二次修改基于单片机的火灾应急照明系统设计2 1文档格式.docx
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2.1.2自带电源型消防应急灯具工作原理7
2.1.3消防应急灯具的国家标准8
2.2火灾信号处理9
2.3系统总体方案10
2.3.1系统总体功能概述10
2.3.2系统硬件总体构架11
2.3.3系统软件总体构架12
3火灾应急照明系统硬件设计13
3.1系统核心芯片选择13
3.1.1传感器介绍13
3.1.2.80C51芯片14
3.1.3.A/D转换器16
3.2复位电路18
3.3数据采集电路19
3.4信号处理电路21
3.5应急照明及报警电路22
4火灾应急照明系统软件设计24
4.1火灾应急照明系统程序设计24
4.1.1主程序流程图24
4.2.2数据采集子程序25
总结28
参考文献29
1引言
1.1消防应急照明的技术背景
所谓应急照明，是指在非正常情况下才能使用的照明设施，包括：
备用照明、疏散照明、安全照明。
随着我国综合国力的不断增强，人民生活水平的日益提高，公众聚集场所越来越多，公众聚集场所火灾事故也日益频繁，特别是群死群伤恶性火灾时有发生，不但造成了大量人员伤亡，而且影响了社会政治稳定。
这些火灾的发生，大多是因为这些场所发生火灾时缺少必要可靠地应急照明和疏散指示，致使火灾发生后被困人员不能及时疏散，被烟熏窒息而死。
消防应急灯具作为一种重要的消防器材，广泛应用于宾馆、商场、娱乐场所等公众聚集场所，其功能是这些场所发生火灾或市电断电后，应急灯具自动照明，引导被困人员疏散。
消防应急疏散照明技术是一项重要的就生疏散技术。
近几年来，随着国民经济的高速发展，高大而复杂的智能建筑日益增多，对消防安全的要求越来越高，消防应急灯具的品种不断增多，性能不断改进，技术水平有了提高。
未来应急疏散照明技术发展有以下几大特点：
1.荧光灯、白炽灯光源技术被场致发光光源技术所取代。
2.低位应急照明安装技术将得到广泛应用。
3.向智能化、环保等高科技方向发展。
1.2相关技术研究现状及趋势
我国目前尚未出台火灾应急照明设计的专门标准或规范，现有规范所规定的名词、术语、标准及其做法尚不统一。
网上有不少关于火灾预警的设计和很多的普通消防应急设计。
有不少专家也提出了他们的看法：
“火灾应急照明系统是建筑安全保障体系的一个重要组成部分。
完善的火灾应急照明设计，应在电源设置、导线选型与敷设、灯具选择及布置、灯具控制方式、疏散指示灯等各个环节严格执行相关规范，保证在火灾紧急状态下发挥应有的作用。
”
可见，现在火灾应急照明技术还是不太成熟的。
大部分研究都在处理应急照明灯的外部硬件设备。
也由于本人的能力有限，本次设计主要从软件方面应用单片机处理火灾信号实现应急照明。
1.3本次研究思想
本次设计首先分析常用应急灯如何实现应急照明，然后介绍如何触发火灾应急照明，接着说明系统如何实现火灾应急照明，着重介绍单片机是如何工作的。
说明每个模块的驱动。
2设计工作
2.1常用消防应急灯介绍
2.1.1应急照明的分类
按照不同的标准应急照明可分为不同的类型，表2-1所示为应急照明的具体分类表。
按功能分
照明或标志照明和标志消防应急灯
按工作方式分
持续工作型、非持续工作型
按应急供电方式分
自带电源型、集中电源型
按工作实现方式分
独立控制型、集中控制型、字母控制型
按安装高度分
高位安装型、低位安装型、高地位复合安装型
按用途分
消防应急照明灯、消防应急标志灯、消防应急照明标志灯
表2-1应急照明的分类表
2.1.2自带电源型消防应急灯具工作原理
对于常明应急疏散应急标志灯和应急疏散照明灯具来说，由于应用要求的多样性，他们在这些元件的选择上也会有很大的差异。
下面简要说明两种应急灯具的器件构成和工作原理：
对于常明应急疏散标志灯来说，目前市场上一般采用滤光散射LED作为光源，也有部分厂家会使用EL（场致发光源）和荧光灯。
由于绿光LED的功耗较小，其使用的蓄电池一般为3.6V。
且电池容量也不大（≤800mAH）。
常明应急疏散标志的外观一般偏薄，内部不能直接使用电力变压器降压以提供控制电路所需工作电源，一般在控制电路中引入由电子变压器为主体的开关电源。
目前其控制电路主要由分离器件搭配使用IC（如555、LM358）完成。
状态显示灯一般由红黄绿三色LED灯来表示，状态显示灯一般安装在应急灯的侧面。
测试开关一般和状态显示灯放置在一起，一般采用普通的按钮开关，它的作用主要是便于建筑管理人员的日常维护和检查。
常明应急疏散标志灯的工作原理：
如果市电电压正常并且电池电压和光源状况也正常，则状态指示灯绿灯、充电状态灯红灯亮，故障则指示灯灭，控制电路控制开关给LED灯供电，保持疏散显示正常，同时控制电路检测市电电压、电池电压和光源，提供充电回路给蓄电池就行慢充电；
