火灾自动报警系统设计.docx
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火灾自动报警系统设计
远程与继续教育学院
毕业设计〔论文〕
题目:
火灾自动报警系统设计
______________________________________
指导教师:
冈__________________________________
站点:
鄂北学习中心__________________________
学号:
_4202114320489________________________
专业:
机械设计及其制造自动化
年级:
_2021级______________________________
姓名:
2021年5月
毕业设计〔论文〕诚信承诺书
本人重承诺网络教育专升本层次机械设计及其自动化专业的毕业论文?
火灾自动报警系统设计?
的主要观点和思想系本人独立思考完成,并在此申明我愿承当与上述承诺相违背的事实所引起的一切消极后果。
签名:
2021年5月5日
火灾自动报警系统设计
Onthedesignofautomaticfirealarmsystem
摘要
随着我们家庭规模的不断增大,居民用电用气的增加,一些不平安的因素正在不断影响着我们每个家庭的平安,假设不能按照正常的操作规来进展,非常容易导致火灾的发生。
当火灾发生后,第一时间应该采取补救措施进展灭火,同时,假设在现场可以第一时间探测到火灾并采用专业的灭火设备进展灭火的话,那么可以有效的减少损失,减少灾害的发生。
本课题的主要目的是利用大学所学的根底知识,自己独立开发出一个火灾报警系统。
这个系统具有很多特殊的功能,比方说可以实现实时探测火灾报警信号,在第一时间将火灾发生的信息传统到报警器。
本文详细的对火灾报警器的整体知识进展了介绍。
本论文主要容是火灾报警器的传感器选型和火灾报警器控制系统的设计。
关键词:
火灾火灾报警器系统
Abstract
Withtheincreasingofthesizeofourfamily,residentselectricitygasincreases,somefactorsofinsecurityisconstantlyaffecteachofourfamiliessafe,ifnotinaccordancewiththenormsofnormaloperationtocarryout,veryeasytocauseafire.Whenfireoccurs,thefirsttimeshouldtakeremedialmeasuresforfirefightingandatthesametime,ifinthefieldcanbethefirsttimetodetectfireandextinguishingbyprofessionalfireextinguishingequipment,itcaneffectivelyreducelosses,disasterreduction.
ThemainpurposeofthissubjectistousethebasicknowledgeoftheUniversity,theindependentdevelopmentofafirealarmsystem.Thissystemhasmanyspecialfunctions,forexample,itcanrealizereal-timedetectionoffirealarmsignal,thefirsttimetheinformationofthefireoccurredtothealarm.Thispaperdescribesindetailtheoverallknowledgeofthefirealarm.Themaincontentofthispaperisthedesignofthesensorselectionoffirealarmandthecontrolsystemofthefirealarm.
