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1、新纪元三氯甲烷气体灭火系统软件设计说明书1系统概述新纪元三氯甲烷气体灭火系统软件主要应用于各种大型建筑及其它公共设施中，实现对这些场所早期的报警功能，达到预期的目的。这种三氯甲烷气体灭火系统是一个集信号检测、传输、处理和控制与一体的控制系统。该系统采用DALLAS公司研制、生产的智能型DS18B20温度传感器，以及MQ-2烟雾传感器模块作为探测器，将探测器所检测到的能充分反映现场火灾因素采集到火灾控制器，经过火灾控制器根据预期设计好的火灾模式判断，实现对火灾早期的准确报警和对相应的现场消防设备的联动控制。为了适应不同规模的工程的应用，便于信息的远程传输和系统的安装、维护，该系统采用模块化结构，
2、应用多种标准串行总线（如RS-485等）形成一个网络系统。在这个网络系统中，探测器完成对火灾信号的检测，然后数据传输到火灾控制器。同时，每个控制器可以通过RS-485总线将相应的报警信息传给位于各个位置的下位机，从而形成一个完整的防火、早期灭火局域网。1.1 三氯甲烷气体灭火系统发展历史三氯甲烷气体灭火系统的研究开发在国外的起步比较早，我国是在二十世纪八十年代中期才有个别企业开始这方面的研究开发。随着越来越多的产品进入市场，国家也制定了相应的检验标准，当时都是多线制的开关量系统，整个系统呈星型接法，每个探测器分别用两根线与控制器相连，系统中的探测器只能反映出三种状态，分别表示报警、正常和故障，
3、随后出现n+1线制的开关量系统，也就是说n个探测器共用一根地线，这样就在一定程度上减少了系统的布线。随着单片机技术的普遍应用，同时也因为多线制（包括n+1线制）系统在工程安装、布线和维修都很不方便，人们开始将单片机技术用于三氯甲烷气体灭火系统。从而在二十世纪八十年代后期在国内出现了总线制开关量三氯甲烷气体灭火系统，这种系统仍然采用开关量探测器，探测器被安装在编址底座上，底座同时具有检测探测器工作状态的功能和控制通信的能力。一定数量带有探测器的编址底座以并联的方式连接在两根串行总线上，形成一个通信回路（以下我们将这样的总线称为回路总线）。每台控制器可以用多个独立的回路总线。每个报警系统也可以由多
4、台控制器通过特定的串行总线连接起来，以方便的适应不同规模的建筑物。这种总线制火灾报警系统的出现不仅使得该领域在技术上取得了较大的发展，而且也为工程施工、布线、调试、维护带来了极大的方便。人们不需要一根一根的对线、布线，而只要将探测器和安装底座像接灯泡一样并联在回路总线上。当系统发生报警或故障时，都能在控制器上反映出每个点的具体位置。但是这种控制系统与同时期的国外的三氯甲烷气体灭火系统有一定的差距。一九九四年在国内规模最大的北京国际消防产品博览会上，国外一些厂家将他们的智能三氯甲烷气体灭火系统拿来展出，使得国内同行们对智能三氯甲烷气体灭火系统有了初步的了解。相比之下，我们当时流行的总线制开关量系
5、统就显现出了很多弊端。如开关量系统只能反映出火灾发展过程中的两个状态，即要么是正常，要么是报警。它无法反映出火灾发生的全过程，难以实现对灰尘和潮湿等非火灾因素造成的探测器的灵敏度的漂移进行自动补偿，同时对超出补偿容限的探测器实施污染报警；无法根据使用环境和工作的时间段不同而对探测器的灵敏度自动调节；也不能对探测器本身的工作状态进行自动测试等等。此后，国内部分企业开始研究、开发智能型三氯甲烷气体灭火系统。时隔两年，在一九九六年的北京国际消防产品博览会上，国内十几家企业都推出了自己的智能型系统，由于对智能型系统没有一个国家标准，所以各厂家所宣传的智能特性也各不相同。但都有一个明显的特征，就是网络化
6、模块化，应用了一些成熟的、标准的现场总线技术。从此，使得我国的三氯甲烷气体灭火系统的使用进入了智能化的时代。1.2 系统主要结构和功能三氯甲烷气体灭火系统是由火灾报警控制器、火灾探测器、手动报警装置、报警装置等组成。如图1.1所示。在图 1.1中，各种典型的火灾探测器和手动报警按钮位于保护建筑内，下位机传送火警信号，控制器经正确判断或火灾确认后启动声报警装置，通告有关人员逃生，同时启动执行环节灭火。系统也应该报出系统的断线、短路及接地等故障。该系统的中心是火灾报警控制器。如图1.1所示，它主要分五部分：1.输入单元它接收人工或自动火灾探测器送来的信号，送至CPU加以判断，确认，并认识相应的编码
7、地址。2.输出单元确认火灾信号后，输出单元一方面输出声，光报警信号，另一方面把相关信息发送给上位机，以便能从全局的角度采取灭火措施。3.监控单元监控单元的作用主要有两个：一个是检查报警控制器与探测器以及下位机与上位机之间的线路的状态是否存在断路，短路等故障，如果存在这些故障，报警器应给出故障声报警，以确保系统工作的可靠。监控单元的另一个作用是自动巡回检测，自动定期周而复始的逐个对编码探测器发出的信号进行检测，实现报警控制器的实时控制。4.记忆单元实时时钟记下第一次火灾报警的时间，直到火警消除，复位后方恢复正常。5.电源单元通常报警控制器的电源来自两个电源，即双电源。一个是采用220V市电整流进
