感温火灾报警器的方案设计.docx
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感温火灾报警器的方案设计
摘要
随着经济和城市建设的快速发展城市高层、地下建筑以及大型综合性建筑日益增多,火灾隐患也大大增加,火灾已成为我国常发性和破坏性以及影响力最强的灾害之一,火灾的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。
在这一背景下,火灾探测及联动报警系统已成为当代智能建筑中不可缺少的组成部分。
在认真参考比较国内外类似系统的基础上,本文提出了一种火灾探测及联动报警系统的总体设计方案。
本系统由探测器、控制器、信号传输三部分组成。
探测器的探头将探测到的物理信号转换为电压信号,然后送入探测器,由探测器内的单片机进行处理,然后将处理好的信号送往振荡器进行混频、高频电路调制、发射。
无线传输的高频信号由控制器的接收电路接收、解调后送往微处理器处理。
最后将信息通过输出至LCD显示屏显示实现联动报警。
对于系统中各部分的设计,分别对多种方案进行了讨论,给出该系统所采用的方案:
探测器控制电路核心采用低功耗80c51单片机,能够实现对火灾状况信息的检测和传送;同时设计了写码器,进一步提高了系统的适应性与扩展性。
控制器是本系统的核心,在本系统的设计中采用性价比较高的C8051F020微控制器,所设计的控制器具有探测器管理、报警信息查询、火警处理等功能,使用LCD显示器显示系统所需的各种信息。
控制器与探测器之间的通讯联动是通过无线高频方式进行的,电路的设计采用KB8825双频合成器进行,具有较强的抗干扰能力和较低的功耗,能够很好地完成探测器与控制器之间的无线通信。
本文最后通过模拟实验,对系统的性能进行了测试。
关键词：
温度;报警器;80c51;传感器
Abstract:
Withtherapiddevelopmentofeconomyandcityconstruction,cityofhigh-risebuilding,undergroundbuildingsandlargebuildingisincreasing,firehiddentroublealsoincreasedsignificantly,thefirehasbecomeourcountryoftenidiopathicanddestructiveaswellasthestrongestinfluenceofdisasters,thenumberoffiresandthelossescausedbyarisingtrendyearbyyear.Inthiscontext,firedetectionandalarmlinkagesystemhasbecomeanindispensablepartofintelligentbuilding,thispaperdiscussestheisakindoffiredetectionandalarmlinkagesystemdesign.Inseriousreferenceandcomparisonofdomesticandforeignsimilarsystemsonthebasisofthis,putforwardfiredetectionandalarmlinkagesystemdesignprogram.Thissystemiscomposedofdetector,controller,thesignaltransmissioniscomposedofthreeparts.Probetodetectthephysicalsignalintovoltagesignal,andthenfedtoadetector,thedetectorwithinthesinglechipprocessor,andthendealwithgoodsignaltotheoscillatormixing,highfrequencycircuitmodulation,emission.Wirelesstransmissionofthehigh-frequencysignalfromthecontroller,thereceivercircuitreceivesthedemodulatedtomicroprocessor.FinallytheinformationthroughtheoutputtotheLCDdisplayscreendisplaytorealizelinkagealarm.Forthepartsofthesystemdesign,respectively,foravarietyofoptionsarediscussed,anditgivesthesystemthescheme:
