火災(zāi)煙霧報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：主要對(duì)火災(zāi)報(bào)警控制器的理論做了深入的研究，使用單片機(jī)，選用煙霧傳感器、紅外傳感器等多個(gè)傳感器作為敏感元件，結(jié)合信息融合技術(shù)，全面闡述了研制火災(zāi)報(bào)警控制器硬件部分和軟件部分的方法。采用protel99繪制電路圖并進(jìn)行電路仿真，證明整個(gè)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)合理，性能安全可靠。
關(guān)鍵詞：火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)；C8051F單片機(jī)；紅外傳感器

0 引言
    隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人民生活水平大幅度提高，現(xiàn)代建筑不斷增多，各種生產(chǎn)、辦公以及居住場(chǎng)所火災(zāi)大增，塑料制品和雙層玻璃的大量應(yīng)用，使火場(chǎng)的外部救援困難重重?；馂?zāi)一旦發(fā)生，將對(duì)人的生命財(cái)產(chǎn)造成極大的危害?，F(xiàn)代建筑具有智能化的時(shí)代特征，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)探測(cè)火災(zāi)隱患，肩負(fù)安全防范重任，在現(xiàn)代智能建筑中起著極其重要的安全保障作用。因此，設(shè)計(jì)簡單實(shí)用的火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)
有著防止和減少火災(zāi)危害、保護(hù)人身安全和財(cái)產(chǎn)安全的重要意義。

1 系統(tǒng)的總體構(gòu)架
    火災(zāi)煙霧報(bào)警系統(tǒng)的基本功能是通過監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境的紅外信號(hào)和煙霧濃度而進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警，呼吁人們及時(shí)采取有效措施消滅火源，減少損失。
    本系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示，現(xiàn)對(duì)該圖進(jìn)行簡要說明：

    傳感器模塊主要由紅外探測(cè)器和煙霧探測(cè)器組成，主要負(fù)責(zé)采集周圍環(huán)境信息。信號(hào)處理部分將傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行加工處理，再傳給中央控制單元，接收并處理火災(zāi)報(bào)警信號(hào)，輸出報(bào)警信號(hào)等。

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)
2．1 中央處理器
    本系統(tǒng)采用C8051F005作為CPU，它具有一個(gè)32 K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器并與8051兼容的微控制器內(nèi)核。具有UART串行接口和具有5個(gè)捕捉／比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器／定時(shí)器陣列及6個(gè)定時(shí)器陣列(PCA)模塊，此外還根據(jù)不同的需要集成了SMBus／I2C、SPI、USB、CAN、LIN等，以及RTC部件。還有4個(gè)通用的16位定時(shí)器和4字節(jié)寬的通用數(shù)字FD端口。C8051F005有2304字節(jié)的RAM，執(zhí)行速度可達(dá)25MIPS。片內(nèi)具有的VDD監(jiān)視器、溫度傳感器和時(shí)鐘振蕩器的MCU是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。
2．2 傳感器模塊
    根據(jù)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的實(shí)際情況，為了提高火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的功能和可靠性，保證自動(dòng)滅火系統(tǒng)的動(dòng)作的準(zhǔn)確性，傳感器模塊由紅外傳感器和煙霧傳感器組成。
    本系統(tǒng)采用熱釋電紅外傳感器，它的工作波長為4．35±0．15 um。熱釋電紅外傳感器由傳感探測(cè)元，干涉濾光片和場(chǎng)效應(yīng)管匹配器三部分組成。
    圖2是一個(gè)雙探測(cè)元的熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。該傳感器將兩個(gè)極性相反，特性一致的探測(cè)元串接在一起，目的在于消除因環(huán)境溫度和本身變化引起的干擾。它利用兩個(gè)極性相反、大小相等的干擾信號(hào)可在內(nèi)部相互抵消的原理，使傳感器起到補(bǔ)償作用，對(duì)于輻射至傳感器的紅外輻射，熱釋電傳感器通過安裝在傳感器前面的菲涅耳透鏡，將其聚焦后加至兩個(gè)探測(cè)元L。因此傳感器會(huì)輸出探測(cè)電壓。

    HIS-07是離子感煙探測(cè)器電離室，室內(nèi)安裝一個(gè)高性能低活度Am-241電離源。單源雙室結(jié)構(gòu)，體積小，便于安裝在小型報(bào)警器中。在無煙或無燃燒物時(shí)，收集極除受電離電流統(tǒng)計(jì)漲落影響外，保持平衡電位。當(dāng)煙進(jìn)入電離室時(shí)對(duì)電離電流產(chǎn)生影響，易于進(jìn)煙的外電離室受影響大于內(nèi)電離室，電離電流下降，收集極重新充電直到新的平衡電位，這種電位變化可傳到C8051F005的檢測(cè)端，經(jīng)內(nèi)部邏輯電路處理后，啟動(dòng)報(bào)警電路。
    當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到環(huán)境中的紅外線后便輸出熱電信號(hào)，由于該信號(hào)非常微弱且夾雜有干擾信號(hào)，因此設(shè)計(jì)了特殊的信號(hào)處理電路(采用運(yùn)算放大器，配合周邊電路形成具有低通濾波功能的放大電路)分離出熱電信號(hào)，并將其放大，然后對(duì)兩級(jí)放大后分離出的電信號(hào)進(jìn)行分析判斷。數(shù)據(jù)采集模塊的電路圖如圖3所示。

