基于单片机的火灾报警系统设计(编辑修改稿)

基于单片机的火灾报警系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

本设计选用离子感烟传感器（ UD02 型离子感烟传感器）。 相对于感温传感器和气体传感器，离子感烟传感器能在火灾超早期作出准确判断。 第二，单片机的选取。 根据要求，本设计选用的单片机为AT89C51。 第三，接口芯片。 本设计的接口芯 片采用并行接口芯片 8243。 通过 8243 进行多探头监控。 第四，报警装置。 本设计的报警装置采用声光报警装置：首先，起火点会发出声音报警；同时，总控端也会产生声音报警并会显示具体的着火地点（即探头位置）。 第五，电源的设计。 由于要整个系统必须 24 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。 即采用主供电模式和从供电模式达到一用一备的目的。 具体设计见后阐述。 第六，消防联动装置。 当单片机探测到火情后，会自动打开联动消防装置。 系统总构架的设计 火灾 报警系统，能对监测点进行自动检测，一旦出现火情能立即报警，并能指示出发生火灾的具体地点。 本火灾报警系统具有结构简单、可靠性高、成本低等特点。 硬件电路如图 22 所示，主机选用 AT89C51 单片机， 4 线 /7 线译码器选用 74LS48，数码显示部分选用 BS212 共阴数码管，报警电路可选用一片 KD9561 及放大器、扬声器来构成，多点检测电路选用 8243 并行 I/O 口。 由于 8243 每片有四个口，每个口有四个点，故每片 8243 可监测 16 个离子烟雾探测器探头，图 22火灾报警系统设计 7 用了两片 8243，即可检测 32 个探头。 根据需要，还可增加 8243的数量。 图 22 火灾报警系统硬件结构图 火灾报警系统设计 8 3 系统硬件设计 火灾 报警系统硬件的设计在 中已经作了初步的探讨，本章将继续讲述该系统硬件的设计并予以深化。 硬件组成 通过对火灾情况的分析，本设计采用如图 31 所示的硬件组成，报警器硬件由烟雾信号采集模块，声光报警模块以及联动消防模块组成。 图中 1， 2， 3 组成数据采集模块， 4， 5 组成声光报警模块， 5， 6 组成联动消防装置。 其中， 1 为传感器，将现 场烟雾浓度这一非电信号转化为电信号； 2 为信号调理电路，将传感器输出的电信号进行调理（放大、滤波等），使之满足比较转换电路的要求； 3 为比较转换电路，完成将烟雾传感器输出的模拟信号转换为数字信号。 声光报警模块由单片机和报警电路组成，由单片机控制实现不同的声光报警（异常报警、故障报警、火灾报警）功能。 下面对上述的各模块进行详细的介绍 图 31 火灾自动报警系统硬件框图 火灾报警系统设计 9 烟雾信号采集模块 图 31 中 1， 2， 3 组成烟雾数据采集模块，将现场烟雾浓度这一非电信号转 化为电信号，并以数字量的形式送给单片机。 离子感烟传感器的原理 离子感烟传感器探头电路是利用两片放射性物质 241（ AM）α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（ EFT）等电子元件件组成。 其工作原理为： P1 和 P2 是一相对的电极，在电极之间放有α放射源 241 镅，由于它持续不断地放射出α射线，α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 32 所示 图 32 电离电流的形成 如果在极板 P1 和 P2 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 I。 当然，施加电压 E 愈高，电离电流愈大。 直到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，形成火灾报警系统设计 10 一个饱和电流 IS。 如图 33 所示 图 33 电离电流和电压的关系 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。 而单极性是指电离室局部被 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，即主探测区。 本设计选用的离子感烟传感器 UD02 为单极性的。 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传感器的灵敏度。 同时在离子感烟传感器设计中，是将两个单极性电离室串联起来。 如图 34 所示，一个作为检测电离室 AB（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 BC（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。 