Keywords:
FireAFirealarmSysyem
1绪论
1.1研究背景
火灾是一种偶发的灾害,主要原因是当人们在日常生活和工作中,对于那些引起不平安的因素造成了这样一种灾害,这种灾害对于人或者物都造成巨大的损失,如果比拟轻的火灾,一般会引起物品的损失,如果是比拟重大的火灾,那么会引起人员伤亡事故的发生,因此,有必要对火灾有一个提前的预判,在火灾发生以前将火灾的发生控制的在萌芽状态,如果火灾发生,就通过专业的设备进展控制。
这一切都迫切需要人们提高预防措施,同时也促使人们可以设计出更好的预防火灾的产品来进展科学的防。
在这样的背景环境下,火灾自动报警系统(FAS)就应运而生,它就是为了满足这一需求而研制出的,并且其自身的技术水平也在随着人们需求的不断地提高,在功能、构造、形式等方面不断地完善。
火灾报警器是一种提前预判报警设备,它可以将火灾的发生控制在萌芽状态,从而可以在火灾发生的最初阶段及时控制住火灾的蔓延,如此一来,一旦真的发生了火灾,人们也可以有足够长的时间去逃生,从而不会给人们的生命财产平安造成巨大的损失。
火灾之所以容易容易引起人员伤亡,那是因为火灾发生的过程中,会产生大量的烟雾,特别是会释放出大量的有毒有害的气体一氧化碳。
我们从化学知识中可以知道,一氧化碳是一种有毒有害的气体,这种气体可以损伤人的大脑,让人处于窒息状态,从而对人们的生命造成危害,因此,火车探测器的最主要功能是对室的一氧化碳的浓度进展检测,一旦室的一氧化碳的浓度超过了某个标准值,火灾报警器就会自然报警,从而对人们的生命不会造成损失,这是火灾报警器具备的最最根本的功能,除此以外,火灾报警器还可以将探测到的信号进展上传,送到每个城市的控制中心,将这种信息与火灾探测中心的控制大屏幕进展对接。
这样一来,城市的消防力量可以在第一时间将第一时间将火灾的信息进展整理收集,及时的安排出警,及时帮助火灾现场的人员财产平安。
从这个角度来说,火灾报警器具有优点,及时的发现火灾危险隐患,实时的与消防联动中心对接,及时的将收到的信息进展处理,这样就形成了一个良性循环,防止出现大的损失。
1.2研究目的和意义
随着我们家庭规模的不断增大,居民用电用气的增加,一些不平安的因素正在不断影响着我们每个家庭的平安,假设不能按照正常的操作规来进展,非常容易导致火灾的发生。
当火灾发生后,第一时间应该采取补救措施进展灭火,同时,假设在现场可以第一时间探测到火灾并采用专业的灭火设备进展灭火的话,那么可以有效的减少损失,减少灾害的发生。
1.3本文的主要研究工作
课题的主要目的是利用大学所学的根底知识,自己独立开发出一个火灾报警系统。
这个系统具有很多特殊的功能,比方说可以实现实时探测火灾报警信号,在第一时间将火灾发生的信息传统到报警器。
本文详细的对火灾报警器的整体知识进展了介绍。
本论文主要容是火灾报警器的传感器选型和火灾报警器控制系统的设计。
2系统总体设计方案
2.1火灾产生的原因
我们知道火灾是一种自然或者人为引起的自然灾害,这个灾害的产生是由于出现了可燃物质的燃烧,结果导致了火灾的发生,因此,我们可以这么认为,火灾的发生是一种燃烧现象。
我们从中学化学知识中可以学到,燃烧需要三个根本条件,首先是可燃物,只是最根本的条件,没有物质谈不上了燃烧,其次才是助燃物,这是一个必要条件,最后才是引火源,因为一个物质燃烧的话,必须有一个引起火灾的源头,这也是家庭失火的重要原因。
物质发生燃烧后,必须会有一个缓慢的过程,这个过程首先是发生慢速阴燃,这是燃烧的最根本阶段,这个阶段极不容易发觉。
过了这个阶段,就会发生熄灭或者进一步转化为明火。
下列图那么表示了火灾发生的过程中所引起的变化,如下列图2-1所示:
图2-1起火过程曲线图
