（安全技术及工程专业论文）悬挂式自动灭火系统设计与实现.pdf

a b s t r a c t a s s o c i a t e dw i t ht h ed e s i g no fa u t o m a t i cf i r ee x t i n g u i s h i n gs y s t e m ，i nt h i sd i s s e r t a t i o n w eh a v ec o m p l e t e das y s t e mo fa u t o m a t i cf i r ea l a r mc o n t r o l l e ra n d o p t i m i z e dt h es y s t e m i nt h ep a s t ，c o n t r o l l e r sa n da l a r ms y s t e m sh a db e e nd e s i g n e ds e p a r a t e l y i no r d e rt o o v e r c o m et h e s ed r a w b a c k s w eu s et h em e t h o do fj o i n td e s i g nw h i c ha c h i e v e sg o o d c o m p a t i b i l i t yb e t w e e nt h et w oa n dm e e t st h ew o r k p l a c e 。d e m a n d sf o ru p d a t i n g t h e c o n t r o l l e ru s e sa r m 7p l a t f o r mw i t hl a r g e s i z et o u c hl c dd i s p l a y a n dw ed e s i g i l e t h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ea l e r tc o n t r o l l e rt oa c h i e v eaf a s ta n dc o i l v e n i e n tm o d eo f o p e r a t i o na n di n t u i t i v ed i s p l a yi n t e r f a c e a tt h es a m et i m ew ed e s i g nad e t e c t o rd r i v e r c o m p a t i b l ew i t haw i d er a n g eo fd e t e c t o r s ，w h i c hm a k e st h eu s eo faw i d ev 耐e t vo f a d v a n c e dd e t e c t o rb e c o m ep o s s i b l e t h ed e s i g no ff i r e f i g h t i n gd e v i c eh a st h ef e a t u f e so f h i g h 。c a p a c i t yo u t p u tb yt h eu s eo ft i m e - s h a r i n go u t p u tf e td r i v e rm e a n s t h eu s eo f h a n g i n gf i r ep r o t e c t i o nd e v i c e s ，p l a c e dd i r e c t l ya b o v et h ep r o t e c t i o no ft h ea r e a ，m a k e st h e t i m ef r o md i s c o v e r i n gf i r et or e l e a s et h ep h a r m a c yr e d u c e dt o3s e c o n d sa n dt h ei n t e 舢p t s i g n a li su s e dt oa c h i e v et h ea i mo fd i v i d i n gt h ea r e ao f p r o t e c t i o n t h es y s t e ma c l l i e v e s r a p i dr e s p o n s eb yu s i n gn o n - p i p en e t w o r ki nw h i c he l i m i n a t et h en e e do ff i x e d t l r e - e x t i n g u i s h i n gs y s t e mu s e di nt h ec o m p l e xh i g h p r e s s u r e p i p e l i n e sa n ds t o r a g e d e v i c e s s ow ec a nc u tt h ec o s t so ft h ep i p e l i n e ，l o w e r t h ev a l v ep r e s s u r er e q u i r e m e n t s a n dt h u sr e d u c em a i n t e n a n c ec o s t s k e yw o r d s ：n o n p i p eh a n i n g ，f i r e e x t i n g u i s h i n g ，a r m 7 ，t t c o s i i ，肛c g u i ， i i 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：盖，复爱 哆年石月。