基于单片机的火灾智能报警系统

目 录中文摘要1英文摘要21引言31.1国内外火灾智能自动报警系统发展历史31.2研究火灾自动报警系统的意义4 1.3本设计解决的主要问题42 基于单片的火灾智能报警系统的原理及硬件组成5 2.1基于单片的火灾智能报警系统原理52.2 C8051F020单片机62.3系统所用探测器92.4电机驱动模块及光电耦合112.5步进电机14 2.6系统通信HAC-UM96172.7火灾报警模块192.8系统电源设计213 系统的软件设计24 3.1系统基本流程框图24 3.2步进电机的控制26 3.3系统的通信设置28结论30致谢32参考文献33附录1部分程序代码32附录 2硬件原理图36基于单片机的火灾智能报警控制系统的设计摘 要：伴随着现代建筑的大型化、高层化及复杂化，它的消防问题显得越来越重要。我们综合运用计算机、控制、通信、图形显示等现代技术，通过对消防设施的联动控制，使系统具备自身防灾和灭火能力，这种系统能在现代建筑中起到重要的安全保障作用。以传感器技术、计算机技术和电子通信技术等为基础的火灾自动报警和消防控制系统是现代消防自动化工程的核心内容之一。设计基于C8051F020单片机为控制核心的火灾智能报警系统，系统通过红外火焰探测器找到火焰的位置，核实火灾并且报警，根据探测器检测到的火灾信号与事先设定好的参数对比判定出火灾等级驱动步进电机，联动灭水装置，同时加大探测器的读取次数不断的采集最新火灾情况从而调整步进电机正反转来调节灭水量，由于灭火装置一般位于工厂高处，检测和维护不变，系统添加无线通信模块HAC-UM来与PC机交互信息达到手动控制的要求。关键字：火灾自动报警；C8051F020；红外火焰传感器；无线通信The design of fire smart alarm on SCMAbstract：With modern buildings of large-scale, high and complicated, its fire problem is becoming more and more important. We use computers, control, communications ,graphic display and other modern technology together. Through coordinated controlling fire control improvement.we make the system having fire prevention and the ability of flame dousing. This system can play an important role of security technology in modern architecture, In sensor technology, computer technology and electronic communications technologies such as the basis for automatic fire alarm and fire control system of modern fire-fighting automation engineering is one of the core contents system design fire smart alarm based on C8051F020 as the control core, through infrared detectors to find the fire flames of fire alarm, verify, and according to the probe into the fire detection signal and prior parameters contrast judgment gives fire level driver stepper motor, linkage, at the same time, increase water device, destroyed the probe frequency constant collect the latest reading to adjust fire FanZhuanLai stepper motors are destroyed, because water adjust extinguishing equipment factory is located in general, testing and maintenance of constant altitude, add wireless communication module with UM - HAC to PC interactive information to manual control requirements.Keywords：automatic fire alarm, C8051F020, Infrared sensor flame, Wireless communications1 引 言1.1 国内外火灾智能自动报警系统发展历史19世纪末，英国最早利用金属受热膨胀的原理制成了感温传感器件自动通报火警。