基于单片机控制的分布式火灾报警系统.docx
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基于单片机控制的分布式火灾报警系统
第1章绪论
1.1引言
火的应用对人类文明和社会进步起到了巨大的推动作用，然而人类并未真正掌握火。
据统计，在众多的灾种中，火灾造成的直接损失约为地震的5倍，仅次于干旱和洪涝，而火灾发生的频度则居于各灾种之首。
千百年来，人类和火灾进行了长期的斗争，积累了许多防火、灭火的经验教训。
人类逐步掌握了火的燃烧机理，燃烧条件和燃烧发展的过程，创造了各种各样防火、灭火的方法，并逐步形成一个充满生机、富有发展前途的消防产业。
在上世纪70年代后期，开始出现一门新兴的多学科交叉应用基础科学一火灾科学，其中心内容就是用现代高科技手段研究火灾发生、发展和防治的机理和规律，为火灾防治提供新的思想、理论和方法，使得人类对火灾的研究进入了科学化、系统化的轨道，并促进了防火、灭火技术的进步。
虽然科学技术的进步使人类的防火、灭火手段发生了很大的变化，取得了可喜的成绩，然而随着社会经济的飞速发展，城市化进程的加快和人口的迅速增长，我国火灾发生的次数、造成的损失却仍呈上升趋势。
因而如何防止火灾发生、减少火灾损失就成为人们普遍关心和深入研究的永恒课题了。
我们国家也充分认识到了这一问题的重要性，在该领域投入了大量的人力、物力，建立了不少科研机构，如国际知名的中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室、南京消防器材股份有限公司的南消火灾实验中心、北京的首安工业消防火灾实验中心等等。
但是这些科研机构大多是侧重于火灾产生机理、火灾学流动与传热分析等理论方面的研究或者是针对大面积大空间场所建筑消防、工业消防系统的研究，而对封闭小空间易燃场所的消防研究则相对显得较为薄弱。
本课题正是因为这一点，所以立足于中小空间易燃场所设计了火灾报警和自动灭火系统，力求经济、实用、环保。
它可较早地发现火情，快速灭火，而且由于氮气的特性稳定，使用范围比较广泛，特别适用于网吧、中小加油站、书店等场所使用。
本文讨论了诸如大厦、居民住宅区、教室、档案室等封闭空间易燃场所的单片机控制的分布式自动报警及灭火系统。
传统的报警系统往往采用单一的探测器，本系统为了提高火灾判断的灵敏度和正确性，设计了一个由感温探测器和感烟探测器构成的复合系统.并在常用的声光报警的基础上，通过控制电路启动阀门驱动装置，将高压氮气储存装置打开，利用氮气减小空间中氧气浓度，起到抑制火灾、减少人员伤亡及财产损失的作用。
由于单片机具有集成度高、可靠性高、功能强、体积小、重量轻等优点，本课题还进行了数字电路的设计，通过模数转换器将上述复合系统所采集到的信号与单片机接口，把前级模拟信号转换成数字信号，利用软件编程实现对硬件电路的控制，进一步提高了系统的灵敏度。
同时通过利用PC机作为上位机，来完成管理功能，而单片机作为下位机完成各路烟感温感的检测，且能与上位机通讯；进一步提高了系统的智能化。
本课题主要完成以下内容:
1.烟雾、温度信号检测电路的设计与调试。
在这一部分包含了以下几个内容:
①选用合适的检测参数;
②设计传感器转换电路;
③完成电路的实验与调试。
2.模拟信号电路的设计与制作。
3.单片机电路的设计与制作。
4.单片机C51语言应用程序的设计与仿真调试。
5.系统的整体调试。
用来保证系统的正常工作，并检验其精度和准确性。
本课题研究工作的关键性问题主要有以下两点:
1.利用光调制技术，抑制干扰光对信号采集的影响。
一般说来，相对于自然光而言，烟雾信号是比较弱的，因此自然光对烟雾信号的影响是显而易见的，极有可能造成误报警或不报警的情况出现。
针对这个问题，本系统利用红外发光二极管发射高频矩形波红外信号，用光敏三极管接收调制光，对信号光进行幅值调制，这大大降低了自然光对烟雾信号的干扰。
另外，通过暗盒安置发光二极管、光敏三极管，也可以进一步保证烟雾信号的真实性和准确性。
