【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 第 2 章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 本課題 所 研究的自動(dòng)火災(zāi)探測(cè)裝置主要分為三大部分，第一部分火災(zāi)初測(cè)，在最短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，并發(fā)出警報(bào)，第二部分是精確測(cè)量火災(zāi)的具體位置，確定火災(zāi)的真實(shí)性，第三部為滅火，在第二部 的基礎(chǔ)上進(jìn)行滅火，達(dá)到從發(fā)現(xiàn)火災(zāi)到消滅火災(zāi)的自動(dòng)化。 下面分別對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求、火災(zāi)傳感器的選型、信息傳輸模式及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行闡述 。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 系統(tǒng)功能要求 本系統(tǒng)的研制主要包括以下幾項(xiàng)功能： (1)火情探測(cè)功能為了擴(kuò)大火災(zāi)探測(cè)器的使用范圍，該系統(tǒng)火災(zāi)探測(cè)器的前置火災(zāi)傳感器設(shè)計(jì)為可以拆卸形式。針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境，用戶可以選用感溫傳感器、煙霧傳感器、光電傳感器 ，紫外線傳感器 等多種傳感器； (2)探測(cè)器編碼功能為了區(qū)分同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的不同探測(cè)器，利用寫碼器為安裝的每一個(gè)探測(cè)器寫入一個(gè)唯一的探頭碼 。另外，為了適應(yīng)不同的工作環(huán)境，可以為探測(cè)器選擇不同的高頻信道，該信道編碼也通過寫碼器寫入； (4)無線數(shù)據(jù)收發(fā)功能 ， 當(dāng)有火災(zāi)報(bào)警發(fā)生時(shí)，探測(cè) 器要啟動(dòng)無線數(shù)傳模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給有軌小車上的無線收發(fā)裝置，啟動(dòng)小車 及車上的探測(cè)裝置 對(duì)火災(zāi)進(jìn)行 分析 ； （ 5）當(dāng)確定火災(zāi)時(shí)能啟動(dòng)自動(dòng)滅火裝置進(jìn)行滅火。 系統(tǒng)技術(shù)要求 在了解了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的之后，我們就可以確定系統(tǒng)的技術(shù)要求。根據(jù)客戶的要求和系統(tǒng)的特點(diǎn)，總結(jié)系統(tǒng)的技術(shù)要求如下： (1)小體積探測(cè)器的體積要盡可能的小，這樣才能減少占用的空間，而且更便于安裝和更換； (2)低功耗系統(tǒng)采用三節(jié) 5 號(hào)干電池供電，電池電量有限，并且無線發(fā)射模塊消耗電能比較大。因此要求探測(cè)器的功耗要盡可能的低才能滿足長(zhǎng)時(shí)間工作的要求； (3)高可靠性為了保證系統(tǒng)能夠正常工作，并且盡可能減少誤報(bào)警，要求無線通信可靠。而系統(tǒng)工作環(huán)境可能會(huì)有不確定的電磁干擾，因此，系統(tǒng)要有一定的抗干擾性能。按照要求 位置火災(zāi)探測(cè)器 必須在火災(zāi)發(fā)生 10s 內(nèi)發(fā)出警 報(bào) 信號(hào)，所以系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性也有很高的要求； （ 4） 為 裝載火災(zāi)探測(cè)器及滅火裝置的小車 鋪設(shè) 軌 道以簡(jiǎn)化 操作。 火災(zāi)傳感器的選型 火災(zāi)探測(cè)的原理是探測(cè)物質(zhì)燃燒的過程中 所產(chǎn)生的各種物理和化學(xué)現(xiàn)象。