【文章內(nèi)容簡介】 27 附錄 A 外文資料 27 附錄 B 硬件原理圖 37 附錄 C 程序清單 38 石家莊鐵道大學四方學院畢業(yè)設計 0 第 1 章 緒 論 課題研究的要求以及目的意義 課題研究的要求 本文設計的系統(tǒng)是一款新型的電子紅外報警系統(tǒng)，本文的設計是將火焰?zhèn)鞲衅魈綔y與智能控制相結(jié)合，通過對指定地區(qū) 紅外的變化情況進行監(jiān)測，當出現(xiàn)異?，F(xiàn)象時進行報警，以便通知工作人員進行相應的處理，以防止火災對人員生命財產(chǎn)造成傷害。 這款電子紅外報警系統(tǒng)具有一下優(yōu)點：系統(tǒng)采用模塊化設計，前端傳感器系統(tǒng)能夠快速，準確的檢測到現(xiàn)場的異常狀況，進行準確可靠的報警，而且這款報警系統(tǒng)造價低廉，使用方便，智能化，適合室內(nèi)場所使用。 課題研究的目的意義 “火災 ”，是指在時間或空間上失去控制的燃燒所造成的災害。在各種災害中，火災是最經(jīng)常、最普遍地威脅公眾安全和社會發(fā)展的主要災害之一。人類能夠?qū)疬M行利用和控制，是文明進步的一 個重要標志?；穑o人類帶來文明進步、光明和溫暖。但是，失去控制的火，就會給人類造成巨大的災難。對于火災，在我國古代，人們就總結(jié)出 “防為上，救次之，戒為下 ”的經(jīng)驗。隨著社會的不斷發(fā)展，在社會財富日益增多的同時，導致發(fā)生火災的危險性也在增多， 火災的危害性也越來越大。據(jù)統(tǒng)計， 我國 70 年代火災年平均損失不到 億元， 80 年代火災年平均損失不到 億元。進入 90 年代， 特別是 1993 年以來，火災造成的直接財產(chǎn)損失上升到年均十幾億元，年均死亡數(shù)千人。 實踐證明，隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，消防工 作的重要性就越來越突出。由此，火災報警器在消防工作就的作用也尤為突出了。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國的火災自動報警控制系統(tǒng)經(jīng)歷了從無到有、從簡單到復雜的發(fā)展過程，其智能化程度也越來越高。但目前國內(nèi)外廠家多偏重用于大型倉庫、商場、高級寫字樓、賓館等場所大型火災報警系統(tǒng)的研發(fā)，他們采用集中區(qū)域報警控制方式，其系統(tǒng)復雜、 石家莊鐵道大學四方學院畢業(yè)設計 1 成本較高。而在居民住宅區(qū)、機房、辦公室等小型防火單位，需要設置一種單一或區(qū)域聯(lián)網(wǎng)、廉價實用的火災報警系統(tǒng)，因此，研制一種結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉的基于單片機與溫度控制傳感器、 火焰?zhèn)鞲衅骰ヂ?lián)的簡單實用小型火災報警系統(tǒng)是非常必要的。 國外研究現(xiàn)狀 二十世紀八十年代至九十年代，隨著經(jīng)濟建設和半導體、微電子、光電、計算機和信息等科學技術(shù)的迅速發(fā)展，國外火災自動報警技術(shù)以市場為導向，以應用高新技術(shù)為先導，以減少誤報率、提高可靠性、靈敏度和擴大探測范圍為根本目的，在開展基礎(chǔ)理論和應用技術(shù)研究、老產(chǎn)品技術(shù)改造、新產(chǎn)品開發(fā)、標準和規(guī)范制修訂、產(chǎn)品質(zhì)量認證和檢驗、系統(tǒng)設計安裝和維護、擴大應用范圍和提高應用效益等方面，都有了很大的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新產(chǎn)品、新技術(shù)，使火災自動探測報警系統(tǒng)從 火災探測、報警傳輸、信號處理、報警控制顯示到與其他系統(tǒng)聯(lián)動等一系列功能和可靠性大大提高、完善，大大減少誤報率，大大增強人們預防現(xiàn)代化各種火災的能力，為保衛(wèi)人類生命，財產(chǎn)防火安全發(fā)揮了重要作用，成為現(xiàn)代消防技術(shù)中的一種必不可少、具有廣闊發(fā)展前途的前沿消防領(lǐng)先技術(shù)和手段。 