20世纪初，英国火灾保险公司委员会首次发布了具有规范性质的感温火灾探测器安装技术规定。20世纪中叶，英国消防科学研究所和火灾保险公司委员会联合制定了BS3I16点型感温探测器标准。迄今为止，感温火灾探测器仍然作为自动探测火灾的传感器件，广泛应用于火灾自动报警系统中。20世纪四十年代，瑞士西伯乐斯公司发明了感烟火灾探测器。感烟火灾探测器的应用，实现了火灾的早期报警，是火灾自动报警技术发展的一大飞跃。传统的火灾自动报警系统主要是指七十年代以前的第一代多线制开关量式火灾自动报警系统。其主要特点是：简单、成本低，但存在明显的不足：一是抗干扰能力差、误报率较高。判断火灾仅仅是根据探测的某个火灾现象参数是否超过设定值（阀值）来确定是否报警，无法排除环境和其它干扰因素。灵敏度选低了，会使报警不及时或漏报，灵敏度选高了，又会形成误报。另外由于探测器内部元件失效或漂移现象等因素，也会产实火灾报警之比达20:1之多。二是功能少、性能差。例如：不具备现场编程能力；无法自动检测系统重要组件的真实状态；布线费时费工，电源功耗大；缺乏故障自诊断、自排除能力等等。八十年代随着电子技术、计算机应用及火灾自动报警技术的不断发展，各种类型的探测器不断的开发，同时在线制上有了很大的改进。总线制、模拟量传输、分布智能等技术应用于火灾自动报警装置，这就是与八十年代以前的传统系统相区别的现代火灾动报警系统1 。现代火灾自动报警系统的主要形式有：总线制可寻址开关量式火灾报警系统、模拟量传输式火灾报警系统、分布智能火灾报警系统。1.总线制可寻址开关量式火灾探测报警系统。这是在八十年代初开始形成的，以二总线制编码系统的广泛应用为标志的一种产品。其优点是：所有探测器均并联到总线上，每只探测器设置一地址编码，省钱省工；可连接带地址码模块的手动报警按钮、水流指示器和控制联动对象等的接口； 2.模拟量传输式火灾报警系统。这是八十年代后期出现的产品，在探测处理方法上做了改进。系统采用模拟量探测器，把探测器看作一个传感器，通过一个串联发讯装置将位置信号和火灾敏感现象参数(如烟雾浓度、温度)以模拟值不断送到控制器进行评估或判断，控制器用适当的算法辨别虚假或真实火灾及其发展程度，或探测器受污染的状态等。系统降低了误报，提高了可靠性，属于初级智能系统。3.分布智能火灾报警系统。探测器具有智能，相当于人的感觉器官，可对火灾信号进行分析和智能处理，做出恰当的判断，然后将这些判断信息传给控制器。控制器相当于人的大脑，既能接收探测器送来的信息，也能对探测器的运行状态进行监视和控制。由于探测部分和控制部分的双重智能处理，使系统运行能力大大提高。1.2 研究火灾自动报警系统的意义火灾是国内外普遍关注的灾难性问题。它是发生频率较高的一种灾害，在任何时间、任何地区都可能发生.随着社会经济的发展，建筑物、构筑物应用材料的多样性，加之人们生活环境和生活方式的变革，火灾的危险性日益增加，火灾次数、火灾造成的人员伤亡和经济损失逐渐增多。随着我国经济建设的发展，各种现代化楼字对火灾报警和自动灭火系统提出了更高的要求.大型宾馆、酒店、商场、图书馆、博物馆、档案馆和办公楼等，自动灭火系统己成为必不可少的保安装置。设置功能完善的消防设施，对保障人民生命财产的安全，无疑是极为重要的。现代消防系统中采用了先进的火灾探测器探测火情，自动确认火灾并发出火灾报警信号，自动启动灭火设备、指挥灭火。1.3 本设计解决的主要问题设计中提出了一种智能火灾报警系统的整体方案。从火灾的监测，火灾信号的放大，火灾信号传输到控制中心，再由控制中心来驱动灭火装置，同时产生报警信号，工作人员也可以在现场中通过PC机来手动控制系统。此外系统可以根据采集信号来实时的调整各处灭水阀门的出水量，以便达到节能效果，在环境要求高的场合中比如图书馆，文档馆可以避免二次灾难。2 火灾智能报警控制系统原理及硬件组成2.1 基于单片的火灾智能报警系统原理系统的初步原理图2.1所示，火灾发生后伴随着有火焰，光，热变化产生，这时预先放置的火灾探测器就接收到异常信号，自动启动火灾自动报警系统控制器，如果有人员观察到火灾也可以手动的开启火灾报警控制器。