动自火灾探测装置学位论文.docx
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动自火灾探测装置学位论文
自动火灾探测装置毕业论文（设计）
目录
目录1
第1章绪论3
1.1课题背景3
1.1.1课题研究的目的和意义3
1.1.2火灾报警系统国内外研究现状3
1.1.2本课题主要研究的内容5
1.2AT89C51单片机的简介5
1.2.1主要特性及管脚5
1.2.2时钟振荡器8
第2章系统总体方案设计10
2.1系统设计要求10
2.1.1系统功能要求10
2.1.2系统技术要求10
2.2火灾传感器的选型10
2.2.1感烟探测器11
2.2.2感温探测器12
2.2.3气体探测器12
2.2.4紫外火焰检测器12
2.3信息传输模式的研究13
第3章硬件设计14
3.1探测器的总体结构14
3.2探测器的电路设计15
3.2.1温度传感器DS18B2015
3.2.1.1DS18B20简介及性能15
3.2.1.2DS18B20的测温原理16
3.2.1.3DS18B20的内部结构18
3.2.1.4DS18B20的控制方法19
3.2.1.5DS18B20的时序20
3.2.1.6DS18B20使用中的注意事项21
3.2.2光电感烟探测器设计22
3.2.2.1工作原理22
3.2.2.2设计要求24
3.2.2.3结构设计与散射角确定24
3.2.2.4应用电路设计26
3.2.3CO探测器设计27
3.2.3.1半导体CO气体传感器的工作原理27
3.2.3.2具有温湿补偿的CO探测电路设计30
3.2.4紫外火焰探测的基本原理31
3.2.4.1工作原理31
3.2.4.2测量电路分析33
3.3探测器的外观设计37
3.4无线收发装置的设计37
3.4.1无线收发装置的设计37
3.5步进电机的设计40
3.5.1步进电机简介40
3.5.2步进电机电路设计41
3.6MAX706的看门狗电路43
3.6.1“看门狗”硬件电路简述44
3.6.2“看门狗”电路软件设计方法44
3.6.3max706资料46
3.7AC220V转DC5V电源电路及780548
3.8LM555定时器49
3.9光电耦合器与电磁继电器51
3.9.1光电隔离技术51
3.9.2光电耦合器PC817简介52
3.9.3光电隔离技术的应用53
3.9.4电磁继电器54
3.10有轨小车的设计56
3.10.1有轨小车的作用56
3.10.2有轨小车的结构56
第4章软件设计57
4.1流程图57
4.2程序设计58
4.2.1DS18B20控制程序58
4.2.22相步进电机程序61
总结63
致谢64
参考文献65
第1章绪论
1.1课题背景
使用火是人类文明的象征，人类使用火已有200多万年的历史，火可以造福人类，也可以给人类带来灾难。
使用火的过程中，若失去对火的控制将会给人类造成巨大的损失。
因此预防火灾是人们时刻不能掉以轻心的大事，要防患于未然。
一方面要严格遵守各项技术规范，建立健全完善的防火安全规章制度，杜绝各种可能引起火灾的隐患。
同时，应该采用各种先进的防火灭火措施，以确保一旦发生火情，能及时得到控制，所以在建筑物中设置火灾自动报警探测系统就是一个重要的手段，这也促使了人们不断研制各种性能先进的火灾自动报警控制系统。
火灾探测器就是该系统的重要组成部分。
改革开放以来，我国国民经济迅速发展，在民用、工业等领域各类现代建筑不断涌现，这当中大批建筑均是高价值保护对象；同时由于人口的密集程度增加，因此一旦发生火灾将带来巨大生命和财产损失。
从消防角度来看，要减少火灾的危害，预防是最有效的手段，但是预防不可能完全杜绝火灾的发生，那么如果在火灾发生的初期就能及时发现并扑灭，便可以大大减少火灾造成的损失。
为此，我们急需提高对火灾的监测和报警系统的自动化水平。
1.1.1课题研究的目的和意义
火灾一直是伴随人类的自然和社会现象，它是近年来发生频率较高的一种灾害，且呈逐年上升的趋势。
如2005年至2010年，全国共发生火灾120万起，造成12268人死亡、15757人受伤，直接财产损失75.6亿元。
其中，一次死亡10人以上的群死群伤火灾22起，造成457人死亡。
由此可见，我国正面临着火灾总量持续增长的压力和群死群伤火灾多发的高风险，火灾形势严峻。
党和国家非常重视我国的防火工作，1996年10月，江泽民总书记发表了《责任重于泰山》的重要讲话，讲话指出“隐患险于明火”、“防范胜于救灾”、“责任重于泰山”，强调了防火工作重在预防。
