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1、基于单片机的火灾远程监控系统设计方案第1章 课题研究的背景和意义1.1火灾报警器的前景分析改革开放初期，我国由于科学技术人员严重不足，科学技术实力与发达国家相差巨大。国内产的火灾报警系统无论在技术实力、稳定性和售后的服务上都不太成熟。而市场对报警器的需求很大。外国的优秀火灾报警系统趁机将市场投向中国，他们以产品先进的科学技术和高稳定性，迅速占领了中国大部分市场。而如今，随着我国教育的改革，为我国培育了大量的人才。科技发展形势迅猛，结果丰硕，犹如雨后春笋。现在很多科技方面与世界水平接轨了，我们已经实现了一批技术含量较高的、可靠的、完整的火灾报警系统。在价格上我们比国外厂家更加实惠，夺回了大部分国
2、内市场，国外产品现在只有招架之工，全无还手之力，这是非常优秀，自力更生的例子。有的优秀公司还走出国门，进击海外市场。火灾报警器的发展是很喜人。1.2 火灾报警系统的现状和特点 消防报警产品是由很多产品构成的一个大系列，这些产品包括探测周边是否有火情的火灾探测设备、传输火灾信号的信息传输设备、报警分析控制器、以及是否立即采取消防措施的消防控制联动。火灾报警技术是一门综合学科，他是由自动控制、物理传感技术、数据传输和管理、计算机技术、智能楼宇等多个技术组成的集合。随着中国基础建设的高速发展，国内的消防报警技术也得到了极大的提升，有些优秀的企业已经具备了和国外知名企业抗衡的能力。目前中国在一些高新技
3、术行业中，国内企业只是做一些下游的制造和服务，在产业链上只能分取极少一部分的利润，而像消防报警系统一样即拥有拥有大量市场又拥有自我知识产权的高新技术行业其实是很少的1。在消防报警产品的技术含量上，国产产品和国外产品技术差距很小了，许多指标已经超越，存在的主要问题是：消防报警系统大规模的量产没有经验，有待于学习生产品质方面的经验；这也导致产品的稳定性统一性有一些差距；现在国内的优秀大型企业和集团也在改善这方面的问题，这样就可以走出去去冲击海外市场，并最终占领海外的消防报警市场。1.3 火灾的发生与报警要想研发优秀的火灾报警系统，就必须研究火灾发生一般过程，一般情况下可燃物燃烧过程：首先要达到着火
4、点后才会发生剧烈的化学反应燃烧。首先产生燃烧气体，接着产生大量的烟雾，在氧气充足的条件下就会全部剧烈燃烧，产生大量的可见光和不可见光，对周边辐射大量的热量。研究火灾过程后发现在起火过程中，起初和阴燃两个阶段只是产生大量的烟雾，破坏力也较小，容易在发现后扑灭，但是对环境温度的影响较小。探测器应当重点探测这2个阶段，用烟雾传感器来探测烟雾浓度，及早发现控制就可以把火灾损失控制在最小限度。火焰燃烧后，会迅速向四周蔓延，使得环境温度迅速升高，在这个时间点探测环境温度，就可以有效知道火灾燃烧的阶段。起火过程曲线如图1-1所示2.图1-1起火过程曲线火灾发生后初期阶段，首先会伴随产生烟雾、接着产生高温和火
5、光。火灾探测器能将这些烟、光、热信号转变为电信号报警或使自动灭火系统启动，安装了消防控制联动技术的还可以及时采取灭火措施来扑灭火灾，有的还可以将火灾信号传输给消防控制室。第2章 火灾报警器方案设计2.1火灾报警器的功能需求社会科技不断进步，人们物质精神生活也得到了极大的提升，对各种产品出现了多样化，个性化的需求。因此，传统的火灾报警器只能够实现一般的声音报警，这已经远远不能够满足于市场的要求。为了更好的满足市场需求，我们课题研究的主要方向为多功能的火灾报警系统。传统的火灾报警器报警方式是声音报警，响声引起人们注意。传统的火灾报警往往只能报警而不采取迅速的抢救，或者人不在现场时声光报警也不能引起
