【正文】 ]。 實(shí)踐證明，隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，消防工作的重要性就越來(lái)越突出。由此，火災(zāi)報(bào)警器在消防工作的作用尤為突出了。 19 世紀(jì) 40 年代美國(guó)誕生的火災(zāi)報(bào)警裝置標(biāo)志著火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)首次進(jìn)入人們的視野 [2]。 1890 年 在英國(guó)，感溫式火災(zāi)探測(cè)器研制成功并 應(yīng)用于火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)，標(biāo)志著火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的發(fā)展走上正軌 [3]。 在我國(guó)，采用的無(wú)線通信方式的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)日益受到重視。由于其具有安裝簡(jiǎn)便、對(duì)建筑物無(wú)損壞作業(yè)、靈活性好，易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，適用于許多場(chǎng)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(dòng)報(bào)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(cè)節(jié)點(diǎn)組成，由探測(cè)節(jié)點(diǎn)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(cè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，探測(cè)節(jié)點(diǎn)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(cè)節(jié)點(diǎn)均為智能型，也是今后火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的發(fā)展方向[4]。 設(shè)計(jì)的目的和意義 在各種災(zāi)害中，火災(zāi)是最經(jīng)常、最普遍地威脅公眾安全和社會(huì)發(fā)展的主要災(zāi)何凡：基于單片機(jī)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 害之一。據(jù)聯(lián)合 國(guó) “世界火災(zāi)統(tǒng)計(jì)中心 （ WFSC） 2020 統(tǒng)計(jì)資料 ”，全球每年大約發(fā)生火災(zāi) 600 萬(wàn)至 700 萬(wàn)次，全球每年死于火災(zāi)的人數(shù)約為 65000 至 75000 人。其中，歐美地區(qū)發(fā)生的火災(zāi)較多，死亡人數(shù)卻相對(duì)較少，這與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的生活水平以及消防技術(shù)和設(shè)施有關(guān) ； 相比較而言，亞洲地區(qū)發(fā)生火災(zāi)次數(shù)較少，但死亡人數(shù)較多，這與亞洲經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度不高、消防設(shè)施不完善等因素有關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó) 70 年代火災(zāi)年平均損失不到 億元， 80 年代火災(zāi)年平均損失接近 億元。進(jìn)入 90 年代，特別是 1993 年以來(lái)，火災(zāi)造成的直接財(cái)產(chǎn)損失上升到年均十幾億元，年均死亡 2020 多人。隨著經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市高層、地下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)發(fā)生的數(shù)量及其造成的損失呈逐年上升趨勢(shì)。一旦發(fā)生火災(zāi)，將對(duì)人的生命和財(cái)產(chǎn)造成極大的危害 [5]。 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)能迅速監(jiān)測(cè)火情，可發(fā)現(xiàn)人們不易發(fā)覺(jué)的火災(zāi)早期特征，可將 火災(zāi)帶來(lái)的生命財(cái)產(chǎn)損失降到最低限度?