商场火灾检测与自动报警控制系统的设计.docx

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商场火灾检测与自动报警控制系统的设计

商场火灾检测与自动报警控制系统的设计

摘要：

介绍了一种基于单片机控制的火灾报警系统，它选用温度烟雾传感器作为敏感元件，一旦出现异常，系统将显示出具体的事故位置，并启动报警装置。

是集预防、检测、报警于一体的智能化火灾自动报警系统。

系统软件由结构化模块组成，整个系统具有可靠性高，精确，使用灵活方便等优点。

关键词：

单片机；温度烟雾传感器；A/D转换器；多路模拟转换开关；

中图资料法分类号：

TP273

Designoffireexamineandautomaticcontrolsystemofgivinganalarminmarketplace

YangMing

（Departmentofelectricengineering,Henanuniversityofscienceandtechnology，Jiaozuo454000,Henan）

Abstract:

Acontrolsystemofgivinganalarmbasedonsinglechipmicrocomputerisdesigned．Itchoosetemperatureandfogsensorassensitivitycomponent,oncefindingurgentcase,systemwillshowexactaccidentlocationandstartupinstallationofgivinganalarm．Itisaintelligentizedfireexamineandautomaticcontrolsystem.Thesystemsoftwareincludesofsomestructuredmodules.

Keywords:

singlechipmicrocomputer;temperatureandfogsensor;A/Dtransition;simulationswitchofroutes;

1前言

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（CBS）的重要组成部分。

智能建筑中的火灾自动报警系统设计首先必须符合GB50116-98《火灾自动报警系统设计规范》的要求，同时也要适应智能建筑的特点，合理选配产品，做到安全适用、技术先进、经济合理。

火灾自动报警系统有区域报警系统，集中报警系统和控制中心报警系统三种基本形式，具体采用何种报警，可根据工程建设规模，保护对象的性质，区域划分和消防管理机构等因素综合分析后确定。

本设计采用集中报警系统，将所监视的若干区域内的传感器输入的电压信号，以声、光形式显现出来，将着火区域和该区域的具体着火部位显示在屏幕上。

随着人们对火灾初期特征研究和火灾探测技术研究的不断深入，一些发达国家对早期火灾探测报警技术的研究与产品开发十分重视。

早在20世纪80年代，日本、美国、英国、瑞士、德国、澳大利亚等国家就开始投入大量的科研经费、科技力量进行技术研究和产品开发。

对于易燃、易爆场所，一旦爆炸起火，火势蔓延速度之快，难以控制等特点，人们开发研制了在火灾爆炸事故之前，从可燃气体浓度方面进行故障和火灾爆炸危险性等方面预测的线型可燃气体探测报警系统。

它采用光学原理利用不同气体在光谱特性的差别进行气体浓度探测,从根本上解决了点型可燃气体传感元件中毒、稳定性差、寿命短等缺陷,用于大面积可燃气体探测报警时,性能价格比较高,其原理可扩展用于其他场所气体泄漏的监测。

火灾探测报警系统可靠性的提高体现在用智能技术处理传感器提供的火灾信息。

人们建立了多种火灾探测算法、模糊逻辑、神经网络模式，也有从事研究非火灾探测的模式。

而各种单一传感器提供的火灾信息均混杂非火灾信息,给从传感器提供的火灾信息上判别火灾增加了难度。

于是人们开始探索新型探测原理的传感器件（如气体气味传感器等）和复合探测器，取得显著成效的是对火灾过程的多参数进行监测的复合传感器。

它对火灾产生的多种参数进行多种信息的分析，排除干扰，确定火灾，从而提高了判断火灾的准确性。

而与之配套的硬件则采用复合多传感等传感方式，为判断火灾提供更加充分的火灾信息。

成熟的产品有温、烟复合型智能火灾探测报警系统，并已用于实际工程。

我国的火灾报警器控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，其智能化速度也越来越高。

目前国内厂家多偏重于大型仓库，商场，高级写字楼，宾馆等场所大型火灾报警系统的研发，他们采用集中区域控制方式，其系统复杂、成本较高。

火灾的发生和发展过程是一个复杂的物理化学过程,而且与环境的相关性很强。

一个火灾过程一般都伴随着烟气、温、光等信号的产生。

基于不同环境及不同燃烧物成分的火灾的生成气成分、烟雾的粒径构成、温度分布及光谱均有不同，因此，火灾过程涉及多个物理和化学参数，而且特征性比较强，与一般的扰动有着本质的区别。