2.2系统总体框架
火灾最初发生,是利用探测技术来进展的,因此火灾的探测技术,本质是利用探测元件将最初接触到的物理量变化成信号量,因此,可以根据探测环境的不同,将火灾探测器的类型进展划分,下列图表示的是火灾探测器的类型:
图2-2声光报警系统的总体框图
根据学习到的专业知识,对火灾自动报警系统设计设计思想有了,我们以常见声光报警系统的总体框图来例来说明[3],如图2-3所示下:
图2-3声光报警系统的总体框图
从上图可以看出,一个火灾报警系统主要包括以下几个模块,首先就是数据采集模块,这个模块是最前端接收收集的局部,把采集好的数据送到烟雾传感器里面,通过传感器的数模转换技术,送到单片机部进展处理。
图2-4为火灾报警系统的构造框图。
图2-4系统构造框图
从上图可以看出,51单片机是核心局部,它是部处理单元的核心部件。
整个系统工作原理如下:
现场接触到的是物理量,但是单片机部处理的是数字信号,也就是说需要一种设备将这种物理量转化为数字量,这个过程就需要一种,那就是传感器的作用。
传感器将这种无理量通过信号的采样,也就是我们常见的A/D转换过程形成数字信号,再将数字信号送到单片机的控制局部,形成信号的输入。
这个过程反过来就会引起报警器的动作。
2.2系统总体软件框架
上面我们从硬件过程对整个火灾报警器进展了分析,下面我们从软件方面也进展一个逻辑图的绘制。
首先就是硬件的初始化,假设有温度烟雾信号接收到采集信号,报警器就会正常发出报警信号,那火灾报警器就会自动启动,假设报警器出现异常现象,那么可用采用手动复位的原那么进展复位。
系统程序流程图如图2-5所示
图2-5系统软件框图
我们从软件架构上可以很清晰的看到,假设一个火灾报警器需要正常报警,首先的条件就是要对探测信号进展检测,这个过程就涉及到对传感器进展选型的问题。
下一章节,我们对传感器进展选型分析。
3火灾报警器的传感器选择
3.1火灾探测器的分类
火灾是的主要目的是对现场信号进展探测,目前常见的探测常数有烟雾、温度、适度等非电量参数,这些参数有一个共同点就是均为前端信号接收局部。
这样一个过程有共同的特点,那就是实时检测和生成,传感器接收的都是实时数据,探测器依据所探索的变量可以分为感温型、感烟型、图光型、感声型、气敏型五大类[5]。
从这个角度来说,探测器是整个系统里面最为重要的一个元件,这个元件对于报警器状态的识别起到重要的检测作用。
根据在实际情况中用到的探测器的类型,主要是依据探测的对象来划分。
〔1〕感烟型火灾探测器。
感烟型火灾探测器,从字面上看,就是通过探测烟雾的类型,再将烟雾物理量送到处理单元,产生探测功能,这种探测的原理就是利用细小的烟雾粒子对于光线产生的一种散射。
〔2〕感温型火灾探测器。
感温型火灾探测器,从字面上讲,就是利用火灾产生时引起的温度变化,温度是一种物理量,这种物理量通过专业的前端温度采集设备进展探测,送到控制处理单元,原理也感烟火灾探测器根本一致。
〔3〕感光型火灾探测器。
感光火灾探测器就是利用火灾发生时会产生光线,光线是一种很强的波,这种光线散射的能量被吸收后就会被探测到。
〔4〕可燃气体火灾探测器。
在火灾起发生前,如果出现可燃气体泄漏,也会被探测器探测到,这就是我们常见的可燃气体探测器。
〔5〕复合型火灾探测器。
从字面上理解,复合气体探测器就是同时可以探测几种物理量的设备,一般在现在的市面上,应用也较为普遍。
3.2温度传感器的选定
〔1〕温度探测器的选择条件[6]
温度传感器的选型过程中考虑的因素:
a被测对象的温度参量是不是要实时的在设备上记录,是否具有报警功能以及是否具有自动控制功能,同时也需要确定这个温度参量是不是需要通过远程传输,这些都是需要考虑的围。
b测温围的大小和精度要求。
c测温元件大小是否适当。
d被测物品的温度和实时传送之间会有一段延时,是否需要考虑。
