【正文】 滅火系統(tǒng)，發(fā)達(dá)國家現(xiàn)已將該系統(tǒng)應(yīng)用到工業(yè)場所、民用建筑及住宅等各類建筑中。目前國內(nèi)建筑消防系統(tǒng)主要有：消火栓滅火系統(tǒng)，自動報(bào)警與滅火系統(tǒng)和移動滅火器系統(tǒng)。然而消火栓滅火系統(tǒng)和移動滅火器系統(tǒng)均需要人員操作，在應(yīng)對突發(fā)的火災(zāi)面前往往力不從心，很難及時(shí)將火災(zāi)撲滅，實(shí)際滅火效果較差。因此，隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力與人們認(rèn)識的提高，自動報(bào)警與滅火系統(tǒng)將逐步取代傳統(tǒng)的消防系統(tǒng)，最終在工程建設(shè)中得到更廣泛的應(yīng)用。德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2021 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）22 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概要 針對目前居民樓消防設(shè)施落后，火災(zāi)預(yù)防與撲救不利的情況，設(shè)計(jì)出基于 AT89C51單片機(jī)的室內(nèi)自動報(bào)警與滅火系統(tǒng)。本系統(tǒng)由火災(zāi)檢測模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、信號處理模塊、聲光報(bào)警模塊和滅火裝置模塊組成?；馂?zāi)檢測模塊由溫度檢測和煙霧檢測構(gòu)成，其溫度傳感器選用 AD590，煙霧傳感器選用 MQ2 煙霧傳感器。A/D 轉(zhuǎn)換模塊選用常用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809。聲光報(bào)警模塊分為聲音報(bào)警和光報(bào)警，聲音報(bào)警模塊由 LM386 運(yùn)放器及音響設(shè)備組成。光報(bào)警模塊采用高亮度紅色光 LED 閃爍實(shí)現(xiàn)。滅火裝置模塊由水箱(設(shè)置了水位上下限檢測)、開式高速 噴霧噴頭、電磁閥、噴淋泵、輸水管網(wǎng)等組成。本設(shè)計(jì)選用普通二室一廳的住房作為模型，根據(jù)實(shí)際情況劃分為七處保護(hù)區(qū)域（臥室 臥室 廚房、衛(wèi)生間、陽臺分別設(shè) 1 處，客廳設(shè) 2 處） 。該系統(tǒng)能夠在火災(zāi)初期，將燃燒產(chǎn)生的煙霧、熱量兩個(gè)物理量，通過 MQ2 型煙霧傳感器和溫度傳感器 AD590 轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過兩片 ADC0809 分別進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換后，將信號傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)控制中心，當(dāng)煙霧或溫度實(shí)測值超過設(shè)定值時(shí)，控制中心發(fā)出報(bào)警控制信號，經(jīng) LM386 放大后驅(qū)動音響設(shè)備發(fā)出所需頻率的聲音報(bào)警，報(bào)警控制信號同時(shí)控制高亮紅光 LED 閃爍報(bào)警（直至火情被完全消除或人工將報(bào)警關(guān)閉），延時(shí) 30S 后控制中心驅(qū)動滅火裝置將火撲滅。此期間若有人值守，直接消除了火情，則不驅(qū)動滅火裝置。另外,水箱內(nèi)設(shè)置水位上限和下限檢測，當(dāng)水位低于水位下限或高于水位上限時(shí)，由控制中心控制進(jìn)水閥和出水閥的啟停,從而確保水箱內(nèi)始貯有 10 分鐘的消防用水量，為防止水質(zhì)變壞，水箱同時(shí)提供生活用水。電磁閥和噴淋泵均由單片機(jī)通過光耦隔離控制。德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2021 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）3 硬件設(shè)計(jì)框圖0~6 區(qū)溫度采集0~6 區(qū)煙霧采集A/D 轉(zhuǎn)換A/D 轉(zhuǎn)換信息處理與控制中心AT89C51聲光報(bào)警滅火裝置圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 信息處理控制單元的設(shè)計(jì) AT89C51 單片機(jī)信息處理控制單元是本室內(nèi)自動報(bào)警與滅火系統(tǒng)的核心，根據(jù)本系統(tǒng)功能的要求，采用 AT89C51 單片機(jī)作為系統(tǒng)中心控制模塊。