智能火灾报警系统设计

第一章绪论1.1背景近年来全国火灾事故频繁发生，造成人、财、物的巨大损失。用户对火灾报警以至自动消防系统的要求越来越高。针对多起火灾事故的分析，排除水压缺乏等因素外，现有的消防隔断未能起到应有的作用，是造成重大损失的关键。本文基于上述考虑，通过研发全自动智能防火卷闸门电气控制系统，满足了防火卷闸门的各种动作状态要求，也满足了用户的不同使用环境的需要。其主要功能是在火灾发生时，控制防火卷闸门可靠、准确地运行，实现防火卷闸门的一步降或二步降，到达分区防火，控制火势蔓延，减少火灾损失的目的防火卷闸门控制方式主要分为手动调整自动与联动等各种控制方式同时预留和上位机的通讯接口，为自动消防系统作好前期准备。同时，通过温度传感器和烟雾传感器检测出信号，通过控制电路使自动拨号〔119〕，并报告现场地址。这对有效、快速扑救具有积极意义。本系统适用于各种消防环境，尤其适合于不能用水做灭火介质的地方，如图书馆、档案馆、计算机房等处。因单片机集成度高，故该装置具有结构简单，可靠性高，本钱低等优点。1.2智能火灾报警系统火灾自动报警系统属于楼宇自动化范畴，是当前楼宇自动化的一个主要构成系统。其设置目的是为了防止和减少火灾危害，保护人身和财产平安。火灾报警技术是预防火灾的一项根底工作，应用范围广泛。报警早，损失少，不仅对发生火灾的单位和个人具有重要作用，而且对公安消防监督机构及时扑灭火灾、减少人员伤亡和财产损失同样具有十分重要的现实意义。火灾自动报警系统由触发器件、火灾报警装置、火灾警报装置及具有其他辅助功能的装置组成。随着电子技术和计算机技术的迅速开展，火灾自动报警系统的结构、形式越来越灵活多样，很难精确划分为几种固定的模式。火灾自动报警技术趋向于智能化系统，这种系统可组合成任何形式的火灾自动报警网络形式，既可以是区域报警系统，又可以是集中报警系统或控制中心报警系统形式。所谓智能火灾自动报警系统，应当是：使用探测器件将火灾发生期间所产生的烟、温、光等信号以模拟量形式，连同外界相关的环境参数一起传送给报警器，报警器再根据获取的数据及内部存储的大量数据，利用火灾模型判据来判断火灾是否存在，这样的系统称为智能火灾自动报警系统。由于该系统为解决火灾报警系统存在的两个难题〔误报、漏报〕提供了新的方法和手段，并在处理火灾真伪方面表现出明显的有效性和创新性，这是火灾自动报警系统在技术上的飞跃。从传统型走向智能型，是国内外火灾自动报警系统技术开展的必然趋势。智能火灾自动报警控制系统具有如下特点：〔1〕为全面有效地反映被监视环境的各种细微变化，智能系统采用了设有专用芯片的模拟量探测器，对湿度和灰尘等影响实施自动补偿，对电干扰及线路分布参数的影响进行自动处理，从而为实现各种智能特性、解决无灾误报和准确报警奠定了技术根底；〔2〕系统采用主从式网络结构，解决了对不同工程的适应性，又提高了运行的可靠性；〔3〕利用全总线计算机通信技术，既完成了总线报警，又实现了总线联动控制，彻底防止了控制输出与执行机构之间的长距离穿线布管，大大方便了系统布线设计和现场施工；〔4〕系统采用大容量的控制矩阵和交叉查寻软件包，以软件编程代替了硬件组合，提高了消防联动的灵活性和可修改性；〔5〕具有丰富的自诊断功能，为系统维护及正常运行提供了有利条件。1.3火灾探测器1.3.1火灾探测器简介火灾探测器是火灾探测系统最重要的组成局部之一，它至少含有一个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、化学现象的传感器，并且至少能向控制和指示设备提供一个适合的信号。其根本功能就是对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、化学参量做出有效响应，并转化为计算机可接收的电信号，供计算机分析处理。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，其中敏感元件U传感器可以对一个或几个火灾参量起监视作用，做出有效响应，然后经过电子或机械方式进行处理，并转化为电信号。〔1〕衡量火灾探测器产品质量的主要技术指标灵敏度，既响应火灾参量的敏感程度、可靠性、稳定性和抗干扰能力。国家技术监督局公布了国家标准：如GB4715-93《点型感烟火灾探测器技术要求及试验方法》，GB4716-93《点型感温火灾探测器技术要求及试验方法》等，国际标准如ISO7240-1《火灾探测和报警系统》等。〔2〕火灾探测器的分类根据监测的火灾特性不同，火灾探测器可分为感烟、感温、感光、复合和可燃气体等五种类型。感烟探测器可分为离子型、光电型、激光型和红外线束型四种。感温探测器根据其感热效果和结构型式可分为定温式、差温式及差定温式三种。目前，大多数消防系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。〔3〕火灾探测器的工作原理下面就几种常用探测器的工作原理做简要介绍：感烟探测器：该种探测器主要响应燃烧或热解产生的固体、液体微粒即烟雾粒子，主要用来探测可见或不可见的燃烧产物及起火速度缓慢的初期火灾。离子型主要是利用烟雾粒子改变电离室电流原理而设计的，探测器内部装有!放射源的电离室为传感器件；光电型主要是应用烟雾粒子对光线产生散射及折射、吸收或遮挡的原理而设计，有减光型和散射型，探测器内部有光学系统和红外线光源作探测器件；红外光束型应用烟雾粒子吸收或散射红外光束的原理而设计，主要包括一个光源，一套光线照准装置和一个接收装置。感温探测器：该种探测器主要是利用热敏元件来探测火灾。在火灾初始阶段，除有大量烟雾产生外，物质在燃烧过程中会释放出大量的热量，周围环境温度急剧上升。该种类探测器中热敏元件的阻值随温差发生变化，从而将温度信号转变成电信号，并进行报警处理。