汨 硕七论文悬挂式自动灭火系统设计与实现 1 绪论 1 1 引言 当今城市化进程的加快，城市火灾【1 , 2 , 3 , 5 】的隐患也越来越多，不时发生的重大火灾不 仅给人们生产生活带来物质上沉重的损失和心灵上严重的打击，而且对社会也造成深远 的影响。“中央电视台新址北配楼火灾”等有影响力事件的频频发生，正是凸显了城市 化进程中火灾隐患问题的严峻性。 火灾是指在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害【2 】。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。人类能够对火进行利用和 控制，是文明进步的一个重要标志。火，给人类带来文明进步、光明和温暖。但是，失 去控制的火，就会给人类造成灾难，所以说人类使用火的历史与同火灾作斗争的历史是 相伴相生的，人们在用火的同时，不断总结了火灾发生的规律。 火灾依据物质燃烧特性，可划分为a 、b 、c 、d 、e 五类【2 】。a 类火灾：指固体物质火 灾。这种物质往往具有有机物质性质，一般在燃烧时产生灼热的余烬。如木材、煤、棉、 毛、麻、纸张等火灾。b 类火灾：指液体火灾和可熔化的固体物质火灾。如汽油、煤油、 柴油、原油，甲醇、乙醇、沥青、石蜡等火灾。c 类火灾：指气体火灾。如煤气、天然 气、甲烷、乙烷、丙烷、氢气等火灾。d 类火灾：指金属火灾。如钾、钠、镁、铝镁合 金等火灾。e 类火灾：指带电物体和精密仪器等物质的火灾。 为了更好地对国家的利益和人民群众的安危负责，结合现代电子技术和控制技术的 发展，人们开发出来了各种火灾自动灭火及消防联动系统。火灾自动灭火及消防联动系 统的主要功能是：自动捕捉火灾探测区域内火灾发生时所产生的烟气、光、热、从而发 出声光报警并启动自动灭火系统，同时联动其它设备的输出触点，从而达到灭火的目的。 火灾自动报警系统可以分为以下三种【l z 5 ，8 ，9 1 ：( 1 ) 区域报警系统；( 2 ) 集中报警系 统；( 3 ) 控制中心报警系统。区域报警系统由区域报警控制器和火灾探测器、手动报警 按钮、警报装置等组成；集中报警系统由集中报警控制器、区域报警控制器和火灾探测 器等组成：控制中心报警系统是由设置在消防控制室的消防控制设备、集中报警控制器、 区域报警控制器和火灾探测器等组成。本文介绍的悬挂式自动灭火系统属于区域报警控 制器。悬挂式灭火系统是指装有灭火剂和驱动气体的容器、吊环或箱体、阀体、压力表、 启动器及喷头等组成的灭火装置整体，它可以是悬挂或卧、立安装，发生火灾时能自动 动作、喷射灭火剂灭火。 目前，国内部分消防企业, 5 0 , 5 1 】己开始推出悬挂式自动灭火系统作为工厂、配电机 房、电缆隧道、飞机库、档案图书博物馆、通信基站、微机房、船舶、地铁、地下隧 道、办公室等场所的消防设备。该灭火系统一般配有火灾自动报警控制器、启动器和装 l i 绪论硕士论文 有气体或者微粒灭火剂的罐体组成。安装在保护区的探测器不断的向所监视的现场发出 巡检信号，并不断反馈给报警控制器，控制器将接收到的信号与内存中的正常整定值比 较、判断确定火灾。当火灾发生时，发出声光报警，显示烟雾浓度，显示火灾区域或者 楼层房号的地址编码并打印报警时间、地址等。同时向火灾现场发出警铃( 电笛) 报警， 在火灾发生的楼层的上下相邻层或火灾区域的相邻区域也同时发出报警信号，以显示火 灾区域。各应急疏散指示灯亮，指明疏散方向。火灾自动报警控制器按照设定的延时和 灭火规则对启动器作出释放灭火剂的指示，启动器启动相应的保护单元的灭火装置以便 扑灭火灾。 嵌入式系统【lo 】是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图象数据 传输技术，甚至传感器等先进技术和具体应用对象相结合后的更新换代产品，已经成为 了i t 领域一个新的技术发展方向。由于嵌入式系统体积小、性能好、功耗低、可靠性 强及面向行业应用，目前已经被广泛的应用于国防军事、消费电子、网络通信、工业控 制等各个领域。其中、英国a r m oi a 2 】公司在3 2 位r i s c 处理器【1 1 , 1 2 1 市场占有率超过了7 5 9 6 ， a r m 核微处理器在嵌入式系统占有重要的地位。随着各种高层建筑不断发展，对防火要 求也在不断提高，所以，基于嵌入式和检测技术的灭火系统及相应的研究也将不断深入。 