智能火灾报警监测系统.docx
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智能火灾报警监测系统
河北联合大学轻工学院
COLLEGEOFLIGHTINDUSTRY,HEBEIPOLYTECHNICUNIVERSITY
毕业设计说明书
设计题目：
智能火灾报警监测系统
学生姓名：
学号：
专业班级：
学部：
指导教师：
副教授
2012年05月19日
摘要
目前，随着国内经济发展的需要，各大中城市都侧重于兴建大型豪华宾馆酒店、办公楼、购物商场等公共场所，在一定程度上，就加大了防火灭火的困难，迫切需要在智能建筑中设计一套火灾自动报警系统。
火灾自动报警系统探测火灾隐患，肩负安全防范重任，是智能建筑中建筑设备自动化系统的重要组成部分。
我国自1985年以来，单片机的开发和应用取得了一定的进展，尤其进入90年代以后，在自动控制、智能仪表、自动测试、家电、通讯得到了很好的应用，其中用单片机开发的火灾自动报警器就是很好的一例火灾自动报警器最初是以晶体管继电器为分立元件的产品，80年代末，90年代初随着微型计算机的开发应用，出现了以微机为核心的通用火灾报警器。
该设计是有单片微机控制的火灾自动探测报警控制器，将烟传感器及温度传感器接入单片微机，经微机运算和逻辑判断，经专用声光报警集成电路来进行火灾报警，异常（烟感，温感其中之一动作）报警，故障报警及引爆控制，消防一体化。
由于单片机集成度较高，故该设计具有结构简单，可靠性好，成本低等优点。
由于现代建筑事业的快速发展，在现代建筑中要求具有火灾报警以至自动消防系统，基于此目的,采用了AT89C51单片机以及8279芯片等进行设计,大大提高了系统的智能化和反应速度。
8279芯片和单片机直接通过BIC8718八位驱动器连接，具有良好的驱动性。
键盘和显示器的设计实现了人机互动的环节，该系统还有噪声抑制环节以防以防虚假的火灾信息警报。
且本设计可同时用于监测多个区域,其工作原理与本文所介绍内容基本相同。
由于本设计所针对的场合的原因,所以对灭火剂的选择有非常严格的要求,即能够在喷放以后迅速接近火源并把其与空气隔绝,达到灭火的目的,七氟丙烷就是很好的灭火剂。
关键字：
AT89C51单片机；8279芯片；传感器；火灾报警
Abstract
Currently,withthedevelopmentneedsofthedomesticeconomy,majorcitieshavefocusedontheconstructionoflargeluxuryhotelshotels,officebuildings,shoppingmallsandotherpublicplaces,tosomeextent,itincreasedthedifficultiesinfirefighting,theurgentneedforsmartdesignabuildingfirealarmsystem.Automaticfirealarmsystemfordetectingfirehazards,safetyprecautionstoshoulderheavyresponsibilities,isanintelligentbuildingautomationsystembuildinganimportantpart.Chinasince1985,microcontrollerdevelopmentandapplicationhasmadesomeprogress,especiallyintothe90slater,incontrol,smartinstrumentation,automatictest,homeappliances,communicationsgetgoodapplications,thedevelopmentofautomaticfirewithMCUAlarmisaverygoodexampleofautomaticfirealarmrelayforthefirsttransistorisadiscreteproduct,thelate80s,early90swiththedevelopmentandapplicationofmicro-computers,therehavebeenatthecoreoftheuniversalcomputerfirealarm.
Thisdesignhasthefireautomatic-detectionwhichthemonolithicmicrocomputercontrolstoreporttothepolicethecontroller,turnsonthesmokesensorandthetemperaturesensorthemonolithicmicrocomputer,aftermicrocomputeroperationandlogicaljudgement,Reportstothepolicetheintegratedcircuitafterthespecial-purposeacousto-opticstocarryonthefiretoreporttothepolice,exceptionally（smokefeeling,thewarmfeelingoneofthemmovement）reportstothepolice,thebreakdownreportstothepoliceandtheignitioncontrol,thefireintegration.Becausemonolithicintegratedcircuitintegrationratehigher,thereforethisdesignhasthestructuresimply,reliabilitygood,thecostislowandsoonthemerit.
