【文章內(nèi)容簡介】 火災(zāi)的哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 一項(xiàng)基礎(chǔ)工作，應(yīng)用范圍廣泛。報(bào)警早，損失少，不僅對(duì)發(fā)生火災(zāi)的單位和個(gè)人具有重要作用，而且對(duì)公安消防監(jiān)督機(jī)構(gòu)及時(shí)撲滅火災(zāi)、減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失同樣具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)由觸發(fā)器件、火災(zāi)報(bào)警裝置、火災(zāi)警報(bào)裝置及具有其他輔助功能的裝置組成。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、形式越來越靈活多樣，很難精確劃分為幾種固定的模式?；馂?zāi)自動(dòng)報(bào)警技術(shù)趨向于智能化系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可組合成任何形式的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警網(wǎng)絡(luò)形式，既可以是區(qū)域報(bào)警系統(tǒng)，又可以是集中報(bào)警系統(tǒng)或控 制中心報(bào)警系統(tǒng)形式。 所謂智能火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)是：使用探測器件 [9]將火災(zāi)發(fā)生期間所產(chǎn)生的煙、溫等信號(hào)以模擬量形式，連同外界相關(guān)的環(huán)境參數(shù)一起傳送給報(bào)警器，報(bào)警器再根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)及內(nèi)部存儲(chǔ)的大量數(shù)據(jù)，利用火災(zāi)模型判據(jù)來判斷火災(zāi)是否存在，這樣的系統(tǒng)稱為智能火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。從傳統(tǒng)型走向智能型，是國內(nèi)外火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。智能型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)是一個(gè)集信號(hào)檢測、傳輸、處理和控制于一體的控制系統(tǒng)，代表了當(dāng)前火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的發(fā)展方向。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)的迅速增長，市場上迫切需要一種 容量大、性能優(yōu)越、可靠性高、便于安裝、使用和維護(hù)的智能型火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)。在本次設(shè)計(jì)中采用了感煙效果好、靈敏度高的 MQ2 煙霧傳感器和DS18B20 數(shù)字溫度傳感器來完成設(shè)計(jì)要求。 智能火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)： ，智能系統(tǒng)采用了設(shè)有專用芯片的模擬量探測器，對(duì)煙霧和灰塵等影響實(shí)施自動(dòng)補(bǔ)償，同時(shí)有數(shù)字量的探測器，直接將采集的信號(hào)信息送入控制器進(jìn)行自動(dòng)處理，從而為實(shí)現(xiàn)各種智能特性、解決無災(zāi)誤報(bào)和準(zhǔn)確報(bào)警奠定了技術(shù)基礎(chǔ)； ，解決了對(duì)不同工 程的適應(yīng)性，又提高了運(yùn)行的可靠性； ，既完成了總線報(bào)警，又實(shí)現(xiàn)了總線聯(lián)動(dòng)控制，徹底避免了控制輸出與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的長距離穿線布管，大大方便了系統(tǒng)布線設(shè)計(jì)和現(xiàn)場施工。 ，可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)更多的功能。 課題研究的意義 隨著生產(chǎn)和生活的迅猛發(fā)展，消防安全顯得越來越重要。本文就智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中探測器的選型及單片機(jī)聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)方案的合理選擇等問題，結(jié)合在實(shí)際工程中的應(yīng)用，作初步探討，供參考。伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)必將得到更快的發(fā)展。智 能火災(zāi)報(bào)警控制器是一種能向火災(zāi)探測器供電、接收、顯示和傳遞火災(zāi)報(bào)警等信號(hào)的報(bào)警裝置，它是智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的重要組成部分。在智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中，火災(zāi)探測器隨時(shí)監(jiān)視著周圍環(huán)境的情況，是系統(tǒng)的“感覺器官”?；馂?zāi)報(bào)警控制器則是該系統(tǒng)的“軀體”，“大腦”，是系統(tǒng)的核心?；馂?zāi)報(bào)警控制器擔(dān)負(fù)著為火災(zāi)探測器提供穩(wěn)定的工作電源 。