1.3.2火灾探测器开展特点随着应用领域的不断扩大，应用需求不断提高，普通类型的感温、感烟火灾探测报警系统已不能满足需要，运用高新技术的新型探测器在不断研发，其特点是：〔1〕功能更新现代火灾探测器的最大特征之一就是判别功能和判定决定权不仅从观念上别离，而且在实际应用中已经分别执行。早期的判别功能和判定决定权合二为一，由设置在探测器中的传感器件实现，因而处理问题死板且易受干扰。而现代火灾探测传感器的判别功能和判定决定权由软件控制，能滤除干扰，识别真假火灾，实现火灾智能判断。〔2〕可靠性提高火灾探测报警系统可靠性的提高首先表达在用智能技术处理传感器提供的火灾信息。人们采用多种火灾探测算法和复合多传感等传感方式，为判断火灾提供了更加充分可靠的信息。模糊逻辑、神经网络等高新技术用于火灾的判别，大大提高火灾探测的可靠性。〔3〕报警时间提前新型火灾探测器已不局限于对已发生的火灾及时报警，可以在火灾发生之前的几小时或几天内，识别潜在的火灾危险性，实现超早期火灾报警。1.3.3火灾探测器新技术〔1〕高灵敏度探测技术应用目前已研究开发出激光式高灵敏度感烟火灾探测器、吸气式高灵敏度火灾探测报警系统和气体火灾探测报警系统等超早期火灾探测报警产品。这些系统采用激光粒子计数原理、激光散射原理监视被保护空间，以单位体积内粒子增加的多少来判断是否可能发生火灾。与普通感烟火灾探测报警系统相比，这种系统的探测灵敏度提高了两个数量级甚至更多。但目前，这种技术还仅限于对烟粒子的探测，在应用中不同程度地受到了应用场所环境的限制。〔2〕气体浓度探测技术应用利用气体和气体成分对火灾早期阶段生成物或构成火灾的要素进行探测的火灾探测技术，也能够实现超早期火灾探测。易燃易爆场所一旦爆炸起火，火势蔓延速度极快，难以控制，人们为此专门开发研制了在火灾爆炸事故之前，从可燃气体浓度方面进行故障和火灾爆炸危险性等方面预测的线型可燃气体探测报警系统。它采用光学原理，利用不同气体光谱特性的差异进行气体浓度探测，从根本上解决了点型可燃气体传感元件稳定性差、寿命短等缺陷，用于大面积可燃气体探测报警时，性能价格比拟高，其原理还可扩展用于其他场所气体泄漏的监测。〔3〕多信息技术应用早期的火灾探测器对于火灾信息的反响是输出信息“0”或“1”即开关量，其他信息仅围绕反映开关是否正常、能否动作等。而现代火灾探测器是对火灾过程进行监测，有些探测器实质上只起传感器的作用。因此，其火灾信息量明显增加。另一方面，各种单一传感器提供的火灾信息均混杂非火灾信息，给从传感器提供的火灾信息上判别火灾增加了难度，人们于是开始研究基于新型探测原理的传感器件〔如气体传感器等〕和复合探测器，对火灾过程的多参数进行监测，配以智能判别技术，以到达减少误报，提高可靠性的目的。细微特征的辨识也是从提供信息角度识别火灾的一种方法。采用单片机的智能火灾探测器，可以打破采样受控制器控制的被动局面，主动获取对于识别真假火灾参数非常重要的细微信息。第二章总体设计及方案论证火灾智能监测及防火卷帘门自动控制系统是有传感器，信号变换，单片机及相应的信号显示、输出局部组成。通过温度和烟雾传感器采集信号，经过单片机与其设定值进行比拟后，根据差值和内部的软件设计来对温度上下和烟雾浓度进行检测及控制，及时准确的报警和灭火，实现物资损失降低到最小。2.1系统设计思想系统硬件及信号由AT89C51单片机内部有非易失性Flash存储器分别包含128字节RAM、32条I/O口线、3个16位定时/计数器、6输入4优先级嵌套中断结构、1个串行I/O口〔可用于多机通信、I/O扩展或全双工UART〕以及片内振荡器和时钟电路。使用AT89C51芯片，能够满足需要，还可以使外围器件尽可能少，另外价格也廉价，所以选用它。防火门及相应的控制、动力机构安装完毕后，首先要确定时间。通过传送信号给单片机，通知单片机要开始设置时间。有3个时间要设置：防火门的全程上升时间和全程下降时间及从顶下降到中位所需的时间。所确定的时间被存在EEPROM中。上述3个时间存入EEPROM后，就可以随意按动“上”、“下”、“停”3个按钮中的任何一个，使防火门运行或停止。通常使防火门停在最高处，当火灾发生时，防火门向下运行，切断火势曼延的通路。发生火灾时，防火门的工作模式有如下几种，我们可以预先做以下设置。1〕烟雾二步降。发生火灾，一般都是烟先窜到防火门，火后一步到。防火门的传感器感知到烟信号后，防火门立即开始下降，并发出声光报警信号。防火门下降到中位〔通常门已关闭一半，下面一半开着，让人逃生〕停止下降，延时一段时间，以便让里面的人逃生，而后继续下降〔称作第二步下降〕，直到防火门完全关闭为止。在第二步下降过程中，只要有人按动“上”、“下”、“停”3个按钮中的任何一个，门就会自动上升到中位，以便人逃离火场。2〕烟温二步降。火灾发生，烟雾先到达，这时防火门附近的温度还处在正常范围。防火门感知此烟，立即下降到中位，并在中位停下来，以便人员逃生。在防火门附近的温度上升到一定的高度以前，防火门将一直停在中位。当防火门的感应系统感知到防火门附近的温度到达比拟高的程度后，防火门开始第二步下降，从中位下降到把整个门关闭。因为只有温度到达一定的高度，才说明火将曼延过来，须迅速彻底关闭防火门。防火门在第二步下降的过程中，假设有人按动“上”、“下”、“停”3个按钮中任何一钮，门都将上升到中位。到达中位后，将立刻开始下降，但只要有人再次按任何一钮，门仍将上升到中位。不管是烟雾二步降还是烟温二步降，当门彻底关闭后，只要有人按上述3个钮任一钮，门就上升到中位，以让人逃离火场。3〕高温处理。不管初始设置的是烟雾二步降还是烟温二步降，只要高温先到达或是与烟雾信号同时到达，防火门都将从顶不停地一直下降到底。还有一种情形也会导致“高温处理”：假设火灾发生时没有高温，当防火门从顶下降到中位前或下降到中位后在中位停留的时间内，检测到有高温信号，防火门系统将自动转入高温处理，立即开始第二步下降。