基于80c51单片机智能火灾语音报警系统设计-文库吧

【正文】 发生。据联合国“世界火灾统计中 心 (WFSC)2020 统计资料”，全球每年大约发生火灾 600万至 700 万次，全球每年死于火灾的人数约为 65000 至 75000 人。其中，欧美地区发生的火灾较多，死亡人数却相对较少，这与欧美发达国家的生活水平以及消防技术和设施有关 。相比较而言，亚洲地区发生火灾次数较少，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。据统计，我国 70 年代火灾年平均损失不到 亿元， 80 年代火灾年平均损失接近 亿元。进入 90年代，特别是 1993 年以来，火灾造成的直接财产损失上升到年均十几亿元，年均死亡 2020 多人。随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下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。一旦发生火灾，将对人的生命和财产造成极大的危害 [7]。 严峻的事实证明，随着社会和经济的发展，社会财富日益增加，火灾给人类、社会和自然造成的危害范围不断扩大，它不仅毁坏物质财产，造成社会秩序的混乱，还直接危胁生命安全，给人们的心灵造成极大的伤害。残酷的现实让人们逐渐认识到监控预警和消防工作的重要性，良好的监控系统和及时的报警机制可以大大降低人员的伤亡，为社会减少不 必要的损失 [8]。 火灾自动报警系统 (FAS)就是为了满足这一需求而研制出的，并且其自身的技术水平也在随着人们需求的不断地提高，在功能、结构、形式等方面不断地完善。 火灾自动报警系统能迅速监测火情，可发现人们不易发觉的火灾早期特征，可将火灾带来的生命财产损失降到最低限度。火灾发生的早期，会使得燃烧物质分解，析出大量的有毒气体 CO，人们可能在毫无察觉火情的情况下就发生了 CO中毒，从而无力逃生，火灾自动报警系统可监测到 CO 浓度的变化，为人们提供CO 浓度超标报警信息，通知人们及时疏散 [9]。火灾自动报警系统可作为城 市消 8 防系统的单元，通过城市消防专用网与城市消防报警中心联网，及时将报警信息传递到消防报警中心，城市消防报警中心会自动查找到火灾发生的位置，并为消防队员制定消防路线图，以便消防队员可以迅速抵达火灾地点 [10]。火灾自动报警系统能对火灾进行实时监测和准确报警，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，有着很大的经济效益和社会效益。 9 第２章 火灾报警系统整体方案设计 火灾产生原理及过程 火灾是一种失去人为控制的由燃烧造成的 灾害，产生火灾的基本要素是可燃物、助燃物和点火源。可燃物以气态、液态和固态三种形态存在，助燃物通常是空气中的氧气。根据可燃气体与空气混合方式不同有两种燃烧方式，如果在燃烧前，可燃气就与空气均匀混和，则称之为预混燃烧；如果可燃气体和空气分别进入燃烧区边混合边燃烧，则称之为扩散燃烧。液体和固体是凝聚态物质，难与空气均匀混合，它们燃烧的基本过程是当从外部获取一定的能量时，液体或固体先蒸发成蒸汽或分解出可燃气体 (如 CO、 H2等 )的分子团、灰烬和未燃烧的物质颗粒悬浮在空气中，称之为气溶胶。一般气溶胶的分子较小 (直径 )。在产生气溶胶的同时，产生分子较大 (直径 一 10μm)的液体或固体微粒，称为烟雾。可燃气体与空气混合，在较强火源作用下产生预混燃烧。着火后，燃烧产生的热量使液体或固体的表面继续放出可燃气体，并形成扩散燃烧。同时，发出含有红、紫外线的火焰，散发出大量的热量 [11]。这些热量通过可燃物的直接燃烧、热传导、热辐射和热对流，使火从起火部位向周围蔓延，导致了火势的扩大，形成火灾。其中的气溶胶、烟雾、火焰和热量都称为火灾参量，通过对这些参量的测定便可确定是否存在火灾。 根据火灾发生时产生现象的不同，可 以将火灾分为慢速阴燃、明火和快速发展火焰等。阴燃就是在疏松或颗粒介质中形成的缓慢进行的热解和氧化反应，它能长时间自行维持并传播，当条件发生变化时，或者自行熄灭，或者转化为明火。明火则是火灾发生时燃烧火焰产生的热量使液体或固体的表面放出可燃气体，并形成扩散燃烧，同时发出含有红、紫外线的火焰。快速发展火焰则是火灾扩散的速度特别快，这种类型的火灾一般为空气中混有大量可燃气体。通过大量的研究表明阴燃是诱发火灾的重要原因 [12]。 总的来说，普通可燃物在燃烧时表现为以下形式：首先是产生燃烧气体，然后是烟雾，在氧气充足 的条件下才能达到全部燃烧，产生火焰，发出可见光和不可见光，并散发出大量的热，使环境温度升高。起火过程中，起初和阴燃两个阶段所占的时间比较长，虽然产生大量的烟雾，但是环境温度不太高，若探测器就 10 应该从此阶段开始进行探测，就可以火灾损失控制在最小限度。火焰燃烧后，迅速蔓延，产生大量的热使得环境温度升高，如果能将这时能够探测到有效地温度值，就可以比较及时地控制火灾。起火过程曲线如图 所示 [13]。 