煙霧報警器系統(tǒng)研究及設(shè)計論文

1、畢 業(yè) 論 文（設(shè)計） 論文題目：煙霧報警器系統(tǒng)研究與設(shè)計學(xué)生姓名：xxx學(xué) 號：xxxx年級專業(yè)：xxxx指導(dǎo)老師：xx 系 別：xx湖南長沙xxx年x月摘 要火災(zāi)已成為我國常發(fā)性和破壞性以及影響力最強的災(zāi)害之一。隨著經(jīng)濟和城市建設(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。在工業(yè)和民用建筑、賓館、酒店、圖書館、科研和商業(yè)部門，火災(zāi)煙霧報警器已成為必要的裝置?；馂?zāi)報警系統(tǒng)對現(xiàn)代建筑起著極其重要的安全保障作用?；馂?zāi)報警控制器是火災(zāi)煙霧報警系統(tǒng)的核心。本文對火災(zāi)煙霧報警控制器和探測器做了深入的研究，并全面闡述了火災(zāi)煙霧報警

2、控制器和探測器硬件和軟件設(shè)計。以下是本文完成的主要工作：1火災(zāi)煙霧報警系統(tǒng)的控制器采用C8051F020單片機進行設(shè)計，所設(shè)計的控制器具有較高的性價比，還具有操作人員管理、報警信息查詢、探測器管理、預(yù)報警、火警處理、通訊等功能，在控制器中采用LCD顯示器進行報警系統(tǒng)所需各種信息顯示。2探測器控制電路的核心采用PHILIP公司的低功耗P87LPC762單片機，它實現(xiàn)了對火災(zāi)信息的檢測和傳送；為提高系統(tǒng)的適應(yīng)性與擴展性，進行了寫碼器設(shè)計。3控制器與探測器之間的通訊采用無線高頻通訊方式進行，運用KB8825雙頻合成器進行了無線通訊電路設(shè)計，具有抗干擾能力強、功耗低等優(yōu)點，可靠地完成了探測器與控制器之

3、間的無線通信。本文設(shè)計的火災(zāi)煙霧報警電路能有效地防止和減少火災(zāi)危害，解決有線火災(zāi)報警系統(tǒng)不能解決的問題，對保護人身安全和財產(chǎn)安全具有現(xiàn)實意義。 關(guān)鍵詞 火災(zāi)煙霧報警系統(tǒng)電路 火災(zāi)探測器 單片機 目 錄目 錄1第一章 前言11.1煙霧報警系統(tǒng)在國內(nèi)的發(fā)展情況11.2煙霧報警系統(tǒng)的分類2第二章 方案設(shè)計和測量原理22.1引言22.2火災(zāi)探測器的選擇22.2.1離子感煙探測器的工作原理5第三章 火災(zāi)煙霧報警控制器的設(shè)計53.1電源模塊的設(shè)計53.1.1供電方式53.1.2穩(wěn)壓電源73.1.3不間斷供電電路63.2主控模塊設(shè)計73.2.1MCU的選擇73.2.2LCD模塊的接口電路8第四章 火災(zāi)煙霧報

4、警系統(tǒng)的軟件設(shè)計94.1火災(zāi)報警系統(tǒng)控制器軟件設(shè)計94.2火災(zāi)煙霧報警系統(tǒng)通訊模塊軟件設(shè)計9結(jié)論11參考文獻12謝 辭13第一章 緒 論1.1煙霧報警系統(tǒng)在國內(nèi)的發(fā)展情況我國火災(zāi)報警系統(tǒng)起步較發(fā)達國家晚幾十年，從上世紀70年代我國才開始研制生產(chǎn)火災(zāi)報警系統(tǒng)產(chǎn)品。進入80年代后，國內(nèi)主要廠家也多是模仿國外產(chǎn)品，或是引進國外技術(shù)進行生產(chǎn)，沒有真正意義上的核心技術(shù)，并且市場也剛剛開始發(fā)育?；馂?zāi)報警產(chǎn)品真正發(fā)展是在90年代以后，隨著政府逐漸開放國門，國外企業(yè)開始大量進入中國消防市場，帶來先進技術(shù)的同時也促進了市場的成熟。這時期，我國生產(chǎn)火災(zāi)報警產(chǎn)品的企業(yè)也得到了快速發(fā)展，部分企業(yè)進行了合資生產(chǎn)、技術(shù)合

