【正文】 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）自動(dòng)滅火系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文1緒論火災(zāi)，作為一種具有突發(fā)性和強(qiáng)破壞性的災(zāi)害現(xiàn)象，嚴(yán)重危害人類生命財(cái)產(chǎn)安全和自然環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在眾多的災(zāi)種中，火災(zāi)造成的直接損失約為地震的5倍，僅次于干旱和洪澇，而火災(zāi)發(fā)生的頻度則居于各災(zāi)種之首。千百年來(lái)，人類和火災(zāi)進(jìn)行了長(zhǎng)期的斗爭(zhēng)，積累了許多防火、滅火的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于火災(zāi)的認(rèn)識(shí)不斷加深，針對(duì)火災(zāi)初期不同特征的各種探測(cè)方法越來(lái)越多。人類逐步掌握了火的燃燒機(jī)理，燃燒條件和燃燒發(fā)展的過(guò)程，創(chuàng)造了各種各樣防火、滅火的方法。在上世紀(jì)70年代后期，開(kāi)始出現(xiàn)一門新興的多學(xué)科交叉應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)，火災(zāi)科學(xué)，其中心內(nèi)容就是用現(xiàn)代高科技手段研究火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展和防治的機(jī)理和規(guī)律，為火災(zāi)防治提供新的思想、理論和方法，使得人類對(duì)火災(zāi)的研究進(jìn)入了科學(xué)化、系統(tǒng)化的軌道，并促進(jìn)了防火、滅火技術(shù)的進(jìn)步。本文基于上述考慮，通過(guò)研發(fā)全自動(dòng)滅火控制系統(tǒng)，滿足了用戶的不同使用環(huán)境的需要。通過(guò)溫度傳感器和煙霧傳感器檢測(cè)出信號(hào)，也可通過(guò)控制電路使電話自動(dòng)撥號(hào)（119），并報(bào)告現(xiàn)場(chǎng)地址。這對(duì)有效、快速撲救具有積極意義。本系統(tǒng)適用于各種消防環(huán)境，尤其適合于不能用水做滅火介質(zhì)的地方，如圖書館、檔案館、計(jì)算機(jī)房等處。因單片機(jī)集成度高，故該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，成本低等優(yōu)點(diǎn)。 自動(dòng)滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)的意義倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)報(bào)警滅火系統(tǒng)。美國(guó)現(xiàn)在已制定了相關(guān)規(guī)范對(duì)其推廣，英國(guó)、澳大利亞、也在使用，實(shí)踐證明倉(cāng)庫(kù)內(nèi)安裝該系統(tǒng)能夠撲救倉(cāng)庫(kù)初期火災(zāi)，保護(hù)倉(cāng)庫(kù)財(cái)產(chǎn)安全，降低火災(zāi)損失以及為搶救貨物提供足夠的時(shí)間并能及時(shí)報(bào)警。 隨著我國(guó)自動(dòng)報(bào)警滅火系統(tǒng)的不斷發(fā)展，自動(dòng)報(bào)警滅火系統(tǒng)大大的降低了火災(zāi)的危害性，把火災(zāi)給人們帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失將到了最低，為確保人的生命及財(cái)產(chǎn)安全提供了保障。在本次自動(dòng)報(bào)警滅火系統(tǒng)采用了煙霧傳感器之間的互鎖模式進(jìn)行控制，避免了因煙霧在倉(cāng)庫(kù)中的擴(kuò)散而引起的其他非著火區(qū)域的錯(cuò)誤報(bào)警與滅火，大大減少了系統(tǒng)的誤報(bào)率，有很強(qiáng)的實(shí)用意義。且在本次設(shè)計(jì)中還采用了先報(bào)警后滅火的報(bào)警滅火模式，給管理人員提供了有效的火災(zāi)確認(rèn)時(shí)間，大大減少了因誤報(bào)帶來(lái)的損失，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。