e温度传感器的选择也应该考虑到环境条件比拟恶劣,是否会被温度传感器造成损害。
f价格如保,使用是否方便。
综合以上多种原因,经比照,本文温度探测器使用DS18B20数字温度传感器,其引脚与实物样式如图3-4所示。
〔2〕关于DS18B20[7,8]
DS18B20数字温度传感器是一种很常见的传感器,应该比拟广泛,主要是接线比拟简单,封装形成多种多样,价格廉价,也是首先需要考虑的问题。
1.DS18B20的主要特性:
a适应电压围有一个很大的围一般是从3.0~5.5V,一般不需要单独引电,通过控制器的控制端口即可使用。
图3-1DS18B20数字温度传感器引脚图
bDS18B20的使用非常简单,只需要一根线与控制器连接,就可以使用。
是一种典型的单接口控制传输方式。
cDS18B20可以支持多个节点同时采集信号后进展传输。
dDS18B20构造简单,不需要任何其他的设备相连,非常容易实现。
e温围-55℃~+125℃,在-10~+85℃时精度为±0.5℃。
2.DS18B20的外形和部构造。
DS18B20部构造主要由四局部组成:
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置存放器。
3.DS18B20引脚定义:
aDQ为数字信号输入/输出端;
bGND为电源地;
cVDD为外接供电电源输入端
3.2烟雾传感器的选定
〔1〕烟雾传感器的比拟分析[9]
1.离子式烟雾传感器
离子烟雾传感器是一种很常见的烟雾传感器,本质就是一种比电阻更优的技术来设计,离子烟雾传感器应用非常广泛,主要是这类传感器的设备比拟技术和工艺都比拟先进。
2.光电式烟雾传感器
光线烟雾传感部有很特别是设备对光线进展处理,其主要原理就是利用烟雾产生的烟尘来进展反射、折射等,将接收到的烟雾粒子信息送到报警电路,在每个报警器部都会有一个提前设定的标准值,进展比照,如果超过,就会发出报警信息。
两种传感器的比拟:
离子烟雾报警器适用的围和前向式光电烟雾传感器应用的围大不一样。
一般来说,对于比拟小的烟雾火宅场合,离子烟雾报警器用的较多,因为这种报警器反响更敏捷,对于微小的离子均可以起反响;而在一些烟雾离子比拟大的场合,那么需要前向式光电烟雾传感器,这是因为这种前向式光电烟雾传感器的部的设计可以对大烟雾例子进展过滤检测。
一般情况下,火灾发生后如果产生了大量的微小烟雾,一般都是微小的例子,这种情况下,离子型的探测器会比光电型号更灵敏,更早的探测到火灾。
还有一种场合,就是在火灾发生的早期阶段,产生的大量的烟雾大型离子,光电传感器可以最先检测到。
3.气敏式烟雾传感器
气敏传感器是一种很特殊的传感器,从字面上看,它是一种检测特定气体的传感器,主要分为三个大类,分别是半导体、接触式和电化学等类型。
我们平时在日常生活中用的最多的就是半导体的,这种传感器的应用也非常广泛,比方我们常见的场合包括煤炭有毒气体检测,还有日常生活中我们遇到的酒精含量检测,以及人体口腔异味的检测等场合,都是利用气敏传感器来进展检测。
这种气敏传感器的原理就是将探测到的气体信号的类别以及气体信号的浓度值送到传感器部,然后根据传感器部的A/D转换技术变成数字信号。
在传感器部,可以根据检测到的信号的类型和强弱性来判断出部信号的大小和类型,这些信号送到单片机的控制单元,控制单元通过识别这些信息就可以大致判断出检测到了什么信号,从而驱动报警器发出报警信息。
从上面的原理分析可看出,气敏传感器适用的场合也比拟特定,特别是在石油、化工、有毒有害气体的检测场合,这种探测器可以很好的识别出有毒有害气体的性质和强弱,及时发出报警信号,第一时间给出有利于人身平安的决定。
气敏式烟雾传感器与离子式烟雾传感器的比拟:
火灾烟雾一般是一种混合物,本质上来说,这是一种很复杂的混合物,本质上构成上是由气体、液体和固定等混合而成。