由于嵌入式系统具有高实时性和强大的网络支持能力，因此人们完全可以应用嵌入 式系统提升灭火系统性能，以更好地解决其快速反应、网络互联和控制等问题。同时， 在嵌入式应用中，还可以通过移植嵌入式操作系统，将复杂的任务分割成若干相对独立 的子任务。多任务运行使c p u 的利用率得到最大的发挥，并使应用程序模块化。开发人 员可以将很复杂的应用程序层次化，因而，应用程序将更容易设计与维护，所构建的新 型灭火系统也会更加可靠。 当前基于嵌入式的灭火系统多采用了比较成熟的1 6 位，甚至8 位单片机技术，该 类灭火系统工作可靠，但也因为单片机的功能有限而呈现出体积大、过于笨重、安装调 试不方便等明显缺点。因此，此次悬挂式自动灭火系统的设计使用基于a r m 架构的3 2 位核心处理器，力求开发的悬挂式自动灭火系统的智能化程度能够得到提高，便于调试 和安装，提高响应速度，并在功能上有所扩展，以便于操作使用。 1 2 自动灭火系统的发展状况 按控制系统分【2 】，火灾自动报警系统的发展大体可分为三个阶段：第一阶段为多线 型火灾自动报警系统，每个探测器除需提供两根电源线外，还需提供一根报警信号线， 探测器电源由报警器提供，探测器的信号线均连接到报警显示盘上，报警时点亮相应的 指示灯，如日本“日探”公司生产的c p f 火灾报警系统。此类系统的功能一般以报警为 主，辅以一些简单的联动功能( 也为多线制) ，如驱动警铃等，其报警器对外围探测器， 无故障检测功能，只会对电源线的断线作出故障反应，安装此类系统比较繁琐，特别是 2 硕上论文悬挂式自动灭火系统设计与实现 校线工作量较大。 第二阶段为总线型火灾自动报警系统1 2 j ，己采用微处理器控制。其线制一般有四线 制、三线制、二线制。探测器和模块通过总线与控制器实现信号传送。其探测器的报警 形式为开关量，它的灵敏度在制造时通过硬件决定，不可调整。此类系统可通过各种模 块对消防联动控制设备实行较复杂的控制。此类系统己具有系统自检以及对外围器件的 故障检验等功能，但对故障类型不能区分。目前国内生产的火灾自动报警系统大多数为 此类产品。由于此类产品具有先进的报警和控制功能，施工、安装较为方便，且价格较 低，己被大量使用。 第三阶段为智能型火灾自动报警系统【2 】，由于采用了先进的计算机控制技术，智能 化程度大大提高，探测器的报警形式采用模拟量，并可通过软件对其灵敏度根据使用场 合、时间进行设定和调整，例如可设白天、夜间、休息日不同灵敏度。对探测器的使用 环境参数变化较大的场所，灵敏度设定相对低一些，对环境较稳定或一些重要的场所， 灵敏度设定相对高一些，这一功能可提高系统的稳定性及可靠性，减少误报。 上世纪采用的灭火剂大多是哈龙1 2 0 1 ( - - 氟一溴甲烷，分子式c f ：b r h ) 和1 3 0 1 ( 三氟一 溴甲烷，分子式c f 3 b r ) 。当时，人们认为哈龙1 3 0 1 是适合各种不同类型火灾的最佳的火 焰抑制剂。但是，到了上世纪8 0 年代中期，人们逐渐认识到了其对环境的影响【7 1 ，对大 气臭氧层的破坏，不同程度造成全球变暖，1 9 9 3 在加拿大出台了蒙特利尔协定书， 限制生产破坏臭氧层的物质，并规定蛰j 2 0 0 5 年全球禁止使用。选用何种反应迅速，灭火 有效，洁净，安全，毒性小，有利于环境保护的灭火剂已成当务之急。目前已知的传统 和新开发的哈龙替代物【2 j 主要有a b c 干粉灭火剂、植物蛋白水成膜泡沫灭火剂、热气溶胶 灭火剂、七氟丙烷灭火剂及灭火系统、二氧化碳灭火剂及灭火系统，惰性气体灭火剂( 俗 称”烟烙尽”) 、细水雾灭火系统等。从灭火原理来分：上述灭火剂及灭火系统除了七氟 丙烷灭火剂、热气溶胶灭火剂、a b c 干粉灭火剂属于化学灭火外，其余均为物理灭火剂。 物理灭火剂除其固有的特性外，共性为存在灭火速度慢、灭火效率低的问题。 按灭火药剂分，市场上的灭火系统大体可分为四种：第一种为细水雾灭火系统【2 】， 最先由芬兰、美国、加拿大等少数发达国家开发的。其灭火基理一般为以下两种：( 1 ) 气体冷却，吸收大量热量，迅速降低火焰区温度。( 2 ) 窒息：细水雾喷入火场中汽化为 水蒸气，气体急剧膨胀，排除空气，使燃烧区的氧气浓度降低，使火焰窒息。细水雾的 环保性能和资源利用是很高的，但由于属于物理灭火，其灭火速度和灭火效率却比超细 干粉灭火剂要差很多，同时，细水雾对水的粒径要求严格，导致对喷嘴的制造与使用要 求较高，而且，作为灭火剂的水质要求要绝对稳定，给大范围的推广带来一定难度。目 前，国内外开发的细水雾灭火系统要求的系统压力高，对管路配件及水泵的工作压力要 求相应提高，也带来相应的价格和技术方面的问题。 第二种为七氟丙烷灭火剂及灭火系统：七氟丙烷灭火剂的灭火原理与哈龙灭火剂 l 绪论硕士论文 类似，属于化学灭火，有较好的灭火效率。其灭火效率相当于哈龙灭火剂的二分之一， 但是由于该灭火剂本身含有卤元素，在空气中存在时间约为1 5 2 0 年，同时在火灾现场 产生大量的氟化氢气体，经与气态水结合，形成氢氟酸，而氢氟酸是一种腐蚀性很强的 酸，对皮肤、纸张、玻璃、精密仪器有强烈的酸腐作用。 第三种为二氧化碳灭火剂及灭火系统。二氧化碳的灭火原理：在高压或低温下被液 化，喷放时气体体积急剧膨胀，稀释被保护空间。