基于單片機(jī)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)

董健

1.前言

目前，隨著電子產(chǎn)品在人類生活中的使用越來越廣泛，由此引起的火災(zāi)也越來越多，在我們生活得四周到處潛伏著火災(zāi)隱患。為了避免火災(zāi)以及減少火災(zāi)造成的損失，我們必須按照“隱患險(xiǎn)于明火，防患勝于救災(zāi)，責(zé)任重于泰山”的概念設(shè)計(jì)和完善火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，將火災(zāi)消滅在萌芽狀態(tài)，最大限度地減少社會(huì)財(cái)富的損失。

本系統(tǒng)可安裝在各防火單位，它負(fù)責(zé)不斷地向所監(jiān)視的現(xiàn)場發(fā)車巡檢信號，監(jiān)視現(xiàn)場的溫度、濃度等，并不斷反饋給報(bào)警控制器，控制器將接到的信號與內(nèi)存的正常整定值比較、判斷確定火災(zāi)。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警、故障自診斷、濃度顯示、報(bào)警限設(shè)置、延時(shí)報(bào)警及與上位機(jī)串口通信等，是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便、價(jià)格低廉、智能化的煙霧傳感器，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

2.火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的工作原理

2.1系統(tǒng)總體功能概述

火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)一般由火災(zāi)探測器、區(qū)域報(bào)警器和集中報(bào)警器組成?；馂?zāi)探測器通過對火災(zāi)發(fā)出的物理、化學(xué)現(xiàn)象——?dú)猓ㄈ紵龤怏w）、煙（煙霧粒子）、熱（溫度）、光（火焰）的探測，將探測到的火情信號轉(zhuǎn)化成火警電信號傳遞給火災(zāi)報(bào)警控制器。區(qū)域報(bào)警器將接收到火警信號后經(jīng)分析處理發(fā)出聲光報(bào)警信號，警示消防控制中心的值班人員，并在屏幕上顯示出火災(zāi)的房間號。集中報(bào)警是將接收到的信號以聲光形式表現(xiàn)出來，其屏幕上也顯示出著火的樓層和房間號，利用本機(jī)專用電話還可迅速發(fā)出指示和向消防隊(duì)報(bào)警。

2.2火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的類型

根據(jù)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中所使用的探測器種類的不同，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可以分為以下四種：

（1）感溫型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

由于火災(zāi)發(fā)生時(shí)燃燒物會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，使得周圍溫度迅速變化。感溫型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)就是通過判斷周圍溫度變化而產(chǎn)生響應(yīng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，再把溫度的變化轉(zhuǎn)換為電信號以達(dá)到判斷報(bào)警的目的。根據(jù)探測溫度參數(shù)的不同，一般可以將感溫型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)分為定溫式、溫差式等幾種。

（2）感煙型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

煙霧是早期火災(zāi)的重要特征之一。在火災(zāi)發(fā)生的初期，由于溫度比較低，許多物質(zhì)都處于陰燃階段，產(chǎn)生大量的煙霧。感煙型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)就是對空氣中可見或不可見的煙霧粒子進(jìn)行探測，然后將煙霧濃度的變化轉(zhuǎn)換為電信號來觸發(fā)報(bào)警。感煙型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主要有激光感煙式、光電感煙式和離子感煙式等。

（3）感光型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

物質(zhì)燃燒不但會(huì)產(chǎn)生煙霧和熱量，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生可見或不可見的光輻射。感光型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)就是通過響應(yīng)火災(zāi)中產(chǎn)生的光特性，即擴(kuò)散火焰的光強(qiáng)度和閃爍頻率，來觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)的。根據(jù)感應(yīng)的敏感波長，可以將感光型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)分為對波長較短的光輻射敏感的紫外報(bào)警系統(tǒng)和對波長較長的光輻射敏感的紅外報(bào)警系統(tǒng)。

（4）復(fù)合型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

如果報(bào)警系統(tǒng)同時(shí)對溫度、煙霧和光輻射中的兩種或兩種以上參數(shù)做出響應(yīng)，那么它就是復(fù)合型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。目前復(fù)合型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)有感溫感煙型、感煙感光型、感溫感光型等多種形式。

2.3火災(zāi)探測器的原理

火災(zāi)發(fā)生時(shí)，必然會(huì)伴隨著產(chǎn)生煙霧、高溫和火光，探測器對這些都很敏感。當(dāng)有煙霧、高溫、火光產(chǎn)生的時(shí)候，它就改變平時(shí)的正常狀態(tài)，引起電流、電壓或機(jī)械部分發(fā)生變化或位移，再通過放大、傳輸?shù)冗^程發(fā)出警報(bào)聲，有的還能同時(shí)發(fā)出燈光信號并顯示發(fā)生火災(zāi)的部位、地點(diǎn)。

火災(zāi)探測器主要分感煙、感溫、光輻射三大類：

（1）感煙探測器。一種是離子感煙探測器，它在內(nèi)外電離室里面有放射源镅241，電離產(chǎn)生的正負(fù)離子，在電場的作用下各向正負(fù)電極移動(dòng)。在正常的情況下，內(nèi)外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。一旦有煙霧竄逃外電離室，干擾了帶電粒子的正常運(yùn)動(dòng)，電流、電壓就有所改變，破壞了內(nèi)外電離室之間的平衡，于是就發(fā)出了信號。還有一種叫光電感應(yīng)探測器，它有一個(gè)發(fā)光元件和一個(gè)光敏元件，平常光源發(fā)出的光，通過透鏡射到光敏元件上，電路維持正常，如果有煙霧從中阻隔，到達(dá)光敏元件上的光就顯著減弱，于是光敏元件就把光強(qiáng)的變化變成電的變化，通過放大電路向人們報(bào)警。