2.硬件电路及软件中的抗干扰设计。
由于系统中信号的输入、输出以及单片机之间进行信息的传输，需要抑制过程通道的干扰、电磁场的干扰以及电源的干扰。
同时，还应在制作印制电路板的过程中合理布局、布线，将电路板所带来的干扰减到最小。
除了上述硬件抗干扰措施外，系统还通过软件来增强系统的抗干扰能力。
1.2设计任务和设计方案
1）设计任务
随着经济建设的发展，许多场所的防火措施显得特别的重要，尤其是性能优秀的自动报警防火系统更是重中之重,这样减少很多不必要的损失，使人类的生命和财产都有了一定的保障。
社会对火灾报警控制系统的规模要求越来越大，为了适应市场的需要，设计了一个以AT89C51单片机为核心的分布式火灾报警控制系统。
运用51单片机为核心，搭建系统电路，合理编制软件程序，实现下列的五项功能：
1、实现人机对话；
2、显示报警时间和故障信息，并打印报警时间和报警的探测器所在房号；
3、发生警情时，启动有关消防设备；
4、用PC机作为上位机完成管理功能，下位机采用51单片机控制完成各路烟感温感的检测，且能与上位机通讯；
5、检测量大于24路，软件设计设定故障越限值。
2）设计方案
设计方案一：
由于本设计的单片机控制的分布式火灾报警控制系统要求需要检测大于24路的火灾源头，所以我采用32个感烟传感器及感温传感器的组合装置来作为32路火灾探测器，此装置可以探测到火灾的发生，并输出一个电压信号作为报警信号，这个模拟信号将传到模数转换器ADC0809的模拟信号输入端。
采用4片8输入8输出的模数转换器ADC0809，通过地址端可以选择不通的模拟输入端，通过模数转换器ADC0809将32路模拟信号转换成8位数字信号，而模数转换器ADC0809跟8位的AT89C51单片机的P0口直接连接，将数字信号传给AT89C51单片机，再通过AT89C51单片机对各部分电路进行控制，包括报警时刻的时间显示电路、报警的探测器所在房号的显示电路、火灾声音报警电路，上位机PC机与下位机AT89C51单片机的通讯电路、启动消防设备的电路——利用氮气作为灭火材料和复位电路。
设计方案二：
由于本设计的单片机控制的分布式火灾报警控制系统要求需要检测大于24路的火灾源头。
本设计的单片机控制的分布式火灾报警控制系统需要检测的火灾源头数量是32路。
采用感烟传感器和感温传感器这两种独立元器件的话，那么则分别需要有32个感烟传感器和感温传感器，总共就是64个传感器。
此装置可以探测到火灾的发生，并输出一个电压信号作为报警信号。
在将这个模拟信号传到模数转换器ADC0816的模拟信号输入端。
由于模数转换器ADC0816是有16路模拟输入通道和8路数字输出端的，所以只需要采用两片模数转换器ADC0816就可以完成32路报警模拟信号的模数转换，将32路报警模拟信号转换8位数字信号。
模数转换器ADC0816直接与8位的AT89C51单片机P0口连接，通过P0口将转换得到的8位数字信号传给AT89C51单片机，在通过AT89C51单片机对用二氧化碳即干冰作为灭火材料和复位电路。
方案论证：
比较以上的两种设计方案，我选择了方案一作为自己的设计方案。
因为
（1）设计方案一所用到的元器件比较少，所需要的经费也就比较合适，不会给设计增加不必要的经济负担，不会造成浪费；
（2）设计方案一所用到的模数转换器是8路输入通道、8位输出的A/D转换器，而设计方案二用到的模数转换器则是16路输入通道、8位输出的A/D转换器。
这两种A/D转换器的转换时间都是116μS，也就是说这两种A/D转换器的转换速度是一样的，并且它们的转换精度也是一样的，不存在元器件的优劣问题。
而我本身对模数转换器ADC0809的工作特性参数，还有工作性能，包括ADC0809的在单片机中的具体应用都比较熟悉，能够更好的利用ADC0809，同时不再增加编程的难度，也就是说替自己减少了一些没必要的负担，是自己可以顺利的完成设计任务的要求，达到导师和学校的要求；（3）关于灭火所用的材料，设计方案一使用的是氮气，而方案二使用的则是二氧化碳，就对环境保护的指标来说，用高压氮气比用二氧化碳作为灭火材料来说，氮气对环境的影响比较小，而二氧化碳则会加重全球的温室效应，对影响全球气候，也危害了人类自身的生存环境。
