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论文火警无线报警系统

摘要

火灾已成为我国常发性、破坏性以及影响力最强的灾害之一。

随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下建筑以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。

在工业和民用建筑、宾馆、酒店、图书馆、科研和商业部门，火灾报警系统已成为必要的装置。

火灾报警系统对现代建筑起着极其重要的安全保障作用。

火灾报警控制器是火灾报警系统的核心。

本文对火灾报警控制器和探测器做了深入的研究，并全面阐述了火灾报警控制器和探测器硬件和软件设计。

以下是本文完成的主要工作：

1、火灾报警系统的控制器采用AT89C51单片机进行设计，所设计的控制器具有较高的性价比，还具有探测器管理、预报警、火警处理、通讯等功能。

2、控制器与探测器之间的通讯采用无线高频通讯方式进行，运用PT2262/PT2272进行了无线通讯电路设计，具有抗干扰能力强、功耗低等优点，可靠地完成了探测器与控制器之间的无线通信。

本文设计的火灾报警系统能有效地防止和减少火灾危害，解决有线火灾报警系统不能解决的问题，对保护人身安全和财产安全具有现实意义。

关键词：

火灾报警系统；火灾探测器；单片机；无线通讯

Abstract

Inourcountry,asadisaster,thefirehasmanycharacteristics,suchas:

mediocrity,breakageandinfluence.Inrecentyears,theeconomyandtheconstructiondevelopquickly,increasingofmodernbuilding,undergroundarchitectureandlarge-scaleconstruction,theoccasionoffireisincreasing,thequantityoffireandthelosingitleadstoraisegradually,theintentionoffireproofingisavoidingloss.Intheinstructionofindustryandcivil,hotel,grogshop,library,thedepartmentofscientificresearchandtrade,thefirealarmsystemhasbecomethenecessaryinstallation.Thefirealarmsystemhasimportantfunctionstothemodernbuildings.Thefirealarmsystemcontrollerisitscore.Inthispaper,thefirealarmcontrollersanddetectorsdoAnin-depthstudyandcomprehensivelyexpoundedthefirealarmcontrollersanddetectorshardwareandsoftwaredesign.Followingcompletionofthispaperisthemajorwork:

1.ThefirealarmsystemcontrollerisdesignedontheAT89C51microcontroller,thecontrollerhasahighpriceandmanyfunctionsuchasmanagement,pre-alarm,fire-processing,communications,andsoon.

2.Thecommunicationbetweenthedetectorandthecontrollerisputforwardbyahigh-frequencywireless,itusesPT2262/PT2272tomakeawirelesscircuitdesign.Ithasmanyadvantages,forexample,astronganti-interferencecapabilityandalowpowerconsumption.Itreliablecompletethewirelesscommunicationsbetweentheprobeandcontroller

Thefireal-armsystemcanavoidandreducethefireharm.Itsettlestheproblemthatthewirefirealarmsystemcannotfulfill.

Keywords：

firealarmsystem;firedetector;MCU;wirelesscommunication

目录

1绪论1

1.1课题背景1

1.2国内外报警系统的现状及发展情况1

1.2.1火灾报警系统发展历程1

1.2.2火灾报警系统在国外的发展情况2

1.2.3火灾报警系统在国内的发展情况3

1.3火灾报警系统的分类3

1.4火灾报警探测器3

1.4.1探测器简介3

1.4.2火灾探测器的分类5

1.4.3火灾探测器的性能比较6

1.5课题研究的目的和意义9

2设计方案和测量原理10

2.1引言10

2.1.1火灾探测器的选择10

2.1.2光电感烟探测器的工作原理10

2.2总体设计方案11

2.2.1硬件电路的设计方案11

2.2.2通讯方式12

2.3电源模块的设计12

2.3.1电源模块12

2.3.2电源电路图13

2.4主控模块设计13

2.4.1MCU的选择14

2.4.2AT89C51单片机简介14

2.4.3AT89C2051单片机简介19

3火灾报警系统的硬件设计20

3.1电路图设计20

3.2PCB电路板图设计20

3.3无线高频接收、发射电路21

3.3.1核心芯片简介21

3.3.2发射、接收电路图29

3.4硬件的静态调试29

4火灾报警系统的软件设计31

4.1编程软件介绍keilC5131

4.2火灾报警系统设计的要求31

4.3火灾报警系统探测器单片机软件设计32

4.4可靠性分析33

5总结及展望35

5.1总结35

5.2展望35

结论37

致谢38

参考文献39

附录A英文原文40

附录B中文翻译46

附录C电路图51

附录D源程序53

D.1无线信号发射模块程序53

D.2无线信号接收模块程序57

1绪论

1.1课题背景

火灾是世界上发生频率较高的一种灾害，几乎每天都有火灾发生，据联合国“世界火灾统计中心（WFSC）2000统计资料”，全球每年约发生火灾600万至700万次，全球每年死于火灾的人数约为65000人至75000人。