实践证明，凡装有火灾自动报警控制系统的建筑物中，当火情发生时，由于报警及时，把火灾消灭在初期，大大减少了火灾的危害。
虽然我国火灾自动报警设备的应用时间不算长，但据不完全统计，准确报警事例己达数千次。
火灾报警系统是随时警惕火灾、及时报警和输出联动灭火信号的忠实哨兵，是早期报警的有力手段。
特别是高层建筑和人员密集的公共场所，设置火灾自动报警系统尤为重要。
国内外无数事实告诉我们，设置先进的火灾报警系统是做好火灾报警的关键。
1.1.2火灾报警系统国内外研究现状
随着人类社会的发展，人们居住、生活、工作的地方越来越集中，火灾的隐患也越来越大。
如何将火灾造成的损失降低到最低限度，其中最有效的方法之一就是早期发现，并在蔓延前将其扑灭。
纵观一百多年来，火灾自动报警技术主要经历了一下一些发展阶段：
火灾自动报警控制系统是随着火灾探测技术及半导体、集成电路等电子技术的发展而发展的。
初期阶段是用一些简单的分立元件构成的火灾自动报警系统，从19世纪四十年代一直延续到20世纪四十年代，这期间感温探测器占主导地位，火灾自动报警系统的发展处于初级阶段。
早在1847年美国牙科医生钱林（ChanNing）和缅因大学教授华迈而（Farmer）研究出世界上第一台用于城镇火灾报警的发送装置，1852年成功安装在波士顿。
1890年英国又研制成功了感温式火灾探测器，从此人类开创了火灾自动探测报警技术的新纪元。
一百五十年来，世界上科学技术取得了突飞猛进的发展，火灾探测技术也相应迅速发展，各种感温、感烟、感光等类型的火灾探测器相继问世，并日臻完善。
从十九世纪四十年代至本世纪四十年代，经过漫长的一百年来，感温探测器一直占据主导地位，火灾报警系统处于初级发展阶段。
定温和差温探测器有双金属型、水银接点型、易熔合金型、玻璃球膜胀型、热电偶型以及半导体型等等。
由于其灵敏度比较低，探测火灾的速度也比较慢，尤其对阴燃火灾往往不响应，因此，它一直无法较好地实现火灾早期报警的要求。
第二阶段从20世纪五十年代至七十年代，这期间，感烟探测器得到了大力发展，感温火灾探测器处于次要地位。
“先见烟后见火”，用感烟的方法来探测火灾使人类在实现火灾早期报警方面迈进了一大步，此时的系统一般是多线制（N+1线或更多线），其特点是稳定性、可靠性差，布线复杂，调试难度大。
直到20世纪五十年代初，瑞士物理学家埃斯特迈里（ErnstMeili）研究离子型感烟探测器获得成功，离子感烟火灾探测器开始登上历史舞台。
火势蔓延往往始于烟，感烟探测技术使人类在实现火灾早期报警向前迈进了一大步，立刻引起了人们的重视并得到广泛应用，自问世以来便一直统治着火灾探测器的市场。
七十年代末，因高寿命的光电元器件技术取得突破，光电感烟探测器才应运而生。
十多年来，尽管人们对离子感烟探测器和光电感烟探测器性能上差异的评价众说纷纭，但国外却一直在大力研制和发展光电感烟探测器，并取得长足的发展。
第三阶段从八十年代开始，总线制火灾自动报警系统蓬勃兴起，它同以前的产品相比有了很大的飞跃，布线工作显著减少，安装调试变得容易，降低了安装和维修费用，其最大优点是施工简单并能精确确定报警部位，因而得到了较普遍的应用。
第四阶段始于八十年代中期，在总线制火灾自动报警系统出现后不久，随着微处理器、计算机、传感器及智能技术的最新发展，又推出了智能化火灾自动报警系统。
它标志着火灾自动报警监控系统己进入一个全新的发展时期。
九十年代初，智能化系统取得了较大进展，各种智能型系列产品相继问世。
特别是模拟量火灾探测器的应用，提高了火灾探测报警系统报警的准确性和智能化程度，是火灾自动报警系统技术进步的一个重要标志。
我国火灾报警产品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这类产品。
进入80年代后，国内主要厂家也多是模仿国外的产品，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不断催化着市场的成熟。
这时期我国的火灾报警企业大量出现，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。
1.1.2本课题主要研究的内容
（1）火灾探测传感器的选用，火灾探测传感器安装在被监测现场，探测环境中与火灾相关的物理量，将这些物理量转换并处理成适当的电信号传递给处理器，依据其探测的物理量不同，可以选用多种传感器，本系统选用感温，感烟，CO和紫外线四种传感器。
