消防電氣控制裝置設(shè)計(jì)

賈武軍，李 英

（陜煤集團(tuán)榆林化學(xué)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000）

隨著時(shí)代的進(jìn)步，建筑物如雨后竹筍般野蠻生長(zhǎng)，火災(zāi)隱患大大增加，人們漸漸意識(shí)到預(yù)防火災(zāi)與消防的重要性[1]。為了能預(yù)防火災(zāi)和及時(shí)報(bào)警，火災(zāi)報(bào)警器就誕生了。火災(zāi)報(bào)警器針對(duì)三要素設(shè)計(jì)而成，當(dāng)檢測(cè)到火焰，煙霧和溫度超過報(bào)警閾值時(shí)，火災(zāi)報(bào)警器就會(huì)報(bào)警?；馂?zāi)報(bào)警系統(tǒng)主要功能是把火災(zāi)報(bào)警和自動(dòng)滅火相互作用聯(lián)動(dòng)結(jié)合起來并且及時(shí)加以進(jìn)行管理[2]。為了及早發(fā)現(xiàn)建筑火災(zāi)安全隱患和有效地及時(shí)撲滅建筑火災(zāi)，電力系統(tǒng)中作為建筑防火保護(hù)工程火災(zāi)重點(diǎn)保護(hù)點(diǎn)的區(qū)域、各類大型商業(yè)和建筑工程專用建筑及其他各類現(xiàn)代化大型智能建筑均充分采取了建筑火災(zāi)自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警和火災(zāi)滅火監(jiān)控系統(tǒng)[3]。隨著近年來我國具有特色的社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)化體系建設(shè)的進(jìn)一步加強(qiáng)和快速推進(jìn)，各類新型現(xiàn)代化的建筑樓宇數(shù)字都對(duì)于建筑火災(zāi)災(zāi)害預(yù)測(cè)和自動(dòng)化防滅火監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用發(fā)展提出了新一代技術(shù)的高要求。大型的星級(jí)賓館、酒店、商場(chǎng)、圖書館、博物廳、檔案室和機(jī)關(guān)辦事處等，自動(dòng)保安滅火消防系統(tǒng)已逐漸發(fā)展成為必不可少的一套保安滅火設(shè)備。而且長(zhǎng)期設(shè)置一套功能齊全的民用消防器材，對(duì)于有效保障廣大全國人民各族群眾的人身生命財(cái)產(chǎn)安全，無疑也具有極為重要的戰(zhàn)略意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 方案分析

火災(zāi)檢測(cè)報(bào)警器不僅可以直接實(shí)現(xiàn)自動(dòng)火災(zāi)報(bào)警監(jiān)視周圍環(huán)境中各種可燃或惰性氣體的含量濃度，而且還同時(shí)具備了自動(dòng)火災(zāi)報(bào)警功能。

信號(hào)數(shù)據(jù)采集控制電路一般主要包括開關(guān)火災(zāi)信號(hào)傳感器和開關(guān)模擬自動(dòng)放大信號(hào)電路兩大組成部分，將發(fā)生火災(zāi)過程中的放大信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換后成為模擬式交流電信號(hào)[4]。模數(shù)轉(zhuǎn)換控制電路把自動(dòng)火災(zāi)監(jiān)測(cè)和偵察控制電路中電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)出的數(shù)字模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成為驅(qū)動(dòng)單片機(jī)需要的能夠?qū)ζ溥M(jìn)行自動(dòng)識(shí)別的模擬數(shù)字信號(hào)，再將其送入單片機(jī)。為了更加便于實(shí)時(shí)的檢測(cè)和監(jiān)視，使得儀器檢測(cè)人員和使用者都能夠直觀地看見周圍環(huán)境中各種可燃性氣體的含量，可以通過數(shù)碼管發(fā)送濃度計(jì)值[5]。

1.2 系統(tǒng)框圖

首先，該方案利用MQ-2 型火氣傳感器探測(cè)空間內(nèi)的氣體濃度。當(dāng)空氣中的火含量超過允許的標(biāo)準(zhǔn)含量時(shí)，感應(yīng)控制器接收來自傳感器的感應(yīng)信號(hào)。然后感應(yīng)控制器識(shí)別和處理相應(yīng)的感應(yīng)信號(hào)，并將識(shí)別和處理后的感應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的無線電信號(hào)，將其結(jié)果送到A/D 芯片中以便于進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。最后由一臺(tái)寫有應(yīng)用程序的單片機(jī)STC89C52 對(duì)該電路設(shè)備進(jìn)行了智能化的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了聲光自動(dòng)報(bào)警。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 電氣控制裝置設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)電源