欧洲和北美发生的火灾较多，死亡人数却相对较少，这与欧美发达国家的生活水平高以及消防设施完善有关；亚洲居住人数最多，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。

火灾早已成为我国常发性、破坏性以及影响力最强的灾害之一。

随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下建筑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。

我国2000年《中国火灾统计年鉴》记载，从1950年至1999年，全国共发生火灾3258105起，死亡人数165499人，伤313766人，直接经济损失1828亿元[1]。

我国每年的起火次数较少，但死亡人数较高，这说明我国的消防保护体系对保护生命安全还有一定的差距，因此现阶段有必要提高全民的防火安全观念，提高我国消防设施水平。

火灾作为危害人类生存的大敌，越来越受到人们的重视。

一旦发生火灾，将对人的生命财产造成极大的危害，于是人们开始寻求一种早期发现火灾的方法，以便控制和扑灭火灾，减少损失，保障生命安全。

火灾报警系统就是为了满足这一需求而研制出来的，并越来越被人们所接受，其自身技术水平也随着人们需求的不断提高，在功能、结构、形式等方面不断地完善

1.2国内外报警系统的现状及发展情况

1.2.1火灾报警系统发展历程

火灾报警系统，从发展过程来看，大体可分为三个阶段。

第一阶段：

多线型火灾自动报警系统。

每个探测器除需提供两根电源线外，还需提供一根报警信号线，探测器电源由报警器提供，探测器的信号线均连接到报警显示盘上，报警时点亮相应的指示灯，如日本“日探”公司生产的CPF火灾报警系统，此类系统的功能一般以报警为主，辅以一些简单的联动功能（也为多线制），如驱动警铃等，其报警器对外围探测器无故障检测功能，只会对电源线的断线做出故障反应，安装此类系统比较繁琐，特别是校线工作量较大[2]。

第二阶段：

总线型火灾自动报警系统。

这种自动报警系统已采用微处理器控制，其线制一般有四线制、三线制、二线制，探测器和模块均采用地址编码形式，通过总线与控制器实现信号传送，其探测器的报警形式为开关量，它的灵敏度在制造时，通过硬件决定，不可调整，此类系统可进行现场编程，并通过各种模块对各联动设备实行较复杂的控制，此类系统已具有系统自检以及对外围器件的故障检验等功能，但对故障类型不能区分，目前国内生产的火灾自动报警系统大多数为此类产品，由于此类产品具有报警和控制功能，它的施工、安装较为方便，且价格较低，已被大量使用[3]。

第三阶段：

智能型火灾自动报警系统。

由于采用了先进的计算机控制技术，智能化程度大大提高，探测器的报警形式采用数字量，并可通过软件对其灵敏度根据使用场合、时间进行设定和调整，如可设定白天、夜间、休息日不同灵敏度。

对探测器的使用环境参数变化较大的场所，灵敏度设定相对低一些，对环境较稳定或一些重要的场所，灵敏度设定相对高一些，这一功能可提高系统的稳定性及可靠性，减少误报[4][5]。

1.2.2火灾报警系统在国外的发展情况

国外一些较发达的国家，具有火灾预防、报警、扑救、善后处理等比较完善的消防体系。

政府每年都要拨出大笔资金用于消防设备更新、人员培训以及消防设施维护。

德国、日本、美国等国家就采用计算机与用户终端的传感器或者用户终端信号采集器相连，对火灾自动报警设备实时监控以及故障远程传输。

例如：

美国、加拿大、英国、澳大利亚、日本等国家在建设和应用城市火灾自动报警监控系统方面均有可供借鉴的成功经验。

他们将自动火灾报警作为公共报警手段接入监控系统，并有效运行多年，使消防指挥中心能够快速准确判断火灾地点、火灾类型，并调度消防部队迅速到达现场，自动报警监控系统在此起到了很大的作用。

此外，这些国家在监控系统管理方面比较规范，专门成立一个监控服务机构，该机构的责任是保证火灾报警数据通信畅通，为用户服务对用户负责，同时向消防部队传送可靠的火灾报警信息，而消防部门的主要责任是对此类服务机构进行资质审查及监督管理。

