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本設(shè)計(jì)針對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)的特定環(huán)境條件,設(shè)計(jì)一套火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng),對(duì)環(huán)境溫度和煙霧濃度進(jìn)行檢測(cè),采用模糊控制算法計(jì)算溫度變化速度的閾值以提高火災(zāi)預(yù)警準(zhǔn)確度,同時(shí)開發(fā)上位機(jī)監(jiān)控程序,實(shí)現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控功能。

本系統(tǒng)是針對(duì)特定倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境設(shè)計(jì)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng),對(duì)其采集的溫度和煙霧濃度準(zhǔn)確度有一定的要求,因此在制定方案時(shí),首要考慮所需傳感器的靈敏度和精度及倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境的影響因素。在主控制器的選擇上,采用性能成熟、兼容性好、資源適中、性價(jià)比高的STC89C51系列單片機(jī)。由于火災(zāi)發(fā)生時(shí),空氣中溫度和煙霧濃度的變化明顯且易測(cè)量,因此使用溫度傳感器和煙霧濃度傳感器構(gòu)成火災(zāi)信息檢測(cè)部分。通過無線串口通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)監(jiān)控中心,采用VB語言設(shè)計(jì)監(jiān)控程序進(jìn)行遠(yuǎn)程PC機(jī)監(jiān)控。

圖1 火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖  下載原圖

圖1所示是本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖,該系統(tǒng)主要由火災(zāi)信息檢測(cè)部分,控制中心和顯示與報(bào)警部分三部分組成。火災(zāi)信息檢測(cè)部分由溫度傳感器和煙霧濃度傳感器組成,顯示與報(bào)警部分主要是由ISD4004芯片組成語音模塊和LCD顯示屏組成,控制中心是由下位機(jī)51單片機(jī)和具有監(jiān)控功能的上位機(jī)PC機(jī)組成。

在預(yù)警處理方面,本系統(tǒng)采用模糊算法[1] ,將溫度上升的速度作為火災(zāi)發(fā)生預(yù)測(cè)標(biāo)度;當(dāng)溫升速度達(dá)到設(shè)定值時(shí),就認(rèn)定火災(zāi)已發(fā)生。而后將火災(zāi)發(fā)生事件發(fā)送給控制中心,及早作出處理。

DS18B20溫度傳感器具有體積小,溫度數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換快等優(yōu)點(diǎn),且火災(zāi)發(fā)生的溫度報(bào)警閾值在60℃左右,不超過DS18B20的最高檢測(cè)溫度,因此適用于對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)溫度檢測(cè)。該傳感器最高能夠測(cè)量125℃,測(cè)量精度可達(dá)0.1℃,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由64位光刻ROM、溫度敏感元件、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL和配置寄存器四部分組成[2] 。在工作過程中,必須采用5V恒壓供電,電壓不穩(wěn)會(huì)造成測(cè)量的誤差變大。該傳感器有三根引腳輸出:VCC、GND和IO端口,其中IO端口與單片機(jī)的可編程IO端口相連,通過單總線串行方式將數(shù)據(jù)傳送給CPU。

MQ-2煙霧傳感器是一種新型的廣泛應(yīng)用于可燃?xì)怏w和煙霧濃度檢測(cè)的檢測(cè)裝置,它使用的氣敏材料是在無污染空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫。檢測(cè)濃度范圍為300~10000ppm,在濕度70%以下常溫環(huán)境下工作精度高。其工作原理是:當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w或煙霧時(shí),傳感器的電導(dǎo)率隨濃度的增加而增大。單片機(jī)通過對(duì)時(shí)鐘信號(hào)線SCL、數(shù)據(jù)線SDA讀寫控制得到MQ-2傳感器的煙霧濃度值。MQ-2煙霧傳感器輸出為電壓值,需要使用A/D轉(zhuǎn)換芯片為轉(zhuǎn)換為數(shù)字量提供給單片機(jī),圖2所示為MQ-2煙霧傳感器A/D轉(zhuǎn)換電路圖,其中PCF8591T為四路8位A/D轉(zhuǎn)換芯片。

在倉(cāng)儲(chǔ)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)需要能夠提醒工作人員的設(shè)備,同時(shí)要求設(shè)備對(duì)工作條件要求不高且體積小、能耗低。LCD12864本身帶有字庫(kù)的能夠顯示四行64個(gè)字的顯示屏,可以作為顯示溫度和煙霧濃度值使用。語音提醒部分采用抗干擾能力強(qiáng)的音質(zhì)好的以ISD4004芯片為核心的語音模塊。