之后在各处显示器上就会显示出火灾发生以提醒人员，同时启动控制器联动装置一方面各种灭火装置启动，另一方面如火灾形势较大启动预先设置好的消防通信通知火警灭火。图2.1 系统原理图在系统的具体实现中是通过传感器接收到火灾信号，传送给单片机，由单片机与预先设定好的参数比较选择火灾等级,发出适当的信号通过驱动电路控制步进电机，再由步进电机驱动火灾处的灭水阀门，根据火灾调节阀门大小喷水灭火；同时可以由PC机进行远程手动控制。比对原理图系统的功能具体实现模块如图2.2所示意。图2.2 系统功能图检查元件为红外火焰探测器，能够很好的检测火灾的发生。中央控制单元为C8051F020单片机，接收火灾信号。同时输出报警信号，驱动电机信号。电机驱动单元为L298N驱动电路负责接收单片机发出的信号然后驱动四相步进电机来控制灭水阀门的动作。通信模块为HAM-UC96，它是一款远程无线通信装置，它可以使人在PC机上监测的火灾具体情况并且可以手动的做出控制。2.2 C8051F020单片机由于系统要求实时性较高，功能要求丰富，所以本系统采用先进C8051F020最为中央控制系统首先介绍下51单片机的发展历史：80C51系列单片机及其衍生产品在我国乃至全世界范围获得了非常广泛的应用。随着单片机的不断发展，市场上出现了很多高速、高性能的新型单片机，基于标准8051内核的单片机正面临着退出市场的境地。为此，一些半导体公司开始对传统8051内核进行大的构造，主要是提高速度和增加片内模拟和数字外设，以期大幅度提高单片机的整体性能。其中美国Cygnal公司推出的C8051F系列单片机把80C51系列单片机从MCU时代推向SoC时代，使得以8051为内核的单片机上了一个新的台阶。图2.3 C8051F0202实物图C8051F020 是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64 个数字I/O引脚或32个数字I/O引脚。下面列出了一些主要特性:1. 高速、流水线结构的8051 兼容的CIP-51 内核（可达25MIPS）2. 全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）3. 真正12 位或10 位、100 ksps 的8 通道ADC，带PGA和模拟多路开关4. 真正8 位500 ksps 的ADC，带PGA 和8 通道模拟多路开关5. 两个12 位DAC，具有可编程数据更新方式6. 64K 字节可在系统编程的FLASH 存储器7. 4352（4096+256）字节的片内RAM8. 可寻址64K 字节地址空间的外部数据存储器接口9. 硬件实现的SPI、SMBus/ I2C 和两个UART 串行接口10. 5个通用的16 位定时器11. 具有5 个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列12. 片内看门狗定时器、VDD 监视器和温度传感器13. 具有片内VDD 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F020是真正能独立工作的片上系统。2C8051F020单片机所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051 固件。片内JTAG 调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU 进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG 调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。C8051F020的I/O端口的配置方式：C8051F020拥有8个8位的I/O端口，大量减少了外部连线和器件扩展，有利于提高可靠性和抗干扰能力。其中低4个I/O端口除可作为一般的通用I/O端口外，还可作为其他功能模块的输入或输出引脚，它是通过交叉开关配置寄存器XBR0、XBR1、XBR2(各位名称及格式如表1所示)选择并控制的，它们控制优先权译码选择开关电路如图1所示，可将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、比较器输出及其它的数字信号配置为在端口I/O引脚出现，这样用户可以根据自己的特定需要选择所需的数字资源和通用I/O口。数字交叉开关是一个比较大的数字开关网路，这在所有80C51系列单片机上是一个空白。另外P1MDIN用于选择P1的输入方式是模拟输入还是数字输入，复位值为：B，即默认为数字输入方式。而80C51单片机的I/O引脚是固定分配的，即占用引脚多，配置又不够灵活3 。