detectorcontrolcircuitcoreusinglowpower80c51microcontroller,canbeachievedontheconditionsofthefiredetectionandtransmissionofinformation;whilethedesigntowritecode,tofurtherimprovethesystemadaptabilityandexpansibility.Thecontrolleristhecoreofthesystem,thesystemusedinthedesignofcost-effectiveC8051F020microcontroller,thedesignedcontrollerhasadetectormanagement,informationquery,firealarmprocessingfunctions,usingtheLCDdisplaysystemforallkindsofinformation.Controlleranddetectorforcommunicationbetweenthelinkageisthroughradiofrequencyway,circuitdesignusingKB8825dualfrequencysynthesizer,hasstronganti-interferenceabilityandlowerpowerconsumption,canwellcompletethewirelesscommunicationbetweenthedetectorandcontroller.Finally,throughthesimulationexperiments,thesystemperformanceofthetest
Keywords:
Temperature,alarm,80c51,sensor
目录
1、绪论6
1.1概论6
1.3现状及特点6
1.4火灾探测技术7
2感温报警器的方案设计7
2.1感温报警器设计思路7
2.2总体框图8
2.3系统主要器件的选择8
2.3.1火灾探测器的选择9
2.3.2单片机及A/D转换芯片的选择12
2.4温度检测报警器工作原理13
2.5温度检测报警器的结构13
2.6温度检测报警器的功能14
3感温检测报警器的硬件设计14
3.1单片机的选型15
3.1.1单片机的选择15
3.1.280C51系列15
3.1.380C51的基本结构15
3.1.480C51单片机的的封装和引脚16
3.1.580C51单片机的时钟17
3.1.680C51单片机的复位18
3.2感温检测报警器硬件电路设计20
3.2.1信号采集及前置放大电路20
3.2.2声音报警电路21
3.2.3数码管显示电路21
3.2.4状态指示灯及控制键电路22
。
3.2.5报警器故障自诊断电路22
4.温度检测报警器的软件设计22
4.1编程KEIL环境介绍22
4.2程序流程23
4.3程序24
结论26
参考文献：
27
致谢：
28
1绪论
1.1概论
火灾自动报警系统，一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成，也可以根据工程的要求同各种灭火设施和通讯装置联动以形成中心控制系统，即由自动报警、自动灭火、安全疏散诱导、系统过程显示、消防档案管理等组成一个完整的消防控制系统。
火灾探测器是探测火灾的仪器，由于在火灾发生的阶段，将伴随产生烟雾、高温格火光。
这些烟、热和光可以通过探测器转变为电信号报警或使自动灭火系统启动，及时扑灭火灾。
区域报警器能将所在楼层之探测器发出的信号转换为声光报警，并在屏幕上显示出火灾的房间号；同时还能监视若干楼层的集中报警器（如果监视整个大楼的则设于消防控制中心）输出信号或控制自动灭火系统。
集中报警是将接收到的信号以声光方式显示出来，其屏幕上也具体显示出着火的楼层和房间号，机上停走的时钟记录下首次报警时间性，利用本机专用电话，还可迅速发出指示和向消防队报警。
此外，也可以控制有关的灭火系统或将火灾信号传输给消防控制室。
1．2发展趋势
多年前，中国的消防报警产品刚刚起步，无论产品技术含量、产品系列完整性、使用性，还是社会影响程度都是相当低的。
国外的产品和品牌一统天下，占领中国的大部分市场。
由于中国的建设正在飞速发展，市场大的惊人，难道这由中国发展带来的成果只能由外国企业来瓜分？