火災(zāi)檢測(cè)報(bào)警器微控制器的工作電源主要部件包括了發(fā)電機(jī)、揚(yáng)聲器正常運(yùn)行工作使用需要的24 V 工作電源，單片式電機(jī)系統(tǒng)所正常使用工作需要的3.3 V工作電源及各類主控芯片所正常使用工作需要的5 V 電源工作電壓。我們通常是通過一個(gè)24 V 的電源啟動(dòng)器和開關(guān)電源來給它供電。把2 個(gè)交流電分別降壓轉(zhuǎn)化成作為24 V 直流電，然后再經(jīng)過一個(gè)集成電源穩(wěn)壓器將24 V 中的直流電分別降壓轉(zhuǎn)化成作為整個(gè)供電系統(tǒng)所有必需的5 V 和3.3 V 的直流有源電壓。由于該供電系統(tǒng)中需要接入消防開關(guān)電源的每個(gè)工作電壓都通常是消防車所使用交流電，在其中底部添加了一塊散熱片可用來對(duì)其本身進(jìn)行電源散熱及時(shí)保護(hù)。2個(gè)晶體發(fā)光二極管可以當(dāng)做一個(gè)電源上的指示燈。電源電路圖如圖2 所示。

圖2 電源電路圖

2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

本次的控制單片機(jī)系統(tǒng)主要是選擇了STC 系統(tǒng)的各種單片機(jī)，相比于其他各種系列的單片機(jī)而言，都在設(shè)計(jì)上具有許多的特性和優(yōu)點(diǎn)。一般STC 單片機(jī)的數(shù)據(jù)庫資源較其他類型的單片機(jī)更需求量大，并且執(zhí)行速度快; STC 系列的數(shù)據(jù)庫可以通過串口方式對(duì)單片機(jī)的數(shù)據(jù)庫文件進(jìn)行燒寫，下載時(shí)程序比較方便;STC89C52 單片機(jī)內(nèi)部采用了一個(gè)集成看門狗的控制電路，并且還具備非常強(qiáng)的抗干擾性。STC89C52 是一種低功耗工作電壓、高性能比的CMOS8 位閃存單片機(jī)，具有8 位和8 字節(jié)閃存可以自動(dòng)擦除各種閃存式樣的只讀數(shù)字程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和256 字節(jié)隨機(jī)存取的只讀數(shù)據(jù)程序存儲(chǔ)器（RAM）。本次性能測(cè)試中的設(shè)備主要測(cè)試使用基于ATMELL 的2 種高密度、非易失性的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理方法。對(duì)應(yīng)于符合國際標(biāo)準(zhǔn)的MCMCS-51 指令系統(tǒng)。其不僅擁有一個(gè)8 位的雙中心多節(jié)點(diǎn)的固態(tài)硬盤，并且還帶有一個(gè)高速閃存。強(qiáng)大的功能STC89C52 提供了許多復(fù)雜的軟件系統(tǒng)控制和管理應(yīng)用。

單片機(jī)一般都是單列采用40 個(gè)引腳，雙列直接進(jìn)行穿插式器件封裝，其外部引腳的順序排列連接方式如圖3 所示。

圖3 STC89C52 引腳圖

特別注意的是，對(duì)于31 腳（EA），當(dāng)接高電平時(shí)，單片機(jī)在復(fù)位后從內(nèi)部ROM 的0000H 開始執(zhí)行;當(dāng)接低電平時(shí)，復(fù)位后直接從外部ROM 的0000H 開始執(zhí)行。由于我們的一個(gè)應(yīng)用程序被外部存儲(chǔ)起來到了整個(gè)單片化主機(jī)內(nèi)部，因此在EA 中就需要將其接收到高電平，保證我們的整個(gè)單片化主機(jī)系統(tǒng)能夠從內(nèi)部沒有來源地讀取一個(gè)應(yīng)用程序并使其去外部進(jìn)行程序執(zhí)行。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.3 液晶顯示電路

系統(tǒng)采用液晶模塊1602，1602 是一款物美價(jià)廉的LED 液晶顯示器，分別顯示2 行標(biāo)準(zhǔn)文本字符，每行分別顯示16 個(gè)單獨(dú)的字符。該無線通信系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用在智能電表和其他辦公設(shè)備上的工業(yè)自動(dòng)化，其主要功能稱為字符型顯示，以顯示ASCII 字符。當(dāng)沒有合適的漢字庫的液晶顯示器時(shí)，如果我們是想要準(zhǔn)確地直接表達(dá)液晶漢字，首先我們需要直接得到所有必需的液晶漢字或者是液晶圖形化或子語言模型的漢字?jǐn)?shù)據(jù)，第二步把所有我們可以直接獲取的液晶漢字或者子圖形模型中的數(shù)據(jù)都直接存儲(chǔ)在一個(gè)大的液晶漢字存儲(chǔ)器中。液晶模塊連接圖如圖5 所示。