C8051F020内部功能：C8051F020内部带有数据采集所需的ADC和DAC，其中ADC有两个，一个是8路12位逐次逼近型ADC，可编程转换速率，最大为100 kS/s可通过多通道选择器配置为单端输入或差分输入。内有可编程增益放大器PGA用于将输入的信号放大，提高A/D的转换精度。可编程增益为：0.5、1、2、4、8或16，复位时默认值为1。另一个是8路8位ADC，可编程转换速率最大为500 kS/s，其可编程放大增益为0.5、1、2、4，复位时默认值为0.5。有2个12位的DAC，用于将12位的数字量转换为电压量，可产生连续变化的波形，两路信号可同步输出。C8051F020外部接口：C8051F020外设还增添了三个串行口。可同时与外界进行串行数据通信，SMBus兼容于I2C串行扩展总线；SPI串行扩展接口；两个增强型UART串口。C8051F020具有基于JTAG接口的在系统调试功能，片内的调试电路通过JTAG接口可提供高速、方便的在系统调试。2.3 系统所用探测器2.3.1探测器介绍按火灾探测器探测火灾参数的不同，可分为感温、感烟、感光、气体和复合式等几大类。1）感温火灾探测器是对警戒范围中火灾热（温度）参量，即环境气流的异常高温或升温速率做出响应的探测器。 优点为结构简单、电路少、可靠性高、误报率低，且可做成密封结构。缺点为灵敏度低、报警时间迟。 可分：定温火灾探测器、差温火灾探测器和差温&定温火灾探测器。 定温：在规定时间内，温度参量超过固定值时启动。 差温：在规定时间内，温度参量变化率超过某一数值时启动。 差温&定温：既检测温度变化又检测温度变化速率。定温火灾探测器一般适用于温度缓慢上升的场合，但受气温变化影响较大。差温火灾探测器的灵敏度、可靠性较定温探测器高，且受环境变化的影响小。2）感烟火灾探测器 是对警戒范围中火灾烟雾浓度参量做出响应的探测器，用于对火灾过程的早期和阴燃阶段的探测，是实现早期报警的主要手段。 点型：离子感烟探测器、光电感烟探测器和电容感烟探测器。 线型：红外光束型和激光光束型。3）感光式火灾探测器 是对警戒范围中火灾火焰光谱中的紫外或红外辐射参量做出响应的探测器，通常又称火焰探测器。 可分红外火焰探测器和紫外火焰探测器，均为点型探测器。 感光式火灾探测器响应速度快，对快速发生的火灾或爆炸引起的火灾能及时响应，故适用于突然起火而又无烟雾的易燃易爆场所。4）气体火灾探测器 是对火灾早期阶段由于预热和气化作用所产生的燃烧气体做出响应和对可燃气体进行泄漏检测的探测器。 可分催化型、气敏半导体型及固体电介质型和光电型。 5）复合型火灾探测器 指同时具有两种或以上探测传感功能的火灾探测器。 有复合式感温感烟探测器、红外光束感温感烟探测器、复合式感烟感光探测器和复合式感温感光探测器。6）管道抽吸式火灾探测器 是通过烟雾的反射或散射产生光敏电流来进行火灾报警的探测器。主要用在船舶上。 7）其他火灾探测器 漏电流感应型火灾探测器、静电感应型火灾探测器、微差压型火灾探测器、超声波火灾探测器和激光感烟火灾探测器等 4 。2.3.2红外火焰探测器及其放大电路本系统中采用三频红外火焰探测器。图2.4 红外火焰探测器实物图三波段红外火焰探测器（以下简称探测器）属于智能型火灾探测设备，它运用了先进的多红外传感技术（MIR），使用三只具有窄带滤波的不同波长的红外传感器，其中一只传感器工作在反映火焰信息的中心波长，另外两只传感器监视环境中的其他红外辐射，结合火焰的闪烁特征，通过高性能的微处理器和先进的数学算法模型进行运算分析，使得只有符合火焰特征的辐射频谱才会被确认为火警，而其他的干扰因素形成的假火警信号则会被排除。5本探测器能够对日光、闪电、电焊、人工光源、环境（人等）、热辐射、电磁干扰、机械振动等干扰有很好的抑制，从而实现了对火焰信号的快速响应和准确识别。探测器采用非接触式探测，灵敏度现场可调，提供无源接点、标准电流输出和总线接口与火灾报警系统相连接6 。红外火焰探测器适用于无烟液体和气体火灾、产生明火以及产生爆燃的场所。例如：航天工业、飞机库、飞机修理场、化学工业、公路隧道、弹药和爆炸品仓库、油漆工厂、石油化工企业、天然气勘探生产企业、制药企业、发电站、印刷企业、易燃材料仓库等可燃物含碳物质的其他场合。由于检测信号微弱，为了提高系统的精度，通过加入一级放大电路使信号能够适当的传说到单片机的AD接口，电路采用LM324放大器 经放大器后接入到单片机自带的ADC接口中 7 。