朱貴憲

(安陽(yáng)工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院,河南 安陽(yáng) 455000)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層建筑越來(lái)越多，高層建筑的消防安全越來(lái)越受到人們的重視，原因在于高層建筑一旦著火，火勢(shì)蔓延快，人員疏散困難，撲救難度大。但是目前使用的滅火器材多數(shù)屬于被動(dòng)型滅火，智能化程度不高，在人走樓空的時(shí)候發(fā)生火災(zāi)，會(huì)造成比較大的損失，能否設(shè)計(jì)一款智能化的滅火裝置，安裝于廚房、充電插座等易發(fā)生火災(zāi)的位置，如果發(fā)生火情后，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)報(bào)警并能自動(dòng)進(jìn)行滅火，是值得廣大科研人員和消防工作者認(rèn)真思考的一個(gè)課題。

1 智能型滅火裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能型滅火裝置主要由單片機(jī)控制模塊，電源模塊，煙霧報(bào)警器模塊，電壓比較器模塊，光電耦合器模塊，電磁閥模塊，阻燃劑、噴射口(噴頭)組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)框圖

該裝置的基本工作過程是：煙霧報(bào)警器探測(cè)到因?yàn)橹鹪斐墒覂?nèi)環(huán)境處于臨界值的時(shí)候，首先啟動(dòng)壓電喇叭進(jìn)行報(bào)警，然后啟動(dòng)電磁閥并打開阻燃劑通道，對(duì)著火區(qū)域噴射阻燃劑，直到火被徹底熄滅，然后滅火裝置關(guān)閉電磁閥，滅火工作結(jié)束。

2 智能型滅火裝置硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)

裝置選擇深圳宏晶科技有限公司的STC12C5A60S2單片機(jī)為主控芯片。該單片機(jī)采用了增強(qiáng)型8051CPU內(nèi)核，兼容普通8051單片機(jī)指令集，速度比傳統(tǒng)的8051快8～12倍。片內(nèi)集成了60KB的程序FLASH，1KB的數(shù)據(jù)FLASH，1280字節(jié)的RAM。采用寬電壓供電技術(shù)，其工作電壓范圍為3.3～5.5V。片內(nèi)提供2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊、44根I/O口線。芯片內(nèi)置8通道10位高速ADC。2通道捕獲/比較單元(CCP/PWM/PCA)，PWM單元還可用作DAC。內(nèi)置MAX810高可靠復(fù)位電路，可省掉外部復(fù)位電路。內(nèi)置高精度R/C時(shí)鐘，內(nèi)部時(shí)鐘的頻率范圍為8 MHz～17.5 MHz。各種接口擴(kuò)展齊全，片內(nèi)提供2個(gè)全雙工異步串行口(UART)和高速同步通信端口(SPI)，并具有在系統(tǒng)可編程(ISP)功能和在系統(tǒng)調(diào)試(ISD)功能[1]。圖2所示為STC12C5A60S2單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)。

2.2 煙霧報(bào)警器模塊

NIS-07離子式煙霧傳感器被廣泛用在各種消防報(bào)警系統(tǒng)中，其性能遠(yuǎn)優(yōu)于氣敏電阻類的火災(zāi)報(bào)警器，NIS-07離子式煙霧傳感器內(nèi)部使用微量人造放射性元素-镅241，為防止放射線泄漏，傳感器本體用金屬外殼覆蓋，用戶可放心使用[2]。NIS-07離子式煙霧傳感器采用單源雙室結(jié)構(gòu)，它在內(nèi)外電離室里面置有放射源-镅241，電離產(chǎn)生的正、負(fù)離子，在電場(chǎng)的作用下各自向正負(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)，破壞了內(nèi)外電離室之間的平衡，電流、電壓就會(huì)有所改變，然后根據(jù)電壓的變化來(lái)判斷是否觸發(fā)報(bào)警裝置。

圖2 STC12C5A60S2單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)

