地铁消防火灾报警系统设计

摘 要

全世界几乎每天都有火灾发生。特别在一些人多聚集，如地下商场、大型超市以及地铁等环境密闭的公共场所，发生火灾的概率普遍高于一般住宅区和开放式场所。随着社会的发展，火灾的隐患也随之逐年升高。为了保障人民生命财产安全，各类火灾自动报警系统应运而生，现代技术水平的不断提高，火灾自动报警系统在方式上逐渐严谨起来，功能日益多样化，其结构也在不断的完善。

本篇以ATC51单片机为核心，设计一套适用于地铁内火灾智能报警的消防火灾报警系统。本系统以MQ-2型半导体气敏式烟雾传感器为烟雾探测器、DS18B20半导体智能温度传感器作为温度探测器实现对地铁内公共区和设备区的烟雾浓度与温度监管，以总线的通讯传输方式，及时可靠地将火警信号发送至消防报警主机，并启动声光报警装置，告知火警影响范围内的人员，将火灾的危害降到最低。本设计是一款结构简单、性能稳定、价格低廉、智能化的消防火灾报警系统，具有一定的实用价值。

关键词：火灾报警系统；ATC51；烟雾传感器；温度传感器

1 绪 论

1.1 课题研究背景

火灾是危害人民财产安全和社会发展的重大自然灾害之一。在世界上最普遍的灾害也是火灾，有一场电线老化引起的火情，也会有一场影响上万人生命的山火，世界上几乎每天都会发生火灾。随着社会主义现代化的发展，城市中的高层建筑和地下商场等大型建筑物也在不断增加。火灾的隐患也伴随着社会的发展而逐年升高，而地下的大型建筑群因为位于一个较封闭的空间，所以其发生火灾的次数及其造成的生命财产损失是十分严重的。地下建筑内火灾一旦发生，曲折的通道、不流通的空气更容易导致火势快速蔓延，对人的生命财产造成极大危害。

面对残酷的灾难，人们已经意识到，随着社会经济建设的不断发展，火灾带来的危害会不断的扩大。它不仅摧毁了物质的财富，还造成了社会的动荡和混乱，甚至还直接威胁到人们的生命安全。就如现今各地都在建设的地铁线路网。在地铁高峰期时客流量是很庞大的，并且站内的设备区也放置有许多电脑和服务器终端，一些主要的地铁站点还会存放有大量的档案和重要文件。如果有任意一个地铁站发生火灾，将会造成大量的人员滞留，影响到整个地铁线路网的运营。严峻的事实使人们逐渐认识到

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消防的重要性和消防安全的必要性。一个能够及时稳定向警方报告的监控系统机制，可以大大减少人员伤亡和财产损失，减少对人民和可避免的损害。为了保障人民生命财产安全火灾自动报警系统应运而生，并随着现代科学技术水平的不断提高，火灾自动报警系统也在功能和结构上不断的进行完善。

在我们的生活环境中到处都存在火灾危险。在发生火灾时，人们的生命和财产会受到严重的损害。因此，人们在寻找一种方法，能够尽早的发现火灾，并及时控制和消灭火警，以减少人员伤亡，确保人们的生命安全。消防火灾报警系统的开发是为了满足这些要求而研发出来，并受到越来越多人们地接受。它不是一种传统意义的简单火灾报警系统，而是一种结合了自动控制技术、传感器、计算机技术和电子单片技术等应用的火灾报警系统。随着社会科学技术的不断进步，消防火灾报警系统将会更加智能的发展和广泛的运用。

1.2 国内外消防火灾报警系统的发展现状

1847年，世界上第一个火警报警装置在美国出世。 在20世纪80年代以后，火灾探测技术越来越智能化，原来只可用于城镇的报警系统，通过多种外加设备，可用于更多的场合。火灾探测预报警、现场实时智能监控和抗干扰的漂移算法等技术也开始应用，火灾探测技术进入了一个全新的快速发展时期。作为一个起步较晚的发展中国家，我国的消防设备技术真正开始得到发展在改革开放之后，虽然技术水平在日益提高，但相比于世界上的一些先进国家，我国消防技术和普遍率仍较为落后。目前，美国、英国、加拿大、澳大利亚和日本等国家，都在公共监控系统中将消防火灾报警系统作为一个必要的报警机制加入其中，使消防指挥中心能够准确并快速地确定火警位置并及时调度消防。中国的火灾报警产品由于起步较晚，大约在20世纪70年代末期，与火灾报警系统相关的产品才开始研制与生产。进入20世纪80年代以后，国内上午大多厂商的产品主要以模仿国外产品，或引进国外的技术来进行生产，并没有研发到真正的关键核心技术。中国的火灾报警系统相关产品是在20世纪90年代之后真正发展起来的。

随着国门的开放，西门子、霍尼韦尔等国外消防企业，将先进的产品带入中国市场。拥有先进消防技术厂商的入驻，促进了市场的发展，也激发了国内厂商对消防技术开发的重视。经过了近几年的发展改革，我国在减灾、防灾的方面更加重视了起来。受到了影响和消防市场的利润吸引，生产研发消防火灾报警系统、防火卷帘门、

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消防广播及相关配套产品的厂家开始逐渐增多，除了一些私人企业和楼宇以外，部分新建的工程项目所使用的消防报警设备，也逐渐由国外大品牌慢慢转变使用国内自主研发的国产企业品牌，广州地铁的消防系统和设备，之前一直使用的都是西门子或者是霍尼韦尔的产品，而在去年刚开通的广州地铁14号线中，其中最重要的石湖停车场中负责消防报警的是海湾集团的消防报警系统，而与其及相关的产品也全部是由海湾集团自主研发的，这无疑是国产品牌的一大胜利。在北京市的中级人民、吉林长春的龙嘉机场、乌鲁木齐火车站等规划工程和各大住宅小区的楼宇里，都有着以海湾集团和北京国泰怡安电子有限公司为代表的国产企业品牌，所生产研发的产品身影。

