基于光电感烟探测器的火灾报警系统设计_本科毕业设计(论文) 精品

来源：99网

本科毕业设计（论文）

基于光电感烟探测器的火灾

报警系统设计

张彦宾

燕山大学

2013年6月

本科毕业设计（论文）

基于光电感烟探测器的火灾报警系统设计

学院：里仁学院专业：检测技术及仪器学生姓名：张彦宾学号： 091203021086 指导教师：刘永红答辩日期：2013年6月16日

燕山大学毕业设计（论文）任务书

学院：电气工程学院系级教学单位：仪器科学与工程系学学生专业 091203021086 张彦宾检测09-2 号姓名班级题目名称题目性质题目类型题目来源基于光电感烟探测器的火灾报警系统设计 1.理工类：工程设计（）；工程技术实验研究型（ √ ）；理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（） 2.管理类（）；3.外语类（）；4.艺术类（）题目 1.毕业设计（ √ ） 2.论文（）科研课题（）生产实际（ √ ）自选题目（）

主要内容 1. 设计基于单片机的火灾报警系统，完成感烟探测器探头设计及信号处理系统设计。 2. 完成系统硬件系统设计及其软件算法流程。 3. 烟尘实验结果分析。 1. 按电气工程学院本科生学位论文撰写规范的要求完成设计论文一份（不少于2.4万字），A0图纸。 2. 说明书及插图一律打印，要求条理清晰、文笔流畅、图形及文字符号符合国家现行标准。 3．按学院指定的地点进行设计，严格按照进度计划完成毕业设计任务。参单片机技术及应用考传感技术及应用资相关学术期刊料周次 1—4周 5—8周 9—12周 13—16周 17—18周查阅相关资料分析确定设计系统软件系统系统软件调修改论文，准备应方案，进行系统设计试与实验答辩完结构设计成的内容基本要求指导教师：刘永红系级教学单位审批：职称：副教授 2012年11月27 日年月日

摘要

火灾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，火灾的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势，本文设计的火灾报警系统是为了避免火灾造成的重大损失。

本文在对火灾报警控制器和传感器做了深入研究的基础上，设计了基于ATC51单片机的火灾报警系统，是一种复合型火灾报警系统。火灾报警控制器ATC51是火灾报警系统的核心。光电式感烟传感器与温度传感器LM94022的组合使用保证了报警的可靠性，减小了系统的误报率。

本文设计的火灾报警系统对现代建筑起着极其重要的安全保障作用能有效地防止和减少火灾危害，对保护人身安全和财产安全具有现实意义。

关键词火灾报警系统；单片机；传感器；声光报警

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Abstract

Fire has become destructive and often made and most influential disasters. With the rapid economic development and urban construction, urban high-rise and underground buildings and large-scale integrated architectural increasing fire hazards are greatly increased, the number of fires and the resulting losses were increasing, the paper design of the fire alarm system is designed to avoid fire caused significant losses.

In this paper, for fire alarm controllers and sensors do in-depth research, based on ATC51 microcontroller is designed based fire alarm system, is a composite type fire alarm system. Fire alarm controller ATC51 is the core of the fire alarm system. Photoelectric smoke sensor and the temperature sensor used in combination LM94022 ensure the reliability of the alarm, the system reduces the false alarm rate.

This design of the fire alarm system on modern architecture plays a vital role in the safety and security can effectively prevent and reduce fire hazards, to protect personal safety and property security of practical significance.

Keywords Fire alarm system, MCU, Sensors, Sound-light alarm

摘要 ........................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................ II 第1章绪论 ......................................................................................................... 1

1.1 概述 ......................................................................................................... 1 1.1.1 研究背景 .......................................................................................... 1 1.1.2 火灾报警系统的类型 ...................................................................... 2 1.2 国内外火灾报警系统的发展现状及趋势 ............................................. 3 1.3 本文主要研究内容 ................................................................................. 7 第2章火灾报警系统整体方案设计 ................................................................. 8

2.1 引言 ......................................................................................................... 8 2.2 总体方案设计 ......................................................................................... 8 2.3 器件选型 ................................................................................................. 9 2.3.1 控制芯片的选型 .............................................................................. 9 2.3.2 火灾检测传感器的选择及原理 .................................................... 12 2.3.3 A/D转换器 ...................................................................................... 17 2.4 本章小结 ............................................................................................... 19 第3章火灾报警系统的硬件设计 ................................................................... 20

3.1 电源模块的设计 ................................................................................... 20 3.2 单片机小系统电路 ............................................................................... 22 3.2.1 晶振电路 ........................................................................................ 22 3.2.2 复位电路 ........................................................................................ 22 3.3 传感器控制电路 ................................................................................... 23 3.4 声光报警电路 ....................................................................................... 25 3.5 数据采集与分析电路 ........................................................................... 27 3.6 本章小结 ............................................................................................... 29 第4章火灾报警系统软件设计 ....................................................................... 30

4.1 基于Keil C51软件开发环境 .............................................................. 30

4.2 火灾报警系统程序设计 ........................................................................ 30 4.2.1 数据采集程序 ................................................................................. 32 4.2.2 火灾判断与报警 ............................................................................. 32 4.3 本章小结 ................................................................................................ 34 结论 ...................................................................................................................... 38 参考文献 .............................................................................................................. 36 致谢 ...................................................................................................................... 38 附录1 开题报告附录2 文献综述附录3 中期报告附录4 外文翻译

第1章绪论

1.1 概述

1.1.1 研究背景

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[1]。

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。随着我国现代化建设的发展，各种现代化楼宇对火灾报警和自动灭火系统提出了更高的要求。大宾馆、酒店、商场、图书馆、博物馆、档案馆和办公楼等，自动灭火系统已成为必不可少的安保装置。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。

火灾报警控制器是一种能接收、显示和传递火灾报警等信号的报警装

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置，它是火灾报警系统的主要组成部分[2]。火灾报警探测器是监视周围环境状况的“感觉器官”，而火灾报警控制器则是系统的“神经”、“大脑”，是整个系统的核心。火灾报警控制器担负着监视探测器及系统自身的工作状况、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、时间及执行相应的辅助控制等任务。研制火灾报警控制器的目的是为了立足于掌握核心开发技术，降低系统成本。

尽管通过最近几年的消防治理整顿，取得了不少成绩，但与其他国家相比，火灾死亡人数较多，我国的火灾形势不容乐观，加之我国经济在高速发展，生活水准大幅度提高，各种生产、办公以及居住场所火灾大增，塑料制品和双层玻璃的大量应用，使火场的外部求援困难重重[3]。因此，设计简单实用的火灾报警控制系统有着防止和减少火灾危害、保护人身安全和财产安全的重要意义。

1.1.2 火灾报警系统的类型

根据火灾报警系统中所使用的探测器种类的不同，火灾报警系统可以分为以下四种[5]：

(1) 感温型火灾报警系统

由于火灾发生时燃烧物会产生大量的热量，使得周围温度迅速变化。感温型火灾报警系统就是通过判断周围温度变化而产生响应的火灾报警系统，再把温度的变化转换为电信号以达到判断报警的目的。根据探测温度参数的不同，一般可以将感温型火灾报警系统分为定温式、温差式等几种。

(2) 感烟型火灾报警系统

烟雾是早期火灾的重要特征之一[5]。在火灾发生的初期，由于温度比较低，许多物质都处于阴燃阶段，产生大量的烟雾。感烟型火灾报警系统就是对空气中可见或不可见的烟雾粒子进行探测，然后将烟雾浓度的变化转换为电信号来触发报警。感烟型火灾报警系统主要有激光感烟式、光电感烟式和离子感烟式等。

(3) 感光型火灾报警系统

物质燃烧不但会产生烟雾和热量，同时也会产生可见或不可见的光辐射。感光型火灾报警系统就是通过响应火灾中产生的光特性，即扩散火焰的

第1章绪论

光强度和闪烁频率，来触发报警系统的[5,6]。根据感应的敏感波长，可以将感光型火灾报警系统分为对波长较短的光辐射敏感的紫外报警系统和对波长较长的光辐射敏感的红外报警系统。

(4) 复合型火灾报警系统

如果报警系统同时对温度、烟雾和光辐射中的两种或两种以上参数做出响应，那么它就是复合型火灾报警系统[7,8]。目前复合型火灾报警系统有感温感烟型、感烟感光型、感温感光型等多种形式。

1.2 国内外火灾报警系统的发展现状及趋势

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育。火灾报警产品真正发展是在90年代以后，随着逐渐开放国门，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[9]。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[7]。经过几年的发展，随着国家对减灾、防灾得更加重视，和消防市场利润的吸引，火灾自动报警系统和消防广播、消防电源、及相关配套产品的生产厂家开始增多。其中以秦皇岛海湾、北京利达、北京国泰怡安为代表的国产品牌逐步发展壮大起来。国产火灾自动报警控制器已出现大屏幕彩色液晶汉字显示，汉字CRT显示系统。用户界面多采用VB或C语言等高级语言进行编制，使用方便、直观。两总线、RS232、RS485、CAN等现场总线已经普及，可与计算机进行联网实现现场编程[10]。同时根据场地不同，不同工作方式的系统也已使用，如无线火灾自动报警系统，空气取样火灾自动报警系统等，设备容量也有小系统如500点、中型系统如500至2000点、大型系统如3000点以上的多种型号。设备普遍具有体积小、容量大、传输速度快、误报率低、可联动设备多等特点[11]。

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。每年都要拨出大笔资金用于消防设备更新、人员培训

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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[12]。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。

面对高新技术的发展机遇和国内市场国际化的竞争挑战，消防产品向高可靠、自动化、网络化的火灾探测报警技术发展。传统火灾自动报警与现代自动报警系统的区别主要在于探测器本身的性能，其中现代自动报警系统使系统确定火灾的数据处理能力和自动化程度大为增加，减少了误报警的概率，增加了系统可靠性，这是现代火灾探测报警技术的发展方向[13]。

(1) 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。

(2) 多样化

第1章绪论

火灾探测技术的多样化。我国目前应用的火灾探测器按其响应和工作原理基本可分为感烟、感温、火焰、可燃气体探测器以及两种或几种探测器的组合等，其中，感烟探测器一枝独秀，但光纤线性感温探测技术、火焰自动探测技术、气体探测技术、静电探测技术、燃烧声波探测技术、复合式探测技术代表了火灾探测技术发展和开发应用研究的方向。此外，利用纳米粒子化学活性强、化学反应选择性好的特性，将纳米材料制成气体探测器或光电感烟探测器，用来探测有毒气体、易燃易爆气体、蒸气及烟雾的浓度并进行预警，具有反映快、准确性高的特点，目前已列为我国消防科研工作者的重点研究开发课题。以火灾自动报警系统为代表的消防安全系统与防盗安全系统联动，以实现对生命财产的安全保护，是国外火灾自动报警系统的最新发展趋势，目前最现实的技术是体型探测技术，它能很好地兼容防火与防盗两个方面，很有发展前景。

(3) 小型化

火灾自动报警系统的小型化是指探测部分或者说网络中的“子系统”小型化。如果火灾自动报警系统实现网络化，那么系统中的中心控制器等设备就会变得很小，甚至对较小的报警设备安装单位就可以不再设置，而依靠网络中的设备、服务资源进行判断、控制、报警，这样火灾自动报警系统安装、使用、管理就变得简单、省钱、方便。

(4) 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。

(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 ―人工神经网络‖算法，具有很强的适应能力、学习能力、容错能力和并行处理能力，近乎于人类的神经思

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维。此外，该系统的子机与主机可以进行双向智能信息交流，使整个系统的响应速度及运行能力空前提高，误报率几乎接近零，灵敏度比传统探测器高1000倍以上，能探测到物质高热分解出的微粒子，并在火灾发生前的30min 到120min预警，确保了系统的高灵敏性和高可靠性。

(6) 兼容性

将火灾自动报警系统与自动喷水灭火系统合二为一，增强预警和扑救功能的兼容性，降低消防工程投资，从而可以进一步扩大火灾自动报警和自动喷水灭火系统的应用范围。

另外，火灾报警系统，从发展过程来看，大体可分为三个阶段[14,15]：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。

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。

第三阶段：智能型火灾自动报警系统。这是当今世界的主要发展趋势。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

第1章绪论

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。

1.3 本文主要研究内容

本系统采用ATMEL公司的ATC51单片机[1,16]作为处理器设计了一种智能火灾报警器，主要包括：信号采集及前置放大电路、模数转换电路、单片机控制电路、声光报警电路等部分组成可以实现声光报警、故障自诊断、报警限设置、延时报警等功能[4,17]。是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的火灾报警器，具有一定的实用价值。首先选择合理传感器、控制芯片ATC51、AD转换器、LED等主要器件。设计电源模块为系统提供电源。完成信号采集、信号处理、数据分析、声光报警模块。学习使用Protel DXP 2004完成硬件电路。完成系统软件算法流程设计。

