基于单片机的消防火灾自动报警控制系统的研究与设计.docx
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基于单片机的消防火灾自动报警控制系统的研究与设计
目录
1绪论3
1.1课题来源及背景3
1.1.1国内外火灾自动报警系统发展3
1.1.2火灾自动报警系统的组成和种类3
1.1.3研究火灾自动报警控制器的意义5
1.2本次课题研究内容及本文的工作5
2火灾智能报警控制系统硬件组成及原理6
2.1系统基本功能及总体框图6
2.1.1系统基本功能6
2.1.2系统硬件总体框图6
2.2C8051F单片机的特点6
2.3系统所用的探测器简介8
2.4系统的输入检测通道11
2.4.1紫外探测器输入检测通道11
2.4.2红外传感器输入放大通道11
2.5电机驱动模块12
2.5.1单片机输出控制信号隔离电路12
2.5.2电机驱动电路模块13
2.6通信模块13
2.6.1通信模块的功能13
2.6.2通信模块总框图13
2.6.3HAC-uM微功率无线数传模块介绍13
2.7系统电源16
2.7.1电源器件介绍16
2.7.2系统电源设计方案16
2.8系统火灾报警模块17
3系统软件设计19
3.1在单片机上运行的嵌入式程序19
3.1.1嵌入式软件开发平台19
3.1.2嵌入式程序的开发20
3.2在上位机上运行的通信串口程序23
4系统可靠性分析27
5总结及展望28
5.1总结28
5.2展望28
参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31
致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32
基于单片机的消防火灾自动报警控制系统的研究与设计
网络工程专业
指导教师
摘要：
火灾报警控制器（FAC）是一种能向火灾探测器供电、接收、传递和显示火灾报警等信号，并能对自动消防装置发出控制信号的报警装置。
它是火灾自动报警系统的重要组成部分。
以单片机技术为核心并与其他电子技术相结合，设计了一种技术水平较好的消防火灾自动报警控制系统。
消防火灾自动报警控制系统可实现火灾自动检测报警功能，断线故障自动报警功能，自检功能等。
关键词：
火灾自动报警系统；C8051F单片机；火焰紫外传感器；无线通信
ResearchAndDesignofFireAuto-alarmAndFireControlSystemBasedonSCM
Studentmajoringinnetworkengineering
Tutor
Abstract：
Thefirealarmcontroller（FAS）isaalarmequipmentwhichcanofferpowertofiresensor,receive,transferanddisplayfiresignal.Thefirealarmcontroller（FAC）isanimportantpartofFAS.Thissystemisdesignedbasedontheprincipleofpracticability、universalityandtypicality.Thissystemistheproductofthesinglechiptechnologyandotherelectronictechnology.ThesinglechipselectedintegratessomeresourcessuchasA/Dconverter、hardwaremultiplierandhardwarepulse-modulator,whichhassomemeritssuchashighspeed、lowpowerconsumptionandsupercapacityofresistingdisturbance.FAShasthefunctionoffireauto-alarm,power-offalarm,auto-checkandsoon.
