火灾报警控制器--毕业设计论文.doc

0编号： 毕业设计说明书题 目： 火灾报警控制器 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开引言人类对火使用技能的不断提高使火灾成为各国最有破坏性质灾害之一，其危害人类生存安全，提醒人们需加大防火措施。在我国科技与生活水平不断提高下各式各样消防设备相继出现，让我们可以在发生火灾时尽可能减少损失，保护生命财产不受损害，能对火灾发出警报的仪器开始应运而生。火灾报警系统是对可以对环境进行勘探后就实际情况进行警报、灭火措施的设备。在整个系统中火灾报警控制器的地位至关重要，作为中心器件其可回收现场探察信息，可对整个设计供电，还能启动后方广播警报响应。近年来人们还将无线通讯加入报警控制器中，改变只能有线传送报警信息这一缺点。无线传输信息能改变多线制传输造成的线路混杂、发生故障排除困难等问题，从而减少火灾报警控制器传输成本，体现系统技术在不停提升。建筑物的不断增多使火灾报警系统的重要地位逐渐升高，在科技飞速进步的社会生活中对火灾报警消防系统要求会不断提升，火灾报警系统在慢慢成为专家社会的研究对象，很多专业生产机构以及公司都在不断出现。1 火灾报警控制系统概述1.1 选题背景及意义1.1.1设计研究的目的及意义火是生活中不可缺少、人类社会不断进步的产物，人们居住、工作环境的改善使楼房越建越高，大型综合高层建筑也越来越多，火灾的发生变成生活中的常事。火灾发生数量和火灾发生损失概率都在逐年上涨，宾馆、饭店、影院、住宅、办公楼这些公用民用建筑的不断增加，在房屋建设中火灾报警系统成为不可或缺部分,对火灾进行预防与救助起到重要作用。连年来我国火灾报警技术有很快进展，但在生活使用中火灾报警技术还是存存留着一些缺陷：（1）系统可使用范畴小；（2）系统智能运用程度低；（3）系统部件连接繁琐；（4）系统错误报警较多；（5）系统创新程度低。我国启动发展以计算机操作为主的新生产力,，科技研究里把信息化技术运用至生活中可以更好提高人们生活质量。火灾报警技术不断发展，已经开始趋近智能控制，将探测系统尽可能接近人脑设计，对环境中发生的各种情况（如温度高低、烟雾浓度、火焰亮度等）来判断是否有火情发生。根据这些情况的收集传输使用计算机进行处理、判断来精确播报火灾的发生。火灾误报问题一直存在于火灾报警系统中，火灾误报情况存在阻碍着火灾报警技术发展，是一项需要大家更努力去解决的难题。由于各种技术不断进步，火灾误报问题已经开始慢慢减少，概率降低为以后可以采取更好的消防措施打下铺垫。1.1.2火灾报警控制器的作用火灾报警系统主要由探查、控制、警报以及电源部分组成，火灾报警控制器为系统最重要的部分。火灾报警控制器由于用处的差异，能分成区域火灾报警控制器、集中火灾报警控制器和通用火灾报警控制器三种基本类型1。探测器将信号传输给控制器再转换成报警信号发送至后台，发出广播与声光报警来警示人们，并向显示屏上传输各种报警信息，如发生火灾地点、时间等。火灾报警控制器功能如下：（1） 控制器获取火灾信息后开始判断并发出声光警报。（2） 监控系统的当前状态，发生火灾可快速做出反应。（3） 在收到报警信号之后可以发出联动信号控制消防设备，如消防栓、广播、洒水喷头等。（4）控制器和处理警报部分对接,显示屏上能直接观察当时情况，以便工作人员及时采取措施。1.1.3火灾报警控制器的特点火灾报警控制器近年来多以单片机作为核心来进行设计，单片机的价格便宜在使用上可以减少成本。将传统器件连线传递信号转变成无线传递可以加快传输效率。这两项微机的使用让火灾报警控制器得到了空前进步。（1）单片机的应用与发展。