而离子型的烟雾探测器主要是利用热敏电阻的电离室引起的电压变化,从而来判断出烟雾的大致状况,因此,这种探测器本质上是一种利用电离室的变化来判断烟雾的浓度的设备。
气敏式传感器和离子型的烟雾探测器相比拟,性能上并不优于后者,从前面的分析中,我们已经知道,敏传感器适用的场合也比拟特定,特别是在石油、化工、有毒有害气体的检测场合,这种探测器可以很好的识别出有毒有害气体的性质和强弱,及时发出报警信号,第一时间给出有利于人身平安的决定。
〔2〕烟雾检测器工作原理[10]
首先,需要对接收到的信号进展放大,这个信号就是传感器是和烟雾的浓度相关的一个物理量,烟雾浓度越大,电信号检测到的值越大。
检测到的信号送到传感器后,变成了数字信号,在整个系统部,由于接收的信号比拟微弱,需要将信号进展放大,这个就是需要特定的放大电路进展处理。
在将信号进展放大后,需要对信号送到C51单片机部,然后C51单片机部的控制和处理电路将接收到的信号变换成可以被人们识别的十进制数,这个过程就会最终显示到刻度盘上。
这个值同时也会和一个预先设置的标准值进展比拟,我们把这个预先设定的标准值称为阀值,一般情况下,这个阀值的大小会比拟符合场所的实际情况。
如果承受到的信号值比阀门值大,那么报警器就会发出报警信号,产生一个报警触发响应,发出报警的过程中,报警器会持续的发出直线波形信号,产生报警信息。
当然几种状态的报警信号是各不一样的。
烟雾检测器的功能如下:
1.自诊断故障功能、
2.看门狗自检单片机状态功能
调用单片机中的看门狗程序,定时检查单片机工作状态,一旦发现单片机出现死循环状态,立即复位,保证报警器工作正常。
3.与上位机通讯功能
可以通过串口实现通信,通信的对象可以是计算机,也可以是移动设备,它们对报警器采取的方式都是统一控制,这样可以及时的采集并处理数据,同时,报警阀值也是可以更改的。
〔3〕关于烟雾传感器
本次试验过程,我们选用烟雾传感器,这是一种常见的离子型的烟雾传感器,这种传感器具有比拟低的延迟误差。
检测方式:
离子型,一源两室。
放射参数:
电源电压是DC9v,输出电压是5.6+0.4v
电流损耗是27+3pA,灵敏度是0.6+0.1v。
特性参数如下表所示:
1.灵敏度特性〔根据UL217标准风速0.1M/秒〕
2.电源电压特性〔25℃60﹪RH〕
3.温湿度特性温度特性〔温度60﹪〕
4.温度特性〔温度25℃〕源:
放射元素是媚241,放射量是平均33.3KBq=0.9uCi〔29K——37KBq〕。
5.工作环境:
电源电压是DC6.0-18.0V,最大24V;温度是0-50℃,最大-10-60℃,温度95﹪。
保存温度-25-80℃,温度95﹪。
NIS-09C离子烟雾探测器探测到的是烟雾浓度模拟量,烟雾浓度p和输出电压v之间是近似线性的关系,其特性曲线方程:
v=-0.3p+5.6。
4火灾自动报警系统的控制系统设计
4.1前端信号调理电路
由于传感器输出的模拟信号比拟微弱,且含有干扰信号,所以系统需要将信号进展放大和滤波。
温度传感器使用的是高精度模拟输出CMOS温度传感器LM94022,该传感器的末级为推挽输出,输出电压与感测的温度成反比,即温度越高输出电压越低;可提供4个不同增益让用户自行选择,其中包括-5.5mV/℃、-8.2mV/℃、-10.9mV/℃及-13.6mV/℃。
本设计温度传感器灵敏度选择-5.5mV/℃,所以LM94022的GS0和GS1端口都接地,温度信号调理电路如图3.1所示。
烟雾传感器输出电压较大,能到达几伏,不需要放大烟雾信号,只需要将信号滤波处理,烟雾信号调理电路如图3.2所示。
由于温度、烟雾信号调理电路运放LM324接直流电源,电路中有直流,所以在电路中设计了起隔直通交的电容C1、C2、C7。
系统采用固定门限检测法[23]判断火灾是否发生,温度阈值设定为57℃,烟雾浓度阈值设定为3.2%每英尺[11,12]。
图4-1温度信号调理电路
