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1、-楼宇自动化系统大作业-火灾自动报警系统-第 - 9 - 页楼宇自动化系统大作业题目：火灾自动报警系统学生专业：自动化学生班级：学生学号：1学生姓名：教师姓名：写作日期：2017年11月15日目录摘要- 2 -Automatic fire alarm system- 2 -Abstract- 2 -1绪论- 3 -1.1 概述- 3 -1.2国内现状- 3 -1.3国外现状- 3 -2烟雾检测报警器的方案设计- 3 -2.1烟雾检测报警器设计思路- 3 -2.2烟雾传感器的选型- 4 -2.2.1烟雾传感器介绍- 4 -2.3烟雾传感器的选型- 4 -2.3.1烟雾检测报警器工作原理- 4 -
2、2.3.2烟雾检测报警器的结构- 4 -3烟雾检测报警器的硬件设计- 5 -3.1单片机的选型- 5 -3.1.1单片机的选择- 5 -3.2烟雾检测报警器硬件电路设计- 5 -3.2.1信号采集及前置放大电路- 5 -3.2.2声音报警电路- 5 -3.2.3数码管显示电路- 6 -3.2.4状态指示灯及控制键电路- 7 -4烟雾检测报警器的软件设计- 8 -4.1烟雾检测报警器软件流程及设计- 8 -4.1.1主程序设计及流程图- 8 -4.2.2主程序初始化流程图- 9 -4.2.3中位值平均滤波法数字滤波子程序设计及流程图- 10 -4.2.4插值法线性化处理子程序设计及流程图- 11
3、 -4.2.5报警子程序设计及流程图- 12 -4.2.6控制按键设计子程序及流程图- 13 -5结 论- 13 -参考文献- 14 -火灾自动报警系统摘要 以电阻式烟雾传感器和单片机技术为核心并与其他电子技术相结合， 设计出一种技术水平较好的烟雾报警器。其中选用MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现烟雾的检测，具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长。选用的STC12C5410AD单片机，其整合了A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器等资源，具 有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是目前同类技术中性价比较高的产品。关键词：烟雾；报警器；STC12C5410；传
4、感器Automatic fire alarm systemAbstractThe present paper take leaves the minor smog sensor and the monolithic integrated circuit technology unifies as the core and with other electronic technology, designs one kind of technical level good smog alarm apparatus.In which selects the 2M007 semiconductor r
5、esistance type smog sensor realization smog the examination, has the sensitivity high, responds, the antijamming ability quickly strong and so on the merits, moreover the price is inexpensive, the service life is long.Selects the STC12C5410AD monolithic integrated circuit, its conformity A/D transfo
6、rmed, the hardware multiplier, resources and so on hardware PDM keyer, has high speed, low merits and so on power loss, ultra strong antijamming, is the present similar technology neutral price quite high product. Key word: Smog;alarm apparatus;STC12C5410; sensor1绪论1.1 概述 火灾自动报警系统，一般由火灾探测器、区域报警器和集中报
7、警器组成；也可以根据工程的要求同各种灭火设施和通讯装置联动，以形成中心控制系统。即由自动报警、自动灭火、安全疏散诱导、系统过程显示、消防档案管理等组成一个完整的消防控制系统。火灾探测器是探测火灾的仪器，由于在火灾发生的阶段，将伴随产生烟雾、高温格火光。这些烟、热和光可以通过探测器转变为电信号报警或使自动灭火系统启动，及时扑灭火灾。1.2国内现状 二十多年前，中国的消防报警产品刚刚起步，无论产品技术含量、产品系列完整性、使用性，还是社会影响程度都是相当低的。国外的产品和品牌一统天下，占领中国的大部分市场。由于中国的建设正在飞速发展，市场大的惊人，难道这由中国发展带来的成果只能由外国企业来瓜分？1
8、.3国外现状在消防报警产品的技术含量上，国内产品和国外产品差距不是很大，许多指标已经超越，存在的问题是：类似于国外消防报警产品的大批量规模化的生产才刚起步，有待于积累经验和技术；也因此在产品一致性和长期稳定性上有一些差距；国内正在形成权重的大型企业和集团，这样可以带领国内的各家企业去冲击海外市场，并最终占领海外的消防报警市场。2烟雾检测报警器的方案设计2.1烟雾检测报警器设计思路烟雾检测报警器是能够检测环境中的烟雾浓度，并具有报警功能的仪器，仪器的最基本组成部分应包括：烟雾信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。烟雾信号采集电路一般由烟雾传感器和模拟放大电路组成，将烟雾信号转化为模拟的电信
