范裕如，劉天生，陳 成

（中北大學(xué) 化工與環(huán)境工程學(xué)院 安全工程系，山西 太原 030051）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，現(xiàn)代高層建筑及重要建筑的防火問(wèn)題引起了社會(huì)各界的高度重視，對(duì)消防報(bào)警系統(tǒng)提出了更高更嚴(yán)的要求。為了早期發(fā)現(xiàn)和通報(bào)火災(zāi)，防止和減少火災(zāi)危害，保護(hù)人身和財(cái)產(chǎn)安全，在現(xiàn)代化的工業(yè)民用建筑、賓館、圖書(shū)館、科研和商業(yè)部門(mén)，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)已成為必不可少的設(shè)施。電氣工程設(shè)計(jì)、安裝和使用是否正確不僅直接影響到建筑的消防安全，而且也直接關(guān)系到各種消防設(shè)施能否真正發(fā)揮作用。

1 設(shè)計(jì)思想和基本思路

根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的探測(cè)、處理和報(bào)警功能，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)大致分為信號(hào)采集放大、信號(hào)處理控制和系統(tǒng)設(shè)置報(bào)警3個(gè)部分。

（1）信號(hào)采集部分即通過(guò)氣體傳感器檢測(cè)室內(nèi)氣體濃度，將這種變化量轉(zhuǎn)化成電壓模擬量的變化，然后通過(guò)運(yùn)放進(jìn)行必要的放大，并將處理過(guò)的信號(hào)送存儲(chǔ)器保存和顯示器顯示。

（2）信號(hào)處理部分是將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送入控制器進(jìn)行處理。

（3）系統(tǒng)設(shè)置報(bào)警部分是通過(guò)預(yù)定的控制方式，利用蜂鳴器報(bào)警實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確操作。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1 氣體濃度檢測(cè)模塊

室內(nèi)故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)采用4 路巡回檢測(cè)的方法，采用QM－N5型氣體傳感器檢測(cè)房間氣體濃度，檢測(cè)結(jié)果送入模／數(shù)芯片ADC0809中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

選用的氣體傳感器解決了在較高溫度下才能達(dá)到良好敏感度和選擇性差的問(wèn)題，并將氣體傳感器與保護(hù)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，使保護(hù)系統(tǒng)在氣體達(dá)到爆炸極限前動(dòng)作，將事故損失控制在最低。同時(shí)，氣體傳感器的小型化和較低的價(jià)格，使之進(jìn)入家庭成為可能。

2.2 主控模塊

系統(tǒng)采用AT89S51 單片機(jī)，其主要功能是與ADC0809芯片共同接收檢測(cè)信號(hào)，并通過(guò)對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理來(lái)控制外圍電路及顯示電路。采集信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC0809處理后送單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后的信息將通過(guò)單片機(jī)控制，在LCD 顯示器上顯示出來(lái)，并且送存儲(chǔ)器。其中，通過(guò)復(fù)位、程序執(zhí)行、單步執(zhí)行、掉電和節(jié)電的校驗(yàn)方式來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理分析。

2.3 設(shè)置報(bào)警模塊

該模塊主要由鍵盤(pán)和報(bào)警器組成，氣體濃度經(jīng)過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置后送單片機(jī)記錄，當(dāng)采集到的氣體濃度超過(guò)安全值時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作，提供報(bào)警服務(wù)。

3 硬件電路設(shè)計(jì)與分析

3.1 信號(hào)采集放大電路

使用LM358運(yùn)算放大器，采用兩級(jí)放大方式，第一級(jí)為比例放大，第二級(jí)為反相放大。

根據(jù)QM－N5 傳感器的阻值范圍為0kΩ ～2 000kΩ，以及它加熱到正常工作狀態(tài)時(shí)在純凈空氣中的阻值為20kΩ，為了充分體現(xiàn)采集信號(hào)的精度，本設(shè)計(jì)選用了Rn＝20kΩ 的電阻作為比例電阻，并使用了2kΩ 的輸出電阻使傳感器以電壓的形式輸出。但是由于輸出電壓Uo為負(fù)，因此必須要經(jīng)過(guò)一個(gè)反相運(yùn)算放大過(guò)程使它變成正的，然后才可以送入ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

