智能火灾报警系统设计本科毕业设计论文

JIUJIANG UNIVERSITY

毕业设计

题目智能火灾报警系统设计

英文题目Intelligent fire alarm system design

院系机械与材料工程学院专业测控技术与仪器姓名

年级

指导教师

二零一二年六月

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：日期：

指导教师签名：日期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：日期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：日期：年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：日期：年月日

导师签名：日期：年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：（签名）单位：（盖章）

年月日

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：（签名）单位：（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：□优□良□中□及格□不及格教研室主任（或答辩小组组长）：（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：（签名）

年月日

摘要

目前，随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，由此引起的火灾也越来越多，在我们生活得四周到处潜伏着火灾隐患。为了避免火灾以及减少火灾造成的损失，我们必须按照“隐患险于明火，防患胜于救灾，责任重于泰山”的概念设计和完善火灾自动报警系统，将火灾消灭在萌芽状态，最大限度地减少社会财富的损失。

智能火灾报警系统是微电子技术、信息技术、通信技术、计算机技术等当代新技术与传统的火灾探测及防火安全技术有机结合的产物。消防电子产品及其应用开发技术的不发展，高效可靠的火灾探测方法及多种形式的智能火灾自动报警系统形式的出现，带来了许多新的相关技术课题，其中智能化火灾探测与报警、系统工程设计与应用、系统工程施工机维护管理是智能消防安全体系的重要环节。

关键词：单片机火灾报警传感器

ABSTRACT

Now, with electronic products used in human life more and more widely, the resulting fire, more and more, we live in fire hazards lurking around everywhere. To avoid fires and reduce fire losses, we must follow the "hidden dangers fire in prevention is better than disaster relief, the responsibility is extremely heavy," the concept design and improvement of automatic fire alarm system, fire nipped in the bud, the maximum reduce the loss of social wealth.

Intelligent fire alarm system is microelectronics technology, information technology and communication technology, the computer technology, contemporary new technology and the traditional fire detection and fire prevention safety technology of the organic combination of product. Fire electronic products and its application development of technology development, high efficient and reliable fire detection method and the many kinds of forms of intelligent automatic fire alarm system forms of appear, brought a number of new technology related to the topics, including intelligent fire detection and alarm, system engineering design and application, system engineering construction machine maintenance management is intelligent fire safety system important segment.

Keywords：SCM fire alarm sensor

目录

第一章绪论............................................................................. 错误！未定义书签。

1.1 选题背景 ................................................................................... 错误！未定义书签。

1.2 火灾探测器 ................................................................................. 错误！未定义书签。

1.3 系统的设计思想 ........................................................................... 错误！未定义书签。第二章前向通道的设计.............................................................. 错误！未定义书签。

2.1 温度传感器 ................................................................................. 错误！未定义书签。

2.2 烟雾传感器 ................................................................................. 错误！未定义书签。

2.3 单片机的选择 ...................................... 错误！未定义书签。

2.4 运算放大器 ................................................................................. 错误！未定义书签。

2.5 A/D转换器.................................................................................. 错误！未定义书签。

2.6 键盘输入 ..................................................................................... 错误！未定义书签。第三章后向通道的设计.............................................................. 错误！未定义书签。

3.1 卷帘门电机正反转控制.............................................................. 错误！未定义书签。

3.2 自动喷淋控制 ..................................... 错误！未定义书签。

3.3 显示部分 ......................................... 错误！未定义书签。

3.4 报警电路 ......................................... 错误！未定义书签。第四章软件设计......................................................................... 错误！未定义书签。

4.1 设计思想 ..................................................................................... 错误！未定义书签。

4.2 流程图 ........................................... 错误！未定义书签。第五章结束论....................................... 错误！未定义书签。参考文献............................................ 错误！未定义书签。致谢............................................... 错误！未定义书签。

第一章绪论

1.1 选题背景

近年来全国火灾事故频繁发生，造成人、财、物的巨大损失。用户对火灾报警以至自动消防系统的要求越来越高。针对多起火灾事故的分析，排除水压不足等因素外，现有的消防隔断未能起到应有的作用，是造成重大损失的关键。