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第2章火灾报警系统整体方案设计

2.1 引言

火灾报警系统，一般由火灾检测传感器、显示器、报警器和控制器等组成。其中火灾检测传感器是检测火灾是否发生的专门仪器，可根据建筑物或实地场所的要求，安装不同类型的火灾检测传感器。火灾检测传感器[5,11]主要分为感烟探测器、感温探测器、光辐射探测器和复合型探测器四大类，其中光电感烟探测器稳定性能较好，误报率低，寿命长等优点，在火灾报警系统中被广泛使用。

使用火灾报警产品的目的就是及早报告火灾的发生，从而迅速有效的控制火灾，把损失降到最低。而目前使用的火灾报警产品存在以下主要问题

[10,17]

：

(1) 报警系统的维护保养和持续性的技术支持是目前最严重的问题，比

例分别为31％和27％[18]。而造成上述问题的罪魁祸首就是由于缺乏规范、统一的通讯标准。

(2) 报警系统误报、漏报现象也是目前火灾报警行业主要存在的问题，自从火灾探测器问世以来，长期困扰产业界的就是上述两种现象。环境中各种因素，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。

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是目前急需解决的问题，所以本课题的目标是：设计一套简单实用、抗干扰能力强、性价比高的火灾报警系统。

2.2 总体方案设计

由以上的分析，本系统的硬件设计框图如图2-1所示，该系统工作中传感器的探头将探测的物理信号转换为电压信号，经信号放大电路处理后送入单片机，单片机对该信号进行判断，如果该值超出安全范转，单片机就会立即输出报警信号。显示电路能够准确的显示出火灾险情的具体地点，报警电路对工作人员起到警示的作用，从而及时的警示工作人员做出相应的处理。

第2章火灾报警系统整体方案设计

传感器放大电路 A/D转换单片机串口通信图2-1 系统原理及组成框图

按键状态指示灯声光报警 2.3 器件选型

2.3.1 控制芯片的选型

本设计的控制芯片使用的是ATMEL公司生产的ATC51，ATC51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM）和128字节的随机存取数据存储器（RAM）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机[5,15]。ATC51是一个低功耗高性能单片机，片内置通用8位处理器（CPU）和Flash存储单元，可灵活应用于各种控制领域。40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口。ATC51的引脚图如图2-2示，芯片可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程，其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本[1,16]。

单片机是烟雾检测报警器的核心部件，一方面它要接收来自传感器的烟雾浓度的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对两种信号分别进行处理，控制后续电路的相应工作；同时，查询是否有键按下的命令。在单片机实现的功能中，将模数转换后的信号做数字滤波，再进行线性化处理，这一过程的软件实现，需要单片机有较快的运算速度，使仪表监测人员能够观测到

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实时的烟雾浓度，并进行相应处理。同时，在能够满足报警器设计的计算速度及接口数的要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。如今市面上比较普遍的单片机有51系列与STC系列。STC系列虽然功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，但是存在溢出隐患问题，而且更适用于工业用途；ATC51单片机应用普遍，工具多，易上手，片源广，价格低，且适合民用、商用。用途更广泛。综合以上观点，本论文选定ATC51作为本系统的核心。

图2-2 ATC51芯片的引脚图

ATC51管脚作用[1,9]

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接

第2章火灾报警系统整体方案设计

收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。

EA/VPP：当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器

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（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。

振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，ATC51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

2.3.2 火灾检测传感器的选择及原理

2.3.2.1 光电感烟传感器

对各类火灾检测传感器进行比较后，根据设计本系统的实际情况出发，系统采用光电感烟传感器。光电感烟传感器是一种室内安装的探测器，可以探测可见和不可见的烟雾，具有对火灾进行早期预报功能[3]。在火灾发生初期，当进入光电感烟探头中采样室的烟浓度超过由参考室的门限值时，光电感烟探头底座上的指示灯将点亮，同时送出报警电压信号。在输入回路中，光电感烟探测器内的接口电路十分关键。通过探测器接口电路可以将探头报警电压信号转变为不同频率的电信号传送到控制器，由控制器判别处理，确定火灾位置报警[19]。

第2章火灾报警系统整体方案设计

烟雾传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量（即浓度）转化成电压或者电流信号[2,5,11]，通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。传感器作为烟雾检测报警器的信号采集部分，是检测电路的核心组成部分之一。由此可见，传感器的选型是非常重要的。

在火灾发生前往往伴随着烟雾的产生，因此，我们就需要选择一种能够及时检测空气中烟雾含量的传感器来进行火灾发生的预警。根据设计要求和查阅相关资料，烟雾传感器选择为光电感烟传感器，如图2-3常用光电传感器的示例。

图2-3 常用光电传感器

2.3.2.2 光电感烟原理

光电感烟探测器也是点型探测器，点型光电感烟探测器是利用烟粒子散射和吸收光原理工作的，主要有两种形式：散射光型光电感烟探测器和减光型光电感烟探测器的[5,13]。

气溶胶粒子与光相互作用时，能发生两种不同的衰减过程：吸收和散射。散射是粒子以同样的波长再辐射已接收的光能，再辐射可在所有的方向上发生，但在不同方向上其强度通常不同。吸收是粒子将接收的光能转变其他形式的能，如化学能、热能。

散射光型光电感烟探测器基本光路示意图如图2-4示光源光轴和光电接收器成特定角度，在无烟粒子时光电接受器件接受不到光源发出的光；烟粒子进入探测室（光学暗室、迷宫）后，探测器光源发出的光线接受到烟的散射，在一定角度内光电接收器件才能接收散射光，产生有用电信号。

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物质燃烧会产生烟雾和有害气体。在阴燃阶段会产生大量的烟雾颗粒和一氧化碳等大量有害气体。烟雾颗粒的大小（以直径计）一般在0.01～9µm 之间。这些烟雾颗粒分布界面极大，性质也不稳定，容易使光产生散射。当烟尘颗粒直径在0. 5～1µm 之间时，散射符合汤姆森散射[4,5]。

根据瑞利散射理论，空气中的烟雾颗粒可以近似看成一个微小的圆球，这时的瑞利比( 散射能力) 为[12,17]：

2 R()KVsph(0s)2s2(U) (2-1)式中：s2(U)RS3(SinUUCosU)U4Sin 为散射函数；； 32U为散射角；Vsph为圆球的体积；K为散射测量中RS为圆球半径；为波长；的物理常数；0s为反差因子。

由上式可以看到散射能力与圆球体积平方成正比，因此从这方面来说，烟雾较大的颗粒比较小的颗粒散射能力要大得多。然而必须注意散射能力也

R2依赖散射函数s(U)。同时上式还与S和有关，因而当球（烟雾颗粒）较

R大而s较大时，随着散射角的增大，函数s2(U)下降较大；球小时，情

况就相反。这就说明太大的颗粒散射能力也不强。我们将烟雾颗粒使光产生散射的性质制成优良的烟雾传感器。对火灾初期形成的烟雾进行可靠的探测，可以用红外光作为散射光源。

如图2-4所示在一个不受外界光线影响，但烟雾可以进出的光敏室中装有红外发光元件（光源）和红外受光元件（光敏器件）。在两者之间加上遮光部件，且之间形成角度以避免受光元件直接接收发光元件发出的光线。用砷化镓（GaAs）红外二极管作为发光元件。选择光谱范围在0. 54～0. 95µm之间。光敏管采用硅（Si）光电池。接受光谱取在0. 5～1. 2µm 之间。根据瑞利散射学说当烟雾颗粒直径小于光源波长时。散射光强同波长的四次方成反比。当光敏室无烟雾颗粒时散光极微弱。当火灾阴燃阶段，烟雾颗粒进入光敏室，红外光源（发光元件）发射的在烟雾颗粒上产生散射。光敏二极管（受光元件）发生阻抗变化产生光电流。当无烟雾颗粒进入光敏室时，受光元件不产生光电流，这就实现了将烟雾信号转变为电信号的物理基础[12]。

第2章火灾报警系统整体方案设计

图2-4 散射光式光电式烟雾传感器原理示意图

如图2-5示光电感烟传感器电路原理图

图2-5 光电传感器电路原理图

通过大量的实验[4,17]，得出了发光元件与受光元件的夹角等于136°时，受光元件状态最佳。图2-6为光电烟雾传感器对不同直径烟粒子的响应曲线。当烟雾颗粒直径在0. 5～0. 9µm 时，光电感烟传感器响应最好。

综上所述，光电感烟探测器在正常运行中对烟雾的识别能力较强，稳定性较好。因此本系统所采用的火灾报警探测器是光电感烟探测器，由它把物质初期燃烧所产生的烟雾信号转换成支流电压信号，通过导线传输给报警器，发出声光报警信号。

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灵敏度

颗粒直径/µm

图2-6 光电烟雾传感器对不同直径烟粒子的响应曲线

2.3.2.3 温度传感器

温度探测器是利用热敏方式来检测环境温度进行报警的探测器，用于检测被测物体和环境的温度，当超出或低于标准值时发出报警。火灾时物质的燃烧产生大量的热量，使周围温度发生变化。温度探测器是对警戒范围中某一点或某一线路周围温度变化时响应的火灾探测器，它是将温度的变化转换为电信号以达到报警目的[2,13]。根据监测温度参数的不同，一般用于工业和民用建筑中的温度探测器有[4,14,17]：

1．定温式探测器：定温式探测器是在规定时间内，火灾引起的温度上升超过某个定值时启动报警的火灾探测器。它有线型和点型两种结构。其中线型是当局部环境温度上升达到规定值时，可熔绝缘物熔化使两导线短路，从而产生火灾报警信号。点型定温式探测器利用双金属片、易熔金属、热电偶热敏半导体电阻等元件，在规定的温度值上产生火灾报警信号。

2．差温式探测器：差温式探测器是在规定时间内，火灾引起的温度上升速率超过某个规定值时启动报警的火灾探测器。它也有线型和点型两种结构。线型差温式探测器是根据广泛的热效应而动作的，点型差温式探测器是根据局部的热效应而动作的，主要感温器件是空气膜盒、热敏半导体电阻元件等。

第2章火灾报警系统整体方案设计

3．差定温式探测器：差定温式探测器结合了定温和差温两种作用原理并将两种探测器结构组合在一起。差定温式探测器一般多是膜盒式或热敏半导体电阻式等点型组合式探测器

温度探测器使用的是美国国家半导体公司生产的集成温度传感器LM94022，该传感器属于高精度模拟输出CMOS温度传感器，不仅工作电压低、静态电流小和输出功率极低，而且能与模数转换器(ADC)配合使用。其主要特性如[18]下：(1) 工作电压低，可在1.5V电压下工作；且工作电压范围宽，为1.5—5.5V；(2) 静态电流小，典型值为5．41μA；(3) 末级为推挽输出，输出电压与感测的温度成反比，确保芯片即使在较高的温度范围内仍可保持极高的灵敏度；(4) 可提供4个不同增益让用户自行选择，其中包括-5.5mV/℃ 、-8.2 mV /℃ 、-10.9mV /℃及-13.6mV /℃；(5) 温度范围宽，可以监控由-50℃至150℃范围内的温度；(6) 设计灵活、功率极低，采用极小巧的SC70封装，大小与美国国冢半导体的标准型号LM20温度传感完全相同。LM94022的管脚排列如图2-7示。

图2-7 LM94022管脚排列

2.3.3 A/D转换器

在单片机控制系统中，控制或测量对象的有关变量，往往是一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、位移、速度等物理量。但是大多数单片机本身只能识别和处理数字量，因此必须经过模拟量到数字量的转换（A/D转换），才能够实现单片机对被控对象的识别和处理。完成A/D转换的器件即为A/D转换器[20]。 A/D转换器的主要性能参数有：

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(1) 分辨率：分辨率表示A/D转换器对输入信号的分辨能力。A/D转换器的分辨率以输出二进制数的位数表示；

(2) 转换时间：转换时间指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。不同类型的转换器转换速度相差甚远；

(3) 转换误差：转换误差表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别，常用最低有效位的倍数表示；

(4) 线性度：线性度指实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移。目前有很多类型的A/D转换芯片，它们在转换速度、转换精度、分辨率以及使用价值上都各具特色，综合全部因素设计决定采用美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器ADC0809[21]。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。