这种管理运作方式已经取得了良好的效果。

1.2.3火灾报警系统在国内的发展情况

我国火灾报警系统起步较发达国家晚几十年，从上世纪70年代我国才开始研制生产火灾报警系统产品。

进入80年代后，国内主要厂家也多是模仿国外产品，或是引进国外技术进行生产，没有真正意义上的核心技术，并且市场也刚开始发育。

火灾报警产品真正发展是在90年代以后，随着政府逐渐开放国门，国外企业开始大量进入中国消防市场，带来先进技术的同时也促进了市场的成熟。

这时期，我国生产火灾报警产品的企业也得到了快速发展，部分企业进行了合资生产、技术合作，取得了不菲的成绩，也造就了现今市场上许多有实力的商家，部分技术已接近或赶上了国际水平。

1.3火灾报警系统的分类

火灾报警系统根据需要可划分为区域报警系统、集中报警系统和控制中心报警系统[6]。

区域报警系统是由火灾探测器、受动火灾报警按钮、区域控制器等组成。

区域可以视为一栋楼或几层楼的范围，在区域报警系统中设置一台区域控制器，最多设置不应超过三台区域控制器。

集中报警控系统是由火灾探测器、手动火灾报警按钮、区域报警控制器、集中报警控制器等组成。

在集中报警系统中应设置一台集中报警控制器和两台以上的区域报警控制器。

集中报警控制器应设置专用值班室或消防值班室内，由专人看守。

控制中心报警系统是由火灾探测器、手动火灾报警按钮、区域报警控制器、集中报警控制器、消防控制设备等组成系统中应至少设置一台集中报警控制器和相关的消防控制设备设置在值班室，其他部位的集中报警控制器应将火灾报警信号和消防联动控制信号均送至消防控制值班室。

1.4火灾报警探测器

1.4.1探测器简介

火灾探测器通常又叫做探头，是我们监视保护区域发现火灾的第一线感觉器官。

火灾探测器是把火灾发生时燃烧所产生的热量、烟雾、火焰等特性进行“感觉”，并转变为电信号，传给“大脑”火灾报警控制器，由它来处理判断，一旦信号值大于原来设定的闽值，就立即报警，消防控制室立刻启动其它消防设施扑救火灾。

严格说来，这种系统还是一个初步智能系统，它的智能是单向性的。

它只在控制机中有智能功能而在探测器中没有智能功能，而真正的智能系统应该是可以根据现场环境自动调整运行参数，具有自我学习和自适应能力等一系列高级功能的系统。

尽管目前火灾探测器的实报与误报比例在10:

1以下，但是随着火灾自动探测系统应用的日益普遍，其绝对数量不断增加，经常产生误报会降低自动探测系统的可信度，造成不必要的损失，影响它的应用。

因此，寻找适当的信号处理算法和探测方式一直是火灾自动探测研究的首要任务。

物质燃烧，就必然有热量释放出来，环境温度升高，而在燃烧速度非常缓慢的情况下，这种热（温度）是不容易鉴别出来的。

物质在燃烧开始阶段，首先出来的是燃烧气体，比如：

单分子的CO和CO2等气体。

其次还有悬浮在气中较大的分子团、灰烬和未燃烧的物质颗粒，我们把这些悬浮物称为气溶胶，粒子直径一般字0.01μm左右。

烟雾是人的肉眼可见的燃烧生成物，其粒子直径为0.01—10μm的液体或固体微粒称之为烟雾。

不管是燃烧气体还是烟雾它们都很大的流动性，能潜入建筑物的任何空间。

由于有些气体和烟雾有毒性，所以，它对人的生命有特别大的威胁。

据统计，在火灾中约有70%死者的死亡就是这些燃烧气体和烟雾造成的。

火焰是物质着火时产生的灼热发光的气体部分。

物质燃烧到发光阶段，是物质的全然阶段。

在这阶段中，火焰热辐射含有大量的红外线紫外线。

从物质燃烧的基本概念出发，选择合适的火灾探测器是一个非常重要的环节，因为任何一种探测器都不是万能的，每一种探测器有一定的环境适应性，也可以说有一定的局限性。

要想有效地发挥各种火灾探测器的作用，就要掌握各种火灾探测器的探测原理，以及它的适用场所，只有这样才能真正发挥它们作用。

对于普通可燃烧物质的表现形式，首先是产生燃烧气体，然后是烟雾，在氧气供应充分的条件下，才能达到全部燃烧，产生火焰，并散发出大量的热，使环境温度升高（起火过程曲线如图1-1所示）。