本文基于上述考虑，通过研发全自动智能防火卷闸门电气控制系统，满足了防火卷闸门的各种动作状态要求，也满足了用户的不同使用环境的需要。其主要功能是在火灾发生时，控制防火卷闸门可靠、准确地运行，实现防火卷闸门的一步降或二步降，达到分区防火，控制火势蔓延，减少火灾损失的目的防火卷闸门控制方式主要分为手动调整自动与联动等各种控制方式同时预留和上位机的通讯接口，为自动消防系统作好前期准备。

1.2 火灾探测器

1、火灾探测器发展特点

随着应用领域的不断扩大，应用需求不断提高，普通类型的感温、感烟火灾探测报警系统已不能满足需要，运用高新技术的新型探测器在不断研发，其特点是：]3[

1）功能更新

现代火灾探测器的最大特征之一就是判别功能和判定决定权不仅从观念上分离，而且在实际应用中已经分别执行。早期的判别功能和判定决定权合二为一，由设置在探测器中的传感器件实现，因而处理问题死板且易受干扰。而现代火灾探测传感器的判别功能和判定决定权由软件控制，能滤除干扰，识别真假火灾，实现火灾智能判断。

2）可靠性提高

火灾探测报警系统可靠性的提高首先体现在用智能技术处理传感器提供的火灾信息。人们采用多种火灾探测算法和复合多传感等传感方式，为判断火灾提供了更加充分可靠的信息。模糊逻辑、神经网络等高新技术用于火灾的判别，大大提高火灾探测的可靠性。

3）报警时间提前

新型火灾探测器已不局限于对已发生的火灾及时报警，可以在火灾发生之前的几小时或几天内，识别潜在的火灾危险性，实现超早期火灾报警。

2、火灾探测器新技术]4[

1）高灵敏度探测技术应用目前已研究开发出激光式高灵敏度感烟火灾探测器、吸气式高灵敏度火灾探测报警系统和气体火灾探测报警系统等超早期火灾探测报警产品。这些系统采用激光粒子计数原理、激光散射原理监视被保护空间，以单位体积内粒子增加的多少来判断是否可能发生火灾。与普通感烟火灾探测报警系统相比，这种系统的探测灵敏度提高了两个数量级甚至更多。但目前，这种技术还仅

限于对烟粒子的探测，在应用中不同程度地受到了应用场所环境的限制。

2）气体浓度探测技术应用利用气体和气体成分对火灾早期阶段生成物或构成火灾的要素进行探测的火灾探测技术，也能够实现超早期火灾探测。易燃易爆场所一旦爆炸起火，火势蔓延速度极快，难以控制，人们为此专门开发研制了在火灾爆炸事故之前，从可燃气体浓度方面进行故障和火灾爆炸危险性等方面预测的线型可燃气体探测

报警系统。它采用光学原理，利用不同气体光谱特性的差别进行气体浓度探测，从根本上解决了点型可燃气体传感元件稳定性差、寿命短等缺陷，用于大面积可燃气体探测报警时，性能价格比较高，其原理还可扩展用于其他场所气体泄漏的监测。

3）多信息技术应用早期的火灾探测器对于火灾信息的反应是输出信息“0”或“1”即开关量，其他信息仅围绕反映开关是否正常、能否动作等。而现代火灾探测器是对火灾过程进行监测，有些探测器实质上只起传感器的作用。因此，其火灾信息量明显增加。另一方面，各种单一传感器提供的火灾信息均混杂非火灾信息，给从传感器提供的火灾信息上判别火灾增加了难度，人们于是开始研究基于新型探测原理的传感器件（如气体传感器等）和复合探测器，对火灾过程的多参数进行监测，配以智能判别技术，以达到减少误报，提高可靠性的目的。细微特征的辨识也是从提供信息角度识别火灾的一种方法。采用单片机的智能火灾探测器，可以打破采样受控制器控制的被动局面，主动获取对于识别真假火灾参数非常重要的细微信息。

1.3 系统设计思想

系统硬件及信号由AT89C51单片机内部有非易失性Flash存储器

分别包含128 字节RAM 、32 条I/O 口线、3 个16 位定时/计数器、6 输入4 优先级嵌套中断结构、1 个串行I/O口（可用于多机通信、I/O 扩展或全双工UART）以及片内振荡器和时钟电路。使用AT89C51芯片，能够满足需要，还可以使外围器件尽可能少，另外价格也便宜，所以选用它。