9、号。模数转换电路将从烟雾检测电路送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。单片机对该数字信号进行滤波处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值(也就是报警限)，如果大于则启动报警电路发出报警声音，反之则为正常状态。为方便检测与监控，使仪器测试人员及用户能够直观地观察到环境中的可燃烟雾浓度值，可将浓度值送到显示屏中。方便调节报警限，可以加入按键。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。2.2烟雾传感器的选型烟雾传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气 体在空气中的含量(即浓度)转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路 将模拟量转换成数字量后送到单
10、片机，进而由单片机完成数据处理、浓度 处理及报警控制等工作。传感器作为烟雾检测报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。由此可见，传感器的选型是非常重要的。2.2.1烟雾传感器介绍 根据报警器检测烟雾种类的要求，一般选用接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器。使用接触燃烧式传感器，其探头的阻缓及中毒，是不可避免的问题。半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器，它具有灵敏度高，响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。半导体烟雾传感器的性能主要看其灵敏度、选择性(抗干扰性)和稳定性(使用寿命)。 经
11、过对比上述两种烟雾传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出。而在众多半导体气体传感器中，本设计选用MQ-2型烟雾传感器，这种型号的传感器不但具备一般半导体烟雾传感器灵敏度 高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。2.3烟雾传感器的选型2.3.1烟雾检测报警器工作原理 本论文中的烟雾检测报警器以STC12C5410AD单片机为控制核心，采用MQ-2型电阻式半导体传感器采集烟雾信息。 首先，传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过放大，转化成较大的电压信号送入STC12C5410AD单片机。然后，在STC12C5410AD单片机内A/D转换、浓度比较，对数据进行线性化处理，将数字化
12、电压信号转化成为对应的十进制浓度值；最后，将实际可燃性气体浓度送入液晶，并判断浓度值是否超出报警限，当浓度处于正常状态绿灯长亮，当烟雾浓度超出设定的限定值时，发出声音报警并伴随红灯闪亮。2.3.2烟雾检测报警器的结构报警器系统结构框图如图1所示，系统以单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、浓度显示、时间显示、状态显示、声音及闪烁报警、按键输入、故障自检等功能。图1可燃性气体检测报警器结构框图3烟雾检测报警器的硬件设计3.1单片机的选型 3.1.1单片机的选择 单片机是烟雾检测报警器的核心部件，一方面它要接收来自传感器的烟雾浓度的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对两种信号分别进行处理，控
13、制后续电路的相应工作；同时，查询是否有键按下的命令。在单片机实现的功能中，将模数转换后的信号做数字滤波，再进行线性化处理，然后送LCD显示。3.2烟雾检测报警器硬件电路设计 3.2.1信号采集及前置放大电路 传感器输出信号一般比较微弱，需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电平调整，满足单片机对输入信号的要求。本系统采用的半导体烟雾传感器属于电阻型，因此只需串联一个参考电阻，再经过一个放大电路即可发送给ADC采集。由于系统采用的是单极性供电，所以采用同相比例放大电路，可以减少硬件开销。常见的运算放大器中，LM324价格低廉、使用简单等优点比较突出，所以本设计中的前置放大电路采用LM324作为电路
14、的运算放大器。 3.2.2声音报警电路 声音报警电路图如图2所示。报警装置采用无源压电式KM3712x型蜂鸣器26，较一般的蜂鸣器体积大，声音响亮，当单片机STC12C5410AD的17脚(P3.7)置1时，三极管Q1导通，蜂鸣器报警。本报警器采用单片机STC12C5410AD的PWM功能，如果烟雾浓度达到报警限，单片机控制P3.7(PWM)口输出占空比一定的脉冲，报警时蜂鸣器会发出如警车警笛的声音。 图2声音报警电路图3.2.3数码管显示电路 报警器浓度显示采用共阳数码管。显示浓度级别，其主要技术参数如下： 模块工作电压： 2.75.5V 工作电流： 80ma,每段10ma字高：11.4mm
