子型烟雾传感器电离室中,有一个放射源美国241产生正负离子,在电场的作用下,正极和负极分别吸引离子向各自移动。
在没有烟雾的情况下,内、外电离室的电压和电流是相对稳定的。
当烟雾进入外电离室时,⑹在烟雾的作用下就会影响带电粒子的正常运动轨迹,进而影响电压和电流的变化,内、外电离室之间的平衡相应发生改变,无线发射器向接收主机发出报警信号数据,进行报警。
(2)光电式烟雾传感器
光电感烟探测器常见的由散射光型探测器和光型还原型探测器两种类型。
光电烟雾报警器内部安装了一个光学性质迷宫。
光学性质迷宫在没有烟雾的环境中,红外接收装置接收不到红外发射器发射出的红外光线信号,光学性质迷宫在有烟雾的环境中,红外接收器会接收到经过反射和折射的红外线信号,然后报警电路智能和阈值决定是否发出报警信号。
(3)散射光式光电烟雾探测器
在散光型光伏烟雾探测器的探测室中安装了发光设备和光接收设备。
在无烟雾的环境中,发光装置发出的光源信号是不能让接收光源装置接收到的,所以不会产生光电流。
当探测室存在烟雾时,在烟雾粒子的作用折射下,发光装置发岀的光被迅速扩散,接收装置接收到漫射光信号,导致光接收装置内部电阻阻抗产生变化,进而产生光电流,烟气模拟信号转换为光电信号。
探测器接收到光源信号后,经过智能电路信号处理,判断是否应该发出报警信号。
(4)减光式光电烟雾探测器
减光型光电烟雾探测器检测室,配备发光设备和光接收设备。
在无烟雾的环境中,发光装置发出的一部分光信号被接收装置接收到;当探测室存在烟雾时,烟雾阻挡了发光装置发出的光信号,导致照射光量进入到光接收装置内部的数量减少,从而光电流减少,经过智能电路信号处理,判断是否应该发出报警信号。
(5)气敏式烟雾传感器
气体传感器被广泛应用于探测特定气体的领域如天然气、沼气等。
它的结构简单,主要由接触气体传感器、电化学气体传感器和半导体气体传感器。
气体传感器转换天然气及其信息对应浓度成电信号,然后获得信息对应的被测气体环境中根据不同的力量和弱点这些电信号,然后通过自动检测系统进行自我程序逻辑判断、自动控制和发出报警信号。
气敏传感器类型如下:
①可燃气体传感器,包括各种烷桂气体等,广泛应用于大型化工厂等领域;
②一氧化碳气体传感器,广泛应用于大型化工厂和环境保护等领域;
③氧传感器广泛应用于医疗、交通等领域;
④有毒气体传感器主要用于检测污染气体如
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