火災煙霧報警系統(tǒng)的設計

摘要：主要對火災報警控制器的理論做了深入的研究，使用單片機，選用煙霧傳感器、紅外傳感器等多個傳感器作為敏感元件，結合信息融合技術，全面闡述了研制火災報警控制器硬件部分和軟件部分的方法。采用protel99繪制電路圖并進行電路仿真，證明整個系統(tǒng)電路設計合理，性能安全可靠。
關鍵詞：火災報警系統(tǒng)；C8051F單片機；紅外傳感器

0 引言
    隨著我國經濟的高速發(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、辦公以及居住場所火災大增，塑料制品和雙層玻璃的大量應用，使火場的外部救援困難重重。火災一旦發(fā)生，將對人的生命財產造成極大的危害?，F(xiàn)代建筑具有智能化的時代特征，火災自動報警系統(tǒng)探測火災隱患，肩負安全防范重任，在現(xiàn)代智能建筑中起著極其重要的安全保障作用。因此，設計簡單實用的火災報警控制系統(tǒng)
有著防止和減少火災危害、保護人身安全和財產安全的重要意義。

1 系統(tǒng)的總體構架
    火災煙霧報警系統(tǒng)的基本功能是通過監(jiān)測周圍環(huán)境的紅外信號和煙霧濃度而進行火災報警，呼吁人們及時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)對該圖進行簡要說明：

    傳感器模塊主要由紅外探測器和煙霧探測器組成，主要負責采集周圍環(huán)境信息。信號處理部分將傳感器的輸出信號進行加工處理，再傳給中央控制單元，接收并處理火災報警信號，輸出報警信號等。

2 系統(tǒng)硬件電路的設計
2．1 中央處理器
    本系統(tǒng)采用C8051F005作為CPU，它具有一個32 K字節(jié)FLASH存儲器并與8051兼容的微控制器內核。具有UART串行接口和具有5個捕捉／比較模塊的可編程計數(shù)器／定時器陣列及6個定時器陣列(PCA)模塊，此外還根據不同的需要集成了SMBus／I2C、SPI、USB、CAN、LIN等，以及RTC部件。還有4個通用的16位定時器和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25MIPS。片內具有的VDD監(jiān)視器、溫度傳感器和時鐘振蕩器的MCU是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。
2．2 傳感器模塊
    根據設計本系統(tǒng)的實際情況，為了提高火災監(jiān)控系統(tǒng)的功能和可靠性，保證自動滅火系統(tǒng)的動作的準確性，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元，干涉濾光片和場效應管匹配器三部分組成。
    圖2是一個雙探測元的熱釋電紅外傳感器的結構示意圖。該傳感器將兩個極性相反，特性一致的探測元串接在一起，目的在于消除因環(huán)境溫度和本身變化引起的干擾。它利用兩個極性相反、大小相等的干擾信號可在內部相互抵消的原理，使傳感器起到補償作用，對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探測元L。因此傳感器會輸出探測電壓。

    HIS-07是離子感煙探測器電離室，室內安裝一個高性能低活度Am-241電離源。單源雙室結構，體積小，便于安裝在小型報警器中。在無煙或無燃燒物時，收集極除受電離電流統(tǒng)計漲落影響外，保持平衡電位。當煙進入電離室時對電離電流產生影響，易于進煙的外電離室受影響大于內電離室，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的檢測端，經內部邏輯電路處理后，啟動報警電路。
    當傳感器監(jiān)測到環(huán)境中的紅外線后便輸出熱電信號，由于該信號非常微弱且夾雜有干擾信號，因此設計了特殊的信號處理電路(采用運算放大器，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，并將其放大，然后對兩級放大后分離出的電信號進行分析判斷。數(shù)據采集模塊的電路圖如圖3所示。

2．3 通信模塊設計
    在現(xiàn)代測試系統(tǒng)中，通訊方式較多。本系統(tǒng)主要應用的場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)境帶來一定的負面影響，甚至給生活帶來不便，難以維護。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、透明的數(shù)據傳輸、多信道、多速率、高可靠性，體積小、重量輕等特點。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。這個模塊的硬件設計分別包括單片機與RS232接口電路設計和計算機與RS232接口電路設計。

2．4 單片機報警電路設計
    當系統(tǒng)判斷達到火災程度后，單片機從P2．1引腳輸出高電平信號給報警電路，揚聲器發(fā)出聲音進行報警。報警電路是通過芯片進行音頻放大，為使外圍元件最少，芯片內電壓增益內置為20 dB。但在1腳和5腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調為任意值，直至200 dB。輸入端以地位參考，同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半再輸出給揚聲器。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是單片機報警電路圖。

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)仿真結果表明，當系統(tǒng)正常時，只顯示室內對應溫度、時間，當火災發(fā)生時系統(tǒng)發(fā)出報警信號，通知人員去現(xiàn)場查看。實驗結論及分析表明系統(tǒng)采用模塊化設計可以使系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，維護方便；系統(tǒng)采用單片機技術具有較快的響應速度，能及時對火災進行報警、滅火，達到了設計要求。

3 系統(tǒng)軟件設計
    流程圖如圖7所示。系統(tǒng)初始化主要是對定時器工作方式、寄存器、中斷允許寄存器等的設置。系統(tǒng)進行監(jiān)控，主要是通過傳感器采集信息，首先進行紅外檢測，紅外信號強度超過設定值置異常標志位，再進行煙霧檢測，當煙霧檢測到有煙霧時，現(xiàn)有定時器定時100ms，在此期間，如果一直有煙霧，且濃度加大，則通知火災報警器控制電路進行處理。

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

4 結束語
    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器，同時對火災情況進行判斷，傳感器探頭通過橫向和縱向掃描將光信號轉換成電信號，通過各自放大電路傳送給系統(tǒng)的控制器：C8051F005單片機，單片機通過綜合判斷最后判斷火災情況進行報警。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現(xiàn)了單片機控制器與計算機之間的通信，從而實現(xiàn)無線通信的功能，給維修或者檢測帶來很大方便。