【文章內容簡介】 AD 轉換器、LED 等主要器件。設計電源模塊為系統(tǒng)提供電源。完成信號采集、信號處理、數(shù)據(jù)分析、聲光報警模塊。學習使用 Protel DXP 2022 完成硬件電路。完成系統(tǒng)軟件算法流程設計。燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）8第 2 章 火災報警系統(tǒng)整體方案設計 引言火災報警系統(tǒng)，一般由火災檢測傳感器、顯示器、報警器和控制器等組成。其中火災檢測傳感器是檢測火災是否發(fā)生的專門儀器，可根據(jù)建筑物或實地場所的要求，安裝不同類型的火災檢測傳感器?；馂臋z測傳感器[5,11]主要分為感煙探測器、感溫探測器、光輻射探測器和復合型探測器四大類，其中光電感煙探測器穩(wěn)定性能較好，誤報率低，壽命長等優(yōu)點，在火災報警系統(tǒng)中被廣泛使用。使用火災報警產(chǎn)品的目的就是及早報告火災的發(fā)生，從而迅速有效的控制火災，把損失降到最低。而目前使用的火災報警產(chǎn)品存在以下主要問題 [10,17]：(1) 報警系統(tǒng)的維護保養(yǎng)和持續(xù)性的技術支持是目前最嚴重的問題，比例分別為 31％和 27％ [18]。而造成上述問題的罪魁禍首就是由于缺乏規(guī)范、統(tǒng)一的通訊標準。(2) 報警系統(tǒng)誤報、漏報現(xiàn)象也是目前火災報警行業(yè)主要存在的問題，自從火災探測器問世以來，長期困擾產(chǎn)業(yè)界的就是上述兩種現(xiàn)象。環(huán)境中各種因素，如：靜電、灰塵顆粒、氣流、殺蟲劑、磁場、氣溫劇烈變化、水蒸氣等都會與火災發(fā)生時的狀況接近，從而使報警設備發(fā)生誤判而報警。針對以上這些問題，能夠對火情做出快速、精確探測和有效控制是目前急需解決的問題，所以本課題的目標是：設計一套簡單實用、抗干擾能力強、性價比高的火災報警系統(tǒng)。 總體方案設計由以上的分析，本系統(tǒng)的硬件設計框圖如圖 21 所示，該系統(tǒng)工作中傳感器的探頭將探測的物理信號轉換為電壓信號，經(jīng)信號放大電路處理后送入單片機，單片機對該信號進行判斷，如果該值超出安全范轉，單片機就會立即輸出報警信號。顯示電路能夠準確的顯示出火災險情的具體地點，第 2 章 火災報警系統(tǒng)整體方案設計9報警電路對工作人員起到警示的作用，從而及時的警示工作人員做出相應的處理。傳感器放大電路A/D轉換單片機狀態(tài)指示燈聲光報警按鍵串口通信圖 21 系統(tǒng)原理及組成框圖 器件選型 控制芯片的選型本設計的控制芯片使用的是 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51，AT89C51是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM）和 128 字節(jié)的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機 [5,15]。AT89C51 是一個低功耗高性能單片機，片內置通用 8 位中央處理器（CPU）和 Flash 存儲單元，可靈活應用于各種控制領域。 40個引腳，32 個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含 2 個外中斷口，2 個 16 位可編程定時計數(shù)器，2 個全雙工串行通信口。AT89C51 的引腳圖如圖 22 示，芯片可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程，其將通用的微處理器和 Flash 存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的 Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本 [1,16]。單片機是煙霧檢測報警器的核心部件，一方面它要接收來自傳感器的煙霧濃度的模擬信號和故障檢測信號，另一方面要對兩種信號分別進行處理，控制后續(xù)電路的相應工作；同時，查詢是否有鍵按下的命令。在單片燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）10機實現(xiàn)的功能中，將模數(shù)轉換后的信號做數(shù)字濾波，再進行線性化處理，這一過程的軟件實現(xiàn)，需要單片機有較 快的運算速度，使儀表監(jiān)測人員能夠觀測到實時的煙霧濃度，并進行相應處理。同時，在能夠滿足報警器設計的計算速度及接口數(shù)的要求的同類型單片機中，要考慮選擇價格低廉且體積輕巧的機型，在保證了報警器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎上，能夠不提高成本，縮小體積。如今市面上比較普遍的單片機有 51 系列與STC 系列。STC 系列雖然功耗低，精簡指令集，抗干擾性好，可靠性高，但是存在溢出隱患問題，而且更適用于工業(yè)用途；AT89C51 單片機應用普遍，工具多，易上手，片源廣，價格低，且適合民用、商用。用途更廣泛。綜合以上觀點，本論文選定 AT89C51 作為本系統(tǒng)的核心。圖 22 AT89C51 芯片的引腳圖AT89C51 管腳作用 [1,9]P0 口：P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在 FIASH 編程時，P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時，P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。P1 口：P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的第 2 章 火災報警系統(tǒng)整體方案設計11緣故。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。P2 口：P2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口：P3 口管腳是 8 個帶內部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4個 TTL 門電流。當 P3 口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ILL ）這是由于上拉的緣故。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時當 8051 通電，時鐘電路開始工作，在 RESET 引腳上出現(xiàn) 24 個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復位。初始化后，程序計數(shù)器 PC 指向 0000H，P0P3 輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入 07H，其它專用寄存器被清“0” 。