基于这种特性，多元复合探测技术在火灾探测领域得到广泛采用，如采用物复合的双波段火焰探测器等。

近年来，CO传感技术有了一定的突破，功耗显著理参数复合的温烟复合探测器，采用不同波段光传感器降低,灵敏度有了一定的提高，寿命也有所增加。

众所周知CO是几乎所有燃烧过程的生成物,CO传感器的引入对提高火灾探测器的可靠性具有深远的意义。

目前,许多厂家及科研机构都在进行包含CO传感器的复合型探测器的研制工作，并取得了一定的进展。

随着传感技术及火灾特征性研究的发展,复合探测技术将逐渐成熟,从而从根本上解决由于特征分析无法辨识火灾与非火灾参数而引起的误报问题。

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。

他的应用使人们对火灾的控制能力大大增强，使危害大大降低。

通用火灾报警器的主要心脏部件就是单片机，通过他来接收来自火灾探测器的报警信号，经过确认后，发出声光报警，显示报警位置，并能发出控制信号启动消防设备，迅速灭火。

可见，从信号的接收处理到报警消防，完全实现了自动控制，单片机在其中起到了关键的作用。

2系统的硬件设计

本系统的硬件电路由温度烟雾传感器、多路模拟转换开关、A/D转换、单片机、显示及报警电路等组成。

系统硬件结构原理框图如图1所示

2.1输入通道

在单片机测控应用系统中，数据采集系统是其核心部分，它的作用就是把物理量世界与数字处理和控制的逻辑世界联系起来。

模拟输入系统（或称数据采集系统）见图2。

主要包括电压形成回路，模拟滤波（ALF）回路、采样保持（S/H）、多路转换（MPX）以及模/数转换，完成将模拟输入量精确地转换为所需要的数字量。

模拟输入数据采集系统设计原则；

（一）满足系统功能和性能指标要求，并保证系统的可靠性

单片机应用系统都是根据具体的应用对象和不同目的而设计的，其模拟量输入数据采集系统设计首先必须满足整个系统的功能要求和技术性指标，并且要把稳定性和可靠性作为出发点。

从一开始就要考虑到应用现场的环境情况，宁可估计得恶劣一些，按可能出现的最坏状况设计。

因为搭试、组装、调试通常先在实验室进行，而应用现场环境与实验室多有不同，在实验室经长时间考验能可靠运行的系统不一定能适应于工业现场环境的考验，最初考虑不周，就会给现场调试带来困难。

（二）硬件参数选择要恰当

对系统误差估计时，要对系统各个环节的误差情况有基本的了解。

因为A/D转换器芯片比其他芯片要贵，因此常以A/D转换器芯片为主决定其他芯片，要求其他元器件的误差应比A/D转换器要小，以充分利用A/D转换器本身的性能参数。

在能保证系统精度的情况下，应尽量选择位数底、转换精度低一些的器件；转换速率也不要选那些比需求高得多的芯片。

因为高分辨率、高速芯片的价格比低分辨率、低速的要贵得多，如选用高分辨率的A/D转换器，势必又要配以高精度、高性能的运放、采样保持器等，使整个系统造价大为增加。

如部分硬件芯片选用高性能的，而另一部分芯片采用一般性能的，系统总误差总是与大误差期间的误差相近，高性能硬件参数不能得到充分利用，无端造成浪费。

（三）性能价格比要高

系统构成可有很多不同方案,如何使系统达到最优,这是系统工程方法所要解决的问题.有时各个部件都是采用高性能元器件,但由于个部件之间未能匹配协调好,整个系统未必是高性能.高速A/D芯片可能是低速芯片价格的几十倍.特别是对于某些批量产品的研制,优选出一种最优方案是非常值得的。

（四）实现起来要相对容易,开发周期尽可能短

对于那些特定对象,要用单片机实现数据采集,有时为了赶时间,尽量缩短开发周期,就不能把高性能价格比作首要追求的目标,就应尽可能采用相对成熟的芯片和技术,而不要去试用某些无把握的新器件和新技术,以免耽误时间.