综合以上所述的，设计方案一是有效的、符合设计准则的且合理的设计方案。
所以我采用设计方案一来完成我的设计任务，设计由单片机控制的分布式火灾报警控制系统。
第2章高压氮气灭火剂
在火场中主要靠水的冷却和窒息作用进行灭火，它作为最常见、最廉价的灭火剂用来扑救火灾已经有很长的历史了。
但是，在灭火过程中有时也会造成较大的水渍损失，有些部位不能用水去灭火，而且灭火过程中水的利用率是很低的（根据美国农业部的研究报告提供的数据，只有不到10%的水真正用于灭火），在全球都感到水资源紧张的情况下，这种浪费是很可惜的。
同时水也比较重，当需要将其拖运到一定距离时就会成为负担。
所以，研究和利用新的材料来灭火，并研制出与之相配的装备用于实战有着重要的意义。
根据“稀释氧气灭火”的机理，可燃物在燃烧时需要大量的氧气，当氧气体积分数降到0.15以下时，燃烧就停止了，这里系统将氮气用于封闭场所的灭火，它在国内运用很少，是在该领域一种新的尝试。
2.1氮气的特点
氮气作为一种优良的灭火剂是勿庸置疑的，这一点随着卤代烷系统对臭氧
层的破坏而被停止使用，更显示出它的优越性，CO:
灭火设备虽然又被提上了
使用日程，但其安全性、对地球的温室效应等问题也是不容忽视的[71。
所以氮
气的安全性、透明性、无毒无害性都优于过去的气体系列的灭火剂。
氮在常温
下是以气体形式存在的，无色无味，不燃烧，化学性质稳定，其理化特性如下
表所示（00C,760mmHg柱）
相对分子量
密度g/L
汽化热kg/kJ
汽化后气体体积增加倍数
相对体积质量
液体密度
28.013
1.251
47.59
643
0.967
表1氮气的理化特性
可燃物在燃烧时需要大量的氧气，当高压氮气进入火场后，会使燃烧物所在空间的氧气所占比例急剧下降并吸收大量的热量，当氧气体积分数降到0.15以下时，燃烧就停止了。
这就是利用氮气的性质，使可燃物的温度急剧下降并使其得不到足够的氧气来维持燃烧而窒息。
当燃烧发生时，首先可控制火灾灾情，在消防队到来之前尽量减少人员伤亡。
利用高压氮气灭火比直接利用氮气灭火具有以下的特点:
（1）占用体积小。
当高压氮气进入火场后，其体积急剧膨胀，使氧气体积分数下降到0.15以下，即完成了窒息灭火的过程。
（2）高压氮气的体积膨胀过程将吸收大量的热量。
姗烧燃物刚好具备这个条件，把大量的热能传给氮气来完成其体积膨胀的过程，从而使燃烧物温度迅速降低，如果有足够的高压氮气供应，完全可以使嫩烧物的温度降到其燃点以下，使燃烧中止。
这是利用高压氮气吸收热量达到冷却灭火的目的。
（3）在高压氮气进入火场，急剧膨胀的过程中，在燃烧的空间内形成正压，使可燃物得不到新鲜空气的补充。
2.2氮气灭火系统的适用范围
根据物质的嫩烧特征把火灾分为四类:
A类火灾、B类火灾、C类火灾、D类火灾。
按照这个分类，高压氮气灭火系统基本上都适用于扑救这四类火灾:
①A类火灾中的一般固体物质的火灾
A类火灾是指固体物质火灾，而一般固体物质则是指应用限制以外的固体物质。
氮气灭火剂主要是通过稀释氧浓度、窒息嫩烧和冷却等物理作用灭火，可以较快的将有焰燃烧扑灭，但所需要的灭火剂浓度高，喷放的气体必须维持足够的浸渍时间才可以把固体表面的火彻底扑灭。
因此，氮气灭火剂扑救A类表面火的关键是适时的将灭火剂释放到防护区中，使防护区内尽快达到规定的灭火剂浓度（氮气喷放的时间一般不超过1分钟），同时在喷放灭火剂后还应注意维持较长的浸渍时间（对氮气而言，为10-20分钟）。
②B类火灾
B类火灾是指液体火灾以及在嫩烧时可溶化的某些固体火灾。
B类火灾中最常见的有汽油、煤油、柴油等烃类液体的火灾，醇、醋、醚、酮等有机溶剂的火灾以及石蜡、沥青等一些嫩烧时可溶化的固体火灾。
③C类火灾
