火灾报警系统的设计.docx

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火灾报警系统的设计

编号

淮安信息职业技术学院

毕业论文

题目

火灾报警系统的设计

学生姓名

杨彬

学号

71095028

系部

电子工程学院

专业

电子信息工程技术

班级

710950

指导教师

卢素锋讲师

顾问教师

二〇一二年六月

摘要

火灾已成为我国常发生性和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。

本设计中的主体建筑是江苏省淮安市淮安信息职业技术学院的学生宿舍楼，以此为应用对象研究火灾报警系统的设计和可靠性分析。

火灾报警系统对学生宿舍楼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。

关键词：

火灾报警系统控制器探测器

第一章绪论

1.1课题的背景

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和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。

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火灾产生原理及过程

火灾是一种失去人为控制的由燃烧造成的灾害，产生火灾的基本要素是可燃物、助燃物和点火源，可燃物以气态、液态和固态三种形态存在，助燃物通常是空气中的氧气。

根据可燃气体与空气混合方式不同有两种燃烧方式，如果在燃烧前，可燃气就与空气均匀混合，则称之为扩散燃烧。

液体和固体是凝聚态物质，难与空气均匀混合，它们燃烧的基本过程是当从外部获取一定的能量时，液体或固体先蒸发成蒸汽或分解出可燃气体（如CO等）的分子团、灰烬和未燃烧的物质颗粒悬浮在空气中，称之气溶胶。

