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火灾报警系统设计 摘要 火灾已成为我国常发性和破坏性以及影响力最强的灾害之一。随着经济 和城市建设的快速发展，城市高层、地下建筑以及大型综合性建筑日益增 多，火灾隐患也大大增加，火灾的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。在 工业和民用建筑、宾馆、酒店、图书馆、科研和商业部门，火灾报警系统已 成为必要的装置。火灾报警系统对现代建筑起着极其重要的安全保障作用。 火灾报警控制器是火灾报警系统的核心。本文对火灾报警控制器和探测器做 了深入的研究，并全面阐述了火灾报警控制器和探测器硬件和软件设计。以 下是本文完成的主要工作： l 火灾报警系统的控制器采用c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机进行设计，所设计的 控制器具有较高的性价比，还具有操作人员管理、报警信息查询、探测器管 理、预报警、火警处理、通讯等功能，在控制器中采用l c d 显示器进行报 警系统所需各种信息显示。 2 探测器控制电路的核心采用p h i l i p 公司的低功耗p 8 7 l p c 7 6 2 单片 机，它实现了对火灾信息的检测和传送；为提高系统的适应性与扩展性，进 行了写码器设计。 3 控制器与探测器之间的通讯采用无线高频通讯方式进行，运用 k b 8 8 2 5 双频合成器进行了无线通讯电路设计，具有抗干扰能力强、功耗低 等优点，可靠地完成了探测器与控制器之间的无线通信。 本文设计的火灾报警系统能有效地防止和减少火灾危害，解决有线火灾 报警系统不能解决的问题，对保护人身安全和财产安全具有现实意义。 关键词火灾报警系统；火灾探测器；单片机；无线通讯 j 竺玺兰矍三查兰：兰堡三耋丝丝兰 t h e d e s i g no ff i r ea l a r ms y s t e m a b s t r a c t i no u rc o u n t r y , a sad i s a s t e r , t h ef i r eh a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha s ： m e d i o c r i t y ，b r e a k a g ea n di n f l u e n c e i nr e c e n ty e a r s ，t h ee c o n o m ya n dt h e c o n s t r u c t i o n d e v e l o pq u i c k l y , i n c r e a s i n g o fm o d e mb u i l d i n g ，u n d e r g r o u n d a r c h i t e c t u r ea n dl a r g e - s c a l ec o n s t r u c t i o n ，t h eo c c a s i o no ff i r ei si n c r e a s i n g ，t h e q u a n t i t yo ff i r e a n dt h el o s i n gi tl e a d st or a i s eg r a d u a l l y ，t h ei n t e n t i o no f f i r e p r o o f i n gi sa v o i d i n gl o s s i n t h ei n s t r u c t i o no fi n d u s t r ya n dc i v i l ，h o t e l ， g r o g s h o p ，l i b r a r y ，t h ed e p a r t m e n to fs c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dt r a d e ，t h ef i r ea l a r m s y s t e m h a sb e c o m et h en e c e s s a r yi n s t a l l a t i o n 1 1 1 ef i r ea l a r ms y s t e mh a s i m p o r t a n tf u n c t i o n st ot h em o d e mb u i l d i n g s t h ef i r ea l a r ms y s t e mc o n t r o l l e ri s i t sc o r e w ei n t r o d u c et h er e s e a r c ho ff i r ea l a r mc o n t r o l l e ra n dn a r r a t ei t s h a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ef i r ea l a r ms y s t e mc o n t r o l l e ri sd e s i g n e db yt h e c 8 0 5 1 f 0 2 0m c u ，i th a sa h i g hr a