如果满充电完成，则充电指示灯红灯灭。
如果在市电正常情况下，出现电池开路、电池短路等故障，故障指示灯（黄灯）亮，提示管理人员需要对系统进行检查和维修；
当市电电压低于应急转换电压时，控制电路转入应急状态，此时备用电源和光源的通路被打开，保证光源能正常的工作；
当电池电压低于规定的放电电压时，控制电路应断开电池的所有放电回路，同时整个控制电路应停止工作以避免蓄电池的漏电。
对于双头应急疏散照明灯，其光源可以是白炽投射灯、荧光灯、卤素灯等，由于一般对照明灯亮度要求较高，很少会使用LED作为光源；
基于同样的原因，应急疏散照明灯使用的蓄电池种类较多、电池容量更大。
目前使用的有3.6V、6V、12V等多种电池，同时一般要求电池额定容量大于1000mAH。
由于应急照明灯对体积要求不高，所以市场上大部分采用的是小功率电力变压器。
控制电路相对常明应急疏散灯控制电路简单，因为不需要提供常明通路。
状态显示灯和测试开关的功能和设置和常明疏散灯类似，不过安放位置在应急灯的正面。
应急疏散照明等的工作原理和常明应急疏散灯类似，不同的是试点情况下，光源不亮，因此，应急疏散照明灯应能检测光源开路是否，如果出现光源故障，故障指示灯亮。
2.1.3消防应急灯具的国家标准
下表2-2列出了和控制电路设计直接相关的标准GB17945-2000。
考虑到该标准属于对消防应急灯的基本要求，所以从提高产品性能的目的出发，本课题的主题设计完全遵循这个标准。
表2-2GB17945-2000
标准序号
参数
具体标准
5.1.1
应急转换时间
消防应急灯具应急转换时间应不大于5s，离危险区域实用的消防应急灯具应急转换时间不大于0.25s
5.1.2
应急工作时间
消防应急灯具的应急工作时间应不小于90min
5.1.7
主电故障保护
应急状态下不受主电供电线路短路、接地的影响
5.1.8
测试按钮
消防应急照明灯具应设有模拟交流电源供电故障的自复式实验按钮，不应设影响应急功能的开关
5.1.9
故障显示
自带电源型消防应急照明灯具应设置主电、充电、故障状态指示灯。
主电状态用红色，充电状态用绿色，故障状态用黄色
5.1.10
光源故障保护
消防应急灯具在未接入光源、光源不能正常工作或光源规格不符合要求等异常情况时，内部元件表面温度应不超过90℃，且不影响电池的正常充电。
光源正常后，消防应急灯具应能正常工作。
5.1.15
充电保护
消防应急灯具应具有过充电保护和充电回路短路保护，充电回路短路时其内部器件表面温度不应超过90℃。
重装电池后，应急灯具应能正常工作。
消防应急灯的充电时间应大于24h，最大连续过充电电流不应超过0.05CSA
5.1.16
过放电保护
电池放电终止电压应不小于额定电压的80%，放电终止后，在未重新充电条件下，即使电池电压恢复，消防应急灯具也不应重新启动，且静态泄放电流不应大于0.1CSA
5.1.18
转换电压
消防应急灯具在主电电压为132-187V范围内，不应由主电状态转入应急状态。
由主电状态转入应急状态时的主电电压应在132-187V范围内，由应急状态转为正常状态的电压不应大于187V
5.1.20
连续转换应急照明状态
消防应急照明灯具应能完成10次“完全充电-放电终止-完全充电”循环的充电、放电过程。
末次放电时间应不低于首次放电时间的85%
2.2火灾信号处理
火灾的发生和发展是一个非常复杂的非平稳过程，火灾一旦发生便以接触式（物质流）和非接触式（能量流）的形式向外释放能量。
接触式包括可燃气体、燃烧气体和烟雾、气溶胶等。
非接触式包括声音、辐射等。
火灾探测技术就是利用敏感元件将火灾中出现的物理化学特征转换为另一种易于处理的物理量。
各种探测器对应的火灾物理参量如下图2-1所示。
辐射-火焰探测器
火焰（非接触式）
形状-图像探测器
温度-感温传感器
静电探测器
火灾燃烧产物固体产物微粒离
（接触式）感烟探测器
光
烟雾形状-图像传感器
气体产物-气体传感器
燃烧声音（非接触式）-声音传感器
图2-1各种探测器对应的火灾物理参量图
2.3系统总体方案
2.3.1系统总体功能概述
火灾应急系统一般由火灾探测器、应急照明系统组成。
火灾探测器通过对火灾发出的物理、化学现象——气（燃烧气体）、烟（烟雾粒子）、热（温度）、光（火焰）的探测，将探测到的火情信号转化成电信号传递给单片机。
单片机将接收到的电信号经分析处理后发出火灾报警信号，打开应急灯，其整体功能如图2-2所示。
通过串口通信发送火灾信号
图2-2系统整体功能图
2.3.2系统硬件总体构架
该系统主要由数据采集模块、单片机控制模块、应急照明模块组成，系统整体结构如图2-3所示。
数据采集模块
图2-3系统整体结构图
系统的工作原理是：
