【正文】 報警系統(tǒng)日益受到重視。由于其具有安裝簡便、對建筑物無損壞作業(yè)、靈活性好，易于擴展等優(yōu)點，適用于許多場合，如名勝古跡、體育館、博物館、展覽中心、處于施工階段的建筑物、醫(yī)院等?；馂?zāi)自動報警系統(tǒng)的智能性主要體現(xiàn)在火災(zāi)判決和統(tǒng)籌管理方面，一般分為分散式、集中式和分布式，分散式系統(tǒng)由非智能型控制器若干智能型探測節(jié)點組成，由探測節(jié)點完成火災(zāi)狀態(tài)的判斷。集中式系統(tǒng)由智能型控制器和若干非智能探測節(jié)點構(gòu)成，探測節(jié)點僅將火災(zāi)參量傳送給控制器，由控制器智能地判斷火災(zāi)狀態(tài)；分布式系統(tǒng)的控制器和探測節(jié)點均為智能型，也是今后火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的發(fā)展方向。 本文內(nèi)容的結(jié)構(gòu)安排基于社會和經(jīng)濟方面的需求，本課題旨在開發(fā)一個能夠?qū)ΡO(jiān)測點實時監(jiān)控、報警的智能火災(zāi)報警系統(tǒng)。智能型火災(zāi)報警系統(tǒng)是一個集信號檢測、傳輸、處理、報警于一體的系統(tǒng)。隨著經(jīng)濟和城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市高層、地下建筑以及大型綜合性建筑日益增多，火災(zāi)隱患也大大增加，火災(zāi)的數(shù)量及其造成的損失呈逐年上升趨勢，市場上迫切需要一種容量大、可靠性高、使用簡單的智能型火災(zāi)報警控制系統(tǒng)。該火災(zāi)報警系統(tǒng)是以AT89C52單片機作為控制中心，接受、處理火災(zāi)探測器輸出的煙霧濃度信號、溫度信號，并進行聲光報警。2 火災(zāi)報警系統(tǒng)整體方案設(shè)計 火災(zāi)產(chǎn)生原理及過程火災(zāi)是一種失去人為控制的由燃燒造成的災(zāi)害，產(chǎn)生火災(zāi)的基本要素是可燃物、助燃物和點火源?？扇嘉镆詺鈶B(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種形態(tài)存在，助燃物通常是空氣中的氧氣。根據(jù)可燃氣體與空氣混合方式不同有兩種燃燒方式，如果在燃燒前，可燃氣就與空氣均勻混和，則稱之為預(yù)混燃燒；如果可燃氣體和空氣分別進入燃燒區(qū)邊混合邊燃燒，則稱之為擴散燃燒。液體和固體是凝聚態(tài)物質(zhì)，難與空氣均勻混合，它們?nèi)紵幕具^程是當從外部獲取一定的能量時，液體或固體先蒸發(fā)成蒸汽或分解出可燃氣體(如CO、H2等)的分子團、灰燼和未燃燒的物質(zhì)顆粒懸浮在空氣中，稱之為氣溶膠。一般氣溶膠的分子較小()。在產(chǎn)生氣溶膠的同時，產(chǎn)生分子較大()的液體或固體微粒，稱為煙霧?？扇細怏w與空氣混合，在較強火源作用下產(chǎn)生預(yù)混燃燒。著火后，燃燒產(chǎn)生的熱量使液體或固體的表面繼續(xù)放出可燃氣體，并形成擴散燃燒。同時，發(fā)出含有紅、紫外線的火焰，散發(fā)出大量的熱量。這些熱量通過可燃物的直接燃燒、熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對流，使火從起火部位向周圍蔓延，導(dǎo)致了火勢的擴大，形成火災(zāi)。其中的氣溶膠、煙霧、火焰和熱量都稱為火災(zāi)參量，通過對這些參量的測定便可確定是否存在火災(zāi)。根據(jù)火災(zāi)發(fā)生時產(chǎn)生現(xiàn)象的不同，可以將火災(zāi)分為慢速陰燃、明火和快速發(fā)展火焰等。陰燃就是在疏松或顆粒介質(zhì)中形成的緩慢進行的熱解和氧化反應(yīng)，它能長時間自行維持并傳播，當條件發(fā)生變化時，或者自行熄滅，或者轉(zhuǎn)化為明火。明火則是火災(zāi)發(fā)生時燃燒火焰產(chǎn)生的熱量使液體或固體的表面放出可燃氣體，并形成擴散燃燒，同時發(fā)出含有紅、紫外線的火焰?？焖侔l(fā)展火焰則是火災(zāi)擴散的速度特別快，這種類型的火災(zāi)一般為空氣中混有大量可燃氣體。通過大量的研究表明陰燃是誘發(fā)火災(zāi)的重要原因?？偟膩碚f，普通可燃物在燃燒時表現(xiàn)為以下形式：首先是產(chǎn)生燃燒氣體，然后是煙霧，在氧氣充足的條件下才能達到全部燃燒，產(chǎn)生火焰，發(fā)出可見光和不可見光，并散發(fā)出大量的熱，使環(huán)境溫度升高[10]。