Asaresultofthemodernarchitectureenterprisefastdevelopment,therequesthasthefireinthemodernarchitecturetoreporttothepolicedowntotheautomaticfirepreventionsystem,basedonthisgoal,hasusedtheAT89C51monolithicintegratedcircuitaswellas8,279chipsandsooncarriesonthedesign,greatlyenhancedthesystemintellectualizationandthereactionrate.SCM8279anddrivedirectlyconnectedviaBIC87188,hasagooddriveof.DesignandImplementationofthekeyboardanddisplaypartofthehuman-computerinteraction,thesystemalsolinkstopreventthenoiseinformationtopreventfalsefirealarms.Alsothisdesignmaysimultaneouslyuseintomonitormanyregions,itsprincipleofworkandthisarticleintroducedthecontentbasicissame.
Becausethisdesignaimsatsituationreason,thereforehastheextremelystrictrequesttothefire-extinguishingchoice,namelywillbeabletospurtlaterrapidlytoapproachthefirehazardanditwiththeairisolation,achievedthefirefightingthegoal,sevenpropylfluoridewillbetheverygoodfire-extinguishing.
Keywords:
AT89C51monolithicintegratedcircuit;8,279chips;Thefirereports
前言
随着电子技术的飞速发展，各类分立电子元器件已及其所构成的相关功能单元已逐渐被功能更强大，性能更稳定，使用更方便的集成电路所取代。
由集成电路构成的各种自动控制，自动测量，自动显示电路遍及各种电子产品和设备，单片微型计算机简称为单片机，又称为微控制器，是微型计算机的一个重要分支。
单片机是上个世纪70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统于同一个硅片的器件。
80年代以来，单片机发展迅速，各类新产品不断涌现，出现了许多高性能新型机种，现已成为自动化和各类控制领域的支柱产业之一。
本设计为基于单片机的火灾报警系统，用于各类建筑中进行火灾探测和报警。
它以Intel公司的MCS-51系列单片机AT89C51为核心，采用烟传感器和温度传感器对异常状况进行多角度监测，通过专用的声光报警系统进行报警，接口电路来进行一系列灾后动作。
本设计共分三章：
第一章为系统概述，第二章为系统硬件电路设计，第三章为软件部分设计，第四章为噪声种类及其抑制。
然后是全篇结论和附录，附录中含有本设计的经济技术分析，英文资料及其汉语翻译。
第1章系统概述
该设计可以具有以下功能及要求：
①装置对火灾能自动探测报警和控制。
②装设感烟传感器及感温的数字温度传感器，能对室内的烟雾及温度的突变进行报警。
③对传感器的布线故障、内部元件的损坏能进行声、光报警。
④如果两个传感器中有一个动作表示室内有异常现象（如烟雾浓度过大或室内温差大于设定值），装置能发出异常报警信号，令值班人员到现场处理。
⑤如烟感、温感同时动作，说明有火灾，装置能发出火灾报警。
