宾馆火灾自动报警系统的设计.docx
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宾馆火灾自动报警系统的设计
高等教育自学考试本科毕业论文
论文题目：
火灾自动报警系统设计
专 业：
机电一体化工程
准考证号：
010106650123
姓 名：
尹二猛
联系电话：
13956938495
所在院校安徽工业经济职业技术学院
二○○八年六月一日
摘要
宾馆火灾自动报警系统是随时警惕火灾、及时报警和输出联动灭火信号的忠实哨兵。
该系统的设计主要涵盖以下六个方面：
传感器的选型、单片机的选取、接口芯片的选取、报警装置的设计、电源的设计以及联动消防装置的设计。
火灾自动报警系统通过一定的方式向火灾报警控制器发出火灾报警信号，火灾报警控制器收到报警信号后，立即发出声光报警，并打开消防联动装置。
本设计的检测装置由离子感烟传感器UD-02和与之配套的专用集成电路DQ-295等组成，通过对现场的火灾参数采集，模/数转换，地址编码，然后传送给单片机，由单片机进行相应的运算处理，判断现场是否发生火灾。
这种信号处理方式将单片机用于火灾模式判别，可以根据火灾发生时，火灾参数的发展变化规律来识别真假火灾，不同于传统单一的定值判别方式，有利于提高火灾判别的准确性。
关键词：
火灾自动报警系统；监测；控制；消防联动
ABSTRACT
FireAuto-alarmsystemofhotelisusedtomonitorthefireintheroomcontinuously,thenreportthecorrespondinginformationtothepublicaswellascontrolthefirepreventionaldevice.Itcontainssixaspectedcontentsmainly,thataresensors,asingleChipMircroComputer,theI/OintegratedConnectionchip,theAuto-alarmdevice,thedesignofthePowersourceandthelinkagedfirepreventionaldevice.
FireAuto-alarmsystemofhotelsendsoutthecorrelatedsignaltothesingleChipMircroComputerinsomeway,thenthesingleChipMircroComputerwilldrivetheAcousto-opticsalarmdeviceandthelinkagedfirepreventionaldeviceafterreceivethesignal.InthisPaper,themointordeveiceismadeofIonfeelingsmokesensorwiththemodelofUD-02anditscorrespondingintegratedconnectionchipwiththemodelofDQ-295.ItwillgatherallthefireParameter,thenProcessthedatainA/Dconverterinordertojudgewhethertheremaybeafireornot,thecoreunitofthisProcessingwayofsignalisasingleChipMircroComputer,ithastheabilitytoidentificatethetrueorfalsefireaccordingtotheprocesseddate.Itisveryadvantagetoinhancetheaccuratedegreeofthefire.
Keywords:
FireAuto-alarmsystem；monitor；control；
linkagedfirepreventionaldevice
1绪论
1.1本论文的研究背景
近年来，随着科学技术日新月异的发展，生产力水平达到了前所未有的高度。
城市现代化在这样的背景下发展速度越来越快，高层建筑异军突起，宾馆行业也跻身其中。
由于高层建筑都有建筑高度高、建筑面积大、用电设备多、供电要求高、人员集中等特点，这些都给高层建筑的防火问题提出了很高的要求。
而最近几年，我国因特大恶性火灾导致的多起群死群伤事件已引起有关部门的高度重视，高层宾馆、大型商场等人员集中地区的防火问题被提上日程。