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）。 火灾报警系统设计 11 图 34 离子感烟探测器工作原理图 在正常 工作状态下，放射源放出的射线电离了电离室的空气，便有电流从 A 经过 B 流向 C，这时电离室是一个典型的电阻元件。 在初始条件下，B 点的电位 Vb 是相对稳定的，烟雾进入 AB 之间的检测室时，电离状态发生变化，导致 AB 之间的电阻阻值变化，而 BC 间组成的参照室因为不感觉烟的存在，基本保持阻值初始状态不变，根据欧姆定律，在 B 点上分压值发生相应的变化，这个变化经过电路放大，作为火警信号输出，从而实现烟信号到电信号的转变。 至于烟雾进入 AB 检测室是如何使电离状态发生变化，是因为当烟雾进入电离室 AB 时，部分正离子和负离子被吸附在了烟 雾颗粒或者那些燃烧生成物上，所以他们在电场中的速度比原来慢得多，并且在移动中部分正负离子中和，这样到达正负极板的离子数量相对减少，从而离子电流变小。 烟雾数量越多，离子电流就越小，而 BC 电离室基本无烟雾进入，离子电流恒定，这样就改变了 B 点的电位。 如图 35 是离子感烟传感器的等效电路图， 无烟雾时， B 点电位约为 1/2E。 若有烟雾，外电离室的离子电流减小，等效电阻增加， B 点电位下降，其下降程度与烟雾数量成正比。 有烟雾和无烟雾时其电位差可达 1V 以上。 火灾报警系统设计 12 图 35 离子 感烟传感器等效电路图 本设计选用的 UD02 型离子感烟传感器具有灵敏度、可靠性好，性能符合标准等特点。 其对外有三个引出脚： A 电极（接电源正端 +9V）、 C 电极（接地）、 B 电极（收集电极即输出端），外形如图 36 所示。 图 36 UD02型传感器 火灾报警系统设计 13 离子感烟传感器专用集成电路 DQ295 根据设计选用的 UD20 型离子感烟传感器，有 DQ295 与之相配套的专用集成电路。 DQ295 的管脚排列如图 37 所示， 图 37 DQ295 管脚图 DQ295 各引脚功能如下： 第 15 脚接离子感烟传感器的收集电极； 12 脚为内部振荡器的外接电容脚； 7 脚接定时电阻； 1 15 脚为输入保护用； 5 脚为发光管 LED； 1 与 4 脚为检测脚； 3 与 15 脚为电压与灵敏度设置脚； 10 与 11 脚为报警输出脚。 其内部功能框图见图 38 所示。 火灾报警系统设计 14 图 38 DQ295内部结构框图 DQ295 集成块内部设有检测信号阀值设置（超过阀值即输出报警声）以及电池（或电源）低压设置（电压低于某值时发 出报警声）。 见图 38，其中 A1 是 电池低电压比较器 A2 信号电压比较器。 A1 作为 检测电池电压的比较器，用来检测电池的分压与内部稳压管相比较，若电池电压较高，比较器 A1 端输出高电平；若电池电压不足 ，则 A1 输出低电平，并给出电池电压不足的报警声（每24 个 时钟脉冲检测一次）。 3 脚为电池电压外部设置端，可以通过外接电阻网络来改变其低电压报警阀值。 A2 是检测信号阀值比较器，无烟雾信号时，传感器的输出平衡电压大于内部设置的阀值电压，比较器 A2 输出低电平；当有烟雾信号时，传感器输出电压下降 1V 左右，则其电压小于 内部设置的阀值电压， A2 翻转为输出高电平，并发出调制报警声。 与A1 一样，也可以通过第 13 脚的外接电阻网络来改变阀值电平高低。 火灾报警系统设计 15 离子感烟火灾报警器应用电路 (1)电路原理： 离子感烟火灾报警器的应用电路见图 39 所示。 它由离子感烟传感器 UD02 和与之配套的专用集成电路 DQ295 等组成。 图 39 离子感烟火灾报警器 离子感烟传感器由内外两个电离室组成，当空气中无烟雾时，输出端 B 输出电平约等于 1/2 电源电压即 ，这时集成块不工作，压电陶瓷喇叭无声。 当 空气中有烟雾粉尘时，烟雾颗粒进入传感器的外电离室，使离子电流大幅下降，相当于等效电阻增大，所 已 B 端电平下降。 此电平下降的信号加到集成块的第 15 脚，使集成块触发工作，第 11 脚就输出调制的报警信号，推动压电陶瓷报警喇叭发出响亮的报警声。 (2)元器件选择与制作 电阻 R 均用 RTX— 1/8W 型炭膜电阻器； 电容 可用 CT1 型磁介电容器； LED 为普通红色二极管； 扬声器 为三端压电陶瓷扬声器； 火灾报警系统设计 16 为保证电 路可靠正常工作，电源采用 9V 稳压电源供给。 单片机控制中心 本设计是基于单片机的声光火灾报警器，单片机是其 中的核心部件，它就像大脑一样，是设计中的枢纽。 AT89C51 是一种低功耗。