火灾联动报警毕业设计.doc

本 科 毕 业 设 计 第 75 页 共 75 页火灾联动报警毕业设计1 绪论1.1 课题背景火灾是世界上发生频率较高的一种灾害，几乎每天都有火灾发生，据联合国“世界火灾统计中心（WFSC）2000统计资料”，全球每年约发生火灾600万至700万次，全球每年死于火灾的人数约为65000人至75000人。欧洲和北美发生的火灾较多，死亡人数却相对较少，这与欧美发达国家的生活水平高以及消防设施完善有关；亚洲居住人数最多，发生火灾次数较少，但死亡人数较多，这与亚洲经济发展程度不高、消防设施不完善等因素有关。火灾早已成为我国常发性和破坏性以及影响力最强的灾害之一。随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下建筑以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾发生的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。我国2000年中国火灾统计年鉴记载，从1950年至1999年，全国共发生火灾3258105起，死亡人数165499人，伤313766人，直接经济损失1828亿元 1。我国每年的起火次数较少，但死亡人数较高，这说明我国的消防保护体系对保护生命安全还有一定的差距，因此现阶段有必要提高全民的防火安全观念，提高我国消防设施水平。火灾作为危害人类生存的大敌，越来越受到人们的重视。一旦发生火灾，将对人的生命财产造成极大的危害，于是人们开始寻求一种早期发现火灾的方法，以便控制和扑灭火灾，减少损失，保障生命安全。火灾报警系统就是为了满足这一需求而研制出来的，并越来越被人们所接受，其自身技术水平也随着人们需求的不断提高，在功能、结构、形式等方面不断地完善。1.2 国内外报警系统的现状及发展情况1.2.1 火灾报警系统发展历程火灾报警系统，从发展过程来看，大体可分为三个阶段：第一阶段：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CPF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做出故障反应，安装此类系统比较繁琐，特别是校线工作量较大2。第二阶段：总线型火灾自动报警系统。这种自动报警系统已采用微处理器控制，其线制一般有四线制、三线制、二线制，探测器和模块均采用地址编码形式，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，此类系统已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，由于此类产品具有报警和控制功能，它的施工、安装较为方便，且价格较低，已被大量使用2。第三阶段：智能型火灾自动报警系统。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数字量，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，如可设定白天、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3,4。1.2.2 火灾报警系统在国外的发展情况国外一些较发达的国家，具有火灾预防、报警、扑救、善后处理等比较完善的消防体系。政府每年都要拨出大笔资金用于消防设备更新、人员培训以及消防设施维护。德国、日本、美国等国家就采用计算机与用户终端的传感器或者用户终端信号采集器相连，对火灾自动报警设备实时监控以及故障远程传输。例如：美国、加拿大、英国、澳大利亚、日本等国家在建设和应用城市火灾自动报警监控系统方面均有可供借鉴的成功经验。他们将自动火灾报警作为公共报警手段接入监控系统，并有效运行多年，使消防指挥中心能够快速准确判断火灾地点、火灾类型，并调度消防部队迅速到达现场，自动报警监控系统在此起到了很大的作用。此外，这些国家在监控系统管理方面比较规范，专门成立一个监控服务机构，该机构的责任是保证火灾报警数据通信畅通，为用户服务，对用户负责，同时向消防部队传送可靠的火灾报警信息，而消防部门的主要责任是对此类服务机构进行资质审查及监督管理。这种管理运作方式已经取得了良好的效果。1.2.3 火灾报警系统在国内的发展情况我国火灾报警系统起步较发达国家晚几十年，从上世纪70年代我国才开始研制生产火灾报警系统产品。进入80年代后，国内主要厂家也多是模仿国外产品，或是引进国外技术进行生产，没有真正意义上的核心技术，并且市场也刚刚开始发予。火灾报警产品真正发展是在90年代以后，随着政府逐渐开放国门，国外企业开始大量进入中国消防市场，带来先进技术的同时也促进了市场的成熟。这时期，我国生产火灾报警产品的企业也得到了快速发展，部分企业进行了合资生产、技术合作，取得了不菲的成绩，也造就了现今市场上许多有实力的商家，部分技术已接近或赶上了国际水平。