監(jiān)視探測器及系統(tǒng)自身的工作狀態(tài) :接受、轉(zhuǎn)換、處理火災(zāi)探測器輸出的報(bào)警信號(hào) :進(jìn)行聲光報(bào)警；同時(shí)執(zhí)行相應(yīng)輔助控制等任務(wù)。 本 章小結(jié) 傳感器技術(shù)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，因其具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)、成本低 等特點(diǎn)正在向各個(gè)領(lǐng)域滲透，而單片機(jī)的應(yīng)用正在隨著計(jì)算機(jī)在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的滲透不斷地走向深入，將單片機(jī)與傳感器技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來，既方便了人們的日常生活，又推動(dòng)了科學(xué)的哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 3 發(fā)展。如今，將單片機(jī)技術(shù)恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用在傳感器技術(shù)中，是技術(shù)進(jìn)步的必然結(jié)果。 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 第 2 章 方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的主要功能及原理 目的和要求 本次設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一種分布式智能火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件的組成和實(shí)現(xiàn)。實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確報(bào)警和可靠的聯(lián)動(dòng)控制，使系統(tǒng)可靠性高、靈活性強(qiáng)、人機(jī)界面友好。設(shè)計(jì)成果能對(duì)室內(nèi)煙霧 (CO2， CO[10]，甲 烷等 )及溫度突變進(jìn)行報(bào)警，煙霧和溫度同時(shí)出現(xiàn)異常，則說明有火災(zāi)，發(fā)出火災(zāi)警報(bào)。通過設(shè)計(jì)熟悉 51 單片機(jī)的使用方法、 ADC0809和 DS18B MQ2 傳感器 [11]等芯片的工作原理及其使用，并通過 Keil[12]編程往單片機(jī)上下載程序，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)外接在單片機(jī)上的電路控制報(bào)警系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，達(dá)到預(yù)期效果。在智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)設(shè)計(jì)要求編寫程序，繪制 Protel[13]原理圖來達(dá)到設(shè)計(jì)的最優(yōu)化和理想化、實(shí)用化。 系統(tǒng)的工作原理 本文的智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng) [14]的工作，首先，通過數(shù) 據(jù)采集模塊的 MQ2 煙霧傳感器采集周圍環(huán)境的煙霧濃度，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換送到單片機(jī)控制中心進(jìn)行處理；同時(shí)由 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器采集周圍環(huán)境中的溫度，經(jīng)過信息處理，轉(zhuǎn)化為 C51[15]單片機(jī)能夠處理的數(shù)字量。在 STC89C5RC 單片機(jī)中，采集并經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)要與系統(tǒng)所規(guī)定的相關(guān)上限值進(jìn)行比較（上限值是保證系統(tǒng)正常工作同時(shí)周圍環(huán)境處于良好狀態(tài)時(shí)的上限），如果超過了上限值，則說明周圍環(huán)境異常，要報(bào)警，以便人們的正常生活和工作。把信息綜合處理，根據(jù)實(shí)際的需要以及現(xiàn)場的環(huán)境，來發(fā)現(xiàn)和識(shí)別警報(bào)，構(gòu)成智能化的監(jiān)控系統(tǒng)， 提高了系統(tǒng)工作的可靠性。 圖 模塊框圖 系統(tǒng)芯片的選擇 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)是本方案的靈魂，所以我們選擇是需要慎之又慎，下面我們來拿 8031 和STC89C5RC 做一下比較。 8031 片內(nèi)不帶程序存儲(chǔ)器 ROM，使用時(shí)用戶需外接程序存儲(chǔ)器和一片邏輯電路 373，外接的程序存儲(chǔ)器多為 EPROM 的 2764 系列。用戶若想對(duì)寫入到 EPROM 中的程序進(jìn)行修改，必須先用一種特殊的紫外線燈將其照射擦除，之后再可寫入。寫入到外接程序存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)采集模塊 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 單片機(jī)主控 處理模塊 報(bào)警電路模塊 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 5 的程序代碼沒有什么保密性可言。 