可幸的是中国企业抓住了机遇，顶住了挑战，先是一批国家的科研院所，后是一批国营企业、民营企业，业内也吸引和凝聚一大批国内的技术和管理精英，花了十多年时间，通过几次产品更新换代，就使自己的产品紧紧跟上了国际水平，并且夺回了大部分国内市场，使得现在大多国外产品只有招架之功，这是典型的自力更生，走自己的路。
当然目前而言，我们基本占据的是国内市场，对国外还刚启动。
中国企业正虎视眈眈，准备进军海外市场。
1.3现状及特点
消防报警产品是一个系列产品，包括火灾探测设备、信息传输设备、报警分析控制器、消防控制联动。
是物理传感技术、自动控制、计算机技术、数据传输和管理、智能楼宇等技术的综合集成，属于高新技术。
依托中国多年的基本建设的发展，这个行业也得到发展，具备了和国外知名企业抗衡的能力。
在目前中国许多冠名以高新技术的行业中，中国企业大多做的是下游的制造和服务，分取极少一部分的利润，象消防报警产品那样又拥有自我知识产权，又拥有大量市场的行业其实是很少的。
在消防报警产品的技术含量上，国内产品和国外产品差距不是很大，许多指标已经超越，存在的问题是：
类似于国外消防报警产品的大批量规模化的生产才刚起步，有待于积累经验和技术；也因此在产品一致性的长期稳定性上有一些差距；国内正在形成权重的大型企业和集团，这样可以带领国内的各家企业去冲击海外市场，并最终占领海外的消防报警市场。
1.4火灾探测技术
火灾作术为一种在时空上失去控制的燃烧所引发的灾害，对人类生命财产和社会安全构成了极大的威胁。
由此引发的重大安全事故比皆是，所以人类一直也未停止过对它的研究。
火灾的发生和发展是一个非常复杂的非平稳过程，它除了自身的物理化学变化以外还会受到许多外界的千扰，火灾一旦产生便以接触式（物质流）和非接触式〔能量流）的形式向外释放能量。
接触式形式包括可燃气体、燃烧气体和烟雾、气溶胶等。
非接触式如声音、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外一种易于处理的物理量。
各种探测器对应的火灾物理参量及探测器如图1-1所示。
图1-1各种探测器对应的火灾物理参量及探测器
2感温报警器的方案设计
2.1感温报警器设计思路
温度检测报警器是能够检测环境中的温度，并具有报警功能的仪器，仪器的最基本组成部分应包括：
温度采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。
温度信号采集电路一般由感温传感器和模拟放大电路组成，将温度信号转化为模拟的电信号。
模数转换电路将从温度检测电路送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。
单片机对该数字信号进行滤波处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值（也就是报警限），如果大于则启动报警电路发出报警声音，反之则为正常状态。
为方便检测与监控，使仪器测试人员及用户能够直观地观察到环境中的温度值，可将浓度值送到显示屏中。
方便调节报警限，可以加入按键。
为使报警装置更加完善，可以在声音报警基础上，加入光闪报警，变化的光信号可以引起用户注意，弥补嘈杂环境中声音报警的局限。
以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。
感温传感器及单片机是温度检测报警器的两大核心，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的感温传感器及单片机芯片是至关重要的。
感温传感器的选型在下一节详细介绍。
单片机作为硬件电路的核心，它的选型将在第三章详述。
2.2总体框图
根据方案的设计思想，我们从中就可以得到了声光报警系统的总体框图如图2-1所示下：
温度，湿度，烟雾浓度
A/D转换器
传感器
报警器
单片机
使用80C51单片机，选用声光传感器作为敏感元件，利用AD574A转换器和声光报警电路，开发了可用于家庭或小型单位火灾报警的声光报警器。
整个设计由4大部分构成：
声光传感器、A/D转换电路、80C51单片机、声光报警电路。
其中，声光传感器是将现场温度、声光等非电信号转化为电信号；转换电路是将完成将声光传感器输出的模拟信号到数字信号的转换。
声光报警模块由单片机和报警电路组成，由单片机控制实现不同的声光报警功能。
2.3系统主要器件的选择
2.3.1火灾探测器的选择
1）探测器简介
火灾探测器是火灾报警系统的重要组成部分，直接关系到整个系统的正常运行。
当火灾发生时，把火灾产生的各种非电量参数（如烟雾，温度）变成电量参数传送给控制器。
其特点是模拟量传输，跟随各种非电量参数的变化而变化[16]。