先通过传感器将现场的温度、烟雾等非电信号转为电信号，调理电路将传感器输出的电信号进行调理（放大、滤波等），使之满足A/D转换的要求，最后由A/D转换电路完成由温度传感器和烟雾传感器输出的模拟信号到数字信号的转换，单片机判断现场是否发生火灾。
如果发生火，系统将打开应急照明。
2.3.3系统软件总体构架
为了便于系统维护和功能扩充，采用了模块化程序设计方法，系统各个模块的具体功能都是通过子程序调用实现的。
本系统主要包括数据采集子程序、火灾判断与报警子程序等，系统程序流程如下图2-4所示。
是
图2-4系统程序流程图
为了降低误打开应急照明率，系统采用多次采集、多次判断的方法。
每次数据采集后根据得到的数据对现场情况进行判断，然后综合多次判断结果做出最终的火情判断。
主程序是一个无限循环体，其流程是：
首先在上电之后系统的各部分，包括单片机各个端口输入输出的设置、外围驱动电路和数据存储电路等完成初始化，其次是对芯片内的程序进行初始化，接下来执行火灾应急照明系统中的数据采集任务，数据通信任务和查询判断任务。
3火灾应急照明系统硬件设计
3.1系统核心芯片选择
3.1.1传感器介绍
a.AD590温度传感器
选择合适的温度和烟雾传感器是准确报警的前提，综合考虑各因素，本文选择集成温度传感器AD590
和气体传感器TGS202
用作采集系统的敏感元件。
由于AD590
是电流型温度传感器，他的输出同绝对温度成正比，即1μA/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1kΩ的电阻R和一个100Ω的可调电阻W
，将电流量变为电压量送入ADC0809。
通过调节可调电阻，便可在输出端VT
获得与绝对温度成正比的电压量，即10
mV/K，应用电路如图3-1所示。
图3-1AD590应用电路图
b.TGS202气体传感器
火灾中气体烟雾主要是CO2
和CO。
TGS202气体传感器能探测CO2、CO、甲烷、煤气等多种气体,他灵敏度高,稳定性好,适合于火灾中气体的探测。
如图3-2所示,当TGS202探测到CO2或CO时,传感器的内阻变小,VA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0106%）时,VA
端获得适当的电压。
图3-2TGS202应用电路图
3.1.2.80C51芯片
图3-3为80C51的引脚图。
图3-380C51芯片的引脚图
下面按引脚功能分为4个部分叙述各个引脚的功能。
（1）电源引脚VCC和VSS
VCC（40脚）：
接+5V电源正端；
VSS（20脚）：
接+5V电源正端。
（2）外接晶振引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1（19脚）：
接外部石英晶体的一端。
在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚接地；
对于CHOMS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。
XTAL2（18脚）：
接外部晶体的另一端。
在单片机内部，接至片内振荡器的反相放大器的输出端。
当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。
对于CHMOS芯片，该引脚悬空不接。
（3）控制信号或与其它电源复用引脚
控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、ALE/P、PSEN和EA/VPP等4种形式。
（A）RST/VPD（9脚）：
RST即为RESET，VPD为备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。
当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机复位到初始状态。
当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD（+5V）为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。
（B）ALE/
P
（30脚）：
当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出，用于锁存出现在P0口的低
（C）PSEN（29脚）:
片外程序存储器读选通输出端,低电平有效。
当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期PESN两次有效，以通过数据总线口读回指令或常数。
当访问外部数据存储器期间，PESN信号将不出现。
（D）EA/Vpp（31脚）：