AT89C51 單片機(jī)接收經(jīng) ADC0809 轉(zhuǎn)換后的溫度和煙霧數(shù)字信號，根據(jù)程序作出判斷，控制報(bào)警電路和滅火裝置。另外，單片機(jī)還接收手動控制信號，實(shí)現(xiàn)手動控制系統(tǒng)的啟停。（1）AT89C51 單片機(jī)簡介 AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗、高性能 8 位單片機(jī)，采用了 CMOS 工藝和 ATMEL 公司的高密度非易失性存儲器（ NURAM）技術(shù)，片內(nèi)含 4Kbytes 的可反復(fù)擦寫 1000 次的只讀程序存儲器（EPROM）和 128Kbytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM） ，32 個(gè) I/O 口線，兩個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。同時(shí)， AT89C51 可降到 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可靠的節(jié)電工作模式，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，AT89C51以其高性價(jià)比，廣泛應(yīng)用在各種控制領(lǐng)域。（2）引腳功能及在本設(shè)計(jì)中的連接VCC：電源電壓； GND：地；P0~P3：I/O 口；在本設(shè)計(jì)中具體分配如下： P0 口：作為溫度信號數(shù)據(jù)傳輸線，分別與進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換 ADC0809 的數(shù)字量輸出端 D0D7 相連；德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2021 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）4P1 口： 接 74LS138 譯碼器，用來驅(qū)動支路電磁閥； 接水位上限檢測電路； 接水位下限檢測電路； 接水箱進(jìn)水管的電磁閥驅(qū)動電路； 接滅火總電磁閥和噴淋泵驅(qū)動電路； 接聲光報(bào)警驅(qū)動電路； P2 口：作為煙霧信號數(shù)據(jù)傳輸線，分別與進(jìn)行煙霧轉(zhuǎn)換 ADC0809 的數(shù)字量輸出端 D0D7 相連；P3 口： 、 分別控制 ADC0809 的 START、ALE 和 OE； 接 ADC0809 的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號線 EOC；P3. 、 分別接 ADC0809 的 A、B 、C 端；RST：復(fù)位輸入，該引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位，接復(fù)位電路；ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時(shí)鐘或定時(shí)目的。在本設(shè)計(jì)中，接 74LS74 分頻器的 CLK 端，經(jīng)分頻后為 ADC0809 提供時(shí)鐘信號；：程序存儲允許（ ）輸出是外部程序存儲器讀選通，當(dāng) AT89C51 由外部程PSENPSEN序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。PSEN在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的 信號不出現(xiàn)。此設(shè)計(jì)中，該引腳空置；/VPP：外部訪問允許。欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為 0000H—FFFFH） ，EAEA 端必須保持低電平（接地） 。如 EA 端為高電平（接 Vcc） ，CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。本設(shè)計(jì)中，CPU 不訪問外部程序存儲器，所以將 EA 接Vcc 即可。XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端，接晶振電路；XATL2：振蕩器反相放大器的輸出端，接晶振電路；（3）AT89C51 最小工作系統(tǒng)德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2021 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）5復(fù)位電路晶振電路 RST Vcc GNDXTAL1XTAL2AT89C51電源電路圖 2 AT89C51 最小工作系統(tǒng)復(fù)位電路如下：圖 3 復(fù)位電路原理圖晶振電路如下：圖 4 晶振電路原理圖德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2021 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）6 火災(zāi)探測單元的設(shè)計(jì) 火災(zāi)分析及探測方法的確定1．建筑火災(zāi)的成因2．火災(zāi)探測方法圖 5 普通可燃物典型起火過程由上圖可知火災(zāi)的燃燒過程大體可分為：陰燃，爆然，熄滅三階段。因此，根據(jù)物質(zhì)燃燒過程中發(fā)生的能量轉(zhuǎn)換和物質(zhì)轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的不同火災(zāi)現(xiàn)象與特征，產(chǎn)生了不同的火災(zāi)探測方法。 圖 6 火災(zāi)探測方法火 災(zāi)熱 能(溫 度 ) 燃 燒 產(chǎn) 物(懸 浮 物 )熱 輻 射 熱 對 流火 焰 氣 體 煙 霧 氣 溶 膠火 焰 （ 光 ）探 測 法 熱 （ 溫 度 ）探 測 法 可 燃 氣 體探 測 法 空 氣 離 子 化探 測 法 光 電 感 煙探 測 法德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2021 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）73．探測器與數(shù)目（1）火災(zāi)探測器選擇在火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)中，火災(zāi)探測器是非常重要的檢測元件，按照其待探測的火災(zāi)參數(shù)不同可主要分為為感煙式、感溫式、感光式火災(zāi)探測器和可燃?xì)怏w探測器，以及煙溫、煙光、煙溫光等復(fù)合式火災(zāi)探測器和多信號輸出式火災(zāi)探測器。按其測控范圍又可分為點(diǎn)型火災(zāi)探測器和線型火災(zāi)探測器兩大類。點(diǎn)型火災(zāi)探測器只能對警戒范圍中某一點(diǎn)周圍的溫度、煙等參數(shù)進(jìn)行控制，如點(diǎn)型離子感、點(diǎn)型紫光火焰火災(zāi)探測器、點(diǎn)型感溫火災(zāi)探測器等，線型火災(zāi)探測器則可以對警戒范圍中某一線路周圍煙霧、溫度進(jìn)行探測，如紅外光束線型火災(zāi)探測器、激光線型火災(zāi)探測器、纜式線型感溫火災(zāi)探測器等。火災(zāi)探測器是火災(zāi)自動報(bào)警控制系統(tǒng)中的首要檢測元件，探測器的工作穩(wěn)定性、可靠性和靈敏度等技術(shù)指標(biāo)直接影響著整個(gè)的好壞。本設(shè)計(jì)根據(jù)室內(nèi)火災(zāi)成因及可燃物的起火過程的分析，本設(shè)計(jì)采用由溫度傳感器 AD590 構(gòu)成的溫度探測器和由 MQ2 半導(dǎo)體可燃?xì)怏w敏感元件構(gòu)成的煙霧探測器作為火災(zāi)探測器。兩種探測器相互補(bǔ)充，使得初期火災(zāi)探測更加及時(shí)、準(zhǔn)確。（2）探測器數(shù)目的確定本設(shè)計(jì)中將二室一廳住房模型劃分七處保護(hù)區(qū)域：臥室 臥室 廚房、衛(wèi)生間、陽臺分別設(shè) 1 處，客廳設(shè) 2 處，每個(gè)區(qū)域都應(yīng)設(shè)置溫度探測器和煙霧探測器，標(biāo)號為W0—W6 和 Y0—Y6。住房模型的戶型圖如下：圖 7 二室一廳戶型圖德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2021 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）8 溫度傳感器 AD590AD590 是美國 ANALOGDEVICES 公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。廣泛應(yīng)用于不同的溫度測量場合如：測量熱力學(xué)溫度、攝氏溫度、兩點(diǎn)溫度差、多點(diǎn)最低溫度、多點(diǎn)平均溫度的具體電路，由于其精度高、價(jià)格低、線性好，常用于測溫和熱電偶的冷端補(bǔ)償。