t eo fc a p a b i l i t ya n dp r i c e ，a tt h es a m et i m e ，i t h a s m a n yf u n c t i o n s s u c ha s ：h a n d l e r s m a n a g e ，a l a r mi n f o r m a t i o ni n q u i r e ， d e t e c t o rm a n a g e ，p r e p a r a t i v ea l a r m ，t h ep r o c e s so ff i r ea l a r m ，c o m m u n i c a t i o n a n ds oo n i nt h ec o n t r o l l e r ，t h el c dd i s p l a ys h o w sa l lk i n d so ff i r ea l a r m i n f o r m a t i o n t h ed e t e c t o r sc o n t r o lc i r c u i t si sd e s i g n e db yp 8 7 l p c 7 6 2m c u i tc a n d e t e c ta n dt r a n s m i tt h ef i r ei n f o r m a t i o n w ed e s i g nac o d e rf o ri m p r o v i n gt h e s y s t e m sa d a p t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y t h ec o m m u n i c a t i o nm o d eo fc o n t r o l l e ra n dd e t e c t o ri sw i r e l e s s 。t h ec o r eo f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc i r c u i ti sk b 8 8 2 5d u a lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ，i ti s s t r o n ga n t i - j a m m i n ga n dl o wp o w e r i ti sr e l i a b i l i t yt oc o m p l e t et h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nb e t w e e nt h ec o n t r o l l e ra n dd e t e c t o r t h ef i r ea l a r ms y s t e mc a na v o i da n dr e d u c et h ef i r eh a r m i ts e r i e st h e p r o b l e mt h a tt h ew i r ef i r ea l a r ms y s t e mc a nn o tf u l f i l l k e y w o r d s f i r ea l a r ms y s t e m ；f i r ed e t e c t o r ；m c u ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文火灾报警系统设计，是本人 在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得 的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研 究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。 本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 南忍 日期：) 巾埠3 月盯日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 火灾报警系统设计系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指 导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文 的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保 存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本， 允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 漕召 日期：弘钐年；月晌 导师签名： - 3 ；，j 穹 日期：沏j 年3 月面 哈尔滨理丁大学t 学硕七学位论丈 1 1 课题背景 第1 章绪论 火灾是世界上发生频率较高的一种灾害，几乎每天都有火灾发生，据联合 国“世界火灾统计中心( w f s c ) 2 0 0 0 统计资料”，全球每年约发生火灾6 0 0 万 至7 0 0 万次，全球每年死于火灾的人数约为6 5 0 0 0 人至7 5 0 0 0 人。 