2．3 通信模塊設(shè)計(jì)
    在現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)中，通訊方式較多。本系統(tǒng)主要應(yīng)用的場(chǎng)合是賓館和居民小區(qū)的建筑，如果在現(xiàn)有的建筑中采用有線通訊，則需要在樓層間打孔、架線，給原有環(huán)境帶來一定的負(fù)面影響，甚至給生活帶來不便，難以維護(hù)。因此系統(tǒng)的通訊方式采用無線通訊。無線通訊具有微功率發(fā)射、高抗干擾能力和低誤碼率、傳輸距離遠(yuǎn)、透明的數(shù)據(jù)傳輸、多信道、多速率、高可靠性，體積小、重量輕等特點(diǎn)。不僅解決了以上問題，而且提高了系統(tǒng)整體性能。
    圖4是通信模塊的總框圖，數(shù)傳模塊采用HAC-RS232，它屬于單端通信，即采用不平衡傳輸方式。這個(gè)模塊的硬件設(shè)計(jì)分別包括單片機(jī)與RS232接口電路設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)與RS232接口電路設(shè)計(jì)。

2．4 單片機(jī)報(bào)警電路設(shè)計(jì)
    當(dāng)系統(tǒng)判斷達(dá)到火災(zāi)程度后，單片機(jī)從P2．1引腳輸出高電平信號(hào)給報(bào)警電路，揚(yáng)聲器發(fā)出聲音進(jìn)行報(bào)警。報(bào)警電路是通過芯片進(jìn)行音頻放大，為使外圍元件最少，芯片內(nèi)電壓增益內(nèi)置為20 dB。但在1腳和5腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調(diào)為任意值，直至200 dB。輸入端以地位參考，同時(shí)輸出端被自動(dòng)偏置到電源電壓的一半再輸出給揚(yáng)聲器。我們這里就選擇了20倍的電壓增益，芯片1腳和5腳懸空則可以。圖5是單片機(jī)報(bào)警電路圖。

2．5 系統(tǒng)硬件性能分析
    系統(tǒng)總的電路圖如圖6所示。

    系統(tǒng)仿真結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)正常時(shí)，只顯示室內(nèi)對(duì)應(yīng)溫度、時(shí)間，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，通知人員去現(xiàn)場(chǎng)查看。實(shí)驗(yàn)結(jié)論及分析表明系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)可以使系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，維護(hù)方便；系統(tǒng)采用單片機(jī)技術(shù)具有較快的響應(yīng)速度，能及時(shí)對(duì)火災(zāi)進(jìn)行報(bào)警、滅火，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    流程圖如圖7所示。系統(tǒng)初始化主要是對(duì)定時(shí)器工作方式、寄存器、中斷允許寄存器等的設(shè)置。系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，主要是通過傳感器采集信息，首先進(jìn)行紅外檢測(cè)，紅外信號(hào)強(qiáng)度超過設(shè)定值置異常標(biāo)志位，再進(jìn)行煙霧檢測(cè)，當(dāng)煙霧檢測(cè)到有煙霧時(shí)，現(xiàn)有定時(shí)器定時(shí)100ms，在此期間，如果一直有煙霧，且濃度加大，則通知火災(zāi)報(bào)警器控制電路進(jìn)行處理。

    程序主要采用C語言編輯，不僅使程序模塊化，便于調(diào)試，而且可以根據(jù)系統(tǒng)需求，更加方便地添加新的擴(kuò)展功能模塊。

4 結(jié)束語
    本系統(tǒng)采用兩種不同的傳感器：單元熱釋電紅外傳感器和離子煙感探測(cè)器，同時(shí)對(duì)火災(zāi)情況進(jìn)行判斷，傳感器探頭通過橫向和縱向掃描將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過各自放大電路傳送給系統(tǒng)的控制器：C8051F005單片機(jī)，單片機(jī)通過綜合判斷最后判斷火災(zāi)情況進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)增加了通信模塊，采用HAC-UM系列微功率無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)控制器與計(jì)算機(jī)之間的通信，從而實(shí)現(xiàn)無線通信的功能，給維修或者檢測(cè)帶來很大方便。