火灾探测器根据火灾发生时所表现出来的物理现象可以分为：
气敏型、感温型、感烟型、感光型、感声型五大类。
（l）感温探测器
感温探测器一般分为定温式和差温式。
单一的感温探测器灵敏度低、探测速度慢、探测范围小，尤其对阴燃情况不响应，因此不适用于火灾早期的探测，而在设计时往往安装在不宜安装感烟探测器的区域。
（2）感烟探测器
感烟探测器可以分为离子感烟探测器和光电感烟探测器[18]。
感烟探测器具有非常好的早期报警功能，即使在不太好的环境条件场所也会有比较好的探测效果，它一般适用于极高的房屋或空心花板或地下室中。
感烟探测器适用于火灾前期及早期，产生大量的烟和少量的热，但它不能区分火灾信号与非火灾信号，如厨房烟、水蒸气等，所以误报率较高。
（3）气体探测器
气体探测器的主要作用是在发生可燃气体泄漏危险时，提醒有关人员采取相关措施以保护现场工作人员、生产设备的安全运转以及周围环境。
气体探测器适用于散发可燃气体和可燃蒸汽的场所。
但由于气体探测器探测对像CO易与还原气体发生化学反应，因此在有还原气体的场所可能会发生误报警。
（4）图像探测器
图像火灾探测器分为烟雾图像探测器、火焰图像探测器、激光图像感烟探测器等，它们都非常适合于商场大空间建筑。
但烟雾图像火灾探测器对不规则物体或相似图像可能发生误报警;而火焰图像探测器则对高温物体或太阳光照射可能发生误报警;激光图像感烟火灾探测器则由于其良好的探测性能，发生误报警的概率小，非常适合商场建筑的火灾探测。
（5）红、紫外火焰探测器
火灾中能够辐射出红外线的不仅仅是火焰，一些高温物体的表面都能发出与火焰红外线频带相吻合的红外线，因此这些并非火灾的红外源就容易使单波段红外火焰探测器产生误报警。
紫外火焰探测器灵敏度高（ms级），反应快，适合在火灾时有强烈的火焰辐射而无阴燃阶段且需对火焰做出快速反应的场合，但当环境中有紫外辐射、高温物体或有太阳光直射时可能或产生误报警，因此，紫外火焰探测器不宜用于火焰出现前有浓烟扩散或有阳光直射的地方。
温度探测器
温度探测器使用的是美国国家半导体公司生产的集成温度传感器LM94022，该传感器属于高精度模拟输出CMOS温度传感器，不仅工作电压低、静态电流小和输出功率极低，而且能与模数转换器（ADC）配合使用。
其主要特性如下：
（1）工作电压低，可在1.5V电压下工作；且工作电压范围宽，为1.5—5.5V；
（2）静态电流小，典型值为5．41μA；（3）末级为推挽输出，输出电压与感测的温度成反比，确保芯片即使在较高的温度范围内仍可保持极高的灵敏度；（4）可提供4个不同增益让用户自行选择，其中包括-5.5mV/℃、-8.2mV/℃、-10.9mV/℃及-13.6mV/℃；（5）温度范围宽，可以监控由-50℃至150℃范围内的温度；（6）设计灵活、功率极低，采用极小巧的SC70封装，大小与美国国冢半导体的标准型号LM20温度传感完全相同。
LM94022的管脚排列如图2.4所示。
图2.4LM94022管脚排列
当给LM94022的灵敏度选择输入端GS0、GS1施加不同电平时，有4种不同的灵敏度供用户选择，如表2.3所示（由于输出电压随温度升高而下降，其灵敏度为负值）。
用户可根据测温的范围及接口电路的工作电压的条件来合理。
选择要求高电平大于（VDD-0.5V）；低电平小于0.5V。
表2.3LM94022的4种灵敏度
GS0
GS1
灵敏度典型值（mV/℃）
0
0
-5.5
0
1
-8.2
1
0
-10.9
1
1
-13.6
LM94022的输出特性如图2.5所示，这是测量温度与输出电压在不同灵敏度时的特性。
由于输出电压随温度升高而下降，其灵敏度为负值。
从图可看出，LM94022的输出电压与感测的温度成反比，并且其线性度极好，这是线性化后的特性。
在VDD为5V时，不同灵敏度的几个特定温度值时的输出电压如表2.4所示（典型值）。
图2.5LM94022的输出特性
表2.4VDD为5V，t为25℃时的输出电压值
被测温度
GS=00（mV）
GS=01（mV）
GS=10（mV）
GS=11（mV）
-50
1299
1955
2616
3277
-25
1168
1767
2366
2965
0
1034
1565
2100
2633
25
898
1365
1831
2298
50
760
1159
1558
1958
续表2.4VDD为5V，t为25℃时的输出电压值
被测温度
GS=00（mV）
GS=01（mV）
GS=10（mV）
GS=11（mV）
75
619
949
1290
1609
100
476
737
997
1257
125
332
521
711
901
150
183
301
420
593