欧洲和北美发生的火灾较多，死亡人数却相对较少，这与欧美发达国家的 生活水平高以及消防设施完善有关；亚洲居住人数最多，发生火灾次数较少， 但死亡人数较多，这与亚洲经济发展程度不高、消防设施不完善等因素有关。 火灾早已成为我国常发性和破坏性以及影响力最强的灾害之一。随着经济 和城市建设的快速发展，城市高层，地下建筑以及大型综合性建筑日益增多， 火灾隐患也大大增加，火灾发生的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。我国 2 0 0 0 年中国火灾统计年鉴记载，从1 9 5 0 年至1 9 9 9 年，全国共发生火灾 3 2 5 8 1 0 5 起，死亡人数1 6 5 4 9 9 人，伤3 1 3 7 6 6 人，直接经济损失1 8 2 8 亿元“1 。 我国每年的起火次数较少，但死亡人数较高，这说明我国的消防保护体系对保、 护生命安全还有一定的差距，因此现阶段有必要提高全民的防火安全观念，提 高我国消防设施水平。 火灾作为危害人类生存的大敌，越来越受到人们的重视。一旦发生火灾。 将对人的生命财产造成极大的危害，于是人们开始寻求一种早期发现火灾的方 法，以便控制和扑灭火灾，减少损失，保障生命安全。火灾报警系统就是为了 满足这一需求而研制出来的，并越来越被人们所接受，其自身技术水平也随着 人们需求的不断提高，在功能、结构、形式等方面不断地完善。 1 2 国内外报警系统的现状及发展情况 1 2 i 火灾报警系统发展历程 火灾报警系统，从发展过程来看，大体可分为三个阶段。 第一阶段：多线型火灾自动报警系统。每个探测器除需提供两根电源线 外，还需提供一根报警信号线，探测器电源由报警器提供，探测器的信号线均 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 连接到报警显示盘上，报警时点亮相应的指示灯，如日本“日探”公司生产的 c p f 火灾报警系统，此类系统的功能一般以报警为主，辅以一些简单的联动功 能( 也为多线制) ，如驱动警铃等，其报警器对外围探测器无故障检测功能， 只会对电源线的断线做出故障反应，安装此类系统比较繁琐，特别是校线工作 量较大。 第二阶段：总线型火灾自动报警系统。这种自动报警系统已采用微处理器 控制，其线制一般有四线制、三线制、= 线制，探测器和模块均采用地址编码 形式，通过总线与控制器实现信号传送，其探测器的报警形式为开关量，它的 灵敏度在制造时，通过硬件决定，不可调整，此类系统可进行现场编程，并通 过各种模块对各联动设备实行较复杂的控制，此类系统已具有系统自检以及对 外围器件的故障检验等功能，但对故障类型不能区分，目前国内生产的火灾自 动报警系统大多数为此类产品，由于此类产品具有报警和控制功能，它的施 工、安装较为方便，且价格较低，已被大量使用“1 。 第三阶段：智能型火灾自动报警系统。由于采用了先进的计算机控制技 术，智能化程度大大提高，探测器的报警形式采用数字量，并可通过软件对其 灵敏度根据使用场合、时间进行设定和调整，如可设定白天、夜间、休息日不 同灵敏度。对探测器的使用环境参数变化较大的场所，灵敏度设定相对低一 些，对环境较稳定或一些重要的场所，灵敏度设定相对高一些，这一功能可提 高系统的稳定性及可靠性，减少误报“” 1 2 2 火灾报警系统在国外的发展情况 国外一些较发达的国家，具有火灾预防、报警、扑救、善后处理等比较完 善的消防体系。政府每年都要拨出大笔资金用于消防设备更新、人员培训以及 消防设施维护。德国、日本、美国等国家就采用计算机与用户终端的传感器或 者用户终端信号采集器相连，对火灾自动报警设备实时监控以及故障远程传 输。例如：美国、加拿大、英国、澳大利亚、日本等国家在建设和应用城市火 灾自动报警监控系统方面均有可供借鉴的成功经验。他们将自动火灾报警作为 公共报警手段接入监控系统，并有效运行多年，使消防指挥中心能够快速准确 判断火灾地点、火灾类型，并调度消防部队迅速到达现场，自动报警监控系统 在此起到了很大的作用。此外，这些国家在监控系统管理方面比较规范，专门 成立一个监控服务机构，该机构的责任是保证火灾报警数据通信畅通，为用户 服务，对用户负责，同时向消防部队传送可靠的火灾报警信息，而消防部门的 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 主要责仔是对此类服务机构进行资质审查及监督管理。这种管理运作方式已经 取得了良好的效果。 1 2 3 火灾报警系统在国内的发展情况 我国火灾报警系统起步较发达国家晚几十年，从上世纪7 0 年代我国才开 始研制生产火灾报警系统产品。进入8 0 年代后，国内主要厂家也多是模仿国 外产品，或是引进国外技术进行生产，没有真正意义上的核心技术，并且市场 也刚刚开始发育。火灾报警产品真正发展是在9 0 年代以后，随着政府逐渐开 放国门，国外企业开始大量进入中国消防市场，带来先进技术的同时也促进了 市场的成熟。这时期，我国生产火灾报警产品的企业也得到了快速发展，部分 企业进行了合资生产、技术合作，取得了不菲的成绩，也造就了现今市场上许 多有实力的商家，部分技术已接近或赶上了国际水平。 1 3 火灾报警系统的分类 火灾报警系统根据需要可划分为区域报警系统、集中报警系统和控制中心 报警系统”。 