基于单片机的消防火灾自动报警控制系统的研究与设计

基于单片机的消防火灾自动报警控制系统的研究与设计内容摘要：

般用于工业和民用建筑中的感温式火灾探测器有定温式、差温式、差定温式等几种。 感温探测器对火灾发生时温度参数的敏感，其关键是由组成探测器核心部件 —— 热敏元件决定。 感温式火灾 探测器适宜安装于起火后产生烟雾较小的场所。 平时温度较高的场所不宜安装感温式火灾探测器。 2)感烟式火灾探测器火灾的起火过程一般都伴有烟、热、光三种燃烧产物。 在火灾初期，由于温度较低，物质多处于阴燃阶段，所以产生大量烟雾。 烟雾是 早期火灾的重要特征之一，感烟式火灾探测器是能对可见的或不可见的烟雾粒子 响应的火灾探测器。 它是将探测部位烟雾浓度的变化转换为电信号实现报警目的 菏泽学院本科生毕业设计（论文） 9 一种器件。 感烟式火灾探测器有离子感烟式、光电感烟式、激光感烟式等几种型 式。 感烟式火灾探测器适宜安装在发生火灾后产生烟雾较大或容易产生阴燃 的场 所：它不宜安装在平时烟雾较大或通风速度较快的场所。 3)感光式火灾探测器：物质燃烧时，在产生烟雾和放出热量的同时，也产生可见或不可见的光辐射。 感光式火灾探测器又称火焰探测器，它是用于响应火灾的光特性。 即扩散火焰燃烧的光照强度和火焰的闪烁频率的一种火灾探测器。 根据火焰的光特性，目前使用的火焰探测器有两种：一种是对波长较短的光辐射敏感的紫外探测器，另一种是对波长较长的光辐射敏感的红外探测器。 紫外火焰探测器是敏感高强度火焰发射紫外光谱的一种探测器，它使用一种固态物质作为敏感元件，如碳化硅或硝酸铝，也可使用一种充气管作为敏感元件。 红外光探测器基本上包括一个过滤装置和透镜系统，用来筛除不需要的波长，而将收进来的光能聚集在对红外光敏感的光电管或光敏电阻上。 感光式火灾探测器宜安装在有瞬间产生爆炸的场所。 如石油、炸药等化工制造的生产存放场所等。 4)可燃气体探测器：可燃气体探测器是对单一或多种可燃气体浓度响应的探测器。 可燃气体探测器有催化型和半导体型两种类型。 催化型可燃气体探测器是利用难熔金属铂丝加热后的电阻变化来测定可燃气体浓度。 当可燃气体进入探测器时，在铂丝表面引起氧化反应 (无焰燃烧 )，其产生的热量使铂丝的温度升高 ，而铂丝的电阻率便发生变化。 半导体可燃气体探测器要用灵敏度较高的气敏半导、体元件，它在工作状态时，遇到可燃气体，半导体电阻下降，下降值与可燃气体浓度有对应关系。 5)复合式火灾探测器：复合式火灾探测器是对两种或两种以上火灾参数响应的探测器，它有感烟感温式、感烟感光式，感温感光式等几种型式．目前，国内用于易燃、易爆场所的火焰探测器只有单红外或单紫外两种，由于这两种探测器只有单一红外线或单一的紫外线接收传感器，凡遇红外或紫外光源，传感器都将动作，所以误报频率较高。 根据本系统所要求的探测部位的特点，为了提高火灾监 控系统的功能和可靠性，保证自动灭火系统的动作的准确性，探测器选择了用紫外火焰探测器和红外探测器。 本系统所用探测器 1)紫外火焰传感器 图 23 紫外火焰传感器 本系统采用的是日本生产的火焰 UV探测传感器，火焰传感器 HamamatsuR2868，称为火焰发现者。 在火星产生瞬间能够准确地发现，并且对非可见光的高传输的电晕现象可以完全解除。 Hamamatsu R2868是利用紫外线 TRON通过金属的光电效果和瓦斯乘法效果来发现火星源，它具有很小的体积和很宽敏感角度 (择向性 )，并能快速准确地发现 从火焰被发出的弱紫外线 (能够探测 5 m或在稍远处发现香烟点大小的火焰。 它可以探测 185到 260个不同的狭窄光谱敏感源。 它对可见光完全没有感应，也不需要过滤任何可见光 (不像半导体探测器 )， 图 24为它的光谱敏感图。 菏泽学院本科生毕业设计（论文） 10 图 24 光谱敏感图 传感器就是一个双极光电器。 内部由金属电极，电介质的内部没有载流子，没有导电能力。 但电介质由带电粒子组成，当双极光电器玻璃管两个引脚间有电压时，在外界电压的作用下，如果有火焰，双极光电器中的阴极将会激发出电子并且在电场力的作用下向阳极运动，形成电流，从而导致两个引脚接通。 当外界无火时， 350V电源通过 c1充电，此时 AK两端 350V电压，一旦有火， AK在 350V电压下导通，此时电容 c1开始放电，随着 C1放电， A端电压下降，由于 AK两端电压不够350V，不能导通，此时 AK截止，电源又开始对 c1充电，这样即使有火源输出仍为一个个脉冲。 