C类火灾是指气体火灾。
常见的可燃气体有烷烃、烯烃、炔烃等烃类气体、一氧化碳或煤气、氢等。
氮气对B类和C类火灾的灭火机理主要是大量捕捉、消耗火焰中的自由基，抑制燃烧的链式反应，因而效果极佳。
但同时应具备能够在灭火前切断可燃气源或在灭火后能够立即切断可bfi气源的可靠措施。
及时切断可燃气源，一方面有利于迅速灭火，另一方面可以防止发生二次火灾或爆炸。
④D类火灾
D类火灾是指带电设备及电气线路的过热、短路引发的火灾。
根据统计，电气火灾约占火灾总数的一半。
因而在气体灭火系统规范设计中都把电气危险作为一类特殊的火灾来考虑。
所有的气体灭火系统都适用于扑救此类火灾，这是气体灭火剂优良的电气绝缘性能所决定的。
2.3氮气应用限制说明
氮气（也是所有的气体灭火系统）不适用于扑救下列类型物质的火灾:
强氧化剂、含氧化剂的混合物以及能够自身提供氧而且在无空气的条件下仍能迅速氧化、燃烧的物质，活拨金属，能自动分解的物质，能发生自燃的物质。
第3章火灾探测器
本系统设计用到的是JB-QB-3000系列的感烟感温探测器，分为离子感烟探测器和感温探测器。
图3-1离子感烟探测器原理方框图
离子感烟探测器原理方框图如图3-1所示。
它有检测电离室和补偿电离室、信号放大回路、开关转换电路、火灾模拟检测回路、故障自动检测回路、确认灯回路等组成。
离子式感烟探测器的检测电离室原理如图3-2。
两个金属平板之间加上直流电压，
图3-2检测电离室原理图
并在附近放上一小块同位素锢241。
当周围空气无烟雾时，锢241放射出微量的a射线，使附近的空气电离。
于是在平板电极之间的直流电压的作用下，空气里就会有离子电流产生。
当周围空气有烟雾时，烟雾是由微粒组成，微粒会将一部分离子吸附，使得空气中的离子减少，而且微粒本身也吸收a射线，这两个因素使得离子电流减小。
烟雾越浓，离子电流减少越来越明显。
信号放大回路是在检测电离室进入烟雾以后，电压信号达到规定值以上时开始动作，通过高输入阻抗的MOS型场效应型晶体管作为阻抗耦合后进行放大。
开关转换电路是经过放大后的信号触发正反馈开关电路，将火灾信号传输给报警控制器。
正反馈开关电路一经触发导通，就能自保持，起到记忆的作用。
为了防止探测器至报警器间发生电路断线，或者探测器安装接触不良，探测器被取走等问题发生，故障自动检测回路能够及时发出故障报警信号，以便及时进行检查维修。
离子感烟探测器的电路是由许多电子元件器件组成的，电子器件的损坏将会导致探测器误报警或不报警。
为了检查电子元件是否损坏，可以通过火灾模拟检查回路加入火灾模拟信号，若有问题可以及时维修。
确认灯点亮表明探测器动作。
感温探测器是比较常见的，在这我就不详细加以介绍了。
感烟感温探测器一旦探测到有火灾信号时，就会发出一个模拟电压信号Vi，直接传给ADC0809模拟输入端。
其基本的工作原理如下图：
感烟感温探测器
AT89C51单片机的P0口
ADC0809模数转换器
Vi
第4章模数转换电路
在自动控制领域中，除数字量外经常会遇到另一种物理量，即模拟量，例如：
温度、速度、压力、电流、电压等。
而由于计算机只能识别并处理数字信号，因此计算机系统中凡遇到有模拟信号的地方，就需要将模拟信号转换成数字信号的，在单片机的应用系统中，经常会用到模数转换电路，也就出现了单片机的模/数（A/D）转换的接口问题。
目前这些转换电路及其接口都已集成化，具有体积小、功能强、可靠性高、误差小、功耗低等特点，并能很方便地与单片机连接。
A/D转换器与单片机的接口是单片机应用系统的重要接口，任何型号的ADC芯片都能与单片机连接，但接口形式与ADC芯片型号、转换速度以及分辨率的要求不同有所差异。
从ADC接口电路结构来看ADC芯片与单片机连接有如下形式：
⑴与单片机总线直接连接。
⑵用三态门与单片机连接。
⑶通过I/O接口与单片。
常用的A/D转换器可分为计数比较型、逐次逼近型、并联比较型、双积分型。
在本设计中我们采用逐次逼近型A/D转换器ADC0809。