图 起火过程曲线 系统总体方案设计 系统总体功能概述 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，警示消防控制中心的值班人员，并在屏幕上显示出火灾的位置。整体电路的框图如图 2２所示 ： 11 系统硬件总体构架 报警系统主要由数据采集模块、单片机控制模块、声光报警模块组成。图 为火灾报警系统的结构框图 [14] 图 系统结构框图 单片机是整个报警系统的核心， 系统的工作原理是：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。 本文设计的用于小型防火单位的单片机火灾报警系统具有以下特点 : (1)能对室内烟雾 (CO2, CO) 及温度突变进行报警 ,具有 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 (如烟雾浓度过大或是温度较高 )时，能发传感器 放大电路 A/D转换 单片机 状态指示灯 声音报警 浓度显示 按键 串口通信 图 2２ 系统原理及组成框图 12 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 (烟雾和温度同时出现异常 )时，能立即发出语音、光火灾警报 [15] 。据类似本系统的报警器现场模拟实验表明 , 本系统安全可靠 , 误报率低。且由于其体积小、操作维护方便、成本低廉等 , 具有广阔的应用前景。 系统软件总体构架 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。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，系统程序流程图如图 所示。 图 程序流程图 为了降低误报率，系统采用多次采集、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。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各个端口输入输出的设置、外围驱动电路和数据存储电路等完成初始化，其次是对芯片内的程序进行初始化，接下来执行火灾报警系统中的数据采集任务， 13 数据通信任务和查询判断任务。 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： （ 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。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。 火灾探测器的原理 火灾发生时，必然会伴随着产生烟雾、高温和火光，探测器对这些都很敏感。当有烟雾、高温、火光产生的时候，它就改变平时的正常状态，引起电流、电压或机械部分发生变化或位移，再通过放大、传输等过程发出警报声，有的还能同时发出灯光信号并显示发生火灾的部位、地点。 火灾探测器主要分感烟、感温、光辐射三大类： （ 1）感烟探测器 。一种是离子感烟探测器，它在内外电离室里面有放射源镅 241，电离产生的正负离子，在电场的作用下各向正负电极移动。在正常的情 14 况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。一旦有烟雾窜逃外电离室，干扰了带电粒子的正常运动，电流、电压就有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是就发出了信号。还有一种叫光电感应探测器，它有一个发光元件和一个光敏元件，平常光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如果有烟雾从中阻隔，到达光敏元件上的光就显著减弱，于是光敏元件就把光强的变化变成电的变化，通过放大电路向人们报警。还有 一种叫管道抽吸式感烟探测器，他的工作原理与光电感应探测器中另一种散射型相似，通过烟雾的反射或散射产生光敏电流，主要用在船舶上。近年来还出现了激光感烟探测器，它也是利用光电感应原理，不同的是光源改用激光束。这种探测器采用半导体器件，体积小、价格低、耐震动、寿命长，很有发展前途。 （ 2）感温探测器。一种是运用金属热胀冷缩的特性。正常的情况下，探测器的电路断开，当温度升到一定值时，由于金属膨胀、延伸，导体接通，于是发出了信号。一种是利用某些金属易熔的特性，在探测器里固定一块低熔点合金，当温度升到它的熔点（ 70～ 90℃）时，金属熔化，借助弹簧的作用力，使触头相碰，电路接通，发出信号。这两种探测器都属定温型，即当外界温度超过某一限值时就会报警；还有一类是差温型，升温的速度超过特定值时，便会感应报警。如将两者结合起来，便成为差定温组合式。 （ 3）光辐射探测器。一种是红外光辐射探测器。物质在燃烧时，由化学反应产生闪烁的红外光辐射使硫化铅红外光敏元件感应，转变成电信号，经放大后，就能向人们报警。另一种是紫外光辐射探测器，则利用有机化合物燃烧时，火光中的紫外光，使紫外光敏管的电极激发出离子，通过继电器等，就能打开开关电路报警。 火灾报警器是重要的安全设备，一切重要的场所，如大型物资仓库、