多传感器火灾报警系统设计（毕业设计）.doc

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1、Southwest university of science and technology 本科毕业设计（论文） 多传感器火灾报警系统设计 学院名称学院 专业名称 学生姓名果子狸 学号200XXXX 指导教师 二 年 月 西南科技大学本科生毕业论文I 多传感器火灾报警系统设计 摘要：从 1847 年世界上第一台火灾报警装置出现以来，随着公共消防意识的提高与传 感器技术的进步，火灾检测的特征量与界定阈值等问题已经基本解决，但是现有的研 究在很大程度上并没有解决系统适应性与准确性的矛盾。火灾报警系统的课题研究， 对于开发出优秀的火灾报警系统具有重要意义。 本文首先简单介绍了火灾对人类生活的影响并

2、介绍了当今世界火灾报警系统的发展 情况；然后，介绍了一种多传感器火灾报警系统的设计，讲解了火灾报警系统的软件 功能设计并给出了系统与各个功能模块的程序流程图；之后详细讲解了系统的各功能 模块硬件及软件设计，其中硬件设计的最后部分还论述了提高系统抗干扰能力与可靠 性的一些方法，并对系统的可扩展性做了简单介绍，软件设计包括针对单片机和传感 器的数据采集与数据模糊处理、系统检测与报警程序的设计；之后对硬件进行了简单 的调试，对调试结果进行了一些分析；最后，文章对整个设计进行了概括性总结。 本文的重点是系统的硬件以及模糊判断的算法设计，其中详细介绍并论述了系统所 需要实现的功能以及各个模块的设计，整个

3、报警系统主要完成采集传感器数据、处理 信息并做出判断等功能。 最后的实验结果表明，该设计能够有效解决灵敏度与报警准确率之间的矛盾，能够 达到预期的效果。本设计具有高可靠性低误报率等特点，有一定的实用价值。 关键词：火灾报警；多传感器；模糊判断；权重算法设计 西南科技大学本科生毕业论文II Design of multi-sensors fire alarm system Abstract: Fire is a common and high-onset disaster. As the fire itself is highly destructive, it usually causes a

4、 lost of life and property. This article describes the affection of fire on human life and introduces the development of fire alarm systems today in world at first; then, it introduces a design of multi-sensor fire alarm system, explains amply about the hardware and software design of each module in

5、 system; besides, we did simple hardware debugging, as well as some analysis of the results of the debugging; at last, the article sums up the entire design in general. This article focuses on hardware design and fuzzy judgment algorithm design, which describes and discusses amply the design and ach

6、ievement of every function the system needs. The alarm system is designed for sensor data acquisition, information processing, making judgments and so on. The last part of the hardware design is also discussed some ways to improve anti-jamming capability and reliability, and gives a brief introducti

7、on of the systems extendibility. Software design includes the design of MCU and sensors data acquisition programs, data fuzzy processing programs, system check its able to achieve the desired results. This design has high reliability with low false alarm rate, etc., but in some areas still needs fur

8、ther improvement and refinement. Key words: fire alarm, multi-sensors, fuzzy judgment, permission assign algorithm design 西南科技大学本科生毕业论文III 目 录 第 1 章 绪 论.1 1.1 现今火灾报警技术发展及国内外研究概况 .1 1.2 现代消防对火灾检测与报警的要求 .2 1.3 课题研究的意义 .3 1.4 设计工作任务及内容安排 .3 第 2 章 系统方案设计.5 2.1 传感器选型方案简介 .5 2.1.1 温度传感器.6 2.1.2 烟雾传感器.6 2.

