宜宾职业技术学院毕业设计基于单片机的变电站消防报警系统设计 系 部 自动控制工程系 专 业 名 称 发电厂及电力系统 班 级 电力1091班 姓 名 学 号 指 导 教 师 2011年 9 月 20 日摘要变电站所消防系统的正常运行对于安全生产极为重要。本文从设计的角度，介绍了由变电站消防系统的组成元件和各部分设计的原则，对各类气体灭火系统作了比较分析，提出消防设计需要贯穿设计全过程和各专业的紧密配合。本文提出了一种由单片机控制的火灾自动探测消防报警的系统。将烟感，温度传感器器接入单片机，经单片机逻辑判断，经专用声光报警集成电路来进行火灾报警、异常（烟感、温感其中之一动作）、故障报警、并发出不同的声光信号并作出相应的消防动作。关键词：单片机；火灾自动报警；烟感探测器；温感探测器；消防AbstractThe transformer substation fire the normal operation of the system for the safety production is very important. This paper from the point of view of design, introduced by the substation fire system components and the design principle, for all types of gas fire extinguishing system were compared and analyzed, the fire design needs to design throughout the whole process and each professional work closely with. This paper presents a microcomputer controlled by the automatic fire detection and fire alarm system. The smoke sensor, temperature sensor connected with the single chip computer, the single chip microcomputer logic judgment, by a special sound and light alarm integrated circuit to conduct a fire alarm, abnormal ( smoke, temperature sensing one action ), fault alarm, and a different sound and light signals, show the accident type and the location and the corresponding fire action. Key words： single chip microcomputer; automatic fire alarm; smoke detectors; temperature detector; fire1 引言我国的自动消防报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，其智能化程度也越来越高。目前国内厂家多偏重用于大型仓库、商场、高级写字楼、宾馆等场所大型消防报警系统的研发，他们采用集中区域报警控制方式，其系统复杂、成本较高。而在变电站、居民住宅区、机房、办公室等小型单位，需要设置一种单一或区域联网、廉价实用的自动探测消防报警装置，因此，研制一种结构简单、价格低廉的智能消防报警是非常必要的。现场报警器通过对传感器信息的检测，使用智能识别算法实现对灾情的监测。当报警器监测到信息后，直接通过单片机的逻辑分析产生声光报警信号并作出相应的消防动作。为了保障变电站的安全可靠，必须设计出具有可靠性高、实时性好的火灾自动报警与消防系统。2 方案论证与设计2.1单片机的选型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做一下比较。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。用户若想对写入到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；在使用上基本可以直接互换。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 ATMEL AT89Cx 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，市场供应也很充足。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。 2.2单元电路设计方案2.2.1系统电源电路设计方案在本系统中的电源主要考虑以下方案。方案一：开关电源。电源的效率高，体积小、重量轻、适应的范围大，它的主要缺点是输出电压中所含纹波较大，对电子设备的干扰较大，而且电路比较复杂，对元器件的要求较高。方案二：采用LM317三端集成可调的稳压电源。此电源的优点是输出电压稳定，可以调节，输出的电压误差小，且电路比较简单，能大幅度地降低电能和电极消耗。根据系统的要求和电路本身的特性，三端集成可调的稳压电源输出电压比开关电源稳定，可以输出多挡不同的电压。电路本身还有过压、过流、过热保护，所以选择方案二。2.2.2模数转换电路方案在系统中，数模转换方案十分重要，有以下方案。方案一：采用单片机内部的ADC转换电路，这种方案节省资源，减轻软件设计难度，但是其转换精度比较低，不适合本系统对精度的要求。方案二：使用ADC0809转换器，ADC0809是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模数转换器。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。由于本设计的AD转换比较多所以在本设计中，我采用了ADC0809转换器。2.3系统总方框图3 硬件电路设计3.1前向通道硬件的设计3.1.1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。图4-1是一个温度传感器的结构单元。其基本工作原理是利用硅PN结的负温度系数测量环境温度。由、以及,经、分压给的基极提供一个电压基准。这个电压基准使得在常温下不导通，例如，假设在常温下，NPN晶体管的发射结在=0.65V时导通，而电压基准设定为0.60V，这时，处于截止状态。由于硅器件的发射结导通电压是负的温度系数(典型值为-2mV/)，随着温度上升，器件的导通电压线性下降。当温度上升25时，的发射结导通电压下降为0.60V,达到设定值使导通。由原先的高电平输出下降为低电平输出。图4-1 温度传感单元原理图作为电压基准，希望经、分压得到的电压值具有较低的温度系数。在这个电路中，利用正温度系数的齐纳击穿稳压管和PN结的负温度系数实现低温度系数的要求。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、安装比较隐蔽、灵敏度高等特点。4.2 烟雾传感器 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，不断放出射线，高速运动的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则的运动，从而在极板间形成电离电流，施加的电压越高，则电离电流越大，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。实际使用的离子烟雾传感器电路如图4-3 所示。图4-3 离子烟雾传感器电路图为了减少温度、湿度等环境条件变化对电离电流带来的影响，以提高传感器工作的稳定性，将两个电离室串接起来与电源相接，上面的一个为补偿电离室，下面的一个为检测电离室，在结构上检测电离室做成烟雾容易进入的型式，而补偿电离室做成烟雾很难进入、而空气又能慢慢进入的型式。当有火灾发生时，烟雾进入检测电离室，由于烟离子的阻挡作用，一方面使电离后的正负离子在电场中的运动速度降低，另一方面使射线的电离能力降低，从而使检测电离室的电离电流减小，这一现象，相当于补偿电离室的等效电阻未变，而检测电离室的等效电阻变大，从而使A点的电位升高。显然烟雾浓度越大，烟离子的阻挡作用越强，A 点电位越高。这一电压信号经由T1、T2组成的跟随电路，传送给模/数转换电路，实现对烟雾浓度的采样。采用离子源作为烟敏元件的突出特点是电流消耗极低，适合在系统中使用。图4-3中的为自检电阻器，由于离子源等效电阻很高（一般在10M以上），只要适当选择，就可使上的压降在正常情况下近似为0。对探测器进行自检时，一个逻辑高电压加到上，使传感器输出升高，单片机根据自检前后的模/数转换结果，可判断出模/数转换及传感器两个模块的功能是否正常。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适用于型热电偶,是14脚DIP封装。AD