【正文】 入上世紀(jì) 90年代后，我國經(jīng)濟(jì)步入高速發(fā)展的時期，城市化建設(shè)不斷加快，城市建筑也由分散式低密度向集中式高密度過渡，林立的高層建筑成了城市的主要的標(biāo)志。任何事物的發(fā)展都具有兩面性，高層建筑中各種通訊線路、動力和照明線路、以及各種系統(tǒng)中線路縱橫交錯，致使火災(zāi)的發(fā)生概率也在大幅增加。 與此同時，現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)、通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展又為人類實現(xiàn)更加理想化的生活提供了可能．智能小區(qū)應(yīng)運而生了。 基于社會和經(jīng)濟(jì)方面的需求，本課題旨在開發(fā)一個能夠?qū)ΡO(jiān)測點實時監(jiān)控、報警的智能火災(zāi)報警系統(tǒng)。隨著經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的快速發(fā) 展，城市高層、地下建筑以及大型綜合性建筑日益增多，火災(zāi)隱患也大大增加，火災(zāi)的數(shù)量及其造成的損失呈逐年上升趨勢，市場上迫切需要一種容量大、可靠性高、使用簡單的智能型火災(zāi)報警控制系統(tǒng)。 課題研究的背景和意義 在各種災(zāi)害中，火災(zāi)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(zāi)害之一。據(jù)聯(lián)合國“世界火災(zāi)統(tǒng)計中心 (WFSC)2020 統(tǒng)計資料”，全球每年大約發(fā)生火災(zāi) 600 萬至 700 萬次，全球每年死于火災(zāi)的人數(shù)約為 65000 至 75000 人。相比較而言，亞洲地區(qū)發(fā)生火災(zāi)次數(shù)較少，但死亡人數(shù)較多，這與亞洲經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度不高、消防設(shè)施不完善等因素有關(guān)。進(jìn)入 90 年代，特別是 1993 年以來，火災(zāi)造成的直接財產(chǎn)損失上升到年均十幾億元，年均死亡 2020 多人。一旦發(fā)生火災(zāi)，將對人的生命和財產(chǎn)造成極大的危害 。殘酷的現(xiàn)實讓人們逐漸認(rèn)識到監(jiān)控預(yù)警和消防工作的重要性，良好的監(jiān)控系統(tǒng)和及時的報警機(jī)制可以大大降低人員的傷亡，為社會減少不必要的損失。 火災(zāi)自動報警系統(tǒng)能迅速監(jiān)測火情，可發(fā)現(xiàn)人們不易發(fā)覺的火災(zāi)早期特征，可將火災(zāi)帶來的生命財產(chǎn)損失降到最低限度。火災(zāi)自動報警系統(tǒng)可作為城市消防系統(tǒng)的單元，通過城市消防專用網(wǎng)與 城市消防報警中心聯(lián)網(wǎng)，及時將報警信息傳遞到消防報警中心，城市消防報警中心會自動查找到火災(zāi)發(fā)生的位置，并為消防隊員制定消防路線圖，以便消防隊員可以迅速抵達(dá)火災(zāi)地點。 目前，隨著電子產(chǎn)品在人類生活中的使用越來越廣泛，由此引起的火災(zāi)也越來越多，在我們生活得四周到處潛伏著火災(zāi)隱患。 1890 年在英國，感溫式火災(zāi)探測器研制成功并應(yīng)用于火災(zāi)探測系統(tǒng)，標(biāo)志著火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的發(fā)展走上正軌。這一階段，火災(zāi)報警系統(tǒng)簡單，僅靠單一的溫度參量進(jìn)行火災(zāi)判斷。 第二階段， 20 世紀(jì) 40 年代末，瑞士物理學(xué)家 Emst Meili 研究的離子感煙探測器推出以后，引起了人們對離子感煙探測器的重視，隨后感煙探測器得到廣泛應(yīng)用，并逐漸占據(jù)了絕大部分市場，迫使感溫式探測器退居其次；到 70 年 代末，光電式感煙探測器在光電技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，并很快得到大力發(fā)展，它的使用壽命長，抗干擾能力強(qiáng)，沒有離子感煙探測器的放射性問題。 第三階段， 20 世紀(jì) 80 年代初期，總線型火災(zāi)報警系統(tǒng)開始興起，在火災(zāi)報警領(lǐng)域中邁出了一大步，并得到了較普遍的應(yīng)用。