目前，國外普遍采用的火災自動報警技術(shù)，主要有兩種 ： 一種是非智能火災自動報警技術(shù)，包括嫁接新技術(shù)的老式或傳統(tǒng)火災自動報警技術(shù)，七十年代末出現(xiàn)的可尋址火災自動報警技術(shù)和八十年代初期出現(xiàn)的模擬量可尋址火災自動報警技術(shù)，這些技術(shù)盡管高技術(shù)含量少，但由 于成本低，能滿足眾多小型民用和商業(yè)防火保護需要，而被許多國家廣泛應用。另一種是代表現(xiàn)代化火災自動報警技術(shù)發(fā)展水平和發(fā)展趨勢的智能火災自動報警技術(shù)，包括從八十年代中期開始發(fā)到九十年代中期已發(fā)展成熟，并得到廣泛應用的采用具有人工智能理論和技術(shù)的高級算法軟件的智能集中型模擬量可尋址智能火災自動報警技術(shù)（既由智能控制器做報警決策的智能火災自動報警技術(shù)）和九十年代初期開發(fā)，并得到應用的采用人工智能理論和技術(shù)的高級算法軟件（主要指模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡軟件技術(shù)）的智能分布型智能火災自動報警技術(shù)（即由智能探測器做報警決策的智 能火災自動報警技術(shù)）。其中，智能集中型智能火災自動報警技術(shù)發(fā)展最快、應用最廣、現(xiàn)已成為智能火災自動報警技術(shù)中的一種主導技術(shù)，其中，由 50 只左右模擬量可尋址感煙探測器構(gòu)成的小型智能集中型智能火災自動探測系統(tǒng)發(fā)展最快、應用數(shù)量最多，不僅大大改進了小空間的防火安全，而且也推動了火災報警工業(yè)的發(fā)展。智能火災自動報警技術(shù)主要用于解決大、中型空間防火安全和多種系統(tǒng)的聯(lián)動問題。當前，智能火災自動報警技術(shù)發(fā)展的一個顯著特點和重要趨勢是模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡高級算法軟件人工智能理論和交互技術(shù)被越來越多的智能火災自動探測系統(tǒng)采用， 已成為智能火災自動報警技術(shù)中的前沿技術(shù)和核心技術(shù)。 石家莊鐵道大學四方學院畢業(yè)設計 2 論文研究內(nèi)容及創(chuàng)新點 主要研究內(nèi)容 本文以火焰?zhèn)鞲衅骱蛦纹瑱C技術(shù)為核心，與其它電子技術(shù)相結(jié)合，設計出了一款性能好且價格低廉的紅外火災報警器。其中選用火焰?zhèn)鞲衅鲗崿F(xiàn)紅外線檢測，具有靈敏性能高、反應快等優(yōu)點，而且價格低廉，通過 A/D 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，選用的 STC89C52 單片機，與 A/D 轉(zhuǎn)換相結(jié)合，具有高速、低耗等優(yōu)點。 以 STC89C52 單片機結(jié)合火焰?zhèn)鞲衅鳛楹诵牡幕馂膱缶骺蓪崿F(xiàn)根據(jù)紅外線強弱報警、紅外線強弱顯示、 報警數(shù)據(jù)界限等功能。