9、1.3 一氧化碳传感器.6 2.2 系统主要功能 .7 2.3 系统结构与工作流程 .7 2.4 小结 .8 第 3 章 火灾报警系统硬件模块设计.9 3.1 单片机选型 .9 3.2 模数转换电路设计 .11 3.3 传感器选型 .12 3.3.1 温度传感器 YH-WEP-01/Pt10012 3.3.2 烟雾传感器 HIS-0713 3.3.3 一氧化碳传感器 ME4-CO.15 3.4 报警与显示电路设计 .16 3.4.1 蜂鸣器报警电路.16 3.4.2 SMC1602A 液晶显示模块17 3.5 电源管理模块 .19 3.6 看门狗简介 .20 3.7 通讯与下载电路设计 .21

10、 西南科技大学本科生毕业论文IV 3.8 小结 .22 第 4 章 系统软件设计.23 4.1 火灾报警系统对软件设计的要求 .23 4.2 软件开发环境简介 .24 4.3 火灾报警系统软件流程 .24 4.4 软件各功能模块设计 .26 4.4.1 系统自检模块设计.26 4.4.2 各传感器数据采集与预处理模块.27 4.4.3 数据模糊处理与告警模块.29 4.5 小结 .31 第 5 章 系统调试及遇到的问题.32 5.1 硬件功能调试 .32 5.1.1 显示功能调试.32 5.1.2 蜂鸣器功能调试.34 5.1.3 A/D 转换功能调试.36 5.2 系统整体运行调试 .38

11、5.3 小结 .40 结论.41 致谢.42 参考文献.43 附录 1 USING MULTIPLE SENSOR FOR DISCRIMINATING FIRE DETECTION翻译44 附录 2 USING MULTIPLE SENSOR FOR DISCRIMINATING FIRE DETECTION原文49 附录 3 系统电路原理图 55 附录 4 硬件实物图 56 附录 5 部分程序源代码 57 西南科技大学本科生毕业论文 1 第 1 章 绪 论 本章主要介绍了现今火灾报警技术的发展概况，现代消防对火灾检测与报警的要 求以及国内外相关的研究现状，讲述了本设计的主要内容、任务和相关

12、安排以及本课 题的研究意义。 1.1 现今火灾报警技术发展及国内外研究概况 火灾是指在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。在各种灾害中，火灾是 最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。 实践证明，随着社会和经济的发展，消防工作的重要性就越来越突出。 “预防火灾 和减少火灾的危害”是对消防立法意义的总体概括，包括了两层含义：一是做好预防火 灾的各项工作，防止发生火灾；二是火灾绝对不发生是不可能的，而一旦发生火灾， 就应当及时、有效地进行扑救，减少火灾的危害。 从 1847 年美国牙科医生坎宁和缅因大学教授法莫研制出世界上第一台城镇火灾报 警装置至今，已有一百多年的历史。火灾报警

13、系统的发展已经过了以下几个阶段： 19 世纪 40 年代到 20 世纪 40 年代是火灾报警器发展的第一阶段，这期间的火灾报 警以单线感温报警为主，即通过简单的探测和报警电路判断环境温度是否超过预先设 置的阈值，由于受限于这一时期的电子技术和传感器技术，报警器的可靠性、准确性 和灵敏度均不高。 20 世纪 50 年代到 70 年代则是火灾报警器发展的第二阶段，火灾报警已经由单线 制变化为多线制。多线制火灾报警器与上一代火灾报警器的区别在于火灾探测器与火 灾报警控制器之间不再是一对一而是多对一的关系，而且多线制要求每个探测器与控 制器之间使用两条以上的导线连接以保证每个探测点都能准确发出报警信号

14、。但多线 制火灾报警系统过于复杂的设计与布线，使得安装和维护都很不方便，并且成本也比 单线制报警器高很多。 20 世纪 80 年代到 20 世纪末，微处理器技术逐渐民用化并迅速普及起来，极大地 改变了火灾报警系统的设计思路，于是出现了以单片机为核心的总线制火灾报警系统。 即为火灾报警器发展的第三阶段。这种自动报警系统已采用微处理器控制，探测器和 西南科技大学本科生毕业论文 2 模块均采用地址编码形式，通过总线与控制器实现信号传送，此类系统可进行现场编 程，并通过各种模块对各联动设备实行较复杂的控制，具有系统自检及对外围器件的 故障检验等功能。 现代建筑因为体量大、层数多、人员多，并使用了大量可