RESET 由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從 0000H 地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復位不改變 RAM（包括工作寄存器 R0R7）的狀態(tài)。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）12每個機器周期兩次 PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 PSEN 信號將不出現(xiàn)。 EA/VPP：當 EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000HFFFFH） ，不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式 1 時，EA 將內部鎖定為 RESET；當 EA 端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在 FLASH編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（VPP） 。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。振蕩器特性：XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2 應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。芯片擦除：整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51 設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU 停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM 的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。 火災檢測傳感器的選擇及原理 光電感煙傳感器對各類火災檢測傳感器進行比較后，根據(jù)設計本系統(tǒng)的實際情況出發(fā)，系統(tǒng)采用光電感煙傳感器。光電感煙傳感器是一種室內安裝的探測器，可以探測可見和不可見的煙霧，具有對火災進行早期預報功能 [3]。在火災發(fā)生初期，當進入光電感煙探頭中采樣室的煙濃度超過由參考室的門限值時，光電感煙探頭底座上的指示燈將點亮，同時送出報警電壓信號。在輸入回第 2 章 火災報警系統(tǒng)整體方案設計13路中，光電感煙探測器內的接口電路十分關鍵。通過探測器接口電路可以將探頭報警電壓信號轉變?yōu)椴煌l率的電信號傳送到控制器，由控制器判別處理，確定火災位置報警 [19]。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）轉化成電壓或者電流信號 [2,5,11]，通過 A/D 轉換電路將模擬量轉換成數(shù)字量后送到單片機，進而由單片機完成數(shù)據(jù)處理、濃度處理及報警控制等工作。傳感器作為煙霧檢測報警器的信號采集部分，是檢測電路的核心組成部分之一。由此可見，傳感器的選型是非常重要的。在火災發(fā)生前往往伴隨著煙霧的產(chǎn)生，因此，我們就需要選擇一種能夠及時檢測空氣中煙霧含量的傳感器來進行火災發(fā)生的預警。根據(jù)設計要求和查閱相關資料，煙霧傳感器選擇為光電感煙傳感器，如圖 23 常用光電傳感器的示例。 圖 23 常用光電傳感器 光電感煙原理光電感煙探測器也是點型探測器，點型光電感煙探測器是利用煙粒子散射和吸收光原理工作的，主要有兩種形式：散射光型光電感煙探測器和減光型光電感煙探測器的 [5,13]。氣溶膠粒子與光相互作用時，能發(fā)生兩種不同的衰減過程：吸收和散射。散射是粒子以同樣的波長再輻射已接收的光能，再輻射可在所有的方向上發(fā)生，但在不同方向上其強度通常不同。吸收是粒子將接收的光能轉變其他形式的能，如化學能、熱能。散射光型光電感煙探測器基本光路示意圖如圖24示光源光軸和光電接燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）14收器成特定角度，在無煙粒子時光電接受器件接受不到光源發(fā)出的光；煙粒子進入探測室（光學暗室、迷宮）后，探測器光源發(fā)出的光線接受到煙的散射，在一定角度內 光電接收器件才能接收散射光，產(chǎn)生有用電信號。物質燃燒會產(chǎn)生煙霧和有害氣體。在陰燃階段會產(chǎn)生大量的煙霧顆粒和一氧化碳等大量有害氣體。煙霧顆粒的大小（以直徑計）一般在～9181。m 之間。這些煙霧顆粒分布界面極大，性質也不穩(wěn)定，容易使光產(chǎn)生散射。當煙塵顆粒直徑在0. 5～1181。m 之間時，散射符合湯姆森散射 [4,5]。根據(jù)瑞利散射理論，空氣中的煙霧顆?？梢越瓶闯梢粋€微小的圓球，這時的瑞利比( 散射能力) 為 [12,17]： (21))(()(202UKVRssph?????式中： 為散射函數(shù)； ；o3)(2UCSins??? 24???SinR?為圓球半徑； 為散射角； 為圓球的體積；K 為散射測量SR為 波 長 ；?sph中的物理常數(shù)； 為反差因子。s?0由上式可以看到散射能力與圓球體積平方成正比，因此從這方面來說，煙霧較大的顆粒比較小的顆粒散射能力要大得多。然而必須注意散射能力也依賴散射函數(shù) 。同時上式還與 和 有關，因而當球（煙霧顆粒）)(2Us??SR? 較大而 較大時，隨著散射角 的增大，函數(shù) 下降較大；球小時，?sR?)(2Us?情況就相反。這就說明太大的顆粒散射能力也不強。我們將煙霧顆粒使光產(chǎn)生散射的性質制成優(yōu)良的煙霧傳感器。對火災初期形成的煙霧進行可靠的探測，可以用紅外光作為散射光源。如圖24 所示在一個不受外界光線影響，但煙霧可以進出的光敏室中裝有紅外發(fā)光元件（光源）和紅外受光元件（光敏器件）。在兩者之間加上遮光部件，且之間形成角度以避免受光元件直接接收發(fā)光元件發(fā)出的光線。用砷化鎵（GaAs ）紅外二極管作為發(fā)光元件。選擇光譜范圍在0. 54～0. 95181。m之間。光敏管采用硅（Si）光電池。接受光譜取在 0. 5～1. 2181。m 之間。根據(jù)瑞利散射學說當煙霧顆粒直徑小于光源波長時。散射光強同波長的四次方成反比。當光敏室無煙霧顆粒時散光極微弱。當火災陰燃階段，煙霧顆粒進入光敏室，紅外光源（發(fā)光元件）發(fā)射的在煙霧顆粒上產(chǎn)生散射。第 2 章 火災報警系統(tǒng)整體方案設計15光敏二極管（受光元件）發(fā)生阻抗變化產(chǎn)生光電流。當無煙霧顆粒進入光敏室時，受光元件不產(chǎn)生光電流，這就實現(xiàn)了將煙霧信號轉變?yōu)殡娦盘柕奈锢砘A [12]。