由于上述類型的單片機(jī)應(yīng)用 的早，影響很大，已成為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。后來很多芯片廠商以各種方式與 Intel公司合作，也推出了同類型的單片機(jī)，如同一種單片機(jī)的多個(gè)版本一樣，雖都在不斷的改變制造工藝，但內(nèi)核卻一樣，也就是說這類單片機(jī)指令系統(tǒng)完全兼容，絕大多數(shù)管腳也兼容；在使用上基本可以直接互換。我們統(tǒng)稱這些與 8051 內(nèi)核相同的單片機(jī)為 51 系列單片機(jī)。 在眾多的 51 系列單片機(jī)中，要算 ATMEL 公司的 STC89C5RC 更實(shí)用，因他不但和8051 指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的 4K 程序存儲(chǔ)器是 FLASH 工藝的，這種工藝的存儲(chǔ)器用戶可以用電的 方式瞬間擦除、改寫，一般專為 ATMEL AT89Cx 做的編程器均帶有這些功能。顯而易見，這種單片機(jī)對(duì)開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時(shí)間也大大縮短。寫入單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn)行加密，這又很好地保護(hù)了你的勞動(dòng)成果。而且 STC89C5RC 目前的售價(jià)比 8031 還低，市場供應(yīng)也很充足。 單對(duì) STC89C5RC 來說，在實(shí)際電路中可以直接互換 8051 和 8751，替換 8031 只是第31 腳有區(qū)別， 8031 因內(nèi)部沒有 ROM， 31 腳需接地，單片機(jī)在啟動(dòng)后就到外面程序存儲(chǔ)器讀取指令；而 8051/8751/89c51 因內(nèi)部有程序存儲(chǔ)器 ， 31 腳接高電平，單片機(jī)啟動(dòng)后直接在內(nèi)部讀取指令。也就是 51 芯片的 31 腳控制著單片機(jī)程序從內(nèi)部讀取還是從外部讀取，31 腳接電源，程序從內(nèi)部讀取， 31 腳接地，程序從外部讀取，其他無須改動(dòng)。另外，STC89C5RC 替換 8031 后因不用外存儲(chǔ)器，不必安裝原電路的外存儲(chǔ)器和 373 芯片。 由于內(nèi)部 RAM 的存在，可以減少 I/O 擴(kuò)展芯片、鎖存器及片外 RAM 等等，使整個(gè)設(shè)計(jì)顯得簡單明了，所以我們選擇 STC89C5RC。 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器的種類很多，就位數(shù)來分，有 8 位、 10 位、 12 位、 16 位等。 位數(shù)越高，其分辨率也越高，但價(jià)格也越貴。而就其結(jié)構(gòu)而言，有單一的 A/D 轉(zhuǎn)換器，有內(nèi)含多路開關(guān)的 A/D 轉(zhuǎn)換器。根據(jù)本設(shè)計(jì)的需要，我選擇的 A/D 轉(zhuǎn)換器是 ADC0809 芯片。 ADC0809 是美國 Analog Device 公司生產(chǎn)的 8 位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率高，自帶三態(tài)輸出緩沖電路，可直接與各種典型的 8 位或 16 位的微處理器相連而無需附加邏輯接口電路，且能與 CMOS 及 TTL 兼容，是目前我國應(yīng)用最廣泛，價(jià)格便宜的 A/D 轉(zhuǎn)換器。加之內(nèi)部含有三態(tài)輸入緩沖電路，可直接與各種微處理器連接，且無須附加邏輯接口電路，內(nèi)部 設(shè)置的高精參考電壓源和時(shí)鐘電路，使它不需要任何外部電路和時(shí)鐘信號(hào)，就能完成 A/D 轉(zhuǎn)換功能，應(yīng)用非常方便。 煙霧傳感器的選擇 煙霧檢測報(bào)警器主要應(yīng)用在石油、化工、冶金、油庫、液化氣 站、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃煙霧泄漏的場所，根據(jù)報(bào)警器檢測煙霧 種類的要求，一般選用接觸燃燒式煙霧傳感器和半導(dǎo)體煙霧傳感器。 使用接觸燃燒式傳感器，其探頭的阻緩及中毒，是不可避免的問題。 阻緩是當(dāng)在煙霧與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下，則有可能在無焰燃燒的同時(shí)，有些固態(tài)物質(zhì)附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從 而引起響應(yīng)緩慢反應(yīng)滯緩，靈敏度降低。雖然將阻緩的傳感器再放回新鮮空氣環(huán)境中有得到某種程度的恢復(fù)的可能，但是如果長期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會(huì)不斷下降，導(dǎo)致傳感器最終喪失檢測煙霧的能力。中毒是如果環(huán)境空氣中含有硅烷之類的物質(zhì)時(shí)，則傳感器將 使催化元件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 中毒，以致靈敏度很快就喪失。當(dāng)懷疑檢測環(huán) 境中存在這些物質(zhì)時(shí)，經(jīng)常對(duì)探頭進(jìn)行標(biāo)定，是必須且有效的辦法。 因此，經(jīng)常對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是保證其準(zhǔn)確性的必要的途徑。一般連續(xù)使用兩個(gè)月后應(yīng)對(duì)傳感器進(jìn)行量程校準(zhǔn)，這種經(jīng)常性對(duì)傳感器的維護(hù)，無形中加大了工作 人員的工作量，同時(shí)增加了報(bào)警器的維護(hù)成本。 