2)红外传感器 在自然界，任何高于绝对温度 (一 273度 )时物体都将产生红外光谱，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的。 在被动红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器 (PIR)，它能将波 长为 812um之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用，因此在红外探测器的警戒区内，当无火焰时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当火焰产生后，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是火焰温度与背景温度的差异信号，因此，红外探测器的红外探测的基本概念就是感应火焰与背景物体的温度的差异。 火焰中的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。 菲涅尔透镜有两种形式，即折射式和反射式。 菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射 (反射 )在 PIR上，第二个作用是将警 戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的火焰能以温度变化的形式在 PIR上产生变化热释红外信号，这样 PIR就能产生变化的电信号红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。 热释典红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。 本系统采用单元热释电红外传感器，它的工作波长为 4． 35． 0． 15到 4． 35+0． 15urn。 该传感器将两个极性相反。 特性一致的探测元串接在一起，目的在于消除因环境温度和本身变化引 起的于扰。 它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号可在内部相互抵消的原理，使传感器起到补偿作用，对干辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元 L。 因此传感器会输出探测信号电压。 菏泽学院本科生毕业设计（论文） 11 系统的输入检测通道 系统的输入检测通道是配合探测器一起将外界的光热变化转化为电信号，送到控制器进行判断。 探测器是探测外界变化，输入检测通道则是检测其变化同时将此变化信号转化为与控制器相一致的电信号的相关电路。 系统的输入检测通道一共有三组。 第一组是通过光敏三级管感应信号的输入放 大电路，第二组是紫外探测器输入检测通道，第三组是红外传感器输入放大通道。 光敏三级管用于启动火灾报警系统装置的防尘罩，开启整个装置，进行火源扫描；紫外探测器和红外传感器两者结合作为确认火灾的方法。 紫外探测器输入检测通道 紫外探测器输入检测电路主要由紫外探测器驱动电路和信号加工处理电路两部分组成，电路原理图如图 25所示： 图 25 紫外探测器输入检测电路 紫外探测器驱动电路：当上电以后，由 NE555构成的振荡器将产生一定频率的振荡信号通过三极管 Q1给变压器，因而变压器副边也将产生一个与原边同频 率的幅值为 350V的振荡电压，通过二极管 D2和电容 C4整流滤波后给紫外探测器提供 350V的工作电压，一旦发现火源，探测器接收到紫外线后， AK导通 K点将出现高电压，通过电容 C6放电，这样 C6一充一放形成一定频率的信号，经过 HEF4093B将频率信号整形。 驱动电路输出的信号频率将随着火源大小的变化而变化，当火焰大时，输出信号的脉冲信号频率将变大，反之变小。 输出频率范围根据我们的实验数据为 20Hz85Hz之间。 为了提高传感器的敏感性，减少误判断，信号处理电路对紫外驱动电路输出信号进行加工处理。 当无火源紫外线时， 由于某些外界日光或者特殊噪音，探测器感应到后，驱动电路输出一些零星的脉冲，此类脉冲为一个小时几次或者几十 次。 为了区分此类干扰以免产生误判断，信号加工处理电路将对驱动输出信号计数，如果在 2S内连续出现 3或 9次脉冲，则输出一个高电平信号给控制器。 红外传感器输入放大通道 红外传感器输入放大电路就是通过两级低通滤波放大电路组成。 