火扑灭后，防火门系统检测到既无烟又无高温，那么确认火已灭，便自动关闭报警信号，防火门自动上升到正常位置。2.2方案论证2.3.1单片机的选择单片机是本方案的灵魂，所以我们选择是需要慎之又慎，下面我们来拿8031和AT89C51做一下比拟。8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。用户假设想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。由于上述类型的单片机应用的早，影响很大，已成为事实上的工业标准。后来很多芯片厂商以各种方式与Intel公司合作，也推出了同类型的单片机，如同一种单片机的多个版本一样，虽都在不断的改变制造工艺，但内核却一样，也就是说这类单片机指令系统完全兼容，绝大多数管脚也兼容；在使用上根本可以直接互换。我们统称这些与8051内核相同的单片机为"51系列单片机"。在众多的51系列单片机中，要算ATMEL公司的AT89C51更实用，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为ATMELAT89Cx做的编程器均带有这些功能。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。而且AT89C51目前的售价比8031还低，市场供给也很充足。单对AT89C51来说，在实际电路中可以直接互换8051和8751，替换8031只是第31脚有区别，8031因内部没有ROM，31脚需接地〔GND〕，单片机在启动后就到外面程序存储器读取指令；而8051/8751/89c51因内部有程序存储器，31脚接高电平〔Vcc〕，单片机启动后直接在内部读取指令。也就是51芯片的31脚控制着单片机程序从内部读取还是从外部读取，31脚接电源，程序从内部读取，31脚接地，程序从外部读取，其他无须改动。另外，AT89C51替换8031后因不用外存储器，不必安装原电路的外存储器和373芯片。由于内部RAM的存在，可以减少I/O扩展芯片、锁存器及片外RAM等等，使整个设计显得简单明了，所以我们选择AT89C51。2.3.2模数转换器的选择A/D转换器的种类很多，就位数来分，有8位、10位、12位、16位等。位数越高，其分辨率也越高，但价格也越贵。而就其结构而言，有单一的A/D转换器，有内含多路开关的A/D转换器。根据本设计的需要，我选择的A/D转换器是ADC0809。ADC0809是美国AnalogDevice公司生产的8位逐次逼近式模数转换器，转换速率高，自带三态输出缓冲电路，可直接与各种典型的8位或16位的微处理器相连而无需附加逻辑接口电路，且能与CMOS及TTL兼容。是目前我国应用最为广泛，价格始终的A/D转换器。加之内部含有三态输入缓冲电路，可直接与各种微处理器连接，且无须附加逻辑接口电路，内部设置的高精参考电压源和时钟电路，使它不需要任何外部电路和时钟信号，就能完成A/D转换功能，应用非常方便。第三章单片机AT89C51原理AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机。片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器〔PEROM〕和128bytes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MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器〔CPU〕和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。3.1引脚说明3.1.1主要性能参数：·与MCS-51产品指令系统完全兼容·4K字节可重擦写Flash闪速存储器·1000次擦写中期·全静态操作：0Hz——24MHz·三级加密程序存储器·128*8字节内部RAM·32个可编程I/O口线·2个16位定时/计数器·6个中断源·可编程串行UART通道·低功耗空闲和掉电式3.1.2功能特性概述：AT89C51提供以下标准功能：4K字节Flash闪存存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容。但振荡器停止工作并禁止其它所有工作直到下一个硬件复位。引脚功能说明·：电源电压·GND：地·P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对断口写“1”可作为高阻抗输入端用。·P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动〔吸收或输出电流〕4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号来低时会输出一个电流〔I〕。·P2口：P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动〔吸收或输出电流〕4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号来低电平时会输出一个电流〔I〕。·P3口：P3是一组带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口的输出缓冲级可驱动〔吸收或输出电流〕4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作输入口使用时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流〔I〕。P3口除了作为一般的I/O口外，更重要的用途是他的第二功能P3口还接受一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。·RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。·ALE/PROG非：当访问外部程序存储器时，ALE输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。·PSEN非：程序储存允许〔PSEN非〕输出是外部程序存储器的读选信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令〔或数据〕时，每个机器周期两次PSEN非有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN非信号不出现。·EA/Vpp：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器〔地址为0000H——FFFFH〕，EA端必须得保持低电平〔接地〕。需注意的是：如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存EA端状态。·XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。·XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3.2工作特性3.2.1时钟振荡器AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反响元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。3.2.2空闲节电模式AT89C51有两种可用软件编程的省电模式，它们是空闲模式和掉电模式。这两种方式是控制专用存放器PCON〔即电源中指存放器〕中的PD〔PCON.1〕和IDL〔PCON.0〕位来实现的。PD是掉电模式，当PD=1时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态。IDL是空闲等待方式，当IDL=1时，激活空闲工作模式，单片机进入睡眠状态。如需同时进入两种工作模式，即PD和IDL同时为1，那么先激活掉电模式。在空闲工作模式状态，CPU保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，片内RAM和所有特殊功能存放器的内容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。3.2.3掉电模式在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能存放器的内容在终止掉电模式前被冻结。推出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能存放器但不包括RAM中的内容，在恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间一是振荡器重启动并稳定工作。3.2.4编程方式编程前，须按表3-4和图3-4及图3-5所示设置好地址，数据及控制信号，编程单元的地址加在P1口和P2口的P2.0-P2.3<11位地址范围为0000H-0FFFH>，数据P0口输入，引脚P2.6,P2.7和P3.6,P3.7的电平设置见表3-4，PSEN为低电平，RST保持高电平，EA/引脚是编程电源的输入端，按要求加上编程电源，ALE/PROG引脚输入编程脉冲〔负脉冲〕。编程时，可采用4—20MHz的时钟震荡器，AT89C51编程方法如下：在地址线上加上要编程单元的地址信号。在数据线上加上要写入的数据字节。激活相应的控制信号。在高电压编程方式时，将EA/端加上+12V编程电压。每对Flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个ALE/PROG编程脉冲。改变编程单元的地址和写入的数据，重复1—5步骤，直到全部文件编程结束。3.2.5数据查询AT89C51单片机用数据查询方式来检测一个写周期是否结束，在一个写周期中，如需读取最后写入的那个字节，那么读出的数据的最高位〔P0.7〕是原来写入字节最高位的反码。写周期完成后，有效的数据就会出现在所有输出端上，此时，可进入下一个字节写周期，写周期开始后，可在任意时刻进行数据查询。3.2.6Ready/Busy字节编程的进度可通过“RDY/BSY”输出信号监测，编程期间，ALE变成高电平“H”后P3.4(RDY/BSY)端电平被拉低，表示正在编程状态〔忙状态〕。编程结束后，P3.4变为高电平准备就绪状态。3.2.7芯片擦除利用控制信号的正确组合并保持ALE/PROG引脚10Ms的低电平脉冲宽度即将PEROM阵列〔4K字节〕和三个加密位整片擦除，代码阵列在片擦除操作中将任何非空单元写入“1”，这步骤需要在编程之前进行。3.2.8读片内签名字节AT89C51单片机内有三个签名字节，地址为030H，031H和032H。用于声明该器件的厂商，型号和编程电压。读签名字节的过程和单元030H，031H及032H的正常效验相仿，只需将P3.6和P3.7保持低电平，返回值意义如下：〔030H〕1EH声明产品由ATMEL公司制造；〔031H〕51H声明为AT89C51单片机；〔032H〕FFH声明12V编程电压；〔032H〕05H声明为5V编程电压。第四章前向通道的设计4．1温度传感器火灾总伴随着火焰、烟雾和温度，随着燃烧，室内温度将上升。将烟雾传感器作为第一感受器，温度传感器作为智能计算的补充传感器。当报警环境出现烟雾后，温度传感器根据设定温度值确定是否报警。