现在，我国自主研发生产的火灾报警产品已经得到了硕大的成果，有些技术已接近，甚至赶上了国际上一些传统大品牌的水平。厂家所研发的设备也普遍具有体积小、信号传输速度快、误报率低、可与不同品牌的设备进行兼容联动等特点。 1.3 课题研究意义

在任何场合都有可能发生火灾，在不同的场合和环境下，导致火灾发生的原因也不尽相同。例如，居民楼和各种超市商店会存放有很多的易燃物品；在一些人员密集的火车站、地铁站、电影院、仓库等场所会存放有大量的易燃易爆物品；还有一些现代化手段场合如铁路、飞机、船舶运输等场合会有一些特殊材料和燃油。其中有些地方的火灾是缓慢蔓延的，随着温度渐渐升高，先是一些燃点很低的材料达到了燃点后发生燃烧，如果此时不能得到及时的控制，火势将变得更加猛烈，范围也逐渐扩大到最后无法对火势进行控制，使现场发生火灾，造成人员和财产的损失。若现场安装有消防火灾报警系统，则会有所不同，消防火灾报警系统能够根据现场的烟雾浓度和温度检测到一般火灾产生的可能前兆，并及时发出预警，当真正发生火情时会进行报警机制的动作。有些火警发生的时候周围没有人，等到有人发现火情的时候，火势已经无法控制。特别像是电气电子设备中的电路短路，而引发的火灾。像是前期火情征兆不明显和一些场所平时少有人监管等的情况，这类型的火警警情，消防火灾系统能够及时有效地发现并控制火情，将火灾扼杀在摇篮中。

最近几年的消防安全治理整顿中，我国取得了不小的成效，因火灾而导致的伤亡人数正逐年降低。但相比于其他国家，我国的火灾形势仍不容乐观。加之我国现在经济正在高速地发展，全国各地生活质量大幅度提高，各种生产、办公以及居住场所等

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易引发火灾的场所大增。加之现在全国各地都在兴建地下铁路网，地铁十分地方便快捷，搭乘地铁成为现在许多市民出行的首选，一些大城市的地铁日均客流量更是达到百万甚至上千万人次。同时，地铁站内的设备区放置有许多存有重要资料的服务器和云平台主机。如果地铁站内出现的火警没有得到及时的预警与控制，很容易造成人员的伤亡和重要物资的损失，所以地铁站内的火灾预警尤为重要。因此，设计一款简单实用的消防火灾报警系统能防止和减少火灾危害，对保护人身安全和维护财产安全有着重要的意义。

消防火灾报警系统是一种能接收现场情况、显示现场的探测参数数据和传递火灾报警信息的火灾报警机制，它的主要由火灾探测器和火灾报警主机组成。把整个系统费的核心---火灾报警控制主机当做为火警报警系统“大脑”的话，那用于监视现场周围环境的茶树数据的探测器，则为整个系统的“感受器官”。火灾的发生与扩散是一种有着许多变量的非平稳变化过程，它除了自身的物理和化学变化外，还有许多外界因素也会干扰火灾的参考变量。火灾一旦形成，便会以非接触式和接触式的形式向外界释放出大量的能量和残余物质。热能和辐射等能量类的释放属于非接触形式的参考量；而接触形式的参考量则包括有可燃气体、燃烧后气体和烟雾等。在将系统经过简化后，利用各种传感元件将火灾中可能出现的物理化学特征参数接收，并判断信号是否符合设置的阈值，称之为消防火灾报警技术。通过探测器转换为火警信号，再将信号发送至火灾报警主机，一旦确认火灾，主机会发送控制信号给消防报警设备，如声光报警器、气瓶瓶头阀、防火卷帘等。如图1-1所示，各种不同探测器都有自己相对应的火灾物理参考量。

火焰（非接触式）

形状—图像传感器温度—温度探测器

燃烧产物（接触式）

固体产物

烟雾形状—图像传感器

特殊气体产物—气体传感器

静电探测器

微颗粒

烟雾探测器

光电型离子型

辐射—火焰探测器

火 灾

图1-1 各类火灾物理参考量与对应探测器

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2 火灾自动报警系统方案设计

2.1 火灾的特点

火灾是指可燃物在燃烧的过程中失去了控制，从而造成的灾害。火灾的产生需要三个基本的条件：可燃烧物、助燃剂和达到燃点的温度。

在固体、液体、气体三中形态中，都存在着可燃烧的物质。可燃物的燃烧过程一般是通过助燃剂向外界获得内能，使可燃物体自身的温度升高并达到了燃点，这时的液体或者固体也可能会分解成可燃的气体(如一氧化碳、氢气等)。同时在燃烧中产生的残骸中，部分小型物质颗粒，会通过热上升气流悬浮在空中成为气溶胶。在生成气溶胶的时候，会有一些比较大颗粒的物质，被叫做烟雾。当可燃物燃烧到全燃阶段会产生明火，火焰会对外界辐射红外线并且产生大量的热能。因燃烧而产生的烟雾、气溶胶气体、红外线和热量等，这些都称之为火灾的物理参考量，可以通过监测现场的这些参考量，来判断是否发生或者即将发生火灾。