在这些场所内，各种电气电子设备高度集中且处于长期运行状态，电气设备过载、过热、短路的火灾隐患较多；另外，由于此类场所人群集中且易燃物较多，也从客观上制造了火灾隐患。
一旦发生火灾将很难及时救助，势必要给国家和个人带来不可估量的损失。
为此，在过去相当长的一段时期内，人类不得不对火灾发生过程进行专项研究，截至目前，已经形成了较为成熟的概念。
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。
一般情况下，一场火灾发生过程都伴随着烟、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、温场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。
基于上述特性，早期火灾探测技术应运而生，尤其是火灾多元复合探测技术在火灾探测领域得到广泛采用，如采用物理参数复合的烟温复合探测器，采用不同波段光传感器复合的双波段火焰探测器等。
上述一切条件都促使了火灾报警系统的诞生。
火灾自动报警系统是随时警惕火灾、及时报警和输出联动灭火信号的忠实哨兵，是早期报警的有力手段。
实践证明，设置先进的火灾自动报警和自动灭火系统是高层建筑做好自防自救的关键。
《羊城晚报》称火灾自动报警系统为“全天候的功勋卫士”。
1.2现有火灾自动报警系统比较
随着传感技术及火灾特征性研究的发展，复合探测技术逐渐成熟，将来势必能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各种问题。
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、通讯领域得到了很好的应用，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。
它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。
火灾报警器的主要心脏部件就是单片机，通过它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。
1.2.1传统火灾探测技术
传统的火灾探测报警技术是由火灾探测器感知现场的某种火灾参数（如烟浓度、温度等），当被感知的火灾参数达到某个限度值后，火灾探测器通过一定的方式向火灾报警控制器发出火灾报警信号，火灾报警控制器收到报警信号后，立即发出声光报警。
这种信号处理方式的火灾报警设备在实际应用中有几个不足之处：
（1）探测器的灵敏度固定，不易改变，这样在不同场合、不同环境中使用就不能选择最佳的火灾探测灵敏度，选择高了容易误报警，选择低了一旦发生火灾，报警不及时会损失严重。
（2）火灾探测报警系统缺乏故障的自诊断、自排除能力。
火灾报警系统是长年不间断运行的设备，要求具有高度可靠的性能。
（3）火灾报警的判据单一，对环境背景的干扰影响无法消除，这样在一些场合就不能提供准确的报警。
传统的火灾探测报警系统的火灾判据仅仅是根据某种火灾参数是否达到某一定值来确定，这一判别工作是在火灾探测器中由硬件电路实现的，这样就有可能由于环境背景的影响，或火灾探测器内部电路的缓慢漂移，产生误报。
1.2.2智能火灾探测技术
为了克服传统火灾探测技术的弊病，近年来发展了智能型火灾报警技术，完全摆脱了传统的火灾报警信号处理方式，使得火灾报警系统的可靠性有较大提高，这种智能分几个方面：
（1）探测智能：
采用单片机作为信号处理芯片，通过对现场的火灾参数采集，模/数转换，地址编码，然后传送给火灾报警控制器，由火灾报警控制器中的计算机进行相应的运算处理，判断现场是否发生火灾，这种信号处理方式将计算机用于火灾模式判别，可以根据火灾发生时，火灾参数的发展变化规律来识别真假火灾，改变传统单一的定值判别方式，有利于提高火灾判别的准确性。
（2）监控智能：
在传统的百家系统中监控功能智能由硬件逻辑电路来完成。
不仅增加成本，而且许多系统内部的故障都不能报警。
采用智能技术后，系统的正常维护工作由计算机自身的软件完成，周期地运行自诊断程序，可以发现系统的任何微小的故障，大大提高了系统运行的可靠性能。
（3）抗干扰智能：
由于系统的运行环境比较复杂，有时线路上和环境空间存在着严重的干扰信号，这些在传统的报警系统中难以滤除，影响系统的正常运行。
抗干扰智能采用各种消除干扰的软件技术（如数字滤波等），把干扰信号限制到最低限度，提高和系统的抗干扰能力。