8、行正常供电。另一个是蓄电池，平时对其进行充电，当有火灾时，可在失去正常供电的情况下继续供电，以保证三氯甲烷气体灭火系统的正常工作。6.时钟及时间记录火灾报警控制器本身应提供一个工作时钟，用于对工作状态提供监测参考。当发生火灾报警时，时钟应能指示并记录准确的报警时间。7.输出控制火灾报警控制器应具有一对以上的工作接点，用于火灾报警时的直接联动控制，如控制警铃、启动自动灭火系统等。输入单元CPU电源输出单元存储器监控单元外围接口温度传感器烟雾传感器声报警1602图1.1 三氯甲烷气体灭火系统框图2 方案论证2.1 三氯甲烷气体灭火系统设计方案本次毕业设计的题目是“三氯甲烷气体灭火系统建立硬件设计”
9、，该系统的工作对象是大型建筑的火灾安全，该系统主要是火灾探测器、信号调理装置、A/D转换器、火灾声报警装置、键盘显示装置、电源电路等装置构成。通过查阅相关的文献资料和筛选器件，最终确立了设计中上述各工作模块所采用的具体器件。火灾探测器分别采用DALLAS公司生产的一种DS18B20温度传感器及MQ-2烟雾传感器模块；信号调理装置即为几个简单的电阻和可变电阻，使得传感器的输出满足A/D转换器的输入即可；选用ADC0832作为该系统的A/D转换器；火灾报警装置由声报警系统组成。键盘显示装置直接与单片机的P3口相连，完成键盘输入和LED显示控制功能。只有上面所列的器件是不够的，要通过系统的整体框图把
10、这些器件有机的连接成一个性能可靠的整体，理想的整体系统框图如图2.1所示。2.2 三氯甲烷气体灭火系统方案论证在上述最终方案确定之前，火灾报警控制器选用的是MC8051，理由是MC8051功能强大，外围电路简单，资料比较多，设计中会省去一大部分的工作。但通过查阅大量资料和与当今被广泛应用的器件进行比较，发现火灾报警监控系统的控制器对单片机的数据存储器和程序存储器的容量有一定的要求，而MCS8051只有256B的数据存储器，要是选用MCS8051单片机做三氯甲烷气体灭火系统的火灾报警控制器，就需要对单片机进行扩展其数据和程序存储器，此举在当今单片机已得到广泛发展的今天是没有必要的。最终方案中所选
11、用的STC89C51作为主控制器，其数据和程序存储器的容量是足够系统的要求的。温度传感器选用DALLAS公司的DS18B20，在测量精度、转换时间、传输距离和分辨率方面足够满足系统的要求。烟雾传感器采用比较流行的MQ-2烟雾传感器模块，该模块具有快速响应恢复、长期的使用寿命和可靠的稳定性、对烟雾有良好的灵敏度。中央控制台（上位机）输出通道（驱动电路）输入通道（数据通信，采集信号查询报警发令复位编辑键盘鼠标紧急广播报警灯火灾联动#1单片机#2单片机#8单片机探测器探测器图2.1 理想系统整体结构图3 系统硬件电路的设计3.1 中央处理器STC89C513.1.1 STC89C51RC/RD+系列
12、单片机STC89C51RC/RD+系列单片机是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟、机器周期和6时钟、机器周期可以任意选择，HD版本和90C版本内部集成MAX810专用复位电路。1.增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051。2.工作电压：5.5V-3.3V（5V单片机）/3.8V-2.0V（3V单片机）。3.工作频率范围：0-40MHz，相当于普通8051的0-80MHz，实际工作频率可达48MHz。4.用户应用程序空间：4K/8K/13K/32K/64K字节。5.片上集成
13、1280字节或512字节RAM。6.通用I/O口（35/39个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）；P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。7.ISP（在系统可编程），IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0，TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成。8.有EEPROM功能。9.内置看门狗。10.内部集成MAX810专用复位电路（HD版本和90C版本才有），外部晶体20M以下时，可省略外部复位电路。11.共3个16定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2