（1） 主要特性a. AD590 的測溫范圍為－55℃－＋150℃；b. 精度高，AD590 在－55℃－＋150℃范圍內(nèi)，非線性誤差僅為 ℃?c. 輸出電阻為 710m ，電源電壓范圍 4V－30V ，可以承受 44V 正向電壓和 20V 反向電?壓，因而器件即使接反也不會被損壞；d. 流過器件的電流微安數(shù)等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)：IT/T=1uA/K，式中，IT 流過器件的電流，單位為 uA；T 熱力學(xué)溫度，單位為 K；可知：AD590 產(chǎn)生的電流與絕對溫度成正比，溫度每增加 1℃，其電流增加 1uA。 AD590 溫度與電流的關(guān)系如下表所示：表 1 AD590 溫度與電流/電壓的對應(yīng)關(guān)系攝氏溫度 AD590 電流 經(jīng) 10KΩ電壓0℃ uA 10℃ uA V20℃ uA V30℃ uA V40℃ uA V50℃ uA V60℃ uA V100℃ uA V（2）溫度檢測電路精度高，AD590 共有 I、J、K、L、M 五擋不同精度。其中 M 擋精度最高，在55 ～150℃范圍內(nèi)，非線性誤差為土 ℃；I 擋誤差最大，約土 100℃，故應(yīng)用時(shí)應(yīng)校正(補(bǔ)償) 。AD590 各擋的精度不同，即其溫度校正誤差不同。所謂溫度校正誤差是指傳感器輸出的信號所對應(yīng)的溫度與實(shí)際溫度值之間的差值。如圖所示。通常溫度校正(補(bǔ)償)的方法有兩種：單點(diǎn)調(diào)整及雙點(diǎn)調(diào)整。 德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2021 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）9圖 8 單點(diǎn)調(diào)整法 圖 9 單點(diǎn)調(diào)整時(shí)精度 圖 10 雙點(diǎn)調(diào)整法 圖 11 雙點(diǎn)調(diào)整時(shí)精度德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2021 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）10根據(jù) AD590 的特性，本系統(tǒng)溫度探測電路設(shè)計(jì)出如下：圖 12 溫度檢測電路 如上圖所示，本設(shè)計(jì)選用單點(diǎn)調(diào)整補(bǔ)償來校正溫度誤差。本系統(tǒng)中共設(shè)了 7 個(gè)溫度探測器，因而溫度檢測電路也為 7 個(gè)，圖中只列出其一。W0—W6 接進(jìn)行溫度信號 A/D轉(zhuǎn)換的 ADC0809 的 IN0—IN7。本設(shè)計(jì)中，選用 60℃作為溫度上限報(bào)警溫度，當(dāng)室內(nèi)溫度超過該值后，控制中心即控制報(bào)警和滅火裝置動作。 煙霧傳感器 MQ2 MQ2 型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，屬于表面離子式 N 型半導(dǎo)體。當(dāng)處于 200~300。C 溫度時(shí)，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當(dāng)與煙霧接觸時(shí)，如果晶粒間界處的勢壘受到該煙霧的調(diào)制而變化，就會引起表面電導(dǎo)率的變化。利用這一點(diǎn)就可以獲得這種煙霧存在的信息。遇到可燃煙霧（如 CH4 等）時(shí)，原來吸附的氧脫附，而由可燃煙霧以正離子狀態(tài)吸附在二氧化錫半導(dǎo)體表面；氧脫附放出電子，煙霧以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子，從而使二氧化錫半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加，電阻值下降。而當(dāng)空氣中沒有煙霧時(shí)，二氧化錫半導(dǎo)體又會自動恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是 MQ2半導(dǎo)體型可燃性煙霧傳感器檢測可燃煙霧的基本原理。（1）MQ2 傳感器的特性及主要技術(shù)指標(biāo) MQ2 型傳感器的一般特點(diǎn)：對天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對烷類煙霧更為敏感；具有良好的重復(fù)性和長期的穩(wěn)定性，初始穩(wěn)定，響應(yīng)