世界的第一部电子数字计算机诞生于1946年，为了适应着社会科技的发展需要，电子技术与半导体技术在不断的进步因此新产品也层出不穷。单片机于20世纪中后期出现，其把中央处理器、数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)和I/O接口电路组合在一起形成一个小型微机系统。由于单片机面积小、高性能、价钱便宜在各行业中的运用已经开始日趋广泛。家用电器：现代家用电器中大都使用单片机控制电路来提升灵敏程度，如洗衣机、空调等都使用了其进行控制。测控系统：单片机能组成各种不同的操纵系统，如温、湿度自动掌控等，在简易数字控制中得到了普遍使用。商业营销：在贸易中单片机控制系统的应用更是数不胜数，如电子秤、电子收银等等。这种系统有明显的抗病菌侵害、抗电磁干扰等高可靠性能的保证。单片机的使用给社会带来了便易与进步，在其问世后的火速发展与人们的思想科技进步密不可分。由最初1976年诞生的8位数据处理到1982年后16位以及32位的出现让单片机一步一步渗入到人们生活中，成为我们现在及以后都非常重要的控制系统。单片机体积小、价格便宜、功能强大、使用方便，在研究制作火灾报警控制器时是一个不二的选择，可以大大的降低了火灾报警控制器的体积与价格。单片机朝着功率消耗更低、制作元件更小、品种型号更多的方向来发展将来发展趋势一定会让人们更加大开眼界。（二）火灾报警控制器无线传输。在过去发展中火灾报警系统在传输上都是运用有线连接的传输方式，在有线传输基础上出现了二总线、四总线、I2C总线等不同总线传输方式。虽然总线传输方式的出现已经大大减少了布线数量，但在大型建筑中无线传输出现更能达到便易的效果。无线传输的使用让人们可以更容易对探测器传输出来信息进行管理，由于不使用有线连接，在发生故障时即可实现快速排查的效果。在大型建筑物中使用多线制火灾报警控制器，发生故障时由于线路过多、排布杂乱会使排查检修工作不能及时顺利的进行。控制器实现无线传输让火灾报警技术跃出了很大一步。无线火灾报警系统是采用无线传输芯片将从探测器接收到的信息通过控制器启动后台警报，主要应用于大型场所。无线传输好处有轻便、干扰小，并且可以达到较高经济效益，在技术持续进步中，无线传输的使用会不断增加。1.2 火灾报警控制器的发展1.2.1火灾报警控制器的现状国民经济在不断进步的同时，火灾报警控制器行业多年来都在迅速发展，但在发展中也遇到很多困难，如国内供给量降低、出口量减少、经营不景气和利润下降。金融经济逐步提高，火灾报警控制器行业也慢慢有了较好发展势头。火灾报警控制器硬件技术与软件技术在科技不断跃进中有不同进步。在硬件方面有探测与控制方面硬件连接，国外硬件技术水平主要朝着轻便、可靠性高、低成本、便易等方面进行发展。在软件方面有信号处理、程序软件简易方面的发展，信号处理是整个火灾报警技术的重中之重。火灾报警传输由多线制开始进步到无线传输，无线报警系统于1985年在英国推出，科技技术不断进步后新型无线报警系统采用锂电池供电。锂电池的使用减少了电磁干扰和体积大等缺点，并保证探测部分可以在低压情况下工作。调查显示截至到1999年，我国控制器生产商就已有108家；美国有辛普勒斯、盛赛尔、江森；日本有:报智机、松下、日探；英国有:科艺、GENT、WORMAIN等；瑞士有:西伯乐斯;德国有:安福、西门子；加拿大有:爱德华等2。1.2.2火灾报警控制器的前景火灾报警控制器发展趋势是运用微机处理方式，实现探测参数记录与模式识别，达到探测信息化、技术智能化。在探查方面提高探测器反应敏捷性和正确性，在气体探测中，最有发展前景的是二氧化碳探测技术研究，以及发展一个探测头可以探测多种火灾类型。