單片機(jī)溫度傳感器信號(hào)處理電路煙霧傳感器AD轉(zhuǎn)換器液晶顯示設(shè)定閥值驅(qū)動(dòng)電路滅火裝置的啟動(dòng)故障復(fù)位報(bào)警電路電壓比較器圖11 設(shè)計(jì)原理框圖圖11基本上完整的說(shuō)明了整個(gè)系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)思路，首先是外界的溫度信號(hào)和煙霧濃度信號(hào)被我們采集，然后通過(guò)轉(zhuǎn)化，這里需要做一下說(shuō)明，由于溫度傳感器選用的是集成的DS18B20，自帶AD轉(zhuǎn)換，而煙霧傳感器輸出的信號(hào)作為輔助判斷，我們?yōu)榱斯?jié)約成本，只需要知道其是否在危險(xiǎn)范圍內(nèi)，因此通過(guò)簡(jiǎn)單的電壓比較器即可實(shí)現(xiàn)（具體見(jiàn)后文），輸入信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)后，即可由MCU進(jìn)行判斷，然后通過(guò)一系列I/O端口發(fā)出電平信號(hào)，來(lái)驅(qū)動(dòng)外界的滅火設(shè)備。我們可以通過(guò)連接的鍵盤，達(dá)到故障復(fù)位，閥值設(shè)定等。我們可參考附錄的總體電路圖，鍵盤部分、聲光報(bào)警部分、驅(qū)動(dòng)電路部分均是通過(guò)軟件編程來(lái)控制其運(yùn)行的。2自動(dòng)滅火系統(tǒng)中火災(zāi)探測(cè)器的選擇對(duì)于一個(gè)自動(dòng)滅火系統(tǒng)更而言，火災(zāi)探測(cè)器像是整個(gè)系統(tǒng)的一扇窗戶，是對(duì)外界信息就行讀取的渠道，它的重要性也就不言而喻了。如何正確有效的選取火災(zāi)探測(cè)器，對(duì)于整個(gè)自動(dòng)滅火系統(tǒng)有著實(shí)質(zhì)性的影響。下面我們現(xiàn)對(duì)火災(zāi)發(fā)生的相關(guān)特征進(jìn)行簡(jiǎn)單的了解，以確定我們需要從哪些方面來(lái)進(jìn)行火災(zāi)的檢測(cè)?；馂?zāi)初期有陰燃階段，產(chǎn)生大量的煙和少量的熱，很少或沒(méi)有火焰輻射，火災(zāi)中期發(fā)展迅速，產(chǎn)生大量熱、煙和火焰輻射。我們針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的這些信息收集，諸如溫度、煙霧濃度（產(chǎn)生的氣體）、火焰等，來(lái)判斷火災(zāi)是否發(fā)生，這是火災(zāi)探測(cè)基本思路。因此，我們可以很清楚的知道了探測(cè)器需要完成的任務(wù)，即對(duì)溫度、煙霧濃度、火焰等相關(guān)信息的獲取。鑒于本次自動(dòng)滅火系統(tǒng)主要適用于計(jì)算機(jī)房、通訊機(jī)房、配電房、油浸變壓器、自備發(fā)電機(jī)房、圖書館、檔案室、博物館及票據(jù)、文物資料庫(kù)等場(chǎng)所，我們可以通過(guò)對(duì)溫度和煙霧濃度的檢測(cè)來(lái)判斷火災(zāi)是否發(fā)生。由于場(chǎng)所的不定性，在不同高度的建筑物設(shè)置火災(zāi)探測(cè)器時(shí)可參照表21的規(guī)定。表21 點(diǎn)型感煙、感溫火災(zāi)探測(cè)器的實(shí)用高度房間高度(m)感煙探測(cè)器感 溫 探 測(cè) 器一 級(jí)二 級(jí)三 級(jí)12h20不適合不適合不適合不適合8h12適 合不適合不適合不適合6h8適 合適 合不適合不適合4h6適 合適 合適 合不適合h4適 合適 合適 合適 合通過(guò)上表的了解，若是對(duì)于一般高度的房間，感煙和感溫基本上能滿足要求；同時(shí)我們需要考慮另一個(gè)問(wèn)題，即探測(cè)器所能覆蓋的范圍，通過(guò)參照一些規(guī)范和本系統(tǒng)的要求，對(duì)火災(zāi)探測(cè)器的設(shè)置如下：(1) 一個(gè)探測(cè)區(qū)域內(nèi)至少應(yīng)布置一只火災(zāi)探測(cè)器。(2) 在寬度小于3m以內(nèi)的過(guò)道頂棚上設(shè)置探測(cè)器時(shí)宜居中布置。