是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便、價格低廉、智能化的火災報警器，這款火災報警器具有一定使用價值。 主要創(chuàng)新點 本文設計的紅外報警系統(tǒng)主要創(chuàng)新點在于是面對廣大普通用戶，其價格低廉，操作簡單，采用火焰?zhèn)鞲衅魅z測外界紅外的變化，通過單片機 STC89C52 去進行簡單的處理，以達到報警效果，并能夠設定數(shù)據(jù)報警界限，用戶更能夠在本設計的原有基礎(chǔ)上，進行簡單的器材添加，做成多效果，多層次的火災報警器。 第 2 章 火災報警器的方案設計 石家莊鐵道大學四方學院畢業(yè)設計 3 火災報警器的設計思路 紅外火災報警器是能夠檢測環(huán)境中的紅外線變化，并具有報警功能的儀器，儀器的最基本組成部分應包括 :紅外信號采集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機控制電路。 紅外信號采集電路一般由火焰?zhèn)鞲衅鲗⒓t外信號轉(zhuǎn)化為模擬的電信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將從紅外信號采集電路送出的模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機可識別的數(shù)字信號后送入單片機。單片機對該數(shù)字信號進行處理，并對處理后的數(shù)據(jù)進行分析，是否小于或等于某個預定值 (也就是報警界限 )，如果小于則啟動報警電路發(fā)出報警聲音，反之則為正常狀態(tài)。 為了方便檢測與監(jiān)控，使儀器測試人員及用戶能夠直觀地觀察到環(huán)境中的 紅外光值，可將紅外光值送到顯示屏中。方便調(diào)節(jié)報警界限，加入了按鍵功能。為使報警裝置更加完善，在聲音報警的同時加入了光閃報警，變化的光信號可以引起用戶注意，彌補嘈雜環(huán)境中聲音報警的局限。 以上是根據(jù)報警器應具備的功能，提出的整體設計思路。 火焰?zhèn)鞲衅骷皢纹瑱C是紅外光檢測報警器的兩大核心，根據(jù)報警器功能的需要，選擇合適、精確、經(jīng)濟的火焰?zhèn)鞲衅骷皢纹瑱C芯片是至關(guān)重要的。火焰?zhèn)鞲衅鞯倪x型在下一節(jié)詳細介紹。單片機作為硬件電路的核心，它的選型將在第 3 章詳細介紹。 火焰?zhèn)鞲衅鬟x定方案 火焰?zhèn)鞲衅骱喗? 原理介紹：遠紅外火焰?zhèn)鞲衅髂軌蛱綔y到波長在 700 納米～ 1000 納米范圍內(nèi)的紅外光，探測角度為 60，其中紅外光波長在 880 納米附近時，其靈敏度達到最大。遠紅外火焰探頭將外界紅外光的強弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，通過 A/D 轉(zhuǎn)換器反映為 0～ 255 范圍內(nèi)數(shù)值的變化。外界紅外光越強，數(shù)值越?。患t外光越弱，數(shù)值越大。 功能用途：遠紅外火焰?zhèn)鞲衅骺梢杂脕硖綔y火源或其它一些波長在 700 納米～1000 納米范圍內(nèi)的熱源。在機器人比賽中，遠紅外火焰探頭起著非常重要的作用，它可以用作機器人的眼睛來尋找火源或足球。利用它可以制作滅火機器 人、足球機器人等。 選用火焰?zhèn)鞲衅鞯脑? 火焰是由各種燃燒生成物、中間物、高溫氣體、碳氫物質(zhì)以及無機物質(zhì)為主體的高溫固體微粒構(gòu)成的。火焰的熱輻射具有離散光譜的氣體輻射和連續(xù)光譜的固體輻射。不同燃燒物的火焰輻射強度、波長分布有所差異，但總體來說，其對應火焰溫度 石家莊鐵道大學四方學院畢業(yè)設計 4 的 1～ 2μm 近紅外波長區(qū)域具有最大的輻射強度。