自动火灾报警控制系统的设计与仿真分解.docx
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自动火灾报警控制系统的设计与仿真分解
本科毕业论文（设计）
论文（设计）题目：
自动火灾报警控制系统的设计与仿真
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2015年5月28日
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摘要III
摘要
到目前为止,越来越多的火灾造成大量的财产损失。
有很多火灾危险在我们的日常生活中。
火警是防止火灾损失的唯一途径。
世界各地的研究人员正在研究火灾报警。
在设计时根据最新的报警系统设计的发展方向。
报警系统的建模和仿真技术。
报警系统的建模和仿真技术是最好的方法。
本文主要通过建模与仿真技术研究和探索火灾报警的性能。
本文详细介绍了系统的开发过程和具体方法。
关键字：
火灾、报警、仿真
Abstract
Sofar,moreandmorefirecausedalotofdamagetoproperty.Therearealotoffirehazardsinourdailylife.Firealarmistheonlywaytopreventthefiredamage.Researchersaroundtheworldarestudyingfirealarm.Whenthedesignaccordingtothelatestdevelopmentdirectionofthealarmsystemtodesign.Takethealarmsystemofmodelingandsimulationtechnology.Thealarmsystemisthebestwaytomodelingandsimulationtechnology.
Thisarticlemainlythroughmodelingandsimulationthatthetechnologytoresearchandexploretheperformanceofthefirealarm.Thisarticledetailsthedevelopmentprocessandtheconcretemethodofthesystem.
Keywords:
fire,alarm,simulation
第1章 概论
1.1火灾报警系统发展前景
自从火灾报警系统的产生到现在一共走过了三个阶段。
第一阶段我们称之为多线型火灾自动报警系统，具体的是在系统中每一个感应器除了需要提供两根电源线外，还需提供需要一根报警信号线，感应器电源是由报警器提供，感应器的信号线均连接到报警显示盘上，并且我们的报警时点亮相应的指示灯。
第二阶段我们称之为总线型火灾自动报警系统。
总线型自动报警系统是需要我们不但采用微处理器来控制，其控制器的线制一般有四、三、二线制，并且较复杂的控制是通过模块对设备的联动，这一类系统已经具备有自己检查、检查外部仪器的故障类型，但对故障类型是不能够区分的。
迄今为止国内的火灾自动报警系统大多数为总线型产品，这种产品不仅有报警控制功能，而且价格低廉。
第三阶段为人工智能型的火灾自动报警系统，这种类型的火灾报警系统是由计算机控制的所以智能化程度大大的提高。
在感应器的报警形式是把模拟信号转换为数字信号，并且是可以通过软件来调节感应器的灵敏度而非取决于硬件性能。
在当今高速发展的社会大背景下越来越多的火灾事故造成了巨大的经济和财务的损失。
我们生活在高层建筑物上，由于逃生的路线比较困难。
所以火灾的防范和火灾的报警是我们安全的重中之重，并且也是火灾报警也是降低火灾事故造成的损失的最好途径，所以报警系统一定要在质量上有保障。
在发达的国家把消防看做很大的事情，并且有着成功、丰富的经验。