图2-8 ADC0809引脚图

A/D转换电路采用了常用的8位8通道数模转换专用芯片ADC0809，ADC0809由8路模拟开头、地址锁存与译码器、8位A/D转换器和三态输出锁存缓冲器组成，芯片引脚图如图2-8所示[20,21]。ADC0809的引脚功能：

D7-D0 ：8位数字量输出引脚

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IN0-IN7 ：8位模拟量输入引脚 GND ：地

REF（+）：参考电压正端 REF（-）：参考电压负端 START ：A/D转换启动信号输入端 ALE ：地址锁存允许信号输入端 ADC0809的主要性能指标为[20,21]： (1) 分辨率为8位。

(2) 最大不可调误差：ADC0809为1LSB。

(3) 单电源+5v供电，基准电压由外部提供，典型值为+5v，此时允许输入模拟电压为0—5V。

(4) 具有锁存控制的8路模拟选通开关。

(5) 可锁存三态输出，输出电平与TTL电平兼容。

(6) 转换速度取于决芯片的时钟频率。当时钟频率500KHz时，转换时间为128μs。

2.4 本章小结

本章主要介绍了该火灾报警系统的整体方案设计和各种器件的详细介绍和正确选泽主要包括控制芯片ATC51、AD转换器和传感器，并介绍了该火灾报警系统的传感器的工作原理。

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第3章火灾报警系统的硬件设计

3.1 电源模块的设计

电源模块部分主要由整流电路、滤波电路、集成稳压电路等组成。集成电路型稳压电源具有性能稳定、带负载能力强、使用方便等特点，因此得到了广泛的应用[22]。

电源部分原理图如图3-1所示。220V的交流电通过变压器T1转变为12V的交流电，经D1~D4（1N4007）整流以后将12V的交流电压变成脉动的直流电压，再经滤波电容C11（470μF）和C12（0.1μF）滤除纹波，输出+12V的直流电压。+12V的直流电压经IC4（7805）稳压后得到的+5V的电压，为接收主机整机电路供电[16]。电容C13（0.1μF）能改善负载的瞬态影响，从而为接收主机提供稳定的工作电压。

图3-1 电源部分原理图

整流滤波基本电路图如图3-2所示。220V的交流电通过变压器T1转变为交流电，经D1~D4整流以后将交流电压变成脉动的直流电压，再经滤波电容C11滤除纹波，输出直流电压VO，VO与交流电压Vi的关系为VO=（1.1~1.2）Vi。

电容滤波电路是最常见、也最简单的滤波电路[22]。电容滤波电路的主要作用是把整流器输出电压中的波动成分尽可能地减小，改造成接近恒稳的直流电。因为交流电经过二极管整流之后，方向单一了，但是大小（电流强度）还是处在不断地变化之中。这种脉动直流一般是不能直接用来给无线电装供电的。要把脉动直流变成波形平滑的直流，还需要再做一番“填平取齐”

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的工作，也就是需要滤波。

电容滤波电路工作原理：电容器是一个储存电能的仓库。在电路中，当有电压加到电容器两端的时候，便对电容器充电，把电能储存在电容器中；当外加电压失去（或降低）之后，电容器将把储存的电能再放出来。充电的时候，电容器两端的电压逐渐升高，直到接近充电电压；放电的时候，电容器两端的电压逐渐降低，直到完全消失。电容器的容量越大，负载电阻值越大，充电和放电所需要的时间越长。这种电容带两端电压不能突变的特性，正好可以用来承担滤波的任务。

图3-2 整流滤波基本电路图

电容量越大，负载电阻愈大，滤波效果越好，输出波形越趋于平滑，输出电压也越高。但是，电容量达到一定值以后，再加大电容量对提高滤波效果已无明显作用。所以通常应根据负载电用和输出电压的大小选择最佳电容量。

常见集成稳压器有固定式三端压器与可调式三端稳压器，固定式三端稳压器的常见产品有输出固定正电压的LM78××系列和输出固定负电压的LM79××系列，如LM7805输出电压为+5V，LM7905输出电压为－5V。可调式三端稳压器能输出连续可调的直流电压，其中LM317系列稳压器输出连续可调的正电压，LM337系列稳压器输出连续可调的负电压。稳压器内部含有过流、过热保护电路。

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3.2 单片机小系统电路

3.2.1 晶振电路

晶振电路为单片机ATC51工作提供时钟信号，芯片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馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振荡器一起构成自激振荡器[6,15]。电路中的外接石英晶体及电容C5、C6接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路，系统的晶振电路如图3-3所示。由于外接电容C5、C6的容量大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，电容的容量大小范围为30pF10pF；如果使用陶瓷谐振，则电容容量大小为

40pF10pF。本设计中使用石英晶体，电容的容值设定为30pF。

3.2.2 复位电路

复位电路的基本功能是[9]：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。ATC51的复位信号是从REST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果REST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位，本设计采用的是手动按钮复位。

手动按钮复位需要人为在复位输入端REST上加入高电平,采用的办法是在REST端和正电源Vcc之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到REST端，系统复位。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，设计完全能够满足复位的时间要求。复位电路中SW-PB为手动复位开关，电容C10可避免高频谐波对电路的干扰。ATC51的复位电路如图3-3所示。

第3章火灾报警系统的硬件设计

图3-3 晶振电路与复位电路

3.3 传感器控制电路

由于传感器输出的模拟信号比较微弱，且含有干扰信号，所以系统需要将信号进行放大和滤波[2,10]。温度传感器使用的是高精度模拟输出CMOS温度传感器LM94022，该传感器的末级为推挽输出，输出电压与感测的温度成反比，即温度越高输出电压越低；可提供4个不同增益让用户自行选择，其中包括-5.5mV/℃ 、-8.2 mV /℃ 、-10.9mV /℃及-13.6mV /℃。本设计温度传感器灵敏度选择-5.5mV/℃，所以LM94022的GS0和GS1端口都接地，温度信号调理电路如图3-4所示。烟雾传感器输出电压较大，能达到几伏，不需要放大烟雾信号，只需要将信号滤波处理，烟雾信号调理电路如图3-5所示。由于温度、烟雾信号调理电路运放LM324接直流电源，电路中有直流，所以在电路中设计了起隔直通交的电容C1、C2、C7。系统采用固定门限检测法[12,14]判断火灾是否发生，温度阈值设定为57℃，烟雾浓度阈值设

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定为3.2%每英尺。

图3-4 温度信号调理电路

电路设计中要求高输入低输出，故放大电路、滤波电路的前置电阻R4、R8的阻值设为10K和1K[15]。由于运放LM324的输入级是差动放大电路，要求两端输入回路参数对称，即RNRP，RNR1//RF，故R5R4//R6，、“虚断”特性，有uu。电压放R58.3K。依据运算放大器“虚短”大倍数为：

AufRFR6，Auf6 (3-1) R4R4

图3-5 烟雾信号调理电路

滤波电路能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率成分，滤除或衰减无用频率信号到足够小。一阶滤波电路过渡带较宽，幅频特性的最大衰减频率仅为-20dB/十倍频。为使滤波器的滤波特性接近理想特性，即在通频带内特性曲线更平缓在同频带外特性曲线衰减更陡峭，只有增加网络的级数，系

第3章火灾报警系统的硬件设计

统使用二阶滤波器电路[8]。由于在火灾发生早期，温度烟雾信号是一种缓变信号[3,18]，故系统使用二阶有源低通滤波器电路（Low Pass Filter，LPF）。将串联的两节RC低通网络直接与反向电压跟随器电路相连，可构成烟雾、温度调理电路中的简单二阶低通滤波器电路[9,22]。二阶低通滤波电路中

R8R9R13R14R1K，C3C4C8C9C0.1F。

LPF电路电压放大倍数为：

1 (3-2) 213sRC(sRC)用j取代s，且令f02RC，f01.6KHz，得出电压放大倍数为： A（us） Au1f1f0fj3f02 (3-3)

由于为信号频率二次幂的函数式，故为二阶LPF。设带通截止频率为fH，则当ffH时，上式的分母的模应等于2，可解出二阶LPF的上限截止频率为：

fH0.37f0 ，fH0.59KHz (3-4)

二阶低通滤波电路的衰减斜率可达-40dB/十倍频，但是又由于fH远离

f0，即在ff0处，信号的放大倍数已急剧下降，所以该滤波电路以降低滤波器通频带为代价来获得滤波器衰减斜率[3,22]。

3.4 声光报警电路

声光报警电路在ATC51的控制下，可以根据不同的情况（火灾、异常、故障)，发出不同的声光信号报警。

声音报警电路如图3-6所示。由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O 口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。声报警电路由单片机的P10引脚进行控制，当P10输出的电平为高电平时，三极管导通，蜂鸣器的电流形成回路，发出声音报警；否则，三极管截止，蜂鸣器不发出声音[6,22]。

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图3-6 蜂鸣器报警

图3-7 光报警电路

光报警电路路如图3-7，其中单片机的P2口进行控制，P2口的P23～P26分别控制4个发光二极管，予以光报警，如图所示。P23～P26控制的灯依次为红色(火灾信号灯)、红色(异常信号灯) 、黄色(故障信号灯)和绿色(正常信号灯) 。当P23～P26输出低电平时，对应的信号灯便会发光报警。

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3.5 数据采集与分析电路

本设计中的A/D使用的是通用8位芯片ADC0809，芯片的几个重要管脚功能如下[18]：ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0-IN7上的一路模拟量输入，通道选择如表所示。START为转换启动信号，当START上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，START应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态[19]。

由于本设计中数模转换芯片使用的是ADC0809，其工作的时钟信号为500KHz，因其内部没有时钟电路，时钟信号由外部ATC51的ALE端口提供。系统ATC51与ADC0809接口电路如图3-8所示。

图3-8 ATC51与ADC0809接口电路

当ATC51的ALE端口不访问外部存储器时，ATC51的ALE端以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，故晶振设定12MKz，再经过二

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分频电路，单片机即可向ADC0809输出500KHz的时钟信号。二分频电路由D触发器实现，R、S端接地，D接Q非，Q端作为输出端，CLK接ATC51的ALED端。D触发器的特性方程为[3,15]

Qn1D （3-5）由于当CP=1时，D触发器有效；CP=0时，触发器保持原来状态。故D触发器能实现对ALE端口的信号二分频[1,14]]。由于本火灾报警系统只采集温度、烟雾信号，经过调理的温度、烟雾信号分别进入ADC0809的IN-0和IN-1端口，其余输入引脚接地，8个数字量输出引脚接ATC51的P0口。单片机的P0口接受ADC0809传输来8位数字量，向A/D输出的8位地址经地址锁存器74LS373锁存，选择低3位地址作为A/D的通道选通地址。ADC0809通道选通如表3-1。

通入通道 A B C IN0 0 0 0 表3-1 ADC0809通道选通 IN1 IN2 IN3 IN4 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 IN5 1 0 1 IN6 1 1 0 IN7 1 1 1 本设计使用74LS373作为地址锁存器，当三态允许控制端OE为低电平时，输出端Q0~Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，Q0~Q7呈高阻态，既不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。图中三态允许控制端OE接地，表示三态门一直打开。锁存允许端LE为高电平时，输出端Q0~Q7 状态与输入端D0~D7状态相同；当LE由“1”变为“0”时，数据输入锁存器中。LE端接至单片机的地址锁存允许ALE端。

当P20=0时，与写信号WR共同选通ADC0809。图中ALE信号与START信号连在一起，在WR信号的前沿写入地址信号，在其后沿启动转换。当ALE端口变为高电平，将74LS373输出端的低3位地址存入A/D的地址锁存器中，此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将A/D内的寄存器清零，下降沿启动 A/D转换，之后EOC端变成低电平，指示转换正在进行。例如，输出地址F8H可选通通道IN0，实现对温度传感器

第3章火灾报警系统的硬件设计

输出的模拟量进行转换；输出地址F9H可选通通道IN1，实现对烟雾传感器输出的模拟量进行转换。ADC0809的转换结束状态信号EOC接到ATC51的INT1引脚，当A/D转换完成后，EOC变为高电平，表示转换结束，结果数据已存入锁存器,并产生产生中断。当ATC51知道A/D转换完成后，P20与读信号RD共同控制下的A/D端口OE电平变为高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到单片机上。

3.6 本章小结

本章主要介绍了该火灾报警系统的硬件电路设计。主要有电源模块的设计来为该系统提供适合的工作电源，单片机小系统电路包括晶振电路和复位电路，传感器的控制电路来进行烟雾和温度信号的采集并转换为电信号，声光报警电路的设计来实现报警功能，数据采集与分析电路的设计将经放大滤波处理过的温度和烟雾信号分析处理来发出报警指令。