（2）写码器的设计，写码器设计包括硬件和软件的设计，写码器以AT89C51为核心，利用拨码开关为每个探测头写入一个唯一的ID号。
（3）无线通信的实现，为了实现无线数据通信，本课题采用了一种双向收发无线数传模块，形式为单工，工作在433.92／434.33MHz频段；可方便地嵌入在各种测量和控制系统中进行无线数据传输，在车辆监控、无线抄表、无线232数据通信、计算机遥控遥测系统中应用。
（4）电机的选择及控制，本课题选择2相5线步进电机和普通电机各一台，分别用于探测器的旋转和行走。
（5）联动灭火装置的设计，当确定火灾发生时，本课题用继电器打开灭火装置进行灭火。
（6）车载装置的设计，精确测量火灾时，本课题选用将火灾探测器及灭火装置放在有轨小车上的方案。
1.2AT89C51单片机的简介
1.2.1主要特性及管脚
在单片机选用方面，由于AT89系列单片机与MCS-51系列单片机兼容，所以，本系统中的单片机选用ATMEL公司生产的AT89C51芯片，它是该公司生产的标准型单片机。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
AT89C51提供以下标准功能：
4K字节FLASH闪存存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式，空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内存，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
主要特性：
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
·寿命：
1000写/擦循环
·数据保留时间：
10年
·全静态工作：
0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128*8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
管脚说明：
图1.1单片机管脚
8051有40条引脚，共分为端口线、电源线和控制线三类。
1.端口线（4*8=32条）
8051共有四个并行I/O接口，每个端口都有8条端口线，用于传送数据/地址。
由于每个端口的结构各不相同，因此它们在功能和用途上的差别颇大。
现对它们综述如下：
P0口:
这组引脚共8条，为P0口所专用，其中P0.7为最高位，P0.0为最低位。
这8条引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同的情况。
第一种情况是8051不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使用，P0.7—P0.0用于传送CPU的输入/输出数据。
这时，输出数据可以得到锁存，不需要外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性。
第二种情况是8051带片外存储器，P0.7—P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
8051的P0口还有第三种功能，即它们可以用来给8051片内EPROM编程或进行编程后的读出校验。
这时P0.7—P0.0用于传送EPROM的编程机器码或读出校验码。
P1口：
这8条引脚和P0口的8条引脚类似，P1.7为最高位，P1.0为最低位。
当P1口作为通用I/O使用时，P1.7—P1.0的功能和P0口的第一功能相同，也用于传送用户的输入/输出数据。
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
8051的P1口还有第二功能，即它在8051编程/校验时用于输入片内EPROM的低8位地址。
P2口：
P2.7—P2.0这组引脚的第一功能和上述两组引脚的第一功能相同，即它可以作为通用I/O口使用。
它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但并不能像P0口那样还可以传送存储器的读出数据。
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
8751的P2.7—P2.0还具有第二功能，即它可以配合P1.7—P1.0传送片内EPROM12位地址中的高4位地址。