6、人们注意，导致火势变大造成巨大损失。对火灾现场伴随火灾而产生的烟雾进行多点检测，实时监控来进行短信报警，并告知消防队火灾发生的地点，消防队员可以在第一时间内得到火灾报警的通知，这一类的报警系统可以大大减轻人员负担，可以最快的的方式给工作中不在家的人报警。具有准确性和快速性的同时也满足市场的发展要求。2.1.1火灾报警器的设计方案火灾报警系统中使用的探测器可以对温度、烟雾浓度、光的强弱程度进行探测，可以针对其中的一种或者几种同时进行探测。可以将多种探测器组合在一起实现复合型火灾报警系统。火灾起火的过程一般产物有烟、热、光，在火灾初期，温度往往比较低，各燃烧物都都是处于阴燃的阶段，因此将会有大量的
7、烟雾产生，阴燃阶段过后，光和热的现象才会比较明显。因此，我们这里主要是烟雾传感器来探测火灾发生的前期烟雾，再辅以温度传感器来检测周边温度，这样就可在火灾发生的早期报警，有的还可以通知消防队进行施救，及时灭火减少损失3。本课题的火灾报警器构成电路主要包括：烟雾采集检测电路，数模转换电路，温度传感器电路，单片机控制电路，声光报警电路，GSM模块电路，LCD模块电路。烟雾采集检测电路和单片机控制电路是报警系统的核心电路。在实际应用中，我们将检测电路放在需要预警的房间内。烟雾传感器采集房间内的烟雾浓度，通过物化特性将其处理为模拟电信号，再经过数模转换电路转换后形成数字信号，单片机识别信号后，将信号进行
8、一系列的处理运算，并将结果传递给LCD显示，这样LED就可以直观的显示当前的烟雾值浓度。当烟雾值达到报警值时，单片机控制蜂鸣器工作，实现声音报警的作用。周围人员听到火灾报警信号就可以在火灾早期逃离现场，专业人员也可以及时处理火情。为了使报警器适用各种不同的场合，我们可以根据需求不同来设置报警浓度值。更重要的是要提高系统的实用性，当报警启动时，单片机控制GSM模块向预存的号码发送短信，这样可以让主人了解火灾的具体情况。这样我们就可以在火灾发生时让外界人员了解火灾现场内部的具体情况，以便采取适宜的措施来扑灭火灾4。从需求出发，让我们了解了火灾报警器需要实现的功能，这样才能做出符合市场需求的小型火灾
9、报警器。整体的电路框图如图2.1所示：单片机控制模块温度采集模块GSM短信发送模块烟雾探测模块声光报警模块LCD显示模块图2.1 硬件模块组成为了让此设计方案具有实用性，符合小型智能火灾报警器的定位。我们应该认真针对每一个元器件进行准确的选取，根据报警器功能需求和家庭实用性选择好的元器件。为了组成一个完好的方案，我们先要选择好探测传感器，这样我们才好有针对性为后续模块选择元器件。对于烟雾信号采集的烟雾传感器，我们应该选取准确性高，考虑成本问题后还要选用价格低廉的传感器。温度传感器则要选用准确度高，价格实惠，稳定性高的的传感器。下面我们来对相关元器件进行选型。2.2烟雾传感器的选型通过检测房间内
10、烟雾的浓度，烟雾传感器可以在火灾早期探测到火灾险情，可以让相关人员及时发现进行灭火。它广泛的运用在家庭、企业、学校、公司、仓库等众多的领域中，是报警系统的核心部件。提高对烟雾传感器的选型要求，可以让课题设计出更实用的报警器。可以让我们设计出更加灵敏，更加实用的报警装置。烟雾传感器的甄选是设计火灾报警系统的一个重要环节。2.2.1.烟雾传感器应满足的基本条件市面上可供选择的烟雾传感器很多。但是，要选择一款符合小型火灾报警器使用的烟雾传感器，我们必须要仔细挑选，它必须具备以下条件：（1）能够对某一种或者两种特性的烟雾进行检测，对烟雾中其他成分不响应或低响应；（2）能有效地检测规定范围内的烟雾浓度并
11、对被测烟雾具有较高的灵敏度；（3）对检测信号响应速度快，能不断实时检测；（4）长期工作稳定性好；（5）使用寿命长；（6）制造成本低；2.2.2常见烟雾传感器烟雾传感器的种类很多，常见的有半导体烟雾传感器、接触燃烧烟雾传感器、红外传感器、电流型烟雾传感器、电势型气体传感器、热导烟雾传感器、光干涉传感器等。气体烟雾的种类繁多，而一种烟雾传感器不可能对每一种烟雾都进行准确检测，通常只能检测检测莫一种特定性质的烟雾。例如氧化物半导体烟雾传感器对还原性烟雾比较敏感，可用于检测如H2、CH3OH、CO、C2H5OH等还原性的烟雾。有的对无机烟雾比较敏感，固体电解质烟雾传感器可用于对无机烟雾的检测如CO、C