他们把火灾报警系统通过监控系统来总体的监控起来，这样的好处是通过监控系统能够迅速、准确的找到火灾地点并且能够提供准确的火灾情景。
发达国家是有专门的机构来保障这些系统的畅通运行。
我国的消防起步比较晚从1960年开始研制、生产火灾报警系统产品，通过十年的研发经验开始引进和仿制国外先进的技术，也没有自己的核心技术和成熟的市场。
国外先进的企业开始把市场转向中国，才能使我国的市场变得成熟并且逐渐有自己的研发，并且有些研发达到了国际的先进水平。
1.2消防对报警系统的要求
高速发展的今天，城市的楼层的加高和城市居住的密度越来越大，由于高层建筑的功能复杂，人们不但使用火、电、气以及化学物品的应用越来越广泛，而且火灾的复杂性和危险性都大大的增加。
由于城市的消防通道以及消防的供水系统建设发展缓慢导致在对抗火灾时达不到要求，伴随着城市交通拥挤和火灾隐情扩大的问题严重考验着火灾报警系统的功能是否符合当代社会发展的需求。
第一对于高层建筑对消防设施的要求灵敏度比较高，在火灾还未造成大的损害前要提前预警，疏散人口并且准确的提示人群做出真确的预防动作。
报警系统的检测种类也要包含到各个火灾类型，比如化学品的燃烧是通过检测燃烧物和氧气发生化学变化产生的气体，设定一个安全值的阀门来实现报警，着火点的温度也要考虑到其中，有些化学物品的着火点比较低因此在设置温度阀值时应该考虑周围化学物品的着火点，比如在有白磷的情况下报警温度的阀值必须设置到40摄氏度以下。
在疏散人群时也要做好安全通道的指示以及报警系统发出明确的逃生路线，提示、安抚人群避免人们紧张而导致的意外事件发生。
高层火灾报警系统要拥有信息的实时传输以及视频画面的准确传输，由于高层消防的难度比较大，并且要对火灾信息一定要准确，这样才能使消防的效率提高。
第二是大型的工厂、商场、仓库里面存在大量的可燃、易燃物品这种情况下报警系统要分为几个等级，在不同等级的报警会采取相应的措施，比如在商场中易燃物品众多，火灾情况发展比较迅速的情况下，火灾报警器必须在短时间内做出反应，这样才能达到降低火灾造成的损失。
第三在大型工厂和仓库中的报警系统的等级是明确的，在火灾发生时，首先根据火灾报警系统的报警等级来判断火灾的严重情况以及处理措施。
低等级的报警根据报警器的提示来进行简单的自救，高等级的报警会自动拨通119，并且能够传输火灾现场的画面，使消防人员能够清楚了解火灾的情况。
最后火灾报警系统要根据环境的不同设定报警装置的报警阀值。
1.3课题研究的意义
自动火灾报警系统关系到我们日常生活的财产安全和人身安全，因此在设计过程中不能有一点瑕疵和纰漏，在设计过程中要考虑到各个细节和因素。
火灾报警装置要有多样性和精确性，在质量上要保证在安全保险期内不能出现任何情况，因此在设计过程中软件的稳定性和硬件的质量上要有保障。
软件的稳定性体现在控制程序的稳定性，因此在设计之前要进行仿真来测试程序的稳定性，这样的方式也是本次设计理念。
首先在基于QuartusII的火警报警系统设计与仿真来测试程序的稳定性然后根据测试的环境来选择报警的阀值，本次设计时依据人群众多和高层建筑的环境下设计的报警器。
模拟在商场这个复杂的环境下的报警器必须要划分等级来报警。
本次设计划分为四个等级，第一个等级是自行能够处理并且不需要紧急疏散人群的火灾，第二个等级是需要楼层的消防人员疏散本楼层的人员并且采取简单的消防措施，第三个等级是需要临近几个楼层需要疏散人群并且自动报警，第四个等级是需要疏散全楼的所有人员并且自动报警。
硬件的稳定性必须要采取最近比较稳定的设备，在外科方面必须要做到耐高温、耐化学腐蚀的外科，并且在火灾发生时能够稳定、准确的传出画面信息和稳定、高效的发出报警信息。
第2章 火灾报警系统概要设计
2.1火灾报警系统对设计的要求
随着人口密度越来越大的城市中，火灾造成的危害也伴随着增大，越来越多的火灾隐情考验着火灾报警系统的功能。
在当今这个大的环境下报警系统的功能不仅能在火灾现场起到报警作用，而且需要报警装置必须能够在火灾发生时及时传输火灾现场画面，这样不仅考验到报警装置软件运行的稳定性而且要考虑硬件的物理性能，比如当今的报警装置的耐高温和耐化学腐蚀的物理新性能。