4.1ADC0809的基本结构内部工作原理
下面介绍逐次逼近型A/D转换器ADC0809的工作原理。
ADC0809的基本结构如图1所示：
模数转换器ADC0809的内部工作原理图如图2所示：
图2ADC0809内部结构图
ADC0809片内有8路模拟选通开关、三态输出锁存器以及相应的通道地址锁存与译码电路。
它可实现8路模拟信号的分时采集，转换后的数字量输出是三态的（总线型输出），可直接与单片机数据总线相连接。
ADC0809采用＋5V电源供电，外接工作时钟。
本系统中，ADC0809工作时钟为500KHz，其转换时间为128μs。
1）输入为8个可选通的模拟量IN0～IN7。
至于ADC转换器接收哪一路输入由地址A、B、C控制的8路模拟开关实现。
同一时刻，ADC0809只接收一路模拟量输入，不能同时对8路模拟量进行模数转换。
ADC0809内部逻辑结构如图1所示。
2）模/数转换
转换开始时，将逐次逼近寄存器清0，这时，D/A转换器输出也为0。
启动转换后，先使逐次逼近寄存器的最高位D7置1，经过D/A转换后，得到一个模拟电压Vs。
把Vs和输入模拟电压Vi进行比较，若Vi大于Vs，则该位为1，反之为0。
然后使逼近寄存器的D6位置1，经过D/A转换后再与Vi进行比较，决定D6为1还是0。
重复上述过程，经过8次比较后，逐次逼近寄存器中得到的数值就是转换后的数据。
这个数据送入缓冲寄存器，从而得到数字量输出。
3）输出
A/D转换器可以将输入的模拟量转化为8位数字信号。
模数转换开启时刻由START端控制。
4.2ADC0809引脚
ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装，其引脚排列如图3所示。
图3ADC0809的管脚图
（1）IN7～IN0：
模拟量输入通道。
ADC0809对输入模拟量的要求主要有：
信号单极，电压范围0～5V，若信号过小还需进行放大。
另外，在A/D转换过程中，模拟量输入的值不应变化太快，因此，对应变化速度快的模拟量，在输入前应增加采样保持电路。
（2）A、B、C：
地址线。
A为低位地址，C为高位地址，用于对模拟量通道进行选择。
CBA的值即如CBA＝011则表示选择IN3路输入。
（3）ALE：
地址锁存允许信号。
在ALE上跳沿，将A、B、C锁存到地址锁存器中。
（4）START：
转换启动信号。
START上跳沿时，所有内部寄存器清零；START下跳沿时，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。
（5）D7～D0：
数据输出线。
其为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。
（6）OE：
输出允许信号。
用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE＝0，输出数据线呈高阻；OE＝1，输出转换的数据。
（7）CLK：
时钟信号。
ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。
通常使用频率为500KHz的时钟信号。
频率范围为10～128KHz。
（8）EOC：
转换结束状态信号。
EOC＝0，正在进行转换；EOC＝1，转换结束。
该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。
（9）VCC：
＋5V电源。
（10）VREF:
参考电压。
参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼进的基准。
典型值＋5V（VREF（+）=+5V，VREF（-）=0V）。
4.3信号采集及处理电路
本设计中数据采集及处理电路部分使用单片机AT89C51。
ADC0809具有三态输出缓冲器，因而可以直接和系统总线连接。