如图3，输入通道由温度烟雾传感器、多路模拟转换开关、A/D转换等电路组成。

ADC0809的8路模拟输入分别接多路模拟转换开关AD7501的OUT端，AD7501的S1到S8分别接温度烟雾传感器（各种控制线路未画，将在以后加以分析）。

2.1.1温度烟雾传感器

（1）探测区域传感器设置要点

标准规定:

火灾探测区域一般以独立的房间划分探测区域内的每个房间内至少设置一只传感器.在敞开或者封闭的楼梯室、走道、坡道、管道井、夹层等场所都应单独划分的探测区域，设置相应传感器、内部空间开阔且门口有灯光显示装置的大面积房间可划分一个的探测区域，但其最大面积不能超过1000m2。

传感器的设置一般按保护面积确定，每只传感器保护面积和保护半径确定，要考虑房间高度、房屋顶坡度、探测器自身灵敏度三个主要因素的影响，但在有梁的顶棚上设置传感器时必须考虑到梁突出顶棚影响，如下所示：

梁突出顶棚高度和净距对传感器设置的影响

梁的高度和净距影响程度：

高度小于200mm时不考虑；高度200mm～600mm时按房间高度和梁隔断的梁间区域面积确定传感器保护面积和一只传感器保护的梁间区域个数；高度大于600mm时被梁隔断的每个梁间区域至少设置1只传感器，梁间净距时小于1m时不考虑。

另外，在设置火灾传感器时，还要考虑智能建筑内部走道宽度至墙端的距离，至墙壁梁边距离，空调通风口距离以及房间隔情况等的影响。

（2）传感器总数确定

首先确定一个探测区域所需设置的传感器数量，其计算公式为：

N=S/KA式中；

N-传感器数量（只），取整数；

S-该探测区域的面积（m2）；

A-传感器的保护面积（m2）；

K-修正系数特级保护对象取0.70へ0.8，一级保护对象取0.8へ0.9，二级保护对象取0.9へ1.0：

注：

感烟和感温传感器均以此式计算。

（3）火灾传感器按其结构和作用原理不同，可分为感温探测器，感烟探测器，感光探测器，可燃气体探测器等，它们分别适用于不同场合。

为了准确的进行火灾报警，针对商场，选用合适的温度和烟雾传感器是准确报警的前提，综合考虑各种因素，本系统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。

AD590是美国AnalogDevices公司生产的一种电流型二端温度传感器。

电路如图4所示。

AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。

由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。

AD590是一种电流型温度传感器。

它的主要特性如下：

1.流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：

mA/K式中：

—流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T—热力学温度，单位为K。

2.AD590的测温范围为-55℃～+150℃。

3.AD590的电源电压范围为4V～30V。

电源电压可在4V~6V范围变化，电流

变化1mA，相当于温度变化1K。

AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。

4.输出电阻为710MW。

5.精度高。

AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。

由于AD590是电流型温度传感器，它的输出同绝对温度成正比，即1uA/k,而数模转换芯片AD0809的输入要求是电压量，所以在AD590的负极接出一个10k欧的电阻R1和一个100欧的可调电阻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10mV/K。

由于在火灾发生时，将会出现木材、纤维、纸张等大量材料的燃烧。

火灾中气体烟雾主要是CO2和CO。

TGS202气体传感器都能探测CO2，CO，甲烷，煤气等多种气体，它灵敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体的探测，具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。

鉴于以上情况，本次设计中的气体传感器采用TGS202型气敏传感器。

如图5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0.06%）时，VA端获得适当的电压（设为3V）。

符号

参数名称

技术条件

Tao

使用温度

-20℃-50℃

as

储存温度

-20℃-50℃

RH

相对湿度

小于95%RH

O2

氧气浓度

21%（标准条件）氧气浓度

会影响灵敏度特性

表1TGS202环境条件表

2.1.2多路模拟转换开关

如图7所示AD7501的引脚和等值图。

包括，8路输入：

S1～S8，1路输出：

OUT。

输出选择：

当EN有效时，A2～A0选择S1～S8中某路输出。

例如，A2A1A0=000时，OUT=S1。

在本系统中，由于AD7501是一种8路模拟输入的器件，故可接8路温度烟雾传感器，8片AD7501分别接到ADC0809的8路模拟输入端口时，8片AD7501的控制线A2，A1，A0分别并联接至单片机的P1.0，P1.1和P1.2，由P1.0，P1.1，P1.2连续不断的提供000～111的变化信号，由于AD7501的EN端高电平有效，在设计中，8片AD7501的EN端通过译码电路后分别接到单片机的P1.3，P1.4，P1.5分时提供高电平，连续不断的选定8片AD7501，同时，AD7501的A2，A1，A0在000～111的变化信号下，巡回检测8路模拟量输入，并将采集到的数据通过A/D转换器传送至内部电路。