KeyWords：
Analarmsystem；C8051F；UVsensor；Wirelesscommunication
1绪论
1.1课题来源及背景
火灾自动报警灭火系统是将报警与灭火联动并加以控制的系统。
为了及时发现火灾隐患和扑灭火灾，电力系统防火重点保护场所、各种商业和工业建筑以及现代智能建筑已采用火灾自动报警灭火系统。
随着我国经济建设的发展，各种现代化楼字对火灾报警和自动灭火系统提出了更高的要求。
大型宾馆、酒店、商场、图书馆、博物馆、档案馆和办公楼等，自动灭火系统己成为必不可少的保安装置。
设置功能完善的消防设施，对保障人民生命财产的安全，无疑是极为重要的。
1.1.1国内外火灾自动报警系统发展
火灾报警系统用于探测火灾并给出声响警示信号，具体由布放在现场的探测器、传输线路和安放在控制室的控制器组成。
探测器感受物质燃烧时现场的各种物理参数，将判断结果或模拟量值通过现场总线传回控制器，控制器做进一步处理后给出报警信号，同时也获取来自监视模块的消防设备的运行状态信息。
火灾自动报警系统，从发展过程来看，大体可分为三个阶段：
第一阶段为多线型火灾自动报警系统，每个探测器除需提供两根电源线外，还需要提供一根报警信号线，探测器电源由报警系统提供，探测器的信号线均连接到报警显示盘上，报警时点亮相应的指示灯，如日本“日探”公司生产的CPF火灾报警系统。
此类系统的功能一般以报警为主，辅以一些简单的联动功能（也为多线制），如驱动警铃等，其报警器队外围探测器，无故障检测功能，只会对电源线的断线作出故障反应，安装此类系统比较繁锁，特别是校线工作量较大。
第二阶段为总线型火灾自动报警系统，已采用微处理器控制。
其线制一般为四线制、三线制、二线制。
探测器和模块通过总线与控制器实现信号传送。
其探测器的输出形式为开关量，它的灵敏度在制造时，通过硬件决定，不可调整。
此类系统可通过各种模块对各联动设备实行较复杂的控制。
此类系统己具有系统自检以及对外围器件的故障检验等功能，但对故障类型不能区分。
目前国内生产的火灾自动报警系统大多数为此类产品。
由于此类产品具有先进的报警和控制功能，施工、安装较为方便，且价格较低，已被大量使用。
第三阶段为智能型火灾自动报警系统，由于采用了先进的计算机控制技术，对传感器输出信号的调理具有智能性，其智能化程度大大提高。
探测器的输出形式采用模拟量，并可通过软件对其灵敏度根据使用场合、时间进行设定和调整，如可设定白天、夜间、休息日不同灵敏度。
对探测器的使用环境参数变化较大的场所，灵敏度设定相对低一些，对环境较稳定或一些重要的场所，灵敏度设定相对高一些，这一功能可提高系统的稳定性及可靠性，减少误报。
1.1.2火灾自动报警系统的组成和种类
火灾自动报警系统是由触发器件、火灾警报装置以及具有其它辅助功能的装置组成的火灾报警系统。
它能够在火灾初期，将燃烧产生的烟雾、热量和光辐射等物理量，通过感温、感烟和感光等火灾探测器变成电信号，传输到火灾报警控制器，并同时显示出火灾发生的部位，记录火灾发生的时间。
一般火灾自动报警系统和自动喷水灭火系统、室内消火栓系统、防排烟系统、通风系统、空调系统、防火门、防火卷帘、挡烟垂壁等相关设备联动，自动或手动发出指令，启动相应的防火灭火装置。
触发器件指在火灾自动报警系统中，自动或手动产生火灾报警信号的器件称为触发器件，主要包括火灾探测器和手动报警按钮。
火灾探测器是能对火灾参数（如烟、温，光、火焰辐射、气体浓度等）响应，并自动产生火灾报警信号的器件，按照响应火灾参数的不同，火灾探测器分成感温火灾探测器、感烟火灾探测器、感光火灾探测器、可燃气体探测器和复合火灾探测器五种基本类型。
不同类型的火灾探测器适用于不同类型的火灾和不同的场所。
手动火灾报警按钮是手动方式产生火灾报警信号、启动火灾自动报警系统的器件，也是火灾自动报警系统中不可缺少的组成部分之一。
火灾报警装置：
在火灾自动报警系统中，用以接收、显示和传递火灾报警信号，并能发出控制信号和具有其它辅助功能的控制指示设备称为火灾报警装置。
火灾报警控制器就是其中最基本的一种。
火灾报警控制器担负着为火灾探测器提供稳定的工作电源；监视探测器及系统自身的工作状态：
接受、转换、处理火灾探测器输出的报警信号；进行声光报警；指示报警的具体部位及时间；同时执行相应辅助控制等任务，是火灾报警系统中的核心组成部分。