15、环境相对湿度：85 视角：6:00 工作温度：-10+50C 显示方式：反射式正显示存储温度：-20+60C接口方式：8线并行接口 图3 数码管结构图3.2.4状态指示灯及控制键电路 状态指示灯及控制键电路图如图4所示。单片机STC12C5410AD的18脚(P1.0)、12脚(P2.4)、13脚(P2.5)，控制输出的状态指示灯。绿灯常亮表示正常状态，环境中可燃烟雾浓度极低。黄灯闪亮表示传感器加热丝或者电缆发生断线或者接触不良。红灯闪亮表示环境中可燃烟雾浓度超过报警限值，提醒用户尽快作相应安全措施。 当烟雾浓度超过报警限，报警器发出鸣叫，用户到达现场，可按下按键停止报警器鸣叫。若过一点时间浓
16、度仍超出报警限，报警器会再次鸣叫提醒用户。图4 状态指示灯电路图图5 控制按键连接示意图4烟雾检测报警器的软件设计4.1烟雾检测报警器软件流程及设计 本论文中，软件解决的主要问题是检测烟雾传感器的烟雾浓度信号，然后对信号进行AD转换，数字滤波，线性化处理，段式液晶浓度显示，按键功能设置，以及报警器声光警报。 4.1.1主程序设计及流程图 主程序流程图如图6所示。首先要给传感器预热三分钟，因为MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器在不通电存放一段时间后，再次通电时，传感器不能立即正常采集烟雾信息，需要一段时间预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。本论文的主程序设计先对传感器预热三分钟，预热同时，对
17、传感器加热丝故障检测，采用软件方式检测传感器加热丝或电缆线是否断线或者接触不良。 STC12C5410AD单片机对传感器检测的烟雾浓度信号进行A/D转换、平均值法滤波、线性化处理后，将浓度值与报警限设定值相比较，判断是否报警。同时送入段式液晶显示烟雾浓度值。主程序还包括状态指示灯及按键功能设置，中断子程序等，使报警器功能更加完善，给用户带来便利。图6主程序流程图4.2.2主程序初始化流程图主程序初始化流程图如图7所示。给传感器预热后，程序开始执行初始化子程序，这部分实现的功能包括各种I/O口输入输出状态的设定、 寄存器初始化、中断使能等。首先设定定时初值50ms，利用IAP写入EEPROM，作
18、为取值间隔。然后设置定时器0，选择方式1。方式1状态下定时器的工作寄存器TH1、TL1是全16位参与操作。接下来定时器0中断允许位置1，打开定时器0，关闭蜂鸣器，开启绿灯，设置报警限初值。图7主程序初始化流程图4.2.3中位值平均滤波法数字滤波子程序设计及流程图 在烟雾传感器对烟雾浓度采样时，可能会遇到尖脉冲干扰的现象。干扰通常只影响个别采样点的数据，此数据与其他采样点的数据相差比较大。 如果采用一般的平均值法，则干扰将“平均”到计算结果上去，故平均值法不易消除由于脉冲干扰而引起的烟雾浓度采样值的偏差。 为此，可采取中位值平均滤波法(又称防脉冲干扰平均滤波法)，先对N个采样数据进行比较，去掉其
19、中的最大值和最小值，然后计算余下的N2个数据的算术平均值。这种方法既可滤去脉冲干扰又可滤去小的随机干扰。保证报警器检测烟雾浓度的准确性，减小误报、错报的可能。 在实际应用中，N可取任何值，但为了加快测量计算速度，本论文数字滤波的设计中N取10。即调用A/D连续进行10次采样，去掉其中的最大值和最小值，计算其余8个值的平均值，将这个平均值送入寄存器。中位值平均滤波法的程序流程图如图8所示。图8中位值平均滤波法程序流程图4.2.4插值法线性化处理子程序设计及流程图 MQ-2型传感器的电阻是随着烟雾浓的升高而降低的，因此输入单片机的电压也是随之降低的。图9为单片机采集电压值与烟雾浓度百分比的对应曲线
20、，可以看出，电压值与烟雾浓度之间是非线性的关系，为了实时显示烟雾浓度，需要对其进行线性化处理。在误差许可范围内，根据标定曲线形状，以及单片机处理能力，把曲线分成若干小段，对每小段分别线性化。图9单片机采集电压值与烟雾浓度百分比线性化曲线4.2.5报警子程序设计及流程图 当烟雾浓度超过报警设定值时，报警器发出一种近似警笛的鸣叫声，对应通道的红灯闪亮，以提示操作人员采取安全对策或自动控制相关安全装置，从而保障生产安全，避免火灾和爆炸事故的发生。为防止误报，在程序设计上，对烟雾浓度进行快速重复检测和延时报警，以区别出是管道中烟雾的泄漏，还是由于暂短打开阀门产生的可燃烟雾的微量散失，防止误报。报警子程
21、序流程图如图10所示。图10报警子程序流程图4.2.6控制按键设计子程序及流程图本报警器设计附加一个按键，功能分别为：确定(消音)。按键处理子程序流程图如图11所示。图11键盘处理子程序5结 论根据设计要求、使用环境、成本等因素，选用MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器。该传感器是对以烷类烟雾为主的多种烟雾有良好敏感特性的广谱型半导体敏感器件。它的灵敏度适中，具有响应与恢复特性好，长期工作稳定性、重现性、不易受环境影响及抗温湿度影响等优点。 烟雾报警器能在较宽的温度范围工作，可将烟雾浓度显示用LCD显示。当烟雾的浓度达到设定的浓度时，发出声光报警。还具有故障自诊断功能快速重复检测和延时报警功能。报
22、警器还可以与上位机(PC)进行通信，实时传输烟雾浓度检测数据，由上位机记录保存，也可以利用上位机完成实现远程实时检测和控制等功能。 参考文献1陈连生. 可燃烟雾探测器及其设置安装要领. 石油工程建设. 1996(1): 2325 2张保卫. 尚家峰, 赵金水. 燃气报警器的分类与选择. 山东消防, 2003(8): 2728 3彭军. 传感器与检测技术. 西安电子科技大学出版社, 2003: 263315 4李永生. 杨莉玲. 半导体气敏元件的选择性研究. 传感器技术, 2002(3): 13 5谢望. 烟雾传感器技术的现状和发展趋势. 仪器仪表用户, 2006, 13(5): 12 6蔡文斋
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