但是這一時期的火災(zāi)報警系統(tǒng)的智能化水平不高，采用有線連接對工程要求高。模擬量可尋址技術(shù)的應(yīng)用使得火災(zāi)報警系統(tǒng)的安全性、精準(zhǔn)性和智能性有了很大提高，在火災(zāi)自動報警系統(tǒng)發(fā)展史上具有里程碑的意義。這種系統(tǒng)引入了無線電通信技術(shù)，利用無線通信方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線通信方式，將大多的電器裝置通過無線連接方式進(jìn)行信息傳輸與控制，適用于各類建筑和場所。隨 4 著科技進(jìn)步和元器件成本的降低，無線火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的研發(fā)和生成成本也隨之降低，它在性能和價格上都具有很強(qiáng)的競爭力，其市場潛力已經(jīng)嶄露頭角。由于其具有安裝簡便、對建筑物無損壞作業(yè)、靈活性好，易于擴(kuò)展等優(yōu)點，適用于許多場合，如名勝古跡、體育館、博物館、展覽中心、處于施工階段的建筑物、醫(yī)院等。集中式系統(tǒng)由智能型控制器和若干非智能探測節(jié)點構(gòu)成，探測節(jié)點僅將火災(zāi)參量傳送給控制器，由控制器智能地判斷火災(zāi)狀態(tài)；分布式系統(tǒng)的控制器和探測節(jié)點均為智能型，也是今后火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的發(fā)展方向。智能型火災(zāi)報警系統(tǒng)是一個集信號檢測、傳輸、處理、報警于一體的系統(tǒng)。該火災(zāi)報警系統(tǒng)是以 AT89C52 單片機(jī)作為控制中心，接受、處理火災(zāi)探測器輸出的煙霧濃度信號、溫度信號，并進(jìn)行聲光報警?？扇嘉镆詺鈶B(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種形態(tài)存在，助燃物通常是空氣中的氧 氣。液體和固體是凝聚態(tài)物質(zhì)，難與空氣均勻混合，它們?nèi)紵幕具^程是當(dāng)從外部獲取一定的能量時，液體或固體先蒸發(fā)成蒸汽或分解出可燃?xì)怏w (如 CO、 H2等 )的分子團(tuán)、灰燼和未燃燒的物質(zhì)顆粒懸浮在空氣中，稱之為氣溶膠。在產(chǎn)生氣溶膠的同時，產(chǎn)生分子較大 (直徑 一 10μm)的液體或固體微粒，稱為煙霧。著火后，燃燒產(chǎn)生的熱量使液體或固體的表面繼續(xù)放出可燃?xì)怏w，并形成擴(kuò)散燃燒。這些熱量通過可燃物的直接燃燒、熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對流，使火從起火部位向周圍蔓延，導(dǎo)致了火勢的擴(kuò)大，形成火災(zāi)。 根據(jù)火災(zāi)發(fā)生時產(chǎn)生現(xiàn)象的不同，可以將火災(zāi)分為慢速陰燃、明火和快速發(fā)展火焰等。明火則是火災(zāi)發(fā)生時燃燒火焰產(chǎn)生的熱量使液體或固體的表面放出可燃?xì)怏w，并形成擴(kuò)散燃燒，同時發(fā)出含有紅、紫外線的火焰。通過大量的研究表明陰燃是誘發(fā)火災(zāi)的重要原因。起火過程中，起初和陰燃兩個 階段所占的時間比較長，雖然產(chǎn)生大量的煙霧，但是環(huán)境溫度不太高，若探測器就應(yīng)該從此階段開始進(jìn)行探測，就可以火災(zāi)損失控制在最小限度。起火過程曲線如圖 所示。圖 為火災(zāi)報警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖?；馂?zāi)探測器通過對火災(zāi)發(fā)出的物理、化學(xué)現(xiàn)象 —— 氣（燃燒氣體）、煙（煙霧粒子）、熱（溫度）、光（火焰）的探測，將探測到的火情信號轉(zhuǎn)化成火警電信號傳遞給火災(zāi)報警控制器。整體電路的框圖如圖 所示 ： 圖 系統(tǒng)原理及組成框圖 單片機(jī)是整個報警系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)的工作原理是：先通過傳感器 (包括溫感和煙感 )將現(xiàn)場溫度、煙霧等非電信號轉(zhuǎn)化為電信號，調(diào)理電路將傳感器輸出的電信號進(jìn)行調(diào)理 (放大、濾波等 )，使之滿足 A /D 轉(zhuǎn)換的要求 ,最后由 A /D 轉(zhuǎn)換電路 ,完成將溫度傳感器和煙霧傳感器輸出的模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，單片機(jī)判斷現(xiàn)場是否發(fā)生火災(zāi)。 