P3口：
P3.7—P3.0这组引脚的第一功能和其余三个端口的第一功能相同。
第二功能作控制用，每个引脚并不相同，如表1.1所列。
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
表1.1P3口各位的第二功能
P3口的位
第二功能
注释
P3.0
RXD
串行数据接收口
P3.1
TXD
串行数据发送口
P3.2
INT0
外中断0输入
P3.3
INT1
外中断1输入
P3.4
T0
计数器0计数输入
P3.5
T1
计数器1计数输入
P3.6
WR
外部RAM写选通信号
P3.7
RD
外部RAM读选通信号
2.电源线（2条）
VCC为+5V电源线，VSS为接地线。
3.控制线（6条）
ALE/PROG：
地址锁存允许/编程线，配合P0口引脚的第二功能使用。
在访问片外存储器时，8051CPU在P0.7—P0.0引脚线上输出片外存储器低8位地址的同时还在 ALE/PROG线上输出一个高电位脉冲，其下降沿用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.7—P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器读写数据。
在不访问片外存储器时，8051自动在 ALE/PROG线上输出频率为fosc/6的脉冲序列。
该脉冲序列可用作外部时钟源或作为定时脉冲源使用。
对于8051， ALE/PROG线还具有第二功能。
它可以在对8051片内EPROM编程/校验时传送52ms宽的负脉冲。
PSEN：
片外ROM选通线，在执行访问片外ROM的指令MOVC时，8051自动在PSEN线上产生一个负脉冲，用于为片外ROM芯片的选通。
其他情况下PSEN线均为高电平封锁状态。
EA/VPP：
允许访问片外存储器/编程电源线，可以控制8051使用片内ROM还是使用片外ROM。
若EA=1，则允许使用片内ROM；若EA=0，则允许使用片外ROM。
对于8051，EA/VPP用于在片内EPROM编程/校验时输入21V编程电源。
RST/VPD：
复位/备用电源线，可以使8051处于复位（即初始化）工作状态。
通常，8051的复位有自动上电复位和人工按钮复位两种。
RST/VPD的第二种功能是作为备用电源输入端。
当主电源VCC发生故障而降低到规定低电平时，RST/VPD线上的备用电源自动投入，以保证片内RAM中信息不丢失。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
XTAL1和XTAL2是片内振荡电路的输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接8051片内OSC的定时反馈电路，相应电路如图1.2所示。
1.2.2时钟振荡器
时钟振荡器：
AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。
振荡电路参见图1.2。
图1.2内部振荡电路
图1.3外部时钟驱动电路
外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。
对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30pF，而如果使用陶瓷谐振器建议选择40pF。
用户也可以采用外部时钟，采用外部时钟的电路如图1.3所示，这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。
第2章系统总体方案设计
本课题所研究的自动火灾探测装置主要分为三大部分，第一部分火灾初测，在最短的时间内发现火灾，并发出警报，第二部分是精确测量火灾的具体位置，确定火灾的真实性，第三部为灭火，在第二部的基础上进行灭火，达到从发现火灾到消灭火灾的自动化。
下面分别对系统设计要求、火灾传感器的选型、信息传输模式及系统实现方案进行阐述。
2.1系统设计要求
2.1.1系统功能要求
本系统的研制主要包括以下几项功能：
（1）火情探测功能为了扩大火灾探测器的使用范围，该系统火灾探测器的前置火灾传感器设计为可以拆卸形式。
针对不同的应用环境，用户可以选用感温传感器、烟雾传感器、光电传感器，紫外线传感器等多种传感器；
（2）探测器编码功能为了区分同一个系统内的不同探测器，利用写码器为安装的每一个探测器写入一个唯一的探头码。