火灾警报装置：
在火灾自动报警系统中，用以发出区别于环境声、光的火灾警报信号的装置称为火灾警报装置，火灾警报器是一种最基本的火灾警报装置，通常与火灾报警控制器组合在一起，它以声、光音响方式向报警区域发出火灾警报信号，以警示人们采取安全疏散、灭火救灾措施。
警铃是一种火灾警报装置，用于将火灾报警信号进行声音中继的一种电气设备，警铃大部分安装于建筑物的公共空间部分，如走廊、大厅等。
消防控制设备：
在火灾自动报警系统中，当接收到来自触发器件的火灾报警信号后，能自动或手动启动相关消防设备并显示其状态的设备，称为消防控制设备。
主要包括火灾报警控制器，自动灭火系统的控制装置，室内消火栓系统的控制装置，防烟排烟系统及空调通风系统的控制装置，常开防火门、防火卷帘的控制装置，电梯回降控制装置，以及火灾应急广播、火灾警报装置、消防通信设备、火灾应急照明与疏散指示标志的控制装置等十类控制装置中的部分或全部。
消防控制设备一般设置在消防控制中心，以便于实行集中统一控制，也有的消防控制设备设置在被控消防设备所在现场（如消防电梯控制按钮），但其动作信号则必须返回消防控制室，实行集中与分散相结合的控制方式。
电源：
火灾自动报警系统属于消防用电设备，其主电源应当采用消防电源，备用电源采用蓄电池。
系统电源除为火灾报警控制器供电外，还为与系统相关的消防控制设备等供电。
目前在工程应用中火灾自动报警系统主要有控制中心报警系统、区域报警系统和集中报警系统三种基本形式。
控制中心报警系统是由火灾探测器手动火灾报警按钮、区域火灾报警控制器、集中火灾报警控制器以及消防控制设备等组成。
一般情况下，在控制中心报警系统中。
集中火灾报警控制器是设在消防控制设备内，组成消防控制装置。
区域报警系统是由火灾探测器或手动火灾报警按钮以及区域火灾报警控制器组成，适用于较小范围的保护。
集中报警系统是由火灾探测器或手动火灾报警按钮以及区域火灾报警控制器和集中火灾报警控制器等组成，其构成的方框图。
它适用于较大范围内多个区域的保护该
系统的容量越大，所要求输出的控制程序越复杂，消防设施控制功能越全，发展
到一定程度便构成为消防控制中心系统。
在具体工程中采用何种报警系统，可根据工程建设规模、保护工程的性质、火灾报警区域的划分和消防管理机构的组织形式等因素综合考虑后确定．随着科学技术的发展，火灾报警系统的组成和功能，也不是一成不变的，只有单一功能的火灾报警控制器、防盗报警器和节能控制器等，将不再由行业、使用场所人为地区分成不同的系列、不同的产品，而是按照技术上、使用上的内在联系和差异来划分。
尤其是随着计算机技术的飞速发展，将综合成一个整体，即成为报警控制系统（器），报警后都能按需要输出一定程序的控制机能，启动相应的设施。
1.1.3研究火灾自动报警控制器的意义
火灾是国内外普遍关注的灾难性问题。
它是发生频率较高的一种灾害，在任何时间、任何地区都可能发生．随着社会经济的发展，建筑物、构筑物应用材料的多样性，各类工业和科学技术的发展，易燃材料增多，加之人们生活环境和生活方式的变革，火灾的危险性日益增加，火灾次数、火灾造成的人员伤亡和经济损失逐渐增多。
尤其是近几年来，高层建筑人量增加，一旦发生火灾，灭火的难度更大。
随着我国经济建设的发展，各种现代化楼字对火灾报警和自动灭火系统提出了更高的要求。
大型宾馆、酒店、商场、图书馆、博物馆、档案馆和办公楼等，自动灭火系统己成为必不可少的保安装置。
设置功能完善的消防设施，对保障人民生命财产的安全，无疑是极为重要的。
“消防”己经逐渐形成一门独立的学科，专门研究如何预防和控制火灾的发生和蔓延。
当今世界，由于电子技术、自动控制技术及计算机技术的高速发展，有力地促进了消防系统的发展。
现代消防系统，无论在结构上还是在功能上，都已达到很高的水平。
现代消防系统中采用了先进的火灾探测器探测火情，自动确认火灾并发出火灾报警信号，自动启动灭火设备、指挥灭火。
自动化消防系统的设计，涉及到许多领域和学科，如核物理、微电子、信息科学、通讯、网络、图像处理、建筑暖通、电气等，并且已经大量融入计算机技术、电子技术、传感器技术以及现代自动控制技术14l。
总之，现代消防系统适应了高层建筑的需要，是人们高度防火意思的体现，又是现代科技发展的高度结晶。
火灾自动报警控制器结构复杂，技术要求较高，再加上部分生产厂家对自身技术实施保密措施，使得系统的维护管理难度增大。