区域报警系统是由火灾探测器、受动火灾报警按钮、区域控制器等组成。 区域可以视为一栋楼或几层楼的范围，在区域报警系统中宜设置一台区域控制 器，最多设置不应超过三台区域控制器。 集中报警控系统是由火灾探测器、手动火灾报警按钮、区域报警控制器、 集中报警控制器等组成。在集中报警系统中应设置一台集中报警控制器和两台 以上的区域报警控制器。集中报警控制器应设置专用值班室或消防值班室内， 由专人看守。 控制中心报警系统是由火灾探测器、手动火灾报警按钮、区域报警控制 器、集中报警控制器、消防控制设备等组成。系统中应至少设置一台集中报警 控制器和相关的消防控制设备设置在值班室，其他部位的集中报警控制器应将 火灾报警信号和消防联动控制信号均送至消防控制值班室。 1 4 火灾报警探测器 物质燃烧，就必然有热量释放出来，环境温度升高，而在燃烧速度非常缓 慢的情况下，这种热( 温度) 是不容易鉴别出来的。物质在燃烧开始阶段，首 哈尔滨理_ 大学工学硕士学位论文 先释放出来的是燃烧气体，比如：单分子的c o 和c 0 2 等气体。其次还有悬浮 在空气中较大的分子团、灰烬和未燃烧的物质颗粒，我们把这些悬浮物称为气 溶胶，粒子直径一般字0 0 1 p m 左右。 烟雾是人的肉眼可见的燃烧生成物，其粒子直径为o 0 1 1 0 u m 的液体或 固体微粒称之为烟雾。不管是燃烧气体还是烟雾它们都有很大的流动性，能潜 入建筑物的任何空间。由于有些气体和烟雾有毒性，所以，它对人的生命有特 别大的威胁。据统计，在火灾中约有7 0 死者的死亡就是这些燃烧气体和烟雾 造成的。 火焰是物质着火时产生的灼热发光的气体部分。物质燃烧到发光阶段，是 物质的全然阶段。在这阶段中，火焰热辐射含有大量的红外线和紫外线。从物 质燃烧的基本概念出发，选择合适的火灾探测器是一个非常重要的环节，因为 任何一种探测器都不是万能的，每一种探测器有一定的环境适应性，也可以说 有一定的局限性。要想有效地发挥各种火灾探测器的作用，就要掌握各种火灾 探测器的探测原理，以及它的适用场所，只有这样才能真正发挥它们作用。 对于普通可燃烧物质的表现形式，首先是产生燃烧气体，然后是烟雾，在 氧气供应充分的条件下，才能达到全部燃烧，产生火焰，并散发出大量的热， 使环境温度升高( 起火过程曲线如图1 1 所示) 。 沮、烟浓度 起初阴燃火焰燃烧 时闻t 图1 - 1 起火过程曲线 r i g 1 1t h ep r o c e s so f f i r i n gc u i v e 如图1 1 所示，起火过程中，总是前两个阶段所占有的时间比较长，这是 燃烧的开始阶段。如果要把火灾损失控制在最小限度，保证人身不受伤亡，那 么火灾的探测器就应该从此阶段开始进行为宜。因为此阶段尽管产生了大量的 哈尔滨理- 大学 学顼十学位论文 七溶胶和烟雾，充满建筑内的空间，但环境温度并不高，尚未蔓延发展到严重 的程度。 由于火灾发生时，会产生烟雾、高温和火光等现象，探测器对这些很敏 感。当有烟雾，火光、高温产生时，它就改变平时的正常状态，引起电流、电 压或机械部分发生变化或位移，信号经过放大，送入控制器，并以声、光等形 式发出警报信号，显示火灾的部位、地点。 1 火灾探测器的分类 探测器是火灾报警系统的现场探测部件，它的好坏直接关系到整个系统是 否正常运行。当火灾发生时，把因火灾产生的各种非电量参数( 如烟，温度等 参数) 变成电量参数传送给控制器。其特点是模拟量传输，跟随各种非电量参 数( 如烟、温度等参数) 变化而变化。火灾探测器根据火灾发生时所表现出来 的物理现象可以分为：气敏型、感温型、感烟型、感光型、感声型五大类m 。 在每个大类中，又可以根据物理效应分为不同的八大类，如图1 2 所示。 图1 - 2 火灾探测器分类 f i g 1 - 2t h ef h ea l a r md e t e c t o rc l a s s 哈尔滨理- 大学t 学硕十学位论文 2 火灾探测器的性能比较 由于建筑结构和功能的多元化，为了准确、及时地探测火灾，并进行报 警，对火灾探测器提出了更高的要求。选择火灾探测器时必须充分考虑火灾探 测器的性能、建筑空间形状、火灾特点和可能发生的危险。下面就一些常用火 灾探测器和使用场合作一比较。 感温探测器：感温探测器一般分为定温式，差温式和差定温式三种类型， 单一的感温探测器由于灵敏度低，探测速度慢，尤其对阴燃情况不响应，误报 率高”。 感烟探测器：感烟探测器又可分为离子感烟探测器和光电感烟探测器，其 中离子感烟探测器具有非常好的早期报警功能，即使在环境条件不太好的场所 也会有较好的探测效果，它一般适用于极高的房屋或空心花板或地下室中，感 烟探测器适用于火灾前期及早期，产生大量的烟和少量的热，很少或没有火焰 辐射，但它不能区分火灾信号与非火灾的厨房烟、水蒸气等信号，所以误报率 较高。 气体探测器：气体探测器适用于散发可燃气体和可燃蒸汽的场所。但由于 气体探测器探测对像c o 易与还原气体发生化学反应，因而在有还原气体的场 所可能发生误报警n 町。 图像探测器：目前研制出的图像火灾探测器有烟雾图像探测器、火焰图像 探测器、激光图像感烟探测器等，他们都非常适合于商场大空间建筑。但烟雾 图像火灾探测器对不规则物体或相似图像可能发生误报警；而火焰图像探测器 则对高温物体或太阳光照射可能发生误报警：激光图像感烟火灾探测器则由于 其良好的探测性能，发生误报警的概率小，非常适合商场建筑的火灾探测“”。 