具体电路如图7所示。

2.1.3A/D转换器

A/D转换器芯片的种类较多，按转换原理可分为计数器式A/D，逐次逼近式A/D，双积分式A/D，并行A/D等多种。

根据系统要求，我们选用ADC0809转换器。

ADC0809是National半导体公司生产CMOS材料的A/D转换器。

它是具有8个通道的模拟量输入线，可在程序控制下对任意通道进行A/D转换，得到8位二进制数字量。

其主要技术指标如下：

电源电压：

6.5V

分辨率：

8位

时钟频率：

640KHZ

转换时间：

100µS

未经调整误差：

1/2LSB和1LSB

模拟量输入电压范围：

0－5V

功耗：

15

为了满足多种需要，目前已经设计并生产出多种高质量的A/D转换器。

在A/D转换器芯片里面集成了多路开关，采样保持器和A/D转换器。

可方便的构成多通路模拟量输入通道。

ADC0809是单片双列直插式集成电路芯片，是8通路8位A/D转换器，其主要特点是：

分辨率8位；总的不可调误差为1LSB；当模拟输入电压范围为0—5V时，可使用单一的+5V电源；转换时间100us；温度范围-45—+86度；可直接与CPU连接，不需要另加接口逻辑；内部带8路模拟开关，可以输入8路模拟信号；输出带锁存器；逻辑电平与TTL兼容。

1.电路组成及转换原理

ADC0809是一种带有8位转换器、8位多路切换开关以及与微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。