感溫探測(cè)器的安裝間距L不應(yīng)超過(guò)10m，感煙探測(cè)器的安裝間距L不應(yīng)超過(guò)15m，探測(cè)器至端墻的距離不應(yīng)大于探測(cè)器間距的1/2。(3) 感煙探測(cè)器、感溫探測(cè)器的保護(hù)面積和保護(hù)半徑應(yīng)該通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試檢驗(yàn)可知。 (4) 探測(cè)器至墻壁、。(5) 探測(cè)器宜水平安裝，如必須傾斜安裝時(shí)，傾斜角不應(yīng)大于45。當(dāng)屋頂坡度θ大于45 時(shí)，應(yīng)加木臺(tái)或類似方法安裝探測(cè)器?；馂?zāi)探測(cè)器數(shù)量的計(jì)算： 一個(gè)探測(cè)區(qū)域內(nèi)所需設(shè)置的探測(cè)器數(shù)量，應(yīng)由下式計(jì)算： ()式中：N—一個(gè)探測(cè)區(qū)域所需設(shè)置的探測(cè)器數(shù)量(只)，N1(取整數(shù))；S—一個(gè)探測(cè)區(qū)域的面積(m2)。A—一個(gè)探測(cè)器的保護(hù)面積；K—修正系數(shù)，～。 可以根據(jù)所處房間的大小和保護(hù)級(jí)別來(lái)合理安排探測(cè)器的數(shù)目和位置。測(cè)量溫度的關(guān)鍵是溫度傳感器，本次設(shè)計(jì)中，我考慮了兩種設(shè)計(jì)方案。（1）方案一采用熱電偶溫差電路測(cè)溫，溫度檢測(cè)部分使用低溫?zé)崤迹瑹犭娕加蓛蓚€(gè)焊接在一起不同金屬導(dǎo)線組成，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)由兩種金屬的接觸電勢(shì)和單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)組成。通過(guò)將參考節(jié)點(diǎn)保持在已知溫度并測(cè)量該電壓，便可推斷出檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的溫度。數(shù)據(jù)采集部分使用帶有A/D通道的單片機(jī)，將隨溫度變化的電壓或電流采集過(guò)來(lái)，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，將被測(cè)溫度顯示出來(lái)。熱電偶電路的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫范圍廣，且體積下。但是存在輸出電壓小、容易受到來(lái)自導(dǎo)線環(huán)路的噪聲影響以及漂移較高的缺點(diǎn)，并且需要設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換電路，因此可靠性較差、測(cè)量溫度準(zhǔn)確率低。（2）方案二采用數(shù)字溫度傳感器，將溫度直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)經(jīng)單片機(jī)輸出。數(shù)字溫度傳感器的內(nèi)部都包含溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器(或寄存器)和接口電路,其特點(diǎn)是能直接輸出數(shù)字化的溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，自動(dòng)適配各種微控制器(MCU)。采用數(shù)字溫度傳感器以實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)字化，既能以數(shù)字形式直接輸出被測(cè)溫度值，具有測(cè)量誤差小，分辨力高，抗干擾能力強(qiáng)，能夠遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，帶串行總線接口等優(yōu)點(diǎn)。本此感溫探測(cè)器選用的是DS18B20芯片。DS18B20是美國(guó)Dallas公司最新推出的一種單總線系統(tǒng)的數(shù)字溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同，它能夠直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，可靠性更高。