5、作，取得了不菲的成績，也造就了現(xiàn)今市場上許多有實力的商家，部分技術(shù)已接近或趕上了國際水平。區(qū)域可以視為一棟樓或幾層樓的范圍，在區(qū)域報警系統(tǒng)中宜設(shè)置一臺區(qū)域控制器，最多設(shè)置不應(yīng)超過三臺區(qū)域控制器。集中報警控系統(tǒng)是由火災(zāi)探測器、手動火災(zāi)報警按鈕、區(qū)域報警控制器、集中報警控制器等組成。在集中報警系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置一臺集中報警控制器和兩臺以上的區(qū)域報警控制器。集中報警控制器應(yīng)設(shè)置專用值班室或消防值班室內(nèi)，由專人看守。 控制中心報警系統(tǒng)是由火災(zāi)探測器、手動火災(zāi)報警按鈕、區(qū)域報警控制器、集中報警控制器、消防控制設(shè)備等組成。系統(tǒng)中應(yīng)至少設(shè)置一臺集中報警控制器和相關(guān)的消防控制設(shè)備設(shè)置在值班室，其他部位的集中報警控制

6、器應(yīng)將火災(zāi)報警信號和消防聯(lián)動控制信號均送至消防控制值班室。1.2 煙霧報警系統(tǒng)的分類火災(zāi)報警系統(tǒng)根據(jù)需要可劃分為區(qū)域報警系統(tǒng)、集中報警系統(tǒng)和控制中心報警系統(tǒng)?；馂?zāi)探測器根據(jù)火災(zāi)發(fā)生時所表現(xiàn)出來的物理現(xiàn)象可以分為：氣敏型、感溫型、感煙型、感光型、感聲型五大類。第二章 方案設(shè)計和測量原理2.1 引言火災(zāi)報警系統(tǒng)，一般由火災(zāi)探測器和控制器組成。其中火災(zāi)探測器是識別火災(zāi)是否發(fā)生的專門儀器，根據(jù)建筑物或?qū)嵉貓鏊囊?，安裝不同類型的火災(zāi)探測器。火災(zāi)探測器主要分為感煙探測器、感溫探測器和光輻射探測器三大類，其中離子感煙探測器穩(wěn)定性能較好，誤報率低，壽命長等優(yōu)點，在火災(zāi)報警系統(tǒng)中被廣泛使用。 2.2 火災(zāi)探

7、測器的選擇對各類火災(zāi)探測器進行比較后，根據(jù)設(shè)計本系統(tǒng)的實際情況出發(fā)，系統(tǒng)采用離子感煙探測器，它是一種室內(nèi)安裝的探測器，可以探測可見和不可見的煙霧，具有對火災(zāi)進行早期預(yù)報功能。在火災(zāi)發(fā)生初期，當進入離子感煙探頭中采樣室的煙濃度超過由參考室的門限值時，離子感煙探頭底座上的指示燈將點亮，同時送出報警電壓信號。在輸入回路中，離子感煙探測器內(nèi)的接口電路十分關(guān)鍵。通過探測器接口電路可以將探頭報警電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌l率的電信號傳送到控制器，由控制器判別處理，確定火災(zāi)位置報警。2.2.1 離子感煙探測器的工作原理離子感煙探測器探頭電路是利用兩片放射性物質(zhì)241（AM）源構(gòu)成的兩個電離室（檢測電離室和補償電離室

