基于单片机的综合火灾报警系统

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1、基于单片机的综合火灾报警系统王紫昀（1. 西安工业大学 电子信息工程学院,陕西 西安710021摘要： 本系统采用AT89C51作为控制器，选用温度传感器DS18B20、烟雾传感器、红外敏感元件ST178P作为火灾探测的敏感元件，采用声光报警的方式，设计出可以应用于办公室、教室、家庭房屋等场所的简单实用的火灾探测报警器。单片机巡回检测温度、红外辐射、烟雾并显示温度，当以上任一项发生异常时系统判断具体是哪项异常，再发出相应的声光报警信号，只到异常被排除，系统自动停止报警关键字：单片机、DS18B20、ST178P、火灾报警161引言：我国的火灾自动报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过

2、程，其智能化程度也越来越高，灵敏度也越来越高。目前国内厂家多偏重用于大型仓库、商场、高级写字楼、宾馆等场所大型火灾报警系统的研发，他们采用集中区域报警控制方式，其系统复杂、成本较高。本系统则主要应用于居民住宅、机房、办公室等场所的小型防火报警器。廉价实用且可在火灾发生的初期就检测到并且发出声光报警，同时可实时显示该场所的环境温度。2报警器硬件设计： 设计原理：单片机巡回检测温度、红外辐射、烟雾并显示温度，当以上三项任意两项或三项都同时发生异常时系统认为发生了火灾，发出声光报警信号，只到异常被排除，系统才自动停止报警。 2.1硬件组成：AT89C51控制模块温度采集模块红外检测模块烟雾探测模块声

3、光报警模块数码管显示模块 图2-1硬件组成如图2-1，本系统主要由单片机控制模块、烟雾探测模块、温度采集模块、红外探测模块、数码管显示模块、声光报警模块、电源模块。2.2单片机控制模块：2.2.1AT89C51的简介因本系统要求实时显示环境温度，涉及到一些计算及BCD转化的处理，同时考虑到功耗等问题，综合考虑后选择AT89C51作为本系统的中央控制器。2.2单片机控制模块2.2.1 AT89C51的简介因本系统要求实时显示环境温度，涉及到一些计算及BCD转化的处理，同时考虑到功耗等问题，综合考虑后选择AT89C51作为本系统的中央控制器。图2-2-1 单片机接线图 AT89C51是一种带4K字

4、节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51是它的一种精简版本。AT89C51单片机 为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉

5、的方案。 2.2.2单片机接线 如图2-2-1所示P0口用于控制发光二极管，P1.0、P1.1作为数码显示的数据口和时钟。P1.2 接温度传感器DS18B20的数据脚，用于读入温度，P1.3接红外辐射的检测口，当红外辐射大于常态时P1.3状态变为1，P1.4接烟雾传感器的检测口，当烟雾浓度大于常态时该口状态变为1， P1.5作为蜂鸣器的控制口，当发出声音报警是P1.5口输出一定频率的方波。20脚接地，40脚接电源，18、19接6MHZ晶振输入端，31脚接电源端。2.3声光报警电路因为本系统是应用在办公室、机房等小单位的防火场所，所已采用发光二及管电路及蜂鸣电路作为报警电路，其接线如图2-4所示

6、 图2-4 声光报警电路2.4烟雾检测模块离子感烟探测器和光电感烟探测器是目前工程中应用最广泛的两种火灾探测器。离子感烟探测器是利用放射性同位素衰变过程中放出的射线使电离室内的空气产生电离，使电离室在电子电路中呈现电阻特性。当烟雾进入电离室后，改变了空气电离的离子数，即改变了电离电流，也就相当于电离室的阻值发生了变化。根据电阻变化的大小识别烟雾量的大小，并判断是否发生火灾。光电感烟探测器是利用火灾烟雾对光产生吸收和散射作用来探测火灾的一种装置。通过测量由于烟雾对光的吸收而产生的衰减作用来确定烟雾，从而探测火灾的探测器称为减光型光电感烟探测器。如果在光路以外的地方，通过测量烟雾对光的散射作用而产