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第4章火灾报警系统软件设计

4.1 基于Keil C51软件开发环境

本系统摒弃了传统的汇编语言而采用C语言进行程序设计。因为C语言的描述由函数组成，是一种结构化的程序设计语言，所以更容易实现模块化，而且具有可读性好，易于移植等优点，同时还有汇编语言一样的位操作功能的硬件详细控制指令[6,8]。数据结构方面，可以使用结构体和数组，能够处理复杂的数据，可用于实时处理系统。

本系统的软件编程使用的是美国Keil Software公司出品的Keil C51，是51系列兼容单片机C语言软件开发系统[7,10]。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

C51工具包的整体结构中，Vision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程[21,22]。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经C51连接定位生成绝对目标文件(ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。

4.2 火灾报警系统程序设计

为了便于系统维护和功能扩充，采用了模块化程序设计方法，系统各个模块的具体功能都是通过子程序调用实现的，既使得程序结构清晰，又便于以后进一步扩展其功能。本系统主要包括数据采集子程序、火灾判断与报警子程序等[14,22] 。为了降低误报率，系统采用了多次采集、多次判断的方法。每次数据采集后根据得到的数据对现场情况进行判断，然后综合多次判断结果做出最终的火情判断。

第4章火灾报警系统软件设计

火灾报警系统控制器上采用ATC51作为主控芯片，其主要功能包括：控制IO端口、逻辑判断处理、驱动外部电路和A/D采样等，该部分是火灾报警系统智能化的集中体现。系统程序流程图如图4-1所示。

开始初始化第一次温度烟雾信号采集第二次温度烟雾信号采集正常报警判断异常报警火灾报警复位图4-1 程序流程图

主程序是一个无限循环体，其流程是：首先在上电之后系统的各部分包括单片机输出输入端口的设置、数据存储电路、外围驱动电路等完成初始化，接下来执行火灾报警系统的数据采集程序、火灾判断、报警程序。系统初始化后，ATC51的P26和P10口为低电平，P23、P24和P25口为高电平，

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所以只有绿灯D8亮，D5、D6、D7不亮，蜂鸣器不报警。

4.2.1 数据采集程序

数据采集是火灾报警系统中的重要环节。为了降低误报率，系统设计时对温度烟雾采用了两次采集、两次判断的方法。每次采集烟雾数据后，将数据存入单片机的寄存器，然后在火灾判断程序中，将采集的数据与设定的阈值进行比较，判断现场是否发生火灾[9,15]。具体流程是：系统和程序初始化后，驱动ADC0809的IN0对温度信号进行A/D转换，单片机接受转换好的数据，存入寄存器，由INT1中断服务程序完成；系统延时10ms，驱动ADC0809的IN1对烟雾信号进行A/D转换，转换完成后存入寄存器。系统延时50ms，进行第二次烟雾信号采集，将转换好的数据存入寄存器中。单片机每次驱动A/D转换后等待外部中断1，当ADC0809的EOC端变为1时，即中断到来，说明A/D转换已经完成，通过中断服务程序读取转换得到的数据。

由于设计采用的是模块化设计，系统实现报警功能是通过调用子程序实现的。在数据采集子程序中，一次烟雾信号采集延时10ms，是让ADC0809准备好进行下一次信号转换。当系统采集2次烟雾信号后，转换好的数据存入单片机的寄存器中，系统再调用火灾判断子程序。系统烟雾信号采集程序流程图如图4-2所示。

4.2.2 火灾判断与报警

1．火灾报警数据处理方法

固定门限检测法是使用最早，且应用最广泛的火灾探测方法，优点是计算量小且易于实现，其原理是根据火灾探测器的信号幅值作为火灾报警的依据，并与固定的阈值进行比较：当信号幅值超过报警阈值时，则发出报警，否则解除报警[3,18]。设火灾传感器信号为xt，与阈值相比较信号为yt，变换函数为T，则固定门限检测可表示为：

ytTxt ，Dyt10ytSytS （4-1）

其中，Dyt1表示判定为火灾，Dyt0表示判定为非火灾，S为报警阈值[5]。

第4章火灾报警系统软件设计

开始第一次采集第二次采集采集温度信号无中断中断接收温度信号等待数据转换延迟10ms无中断延迟50ms采集烟雾信号等待数据转换中断接收烟雾信号第二次采集完毕结束图4-2 数据采集流程图

火灾报警系统中使用的是温度传感器LM94022和光电烟雾传感器，烟雾传感器输出电压V与烟雾浓度p关系为：V0.3p5.6，温度传感器使用的灵敏度是-5.5mV/℃。在本设计中报警温度设为57℃，烟雾报警浓度设为3.2%/英尺（参照市面销售的火灾报警器温度烟雾的报警临界值）。经过换算可得出温度烟雾传感器输出火灾报警临界电压值为：

V烟临4.6V ，（4-2） V温临0.72V

燕山大学本科生毕业设计（论文）

2．火灾判断与报警

系统对温度和烟雾进行了两次数据采集与判断，每次信号采集后根据得到的数据与设定的阈值比较，当温度≥57℃，温度异常，置寄存器变量a为1，否则为0；当烟雾浓度≥3.2％，烟雾浓度异常，置寄存器变量b为1，否则为0。综合两次温度烟雾信号的采集，根据温度和烟雾的寄存器变量a和b的状态，判断现场情况：2个寄存器变量均为0，表示情况正常；2个中仅有1个为1，表示情况异常；2个均为1，表示有火灾发生。系统对现场进行报警判断后，间隔15s后（通过系统的延时程序实现），再一次采集现场的温度烟雾信号进行判断，即每一次声光报警持续15s，直到系统做出下一次判断结果。

当系统状态为00时，表示正常，ATC51的P26口变成低电平，绿灯D8亮；

当系统状态为01或10时，表示异常，P25口变为低电平，P10口变为高电平，黄灯D7亮，蜂鸣器报警；

当系统状态为11时，表示发生火灾，P23口变为低电平，P10口变为高电平，红灯D5亮，蜂鸣器报警；

如果两次采集同一种信号寄存器变量不相同，说明系统出现故障，P24口变为低电平，P10口变为高电平，红灯D6亮，蜂鸣器报警。

4.3 本章小结

本章主要阐述了该火灾报警系统的软件设计，本系统摒弃了传统的汇编语言而采用C语言进行程序设计，本系统的软件编程使用的是美国Keil Software公司出品的Keil C51，是51系列兼容单片机C语言软件开发系统。本系统的软件主要以流程图的形式展开并完成了该火灾报警系统的软件流程和数据采集的软件流程，还介绍了该系统的火灾判断方法与声光报警的过程。

结论

本文设计了一种基于单片机ATC51的火灾自动报警系统，系统安全可靠，误报率低，操作方便，成本较低。本设计抛弃了传统的使用单一传感器探测报警，采用了温度传感器LM94022和光电感烟传感器相结合的多传感器探测方法，使系统灵敏度高、响应时间短，在火灾发生的早期就能准确的报警。系统使用了8位A/D转换芯片ADC0809，以通用芯片ATC51作为系统的控制器。系统在采集温度烟雾信号时，采用多次采集，多次判断的方法，降低了误报率。在系统的软件设计方面，采用了模块化程序设计方法，系统各个模块的具体功能都是通过子程序调用实现的。既使得程序结构清晰，又便于以后进一步扩展其功能，也便于系统的维护。本文完成如下工作：

1．设计了火灾报警系统的控制器。该控制器具有烟雾检测，温度检测和声光报警等功能，是一种高效低成本的基于光电感烟探测器的复合型火灾报警系统。

2．完成了火灾报警温度传感器的设计。该温度传感器采用的是LM94022实现了对被测环境温度信息的检测，其特点是辅助光电烟雾传感器的信号采集以减小误判率，使火灾判断与报警更精确。

3．完成了火灾报警烟雾传感器的设计。该传感器采用的是光电式烟雾传感器，通过对被测环境中烟雾信息的监测，判断是否有火灾发生，就其功能而言，它能实现早期火灾报警，除应用于大型建筑物内部外，还特别适用于电气火灾危险性较大的场所，如计算机房、仪器仪表室和电缆沟、隧道等处。

本文设计的火灾报警系统还存在许多需要完善和进一步研究的问题： 1．火灾报警系统判断的算法有待进一步的研究改进，应用更先进的神经网络和模糊识别等智能算法，降低系统的误报率，提高灵敏度。

2．火灾报警系统没有联网，当发生火灾时不能通过电话网络向消防指挥中心报警。

3．用户不能根据自己的需要设定火灾报警阈值。

燕山大学本科生毕业设计（论文）

参考文献

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14 Cao Hui, Huan Junnai.Circuit design and implementation for digital

temperature and Humidity measurement and control.ASIC 2001 Proceedings, 4th International Conference on, 2001:502~ 505.

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17 王立新.高层民用建筑火灾自动报警系统设计综述.有色冶金设计与研究,

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18 J.K.W.Wong, Li, S.W.Wang. Intelligent, building, research: areview.

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19 伍业映.基于C51单片机的烟雾报警器设计.安徽:安徽城市管理职业学

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20 杨振江. A/D, D/A 转换器接口技术与实用线路.西安电子科技大学出版

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21 刘焕平, 韩树新. ADC0809 与 ATC51 的一种接口方法. 石家庄师范

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22 宁久瑞, 霍月, 黄全福. 智能火灾报警系统. 电子技术应用, 19, 9: 000.

燕山大学本科生毕业设计（论文）

致谢

在毕业设计期间，我的指导老师刘永红给了我热心的指导。自始至终关心督促毕业设计进程和进度。帮助解决毕业设计中遇到的许多问题。还不断向我传授分析问题和解决问题的办法，并指出了正确的方向，使我在毕业设计过程中少走很多弯路。在我遇到困难时，给予我技术上的支持和精神上的鼓励。在此，谨向你们致以衷心的谢意！

其次，感谢我的室友和同学四年来对我学习、生活上的关心和帮助！最后，要感谢的是我的父母，他们不仅培养了我认真专注的精神，让我在漫长的人生旅途中受益匪浅，而且也为我能够顺利的完成毕业论文提供了巨大的支持与帮助。在未来的日子里，我会更加努力的学习和工作，不辜负父母对我的殷殷期望！我一定会好好孝敬和报答他们！

感谢党和国家对我的教育，感谢燕山大学里仁学院四年来对我的栽培！

附录1 开题报告

燕山大学

本科毕业设计（论文）开题报告

课题名称：基于光电感烟探测器的火灾报警系统设计学院（系）：里仁学院电气工程系年级专业： 09级检测技术及仪器2班学生姓名：张彦宾指导教师：刘永红完成日期： 2013年3月25日

一、本课题研究动态

国外一些较发达国家，具有火灾预防、报警、扑救、善后处理等比较完善的消防体系。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。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，并调度消防迅速到达现场，自动报警监控系统在此起到了很大的作用[4]。

火灾报警系统已有百年的历史，19世纪40年代美国诞生的火灾报警系统装置标志着火灾自动报警系统首次进入人们的视野。10年在英国，感温式火灾探测器研制成功并应用于火灾探测系统，标志着火灾自动报警系统的发展走上正轨。随着世界科技取得了突飞猛进的进步和各种新兴技术的出现和发展，火灾监测技术也相应迅速发展，各种类型的火灾探测器相继问世，并日臻完善，火灾自动报警系统也在此基础上逐渐蓬勃发展起来，其发展过程可以分为以下几个阶段[5]：

第一阶段从19世纪40年代至20世纪40年代，火灾报警系统处于发展的初级阶段，采用的探测器主要是感温式探测器[5]，它通过采集温度信号，然后判定是否超过设定的阀值，从而判断是否由火灾发生。

第二阶段20世纪40年代末，瑞士物理学家Emst Meili研究的离子感烟探测器推出以后，引起了人民对离子感烟探测器的重视，随后感烟探测器得到广泛应用，并逐渐占据了绝大部分市场，到70年代末，光电式感烟探测器在光电技术的基础上发展起来，并很快得到大力发展，它的使用寿命长，抗干扰能力强，没有离子感烟探测器的放射性问题。在这一阶段，火灾报警系统普遍采用多线制布局方式，布线、调试、系统可靠性是系统发展的瓶颈。

第三阶段 20世纪80年代初期总线型火灾报警系统兴起，在火灾报警领域中迈出了一大步，并得到了较普遍的应用。

第四阶段，从20世纪80年代中后期开始随着计算机技术、控制技术、集成电路技术、传感器技术及智能技术的快速发展，火灾自动报警系统步入智能化时代智能化火灾报警系统迅速发展起来，各种智能型的火灾报警系统相继出现。模拟量可寻址技术的应用使得火灾报警系统的安全性、精准性和智能性有了很大提高，在火灾自动报警系统发展史上具有里程碑的意义。