8、）及場效應(yīng)晶體管（EFT）等電子元件件組成。 其工作原理為：P1和P2是一相對的電極，在電極之間放有放射源241镅，由于它持續(xù)不斷地放射出射線，粒子以高速運動，撞擊空氣分子，從而使極板間空氣分子電離為正離子和負離子（電子），這樣電極之間原來不導(dǎo)電的空氣具有了導(dǎo)電性，實現(xiàn)這個過程的裝置我們稱它為電離室，如圖2.1所示。圖2.1 電離電流的形成如果在極板P1和P2間加上一個電壓E，極板間原來做雜亂無章運動的正負離子，此時在電場的作用下，正負離子做有規(guī)則的運動，正離子向負極運動，負離子向正極運動，從而形成了電離電流I。施加電壓E愈高，電離電流愈大。當電離電流增加到一定值時，外加電壓再增高，電離電流也

9、不會增加，此電流稱之為飽和電流IS，如圖2.2所示。圖2.2電流和電壓的關(guān)系電離電離室又可分為雙極性和單極性兩種。整個電離室全部被a射線所照射，電離室內(nèi)的空氣都被電離，我們把這種電離室稱為雙極性電離室。所謂單極性電離室，是指電離室局部被a射線所照射，使一部分形成電離區(qū)，而未被a射線所照射的部分則為非電離區(qū)。這樣在同一個電離室內(nèi)分為兩個性子不同區(qū)域。如圖2.3所示。我們把這個非電離區(qū)稱為主探測區(qū)。圖2.3單極性電離室示意圖綜上所述，離子感煙探測器在正常運行中對煙霧的識別能力較強，穩(wěn)定性較好。因此本系統(tǒng)所采用的火災(zāi)報警探測器是離子感煙探測器，由它把物質(zhì)初期燃燒所產(chǎn)生的煙霧信號轉(zhuǎn)換成支流電壓信號，通

10、過導(dǎo)線傳輸給報警器，發(fā)出聲光報警信號。第三章 火災(zāi)煙霧報警控制器的設(shè)計火災(zāi)報警系統(tǒng)控制器的硬件由電源模塊和主控模塊組成。電源模塊用于對控制板上各電子元器件供電，并要保證在市電突然停止供電的一定時間內(nèi)保持系統(tǒng)正常工作。主控模塊完成火災(zāi)報警信息查詢、探測器管理、預(yù)報警、火警處理、通訊等功能。下面對這些電路的設(shè)計分別進行介紹。3.1 電源模塊的設(shè)計在各種電子設(shè)備中，電源是不可缺少的組成部分，其性能的高低直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標和能否安全有效的工作。我國市電電壓波動較大，噪音污染比較嚴重，工控系統(tǒng)由電源引起的故障要占一定的比例。因此，精心設(shè)計一個可靠、高效、穩(wěn)定的電源是一項重要的設(shè)計工作。3.1.

11、1 供電方式因為整個系統(tǒng)必須24小時連續(xù)工作，并要保證在市電突然停止供電的一定時間內(nèi)保持系統(tǒng)正常工作即：主供電模式和從供電模式。其中主供電模式是通過工頻變壓器將市電降壓，然后經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓輸出所要求的直流電；從供電模式是在主電源突然停止供電的情況下，通過蓄電池直接供給系統(tǒng)所需的直流電，從而保持系統(tǒng)正常工作。結(jié)論：經(jīng)由以上討論，聯(lián)系現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范及設(shè)計要求確定本次設(shè)計系統(tǒng)采用雙電源供電模式.3.1.2 穩(wěn)壓電源線性集成穩(wěn)壓器60年代末問世，經(jīng)歷了多端可調(diào)集成穩(wěn)壓器、輸出電壓固定的三端集成穩(wěn)壓器、三端輸出電壓可調(diào)的集成穩(wěn)壓器三個階段的發(fā)展。其中，三端輸出電壓可調(diào)的集成穩(wěn)壓器具有：穩(wěn)壓性能好、外