半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器，它具有靈敏度高， 響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體煙霧傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性 (抗干擾性 )和穩(wěn) 定性 (使用壽命 )。 經(jīng)過對(duì)比上述兩種煙霧傳感器的應(yīng)用特性，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體煙霧傳感器的優(yōu)點(diǎn)更加突出：靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價(jià)格便宜，且不會(huì)發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護(hù)成本較低等。因此，本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo) 體煙霧傳感器作為報(bào)警器煙霧信息采集部分的核心。而在眾多半導(dǎo)體氣體傳感器中，本設(shè)計(jì)選用 MQ2 型煙霧傳感器，這種型號(hào)的傳感器不但具備一般半導(dǎo)體煙霧傳感器靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。 溫度傳感器的選擇 溫度傳感器，使用范圍廣，數(shù)量多，居各種傳感器之首。溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下 3 個(gè)階段： （含敏感元件），主要是能夠進(jìn)行非電量和電量之間轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器如熱電偶傳感器。熱電偶傳感器是工業(yè)測量中應(yīng)用最廣泛的一種溫度傳感器，它與被測對(duì)象直接接 觸，不受中間介質(zhì)的影響，具有較高的精度；測量范圍廣，可從 50~1600℃進(jìn)行連續(xù)測量 ,特殊的熱電偶如金鐵 —— 鎳鉻，最低可測到 269℃，鎢—— 錸最高可達(dá) 2800℃。 /控制器。它的主要特點(diǎn)是功能單一（僅測量溫度）、測溫誤差小、價(jià)格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等，適合遠(yuǎn)距離測溫，不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)，外圍電路簡單。 。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式想數(shù)字式、集成化向智能化及網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。 溫度傳感器按傳感器與被測介質(zhì)的接觸方式可分為兩大類：一 類是接觸式溫度傳感器，一類是非接觸式溫度傳感器。接觸式溫度傳感器的測溫元件與被測對(duì)象要有良好的熱接觸，通過熱傳導(dǎo)及對(duì)流原理達(dá)到熱平衡，這是的示值即為被測對(duì)象的溫度。這種測溫方法精度比較高，并可測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對(duì)于運(yùn)動(dòng)的、熱容量比較小的及對(duì)感溫元件有腐蝕作用的對(duì)象，這種方法將會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。 非接觸測溫的測溫元件與被測對(duì)象互不接觸。常用的是輻射熱交換原理。此種測穩(wěn)方法的主要特點(diǎn)是可測量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的小目標(biāo)及熱容量小或變化迅速的對(duì)象，也可測量溫度場的溫度分布，但受環(huán)境的影響比較大。 綜合以上，我選擇數(shù) 字溫度傳感器 DS18B20。該產(chǎn)品采用美國 DALLAS 公司生產(chǎn)的 DS18B20 可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。 DS18B20 一線總線數(shù)字式傳感器，獨(dú)特的單線接口僅需一個(gè)端口引腳進(jìn)行通訊，用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置 ?，F(xiàn)場溫度直接以“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)場溫度測量，與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持 3V~ 的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便。而且新一代產(chǎn)品更便宜 ，體積更小。 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 7 本章小結(jié) 本章主要介紹了系統(tǒng)傳感器和控制芯片的選擇。本設(shè)計(jì)首要的一個(gè)關(guān)鍵任務(wù)就是掌握傳感器的工作方法及編碼和解碼，才能完成對(duì)火災(zāi)信號(hào)的接收，即在了解傳感器的是使用方法后，將傳感器技術(shù)應(yīng)用到單片機(jī)中，發(fā)出控制指令，然后實(shí)現(xiàn)報(bào)警。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖 圖 智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖 光報(bào)警 蜂鳴器報(bào)警 4 分頻電路 MQ2 煙霧傳感器 DS18B20 溫度傳感器 ADC0809 STC