一般气溶胶的分子较小（直径0.01微米）。

在产生气溶胶的同时，产生分子较大（直径0.01-10微米）的液体或固态微粒称之烟雾。

可燃气体与空气混合，在较强火源作用下预混燃烧。

着火后，燃烧产生的热量使液体或固体的表面继续放出可燃气体，并形成扩散燃烧。

同时，发出含有红、紫外线的火焰，散发出大量的热量。

这些热量通过可燃物直接燃烧、热传导、热辐射和热对流，使火从起火部位向周围蔓延，导致了火势的扩大，形成火灾。

其中的气溶胶、烟雾、火焰和热量称为火灾参量，通过对这些参量的测定使可确定是否存在火灾。

根据火灾发生时产生现象的不同，可以将火灾分为慢速阴燃、明火和快速发展火焰等。

阴燃就是在疏松或颗粒介质中形成的缓慢进行的热解和氧化反应，它能长时间自行维持并传播，当条件发生变化时，或者自行熄灭，或者转化为明火。

明火则是火灾发生时燃烧火焰产生的热量使液体或固体的表面放出可燃气体，并形成扩散燃烧，同时发出含有红、紫外线的火焰。

快速发展火焰则是火灾扩散的速度特别快，这种类型的火灾一般为空气中混有大量可燃气体。

通过大量的研究表明阴燃是诱发火灾的重要原因。

总的来说，普通可燃物在燃烧时表现为以下形式：

首先是产生燃烧气体，然后是烟雾，在氧气充足的条件下才能达到全部燃烧，产生火焰，发出可见光和不可见光，并散发出大量热量，是环境温度升高。

起火过程中，起初和阴燃两个阶段所占的时间比较长，虽然产生大量的烟雾，但是环境温度不太高，若探测器就应该从此阶段开始进行探测，就可以火灾损失控制在最小限度。

火焰燃烧后，迅速蔓延，产生大量的热使得环境温度升高，如果能将这时能探测到有效的温度值，就可以比较及时地控制火灾。

起火过程曲线如图1-1所示。

图1-1起火过程曲线

1.3学生宿舍楼的概况

1.3.1学生宿舍的结构

该学生宿舍楼有两幢组成的，每一幢的结构都相同。

共分六层，每一层的结构都一样。

每一幢学生宿舍楼的长度大约为66m，宽度大约为18.5m。

每一幢学生宿舍楼共有六层，每一层的结构也相同。

每一层大约有30个学生宿舍，每个学生宿舍的长度大约为8m，宽度大约为3.3m，高度大约为3m。

简单的平面图如图1-2所示。

图1-2学生宿舍平面图

1.3.2学生舍楼火灾的危险性

现在的学生公寓较之以前的集体宿舍有了很大变化,内部的设施更加安全,住宿更加舒适、方便,但其潜在的火灾危险性就更大。

（1）可燃物多。

学生公寓虽然大都是钢筋混凝土结构,但大量的室内设施和陈设用具,如电脑等电器、木材和棉、麻、丝、纸制品,这些都是可燃物,增加了建筑物内的火灾荷载。

（2）人员密集,易造成重大伤亡。

学生公寓内的学生,一般一个房间最少住2名学生,最多达到8名学生,一座公寓往往住几百名学生,发生火灾时,由于烟雾弥漫,人员心理紧张,很容易引起混乱,造成重大伤亡。

（3）学校管理和消防安全存在矛盾。

目前,很多学校一方面为了安全,另一方面为了方便对学生的管理,在公寓的楼梯间或对外出口均设置了铁栅栏门,使安全疏散通道不能保持畅通,一旦出现火灾及意外事故,给学生安全逃离火场及组织人员施救将会带来很大困难,学校管理和消防要求之间的矛盾显得特别突出。

（4）灭火设施配备不足,学生缺乏基本的灭火逃生常识。

实际调查表明,我国高校大部分学生消防意识淡薄,由于从小到大从未接触过消防工作,对消防常识知之甚少,有的连火警电话都不知道,对一些常见的灭火器材有的看都没看过,更别谈如何使用。

加上学生的好奇心强,学校在学生公寓配备的灭火器材,往往得不到有效保管,经常被人为损坏。

加上很多学校在公寓建设初期本身就缺少自动消防设施的投入,一旦不慎发生火灾后,常常导致不能及时扑救,使小火酿成大灾。

1.4本文的工作内容

本文采用烟雾传感器、温度传感器、AT89S52单片机以及LED显示灯模块设计了一种智能火灾报警器，可以实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。

是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的火灾报警器，具有一定的实用价值。

本系统采用ATMEL公司的AT89S52单片机作为处理器，主要完成以下工作：

（1）基于AT89S52的火灾报警检测设计方案；

（2）温度传感器AD590、离子烟雾传感器、A/D转换芯片ADC0809的选择以及与单片机的接口电路设计。

第二章火灾报警系统简介

2.1火灾报警系统概述

火灾报警系统能够在火灾初期，将燃烧产生的烟雾、热量和光辐射等物理量，通过感温、感烟和感光等火灾探测器变成电信号，传输到火灾报警控制器，并同时显示出火灾发生的部位，记录火灾发生的时间。

火灾自动报警系统的组成形式多种多样，它的发展目前可分为三个阶段。

（1）多线制开关量式火灾探测报警系统。

这是第一代产品，目前国内极少数厂家生产外，它基本上已处于被淘汰状态。

（2）总线制可寻址开关量式火灾探测报警系统。

这是第二代产品，尤其式二总线制开关量式探测报警系统目前正被大量使用。

（3）模拟量传输式智能火灾报警系统。

这是第三代产品。

目前我国已经开始从传统的开关量式火灾探测报警技术，跨入具有先进水平的模拟量式智能火灾探测报警技术的新阶段，它的系统的误报率降低到最低限度，并大幅度地提高了报警的准确度和可靠性。

目前火灾自动报警系统有智能型、全总线型以及综合型等，这些系统不分区域报警系统或集中报警系统，可达到对整个火灾自动报警系统进行监视。

但是在目前的实际工程当中传统型的区域报警系统、集中报警系统和控制中心报警系统仍得到较为广泛的应用。

火灾自动报警系统的工作原理如图2-1所示。

安装在保护区的探测器不断的向所监视的现场发出巡检信号，监视现场的烟雾浓度、温度等，并不断反馈给报警控制器，控制器将接到的信号与内存的正常整定值比较、判断确定火灾。

当发生火灾时候，发出声光报警，显示火灾区域或楼层房号的地址编码，并打印报警时间、地址等。

同时向火灾现场发出警铃报警，在火灾发生楼层的上下相邻层或火灾区域的相邻区域也同时发出报警信号，以显示火灾区域。

各应急疏散指示灯亮，指明疏散方向。

图2-1火灾自动报警系统原理图

2.2火灾报警系统的组成

火灾自动报警系统是由触发器件、火灾报警装置、火灾警报装置以及具有其它辅助功能的装置组成的火灾报警系统，在火灾自动报警系统中，自动或手动产生火灾报警信号的器件称为触发件，主要包括火灾探测器和手动火灾报警按钮。