防火门及相应的控制、动力机构安装完毕后，首先要确定时间。通过传送信号给单片机，通知单片机要开始设置时间。有3个时间要设置：防火门的全程上升时间和全程下降时间及从顶下降到中位所需的时间。所确定的时间被存在EEPROM中。

上述3个时间存入EEPROM后，就可以随意按动“上”、“下”、“停”3个按钮中的任何一个，使防火门运行或停止。通常使防火门停在最高处，当火灾发生时，防火门向下运行，切断火势曼延的通路。发生火灾时，防火门的工作模式有如下几种，我们可以预先做以下设置。

]5[

1）烟雾二步降。发生火灾，一般都是烟先窜到防火门，火后一步到。防火门的传感器感知到烟信号后，防火门立即开始下降，并发出声光报警信号。防火门下降到中位（通常门已关闭一半，下面一半开着，让人逃生）停止下降，延时一段时间，以便让里面的人逃生，而后继续下降（称作第二步下降），直到防火门完全关闭为止。在第

二步下降过程中，只要有人按动“上”、“下”、“停”3个按钮中的任何一个，门就会自动上升到中位，以便人逃离火场。

2）烟温二步降。火灾发生，烟雾先到达，这时防火门附近的温度还处在正常范围。防火门感知此烟，立即下降到中位，并在中位停下来，以便人员逃生。在防火门附近的温度上升到一定的高度以前，防火门将一直停在中位。当防火门的感应系统感知到防火门附近的温度达到比较高的程度后，防火门开始第二步下降，从中位下降到把整个门关闭。因为只有温度达到一定的高度，才说明火将曼延过来，须迅速彻底关闭防火门。防火门在第二步下降的过程中，若有人按动“上”、“下”、“停”3个按钮中任何一钮，门都将上升到中位。到达中位后，将立刻开始下降，但只要有人再次按任何一钮，门仍将上升到中位。

不论是烟雾二步降还是烟温二步降，当门彻底关闭后，只要有人按上述3个钮任一钮，门就上升到中位，以让人逃离火场。

3）高温处理。不论初始设置的是烟雾二步降还是烟温二步降，只要高温先到达或是与烟雾信号同时到达，防火门都将从顶不停地一直下降到底。还有一种情形也会导致“高温处理”：若火灾发生时没有高温，当防火门从顶下降到中位前或下降到中位后在中位停留的时间内，检测到有高温信号，防火门系统将自动转入高温处理，立即开始第二步下降。火扑灭后，防火门系统检测到既无烟又无高温，则确认火已灭，便自动关闭报警信号，防火门自动上升到正常位置。

第二章前向通道的设计

2.1 温度传感器

火灾总伴随着火焰、烟雾和温度，随着燃烧，室内温度将上升。将烟雾传感器作为第一感受器，温度传感器作为智能计算的补充传感器。当报警环境出现烟雾后，温度传感器根据设定温度值确定是否报警。为防止漏报，另一组温度传感器设定了温度的报警极限，当温度超过这个极限立刻报警。

温度传感器利用半导体PN结的负温度系数工作，它有三路输出，其中两路测量温度梯度，一路测量极限温度。

图2-1是一个温度传感器的结构单元。其基本工作原理是利用硅PN结的负温度系数测量环境温度。由

R、1D、2D、1Z以及1T,经2R、3R

1

分压给

T的基极提供一个电压基准。这个电压基准使得2T在常温下不

2

导通，例如，假设在常温下，NPN晶体管的发射结在

V=0.65V时导通，

RE

而电压基准设定为0.60V，这时，

T处于截止状态。由于硅器件的发射

2

结导通电压

V是负的温度系数(典型值为-2mV/℃)，随着温度上升，RE

器件的导通电压线性下降。当温度上升25℃时，

T的发射结导通电压

2

V下降为0.60V,达到设定值使2T导通。0V由原先的高电平输出下降为RE

低电平输出。]12[

图2-1 温度传感单元原理图

作为电压基准，希望经

R、3R分压得到的电压值具有较低的温度

2

系数。在这个电路中，利用正温度系数的齐纳击穿稳压管和PN结的负温度系数实现低温度系数的要求。

防火系统采用了复合形式的智能型火灾传感电路，代替了过去的单一形式的传感器，如火焰传感器、温度传感器、烟雾传感器等，这样就不会出现误报情况。此传感器具有不受使用场所无交流电源的限制，静态功耗低、安装比较隐蔽、灵敏度高等特点。