⑥火灾报警10s后不解除，则控制启动灭火器．灭火器喷气前，还能发出停机、关门等顺序动作信号。
⑦故障、异常、火灾报警声音各不相同，有明显的区别。
总的来说系统由五个大的部分组成：
前向通道部分，主机电路部分，报警接口电路部分，灭火执行部分和人机对话部分。
该系统的前向通道由两个部分组成。
一部分是由离子烟感传感器进行信号采集，通过放大电路进行信号放大，然后进行开关量转换；另一部分则由于本设计基于简化设计方案，节能和使所设计的系统的稳定性更好的原则采取了一种10位低功耗数字温度传感器，而改变了传统的传感器-运放-A/D转换的思路，由传感器与主机直接相连，对于该温度传感器的详细情况将在第二章进行详细介绍。
主机电路部分采用AT89C51单片机，将在第二章进行详细介绍。
报警接口电路主要完成三种报警声，光显示，除此之外还有控制灭火器的功能。
经过单片机处理的信号会根据信号的种类进入接口电路的不同部分，进而由接口电路根据所接收到的信号种类来进行后续动作。
灭火执行部分和报警接口电路部分是紧密相关的，也就是说一旦以上程序确定了是发生了火灾，那么由单片机程序进行控制时，经过10秒如果工作人员还没有采取任何动作，则由接口电路触发灭火执行电路进行灭火动作。
人机对话部分采用了与AT89C51接口实现方便的Intel8279芯片。
8279是专用键盘，显示控制芯片，能对芯片进行自动扫描；识辨键盘上按下键的键号，可充分提高CPU的利用效率。
借于此，工作人员可以在发生任何一种情况的时候，及时采取相应的控制措施。
在设计的最后将对在单片机设计任务中的干扰问题进行探讨。
总之，该系统是根据目前市场对精度，稳定性和结构简化上的要求进行设计的。
其中数字温度传感器的采用就很好的体现了这一点。
第2章系统硬件电路设计
在本章中，将对本设计所采用的两种传感器，AT89C51单片机，8155寄存器以及键盘显示电路中所采用的Intel8279芯片逐个进行论述。
2.1系统硬件组成及工作原理
系统的硬件组成如图2-1。
电机组
图2-1系统组成结构框图
系统工作时，各个端口的离子感烟传感器和数字温度传感器同时工作。
其中各个离子感烟传感器将采集到的烟雾信号通过开关量转换送往放大电路进行放大输出，进入主机电路，这些就是前面提到的前向通道电路所包含的主要部分。
信号经过AT89C51单片机处理后，由单片机根据内部所设定的程序进行信号输出，共有三种信号模式，即火灾（两种传感器同时动作），异常（只有一个传感器动作）和故障。
这些信号进入接口电路，由该电路进行报警或者别的动作[4][6][7]。
与此同时，单片机把处理过的信号通过人机对话系统显示出来，由工作人员根据不同的情况通过键盘来进行不同的操作。
本系统的键盘显示电路采用了Intel8279芯片。
8279是专用键盘，显示控制芯片，能对显示自动扫描；能识别键盘上按下键的键号；可充分提高CPU的工作效率；8279与AT89C51接口方便。
一旦发生火灾情况，在接口电路中进行了继电器设置，该电路可以通过触发电路使继电器闭合，进而使得驱动电路得以运行，从而达到驱动电动机控制灭火器和关机等一系列动作的目的。
2.2传感器
燃烧是一种伴随有光、热的化学反应，了解物质燃烧的过程对传感器的选择有很大的帮助。
对于普通可燃烧物质的表现形式，首先是产生燃烧气体，然后是烟雾，在氧气供应充分的条件下，才能达到全部燃烧，产生火焰，并散发出大量的热，使环境温度升高。
火的发展在多数情况下，总是头两个阶段所占有的时间比较长，这是燃烧的开始阶段。
如果要把火灾损失控制在最初限度，保证人身不受伤亡，那么火灾的探测器就应该从此阶段开始进行为宜。
因为此阶段尽管产生了大量溶胶和烟雾，充满了建筑物内的空间，但环境温度并不高，尚未蔓延发展。
根据火灾探测的方法和原理，目前世界各国生产的火灾传感器器有感烟式、感温式、感光式、可燃气体探测式和复合式等类型。
本设计采用的是AD7416数字温度传感器和离子感烟传感器，以下对两个传感器的功能和结构以及在该系统中的作用进行介绍。
2.2.1数字温度传感器
AD7416是装在一个芯片中的完整的温度监视系统。