依據(jù)深圳市普恩科技有限公司提供的相關(guān)資料和電子配件，由NIS-07離子式煙霧傳感器配合MC145018芯片組成煙霧報(bào)警器模塊，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，該模塊配置一個(gè)9V的獨(dú)立電源，既可以單獨(dú)作煙霧報(bào)警器使用，也可以作為煙霧傳感器使用，通過對(duì)MC145018芯片的第2引腳取出模擬信號(hào)，再經(jīng)過電壓比較器模塊進(jìn)行信號(hào)整形后，送入單片機(jī)的P3.7引腳。

2.3 電壓比較器模塊

電壓比較器是一種常用的集成電路，可以用于A/D變換電路、高速采樣電路、自動(dòng)控制電路、報(bào)警器電路等。本智能滅火裝置選用的是LM393雙電壓比較器集成電路，主要是利用其模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，該芯片采用雙列直插8腳塑料封裝(DIP8)，這里只用到雙電壓比較器當(dāng)中的一組，參考圖4電路，由LM393中的1、2、3引腳組成，其中3腳為同相輸入端，2腳為反相輸入端，1腳為輸出端，另外還需要連接電源引腳8(電源引腳8接+5V，由單片機(jī)電源提供，同時(shí)也為L(zhǎng)M393的2腳提供一個(gè)可調(diào)整的參考電壓)和接地引腳4，電壓比較器對(duì)兩個(gè)輸入端的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)3腳輸入的電壓信號(hào)高于2腳時(shí)，1腳輸出高電平信號(hào)，反之，當(dāng)3腳輸入的電壓信號(hào)低于2腳時(shí)，1腳輸出的是低電平信號(hào)[3]。

圖3 煙霧報(bào)警器模塊

由于在煙霧報(bào)警器模塊中，芯片MC145018的引腳2輸出的是模擬信號(hào)，不能被單片機(jī)的輸入端口直接識(shí)別，所以要先通過電壓比較器模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。電路如圖4所示，電壓比較器LM393的3腳引入煙霧報(bào)警器芯片MC145018中2引腳輸出的信號(hào)，與LM393的2引腳提供的參考電壓進(jìn)行比較，目的是將芯片MC145018中2引腳輸出的信號(hào)進(jìn)行波形整形，將輸入端不規(guī)則的波形轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)并輸入到單片機(jī)的P3.7端口，使單片機(jī)可以獲取到煙霧報(bào)警器發(fā)出的數(shù)據(jù)(即讀取引腳電平為高電平脈沖1出現(xiàn)的個(gè)數(shù))，單片機(jī)對(duì)讀入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷是否真的有火災(zāi)發(fā)生，并決定是否打開電磁閥執(zhí)行滅火指令。

圖4 電壓比較器模塊

2.4 光電耦合器及電磁閥模塊介紹

TLP521-4是可控制的光耦合器件，廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中，內(nèi)有4個(gè)獨(dú)立的光電耦合單元，其功耗為150 mW，隔離電壓為2 500Vrms(電壓有效值)，可使前端的輸入信號(hào)與后面的負(fù)載完全隔離，從而增強(qiáng)電路的安全性，減小電壓的干擾。本智能滅火裝置只用到其中的一個(gè)單元，由TLP521-4的7、8、9、10共四個(gè)引腳組成，其中7、8引腳為輸入端引腳，9、10引腳為輸出端引腳。

智能滅火裝置利用光電耦合器的隔離作用，實(shí)現(xiàn)在單片機(jī)控制下打開或關(guān)閉電磁閥，其電路如圖5所示，單片機(jī)的P2.1端口作為輸出控制信號(hào)，與光電耦合器的8腳連接，光電耦合器的7腳與單片機(jī)系統(tǒng)共用+5V電源。光電耦合器的9腳與三極管BD139共地，其10腳作為光電耦合器的輸出控制信號(hào)，來(lái)控制后面電磁閥開啟與關(guān)閉，電磁閥打開時(shí)，阻燃劑在一定的內(nèi)部壓力作用下，可以迅速到達(dá)噴射口進(jìn)行滅火作業(yè)，反之在電磁閥關(guān)閉的狀態(tài)下，阻燃劑則不能通過電磁閥。當(dāng)單片機(jī)端口P2.1輸出為低電平時(shí)，光電耦合器的7腳和8腳之間的發(fā)光二極管導(dǎo)通，通過光耦合作用使下級(jí)三級(jí)管的集電極與發(fā)射極導(dǎo)通，隨后三極管BD139導(dǎo)通，從而開啟電磁閥，反之，當(dāng)單片機(jī)端口P2.1處于高電平時(shí)，電磁閥為關(guān)閉狀態(tài)[4]。