1.3 火灾报警系统的组成和种类1.3.1 火灾自动报警系统的组成火灾自动报警系统是由触发器件、火灾警报装置以及具有其它辅助功能的装置组成的火灾报警系统。它能够在火灾初期，将燃烧产生的烟雾、热量和光辐射等物理量，通过感温、感烟和感光等火灾探测器变成电信号，传输到火灾报警控制器，并同时显示出火灾发生的部位，记录火灾发生的时间。一般火灾自动报警系统和自动喷水灭火系统、室内消火栓系统、防排烟系统、通风系统、空调系统、防火门、防火卷帘、挡烟垂壁等相关设备联动，自动或手动发出指令，启动相应的防火灭火装置。触发器件:指在火灾自动报警系统中，自动或手动产生火灾报警信号的器件称为触发器件，主要包括火灾探测器和手动报警按钮。火灾探测器是能对火灾参数(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，按照响应火灾参数的不同，火灾探测器分成感温火灾探测器、感烟火灾探测器、感光火灾探测器、可燃气体探测器和复合火灾探测器五种基本类型。不同类型的火灾探测器适用于不同类型的火灾和不同的场所。手动火灾报警按钮是手动方式产生火灾报警信号、启动火灾自动报警系统的器件，也是火灾自动报警系统中不可缺少的组成部分之一。火灾报警装置：在火灾自动报警系统中，用于接收，显示，传递火灾报警信号。并能发出控制信号和具有其它辅助功能的控制指示设备称为火灾报警装置。火灾报警控制器就是其中最基本的一种。火灾报警控制器担负着为火灾探测器提供稳定的工作电源;监视探测器及系统自身的工作状态;接受、转换、处理火灾探测器输出的报警信号;进行声光报警;指示报警的具体部位及时间;同时执行相应辅助控制等任务，是火灾报警系统中的核心组成部分火灾警报装置: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称为火灾警报装置，火灾警报器是一种最基本的火灾警报装置，通常与火灾报警控制器组合在一起，它以声、光音响方式向报警区域发出火灾警报信号，以警示人们采取安全疏散、灭火救灾措施。警铃是一种火灾警报装置，用于将火灾报警信号进行声音中继的一种电气设备，警铃大部分安装于建筑物的公共空间部分，如走廊、大厅等。消防控制设备: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后，能自动或手动启动相关消防设备并显示其状态的设备，称为消防控制设备。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，防烟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中的部分或全部。消防控制设备一般设置在消防控制中心，以便于实行集中统一控制，也有的消防控制设备设置在被控消防设备所在现场(如消防电梯控制按钮)，但其动作信号则必须返回消防控制室，实行集中与分散相结合的控制方式。电源:火灾自动报警系统属于消防用电设备，其主电源应当采用消防电源，备用电源采用蓄电池。系统电源除为火灾报警控制器供电外，还为与系统相关的消防控制设备等供电5。1.3.2 火灾报警系统的分类火灾报警系统根据需要可划分为区域报警系统、集中报警系统和控制中心报警系统。1) 区域报警系统是由火灾探测器、手动火灾报警按钮、区域控制器等组成。区域可以视为一栋楼或几层楼的范围，在区域报警系统中宜设置一台区域控制器，最多设置不应超过三台区域控制器。2) 集中报警系统是由火灾探测器、手动火灾报警按钮、区域报警控制器、集中报警控制器等组成。在集中报警系统中应设置一台集中报警控制器和两台以上的区域报警控制器。集中报警控制器应设置在专用值班室或消防值班室内，由专人看守。3) 控制中心报警系统是由火灾探测器、手动火灾报警按钮、区域报警控制器、集中报警控制器、消防控制设备等组成。系统中应至少设置一台集中报警控制器和有关的消防控制设备。设置在其他部位的集中报警控制器应将火灾报警信号和消防联动控制信号均送至消防控制值班室6,7。在具体工程中采用何种报警系统，可根据工程建设规模、保护工程的性质、火灾报警区域的划分和消防管理机构的组织形式等因素综合考虑后确定.随着科学技术的发展，火灾报警系统的组成和功能，也不是一成不变的，只有单一功能的火灾报警控制器、防盗报警器和节能控制器等，将不再由行业、使用场所人为地区分成不同的系列、不同的产品，而是按照技术上、使用上的内在联系和差异来划分。尤其是随着计算机技术的飞速发展，将综合成一个整体，即成为报警控制系统(器)，报警后都能按需要输出一定程序的控制机能，启动相应的设施。2 总体设计方案2.1 系统设计背景2.1.1 系统功能要求火灾报警控制器总体设计根据国家标准GB4717-93火灾报警控制器通用技术条件进行8，其功能主要有：1) 有备用电源、实现主、备电自动切换，保证电源不间断。2) 故障时，则必须有故障报警，并伴有声光显示。当发生火灾时，记录第一个探头的时间、部位并进行锁存等。