目的是實(shí)現(xiàn)早期發(fā)現(xiàn)火情，物質(zhì)燃燒過程中產(chǎn)生的氣（燃燒氣體）、煙（煙霧粒子）、熱（溫度）、光（火焰）是表征火災(zāi)信號(hào)的物理化學(xué)參量，故也稱為火災(zāi)參量。因此，火災(zāi)探測(cè)器的基本煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 功能是：對(duì)火災(zāi)參量 —— 氣、煙、熱、光等做出有效響應(yīng)，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳送給火災(zāi)報(bào)警控制器，依據(jù)其探測(cè)的物理量不同，火災(zāi)探測(cè)器可分為 ： 感煙探測(cè)器 感煙探測(cè)器分離子感煙和光電感煙兩種：在多數(shù)使用場(chǎng)合下，感煙探測(cè)器可以使早期探測(cè)和最少誤報(bào)的綜合性能達(dá)到最佳。早期感煙探測(cè)器屬于離子室類型，擅于探測(cè)燃燒產(chǎn)生的微小粒 子，但是這種探測(cè)器容易因濕度、大氣壓、溫度和空氣流速的變化而誤報(bào)。離子感煙探測(cè)器內(nèi)部裝有電離室，電離室內(nèi)的放射源產(chǎn)生的粒子將空氣分子電離成正負(fù)離子。當(dāng)煙霧進(jìn)入電離室，由于煙霧顆粒的體積較大，會(huì)阻擋帶電離子的運(yùn)動(dòng)，從宏觀上表現(xiàn)為電離電流減小。探測(cè)到這種電離電流的變化，就相當(dāng)于探測(cè)到了火災(zāi)。如今，要獲得離子探測(cè)器生產(chǎn)許可變得越來越難，而且，關(guān)于放射性物質(zhì)運(yùn)輸?shù)姆ㄒ?guī)也是越來越嚴(yán)，這些因素加大了離子探測(cè)器的生產(chǎn)成本，使其價(jià)格愈加昂貴。同時(shí)，廢棄探測(cè)器的處理必須由生產(chǎn)商承擔(dān)，這就更進(jìn)一步加大了生產(chǎn)成本。在有些國(guó)家，離 子探測(cè)器被完全禁止，因此在最近 5年或更長(zhǎng)一段時(shí)間以來，這些國(guó)家的大型生產(chǎn)商根本不再生產(chǎn)新的離子探測(cè)器了。光電感煙探測(cè)器是通過探測(cè)火災(zāi)初期由于燃燒物陰燃時(shí)產(chǎn)生的煙霧來報(bào)警的，所以在大多數(shù)場(chǎng)合起到了預(yù)警的作用。光電感煙探測(cè)器是在 80 年代才發(fā)展起來的一種新型火災(zāi)探測(cè)器，由于它拋棄了放射源，全部由電子元件和光電元件組成。隨著電子技術(shù)特別是光電子技術(shù)的飛速發(fā)展，光電感煙探測(cè)器已經(jīng)具有了精度高、壽命長(zhǎng)、抗風(fēng)、抗潮和抗各種電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)，而且由于成本低，生產(chǎn)、安裝簡(jiǎn)單。因而成了國(guó)際上各消防電子企業(yè)和各國(guó)政府開發(fā)研究和推廣 使用的重點(diǎn)。國(guó)內(nèi)各廠家都在爭(zhēng)相開發(fā)研究。光電感煙探測(cè)器內(nèi)的光電室里安裝有紅外發(fā)射管和紅外接收管。紅外光傳感器固定在黑罩板內(nèi)，紅外發(fā)光二極管發(fā)射一束紅外光，當(dāng)無煙霧時(shí)，由于黑罩板的阻隔作用，這束紅外光線不能射到光電三極管上，當(dāng)有煙霧進(jìn)入探測(cè)器時(shí)，紅外光線遇到煙霧粒子，產(chǎn)生了光散射現(xiàn)象，散射的紅外光線被光電三極管接收，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)通過處理后輸出報(bào)警信號(hào)。其工作原理如圖 所示： 圖 物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的任何煙粒子都大于電離室內(nèi)的帶電離子，只要進(jìn)入電離室都能輸出報(bào)警信號(hào)。對(duì)于完全透明的 不可見煙，因不能散射光線，光電感煙探測(cè)器無法探測(cè)；而黑色煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 12 煙對(duì)光線有強(qiáng)烈的吸收、遮擋作用，對(duì)它也幾乎探測(cè)不到。因此對(duì)于陰燃產(chǎn)生大顆粒的白色煙霧，宜用光電感煙探測(cè)器來探測(cè)。 