烟雾检测报警系统设计论文

多传感器火灾报警系统设计(论文+程序+答辩ppt) 摘要：本文首先介绍了火灾报警系统的发展情况;然后，详细介绍了系统硬件、软件的设计；并且对硬件进行了简单的调试，最后，文章对整个设计做了概括性总结。硬件设计是本文一个重点，包括系统总体结构以及火灾探测器结构及功能设计，其中详细论述了火灾探测器主控板的设计。主控板主要完成采集传感器数据、实现火灾探测器的数据交换等功能。硬件设计的最后部分，还论述了如何提高系统抗干扰能力，提高系统可靠性。软件设计包括数据采集程序，火灾报警程序等的设计，完成了火灾传感器软件的功能设计并给出了程序流程图。最后的仿真结果表明，该设计能够有效解决灵敏度与误报率之间的矛盾，基本达到了预期的效果。本系统具有智能化和高可靠性等特点，但是还是有一些环节有待进一步完善.关键词：多传感器，火灾报警，高可靠性。目 录第1章 绪论 火灾报警技术的发展概况 现代消防管理对火灾报警系统的需求 国内外火灾报警控制系统的研究概况 课题主要工作及内容安排 课题研究的意义 5第2章 方案设计 传感器方案的选择 系统主要功能 系统结构及工作流程 小结 8第3章 火灾报警系统控制模块设计 单片机的选择 传感器选型 传感器信息采集电路设计 声光报警电路设计 电源模块/稳压电源 时钟电路 看门狗的使用 通信的设计 小结 26第4章 报警系统的软件设计 火灾报警系统软件的要求 火灾探测系统软件设计 传感器信息采集模块的软件设计 声光报警的软件设计 时钟电路的软件设计 通信系统软件设计 小结 34第5章 系统调试 处理器测试 声光报警电路调试 通信串口调试 A/D转换电路调试 小结 37结 论 38参 考 文 献 40附 录 41附录1 系统硬件接线图 41附录2 系统的PCB图 42附录3 硬件实物图 43附录4 部分程序一览 44