近年来，采用无线通信方式的火灾自动报警系统在国外悄然兴起。这种

系统引入了无线电通信技术，利用无线通信方式代替传统的有线通信方式，将大多的电气装置通过无线连接方式进行信息传输与控制，适用于各类建筑和场所。起初仅用于特殊场合，如博物馆、名胜古迹等不宜布线的场合，而且其价格也比较高。随着科技进步和元器件成本的降低，其研发和生成成本也随之降低，它在性能和价格上都具有很强的竞争力，其市场潜力已经崭露头角。

在我国，采用的无线通信方式的火灾自动报警系统日益受到重视。由于其具有安装简便、对建筑物无损坏作业、灵活性好、易于扩展等优点，适用于许多场合，如名胜古迹、博物馆、处于施工阶段的建筑物、医院等。火灾自动报警系统的智能性主要体现在火灾判决和统筹管理方面，一般分为分散式、集中式和分布式、分散式系统由非智能型控制器若干智能型探测节点组成，由探测节点完成火灾状态的判断，集中式系统由智能型控制器和若干非智能探测节点构成，探测节点仅将火灾参量传送给控制器，由控制器智能地判断火灾状态，分布式系统的控制器和探测节点均为智能型，也是今后火灾自动报警系统的发展方向。二、选题依据及意义

随着社会和经济的发展，火灾防不胜防，防火工作也就越来越重要。据美国消防学会统计，最近十多年中，安装自动消防设施的建筑中发生火灾，消防设施的有效率高达96.1%，确实起到了保证建筑物消防安全的作用。这是因为火灾自动报警系统能够及时将火灾迹象通知用户及有关管理人员，以便他们准备疏散或组织灭火，延长了建筑物可供疏散的时间并通过联动系统启动其他消防设施。所以，设计一种能够在火灾刚刚发生时或者有可燃气体堆积引起的火灾隐患时就能报警的报警器就能使人们能够及时发现火灾，并及时采取有效措施，最大限度的减少或消除因火灾造成的生命危害和财产的损失，是人们同火灾做斗争的有力工具[4][17]。三、研究的基本内容

火灾报警系统一般由火灾探测器、报警器组成。火灾探测器通过对火灾发出的物理、化学现象——气（燃烧气体）、烟（烟雾粒子）、热（温度）、光（火焰）的探测，将探测到的火情信号转化成火警电信号传递给火灾报警控制器。报警器将接收到火警信号后经分析处理发出报警信号[14]。整体电

路的框图如图3-1所示

传感器放大电路 A/D转换状态指示灯声光报警浓度显示单片机串口通信按键图3-1 系统原理及组成框图

本系统采用ATMEL公司的ATC51单片机[1]作为处理器设计了一种智能火灾报警器，主要包括：信号采集及前置放大电路、模数转换电路、单片机控制电路、字符显示电路、声光报警电路和安全保护电路等部分组成可以实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信[8]等功能。是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的火灾报警器[12]，具有一定的实用价值。模块介绍

传感器：光电式感烟传感器、温度传感器[13]。

放大电路：由于传感器输出的模拟信号比较微弱，且含有干扰信号，所以系统需要将信号进行放大、过滤。相应的模拟电压由LM324A[15]进行放大处理[18]。

A/D转换：A/D转换电路采用了常用的8位8通道数模转换专用芯片ADC0809。

单片机：目前市面上使用的比较普遍的51系列单片机是ATC51，是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机。

状态指示灯：采用耐用低功耗的LED灯。

声光报警：当可燃性气体浓度或温度超过限定值时，扬声器发出鸣叫报

警；状态指示灯显示状态实现光报警。

数码管显示：本系统显示用的4位七段数码管由数码管专用驱动芯片ICM7218A驱动[15]。

按键：控制键电路采用式按键设计，主要是对系统进行功能设置和消除报警[15]。系统的工作原理

单片机是整个报警系统的核心，先通过传感器 (包括温感和烟感)将现场温度、烟雾等非电信号转化为电信号，调理电路将传感器输出的电信号进行调理(放大、滤波等)，使之满足A /D转换的要求，最后由A /D转换电路。完成将温度传感器和烟雾传感器输出的模拟信号到数字信号的转换，单片机判断现场是否发生火灾。如果发生火灾，系统以声光的形式报警。四、拟解决的主要问题

1．在数据采集模块中可能会因气流、环境温度、湿度等因素使数据采集不准确造成误报，所以要了解传感器的原理来正确选择，以减小误报率[4]。 2．由于传感器输出的模拟信号比较微弱，且含有干扰信号，所以系统需要将信号进行放大、过滤[2]。对于传感器输出的模拟信号，一般要用运算放大器对其进行调理或放大，以满足A/D转换器对输入模拟量幅值及极性要求。 3．当系统报警器发生故障时会产生误报或错报，所以在系统设计中设计报警器故障自诊断电路当系统出现硬件故障时，能发出故障报警信号[12]。 4．学习使用Keil C51软件正确对软件算法流程实现。

5．单片机系统的复位方式有[1]：手动按钮复位和上电复位。单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作，所以要根据系统总体要求正确选择复位方式。五、研究方法、步骤及措施 1．研究方法

设计一个简单高效的火灾报警系统，首先，要清楚其应用的领域及功能。其次，要知道各部分硬件电路的作用，工作原理及联系。第三，根据各部分的工作原理分析确定设计方案，进行系统硬件结构设计及软件系统设计。第四，软件的调试与实验，减小错报和误报率[5]。

本系统的软件编程使用的是美国Keil Software公司出品的Keil C51，是

51系列兼容单片机C语言软件开发系统[8]。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 2．具体步骤与措施

1．首先熟悉基于单片机的火灾报警系统的相关内容，了解早期的火灾报警系统；

2．通过查阅相关的资料并对单片机及光电感烟探测器的知识进行进一步的了解；

3．完成感烟探测器探头设计及信号处理系统设计，完成系统硬件系统设计及其软件算法流程；

4．软件的调试与实验，减小错报和误报率；

6．对系统提出自己的见解，并初步提出修改，使该系统更简单高效； 7．最后完成论文，准备答辩。六、研究工作进度

1．第1—4周：检索有关书籍、资料，完成开题报告、文献综述； 2．第5—8周：分析确定设计方案，进行系统结构设计；

3．第9—10周：撰写论文初稿，完成系统硬件电路设计，绘制原理图； 4．第11—12周：整个系统软件设计，测试系统；

5．第13—14周：文字录入，排版，绘图，论文整理及修改； 6．第15—16周：修改论文，准备答辩。

七、主要参考文献

1 何利民.单片机高级教程[M].北京:航空航天大学出版社,2006:15-30. 2 李晓莹.传感器与测试技术[M].北京:高等教育出版社,2004:103-150. 3 Meng Joo Er, WU Shiqian,LU Juwei,etal. FaceRecognition with RadialBasis

Function (RBF) Neural Networks[J].IEEE Transactions,2002,144(32). 4 何延治,杨海荣.火灾危险性评估在建筑防火设计中的应用[J].建筑设计管

理,2006,16(33).

5 谢望.烟雾传感器技术的现状和发展趋势.仪器仪表用户, 2006:36-50. 6 蔡朝洋.单片机控制实习与专题制作[M].北京航空航天大学出版

社,2006:56-60.

7 张毅刚,彭喜源,谭晓昀等.MSC-51单片机应用设计[M].哈尔滨:哈尔滨工

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8 周坚.单片机C语言轻松入门[M].北京:北京航空航天大学出版

社,2006:39-50.

9 李全利,迟荣强.单片机原理及接口技术[M].北京高等教育出版

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10 梅丽凤,王艳秋.单片机原理及接口技术(修订本)[M].北京清华大学出版

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11 张玉莲.传感器与自动检测技术[M].北京:机械工业出版社, 2010:99-120. 12 陈颖.基于C8051F单片机的火灾智能报警控制系统的设计.大连海事大

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13 张佳薇,孙丽萍,宋文龙.传感器原理与应用[M].哈尔滨:东北林业大学出版

社,2003.

14 伍业映.基于C51单片机的烟雾报警器设计[D].安徽:安徽城市管理职业

学院,2010.

15 谢自美.电子线路设计·实验·测试[M].武汉:华中科技大学出版社, 2000:

92-97.

16 张毅刚.新编MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学

社,2008: 1

八、指导教师意见

指导教师签字：

年月日

九、系级教学单位审核意见：

审查结果： □ 通过 □ 完善后通过 □ 未通过

负责人签字：

年月日

附录2 文献综述

燕山大学

本科毕业设计（论文）文献综述

一、课题国内外现状

国外一些较发达国家，具有火灾预防、报警、扑救、善后处理等比较完

善的消防体系。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。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，并调度消防迅速到达现场，自动报警监控系统在此起到了很大的作用[4]。

第一阶段从19世纪40年代至20世纪40年代，火灾报警系统处于发展的初级阶段，采用个探测器主要是感温式探测器，它通过采集温度信号，然后判定是否超过设定的阀值，从而判断是否由火灾发生。

第三阶段 20世纪80年代初期总线型火灾报警系统兴起，在火灾报警领域中迈出了一大步，并得到了较普遍的应用。

第四阶段从20世纪80年代中后期开始随着计算机技术、控制技术、集成电路技术、传感器技术及智能技术的快速发展，火灾自动报警系统步入智能化时代智能化火灾报警系统迅速发展起来，各种智能型的火灾报警系统相继出现。模拟量可寻址技术的应用使得火灾报警系统的安全性、精准性和智能性有了很大提高，在火灾自动报警系统发展史上具有里程碑的意义。

近年来，采用无线通信方式的火灾自动报警系统在国外悄然兴起。这种

火灾探测器发展到现在己经有了一百多年的历史，从19世纪40年代到20世纪40年代的一白年间，感温探测器一直占据着主导地位，但也只是处于初级阶段。在这期间逐渐出现了定温探测器、差温探测器和差定温组合式探测器。20世纪50年代至70年代期间，出现了感烟火灾探测器。80年代后期，总线制火灾探测器开始兴起，其后又出现了模拟量可寻址技术，给火灾探测技术注入了新的活力，为火灾探测的智能化发展奠定了良好的基础。到90年代开始倡导极早期火灾智能报警系统，它能在火灾发生初期对火灾进行识别并发出报警信号，将火灾抑制在萌芽状态。如今又发展起来的许多新型的火灾探测器，对于火灾探测也越来越准确可靠。探测方式不同，可大致将它们划分为：点型探测器[5][14]（以探测器为中心点对周围火灾参数进行响应的火灾探测器。目前大部分的火灾探测器属于点型火灾探测器）线型火灾探测器（这种火灾探测器形成一个连续的线路，并对这一连续线路周围的火灾参数进行响应）。

根据火灾报警系统中所使用的探测器种类[5]的不同，火灾报警系统可以分为以下四种：

（1）感温型火灾报警系统

(2)感烟型火灾报警系统

烟雾是早期火灾的重要特征之一。在火灾发生的初期，由于温度比较低，许多物质都处于阴燃阶段，产生大量的烟雾。感烟型火灾报警系统就是对空气中可见或不可见的烟雾粒子进行探测，然后将烟雾浓度的变化转换为电信号来触发报警。感烟型火灾报警系统主要有激光感烟式、光电感烟式和离子感烟式等。

（3）感光型火灾报警系统

物质燃烧不但会产生烟雾和热量，同时也会产生可见或不可见的光辐射。感光型火灾报警系统就是通过响应火灾中产生的光特性，即扩散火焰的光强度和闪烁频率，来触发报警系统的。根据感应的敏感波长，可以将感光型火灾报警系统分为对波长较短的光辐射敏感的紫外报警系统和对波长较长的光辐射敏感的红外报警系统。

（4）复合型火灾报警系统

如果报警系统同时对温度、烟雾和光辐射中的两种或两种以上参数做出响应，那么它就是复合型火灾报警系统。目前复合型火灾报警系统有感温感烟型、感烟感光型、感温感光型等多种形式。

烟雾传感器种类繁多，从检测原理上可分为三大类[13]：

（1）利用物理化学性质的烟雾传感器：如半导体烟雾传感器、接触燃烧烟雾传感器等。

（2）利用物理性质的烟雾传感器：如热导烟雾传感器、光干涉传感器、红外传感器等。

（3）利用电化学性质的烟雾传感器：如电流型烟雾传感器、电势型气

体传感器等。三、发展趋势

针对当前火灾自动报警系统存在的误报漏报频繁、智能化和网络化程度低、特殊恶劣条件下火灾探测报警抗干扰能力弱等问题，新技术、新工艺、新材料和新设备的应用研究势在必行，火灾自动报警技术向高可靠性、高灵敏性、低误报率、系统网络化、技术智能化方向发展是一种必然的趋势。当前，国外火灾自动报警应用技术的发展趋势主要表现为七个方面[5]：