；馂?zāi)發(fā)生的早期，會(huì)使得燃燒物質(zhì)分解，析出大量的有毒氣體 CO，人們可能在毫無(wú)察覺(jué)火情的情況下就發(fā)生了 CO 中毒，從而無(wú)力逃生，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)到 CO 濃度的變化，為人們提供 CO 濃度超標(biāo)報(bào)警信息，通知人們及時(shí)疏散 [6]。為此，本系統(tǒng)由火災(zāi)檢測(cè)模塊、 A/D 轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)處理模塊和聲光報(bào)警模塊組成。火災(zāi)檢測(cè)模塊由溫度檢測(cè)和煙霧檢測(cè)構(gòu)成，其溫度傳感器選用 AD590，氣體傳感器選用 TGS202。 A/D 轉(zhuǎn)換模塊選用常用ADC0809。聲光報(bào)警模塊分為聲音報(bào)警和光報(bào)警。火災(zāi)探測(cè)器通過(guò)對(duì) 火災(zāi)發(fā)出的物理、化學(xué)現(xiàn)象 ——燃燒氣體、煙霧粒子、溫度的探測(cè)，將探測(cè)到的火情信號(hào)轉(zhuǎn)化成火警電信號(hào)傳遞給火災(zāi)報(bào)警控制器。報(bào)警器將接收到火警信號(hào)后經(jīng)分析處理發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，警示消防控制中心的值班人員，并顯示出火災(zāi)的位 置。這是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉、智能化的煙霧傳感器，具有一定實(shí)用價(jià)值。 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第 2 章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 火災(zāi)的產(chǎn)生 機(jī)理 眾 所周知，物質(zhì)燃燒的基本條件是：可燃物、助燃物 （ 氧氣 ） 、和足夠的溫度。其中可燃物為氣體時(shí)，根據(jù)它和空氣混合方式的不同可以分成預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒兩種。當(dāng)可燃物是液 體和固體時(shí)，因?yàn)樗鼈冸y與空氣均勻混合，所以它們?nèi)紵幕具^(guò)程是當(dāng)外部提供一定的能量時(shí)，液體或固體先蒸發(fā)成蒸汽或分解出可燃?xì)怏w （ 如 CO、 H2 等 ） ，同時(shí)還形成一些氣溶膠。這些氣相形式的可燃物與空氣混合，在較強(qiáng)火源作用下產(chǎn)生預(yù)混燃燒。著火后，燃燒火焰產(chǎn)生的熱量使液體或固體的表面繼續(xù)釋放出大量的熱量。這些熱量通過(guò)可燃物的直接燃燒、熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對(duì)流，使火從起火部位向周?chē)樱@就是常說(shuō)的火蔓延?；鹇訉?dǎo)致了火勢(shì)的擴(kuò)大，形成了火災(zāi)根據(jù)火災(zāi)發(fā)生的場(chǎng)所不同，一般將火災(zāi)分成建筑火災(zāi)，森林火災(zāi)；根據(jù)燃燒空間的不同可分為受 限空間火災(zāi)和開(kāi)放空間火災(zāi)。 典型的受限空間固體物質(zhì)火災(zāi)點(diǎn)火源的發(fā)展都要經(jīng)歷四個(gè)階段 :早期、陰燃、火焰和放熱。圖 21 為火災(zāi)產(chǎn)生的不同階段的生成產(chǎn)物圖 [7]。其中，不可見(jiàn)煙發(fā)生在火災(zāi)早期，可以根據(jù)火災(zāi)產(chǎn)生氣體進(jìn)行探測(cè)；在火災(zāi)的陰燃期出現(xiàn)可見(jiàn)煙霧信號(hào)可用于探測(cè)；起火階段可以根據(jù)火焰進(jìn)行探測(cè)；高溫階段可以利用溫度信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。 圖 21 火災(zāi)煙霧和溫度變化曲線圖 煙霧信號(hào) 溫度信號(hào) 火災(zāi)產(chǎn)物 不可見(jiàn)煙 可見(jiàn)煙 火焰 高溫 早期 陰火 起火 溫度 熄滅 時(shí)間 何凡：基于單片機(jī)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 火災(zāi)報(bào)警器的類(lèi)型 （ 1） 感煙火災(zāi)探測(cè) 感煙式火災(zāi)探測(cè)器具有早期報(bào)警的效果，是目前使用最為廣泛的一種探測(cè)器。