内部包括一个带隙温度传感器和一个10位A/D转换器，精度可达0.25℃，它包括一个带隙温度传感器和一个用来监视并将温度的高低数字化的10位AD转换器，精度可达0.25℃，还有一个门限可编程的用来比较测量温度的比较器。
片内寄存器可以用来设定高、低温度门限，并提供一个漏极开路的"超温指示器"（OTI）输出，当超过设定的门限时OTI输出即有效。
该传感器是LM75的升级替换产品。
广泛应用于个人计算机、电子测试设备、办公设备、家用电器、过程控制等场合。
其优点就是完全打破传统的设计模式:
传感器-运放-A/D转换，从而大大简化了设计方案，提高了电路的可靠性，轻松地实现标度变换过程。
根据该设计所在工作环境的要求，可采用AD7416元件进行温度检测。
Ⅰ、该传感器的主要特点如下：
1.AD7416有一个片内温度传感器可以精确的测量环境温度。
它包括一个10位A/D转换器，它以0.25℃的分辨力将温度数字化。
它也包含两个片内寄存器，可以将温度与设定的高、低门限比较；当超温发生时一个超温指示器（OTI）输出报警信号。
2.宽的电源电压范围2.7V至5.5V，低电源电流典型为0.35mA。
3.AD7416有自动掉电特性因而有很好的功耗性能。
在较慢的通过率情况下，器件可被编程在低功率
掉电方式下工作，这样可以进一步节省器件的功耗。
4.节省空间的SO-8和小型SOIC封装。
5.I2C兼容的接口。
Ⅱ、其工作主要参数如下：
接口方式：
I2C/SMBUS
测量范围：
-30～125℃
超温指示：
有
省电工作方式：
有
最大并联数：
8
工作电压：
5V
转换时间：
400μs
Ⅲ、其引脚排列如图2-2所示，引脚说明如表2-1。
8
SDA
1
+VDD
7
SCL
2
AD7416
A0
6
OTI
3
A1
5
GND
4
A2
图2-2引脚图
引脚名称
说明
GND
电源地
VDD
正电源电压，2.7～5.5V
SCL
串行总线时钟
OTI
超温掉电输出（漏极开路）
SDA
数字I/O。
双向数据串行总线，漏极开路输出
A2～A0
串行总线地址可编程的低3位
表2-1引脚说明
1）、器件的主要组成
器件功能框图如图2-3所示。
由带隙温度传感器、10位A/D转换器、温度寄存器、可设点比较器、故障排队计数器等组成。
图2-3AD7416功能框图
（1）带隙温度传感器和10位A/D转换器
传感器将温度转换成电压，再由A/D转换器转换成10位数字量送温度值寄存器。
A/D转换器的一次转换时间约400μs。
（2）温度值寄存器
温度值寄存器是一个16位只读寄存器，它的高10位D15～D6由A/D转换器送来的数字量以补码格式储存，低6位D5～D0未用，如表2-2。
温度数据格式见表2-3（小数点在D8、D7之间）。
该表中显示了A/D转换器的全部理论范围－128℃至+127℃。
实际应用中，温度的测量范围将取决于器件的正常工作温度范围，表中所列的数据为理论工作范围中的一些典型值。
D15
D14
D13
D12
D11
D10
D9
D8
D7
D6
D5~D0
MSB
B8
B7
B6
B5
B4
B3
B2
B1
LSB
未用
表2-2温度值寄存器
Tab.2-2thetemperatureregister
温度
数字量输出
－128℃
1000000000
－125℃
1000001100
－100℃
1001110000
－75℃
1011010100
－50℃
1100111000
－25℃
1110011100
－0.25℃
1111111111
0℃
0000000000
+0.25℃
0000000001
+10℃
0000101000
+25℃
0001100100
+50℃
0011001000
+75℃
0100101100
+100℃
0110010000
+125℃
0111110100
+127℃
0111111100
表2.-3温度数据格式
（3）可设点比较器