圖2 MQ-2煙霧傳感器AD轉(zhuǎn)換電路圖  下載原圖

單片機(jī)控制LCD12864實(shí)時(shí)顯示傳感器采集的溫度和煙霧濃度值,同時(shí)控制DS1302時(shí)鐘芯片實(shí)現(xiàn)時(shí)間輸出顯示。LCD12864由3位控制線和8位數(shù)據(jù)線組成的顯示裝置,通過單片機(jī)P0端口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)顯示的內(nèi)容。SPI總線主要由三條信號(hào)線組成:串行時(shí)鐘、串行數(shù)據(jù)輸入和串行數(shù)據(jù)輸出。DS1302是美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的低功耗時(shí)鐘芯片,它采用一種特殊的SPI協(xié)議與單片機(jī)通訊,其特殊性在于數(shù)據(jù)輸入、輸出共用一個(gè)端口,因而數(shù)據(jù)傳輸速度較慢于SPI協(xié)議傳輸速度。

圖3 系統(tǒng)提醒部分電路結(jié)構(gòu)圖  下載原圖

圖3所示為以ISD4004芯片為核心的語音報(bào)警電路結(jié)構(gòu)圖。ISD4004芯片能夠錄制并儲(chǔ)存8分鐘1200段語音,經(jīng)外接功放電路還能控制語音揚(yáng)聲器輸出。ISD4004芯片是通過SPI串行接口與單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹纹瑱C(jī)通過向ISD4004芯片發(fā)送片選信號(hào)SS下降沿開始數(shù)據(jù)傳輸。在傳輸期間,SS必須保持為低電平,且在兩條指令之間必須保持為高電平[3,4] 。在錄音過程,ISD4004芯片的串行數(shù)據(jù)輸入端MOSI引腳的數(shù)據(jù)在串行同步時(shí)鐘SCLK上升沿被鎖存;在放音過程,串行數(shù)據(jù)輸出端MISO引腳的數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿被移出。

下位機(jī)通過單總線協(xié)議方式控制溫度傳感器DS18B20采集環(huán)境溫度,通過I2C協(xié)議控制PCF8591芯片將MQ-2煙霧傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,得到標(biāo)準(zhǔn)煙霧濃度值。

為實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)的雙向數(shù)據(jù)傳輸,并減少布線的工作量,采用E14-TTL型遠(yuǎn)距離無線串口通信模塊。E14-TTL型無線串口模塊具有低功耗,體積小,抗干擾性強(qiáng),穿透能力強(qiáng),適合于嵌入式集成開發(fā)等特點(diǎn),全雙工雙向收發(fā)數(shù)據(jù),能夠在非極端環(huán)境下工作。其通信電壓3.0~5.5V,工作頻段2.40~2.52GHz,最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)2400m。

下位機(jī)與E14-TTL型無線串口模塊通信,只需將下位機(jī)的RXD、TXD分別接入無線串口模塊的TXD、RXD。E14-TTL型無線串口模塊與上位機(jī)通信時(shí),由于PC機(jī)采用的是USB串口技術(shù),因此需要進(jìn)行USB轉(zhuǎn)TTL。

圖4 無線串口模塊與上位機(jī)接口連接  下載原圖

根據(jù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu),對(duì)應(yīng)軟件部分包括下位機(jī)的傳感器采集程序,數(shù)據(jù)顯示程序,語音報(bào)警程序和上位機(jī)的VB軟件設(shè)計(jì)程序。完成本系統(tǒng)工作進(jìn)程需要編寫三個(gè)主要模塊的程序,第一是傳感器采集與控制器處理模塊程序,主要是對(duì)測(cè)出的數(shù)據(jù)的再處理,包括AD轉(zhuǎn)化和進(jìn)制轉(zhuǎn)化,得到能夠讓人們讀懂的標(biāo)準(zhǔn)格式;第二是視聽輸出程序,火災(zāi)發(fā)生訊號(hào)作為一項(xiàng)外部中斷控制數(shù)據(jù)顯示和語音報(bào)警功能的開啟;第三是無線串口通信程序,將下位機(jī)暫存的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC上位機(jī)顯示,上位機(jī)根據(jù)接收到的信息對(duì)下位機(jī)進(jìn)行控制。

火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)重在預(yù)報(bào),提前報(bào)警相應(yīng)地增加了對(duì)火災(zāi)處理的時(shí)間。由于模糊算法具有抗干擾能力強(qiáng),響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),所以本系統(tǒng)根據(jù)模糊算法,設(shè)計(jì)一種預(yù)測(cè)火災(zāi)發(fā)生的方案。在自然狀態(tài)下模擬得出火災(zāi)前期擴(kuò)散速度[5] :