7、生的光能量来确定烟雾从而探测火灾的探测器，称为散射型光电感烟探测器。本系统采用离子式感烟探测器作为本系统的烟雾敏感元件。离子式感烟探测器的工作原理是：有两个电离室串联，构成等效于电阻串联的偏置电路。其中一个是基本不与外界相通的内电离室，另一个是与外界相通的外电离室，两个电离室中均放入一片放射源镅24l(AM241)，不断地放射出粒子，使两室内的气体都被部分电离。当有烟雾进入外电离室，因烟雾颗粒吸附一部分离子，使外室的离子电流减小等效于它的电阻增大，分压电位增高。当烟雾达到检测的限定浓度时，则电位增高到能触发开关电路(高电位触发型)而报警。2.5红外探测模块2.5.1 LM339比较器的使用简介

8、LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压，另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。2.5.2 ST178的工作原理本系统的红外检测模块采用单光束反射取样式光电传感器ST178，该传感

9、器主要应用于物体运动方向及正反转转速、行程测量等。其在本系统中的应用原理是，光电传感器接收孔探测到火焰辐射的较强烈的红外线时，接收管导通输出一定的电压，辐射越强烈，则3脚输出的电压也越大，应此把3脚接与比较器LM339，当辐射达到一定时比较器输出高电平，当在无红外辐射或辐射较少时，比较器输出底电平，并且ST178对人体辐射的红外线波长不敏感，对火焰辐射的红外线可灵敏检测，价格实惠，因此本系统采用该传感器作为红外敏感元件。其电路接线如下图2-6所示,其中P1.3、P1.4接单片机的对应口，YL1接离子式烟雾传感器的报警触发信号口。 图2-5-2 ST178的接线图2.6 温度采集模块本系统要求要

10、实时显示环境温度当温度高于常态时作出声光报警，为了能够更准确更快速地采集到环境温度，采用温度传感器DS18B20作为温度敏感元件。2.6.1 DS18B20简介DS18B20“一线总线”数字化温度传感器支持“一线总线”接口，测量温度范围为 -55C+125C，在-10+85C范围内,精度为0.5C。DS1822的精度较差为 2C 。现场温度直接以一线总线的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5C。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设

11、定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20的性能是新一代产品中最好的！性能价格比也非常出色！省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为2C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待1660微秒左右，后发出60240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此

12、信号表示复位成功。2.6.2 接线图接线如下图2-7-2所示：图2-6-2DS18B20接线图2.7电源电路本系统烟雾传感器的供电电压为9V,C51及其他芯片的工作电压是5V,应此采用9V镍氢镍镉充电电池提供9V烟雾传感器的电源,再用芯片7805从9V电源中分压变成5V作为C51及其他芯片的供电电源,其接线图如下 图2-7 电源电路图3软件设计3.1主要设计思路主程序循环判断以上三项是否发生异常，当有 一项异常时，系统再判断其他两项是否有一项或两项都异常，如果是则系统认为发生了火灾，发出声光报警，只到异常被排除，如果其他两项都没有异常则系统认为没有发生火灾，系统继续循环检测。3.1.1主要端口

13、说明P1.0为单片机向数码管串行输出要显示的温度的数据口，P1.1为单片机向数码管串行输出数据的脉冲信号，P1.2温度传感器DS18B20的数据输入口， P1.3红外辐射检测端口，单片机检测到该口为高电平时认为红外辐射发生了异常，P1.4烟雾传感器的检测口，单片机检测到该口为高电平时认为烟雾浓度过高，发生异常，P1.5蜂鸣器的触发信号口。3.1.2主程序流程图3-1-2主程序流程图关闭所有中断，调用RESET子程序初始化DS18B20调用WRITE子程序送入读温度暂存器命令调用WRITE子程序送入跳过ROM命令调用READ子程序读温度暂存器内容读出温度值低字节存入R7, 读出谩度值高字节存入R

14、6调用WRITE子程序送入温度转换命令温度转化完,调用RESET子程序再次初始化DS18B20调用WRITE子程序送入跳过ROM命令RET 图3-1-2.1温度获取子程序流程图3-1-2.2温度BCD转化流程图 开始温度零下温度值取补码置“”标志置“+”标志计算小数位温度BCD值计算整数位温度BCD值温度数据移入显示寄存器十、个位和一位小数显示；符号不显示；百位也不显示结束YN4.调试结果4.1报警功能调试将9V电池接入电路中，单片机自动复位，数码管显示当前温度24.3摄氏度，为检测温度高于50摄氏度时是否报警，将DS18B20用密封的塑料放在装有开水的杯子中，可以看到数码管显示的温度急剧上升