一般情况下，智能化火灾检测系统基本组成框图如图1-1所示。
图1-1智能化火灾检测系统
1.3火灾自动报警系统的发展与现状
一些发达国家对超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、法国、澳大利亚等国相继开始投入大量的科研经费、科技力量进行技术产品的专门研究和开发。
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上——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，从而，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。
成熟的产品有烟、温复合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，其智能化程度也越来越高。
目前已有多家科研院所和厂家致力于研发适合我国消防领域特点的火灾自动报警监控联网技术及相关产品，在部分城市建立了火灾报警监控网络系统，在消防监控和灭火救援方面发挥了重要作用。
虽然我国应用自动报警装置的时间并不长，但是据不完全统计，准确报警事例已达数千次。
资料显示，凡装有自动报警系统的建筑物中，当火情发生时，由于能够及时报警，把火灾消灭在初期，从而大大减少了火灾的危害。
随着现代科技的发展，火灾探测与报警技术也在不断提高。
作为一门多专业、多学科的综合性火灾探测与报警技术，近几年得到了迅速发展，已成为人类与火灾作斗争的重要手段。
加入WTO以来，面对高新技术的发展机遇和国内市场国际化的竞争挑战，我国消防电子产品逐渐和世界接轨，向高可靠、智能化、网络化的早期火灾探测报警技术发展。
1.4本课题研究的主要任务及意义
通过上述信息，我们了解到，宾馆火灾自动报警系统在生产生活中有着相当重要的地位。
因此，宾馆火灾自动报警系统的研究和设计也是当前相当热门的项目课题。
但是，鉴于笔者的知识水平所限，本课题研究的目的仅限于：
能综合运用所学基础理论、基本知识、基本技能；分析、解决本专业实际问题的能力；全面分析、考虑问题的思维方式、工作方法；计算、绘图和编写设计文件的能力以及实际工作能力、社会活动能力。
当然选择这个课题，首先，立足于自动化专业的培养目标；其次，尊重于自动化专业的教学要求；最后，体现了本专业工程训练的要求。
自动化专业的灵魂是控制，控制的核心思想是反馈，反馈的前提是检测，《宾馆火灾自动报警系统的设计》这一题目正是在这样的专业背景下诞生的。
本课题难度适中，适宜于作为本科应届毕业生的毕业设计选题。
总体来说，本课题对设计者的综合知识运用是一次艰巨的考量，尤其是硬件方面的知识——传感器的选取，模块电路的细化等方面具备了一定的难度。
软件方面则侧重于考查学生运用汇编语言的编程能力。
另外，从严格意义上来讲，要想完成本课题的设计，设计者还应该自学有关建筑消防方面的基本知识，以便在设计出火灾报警系统的同时，再尝试设计相关的联动消防装置。
从生产生活角度来讲，本课题的研究对于日常安全有着积极的现实意义和潜在的经济价值。
但我们还应该看到，这个过程的完善不可能一蹴而就，必将是一个长期的探索研发过程。
1.5本论文的设计要求
本设计以宾馆火灾自动报警系统为题，通过对烟浓度、温度等火灾参数的感知，采用单片机进行信号处理，使用智能识别算法实现对火灾的检测，并在监测到火情信息后，产生声光报警信号，同时打开联动消防装置。
其具体设计要求如下：
（1）要求所使用的传感器灵敏度高，可靠性好，能时刻准确监测宾馆现场的火灾参数。
（2）要求选用的单片机能对信号做出准确的分析处理，并传到声光报警装置。
当发生火灾时，首先起火房间会发出声音报警；同时，起火楼层总服务台处也会发生声音报警并会在LED显示屏上显示相应的着火房间。
（3）设计备用电源，当发生火灾时，会自动切断宾馆用电电路，转换为备用电源供电。
（4）要求单片机监测到准确的火灾信息后，能自动打开联动消防装置，对火灾进行消防。
2系统原理及总体方案设计
2.1系统原理
宾馆火灾自动报警系统的设计主要涵盖以下六个方面：
传感器的设计、单片机的选取、接口芯片的选取、报警装置、电源以及消防联动装置的设计。
宾馆火灾自动报警系统如图2-1所示。
现场火灾报警器通过对传感器火情信息的检测，使用智能识别算法实现对火灾的监测。
当报警器监测到火情信息后，产生声光报警信号，同时打开联动消防装置。