本火災(zāi)自動報警系統(tǒng)具有以下功能： (1) 能對室內(nèi)煙霧 (CO2, CO) 及溫度突變進(jìn)行報警 ,具有 聲、光雙重報警功 能。當(dāng)環(huán)境出現(xiàn)異常 (如煙霧濃度過大或是溫度較高 )時，能發(fā)出異常報警信號，引起人們注意，盡可能避免火災(zāi)的發(fā)生。一旦真出現(xiàn)火災(zāi) (煙霧和溫度同時出現(xiàn)異常 )時，能立即發(fā)出語音、光火災(zāi)警報。且由于其體積小、操作維護(hù)方便、成本低廉等 , 具有廣闊的應(yīng)用前景。本系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集子程序、火災(zāi)判斷與報警子程序等，系統(tǒng)程序流程圖如圖 所示。每次數(shù)據(jù)采集后根據(jù)得到的數(shù)據(jù)對現(xiàn)場情況進(jìn)行判斷，然后綜合多次判斷結(jié)果做出最終的火情判斷。 火災(zāi)報警系統(tǒng)的類型 根據(jù)火災(zāi)報警系統(tǒng)中所使用的探測器種類的不同，火災(zāi)報警系統(tǒng)可以分為以下四 種 [6]： (1) 感溫型火災(zāi)報警系統(tǒng) 由于火災(zāi)發(fā)生時燃燒物會產(chǎn)生大量的熱量，使得周圍溫度迅速變化。根據(jù)探測溫度參數(shù)的不同，一般可以將感溫型 火災(zāi)報警系統(tǒng)分為定溫式、溫差式等幾種。在火災(zāi)發(fā)生的初期，由于溫度比較低，許多物質(zhì)都處于陰燃階段，產(chǎn)生大量的煙霧。感煙型火災(zāi)報警系統(tǒng)主要有激光感煙式、光電感煙式和離子感煙式等。感光型火災(zāi)報警系統(tǒng)就是通過響應(yīng)火災(zāi)中產(chǎn)生的光特性，即擴(kuò)散火焰的光強(qiáng)度和閃爍頻率，來觸發(fā)報警系統(tǒng) 的。 (4) 復(fù)合型火災(zāi)報警系統(tǒng) 如果報警系統(tǒng)同時對溫度、煙霧和光輻射中的兩種或兩種以上參數(shù)做出響應(yīng)，那么它就是復(fù)合型火災(zāi)報警系統(tǒng)。 火災(zāi)探測器的原理 火災(zāi)發(fā)生時，必然會伴隨著產(chǎn)生煙霧、高溫和火光，探測器對這些都很敏感。 火災(zāi)探測器主要分感煙、感溫、光輻射三大類： (1) 感煙探測器。在正常的情況下，內(nèi)外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。還有一種叫光電感應(yīng)探測器，它有一個發(fā)光元件和一個光敏元件，平常光源發(fā)出的光，通過透鏡射到光敏元件上，電路維持正常，如果有煙霧從中阻隔，到達(dá)光敏元件上的光就顯著減弱， 11 于是光敏元件就把光強(qiáng)的變化變成電的變化，通過放大電路向人們報警。近年來還出現(xiàn)了激光感煙探測器，它也是利用光電感應(yīng)原理，不同的是光源改用激光束。 (2) 感溫探測器。正常的情況下，探測器的電路斷開，當(dāng)溫度升到一定 值時，由于金屬膨脹、延伸，導(dǎo)體接通，于是發(fā)出了信號。這兩種探測器都屬定溫型，即當(dāng)外界溫度超過某一限值時就會報警；還有一類是差溫型，升溫的速度超過特定值時，便會感應(yīng)報警。 (3) 光輻射探測器。物質(zhì)在燃燒時，由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生閃爍的紅外光輻射使硫化鉛紅外光敏元件感應(yīng)，轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)放大后，就能向人們報警 。 火災(zāi)報警器是重要的安全設(shè)備，一切重要的場所，如大型物資倉庫、隧道、大型船舶、高層建筑都應(yīng)該安裝。 12 3 火災(zāi)報警系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)核心芯片選擇 與電路原理圖 傳感器介紹 要準(zhǔn)確地進(jìn)行火災(zāi)報警 ， 選擇合適的溫度和煙霧傳感器是準(zhǔn)確報警的前提。 DS18B20 溫度傳感器 DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻有所不同的是，使用集成芯片，采用單總線技術(shù)，其能夠有效的減小外界的干擾，提高測量的精度，同時，它可以直接將被測溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供微機(jī)處理，接口簡單，使數(shù)據(jù)傳輸和處理簡單化。 