我们立足于能掌握核心开发技术，打破部分厂家的技术垄断，降低系统的维护成本，同时通过两种探测器的横向和纵向交错判断寻找最准确的火灾源，从而有效地提高火灾探测的灵敏度和降低误报率。
该系统依靠其技术含量高，性能可靠稳定，成本低等优点，在市场竞争中必将处于非常有利的位置。
1.2本次课题研究内容及本文的工作
本论文的工作是应大连某公司的要求研发设计一种用于工业场所的火灾自动报警控制系统。
该火灾智能报警控制系统是以C8051F单片机作为控制中心，接受、处理火灾探测器输出的报警信号并进行声光报警，同时执行相应的辅助控制等任务；监视探测器及系统自身的工作状态并能为火灾探测器提供稳定的工作电源。
本论文一共分为四部分介绍。
第一部分是绪论；第二部分是火灾自动报警系统硬件组成及原理，分别介绍传感器信号调理电路、声光报警控制电路、步进电机驱动控制电路，网络接口电路以及电源电路；第三部分是火灾自动报警系统软件，介绍各部分软件流程及整体软件设计；第四部分是总结展望。
2火灾智能报警控制系统硬件组成及原理
2.1系统基本功能及总体框图
本项目系列产品技术研发分为：
机械、电子两部分。
由机械、电子两部分技术联合最终生产出标准化、系列化、模块化的全自动定位灭火装置。
本论文只包括电子技术研发部分。
2.1.1系统基本功能
火灾自动报警系统的基本功能是通过探测器准确寻找火源，驱动步进电机定位，精确判断火灾灾源进行报警，喷水灭火；同时系统具有遥控检测功能。
2.1.2系统硬件总体框图
本系统电气部分主要由检测单元，中央控制单元，电机驱动单元以及通信模块单元四部分组成。
总体框图如图2-1所示：
图2-1系统总体框图
检测单元主要由探火传感器组成。
为了提高系统可靠性，减少误报和漏报，本系统采用了两种不同的传感器，能同时根据情况发出火灾信号。
中央控制单元是以C8051F单片机为核心，接收并处理火灾报警信号，输出报警信号、驱动电机动作信号、提供区域供水电磁阀动作信号等。
电机驱动单元为电机驱动电路，由单片机发出控制信号从而控制电机相应旋转定位。
通信模块单元使系统具有遥控自检功能，通过接收模块接收遥控信号判断信号实现相应自检功能。
2.2C8051F单片机的特点
C8051F系列单片机是集成的混合信号片上系统（SOC），具有与Mcs51内核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有标准8051的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。
C8051采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。
这也是我们选择此款单片机的主要原因。
根据本系统的需要，我们采用了C8051F系列中的C8051F005单片机。
它具有一个32K字节FLASH存储器并与8051兼容的的微控制器内核。
还有硬件实现的（不是在用户软件中用位操作模拟）12C／SMBus、UART、SPI串行接口及一个具有5个捕捉／比较模块的可编程计数器／定时器阵列（PCA）。
还有4个通用的16位定时器和4字节宽的通用数字I，O端口。
C8051F005／06／07／15／16／17有2304字节的RAM，执行速度可达25MIPS。
片内具有VDD监视器、WDT、和时钟振荡器的MCU是真正能独立工作的片上系统。
片内STAG调试支持功能允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。
该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。
每个MCU都可在工业温度范围（45℃到+85℃）内用2．7V-3．6V的电压工作。
端口I\O、RST和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压。
C8051F005为“脚TQFP封装。
1）C8051F端口输入／输出介绍
MCU中有大量的数字资源需要通过数字I/O端口PO、P1、P2和P3才能使用。
端口0、1和2中的每个引脚既可定义为对应的端口I\/0，又可以分配给一个内部数字资源，如图2-2端口I/O功能框图所示.