2.2 烟雾传感器

1、工作原理

离子烟雾传感器单电离室的工作原理，如图2-2所示。]13[

图2-2 电离室工作原理图

图2-2（a）是单电离室的结构图，P1和P2是一对电极，在电极之间放有放射性物质241Am，不断放出α射线，高速运动的α离子撞击极板间的空气分子，将其电离为正离子和负离子，从而使电极之间原来不导电的空气具有了导电性。如果在极板P1和P2之间加上一个电压E，极板间原来杂乱无章的正负离子，在电场的作用下作有规则的运

动，从而在极板间形成电离电流

I，施加的电压越高，则电离电流

h

越大，当电离电流增加到一定值时，将不再增加，此电流称为饱和电

流

I，如图2-2（b）所示。实际使用的离子烟雾传感器电路如图2-3 所s

示。

图2-3 离子烟雾传感器电路图

为了减少温度、湿度等环境条件变化对电离电流带来的影响，以提高传感器工作的稳定性，将两个电离室串接起来与电源相接，上面的一个为补偿电离室，下面的一个为检测电离室，在结构上检测电离室做成烟雾容易进入的型式，而补偿电离室做成烟雾很难进入、而空气又能慢慢进入的型式。当有火灾发生时，烟雾进入检测电离室，由于烟离子的阻挡作用，一方面使电离后的正负离子在电场中的运动速

度降低，另一方面使α射线的电离能力降低，从而使检测电离室的电离电流减小，这一现象，相当于补偿电离室的等效电阻未变，而检测电离室的等效电阻变大，从而使A点的电位升高。显然烟雾浓度越大，烟离子的阻挡作用越强，A 点电位越高。这一电压信号经由T1、T2组成的跟随电路，传送给模/数转换电路，实现对烟雾浓度的采样。采用离子源作为烟敏元件的突出特点是电流消耗极低，适合在系统中使用。]14[

图2-3中的

R为自检电阻器，由于离子源等效电阻很高（一般在

t

10MΩ以上），只要适当选择

R，就可使t R上的压降在正常情况下近似

t

为0。对探测器进行自检时，一个逻辑高电压加到

R上，使传感器输

t

出升高，单片机根据自检前后的模/数转换结果，可判断出模/数转换及传感器两个模块的功能是否正常。

2.3 单片机的选择

单片机是本方案的灵魂，所以我们选择是需要慎之又慎，下面我们来拿8031和AT89C51做一下比较。

8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。

由于上述类型的单片机应用的早，影响很大，已成为事实上的工业标准。后来很多芯片厂商以各种方式与Intel公司合作，也推出了同类型的单片机，如同一种单片机的多个版本一样，虽都在不断的改变制造工艺，但内核却一样，也就是说这类单片机指令系统完全兼容，绝大多数管脚也兼容；在使用上基本可以直接互换。我们统称这些与8051内核相同的单片机为"51系列单片机"。

在众多的51系列单片机中，要算 ATMEL 公司的AT89C51更实用，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为 ATMEL AT89Cx 做的编程器均带有这些功能。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。而且AT89C51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。

单对AT89C51来说，在实际电路中可以直接互换8051和8751，替换8031只是第31脚有区别，8031因内部没有ROM，31脚需接地（GND），单片机在启动后就到外面程序存储器读取指令；而8051/8751/89c51因内部有程序存储器，31脚接高电平（Vcc），单片机启动后直接在内部读取指令。也就是51芯片的31脚控制着单片机程序从内部读取还是从外部读取，31脚接电源，程序从内部读取，31脚接地，程序从外部读取，其他无须改动。另外，AT89C51替换8031后因不用外存储器，不必安装原电路的外存储器和373芯片。