火灾发生时，可将火灾燃烧现象分为阴燃、有焰燃烧和快速燃烧等。根据大量的火灾事实证明，阴燃的产生是形成火灾的重要原因。在火灾发生初期，阴燃导致的无明火所占时间比较长，这时可燃物会产生大量的烟雾，但是由于燃烧的不够剧烈，所以温度也不是很高。这个时候，烟雾探测器通过探测现场的因燃烧产生的烟雾，从而发现火灾，及时扑灭火焰减小损失。当现场产生明火时，火势会很快的蔓延开来，使周围环境的温度升高。这时温度探测器能探测到温度变化的异常发出报警，也能很快的控制火势。一般的火灾过程如图2-1所示。

图2-1 火灾过程示意图

2.2 火灾自动报警系统的作用和类型

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消防火灾报警系统由消防报警器和传感器模块组成报警回路，由洒水喷头、防火阀、声光报警器等的相关设备，组成消防联动设备。在地铁的消防火灾报警系统中，最主要的设备是探测传感器、消防报警主机和声光报警器。探测传感器会通过火灾现场发出的化学或物理变化（如发出的红外线、温度的上升差、产生的烟雾浓度和一些可燃性气体等）信号转换成电信号，发送到消防报警主机，使消防火灾报警系统接收到相应的火警消息，并触发相应区域的声光报警器，提醒此区域人员此处即将或者正在发生火灾，并通知到车控室的值班人员，请及时的灭火。

本设计由火灾探测传感器、ATC51单片机和联动设备组成了消防火灾报警系统，由安装在现场探测器探测到烟雾浓度或者是温度的异常，然后将信号通过不同机制的方式来传递给单片机，由单片机通过设置的阈值来判断是否需要报警。传感器的选择与通讯机制的不同，都可将火灾报自动警系统区分为几种不同的类型。 2.2.1 探测器分类

消防火灾报警系统可使用的类型不同和探测参数不同的传感器，下面四种消防火灾报警系统为目前较为常见的火灾报警系统： (1)感烟型探测器火灾报警系统

感烟型报警系统通过检测可燃物燃烧产生的烟雾。光电式传感器和离子式传感器的火灾报警系统当烟雾进入到探测器内室时，烟雾的丁达尔效应会将探测器内室的红外线反射和折射到红外接收管，来触发探测器产生电信号，从而达到报警目的。气敏式传感器的火灾报警系统利用化学参数来探测烟雾浓度。 (2)感温型探测器型火灾报警系统

这种报警系统是根据可燃物阴燃或者明火燃烧产生的热量，使周围的空气温度升高，当环境空气的温度达到传感器的所设置的温度或者是变化温度差时，会触发温度探测器产生电信号，来达到报警的效果。 (3)感光型火灾报警系统

感光型报警系统是根据火焰产生的光来触发报警系统进行报警。在火灾明火燃烧发生时，由于光的波长和闪烁的频率会有所不同，会激发光敏传感器产生电信号。这种系统也可以对红外线和紫外线的辐射进行探测，因为红外线的波长比较长、紫外线的波长较短，容易检测分辨。 (4)综合性火灾报警系统

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如果将上述三种报警系统中任意两种或以上结合起来构成的火灾报警系统，就称之为综合性火灾报警系统，这种系统的可靠性运行比单一探测的火灾报警系统好，可以通过不同物理参考量，综合的探测火灾条件，确保能及时地发出警报。 2.2.2 通讯机制分类

通过不同的通讯机制，可将火灾报警系统分为线制和无线，而线制又可分为总线制和多线制。通讯机制的不同可将消防火灾报警系统分为以下几种类型： (1)多线制火灾报警系统

多线制火灾报警系统是火灾报警系统研发以来最早期的一种信号通讯机制。它是将一个探测器或者是一组探测器串联到一条回路，构成一条环形回路，再将环形回路与火灾报警主机相连。这种通讯方式有种弊端，当探测器发送火警信号时，主机只能监管区分出探测器所在的回路位置，即只能监管到某一个范围内是否发生火警，无法精确探测到火警的具体位置。 (2)总线制火灾报警系统

现今的消防报警系统一般都是使用总线制，将探测器与火灾报警主机相连通信。总线制因构成总线回路的导线数量不同，又可分为二总线制和四总线制，两种线制在本质上没有太大的不同。在总线制回路中，所有探测器都会并联到总线回路上，每一个探测器都拥有编码电路，火灾报警主机通过串联的方式与探测器通讯，采用穿行通讯的方式来监管每个探测器。与多线制相比，总线制的火灾报警系统可精准地接收到每一个探测器的信号，直接将监管到的范围精确到着火点的位置。 (3)无线火灾报警系统

随着无线通讯科技和电子技术的发展，作为融合了多种技术的新型火灾报警系统，无线火灾报警系统开始慢慢发展起来。该系统利用无线装置将探测器的火警信号发送至主机专门的接收装置，与有线制相比，无线火灾报警系统更加的灵活，也能更快捷地接收到火警信息，减少了因为线路问题而现场安装的探测器无法与主机通信的情况，能更全面的覆盖到需监管火警的场所。但是由于融入了无线技术的火灾报警系统还不太成熟，所以误报率也比有线制高。 2.3 系统方案设计

本设计是为了监管探测地铁站内的火警信号，而地铁站内的需探测的范围比较大，并且作为拥有庞大日客流量的公共交通设施，火灾报警的稳定性也是必不可少的，因

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此总线制的消防火灾报警系统为通讯方式的首选。以所需探测的参数种类，可选择一下两种方案： 2.3.1 方案一