摘要： 对火灾自动报警控制系统及智能火灾报警控制系统的特征进行了分析， 在高层建筑设 计中采用智能火灾报警控制系统的主—从式网络结构， 解决了高层建筑与大型建筑中探测区 域广、探测器数量多、原有系统不能适应等问题。 关键词：高层建筑 火灾自动报警 探测器 智能控制 联动控制 The design and application of automatic fire warning control system in high buidings Abstract： This article analyses the characteristics of the fire antomatic warning system and the intelligent fire warning control system. By using the sytem a lot of traditional problems can be solved, including using a lot of probes but cotrolling olny a relalively small area. Key words: high rised buiding; fire automatic warning system; probe; intelligent control; coordinated control system 随着我国经济建设的发展，现代高层建筑及重要建筑的防火问题引起了国家消防部门及设 计院等社会各界的高度重视。 国家制定了一系列防火规范， 从而促进火灾自动报警设备的研究和 推广使用。高层建筑建设规模大，装修标准高，人员密集，各种电气设备使用频繁，因而存在着 火灾隐患， 在建筑电气设计中必须严格依照规范要求设计火灾报警控制系统。 但选择何种控制系 统，使该系统充分有效地发挥功能，是设计中十分重要的问题。 1 火灾自动报警系统的主要部件及特征 火灾自动报警系统的基本形式有三种，即：区域报警系统、集中报警系统的控制中心报警系 统。高层建筑和大型建筑主要采用控制中心报警系统，这是一种复杂的火灾自动报警系统，主要 由触发器件、火灾报警装置、消防控制设备及电源组成。该系统从通报火灾到启动灭火系统和控 制各种消防设备，基本实现自动化。 触发器件 主要包括火灾探测器和手动火灾报警按钮。 火灾探测器是对火灾参数 （如烟、 温、 光、火焰辐射、气体浓度等）响应，并自动产生火灾报警信号的器件。按响应火灾参数的不同， 火灾探测器分为感温火灾探测器、感烟火灾探测器、气体火灾探测器、感光火灾探测器和复合火 灾探测器五种基本类型。 火灾报警装置 火灾报警装置 消防控制设备 在火灾自动报警系统中用以接收、 显示和传递火灾报警信号， 并能发生控制 在火灾自动报警系统中用以发出区别于环境声、光的火灾警报信号的装置， 在火灾自动报警系统中当接收到来自触发器件的火灾报警信号， 能自动或手 信号和具有其它辅助功能的控制指标设备。 如火灾警报器， 它是一种基本的火灾警报装置， 以声、 光音响方式向报警区域发出火灾警报信号。 动启动相关消防设施并显示其状态的设备。主要包括：火灾报警控制器；自动灭火系统的控制装 置；室内消火栓系统的控制装置；防排烟系统及空调通风系统的控制装置；常开防火门、防火卷 帘的控制装置；电梯回降控制装置以及火灾应急广播、火灾警报装置、消防通信设备、火灾应急 照明与疏散指示标志的控制装置等十类控制装置。 每个系统根据工程的需要应具有十类控制装置 的部分或全部。 电源 火灾自动报警系统属于消防用电设备，主电源采用消防电源，备用电源采用蓄电池， 保证不间断供电。 设计中消防控制设备主要设置在消防控制中心， 便于实行集中统一控制， 有些消防控制设备 可设在消防设备现场，而动作信号必须返回消防控制中心，实行集中与分散相结合的控制方式。 但该探测器有误报现象、控制器容量较小。 2 智能火灾报警控制系统工作原理 智能火灾报警控制系统与火灾自动报警系统不同之处在于： 将发生火灾期间所产生的烟、 温、 光等， 以模拟量形式连同外界相关的环境参量一起传送给报警器， 报警器再根据获取的数据及内 部存贮的大量数据，利用火灾判据来判断火灾是否存在。 智能火灾报警器中编址单元包括： 智能控测器、 智能手动按钮、 智能模块、 探测器并联接口、 总线隔离器和可编程继电器卡等。新型的智能火灾探测器，又称模拟量火灾探测器，这种探测器 给出的输出信号是代表被响应的火灾参数值的模拟量信号或其等效的数字信号。 传统探测器称为 有阈值火灾探测器，而智能火灾探测器没有阈值，却设有专用芯片，智能火灾探测器的应用提高 了报警系统的准确性和智能化程度。 在火灾报警时，报警控制器通过控制模块启动相应的外探设备，如排烟阀、送风阀、卷帘门 等，需要接受外控设备的反馈信号时，应加一个监视模块，控制模块和监视模块一样，联接在报 警回路总线上，安装在所控设备的附近。模块内设十进制编码开关，可现场编号，各占用回路总 线上一个地址。通过报警控制器显示控制模块和监视模块的具体地址，用声、光报警可反映联动 设备的工作状态。 可编程继电器卡，通过编程可实现对风机、水泵等大型设备的二级联动控制。智能控制是一 种无需人的干预就能够自主地驱动智能机器实现其目标的过程。 3 工程实例 火灾自动报警系统的设计应用 笔者 1992～1993 年参与设计的海南省物资局金属大厦，该大厦是座地下 1 层，地上 22 层， 建筑高度 70 多米，建筑面积 万平方米的写字楼。