15、燃材料装修，而且垂直 疏散困难很大，所以火灾危险性也很大。近十几年来，世界各国都对火灾的预防、报 警和控制进行了大量的研究，使智能型火灾报警系统的产品更新换代速度非常快。探 测器由普通探测器发展到带编码地址的探测器，信号线由原来的多线制发展到二总线 制，探测器的性能和系统的联动控制日趋完善，可靠性越来越高。 在国外的产品中，分布智能系统技术得到了较为广泛的应用，这类系统的显著特 点有：多判数据火灾探测技术，完善的功能设置以适应一般场合的使用，通过编程使 探测器适应特殊的场合或环境需要，可以对自身电路及传感器进行检测，具有环境因 素补偿，故障报告功能，具有良好的可扩展性，多级判断设计提高报警的准

16、确程度， 有完善的通讯协议，低功耗。 同国外相比，国内在火灾报警系统的研究上还是有一定的差距的。 现在国内火灾报警技术也将重点放在了分布智能系统上，也有相当多优秀的产品 出现，但国内铲平普遍存在的缺乏核心技术的问题使得国内产品和国外的产品相比之 下还是存在诸如可靠性、稳定性差、探测器信号处理方法单一，智能化程度低、未能 很好解决探测器灵敏度和误报率之间矛盾等问题。 1.2 现代消防对火灾检测与报警的要求 由于城市规模日益扩大，高层建筑、地下建筑、公共娱乐场所及大型综合性建筑 越来越多，建筑布局及功能日益复杂，用火、用电、用气和化学物品的应用日益广泛， 火灾的复杂性、危险性大大增加。但是城市的消

17、防站、消防供水、消防通信、消防通 道等公共消防设施的建设却发展缓慢，远远不能满足现代防火、灭火的需要，使社会 抗御火灾的能力相当薄弱。因此现代消防建设对火灾检测与报警的要求也与日俱增， 主要体现在以下几点： 第一，高层、超高层建筑对消防设施的要求。这类高层建筑的火灾一般有如下几 个特点：多采用大跨度钢架结构和灵活的环境布置，使建筑物开间和隔墙布置复杂， 随着建筑高度增加，在起火前室内外温差所形成的热风压大，起火后由于温度变化而 西南科技大学本科生毕业论文 3 引起烟气运动的风火压大，因而火灾使烟气弥漫、扩散迅速；为了加强艺术效果和舒 适性的要求，装饰材料多种多样，且多为易燃或可燃材料；建筑内大

18、量使用各种电气 设备，电气设备配电线路和信息数据通信布线系统密如蛛网，一旦发生火灾，会迅速 蔓延；建筑内人员众多，一旦发生火灾，疏散难度大；建筑多是多用途的综合性大楼， 从而造成安全疏散通道曲折隐藏。由此可见，现代化高层建筑对火灾报警系统在火灾 整体的检测灵敏度、多样化检测标准、准确度、可靠性以及极端条件下系统工作稳定 性有了更多的要求。 第二，工厂、企业都有大型或特大型的仓库，用以存放各种材料、设备，一旦仓 库失火，将给工厂、企业带来巨大的经济损失，甚至导致工厂、企业的停产。而这些 仓库又往往存在面积大、货物货架高、死角多等对火灾监视不利的因素，此外，各种 有毒或特殊材料的特点也对火灾监测有

19、很大影响。所以，也要通过火灾报警系统来克 服这些不利因素，对仓库进行有效的火灾监视。 第三，由于火灾发生的可能性很大程度上取决于环境因素，因此火灾报警系统需 要不仅能对固定环境的活在进行监测，更要能够针对不同环境条件下变化环境中的火 灾隐患进行监控，这对报警系统的智能化以及传感器技术提出了新的要求。 1.3 课题研究的意义 上文中已经提到过，我国火灾报警系统技术的主要不足之处在于缺乏自己的核心 技术，因此如何设计一个具有自己独创元素的系统将不仅有利于提高系统设计水平， 也能够为以后更多消防检测系统的设计提供很多优秀的参考。而这里面包括硬件设计 的独创性和软件系统的设计独创性两方面。 结合现代消