本方案采用单片机为系统的报警判断芯片。烟雾探测器采集现场的烟雾信号，经过A/D转换，传递给单片机，然后传达到显示设备和所需的报警联动装置。如图2-2所示。

图2-2 方案一框图

烟雾 传感器 A/D 转换器 单片机 系统 显示 设备 报警 装置 2.3.2 方案二

采用单片机为主控芯片，同样是通过烟雾传感器，经A/D转换器，传递给单片机。与方案一不同的是，本方案加入了温度传感器构成一个综合性火灾报警系统，通过烟雾浓度和温度变化信号传达给单片机，单片机再发送至显示设备和报警联动装置。如图2-3所示。

图2-3 方案二框图

烟雾 传感器 A/D 转换器 单片机 系统 显示 设备 温度 传感器 报警 装置 为了使系统能够灵敏度更高、更加可靠的运行，本消防火灾报警系统选用方案二。烟雾浓度和温度是火灾现场最有可能出现的一般物理参考量：烟雾探测传感器和温度探测传感器会检测到这两个参考量，单片机能比较全面地掌握火灾现场的情况，使系统能更准确、甚至可以超前接收到现场火警信息，并进行预警和消防装置的联动。

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2.3.3 系统的整体方案

本消防火灾报警系统是适用于地铁站内火灾报警的，需要包含以下几个部分：探测传感器、单片机控制器、报警模块、报警联动设备。以单片机为核心，结合温度和烟雾传感器等测量设备，和声光报警器的联动报警来实现本消防火灾报警系统的设计。

地铁消防火灾报警系统可以对地铁站内公共区区域和设备区房间进行实时地温度采集和烟雾浓度检测，如果当探测器探测到温度或烟雾浓度高于设置的临界值，便会发出报警信号。

如果烟雾的浓度或者是温度大于设置的阈值，则会触发报警电路，主机显示火警状态同时声光报警装置会启动，并联动区域的相关消防设备。本设计方案将在地铁站内公共区设置烟雾探测器，在放置了许多精密仪器的设备区房间设置温度探测器，可实时监测到房间内的温度。这个系统的整体方案如图2-4所示。

图2-4 自动火灾报警框图

温度传感器 烟雾传感器A/D信号处理温度显示 转换状态指示灯 ATC51 2.4 硬件的选择 2.4.1 单片机选型

本设计使用ATC51单片机作为系统的控制芯片。芯片能用常规方法进行编程，同样也可以在线编写，数据可保留10年之久，可循环擦/写1000次，可以有效的降低成本。单片机片内置有八位的处理器和Flash存储单元，可以在各个系统之中灵活的运用。

2.4.2 烟雾探测器选型

烟雾探测器一般使用由光电式烟雾传感器、离子式烟雾传感器、气敏式烟雾传感器为探测主要元件组成不同原理特性的感烟探测器。

声音报警 控制装置 9

光电式烟雾传感器是由红外发射管、光敏电阻和电子开关组成。传感器内部有一套比较复杂的光学通道，通道中安装有一对红外对管。正常状态的时候，通道内的红外接收管是接收不到由通道口红外发射器发出来的红外线，但是当有烟雾的时候，粉尘进入通道，在烟尘颗粒的反射的作用，接收器会接收到部分红外线，智能报警电路就会判断接收的红外线量是否超过阈值，若超过阈值则会发出警报。

离子式烟雾探测器内部有一个电离室，离子室内有人工放射性元素—镅241（Am241），正常状态下电离室的电场处于稳定状态。当有烟尘进入电离室时，烟尘悬浮物咋电离室内电离，产生出的正负离子会影响到原电离室的带电粒子正常运动，使探测器的电流和电压发生改变，发出报警信号。

气敏式烟雾传感器一般使用的是二氧化锡等半导体作为传感器的气敏材料。给传感器一个加热电源（约5V的直流电），当内室温度加热到35℃左右，空气中的氧气会被二氧化锡电离，使氧气原子变成了负离子，并吸附在半导体表面。此时，半导体中的电子密度会降低，从而导电能力较正常状态下减弱，使电阻值增加。当有烟雾的时候，烟雾会破坏传感器内室的电平衡，使元件的电阻值发生变化。利用半导体电子密度的变化可以将烟雾浓度的变化信息转化成电信号，当烟雾的浓度越大，电阻率就约小，电阻也减小，当电阻率减小到一定程度时，即触发传感器发送火警信号。

消防火灾报警系统的烟雾探测器一般放置在地铁站厅、站台以及出入口的天花板下或结构顶下，平时人来人往的，会存在许多干扰设备检测的杂质，一般检测烟雾的传感器容易误报，一个可以对烟雾同时又可对一些可燃烧的特殊气体检测并监管的烟雾探测器，相比普通的烟雾传感器更加符合环境。对此本设计使用的是MQ-2气敏传感器（如图2-5所示）。

图2-5 MQ-2型气敏式传感器

MQ-2型气敏传感器具有以下的好处和功能：

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（1） 二氧化锡半导体形成的敏感烧结体，可拥有一个稳定的R (即器件在纯洁空气中的阻抗)阻值，使传感器长期工作的更加稳定。

（2）初始化状态稳定，传感器响应时间短，长时间工作的性能优秀。 （3） 适合使用的设计电压范围宽，加热电压一般为5±0.2V。 （4） 可由单电源供电，其功耗仅0.7W。