图2-2端口I/O功能框图
设计者对功能分配有完全的控制，只受所选的封装的可用引脚数的限制。
这种资源分配的灵活性是通过使用优先权交叉开关译码器实现的。
交叉开关根据优先权译码表，将所选择的内部数字资源分配到I/O引脚。
寄存器XBRO、XBRl和XBR2用于选择内部数字功能或让I/O引脚默认为端口I/0。
每个McU的交叉开关的功能完全一样，只是在P2在F001/06/16中没有对应的引脚等。
数字资源如果被分配到没有引脚的端口，则它不能被访问。
所有的端口I/O都耐5V电压。
可以用端口配置寄存器（PRTOCF、PRTlCF、PRT2CF、PRT3CF）将端口I/0单元配置成推挽或漏极开路方式。
优先权交叉开关译码表为每个I/0功能分配一个优先权，从顶端SMBus开始。
当被选择时，它的两个信号被分配到t/0端口0的引脚0和引脚1．译码器总是从端口O开始，从LSB到MSB的顺序填充I/O位，然后是端口1，如果需要的话后填充端口2。
如果你选择不用某个资源，则表中的下一个功能将填充这个优先权位置。
这样就可以只选择设计中用到的功能，充分利用可用的I/O引脚．另外，任何未分配的端口I/O被组合到一起，更便于在应用代码中使用。
2）C8051F的中断系统
CIP-51包含一个扩展的中断系统，支持22个中断源，每个中断源有两个优先级。
中断源在片内外设与外部输入引脚之间的分配器件的不同而变化。
每个中断源可以在一个SFR中有一个或者多个中断标志。
当一个外设或外部源满足有效的中断条件时，相应的中断标志被置为逻辑‘1’。
如果中断被允许，在中断标志被置位时将产生中断。
一旦当前指令执行完，CPU产生一个LCALL到预定地址，开始执行中断服务程序（ISR）。
每个ISR必须以RETI指令结束。
如果中断未被允许，中断标志将被硬件忽略，程序继续正常执行。
每个中断源都可以用一个SFR（IE-EIE2）中的相关中断允许位或禁止。
但是必须首先置‘1’EA位（IE．7）以保证每个单独的中断允许位有效。
不管每个独立中断允许位的设置如何。
清‘0’EA位将禁止所有中断。
MCU有12个中断源分配给片内外设。
根据器件i＼o引脚的配置情况，最多可
有10个附加的外部中断源。
如果中断标志被允许，系统将产生中断，CPU将转向
与该中断标志对应的ISR地址。
3）JTAG调试和边界扫描
每个MCU都有一个片内JTAG接12和逻辑，提供生产和在系统测试所需要的边界扫描功能，支持闪存的读和写操作以及非侵入式在系统调试。
McU中的JTAG接口完全符合IEEEll49．1规范。
关于测试接口和边界扫描结构方面的详细信息请参考该规范。
JTAG接口使用MCU上的四个专用引脚，它们是：
TCK、TMS、TDI和TOO。
这些
引脚都耐5V电压。
通过16位JTAG指令寄存器（IR）可以发出8种指令。
MCU中有三个与JTAG边界扫描相关的数据寄存器和四个与FLASH读／写操作相关的寄存器．边界扫描路径中的数据寄存器是一个87位的移位寄存器。
通过执行EXTEST和SAMPLE命令，边界数据寄存器能提供对所有器件引脚以及SFR总线和弱上拉功能的控制和观察。
2.3系统所用的探测器简介
2.3.1探测器简介
火灾探测器通常又叫做探头，是我们监视保护区域发现火灾的第一线感觉器官。