（2）感溫探測器。一種是運(yùn)用金屬熱脹冷縮的特性。正常的情況下，探測器的電路斷開，當(dāng)溫度升到一定值時(shí)，由于金屬膨脹、延伸，導(dǎo)體接通，于是發(fā)出了信號。一種是利用某些金屬易熔的特性，在探測器里固定一塊低熔點(diǎn)合金，當(dāng)溫度升到它的熔點(diǎn)（70～90℃）時(shí)，金屬熔化，借助彈簧的作用力，使觸頭相碰，電路接通，發(fā)出信號。這兩種探測器都屬定溫型，即當(dāng)外界溫度超過某一限值時(shí)就會(huì)報(bào)警;還有一類是差溫型，升溫的速度超過特定值時(shí)，便會(huì)感應(yīng)報(bào)警。如將兩者結(jié)合起來，便成為差定溫組合式。

（3）光輻射探測器。一種是紅外光輻射探測器。物質(zhì)在燃燒時(shí)，由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生閃爍的紅外光輻射使硫化鉛紅外光敏元件感應(yīng)，轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)放大后，就能向人們報(bào)警。另一種是紫外光輻射探測器，則利用有機(jī)化合物燃燒時(shí)，火光中的紫外光，使紫外光敏管的電極激發(fā)出離子，通過繼電器等，就能打開開關(guān)電路報(bào)警。

火災(zāi)報(bào)警器是重要的安全設(shè)備，一切重要的場所，如大型物資倉庫、隧道、大型船舶、高層建筑都應(yīng)該安裝。它還可以與自動(dòng)滅火設(shè)備一起組成自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)滅火的“自動(dòng)消防隊(duì)”。

3.核心芯片選擇

3.1.AT89S52芯片

在火災(zāi)報(bào)警器的設(shè)計(jì)中，單片機(jī)是其核心部件。它一方面要接收來自傳感器送來的溫度、煙霧對應(yīng)的模擬信號和故障檢測信號，另一方面要對這兩種信號分別進(jìn)行處理，以控制后續(xù)電路進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作;與此同時(shí)查詢是否有鍵按下的請求。在單片機(jī)完成這些工作的過程中，尤其是信號處理中，比較濃度值后送入顯示的軟件實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，要求單片機(jī)具備較快的運(yùn)算速度，使檢測人員能夠較準(zhǔn)確地觀測到煙霧濃度，并根據(jù)情況進(jìn)行相應(yīng)的處理。并且也要考慮選擇低價(jià)實(shí)用的機(jī)型，并為研制同一系列的低功耗產(chǎn)品做準(zhǔn)備。根據(jù)多方面的比較，本設(shè)計(jì)選用ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)作為控制器。

3.2集成溫度傳感器AD590

AD590是美國Analog Devices公司生產(chǎn)的一種電流型二端傳感器，電路如圖所示。由于AD590是電流型溫度傳感器，它的輸出同絕對溫度成正比，及1 A∕K，，而數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片ADC0809的輸入要求是電壓量，所以在AD590的負(fù)極接出一個(gè)10千歐的電阻R1和一個(gè)100歐的可調(diào)電阻W，將電流量變?yōu)殡妷毫克腿階DC080。通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻便可在輸出端V 獲得與絕對溫度成正比的電壓量，即10mV∕K，溫度0℃時(shí)輸出為0，溫度25℃時(shí)輸出為2.982V。這樣便于A/D轉(zhuǎn)換器采集數(shù)據(jù)。

3.3氣體傳感器TGS-202

火災(zāi)中氣體煙霧主要是CO 和CO，TGS202氣體傳感器能探測CO ，CO，甲烷，煤氣等多種氣體，它靈敏度高，穩(wěn)定性好，適合于火災(zāi)中氣體的探測。如上圖所示，當(dāng)TGS202探測到CO 或CO時(shí)，傳感器的內(nèi)阻變小，V 迅速上升。選擇適當(dāng)?shù)碾娮枳柚?，使得?dāng)氣體濃度達(dá)到一定程度（如CO濃度達(dá)到0.06﹪）時(shí)，V 端獲得適當(dāng)?shù)碾妷海ㄔO(shè)為3V）。

3.4數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片ICM7218

ICM7218 是INTERSIL公司生產(chǎn)的一種性能價(jià)格比較高的通用8 位L ED 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路， 28 腳雙列封裝，是一種多功能L ED 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片，可與多種單片機(jī)接口使用。ICM7218 的輸出可直接驅(qū)動(dòng)L ED顯示器，不需外接驅(qū)動(dòng)電路，工作電壓為+5V，其構(gòu)成的顯示電路結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。同樣由單片機(jī)向ICM7218寫控制字及數(shù)據(jù)，編程部分像給外部RAM寫數(shù)據(jù)一樣簡單。

當(dāng)單片機(jī)寫入模式控制字后，ICM7218以約定的方式接收顯示數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)寫入靜態(tài)顯示RAM中。數(shù)據(jù)接收結(jié)束，ICM7218在掃描控制電路的控制下，按設(shè)定的譯碼模式，以動(dòng)態(tài)掃描顯示方式向段顯示驅(qū)動(dòng)器和位控驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制信號，直到下一個(gè)控制字寫入前，不停地進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示工作。