DS18B20 單線數(shù)字溫度傳感器，即“一線器件”，其具有獨特的優(yōu)點： (1) 采用單總線的接口方式，與微處理器連接時，僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。 (2) 測量溫度范圍寬，測量精度高 DS18B20 的測量范圍為 55 ℃ ~+ 125 ℃ ；在10~+85176。176。 (3) 在使用中不需要任何外圍元件。 (5) 供電方式靈活 DS18B20 可以通過內(nèi)部寄生電路從數(shù)據(jù)線上獲取電源。 (6) 測量參數(shù)可配置 DS18B20 的測量分辨率可通過程序設(shè)定 9~12 位。 (8) 掉電保護(hù)功能 DS18B20 內(nèi)部含有 EEPROM，在系統(tǒng)掉電以后，它仍可保存分辨率及報警溫度的設(shè)定值。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。 MQ2 氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。 MQ2 氣體傳感器特點 ： 1. 具有信號輸出指示。（當(dāng)輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機(jī)） 4. 模擬量輸出 0~5V 電壓，濃度越高電壓越高。 6. 具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性 7. 快速的響應(yīng)恢復(fù)特性 MQ2 氣體傳感器 實物圖和電路原理圖如圖 ： 14 圖 MQ2 氣體傳感器 液晶模塊 LCD1602 1602LCD 主要技術(shù)參數(shù) [2]： 1. 顯示容量 ： 162 個字符 2. 芯片工作電壓 ： — 3. 工作電流 ： () 4. 模塊最佳工作電壓 ： 5. 字符尺寸 ： (WH)mm 1602 字符型液晶顯示器實物圖與電路原理圖如圖 15 圖 1602 字符型液晶顯示器 引腳功能說明 [3] 1602LCD 采用標(biāo)準(zhǔn)的 14 腳（無背光）或 16 腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表 所示： 表 引腳接口說明表 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 數(shù)據(jù) 2 VDD 電源正極 10 D3 數(shù)據(jù) 3 VL 液晶顯示偏壓 11 D4 數(shù)據(jù) 4 RS 數(shù)據(jù) /命令選擇 12 D5 數(shù)據(jù) 5 R/W 讀 /寫選擇 13 D6 數(shù)據(jù) 6 E 使能信號 14 D7 數(shù)據(jù) 7 D0 數(shù)據(jù) 15 BLA 背光源正極 8 D1 數(shù)據(jù) 16 BLK 背光源負(fù)極 第 1 腳： VSS 為地電源。 第 3 腳： VL 為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時 會產(chǎn)生 “鬼影 ”，使用時可以通過一個 10K 的電位器調(diào)整對比度。 第 5 腳： R/W 為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。 第 6 腳： E 端為使能端，當(dāng) E 端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。 第 15 腳：背光源正極。 STC89C52 單片機(jī)芯片 89C52 芯片的引腳及功能 [4] 圖 89C52 芯片的引腳圖 17 下面按引腳功能分為 4 個部分?jǐn)⑹鰝€引腳的功能 。 (2) 外接晶振引腳 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1（ 19 腳）：接外部石英晶體的一端。 XTAL2（ 18 腳）：接外部晶體的另一端。當(dāng)采用外部時鐘時，對于 HMOS 單片機(jī)，該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。 (3) 控制信號或與其它電源復(fù)用引腳 控制信號或與其它電源復(fù)用引腳有 RST、 ALE、 PSEN 和 EA 等 4 種形式。當(dāng)單片機(jī)振蕩器工作時，