火灾自动报警系统-设计方案、设计方法和设计手段

摘要:以AT89C51单片机、集成温度传感器AD590和气体传感器TGS202为敏感元件，采用多传感器信息融合技术，研制了一种用于小单元火灾报警的语音数字网络报警器。关键词:单片机；传感器；信号处理；火警1引用我国火灾自动报警控制系统经历了一个从无到有，从简单到复杂的发展过程，智能化程度越来越高。目前国内厂商大多集中在大型仓库、商场、高档写字楼、酒店等场所的大型火灾报警系统的研发。他们采用集中区域报警控制方式，复杂且成本高。但是，在住宅区、机房、办公室等小型防火单位，有必要设置单个或区域网络的、廉价实用的火灾自动探测报警装置。因此，开发一种结构简单、价格低廉的语音数字网络火灾报警器是非常必要的。一般小型防火单位的火灾报警系统如图1所示。现场火灾报警检测传感器的火灾信息，利用智能识别算法对火灾进行监控。报警器监测到火灾信息时，会上报火灾信息(包括火灾单元代码、单元名称、火灾等级、报警时间等。)通过公用电话交换网直接通过调制解调器发送到消防指挥中心，同时产生声光报警信号，并自动拨打事先预留的电话号码通知本单位相关负责人。消防指挥中心根据收到的火灾信息，立即在火灾信息数据库中查询单位位置、周边道路、交通、水源等基本信息，根据获取的信息迅速确定最佳灭火方案，并通过网络直接向各消防中队下达出警命令。本文将详细介绍小型消防单位语音数字联网报警的设计与实现。2报警器的硬件设计2.1硬件组成如图2所示。报警器的硬件由温度烟雾信号采集模块、声光报警模块和单片机与调制解调器之间的通信模块组成。图中1，2，3构成数据采集模块，4，5构成声光报警模块，5，6，7构成与调制解调器的通信模块。其中1为传感器(包括烟感和温感)，将现场温度、烟雾等非电信号转化为电信号；2是信号调节电路，调节(放大、滤波等。)传感器输出的电信号满足A/D转换的要求；3是A/D转换电路，完成温度传感器和烟雾传感器输出的模拟信号到数字信号的转换。声光报警模块由单片机和报警电路组成，在单片机的控制下实现不同的声光报警(异常报警、故障报警、火灾报警)功能。单片机与调制解调器的通信模块由单片机、GM16C550串口扩展芯片和RS232电平转换电路组成，通过调制解调器实现报警器与消防指挥中心的通信。下面简单介绍一下模块。2.2温、烟信号采集模块应能准确报警，选择合适的温、烟传感器是准确报警的前提。综合考虑各种因素，选择集成温度传感器AD590和气体传感器TGS202作为采集系统的敏感元件。AD590是ADI公司生产的电流模式双端温度传感器。电路如图3所示。由于AD590是电流型温度传感器，其输出与绝对温度成正比，即1μA/k，而ADC0809的输入要求是电压，因此在AD590的负极连接一个100ω的电阻R1和一个100ω的可调电阻w，将电流转换成电压。通过调节可调电阻，可以在输出端VT得到与绝对温度成正比的电压，即10 mv/k .火灾中的气体烟雾主要是CO2和CO. TGS202气体传感器可以检测CO2、CO、甲烷、瓦斯等气体。它灵敏度高，稳定性好，适用于火灾中的气体探测。如图4所示，当TGS202检测到CO2或CO时，传感器的内阻变小，VA快速上升。选择一个合适的电阻值，这样当气体浓度达到一定水平(例如CO浓度达到0.06%)时，VA端子会得到一个合适的电压(设置为3 V)。A/D转换电路采用常用的8位8通道数模转换芯片ADC0809，电路如图5所示。温度和烟雾传感器的输出分别连接到ADC0809的IN0和IN1。ADC0809的通道选择地址A、B、C分别由89C51的P0.0 ~ P0.2通过地址锁存器74LS373的输出提供。当P2.7=0时，ADC0809与写信号WR***一起被选通。在图中，ALE信号与ST信号相连，地址信号在WR信号的前沿写入，转换在后沿开始。比如输出地址7FF8H可以通过通道IN0实现温度传感器模拟输出的转换；输出地址7FF9H可以通过IN1通道实现烟雾传感器模拟输出的转换。