火灾报警控制器还存在着误报漏报、智能化和网络化普及程度低等问题，基于这些问题，很多新型技术、精美工艺、坚固材料与全新设备的出现指日可待。发展目标总结有以下几点：（1） 降低成本；采用便宜且轻便的处理器来代替较贵器材，这些处理器的使用可以减少布线与费用消耗。（2） 改进功能度；加大实现控制器更简便的操控，使其适合各类人群使用。（3） 改进探测技术；提升探察反应速率进而提升报警准确率，削减误报漏报概率。火灾报警控制器技术在不断进步与发展，针对于不同使用者与使用场所，要求也各有不同。对于小型场所的使用只需要价格适宜非智能系统即可满足需求，而对于大型场所使用时就需要智能系统安全可靠的实现报警。随着火灾报警计算机技术不断进步，国外很多国家依靠经验或专家意见，对建筑防火规范提出改进方法从而完善消防安全工程标准，提出新型要求和方法为消防设施打开更宽阔的市场。根据国外火灾自动报警技术各方面当前发展现状的剖析，以及对报警技术发展总趋势和相关技能领域进步趋势预测，可以清楚看出，美、英、德和日本等发展国家是当今火灾自动报警技术领先国家，我国在各方面还有很大差距，为提高与国外抗争力还需更加努力钻研。1.3系统设计主要内容与安排本设计主要研究火灾报警控制器的制作。工作内容是根据安装在每个房间的探测装置（有红外探测头、按钮）对现场进行检测，火灾发生即传输报警信号，控制器对信息进行集合并判断，再由无线装置传输给后置装置触发语音警报。控制器的液晶显示器可准确显示火灾发生位置，在发出的广播报警声中也会准确播报火灾发生房间号。主要设计内容有：（1）完成火灾报警控制器总机设计规划。（2）以STC12C5AC60S2单片机进行硬件设计，其中包含红外探测连接电路、电源电路、LCD显示屏电路、声光报警电路。（3）无线传输部分要实现接收发送信息并且能够启动声光报警。（4）软件设计用C语言进行程序编写，完成既定的要求，如房间号的地址、液晶显示器的数据显示、查询功能的显示等，程序要求有详尽注解。（5）完成硬件和软件的设计并且实现。2 火灾报警控制器方案设计2.1 火灾报警控制器系统要求2.1.1火灾报警控制器工作环境火灾报警控制器在安装时要要检测无线信号的传输功能是否符合需求，保证能够在安装范围内实现控制器信息的传输，从而实现系统安装的便捷与快速。需注意火灾报警控制器正常工作所需环境温度、空气湿度、风的速度等条件。在控制器安装规定中表示环境安装要求是：陆地使用装置温度在-1050，湿度92%(40),风速+5V，此时整个系统由主电源供电并且能实现给蓄电池充电。蓄电池启动开关电路如图3-19所示：图3-19蓄电池启动开关电路如图3-19所示+5V表示主电源输出电压，当主电源打开有电压流出启动此开关就有电压与图3-18电路接通即可提供给蓄电池充电的电压。3.2.4复位电路设计复位电路是用来使电路恢复到起始状态的电路设备，当程序或者系统出现死机或显示错误时可以先使用复位电路按钮让电路回复到起始状态，按下复位电路后，出现的故障错误依旧未消除时，即考虑是否为内部程序或者电路出现了干扰故障。复位电路中上电复位性能特点可确保系统电路安全可靠的工作。正常工作电路所需电源为5V5%，即4.755.25V。系统通电后，Vcc电压大于4.75V且小于5.25V且晶体稳定运行时，复位信号才会被消除，电路正常运行。复位电路如图3-20所示：图3-20复位电路电路3.3 无线传输模块硬件设计3.3.1 NRF24L01无线传输电路设计无线传输是近几年来各种电子行业使用的一个热门项目，在很多方面都运用到这一技术，减少了接线的繁琐和浪费，大大提高经济效益和使用方便性。