感溫探測(cè)器 對(duì)警戒范圍中火災(zāi)熱（溫度）參量，即環(huán)境氣流的異常高溫或升溫速度做出響應(yīng)的探測(cè)器。感溫火災(zāi)探測(cè)器的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電路少，與感煙探測(cè)器相比可靠性高、誤報(bào)率低，且可以做成密封結(jié)構(gòu)，防潮防火防腐蝕性好，可在惡劣環(huán)境（風(fēng)速大、多灰塵、潮濕等）使用。但是靈敏度低，報(bào)警時(shí)間遲。感溫式火災(zāi)探測(cè)器的響應(yīng)過程是環(huán)境氣溫溫度的升高使探測(cè) 器中的熱敏元器件發(fā)生物理變化經(jīng)機(jī)械電路處理后轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。由于熱敏元器件的種類較多，所以感溫火災(zāi)探測(cè)器的型式也較多。物質(zhì)在燃燒過程中環(huán)境溫度會(huì)升高，感溫探測(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?yōu)殡娦盘?hào)而報(bào)警。感溫探測(cè)器分為差溫和定溫兩種。定溫探測(cè)器對(duì)環(huán)境中的溫度值敏感，即當(dāng)溫度超過一定閥值后，開始報(bào)警。定溫探測(cè)器一般應(yīng)用在環(huán)境溫度變化較大的場(chǎng)所。差溫探測(cè)器適用于環(huán)境溫度較穩(wěn)定，并且一旦起火，又需做出迅速反應(yīng)的場(chǎng)所。 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。一般 紫外火焰探測(cè)器和快速滅火系統(tǒng)和抑爆系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，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)。 氣體探測(cè)器 氣體傳感器主要包括以下兩種： (1)點(diǎn)型氣體火災(zāi)探測(cè)器：對(duì)火災(zāi)早期階段，由于熱和氣化作用所產(chǎn)生的燃燒氣體做出響應(yīng)的探測(cè)器。燃燒氣體中一般包括的成分有：一氧化碳 (CO)、二氧化碳 (CO2)、氫氣(H2)、碳?xì)浠衔?(CXHY)、水蒸氣 (H2O)等。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。因此，利用氣敏元器發(fā)件實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒氣體的探測(cè)在理論上是可行的，而且早期報(bào)警的 效果比感煙探測(cè)器好。 (2)可燃?xì)怏w探測(cè)器：對(duì)煤氣、液化石油氣、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、汽油和氨等可燃?xì)怏w進(jìn)行漏監(jiān)測(cè)的探測(cè)器。用于預(yù)防潛在的爆炸或毒氣危害的工業(yè)場(chǎng)所（如：煉油廠、化學(xué)實(shí)驗(yàn)室或車間、溶劑倉(cāng)庫(kù)、過濾車間、氣壓機(jī)站、汽車庫(kù)、輸油輸氣管道等）以及民用建筑（煤氣管道、液化氣罐等）起到防爆、防火監(jiān)測(cè)環(huán)境污染作用。常用的型式有：催化型（如鉑絲催化型、鉑銠催化型）、氣敏半導(dǎo)體型、固體電介質(zhì)型、光電型等。 紫外火焰檢測(cè)器 常規(guī)的紫外火焰檢測(cè)器，直接檢測(cè)火焰中 180260nm 的紫外光譜，檢測(cè)的目標(biāo)也 十分明確。它由紫外光敏探頭和放大器組成，不足之處是 :靈敏度差 ,檢測(cè)距離小于 15m,不能抗雷電的干擾 ,存在一定的誤報(bào)率 ,因此只能用在距離較短的封閉環(huán)境 ,如加熱爐、工業(yè)鍋爐等地方。 ZJM6火 焰檢測(cè)器通過與性能優(yōu)越的紫外光敏管相配合，采用集成化模塊化設(shè)計(jì)，將電壓轉(zhuǎn)換電路、檢測(cè)電路、放大電路、信號(hào)處理電路和數(shù)字濾波技術(shù)相融合，改善了傳統(tǒng)光敏管紫外探測(cè)技術(shù)中存在的不足，具有靈敏度高，響應(yīng)速度快，探測(cè)距離遠(yuǎn)，可靠性煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 13 高，誤報(bào)率低，運(yùn)用范圍廣等特點(diǎn)。