圖5 液晶模塊連接圖

2.4 MQ-2 傳感器電路

煙霧濃度傳感器，隸屬氣敏濃度傳感器，是一種惰性氣體煙-霧的電能濃度變換器，將各種可燃的惰性氣體同時(shí)放置在潮濕空氣環(huán)境中檢測(cè)濃度。（即濃度）轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號(hào)，通過一個(gè)A/D 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換控制電路把輸出模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成成為模擬數(shù)字時(shí)數(shù)據(jù)輸出后發(fā)送到系統(tǒng)相應(yīng)的控制單片機(jī)，進(jìn)而通過交換實(shí)現(xiàn)輸出差值數(shù)據(jù)處理、濃度報(bào)警數(shù)值數(shù)據(jù)處理和濃度報(bào)警數(shù)據(jù)控制。該煙霧傳感器主要設(shè)計(jì)用于對(duì)空氣煙霧狀態(tài)監(jiān)視和煙氣檢測(cè)煙霧報(bào)警器系統(tǒng)中的煙霧信號(hào)進(jìn)行采集和圖像顯示部分，其也是煙霧儀表中最具有核心的重要組成組分部件之一。由此我們可以明顯看出，傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和器件選型也是非常重要的。

煙霧式傳感器的種類繁多，從其檢測(cè)的原理上我們可以將其劃分為3 個(gè)大類：一是利用物理化學(xué)性質(zhì)的煙霧傳感器：如半導(dǎo)體煙霧傳感器、接觸燃燒煙霧傳感器等；二是可以利用各種氣體物理化學(xué)特征的惰性煙霧蒸氣傳感器，例如光學(xué)熱導(dǎo)惰性煙霧蒸氣傳感器、光學(xué)熱干涉惰性煙霧蒸氣傳感器、紅外煙霧傳感器等；三是可以采用各種電化學(xué)物理特點(diǎn)的惰性煙霧蒸氣傳感器，例如采用電流式惰性煙霧蒸氣傳感器、電勢(shì)式惰性氣體煙霧傳感器。

半導(dǎo)體單晶煙霧濃度傳感器主要包括利用含有氧化物質(zhì)的半導(dǎo)體或一種陶瓷材料生產(chǎn)做成的單晶煙霧濃度敏感器，或者一些是由一種單晶或半導(dǎo)體煙霧儀器件材料生產(chǎn)制成的單晶煙霧濃度傳感器。根據(jù)各種敏感性的作用機(jī)理需要進(jìn)行功能分類，可將其依次劃分為敏感電阻式和非敏感電阻式。半導(dǎo)體產(chǎn)品中的自動(dòng)氣敏控制元件又主要有分為N 型與P 式2 種。N 和P 型在首次進(jìn)行煙霧檢測(cè)時(shí)的阻抗?jié)舛葦?shù)值是否會(huì)因?yàn)闄z測(cè)煙霧中產(chǎn)物濃度的持續(xù)變化而逐漸略微減??；P和N 型阻抗數(shù)值減小是否意指隨著檢測(cè)煙霧中產(chǎn)物濃度的持續(xù)變化而逐漸略微增大。

MQ-2 氣敏特性元件的氣敏性材料為SnO2，在潔凈的高溫空氣中其之間具有很小的反向電導(dǎo)性。采用具有高低溫自動(dòng)循環(huán)溫度檢測(cè)的加熱方式，低溫（1.5 V 以下加熱）用于探測(cè)火災(zāi)。利用一個(gè)簡(jiǎn)易電路，可以把電導(dǎo)率的改變轉(zhuǎn)換成輸入信號(hào)或與氣體的濃度相適應(yīng)。

MQ-2 傳感器對(duì)于火災(zāi)檢測(cè)具有極高的靈敏度。這種傳感器可以檢測(cè)到各種含火的氣體。其采用的是一種廉價(jià)成本傳感器，適用于各種應(yīng)用。煙霧檢測(cè)模塊電路圖如圖6 所示。

3 結(jié)束語

21 世紀(jì)已經(jīng)到了互聯(lián)網(wǎng)的大時(shí)代。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)突飛猛進(jìn)，火災(zāi)檢測(cè)報(bào)警技術(shù)的更新和應(yīng)用變化越來越明顯。總的來說，我們認(rèn)為通過采用先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)、新設(shè)備、新材料，提高系統(tǒng)的性能，建立一個(gè)城市化、社區(qū)性的城鎮(zhèn)化、多層次火災(zāi)檢測(cè)、報(bào)警、救援、管理與服務(wù)網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)，將會(huì)成為我國新時(shí)代城鎮(zhèn)和社區(qū)安全生產(chǎn)保障體系的重要組成部分。