由单片机控制的单片ADC0809模拟通道IN0～IN7的输入通道与三跟地址线之间的逻辑关系，关系如下表：
ADDC
ADDB
ADDA
输入通道
0
0
0
IN0
0
0
1
IN1
0
1
0
IN2
0
1
1
IN3
1
0
0
IN4
1
0
1
IN5
1
1
0
IN6
1
1
1
IN7
表2
时序图如下：
在在本系统设计中需要用到4片模数转换器ADC0809，而每一片ADC0809都有8个模拟输入端，所以一共需要5根地址线来实现选址功能。
每片ADC0809的地址线ADDA、ADDB、ADDC都是接到一起，分别接在74LS537的D0、D1、D2。
其选通工作方式如表2所示。
用74LS537的D3和D4来做片选信号，通过接上一个2-4线74LS139译码器，这样就可以得到4个片选信号，分别控制4片模数转换器ADC0809，也就是把这4个片选信号经过一个非门分别接到ADC0809的片选端,就是地址锁存允许信号ALE。
其选择功能如下表（表3）所示：
D2D3
ADC0809的
00
0111
第1片ADC0809的
01
1011
第2片ADC0809的
10
1101
第3片ADC0809的
11
1110
第4片ADC0809的
表32-4线译码器的选择功能
通过上述的接线方法，可以实现32路模拟信号选一的功能，由感烟感温探测器传过来的每一路模拟电压信号通过各自连接的ADC0809，实现模数转换的功能，每路模拟电压信号都可以转换成8位的数字信号。
VREF（＋）与VCC接＋5V电源上，VREF（-）直接接地。
转换启动信号START接在P3.6口信号端上。
ADC0809工作频率为500KHz，所以，单片机的晶体振荡器选用6MHz，经ALE端的12分频之后的输出频率正好是500KHz，接入ADC0809的CLK端使其可以开始正常得工作。
4.48位锁存器74LS573的管脚和工作特性
1）8位锁存器74LS573的管脚图如下图所示：
Vcc Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 LE
┌┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴┐
│20 19 18 17 16 15 14 13 12 11│
） │
│1 2 3 4 5 6 7 8 9 10│
└┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬┘
OED0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 GND
8位锁存器74LS573
管脚的功能说明如下表：
符号
功能说明
D0-D7
数据输入端
OE
三态允许控制端（低电平有效）
LE
锁存允许端
Q0-Q7
输出端
表4管脚的功能表
2）8位锁存器74LS573的工作特性
引入几个概念：
1.真值表
表574LS573功能表
输出控制OE
使能LE
输入D
输出Q
L
H
H
H
L
H
L
L
L
L
X
Q0
H
X
X
Z
这个就是真值表，表示这个芯片在输入和其它的情况下的输出情况。
每个芯片的数据手册（datasheet）中都有真值表。
布尔逻辑比较简单，在此不赘述；
2.高阻态
就是输出既不是高电平，也不是低电平，而是高阻抗的状态；在这种状态下，可以多个芯片并联输出；但是，这些芯片中只能有一个处于非高阻态状态，否则会将芯片烧毁；高阻态的概念在RS232和RS422通讯中还可以用到。
3.数据锁存
当输入的数据消失时，在芯片的输出端，数据仍然保持；这个概念在并行数据扩展中经常使用到。
4.数据缓冲
加强驱动能力。
74LS244/74LS245/74LS373/74LS573都具备数据缓冲的能力。
OE：
output_enable，输出使能；
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