另外，为了适应不同的工作环境，可以为探测器选择不同的高频信道，该信道编码也通过写码器写入；
（4）无线数据收发功能，当有火灾报警发生时，探测器要启动无线数传模块将数据发送给有轨小车上的无线收发装置，启动小车及车上的探测装置对火灾进行分析；
（5）当确定火灾时能启动自动灭火装置进行灭火。
2.1.2系统技术要求
在了解了本系统的设计目的之后，我们就可以确定系统的技术要求。
根据客户的要求和系统的特点，总结系统的技术要求如下：
（1）小体积探测器的体积要尽可能的小，这样才能减少占用的空间，而且更便于安装和更换；
（2）低功耗系统采用三节5号干电池供电，电池电量有限，并且无线发射模块消耗电能比较大。
因此要求探测器的功耗要尽可能的低才能满足长时间工作的要求；
（3）高可靠性为了保证系统能够正常工作，并且尽可能减少误报警，要求无线通信可靠。
而系统工作环境可能会有不确定的电磁干扰，因此，系统要有一定的抗干扰性能。
按照要求位置火灾探测器必须在火灾发生10s内发出警报信号，所以系统对实时性也有很高的要求；
（4）为装载火灾探测器及灭火装置的小车铺设轨道以简化操作。
2.2火灾传感器的选型
火灾探测的原理是探测物质燃烧的过程中所产生的各种物理和化学现象。
目的是实现早期发现火情，物质燃烧过程中产生的气（燃烧气体）、烟（烟雾粒子）、热（温度）、光（火焰）是表征火灾信号的物理化学参量，故也称为火灾参量。
因此，火灾探测器的基本功能是：
对火灾参量——气、烟、热、光等做出有效响应，并转化为电信号传送给火灾报警控制器，依据其探测的物理量不同，火灾探测器可分为：
2.2.1感烟探测器
感烟探测器分离子感烟和光电感烟两种：
在多数使用场合下，感烟探测器可以使早期探测和最少误报的综合性能达到最佳。
早期感烟探测器属于离子室类型，擅于探测燃烧产生的微小粒子，但是这种探测器容易因湿度、大气压、温度和空气流速的变化而误报。
离子感烟探测器内部装有电离室，电离室内的放射源产生的粒子将空气分子电离成正负离子。
当烟雾进入电离室，由于烟雾颗粒的体积较大，会阻挡带电离子的运动，从宏观上表现为电离电流减小。
探测到这种电离电流的变化，就相当于探测到了火灾。
如今，要获得离子探测器生产许可变得越来越难，而且，关于放射性物质运输的法规也是越来越严，这些因素加大了离子探测器的生产成本，使其价格愈加昂贵。
同时，废弃探测器的处理必须由生产商承担，这就更进一步加大了生产成本。
在有些国家，离子探测器被完全禁止，因此在最近5年或更长一段时间以来，这些国家的大型生产商根本不再生产新的离子探测器了。
光电感烟探测器是通过探测火灾初期由于燃烧物阴燃时产生的烟雾来报警的，所以在大多数场合起到了预警的作用。
光电感烟探测器是在80年代才发展起来的一种新型火灾探测器，由于它抛弃了放射源，全部由电子元件和光电元件组成。
随着电子技术特别是光电子技术的飞速发展，光电感烟探测器已经具有了精度高、寿命长、抗风、抗潮和抗各种电磁干扰的优点，而且由于成本低，生产、安装简单。
因而成了国际上各消防电子企业和各国政府开发研究和推广使用的重点。
国内各厂家都在争相开发研究。
光电感烟探测器内的光电室里安装有红外发射管和红外接收管。
红外光传感器固定在黑罩板内，红外发光二极管发射一束红外光，当无烟雾时，由于黑罩板的阻隔作用，这束红外光线不能射到光电三极管上，当有烟雾进入探测器时，红外光线遇到烟雾粒子，产生了光散射现象，散射的红外光线被光电三极管接收，转化为电信号，电信号通过处理后输出报警信号。
其工作原理如图2.1所示：
图2.1光电感烟示意图
物质燃烧产生的任何烟粒子都大于电离室内的带电离子，只要进入电离室都能输出报警信号。
对于完全透明的不可见烟，因不能散射光线，光电感烟探测器无法探测；而黑色烟对光线有强烈的吸收、遮挡作用，对它也几乎探测不到。
因此对于阴燃产生大颗粒的白色烟雾，宜用光电感烟探测器来探测。
2.2.2感温探测器
对警戒范围中火灾热（温度）参量，即环境气流的异常高温或升温速度做出响应的探测器。
感温火灾探测器的特点是：
结构简单，电路少，与感烟探测器相比可靠性高、误报率低，且可以做成密封结构，防潮防火防腐蚀性好，可在恶劣环境（风速大、多灰尘、潮湿等）使用。
但是灵敏度低，报警时间迟。
感温式火灾探测器的响应过程是环境气温温度的升高使探测器中的热敏元器件
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