14、个8位定时器使用。12.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。3.1.2 STC89C51RC/RD+系列单片机的内部结构STC89C51RC/RD+系列单片机的内部结构框图如下图3.1所示。其中包含中央处理器（CPU）、程序存储器（Flash）、数据存储器（SRAM）、定时/计数器、UART串口、I/O接口、EEPROM、看门狗等模块。STC89C51RC/RD+系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。AUX-RAM1024字节RAM地址寄存器RAM256字节程序存储器ACCB寄存器堆栈指针
15、双数据指针TMP1/2ISP/IAP定时器0/1ALU地址生成器定时器2WDTPSWEEPROM程序计数器串口Control UnitPort0,1,2,3,4锁存器RESETPort0,1,2,3,4驱动器 P0，p1，p2，p3，p4图3.1 STC89C51RC/RD+系列单片机内部结构框图3.2 STC89C51单片机最小系统STC89C51内部有闪存储器，芯片本身就是一个最小系统。在能满足系统的性能要求的情况下，可优先考虑采用此种方案。用这种芯片构成的最小系统简单、可靠。用AT89C52单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，与8031外扩展程序存储器的最小
16、应用系统相比，该系统省去了外扩程序存储器的工作。该最小应用系统只能用作一些小型的数字量的测控单元。如图3.2所示。图3.2 STC89C51的最小系统3.3 下位机输入通道元器件选择3.3.1传感器选择随着经济技术和社会经济环境的发展，人员、设备和建筑对消防保护的要求也越来越高，促使火灾自动探测报警系统不断采用新技术来实现对人类生命和财产安全的可靠保障。如何进一步缩短火灾探测报警的时间，减少火灾的发生，及时采取有效防火、灭活措施，为减少火灾损失提供宝贵的时间等等。所以，有好的火灾探测器在现场可靠的运行是很重要的！由于本设计方案只针对普通的大空间可能发生的火灾，所以本设计方案选用感烟探测器和感温
17、探测器两种。感温探测器采用DALLAS公司生产的DS18B20温度传感器。DS18B20是1Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点，超低的硬件开销，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，是测温系统的不二选择。DS18B20的主要特征有：1）全数字温度转换及输出。2）先进的单总线数据通信。3）最高12位分辨率，精度可达0.5C。4）12位分辨率时最大工作周期为750毫秒。5）可选择寄生工作方式。6）检测温度范围为-55C+125C（-67F+257F）。7）内置EEPROM，限温报警功能。8）64位光刻ROM，内置产品系列号，方便多机挂接。DS18B20芯片与单片机的接口如图3.3所示，
18、采用两个DS18B20作为温度采集系统。图3.3 DS18B20与单片机接口电路如图所示，DS18B20只需要挂到单片机的一个I/O口上，由于单总线为开漏所以需要外接一个10K的上拉电阻。感烟探测器采用的是MQ-2烟雾传感器模块，它能准确的探测到，CO，甲烷，烟雾等多种可能引发火灾的气体的存在。它灵敏度高，稳定性好，适用与火灾中气体的探测。该模块具有如下特点：1）具有信号输出指示。2）双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）。3）TTL输出有效信号为低电平。（当输出低电平是信号灯亮，可直接接单片机）4）模拟量输出05V电压，浓度越高越有效。5）对液化气，天然气，城市煤气，烟雾有较好的灵敏度。
19、6）具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。7）快速的响应恢复特性。MQ-2烟雾传感器模块原理图如图3.4所示图3.4 MQ-2烟雾传感器模块原理图3.3.2 A/D转换器选择（1）ADC0832引脚结构及应用A/D转换电路采用美国国家半导体公司生产的8位双通道A/D转换专用芯片ADC0832，其引脚结构如图3.5所示,其中CS为片选使能，低电平芯片使能；CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用；CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用；GND为芯片参考0电位（地）；DI数据信号输入，选择通道控制；DO数据信号输出，转换数据输出；CLK为芯片时钟输入；VCC（VREF）电源输入及参考电源输入（复