红外火焰探测器和紫外火焰探测器：由于能够辐射出红外线的不仅仅是火 灾的火焰，一些高温物体的表面，如：炉子、太阳等都能发出与火焰红外线频 带相吻合的红外线，因而这些并非火灾的红外源就容易使单波段红外火焰探测 器产生误报警，紫外火焰探测器灵敏度高( 毫秒级) ，反应快，适合在火灾时 有强烈的火焰辐射、无阴燃阶段且需对火焰做出快速反应的场合，但当环境中 有紫外辐射、高温物体或有太阳光直射时可能要发出误报警动作，因此，紫外 火焰探测器不宜用于火焰出现前有浓烟扩散或有阳光直射的地方“”。 任何一种火灾探测器都只是针对火灾中同时出现的多种物理量中的一种进 行探测，不可避免的受到环境中某些相似因素的影响，从而导致误报警( 误报 警是指在非火灾情况下，火灾探测器发出的报警) ，表1 1 列出了几类火灾探 测器误报警的部分环境因素。 哈尔滨理- 大学 学硕士学位论文 解决误报警问题已成为提高火灾探测器准确性的关键所在，减少和降低误 报警，有以下几条比较有效的途径： 1 避免和减少环境因素对误报警的影响。该方法着眼于引起误报警的环 境因素，通过改进探测器结构设计和规定使用条件入手来减低误报警。 2 考察参量变化与实际火灾过程的比较。该方法着眼于识别方式，通过 模拟方式监测某一物理参量的变化历程，并与实验所得火灾过程相应物理参量 变化曲线相比较，由此来判断是否发生火灾。这种方法需要大量的火灾实验数 据为基础。 3 改单一物理参量监测为多参量复合监测，降低误报警。实行多参量复 合监测要依据所在建筑及火灾特点( 或火灾数据) 取舍物理量，既可减低火灾 误报警，又能保证经济和技术上可行。 4 寻找适当的信号处理算法，如：复合趋势算法、模糊逻辑算法和人工 神经网络算法等，在提高灵敏度的同时将误报率降低到极限。 表1 1 误报警原因 t 曲l e l 1t h ee l l o ra l a n t ir e a s o n 火灾中物理琏探测器类翟识别模式 误报警因素 接c o 、c 0 2气体探测器还原气体 触 温度 感温探测器气体或温度变化 型 同体颓粒 感烟探测器 接触 灰尘、水滴、小昆虫 静电探测器 静电 非辐射光火焰探测器闪烁频率照明、太阳光 接燃烧音 声音探测器功耗谱强度生活、生产噪音 触 烟雾形状图像探测器颜色，边缘 不规则物体、相似色 犁 火焰形状图像探测器辐射能量区别高温物体、太阳光照射 3 火灾探测器的标定 火灾探测器安放的环境复杂多变，对被探测的环境变量的阀值要求就不一 样。在火灾探测器安装之前，必须要对它们进行标定。标定的目的是根据具体 要求设定火灾探测器的阀值。 对离子感烟探测器来说，环境变量比较单一。烟进入的直接效果是改变栅 极电压，而栅极电压是离子室的端电压和离子室的机械结构及放射源决定的。 由于机械件几何结构的精密性，可以做到准确的放射源配对，从而得到足够准 确的分压比。阈值与烟浓度的模拟就可以简单地由设定控制离子室的端电压来 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 达到足够的精度。离子型探头的标定技术易于掌握，实现比较容易“” 标定的准确性对能否使火灾探测器发挥应有的效能非常重要。虽然人们对 离子型中的放射源的隐忧一直存在，但是由于离子型探头的标定易于掌握和实 现，所以很多用户采用离子型。 1 5 课题研究的目的和意义 本系统研究的火灾报警系统里来源于校企横向合作项目，它主要应用在宾 馆、酒店的场合。其中，火灾报警控制器是一种能接收、显示和传递火灾报警 等信号的报警装置，它是火灾报警系统的主要组成部分。火灾报警探测器是监 视周围环境状况的“感觉器官”，而火灾报警控制器则是系统的“神经”、“大 脑”，是整个系统的核心。火灾报警控制器担负着监视探测器及系统自身的工 作状况、处理火灾探测器输出的报警信号、进行声光报警、指示报警的具体部 位、时间及执行相应的辅助控制等任务。 研制火灾报警控制器的目的是为了立足于掌握核心开发技术，降低系统成 本。 尽管通过最近几年的消防治理整顿，取得了不少成绩，但与其他国家相 比，千次火灾死亡人数较多，我国的火灾形势不容乐观，加之我国经济在高速 发展，生活水准大幅度提高，各种生产、办公以及居住场所火灾大增，塑料制 品和双层玻璃的大量应用，使火场的外部求援困难重重“”。因此，设计简单实 用的火灾报警控制系统有着防止和减少火灾危害、保护人身安全和财产安全的 重要意义。 哈尔滨理工大学t 学硕七学位论文 2 1 引言 第2 章方案设计和测量原理 火灾报警系统，一般由火灾探测器和控制器组成。其中火灾探测器是识别 火灾是否发生的专门仪器，根据建筑物或实地场所的要求，安装不同类型的火 灾探测器。火灾探测器主要分为感烟探测器、感温探测器和光辐射探测器三大 类，其中离子感烟探测器稳定性能较好，误报率低，寿命长等优点，在火灾报 警系统中被广泛使用。 使用火灾报警产品的目的就是及早报告火灾的发生，从而迅速有效的控制 火灾，把损失降到最低。而目前使用的火灾报警产品存在以下主要问题： 1 报警系统的维护保养和持续性的技术支持是目前最严重的问题，比例分 别为3 l 和2 7 。而造成上述问题的罪魁祸首就是由于缺乏规范、统一的通 讯标准。 2 报警系统误报、漏报现象也是目前火灾报警行业主要存在的问题，自从 火灾探测器问世以来，长期困扰产业界的就是上述两种现象。