感煙火災(zāi)探測(cè)器可分為離子型、光電型、電容式和半導(dǎo)體型等幾種。其中又以離子型和光電型火災(zāi)探測(cè)器使用居多。 （ 2） 感溫火災(zāi)探測(cè) 器 物質(zhì)在燃燒過(guò)程中，釋放出大量的熱，使環(huán)境溫度升高，探測(cè)器中的熱敏元件發(fā)生物理變化，從而將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，傳輸給火災(zāi)報(bào)警控制器，發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)。 由于可采用敏感元件繁多，如熱敏電阻、熱電偶、雙金屬片、易熔金屬、膜盒式半導(dǎo)體元件等，故而感溫式火災(zāi)探測(cè)器的種類(lèi)也頗多。根據(jù)感熱效果和結(jié)構(gòu)型式，可將它們分為定溫火災(zāi)探測(cè)器、差溫火災(zāi)探測(cè)器和差定溫復(fù)合火災(zāi)探測(cè)器。定溫火災(zāi)探測(cè)器根據(jù)局部 環(huán)境到達(dá)規(guī)定溫度上下時(shí)開(kāi)始動(dòng)作。差溫火災(zāi)探測(cè)器根據(jù)升溫速率來(lái)動(dòng)作，如果升溫速率超過(guò)預(yù)定值時(shí)則發(fā)出報(bào)警信號(hào)。差定溫復(fù)合火災(zāi)探測(cè)器是兼有差溫、定溫兩種功能的感溫火災(zāi)探測(cè)器。 （ 3） 感光火災(zāi)探測(cè)器 感光火災(zāi)探測(cè)器又稱(chēng)為火焰探測(cè)器，僅適用于有焰燃燒，只能在起火階段進(jìn)行探測(cè)，不適合于火災(zāi)早期探測(cè)。它是一種響應(yīng)火焰輻射光譜中的紅外和紫外的點(diǎn)型火災(zāi)探測(cè)器，主要有紅外火焰型和紫外火焰型兩種。紅外火焰探測(cè)器的探測(cè)波長(zhǎng)為 7000 微米，紫外火焰探測(cè)器的探測(cè)波長(zhǎng)為 4000 微米。由于光輻射的傳播速度快 （ 83 10m /s ） ，且火焰探測(cè)器的傳感器件接收光輻射的響應(yīng)時(shí)間極短 （ ms 數(shù)量級(jí) ） ，因而火焰探測(cè)器響應(yīng)速度也極快。它對(duì)于環(huán)境中氣流速度也沒(méi)什么限制，這類(lèi)探測(cè)器適用于生產(chǎn)、儲(chǔ)存和運(yùn)輸高度易燃物質(zhì)（特別是可燃液體火災(zāi)或爆炸品）的危險(xiǎn)性場(chǎng)所以及昂貴設(shè)備或關(guān)鍵設(shè)施對(duì)火情有特殊監(jiān)測(cè)需要的地方。對(duì)于起火速度快，且無(wú)煙遮蔽的明火火災(zāi)反應(yīng)最為靈敏。其中紫外火焰探測(cè)器不受風(fēng)雨、陽(yáng)光、高濕度、氣壓變化、極限環(huán)境濕度等影響，能在室外使用，但在雷電及電弧光有大量紫外線產(chǎn)生的場(chǎng)所運(yùn)用此設(shè)備時(shí)，必須采取一定措施以防止非火災(zāi)報(bào)警。另外，在產(chǎn)生火光之前就 有大量煙霧產(chǎn)生的場(chǎng)合，不宜單獨(dú)采用紫外火四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 焰探測(cè)器，必須與其它感煙探測(cè)器聯(lián)合使用。一般紫外火焰探測(cè)器同快速滅火系統(tǒng)和抑爆系統(tǒng)聯(lián)動(dòng) [8]，組成快速自動(dòng)報(bào)警滅火系統(tǒng)和自動(dòng)報(bào)警抑爆系統(tǒng)。 （ 4） 圖像火災(zāi)探測(cè) 對(duì)于物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的火焰，除了可以分析它的光譜特征外，還可以對(duì)其火焰形狀進(jìn)行利用，這樣就產(chǎn)生了圖像火災(zāi)探測(cè)器。火焰是高溫物體，而它的周?chē)h(huán)境則是處于常溫狀態(tài)?；馂?zāi)火焰在發(fā)展的過(guò)程中其形狀有一個(gè)不斷變化和持續(xù)的過(guò)程，而普通火焰，如打火機(jī)點(diǎn)火、蠟燭燃燒、煤氣火焰等，以及高溫發(fā)光源，如白熾燈、電爐等，則沒(méi)有這個(gè) 變化過(guò)程。這樣就形成了火災(zāi)識(shí)別和探測(cè)算法的重要基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)已有研究表明利用液晶片和 CCD 攝像機(jī)可對(duì)火災(zāi)圖像進(jìn)行有效的探測(cè) [9]。 （ 5） 氣體火災(zāi)探測(cè) 目前氣體火災(zāi)探測(cè)器主要有兩類(lèi)：可燃?xì)怏w型（主要探測(cè)對(duì)象是還原性氣體）和燃燒氣體產(chǎn)物型（主要探測(cè)對(duì)象是 CO 和 CO2）。 可燃?xì)怏w通常是指城市煤氣、石油液化氣、汽油蒸汽、酒精蒸汽、天然氣以及煤礦瓦斯等易燃易爆、有毒有害的氣體。這些氣體主要含有烷類(lèi)、烴類(lèi)、烯類(lèi)、醇類(lèi)、氫以及一氧化碳等成分。因此，在生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用這些氣體的過(guò)程中，如果違反操作規(guī) 程或設(shè)備密封質(zhì)量不好，都有可能發(fā)生可燃?xì)怏w泄漏現(xiàn)象，進(jìn)而釀成火災(zāi)或爆炸事故。 針對(duì)這些可燃?xì)怏w探測(cè)器主要有半導(dǎo)體型可燃?xì)怏w探測(cè)器、載體催化型可燃?xì)怏w探測(cè)器、固體電介質(zhì)型可燃?xì)怏w探測(cè)器、光電型可燃?xì)怏w探測(cè)器等。 火災(zāi)發(fā)生的氣態(tài)燃燒產(chǎn)物主要成分 為 H2O、 一氧化碳 CO、二氧化碳 CO碳?xì)浠衔铮?CxHy）。一般情況下， CO 和 CO2 在空氣中的含量極低。只有在燃燒發(fā)生時(shí)才會(huì)產(chǎn)生大量的 CO 和 CO2。這些氣體比煙霧粒子產(chǎn)生得早 ， 在感煙火災(zāi)探測(cè)器尚未發(fā)出報(bào)警信號(hào)前已達(dá)到相當(dāng)大的濃度。所以，針對(duì)這兩種氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)將會(huì)在很大程度上反映出環(huán)境中有燃燒現(xiàn)象發(fā)生，而且早期報(bào)警的效果比感煙探測(cè)器好。 （ 6） 燃燒聲音火災(zāi)探測(cè) 聲音火災(zāi)探測(cè)器利用燃燒所特有的次聲波現(xiàn)象制成的聲音傳感器。物質(zhì)在燃何凡：基于單片機(jī)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 燒過(guò)程中，會(huì)放出大量的熱能，對(duì)周?chē)諝膺M(jìn)行加熱，使得空氣膨脹，形成壓力聲波，其頻率僅有數(shù)赫茲。這種超低頻（次聲波）的聲音現(xiàn)象為物質(zhì)燃燒所共有。且在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，日常雜音很少，所以，可以在很大程度上避免環(huán)境對(duì)探測(cè)器的干擾。 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的方法 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)是由火災(zāi)探測(cè)部分和報(bào)警部分組成。火災(zāi)探測(cè)器通過(guò)對(duì)火災(zāi)發(fā)出的物理、化學(xué) 現(xiàn)象 ——?dú)猓ㄈ紵龤怏w）、煙（煙霧粒子）、熱（溫度）、光（火焰）的探測(cè)，將探測(cè)到的火情信號(hào)轉(zhuǎn)化成火警電信號(hào)傳遞給火災(zāi)報(bào)警控制器。報(bào)警器將接收到火警信號(hào)后經(jīng)分析處理發(fā)出報(bào)警信號(hào)，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 ，整體電路的框圖如圖 22 所示 ： 圖 22 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的原理圖 系統(tǒng)硬件結(jié) 構(gòu) 該火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、聲光報(bào)警模塊組成。 單片機(jī)是此報(bào)警系統(tǒng)的核心，其原理是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器（煙感和溫感）將非電信 號(hào)變成電信號(hào)，再通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)理（放大、濾波等），使之滿足 A/D 轉(zhuǎn)換器的要求，最后 A/D 轉(zhuǎn)換器在將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào) ，在由單片機(jī)判斷現(xiàn)場(chǎng)是否發(fā)生火災(zāi)。