设计中利用台产版NRF24L01无线芯片，台产型号与挪威型号几乎相同，且于原来版本上加+7DB功放电路，使台产版本传输间隔提升2倍。运用NRF24L01无线芯片与51系列单片机组合实现传输时，需安装10K上拉电阻才能与P0口相连，其余IO口则不用。在与其他单片机相连接时若电压是3.3V就能直接与无线芯片IO口线连接。NRF24L01无线传输芯片在与单片机连接时各个串口接线电路如图3-23、图3-24所示： 图3-23无线发送端接线 图3-24无线接收端接线芯片电压承受范围各有不同，NRF24L01无线芯片电压范围是1.9V3.6V，超过该范围芯片会被烧毁。根据NRF24L01芯片特点与实际要求，在给无线芯片供电时选择3.3V电压作为输出电压。主电源传输电压为5V，在设计中需采用LM1117-3.3三端稳压调节器，将5V电压降压至3.3V给NRF24L01无线芯片供电。发送和接收端都采用LM1117调节器来对电压进行转换。LM1117低压差电压调节器管脚如图3-21所示：图3-21 LM1117管脚LM1117与LM317管脚阵列相同，是一种低压差电压调节器。有5个固定电压输出型号（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V），后缀数字表输出电压，要实现1.2513.8V输出电压可通过2个外部电阻来实现，可以提供电流限制和热保护。根据设计要求采用LM1117-3.3调节器给无线芯片供应3.3V电压。LM1117调节器调压电路如图3-22所示：图3-22 LM1117调节器调压电路3.3.2时间显示电路设计在火灾报警中时间的精确显示是十分重要环节。时间显示可以让后台工作人员精确记录火灾发生时间，在后期进行时间记录汇总时提供一个重要的依据。在设计中以串行DS1302时钟芯片为主，在芯片中校准时间后引脚5、6、7串接到接收无线接收后进行信息处理的STC12C5A60S2单片机的P1.7-P1.5口。当发生火灾时，声光报警发生、语音广播响起的同时在显示屏上会出现火灾发生的房间号并且同时出现发生火灾的时间，时间精准到年、月、日、时、分、秒、星期。语言报警播报的时间里显示屏上的时间也是在准确的时间里继续行走。时钟芯片DS1302是目前常用一种时钟芯片，特点有：(1)可以显示实时时钟甚至到秒；(2)需要电池支持使用；(3)内部补偿有效期长；(4)使用RAM进行数据存储；(5)启动电压是2.0V-5.5V；(6)有连续阅读和写作模式；(7)有8个引脚可以进行选择安装。DS1302时钟芯片引脚如图3-25所示：图3-25 DS1302时钟芯片引脚时钟芯片是需要一颗3V纽扣电池来对内部进行供电，内部校准时间不管系统是否启动时间都在行走，当电池电量用完时钟芯片时间会出现错误，改换电池后需对时间进行再一次校准。时钟芯片部分电路如图3-26所示：图3-26 时钟芯片部分电路3.3.3液晶显示屏电路设计液晶显示屏是能让后台工作人员可以直观查看到实时情况的重要依据，在整个系统中是必不可少的部分。设计中使用Nokia5110显示屏，是一种LCD液晶显示，适合室内使用。火灾报警控制器液晶显示屏一般在后台接收到信号后中控室中作为显示，因此使用LCD显示屏已经可以满足要求。LCD显示器与一般实验中使用的LED显示屏有很大不同，其可显现多行数字或汉字，比一般LED显示屏功能要强大很多。Nokia5110显示屏的特点有：（1）84x48的点阵，可以显示4行汉字；（2）插口信号线少，包括电信号线只有9条，支持多种串行通信协议；（3）可直接固定到设计电路板上，安装方便；（4）模块体积小；（5）低电压供电有掉电模式。