电机驱动模块 菏泽学院本科生毕业设计（论文） 12 在中央控制单元中，输入的信号经过逻辑处理以后来判断是属于火灾、故障、正常的哪一种情况，根据具体判断来做出相应控制。 当需要进行火源扫描时，单片机 通过电机驱动模块驱动电机对四周进行扫描探测进行判断。 根据系统要求，采用了三台电机共同完成整个扫描。 这也是本系统的特点之一。 电机采用混合式两相步进电机。 额定电压 24V，额定电流 1． 5A，系统采用三台步进电机，分别控制装置外壳的开启，水平方向的扫描以及竖直方向的扫描。 负责外壳的开启的步进电机通过光敏传感器判断是否开启外壳：负责扫描的两台步进电机是通过在其附近安装上的紫外传感器和红外传感器进行扫描。 通过横向与纵向相结合的扫描最终完成火源的精确定位。 装置的外壳也是特点之一，外壳能够有效的防止尘埃进入装置，从而提高了系统的可靠性。 三个步进电机驱动都采用同样的 L298芯片设计完成。 单片机输出控制信号隔离电路 单片机控制三个电机的所有信号均通过光耦 TLP5214输出。 当单片机控制引脚输出为低电平时，发光二极管导通发光，从而使得三级管导通，驱动控制信号为低电平。 当单片机控制引脚输出高电平时，发光二极管截止，三级管也处于截止状态，驱动控制信号被上拉为驱动电路高电平。 电机驱动电路模块 中央控制单元单向控制电机的硬件框图，从单片机数据口送出的电机控制信号经过光偶隔离后经过 40106B反相后分别通过 L298控制三个步进电机。 单片机分别送出三个电机各自的 M． A、 M． B、 M， D三个信号给 L298芯片分别控制电机的两相通电以及电机反向控制；电机是带动机械部分的旋转，每个电机控制的机械部分旋转有一个限定范围，当达到极限时需要电机反向通电从而让机械部分反向旋转。 因此，机械部分通过一个单刀双掷开关配合每个电机旋转控制。 Lh、 LMT两个信号表示单刀双掷开关的状态，通过光偶隔离输入给单片机从而判断三个电机是否反转。 通信模块 通信模块的功能 灭火装置一般位于工厂房顶等比较高处的位置 ，维修或者检测起来比较不方便，为此我们最终选用无线遥控的通信方式能够方便的实现以下三个功能： 1观察运行状态，例如：哪个电机在运行，运行的状态是什么等。 2可以通过上位机来改变系统的参数来改变系统的运行状态； 3实现人工模拟检测电机功能。 通信模块总框图 图 27是通信模块的总框图，从图可知，通过两个 HAC— UM微功率无线数传模块可以实现上位机到单片机之间的无线遥控通信。 图 27 通信模块总框图 HACuM微功率无线数传模块介绍 1)HAc— uM系列微功率无线数传模块特点 (1)微功率发射，最大发射功率 10mw。 (2)ISM频段，无需申请频点。 载频频率 433Hz(可提供其他载频 400’ 470M，载频 868／ 915Elz型号为 UN)。 上 位 机 串口通讯 HACUM 数据模块 无线遥控 HACUM 数据模块 串口通讯 单 片 机 菏泽学院本科生毕业设计（论文） 13 (3)高抗干扰能力和低误码率。 基于 FSK的调制方式，采用高效前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力，在信道误码率为 101时，可得到实际误码率 105— 106。 (4)传输距离远。 视距情况下，天线放置位置 2米，可靠传输距离可达 1000m(BER=101／ 1200bps)，可靠传输距离 大于 500m(BER=101／ 4800bps)，可靠传输距离大于 300m(BER=101／9600bps)。 (5)透明的数据传输。 提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议。 自动过滤掉空中产生的假数据 (所收即所发 )。 (6)多信道。 HACuM标准配置提供 8个信道，如果用户需要，可扩展 N16／ 32信道。 满足 用户多种通信组合方式。 (7)双串口， 3种接口方式。 HAC— uM提供 2个串口 3种接口方式， COMI为 TTL电平 UART接口． COM2由用户自定义为标准的 RS232／ RS一 485口 (用 户只需要拔插 l位短路器再上电即可定义 )。 (8)大的数据缓冲区。 接口波特率即为有效波特率： 1200／ 4800／ 9600／ 19200／ 38400bps。 (9)智能数据控制，用户无需编制多余的程序。 即使是半双工通信，用户也无需编制多余的程序，只要从接口收／发数据即可，其它如空中收／发转换，控制等操作， HACuM自动完成。 (10)高可靠性，体积小、重量轻。