当发生火灾时，首先报出预警信号，延时30秒，在这30秒内管理人员可以根据此时指示的探测器位置进一步确认，若属于误报可以按复位退出。由于标准要求不间断电源，当主电故障转换使用备用电时，必须有明确指示灯，同时为节省电能在正常监视无异常信息状态下，处于休眠方式，当故障或火警时，立即唤醒，进行显示处理。探测器总线上应含有下列信息：1) 地址信息：地址数量可由编码器决定一般一个总线回路上不应超过256个探测器，这是由于各个国家对探测器巡检时间做出的明确限制，若探测器数量过多，导致巡检时间过长，影响控制器对火灾、故障的反应时间，如我国规定了火灾报警控制器应在10秒钟内对火灾信号做出反应。联动信号应在3秒内进行联动。2) 火灾现象数据：在整个系统中，火灾现象数据可以连续变化，多级变化信号的形式传输。3) 制信号以及探测器的反馈信号：用来确认火警信息，驱动门等以及启动测试程序等。2.1.2 系统技术要求由于各种环境因素，如：静电、灰尘颗粒、气流、杀虫剂、磁场、气温剧烈变化、水蒸气等都会与火灾发生时的状况接近，从而使报警设备发生误判而报警。要求针对以上这些问题，能够对火情做出快速、精确探测和有效控制。由于在整个系统中数据传输关系多样，系统工作范围大，传输环境复杂，从而要求通讯可靠性高，抗干扰能力强。另外需在提高系统性能的基础上尽量降低成本。2.2 系统实现方案2.2.1 系统整体框架图探测器无线通信模块1控制器输出设备无限通信模块2上位机值班员联网报警探头无线通信模块1图2.1 系统整体框架图2.2.2 各部分工作过程概述1) 探头：控制芯片接收各传感器信号，不同类型探头按照不同程序对信号进行运算，然后将预警与报警信号存入已分配好的固定内存中，中断0接收的手动报警信号也对相应内存进行操作。通讯模块不断接收探测器发出的巡检信号，并进行判断，然后将统一回复信号与片内已存的预警，火警，电源故障等报警信号依照协议（见软件探测器部分详述）通过无线通讯模块1发送给探测器。2) 探测器：探测器分成A、B两片控制器，A按顺序对每个探头进行巡检，每巡检24次会发出一次探头统一信号。每个探头都要回复统一信号，B片将对此进行记录，探头全部回复时回传给A回复统一信号，否则记为探头丢失，回传给A已回复探头地址。A、B之间通过中断并行传输数据，写通讯协议，验证信号都是有B完成。其他23次巡检中如果没有火警信号则探头不回传信号，以节省电能。对于从探头接收到的信号要进行信号确认，以确认是否有火警，设置了白天/夜间两种模式，通过按钮操作中断0口进行设置。对于火警或预警信号，在白天模式下，控制器将接受到的信号通过通讯模块2传输给上位主机和值班员。值班员确认火警后，发出回传信号，驱使探测器向控制器发出消防联动驱动信号。或者主机控制人员确认火警后，按下消防联动启动按钮使控制器进行消防联动操作；在夜间模式下，对火警信号进行延时等待然后再次收到火警信号，或者收到值班员短信控制信号以后探测器发出消防联动控制信号对控制器操作进行操作。如果火警信号为误报则上位主机或者值班人员发出消音信号，自身消音的同时驱动无线通讯传输给探测器。预警，电源故障等信号通过通信模块1发送给控制器驱动显示灯。3) 控制器：接受到探测器发送的消防信号或手动消防信号，进行消防联动控制。根据由无线模块和键盘接收到的各种信号对LCD显示，显示灯，蜂鸣器和消防控制用继电器进行控制。2.2.3 传感器的选择在实际的工程应用过程中，火灾探测器的选择应根据火灾探测区域的工作环境、条件及功能而定。不同环境条件下，应选择与其相适应的探测器；在具体设计工作中，探测器的选择要符合火灾自动报警系统设计规范(GB50116-98)中相关条文规定，对应用于特殊行业环境的火灾自动报警系统，探测器的选择还要符合其行业规范中对火灾自动报警系统及火灾探测器的特殊规定。常用火灾探测器性能特点及适用范围如表2.1所示。表2.1 火灾探测器性能特点及适用范围探测器类型性能特点不足之处点型离子感烟探测器灵敏度高，历史悠久，技术成熟，性能稳定，对阻燃火的反应最灵敏。易受粉尘，水蒸汽，挥发性有机物干扰点型离子光电探测器灵敏度高，对湿热气流扰动大的场所适应性好。易受电磁干扰，对黑烟反应不灵敏点型离子光速探测器探测范围大，可靠性高，环境适应性好。易受红外，紫外光干扰，探测器实现易被遮挡点型离子感温探测器性能稳定，可靠性高，环境适应性好。造价较高，安装维护不变缆式线性感温探测器性能稳定，可靠性高，环境适应性好。造价较高，安装维护不变感光探测器对明火反应迅速，探测范围广易受光源干扰，易被遮挡复合探测器探测准确，可靠性高价格贵，成本高最常用的几种火灾探测器的特点和选用原则如下：1) 对于电缆，棉毛制品等，火灾阴燃阶段持续时间较长，产生大量的烟和少量的热，很少或没有火焰辐射的场所，应选用感烟探测器。2) 对火灾发展迅速，可产生大量热、烟和火灾辐射的场所，可选用感烟探测器、感温探测器、感光探测器或其组合。3) 对于酒精、油类等，火灾发展迅速，有强烈的火焰辐射和少量的烟、热的场所，应选用感光探测器。