MQ-2型传感器的特性参数如表2-1和表2-2。

表2-1 MQ-2型气敏传感器的标准工作参数

符号 参数名称 参数条件 备注 VC VH RL RH PH Tres Trec 回路电压 加热电压 负责电阻 加热电阻 加热功率 响应时间 恢复时间 5~24V 5.0V±0.2V 可调节 31Ω±3Ω ≤900mW <10s <30s 直流电压 直流/交流电压 室温 表2-2 MQ-2的环境条件 符号 Tao Tas O2 RH 参数名称 使用温度 储存温度 氧气浓度 相对湿度 工作条件 -10℃－＋50℃ -20℃－＋70℃ 21%(标准条件)氧气浓度会影响灵敏度特性 小于95% RH 备注 最小值大于2% 2.4.3 温度传感器选型 11

在放置有精密仪器的地铁设备用房中，一般很少会出现能产生烟雾的明火，反而一些电路短路或者是仪器故障导致的火灾是主要火警原因，所以需要在设备用房安装温度传感器为核心的探测器，来探测房间实时温度以防止温度过高发生火灾。

以半导体热电偶传感器、热敏电阻传感器、IC温度传感器为探测元件的温度探测器，是现在最常用的几种感温探测器。

热电偶传感器是用热电偶为感温元件的仪表。它通过热电偶测量两种不同材质导体所产生温度差时，生产的电动势，将其转化为被测物体的温度数据。热电偶传感器的容易受到周围环境的干扰，灵敏度比较低，会受到自身放大器的漂移影响。

构成热敏电阻传感器主要元件为热敏感温电阻，通过热敏电阻的热敏材料吸收电阻周围的辐射热能，升高热敏材料的温度，使电阻阻值发生变化。因为热敏电阻的阻值偏大，所以热敏电阻传感器可用于数千米长的远距离测量。

IC型的温度传感器可细分为数字输出传感器和模拟集成温度传感器。将集成硅半导体至一个芯片上组成模拟集成温度传感器，因此又称为硅传感器。模拟集成温度传感器具有可测量实时温度、测量误差小、传感器响应速度快、测量距离远、造价便宜等特点，适用于远距离的测温；数字输出传感器一种智能传感器，它将温度传感模块、A/D转换器和多种寄存器置于一个模块上，使传感器可以直接输出温度数据以及相关控制参数。

设备用房的温度探测，需要传感器对温度有较高的灵敏度，最好可以直观的测量到现场的温度情况，防范于未然。对此，本设计所使用的温度传感器为DS18B20智能数字温度传感器，该传感器可以直接输出数字信号，能最快地将现场检测到的温度数据传达到消防报警主机，符合了用于存放精密设备用房的温度探测要求。传感器当工作电源的极性接反时，芯片不能进行正常工作，也不会被损坏。 DS18B20数字温度传感器特性参数如表2-3所示。

表2-3 DS18B20型温度传感器的特性参数

符号 Tmin Tmax 参数名称 最低温度 最高温度 参数条件 -55℃ 精度：0.5℃（-10℃~+85℃） 125℃ 备注 12

Vmin Vmax 最低电压 最高电压 3V 5.5V 2.4.4 模数转换芯片选型 模数装换芯片（即A/D转换器）通过不同的要求，有很多不同种类。就位数来分：芯片有八位、十二位、十六位等位数。芯片的分辨率随着位数越高而越精细，但价格也会越贵。而就其结构而言，有单一结构的A/D转换器，也有内部含多路开关回路的A/D转换器。本篇设计选用的A/D转换器芯片型号为ADC0832芯片。

3 火灾自动报警系统硬件电路设计

3.1 单片机的外围电路

单片机外围最小电路，可以使单片机位于一个最小元件状态下正常运行。由单片机与电源电路、时钟电路、复位电路等部分组成的电路系统，称为单片机的最小系统，

电源电路和时钟回路电路是使单片机能完整运行的必备条件。最小系统作为单片机应用系统的核心部分，可以通过使用外置存储器、A/D装换模块、显示器等对单片机进行扩展，使单片机完成一些较复杂的数据处理功能。

ATC51是芯片内部自带ROM模块的单片机。因此，使用这种芯片构成的最小系统比其他芯片要更加简单方便。只要在单片机的基础上接入复位电路和时钟电路，即可用ATC51单片机构成最小系统电路，其结构如图3-1所示。

复位电路 ATC51单片机 时钟电路 图3-1 单片机最小系统框图

3.1.1 时钟电路

通过外置时钟接线和单片机内的时钟电路，单片机都可产生出时钟信号。本设计使用ATC51单片机的内部时钟方式，用于信号内部时钟的电路如图3-2所示。

在ATC51单片机芯片内部，有一个由反相放大器组成内部振荡。在单片机芯片外晶振（即为石英晶体）作为反馈元件和放大器会形成了一个自激振荡器，并在单片机内部产生时钟脉冲信号。单片机放大器上的输入端口是XTAL1端子、放大器的输出

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54321P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P3.4/T0P3.3/INT1P3.2/INT0P3.1/TXDP3.0/RXD141312111028272625242322213233343536373839P2.7/A15P2.6/A1431EAP2.5/A13端口为XTAL2端子。虽然振荡器对外接的电容值没有严格的要求，但电容的大小或多30ALEP2.4/A1229PSENP2.3/A11或少会影响到振荡器的稳定性、起振的快速性和振荡频率。在外接石英晶体时，电容P2.2/A10P2.1/A9典型值一般选用30pF。外接陶瓷谐振器时，电容选用47pF； P2.0/A8C230PF9RST18X112M19XTAL2C130PFXTAL1MCUP0.7/AD7P0.6/AD6P0.5/AD5P0.4/AD4P0.3/AD3P0.2/AD2P0.1/AD1P0.0/AD0 图3-2 ATC51单片机时钟电路 3.1.2 复位电路