图2.5 检测信号的放大电路2.4电机驱动模块及光电耦合2.4.1 电机驱动L298N介绍在中央控制单元中，经过输入信号的比多后判定是否为真实火灾，根据判定做出具体的判定，启动电机驱动模块根据火灾的大小来调节驱动电机的正反转来实时的灭火系统采用的电机驱动模块L298 简介： L298N 为SGS-THOMSON Microelectronics 所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片( Dual Full-Bridge Driver )，内部包含 4 信道逻辑驱动电路，是一种二相 和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动 2个二相1个四相步进电机，内含二个H-Bridge 的高电压、电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动 46V、2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接 由单片机的IO端口来提供模拟时序信号。L298N 之接脚如图2.7 所示， Pin1 和Pin15 可与电流侦测用电阻连 接来控制负载的电路； OUTl、OUT2 和OUT3、OUT4 之间分别接 2 个两相步进电机或者1个四相步进电机；input1input4 输入控制电位来控制电机的正反转；Enable 则控制电机停转。8图2.6 L298N的实物图2.7 L298N的引脚示意2.4.2 光耦隔离器件光电耦合器(以下简称光耦)是一种由发光器件和光敏器件组成的光电器件。它能实现电光电信号的转换,并且输入信号与输出信号隔离。目前绝大多数的光耦输入采用砷化镓红外发光二极管,输出采用硅光电二极管、硅光电三极管及光触发可控硅。因为峰值波长900940 nm的砷化镓红外发光二极管能与硅光电器件的响应峰值波长相吻合，可获得较高的信号传输效率。光耦合器的主要优点是单向传输信号输人端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器（SSR）、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的系统中为保证输出信号准确采用光耦隔离器件TLP521 ，光电隔离TLP521是一款具有完整基极发射极的性能优良的固定延时光电耦合器,它具有最优转换速度、高温性能等特点。该器件主要特性：电流转换率为100500；隔离电压为2 500 Vrms（min)；发射-接收电压为55 V（min）；泄漏电流为10A（max）(Ta=85)；最小转换时间为42s。TLP521 是可控制的光电藕合器件，光电耦合器广泛作用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器等电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，东芝TLP5211，2 和4 组成的砷化镓红外发光二极管耦合到光三极管。该TLP5212 提供了两个孤立的 光耦8 引脚塑料封装，而TLP5214 提供了4 个孤立的光耦中16 引脚塑料根据系统选择则采用16引脚 4通道的隔离方式DIP 封装 9 。图2.8 TLP521各型号示意如图2.8所示TLP521提供3种类型的器件供采用。根据系统采用四相步进电机则采用可以同时为四路提供光耦隔离的TLP521-4 图2.9 驱动电路经光耦隔离如图2.9所示为四相控制信号通过光耦隔离TLP521-4将驱动信号传说到L298N的示意图2.5 步进电机在系统中将步进电机接在灭水阀门上，通过检测到的火灾信号与预先设定好的相比较，判定出火灾等级，输出控制信号，使步进电机逐步控制灭水阀。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元 。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。由于脉冲信号数与步距角的线性关系，加上步进电机只有周期性的累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机特点1一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 2步进电机外表允许的最高温度。 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。 3步进电机的力矩会随转速的升高而下降。 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 4步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用 10 。本系统中采用L298驱动四相步进电机下边介绍下原理.图2.10 四相步进电机结构图开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。 