15、，当温度到达50摄氏度时，同时打火机在光电传感器正上方大约1米左右的地方点火，8个发光二极管有4个亮，4个暗，并且亮暗间隔开，同时可听到蜂鸣器发出尖锐的报警声，且发光二极管亮暗在向昨移动，每移动一位蜂鸣器就发出一声持续时间约0.8秒的报警声；发出8次报警声后，可看到数码管的温度显示会变化一次，取出DS18B20，将其放在空气中，可看到数码管显示的温度急剧下降，单温度底于50摄氏度时，声光报警自动停止。经多次检测，该功能稳定可靠。4.2 红外探测模块的功能调试上电后，单片机自动复位，数码管显示当前温度24.4摄氏度，打火机在光电传感器正上方大约1米左右的地方点火，将DS18B20用密封的塑料放在

16、装有开水的杯子中，可以看到数码管显示的温度急剧上升，当温度到达50摄氏度时，发出光电报警。8个发光二极管有4个亮，4个暗，并且亮暗间隔开，同时可听到蜂鸣器发出尖锐的报警声，且发光二极管亮暗在向昨移动；当停止点火时声光报警也自动停止，数码管仍然显示当前的温度，由此判定当有较大的火焰时，单片机可测距离将大幅度增大。经多次检测，该功能稳定可靠。4.3 烟雾探测模块的功能调试上电后，单片机自动复位，数码管显示当前温度25.7摄氏度，用小纸条捆成圆形，用打火机点火，纸条火焰熄灭后产生大量的浓烟，靠近烟感，可看到烟雾漂进传感器的检测腔中，将DS18B20用密封的塑料放在装有开水的杯子中，可以看到数码管显示

17、的温度急剧上升，当温度到达50摄氏度时，8个发光二极管有4个亮，4个暗，并且亮暗间隔开，同时可听到蜂鸣器发出尖锐的报警声，且发光二极管亮暗在向昨移动，每移动一位蜂鸣器就发出一声持续时间约0.8秒的报警声；将带烟雾的条移走后，可看到声光报警并未立即停止，这是由于在烟感的检测腔中仍还滞留有一部分烟雾的缘故，大约4-12秒过后，声光报警自动解除。经多次检测，该功能稳定可靠。5.论文小结经过一学期对于楼宇自动化的学习，我在课堂上可以回忆起很多自己去过的建筑内部的一些曾经自己并不知道的设备的作用和他们之间相互配合的工作原理。同时通过此次论文资料我发现这门课程完全可以形成一个稳定且有发展前途的专业，而不仅

18、仅是一门课程那么简单。当然，我也发现想要学好这门课程需要的不仅仅是书本上的这些知识，它可以将建筑学，电气，机械完美的结合，也就是说想要真正深入了解它，这些专业知识都需要涉及或熟知。经过这次论文写作，我接触到更多平时没有接触过或使用较少的科学仪器设备、元器件，同时我也发现自己在这方面很多不足之处。同时学会了高效率的查阅资料、运用工具书、利用网络查找资料。我发现，在我们所使用的书籍上有一些知识在实际应用中其实并不是十分理想，各种参数都需要自己去调整。偶尔还会遇到错误的资料现象，这就要求我们应更加注重实践环节。参考文献1 火灾自动报警系统设计规范-GB50116-98 中华人民共和国建设部 施行日期

19、：1999年6月1日2 战卫东谈谈火灾统计 山东消防2003年9期-32-32页3胡显华 火灾探测器误报警的原因及改进方法电脑开发与应用2007年20卷11期60-624 李广弟单片机基础M北京：北京航空航天大学出版社，19945刘小舟煤矿火灾预防与防治技术现状煤矿现代化22005年5期-25-27页6 李焕莉 建筑火灾烟气蔓延规律对火灾探测系统的影响武警学院学报2006年22卷5期-31-32页7 LM339 DATASHEET英文资料EB 8 DS18B20 DATASHEET英文资料EB9 何延治 杨海荣 火灾危险性评估在建筑防火设计中的应用建筑设计管理2006年6期55-56页10 余