复位电路可使CPU芯片和系统中其他元件电路都处于一个正常的初始状态，并从这个状态开始进行工作。复位电路在单片机系统得电的时候，在外部电路提供一个复位信号给单片机，当系统稳定的时候再撤销复位信号。单片机本身是并不能自动进行复位，所以必须外接上上述的相应外部复位电路才能实现单片机系统的复位。 P22P23复位电路中S1为手动复位开关，电容C3可以避免谐波对复位电路的工作干扰。

单片机有两种复位方式，一种是手动按 钮复位，另一种是上电复位，这个论文 采用的是手动复位。手动复 位是，在需要复位的时候按 下复位按钮，使复位端子向单片机 输出一个高电平。当进行复 位时，电源的电平就会输出到复 位端子上，则系统进行复 位。ATC51的复位电路如图3 -3所示。复位电路中S1为手动复位开关，电容 C3可以避免谐波对复位电路的工作干扰。 C3

10uF图3-3 ATC51单片机复位电路 3.2 烟雾探测电路设计 在烟雾探测电路中，大致分为两个部分：一为由MQ-2型气敏烟雾传感器检测现场的烟雾浓度，然后其烟雾浓度模拟信号发送至A/D装换器；一为烟雾传感器发送出14

的模拟信号至ADC0832转换器，将模拟信号通过模数转换电路转换为数字信号再发送给单片机，让单片机读取出相应的数值（如图3-5所示）。

MQ-2123410k40%U4CSCH0CH1GNDADC0832VCCCLKDIDO8756 图3-5 MQ-2烟雾传感器与ADC0832转换芯片接线电路

3.3 温度探测电路设计

DS18B20数字温度传感器元件通过传感器的DQ端口输出信号（如图3-6），将转换好的温度数据发送到单片机，使单片机直接接收到温度的数字数据。

R94.7K321U2VCCDQGNDDS18B2040.0 图3-6 DS18B20温度传感器输出电路 3.4 声光报警器电路设计 由LED灯警示电路与蜂鸣器报警电路可组成声光报警器电路。 LED（全称为Light Emitting Diode）即发光二极管，是一种能够直接将电能转化为可见光的固态的半导体器件。 蜂鸣器是一种可采用直流电压进行供电的一体化结构电子讯响器。三极管、蜂鸣器和限流电阻这三个部分共同构成了蜂鸣器的驱动电路。设计电路中的三极管Q5作为蜂鸣器的开关元件，其基极会产生的低电平使三极管饱和导通，蜂鸣器得电启动发声；而基极高电平则会使三极管关闭，使蜂鸣器断电停止发声。

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因LED灯组和蜂鸣器都可由直流电直接供电开启，所以可将两者串联在同一个输入输出电路中，合并为声光报警器。如图3-7所示。 R102.2kQ5PNPD1LED-REDBUZ1R11100BUZZER 图3-7 声光报警器电路 3.5 按键电路设计 单片机外接键盘可用矩阵式键盘和按键两种：矩阵式键盘的启动程序和电路接线比较繁杂，但是可外接的数量较多，其占用单片机的I/O口比较少；键盘的每一个按键都需要一个接入I\\O接口，所以占用的I/O口会比较多，按键接口的另外一端口与电源相连或者接地。与矩阵式键盘相比，键盘的接法比较方便，启动程序简介明了，因此按键电路更加稳定。根据本设计的需要，选用了式键盘作为系统的外接按键。（控制电路如图3-8所示） P16P17设置键加键图3-8 按键的控制电路

减键 3.6 数码管显示电路设计

数码管的输入电路如图3-9,其中单片机的P0.0、P0.2、P0.6、P0.4、P0.3、P0.1、P0.7、P0.5与数码管的管脚A、B、C、D、E、F、G和DP相连接。

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图3-9 数码管显示器输入电路 3.7 总设计电路 4H本设计电路能实时分别显示现场当前的烟雾浓度值和温度值，温度的上限报警值和烟雾浓度的上限报警值，并可通过外设的按键来进行设定。四位的数码管可以同时将温度和烟雾浓度显示，当烟雾或者温度超过的限定值时，声光报警器会进行火警报警。（总设计电路图如附页A） 4 火灾自动报警系统的软件设计 4.1 系统主程序流程图 4.2 温度探测器设计流程图 DS18B20数字温度传感器的程序设计，在系统主程序中，优先完成对寄存器内部数据的初始化和模块系统的复位，以确保传感器功能正常。温度传感器在每次探测现场温度时，传感器寄存器首先会进行复位，再采集现场的温度，并将探测到的数据在传感器内部进行程序处理，转换为数字信号发送至单片机，单片机会将接收到的信号数据与当前系统设置的报警阈值进行比较，当探测的温度值超出阈值，便会发出报警信号。程序设计流程图如图4-2所示。

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开始 DS18B20复位 DS18B20正常？ 发出温度转换命令 显示测温点 写入DS18B20 位置 延时 延时 读温度前复位 发出读温度命令 写入DS18B20 读入温度值数据 返回 图4-2 DS18B20数字温度传感器程序流程图

4.3 按键设计流程图

单片机会通过I/O口读取按键电平的高低来判断按键是否有按下。常开式按键的端口一段与I/O 口连接，另一端接入地线。检测按键时，单片机的内置24V电源将输入I/O口置于高电位。在按键没有按下时，为保护单片机，会单片机通过I/O 口输出一个保护高电位电平。当按键按下后，I/O 口接入地，使按键电路短路，将I/O 口转换为低电位电平。在按键释放后，按键电路开路，单片机内部的上拉电阻重新使I/O口恢复到一个正常的高电平电位。（流程图如图4-3所示）