12、圍元件少、設(shè)計組裝調(diào)試方便、可靠性高、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點，它還具備芯片過熱保護、限流保護等功能，這些功能是分立元件難以制作的，因此這類集成穩(wěn)壓器得到了廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)的備用電源采用為蓄電池，而蓄電池的充電電流一般應(yīng)控制在電池容量安培小時（AH）的十分之一，也就是說，對蓄電池充電需要一個恒流源。利用三端可調(diào)正輸出集成穩(wěn)壓器LM317，可以組成各種恒流源。LM317屬于第二代三端集成穩(wěn)壓器，輸出電壓連續(xù)可調(diào)，是串聯(lián)浮式結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部設(shè)置了過流保護、短路保護、調(diào)整管安全工作區(qū)保護及芯片過熱保護等電路，使用十分安全可靠。LM317在本系統(tǒng)中的應(yīng)用電路圖如圖3.1所示。圖3.1 LM317應(yīng)用

13、電路圖LM317內(nèi)部由穩(wěn)定性很高的恒流源提供電流IADJ=50uA作為基準電壓源的供電電流，此電流從ADJ端（調(diào)整端）輸出。它的基準電壓源是一種能帶間隙式基準源，在輸出端和ADJ端提供穩(wěn)定性很高的電壓VREF=1.25V作為基準。本系統(tǒng)需要多種電壓，主板上存在的電壓主要有：TTL/CMOS元件的工作電壓為+5V和+3.3V，+12V專用蓄電池的充電電壓一般為+13V左右，液晶顯示器需要一個負的對比度調(diào)節(jié)電壓UADJ，本系統(tǒng)采用T6963為控制器的點陣圖形字符顯示LCD需要的UADJ為-10V。為得到系統(tǒng)要求的各種電壓，我們采用的方法是：將變壓器輸出的電壓經(jīng)過橋式整流、平滑濾波得到了+16V直流

14、電，但是輸入輸出回路中的監(jiān)視電路對電壓的穩(wěn)定性要求較高，所以直流電還必須其經(jīng)過三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器LM317的穩(wěn)壓，從LM317輸出的波紋極小的+13V左右直流然后在經(jīng)過濾波后可為從電模式供電電源（+12V蓄電池）充電。而TTL/CMOS元件則由DC-DC可調(diào)模塊MAX831提供穩(wěn)定的+5V電壓，其中，MAX831要求輸入端電壓在+8V到+30V之間。在采用從電模式時，蓄電池也對MAX831進行充電，讓其輸出穩(wěn)定的+5V電源，維持系統(tǒng)正常工作。由于系統(tǒng)中有采用+3.3V電源供電的TTL/COMS元件，由于整個系統(tǒng)必須24小時連續(xù)工作，系統(tǒng)采用雙電源供電模式。從LM317穩(wěn)壓器輸出的電壓在蓄電池不

15、足時，要以12V左右的電壓給蓄電池充電，以防在市電突然中斷時，蓄電池有足夠的電量在設(shè)計系統(tǒng)規(guī)定的時間內(nèi)維持系統(tǒng)正常工作，另外由于接口電路需要它正常工作的+5V電壓，控制器核心芯片C8051F020供電電壓+3.3V以及LCD驅(qū)動所需-10V電壓。而LM317穩(wěn)壓器在壓差大的情況下，轉(zhuǎn)換效率低，而且需另加散熱片。結(jié)論：由于本系統(tǒng)對穩(wěn)定性要求較高，所以決定采用線性直流穩(wěn)壓電源。 3.1.3 不間斷供電電路對于重要生產(chǎn)過程或設(shè)備，突然停電會造成重大損失，這時要考慮不間斷供電裝置。常用的不間斷供電裝置有不間斷供電電源UPS、柴油機發(fā)電機組、蓄電池和直流交流逆變器等。大容量UPS價格較貴；柴油發(fā)電機組啟