1、网络化 2、智能化 3、多样化 4、小型化 5、社区化

6、蓝牙技术无线化 7、高灵敏化四、存在不足

虽然该系统融合了计算机技术、控制技术、集成电路技术、传感器技术及智能技术，但是在不少的不足。由于电源的波动，传感器的电气特性等问题，使得A/D转换结果有时波动很大，这样就可能出现误报警。由于时间的关系，统中本应具有的串行通信的功能没有实现，只是实现了烟雾浓度、温度显示。由于上述缺点的存在，此系统不是很完善，有待进一步改进[5]。

五、参考文献

1 何利民.单片机高级教程[M].北京:航空航天大学出版社,2006:13-25. 2 李晓莹.传感器与测试技术[M].北京:高等教育出版社,2004:160-200. 3 Meng Joo Er, WU Shiqian,LU Juwei,etal. FaceRecognition with RadialBasis

Function (RBF) Neural Networks[J].IEEE Transactions,2002,144(32). 4 何延治,杨海荣.火灾危险性评估在建筑防火设计中的应用[J].建筑设计管

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5 谢望.烟雾传感器技术的现状和发展趋势.仪器仪表用户, 2006,60(36). 6 蔡朝洋.单片机控制实习与专题制作[M].北京航空航天大学出版

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7 张毅刚,彭喜源,谭晓昀等.MSC-51单片机应用设计[M].哈尔滨:哈尔滨工

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8 周坚.单片机C语言轻松入门[M].北京:北京航空航天大学出版

社,2006:100-120.

9 李全利,迟荣强.单片机原理及接口技术[M].北京:高等教育出版

社,2004:106-150.

10 梅丽凤,王艳秋.单片机原理及接口技术(修订本)[M].北京清华大学出版

社北京交通大学出版社,2006250-300.

11 张玉莲.传感器与自动检测技术[M].北京:机械工业出版社, 2010:150-180. 12 王桂荣.传感器原理及应用[M].北京:中国电力出版社,2010:210-236. 13 张佳薇,孙丽萍,宋文龙.传感器原理与应用[M].哈尔滨:东北林业大学出版

社,2003(30).

14 伍业映.基于C51单片机的烟雾报警器设计[D].安徽:安徽城市管理职业

学院,2010(55).

15 谢自美.电子线路设计·实验·测试[M].武汉:华中科技大学出版社, 2000:

92-97.

16 王立新.高层民用建筑火灾自动报警系统设计综述[J].有色冶金设计与研

究, 1999(15).

指导教师审阅签字：

年月日

附录3 中期报告

燕山大学

本科毕业设计（论文）中期报告

课题名称：基于光电感烟探测器的火灾报警系统设计学院（系）：里仁学院电气工程系年级专业： 09级检测技术及仪器2班学生姓名：张彦宾指导教师：刘永红完成日期： 2013年5月8日

一、论文进展

1.1时至毕业设计中期，按开题报告中的要求，已完成的工作内容为： 1．通过自己对单片机和光电感烟探测器的学习，以及自主查阅资料和文献的过程中，了解了火灾报警系统的发展动态种类和主要组成。

2．原理：单片机是整个报警系统的核心，先通过传感器 (包括温感和烟感)将现场温度、烟雾等非电信号转化为电信号，调理电路将传感器输出的电信号进行调理(放大、滤波等)，使之满足A /D转换的要求，最后由A /D转换电路完成将温度传感器和烟雾传感器输出的模拟信号到数字信号的转换，单片机判断现场是否发生火灾。如果发生火灾，系统以声光的形式报警。 3．了解了光电感烟探测器的的结构及工作原理，及部分主要器件选型和电路模块的设计主要有信号采集和数据采集处理电路。安装并学习使用51系列兼容单片机C语言软件开发系统keilC51和Protel2004。 4．另外，我还翻译了一篇关于关于火灾探测器的外文文献。 1.2未完成及接下来的的工作内容为：

1．声光报警电路和晶振复位模块的器件选型及设计

2．此报警系统的软件流程实现二、具体实施方案

2.1论文中期过程中，我查阅了大量参考文献，主要阅读了以下几篇： 1．伍业映.基于C51单片机的烟雾报警器设计[D].安徽:安徽城市管理职业学院，2010.

2．何利民.单片机高级教程[M].北京:航空航天大学出版社，2006:15-30. 3．王立新.高层民用建筑火灾自动报警系统设计综述[J].有色冶金设计与研究，1999.

4．陈颖.基于C8051单片机的火灾智能报警控制系统的设计.大连海事大学，2007(25).

5．Fire detection using smoke and gas sensors.Shin-Juh Chena，David C.Hovdeb，Kristen A.Petersona，Andre′W.Marshallc

2.2 论文大体设计思路为：

1．首先熟悉基于单片机的火灾报警系统的相关内容，了解早期的火灾报警系统；

2．通过查阅相关的资料并对单片机及光电感烟探测器的知识进行进一步的了解；

3．完成感烟探测器探头设计及信号处理系统设计，完成系统硬件系统设计及其软件算法流程；

4．软件的调试与实验，减小错报和误报率；

6．对系统提出自己的见解，并初步提出修改，使该系统更简单高效； 7．最后完成论文，准备答辩。 2.3具体流程

火灾报警系统一般由火灾探测器、报警器组成。火灾探测器通过对火灾发出的物理、化学现象——气（燃烧气体）、烟（烟雾粒子）、热（温度）、光（火焰）的探测，将探测到的火情信号转化成火警电信号传递给火灾报警控制器。报警器将接收到火警信号后经分析处理发出报警信号。整体电路的框图如图2-1所示。传感器放大电路 A/D转换单片机状态指示灯声光报警串口通信图2-1 系统原理及组成框图

按键本系统采用ATMEL公司的ATC51单片机作为处理器设计了一种智

能火灾报警器，主要包括：信号采集及前置放大电路、模数转换电路、单片机控制电路、声光报警电路和安全保护电路等部分组成。本火灾自动报警系统具有以下功能： (1)声、光双重报警功能。

(2)系统故障报警功能。当系统出现硬件故障时，能发出故障报警信号。 (3)异常报警功能。当环境出现异常（烟雾和温度同时出现异常）时，能发出异常报警信号，引起人们注意，尽可能避免火灾的发生。

(4)火灾报警功能。一旦真出现火灾时（如烟雾浓度过大或是温度较高），能立即发出声光火灾警报。三、中期主要工作成果 3.1传感器的选择烟雾传感器

光电感烟探测器也是点型探测器，点型光电感烟探测器是利用烟粒子散射和吸收光原理工作的，主要有两种形式：散射光型光电感烟探测器和减光型光电感烟探测器的。

散射光型光电感烟探测器基本光路示意图如图3-1示光源光轴和光电接收器成特定角度，在无烟粒子时光电接受器件接受不到光源发出的光；烟粒子进入探测室（光学暗室、迷宫）后，探测器光源发出的光线接受到烟的散射，在一定角度内光电接收器件才能接收散射光，产生有用电信号。

物质燃烧会产生烟雾和有害气体。在阴燃阶段会产生大量的烟雾颗粒和一氧化碳等大量有害气体。烟雾颗粒的大小( 以直径计) 一般在0. 01～9µm 之间。这些烟雾颗粒分布界面极大，性质也不稳定，容易使光产生散射。当烟尘颗粒直径在0. 5～1µm 之间时，散射符合汤姆森散射。

根据瑞利散射理论，空气中的烟雾颗粒可以近似看成一个微小的圆球，

2这时的瑞利比( 散射能力) 为：R()KVsph(0s)2s2(U)

R3式中：s2(U)3(SinUUCosU) 为散射函数；U4SSin；

2U为散射角；Vsph为圆球的体积；K为散射测量中RS为圆球半径；为波长；的物理常数；0s为反差因子。

由上式可以看到散射能力与圆球体积平方成正比，因此从这方面来说，烟雾较大的颗粒比较小的颗粒散射能力要大得多。然而必须注意散射能力也

R2依赖散射函数s(U)。同时上式还与S和有关，因而当球（烟雾颗粒）较

R大而s较大时，随着散射角的增大，函数s2(U)下降较大；球小时，情

如图3-1所示在一个不受外界光线影响。但烟雾可以进出的光敏室中装有红外发光元件光源)和红外受光元件(光敏器件)。在两者之间加上遮光部件，且之间形成角度以避免受光元件直接接收发光元件发出的光线。用砷化镓(GaAs)红外二极管作为发光元件。选择光谱范围在0. 54～0. 95µm之间。光敏管采用硅( Si)光电池。接受光谱取在0. 5～1. 2µm 之间。根据瑞利散射学说当烟雾颗粒直径小于光源波长时。散射光强同波长的四次方成反比。当光敏室无烟雾颗粒时散光极微弱。当火灾阴燃阶段，烟雾颗粒进入光敏室，红外光源（发光元件）发射的在烟雾颗粒上产生散射。光敏二极管（受光元件）发生阻抗变化产生光电流。当无烟雾颗粒进入光敏室时，受光元件不产生光电流，这就实现了将烟雾信号转变为电信号的物理基础。

图3-1 光电感烟探测器光路图

温度传感器

温度探测器使用的是美国国家半导体公司生产的集成温度传感器LM94022，该传感器属于高精度模拟输出CMOS温度传感器，不仅工作电压低、静态电流小和输出功率极低，而且能与模数转换器(ADC)配合使用。其主要特性如下：(1)工作电压低，可在1.5V电压下工作；且工作电压范围宽，为1.5—5.5V；(2)静态电流小，典型值为5．41μA；(3)末级为推挽输出，输出电压与感测的温度成反比，确保芯片即使在较高的温度范围内仍可保持极高的灵敏度；(4)可提供4个不同增益让用户自行选择，其中包括-5.5mV/℃ 、-8.2 mV /℃ 、-10.9mV /℃及-13.6mV /℃；(5)温度范围宽，可以监控由-50℃至150℃范围内的温度；(6)设计灵活、功率极低，采用极小巧的SC70封装，大小与美国半导体的标准型号LM20温度传感完全相同。LM94022的管脚排列如图3-2。

图3-2 LM94022管脚排列

当给LM94022的灵敏度选择输入端GS0、GS1施加不同电平时，有4种不同的灵敏度供用户选择，如表3-1所示(由于输出电压随温度升高而下降，其灵敏度为负值)。用户可根据测温的范围及接口电路的工作电压的条件来合理选择要求高电平大于(VDD-0.5V) ；低电平小于0.5V。

表3-1 LM94022的4种灵敏度

GS0 0 0 1 1 GS1 0 1 0 1 灵敏度典型值(mV/℃) -5.5 -8.2 -10.9 -13.6 3.2信号采集模块

由于传感器输出的模拟信号比较微弱，且含有干扰信号，所以系统需要将信号进行放大和滤波。如图3-3采集模块的流程图。

传感器放大电路LM324 调理滤波图3-3 采集模块流程图

电路设计中要求高输入低输出，故放大电路、滤波电路的前置电阻R4、R8的阻值设为10K。由于运放LM324的输入级是差动放大电路，要求两端输入回路参数对称，即RNRP，RNR1//RF，故R5R4//R6，R58.3K如图3-4示。依据运算放大器“虚短”、“虚断”特性，有u倍数为：

Auf

u。电压放大

RRF6，Auf5 R4R4

图3-4 温度信号调理电路

3.3数据采集处理电路

本设计中的A/D使用的是通用8位芯片ADC0809，烟雾、温度传感器的输出端经过放大电路后分别接到ADC0809的IN0和IN1。ADC0809的通道选择地址由C51的P0.0～P0.2经地址锁存器74LS373输出提供。芯片的几个重要管脚功能如下：

ALE：地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0-IN7上的一路模拟量输入当P2.0=0时，与写信号WR共同选通ADC0809。

START：转换启动信号，当START上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，START应保持低电平。

EOC：转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。

由于本设计中数模转换芯片使用的是ADC0809，其工作的时钟信号为500KHz，因其内部没有时钟电路，时钟信号由外部C51的ALE端口提供。系统C51与ADC0809接口电路如图3-5所示。