根据《高层民用建筑设计防火规范》的规 定，建筑高度超过 50 m 的办公楼属于一类防火建筑，因此该大厦要设火灾自动报警系统。 设计中选择了国产火灾自动报警系统，这种系统在当时较普遍，仅有一台主机控制器，因而 适用于中、小型建筑。 大厦消防控制中心设在 1 层，每层设层显示器。地下室作设备用房有变电室、空调机房、 水泵房，机房内设有防排烟风机、消防水泵等消防设备，当火灾发生时，温度达到一定值排 烟风机自动启动，并打开排烟阀，开始排烟（图 1）。 图1 排烟风机控制原理 该工程地下室是消防联动控制的集中点，将地下室的防排烟风机、排烟阀等控制线均引 至消防中心的联动控制器。消防泵、喷淋泵、正压风机、排烟风机、消防电梯等却属于外控 设备，均由联动控制器控制。整个火灾自动报警系统设计合理、运行可靠。 智能火灾报警系统的设计应用 随着科学技术的发展，智能火灾报警系统问世，从传统型走向智能型是国内外火灾报警 系统技术发展的必然趋势，工程设计人员必须予以充分重视。 徐州某大型建筑群由三栋塔楼组成，一栋为 25 层，一栋 13 层和一栋 12 层的塔楼由 4 层 裙楼连接而成，建筑面积 6 万平方米，建筑高度 85 m，主要功能：1 至 4 层为商场，5 层以上 为写字楼。由于该大厦建筑面积大，探测区域广，探测器数量非常可观。传统的火灾自动报 警系统已无法满足需要，因此，在设计中，经过反复的方案比较，选择了采用主—从式网结 构的智能火灾报警控制系统，该系统利用大容量的控制矩阵交叉查寻软件包，以软件编程代 替硬件组合，满足了大型工程的适用性，提高了消防联动的灵活性和可修改性。系统由主机、 从机、复示器等构成。该工程消防控制中心设于 1 层，主机和消防联动控制柜设在消防中心， 从机与复示器分设于楼层内。 智能探测器数量的确定 设计时先根据《火灾自动报警器系统设计规范》的规定确定探 测器的布局和设置。其规定探测区域内的每个房间至少应设置一只火灾探测器。感烟、感温 探测器的保护面积和保护半径应按表 1 确定。表中列出的是一个感烟探测器或感温探测器的 保护面积和保护半径。建筑物内往往一个探测区域的面积较大，超过一只探测器的保护面积， 这时需要计算一个探测区域内所需设置的探测器数量，可按下式计算： 式中：N 为一个探测区域内所需设置的探测器数量（只），N 取整数；S 为一个探测区域的面 积（m ）；A 为探测器的保护面积；K 为修正系数，重点保护建筑取 ～，非重点保护建 筑取 。 根据上式计算结果，可确定一个探测区内的智能探测器的安装数量。 选择控制器容量计算 该系统控制器为主—从式网络结构，每个主—从机系统，只能有 一台主机，从机数量根据工程要求确定，一般按探测器数量计算，从机数量最多为 15 台。 表1 感烟、感温探测器的保护面积和保护半径探测器的保护面积 A 和保护半径 R 火灾探测 器的种类 地面面积 S (m ) 2 2 房间高度 H (m) θ≤15° A (m ) 2 屋顶坡度 θ 15°＜θ≤30° A (m ) 80 100 80 30 30 2 θ＞30° A (m ) 80 120 100 30 40 2 R (m) 6/7 R (m) R (m) S≤80 感烟探测器 S＞80 h≤12 6＜h≤12 h≤6 80 80 60 30 20 感温探测器 S≤30 S＞30 h≤8 h≤80 每台控制器最大有四个回路，每个回路容量均为 198 个地址，其中 99 个智能探测 器，99 个编址模块。因此一台主机或从机的最大容量为 4×99=396 个智能探测器， 4×99=396 个编址模块。 该工程经过计算，选用了一台主机和四台从机，每台控制器都按四个回路设计。 主机 N 控制 1～4 层商场内的所有探测器，手动报警按钮，控制按钮，水流指示器等消 防设备，从机 N1 控制地下室的所有探测器、送风阀、排烟阀、防火阀等消防设备，从 机 N2 控制 13 层和 12 层两座连通塔楼的 5～13 层的消防设备，N3、N4 分别控制 25 层 塔楼的 5～13 层和 14～25 层的消防设备。 整个大厦智能火灾报警控制系统设计比较合理，充分考虑到建筑群的特点，选用 一台主机、四台从机控制了 6 万平方米的建筑，如果用传统火灾自动报警系统则需要 几套控制系统分别控制，现有系统设计即经济实用，又准确可靠。 4 结论 综合上述工程设计与实践研究，可以得出以下几点认识与结论。 1） 传统的火灾自动报警系统适合于中、 小型建筑， 它的特点是探测器属于阀值型， 控制器仅有主机一台。而智能火灾报警控制系统，采用模拟量探测器，控制系统采用 主—从式网络结构，适应性强，尤其适合大型建筑的火灾报警系统。 2）智能火灾报警系统，克服了传统火灾自动报警系统存在的漏报和误报的难题， 提高了报警系统的准确性、可靠性。在设计中可灵活应用，根据工程需要选择适当的 从机数量，使工程设计最经济、最合理。 3）为了防患于未然，火灾报警系统的设计和应用十分重要，设计人员应根据不同 的建筑工程，优化设计方案。 参考文献：〔1〕 蔡自兴， 徐光礻 〔2〕 右.人工智能及其应用 〔M〕 .北京： 清华大学出版社， 1996,329～ 360 戴汝为.智能系统的综合集成〔M〕.杭州：浙江科学技术出版社，1995,128～ 160 〔3〕 陈一才.大楼自动化系统设计手册 〔M〕 .北京： 中国建筑工业出版社， 1994,230～ 270 〔4〕 王根堂.公安消防监督员业务培训教材，群众出版社，1997,213～236