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4.4 总线通讯方式设计

总线通讯技术是通过2根总线，将报警控制器与多个烟感探测器和温感探测器相连，并通过地址编码技术为每个探测器编写一个唯一的可识别编号地址。总线B是共用地线，总线A是电源线和通信线的复用线。二总线可不需要外接电源，直接为现场并联在总线上的探测器和其他设备供电。总线A作电源线时，此时A线、B线两根总线之间的电压为24 V，示意图如图4-4所示。

A电源线、发送线、接收线

火灾报警主机

B 参考地线

图4-4 总线通讯示意图

结 论

火灾是由于燃烧失去控制所引发的灾害，对人类的生命财产和社会安全稳定构成了极大的威胁。因火灾而引发的重大安全事故比比皆是，造成的损失也是惨重的，所以人类一直也未停止过对如何预防预警火灾的研究。

本设计参考了大量的国内外与单片机和火灾报警系统的相关资料和文献，在针对传统火灾报警系统的问题上，提出的一款实用于当前国内地下铁路网的消防火灾报警系统，提高了此系列系统的实用率，简化了繁琐的系统流程。

使用ATC51单片机作为本消防火灾报警系统的主要报警控制处理器，以MQ-2型气敏烟雾传感器和DS18B20数字温度传感器作为系统的探测器，声光报警器为报警联动装置，应用程序为C语言编写。利用了ATC51丰富的管脚资源，从而实现了一款以单片机为核心的火灾报警系统。

通过本课题的设计，对火灾报警系统有了进一步的了解，对C语言的编程也学习到了更多更加熟练，但是由于时间和物质的，本火灾系统还是有很多可以改进的

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方面，例如：可以同时使用多种不同的探测器，更加全面的检测到火灾参数；对系统的添加更加灵敏的漂移防误报程序等。

参 考 文 献

[1] 张毅刚. 单片机原理及应用[M]. 高等教育出版社: 北京, 2012

[2] 曹文丽. 浅谈地铁中的火灾自动报警系统设计的细节[J]. 山西科技报, 2011 [3] 陈超. 分析自动控制在地铁火灾报警系统中的应用[J]. 消防界, 2018 [4] 王建生. 建筑消防及火灾自动报警系统设计探讨[J]. 科技视界, 2014 [5] 李升. 单片机原理与接口技术[M]. 北京大学出版社: 北京, 2011 [6] 孙占军. 火灾报警技术与火灾报警系统发展[J]. 科技创新导报, 2011

[7] 宋树胜. 地铁综合监控系统集成火灾报警系统的应用[J]. 城市轨道交通研究, 2018 [8] 宋清亮,阮颐.低电压光电式烟感探测器芯片的设计[J]. 集成电路应用, 2018 [9] G.Edward Suh, Charles W.O’ DonnellSrinivas Devadas, Aegis: a single-chip secure processor[M]. IEEE Design and Test of Computers, 2008

[10] Knoras, Michael J, Jr: How to Ensure Fire-Alarm System Reliability[J]. Buildings, 2007

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附录A 系统总电路图

R102.2kQ5PNP P3.7/RDP3.6/WRP3.5/T1P3.4/T0P3.3/INT1P3.2/INT0P3.1/TXDP3.0/RXDD1R94.7K321BUZ1U2VCCDQGNDDS18B2041.0LED-REDR11100BUZZERU1MQ-2123410k40%U4CSCH0CH1GNDADC0832VCCCLKDIDO8756P14P1187654321P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0 171615141312111028272625242322213233343536373839P37P36P35P34P16P17P31P30P27P26P25P24C310uF313029EAALEPSENR12100P2.7/A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A9P2.0/A8P0.7/AD7P0.6/AD6P0.5/AD5P0.4/AD4P0.3/AD3P0.2/AD2P0.1/AD1P0.0/AD0设置键加键减键C230PF9RSTX112M18XTAL2C130PF19XTAL1MCUQ1PNPQ2PNPQ3R351RP21PNP P20Q4PNPR151RP221HR251RP232H3HR451R4HR551RR651RR751R R851R附录B 系统主程序

#include #define u8 #define uchar #define uint

unsigned char unsigned char unsigned int

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#define u16 unsigned int uchar yushe_wendu=50; //温度预设值 uint wendu;

//温度值全局变量

uchar yushe_yanwu=45; //烟雾预设值 uchar yanwu;

//用于读取ADC数据

//运行模式 uchar Mode=0;

//=1是设置温度阈值 =2是设置烟雾阈值 =0是正常监控模式void Init_Timer0(void);

bit ReadTempFlag; //定义读时间标志

//管脚声明 sbit Led_Reg

=P2^7;

//红灯

sbit Buzzer =P3^3;

//蜂鸣器

sbit DQ = P1^0;

//ds18b20的数据引脚

#define SMG_NUM 4 u8 code DisplayNum[16]={ 0xc0, //0 0xf9, //1 0xa4, //2 0xb0, //3 0x99, //4 0x92, //5 0x82, //6 0xf8, //7 0x80, //8 0x90, //9 0x88, //A 0x83, //b 0xc6, //C 0xa1, //d 0x86,

//E

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0x8e //F

};

u8 code DisplayOther[]={ 0xff, //空 0x7f, //\".\" 0xbf, //\"-\" 0xa7, //c 0xC1, //U ~0x6e