20、用）。图3.5 ADC0832的引脚结构图ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一个的模拟量转换要求，其内部电源输入与参考电压复用，使得芯片的模拟电压输入在0V5V之间。芯片转换时间仅为32uS，具有双数据输出，可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变得更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别为CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在
21、一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片被禁用，CLK和DO/DI的电平可以任意。当要进行A/D转换时，必须将CS使能端置位低电平并保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时有处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第一个时钟脉冲的下降之前DI端必须是高电平，表示起始信号。在第二、三个脉冲下降之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能，当此两位数据为“1”、“0”时，只对CH0进行单通道转换；当此两位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换；当此两位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正
22、输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当此两位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-,CH1作为正输入端IN+进行输入。到第三个脉冲的下降之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行数据转换的读取。从第四个脉冲下降开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下降DO端输出下一位数据。直到第十一个脉冲时发出最低位数据DATA0，到此一个字节的数据输出完成。也正是从此开始输出下一个相反字节的数据，即从第十一个字节的下降输出DATA0。随后输出8位数据，到第十九个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁
23、用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以。作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是0-5V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV。ADC0832与单片机及MQ-2烟雾传感器模块的原理图如图3.6所示。图3.6 ADC0832、MQ-2烟雾传感器模块及单片机接口电路（2）ADC0832内部逻辑结构ADC0832由一个8位输入寄存器、一个8位DAC寄存器和一个8位D/A转换器组成。结构图如图3.7所示。8位输入寄存器8位D/A转换器8位DAC寄存器 VREF 数据输入 数据输出 图3.7 ADC0832的内部逻辑结构图3.3.3下位机数据采集系统设计下位机的数据采集的主要流程为：现场的
24、情况通过传感器来反映，而从传感器传出来的信号是模拟量信号，该模拟量信号通过A/D转换器，把模拟量转化为数字量，只有转化成数字量后，单片机才能接收到传感器传来的信号，下位机数据采集系统原理图如图3.8所示。图3.8 下位机数据采集系统原理3.4 键盘/显示接口电路设计本模块以STC89C51单片机为控制核心，由于本模块只用了5个按键，不需要译码器，直接与单片机的P3口相连，如图所示，大大简化了硬件设计，充分的利用了单片机的资源，这也是本设计的巧妙所在。可通过键盘来设置温度上下限，并在液晶显示屏1602上显示。通过软件编程，负责键盘扫描、消除抖动处理和显示输出工作。系统框架电路图如图3.9和图3.
25、10所示。图3.9 键盘接口电路图3.10 显示接口电路3.5 报警电路设计新纪元三氯甲烷气体灭火系统软件的报警系统主要是由声报警组成。在火灾可能发生或发生时在或者某个火灾探测器出现问题的时候，都需要火灾的声报警系统来提醒工作人员或告知有关人员逃生。下面分别对三氯甲烷气体灭火系统的声报警系统做详细的介绍。火灾报警控制器在两种情况下发出声音报警：当检测到故障信号时（如传感器断线，电缆断线或传感器接触不良时）由蜂鸣器发出故障报警信号，蜂鸣器工作电流12mA，由P2.3经驱动放大电路驱动。原理图如图3.11所示；当检测到火灾时，由报警器发出警铃报警，它由三极管8550、电子和无源蜂鸣器相关电路够成。