要：介绍了一种车载烟雾报警系统的设计方案，包含一个带触摸屏液晶的主机和多个分布式安装的探测器，通过RS485总线连接。方案采用半导体气体传感器实现，灵敏度高、成本低、寿命长，通过基准电压自动标定、自动校正和测量值温度补偿，解决了半导体气体传感器漂移和受温度影响大的问题，实现了烟雾的可靠检测，为汽车火灾早期预警提供了可靠保障，具有较强的实用性。

关键词：半导体气体传感器；RS485；自动校正；自动标定；温度补偿

近年来，汽车火灾事故时有发生，给国家和人民的生命财产造成了巨大的损失，教训是深刻的，目前汽车火灾事故已经成为媒体舆论的焦点，社会各界对此广泛关注。特别是城市公交车和长途大巴车由于采用空调系统使得人们处于一个相对封闭的环境，给火灾处理和人员逃离都带来了很多的不便，控制火灾的发生和先期的预警就显得尤为重要。因此，抓好火灾预防必须借助于高科技防火灾产品在其汽车领域上的运用，将其灾情早期发现并控制消灭在隐患萌芽中。

1 烟雾检测原理

对于火灾烟雾方面的监测，通常主要采用烟雾传感器与温度传感器，其中烟雾传感器主要有离子式、光电式和气敏式等几类。它们的工作原理就决定了其监测方式只有在火灾达到一定程度后才能进行报警工作，而且存在对部分特殊火焰的燃烧无法识别的现象，这种监测的方式是无法对于早期发生的火灾进行报警的，其监测也是不全面的，如果待火灾达到一定程度报警，势必无形中给财产与生命安全造成更大损失。

近年来,随着气体传感技术的发展，气体传感器和传统火灾探测器相结合的探测技术，已广泛应用于汽车火灾烟雾探测领域。在火灾过程中，几乎每种物质均要产生不充分燃烧的CO和烟雾，特别是阴燃阶段的火灾更是如此，由火灾孕育到剧烈燃烧CO和烟雾经历由无到有，由小到大，然后逐渐减小的规律性变化过程，而且CO和烟雾比空气密度小，更容易更早漂浮实现早期预警。因此检测CO和烟雾适合于火灾早期探测，这对于较早的时间捕捉到火灾发生信息非常重要。

半导体气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件组织发生变化而制成的，它的优点是成本低廉、制作简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感度低；它的缺点是对气体选择性差、输出非线性、稳定性不理想，适用于单点或少量检测点报警，不适合于定量检测使用。对于汽车使用环境来说，是比较合适的一种气体传感器，但是在使用中要解决稳定性不够的问题。

2 车载烟雾报警器系统设计

整个车载烟雾报警系统分为两个部分：安装于驾驶员侧的主机和分布安装在车厢各处的探测器，主机和探测器通过RS485总线连接在一起。其安装分布如图1所示。

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3 车载烟雾报警器主机设计

车载报警器主机用于轮询探测器状态并根据读取数据在液晶屏上显示个探测器的状态，如果探测器未连接，相应探测器状态显示灰色，如果状态正常显示绿色，如果超出报警值则根据超出程度显示黄色或红色。