例如汽油燃燒時的火焰輻射強度的波長 。 發(fā)生火災的過程中必定有火焰的出現(xiàn)，那么我們利用火焰的這個特性制作一款簡單的火災報警器，其原理簡單，效果明顯。 火焰?zhèn)鞲衅鞯姆诸? 火焰發(fā)射出的光是一 種電磁波，其波長在 ～ 10μm 或更寬的范圍內(nèi)。人眼能感覺到的電磁波波長為 ～ ，范圍非常窄。火焰?zhèn)鞲衅骶褪抢么嗽?，檢測 以下的紫外線和 以上的紅外線。實用化的火焰?zhèn)鞲衅鞣诸惾缦拢? (1)紫外線檢出型輻射式傳感器 (受光元件是利用 UV(紫外線 )透鏡 GM(光敏 )光電效應放電管，對波長 ～ 火焰輻射光進行感受。放電管加上 200～ 300V的電壓，對光電效應 (photoelectric effect)產(chǎn)生的脈沖電壓進行計數(shù)，啟動開關(guān)電路。 由于太陽光的 波長是 以上，所以該傳感器可用在石化工業(yè)露天監(jiān)測場合。這種傳感器的感受波長與熒光燈、水銀燈、白熾燈等照明光波波長也不相同，故誤動作很少。 紫外線波長短，容易衰減，塵埃附著會使檢測器靈敏度下降，在室外使用時必須勤于維護，經(jīng)常清掃和檢查。 (2)二氧化碳共鳴輻射檢出型傳感器 (CO2 resonated cheeked out radiation flame transducer)二氧化碳加熱，在 特征峰值時產(chǎn)生共鳴。按該輻射原理檢出的火焰?zhèn)鞲衅骷捶Q二氧化碳共鳴輻射檢出型傳感器?？扇嘉锏娜紵裏崾?燃燒生成的二氧化碳氣體受熱，即產(chǎn)生其特有的共鳴輻射光譜。利用有高敏感度光導元件（硒化鉛）作為感受元件，采用濾光片 (～ )可檢出共鳴輻射光譜。 波長 的二氧化碳特征輻射光譜存在于有火焰的情況下。因此，自然光、人工光源幾乎不干擾這個信號。該種檢測器可以用于室內(nèi)、室外任何防燃、防爆場合。 (3)紅外線檢出型輻射式傳感器 (fixed radiation flame transducer by infrared rays cheek out type)火焰輻射的 ，由硅光電二 極管和光敏晶體管等檢測。它是采用 以下的紅外濾光片濾去干擾波長以防止錯誤動作而檢測定輻射波長的傳感器。 這種檢測器由于跟太陽光的波長分布相近，所以不適用于室外場合監(jiān)測。 (4)二波長檢出型閃爍式傳感器 (dual wavelength checked out flashing type transducer)火焰溫度大約為 1100～ 1600K(827～ 1327℃ )。太陽光和照明光溫度比火焰溫度高 (白熾燈大約為 2800K)，因而火焰光是紅外區(qū)長波長段，自然光和照明光是光譜中紅外區(qū)域短波長段。根據(jù)檢出這 兩種波長的差來判斷其屬于哪一段的原理制成的 石家莊鐵道大學四方學院畢業(yè)設計 5 傳感器就是二波長檢出型傳感器。 (5) 單波長檢出型閃爍傳感器 (single wavelength cheeked out flashing type transducer)主要用于空氣輸送管道內(nèi)。與空氣同時被輸送的可燃性物質(zhì)，因高速移動中產(chǎn)生靜電造成過熱等原因會發(fā)生短時間內(nèi)閃爍火花。單波長檢出型閃爍傳感器是見火即檢測、要求響應速度很快的一種傳感器。檢出火災危險的同時也要求迅速采取消防措施，以防止重大火災事故的發(fā)生 [1]。 火焰?zhèn)鞲衅鞯倪x定 此次設計由于 自身條件的限制以及畢業(yè)設計要求的規(guī)定，我們決定選用紅外線檢出型輻射式傳感器 (fixed radiation flame transducer by infrared rays cheek out type)，這款火焰?zhèn)鞲衅魍耆珴M足了我們畢業(yè)設計的需求，而且價格便宜，適合作為面對廣大群眾的產(chǎn)品開發(fā)。 