为防止漏报，另一组温度传感器设定了温度的报警极限，当温度超过这个极限立刻报警。温度传感器利用半导体PN结的负温度系数工作，它有三路输出，其中两路测量温度梯度，一路测量极限温度。防火系统采用了复合形式的智能型火灾传感电路，代替了过去的单一形式的传感器，如火焰传感器、温度传感器、烟雾传感器等，这样就不会出现误报情况。此传感器具有不受使用场所无交流电源的限制，静态功耗低、安装比拟隐蔽、灵敏度高等特点。4.2烟雾传感器4.2.1工作原理离子烟雾传感器单电离室的工作原理，如图4-2所示。图4-2电离室工作原理图图4-2〔a〕是单电离室的结构图，P1和P2是一对电极，在电极之间放有放射性物质241Am，不断放出α射线，高速运动的α离子撞击极板间的空气分子，将其电离为正离子和负离子，从而使电极之间原来不导电的空气具有了导电性。如果在极板P1和P2之间加上一个电压E，极板间原来杂乱无章的正负离子，在电场的作用下作有规那么的运动，从而在极板间形成电离电流，施加的电压越高，那么电离电流越大，当电离电流增加到一定值时，将不再增加，此电流称为饱和电流，如图4-2〔b〕所示。4．3运算放大器AD595AD595具有热电偶信号放大和冰点补偿双重功能,AD595适用于Ｋ型热电偶,是14脚DIP封装。AD595有二个等级(Ｃ级和Ａ级),±3℃的校准准确度。具有以下特性:·低阻抗电压输出:10ｍＶ/℃·片内冰点补偿·电源电压范围:+5V～±15V·低功耗:＜1MW·热电偶断线报警功能·高阻抗差动输入·可用作摄氏温度传感器·差动输入可抑制热电偶引线上的共模噪声电压·补偿、零点、标度系数都预先用激光校准·可用于Ｔ型热电偶由于热电偶的输出电势与温度成非线性关系,以下转换函数将决定芯片的实际输出电压:在控制系统中，传感器和检测电路输出的信号，一般都比拟小，不能直接进行显示记录和控制。为此，当用传感器把非电量转换成电量后，大都需要放大。4．4A/D转换器A/D转换器的功能是将模拟量电信号转换成数字量。在本设计中，采用了ADC0809转换器，它可以将多路转换器输入的模拟量进行A/D转换，所以省略了多路开关。由于控制系统是对温度和烟的浓度进行检测，相当于A/D转换器的转换时间来说信号变化很慢，所以采样保持器〔保持在A/D转换时间内输入的模拟信号不变〕也可以省去。因此，模拟信号经过放大后可以直接进入A/D转换器。(1)主要性能※8位逐次逼近型A/D转换器，所有引脚的逻辑电平与TTL兼容；※带有锁存功能的8路模拟量转换开关，可对8路0-5V模拟量进行分时转换；※输出具有三态锁存/缓冲功能；※分辨率：8位，转换时间：100us；※不可调误差：±1LSB，功耗：15mW；※工作电压：+5V，参考电压标准值+5V；※片内无时钟，一般需外加640KHz以下且不低于100KHz的时钟信号。〔2〕ADC0809的引脚功能：D7-D0：8位数据输出线；IN7-IN0：8路模拟信号输入；ADDC、ADDB、ADDA：8路模拟信号输入通道的地址选择线；ALE：地址锁存允许，其正跳变锁存地址选择线状态，经译码选通对应的模拟输入信号；START：启动信号，上升沿使片内所有存放器清零，下降沿启动A/D转换；EOC：转换结束，转换开始后，此引脚变为低电平，转换一结束，此引脚变为高电平；OE：输出允许，此引脚为高电平有效，当有效时，芯片内部三态数据输出锁存缓冲器被翻开，转换结果送到D7-D0；CLOCK：时钟，最高可达1280KHz，由外部提供；REF〔+〕、REF〔-〕：参考电压正极、负极，通常REF〔+〕接Vcc，REF〔-〕接GND；Vcc：电源，+5V，GND：地线。4.58255扩展8255A的内部结构它包括3个并行数据输入输出端口，2个工作方式控制电路，一个读/写控制逻辑电路和8位数据中线缓冲器。它与3个端口分别是PA、PB、PC，口可以选择作为输入输出的工作模式，但在功能和结构上是不同的。通常PA口和PB口作为输入输出口，PC口作为输入输出口，但它在软件的控制下分做了两个4位的端口，分别作为A、B的选通方式操作时的状态控制信号。A和B组控制电路是根据CPU写入的控制字来控制8255A的工作方式的控制电路。A组控制PA口和PC口的上半局部；B组控制PB口和PC的下半局部，并可根据控制字对端口的每一位实现按位置位和复位。数据总线缓冲器是一个三态双向8位缓冲器，作为8255A与系统总线之间的接口，用来俩传送数据、指令、控制命令以及外部状态信息。读/写控制逻辑电路接受CPU发来的控制信号、、RESRT、地址信号A0、A1等，然后根据控制信号的要求，将端口数据读出，送往CPU或将CPU送来的数据写入端口。4.6键盘显示键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。按键是一种常开型按钮开关。平时(常态时)，按键的两个触点处于断开状态，按下键时它们才闭合(短路)。键盘分编码键盘和非编码键盘。键盘上闭合键的识别由专用的硬件译码器实现，并产生键编号或键值的称编码键盘，如BCD码键盘、ASCII码键盘等；靠软件识别的称为非编码键盘。在单片机组成的测控系统及智能化仪器中，用的最多的是非编码键盘。本系统中，采用以下键盘。“↑”为使显示数字加一“↓”为使显示数字减一“→”为显示屏的闪烁光标右移“←”为显示屏的闪烁光标左移“启动”为使整个系统运行“停止”为使整个系统停止“更改”为调解系统的设置以及切换温度和浓度的显示“确认”为使系统设置值进行保存4.7系统电源系统的控制系统中的AT89C51单片机、A/D转换电路、执行机构电路、键盘显示电路都需要有稳定的直流电源供电才能正常工作。系统中需要±12V和+5V电源，系统采用串联型的集成稳压器来实现。采用集成稳压器外接元件少，使用方便，平安可靠，精度、稳定性高，噪声小。