当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度 11 。在本设计中采用八拍工作方式，为了加快运行速度节省时间，采用硬件实现脉冲，脉冲的器件很多这里采用8713集成电路芯片。8173有几种型号如三洋公司的PMM8713,富士通生成的MB8713,国产的5G8713等，他们的功能一样可以互换。8713是属于单极性控制，用于控制三相和四相步进步进电机，可以选择一下不同的工作方式。三相步进电机：单三拍，双三拍，六拍。四相步进电机：单四拍，双四拍，八拍。8713可以选择单时钟输入或者双时钟输入；具有正反转控制，初始化复位，工作方式和输入脉冲状态监视等功能；所有输入端内部都设有斯密特整形电路，提高抗干扰能力使用4-18V直流电源，输出电流20MA。本系统中选用单时钟输入方式，8713的3脚为步进电机脉冲输入端。4脚为转向控制端，这两个引脚均由单片机提供和控制如图2.11。图2.11 步进电机的脉冲信号2.6系统通信HAC-UM96 由于灭火装置一般位于工厂房顶等比较高处的位置，不能够方便的接触到，为此在本系统添加无线通信模块连接中央控制系统与PC机，这样 便可以在PC机上直接观察到系统各部分运行的情况同时也可以手动的操作系统。系统采用的HAC-UM96微功率无线数传模块特点1.微功率发射，最大发射功率10mW。2.ISM频段，无需申请频点。载频频率433MHz（可提供载频868/915MHz型号为UN）。3.高抗干扰能力和低误码率。基于GFSK的调制方式，采用高效前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力，在信道误码率为10-2时，可得到实际误码率10-510-6。4.传输距离远。视距情况下，天线放置位置2米,可靠传输距离可达1000m(BER=10-3/1200bps)，可靠传输距离大于700m(BER=10-3/4800bps)，可靠传输距离大于500m(BER=10-3/9600bps)。5.透明的数据传输。提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议。自动过滤掉空中产生的假数据(所收即所发)。6.多信道。HAC-UM标准配置提供8个信道，如果用户需要，可扩展到16/32信道。满足用户多种通信组合方式。7.双串口，3种接口方式。HAC-UM提供2个串口3种接口方式，COM1为TTL电平UART接口。COM2由用户自定义为软件模拟的RS-232/RS-485口(用户只需要拔插1位短路器再上电即可定义)。注意：UM384即传输速率38400bps，不提供软件模拟的RS232和RS485接口。8.大的数据缓冲区。接口波特率为1200/2400/4800/9600/19200/38400bps，格式为8N1/8E1用户自定义，可传输无限长的数据帧，用户编程更灵活。9.智能数据控制，用户无需编制多余的程序。即使是半双工通信，用户也无需编制多余的程序，只要从接口收/发数据即可，其它如空中收/发转换，控制等操作，HAC-UM自动完成。10.低功耗及休眠功能。+5V供电情况下，接收电流32mA，发射电流42mA，休眠电流5A。+3.3V供电情况下，接收电流26mA，发射电流36mA，休眠电流5A。11.高可靠性，体积小、重量轻。采用单片射频集成电路及单片MCU，外围电路少，可靠性高，故障率低。HAC-UM使用直流电源，电压+3.35.0V，根据用户的需要。可以与其它设备共用电源，但请选择纹波系数较好的电源，如果有条件话，可采用5V稳压片单独供电。建议最好不要使用开关电源，如果必须使用开关电源，请注意开关脉冲对无线模块的干扰。另外，系统设备中若有其他设备，则需可靠接地。若没有条件可靠接入大地，则可自成一地，但必须与市电完全隔离 12 。如图2.12 为该设备的接法说明.图2.12 HAC-UM与设备的连接方法图2.13 HAC-UM实际与系统连接如图2.13在系统中将HAC-UM96的RXD与单片机写端口连接既P0.0 将TXD与单片机的读端口连接既P0.1。将HAC-UM96按照上图接好后就可以进行无线通信了，在PC机上就可以实现对单片机的访问和控制，通信方法如图2.14: 图2.14 PC机与单片机之间通信2.7火灾报警模块系统检查到火灾之后作出一方面作出灭火动作，另一方面发出警报来通知工作人员。系统从P2.1脚输出信号连接到报警电路，进而扬声器发出报警声音。本系统中采用LM386音频放电器做为放大电路：LM386是专为低损耗电源所设计的功率放大器集成电路。