芯片的耗電量很小，從總線上“偷”一點(diǎn)電存儲(chǔ)在片內(nèi)的電容中就可正常工作，一般不用另加電源。最可貴的是這些芯片在檢測(cè)點(diǎn)已把被測(cè)信號(hào)數(shù)字化了，因此在單總線上傳送的是數(shù)字信號(hào)，這使得系統(tǒng)的抗干擾性好、可靠性高、傳輸距離遠(yuǎn)。 DS18B20 DS18B20特點(diǎn)：（1）單線接口，只有一根信號(hào)線與CPU 連接單總線器件，具有線路簡(jiǎn)單，體積小的特點(diǎn)；（2）不需要備份電源，可通過(guò)信號(hào)線供電，～5V；（3）傳送串行數(shù)據(jù)，不需要外部元件；（4）溫度測(cè)量范圍從55℃～+125℃；（5）通過(guò)編程可實(shí)現(xiàn)9～12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式（出廠時(shí)被設(shè)置為12 位）；（6）零功耗等待；（7）現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如環(huán)境控制、設(shè)備或過(guò)程控制、測(cè)溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位激光ROM，溫度敏感元件，非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL，高速暫存器。64位激光ROM是出廠前被光刻好的，它其中保存著該DS18B20的產(chǎn)品信息和產(chǎn)品系列編碼，可以看作是該DS18B20的地址序列號(hào)。單總線上所有DS18B20器件可以通過(guò)檢索器件的ROM中的內(nèi)容進(jìn)行識(shí)別。DS18B20的管腳排列如圖21所示。圖21 DS18B20管腳排列引腳功能如下：VDD：可選電源腳，電源電壓范圍3~。工作于寄生電源時(shí)，此引腳應(yīng)接地；DQ：數(shù)據(jù)輸入/輸出腳，漏極開(kāi)路，常態(tài)下高電平。 DS18B20測(cè)溫原理DS18B20內(nèi)含兩個(gè)溫度系數(shù)不同的溫敏振蕩器，其中溫敏振蕩器1相當(dāng)于測(cè)溫元件，溫敏振蕩器2相當(dāng)于標(biāo)尺，通過(guò)不斷比較兩個(gè)溫敏振蕩器的振蕩周期，得到兩個(gè)溫敏振蕩器在測(cè)量溫度下的振蕩頻率比值，根據(jù)頻率比值和溫度的對(duì)應(yīng)曲線，得到相應(yīng)的溫度值。其原理圖如圖22所示：具體測(cè)溫過(guò)程如下：首先由預(yù)置器2將溫度寄存器預(yù)置為對(duì)應(yīng)于溫度下限（55℃）的值。然后，由預(yù)置器1對(duì)計(jì)數(shù)器1也預(yù)置一個(gè)對(duì)應(yīng)于溫度下限（55℃）的計(jì)數(shù)值，計(jì)數(shù)器1接收溫度振蕩器1的輸出信號(hào)并進(jìn)行減法運(yùn)算。計(jì)數(shù)器2接收溫敏振蕩器2的輸出信號(hào)得到實(shí)際溫度值并送給溫度寄存器作為比較標(biāo)尺。如果計(jì)數(shù)器1首先遞減到0，那么將向溫度寄存器輸出一個(gè)信號(hào)，溫度寄存器的值將增加一位，對(duì)應(yīng)溫度值增加一個(gè)分辨率的值（℃時(shí)，℃），說(shuō)明實(shí)測(cè)溫度高于55℃。隨后，斜率累加器根據(jù)兩個(gè)溫敏振蕩器的溫度特性曲線計(jì)算出下一個(gè)溫度位置處計(jì)數(shù)器1的預(yù)置計(jì)數(shù)值，對(duì)計(jì)數(shù)器1再次進(jìn)行預(yù)置。計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2再次開(kāi)始計(jì)數(shù)。如果計(jì)數(shù)器2先于計(jì)數(shù)器1到達(dá)0，完成一次測(cè)溫。溫度寄存器中的值為測(cè)量所得的當(dāng)前溫度值。通過(guò)這個(gè)過(guò)程不僅完成了測(cè)溫，而且將完成了溫度值的數(shù)字化，省去了A/D轉(zhuǎn)換器。圖22 DS18B20測(cè)溫原理DSl8B20中的數(shù)字溫度傳感器的分辨率可配置為11和12位，出廠默認(rèn)設(shè)置為12位分辨率，、。