圖5 使用光電耦合器實(shí)現(xiàn)電磁閥的開啟與關(guān)閉

2.5 噴頭模塊

智能滅火裝置在滅火過程中，不僅要考慮阻燃劑出噴射口時(shí)的噴射力度，而且還要兼顧到噴射出的阻燃劑所能覆蓋的有效面積，因此選擇合適的噴頭也比較重要，如果以水作為阻燃劑的話，可以參考園林綠化中所使用的各類型噴頭(如旋轉(zhuǎn)噴頭、螺旋噴頭等)，選擇合適的類型進(jìn)行安裝，如果以干冰等物質(zhì)作為阻燃劑的話，還要考慮到罐體結(jié)構(gòu)、罐體壓強(qiáng)以及選擇大口徑管道以避免堵塞等問題。

3 智能滅火裝置的軟件設(shè)計(jì)

裝置啟動(dòng)后，煙霧報(bào)警器(煙霧傳感器)處于值守狀態(tài)，當(dāng)有煙霧布滿房間時(shí)，煙霧報(bào)警器開始發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)經(jīng)MC145018P芯片的第2引腳傳送信號(hào)至電壓比較器模塊，經(jīng)過整形處理，把脈沖信號(hào)送入單片機(jī)的P3.7口，單片機(jī)接收信號(hào)后進(jìn)行分析判斷。這里由單片機(jī)檢測(cè)到異常脈沖次數(shù)是否超過8次(檢測(cè)異常脈沖的次數(shù)可以通過軟件進(jìn)行設(shè)置，次數(shù)的多少?zèng)Q定了滅火器的反應(yīng)速度和可靠性)來(lái)確認(rèn)是否有火災(zāi)發(fā)生，從而決定是否開啟電磁閥進(jìn)行滅火。當(dāng)檢測(cè)到異常脈沖連續(xù)出現(xiàn)次數(shù)超過8次時(shí)，可確認(rèn)火災(zāi)發(fā)生，這時(shí)單片機(jī)的P2.1端口輸出一個(gè)低電平信號(hào)，打開電磁閥，阻燃劑通過電磁閥噴射到著火位置進(jìn)行滅火，直到火被徹底被熄滅，煙霧消失，這時(shí)煙霧傳感器不能探測(cè)到煙霧，單片機(jī)再次檢測(cè)異常脈沖次數(shù)一定會(huì)低于8次，這時(shí)關(guān)閉電磁閥，阻斷阻燃劑通過噴射口，從而達(dá)到了自動(dòng)滅火的目的；還有一種情況是，可能因?yàn)樾盘?hào)干擾，單片機(jī)雖然能檢測(cè)到異常情況，但是異常脈沖個(gè)數(shù)小于8次，可視這種信號(hào)為干擾信號(hào)，不能開啟電磁閥，電磁閥仍然處于關(guān)閉狀態(tài)，該滅火裝置的主程序流程圖如圖6所示。

圖6 智能滅火裝置的主程序流程圖

4 結(jié)論

智能型滅火裝置以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，以NIS-07離子式煙霧傳感器配合MC145018P芯片組成煙霧報(bào)警器，通過電壓比較器進(jìn)行信號(hào)處理，經(jīng)單片機(jī)識(shí)別判斷來(lái)控制電磁閥的開啟與關(guān)閉，該裝置集火災(zāi)報(bào)警與滅火功能于一體，實(shí)現(xiàn)了防火滅火裝置的智能化，此外，根據(jù)房間內(nèi)易燃物質(zhì)的不同，滅火劑可以選用水、干冰或其他滅火材料，可實(shí)現(xiàn)為不同性質(zhì)的火災(zāi)配置不同的阻燃試劑。裝置在盡量不改變房屋建筑結(jié)構(gòu)的情況下，力求安裝方便，工作穩(wěn)定可靠，經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，該裝置實(shí)現(xiàn)了智慧消防系統(tǒng)中所要求的防火滅火功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，具備一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。