图1.1起火过程曲线

如图1.1所示，起火过程中，总是前两个阶段所占有的时间比较长，这是燃烧的开始阶段。

如果要把火灾损失控制在最小限度，保证人身不受伤亡，那么火灾的探测器就应该从此阶段开始进行为宜。

因为此阶段尽管产生了大量的七溶胶和烟雾，充满建筑内的空间，但环境温度并不高，尚未蔓延发展到严重的程度。

由于火灾发生时，会产生烟雾、高温和火光等现象，探测器对这些很敏感。

当烟雾、火光、高温产生时，它就改变平时的正常状态，引起电流、电压或机械部发生变化或位移，信号经过放大，送入控制器，并以声、光等形式发出警报信号，显示火灾的部位、地点。

1.4.2火灾探测器的分类

探测器是火灾报警系统的现场探测部件，它的好坏直接关系到整个系统是否正运行。

当火灾发生时，把因火灾产生的各种非电量参数（如烟，温度等参数）变成电量参数传送给控制器。

其特点是模拟量传输，跟随各种非电量参数（如烟、温度等参数）变化而变化。

火灾探测器根据火灾发生时所表现出来的物理现象可以分为：

气敏型、感温型、感烟型、感光型、感声型五大类[7]。

在每个大类中，又可以根据物理效应分为不同的八大类，如图1-2所示。

图1.2火灾探测器分类

1.4.3火灾探测器的性能比较

由于建筑结构和功能的多元化，为了准确、及时地探测火灾，并进行报警，对火灾探测器提出了更高的要求。

选择火灾探测器时必须充分考虑火灾探测器的性能、建筑空间形状、火灾特点和可能发生的危险。

下面就一些常用火灾探测器和使用场合作一比较。

1、感温探测器：

火灾时物质的燃烧产生大量的热量，使周围温度发生变化。

感温式火灾探测器是对警戒范围中某一点或某一线路周围温度变化时响应的火灾探测器。

它是将温度的变化转换为电信号以达到报警目的。

根据监测温度参数的不同，一般用于工业和民用建筑中的感温式火灾探测器有定温式、差温式、差定温式等几种。

感温探测器对火灾发生时温度参数的敏感，其关键是由组成探测器核心部件—热敏元件决定。

感温式火灾探测器适宜安装于起火后产生烟雾较小的场所。

平时温度较高的场所不宜安装感温式火灾探测器[8]。

2、感烟探测器：

感烟探测器又可分为离子感烟探测器和光电感烟探测器，其中离子感烟探测器具有非常好的早期报警功能，即使在环境条件不太好的场所也会有较好的探测效果，它一般适用于极高的房屋或空心花板或地下室中，感烟探测器适用于火灾前期及早期，产生大量的烟和少量的热，很少或没有火焰辐射，但它不能区分火灾信号与非火灾的厨房烟、水蒸气等信号，所以误报率较高[9]。

感烟式火灾探测器火灾的起火过程一般都伴有烟、热、光三种燃烧产物。

在火灾初期，由于温度较低，物质多处于阴燃阶段，所以产生大量烟雾。

烟雾是早期火灾的重要特征之一，感烟式火灾探测器是能对可见的或不可见的烟雾粒子响应的火灾探测器。

它是将探测部位烟雾浓度的变化转换为电信号实现报警目的一种器件。

感烟式火灾探测器有离子感烟式、光电感烟式、激光感烟式等几种型式。

感烟式火灾探测器适宜安装在发生火灾后产生烟雾较大或容易产生阴燃的场所;它不宜安装在平时烟雾较大或通风速度较快的场所。

3、气体探测器：

气体探测器适用于散发可燃气体和可燃蒸汽的场所。

但由于气体探测器探测对象CO易与还原气体发生化学反应，因而在有还原气体的场所可能发生误报警[10]。

4、图像探测器：

目前研制出的图像火灾探测器有烟雾图像探测器、火焰图像探测器、激光图像感烟探测器等，他们都非常适合于商场大空间建筑。

但烟雾图像火灾探测器对不规则物体或相似图像可能发生误报警;而火焰图像探测器则对高温物体或太阳光照射可能发生误报警；激光图像感烟火灾探测器则由于其良好的探测性能，发生误报警的概率小，非常适合商场建筑的火灾探测。

5、红外火焰探测器和紫外火焰探测器：

由于能够辐射出红外线的不仅仅是火灾的火焰，一些高温物体的表面，如:

炉子、太阳等都能发出与火焰红外线频带相吻合的红外线，因而这些并非火灾的红外源就容易使单波段红外火焰探测器产生误报警，紫外火焰探测器灵敏度高（毫秒级），反应快，适合在火灾时有强烈的火焰辐射、无阴燃阶段且需对火焰做出快速反应的场合，但当环境中有紫外辐射、高温物体或有太阳光直射时可能要发出误报警动作，因此，紫外火焰探测器不宜用于火焰出现前有浓烟扩散或有阳光直射的地方[11]。

任何一种火灾探测器都只是针对火灾中同时出现的多种物理量中的一种进行探测，不可避免的受到环境中某些相似因素的影响，从而导致误报警（误报警是指在非火灾情况下，火灾探测器发出的报警），表1.1列出了几类火灾探测器误报警的部分环境因素。

表1.1误报警原因

火灾中物理量

探测器类型

识别模式

误报警因素

接触型

CO、CO2

气体探测器

接触

还原气体

温度

感温探测器

气体或温度变化

固体颗粒

感烟探测器

灰尘、水滴、小昆虫

静电探测器

静电

非接触型

辐射光

火焰探测器

闪烁频率

照明、太阳光

燃烧音

声音探测器

功耗谱强度

生活、生产噪音

烟雾形状

图像探测器

颜色、边缘

不规则物体、相似色

火焰形状

图像探测器

辐射能量区别

高温物体、太阳光照射

解决误报警问题已成为提高火灾探测器准确性的关键所在，减少和降低误报警，有以下几条比较有效的途径：

1．避免和减少环境因素对误报警的影响。

该方法着眼于引起误报警的环境因素，通过改进探测器结构设计和规定使用条件入手来减低误报警。

2．考察参量变化与实际火灾过程的比较。

该方法着眼于识别方式，通过模拟方式监测某一物理参量的变化历程，并与实验所得火灾过程相应物理参量变化曲线相比较，由此来判断是否发生火灾。

这种方法需要大量的火灾实验数据为基础。

3．改单一物理参量监测为多参量复合监测，降低误报警。

实行多参量复合监测要依据所在建筑及火灾特点（或火灾数据）取舍物理量，既可减低火灾误报警，又能保证经济和技术上可行。

4．寻找适当的信号处理算法，如：

复合趋势算法、模糊逻辑算法和人工神经网络算法等，在提高灵敏度的同时将误报率降低到极限。

1.5课题研究的目的和意义

本系统研究的火灾报警系统里来源于校企横向合作项目，它主要应用在宾馆、酒店的场合。

其中，火灾报警控制器是一种能接收、显示和传递火灾报警等信号的报警装置，它是火灾报警系统的主要组成部分。

火灾报警探测器是监视周围环境状况的“感觉器官”，而火灾报警控制器则是系统的“神经”、“大脑”，是整个系统的核心。

火灾报警控制器担负着监视探测器及系统自身的工作状况、处理火灾探测器输出的报警信号、进行声光报警、指示报警的具体部位、时间及执行相应的辅助控制等任务。

研制火灾报警控制器的目的是为了立足于掌握核心开发技术，降低系统成本。

尽管通过最近几年的消防治理整顿，取得了不少成绩，但与其他国家相比，千次火灾死亡人数较多，我国的火灾形势不容乐观，加之我国经济在高速发展，生活水准大幅度提高，各种生产、办公以及居住场所火灾大增，塑料制品和双层玻璃的大量应用，使火场的外部求援困难重重。

因此，设计简单实用的火灾报警控制系统有着防止和减少火灾危害、保护人身安全和财产安全的重要意义。

2设计方案和测量原理

2.1引言

火灾报警系统，一般由火灾探测器和控制器组成。

其中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感烟探测器、感温探测器和光辐射探测器三大类，其中光电感烟探测器稳定性能较好，误报率低，寿命长等优点，在火灾报警系统中被广泛使用。

使用火灾报警产品的目的就是及早报告火灾的发生，从而迅速有效的控制火灾，把损失降到最低。

而目前使用的火灾报警产品存在以下主要问题：

1、报警系统的维护保养和持续性的技术支持是目前最严重的问题，比例分别为31％和27％。

而造成上述问题的罪魁祸首就是由于缺乏规范、统一的通讯标准。

2、报警系统误报、漏报现象也是目前火灾报警行业主要存在的问题，自从火灾探测器问世以来，长期困扰产业界的就是上述两种现象。

环境中各种因素，如：

静电、灰尘颗粒、气流、杀虫剂、磁场、气温剧烈变化、水蒸气等都会与火灾发生时的状况接近，从而使报警设备发生误判而报警。

针对以上这些问题，能够对火情做出快速、精确探测和有