硬件传感器也要在外界环境变化的情况下接收数据的灵敏度也要根据环境的情况随之变化，变化的时间也要根据火灾的大小而引起的次生灾害来决定。
一般在商场和人群较多地方的火灾报警器应该采取感应器比较灵敏的传感器。
2.1.1软件的运行条件
生活在高速发展的21世纪中，人们随着电子科技的飞速发展，诞生出越来越多的软件系统。
这些软件系统不仅实现了智能化，而且在某些方面完全代替了人工作业。
软件的性能也直接或间接的影响到设备的工作效率，并且软件本身存在着很多的漏洞和缺陷。
火灾报警系统工作时不仅要时时刻刻工作，而且对传感器传入的信息要时时处理和分析，因此报警系统的软件要拥有时时工作和出现错误率下降到最低。
软件的设计必须避免出现死循环和数据分析准确的条件下编写，并且需要稳定的代码来编写。
软件系统必须是可升级的。
2.1.2硬件的运行条件
在火灾引起原因的种类越来越多的当今社会，报警器怎么才能够在复杂、恶劣的环境下正常工作是一个很严重的问题。
报警系统不仅在软件上优化的同时，在硬件上也要考虑周围的环境，比如在强酸、强高温、高压的物理环境下，必须要让火灾报警装置的硬件有足够的物理系能到这些环境严酷的地方来工作，在工作电、工作电流、检测信号的强度都要兼容到火灾报警器的环境。
硬件的承受力必须要大于一个成人的重量，硬件的大小务必要做到一个拳头的大小，方便安装和换取。
在监控画面的传输过程中无线信号必须在恶劣环境下畅通传输。
画面的质量也要做到高清和高可分辨度，在夜间和浓见度比较低的情况下采取的监控设施也必须要有红外线成像技术来实现画面的实时、清晰的传输。
2.1.3数据处理的条件
火灾报警器监控的时候数据的传输和处理也要同时的进行，火灾数据的处理必须是稳定的，这样火灾报警系统实时的监控周围的环境。
在及时性的处理也是十分的重要，降低即时性的两个关键因素是硬件设计和软件的算法。
在硬件方面最好是降低信号延迟、减少硬件环节出现的意外，在软件方面设计一个有效率、高容错率的算法，数据的分析上也应该不能出现死循环或者数据处理功能低下。
在此前提下的数据处理的过程中要在权衡的准确性和速度的前提下设计。
2.2系统开发环境简介
在这次实验仿真中主要使用的软件是QuartusII，这是一款由Altera公司提出，并且开发出的PLD综合性开发的软件下。
这个软件主要支持原理图、VHDL、VerilogHDL和AHDL等多种输入格式，并且内部主要自由的综合器和仿真器。
这样的设计理念可以完全完成从设计输入到硬件的配置的完整PLD设计的流程。
系统的兼容性问题上QuartusII可以轻松的在XP、Windows、Unix、Linux上运行并且使用，增加了可以使用Tcl脚本完成设计流程，方便的提供了用户图形界面设计的完整方式。
这个软件的运行速度快、功能比较集中、界面方便统一、方便教学等特点。
2.2.1VHDL编程语言的介绍
VHDL的英文全名是Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage，至今为止是IEEE和美国国防部确认为标准的硬件描述语言。
诞生在1982年和1987年底，在1988年正式投入市场上使用，并且得到了全世界的关注，在硬件描述语言引起来一次大的改革，很快得到了全世界的认可对数字模拟逻辑编程语言写下了一笔不可磨灭的改革史。
VHDL语言主要的功能不仅是描述数字的逻辑系统结构、行为、功能以及接口。
这里不但包含了许多硬件的特征语句外，而且VHDL语言其语言风格和描述的风格与语句的模式都十分相像与一般的计算机高级语言。
这种程序结构的特点是将一项或者一个工程设计或者设计实体。
这种设计理念是把它们分成外部和内部，在外部是一些可以看得见的部分程序，在内部是一些不可以看得见的部分程序。
这种分类完整的结合、设计了内部功能和算法完成的部分。