它的内建增益为20，透过pin 1 和pin8脚位间电容的搭配，LM386可使用电池为供应电源，输入电压范围可由4V12V，无作动时仅消耗4mA电流.图2.15 LM386内部原理图图 2.16 LM386引脚图2.17 系统中LM386的连接方式如图2.17中，在实际应用将LM386接入电路中 1 8脚悬空即可。2.8系统电源电源是各种电子设备必不可少的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。控制系统由电源引入的干扰约占32%，成为工业控制系统的主要干扰源。我国市电电压波动较大，噪声污染较严重，工控系统由电源引起的故障要占更大比例，所以精心设计电源是一项重要工作。电源器件介绍集成稳压器是一种将功率调整管、取样电路、基准稳压、误差放大、启动和保护电路等全部集成在一个芯片上的集成电路。开关电源是相对线性电源说的。由于变压器的磁芯大小与它的工作频率的平方成反比，这样就可以大大减小变压器，使电源减轻重量和体积。而且由于它直接控制直流，使这种电源的效率比线性电源高很多，并且通过用电子线路组成开关式(方波)震荡电路来达到对电能的转换.这种方式有好多优点，一是稳压范围宽，在一定范围内输出电压与输入电压变化无关，电脑电源可以在80V一240V都可以正常工作，是其它方式电源无法比拟的。二是效率高，由于采用开关震荡工作方式，热损耗特别少，发热低。三是结构简单，相对于其它相同功率的电源，开关电源的体积与重量要少得多。因此，在众多的电子设备中，开关式电源已经是相当普遍 14 。系统电源设计方案火灾报警控制器的电源有电机、扬声器工作所需要的24V电源，各种芯片所需要的5V和3.3V工作电压。系统采用开关电源将220V变换成24V 再通过LM317将24V转换为5V 和3.3V。LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块.，它的转换电路如图2.18图2.18 LM317转换电压电路稳压电源的输出电压可用下式计算 Vo1.25（1R2/R1） （2-1）条件一：经计算可知R1的最大取值为R10.83K。又因为R2/R1的最大值为28.6。所以R2的最大取值为R223.74K。在使用317稳压块的输出电压计算公式计算其输出电压时，必须保证R10.83K，R223.74K两个不等式同时成立，才能保证317稳压块在空载时能够稳定地工作。要解决317稳压块最小稳定工作电流的问题，可以通过设定R1和R2阻值的大小，而使317稳压块空载时输出的电流大于或等于其最小稳定工作电流，从而保证317稳压块在条件二：空载时能够稳定地工作。此时，只要保证Vo（R1R2）1.5mA，就可以保证317稳压块在空载时能够稳定地工作。上式中的1.5mA为317稳压块的最小稳定工作电流。在选择R1 R2的时候需要符合公式2-1 同时满足条件一和条件二24V转换为5V时候，根据条件二R1+R2小等于3.4K, 根据公式2-1 R2/R1=3 取R1=0.5 K R2=1.5 K. 满足条件一, 合适. 只需在电路图中调整R1和 R2即可，硬件中实际接法如图 2.19。图 2.19 24V转换为5V24V转换为3.3V时候,根据条件二, R1+R2小等于2.2 K.根据公式2-1 R2/R1=2.64, R1=0.5 K,R2=1.3 K .满足条件一, 合适. 只需在电路图中调整R1和R2即可,如图2.20为硬件实际接法.图2.20 24V转换为3.3V3 系统的软件设计3.1 系统基本流程框图如下图为火灾自动监测报警整体流程如图3.1.图3.1 灭火的整体流程将系统进行设定参数之后，就可以让系统进行初始化了，之后系统进入了监测状态，分布在各处的红外火焰进行监测，单片机每隔30秒读入一次，有火灾发生时候数据异常，与设定好的数据比对后就可以进行灭火了，同时也会启动扬声装置，与单片机相连的无线通信也会发送数据到PC机上，使工作人员也能接收到信息。在火灾发生时候单片机会根据火灾大小自动调节水阀大小，一方面节能另一方面在某些场合比如图书馆，档案库可以避免二次污染的发生。图3.2 详细的灭火流程 如图3.2中为火灾的详细流程图。当有现成工作人员发现火灾并采用人工灭火时候 ，暂时停止检测信号的输入，采取由人工直接设置输出参数，具体流程如图3.3所示。图3.3 人工操作流程3.2 步进电机的控制步进电机的运行控制涉及到位置控制和加、减速控制。步进电机的位置控制，指的是控制步进电机执行机构从一个位置精确地运行到另一个位置。步进电机的位置控制是步进电机的一大特点，它可以不用借助位置传感器而只需要的开环控制就能达到足够的位置精度。步进电机的位置控制需要两个参数。 第一个是绝对位置，即步进电机控制的执行机构当前的位置参数，绝对位置是有极限的，其极限是执行机构运动的范围，超越了这个极限就应报警。