第五章后向通道的设计5.1卷帘门电机正反转控制当单片机整个系统全部崩溃的时候，我们就采用紧急应急系统，采用电机手动系统，以便减少不必要的损失。卷帘门采用可逆控制与互锁。所谓“可逆”控制，就是可以同时控制电动机的正转和反转。产生过程中，各种产生机械常常要求具有上下、左右、前后、往返等具有方向运动控制，这就要求电动机能够实现可逆运行。由交流电动机工作原理可知，假设将接至电动机的三相电源进线中的任意两相对调，即可使电动机反向旋转。所以我可用两个方向相反的单向控制线路组合而成可逆控制线路。按照电动机可逆运行操作顺序的不同，有“正-停-反”和“正-反-停”两种控制线路。由于电动机正转的时候，按下反转按钮时首先应断开正转接触器线圈线路，待正转接触器释放后再接通反转接触器，为此可以采用两只复合按钮来实现。5．2自动喷淋控制5.2.1固态继电器SSR工作原理固态继电器又名固态开关。是一种新颖的四端以弱控器的无触点功率控制元件。一般施加输入信号后其主控回路呈导通状态,无信号时呈阻断状态,固态继电器为一个四端组件:两个输入控制器,两个输出受控端。它由三局部组成:输入控制局部、隔离局部及输出受控局部。输入控制局部一般由限流电阻或恒流电路及光电二极管组成;隔离局部一般由光电隔离器组成,也有用变压器隔离的。输出局部一般由光敏控制器、电压过零控制器、驱动器、可控硅及阻容吸收局部组成。.3自动喷淋工作原理当AT89C51输出为高电平信号时，经过或非门后为低电平信号固态继电器SSR导通，使电磁阀开通，从而到达自动喷淋效果。相反，输出为低电平信号时，经过或非门为高电平信号，固态继电器SSR截止。5.3显示局部显示电路局部采用串行接口，静态锁存驱动，不但节约了系统的资源，而且简化编程。LED显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极〔或共阳极〕连接在一起并接地〔或接高电平〕。5.4报警电路语音报警电路自动拨号电路主要由模拟电路、脉冲鉴别、忙音解调和语音电路等局部组成。如图7所示。当警戒范围内出现移动人体时，模拟拨号电路会根据单片机输出的信号对机进行自动拨号。该局部电路主要由集成块NE555和计数/时译码器CD4017以及晶体管和继电器组成。话机的模拟摘机、模拟按下存放输出键和存放位置键是通过继电器触点的闭合完成的。拨号后反响回来的信号有三种：拨号音、忙音和回铃音。假设是忙音，系统将稍后重新拨号；假设为回铃音，系统保存原状，等待对方摘机；假设为拨号音，那么启动语音电路，送出预先录制的语音信号。脉冲鉴别和忙音解调电路对这些信号进行鉴别。该局部由双运放LM358和解调器LM567组成。第一级解调器解调450Hz的拨号音信号，第二级解调器解调0.35Hz忙音信号。语音处理集成电路使用专用集成芯片T6668，外接一只256K位动态存储器41256，比特率选用32K。在对方摘机的条件下，录音信号从19脚输出，经外功放放大作为报警语音信号向对方输送。语音报警接口电路接口图第六章软件设计6.1设计思想6.1.1主程序主程序应包括AT89C51本身的初始化。还包括有关标志、暂存单元和显示缓冲区清零、T0、INT0、INT1初始化、开中断、温度浓度显示。6.1.2信号分析及调节PID参数的整定方法：在数字控制系统中，参数的整定是十分重要的，调节系统参数的好坏直接影响到调节品质。一般的生产过程都具有较大的时间常数，而数字PID控制系统的采样周期要小的多，所以数字调节器的参数整定，完全可以按照模拟调节器的各种参数整定方法进行分析和综合。但是，数字控制器与模拟调节器相比，即除了比例系数、积分时间T1和微分时间外，还有一个重要的参数-采样周期T。合理选择采样周期T，也是数字控制系统的关键之一。采样周期确实定由香农〔Shannon〕采样定理可知，当采样频率的上限为fs2fmax时，系统可真实的恢复到原来的连续信号。采样周期正确地选择，香农采样定理给出了从采样信号恢复连续信号的最低采样频率。实际上由于被控制对象的物理过程及参数的变化比拟复杂，致使模拟信号的最高频率很难确定，所以常以下述几个方面考虑如何选取采样周期T：①从调节品质上看，希望采样周期短，以减小系统纯滞后的影响，提高控制精度。通常保证在95%的系统的过度时间内，采样6次～15次即可。②从快速性和抗干扰性方面考虑，希望采样周期尽量短，这样给定值的改变可以迅速地通过采样得到反映，而不致产生过大的延时。③从计算机的工作量和回路本钱考虑，采样周期T应长些，尤其是回路控制时，应使每个回路都有足够的计算时间；当被控对象的纯滞后时间较大时，常选T=〔1/4-1/8〕。从计算精度方面考虑，采样周期T不应过短，当主机字长较小时，假设T过短，将使前后两次采样值差异小，调节作用因此会减弱。另外，假设执行机构的速度较低，会出现这种情况，即新的控制量已输出，而前一次控制却还没完成，这样采样周期再短也将毫无意义，因此T必须大于执行机构的调节时间。总之，影响采样周期T的因素很多，应该针对不同情况选择适当的采样周期T。采样周期的选择方法有两种，一是计算法，二是经验法。计算法由于比拟复杂，特别是被控系统各个环节时间常数难以确定，所以工程上人们用的比拟少。工程是人们应用的最多的还是经验法。所谓经验法实际上就是一种凑试法。根据人们在工作时间中积累的经验以及被控对象的特点、参数，先粗选一个采样周期T，送入计算机控制系统进行实验，根据对被控对象的实际控制效果，反复修改T，直到满意为止。6．2流程图6.2.1主程序流程图，如图6.2.2采样程序流程图，如图6.2.4PID算法流程图6.2.5电机流程图主要模块有3个：时间确定模块，按钮处理模块，火灾处理模块。时间确定模块"就是要确定3个时间：防火门的全程下降时间，全程上升时间和防火门由顶下降到中位所需时间，但不包括发生火灾时防火门在中位的暂停时间。这3个时间是防火门运行时系统对防火门进行具有一定智能动态跟踪和控制所必须的。