这种理念是VHDL系统的基本点。
2.3系统方案设计
考虑到本次设计的是商场的火灾报警系统的设计所需要的器件以及本次系统需要实现的功能与设计的要求等工作流程问题中，首先要考虑设计器件本身的硬件性能和系统软件的稳定性等一系列情况。
商场报警器根据环境和报警的灵敏度以及报警的误差性来设计本次设计的报警器，首先在数据判断上采取的是多判断数据的处理，由于传感器使用的是传感器的信息采集的模式，这样传感器的灵敏度是首先考虑的。
在经过严格的考察和调研在商场报警系统一般采用的是分布式多传感器火灾报警系统，与传统火灾报警系统主要有数据的多样化处理、实时的数据传输和大致处理。
数据的多样化处理的优点是对于报警系统拥有多个传感器的监控，因此数据的处理也要多样化，比如在处理温度传感器的同时也要考虑烟雾传感器的数据，因此数据的多样化处理是必须满足的。
模拟现实生活中的出现火灾的情况下通过任意一项可以做出判断是否发生火灾。
这样避免了因一个传感器出现问题而导致的火灾报警系统数据处理受阻。
多样化的数据处理也是提高报警系统的精确度的方式，在通过处理和比较多种数据来得到火灾现场的准确信息与判断火灾的干扰源，并且增加了检测数据的范围，使报警系统检测的火灾种类大大的提高。
数据多样化同样也增加了报警系统的灵敏度和获得较低的误报率。
分布式系统的另外一个好处是实时火灾环境的实时监控和监测，在商场火灾报警系统必须是数据实时传输和处理的，这样才能够在火灾发生时候能及时的报警和画面的及时传输以及工作人员作出简单的自救行动。
通过了解了分布式火灾报警系统在数据处理时，是通过进行的数据模糊判断来工作的原理，简单的利用了通过EDA技术和多传感器来实现的火灾报警系统，和巧妙的使用硬件描述语言VHDL对数据进行处理，通过以上的运行条件可以对传感器输出的信号及环境数据进行实时监测效果，这样的系统不完全是依赖数据的阀值判断，系统本省的加入了拥有时间检测类型的模糊判断，方便使用者能够清楚的区分火灾和干扰源。
2.3.1传感器选型方案简介
现实生活中的火灾报警系统受到的外界影响越来越多的情况下，火灾报警系统的性能指标也可能随着火灾报警系统中传感器的性能从而影响到整个系统的工作效率和工作时间以及质量都有着至关重要的影响，所以在传感器的选型上特别重要。
根据商场报警的性能和使用的环境特点来进行选择。
在市场上大致使用的传感器主要有温度传感器、一氧化碳传感器和烟雾传感器这三种传感器组成，并且这几种传感器的输出信号主要以模拟信号输出的传感器，因此在使用的同时的基础上增加了放大的整形电路和A/D转换后的可处理信号作为信息源输入中央处理器的处理数据。
模拟环境下的火灾报警系统对设计中对传感器的性能有着如下要求：
烟雾检测：
0～5%/英尺，误差≤10％；温度检测：
0～200℃，误差≤4％；一氧化碳：
0～500ppm，误差≤5ppm。
这些性能指标是根据商场特有的环境和所选传感器的类型来设计出选型的，在这个基础上也应该考虑到传感器的元件的性价比因素，再这样的设计模拟环境下在满足上面的性能指标基础上尽量在价格适宜和尽可能的提高元件的性能。
2.3.2温度传感器
目前市场上生产和使用的温度传感器主要是根据物质各种物理的本身性质，物质会随着外界温度的变化规律，这样物质会把温度转化为可以输出的信号。
在整个温度传感器的核心部分是温度的测量仪。
市场上所使用的温度传感器种类特别丰富。
市场上使用的温度传感器可以划分为很多种类，如果按照测量的方式可以简单的把温度传感器分为接触和非接触式两大类，目前的温度传感器外形比较小，方便我们安装和维护，这样会让它的应运变得广泛，给我们生活提供了便利和功能。
市场上的温度传感器的工作原理主要有以下几种第一种是通过不同导体组成一个回路，并且有两面是互相连接的，而且两个结点的温度是不同的，一端是温度为工作端或者是热端，另一个端为自由端也叫参考端。
根据温度的差别使回路中产生了电流，这是由于温度不同所产生的电流现象为塞克而效应。