EA为访问外部程序储器控制信号，低电平有效。
当EA端保持高电平时，单片机访问片内程序存储器4KB（MS—52子系列为8KB）。
若超出该范围时，自动转去执行外部程序存储器的程序。
当EA端保持低电平时，无论片内有无程序存储器，均只访问外部程序存储器。
对于片内含有EPROM的单片机，在EPROM编程期间，该引脚用于接21V的编程电源Vpp。
（4）输入/输出（I/O）引脚P0口、P1口、P2口及P3口
（A）P0口（39脚～22脚）：
P0.0～P0.7统称为P0口。
当不接外部存储器与不扩展I/O接口时，它可作为准双向8位输入/输出接口。
当接有外部程序存储器或扩展I/O口时，P0口为地址/数据分时复用口。
它分时提供8位双向数据总线。
对于片内含有EPROM的单片机，当EPROM编程时，从P0口输入指令字节，而当检验程序时，则输出指令字节。
（B）P1口（1脚～8脚）：
P1.0～P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。
对于MCS—52子系列单片机，P1.0和P1.1还有第2功能：
P1.0口用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2；
P1.1用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。
对于EPROM编程和进行程序校验时，P0口接收输入的低8位地址。
（C）P2口（21脚～28脚）：
P2.0～P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O接口。
当接有外部程序存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用于高8位地址总线送出高8位地址。
对于EPROM编程和进行程序校验时，P2口接收输入的8位地址。
（D）P3口（10脚～17脚）：
P3.0～P3.7统称为P3口。
它为双功能口，可以作为一般的准双向I/O接口，也可以将每1位用于第2功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。
P3口的第2功能见下表3-1所示。
表3-1P3口的第2功能
引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行口输入端）
P3.1
TXD（串行口输出端）
P3.2
INT0（中断0请求输入端，低电平有效）
P3.3
INT1（中断1请求输入端，低电平有效）
P3.4
T0（定时器/计数器0计数脉冲端）
P3.5
T1（定时器/计数器1计数脉冲端）
P3.6
WR（数据存储器写选信信号输出端，低电平有效）
P3.7
RD（数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）
综上所述，MCS—51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点：
1）.单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚具有第2功能；
2）.单片机对外呈3总线形式，由P2、P0口组成16位地址总线；
由P0口分时复用作为数据总线。
3.1.3.A/D转换器
在单片机控制系统中，控制或测量对象的有关变量，往往是一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、位移、速度等物理量。
但是大多数单片机本身只能识别和处理数字量，因此必须经过模拟量到数字量的转换（A/D转换），才能够实现单片机对被控对象的识别和处理。
完成A/D转换的器件即为A／D转换器。
ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器，其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换，是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。
芯片引脚图如图3-4所示,
内部结构图如下图3-5所示。
图3-4ADC0809引脚图
图3-5ADC0809内部结构图
ADC0809的引脚功能：
D7-D0:
8位数字量输出引脚
IN0-IN7：
8位模拟量输入引脚
VCC：
+5V工作电压
GND：
接地
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参考电压负端
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