按钮处理模块，就是要求当按“上”、“下”、“停”三按钮中的任何一个时，单片机系统都能作相应的处理。火灾处理模块，是当火灾发生时"系统根据工作模式的预先设置，采用相应的处理模式，以切断火势曼延的通道，并妥善解决被困人员的逃生问题。6.2.5.1时间确定模块此模块的N-S.流程图如图6-5所示。图6-5时间确定模块6.2.5.2按钮处理模块“上”，“下”，“停”3个按钮，在平时和发生火灾时都有作用，这里仅涉及平时。这个模块由几个子模块构成，在时间确定模块中，由于要使用到这3个按钮，所以在那里也调用了按钮处理模块的假设干个子功能模块。模块b上升处理子模块c下降处理子模块图6-6按钮处理模块程序流程图按“上”按钮，防火门上升，一直到触碰到顶端的行程开关，或单片机的计时系统经过对运行时间的记忆和判断得出防火门已上升到顶端的结论，或者按了“停”按钮，防火门才停止上升。假设在防火门上升过程中，按了“下”按钮，防火门先是停，延时约1S，而后开始下降。下降过程和下面表达的在防火门处于静止状态按“下”按钮时的运行过程完全相同。按“下”按钮，防火门下降，一直到触碰到下端的行程开关，或单片机的计时系统经过对运行时间的记忆和判断得出防火门已下降到底的结论，或者按了“上”按钮，防火门才停止下降。假设在防火门下降过程中，按了“上”按钮，防火门先是停，延时约1S，而后开始上升。上升过程和上面表达的在防火门处于静止状态按“上”按钮时的运行情况完全相同。按“停”按钮，防火门停止运行，但单片机系统对运行时间的记忆不会忘却。防火门处于顶端时，按“上”按钮，防火门拒绝上升，这一点也由单片机对运行时间的记忆判断、顶端的行程开关这两个方面得到双重的保证，这都是通过软件实现的，而非硬件连锁控制的结果。防火门处于完全关闭状态时，按“下”按钮，在务必使防火门不下降这一点上，也得到了和上面完全相同的保证。上述双重的保证措施，做到了在行程开关万一失效的情况下，系统仍能正常运行。6.2.4.3火灾处理模块模块的流程图如图6-7所示。图6-8高温处理流程图对图,中的3个分支：高温处理、烟雾二步降、烟温二步降，仅给出高温处理的流程图，见图6-8。发生火灾时，假设设定在烟雾二步降模式，防火门下降到中位停止后，延时一段时间。这个时间可以通过接在PB1，PB2，PB3上的按钮来设置。延时时间可以设置为0S〔没有延时〕、15S30S、60S、120S、240S、480S中的任何一个。第七章结束语全自动智能防火卷闸门电气控制系统，采用微机控制技术，使对防火卷闸门的控制实现自动化智能化大大地简化。硬件电路使系统的可靠性增强，也使防火卷闸门的产品维护更容易简便，更为重要的是由于采用微机控制技术，防止了人为误操作引起事故的可能性。全自动智能防火卷闸门电气控制系统，具有对烟浓度和温度的显示功能，更重要的是该系统具有应急装置〔设有紧急强行启动开关〕，当系统的处理器发生故障时仍然正常工作。当火警信号产生时，全自动智能防火卷闸门能自动开启，这样可保证防火卷闸门在正常情况下都能可靠运行。该系统具有自动蜂鸣报警、报警和自动喷淋等功能，响应灵敏、准确，在实际生活中得到广泛应用。致谢经过自己不断的搜索努力以及东老师的耐心指导和热情帮助，本设计已经根本完成。在这段时间里，老师严谨的治学态度和热忱的工作作风令我十分钦佩，他的指导使我受益非浅在此对老师们表示深深得感谢。通过这次毕业设计，使我深刻地认识到学好专业知识的重要性，也理解了理论联系实际的含义，并且检验了大学的学习成果。虽然在这次设计中对于知识的运用和衔接还不够熟练，但是我将在以后的工作和学习中继续努力、不断完善。这个设计是对过去所学知识的系统提高和扩充的过程，为今后的学习和开展打下了良好的根底。回首在工大的学习生活，有苦有乐，感谢很多老师给予我的关心，保护和栽培。三年来和同学朝夕相处，在即将毕业的前夕祝愿大家把这段回忆永远存在心中。由于自身水平有限，设计中一定存在很多缺乏之处，敬请各位老师批评指正。参考文献1曾祥模．热处理炉．西北工业大学出版社,19892张土炯. 家用电器元件手册.电子工业出版社,19903李华．MCS-51系列单片机应用接口技术．北京航空航天大学出版社,19934张毅刚，彭喜元，姜守达，乔立岩．新编MCS-51系列单片机应用设计.哈尔滨工业大学出版社，2003.65杨中华，汪蕙，刘润生.模拟集成电路的自动综合方法.科学出版，19996于微波，林晓梅，刘俊萍.微型机算计控制系统.吉林人民出版社，2002.57童诗白.模拟电子技术根底.高等教育出版社，20018杨振江等.智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用.西安电子科技大学出版社,2001.129周航慈.单片机应用程序设计.北京航空航天大学出版社,1991.810王毅.单片机器件应用手册.人民邮电出版社,199411陈伯时.微型计算机控制技术.机械工业出版社,1992.512黄-夫.微型计算机控制技术.机械工业出版社,1988.613吴光英.现代热处理炉．机械工业出版社，199114刘耀浩.热能与空调的微机测控技术.天津大学出版社,1996.1015何希才,刘虹敏.传感器应用接口电路.机械工业出版社,199716袁宝歧.加热炉原理与设计.北京航空工业出版社,198917刘复华.8098单片机及其应用系统设计.清华出版社, 1992.1018赵负图.国内外最新常用传感器和敏感元件性能数据手册.辽宁科学技术出版社,1994.1119张广成，黄贵绵.生产机械电气控制.兵器工业出版社,1994.1120何立民.单片机应用系统设计.北京航空航天大学出版社,199021陈汝全.用微机与单片机控制技术.电子科技大学出版社,1995.722王森.仪表使用数据手册.化学工业出版社,1998.723张洪润.实用自动控制.成都科技大学出版社,1990.724胡汉才.单片机原理及接口技术.