在这个效应有关系的效应为有电流通过的两个不同的导体连接的地方，这个地方会出现吸收或者放出少量的热量，并且热量的大小取决于电流的方向。
第二个效应为有电流流过存在温度差的两个导体的时候会出现热量变化，这些损失的热量取决于相对温度的梯度方向。
这种由于温度差的不同导体组合我们总称为热电偶。
根据这种原理组成的温度传感器叫做热电偶传感器。
第二种市场的温度传感器是工作的原理是根据导体的物理性质，温度的变化会使得导体的电阻发生变化，从而引起的电流变化，通过测量变化的电流再测出电阻的变化来得出物体的温度变化范围，这个原理构成的触感器叫做电阻温度传感器。
这种传感器的温度变化范围特别大因此主要运用在零下两XX到五百摄氏度的大范围内。
构成这种传感器的电阻必须满足了电阻温度系数大并且稳定的特性，这样温度的变化范围才能得到需求。
在电阻和温度之间应该具有良好并且易测量的线性关系。
在考虑到反应速度的情况下应该选择电阻率比较高，并且热容量比较小的电阻。
考虑到价格和性价比的时候选择材料的恢复现状的性能和工艺性能好的材料。
电阻的物理性能必须保持稳定。
目前应用最为广的材料是铜和铂。
第三种市场的温度传感器工作的原理是根据物体的物理性质，当温度高于绝对零度时，物体内部存在着热运动的原因使物体向四周辐射电磁波，这其中的电磁波的段位包含了0.75到100微米的红外线。
根据物体的这一个特性从而生产出红外线温度传感器
第四种市场的温度传感器工作的原理是模拟温度传感器是根据物体的温度特性从而模拟显示出物体的温度，这种温度传感器的好处是方便、精确的测量出物体的温度。
第五种市场的温度传感器工作的原理是逻辑输出的温度传感器是根据逻辑电路设计出的温度传感器，在给定出了温度传感器的范围，一旦超出了这个范围，模拟电路会自动产生报警并且执行相关的活动。
第六种市场的温度传感器工作的原理是数字式温度传感器是采用硅工艺的数字式温度传感器，并且采用了PTAT结构，这一种的半导体结构具备了精确的、与温度相关的良好输出的特性。
通过上面对市场的温度传感器的分类以及传感器的工作原理的介绍来选取我们这次设计模拟的商场环境下的火灾报警系统的温度传感器。
考虑到这次设计的温度传感器的测量范围和测量温度的灵敏度以及系统对温度传感器在硬件和信号传递的性能上的要求，主要是温度传感器满足输出信号能够进行A\D转化成可用的处理信号，要求在温度的变化下引起自身的内阻发生变化，并且这样的变化是一个线性的变化，通过放大电路可以精确的得到它的变化的内阻值。
这样根据市场的调查和性价比的对比我们选取了高精度热电偶温度传感器YH-WEP-01/Pt100.它的主要性能适合我们的工作环境。
2.3.3烟雾传感器
考虑到这次设计的模拟环境实在复杂的大型商场环境下工作的火灾报警系统，火灾发生时会出现大量的烟雾，选取什么样的烟雾传感器的类型才能够准确的分析这些烟雾的成分，并且能够准确的把装修产生的烟尘和火灾产生的烟雾进行区别，仿制火灾报警系统产生因为误报而产生的踩踏等不良后果。
市场的烟雾传感器分为很多种类，主流的烟雾传感器是采用了离子式的烟雾传感器，这一种类的烟雾传感器是拥有比较优秀的性能设计，是通过单源双室DSCB型电离室，在这个过程中电离室中安装的电离源为Am-241，专用于感烟探测。
工作过程中每当遇到内外电离室的电子流不平衡时，或者出现集电极充电直到使电离的电流达到稳定以及平衡的状态下。
电离的电流的变化进行信号的输出，通过电流的放大电路来准确测量出这些模拟烟雾中的具体组成分。
这些输出的信号也要能够通过A\D转换成可以操作的数据信息方便中央控制器的处理。
通过以上对市场上的烟雾传感器的深入了解和调查本次模拟环境下使用的火灾报警系统的性能。
根据烟雾传感器的使用兼容性，这里主要采用了制作符合GB4715-93国家标准，这种烟雾传感器不仅采用了单源双室结构。
这种烟雾传感器拥有极高的稳定性和电位的平衡性质。
根据系统要求的报警及时性来分析采取了这种响应时间相比之下比较短的烟雾传感器，并且这种烟雾传感器主要使用与火灾现场的传感器。
