火灾烟雾报警系统的设计

摘要：主要对火灾报警控制器的理论做了深入的研究，使用单片机，选用烟雾传感器、红外传感器等多个传感器作为敏感元件，结合信息融合技术，全面阐述了研制火灾报警控制器硬件部分和软件部分的方法。采用protel99绘制电路图并进行电路仿真，证明整个系统电路设计合理，性能安全可靠。
关键词：火灾报警系统；C8051F单片机；红外传感器

0 引言
    随着我国经济的高速发展，人民生活水平大幅度提高，现代建筑不断增多，各种生产、办公以及居住场所火灾大增，塑料制品和双层玻璃的大量应用，使火场的外部救援困难重重。火灾一旦发生，将对人的生命财产造成极大的危害。现代建筑具有智能化的时代特征，火灾自动报警系统探测火灾隐患，肩负安全防范重任，在现代智能建筑中起着极其重要的安全保障作用。因此，设计简单实用的火灾报警控制系统
有着防止和减少火灾危害、保护人身安全和财产安全的重要意义。

1 系统的总体构架
    火灾烟雾报警系统的基本功能是通过监测周围环境的红外信号和烟雾浓度而进行火灾报警，呼吁人们及时采取有效措施消灭火源，减少损失。
    本系统的总体框图如图1所示，现对该图进行简要说明：

    传感器模块主要由红外探测器和烟雾探测器组成，主要负责采集周围环境信息。信号处理部分将传感器的输出信号进行加工处理，再传给中央控制单元，接收并处理火灾报警信号，输出报警信号等。

2 系统硬件电路的设计
2．1 中央处理器
    本系统采用C8051F005作为CPU，它具有一个32 K字节FLASH存储器并与8051兼容的微控制器内核。具有UART串行接口和具有5个捕捉／比较模块的可编程计数器／定时器阵列及6个定时器阵列(PCA)模块，此外还根据不同的需要集成了SMBus／I2C、SPI、USB、CAN、LIN等，以及RTC部件。还有4个通用的16位定时器和4字节宽的通用数字FD端口。C8051F005有2304字节的RAM，执行速度可达25MIPS。片内具有的VDD监视器、温度传感器和时钟振荡器的MCU是真正能独立工作的片上系统。
2．2 传感器模块
    根据设计本系统的实际情况，为了提高火灾监控系统的功能和可靠性，保证自动灭火系统的动作的准确性，传感器模块由红外传感器和烟雾传感器组成。
    本系统采用热释电红外传感器，它的工作波长为4．35±0．15 um。热释电红外传感器由传感探测元，干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。
    图2是一个双探测元的热释电红外传感器的结构示意图。该传感器将两个极性相反，特性一致的探测元串接在一起，目的在于消除因环境温度和本身变化引起的干扰。它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号可在内部相互抵消的原理，使传感器起到补偿作用，对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅耳透镜，将其聚焦后加至两个探测元L。因此传感器会输出探测电压。

    HIS-07是离子感烟探测器电离室，室内安装一个高性能低活度Am-241电离源。单源双室结构，体积小，便于安装在小型报警器中。在无烟或无燃烧物时，收集极除受电离电流统计涨落影响外，保持平衡电位。当烟进入电离室时对电离电流产生影响，易于进烟的外电离室受影响大于内电离室，电离电流下降，收集极重新充电直到新的平衡电位，这种电位变化可传到C8051F005的检测端，经内部逻辑电路处理后，启动报警电路。
    当传感器监测到环境中的红外线后便输出热电信号，由于该信号非常微弱且夹杂有干扰信号，因此设计了特殊的信号处理电路(采用运算放大器，配合周边电路形成具有低通滤波功能的放大电路)分离出热电信号，并将其放大，然后对两级放大后分离出的电信号进行分析判断。数据采集模块的电路图如图3所示。

2．3 通信模块设计
    在现代测试系统中，通讯方式较多。本系统主要应用的场合是宾馆和居民小区的建筑，如果在现有的建筑中采用有线通讯，则需要在楼层间打孔、架线，给原有环境带来一定的负面影响，甚至给生活带来不便，难以维护。因此系统的通讯方式采用无线通讯。无线通讯具有微功率发射、高抗干扰能力和低误码率、传输距离远、透明的数据传输、多信道、多速率、高可靠性，体积小、重量轻等特点。不仅解决了以上问题，而且提高了系统整体性能。
    图4是通信模块的总框图，数传模块采用HAC-RS232，它属于单端通信，即采用不平衡传输方式。这个模块的硬件设计分别包括单片机与RS232接口电路设计和计算机与RS232接口电路设计。

2．4 单片机报警电路设计
    当系统判断达到火灾程度后，单片机从P2．1引脚输出高电平信号给报警电路，扬声器发出声音进行报警。报警电路是通过芯片进行音频放大，为使外围元件最少，芯片内电压增益内置为20 dB。但在1脚和5脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200 dB。输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半再输出给扬声器。我们这里就选择了20倍的电压增益，芯片1脚和5脚悬空则可以。图5是单片机报警电路图。

2．5 系统硬件性能分析
    系统总的电路图如图6所示。

    系统仿真结果表明，当系统正常时，只显示室内对应温度、时间，当火灾发生时系统发出报警信号，通知人员去现场查看。实验结论及分析表明系统采用模块化设计可以使系统工作稳定可靠，抗干扰能力强，维护方便；系统采用单片机技术具有较快的响应速度，能及时对火灾进行报警、灭火，达到了设计要求。

3 系统软件设计
    流程图如图7所示。系统初始化主要是对定时器工作方式、寄存器、中断允许寄存器等的设置。系统进行监控，主要是通过传感器采集信息，首先进行红外检测，红外信号强度超过设定值置异常标志位，再进行烟雾检测，当烟雾检测到有烟雾时，现有定时器定时100ms，在此期间，如果一直有烟雾，且浓度加大，则通知火灾报警器控制电路进行处理。

    程序主要采用C语言编辑，不仅使程序模块化，便于调试，而且可以根据系统需求，更加方便地添加新的扩展功能模块。

4 结束语
    本系统采用两种不同的传感器：单元热释电红外传感器和离子烟感探测器，同时对火灾情况进行判断，传感器探头通过横向和纵向扫描将光信号转换成电信号，通过各自放大电路传送给系统的控制器：C8051F005单片机，单片机通过综合判断最后判断火灾情况进行报警。系统增加了通信模块，采用HAC-UM系列微功率无线传输模块实现了单片机控制器与计算机之间的通信，从而实现无线通信的功能，给维修或者检测带来很大方便。