按表2.4的数据计算出的灵敏度值与表2.3给出的典型灵敏度有一些差值。
例如，在GS=00时，-25℃时的输出电压为1168mV，-50℃时的输出电压为1299mV，则其平均灵敏度为-5.24mV/℃；50℃时的输出电压为760mV，75℃时的输出电压为619mV，则其平均灵敏度为5.64mV/℃。
表2中GS==00时，灵敏度为-5.5mV/℃。
2.3.2单片机及A/D转换芯片的选择
本设计的控制芯片使用的是ATMEL公司生产的AT89C51，AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM）和128字节的随机存取数据存储器（RAM）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C51是一个低功耗高性能单片机，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，可灵活应用于各种控制领域。
40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口。
AT89C51的引脚图如图2.6所示。
芯片可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程，其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
图2.6AT89C51芯片的引脚图
A/D转换电路采用了常用的8位8通道数模转换专用芯片ADC0809，ADC0809由8路模拟开头、地址锁存与译码器、8位A/D转换器和三态输出锁存缓冲器组成，芯片引脚图如图2.7所示。
图2.7ADC0809芯片的引脚图
ADC0809的主要性能指标为:
（1）分辨率为8位。
（2）最大不可调误差：
ADC0809为
1LSB。
（3）单电源+5v供电，基准电压由外部提供，典型值为+5v，此时允许输入模拟电压为0—5V。
（4）具有锁存控制的8路模拟选通开关。
（5）可锁存三态输出，输出电平与TTL电平兼容。
（6）转换速度取于决芯片的时钟频率。
当时钟频率500KHz时，转换时间为128μs。
2.4温度检测报警器工作原理
本论文中的感温检测报警器以80c51单片机为控制核心，采用集成温度传感器LM94022采集温度信息。
首先，传感器送来的温度对应的微小的电压信号经过放大，转化成较大的电压信号送入80c51单片机；然后，在80c51单片机内A/D转换、温度比较，对数据进行线性化处理，将数字化电压信号转化成为对应的十进制温度值；最后，将实际温度送入液晶，并判断温度值是否超出报警限，当温度处于正常状态绿灯长亮，当温度超出设定的限定值时，发出声音报警并伴随红灯闪亮。
另外由于温度传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反应越快，响应时间和恢复时间就越快。
为提高响应时间，保证传感器准确地、稳定地工作，报警器需要向烟雾传感器持续输出一个5V的电压。
为了保证其可靠性，在输出5V的电压的同时，进行故障监测。
当传感器加热丝或电缆线和传感器断线或接触不良时，进行故障报警，发出声光报警信号。
当然几种状态的报警信号是各不相同的。
2.5温度检测报警器的结构
为适应家庭和工业等场所对温度安全性要求，设计的感温检测报警器应不仅能在较宽的温度范围工作，而且应具有显示温度、故障自检、延时报警功能及可接计算机进行现场远测和实时控制等功能。
其目标是在传统的温度报警仪的基础上，尽量提高准确性，降低成本，缩小体积。
系统以单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、浓度显示、时间显示、状态显示、声音及闪烁报警、按键输入、故障自检等功能。
报警器采用巡检的工作方式，进行两级报警值设定，并发出不同的光、声信号。
系统应采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，保证报警器的精确性及可靠性，而且最好体积小，成本低，有利于减少报警器的体积，降低报警器的成本。
2.6温度检测报警器的功能
（1）自诊断故障报警功能
当传感器加热丝或者电缆线发生断线或者接触不良的情况时，报警器发出警报，并且黄色指示灯闪烁，提醒用户检查传感器或者电路线接触情况，及时排除故障，保证安全。
（2）温度显示
通过液晶屏显示温度，并且可以切换到设置状态，通过键盘设置或者更改报
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