优点有：灭火时不污染环境，对保护 区不产生腐蚀和破坏作用，可扑救a b c 类火灾，在高浓度下还可扑救固态深位火灾。弊 端：在实际应用中通常采用高压液化储存的高压系统和低温储存的低压系统。高压储存， 需要的瓶组数目多，占地面积大，对储存环境温度要求较严格。低压系统需要外设制冷 设备，造价高，对运输管道也要求严格。 第四种为超细干粉灭火系统【2 7 】。其中卓越的灭火效能，体现在以下三个方面：( 1 ) 有焰燃烧的强抑制作用。有焰燃烧是一种链式反应，燃料分子在燃烧的高温下或其形成 的能量作用下被活化，在氧的存在下产生自由基或活性基因，并靠这些具有高能量的自 由基传播反应，维持燃烧的持续进行。超细干粉与火焰混合时，灭火组分迅速捕获燃烧 自由基，使自由基被消耗的速度大于生产的速度，燃烧自由基很快耗尽，链式反应历程 即被终止，火焰迅速熄灭。( 2 ) 对表面燃烧强窒息作用。超细干粉对扑灭有焰燃烧有很 好的速率和效率，而且对一般固体物质的表面燃烧( 阴燃) 有很好的熄灭作用。当超细干 粉晶体粉体与灼烧的燃烧物表面接触时，发生一系列化学反应，在固体表面的高温作用 下被熔化并形成一个玻璃状覆盖层将固体表面与周围空气隔开，使燃烧窒息。( 3 ) 对热 辐射的遮隔和冷却作用。使用超细干粉灭火时，浓云般的粉沫与火焰相混合，分解吸热 反应，可吸收火焰的部分热量，这些分解反应产生的一些不活性气体如：二氧化碳、水 蒸气等，对燃烧区的氧浓度具有稀释作用，使火的燃烧反应减弱。超细干粉灭火剂的灭 火浓度通过国家检验部门检验为6 4 4 9 m 3 ，是目前国内外已发明的灭火剂中，灭火浓 度最低，灭火效能最高，灭火速度最快的一种。单位容积灭火效率是哈龙灭火剂的2 - 3 倍，是普通干粉灭火剂的6 一l o 倍，是七氟丙烷灭火剂的1 0 倍以上，是二氧化碳的2 0 倍。 是细水雾灭火4 0 倍。此外，超细干粉灭火剂对大气臭氧层耗减潜能值( o d p ) 为零，温室 效应潜能值( g w p ) 为零，对人体皮肤和呼吸道无刺激，对保护物无腐蚀，无毒无害。灭 火后残留物易清理，可广泛应用于生产和生活各种场所，用以扑救a 、b 、c 类火灾和 带电设备火灾。 市场上的大多数固定式后灭火系统或多或少都存在着不足：其中普通火灾自动报警 控制器的反应时间一般很快，可以达到毫秒级的巡检速度，但是启动设备的反应时间比 较长，如气体灭火系统中从发出释放灭火药剂的命令开始，要打开电磁阀、瓶头阀、储 气罐里面的气体通过预先铺设的管道再到火灾发生现场要经过十几秒的时间，如果保护 的是贵重仪器，物品和珍贵书籍，在这些时间里面的损失不可估量；而且造价昂贵，一 4 硕士论文 悬挂式自动灭火系统设计与实现 套系统安装下来加上铺设管道的费用不菲，平时高压气体储存在罐体里面维护起来也耗 时耗力；很多火灾自动灭火系统使用设置复杂，操作性差，一般用户无法启用，设备完 好率低；报警控制器和探测器可匹配性差，选用的报警控制器一般只能使用特定厂家的 探测器，通用性不强，设备闲置现象比较严重；系统升级更新不方便，特别是在不可间 歇性作业场所，安装时误时误工；自动灭火系统在绝大多数情况下处于正常待机状态， 用于灭火操作很少，在这种情况下，保证系统功能的前提下，降低灭火系统的成本，已 便于在市场中推广便有极大的社会价值和意义。 从自动灭火系统的发展状况，可以预测消防自动灭火系统必将向着下面几个方向发 展： ( 1 ) 消防器材向着自动化、智能化方向发展； ( 2 ) 灭火系统向低成本方向发展； ( 3 ) 灭火系统向着高效、绿色环保的方向发展。 1 3 课题的主要任务和完成工作 1 3 1 论文研究目标和基本要求 目标是设计完成一个无管网自动灭火控制系统，包括火灾自动报警控制器和联动装 置。该系统在功能上期望实现操作设置简便、探测灵敏、响应迅速和安装维护便利，使 得整系统成为一个主动与被动结合的可信赖的防火灭火的解决方案。从而在未来工程应 用时能够满足一般场所和不停歇生产场所需要和升级。 火灾自动报警控制器设计思想：通过液晶触摸方式和按钮操作，以便于进行报警灭 火方式与联动系统的设置，以及报警结果、历史报警记录的直观显示，便于数据管理。 对灭火系统的维护管理与安装，即使用于不能停转的发电机组、车间能够方便升级。 联动装置采用悬挂式无管网的设计方案。启动器采用高速单片机控制，远距离通信 安全型快速反应击发管。 1 3 2 本文完成的主要工作 在深入了解自动火灾报警控制器的国家标准和具体要求的基础上，设计并制作一套 无管网火灾自动报警控制系统原型及其联动装置，整个系统采用了3 2 位a r m 7 t d m i 核芯 s 3 c 4 4 b o x 作为核心处理器，6 4 0 4 8 0 像素的液晶显示器，同时具有灵活友好的人机显示 界面，采用触摸屏等方便直观的输入设备液晶屏作为用户交互设备。满足对几千点报警 探测器的多重数据处理及控制器网络化的要求，文件信息量也须达至u 1 m - 4 m b s 的规模要 求，同时具有较低的成本，也便于生产及质量控制。联动装置采用a v r 的8 位高性能单片 机a t m e g a l 2 8 l 为核心，带有备电系统，采用分时技术可以同时驱动8 0 套配套的安全型击 发管，实现大范围的全淹没灭火，同时具有分区功能，灵活配置保护区域。 