2.2.1火灾探测器

火灾探测器是火灾自动报警系统的传感部分，是组成各种火灾自动报警系统的重要组件，是火灾自动报警系统的”感觉器官”。

它能对火灾参数（如烟、温度、火焰辐射、气体浓度等）响应，并自动产生火灾报警信号，或向控制和指示设备发出现场火灾状态信号的装置。

火灾探测器是系统中的关键元件，他的稳定性、可靠性和灵敏度等技术指标会受到诸多因素的影响，因此火灾探测器的选择和布置应该严格按照规范进行。

2.2.2火灾探测器的分类

目前火灾探测器的种类很多，按照不同的方式有不同的分类方法。

根据监测的火灾特性不同，火灾探测器可分为感烟、感温、感光、复合和可燃气体等五种类型，每个类型又根据其工作原理的不同而分为若干种。

根据感应元件的结构不同，可分为：

点型火灾探测器，线型火灾探测器。

根据操作后是否能复位，可分为：

可复位火灾探测器，不可复位火灾探测器。

火灾探测器的选择应符合下列要求：

（1）对火灾初期有阴燃阶段，产生大量的烟和少量的热，很少或没有火焰辐射的，选用感烟探头；

（2）对火灾发展迅速，产生大量热、烟和火焰辐射的，选用感烟探头、感温探头、火焰探头或它们的组合；

（3）对火灾发展迅速，有强烈的火焰辐射和少量烟、热的，选用火焰探头；

（4）对情况复杂或火灾形成特点不可预料的，可进行模拟实验，根据实验选用适宜的探头；

（5）在不同高度的房间设置火灾探测器时可参照表2.1的规定。

表2.1点型感烟、感温火灾探测器的实用高度

房间高度（m）

感烟探测器

感温探测器

一级

二级

三级

不适合

适合

不适合

适合

不适合

适合

不适合

适合

2.2.3火灾探测器的分类

（1）探测区域内每个房间至少应布置一只火灾探测器。

（2）感烟探测器、感温探测器的保护面积和保护半径应该满足表2.2的规定。

表2.2感烟、感温探测器的保护面积和保护半径

火灾探测器的种类

地面面积

S（m2）

房间高度h（m）

一只探测器的保护面积A和保护半径R

房间坡度θ

θ≤15°

15°＜θ≤30°

θ＞30°

（m2）

（m）

（m2）

（m）

（m2）

（m）

感烟探测器

S≤80

h≤12

6.7

7.2

8.0

S＞80

6＜h≤12

6.7

100

8.0

120

9.9

h≤6

5.8

7.2

100

9.0

感温探测器

S≤30

h≤8

4.4

4.9

5.5

S＞30

h≤8

3.6

4.9

6.3

（3）一个探测区域内所需设置的探测器数量，应由下式计算，

式中：

N—一个探测区域所需设置的探测器数量（只），N

1（取整数）；

S—一个探测区域的面积（m2）;