4.2晶振电路与复位电路
〔1〕晶振电路[11,13]
晶振电路是一种提供时钟信号的电路,一般在单片机部,晶振是为单片机提供时钟信号的。
我们在单片机部可以看到这样的两个引脚XTAL1和XTAL2,这两个引脚在部形成一个放大器,物理学中我们明白,这是一个产生时钟信号的信号放大器。
如果需要自动产生自激,那么需要石英晶体一起配合完成,在电路中,可以看到电路中的石英晶体与电容C2、C3接在放大器的反响回路中构成并联振荡电路,系统的晶振电路如图3-3所示。
我们知道,外接电容的大小会影响到频率表的上下、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性,如果使用石英晶体,电容的容量大小围为
;如果使用瓷谐振,那么电容容量大小为
。
本设计中使用石英晶体,电容的容值设定为30pF。
〔2〕复位电路
复位电路是一种很特殊的电路,从字面上看,这种电路是将整个系统的状态恢复到原始状态的电路,系统需要提供一种复位标志电位。
当整个系统的状态恢复到一个状态后,需要一定的延时才能真正的撤离复位信号,防止因为电源的抖动或者信号的错位而造成了复位功能不能完全。
一般单片机在正式开场工作之前,都需要将单片机处于一个复位状态,这个状态是系统自动设定的,以便更好的维持系统的复位状态和初始值。
我们要研究的8051单片机的复位信号,从物理上看,是有一个复位引脚,叫REST脚,这个引脚会和触发器相连。
一般复位的过程就是使REST引脚上有一个比拟高的高点平,这个电平一般会维持两个机器周期,这样整个复位功能就可以实现。
一般的复位方式分为两种,也就是常见是采用手动和上电进展。
手动复位,简而言之就是用手在复位键上输入一段高电平,一般这个高电平的值是5V,采取的方法就是外界正向电压来复位。
当人的手指按下复位键后,整个系统就会处于复位状态,这是因为人在用手按下的瞬间时间虽短暂,但是整个系统的复位时间是完全满足要求的,系统的复位时间要求也仅仅毫秒级。
在图中我们看到整个复位的操作非常方便,一般来说,我们会在整个复位键的旁边设置一个过滤电容C,防止干扰的产生。
AT89C51晶振电路与复位电路如图3-5,图3-6所示。
图4-2AT89C51单片机的晶振电路
图4-3AT89C51单片机的复位电路
4.3声光报警电路
声光报警电路是在89C51单片机的控制下,进展报警控制,根据不同的场景,采取不同的策略,一般来说,声光报警电路比拟简单,也很容易实现[11,12,14]。
我们可以看到报警电路如图4-4所示,我们可以看到一般需要在I/0之间设置一个放大电路,对收集到的信号进展放大,这是因为一般蜂鸣器的工作电流大,系统部的一般都是微弱的电流,无法实现输出的正常播放,因此在正常情况下,需要对电流进展放大处理。
一般声报警电路,是采用P10引脚进展控制,当P10输出的电平为高电平,三极管导通,蜂鸣器的电流形成回路,发出声音报警;否那么,三极管截止,蜂鸣器不发出声音[24]。
图4-4蜂鸣器报警
光报警电路路如图3.5,其中单片机的P2口进展控制,P2口的P2.3~P2.6分别控制4个发光二极管,予以光报警,如下图。
P2.3~P2.6控制的灯依次为红色(火灾信号灯)、红色(异常信号灯)、黄色(故障信号灯)和绿色(正常信号灯)。
当P2.3~P2.6输出低电平时,对应的信号灯便会发光报警。
4.4整体总电路图的绘制
图4-5硬件电路总图
5火灾自动报警系统软件仿真调试
5.1Keil开发软件介绍
本系统的软件编程使用的是美国KeilSoftware公司出品的KeilC51,C51工具包的整体构造中,μVision与Ishell分别是C51forWindows和forDos的集成开发环境(IDE),可以完成编
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