环境中各种因 素，如：静电、灰尘颗粒、气流、杀虫剂、磁场、气温剧烈变化、水蒸气等都 会与火灾发生时的状况接近，从而使报警设备发生误判而报警。 针对以上这些问题，能够对火情做出快速、精确探测和有效控制是目前急 需解决的问题，所以本课题的目标是：设计一套简单实用、抗干扰能力强、性 价比高的火灾报警系统。 2 1 1 火灾探测器的选择 对各类火灾探测器进行比较后，根据设计本系统的实际情况出发，系统采 用离子感烟探测器，它是一种室内安装的探测器，可以探测可见和不可见的烟 雾，具有对火灾进行早期预报功能“”。在火灾发生初期，当进入离子感烟探头 中采样室的烟浓度超过由参考室的门限值时，离子感烟探头底座上的指示灯将 点亮，同时送出报警电压信号。在输入回路中，离子感烟探测器内的接口电路 十分关键。通过探测器接口电路可以将探头报警电压信号转变为不同频率的电 信号传送到控制器，由控制器判别处理，确定火灾位置报警”1 。 竺笔兰矍三奎主：2 ：主竺兰兰 。 2 1 2 离子感烟探测器的工作原理 离子感烟探测器探头电路是利用两片放射性物质2 4 1 ( a i d ) a 源构成的两 个电离室( 检测电离室和补偿电离室) 及场效应晶体管( e f t ) 等电子元件件 组成。 其工作原理为：p l 和p 2 是一相对的电极，在电极之间放有a 放射源2 4 1 镅，由于它持续不断地放射出a 射线，a 粒子以高速运动，撞击空气分子，从 而使极板间空气分子电离为正离子和负离子( 电子) ，这样电极之间原来不导 电的空气具有了导电性，实现这个过程的装置我们称它为电离室，如图2 一l 所 示。 e i i p l p 2 图2 - 1 电离电流的形成 f i g 2 1t h ef o r mo f i o n i z a t i o nc u r r e n t a m 如果在极板p l 和p 2 间加上一个电压e ，极板间原来做杂乱无章运动的正 负离子，此时在电场的作用下，正负离子做有规则的运动，正离子向负极运 动，负离子向正极运动，从而形成了电离电流l 施加电压e 愈高，电离电流 愈大。当电离电流增加到一定值时，外加电压再增高，电离电流也不会增加， 此电流称之为饱和电流尽，如图2 - 2 所示。 哈尔滨理工大学t 学顾卜学位论丈 电离电流 i 饱和电流i s j 外加电压 图2 - 2 电离电流和电压的关系 f i g 2 - 2t h er e l a t i o no fi o n i z a t i o nc u r r e n ta n dv o l t a g e 电离室又可分为双极性和单极性两种。整个电离室全部被a 射线所照射， 电离室内的空气都被电离，我们把这种电离室称为双极性电离室。 所谓单极性电离室，是指电离室局部被a 射线所照射，使一部分形成电离 区，而未被a 射线所照射的部分则为非电离区。这样在同一个电离室内分为两 个性子不同区域。如图2 3 所示。我们把这个非电离区称为主探测区。 e 图2 - 3 单极性电离室示意图 f i g 2 - 3t h em o n o p o l ei o n i z a t i o nr o o mc h a r t 电离区域 主探测区 一般离子感烟器的电离室均设计成单极性的，因为当发生火灾时，烟雾进 入电离室后，单极性电离室要比双极性电离室的电离电流变化大，也就是说可 以得到较大的电压变化量，从而可以提高离子感烟探测器的灵敏度，在实际的 哈尔滨理 大学- 学硕士学位论史 离子感烟探测器设计中，是将两个单极性电离室串联起来，一个作为检测电离 室( 也叫外电离室) ，做成烟雾容易进入的结构：另一个作为补偿电离室( 也 叫内电离室) ，做成烟粒子难进入而空气又能缓慢进入的结构形式，如图2 - 4 所示。电离室采用这种串联的方式，主要是为了减少环境温度、湿度、气压等 自然条件的变化对电离电流的影响，提高离子感烟探测器的环境使用能力和稳 定性。离子感烟探测器电路主要有三部分组成，即前置放大器，总线无极性变 换电源电路以及解码电路。 补偿 检测 u 口 图2 - 4 检测电离室和偿电离室示意图 f i g 2 4t h et e s t i n gi o n i z a t i o nr o o ma n dc o m p e n s a t ei o n i z a t i o ng h a l t 综上所述，离子感烟探测器在正常运行中对烟雾的识别能力较强，稳定性 较好。因此本系统所采用的火灾报警探测器是离子感烟探测器，由它把物质初 期燃烧所产生的烟雾信号转换成支流电压信号“”，通过导线传输给报警器，发 出声光报警信号。 2 2 总体设计方案 由以上的分析，本系统的硬件模块设计框图如图2 5 所示，现在对该图进 行简要说明： 该系统工作中离子探测器的探头将探测的物理信号转换为电压信号，然后 送入探测器，由探测器内的p 8 7 p l c 7 6 2 单片机处理，将处理信号送往振荡器 混频、高频电路调制、发射。无线传输的高频信号由报警控制器的接收电路接 收、解调后送往m c u ( c 8 0 5 1 f 0 2 0 ) 处理。最后输出，由指示灯、l c d 显示 火警情况，等待操作人员处理。 哈尔滨理t 大学工学颂十学位论文 图2 - 5 硬件模块设计框图 f i g 2 5t h ed e s i g nf g a m eo f h a r d w a r em o d u l e 2 2 1 硬件电路的设计方案 在本系统中，按功能可分为探测器模块、控制器模块和通讯模块三部分。 