火灾探测器是把火灾发生时燃烧所产生的热量、烟雾、火焰等特性进行”感觉”，并转变为电信号，传给“大脑’’一火灾报警控制器，由它来处理判断，一旦信号值大于原来设定的阈值，就立即报警，消防控制室立刻启动其它消防设施扑救火灾。
严格说来，这种系统还是一个初步智能系统，它的智能是单向性的。
它只在控制机中有智能功能而在探测器中没有智能功能，而真正的智能系统应该是可以根据现场环境自动调整运行参数，具有自我学习和自适应能力等一系列高级功能的系统。
尽管目前火灾探测器的实报与误报比例在lO：
1以下，但是随着火灾自动探测系统应用的日益普遍，其绝对数量不断增加，经常产生误报会降低自动探测系统的可信度，造成不必要的损失，影响它的应用。
因此，寻找适当的信号处理算法和探测方式一直是火灾自动探测研究的首要任务。
根据火灾探测方法和原理，目前主要有以下几种火灾探测器：
1）感温式火灾探测器：
火灾时物质的燃烧产生大量的热量，使周围温度发生变化。
感温式火灾探测器是对警戒范围中某一点或某一线路周围温度变化时响应的火灾探测器。
它是将温度的变化转换为电信号以达到报警目的。
根据监测温度参数的不同，一般用于工业和民用建筑中的感温式火灾探测器有定温式、差温式、差定温式等几种。
感温探测器对火灾发生时温度参数的敏感，其关键是由组成探测器核心部件——热敏元件决定。
感温式火灾探测器适宜安装于起火后产生烟雾较小的场所。
平时温度较高的场所不宜安装感温式火灾探测器。
2）感烟式火灾探测器火灾的起火过程一般都伴有烟、热、光三种燃烧产物。
在火灾初期，由于温度较低，物质多处于阴燃阶段，所以产生大量烟雾。
烟雾是
早期火灾的重要特征之一，感烟式火灾探测器是能对可见的或不可见的烟雾粒子
响应的火灾探测器。
它是将探测部位烟雾浓度的变化转换为电信号实现报警目的
一种器件。
感烟式火灾探测器有离子感烟式、光电感烟式、激光感烟式等几种型
式。
感烟式火灾探测器适宜安装在发生火灾后产生烟雾较大或容易产生阴燃的场
所：
它不宜安装在平时烟雾较大或通风速度较快的场所。
3）感光式火灾探测器：
物质燃烧时，在产生烟雾和放出热量的同时，也产生可见或不可见的光辐射。
感光式火灾探测器又称火焰探测器，它是用于响应火灾的光特性。
即扩散火焰燃烧的光照强度和火焰的闪烁频率的一种火灾探测器。
根据火焰的光特性，目前使用的火焰探测器有两种：
一种是对波长较短的光辐射敏感的紫外探测器，另一种是对波长较长的光辐射敏感的红外探测器。
紫外火焰探测器是敏感高强度火焰发射紫外光谱的一种探测器，它使用一种固态物质作为敏感元件，如碳化硅或硝酸铝，也可使用一种充气管作为敏感元件。
红外光探测器基本上包括一个过滤装置和透镜系统，用来筛除不需要的波长，而将收进来的光能聚集在对红外光敏感的光电管或光敏电阻上。
感光式火灾探测器宜安装在有瞬间产生爆炸的场所。
如石油、炸药等化工制造的生产存放场所等。
4）可燃气体探测器：
可燃气体探测器是对单一或多种可燃气体浓度响应的探测器。
可燃气体探测器有催化型和半导体型两种类型。
催化型可燃气体探测器是利用难熔金属铂丝加热后的电阻变化来测定可燃气体浓度。
当可燃气体进入探测器时，在铂丝表面引起氧化反
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