起火過程中，起初和陰燃兩個階段所占的時間比較長，雖然產(chǎn)生大量的煙霧，但是環(huán)境溫度不太高，若探測器就應(yīng)該從此階段開始進行探測，就可以火災(zāi)損失控制在最小限度?；鹧嫒紵螅杆俾?，產(chǎn)生大量的熱使得環(huán)境溫度升高，如果能將這時能夠探測到有效地溫度值，就可以比較及時地控制火災(zāi)。溫度曲線煙霧曲線起初陰燃火焰燃燒時間 t陰燃氣化熄滅全燃階段 起火過程曲線 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 系統(tǒng)硬件總體構(gòu)架報警系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、單片機控制模塊、聲光報警模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊聲光報警A/D轉(zhuǎn)換電路信號調(diào)理電路煙霧、溫度傳感器單片機 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)總體功能概述火災(zāi)報警系統(tǒng)一般由火災(zāi)探測器、報警器組成?；馂?zāi)探測器通過對火災(zāi)發(fā)出的物理、化學(xué)現(xiàn)象——氣（燃燒氣體）、煙（煙霧粒子）、熱（溫度）、光（火焰）的探測，將探測到的火情信號轉(zhuǎn)化成火警電信號傳遞給火災(zāi)報警控制器。報警器將接收到火警信號后經(jīng)分析處理發(fā)出報警信號，警示消防控制中心的值班人員，并在屏幕上顯示出火災(zāi)的位置[1]。 ：A/D轉(zhuǎn)換電路單片機狀態(tài)指示LED放大電路煙霧傳感器聲音報警電路濃度/溫度顯示串口通信溫度傳感器按鍵功能電路 系統(tǒng)原理及組成框圖單片機是整個報警系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)的工作原理是：先通過傳感器 (包括溫感和煙感)將現(xiàn)場溫度、煙霧等非電信號轉(zhuǎn)化為電信號，調(diào)理電路將傳感器輸出的電信號進行調(diào)理(放大、濾波等)，使之滿足A /D轉(zhuǎn)換的要求 ,最后由A /D轉(zhuǎn)換電路 ,完成將溫度傳感器和煙霧傳感器輸出的模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，單片機判斷現(xiàn)場是否發(fā)生火災(zāi)。如果發(fā)生火災(zāi)，系統(tǒng)以聲光的形式報警。本火災(zāi)自動報警系統(tǒng)具有以下功能：(1) 能對室內(nèi)煙霧(CO2, CO) 及溫度突變進行報警,具有聲、光雙重報警功能。(2) 異常報警功能。當環(huán)境出現(xiàn)異常(如煙霧濃度過大或是溫度較高)時，能發(fā)出異常報警信號，引起人們注意，盡可能避免火災(zāi)的發(fā)生。(3) 火災(zāi)報警功能。一旦真出現(xiàn)火災(zāi)(煙霧和溫度同時出現(xiàn)異常)時，能立即發(fā)出語音、光火災(zāi)警報。據(jù)類似本系統(tǒng)的報警器現(xiàn)場模擬實驗表明, 本系統(tǒng)安全可靠, 誤報率低。且由于其體積小、操作維護方便、成本低廉等, 具有廣闊的應(yīng)用前景。 裝置效果圖 裝置效果圖 系統(tǒng)軟件總體構(gòu)架為了便于系統(tǒng)維護和功能擴充，采用了模塊化程序設(shè)計方法，系統(tǒng)各個模塊的具體功能都是通過子程序調(diào)用實現(xiàn)的。本系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集子程序、火災(zāi)判斷與報警子程序等。開始初始化溫度/煙霧采集信號判斷③① 報警判斷異常報警正常② 火災(zāi)報警手動復(fù)位① ：溫度超標或煙霧濃度超標 ②：兩者都超標 ③：兩者都不超標 程序流程圖為了降低誤報率，系統(tǒng)采用多次采集、多次判斷的方法。每次數(shù)據(jù)采集后根據(jù)得到的數(shù)據(jù)對現(xiàn)場情況進行判斷，然后綜合多次判斷結(jié)果做出最終的火情判斷。主程序是一個無限循環(huán)體，其流程是：首先在上電之后系統(tǒng)的各部分包括單片機各個端口輸入輸出的設(shè)置、外圍驅(qū)動電路和數(shù)據(jù)存儲電路等完成初始化，其次是對芯片內(nèi)的程序進行初始化，接下來執(zhí)行火災(zāi)報警系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，數(shù)據(jù)通信任務(wù)和查詢判斷任務(wù)。 