Nokia5110 LCD显示屏引脚如图3-27所示：图3-27 Nokia5110 LCD显示屏引脚图Nokia5110 LCD显示屏内部电路如图3-28所示：图3-28 Nokia5110 LCD显示屏内部电路设计中Nokia5110显示屏部分电路如图3-29所示：图3-29 Nokia5110显示屏部分电路3.3.4查询功能电路设计查询信息功能是一个设计中不可或缺部分，是后台操控人员进行记录查找的关键功能。显示火灾报警房间号之后可通过两个按键进行查询，6个房间的房间情况可以依此出现，发生过火灾的房间号下方会出现“Fire”字样，并且显示火灾发生时间，若确定发出报警是误报还可按键擦除报警讯息，而后恢复无火灾界面。查询功能按键电路如图3-30所示：图3-30 查询功能按键电路3.3.5语音报警电路设计在设计中主要的声光报警有LED灯闪烁、蜂鸣器报警一声之后启动语音报警。LED发光二极管以及蜂鸣器响铃都是由无线发送端的第一片STC单片机进行控制，如第二章探测部分描述只要由单片机进行判断后IO口输出高电平来进行控制。语音广播报警由无线接收端的第二片STC单片机进行来进行控制，在无线接收到信号后传输给第二片单片机然后进行语音报警和时间显示的处理。由ISD4004系列语音录放芯片对传输过来房间号进行确认之后，准确播放房间号进行报警。除了ISD4004芯片外在这一模块里还有录音话筒接口，可以使用插入话筒后与电脑对接即可下载录音音频。板面上还加装一块LM386语音功放音量调节芯片，根据需要来调整音量大小。使用的喇叭是废弃小喇叭，音质效果不错，完全符合使用要求。LM386是一种功率放大器集成电路，在录音机与收音机中广泛应用，有功率消耗低、能调动输入信号放大能力、电压领域大、外接器件少等特点。内建增益为20可使外围元件搭接少，通过P1和P8管脚间电容的搭配，增益可到达200。LM386音频功率放大器内部电路如图3-31所示：图3-31 LM386音频功率放大器内部电路LM386使用时将接地为输入参照，输出端会自动偏转到电源电压一半，在6V电压下，静态功耗仅为24mW，能用电池提供电压。输入电压范围是4V12V，不工作时电流消耗只有4mA，失真低。LM386音频功率放大器引脚如图3-32所示：图3-32 LM386音频功率放大器引脚语音报警会进行10秒广播，与发生火灾房间号以及显示屏上显示的火灾房间号一致。语言报警部分电路如图3-33所示：图3-33 语言报警部分电路3.4 系统硬件设计PCB板实现在各个硬件电路设计结束后，要通过PCB板排布焊接来进行硬件实现。设计PCB板时要考虑布线均匀,在没有拉线的地方要尽量平衡版面重量，使版面不易翘起。所有零件位置都要合理安排,确保板面美观,减少元件在焊接拔插过程中导致版面的变形。使用Altium designer软件绘制电路图，在内部元件库中直接选择元器件封装实现PCB电路板的排布。在设计PCB电路板时,数字电路输入、输出线尽量远离时钟或振荡器线、电源线等电磁热线,也不紧靠复位线、中断线、控制线等脆弱信号线7。线路排列要整齐达到工艺要求，形成环路，信号同路要最大限度减少无用信号耦合。电源线及各种导线要尽量选取最短距离，可以减少各个回路之间可能产生环路面积，还要尽量减少元件和信号之间可能产生的耦合。除了以上还有：（1）低电平不靠近高电平；（2）数字与模拟两者电路需隔开；（3）在PCB板上排版时不一样区域电路要分开；（4）为改进晶振内部工作条件加强抗干扰能力外壳需接地。4 火灾报警控制器软件设计4.1 系统软件模块介绍前几章主要介绍系统硬件基本构造，硬件部分是一个系统中非常直观与重要的部分，是整个系统物质基础