火災報警器的整體設計方案 紅外火災報警器的工作原理 本文中紅外火災報警器采用 STC89C52 單片機為控制核心，采用火焰?zhèn)鞲衅鳛樾畔⒉杉瘋鞲衅鳌? 首先，火焰?zhèn)鞲衅鱾鱽淼募t外線強弱程度對應的微小電 壓信號（模擬數(shù)據(jù)），傳送到 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng) A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的程序計算，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，傳送到 STC89C52 單片機，經(jīng)燒拷在單片機里的算法程序運行之后，由單片機輸出口傳送到數(shù)碼管，顯示數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)在由單片機 STC89C52 判斷是否達到我們設定的數(shù)據(jù)界限，如果達到，那么我們設定好的 LED 燈就會閃爍，同時向蜂鳴器發(fā)送一個 +5V 電壓，蜂鳴器就會發(fā)出聲音。與此同時，我們可以通過鍵盤發(fā)出信號，選擇我們在STC89C52 單片機中已經(jīng)燒拷的程序執(zhí)行 “選擇數(shù)據(jù)界限 ”，以達到控制報警界限的目的。在這個電路中，我們所使 用的都是 +5V 直流電壓。 紅外火災報警器的結(jié)構(gòu) 為適應家庭和一些公共場所對人身以及財產(chǎn)安全的防護要求，設計的紅外火災報警器應不僅能在光亮環(huán)境下起作用，而且應具有顯示紅外線強度功能及實時控制等功能。我們的主要思想是在傳統(tǒng)的火災報警器的基礎(chǔ)上，盡量提高準確性，降低成本，縮小體積。 下圖是我們所設計的火災報警器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，以單片機 STC89C52 為核心，結(jié) 石家莊鐵道大學四方學院畢業(yè)設計 6 合外圍電子設備，共同完成信息采集、數(shù)模轉(zhuǎn)換、信息顯示、聲音及閃爍報警、按鍵輸入等功能。系統(tǒng)采用單片機 STC89C52，要求工作穩(wěn)定、測量精度高、保 證報警器的精確性及可靠性，而且最好體積小，成本低，有利于減少報警器的體積，降低報警器的成本。 圖 21 紅外火災報警器的結(jié)構(gòu) 紅外火災報警器的功能 (1).與上位機通訊功能 可以實現(xiàn)與計算機串口通訊，對報警器采取統(tǒng)一控制，以及便于采集和處理 數(shù)據(jù)，也可以在計算機上更改報警限值等。 （ 2）紅外數(shù)據(jù)顯示功能 通過數(shù)碼管可以顯示紅外線強度值，而且可以顯示設置狀態(tài)，顯示通過鍵盤設置的報警界限數(shù)值，這個設計有利于用戶觀察和設置報警器的狀態(tài)，以為了解外界環(huán)境的狀態(tài)。 （ 3）蜂鳴器報警功能 這 款火災報警器，當外界紅外線強度超出預設數(shù)值時，蜂鳴器開始報警，而且聲音較為急促，可以更好的引起用戶的注意。我們的設計沒有添加自動回復功能，其目的是為了防止用戶麻痹大意之下沒有注意聲音報警，防止災害的發(fā)生。 （ 4）閃光報警功能 在這款紅外火災報警器中，我們設定了一個 LED 燈為光閃爍報警。在嘈雜的環(huán)境中，聲音報警不容易引起用戶的注意，但是當我們看見一盞很明顯的燈在閃爍時就蜂鳴器報警 火焰?zhèn)鞲衅? A/D 轉(zhuǎn)換模塊 光報警 數(shù)碼管顯示 鍵盤輸入 STC89C52單片機