4) 电缆隧道、竖井、夹层、桥梁和各种皮带传送装置、配电开关、变压器等场所，应选用缆式线型定温探测器。5) 对使用、生产或聚集可燃气体或可燃蒸气的场所，应选用可燃气体探测器。此外，对火灾形成特征不可预料的场所，可根据模拟试验的结果选用探测器。根据以上依据，本课题根据设计中三种不同规格探头的要求选用了离子感烟探测器，差温式感温探测器和缆式线型定温探测器三种探测器不同的组合判断火灾信号(实现方法见硬件/软件设计探头部分详述)。2.2.4 通信部分选择传统的火灾探测系统多数为总线制的有线传输系统，有线传输的缺点在于导线布局造成的硬件故障较高即信号质量受到导线质量的影响，且传输成本较高；并且需要在楼层间打孔、架线，给原有环境带来一定的负面影响，难以维护；再有各种总线的通讯协议不一样，所以不同厂家的不同系统不容易同一管理，对火灾报警系统今后的改造和统一管理有一定的限制。所以本设计采用的是无线通讯方式，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、高可靠性等特点，使数据传输质量较高。而且在硬件设计方面集成程度也越来越高，工作性能越来越完善，应用领域越来越广泛；同时减少布线，降低火灾报警监测系统的安装成本。还可以免去布线时对墙壁打孔的麻烦，使得安装，拆装都十分容易，同时减少了对建筑物的损坏。3 系统硬件设计3.1 探头硬件设计探头部分也是一个小的单片机控制系统，他主要负责接收处理传感器发出的信号，以确定火警，预警等报警信号，并控制无线通讯模块将这些信号发送给探测器。为使资源得到合理充分的利用并保障探头具有良好的工作性能，本设计中选用美国ATMEL公司生产的AT89C2051单片机作为探头的控制芯片。3.1.1 AT89C2051单片机的结构及技术特点AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位的单片机，内耗2Kb的可反复擦写的只读程序下存储器(PEROM)和128b的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS51指令系统，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元，功能强大的AT89C2051单片机使用与许多高性价比的应用场合。AT89C2051单片机具有以下特点：1) 与MCS51产品指令系统完全兼容；2) 具有2Kb可擦写闪速存储器；3) 可擦写周期为1000次；4) 工作电压范围为2.7V6V；5) 全静态操作：024MHz；6) 两级加密程序存储器；7) 内部RAM为128*8b；8) 具有15个可编程I/O口；9) 具有16位定时、计数器；10) 具有6个中断源；11) 可编程串行UART通道；12) 可直接驱动LED的输出端口；13) 内置一个模拟比较器；14) 低功耗掉电空闲模式；3.1.2 探头硬件框图AT89C2051通讯模块1传感器手动报警按钮电池检测图3.1 探头硬件框图3.1.3 具体设计描述1) AT89C2051的P1口(P1.7P1.2)分别接此探头负责区域内的传感器。根据不同场所对火灾报警器灵敏度与精度的要求，按照所接传感器的种类和数量，探头有三种规格：只接有离子感烟传感器，负责空间相对较大，火灾发生概率较低的场所，如教室走廊等。信号判断方式为第一次接收到传感器报警存为预警信号，延时等待再次接受到传感器报警信号为火警信号。一只探头可以接六个离子感烟传感器。接离子感烟传感器和差温式感温传感器，负责空间相对火灾系数较高的场所，如资料室，办公室等。信号判断方式为，两种探测器信息融合判断预警与报警信号。一只探头可接三组离子感烟探测器和差温式感温探测器。接离子感烟探测器，差温式感温探测器和缆式线型定温探测器三种传感器，负责对火灾报警器要求较高的场所，如机房、实验室等。信号判断方式为，三种探测器信息融合判断预警与报警信号。一只探头可接两组此类传感器组合。2) 其他引脚分配：P3.3接手动报警按钮；P3.4，P3.5分别与通讯模块中nRF401芯片的TXEN,PWR-UP两个引脚相连，控制无线收发。P1.2P1.7接传感器，P1.1接电池监测。3) 电源：用四节1.5V干电池构成6v电源为声光报警电路供电；通过三端可调稳压器LM317将6V变成稳压5V（在控制器电源部分有详述）直流电源为各芯片供电。4) 电池监测电路：选用四电压比较器LM339 完成次部功能。LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选315K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。如下图所示，反响输入端接2.5V三端稳压器的输出端，当电压降低到5.5V时根据分压电路可计算出输入端的电压为2.478V，所以当电池电压低于5.5V时输出端将输出低电平。