16、動慢、機械噪音大、而且必須定期進行維護；因此本系統(tǒng)采用蓄電池作為備用電源。對蓄電池容量的最低要求是：電池提供的電流要能維持系統(tǒng)滿負荷運行8小時。蓄電池浮充電的一種簡單的方法見圖3.2。圖3.2 浮充電方式不間斷電源當交流電源正常時，蓄電池相當于在電源線上并接旁路電容器，它對交流電源侵入的噪音有旁路作用，所以使系統(tǒng)的噪音容限得到提高。本系統(tǒng)需要由一個主電源（交流電源）和一個副電源（蓄電池）提供所需要的能量。在正常情況下，通過交流電源供電。當發(fā)生停電或交流電源發(fā)生故障時，備用的蓄電池對MAX831芯片供電來維持整個系統(tǒng)繼續(xù)正常工作。兩組電源之間的切換是通過一個二極管實現(xiàn)的。3.2 主控模塊設(shè)計3.

17、2.1 MCU的選擇主控模塊的核心是一塊八位MCU（微控制器）。它的主要功能是整個系統(tǒng)進行初始化，提供主板上的各種控制信號，并對讀入的數(shù)據(jù)進行處理，并把處理的結(jié)果發(fā)送到輸出模塊和通訊模塊。目前單片機已進入廣泛發(fā)展時代，目前我國銷售的主流MCU產(chǎn)品是8051、AVR、PIC等系列單片機，硬件工程師選擇單片機時考慮的主要問題有：性價比較高、容易開發(fā)。選擇單片機應(yīng)從兩個方面考慮：其一目標系統(tǒng)需要資源情況；其二是選擇價格低的產(chǎn)品。資源方面考慮的重要指標有：速度、位數(shù)、電壓、功耗、存儲器容量、系統(tǒng)擴展與驅(qū)動能力、抗干擾能力，是否嵌入ADC、DAC等。另外軟件開發(fā)的簡易性也是考慮的重要因素。同一類產(chǎn)品往往

18、很多兼容系列，不同廠商價格有很大的區(qū)別。更重要的是要選擇供貨服務(wù)好、能提供良好的技術(shù)服務(wù)支持、信譽高的代理經(jīng)銷商。 根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，我們設(shè)計系統(tǒng)控制器時，選擇了一片美國CYGNAL集成產(chǎn)品公司生產(chǎn)的C8051F020單片機作為系統(tǒng)的處理器，它具有如下幾個重要的優(yōu)點：速度快、強大的模擬信號處理功能、先進的JTAG調(diào)試功能、強大的控制功能、豐富的串行接口、多達22個中斷源、可靠的安全機制、有多大64K的FLASH存儲器，部分可以作為數(shù)據(jù)存儲器使用，同時片內(nèi)可有多達4KB的RAM存儲器等。C8051F020是一種集成度高、功能強大的單片機芯片，非常適合于要求速度快、可靠性高、擴展功能強和節(jié)電的應(yīng)

19、用系3.2.2 LCD模塊的接口電路作為一個完整的火災(zāi)報警系統(tǒng)，顯示部分是必不可少的一部分。在本系統(tǒng)設(shè)計中，顯示模塊采用主芯片為T6963的LCD點陣圖形字符顯示器，它可顯示4行漢字，每行15字，共60個字，或顯示8行數(shù)字（包括字母）每行30字符，共240個字符。主控模塊與LCD模塊的接口電路如圖3.3所示。圖3.3 LCD模塊的接口電路第四章 火災(zāi)煙霧報警系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1 火災(zāi)報警系統(tǒng)控制器軟件設(shè)計因為系統(tǒng)最終面向終端用戶，而用戶一般對技術(shù)細節(jié)不了解，也不需要了解，用戶直接接觸到的是軟件的運行界面。在系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，用戶往往通過操作界面的簡潔與否、操作流程的復(fù)雜程度、截面是否有良好