5 1 绪论硕 ：论文 论文分为两大部分：一是硬件电路设计，设计了基于a r m 7 火灾自动报警控制器的硬 件系统、兼容现有市场上的火灾探测器，可以监控普通火灾的发生；设计一套无管网的 消防联动设备并提供消防联动接口，在探测到火灾时能自动或者手动方式启动消防设备 进行灭火；同时提供与管理中心的通信接口。二是开发基于u c o s i i 的操作系统及u c g u i 界面的火灾自动报警控制器软件系统，该软件系统通过多任务调度实现对传感器检测数 据的实时分析和处理、提供灵活友好的人机界面、报警规则和报警记录的保存、用户权 限的分配和保护等。 6 硕士论文悬挂式自动灭火系统设计与实现 2 灭火系统的总体规划 本课题所要设计的灭火系统将使用a r m 7 t d m i 核的嵌入式处理器。从硬件组成角度 来看，该灭火系统本质上就是一个典型的基于a r m 处理器的嵌入式系统。整个系统的设 计也就是一个嵌入式系统的硬件平台开发和软件设计的过程。因此，本章将简单介绍嵌 入式系统，嵌入式系统的开发准则，并从嵌入式系统的开发角度对灭火系统进行了简单 的需求分析和总体规划。 2 1 灭火系统的功能要求 2 1 1 任务概述 传统的灭火系统由于受单片机字长和工作频率的限制，8 位、1 6 位单片机的数据处 理能力有限，无法承受在进行大量数据输入输出的同时，还要进行数据计算与结果显示， 并且单片机的各类接口有限，需要外部扩展，这给单片机系统设计带来难度，也增加了 成本。所以，采用单片机系统来设计的灭火系统功能较弱，需要大量的外部扩展，处理 速度也较慢。 目前，各类高性能的3 2 位嵌入式处理器得到广泛使用，这些嵌入式芯片如a r m 处理器往往集成了丰富的控制、通信接口，大大降低了硬件系统的开发难度和开发成本， 为各类高精度灭火系统器的研制提供了一个契机。便携式、低功耗、独立性强成为灭火 系统设计开发的一种趋势和需求。针对这些需求，本课题提出的灭火系统的设计思路， 即采用独立的一级结构，选择一款功能较为强大的3 2 位c p u 作为核心处理器，该c p u 同时承担数据的采集和处理、人机交互、结果显示等工作。 2 1 2 灭火系统的功能需求分析 该灭火系统的功能组成非常明确，就是由数据采集和处理、人机交互、数据通信、 声光报警、联动五部分组成。数据采集与处理主要是由由火灾探测驱动器提供温感、烟 感或者复合火灾探测器所需的电源，同时接收这些传感器送来的信号，经电平转换和数 据换算后成为可识别的火灾监控信号然后送至火灾报警控制器。人机交互采用四线电阻 式触摸屏对灭火系统报警条件、联动方式进行设置，并通过6 4 0 4 8 0 的点阵液晶观测 监控状态，记录报警结果，查看联动状态。实时报警数据和历史数据可以保存在火灾报 警控制器中，方便随时查看。因此，需要实现联动系统和火灾报警控制器的数据通信， 利用火灾报警控制器对灭火系统进行状态监控和数据存储。如果火灾报警控制器判读有 火灾发生，会通过声光系统报警，同时按照预先设定的联动方式启动联动设备，所以需 要相应的外围设备。 一、数据的采集和处理 7 2 灭火系统的总体规划硕士论文 众所周知，消除火灾的关键是对火情的早期、快速、正确无误的预报，火灾探测器 是火灾报警的关键部件。火灾发生时伴随有热、光、挥发物等。火情的发现也是基于下 列途径： ( 1 ) 检测不正常的温度上升； ( 2 ) 检测燃烧产生的气体和烟雾； ( 3 ) 检测燃烧产生的红外辐射； 火灾探测器是火灾探测系统最重要的组成部分之一，是指能连续或以一定频率周期 探测物质燃烧过程中所产生的各种物理、化学现象、并能向控制或指示设备提供一个合 适信号的传感器。基本功能就是检测物质燃烧过程中产生的各种气、烟、热、光( 火焰) 等表征火灾信号的物理、化学参量，并转化为计算机或数字微处理器可接收的电信号， 供其分析处理。火灾探测器一般由敏感元件，传感器、处理单元和判断及指示电路组成。 目前常用的火灾探测器大致可分为：感烟【1 ，2 1 、感温【1 ，2 】、感光【1 ，2 1 、复合【l 2 1 和可燃气 体等五种类型。感烟探测器可分为离子型1 ，2 1 、光电型【l ，2 】、激光型【l ，2 1 和红外线束型1 ，2 】 四种。感温探测器根据其感热效果和结构型式可分为定温式【l ，2 】、差温式【1 ，2 1 及差定温式1 捌 三种。目前，大多数消防统中使用的是离子感烟探测器、光电感烟探测器及感温探测器。 火灾的发现宜早不宜迟，在火灾发生的初始阶段，及时的采取灭火措施最好。在可 能产生阴燃火的场所，在火焰出现前有浓烟扩散、发生无焰火灾的场所，以及存在有明 火作业、有x 射线或弧光影响的场所，应该选用感烟( 烟雾) 探测器。而在经常存在大量 粉尘、水蒸气的场所，如厨房、锅炉房等，安装使用感烟探测器是不太合适的，这些场 所应该选用感温( 火焰) 探测器。根据系统所要求的探测部位的特点，为了提高火灾监控 系统的功能和可靠性，保证自动灭火系统动作的准确性，探测器选用了离子感烟探测器 和感温( 定温) 探测器。两种探测器的工作原理如下： ( 1 ) 离子感烟探测器：这种探测器是利用烟雾离子进入电离室【l ，2 】，改变电离室原有 电离电流的原理制作的。