图2-1火灾自动报警系统原理图
2.2系统设计
2.2.1系统各模块的设计
第一，传感器的设计。
传感器的作业环境是非常关键的一环，这决定了在具体环境中传感器的选型问题。
传感器所要达到的任务目标必须准确无误地反应传感器在规定的工作环境中的作用。
基于宾馆火灾的特殊情况，本设计选用离子感烟探测器。
相对于感温探测器和气体探测器，离子感烟探测器能在火灾超早期作出准确判断。
传感器的设计是本设计的中心任务，具体情况将在随后的章节中进行详述。
第二，单片机的选取。
根据要求，本设计选用的单片机为AT89C51。
该单片机的具体情况将在随后的章节中进行阐述。
第三，接口芯片。
本设计的接口芯片采用并行接口芯片8243。
有关8243的资料将会在随后的章节中谈到。
第四，报警装置。
本设计的报警装置采用声光报警装置：
首先，起火房间会发出声音报警；同时，起火楼层总服务台处也会产生声音报警并会显示具体的着火房间。
报警装置的设计在随后章节会详细说明。
第五，电源的设计。
当单片机探测到着火房间后，会自动切断宾馆用电电路，同时在不影响正常工作的前提下，转换为备用电源供电。
电源设计见随后章节。
第六，消防联动装置。
当单片机探测到火情后，会自动打开联动消防装置。
消防联动装置的设计见随后章节。
2.2.2系统总构架的设计
该宾馆火灾自动报警系统，能对监测点进行自动检测，一旦出现火情能立即报警，并能指示出发生火灾的房间。
本火灾报警系统具有结构简单、可靠性高、成本低等特点。
若要换其他的传感器，该系统还可以用于防盗报警、煤气泄漏报警等。
由于该系统主要用于多点集中检测报警，故能对受监测点进行巡回检测。
为防止误报警，当检测到某房间有火情时，该系统应该延时3秒钟后再检测一次，若确有火情方可报警，并用数字指示出发生火灾地点。
该系统的传感器选用开关量传感器。
系统终端部分选用音响报警电路及数码显示电路。
硬件电路如图2-2所示，主机选用AT89C51单片机，4线/7线译码器选用74LS48，数码显示部分选用BS212共阴数码管，报警电路可选用一片KD9561及放大器、扬声器来构成，多点检测电路选用8243并行I/O口。
由于8243每片有四个口，每个口有四个点，故每片8243可监测16个房间，图2-2用了两片8243，根据需要，还可增加8243的数量。
图2-2火灾报警系统硬件结构图
3系统硬件设计
宾馆火灾自动报警系统硬件的设计在2.2中已经作了初步的探讨，本章将继续讲述该系统硬件的设计并予以深化。
3.1硬件组成
通过对火灾情况的分析，本设计采用如图3-1所示的硬件组成，报警器硬件由烟雾信号采集模块，声光报警模块以及联动消防模块组成。
图中1，2，3组成数据采集模块，4，5组成声光报警模块，5，6组成联动消防装置。
其中，1为传感器，将现场烟雾浓度这一非电信号转化为电信号；2为信号调理电路，将传感器输出的电信号进行调理（放大、滤波等），使之满足比较转换电路的要求；3为比较转换电路，完成将烟雾传感器输出的模拟信号转换为数字信号。
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（异常报警、故障报警、火灾报警）功能。
下面对上述的各模块进行详细的介绍。
图3-1火灾自动报警系统硬件框图
3.2烟雾信号采集模块
图3-1中1，2，3组成烟雾数据采集模块，将现场烟雾浓度这一非电信号转化为电信号，并以数字量的形式送给单片机。
3.2.1离子感烟传感器工作原理
离子感烟传感器是应用放射性同位素组成的火灾报警专用传感器，其传感灵敏度高，可靠性好，目前已经得到广泛应用。
离子感烟传感器由两个电离室组成，外电离室有空与外界相通，烟雾可进入电离室，而内电离室是密封的，烟雾不能进入。
由于烟雾进入外电离室，使内外两电离室离子电流不同，传感器就输出与烟雾成正比的传感信号。
离子感烟传感器的工作原理如图3-2所示：
图3-2离子感烟探测器工作原理图
在正常工作状态下，放射源发出的射线电离了电离室的空气，便有电流从A经B流向C，这时电离室是一个典型的电阻元件。
初始条件下，在B点的电位Vb是相对稳定的，烟雾进入AB之间的检测室时，电离状态发生变化，导致AB之间的电阻阻值变化，而BC间组成的参照室因不感觉烟的存在，基本保持阻值初始状态不变，根据欧姆定律，在B点上分压值发生相应的变化，这一变化经过电路放大，做为火警信号输出，从而实现烟信号到电信号的转变。