適用于燃燒監(jiān)控、火災(zāi)自報(bào)警、放電檢測(cè)、紫外線檢測(cè)、紫外線光電控制裝置、安 防監(jiān)控、森林防 火、軍事防范等方面。該產(chǎn)品已在工業(yè)加熱爐及戶外火災(zāi)消防中推廣使用 ,效果良好 ,具有廣泛的應(yīng)用前景。 在何場(chǎng)所選擇何種火災(zāi)探測(cè)器，取決于所保護(hù)對(duì)象的功能是什么，可燃物燃燒時(shí)的特點(diǎn)是什么，現(xiàn)場(chǎng)有何特殊情況。為了提高系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力，本系統(tǒng)中各個(gè)部分采用模塊化結(jié)構(gòu)，各部分之間相對(duì)保持獨(dú)立，通過預(yù)留的通訊接口進(jìn)行連接。根據(jù)環(huán)境的變化和用戶的不同需要可以為用戶更換不同類型的火災(zāi)傳感器。 綜上所述，在火災(zāi)初期 即位置火災(zāi)探測(cè)器的選型中我們首選點(diǎn)型氣體火災(zāi)探測(cè)器。而在進(jìn)一步的測(cè)量中即在小車上的探測(cè)器的選型我們 選擇光電感煙探測(cè)器，感溫探測(cè)器，氣體探測(cè)器 和紫外線火災(zāi)探測(cè)器 。 信息傳輸模式的研究 無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的信息傳輸模式基本類型有雙發(fā)型和單發(fā)型兩種 圖 雙發(fā)型 圖 單發(fā)型 根據(jù)本課題研究的實(shí)際情況，我們采用單發(fā)型即可，即 位置火災(zāi)探測(cè)器發(fā)現(xiàn)火災(zāi)后把信號(hào)傳向車載火災(zāi)探測(cè)器。 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 14 第 3 章 硬件設(shè)計(jì) 探測(cè)器的總體結(jié)構(gòu) 探測(cè)器結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示?；馂?zāi)信號(hào)探測(cè)部分分別由光電煙霧傳感器， CO 氣體傳感器 ， 溫度傳感器 和紫外線傳感器 構(gòu)成。 溫度傳感器采用 DALLAS 的 DS18B20； CO 氣體傳感器 采用 TGS 813型旁熱式 Sn02氣敏元件 ，煙霧傳感器采用 Optek公司的 OP231和 OP801SL作為光電發(fā)射管和接收管，使用 5V 的直流電壓供電。 紫外線傳感器采用 ZJM6 火焰檢測(cè)器 。 氣體傳感器 A/D 轉(zhuǎn)換器 看門狗 單片機(jī) 時(shí)鐘電路 無線收發(fā)裝置 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 15 圖 選取這 四 個(gè)傳感器作為探測(cè)部分，是因?yàn)檫@ 四 個(gè)信號(hào)是火災(zāi)發(fā)生時(shí)環(huán)境變化主要參數(shù)。用 光電 感煙 傳感器 來代替離子感煙傳感器，是由于離子感煙傳感器具有放射性元素，對(duì)人體是有害的， 但是光電 感煙 傳感器 往往會(huì)受到各種灰塵，水氣，油污等粒子的干擾。伴隨著煙霧的 產(chǎn)生會(huì)釋放出 CO 氣體，而 CO 氣體比空氣輕，擴(kuò)散性強(qiáng)，因此 CO 傳感器能在一定程度上克服上述干擾； 伴隨著起火的過程，周圍環(huán)境溫度會(huì)逐漸升高， 而紫外線探測(cè)器更加靈敏， 這 樣利用 四 個(gè)傳感器進(jìn)行同時(shí)探測(cè)可減少誤報(bào)和漏報(bào)的可能性。信號(hào)處理部分有模數(shù)轉(zhuǎn)換和智能處理兩部分組成。探測(cè)部分各自輸出信號(hào)經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后送入微處理器進(jìn)行智能化處理。最后由微處理器向后繼的執(zhí)行器（電動(dòng)機(jī)，滅火裝置）給出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)滅火，提高系統(tǒng)的可靠性。 