图2 - 6 是报警系统的组成图。报警系统以控制器为核心，通过它对探测器 采集到的信息进行处理。同时将各种信息如：探头的现状、火警等信息送往输 出设备，通过报警指示灯点亮，l c d 显示和打印机打e 口信息等实现人机信息交 互。 图2 - 6 报警系统的组成 f i g 2 - 6t h ef o r mo f a l a r ms y s t e m 图2 7 是探测器模块原理框图。探测器工作过程中，探测器内部的核心控 制器芯片p 8 7 p l c 7 6 2 单片机对离子感烟探测器探头传来的数据进行处理。并 哈尔滨理t 大学t 学硕+ 学位论丈 将处理后的信息送往调制电路，经过调制电路对信号调制后，由发射电路将信 号发给控制器的接收电路。 图2 7 探测器模块框图 f i g 2 - 7t h ec o n f i g u r a t i o no f d e t e , e t o rm o d u l e 为实现对火灾情况进行实时、准确、快速的控制，选择合适的微处理器进 行控制器设计是很有必要的，考虑的问题有：能否对探测器实施2 4 小时不问 断的监控，能否及时准确报告火灾情况，是否有对系统信息进行处理足够大的 程序储存空间。 基于以上几点考虑，选用c 8 0 5 1 f 0 2 0 芯片进行控制器设计，它有以下几个 方面的优点“”： 1 带有与8 0 5 1 全兼容的高速( 峰值达2 5 m i p s ) 微控制器内核； 2 大容量的f l a s h 程序存储( 6 4 k b ) 和内部数据存储器r a m ( 4 3 5 2 b ) ； 3 具有较高精度和速度的两个多通道a d c ( 最大速度可达1 0 0 k b p s ) 和2 路1 2 位d a c ； 4 功耗低，供电电压为3 3 v ，典型工作电流为1 2 m a ，并具有多种节电休 眠和停机模式，全部啪i 、r s t 、j t a g 引脚均允许5 v 电压输入； 5 片内j t a g 仿真电路可提供全速、非插入式的电路内仿真，极大方便了 软件调试。 采用c 8 0 5i f 0 2 0 单片机作为控制器的主控器件来完成整个系统的控制、 测量、输出以及与各种输出、输入模块的通信。充分显示c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机的 特点，采用c 8 0 5 l f 0 2 0 内部的a d c 对电源电路实施监控，并充分利用 哈尔滨理- 大学- 学硕士学位论史 c 8 0 5 1 f 0 2 0 丰富的加i 口资源，将它们分配给l c d 、键盘、打印机、调制口， 报警指示灯等设备，有机的实现了系统的各项功能。并且实现整个系统的性价 比高的特点。 图2 8 是控制器的电路框图，控制器的核心芯片为美国c y g n a i ，集成产 品公司生产的c 8 0 5 1 f x x x 系列中子系列c 8 0 5 1 f 0 2 x x x 系列中的c 8 0 5 1 f 0 2 0 单 片机，它带有与8 0 5 1 完全兼容的高速( 峰值可达2 5 m i p s ) 微控制器内核。由 控制器模块中的接收电路接收探测器发来的信号后，然后经过解调电路对信号 进行解调，然后由c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机对信号进行处理。处理后的结果送往 l c d 和打印机。由l c d 显示现况和打印机打出报表供操作人员进行相应处 理。 2 2 2 通讯方式 图2 - 8 控制器的电路框图 f i g 2 8t h e c i i u i tc o n f i g u r a t i o no f c o r i 仃o i l 盯 在现代测试系统中，通讯方式较多。本系统主要应用的场合是宾馆和居民 小区的建筑，如果在现有的建筑中采用有线通讯，则需要在楼层间打孔、架 线，给原有环境带来一定的负面影响，甚至给生活带来不便，难以维护。因此 系统的通讯方式采用无线通讯，无线通讯具有微功率发射、高抗干扰能力和低 误码率、传输距离远、透明的数据传输、多信道、多速率、高可靠性，体积 小、重量轻等特点。不仅解决了以上问题，而且提高了系统整体性能“”。 哈尔滨理- 大学t 学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章在分析了现阶段火灾报警系统存在的问题后，有针对性的提出了问题 的解决方法，给出了系统设计的整体方案。并对系统的各个模块根据其功能做 出了合理的划分，并论述它们之间的关系。根据实际设计的具体要求，选择了 合理的解决办法。在后面的几章，将对各个模块进行详细的阐述，并给出具体 的实现方法。 哈尔滨理- 大学t 学硕士学位论文 第3 章火灾报警控制器的设计 火灾报警系统控制器的硬件由电源模块和主控模块组成。电源模块用于对 控制板上各电子元器件供电，并要保证在市电突然停止供电的一定时间内保持 系统正常工作。主控模块完成火灾报警信息查询、探测器管理、预报警，火警 处理、通讯等功能。下面对这些电路的没计分别进行介绍。 3 1 电源模块的设计 在各种电子设备中，电源是不可缺少的组成部分，其性能的高低直接关系 到电子设备的技术指标和能否安全有效的工作。