图3-5 C51与ADC0809接口电路

当C51的ALE端口不访问外部存储器时，C51的ALE端以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，故晶振设定12MKz，再经过二分频电路，单片机即可向ADC0809输出500KHz的时钟信号。二分频电路由D触发器实现，R、S端接地，D接Q非，Q端作为输出端，CLK接C51的ALE端。D触发器的特性方程为

n1QD （3-1）

由于当CP=1时，D触发器有效；CP=0时，触发器保持原来状态。故D触发器能实现对ALE端口的信号二分频。由于本火灾报警系统只采集温度、烟雾信号，经过调理的温度、烟雾信号分别进入ADC0809的IN-0和IN-1端口，其余输入引脚接地，8个数字量输出引脚接C51的P0口。单片机的P0口接受ADC0809传输来8位数字量，向A/D输出的8位地址经地址锁存器74LS373锁存，选择低3位地址作为A/D的通道选通地址。ADC0809通道选通如表3-2。

表3-2 ADC0809通道选通 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 通入通道 A B C IN0 0 0 0 IN6 1 1 0 IN7 1 1 1 本设计使用74LS373作为地址锁存器，当三态允许控制端OE为低电平时，输出端Q0~Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，Q0~Q7呈高阻态，既不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。图中三态允许控制端OE接地，表示三态门一直打开。锁存允许端LE为高电平时，输出端Q0~Q7 状态与输入端D0~D7状态相同；当LE由―1‖变为―0‖时，数据输入锁存器中。LE端接至单片机的地址锁存允许ALE端。当P20=0时，与写信号WR共同选通ADC0809。图中ALE信号与START信号连在一起，在WR信号的前沿写入地址信号，在其后沿启动转换。当ALE端口变为高电平，将74LS373输出端的低3位地址存入A/D的地址锁存器中，此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将A/D内的寄存器清零，下降沿启动 A/D转换，之后EOC端变成低电平，指示转换正在进行。例如，输出地址F8H可选通通道IN0，实现对温度传感器输出的模拟量进行转换；输出地址F9H可选通通道IN1，实现对烟雾传感器输出的模拟量进行转换。ADC0809的转换结束状态信号EOC接到C51的INT1引脚，当A/D转换完成后，EOC变为高电平，表示转换结束，结果数据已存入锁存器，并产生产生中断。当C51知道A/D转换完成后，P20与读信号RD共同控制下的A/D端口OE电平变为高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到单片机上。四、遇到的问题及解决方法

4.1毕业设计中期过程中，遇到的问题主要有以下几个方面：

1．在数据采集模块中可能会因气流、环境温度、湿度等因素使数据采集不准确造成误报

2．传感器输出的模拟信号比较微弱，且含有干扰信号

3．当系统报警器发生故障时会产生误报或错报，需要克服这一状况 4．Keil C51软件的使用和正确对软件算法流程实现 4.2对上述问题的解决

1．要了解比较常用传感器的原理来正确选择，以减小误报率

2．对于传感器输出的模拟信号，一般要用运算放大器对其进行调理或放大，以满足A/D转换器对输入模拟量幅值及极性要求

3．在系统设计中设计报警器故障自诊断电路当系统出现硬件故障时，能发出故障报警信号

4．对于软件的使用问题，我从网上下载软件并安装，然后又下载了相关的视频教程，慢慢对KeilC51有所认识。五、毕业设计工作安排

1．第1—4周：检索有关书籍、资料，完成开题报告、文献综述； 2．第5—8周：分析确定设计方案，进行系统结构设计；

3．第9—10周：撰写论文初稿，完成系统硬件电路设计，绘制原理图； 4．第11—12周：整个系统软件设计，测试系统；

5．第13—14周：文字录入，排版，绘图，论文整理及修改； 6．第15—16周：修改论文，准备答辩。六、意见与建议

毫无疑问，刘永红老师给我的帮助非常大，他为我的设计提供了具体的思路，我才能够具体地将设计开展。由于毕业设计是一个对时间能力要求比较高任务，因此我希望我以后能够有机会多进入实验室来增加自己动手的机会。

对我自己来说，毕业设计是一个难得的锻炼机会，无论查阅资料，汇总知识，上机处理，撰写论文，都是对我很好的锻炼，我会好好珍惜这个机会，为自己的大学生涯画上一个的句号。

七、指导教师意见

指导教师签字：

年月日

八、系级教学单位审核意见：

审查结果： □ 通过 □ 完善后通过 □ 未通过

负责人签字：

年月日

附录4 外文翻译

燕山大学

本科毕业设计（论文）外文翻译

课题名称：基于光电感烟探测器的火灾报警系统设计学院（系）：里仁学院电气工程系年级专业： 09级检测技术与仪器2班学生姓名：张彦宾指导教师：刘永红完成日期： 2013年5月8日

外文原文

外文译文

火灾探测使用的烟雾和气体传感器

新助切纳，大卫C. Hovdeb，A. Petersona克里斯汀·安德烈·Marshallc 西南科技公司，帕切科街1570号，新墨西哥圣达菲套房E-11，87505，USA 西南科技公司，6837大街，辛辛那提，OH45244，USA 消防工程，马里兰大学学院公园，MD20742-3031，USA

2005年10月25日收到，在修订后的2007年1月17日收到，2007年1月25日接受2007年3月26日可用

摘要

目前位于飞机货舱的火警探测系统仅基于烟雾探测器。在美国注册的飞机他们每年产生约200个误报。误报警数量越来越多随着更多的飞机配备烟雾探测器和空中旅行的扩大。此外，飞机在火灾情况下的生存能力取决于早期火灾的探测。一个火灾检测系统在同时测量一氧化碳，二氧化碳，和烟雾的基础上开发。黑烟和一氧化碳或二氧化碳浓度的上升率的组合提供了一个潜在的火灾报警器算法来增加飞机烟雾探测器的可靠性，以减少时间报警。火灾探测与报警系统算法结合检测到火灾不用烟雾传感器报警，与独自作用的烟雾传感器相比能在较短的时间报警。 2007年Elsevier公司保留所有权利。

关键词：火灾探测器、气体传感器、烟雾、一氧化碳、二氧化碳、上升率、报警算法滋扰源、消防签名、飞机货 1．简介

目前的飞机货舱的火灾探测系统主要是烟雾探测器。现有烟探测器在飞机上从来不会绝对的准确报警。误报率，定义为在货物没有验证的烟雾车厢报警百分比，最高达99％。虚惊一场的事件成本估计在$30，000和$50，000元[1]。此外，还有安全问题与假报警。不幸的是，通常是一场虚惊的原因不知道。条例规定发出声音报警后一分钟内发生火灾条件。因明火产生烟雾或结构的损坏而影响飞行员控制飞机，飞行员可能降落前大约只有10或15

分钟。减少报警时间，将使飞行员在火灾较早的阶段得到抑制，并允许更多的时间来安全降落飞机。

先前火灾探测算法使用的数据来自传感器、温度、烟雾和燃烧产物的部分化学物种包括氧气（O2）、碳一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、水蒸汽（H 2 O）、氰化氢（HCN）、乙炔（C2H2）、氧化氮（NO）。简单的火灾报警算法是基于最大值上升率的阈值，它们来自多个传感器的组合。报警算法基于阈值的值是高度敏感的信号偏移（由于背景浓度波动或缓慢漂移校准）时，需求高精确度测量，准确和频繁的校准要求。为了弥补这些不足之处，阈值适应不断变化的条件下的值基于环境之间的比较在一个时间的滑动窗口的预测值和测量值[2]。在CO2和CO的上升率被用来确定燃烧和非燃烧的火焰，并对商业烟雾探测器进行了比较 [3]。表明火灾报警算法[4]，相比使用CO2和烟[5]，使用CO和烟雾会减少滋扰报警和响应时间。基于概率神经网络来评估电离和光电探测器，CO和CO2传感器采用幅度和斜率信息，背景减法的火灾报警算法 [6]。燃烧着的火焰被正确识别，但阴燃火灾是有问题的。火灾探测系统具有多标准报警算法和多分量传感器系统的潜力，以减少个别火灾探测器产生误报，减少确实存在火灾的报警时间。

这里描述一个潜在的方法来减少或消除飞机烟雾探测器单独运行所产生的误报和缩短报警时间。火灾探测系统相结合的同时测量的烟雾、一氧化碳、和二氧化碳。一个简单的

火灾报警率算法的基础上增加了这三部分，开发和使用火测试评估可燃材料，液体燃料和滋扰源。 2．实验方法

实验数据测试火灾报警算法与商业飞机探测器比较其性能是在美国马里兰大学获得。如图1显示了消防测试设备，这是一个2.2米高的砖房间，尺寸是41.4米，不通风直到每个消防测试完成。使用一个真空泵和流量控制器，从天花板上提取的燃烧产物通过一个3米长的管。通过烟感探测器探测的气体流量，5毫米的颗粒过滤器，气体测量的路径。对于每个防火测试，气体感测系统提供的CO、CO2和烟的浓度都反映使用商业飞机烟雾探测器。

图1 防火测试设施示意图

烟雾探测器，基于光的散射方法，是用来测量烟尘浓度这是报道在伏特(V)每秒一次通过的一个模拟输出。烟雾探测器报警的出厂设置为在火灾情况下为5V（阈值）相对应的每米衰减至15％。噪声水平从实验数据获得的，平均时间为10秒情况下为0.2mV。烟雾传感器报警时，模拟输出信号超过或等于阈值。在这里描述的火灾报警器的算法，输出电压信号被连续记录计算增加的速率并在算法中使用的。CO和CO2的检测是通过使用基于二极管激光器吸收光谱，由激光模块、铟镓砷光电二极管、气体测量路径和一个基准单元。光学装置如图2激光束被分成两路，由商用光纤分路器：一根光纤指示90％的光进气测量路径（即多个通电池）到InGaAs光电二极管检测器的程序，而其他纤维的将10％的光通过一个10厘米长的引用的单元格，在15千帕，到另一个包含纯COInGaAs光电二极管用于自检的激光操作（即行锁定）。赫里奥特型多通光学[7]是需要获得所要求的灵敏度约5份每百万（PPM）对于CO。20米的总光路长度实现了与32个激光点在一个圆形的图案在每个直径为5厘米的反射镜，两个反射镜分开31.9厘米。

图2 二极管激光为基础的二氧化碳和一氧化碳的检测光学装置

激光模块是一个分布式反馈（DFB）激光二极管工作在标称室温波长为1565.5 nm。激光被稳定在32度。使用一个热电冷却器访问1566.6 nm附近的CO和CO2的吸收线。图3示出了HITRAN数据库这两种气体的基础上计算出的光谱[8]。两个吸收线的访问扫描（通过激光电流）只有不到一个波数（例如1厘米），在DFB激光器的调谐范围之内，并超过1/3厘米的覆盖重叠区域。

为了提高测量的灵敏度，标准波长调制技术[9，10]的实施。调制频率，楼是250千赫，和解调后的信号在该频率的两倍，给出了一个类似的直接吸收光谱的二阶导数的线形。Spectra是通过抬高收购超过1波数在1 kHz激光电流，平均1秒。为50ppm的CO和1％CO2的谱获取最初以确定适当的最小二乘法拟合基函数。通过最小二乘法拟合测得的2f的光谱测量路径中的CO和CO2的浓度被发现到一个模型，其中包括一个二次背景和光谱的CO和CO2，一共有5个拟合参数。测量路径中的压力和温度，以及需要以获得定量测量。

图3 HITRAN计算出CO和CO2的吸收线数据库

3．火灾报警算法

开发一个合适的火灾报警算法的候选参数包括主要物种（如一氧化碳，二氧化碳），小品种（如HCN，C2H2，NO），和烟雾的浓度。首次甲苯，庚烷，甲醇，报纸，压克力板材和木材燃烧测试被用来评估。初始燃烧测试的甲苯、庚烷、甲醇、报纸、丙烯酸床单，和木头被用来定位潜在的公司，二氧化碳、HCN，C2H2为指标的火灾事件。浓烈的CO和CO2签名检测分别在冒烟，燃烧的大火。弱C2H2签名检测一个短的时间，没有HCN签名的检测是通过仪器。根据这些测量，只有集中一氧化碳，二氧化碳和烟用作参数的火灾报警算法。本文中的算法使用烟雾浓度，CO和CO2浓度的时间导数。图4示出了该算法的决策树。最初，烟雾浓度的增加速度不断检查、核对。如果其上升率超过预定的阈值速率，则在SMOKE_Alarm参数被设置为1，否则为在SMOKE_Alarm参数保持为0。当的SMOKE_Alarm参数被设置为1时，，然后同时检查CO和CO2的浓度的上升率。而且，CO或CO2浓度的上升率，如果超过其相应的预定的阈值速率，则要么CO_Alarm参数设置为1或CO2_Alarm参数被设置为1。当如果CO_Alarm或CO2_Alarm参数设置为1时，火灾报警启动，否则，无火灾报警衬托下烟雾浓度的增加速度计算，并再次检查。该火灾报警器算法的性能进行比较的报警时，它的输出信号超过一个阈值时的烟雾探测器德的阈值。此处所描述的火灾报警算