20、防对火灾检测与报警系统的要求，报警系统的设计应根据上述三点要 求对系统进行优化设计。除了完成通常环境下监视传感器及系统自身的工作状况、处 理各个传感器输出的报警信号、进行正确的示警与警示信息及执行相应的辅助控制等 功能以外，还需要在设计系统软件时考虑到不同环境下系统功能的适应性与稳定性。 1.4 设计工作任务及内容安排 根据现今国内外火灾报警系统的设计理念，针对现有火灾报警器存在的不足，我 设计了一种基于多传感器技术的火灾报警系统，该设计的主要工作任务包括： 系统硬件设计。包括火灾报警系统的控制器主板设计和其中各部分元件的选型， 西南科技大学本科生毕业论文 4 电路板的设计与绘制，传感器及相关

21、电路的设计。 系统软件设计。包括火灾报警系统主程序设计，各个功能模块的程序设计，数据 收集与模糊判断算法设计以及系统自检程序的设计。 本文的内容安排如下： 第一章，简单介绍的火灾报警的背景以及现今火灾报警技术的国内外研究现状， 以及全文内容的安排。 第二章，描述火灾报警系统的主板设计方案，包括各功能模块和芯片的选型以及 详细说明。 第三章，详细讲解该系统各个模块的设计思路和工作电路原理，分析实现各个功 能的方法和设计特点。 第四章，详细介绍了整个火灾报警系统的软件设计思想，实现各个功能的模块程 序设计，以及系统工作的软件流程。 第五章，对完成的系统原型进行了简单的一些调试，并在调试过程中发现并

22、解决 软件漏洞，改进系统的设计。并对系统做了简单的环境稳定性测试。 西南科技大学本科生毕业论文 5 第 2 章 系统方案设计 本章主要针对该火灾报警系统的设计所需的元器件、系统需要实现的功能与设计 要求以及系统工作流程等问题。本系统属于分布式多传感器火灾报警系统，与传统火 灾报警系统相比有以下优点： 第一，多判数据处理。由于系统使用多传感器监测，因此系统对火灾的检测也是 基于多判数据处理的，将系统中的多个传感器采集到的数据送入 MCU 统一处理，将多 组参数进行组合判断，使各个传感器互为补充，能让系统根据同一时刻各传感器返回 的信息准确区分火灾险情与干扰源，拓宽了检测范围，提高了灵敏度，同时还

23、能获得 较低的误警率。 第二，实时环境数据监测与模糊判断。传感器的输出并非是其对环境信息的连续 检测结果，而是根据其检测周期有间隔地输出，因此传统火灾报警系统就存在检测的 实时性问题，而基于单片机和多传感器的本系统使用 MCU 对数据进行处理，可达到对 传感器输出的信号及环境数据进行实时监测的效果；与此同时，本系统并不完全依赖 数据阈值的判断，而是加入了带有持续时间检测的模糊判断，能够有效区分火灾与干 扰源。 2.1 传感器选型方案简介 对火灾报警系统来说，传感器的性能在整个系统的工作效能上有着举足轻重的作 用，因此传感器的选型尤为重要，根据本系统的设计要求，使用温度传感器、一氧化 碳传感器和