图3.2 电池监测电路3.2 无线通讯模块1的硬件设计无线通讯模块必须完成把数据转换成无线电波、无线电波发送与接收、无线电波转换成数据双向通讯功能，固无线通讯模块电路分为两个单元，每一个单元都具有发送接收功能，二者互为接收、发送端，两个单元结构相同。无线通讯模块1选用的无线高频接收、发射电路的核心为nRF401芯片。3.2.1 nRF401芯片介绍 1) nRF401主要性能：nRF401是挪威Nordic VLSI公司最新推出的单芯片RF收发机，专为在433 MHz ISM (工业、科研和医疗)频段工作而设计。nRF401使用具有较强抗干扰能力的FSK频率(Frequency Shift Keying)调制方式，改善了噪声环境下的系统性能，采用DSS+PLL频率合成技术，工作频率稳定可靠。与ASK幅移键控(Amplitude Shift Keying)和OOK开关键(On Off Keying)方式相比，这种方式的通信范围更广，特别是在附近有类似设备工作的场合。其主要特性如下： 工作频率为国际通用的数传频段； FSK 调制，抗干扰能力强.特别适合工业控制场合； 采用PLL频率合成技术，频率稳定性极好； 灵敏度高，达到-105 dBm(nRF401)； 功耗小。接收状态250 mA，待机状态仅为8 A； 最大发射功率达+10 dBm； 低工作电压(2.7 V)，可满足低功耗设备的要求； 具有多个频道，可方便地切换工作频率； 工作速率最高可达20 kb/s(RF401)； 仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件，基本无需调试； 因采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用无需申请许可证，开阔地的使用距离最远可达1000 m(与具体使用环境及元件参数有关)。 2) nRF401引脚介绍：CS：频道选择，CS=0 选择工作频道1，即433.92 MHz；CS=1选择工作频道2(即434.33 MHz)。Dout：数据输出，连接串口输入端RXD；Din：数据输入，连接串口输出端TXD；PWR-UP：节能控制，PWR-UP=1正常工作状态；PWR-UP=0 低功耗节能状态。TXEN：发射接收控制，TXEN=1时，nRF401为发射状态。TXEN=0时，nRF401为接收状态；ANT1和ANT2是接收时信号的输入，以及发送时功率放大器的输出。连接nRF401的天线是以差分方式连接到nRF401的，在天线端推荐的负载阻抗是400。3.2.2 具体设计说明引脚连接说明：Dout连接串口输入端RXD；Din连接串口输出端TXD；探头中的CS端接地选择工作频道一，控制器中的CS端接高电平选择工作频道二，探头部分CS端接地，控制器部分CS接VCC，以按照不同信道接受数据，探测器部分根据软件选择信道发送数据。PWR-UP ，TXEN分别接各部分控制芯片分配的I/O口以控制nRF401的工作状态。在VDD与VSS之间连接滤波电容以吸收各种频率的干扰波，电容值的倒数即所吸收干扰波的频率。3.3 无线通讯模块2的硬件设计GSM移动网络的SMS业务有通信距离远、廉价以及系统稳定可靠等优点，所以由此产生一种依靠现有的GSM网络进行远距离监测联网的新的无线通讯方法。这种方法成本低，通讯可靠，不受地区和地形的影响，所以本设计的无线通讯模块2就是选用这种方法实现。无线通讯模块2主要是负责将火灾信号传递给值班人员和上位主机。其作用一是及时通知值班人员使系统的确报率提高；二是分担无线通讯模块1的传输任务，加快火灾信号确认与传递速度，同时可避免信号混淆；再有可以结合上位机软硬件实现联网报警，联网报警部分本设计不再详述。3.3.1 具体设计说明GSM模块功能强大，体积小，价格也高。所以为了降低成本本设计采用的是使用廉价手机作为无线通讯的终端。从技术角度上说，手机内部也是通过CPU向发送各种AT指令，实现短信的收发。手机大部分在出厂时都提供了数据线，计算机也是通过串口数据线连接手机，通过AT指令操作无线modem。所以可以找到相应接口引脚连接单片机，完成单片机操作手机完成无线通讯。手机串行数据线接口不是TTL电平，所以需要进行电平转换。选用手机的数据线电路是由手机电池直接供电的型号，这样只要单片机系统的地线和手机数据线的地线连接在一起就可以了，不需要另加外部电源对其供电。3.3.2 原理框图手机数据线数据线接口GNDAT89C51RXDTXD电平转 换值班员上位机图3.3 原理框图3.4 时钟与存储模块硬件设计当有火灾或探头故障发生时，系统除了对它们进行实时的处理之外，还要将它们发生的时间保存，供操作者查阅，因此系统需要一个时钟源。PCF8563是PHILIPS公司推出性价比较高的一款工业级内含I2C总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历的芯片。所以本系统采用PCF8563给系统提供时、分、秒等时间数据。