20、明高、袁东升、贾海林、李定启、张建民、贾跃荣 New processing method for fire forecast parameters煤炭学报：英文版2004年10卷1期41-44页 1、有一高层写字楼，采用高位水箱供水，地下室配有两台供水泵，试设计一给水控制系统。消防水箱OLHLMLLLOLHLMLLL生活消防水池OLHLMLLL监控点类型4DIDI DI DOFSFS 2DO 4DI水池溢流 停泵 启泵低水线报警水位监测恒速水泵启停控制恒速水泵运行状态恒速水泵故障报警水泵开关启泵 低限报警水位监测高位水箱溢流 停泵 高位水箱给水系统监控原理图水箱水箱水箱水池高 区中 区低 区分

21、水箱给水水箱减 压减 压高 区中 区低 区水池单一水箱分区减压给水高位水箱分区给水系统图城市供水管网水池OLHLML LL供 水 管 网生活水泵FSFSFSP监控点类型4DIDI DI DODI DI DO AO3DOAI水池高 中 低水位监测恒速水泵转速控制恒速水泵运行状态恒速水泵故障报警变速水泵转速控制变速水泵启停控制变速水泵运行状态变速水泵故障报警水流开关供水压力监测水泵直接给水系统监控原理图监测、控制点描述AIAODIDO接 口 位 置备注给水泵运行状态爱给水泵动力柜主接触器辅助触点给水泵故障状态给水泵动力柜主电路热继电器辅助触点给水泵手/自动转换状态给水泵动力柜控制电路、泵给水泵开/

22、关控制DDC数字输出接口到给水泵动力柜主接触器控制回路水流开关状态水流开关状态输出高位水箱水位监测高位水箱水位开关状态，一般有溢流、停泵、启泵、低限报警四个野味开关生活消防水池水位监测地下水池水位开关状态，一般有溢流、停泵、启泵、低限报警四个野味开关合 计高位水箱积水系统检测、控制点配置表监测、控制点描述AIAAIAODIDO接 口 位 置备注恒速水泵运行状态恒速水泵动力柜主接触器辅助触点恒速水泵故障状态恒速水泵动力柜主电路热继电器辅助触点恒速水泵手/自动转换状态恒速水泵动力柜控制电路，可选恒速水泵开/关控制DDC数字数字输出接口到恒速水泵动力柜主接触器控制回路变速水泵运行状态变速水泵动力柜主

23、接触器辅助触点变速水泵故障状态变速水泵动力柜主电路热继电器辅助触点变速水泵手/自动转换状态变速水泵动力柜控制电路，可选变速水泵开/关控制DDC数字输出接口到变速水泵动力柜主接触器控制回路水流开关状态水流状态开关输出水池水位监测管式液压传感器合 计水泵直接给水系统监测、控制点配置表设计方案:在建筑的最高楼层是指高位供水水箱,用水泵将低位水箱水输送到高位水箱,再通过高位水箱从给水管网供水,将水输从到用户.通常生活用水与消防用水分设彼此独立的高位水箱.如果消防用水和生活用水共用一个水箱时,可将生活用水的出水管,安装在距高位水箱底部一定高度的位置,而将消防水出水管安装在随想底部,从而保证高位水箱在通常

24、用水条件下的水位(或水量)不会低于(少于)消防设计要求.在高位水箱中设置四个野味开关,分别为检测溢流水位、停泵水位、启泵水位和低泵报警水位.DDC根据液位开关送入信号来控制生活泵的启停.当高位水箱液面低于启泵水位时,DDC送出信号自动启动生活水泵运行,向高位水箱供水.当高位水箱液面高于启泵水位而达到停泵水位时,DDC从出信号自动停止生活水泵.如果高位水箱液面达到停泵水位而生活水泵不停止供水,液面继续上升达到溢流报警水位,控制器发出声光报警信号,提醒工作人员及时处理.同样当高位水箱液面低于启泵水位时,水泵没有及时启动,用户继续用水,但水位达到低位报警水位时,控制器发出报警信号,提醒工作人员及时处