图中，ADC0809的转换结束状态信号EOC连接到89C51的INT1引脚。当A/D转换完成后，EOC变为高电平，表示转换结束并产生中断。在中断服务程序中，转换后的数据被发送到指定的存储单元。2.3声光报警模块声光报警电路在单片机P1端口的控制下，可以根据不同的情况(火灾、异常、故障)发出不同的声光报警信号。声音信号由专用的语音芯片提供。通过向语音芯片的端子输入不同的逻辑电平(00，01，10，11)，可以获得四种不同的语音信号。由单片机P1.0和P1.1控制。另外，芯片还需要一个P1.3提供的选通信号。只有当信号为高电平时，芯片才会根据端子S1和S2的控制信号发出不同的报警声，否则不会报警。四个发光二极管分别由P1端口的P1.4 ~ P1.7控制，发出光报警，如图6所示。P1.4 ~ P1.7控制的灯依次为绿色(正常信号灯)、黄色(故障信号灯)、红色(异常信号灯)、红色(火灾信号灯)。当这些输出端子输出低电平时，相应的信号灯会发出报警。2.4单片机与调制解调器之间的通信模块当报警器监测到火灾信息时，除了在火灾现场产生声光报警信号外，还需要根据事先预留的电话号码自动拨打火灾信息通知本单位相关人员，并迅速上报消防指挥中心。因此，系统设计了一个单片机与调制解调器之间的通信模块，该模块由单片机、GM16C550串口扩展芯片和RS232电平转换电路组成。限于篇幅，通信模块的硬件电路和编程没有详细讨论。3报警监控程序设计监控程序流程图如图7所示。系统复位后，首先要进行初始化，包括初始化所有的控制寄存器，设置中断服务程序的入口地址，设置堆栈等。为了便于系统维护和功能扩展，采用模块化编程方法，通过子程序调用实现系统各模块的具体功能。该系统主要包括数据采集子程序、火灾判断报警子程序和Modem通信子程序。3.1数据采集子程序数据采集部分的程序设计包括:驱动ADC0809的IN0和IN1进行A/D转换，分别由子程序ADC1(温度转换)和ADC2(烟雾浓度转换)完成；MCU接收转换后的数据并存储在指定的存储单元中，这由INT1中断服务程序完成。每次驱动A/D转换后等待外部中断1。当中断来临时，意味着A/D转换已经完成，通过中断服务程序读取转换后的数据。3.2火灾判断与报警程序为了降低误报率，系统采用多次采集、多次判断的方法。每次数据采集后，根据获得的数据判断现场情况:00H表示正常，01H表示异常，02H表示火灾；然后综合多次判断的结果，做出最终的火灾判断。内部RAM存储单元中的数据存储如表1所示。具体判断方法如下:(1)温度和烟雾采集两次判断温度≥100℃且温度异常，标志置为1，否则为0；如果烟雾(CO，CO2)浓度≥ 0.06%，烟雾浓度异常，则将标志设置为1，否则为0。(2)根据温度和烟雾异常迹象，判断现场情况为0，表示情况正常，送53H或56H单元00H；两者只有1是1，说明情况异常，发送到01H；；两个都是1，表示有火。送他们02H。(3)根据两种情况做出最终判断，并报警。如果53H和56H中的数据不同，说明是误报警，调整故障报警子程序；否则，根据机组中的数据调整相应的报警子程序。00H正常，返回。01H异常，调整异常报警子程序。02H表示现场发生火灾，调整火灾报警子程序，向消防控制中心报告火灾。4结论本文为小型防火单位研制的语音数字网络化火灾报警器具有以下特点:(1)能对室内烟雾(CO2、CO)和温度突变进行报警(声光报警)。(2)如果出现硬件故障(如传感器遗留、内部元件损坏等。)，它能发出故障报警。(3)如果只有一个参数异常(如烟雾浓度超标或温度过高)，能发出异常报警信号，使值班人员到现场处理。(4)如果烟雾和温度同时出现异常，说明发生了火灾，进行火灾报警，并及时向消防指挥中心报告火灾信息。现场模拟实验表明，该系统安全可靠，误报率低。并且由于其体积小、操作维护方便、成本低等优点，具有广阔的应用前景。