26、图3.11 声报警系统电路原理图3.6 电源电路设计本系统中，由于MQ-2烟雾传感器模块对电流要求比较高，故外加的稳压器必须达到足以提供模块工作以及其他电路工作的条件，所以本系统采用开关电源芯片LM2576完成从12V到5V的转换，为系统供电。3.6.1 +5V3A直流稳压电路原理+5V直流稳压电源的工作电路,传统方式采用分立元件构成,该三氯甲烷气体灭火系统采用美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压型稳压器LM2576。它内含固定频率振荡器（52kHz）和基准稳压器（1.23V），并具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。LM2576
27、因其稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、容易设计和制作、体积小、重量轻、成本低、维修简单等优点，所以在各种电源电路中得到了普遍的应用。LM2576系列开关稳压集成电路的主要特性如下： 最大输出电流：3A； 最高输入电压：LM2576为40V，LM2576HV为60V； 输出电压：3.3V、5V、12V、15V和ADJ（可调）等可选； 振东频率：52kHz； 转换效率：75%88%（不同电压输出时的效率不同）； 控制方式：PWM；工作温度范围：-40 +125 工作模式：低功耗/正常两种模式可外部控制； 工作模式控制：TTL电平兼容； 所需外部元件：仅四个（不可调）或六个（可调）；器件保护：
28、热关断及电流限制； 封装形式：TO-220或TO-263。LM2596的典型应用电路如图3.12所示，这是一个输出+5V直流电压的稳压电路。IC采用LM2576，C4、C5、C6、C7分别为输入端和输出端滤波电容，D1为续流二极管。L1为储能功率电感。图3.12 +5V直流稳压原理图3.6.2 +5V3A直流稳压电路参数设计根据设计要求，图3.17中电感L1的选择要根据LM2576的输出电压、最大输入电压、最大负载电流等参数选择，首先，依据如下公式计算出电压.微秒常数（E.T）:E.T= (Vin-Vout)*Vout/Vin*1000/f上式中，Vin是LM2576的最大输入电压，Vout是
29、LM2576的输出电压，f是LM2576的工作振荡频率值（52kHz）。E.T确定之后，就可参照参考文献所提供的相应的电压.微秒常数和负载电流曲线来查找所需的电感值。该电路中的输入电容C4一般应大于或等于100uF，安装时要尽量靠近LM2576的输入引脚，其耐压值应与最大输入电压值相匹配。而输出电容C6的值应根据下式进行计算（单位：uF）：C=13300Vin/Vout*L上式中，Vin是LM2576的最大输入电压，Vout是LM2576的输出电压，L是经过计算并查表选出的电感L1的值，其单位是uH。电容C的耐压值应大于额定输出电压的1.52倍。对于5V电压输出而言，推荐使用耐压值为16V。二
30、极管D1的额定电流值应大于最大负载电流的1.2倍，考虑到负载短路的情况，二极管的额定电流值应大于LM2576的最大电流限制。二极管的反向电压应大于最大输入电压的1.25倍，推荐使用IN582X系列的肖特基二极管。Vin的选择应考虑交流电压最低跌落值（Vac-min）所对应的LM2576输入电压值及LM2576的最小输入允许电压值Vmin（以5V电压输出为例，该值为8V），因此，Vin可依据下式计算：Vin=（220Vmin/Vac-min）如果交流电压最大允许跌落30%（Vac-min=154V）、LM2576的电压输出为5V（Vmin=8V），则当Vac=220V时，LM2576的输入直流电
31、压应大于11.5V，通常可选为12V。4 系统软件设计4.1 主机程序流程图为了便于系统维护和功能扩充，本系统采用了模块化程序设计方法，系统各个模块的具体功能都是通过子程序调用实现的。系统主程序流程图如图4.1所示。开始1602、18b20、MQ-2初始化显示结果、处理数据是否越警传送信号给报警器 是 否结束图4.1 主程序流程图4.1.1 DS18B20子程序流程图DS18B20子程序流程图如图4.2所示。开始初始化DS18B20存在？ 否 是ROM操作命令存储操作命令读取温度值返回图4.2 DS18B20子程序流程图4.1.2 MQ-2烟雾传感器模块子程序流程图MQ-2烟雾传感器模块子程序流程图如图4.3所示。开始初始化MQ-2存在？ 否读取烟雾浓度 是返回图4.3 MQ-2烟雾传感器模块子程序流程图4.1.3 LCD1602子程序流程图LCD1602子程序流程图如图4.4所示。开始初始化1602存在？ 否 是单片机向LCD写命令单片机向LCD写数据显示数据结束图4.4 LCD1602子程序流程图4.1.4 AD转换子程序流程图AD转换子程序流程图如图4.5所示。开始初始化启动A/D转换A/D转换完成？ 否 是数据输出延时结束图4.5 AD转换子程序流程图23