这种探测器有内外两个电离室。内电离室( 又称补偿室) 结构上 密封，外电离室( 又称检测室) 有孔隙可让烟粒子进入。两个电离室内都装有等量的微小 放射源媚( a m ) 2 4 1 ，该放射源不断有a 粒子放射出来，使电离室内气体分子电离成为正 负离子。当探测器接通直流电源后，电离室内正负离子在外加电场的作用下，便形成电 离电流。无烟雾进入时，假设内外两电离室的电离电流为i ，当发生火灾时，烟雾进入 外电离室( 检测室) ，室内正负离子会附着在烟雾粒( 质量远远大于正负离子质量) 上，减 慢了正负离子的运动速度，使两个串联的内外电离室的电离电流减小为i i 。但此时两个 电离室的电压却不相等了，即两个电离室就产生了电压差v ，其大小反映了烟雾粒子 浓度的大小，经过电子线路对这个电压差的处理就可以确认火灾是否发生。 ( 2 ) 感温探测器：从可靠性和性能价格比等多方面综合考虑，系统采用了定温式火 灾探测器。它是在规定的时间内，火灾引起的温度上升超过某个定值时动作。它结构简 8 硕士论文 悬挂式自动灭火系统设计与实现 单，可靠性高，误动作少。 由于单个火灾探测器的监控面积有限，为了能满足对整栋楼乃至整个社区的全面的 监控，就必须用大量的火灾探测器分布在监控区域。总线制火灾探测器正是在这种条件 下诞生的，其基本思想是将所有的火灾探测器并联在总线上，每一个火灾探测器都有其 唯一的一个地址，通过火灾控制器不断的对各个地址的火灾探测器进行巡检而达到对多 个火灾探测器集中管理。 二、实现人机交互功能 处理器通过触摸屏接口来实现人机操作，使用6 4 0 4 8 0 点阵的s t n 2 5 6 色的液晶显 示屏显示。要求操作界面、报警设置菜单和联动参数设置界面必须友好，使用方便、快 捷；显示信息使用汉字，方便推广和使用，工作人员能方便地通过触摸屏选择菜单设定 报警等级、联动方式等，进行灭火系统的参数设置，快捷方便的查看当前灭火系统的监 控状态，并且可以进行历史数据的记录、保存、查看。 人机操作界面要实现上述要求，考虑到开发时间和开发难度，人机交互界面最好要 有专门的图形用户界面，能提供菜单、状态栏、输入框等控件使用，而且可以提供成熟 的算法实现在液晶上的曲线绘制。因此，软件系统使用g u i 1 7 , 1 8 , 1 9 式的用户操作接口， 通过对g u i 的移植，在开发时能方便使用g u i 提供的a p i 函数。 g u i ( g r a p h i c su s e ri n t e r f a c e ) ，即图形用户界面。在计算机的发展历史中，g u i 的出现是一次革命。它提供友好的界面，使得计算机成为大多数人都能够使用和接受的 工具。现在每天看到的w i n d o w s 系统就是p c 机领域占主导地位的g u i 系统。 与p c 机不同，由于嵌入式系统的实时性要求非常高，对g u i 的要求也更高。嵌入 式系统一般不希望建立在庞大累赘的、非常消耗系统资源的操作系统和g u i 之上，因此， 嵌入式系统对轻型g u i 的需求更加突出，要求占用资源少、高性能、高可靠性及可配置。 本次设计的灭火系统也是一个实时性要求较高的嵌入式系统，考虑到系统性能要求，采 用此g u i 。它是一个源代码开放的优秀的嵌入式g u i ，不但提供了大量图形接口，而且 是它完全用标准c 编写，移植的工作量不是非常大，很适合移植到嵌入式系统上使用。 三、数据的传输 本次设计的灭火系统需要实现各种火灾探测器和火灾报警控制器之间的数据传输。 这样，火灾报警控制器才能获知火灾探测器的工作状态，随时得知火灾的发生的可能性， 才能及时控制相应的消防联动设备的动作，并随时取得灭火系统内存有的历史数据。 总线制的发展，是由早期的四总线系统到三总线【l 2 】，二总线系统【l 翔。二总线火灾 报警与控制系统只有两根线，所有的火灾传感器，以及部分消防控制器并联地挂在总线 上，它们本身都不带电源，依靠总线供电，二根线中一根为地线，另一根它既要当电源 线，又要当信号线发送线，还要作信号接收线。四总线系统基本上有一根电源线，一根 地线，一根巡检线，一根信号线，每一根线只有一个职能。显然，多线制传输线路数量 9 2 灭火系统的总体规划硕卜论文 很大，合计故障率高；总线制传输线路数量剧减，合计故障率低；二总线传输线路又比 三、四总线传输线路更好些；联动控制与报警于一体的二总线方式的可靠性最高。 作为总线制最高技术水准的二总线无极性连接方式，以其安装维修简单，扩充能力 强等无与伦比的优势而将被采用。 由于目前国内的关于火灾探测器的通信协议是不公开的，而本课题设计的火灾报警 控制器又必须要求能监控火灾。因此，必须能对选用的火灾探测器进行驱动一即能对探 测器发送控制命令和读取检测的状态数据。所以必须对选用的火灾探测器通信协议进行 破译。 四、声光报警 按照火灾报警控制器的中华人民共和国国家标准，在检测到报警状态后控制器应有 火灾声和光警报器。控制输出要能及时的发出声光报警，并启动相应的消防联动设备。 因此，这里选择了集成的火灾声光报警器【l ，2 j 。