25、理.当工作泵发生故障时,备用泵能自动投入运行.2、某超市需一集中空气调节系统，要求有温度调节（包括冷、热源系统），湿度调节（喷水、固体吸湿剂设备），试设计一空调系统实现温湿度调节。答:1系统控制方案: 本工程采用直接数字式监控系统（DDC系统），它由中央电脑及终端设备加上若干个DDC控制盘组成。在控制中心能显示打印空调、通风、制冷等各系统设备的 运行状态及主要运行参数，且能将给排水和电气设备等一并控制。具体控制内容为：制冷系统采用二次泵方式时，一次泵定流量，二次泵变频变流量控制。冬季供冷换热板换为恒温控制运行，其冷水泵和冷却水泵变频控制。空调机组和新风机组冷水回水管上设动态平衡电动双通调节阀，

26、通过调节表冷器的过水量以控制室温或新风机组送风温度。风机盘管设三速开关，且由室温控制器控制回水管上的双通阀开度，以调节进入风机盘管水量。空调机组、冷水机组、风机盘管上双通水阀均与风机做联锁控制。同时冬季空调机组、新风机组停机时，双通水阀应保留5%开度，以防加热器冻裂。冷热源、空调系统、通风系统采用集散式直接数字控制系统（DDC系统)微机控制中心设在制冷机房控制室内。具体控制要求如下：1、 空调系统1） 冷源：（1） 制冷机房内所有设备启停控制（联锁启停顺序为：先开启冷水电动阀及冷水泵，再开启冷却水电动阀及冷却水泵，然后开启冷却塔风机，最后开启冷水机组。停机顺序反之）及状态显示、事故报警；（2）

27、 冷水温度、压力、流量、冷量等参数记录、显示；（3） 冷水机组程度启停及分台数控制；（4） 二次冷水泵变频变流量控制；（5） 两台500USRT冷水机组变频控制；2） 冬季换冷：（1）热交换器出水温度控制；（2）系统分台数控制；（3）运行设备、温度、压力、流量、热量等参数显示、记录；（4）冬季冷水泵和冷却水泵变频变流量控制；3）空调机组、新风机组：（1）风机启停控制及状态显示、故障报警；（2）温度、湿度等参数显示，超限报警；（3）温度、湿度及防冻保护控制；（4）风过滤器堵塞报警控制；（5）空调机组变风量（风机集中变频）控制；（6）过度季、冬季调节补风比的焓值控制；2、通风系统1）通风系统的启停

28、控制；2）风机运行状态显示、故障报警；3）空调排风机变风量控制（变频）；2.制冷设计1).夏季：选用五台2000USRT离心式冷水机组电机采用10kV高压配电方式；两台500USRT离心式冷水机组，380V低压配电变频控制。冷水温度7/12oC，冷却水温度32/37oC。冷水采用二次泵系统，一次泵定流量运行，与冷水机组一对一匹配设置（B1-1-5，7，8），并设一大一小备用泵（B1-6，9），二次泵变流量运行，裙房塔楼分设两大系统，裙房系统五用一备（B-1-6），塔楼系统四用一备（B2-7-11），各塔楼风机盘管和机组，冷水由集分水器分别引出，可以集中调控。冷却水泵定流量运行，与冷水机组一对一

29、匹配设置（b-1-5,7,8)，并设一大一小备用泵（b-6,9)。2).冬季：塔楼内区供冷，利用室外空气换热之天然冷源降温方式，即冷却水通过制冷系统的冷却塔降温，再经过热交换器换热将冷水温度降低的供冷方式。冷水温度9/14oC。3).补水定压：冷水补水泵采用软化水，冷却水采用电子除垢仪。冷水采用开式膨胀水箱定压方式，冷热合用系统，膨胀水箱设在二十二层。裙房冬季供热膨胀水箱放在七层，塔楼冬季供冷膨胀水箱设在二十二层。2.供热设计本工程采用城市热网集中供热，热媒为125/65oC高温热水；热交换站设在地下二层，由甲方另行委托热力专业设计院设计。空调总供热量为20431.5kW，空调用热媒为65/55oC热水，冬夏季电动切换， 采用开式膨胀水箱补水定压方式。