20、的一致性、是否可以方便的二次開發(fā)等標準來評價一個系統(tǒng)的優(yōu)劣。從編程人員的角度考慮，能夠輕松維護和升級的程序才有活力。因此，在基本功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，如何為用戶提供一個簡單、舒適、友好的界面，如何能使用戶方便、簡單的操作系統(tǒng)，如何在現(xiàn)有基礎(chǔ)上方便的實現(xiàn)軟件的維護和升級，如何能使擁護容易的進行二次開發(fā)，使現(xiàn)代系統(tǒng)軟件設(shè)計的目標。報警控制器軟件的基本功能設(shè)計要求如下：1要能夠?qū)γ總€火災(zāi)探測器進行管理，包括查詢火災(zāi)報警探測器的相關(guān)信息、修改火災(zāi)探測器的相關(guān)信息、增加、刪除火災(zāi)報警探測器。在軟件運行過程中，可以隨時在界面上觀察火災(zāi)探測器的工作狀態(tài)。2要能夠準確判明發(fā)生火災(zāi)或故障的火災(zāi)探測器的位置，并且在界

21、面上顯示相關(guān)報警信息，提示操作人員進行處理。如果發(fā)生了火災(zāi)，系統(tǒng)除了在屏幕上顯示出報警信息，發(fā)出報警以外，還將相關(guān)報警信息打印出，以方便查閱、分析。3軟件要完成報警控制器和各火災(zāi)探測器之間的通訊。報警控制器和火災(zāi)報警探測器之間是無線通訊，接收火災(zāi)探測器發(fā)送的數(shù)據(jù)，完成對火災(zāi)探測器的巡檢。4軟件還要能夠管理操作人員的相關(guān)信息?？梢栽黾?、刪除操作人員，并且可以修改現(xiàn)有操作人員信息。軟件運行時需要輸入操作人員編號和密碼進入系統(tǒng)，使對于操作系統(tǒng)的人員進行更好的管理，使系統(tǒng)具有更高的安全性。軟件還要做到能方便查詢報警控制器和火災(zāi)探測器之間傳遞的數(shù)據(jù)記錄，以及程序主界面報警信息查詢模塊通訊模塊火警處理模塊

22、探測器查詢模塊探測器管理模塊操作人員管理模塊系統(tǒng)運行日志模塊系統(tǒng)進行的歷史記錄4.2 火災(zāi)煙霧報警系統(tǒng)通訊模塊軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件中，很重要的一個功能就是實現(xiàn)報警控制器和火災(zāi)探測器之間的通訊。通訊過程為：由火災(zāi)報警器依次向各個火災(zāi)探測器發(fā)送巡檢數(shù)據(jù)包，火災(zāi)探測器接收到數(shù)據(jù)包后檢查數(shù)據(jù)包內(nèi)包含的火災(zāi)探測器地址編碼，如果和自身的地址編碼相匹配說明數(shù)據(jù)包是發(fā)給自己的；否則，丟棄該數(shù)據(jù)包，不作任何響應(yīng)。當火災(zāi)探測器確定報警控制器是呼叫本機時，由數(shù)據(jù)包頭可以判斷出數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，對數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)做出正確的處理。為了確保數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，每個數(shù)據(jù)包最后一個字節(jié)傳輸?shù)氖钦麄€數(shù)據(jù)包計算出的效驗和，接收方也通過同樣的方法計算出數(shù)據(jù)包的效驗和，二者相比較，如果一致則認為數(shù)據(jù)包傳輸正確；否則，認為數(shù)據(jù)包傳輸錯誤，要求重新傳輸該數(shù)據(jù)包，當火災(zāi)報警控制器發(fā)送巡檢數(shù)據(jù)包后，報警控制器處于等待狀態(tài)，等待時間可以在程序中人為設(shè)定，如果在等待時間內(nèi)接收到報警探測器返回的數(shù)據(jù)包，判斷正確后，可以對數(shù)據(jù)包進行相應(yīng)處理。如果在預(yù)設(shè)時間內(nèi)沒有收都無法收到火災(zāi)探測器的答應(yīng)數(shù)據(jù)包，則系統(tǒng)判斷通訊線路或者該火災(zāi)探測器出現(xiàn)故障。在LCD顯示器屏幕顯示錯誤警告，提示操作人員檢查?；馂?zāi)報警控制器通信程序流程圖如圖4.1所示。圖4.1 火災(zāi)煙霧報警控制