PCF8563的多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能完成各种复杂的定时服务，甚至可以为单片机提供看门狗功能。其内部时钟电路、内部振荡电路、内部低电压检测电路（1.0V）以及两线制I2C总线通讯方式，不但使外围电路极其简洁，而且也增加了芯片的可靠性。同时每次读写数据后内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。在本系统中，PCF8563的工作过程如下:每秒钟将PCF8563的时分秒读入C8051F020单片机，然后由单片机送往LCD显示。当某一时刻出现火警或事故时，需对此时的报警状态和时间进行保存，所以需要扩展存储功能。选用CATALYST的I2C系列器件CAT24WC04。CAT24WC004是一个4K位串行CMOS E2PROM。内部含有512个8位字节，CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗CAT24WC01有一个8字节页写缓冲器,该器件通过I2C总线接口进行操作有一个专门的写保护功能。3.5 探测器硬件设计探测器在系统中相当于信息传递的枢纽，接收探头的各种信号，发送给上位机，值班人员；回收火警确认信号驱动控制器进行消防联动。选用两片美国ATMEL公司生产AT89C2051作为探测器的控制部件，这样对比双串口单片机来说节省了成本，资源得到充分利用。3.5.1 探测器硬件框图AT89C2051 P3.7 /INT1 /INT1 /INT1/INT1/INT1/INT1无线通讯模块2声光报警无线通讯模块1电池检测AT89C2051/INT1P3.4图3.4 硬件框图3.5.2 设计具体说明1) 由于探测器连接了两个无线通讯模块，所以在串口扩展方面做了如下设计：单片机的串行通信口与无线通讯模块2相连接，即AT89C51的TXD和RXD引脚连接在负责电平转换的MAX232的T2IN和R2OUT引脚上。无线通讯模块1通过一片AT89C2051与AT89C51相连。AT89C2051 与AT89C51两片芯片是通过P1 口相连，以中断1 方式进行数据交流的。这样AT89C2051既能起到分担任务、隔离干扰的作用又能起到串口扩展的作用。其中内部单片机之间传输的数据不包括标识字节和校验字节。通讯协议中标识字节和校验字节的发送由AT89C2051完成。然后用AT89C2051的串行通讯口与无线通讯模1块相连。2) 探测器的电源与声光报警：四节1.5V干电池构成6V电源为声光报警电路，各芯片供电；具体方法同探测器部分。如图3.5示。图3.5 探测器的电源与声光报警3) 电池监测电路：同探头电池监测电路。4) 其他引脚分配：A：P3.2作为模式选择中断输入端；P3.7作为电池监测输入端；P3.5作为声光报警输出端；B：P3.2，P3.4，P3.5分别与通讯模块中nRF401芯片的CS,TXEN,PWR-UP两个引脚相连，控制无线收发。A、B两片芯片的P3.3与P3.7对应相连以中断方式通信，以P1口作为数据口。3.6 控制器硬件设计火灾报警系统控制器的硬件由电源模块和主控模块组成。电源模块用于对控制板上各电子元器件供电，并要保证在市电突然停止供电的一定时间内保持系统正常工作。主控模块完成各种信号的显示，键盘、LCD显示的管理和消防设备的驱动控制等功能。下面对这些电路的设计分别进行介绍。3.6.1 电源模块的设计在各种电子设备中，电源是不可缺少的组成部分，其性能的高低直接关系到电子设备的技术指标和能否安全有效的工作。电网电压波动较大，噪音污染比较严重，工控系统由电源引起的故障要占一定的比例。因此，精心设计一个可靠、高效、稳定的电源是一项重要的设计工作。1) 供电模式因为整个系统必须24小时连续工作，并要保证在市电突然停止供电的一定时间内保持系统正常工作，所以系统采用双电源供电模式，即：主供电模式和从供电模式。其中主供电模式是通过工频变压器将市电降压，然后经过整流、滤波、稳压输出所要求的直流电；从供电模式是在主电源突然停止供电的情况下，通过蓄电池直接供给系统所需的直流电，从而保持系统正常工作。两组电源之间的切换是通过一个二极管实现的。如图3.6所示。图3.6 供电模式框图2) 变压器的选择目前，中、小功率电源变压器的系列产品供应较丰富。但是，选择合适的电源变压器必须根据设备的容量和环境来确定。变压器一般次级有几个绕组，其次级功率P1为： P1=P11+P12+=U11I11+U12I12+基于变压器效率的考虑，则初级功率P0为：P0=P1/变压器的额定容量为：P=（P0+P1）/需要注意如下两个问题：变压器的效率决定于变压器的损耗。设计小型变压器，一般不必详细计算其损耗，效率与次级功率的经验数据如表3.1。表3.1 变压器经验数据表次级容量400效率60%-70%70%-80%80%-85%85%-90%90%-95%95%次级功率P1的计算。