信號(hào)采集放大電路如圖1所示。

圖1 信號(hào)采集放大電路

3.2 A／D 轉(zhuǎn)換電路

由于AT89S51內(nèi)部沒(méi)有A／D 轉(zhuǎn)換，因此采用芯片ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過(guò)單片機(jī)用軟件進(jìn)行輸出。

從采用P2.7 和WR 控制芯片轉(zhuǎn)換開(kāi)始，使用INT0中斷調(diào)用P1口傳輸數(shù)據(jù)，P2.7和RD 控制單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)。ADDC 接地，P2.5 和P2.6 分別控 制ADDB和ADDA 選擇通道IN0～I(xiàn)N3。A／D 轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

3.3 存儲(chǔ)器電路

本設(shè)計(jì)采用EEPROM 存儲(chǔ)器，EEPROM 即電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器，其突出優(yōu)點(diǎn)是能在線擦除和改寫(xiě)。它既具有ROM 的非易失性的優(yōu)點(diǎn)，又能像RAM 一樣隨機(jī)讀寫(xiě)。在單片機(jī)系統(tǒng)中EEPROM 既可以擴(kuò)展為片外ROM，又可以擴(kuò)展為片外RAM；在調(diào)試程序中用EEPROM 代替仿真RAM 既能方便地修改程序，又能保存調(diào)好的程序。

圖2 A／D 轉(zhuǎn)換電路

3.4 顯示器電路

LCD1602的數(shù)據(jù)口與單片機(jī)通過(guò)P1 口連接，使能端E、RW 和RS分別與P3.5、P3.6和P3.7連接，VO 通過(guò)接一個(gè)10kΩ 的電位器來(lái)控制液晶屏幕的亮度。電路使用5V 電源供電。

3.5 報(bào)警器電路

報(bào)警器在采集到的濃度信號(hào)大于系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，由P3.4口發(fā)出一個(gè)高電平信號(hào)，持續(xù)時(shí)間為無(wú)限長(zhǎng)，直到單片機(jī)撤消高電平信號(hào)為止，其撤消信號(hào)由鍵盤(pán)Delete鍵發(fā)出。詳細(xì)工作過(guò)程為：?jiǎn)纹瑱C(jī)從P3.4口發(fā)出高電平信號(hào)，高電平使三極管8550導(dǎo)通，點(diǎn)亮紅色發(fā)光二極管，并觸動(dòng)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音。

4 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用C 語(yǔ)言編寫(xiě)程序，以此來(lái)控制定時(shí)、計(jì)時(shí)中斷和輸出等。

軟件部分用來(lái)配合硬件電路，控制后面電路的響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)預(yù)定功能。其功能主要由兩部分組成：一部分是對(duì)傳感器接收到的信號(hào)進(jìn)行處理；另一部分是實(shí)行中斷處理，控制設(shè)置報(bào)警模塊。兩部分信號(hào)的處理都采用查詢(xún)方式。本系統(tǒng)采用4路巡回檢測(cè)，輪換選擇4個(gè)傳感器工作，并且在顯示器上輪流顯示工作傳感器所檢測(cè)到的濃度值。當(dāng)檢測(cè)到的濃度小于設(shè)定值時(shí)，等待定時(shí)器中斷；否則執(zhí)行中斷程序進(jìn)行報(bào)警處理，顯示濃度。

5 結(jié)束語(yǔ)

火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)采用單片機(jī)，對(duì)火災(zāi)發(fā)生前、后的變量進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比，設(shè)定閥值從而達(dá)到自動(dòng)報(bào)警的目的。在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行多變量檢測(cè)以提高報(bào)警的準(zhǔn)確性，也可以串聯(lián)滅火系統(tǒng)達(dá)到自動(dòng)滅火的作用，另外還可以與計(jì)算機(jī)協(xié)同監(jiān)控，從而加強(qiáng)對(duì)火災(zāi)的控制。如今高層建筑越來(lái)越多，而我們的高層滅火體系還不夠完善，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警滅火系統(tǒng)還有很大的發(fā)展空間。

［1］ 馬明建.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2006.

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［3］ 陳南.建筑火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

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