在电极之间放有α放射源241镅，由于它持续不断地放射出α射线，α粒子以高速运动，撞击空气分子，从而使极板间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我们称它为电离室。
如果在极板P1和P2间加上一个电压E，极板间原来做杂乱无章运动的正负离子，此时在电场的作用下，正负离子做有规则的运动。
正离子向负极运动，负离子向正极运动，从而形成了电离电流I。
施加的电压E愈高，则电离电流愈大。
当电离电流增加到一定值时，外加电压再增高，电离电流也会增加，此电流称之为饱和电流Is，如图3-3所示。
电离室又可分为双极性和单极性两种.整个电离室全部α射线所照射，电离室内的空气都被电离，我们把这种电离室称为双极性电离室。
所谓单极性电离室，是指电离室局部被α射线所照射，使一部分形成电离区，而未被a射线所照射的部分则为非电离区。
这样在同一个电离室内分为两个性质不同区域。
如图3-4所示。
我们把这个非电离区称为主探测区。
图3-3电离电流和电压的关系
图3-4单极性电离室工作原理
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量，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设计中，是将两个单极性电离室串联起来，一个作为检测电离室（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使用能力和稳定性。
如图3-5所示：
图3-5检测电离室和补偿电离室示意图
当外电离室进入燃烧生成物或者烟雾时，部分正离子和负离子被吸附到燃烧生成物和烟雾颗粒上，（燃烧生成物或者烟雾要比离子大1000倍左右），所以它们在电场中的速度就比原来要慢的多，并且在移动中还有部分正负离子中和，这样到达正负极板的离子数量想对减少，即离子电流变小。
烟雾数量越多，离子电流就越小。
而内电离室是封闭的，无烟尘离子进入，离子电流是恒定的。
内电离室与外电离室是串连的，如图3-6所示。
无烟雾时，A点电位约为1/2E。
若有烟雾，外电离室的离子电流减小，等效电阻增加，A点电位下降，其下降程度与烟雾数量成正比。
有烟雾和无烟雾时其电位差可达1V以上。
图3-6离子感烟传感器等效电路图
3.2.2UD—02型离子感烟传感器
UD—02型离子感烟传感器具有灵敏度高、可靠性好，性能符合标准等特点。
它有两个电子室及一个放射源（AM241）,对外有三个引出脚：
A电极（接电源正端+9V）、B电极（接地）、C电极（收集电极即输出端），外形如图3-7所示。
图3-7UD-02型传感器
UD—02型离子感烟传感器主要电参数：
在20±5℃近海平面清洁空气条件下，收集电极（即C电极）的平衡电位为5.0～5.6V；有烟雾时，收集电极的电位变化可达1.1～1.2V。
极间电容为4PF，AM241放射源为0.81～0.99uCi；器件重量为12g,主要结构材料为不锈钢和塑料。
用电加热器加热到440～480℃时，对不同材料所产生的烟雾，其传感器收集电极电位变化1.0V时的灵敏度见表3-1所示：
表3-1UD—02型离子感烟传感器对烟雾灵敏度（收集电极电位变化△V＝1.0V）
燃烧材料
烟雾含量（mg/
）
阴暗度（%）
硅橡胶
26
1.0
乙烯基材料
29
1.1
纸烟
115
3
过滤纸
40
1.8
棉花
56
2.5
3.2.3离子感烟传感器专用集成电路DQ-295
由于离子感烟传感器的广泛应用，与之配套的专用集成电路得到了迅速发展，DQ-295是与UD—02型离子感烟传感器相配套的专用集成电路。
DQ-295的管脚排列如图3-8所示，其内部功能框图见图3-9所示。
图3-8DQ-295管脚图
DQ-295各引脚功能如下：
第15脚接离子感烟传感器的收集电极；12脚为内部振荡器的外接电容脚；7脚接定时电阻；14、15脚为输入保护用；5脚为发光管LED；1与4脚为检测脚；3与15脚为电压与灵敏度设置脚；10与11脚为报警输出脚。
注：
A1电池低电压比较器A2信号电压比较器
图3-9DQ-295内部结构框图
DQ-295集成块内部设有检测信号阀值设置（超过阀值即输出报警声）以及电池（或电源）低压设置（电压低于某值时发出报警声）。
由图3-9可以看出，A1是检测电池电压的比较器，电池的分压与内部稳压管相比较，若电池电压较高，比较器A1端输出高
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