法申请了专利[11]。

图4 火灾报警算法的决策树，投资回报率表示的速度递增

表1 消防报警算法的性能

实例材料点火方式消防视觉型（s）无烟（s）方法（s）方法B（s） 1 庚烷打火机火焰 218 N / A 242 243 2 甲苯打火机火 50 59 56 52 3 甲醇打火机火焰 197 N / A N / A N / A 4 HDPE 珠打火机闷烧 310 616 320 327 5 PVC 包线试点闷烧 347 N / A 380 385 6 混合塑料线圈+试点火焰 310 474 322 328 7 混合面料线圈+试点闷烧 N / A 310 305 309 8 混合面料线圈闷烧 348 439 336 341 9 绿色帆布线圈闷烧 1395 1633 1365 469 10 干冰 N / A N/ A N/ A N/ A N/ A N/ A 4．结果与讨论 4.1用料上的消防签字

共发生火灾30起，闷烧或燃烧，产生上述测试火灾报警算法。可燃材料包括HDPE珠样本，PVC包覆丝，混合，塑化，混合面料，绿色帆布。液体燃料包括甲醇，正庚烷，甲苯等。用不同的方法对样品进行了点燃根据不同

的材料。用打火机点燃液体燃料。其他材料使用辉光杆或小试丁烷火炬的火焰点燃。关于每个材料进行的两到三个烧伤的测试，两种方法用于一些在materials.Table1示出了测试的材料的列表，点火方法，产生不同的火灾。图5-7示出的时间历程，CO，CO 2，和烟雾的浓度，庚烷，甲苯，和高密度聚乙烯的有孔玻璃珠的火状态。火状态的数字视觉指示火灾过程的数字（0-4）表示未知（0），点火（1），（2）阴燃，燃烧（3），（4）不燃烧。火的状态是非常有用的闷烧或燃烧的大火发生的预测和记录时间进行比较，以评估火灾报警算法的响应。

图5 庚烷燃烧CO、CO2、烟、火状态随时间变化

甲苯和庚烷的结果显示点燃后立即转换为火焰这是表示在图5和6的浓度的一氧化碳，二氧化碳，和烟雾在同一时间开始上升。另一方面，高密度

聚乙烯的结果在图7显示一段时间的阴燃火（CO和烟雾浓度急剧上升）后，立即点火，然后180秒后过渡到火焰（二氧化个碳浓度急剧上升）。

CO和CO2中的的测量噪声分别为3和600 ppm的。其结果，在大气中的CO和CO2的背景浓度前燃烧试验不能进行测量。通过选择彼此不重叠的CO和CO2的吸收线，可以最小化噪声和基线漂移。可以扫描在一个单一的激光电流扫描的一些吸收线的使用，可能会解决这些问题。额外的校准的气体测量系统可以减少基线漂移。

图6 甲苯燃烧 CO、CO2、烟、火状态随时间变化关系

图7 高密度聚乙烯的燃烧CO、CO2、烟、火状态随时间变化关系

4.2计算比率的增加

使用两种方法来计算CO、CO2、和烟雾浓度的时间导数。第一种方法，方法A表示，进行线性回归提供了对于一个给定的时间历史窗口的原始数据点的直线拟合。这里选择10秒的时间窗口，来说明下列的数据处理方案。当最初启动时，数据采集软件的前10个全部是新的数据。在随后的时间中，将前九个是取自以前的，只有第10点在当前时间是新的。直线拟合的时间导数这仅仅是它的坡度和对应增加率相应的参数分析。这是最简单和最直接的方法来实现以最小的计算和存储器的存储。第二种方法中，记为方法B，是在指定时间内的历史窗口中执行的线性回归拟合之前首先执行的原始数据点的移动平均。在时间窗口内的每一个数据点，平均的计算使用的数据兴

趣点和其以前的9个数据点。此方法的平滑处理原始数据中看到的波动。图8（a）和（b）示出CO和CO2的时间序列数据，分别为HDPE粒料平滑用一个时间窗口，在1和20秒之间。为了说明的目的，每个曲线向上平移，分别为15和1000 ppm的CO和CO2。此方法效果最好时的化学物种的自然背景波动小。使用长的平均化时间，使传感器的白噪声变小，使用一个较长的时间窗口没有优势，因为阈值不能进一步降低而不会造成误报警。与方法A相比，这种方法增加了所需的计算和存储器的存储。此外，噪声测量中产生噪声的浓度在当时的衍生物。使用时间较长的历史窗口，用T3/2减少分散在测量衍生物。但是，它需要一个较长的时间为计算衍生物达到理想的无噪声信号的斜率。事实上，对于一个烟雾或气体信号突然开始增加一个恒定的斜率，斜率与理想值的时间达到给定的时间窗口长度。为系统报警可靠，烟雾和气体的导信号应达到的某个倍数的噪声，例如，5个标准偏差。然后报警的时间是成比例的，其中a是约介于5/10和6/10，如图9（a）和（b）CO和CO2。标准偏差计算在相同的时间间隔（180秒）的每个的时间历史窗口。标准偏差大幅度减少，从1到10秒的时间窗口超过2.5倍的变长。

从庚烷火试验的结果，得到CO，CO2，和火灾报警器的算法中使用的烟雾浓度的阈值评分。方法A，门槛为CO，CO2和烟浓度的上升率分别是0.15，每分钟25页/秒，1 mV / s时。方法B，阈值增加的速率分别是0.05和8.0 PPM / s的CO和CO2浓度。

图8 平均移动时间历程的CO（a）和二氧化碳（b）。

清晰偏移的痕迹，底部到顶部的时间窗口：1，5，10，15和20秒。更长的窗口减少噪音，但引入响应延迟，最显著的CO峰图如图8（a）

图9 一氧化碳（a）和二氧化碳（b）平均移动的时间的标准偏差

4.3 三成分系火灾报警的表现算法：

参照表1，对于每个防火测试，视觉冒烟或起火的发作时，感烟探测器报警时，报警的火灾报警器算法，使用方法A的时间，报警器的时间，由火灾报警算法采用方法B被记录下来。为所有的实验中观察到的发生火灾的时间记录。所有报告的时间被称为时间为零时开始收集数据采集系统传感器信号。10秒的时间窗口是用于火灾报警算法。

使用方法A和B，多次报警可燃材料，比较这两种方法火灾报警算法不会有很大不同，除了绿色画布方法B长达104s，以检测是否存在火灾。这两种方法都适合执行火灾报警算法。烟雾传感器单独运行时故障报警（使用阈值法）的可能性，证明了四火庚烷，甲醇，PVC测试包覆电线，和混合织物。由于目前烟的浓度低，在这些测试中烟雾感应器没有报警。然而，对于甲苯、高密度聚乙烯（HDPE）珠、混合塑料、混合面料、绿色帆布的防火测试，烟雾传感器会报警。烟雾感应器报警的时间可以短至9秒（甲苯），

只要316秒（HDPE）和二氧化碳的浓度，来及时检测这种火。当然完全基于烟雾和二氧化碳浓度的检测，火灾报警算法将在更晚的时间检测火灾后发生的明火，因为在更晚的时间烟雾浓度比二氧化碳浓度上升。

无论是火灾报警算法，还是烟雾探测器单独运行时都没有检测到甲醇火灾。这场大火没有产生可见烟雾，所以烟雾探测器没有表现出任何的电压上升。因此，火灾报警算法的基础上，首先检测的速度增加烟超过预定阈值率，然后检查CO和CO2浓度增加的速率无法检测这种类型的火灾。也就是说，一个火灾报警器算法的基础上[CO_Alarm+ SMOKE_Alarm¼2]或[CO2_Alarm+ SMOKE_Alarm¼2]不能检测出甲醇火。因此，火灾报警算法的基础上，首先检测的速度增加烟超过预定阈值率，然后检查CO和CO2浓度增加的速率无法检测这种类型的火灾。也就是说，一个火灾报警器算法的

基

础

上

[CO_Alarm+

SMOKE_Alarm¼2]

或

[CO2_Alarm+

SMOKE_Alarm¼2]不能检测出甲醇火。请注意[CO_Alarm= 1]表明，CO浓度增加的速度已经超过其预定的阈值率，以及CO_Alarm= 0]表示不超过阈值率。然而，逐渐CO和CO2浓度表示大幅上升。通过修改火灾报警算法[CO_Alarm+ CO2_Alarm+ SMOKE_Alarm¼2]，甲醇火灾实际检测在248 s，也就是说，51秒后火灾的视觉指示（T¼197）。提出了一种基于对CO和CO2的算法，即（CO警报器+ CO2报警=2），将及时报警的情况下，正庚烷和甲苯浓度的CO和CO2在大约相同的时间上升，但没有阴燃火灾（如HDPE）。 4.4火灾报警算法滋扰的影响

在货舱发现的可能滋扰的影响，被用来评估火灾报警算法的稳定性。滋扰包括干冰、杀虫剂、哈龙、水、甲醇、乙醇、丙酮、和氨的蒸气。一种杀虫剂，使用气雾剂，杀虫剂驱散厚厚的云，飞机货舱中经常在若干海外航班使用，以避免传播农业害虫。该的烟检测器上引起一个大的信号，但没有明显上升的CO和CO2的信号。与此相反，干冰产生二氧化碳信号上升，但在火灾或一氧化碳信号上没有升。这些滋扰源没有造成误报。但是，干冰和杀虫剂的组合可能会产生一个假警报。故意释放杀虫剂在飞行情况不太可能发生，但目前干冰将大部分用于航班制冷的目的。在所有测试的蒸汽，甲醇和二氧化碳之间的一个小的干扰进行了观察。高浓度的甲醇

可以使仪器容易受到错误报警，但是，这可能会降低与高浓度的这种易燃蒸汽的真正危险。在这样一种情况：甲醇，乙醇，丙酮蒸气是高到足以触发的烟雾探测器，火灾发生在同一时间，该算法能检测火灾，因为二氧化碳的浓度会由于火上升。更重要的是观察激光通过把宽频带吸收哈龙混合物（哈龙1301和1211）的结果，作为急剧下降。

更重要的是观察激光通过把宽频带吸收哈龙混合物（哈龙1301和1211）的结果，作为急剧下降。哈龙蒸汽通过发射激光的减少是如此严重，无法测量一氧化碳和二氧化碳的浓度。由于哈龙1301飞机上消除火患，这将是目前在火灾后检测和代理发布。火灾传感器系统继续监测货舱的灭火剂释放后的能力可能会受到影响。

对于每个测试的滋扰来源，没有烟雾和痕量气体的干扰。因此，没有任何单独发布这些来源产生误报。火灾探测与报警算法是免疫系统在飞行中可以发现这类滋扰来源。 5．总结

同时检测一氧化碳，二氧化碳和烟雾浓度的火灾传感器系统的基础上被证明。增加这三个组件的采用率在火灾报警算法，以确定是否存在火灾。该算法监控烟雾水平的增长速度，当这个速度超过其阈值率，CO和CO2浓度增加的速率进行检查。当一氧化碳或二氧化碳浓度增加的速率超过其阈值率，火灾报警器启动。火灾探测系统发现有比单独工作表现更好的烟雾探测器。在烟雾探测器的情况下，没有报警，该算法能够检测火灾。然而，烟雾探测器报警的情况下，该算法在更短的时间内检测到火灾。滋扰源并没有引起火灾探测系统产生误报。火灾报警器算法的一个优点是，时间导数的测量的信号噪声比提高的时间长度的增加比在时间窗口内的数据点的平均值的信号与噪声之比更迅速的，这允许报警阈值设置在一个更敏感的值，而不会造成噪声产生误报。虽然，火灾探测系统最初被设想将要部署的飞机货舱中，它也可以被应用到建筑物，船舶舱室、潜艇，在空间的居住舱室和隐蔽的空腔用于电线和管道设备的运行。未来的工作将专注于通过使用单独的激光器提高CO和CO2最低浓度检测，每种化学物质的种类，并选择较强的吸收线，这两个地方的化学物质不重叠。

致谢

这项研究是由NASA小型企业支持，根据合同的创新研究计划（SBIR） NAS3-01125，NASA格伦罗伯特·安德森研究中心作为技术支持。 6．参考文献

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