火災(zāi)報警系統(tǒng)的類型根據(jù)火災(zāi)報警系統(tǒng)中所使用的探測器種類的不同，火災(zāi)報警系統(tǒng)可以分為以下四 種[6]：(1) 感溫型火災(zāi)報警系統(tǒng)由于火災(zāi)發(fā)生時燃燒物會產(chǎn)生大量的熱量，使得周圍溫度迅速變化。感溫型火災(zāi)報警系統(tǒng)就是通過判斷周圍溫度變化而產(chǎn)生響應(yīng)的火災(zāi)報警系統(tǒng)，再把溫度的變化轉(zhuǎn)換為電信號以達到判斷報警的目的。根據(jù)探測溫度參數(shù)的不同，一般可以將感溫型火災(zāi)報警系統(tǒng)分為定溫式、溫差式等幾種。(2) 感煙型火災(zāi)報警系統(tǒng)煙霧是早期火災(zāi)的重要特征之一。在火災(zāi)發(fā)生的初期，由于溫度比較低，許多物質(zhì)都處于陰燃階段，產(chǎn)生大量的煙霧。感煙型火災(zāi)報警系統(tǒng)就是對空氣中可見或不可見的煙霧粒子進行探測，然后將煙霧濃度的變化轉(zhuǎn)換為電信號來觸發(fā)報警。感煙型火災(zāi)報警系統(tǒng)主要有激光感煙式、光電感煙式和離子感煙式等。(3) 感光型火災(zāi)報警系統(tǒng)物質(zhì)燃燒不但會產(chǎn)生煙霧和熱量，同時也會產(chǎn)生可見或不可見的光輻射。感光型火災(zāi)報警系統(tǒng)就是通過響應(yīng)火災(zāi)中產(chǎn)生的光特性，即擴散火焰的光強度和閃爍頻率，來觸發(fā)報警系統(tǒng)的。根據(jù)感應(yīng)的敏感波長，可以將感光型火災(zāi)報警系統(tǒng)分為對波長較短的光輻射敏感的紫外報警系統(tǒng)和對波長較長的光輻射敏感的紅外報警系統(tǒng)。(4) 復(fù)合型火災(zāi)報警系統(tǒng)如果報警系統(tǒng)同時對溫度、煙霧和光輻射中的兩種或兩種以上參數(shù)做出響應(yīng)，那么它就是復(fù)合型火災(zāi)報警系統(tǒng)。目前復(fù)合型火災(zāi)報警系統(tǒng)有感溫感煙型、感煙感光型、感溫感光型等多種形式。 火災(zāi)探測器的原理火災(zāi)發(fā)生時，必然會伴隨著產(chǎn)生煙霧、高溫和火光，探測器對這些都很敏感。當有煙霧、高溫、火光產(chǎn)生的時候，它就改變平時的正常狀態(tài)，引起電流、電壓或機械部分發(fā)生變化或位移，再通過放大、傳輸?shù)冗^程發(fā)出警報聲，有的還能同時發(fā)出燈光信號并顯示發(fā)生火災(zāi)的部位、地點?；馂?zāi)探測器主要分感煙、感溫、光輻射三大類：(1) 感煙探測器。一種是離子感煙探測器，它在內(nèi)外電離室里面有放射源镅241，電離產(chǎn)生的正負離子，在電場的作用下各向正負電極移動。在正常的情況下，內(nèi)外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。一旦有煙霧竄逃外電離室，干擾了帶電粒子的正常運動，電流、電壓就有所改變，破壞了內(nèi)外電離室之間的平衡，于是就發(fā)出了信號。還有一種叫光電感應(yīng)探測器，它有一個發(fā)光元件和一個光敏元件，平常光源發(fā)出的光，通過透鏡射到光敏元件上，電路維持正常，如果有煙霧從中阻隔，到達光敏元件上的光就顯著減弱，于是光敏元件就把光強的變化變成電的變化，通過放大電路向人們報警。還有一種叫管道抽吸式感煙探測器，他的工作原理與光電感應(yīng)探測器中另一種散射型相似，通過煙霧的反射或散射產(chǎn)生光敏電流，主要用在船舶上。近年來還出現(xiàn)了激光感煙探測器，它也是利用光電感應(yīng)原理，不同的是光源改用激光束。這種探測器采用半導(dǎo)體器件，體積小、價格低、耐震動、壽命長，很有發(fā)展前途。(2) 感溫探測器。一種是運用金屬熱脹冷縮的特性。正常的情況下，探測器的電路斷開，當溫度升到一定值時，由于金屬膨脹、延伸，導(dǎo)體接通，于是發(fā)出了信號。一種是利用某些金屬易熔的特性，在探測器里固定一塊低熔點合金，當溫度升到它的熔點（70～90℃）時，金屬熔化，借助彈簧的作用力，使觸頭相碰，電路接通，發(fā)出信號。這兩種探測器都屬定溫型，即當外界溫度超過某一限值時就會報警；還有一類是差溫型，升溫的速度超過特定值時，便會感應(yīng)報警。如將兩者結(jié)合起來，便成為差定溫組合式。(3) 光輻射探測器。一種是紅外光輻射探測器。