对于一般的电源变压器，负载为电阻时，次级电压、电流和负载的电压、电流相等，P1的计算比较简单，而整流变压器负载上需要的是平滑的直流，次级要接整流和滤波电路，这样变压器次级将有直流成份通过。因此，对于在不同的整流电路以及不同性质负载下，变压器次级功率和负载功率的关系如表3.2：表3.2 变压器次级功率和负载功率的关系表电路形式负载性质次级电压U1次级电流I1次级功率P1半波整流电阻性2.22U01.57I03.49P0电容性U02.2I02.2P0全波整流电阻性1.11U00.79I01.74P0电容性U01.1I02.2P0电感性2.22U00.7I01.57P0桥式整流电阻性1.11U01.11I01.23P0电容性U01.56I01.56P0电感性1.11U0I01.11P0倍压整流电容性0.5U03.1I01.56P0电源采用桥式整流、且负载呈电阻性，所以P1=1.23P0。由表2-2可知变压器次级电压U1主要取决于负载电压U0，根据对本系统各电路模块功耗进行最大量的估算，系统的电源变压器采用16V、15W的规格。3) 不同电压设计说明本系统需要多种电压，主板上存在的电压主要有：TTL/CMOS元件的工作电压为+5V和+3.3V，+12V专用蓄电池的充电电压一般为+13V左右，液晶显示器需要一个负的对比度调节电压UADJ，本系统采用T6963C为控制器的点阵图形字符显示LCD需要的UADJ为-10V。为得到系统要求的各种电压，我们采用的方法是：将变压器输出的电压经过桥式整流、平滑滤波得到了+16V直流电，但是输入输出回路中的监视电路对电压的稳定性要求较高，所以直流电还必须其经过三端可调集成稳压器LM317的稳压，从LM317输出的波纹极小的+13V左右直流然后在经过滤波后可为从电模式供电电源(+12V蓄电池)充电。而TTL/CMOS元件需要稳定的+5V电压，实现+12V电压转换到+5V电压时，采用了Maxim公司的高效DC-DC转换芯片MAX813。MAX813是一种高效、单极性、脉宽可调(PWM)、开关模式的DC-DC变压器。本系统在设计电源模块时，充分利用的它的这一特点。较好的得到了系统中各种输入、输出电路所需的+5V稳压电其中，MAX813要求输入端电压在+8V到+30V之间。在采用从电模式时，蓄电池也对MAX813进行充电，让其输出稳定的+5V电源，维持系统正常工作。在实现电压由+5V转换到-10V时，采用了一片MAX749。MAX749就是一个专门用来产生LCD负电压的电源变换器件。MAX749为倒相式PFM开关稳压，输入电压+2V至+6V，即可产生负的LCD偏置电压，输出电压可达-100V以上，可通过内部数模转换器进行调节，或通过一个PWM信号或电位器进行调节。给C8051F020单片机、TTL/COMS元件供电时，电源电压需转换到+3.3V，所以，从MAX813输出端再接一个可调稳压器LM317，改变其可调端的电阻值，让它输出端输出标准的+3.3V电压满足系统元件需要。本系统采用了LM317可调集成稳压器。由于从MAX813输出的+5V电压的纹波较大，而C8051F020需要较高的电压稳定性，LM317可以提供0.1%以上的稳定性的+3.3V电压来供给C8051F020使用。三端可调正输出集成稳压器LM317，可以组成各种恒流源。LM317属于第二代三端集成稳压器，输出电压连续可调，是串联浮式结构，其内部设置了过流保护、短路保护、调整管安全工作区保护及芯片过热保护等电路，使用安全可靠。其性能参数见表3.3。表3.3 集成稳压器性能参数见表输出电压V0（V）输出电流I0(A)输入电压V1（V）电压调整率SV(%/V)电流调整率S1(%)纹波抑制比SWAV(dB)1.25V0371.55V1400.010.180LM317内部由稳定性很高的恒流源提供电流IADJ=50uA作为基准电压源的供电电流，此电流从ADJ端（调整端）输出。它的基准电压源是一种能带间隙式基准源，在输出端和ADJ端提供稳定性很高的电压VREF=1.25V作为基准。LM317输出电压的计算公式如下: VOUT=1.25(1+R2/R1)+IADJR2。本设计中分别用LM317将5v变成3.3v稳压电源，6v变成5v稳压电源根据上述公式计算出电阻值如表3.4所示。表3.4 LM317电阻值表电压6V5V5V3.3VR1200K200KR250K330K3.6.2 MCU设计说明1) MCU选择选择单片机时考虑的主要问题有：性价比较高、容易开发。选择单片机应从两个方面考虑：其一目标系统需要资源情况；其二是选择价格低的产品。资源方面考虑的重要指标有：速度、位数、电压、功耗、存储器容量、系统扩展与驱动能力、抗干扰能力，是否嵌入ADC、DAC等。另外软件开发的简易性也是考虑的重要因素。同一类产品往往很多兼容系列，不同厂商价格有很大的区别。更重要的是要选择供货服务好、能提供良好的技术服务支持、信誉高的代理经销商。