t c s g 3 2 1 8 a 为非编码型火灾声光警报器， 可由火灾报控制器等设备控制其直流2 4 v 供电电源，而达到控制其声光报警的功能。 五、联动输出 联动输出方面选用了自己开发的一种消防用动能型电击发管启动器和配套的安装 了动能型电击发管的带感温玻璃球【l ，2 j 的普通罐体。 市场上悬挂式灭火装置的联动系统存在着控制的灭火装置少、造价高、反应时间长、 不易维护等很多缺点。很多悬挂式灭火装置的响应喷头的感温释放元件为消防感温玻璃 球。感温玻璃球的工作原理是：发生火灾时，火灾场所的温度升高，将热量传递给感温 玻璃球中液体，密封于玻璃球之中的液体随着温度上升而不断膨胀，并在达到预定温度 时致使玻璃爆裂，释放灭火剂。当火灾发生时，火灾场所的温度要上升到玻璃球的预定 温度需要较长的时间，从而导致灭火剂释放延迟，延误火灾的扑救，因此，我们需要寻 求一种能在火灾发生早期就能使感温玻璃球迅速破裂，提高灭火效率的方法。本联动装 置的优点是： ( 1 ) 自带备电系统，当主电源正常工作时使用主电源，当主电源出现故障停止工作 时，自动切换到备电供电状态，依然能够保证对火灾报警控制器的快速响应，而且，备 电可使用的时间( 四天) 远大于报警控制器的一般使用时间( 4 8 小时) 。 ( 2 ) 容量大：可供8 0 套灭火装置一起启动。 ( 3 ) 具有可分区操作【5 1 】功能，通过与具有分区控制功能的火灾报警控制器连接可同 时控制最大四个分区的灭火装置，四个分区灭火装置的数量可方便设置( 总数不能超过 驱动器的最大容量) 。 ( 4 ) 使用的电压均为1 2 v 安全电压，对人体没有任何伤害，可以放心使用。与外界 接口均带有防误接保护电路，防止接反。 ( 5 ) 带有通信功能，可随时向具有串口的报警控制器或者p c 端输出备电的状态， 1 0 硕士论文 悬挂式自动灭火系统设计与实现 方便实时查看。 ( 6 ) 带有自动充电单元，随时检测备电的状态，保证备电的电量充足，不需要操作 人员的干预。 ( 7 ) 带有手动操作模块，当人工发现火灾或者报警控制器发生故障时候可以人工方 式操作，保证可靠。 ( 8 ) 启动速度快，与动能型击发管配合使用，可在o 1 s 内可完成8 0 具联动装置的 释放。 总之，新型电击管驱动器具有可靠性高、使用安全方便、容量大、操作方便等诸多 优点。 2 2 灭火系统的总体方案设计 根据上述的需求分析，本课题将设计完成一台独立的、专用的并且集显示、处理、 记录功能于一体的灭火系统，它采用3 2 位a r m 7 t d m i 核芯片s 3 c 4 4 b o x 作为处理器，带触摸 屏功能的6 4 0 4 8 0 点阵的液晶屏作为用户交互，最终期望实际系统能在功能上满足防火 系统的需要，体积上小巧便于安装，操作使用方便。课题涉及的工作分为两大部分：硬 件电路设计和软件系统设计。 2 2 1 硬件电路设计规划 结合灭火系统的各项要求及实验平台的实际情况，该灭火系统主要硬件构成如图 2 2 i 1 所示。 图2 2 1 1 悬挂式灭火系统硬件构成框图 该硬件系统是一个典型的基于a r m 处理器的嵌入式系统的硬件平台，它包括了嵌入 2 灭火系统的总体规划硬j 论文 式系统具有的嵌入式微处理器，各种类型存储器，接口控制器、通信接口及各种接插件。 整个硬件系统可分为两大部分，一、通用的a r m 7 处理器核心电路，提供强大的计算和控 制功能；二、液晶、触摸屏等所需的外围扩展电路，提供传感器信号输入的接口和数据 通信接口。 其中，触摸屏和l c d 为人机接口用以提供用户输入和状态信息输出；数据存储模 块用以储存用户信息和报警历史已录；动能型电击发管启动器提供联动控制输出；主 各电系统用以提供控制器在有电和停电情况下的电源供给。烟感探测器、温感探测器等 火灾探测和输入输出设备通过火灾驱动模块和处理器连接。图221 2 为所完成的悬挂 式无管网灭火系统硬件构成实际连接图。 图221 2 悬挂式灭火系统硬件构成实际琏接图 2 2 2 软件系统设计规划 嵌入式软件系统可分为三个部分：虻0 s i i 和屺g u i 、驱动层、应用程序，系统结 构如图2 2 2 1 所示。 硕士论文 悬挂式自动灭火系统设计与实现 图2 2 2 1 悬挂式灭火系统软件结构 一、“c o s i i 和c g u i 的移植和使用 由于本软件系统涉及的火灾探测器巡检、处理和人机交互方面的工作较复杂，而且 需要处理并行任务，所以考虑使用实时多任务内核【1 5 , 1 6 与g u i 。p c o s i i 是一个完整的、 可移植、可固化、可裁剪的占先式r t o s 内核【1 5 , 1 6 ，绝大部分“c o s i i 的源码是用移植性 很强的a n s ic 【2 0 】写的，只有与微处理器硬件相关的部分是用汇编语言写的，汇编语言 部分的代码已经压到最低限度，使得仙c o s i i 便于移植到其他微处理器上。p c o s - i i 可 以管理6 4 个任务，并运行就绪条件下优先级最高的任务，同时提供了很多系统服务，例 如邮箱、消息队列、信号量、块大小固定的内存的申请与释放、时间相关函数等，是一 个非常适合本系统使用的嵌入式操作系统内核。 