A—一个探测器的保护面积；

K—修正系数，重点保护建筑K取0.7～0.9，普通保护建筑K取1.0。

（4）在宽度小于3m以内的走廊顶棚上设置探测器时宜居中布置。

感温探测器的安装间距L不应超过10m，感烟探测器的安装间距L不应超过15m，探测器至端墙的距离不应大于探测器间距的1/2。

（5）探测器至墙壁、梁的水平距离不应小于0.5m，并且探测器的周围0.5m内不应有遮挡物。

（6）房间被书架、隔断、设备等分隔且至顶棚或梁的距离小于房间净高5％时，则每个被格开的部分至少安装一只探测器。

（7）探测器宜水平安装，如必须倾斜安装时，倾斜角不应大于45°。

当屋顶坡度θ大于45°时，应加木台或类似方法安装探测器。

2.2.4手动火灾报警按钮

（1）手动火灾报警按钮概述

火灾自动报警系统应有自动和手动两种触发装置。

各种类型的火灾探测器是自动触发装置，而在防火分区疏散通道、楼梯口等处设置的手动火灾报警按钮是手动触发装置，它应具有应急情况下，人工手动通报火警的功能。

（2）手动火灾报警按钮的设置

每个防火分区应至少设置一只手动火灾报警按钮。

从一个防火分区内的任何位置到最邻近的一个手动火灾报警按钮的距离，不应大于30m。

手动火灾报警按钮宜设置在公共活动场所的出入口处。

手动火灾报警按钮应设置在明显的和便于操作的部位。

当安装在墙上时其底边距地高度宜为1.3~1.5m，且应有明显的标志。

手动火灾报警按钮宜与集中报警器连接，且应单独占用一个部位号。

因为集中控制器设在消防室内，能更快采取措施，所以当没有集中报警器时，它才接入区域报警器，但应单独占用一个部位号。

2.2.5火灾报警控制器

火灾报警控制器是火灾自动报警系统心脏，具有下述功能：

（1）用来接受火灾信号并启动火灾警报装置；

（2）能通过火警发送装置启动火灾报警信号或通过自动消防灭火控制装置启动自动灭火设备和消防联动控制器；

（3）自动地监视系统的正确运行和对特定故障给出声、光报警。

2.2.6火灾报警控制器分类

火灾报警控制器种类繁多，根据不同的方法可分成不同的类别。

（1）按控制范围可分为：

区域火灾报警控制器，集中火灾报警控制器，控制中心火灾报警控制器；

（2）按结构型式可分为：

壁挂式火灾报警控制器，台式火灾报警控制器，框式火灾报警控制器；

（3）按系统布线方式分为：

多线制火灾报警控制器，总线制火灾报警控制器。

2.2.7火灾报警控制器的功能

（1）火灾报警：

当收到探测器、手动报警开关、消火栓开关及输入模块所配接的设备所发来的火警信号时，均可在报警器中报警。

（2）故障报警：

系统运行时控制器分时巡检，若有异常（设备故障）发出声、光报警信号，并显示故障类型及编码等。

（3）火警优先：

在故障报警或已处理火警时，若发生火警则报火警，而当火警清除后又自动报原有的故障。

（4）时钟与火灾发生时间的记忆：

系统中的时钟走时通过软件编程实现，具有相应的存储单元，记忆事故发生时间。

（5）自检功能：

为了提高报警系统的可靠性，控制器设置了检查功能，可定期或不定期的进行模拟火警检查。

2.2.8工作原理

控制器把火灾探测器传来的信号进行处理、报警。

从原理上讲无论是区域报警控制器还时集中报警控制器都遵循同一工作模式，即收集探测信号－输入单元－自动监控单元－输出单元。

工作原理如图2-2所示。

图2-2火灾控制器原理

第三章系统的电路设计

3.1核心芯片选择

在火灾报警器的设计中，单片机是其核心部件。

它一方面要接收来自传感器送来的温度、烟雾对应的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对这两种信号分别进行处理，以控制后续电路进行相应动作；与此同时查询是否有键按下的请求。

在单片机完成这些工作的过程中，尤其是信号处理中，比较浓度值后送入显示的软件实现比较复杂，要求单片机具备较快的运算速度，使检测人员能够较准确地观测到烟雾浓度，并根据情况进行相应的处理。

并且也要考虑选择低价实用的机型，并为研制同一系列的低功耗产品做准备。

根据多方面的比较，本设计选用ATMEL公司的AT89S52单片机作为控制器。

3.1.1AT89S52简介

AT89S52是一个低功耗、高性能的CMOS8位单片机，片内含4kBytes（ISP）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。

芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的计算机AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S52片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间，支持最大64K外部存储扩展。

根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在0-33M之间。

片内资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。

可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。

不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。

根据本次设计的具体情况，采用双列直插DIP-40封装。

AT89S52的引脚图如图3-1所示。

图3-1DIP-40封装AT89S52引脚

3.1.2集成温度传感器

AD590是美国AnalogDevices公司生产的一种电流型二端传感器，由于AD590是电流型温度传感器，它的输出同绝对温度成正比，及1

A∕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10千欧的电阻R1和一个100欧的可调电阻W，将电流量变为电压量送入ADC080。

通过调节可调电阻便可在输出端V

获得与绝对温度成正比的电压量，即10mV∕K,温度0℃时输出为0，温度25℃时输出为2.982V。

这样便于A/D转换器采集数据。

3.1.3气体传感器

火灾中气体烟雾主要是CO

和CO，TGS202气体传感器能探测CO

，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。

如上图所示，当TGS202探测到CO

或CO时，传感器的内阻变小，V

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，V

端获得适当的电压（设为3V）。

3.1.4数码管驱动芯片

ICM7218是INTERSIL公司生产的一种性能价格比较高的通用8位LED数码管驱动电路,28脚双列封装,是一种多功能LED数码管驱动芯片,可与多种单片机接口使用。

