基于单片机的火灾报警系统设计与仿真

何凡：基于单片机的火灾报警系统设计

害之一。据联合国“世界火灾统计中心（WFSC）2000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2.5亿元，80年代火灾年平均损失接近3.2亿元。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2000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[5]。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[6]。为此，本系统由火灾检测模块、A/D转换模块、信号处理模块和声光报警模块组成。火灾检测模块由温度检测和烟雾检测构成，其温度传感器选用AD590，气体传感器选用TGS202。A/D转换模块选用常用ADC0809。声光报警模块分为声音报警和光报警。火灾探测器通过对火灾发出的物理、化学现象——燃烧气体、烟雾粒子、温度的探测，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声光报警信号，警示消防控制中心的值班人员，并显示出火灾的位置。这是一种结构简单、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾传感器，具有一定实用价值。

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四川理工学院本科毕业设计（论文）

第2章 系统设计方案

2.1 火灾的产生机理

众所周知，物质燃烧的基本条件是：可燃物、助燃物（氧气）、和足够的温度。其中可燃物为气体时，根据它和空气混合方式的不同可以分成预混燃烧和扩散燃烧两种。当可燃物是液体和固体时，因为它们难与空气均匀混合，所以它们燃烧的基本过程是当外部提供一定的能量时，液体或固体先蒸发成蒸汽或分解出可燃气体（如CO、H2等），同时还形成一些气溶胶。这些气相形式的可燃物与空气混合，在较强火源作用下产生预混燃烧。着火后，燃烧火焰产生的热量使液体或固体的表面继续释放出大量的热量。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，这就是常说的火蔓延。火蔓延导致了火势的扩大，形成了火灾根据火灾发生的场所不同，一般将火灾分成建筑火灾，森林火灾；根据燃烧空间的不同可分为受限空间火灾和开放空间火灾。

典型的受限空间固体物质火灾点火源的发展都要经历四个阶段:早期、阴燃、火焰和放热。图2-1为火灾产生的不同阶段的生成产物图[7]。其中，不可见烟发生在火灾早期，可以根据火灾产生气体进行探测；在火灾的阴燃期出现可见烟雾信号可用于探测；起火阶段可以根据火焰进行探测；高温阶段可以利用温度信号进行探测。

烟雾信号 温度信号 火灾产物 不可见烟可见烟火焰高温 早期 阴火 起火 温度 熄灭 时间 图2-1 火灾烟雾和温度变化曲线图

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2.2 火灾报警器的类型

（1）感烟火灾探测

感烟式火灾探测器具有早期报警的效果，是目前使用最为广泛的一种探测器。感烟火灾探测器可分为离子型、光电型、电容式和半导体型等几种。其中又以离子型和光电型火灾探测器使用居多。

（2）感温火灾探测器

物质在燃烧过程中，释放出大量的热，使环境温度升高，探测器中的热敏元件发生物理变化，从而将温度信号转变成电信号，传输给火灾报警控制器，发出火灾报警信号。

由于可采用敏感元件繁多，如热敏电阻、热电偶、双金属片、易熔金属、膜盒式半导体元件等，故而感温式火灾探测器的种类也颇多。根据感热效果和结构型式，可将它们分为定温火灾探测器、差温火灾探测器和差定温复合火灾探测器。定温火灾探测器根据局部环境到达规定温度上下时开始动作。差温火灾探测器根据升温速率来动作，如果升温速率超过预定值时则发出报警信号。差定温复合火灾探测器是兼有差温、定温两种功能的感温火灾探测器。 （3）感光火灾探测器

感光火灾探测器又称为火焰探测器，仅适用于有焰燃烧，只能在起火阶段进行探测，不适合于火灾早期探测。它是一种响应火焰辐射光谱中的红外和紫外的点型火灾探测器，主要有红外火焰型和紫外火焰型两种。红外火焰探测器的探测波长为 7000 微米，紫外火焰探测器的探测波长为 4000微米。由于光辐射的传播速度快（83 × 10m /s ），且火焰探测器的传感器件接收光辐射的响应时间极短（ms 数量级），因而火焰探测器响应速度也极快。它对于环境中气流速度也没什么限制，这类探测器适用于生产、储存和运输高度易燃物质（特别是可燃液体火灾或爆炸品）的危险性场所以及昂贵设备或关键设施对火情有特殊监测需要的地方。对于起火速度快，且无烟遮蔽的明火火灾反应最为灵敏。其中紫外火焰探测器不受风雨、阳光、高湿度、气压变化、极限环境湿度等影响，能在室外使用，但在雷电及电弧光有大量紫外线产生的场所运用此设备时，必须采取一定措施以防止非火灾报警。另外，在产生火光之前就有大量烟雾产生的场合，不宜单独采用紫外火

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焰探测器，必须与其它感烟探测器联合使用。一般紫外火焰探测器同快速灭火系统和抑爆系统联动[8]，组成快速自动报警灭火系统和自动报警抑爆系统。 （4）图像火灾探测

对于物质燃烧产生的火焰，除了可以分析它的光谱特征外，还可以对其火焰形状进行利用，这样就产生了图像火灾探测器。火焰是高温物体，而它的周围环境则是处于常温状态。火灾火焰在发展的过程中其形状有一个不断变化和持续的过程，而普通火焰，如打火机点火、蜡烛燃烧、煤气火焰等，以及高温发光源，如白炽灯、电炉等，则没有这个变化过程。这样就形成了火灾识别和探测算法的重要基础。国内已有研究表明利用液晶片和 CCD 摄像机可对火灾图像进行有效的探测[9]。

（5）气体火灾探测

目前气体火灾探测器主要有两类：可燃气体型（主要探测对象是还原性气体）和燃烧气体产物型（主要探测对象是 CO 和 CO2）。

可燃气体通常是指城市煤气、石油液化气、汽油蒸汽、酒精蒸汽、天然气以及煤矿瓦斯等易燃易爆、有毒有害的气体。这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、氢以及一氧化碳等成分。因此，在生产、运输、储存和使用这些气体的过程中，如果违反操作规程或设备密封质量不好，都有可能发生可燃气体泄漏现象，进而酿成火灾或爆炸事故。 针对这些可燃气体探测器主要有半导体型可燃气体探测器、载体催化型可燃气体探测器、固体电介质型可燃气体探测器、光电型可燃气体探测器等。

火灾发生的气态燃烧产物主要成分为 H2O、一氧化碳 CO、二氧化碳CO2、碳氢化合物（CxHy）。一般情况下，CO 和 CO2在空气中的含量极低。只有在燃烧发生时才会产生大量的 CO 和 CO2。这些气体比烟雾粒子产生得早，在感烟火灾探测器尚未发出报警信号前已达到相当大的浓度。所以，针对这两种气体进行监测将会在很大程度上反映出环境中有燃烧现象发生，而且早期报警的效果比感烟探测器好。

（6）燃烧声音火灾探测

声音火灾探测器利用燃烧所特有的次声波现象制成的声音传感器。物质在燃

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