其中co為空間中氧氣濃度,ρ為物料密度,β/β0為燃燒物灰層占比。

當(dāng)物料的密度一定時(shí),火災(zāi)擴(kuò)散速度與氧氣濃度成正比和燃燒物灰層成反比。在密閉的環(huán)境中隨著火災(zāi)進(jìn)行,氧氣濃度會(huì)下降,燃燒物灰層則會(huì)越來越厚。由此推出火災(zāi)速度定會(huì)趨于緩慢。而現(xiàn)實(shí)生活中,火災(zāi)范圍不但不會(huì)減小,還不斷擴(kuò)大,甚至難以控制。這是因?yàn)槿紵奈锪献銐蚨?大火作用時(shí)間也就變長(zhǎng)。在設(shè)計(jì)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)時(shí),主要讓系統(tǒng)工作于火災(zāi)快速蔓延前期,后期的火勢(shì)對(duì)報(bào)警系統(tǒng)已沒有意義了[6] 。根據(jù)公式(1),以polyurethane foam為例,得出前期火災(zāi)前期擴(kuò)散速度V=0.075mm/s。

由模糊算法和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,得到火災(zāi)溫度上升速度(VT)與火災(zāi)擴(kuò)散速度(V)、火災(zāi)距離(L)和火災(zāi)中心溫度(T)等影響因素的隸屬函數(shù):

其中k1、k2、k3為各影響因素的隸屬度,k1+k2+k3=1。

以包裝紙箱燃燒為例,k1=0.5、k2=0.4、k3=0.1,根據(jù)公式(2)得出在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)3m高處溫度上升速度為:VT=0.031℃/s,即當(dāng)溫度傳感器采集的溫度變化速度大于0.031℃/s時(shí),可認(rèn)為火災(zāi)將會(huì)發(fā)生。而其他燃燒物的溫度上升速度是否為0.031℃/s還有待研究。本文采用該數(shù)據(jù)作為火災(zāi)發(fā)生臨界參考點(diǎn)。

系統(tǒng)硬件程序是根據(jù)不同設(shè)備的性能特點(diǎn)和通信方式而設(shè)計(jì)的;每個(gè)設(shè)備只有依靠固有的時(shí)序圖和協(xié)議才能正常工作。圖5所示為下位機(jī)主程序流程圖。首先是編寫各個(gè)傳感器和LCD顯示屏初始化程序,然后編寫各傳感器的信息采集程序和數(shù)據(jù)處理程序。根據(jù)DS18B20讀寫時(shí)序編寫溫度值采集程序。每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從下位機(jī)啟動(dòng)寫時(shí)序開始,此后將回送數(shù)據(jù),單片機(jī)再啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。MQ-2傳感器采集到的值為對(duì)應(yīng)的電壓模擬量,因此需要對(duì)模擬量進(jìn)行8位AD轉(zhuǎn)換得到標(biāo)準(zhǔn)煙霧濃度值,精度為38ppm。下一步是對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,如果溫度上升速度大于設(shè)定值0.031℃/s,或者溫度上升速度沒有超過設(shè)定值但傳感器采集溫度大于60℃且煙霧濃度大于3000ppm時(shí),語音模塊發(fā)出報(bào)警,直到上位機(jī)關(guān)閉語音報(bào)警。

圖5 下位機(jī)主程序流程圖  下載原圖

圖6和圖7分別是下位機(jī)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)流程圖。下位機(jī)在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí),首先將串口模塊的AUX置低,延時(shí)1~2ms后,下位機(jī)的TXD端口向串口模塊的RXD端口傳送數(shù)據(jù),待數(shù)據(jù)發(fā)送完后,拉高AUX電位。下位機(jī)在接收數(shù)據(jù)時(shí),同樣先將AUX置低再發(fā)數(shù)據(jù)。

圖6 下位機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖  下載原圖

圖7 下位機(jī)數(shù)據(jù)接收流程圖  下載原圖

將組裝好的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)安置在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行模擬,采用一對(duì)E14-TTL型無線串口模塊實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)的通信;模擬火災(zāi)發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)使火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)處于工作狀態(tài),采用VB開發(fā)工具設(shè)計(jì)監(jiān)控界面如圖8所示[7] 。根據(jù)界面顯示,系統(tǒng)調(diào)試時(shí)溫度為23℃,而煙霧濃度為4635ppm,超過預(yù)定濃度3000ppm,濃度指示燈變紅提示濃度異常,與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)一致,說明系統(tǒng)能按預(yù)設(shè)功能工作。

圖8 系統(tǒng)調(diào)試PC機(jī)界面圖  下載原圖

該系統(tǒng)具有倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控界面設(shè)計(jì),可進(jìn)行對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)火災(zāi)情況遠(yuǎn)距離監(jiān)控。本系統(tǒng)所采用的單片機(jī)還可擴(kuò)展功能,如攝像監(jiān)控,消防灑水噴頭控制等,方便今后對(duì)系統(tǒng)改進(jìn)、升級(jí)。