ICM7218的输出可直接驱动LED显示器,不需外接驱动电路,工作电压为+5V,其构成的显示电路结构简单,使用方便。

同样由单片机向ICM7218写控制字及数据，编程部分像给外部RAM写数据一样简单。

当单片机写入模式控制字后，ICM7218以约定的方式接收显示数据并将数据写入静态显示RAM中。

数据接收结束，ICM7218在扫描控制电路的控制下，按设定的译码模式，以动态扫描显示方式向段显示驱动器和位控驱动器发出控制信号，直到下一个控制字写入前，不停地进行动态显示工作。

其引脚图和内部框图如图3-2所示。

图3-2ICM7218引脚图及内部框图

3.2单片机外围接口电路

AT89S52单片机外围接口电路如图3-3所示，主要包括：

（1）晶振电路：

内部时钟电路的晶振频率一般选择在4MHZ~12MHZ之间（该设计选用6MHZ），外接两个谐振电容。

该电容的典型值为30pF,该设计选用33pF；

（2）复位电路：

单片机复位采用按键高电平复位，而单片机在平时则复位端为低电平0；

（3）直流电源：

供单片机工作。

图3-3单片机外围接口电路

3.3信号处理电路

图3-4信号处理电路

对于传感器输出的模拟信号，一般要用运算放大器对其进行调理或放大，以满足A/D转换器对输入模拟量幅值及极性的要求。

在本报警器电路中，同样要对两类传感器的输出信号进行放大调理。

电路图如上图3-4所示，运算放大器接成电压放大电路。

从传感器采集过来的微弱电压信号，经过电压放大器的放大，得到较强的模拟电压信号。

采样时，把相应的模拟电压信号从Vi端送进LM324A进行放大处理后，从Vo端输出送入A/D转换电路。

3.4A/D转换模块

经气敏传感器所检测的电压信号为模拟信号，无法直接被单片机所识别，所以在经过放大电路后对信号进行A/D装换，将模拟信号转化为数字信号输入单片机。

A/D转换电路采用了常用的8位8通道数模转换常用芯片ADC0809，烟雾、温度传感器的输出端分别接到ADC0809的IN0和IN1。

ADC0809的通道选择地址由AT89S52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。

其中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。

图中ADC0809转换结束状态信号EOC接到AT89S52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。

由于ADC0809片内无时钟，故利用8051提供的地址锁存使能信号ALE经D触发器二分频后获得时钟。

因为ALE信号的频率是单片机时钟频率的1/6，如果时钟频率为6MHZ，则ALE信号的频率为1MHZ，经二分频后为500KHZ，与ADC0809的典型值吻合。

电路图如图3-5所示。

图3-5A/D转换电路

3.5声音报警电路

由AT89S52的21脚实现声音报警控制。

当可燃性气体浓度或温度超过限定值时，将P2.0置为低电平，三极管导通，扬声器发出鸣叫报警。

其电路原理图如图3-6所示。

图3-6声音报警电路图

3.6数码管显示电路

数据采集进来并被成功地由模拟量转化为数字量后，就被传送到系统的显示模块，让人们更直接地观察到相关数据。

在本系统中，对LED进行的是动态扫描，除了给显示器提供段的输入之外，还要对显示器进行位控制。

显示器的第一位显示所选择的通道号，而后三位则显示该通道传送进来的相应的数字量。

本系统显示用的4位七段数码管由数码管专用驱动芯片ICM7218A驱动，27、3、1、25、2、24、26脚分别接数码管的a、b、c、d、e、f、g，15、16、23、20脚为位选，分别控制4位数码管的亮灭，ID0~7为数据线，接单片机P0口，WRITE、MODE是写控制位和模式控制位，分别接单片机P3.6、P2.6。

其电路图如图3-7所示。

图3-7数码管电路图

3.7状态指示灯及控制键电路

图3-8指示灯

图3-9控制按键

状态指示灯及控制键电路如图3-8、3-9所示，单片机AT89S52的P2.2、P2.3、P2.4控制输出的状态指示灯。

绿灯亮表示正常状态，环

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