根据系统的具体要求，我们设计系统控制器时，选择了一片美国CYGNAL集成产品公司生产的C8051F020单片机作为系统的处理器，它具有如下几个重要的优点：速度快、强大的模拟信号处理功能、先进的JTAG调试功能、强大的控制功能、丰富的串行接口、多达22个中断源、可靠的安全机制、有多大64K的FLASH存储器，部分可以作为数据存储器使用，同时片内可有多达4KB的RAM存储器等。因此C8051F020是一种集成度高、功能强大的单片机芯片，非常适合于要求速度快、可靠性高、扩展功能强和节电的应用系统9。C8051F020介绍C8051F020单片机具有100个引脚，C8051F020的内部结构图如图3.7所示。其主要特点如下：CPU核C8051F020单片机采用Cygnal公司的专利CIP51微处理器内核。平均每个时钟可以执行完1条单周期指令，从而大大提高了指令运行速度。同时，C8051F020单片机扩展了中断处理，增加了中断源，可提供22个中断源，这对实时多任务系统的实现是很重要的；另外C8051F020单片机还具有内部时钟，但若需要也可接外部时钟。该芯片在程序运行时可实现内、外部时钟的切换，这在低功耗应用系统中非常实用；同时，图3.7 C8051F020的内部结构图C8051F020还在内部增加了复位源，从而大大提高了系统的可靠性。ADC和DACC8051F020单片机内部有两个多通道的ADC子系统（12位的ADC0和8位的ADC1），两个子系统由逐次逼近型ADC、多通道模拟输入输出选择器和增益放大器组成。其ADC0的最大采样速率可达100kbps，可提供12位精度。ADC1的最大采样速率达500kbps，可提供8位精度，该ADC均由CIP51通过特殊功能寄存器控制。C8051F020单片机内部具有2通道12位DAC和2个比较器，CPU一般通过特殊功能寄存器来控制数模转换器和比较器，CPU可以将任何一个DAC置于低功耗关断方式。C8051F020中的DAC为电压输出模式，它可与ADC共用参考电平。I/O口C8051F020单片机除具有标准8051的P0、P1、P2和P3四个8位I/O口外，还有更多的扩展8位I/O口，每个端口I/O引脚都可以设置为推挽或漏极开路输出，同时具有低功耗模式。通过对数字交叉开关设计，可将内部数字系统资源定向到P0、P1和P2端口，并可将定时器、串行总线、外部中断源、A/D转换输入以及比较器输出通过数字交叉开关控制寄存器定向到P0、P1、P2中的I/O口，以允许用户根据自己的特定应用选择通用I/O端口和所需数字资源的组合。存储器C8051F020中包含有数据存储器和程序存储器。具有标准8051的程序数据地址结构，它包含有4352B的RAM以及64K字节的扩展数据RAM。C8051F020单片机内部带有64k字节Flash存储器，该存储器可按128字节为一个扇区来编程，同时也可以在线编程而不需要程序代码的未用扇区可作为非易失性数据存储器使用。串行总线及JTAG编程调试C8051F020单片机除设计有标准的全双UART之外，还设有I2C/SMBus、SPI串行总线等多类型串行总线端口，且通讯功能更加强大。另外，C8051F020单片机设计有JTAG口与片内调试电路，因此可以实现非插入式在片仿真调试，与使用传统的仿真相比更优越，更能真实地在片放映仿真实时信息。2) 资源分配a) 键盘模块键盘采用3行5列键盘，P2.0P2.4是列扫描线，P1.0P1.2是行扫描线。15个键盘中有09十个数字键，还有清除键、确认键、消防键、消音键、默认键。各键说明如下：数字键：输入需要巡检的探头数；确认、清除键：对键入的数字进行操作；消防键：手动控制消防驱动；消音键：按此键可在蜂鸣报警时关闭声音输出。默认键：确认系统默认的探头数，免去输入数字的麻烦。b) LCD显示模块由于LCD液晶显示器具有功耗低、寿命长、无辐射、不易引起视疲劳等优点，所以本系统的显示模块采用了以T6963C为核心控制芯片的LCD点阵图形字符显示器LG24064. LG24064已经实现了T6963C与行、列驱动器及显示缓冲区RAM的接口，同时也已用硬件设置了数据传输方式、显示窗口长度和宽度等。该模块可显示4行汉字，每行15字，共60个字，或显示8行数字(包括字母)每行30字符，共240个字符。可以汉字与数字字母混排10。P4.1P4.4作为时序控制信号线接/WR,/RD,/CE/,CD；P3口作为数据输出口。c) 时钟存储模块P7.0、P7.1、P7.2三个口分别接PCF8563的INT，模块的数据端和时钟端。d) 无线通讯模块：P5.0、P5.1、P5.2接无线通讯模块的三个控制端，串行口接数据端。e) 电压监测P5.3、P5.4、P5.5 接监测电路，监视稳压元件LM317(桥式整流之后所接)的输出端和蓄电池的输入、输出端电平变化。监测电路如下图示：图3.8 监测电路6) 显示灯系统中共7个LED发光管，分别是：主电故障、充电故障、备电故障、主电/备电工作、探头故障、预警、火警，另有蜂鸣器两个分别为故障声和报警声。它们代表系统的不同状态。通