物質(zhì)在燃燒時，由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生閃爍的紅外光輻射使硫化鉛紅外光敏元件感應(yīng)，轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)放大后，就能向人們報警。另一種是紫外光輻射探測器，則利用有機化合物燃燒時，火光中的紫外光，使紫外光敏管的電極激發(fā)出離子，通過繼電器等，就能打開開關(guān)電路報警。火災(zāi)報警器是重要的安全設(shè)備，一切重要的場所，如大型物資倉庫、隧道、大型船舶、高層建筑都應(yīng)該安裝。它還可以與自動滅火設(shè)備一起組成自動報警、自動滅火的“自動消防隊”。3 火災(zāi)報警系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)核心芯片選擇與電路原理圖 傳感器介紹要準確地進行火災(zāi)報警， 選擇合適的溫度和煙霧傳感器是準確報警的前提。綜合考慮各因素，本文選擇集成溫度傳感器DS18B20和氣體傳感器MQ2用作采集系統(tǒng)的敏感元件。 DS18B20溫度傳感器DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻有所不同的是，使用集成芯片，采用單總線技術(shù)，其能夠有效的減小外界的干擾，提高測量的精度，同時，它可以直接將被測溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供微機處理，接口簡單，使數(shù)據(jù)傳輸和處理簡單化。部分功能電路的集成，使總體硬件設(shè)計更簡潔，能有效地降低成本，搭建電路和焊接電路時更快，調(diào)試也更方便簡單化，這也就縮短了開發(fā)的周期： DS18B20數(shù)字式溫度傳感器實物連接時，要注意正負極不要接反了，具體做法是：面對著扁平的一面，三個引腳順序分別為GND（負極）、DQ（輸出）、VCC（正極）。DS18B20 單線數(shù)字溫度傳感器，即“一線器件”，其具有獨特的優(yōu)點：(1) 采用單總線的接口方式，與微處理器連接時，僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20 的雙向通訊。單總線具有經(jīng)濟性好，抗干擾能力強，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，使用方便等優(yōu)點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。(2) 測量溫度范圍寬，測量精度高DS18B20 的測量范圍為55 ℃~+ 125 ℃；在10~+85176。C 范圍內(nèi)，精度為177。176。C 。(3) 在使用中不需要任何外圍元件。(4) 持多點組網(wǎng)功能多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點測溫。(5) 供電方式靈活DS18B20可以通過內(nèi)部寄生電路從數(shù)據(jù)線上獲取電源。因此，當數(shù)據(jù)線上的時序滿足一定的要求時，可以不接外部電源，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。(6) 測量參數(shù)可配置DS18B20的測量分辨率可通過程序設(shè)定9~12 位。(7) 負壓特性電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。(8) 掉電保護功能DS18B20內(nèi)部含有EEPROM，在系統(tǒng)掉電以后，它仍可保存分辨率及報警溫度的設(shè)定值。 MQ2氣體傳感器MQ2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。MQ2氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。MQ2氣體傳感器特點：1. 具有信號輸出指示。2. 雙路信號輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）3. TTL輸出有效信號為低電平。（當輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機） 4. 模擬量輸出0~5V電壓，濃度越高電壓越高。5. 對液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度。6. 具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性7. 快速的響應(yīng)恢復(fù)特性： MQ2氣體