//y

};

void delay_ms(uint q) { uint i,j; for(i=0;ifor(j=0;j<110;j++);

}

//数码管位选定义 sbit smg_we1 = P2^0; sbit smg_we2 = P2^1; sbit smg_we3 = P2^2; sbit smg_we4 = P2^3;

//数码位选函数

void smg_we_switch(uchar i) { smg_we1 = 1; smg_we2 = 1; smg_we3 = 1; smg_we4 = 1;

switch(i) {

case 0: smg_we1 = 0; break;

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case 1: smg_we2 = 0; break; case 2: smg_we3 = 0; break; case 3: smg_we4 = 0; break; }

}

#define LED_a 0 //数码管段选的a段接在段选IO口的第0位 #define LED_b 2 //数码管段选的b段接在段选IO口的第2位 #define LED_c 6 //数码管段选的c段接在段选IO口的第6位 #define LED_d 4 //数码管段选的d段接在段选IO口的第4位 #define LED_e 3 //数码管段选的e段接在段选IO口的第3位 #define LED_f 1 //数码管段选的f段接在段选IO口的第1位 #define LED_g

7 //数码管段选的g段接在段选IO口的第7位

#define LED_dp 5 //数码管段选的dp段接在段选IO口的第5位

//初始化DS18B20

void Init_DS18B20(void) {

unsigned char x=0; DQ = 1; //DQ复位

Delay_DS18B20(8); //稍做延时 DQ = 0; //单片机将DQ拉低

Delay_DS18B20(80); //精确延时，大于480us DQ = 1; //拉高总线 Delay_DS18B20(14);

x = DQ; //稍做延时后，如果x=0则初始化成功，x=1则初始化失败 Delay_DS18B20(20); } //按键

sbit Key1=P1^6; //设置键 sbit Key2=P1^7;

//加按键

24

sbit Key3=P3^2; //减按键 #define KEY_SET 1 //设置 #define KEY_ADD 2 //加 #define KEY_MINUS

3

//减

void main (void) { u8 key;

dis_smg[0] = DisplayOther[2] ; dis_smg[1] = DisplayOther[2] ; dis_smg[2] = DisplayOther[2] ; dis_smg[3] = DisplayOther[2] ;

Init_Timer0();

wendu=check_wendu(); //初始化时调用温度读取函数 防止开机85°C delay_ms(1000);

wendu=check_wendu(); //初始化时调用温度读取函数 防止开机85°C while (1)

//主循环

{ key=Key_Scan();

//按键扫描

if(ReadTempFlag==1) { ReadTempFlag=0; wendu=check_wendu();

//读取温度值

yanwu=GetAD0832(0)*100/255; //读取烟雾值

}

if(key==KEY_SET)

{ Mode++;

}

switch(Mode)

//判断模式的值

{

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case 0: //监控模式

dis_smg[0] = DisplayNum[wendu/100%10] ;

dis_smg[1] = DisplayNum[wendu/10%10]; dis_smg[2] = DisplayNum[yanwu/10%10] ; dis_smg[3] = DisplayNum[yanwu%10] ;

if((yanwu//打开蜂鸣器报警 Led_Reg=1;

//打开温度报警灯

} else

//温度值小于预设值时

{ Led_Reg=0; //关闭报警灯 Buzzer=0;

//停止报警

}

break;

case 1: //预设温度模式 { dis_smg[0] = DisplayNum[0xc]; dis_smg[1] = DisplayOther[2] ;

dis_smg[2] = DisplayNum[yushe_wendu/10%10]; dis_smg[3] = DisplayNum[yushe_wendu%10] ;

if(key==KEY_ADD) //加键按下

{ yushe_wendu++; //预设温度值（阀值）加1

if(yushe_wendu>=99) //当阀值加到大于等于99时 yushe_wendu=99;

//阀值固定为99

}

if(key==KEY_MINUS) //减键按下

{

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if(yushe_wendu<=1) //当温度上限值减小到1时 yushe_wendu=1; //固定为1

yushe_wendu--;

//预设温度值减一,最小为0

}

break; //执行后跳出switch

}

case 2://预设烟雾模式 { dis_smg[0] = DisplayOther[5]; dis_smg[1] = DisplayOther[2] ;

dis_smg[2] = DisplayNum[yushe_yanwu/10%10]; dis_smg[3] = DisplayNum[yushe_yanwu%10] ;

if(key==KEY_ADD)

//加键按下

{ yushe_yanwu++;

//预设温度值（阀值）加1 if(yushe_yanwu>=99) //当阀值加到大于等于99时 yushe_yanwu=99;

//阀值固定为99 }

if(key==KEY_MINUS)

//减键按下

{ if(yushe_yanwu<=1) //当温度上限值减小到1时 yushe_yanwu=1; //固定为1 yushe_yanwu--;

//预设温度值减一,最小为0

} break;

//执行后跳出switch

} default :

{ Mode=0;

//恢复正常模式

break;

}

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}

}

//定时器初始化子程序 void Init_Timer0(void) {

TMOD |= 0x01; 时不受影响

//使用模式1，16位定时器，使用\"|\"符号可以在使用多个定时器

EA=1; //总中断打开 ET0=1; //定时器中断打开 TR0=1; //定时器开关打开 }

//定时器中断子程序

void Timer0_isr(void) interrupt 1 { }

static unsigned int num; TH0=(65536-2000)/256; TL0=(65536-2000)%256; DisplayScan();// 调用数码管扫描 num++;

if(num==300) // { }

num=0;

ReadTempFlag=1; //读标志位置1

//重新赋值 2ms

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