车载报警器主机系统组成如图2所示。

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4 车载报警器烟雾探测器设计

车载报警器探测器用于检测烟雾浓度，并根据烟雾浓度确定当前是否存在火灾隐患，根据烟雾浓度把当前状态判断为正常、轻度污染或者重度污染。其系统组成入图3所示。

图中，电源电路采用开关降压芯片XL2596把汽车电源12 V或24 V转换成5 V供探测器其他电路使用；风扇为5 V直流风扇，用于构成将车箱内气体吸入探测器内部进行检测，提供比自然扩散型结构更快的检测速度；半导体气体传感器经过比较郑州炜盛公司的MP503、MP801、MP901、日本费加罗公司的TGS2602、TGS2602在使用中的稳定性、稳定时间、信号灵敏度，最终选择了MP801，可以在开机2 min内达到稳定，且灵敏度较高、稳定性不错；温度传感器使用热敏电阻检测半导体气体传感器工作环境温度，然后单片机通过算法进行温度补偿；LED只是电路采用红绿双色LED，可以实现绿色、橙色和红色3种状态的显示；RS485转换电路实现和主机的总线连接。

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5 基准电压值自动标定和自动校正

车载烟雾探测器使用MP801半导体传感器进行烟雾检测。其基本电路如图4所示。

图中，传感器MP801的1脚和4脚之间为加热体，额定工作电压5 V，用于保证2、3脚之间的检测体的正常工作。刚上电时，检测体的阻值很小，导致输出电压VR比较大，需要经过一段时间的预热以后，检测体的阻值才会稳定下来，此时VR输出一个稳定的值，这个值才可以作为基准电压来进行烟雾的判断。

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在程序设计中，考虑到了上电预热稳定的过程，其自动标定基准电压的流程如图5所示。

当车厢内有烟雾时，传感器检测体阻值下降，VR输出电压上升，通过比较测量到的VR电压值和基准电压比较就可以判断得到当前车厢内烟雾的状态。但是，在实际使用中，半导体传感器存在着漂移的现象。在没有烟雾的状态下，传感器检测体的阻值也会发生缓慢变化，如果时间足够长，则这种漂移会足够大，从而导致判断的错误。所以在使用中必须对基准电压进行自动校正。基准电压自动校正算法如下：

1）每10 s计算VR输出平均电压，并和基准电压比较。如果差值小于限值，则进入步骤2；如果差值大于限值，则计时清零，返回步骤1。

2)和上一次测量平均值比较，如果差值小于限值，则进入步骤3；如果差值大于限值，则计时清零，返回步骤1。

3)计时值加1，如果计时值达到设定值，则保存新的基准电压，并清零计时值，返回步骤1。

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6 测量值温度补偿

半导体气体传感器的性能受温度的影响比较大，所以在使用时需要根据温度对测量电压值进行补偿。传感器输出电压温度补偿曲线如图6所示。

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7 结论

实际制作的样机，经过使用检验，能够满足实际使用的需要，灵敏度较高，稳定性满足要求，能可靠地进行烟雾检测，实现火灾的早期预警。

参考文献

[1] MP801气体传感器数据手册.郑州炜盛电子科技有限公司.

[2] MP901气体传感器数据手册.郑州炜盛电子科技有限公司.

[3] MP503气体传感器数据手册.郑州炜盛电子科技有限公司.

[4] TGS2603用于异味与空气污染物检测的气体传感器.深圳市新世联科技有限公司.

[5] DC80480F070_1000_0T 数据手册 .广州大彩光电科技有限公司.

本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第01期第81页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。

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烟雾监测报警系统对室内、室外区域进行实时检测，无需人工干预，一旦检测到烟雾、火焰时，立即进行告警，告知监控管理中心，提醒相关人员及时处理。同时将告警截图和视频保存到数据库形成报表，可根据时间段对告警记录和告警截图、视频进行查询点播，方便进行事后轨迹回溯，快速查找责任人。