溫度信息的低位、高位字節(jié)內(nèi)容中，還包括了符號(hào)位S(是正溫度還是負(fù)溫度)和二進(jìn)制小數(shù)部分，具體形式為：低位字節(jié):MSB232221202122LSB2324高位字節(jié):MSBSSSSS26LSB2524這是12位分辨率的情況,如果配置為低的分辨率,則其中無(wú)意義位為0。在DSl8B20完成溫度變換之后,溫度值與儲(chǔ)存在TH和TL內(nèi)的告警觸發(fā)值進(jìn)行比較。由于是8位寄存器,所以9~12位在比較時(shí)忽略。TH或TL的最高位直接對(duì)應(yīng)于16位溫度寄存器的符號(hào)位。如果溫度測(cè)量的結(jié)果高于TH或低于TL,那么器件內(nèi)告警標(biāo)志將置位,每次溫度測(cè)量都會(huì)更新此標(biāo)志。只要告警標(biāo)志置位,DSl8B20就將響應(yīng)告警搜索命令,這也就允許單線上多個(gè)DSl8B20同時(shí)進(jìn)行溫度測(cè)量,即使某處溫度越限,也可以識(shí)別出正在告警的器件。本次設(shè)計(jì)中采用的是外部供電方式，其與單片機(jī)接線方式如圖23所示： 圖23 DS18B20的接線方式煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，是氣電變換器，它將可燃性氣 體在空氣中的含量(即濃度)轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路或者LM339比較器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到單片機(jī)，進(jìn)而由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、濃度 處理及報(bào)警控制等工作。傳感器作為煙霧檢測(cè)報(bào)警器的信號(hào)采集部分，是儀表的核心組成部分之一。由此可見(jiàn)，傳感器的選型是非常重要的。 (1)煙霧傳感器的分類 (a)利用物理化學(xué)性質(zhì)的煙霧傳感器：如半導(dǎo)體煙霧傳感器、接觸燃 燒煙霧傳感器等。 (b)利用物理性質(zhì)的煙霧傳感器：如熱導(dǎo)煙霧傳感器、光干涉煙霧傳 感器、紅外傳感器等。 (c)利用電化學(xué)性質(zhì)的煙霧傳感器：如電流型煙霧傳感器、電勢(shì)型氣 體傳感器等。 (2)煙霧傳感器應(yīng)滿足的基本條件 一個(gè)煙霧傳感器可以是單功能的，也可以是多功能的；可以是單一的實(shí)體，也可以是由多個(gè)不同功能傳感器組成的陣列。但是，任何一個(gè)完整的煙霧傳感器都必須具備以下條件： (a)能選擇性地檢測(cè)某種單一煙霧，而對(duì)共存的其它煙霧不響應(yīng)或低 響應(yīng)； (b)對(duì)被測(cè)煙霧具有較高的靈敏度，能有效地檢測(cè)允許范圍內(nèi)的煙霧 濃度；(c)對(duì)檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)速度快，重復(fù)性好；(d)長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性好； (e)使用壽命長(zhǎng)； (f)制造成本低，使用與維護(hù)方便。 （3）常見(jiàn)煙霧傳感器可檢測(cè)煙霧種類 由于煙霧的種類繁多，一種類型的煙霧傳感器不可能檢測(cè)所有的氣體，通常只能檢測(cè)某一種或兩種特定性質(zhì)的煙霧。例如氧化物半導(dǎo)體煙霧傳感器主要檢測(cè)各種還原性煙霧，如CO、HC2H5OH、CH3OH等。固體電解質(zhì)煙霧傳感器主要用于檢測(cè)無(wú)機(jī)煙霧，如OCOHClSO2等。綜合考慮本次選用的是離子型傳感器，型號(hào)為HIS07或者 NIS07，以下為NIS07的技術(shù)參數(shù)：DC:9V ；+；電流損耗：27+3pA ；+；濕度：90%以下。下面介紹下離子型傳感器的工作原理：離子煙霧傳感器單電離室的工作原理，如圖42所示。 圖24 電離室工作原理圖圖24是單電離室的結(jié)構(gòu)圖，P1和P2是一對(duì)電極，在電極之間放有放射性物質(zhì)241Am，不斷放出α射線，高速運(yùn)動(dòng)的α離子撞擊極板間的空氣分子，將其電離為正離子和負(fù)離子，從而使電極之間原來(lái)不導(dǎo)電的空氣具有了導(dǎo)電性。如果在極板P1和P2之間加上一個(gè)電壓E，極板間原來(lái)雜亂無(wú)章的正負(fù)離子，在電場(chǎng)的作用下