它对实际测量温度与预先设定的高（TOTI）和低（THYST）门限（寄存在图2-3中所示的上、下限寄存器中）进行比较，并在超温指示输出端（OTI）输出一个指示信号。
OTI输出端需一个外部上拉电阻，通常为10kΩ。
图2-4是一简单的风扇控制器，当温度超过80℃时它将接通冷却风扇，而在温度降到75℃时关断风扇。
（4）故障排队计数器
为了避免在噪声环境下的误触发，器件提供了一个故障排队计数器。
例如，如果故障排队设置为4，则必须连续4次的测量温度大于TOTI（或小于THYST），OTI才输出有效。
任何打断了这种持续的读操作将复位故障排队计数器，所以如果有三次读数大于TOTI，接着有一次读数小于TOTI，则故障排队计数器将被复位而不会触发OTI。
（5）工作地址
AD7416的地址由A0、A1、A2决定，地址格式为：
1001A2A1A0R/W。
图2-4风扇控制器
（6）多个数字温度传感器并用
由于该设计的报警器在实际应用中多同时应用与多个区域，所以有必要对多个数字温度传感器并用的电路进行描述。
图2-5表示了8个AD7416并联的电路。
AD7416串行地址的低3位可以由用户设置，允许选择从1001000至1001111共8个不同的地址。
下图显示出了有8个AD7416接到一个串行总线的系统，它们的OTI输出可以"线与"以共同形成一个公共的中断线。
这样安排并不表示必须读每个器件以决定哪一个已产生了中断，而如果每个器件需要单独的中断，则OTI输出可以分别连接到I/O芯片。
图2-58个AD7416并联电路
（7）应用实例
图2-6评估电路
硬件原理图如图2-6。
该电路选用了AD7414，AD7416和AD7814，均为AD系列，也可同时采用同一种芯片。
本设计将全部采用AD7416。
下面对该电路进行说明。
（1）各器件的地址不同，而SDA、DOUT引线可直接相连；AD7414、AD7416的OTI输出线与（低电平有效），现作超限报警指示。
（2）因温度的惯性系数较大，可采用简便有效的移动平均法、中值法、低通滤波法等进行软件滤波。
在实际应用中，可边采样，边计算其平均值，以其平均值作为温度采样值。
采样次数为8～16次即可。
（3）本系统采用LCM103液晶模块作温度显示，X25045作上电复位及看门狗用。
（4）其中AD7416的温度数据采样参考程序将在文末附录的程序清单里列出。
2.2.2离子感烟传感器
感烟传感器采用离子感烟传感器。
感烟探测器可探测70%以上的火灾，而离子感烟探测器又是目前较为广泛的感烟探测器。
今天，此探测器仍占目前已安装探测器总数的90%以上。
一般离子感烟探测器的电离室均设计成单极性的，因为当发生火灾时烟雾进入电离室后，单极性电离室要比双极性电离室的电离电流变化大，也就是说可以得到较大的电压变化f，从而可以提高离子感烟探测器的灵敏度.在实际的离子感烟探测器的设计中，是将两个单极性电离室串联起来，一个作为检查电离室（也叫外电离室），结构上做成烟雾容易进入的型式:
另一个作为补偿电离室（也叫内电离室），做成烟粒子很难进入，而空气又能缓慢进入的结构型式。
电离室采用这种串联的方式，主要是为了减少环境温度、湿度、气压等自然条件的变化对电离电流的影响，提高离子感烟探测器的环境适应能力和稳定性。
图2-7（a）为电离电流形成原理图，（b）为离子感烟传感器原理图，图2-7（c）为工作电压波形图。
它由检查电离室1，补偿电离室2，信号放大回路3，开关转换回路4，以及火灾模拟检查回路5，故障自动监测回路6等组成。
该传感器是利用烟雾粒子改变电离室电离电流的原理制成的。
两个极板分别接在电源的正负极上，在电极之间放有a粒子放射源，它持续不断的放射出a粒子，a粒子以高速运动撞击极板间的空气分子，使空气分子电离为正离子和负离子（电子），这样电极之间原来不导电的空气具有了导电性，实现这个过程的装置称为电离室。
在电场作用下，正负离子有规则的运动形成离子电流。
离子感烟探测器是利用两片放射性物质241镅（AM）为α源，构成两个电离室（
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