如果發(fā)生火災(zāi)，就以聲光進(jìn)行報(bào)警。 本文設(shè)計(jì)的 用于小型防火單位的單片機(jī)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)具有以下特點(diǎn) ： 傳感器 放 大 器 AD轉(zhuǎn)換器 單 片 機(jī) 狀態(tài)指示燈 聲音報(bào)警 溫度 顯示 按鍵 通信接口 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 （ 1） 能對(duì)室內(nèi)煙霧 （ CO2， CO） 及溫度突變進(jìn)行報(bào)警 ， 具有 聲、光雙重報(bào)警功能。 （ 2） 系統(tǒng)故障報(bào)警功能。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)硬件故障時(shí)，能發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)。 （ 3） 異常報(bào)警功能。當(dāng)環(huán)境出現(xiàn)異常 (如煙霧濃度過(guò)大或是溫度較高 )時(shí)，能發(fā)出異常報(bào)警信號(hào)，引起人們注 意，盡可能避免火災(zāi)的發(fā)生。 （ 4） 火災(zāi)報(bào)警功能。一旦真出現(xiàn)火災(zāi) （ 煙霧和溫度同時(shí)出現(xiàn)異常 ） 時(shí)，能立即發(fā)出語(yǔ)音、光火災(zāi)警報(bào) [9] 。據(jù)類(lèi)似本系統(tǒng)的報(bào)警器現(xiàn)場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)表明 ， 本系統(tǒng)安全可靠 ， 誤報(bào)率低。且由于其體積小、操作維護(hù)方便、成本低 廉等 ， 具有廣闊的應(yīng)用前景。 系統(tǒng)軟件方案 圖 23 程序流程圖 為了便于系統(tǒng)維護(hù)和功能擴(kuò)充，采用了模塊化程序設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)各個(gè)模塊的具體功能都是通過(guò)子程序調(diào)用實(shí)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(bào) 警子程序等，系統(tǒng) 程序流程圖如圖 23 所示。 Y 開(kāi)始 初始化 溫度煙霧信號(hào)采集 報(bào)警判斷 正常 火災(zāi)報(bào)警 N 何凡：基于單片機(jī)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 為了降低誤報(bào)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)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(gè)無(wú)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(jī)各個(gè)端口輸入輸出的設(shè)置、外圍驅(qū)動(dòng)電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路等完成初始化，其次是對(duì)芯片內(nèi)的程序進(jìn)行初始化，接下來(lái)執(zhí)行火災(zāi)報(bào)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(xún)判斷任務(wù) 。 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 3 章 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)芯片介紹 AD590 溫度傳感器 AD590 測(cè)量熱力溫度、攝氏溫度、兩點(diǎn)溫度差、多點(diǎn)平均溫度的具體電路，廣泛應(yīng)用于不同的溫度控制場(chǎng)合。由于 AD590 精度高、價(jià)格低、不需要輔助電源、線性好，常用于測(cè)溫和熱電偶冷端補(bǔ)償 [10]。所以本文選擇 AD590 溫度傳感器。 AD590 是美國(guó) Analog Devices 公司生產(chǎn)的一種電流型二端溫度傳感器。電路如圖 31 所示。由于 AD590 是電流型溫度傳感器 ， 他的輸出同絕對(duì)溫度成正比 ，即 1μA/k， 而數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片