第二个是从当前位置移动到目标位置的距离，我们可以用折算的方式将这个距离折算成步进电机的步数。位置流程如图3.4。图3.4 步进电机位置控制3.3 系统通信设置通过PC机可直接控制中央控制系统。可串口通信模块主要实现三个功能：1观察运行状态；2可以通过PC机来改变统的参数来改变系统的运行状态；3实现人工模拟检测电机功能.单片机机利用片机串口就可以实现。串口初始为接收状态，当接收到PC的命令字后，取各不同的值来实现三个不同的功能。PC机与单片机构成一个多机通信系统，通信方式采用主从式结构：上为主动，单片机为从动；单片机不主动发送命令或数据，一切都由PC机来。PC机发送的信息分两种：一种是地址，当串行数据第9位为1时，表示位机需要通信的单片机地址：另一种是数据，当串行数据第9位为0时，表PC机发送给单片机的数据。单片机C805lF必须工作在方式2或3下，且所有单片机的串行口控制寄存器SCON的SMZ必须为1。这样，每个单片机RI=0时都能接收到PC机发送的地址，而进入各自的中断服务子程序，把接收的地址与本机地址进行对比。若相同则表示PC机欲与本机通信而使SMZ=0接收随后PC机发送来的数据或命令；若不相同则退出中断服务子程序，等待一次通信.通信协议如下：PC机和单片机之间采用半双工异步串行通信方式，数据传输速率为9600bPs，PC机采用查询方式发送或接收控制字符和数据，单片机采用中断方式响应上位的查询。发送或接收控制字符和数据的每个字节包括n位：1个起始位，8个据位，1个可编程位(作为地址数据标志位)，1个停止位。每次PC机向单片机发送数据时，首先发送地址信号“0n”(n为下位机地址码，寻址的单片机收到地址信号后回送应答信号(即回送本机地址码)到PC，PC收到应答信号并判断是目标单片机后才发出命令字：ooH一PC机发送，单片机接收OFFH一PC接收，单片机发送；以确保上位机发送或接收数据。PC机接收到单片机回送的数据处理完毕信号(OFEH)，则本次通信完毕。如此次循环查询所有的单片机,串口主程序流程如图3.5.图3.5 串口主程序流程结 论火灾自动报警系统应用技术的还有很大的发展趋势具体有这几个方面：1、网络化：火灾自动报警系统网络化是用计算机技术将控制器之间、探测器之间、系统内部、各个系统之间以及城市“119”报警中心等通过一定的网络协议进行相互连接，实现远程数据的调用，对火灾自动报警系统实行网络监控管理，使各个独立的系统组成一个大的网络，实现网络内部各系统之间的资源和信息共享，使城市“119”报警中心的人员能及时、准确掌握各单位的有关信息，对各系统进行宏观管理，对各系统出现的问题能及时发现并及时责成有关单位进行处理，从而弥补现在部分火灾自动报警系统擅自研究火灾自动报替控制器的意义停用，值班管理人员责任心不强、业务素质低、对出现的问题处置不及时、不果断等方面的不足。2、智能化：火灾自动报警系统智能化是使探测系统能模仿人的思维，主动采集环境温度、湿度、灰尘、光波等数据模拟量并充分采用模糊逻辑和人工神经网络技术等进行计算处理，对各项环境数据进行对比判断，从而准确地预报和探测火灾，避免误报和漏报现象。发生火灾时，能依据探测到的各种信息对火场的范围、火势的大小、烟的浓度以及火的蔓延方向等给出详细的描述，甚至可配合电子地图进行形象显示、对出动力量和扑救方法等给出合理化建议，以实现各方面快速准确反应联动，最大限度地降低人员伤亡和财产损失，而且火灾中探测到的各种数据可作为准确判定起火原因、调查火灾事故责任的科学依据。此外，规模庞大的建筑使用全智能型火灾自动报警系统，即探测器和控制器均为智能型，分别承担不同的职能，可提高系统巡检速度、稳定性和可靠性。3、社区化：目前我国火灾自动报警系统只被安装在重要建筑上，而在美国、日本等发达国家，包括许多居民家庭都安装了火灾自动报警系统。随着我国经济的不断发展、人们安全意识的增强、火灾自动报警系统的进一步完善以及智能化程度的提高，在社区家庭特别是高级住宅积极推广应用防盗、防火联动报警装置或独立式感烟探测器，对于预防居民家庭火灾是非常必要和行之有效的措施。4、无线化：与有线火灾自动报警系统相比，无线火灾自动报警系统具有施工简单、安装容易、组网方便、调试省时省力等特点，而且对建筑结构损坏小，便于与原有系统集成且容易扩展，系统设计简单且可完全寻址，便于网络化设计，可广泛应用于医院、文物古建筑、机场、综合建筑和不便联网、建筑物分散、规模较大、干扰较小的建筑。对正在施工或正在进行重新装修的场所，在未安装有线火灾自动报警系统前，这种临时系统可以充分保障建筑物的防火安全，一旦施工结束，无线系统可以很容易转移到别的场所。5、高灵敏性：以早期火灾智能预警系统为代表。该系统除采用先进的激光探测技术和独特的主动式空气采样技术以外，还采用了