2.3.4一氧化碳传感器
根据模拟环境下的数据分析，设计这种火灾报警器必须拥有一个能够准确、快速的测量出空气中CO的含量传感器，并且这种传感器必须拥有平稳的化学反应和方便的发生可逆化学反应，并且这种化学反应的物质调价是简单和利用率比较高的物质，最好使用水电离的成分。
通过市场调查本次设计主要采用了一氧化碳传感器为ME4-CO型电化学传感器，这种传感器的优点是它完全利用了气体在电解池中的氧化过程，通过一个合适的电位下发生电化学氧化。
这样方便和精确的测试出了待测气体的CO含量，并且这种传感器产生的信号可以方便的转换成中央控制器可以控制的信号，极大的提升了自己的兼容性和市场利用范围。
这种传感器的精度也满足本次模拟实验的测量范围。
测量范围：
0～1500ppm；工作电压：
9V；测量误差：
0.08±0.02uA/ppm；零点漂移（-20℃～40℃）：
≤9ppm；工作湿度：
15%～95%RH；响应时间：
<25s；分辨率：
1ppm；稳定性：
<5%/年；重复性：
<2%输出值。
2.4系统主要功能
首先在这个系统模拟环境是在一个大型商场内使用，它具备的功能必须要有火灾检测功能，这个功能必须满足中央处理器通过数据的对比来判断出是否环境发生火灾，并大这些信息显示到显示屏上面，方便我们清楚的看见。
在报警的同时要有状态检测事实监控和把周围的环境信息显示在报警系统上，最后系统要有启动外部设备的功能，比如报警设备等。
2.4.1系统结构与工作流程
为了满足这次设计的报警系统能够在工作流程中方便、准确的工作在模拟环境下，本次火灾报警系统的工作流程分为6个部分，它们分别是传感器的检测、信号的放大、A\D信号的转换、中央处理器、外部报警设传感器驱动的电路。
工作的主要步奏是在电源接通的同时中央处理器发出一个传感器驱动电路的信号，来驱动传感器的工作，使传感器方便、高效的处在工作状态下。
紧接着传感器开始把周围的环境成分通过一系列的化学反应或者本身的物理特性来检测周围环境的信息通过模拟型号比如电压、电流等可以转换的模拟型号，通过电路放大系统模块进行可控制范围的增大，这些增大的信号通过一个数模转换芯片及下文中设计的A\D转化模块，把模拟信号转变成可以使中央处理器处理的处理信号，最后这些处理数据进入中央处理器中进行逻辑的判断产生出控制驱动的信号，这些信号传输到外部设备的驱动上使外部设备驱动开始工作。
考虑到火灾报警系统的工作环境的特殊性，这种类型的报警系统必须拥有较高的可靠性，这种可靠性必须在软件和硬件上的设计所必须考虑的因素。
环境的复杂多变性也考验着报警系统本身的抗干扰性能，即时工作在正常的运行状态也要充分的考虑到外界不是因为火灾引起的环境变化而产生的误报情况，比如装修产生的粉尘、因为传感器本身的温度增高等等人为因素所造成的传感器的收集数据的变化，在这个系统我们设计了多个参数来判断和分析数据，这样得出的数据是能够保证它的准确性避免产生误报。
所以在中央处理中我们采取了火灾现场模拟环境数据和传感器传输的数据进行逻辑上的比较后才能够产生外部设备驱动信号。
2.5小结
着这一章节中主要对火灾报警器的外部设备和内部工作流程进行了一个详细的分析，通过大量的调查和查阅资料选择出了更适合用于本次模拟实验环境下的火灾报警装置的外部设备和内部工作流程。
传感器的选择尤其关键，不仅要满足本次设计的要求，而且基于性价比和市场的可用性考虑选择了一些性价比比较高的传感器。
第3章 火灾报警系统详细设计
3.1本章摘要
这一章主要介绍了系统的各个模块的设计以及模块端口和硬件的描述语言的设计，各个系统的功能实现
这次设计的自动报警系统传感器和主要控制处理器等，根据商场的模拟环境的指示灯和报警装置。
本着以节约成本和较高的系统性价比来作为基础，以优异的系统软件编程采用了EDA技术的核
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