8位A/D转换器的转换方法为逐次逼近法。

在A/D转换器的内部含有一个高阻抗抗斩波稳定比较器，一个带有模拟开关数组的256R分压器，以及一个逐次逼近的寄存器。

八路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在八个通道中任意访问一个单边的模拟信号。

ADC0809无须调零和满量程调整，又由于多路开关的地址输入能够进行锁存和译码，而且它的三态TTL输出也可以锁存，所以易于与微处理机进行接口。

ADC0809由两大部分所组成，第一部分为八通道多路模拟开关，它的基本原理与CD4051类似。

它用于控制C、B、A端子和地址锁存允许端子，可使其中一个通道被选中。

第二部分为一个逐次逼近型A/D转换器，它由比较器、控制逻辑、输出缓冲锁存器、主次、逐次逼近寄存器以及开关数组和256R电阻分压器组成。

后两种电路（即开关树组和256R电阻分压器）组成D/A转换器。

控制逻辑用来控制逐次逼近寄存器从高位到低位逐次取“1”，然后将此数字量送到开关树组（8位开关），用来控制开关S7—S0与参考电平相连接。

参考电平经256R权电阻分压器，则输出一个模拟电压U0，U0与UI在比较器中进行比较。

当U0>UI时,本位D=0;当U0

2.ADC0809的外引脚及功能

D0～D7：

8位数字量输出引脚；

IN0～IN7：

8位模拟量输入引脚；

START：

A/D转换启动信号输入端，当START为高电平时，开始A/D转换；

EOC：

转换结束信号输出引脚，当A/D转换完毕之后，发出一个正脉冲,表示A/D转换结束，此信号可用作为A/D转换是否结束的检测信号或中断申请信号；

OE（OUTPUTENABLE）：

输出允许控制端，如此信号被选中时，允许从A/D转换器中读取数字量；

CLOCK：

时钟信号输入端；

ALE：

地址锁存允许信号输入端，高电平有效。

当ALE为高电平时，允许C、B、A所示的通道被选中，并将该通道的模拟量接入A/D转换器；

ADCA、ADCB、ADCC：

地址输入线，经译码后可选通IN0～IN7八通道中的一个通道进行转换。

A、B、C的输入与被选通的通道的关系如表2所示。

被选通的通道

C

B

A

IN0

IN1

IN2

IN3

IN4

IN5

IN6

IN7

0

0

0

0

1

1

1

1

0

0

1

1

0

0

1

1

0

1

0

1

0

1

0

1

表2输入与被选通的通道关系

当CBA为000时，选中IN0通道接入；当CBA为001时，选中IN1通道接入；当CBA为111时，选中IN7通道接入。

VREF（+）、VREF（-）：

参考电压端子，用来提供D/A转换器权电阻的标准电平。

在单极性输入时，VREF（+）=5V，VREF（-）=0V；当模拟量为双极性时，VREF（+）、VREF（-）分别接+、—极性的参考电压。

3.与系统的连接信号

目前微机控制系统中都采用集成电路A/D转换器芯片，各种集成电路A/D转换器芯片都提供了便于外部连接的外引管脚。

A/D转换器对外的连接信号，有下列几类：

模拟输入信号、数据输出信号、启动转换信号和转换结束信号及数据的读取。

A/D转换器和系统连接时，就要考虑这些信号的连接问题。

（1）输入模拟电压的连接

A/D转换器的输入模拟电压往往既可以是单端输入，又可以是双端差动输入（差动输入）。

如单通路8位A/D转换器ADC0809就是这样，它的两个输入端为VIN（-）、VIN（+）。

如果用单端输入的正向信号，则把VIN（-）接地，信号加到VIN（+）端；如果用单端输入的负向信号，则把VIN（+）接地，信号加到VIN（-）端。

如果用差动输入，则模拟信号加在VIN（-）端和VIN（+）之间。

ADC0809可以从IN0-IN7接8路模拟电压输入，通常接成单端、单极性输入，这时VREF（+）=5V，VREF（-）=0V，也可以接成双极性输入，这时VREF和VREF应分别接+、-极性的参考电压。

（2）数据输出和系统总线的连接

A/D转换器数据输出有两种方式，一种是A/D芯片内部带有三态输出门，其数据输出线可以直接挂到系统数据总线上去。

另一种是A/D芯片内部不带三态输出门，或虽有三态输出门，但它不受外部信号控制，而是当转换结束时自动开门的，如AD570就是这种芯片。

这类A/D转换器芯片的数据输出线都不能和系统数据总线相连接，而应外加输入缓存器或通过并行I/O口的输入端口才能和CPU之间交换数据。

ADC0809的数据输出线具有三态输出门，其8位数据输出线可以直接接到系统数据总线上去。

（3）A/D转换启动信号

A/D转换器是在CPU控制下工作的，即由CPU发出启动转换信号。

启动信号有电平启动和脉冲启动两种方式。

CPU一般要通过并行接口输出端或用D触发器发出和保持有效的电平启动信号。

ADC0809要求都要求用脉冲启动信号。

通过读/写信号或程序控制得到足够宽度的脉冲信号。

（4）转换结束信号及转换结束的读取

A/D转换结束时，A/D转换芯片输出转换结束信号。

转换结束信号也有两种：

电平信号和脉冲信号。

CPU检测到转换结束信号即可读取转换后数据。

CPU一般可以采用3种方式和A/D转换器进行联络来实现对转换数据的读取。

第一种是程序查询方式。

就是在启动A/D转换器工作以后，程序不断读取A/D转换结束信号，若检测结束信号有效，则认为完成一次转换，即可用输入指令读取转换后数据。

第二种是中断方式。

即把A/D转换器送出的转换结束信号（有时可能要外加一个反向器）作为中断申请信号，送到CPU或中断控制器的中断请求输入端。

第三种是固定的延迟程序方式。

用这种方式时，要预先知道完成一次A/D转换需要的时间。

CPU发出启动A/D命令之后，执行一个固定的延迟程序，延迟时间正好等于或略大于完成一次A/D转换所需要的时间，延时到，即可读取数据。

三种方式中，当A/D转换时间较长时，宜采用中断方式。

当A/D转换时间较短时，宜用查询方式或延迟方式。

ADC0808/ADC0809是单片COMS型逐次逼近式8位模/数变换器，片内包含8位模数变换器，8通道多路连通8个单端模拟中的任何一个。

由于ADC0808/ADC0809设计时考虑到若干种模/数变换技术的长处，所以芯片非常适用于控制，微控制器输入通道的接口电路，智能仪器和机床控制领域。

1.主要性能

逐次比较型；

COMS工艺制造；

单电源供电；

无需外部进行零点和满度调整；

可锁存三态输出，输出与TTL兼容；

易于各种微控制器接口；

具有锁存控制的8路模拟开关；

分辨率：

8位；

功耗：

15mw；

轮换时间（FDK=500KHZ）：

128μs

ADC0808：

±0.2%

ADC0809:

±0.4%

ADC0809的结构及引角见图8所示：

ADC0809的接口及应用:

图9所示是ADC0809与8031单片机的接口电路图。

8路模拟量的变化范围在0～5V间，ADC0809的EOC转换结束信号接8031的外部中断1，8031通过地址线P2.0和读、写信号来控制转换器的模拟输入通道地址锁存、启动和输出允许。

模拟输入通道地址A、B、C由P2.0～P0.2经锁存器提供。