探測(cè)器的電路設(shè)計(jì) 溫度傳感器 DS18B20 DS18B20 簡(jiǎn)介及性能 DS18B20 是美國(guó) DALLAS 半導(dǎo)體公司繼 DS18B20 之后最新推出的一種數(shù)字化單總線器件，屬于新一代適配微處理器的改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn) 9～ 12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式。煙霧傳感器 氣體傳感器 A/D 轉(zhuǎn)換器 溫度傳感器 單片機(jī) 時(shí)鐘電路 步進(jìn)電機(jī)及滅火裝置 看門狗 無線收發(fā)裝置 紫外線探測(cè)器 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 16 可以分別在 和 750ms 內(nèi)完成 9 位和 12 位的數(shù)字量，并且從 DS18B20 讀出的信息或?qū)懭?DS18B20 的信息僅需要一根口線 (單線接口 )讀寫，溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線 ，總線本身也可以向所掛接的 DS18B20 供電，而無需額外電源。因而使用 DS18B20 可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。同時(shí)其“一線總線”獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入了全新的概念。 DS18B20“一線總線”數(shù)字化溫度傳感器支持“一線總線”接口，測(cè)量溫度范圍為 55℃～ +125℃，在 10～ +85℃范圍內(nèi)，精度為 ℃。現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，用符號(hào)擴(kuò)展的 16 位數(shù)字量方式串行輸出，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。因此，數(shù)字化單總線器件 DS18B20 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)備或過程控制、測(cè)溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。它在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較 DS1820 都有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來了更方便和更令人滿意的效果?？蓮V泛用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的溫度測(cè)量及控制儀器、測(cè)控系統(tǒng)和大型設(shè)備中。 (1)采用 DALLAS 公司獨(dú)特的單線接口方式： DS18B20 與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。 (2)在使用中不需要任何外圍元件。 (3)可用數(shù)據(jù)線供電，供電電壓范圍： +～ + V 。 (4)測(cè)溫范圍： 55～ +125℃。固有測(cè)溫分辨率為 ℃。當(dāng)在 10℃～ +85℃范圍內(nèi)，可確保測(cè)量誤差不超過 ℃，在 55～ +125℃范圍內(nèi)，測(cè)量誤差也不超過 2℃。 (5)通過編程可實(shí)現(xiàn) 9～ 12位的數(shù)字讀數(shù)方式。 (6)用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值。 (7)支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。 (8)負(fù)壓特性，即具有電源反接保護(hù)電路。當(dāng)電源電壓的極性反接時(shí)，能保護(hù) DS18B20不會(huì)因發(fā)熱而燒毀。但此時(shí)芯片無法正常工作。 (9)DS18B20 的轉(zhuǎn)換速率比較高，進(jìn) 行 9位的溫度轉(zhuǎn)換僅需 。 (10)適配各種單片機(jī)或系統(tǒng)。 (11) 內(nèi)含