24、烟雾传感器。设计中这三种传感器均为模拟信号传感器，通过放大整形电 路与 A/D 转换后作为送入 MCU 处理的数据。 本设计中对传感器的性能有着如下要求： 烟雾检测：05%/英尺，误差10； 温度检测：0200，误差4； 一氧化碳：0500ppm，误差5ppm。 这些性能指标即设计中各传感器的选型的主要依据，其次在选型中也应考虑到元 件性价比的因素，在满足性能指标的基础上尽可能提高元件性能。 西南科技大学本科生毕业论文 6 2.1.1 温度传感器 本设计使用高精度热电偶温度传感器 YH-WEP-01/Pt100，其形为薄膜铂电阻，是 用真空沉积的薄膜技术把铂膜溅射在陶瓷基片上。膜厚在 2m 以

25、内，用玻璃烧结料把 Ni（或 Pd）引线固定，经激光调阻制成的薄膜元件。传感器工作时因环境温度的变化， 使自身内阻发生相应变化，在固定电流下转化为一定的电压，经过放大整形后送入 A/D 转换，成为能被单片机识别的温度数据信号。 测量范围：-50500；R0=1000；工作电流：0.5mA；线性度：0.17%；测 量误差：(0.10+0.0017| t |)；外形结构：5.02.0 金属壳封装；延长线：0.510.0。 由上述性能指标可知该传感器符合设计的性能要求，同时其体积小巧、温感灵敏 且误差很小，适合火灾检测的温度测量。 2.1.2 烟雾传感器 本设计使用的烟雾传感器为离子式烟雾传感器 H

26、IS-07，该传感器是基于类比最佳 性能设计的单源双室 DSCB 型电离室，电离室中安装的电离源为 Am-241，专用于感烟 探测。当流经内外电离室的电子流不平衡时，集电极充电直到电离电流达到平衡，在 无烟或无燃烧物时，集电极除手电离电流潮汐影响外保持平衡电位。当烟雾进入外电 离室时对电离电流产生影响，使电离电流下降，集电极重新充电直到新的平衡电位， 这时的电位变化经整形后送入 A/D 转换，即可得到烟雾浓度的数据。 测量范围：0%5%；工作电压：9V；测量误差：0.1V；UL217 标准大气中输出 电压：5.60.4V；工作湿度：95%RH；棉芯 2%/foot 烟灵敏度：0.60.1V；集

27、电极平 衡电位：5.50.3V；绝缘体漏电电流：0.5pA；电离源活度：0.5Ci(18Kbq)10%；电 离室 25cm 处辐射剂量率：0.03mGy/年。 由上述性能指标可知该传感器符合设计的性能要求，HIS-07 传感器的生产制作符 合 GB4715-93 国家标准，采用单源双室结构，体积小，便于安装；在适用范围的环境 条件下集电极平衡电位变化值基本在参数范围内，稳定性较高；集电极平衡电位一致 性好，响应时间较短，适于火灾检测中的烟雾测量。 2.1.3 一氧化碳传感器 本设计使用的一氧化碳传感器为 ME4-CO 型电化学传感器，该传感器根据电化学 的原理工作，利用待测气体在电解池中工作电

28、极上的电化学氧化过程，通过电子线路 西南科技大学本科生毕业论文 7 将电解池的工作电极和参比电极恒定在一个适当的电位，在该电位下可以发生待测气 体的电化学氧化，由于氧在氧化和还原反应时所产生的法拉第电流很小，可以忽略不 计，于是待测气体电化学反应所产生的电流与其浓度成正比并遵循法拉第定律。于是 通过将电流转换为电压信号并整形方法送入 A/D 转换就可以确定一氧化碳气体的浓度 数据。 测量范围：01500ppm；工作电压：9V；测量误差：0.080.02uA/ppm；零点漂 移(-2040)：9ppm；工作湿度：15%95%RH；响应时间：=i; -j) if(bufferj-1 bufferj

29、) temp = bufferj-1; bufferj-1 = bufferj; bufferj = temp; /对数组进行处理，去掉最大值和最小值，中间的二十个值再来求平均值 temp = 0; for(i=5; i #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit E=P27; /1602 使能引脚 sbit RW=P26;/1602 读写引脚 sbit RS=P25;/1602 数据/命令选择引脚 void delay() int i,j; for(i=0; i #include #define uchar unsig