p c g u i 与屺0 s i i 出自同一个公司，也是一个源代码开放的、优秀的嵌入式g u i ， 不但提供了大量图形接口，还提供了一个不错的窗口系统，最重要的是它完全用标准c 编写，方便移植，很适合移植到通用的a r m 7 处理器上使用。 二、驱动层软件的设计 该部分工作主要是初始化微处理器及其片上资源，实现硬件电路的驱动程序的编写 ( 如串行口、触摸屏、l c d 、f l a s h 、实时时钟等) ，最终为应用程序层提供一个良好的、 透明的硬件层接口，方便应用程序的调用。 三、应用程序编写 2 灭火系统的总体规划硕士论文 应用程序实现的工作是整个课题最关键也是最实质部分，该部分的程序在操作系统 和图形用户界面( g u i ) 接口的基础上实现悬挂式灭火系统所需的火灾探测器巡检和处理 功能，提供友好的人机操作界面，并同上位机实现通信。 2 2 3 药剂的设计规划 灭火系统按应用方式分为全淹没灭火系统和局部应用灭火系统。全淹没灭火系统适 用于扑救封闭空间内的火灾；局部应用灭火系统适用于扑救具体保护对象的火灾。根据 无管网灭火系统的设计要求，我们选用全淹没灭火系统的设计方案。其防护区应符合以 下规定： ( 1 ) 灭火剂最小灭火浓度为0 0 6 5 1 9 m 3 ( 2 ) 一般防护区灭火剂全淹没的设计浓度不应小于最小灭火浓度的1 2 倍。图书、档 案、文物资料库等易产生复燃的场所全淹没设计浓度不应小于最小灭火浓度的1 5 倍。 ( 3 ) 灭火剂用量m 应按式2 2 3 1 计算： m m + e m s i 式2 2 3 1 式中m ：灭火剂设计用量( k g ) m s i ：灭火剂喷射剩余量( k g ) ( 4 ) 灭火剂剩余量m s i 按式2 2 3 2 计算。 m i s = m o i k o i 式2 2 3 2 式中m s i ：灭火剂充装量化( 蚝) k o i ：灭火剂喷射剩余率( ) ( 5 ) 灭火剂设计灭火用量m 按照式2 2 3 3 式计算。 m = k v 式2 2 3 3 式中k ：灭火剂全淹没设计浓度( 蚝m 3 ) v ：防护区净容积( m 3 ) ( 6 ) 防护区内灭火装置应均衡布置，并在接到灭火指令后，各灭火装置先后启动的 时间差不应大于5 s 。 常用的高效灭火剂有卤代烷类的1 3 0 1 、1 2 1 1 ( 二氟一氯一溴甲烷，分子式c f 2 c 1 b r ) 【6 ，n 2 2 1 等，这两种灭火剂是在4 0 年代由美国空军资助下研制成功的，用于取代四氯化碳灭 火剂( c c l 。) 【6 ，7 1 。它们可以用来扑灭油类和忌水性物质的火灾，也可以用于扑灭电气火 灾，其特点是灭火效能高、毒性低、腐蚀性极小、灭火后不留痕迹。但和氟氯烃( c f c l ) 【6 ，7 】相比，它们对臭氧层具有更大的破坏作用，不同程度造成全球变暖，1 9 9 3 年在加拿大 出台了蒙特利尔协定，限制生产破坏臭氧层的物质，并规定蛰j 2 0 0 5 年全球禁止使用。 哈龙替代灭火剂有三类：齿化碳化学灭火剂【6 ，7 1 、惰性气体灭火剂和超细粉体灭火剂。齿 化碳化学灭火剂主要通过物理方法，冷却火焰中的热能来灭火。其代表产品有：f m 2 0 0 1 4 硕士论文 悬挂式自动灭火系统设计与实现 【6 刀，符号：h f c 2 2 7 e a ，化学分子式：c 3 f 7 h ，灭火浓度：7 ，o d p ：0 ，温室效应期：0 7 ， 大气留存期：3 5 年，储存压力：2 5 b a r 。惰性气体灭火剂：惰性气体是二氧化碳的“安 全”替代物。二氧化碳灭火剂对人有剧毒性，而惰性气体可在1 分钟左右使封闭环境中 的氧含量降到不能支持燃烧的水平，却仍然可以满足人体呼吸的需要。其代表产品有： 依纳根，n e r g e r ，符号：g 5 4 1 ，化学分子式：n 25 2 ，a r 4 0 ，c 0 2 ，8 ，灭火浓度： 3 8 ，o d p ：0 ，温室效应期：0 ，大气留存期：0 年，储存压力：1 5 0 b a r 。超细干粉灭火 剂对大气臭氧层耗减潜能值( o d p ) 为零，温室效应潜能值( g w p ) 为零，对人体皮肤和呼吸 道无刺激，对保护物无腐蚀，无毒无害。灭火后残留物易清理，可广泛应用于生产和生 活各种场所，用以扑救a 、b 、c 类火灾和带电设备火灾。所以我们选择超细干粉灭火 剂作为灭火系统的灭火剂。 2 2 4 外围器件的设计规划 外围器件包括安全型击发管及其启动器等联动设备和火灾探测驱动器 一安全型击发管及其启动器的设计 根据目前市场上的应用情况，我们需要寻求一种能在火灾发生早期就能使感温玻璃 球迅速破裂，提高灭火效率的方法。为了克服感温玻璃球作用滞后的缺点，这里提供一 种消防用安全型击发管启动器，与安全型击发管、感温玻璃球配套使用，在发生火灾时 快速击碎感温玻璃球，释放灭火剂，提高灭火效率。 由于快速响应的要求，同时为了兼容市场上的火灾报警控制器，提供中断方式【1 4 】 的8 路对外接口，普通火灾报警控制器只要将联动2 4 v 继电器接口接上即可，同时带手 动控制端口。由于需求的中断和输出端口较多，所以选用a t m e g a l 2 8 l 这款a v r 公司生 产的a v rr i s c 结构的8 位微控制器