清华大学出版社,199625李建民.单片机在温度控制系统中的应用.江汉大学学报,1996.626张亮明,夏桂娟.工业锅炉微机控制.中国建筑工业出版社,1989.227陈汝全.实用微机与单片机控制技术.电子科技大学出版社,1995.7附表B主程序：ORG0000HAJMPMAINORG0003HAJMPINT0ORG0013HAJMPINT1ORG001BHAJMPT0ORG1000HMAIN：MOVSP，#60HCLRCCLRACLR20HCLR21HCLR22HCLR23HCLR2AHCLR2CHCLR2DHCLR2EHCLR30HCLR31HCLR32HCLR33HSETBEX1SETBEX0SETBET0SETBEALOOP4：MOVR1，#20HMOVDPTR，#7FF8HMOVR7，#03HLOOP1：MOVX@DPTR，AMOVR6，#0AHDELAY1：NOPNOPNOPDJNZR6，DELAY1MOVXA，@DPTRMOV@R1，AINCR1DJNZR7，LOOP1LCALLFILTERMOVR4,#03HMOVR5，23HMOVA，23HCJNEA，#40H，LOOP2LJMPLOOP3LOOP2：JNCLOOP3LJMPLOOP4LOOP3：SETBP2.4;报警SETBP2.2;关门CLRP2.3LCALLDIRLCALLKEYINLOOP7：MOVR2，#30HMOVDPTR，#7FF9HMOVR7，#03HLOOP5：MOVX@DPTR，AMOVR6，#0AHDELAY1：NOPNOPNOPDJNZR6，DELAY1MOVXA，@DPTRMOV@R2，AINCR2DJNZR7，LOOP5LCALLFILTERMOV33H，23HMOVA，33HCJNEA，#00H，LOOP6LJMPLOOP7LOOP6：JNCLOOP8LJMPLOOP7LOOP8：SETBP2.4LCALLDIRLCALLKEYINLJMPLOOP4滤波子程序：FILTER:MOVA,2CH;(2CH)送ACJNEA,2DH,CMP1;假设(2CH)不等于〔2DH〕,那么CMP1AJMPCMP2；CMP1:JNCCMP2XCHA,2DH;XCHA,2CH;CMP2:MOVA,2DH;CJNEA,2EH,CMP3;MOV2AH,A;否那么，〔2DH〕送2AHRET;返回CMP3：JCCMP4;假设(2DH)<(2EH),那么CMP4MOV2AH,A;否那么,(2DH)送2AHRET;返回CMP4:MOVA,2EH;(2EH)送ACJNEA,2CH,CMP5;假设(2EH)≠(2CH)那么CMP5MOV2AH,A;否那么(2EH)送2AHRET;返回CMP5:JCCMP6;假设(2EH)<(2CH),那么CMP6XCHA,2CH;否那么,(2EH)→(2CH)CMP6:MOV2AH,A;A送2AHRET中断子程序：INT1：PUSHA;下降SETBP2.2CLRP2.3DELAY4：MOVR5，#04HL2：MOVR6，#0FAHL1：MOVR7，#64HNOPNOPNOPDJNZR7，L1DJNZR6，L2DJNZR5，DELAY4CLRP2.2SETBP2.3POPARETIT0：PUSHA;上升SETBP2.3CLRP2.2POPRETIINT0：PUSHA;停CLRP2.2CLRP2.3POPARETI显示子程序：DIR:MOVA,#OBH;选择显示位数MOVR2,#07H;LED为8位(可根据显示位数确定)LCALLYWMOVA,#OAH;选择显示亮度MOVR2,#OFH;根据亮度选择数据大小LCALLYWMOVA,#09H;选择模式MOVR2,#OFFH;BCD译码方式LCALLYWMOVA,#OCHMOVR2,#01H;选择正常工作LCALLYWDISP:MOVR0,#40H;显示缓冲区首地址MOVRI,#01H;MAX7219内RAMO地址MOVR3,#08HLOOP1:MOVA,@ROMOVR2，AMOVA,R1LCALLYWINCRO;改缓冲区地址INCR1;修改MAX7219内RAM地址DJNZR3,LOOMRETYW:LCALLSEND;移入MAX721916位数据MOVA,R2LCALLSENDCLRP1.1NOPNOPSETBP1.1;装载数据RFTSEND:MOVR4，#08H;移入8位数据LOOP2:CLRP1.2RLCAMOVP1.0，CNOPNOPNOPSETBP1.2DJNZR4，LOOP2RET键盘子程序：KEYIN：LCALLKS1JNZLK1LJMPKEYINLK1：LCALLSHIMIAOLCALLKS1JNZLK2LJMPKEYINLK2：MOVR2，#07HMOVR4，#00HLK4：MOVDPTR，#0FF7FHMOVA，R2MOVX@DPTR，AINCDPTRMOVXA，@DPTRJBAcc.0,LONEMOVA,#00HLJMPLKPLONE：JBAcc.1，LTWOMOVA，#04HLJMPLKPLTWO：JBAcc.2，LTHRMOVA，#08HLJMPLKPLTHR：JBAcc.3，NEXTMOVA，#0CHLKP：ADDA，R4PUSHALK3：LCALLKS1JNZLK3POPAK0：CJNEA，#00H，K1LJMPPK1K1：CJNEA，#01H，K2LJMPPK2K2：CJNEA，#02H，K3LJMPPK3K3：CJNEA，#03H，K4LJMPPK4K4：CJNEA，#04H，K5LJMPPK5K5：CJNEA，#05H，K6LJMPPK6K6：CJNEA，#06H，K7LJMPPK7K7：CJNEA，#07H，RETURELJMPPK8RETURE：K0PK1：INCR4LCALLDIRRETPK2：DECR4LCALLDIRRETPK3：LJMPMAINPK4：NOPSJMP