我国市电电压波动较大，噪音 污染比较严重，工控系统由电源引起的故障要占一定的比例。因此，精心设计 一个可靠、高效、稳定的电源是一项重要的设计工作“。 3 1 1 供电方式 因为整个系统必须2 4 小时连续工作，并要保证在市电突然停止供电的一 定时间内保持系统正常工作，所以系统采用双电源供电模式，即：主供电模式 和从供电模式。其中主供电模式是通过工频变压器将市电降压，然后经过整 流、滤波、稳压输出所要求的直流电；从供电模式是在主电源突然停止供电的 情况下，通过蓄电池直接供给系统所需的直流电，从而保持系统正常工作。 3 1 2 变压器的选择 目前，中，小功率电源变压器的系列产品供应较丰富。但是，选择合适的 电源变压器必须根据设备的容量和环境来确定。变压器一般次级有几个绕组， 其次级功率p l 为：p i = p l i + p 1 2 + = c , l l + 矾撕2 + 基于变压器效率野的考虑，则初级功率尸。为：p d = 尸l q 变压器的额定容量为：1 = - ( + n ) , t 需要注意如下两个问题： 1 变压器的效率决定于变压器的损耗。设计小型变压器，般不必详细 计算其损耗，效率”与次级功率的经验数据如表3 1 。 啥尔滨理工大学t 学硕十学位论文 表3 - i 与次级功率的关系 t a b l e 3 一lt h er e l a t i o no f r a n ds u bp o w e r 2 次级功率p i 的计算。对于一般的电源变压器，负载为电阻时，次级电 压，电流和负载的电压、电流相等，p l 的计算比较简单，而整流变压器负载上 需要的是平滑的直流，次级要接整流和滤波电路，这样变压器次级将有直流成 份通过。因此，对于在不同的整流电路以及不同性质负载下，变压器次级功率 和负载功率的关系如表3 2 ： 表3 - 2 次级功率和负载功率的关系 t a b l e 3 2 t h er e l a t i o no f s e c o n d a r yp o w e ra n dl o a dp o w e r 电路彤式负载性质次级电压 次级电疯次级功率p l 半玻鼙流电阻性 2 2 2 1 5 7 1 0 3 4 9 p o 电容性 u o2 2 1 02 2 o 全波祭流电阻性 1 1 1 0 7 9 如1 7 4 p 0 电容性1 1 而2 2 o 电感性 2 2 2 砺0 7 而i 5 7 p 0 桥式整流电阻性1 1 1 u o l l l j o1 2 3 p o 电容性砺1 5 6 ，oi 5 6 p 0 电感性i 1 l u o而 i 1 l 倍斤整流电容性o 5 矾3 1 而1 5 6 - 0 0 其中：o 、i o 、p 0 分弱为负载电压、电流功率 电源采用桥式整流、且负载呈电阻性，所以p l = 1 2 3 p 。由表2 - 2 可知变压 器次级电压矾主要取决于负载电压砺，根据对本系统各电路模块功耗进行最 大量的估算，系统的电源变压器采用1 6 v 、1 5 w 的规格。 3 1 3 稳压电源 经桥式整流、平滑滤波后得到的直流电仍残留有交流成分，还不能直接对 电压波动敏感的器件( 如：t t u c m o s 元件) 供电，还必须经过稳压。目前市 场上的稳压电源按其工作状态分类，有线性稳压电源和开关稳压电源，调整元 件工作在线性状态的称为线性稳压电源，又称为连续导电稳压电源，调整元件 哈尔滨理t 大学_ 学硕士学位论文 工作在开关状态的称为开关稳压电源。稳压电源的技术指标有：源电压效应、 负载效应、电压调整率、电流调整率& 、内阻、纹波等。 源电压效应是指电源电压在1 9 8 v 、2 2 0 v 、2 4 2 v 等点上，电路中，负载在 o l o o 变化时，输出电压的变量。 负载效应是指由于负载变化引起输出电压的变化量。 电压调整率s v 是在规定的输出电压和输出电流的条件下，表征稳压电流 在输入电压变化时保持输出电压不变的能力，其表达式为： s v = ( z j u o * 1 0 0 ) ( u o 口u ) ( 单位：) 。常见的集成稳压电路，电压调 整率约为( 0 0 1 - 4 ) 1 ) 。 电流调整率s i 是用来表征稳压器对应于负载电流在规定的范围变化时而 保持输出电压不变的能力。即在输入矾不变的条件下，改变输出电流来考察 输出电压的变化情况，其表达式为：岛= ( 4 u o * 1 0 0 ) 砺。常用的稳压器的两 的值约为0 1 1 左右“。 稳压电源的内阻是指当它的负载改变时，其输出电流i l 相应改变，并引起 输出电压砺的变化，用u o 和五两者的变化值彳砺和4 五的负值定义为内阻 ，o ，条件是输入电压等不变，内阻的表达式为：r o = - a u o a 屯稳压电源希望内阻 很小。内阻小则输出电流i l 对输出电压影响小。 稳压电源的纹波是指与电源频率或内部开关频率有关的叠加在直流输出上 的信号。用有效值或峰峰值表示。 开关电源的优点主要是效率高、自身功耗小、体积小、重量轻、输入电压 范围宽等，很适合功率大，电流大的应用场合。缺点是电压稳定性欠佳。开 关电源要做到优于1 的电压稳定性需经过相当大的努力。开关稳压电源的纹 波较大，例如5 v 的开关电源，5 0 m y 纹波可认为达标，1 0 m v 纹波需进行设计 和实验。开关稳压电流输出电压调整范围不大，负载变化不能太大，不可空 载，空载时整流电路滤波后峰值输出