12、O2、H2、C12、SO2等。常见烟雾传感器可检验烟雾种类如表2.17。表2.1 常见烟雾传感器对气体的敏感程度2.2.3烟雾传感器的选定火场会产生大量有毒气体。一般装修材料里含有硫，所以物体会燃烧得更快。燃烧会产生大量的SO2。另外，在大火中会燃烧周边很多可燃物，木质物品不完全燃烧会产生大量的一氧化碳，塑料制品会产生焦油等，致使人被呼进体内，造成呼吸道污染肺部坏死。大火中毒气远不止这些，我们没有做好防护措施，稍不注意，就会有生命危险。要利用烟雾传感器对一些有毒气体浓度进行检测。根据一般火灾产生的烟雾种类传感器要能敏感检测，传感器体型要符合体型小、性能稳定、价格实惠的特点。一般选用接触燃烧式烟
13、雾传感器和半导体烟雾传感器。使用接触燃烧式传感器探头的阻缓及中毒，是不可避免的问题。这要求人经常要对其清理和维护，不然会影响探头的灵敏性，变得反应迟钝。这样火灾报警器的准确性和及时性都将大大折扣。而且这里设计的火灾报警器是小型化的针对家庭的。不可能经常进行专业的检查。半导体烟雾传感器检测气体是家庭火灾发生时常见气体，它不仅有着成本低廉、响应速度快、抗干扰性强的特点，而且灵敏度高、体积小，操作简单便捷。这无疑非常适合小型化的家庭使用。在这里我选用半导体型MQ-2烟雾传感器，它具有响应速度快、稳定性高、抗干扰性强、使用寿命长等优点8。2.3温度传感器的选型温度探测器能够探测环境的温度，当环境温度超
14、出或低于设置值时发出报警。它的主要原理是利用热敏方式来检测环境温度，将温度的变化转换为电信号后再交给主控芯片进行处理。这样就达到了火灾报警的目的。2.3.1温度传感器的发展一是模拟集成温度传感器。这种温度传感器也称为单片集成温度传感器或者硅传感器,因为它主要用硅半导体集成工艺制成。模拟集成温度传感器功能非常单一，只能测量温度不能实现控制功能。这种传感器的主要特点是测温误差很小、体积小、价格低。因为模拟集成温度传感器的外围电路非常简单所以适合远距离测量温度。在国内外这一种低成本、测量误差小的传感器应用最为普遍，代表产品有TMP17、LM135 、AD590、AD592等。二是模拟集成温度控制器。
15、这种温度控制器主要由可编程温度控制器和温控开关二部分构成，某些增强型集成温度控制器中有A/D转换器，这就不需要外联A/D转换器，还可以固化好智能程序实现一些智能功能。这与智能温度传感器有某些相似之处。但这一部分在工作时并不受微处理器的控制，是集成温度控制器自带的，这是二者的主要区别。主要代表产品有AD22105、LM56和MAX6509等。三是智能温度传感器。这种温度传感器可以直接受单片机控制从而实现很多智能功能。内部都包含有A/D转换器、温度传感器、信号处理器、存储器和接口电路。这种智能温度传感器可以实现多种智能功能。甚至有的增强型产品还带多路选择器、CPU、RAM和ROM。智能温度传感器的特点是能适配各种单片机，还能输出数字温度信息。软件的开发水平越高这种传感器智能化程度也越高9。2.3.2温度传感器的选定综合价格，实用，便捷和可靠性的要求，在查找大量资料，反复甄选后我最终选用高精度数字式温度传感器DS18B20。在火灾发生前期，DS18B20温度传感器可准确的测量火灾前期房间内温度变化，测量分辨率为0.0625，这能给单片机精确传输温度数据，让外界人员了解火灾详情。这种智能温度传感器测量精度高，测量范围广。而且很方便的是，此传感器与单片机相连时只需要一条数据线进行数据传输，不需要再添加A/D模块，它与单片机连接简单，这大大简化了硬件电路同时降低了生产成本。第3章 系统硬件