30、ned char #define uintunsigned int #define jump_ROM 0xCC #define start 0x44 #define read_EEROM 0xBE #define read_EEROM 0xBE #define tmp_alert 60 /温度告警阈值() #define smk_alert 26 /烟雾浓度告警阈值() #define co_alert 130 /一氧化碳浓度告警阈值(ppm) sbit Speak =P12; /蜂鸣器器控制脚 sbit AD_Out_1 = P31; /TLC549 输出端 sbit AD_Out_2 =

31、P32; /TLC549 输出端 sbit AD_Out_3 = P33; /TLC549 输出端 sbit CS_1 = P13; /TLC549 片选信号 sbit CS_2 = P14; /TLC549 片选信号 sbit CS_3 = P15; /TLC549 片选信号 sbit AD_In_1 = P21; /TLC549 输入端 sbit AD_In_2 = P22; /TLC549 输入端 sbit AD_In_3 = P13; /TLC549 输入端 sbit E=P27; /1602 使能引脚 sbit RW=P26; /1602 读写引脚 sbit RS=P25; /160

32、2 数据/命令选择引脚 unsigned char TMPH,TMPL,Count; unsigned char code VOICE =0x26,0x20,0x20,0x20,0xFF,0x1C,0x26,0x30,0x26,0xFF; /alert()函数报警音频数据 uint warn_flag,tmp_h,gas_h,smk_h; uint t_q,g_q,s_q; uint AD_Filter_3(void) uint Date_Buffer30 = 0, temp; uchar i; for(i=0; i=tmp_alert*255)tmp_h+=t_q; else if(tmp_

33、h20)tmp_h-=5*t_q; else tmp_h=0; /* gas_chk()一氧化碳浓度检测函数 */ void gas_chk(void) uint temp; uint j; temp = AD_Filter_2(); j = (255-temp)*3.92;/CO 浓度水平 L1602_char(2,6,j/100%10+48) ; L1602_char(2,7,j/10%10+48); L1602_char(2,8,j%10+48); 西南科技大学本科生毕业论文 48 if(j=co_alert)gas_h+=g_q; else if(gas_h20)gas_h-=5*g_

34、q; else gas_h=0; /* smk_chk()烟雾浓度检测函数 */ void smk_chk(void) uint temp; uint j; temp = AD_Filter_3(); j = (255-temp)/1.326;/烟雾浓度水平 L1602_char(2,13,j/10%10+48); L1602_char(2,15,j%10+48); if(j=smk_alert)smk_h+=s_q; else if(smk_h20)smk_h-=5*s_q; else smk_h=0; return; /* system_chk()系统自检函数 */ void system

35、_chk(void) uint temp; uint t,ttmp; temp = AD_Filter_1(); delay(10000); temp = AD_Filter_1(); /测试温度传感器 if(temp=250) L1602_string(1,1,“tmp sens. ERROR!“); L1602_string(2,1,“ Please Check!“); for(t=0;t+); else ttmp=temp*200/255; temp = AD_Filter_2(); /测试一氧化碳传感器 if(temp=200) if(tmp_h40) warn_flag=1; L16

36、02_string(1,1,“InFlame Alert!“);/明火火灾告警 alert(5); return; else warn_flag=1; L1602_string(1,1,“etc. Warnning!“);/其他异常告警 for(x=0;x8;x+)delay(10000); return; return; /*以下为主函数*/ void main() P1 = 0xff; P2 = 0x00; Time0_Init(); L1602_init(); tmp_h=0; gas_h=0; smk_h=0; system_chk(); while(1) warn_flag=0; L1602_string(1,1,“Tmp: CO: Smk:“); L1602_string(2,3,“C“); L1602_string(2,9,“ppm“); L1602_string(2,14,“.“); L1602_string(2,16,“%“); while(!warn_flag) tmp_chk(); gas_chk(); smk_chk(); fuzzy_judge();