家用火灾报警探测器【船用火灾报警探测器种类.原理及发展趋势】

船用火灾报警探测器种类、原理及发展趋势

【摘要】：随着线代船舶运输业的发展，船舶安全显得更加重要，尤其是防火方面是重中之重。先就船舶火灾自动报警技术的应用现状及发展趋势做一下研究。烟雾探测器也被广泛应用于各种场合。这样的设计相结合，与使用单芯片传感器技术的发展和烟雾报警器系统的设计。介绍的烟雾报警器系统的各个组成部分的主要论点是，其控制电路及外围设备，技术和软件之间的接口电路已引进的重点。

关键词：烟雾报警器、80C51、

【Abstract】: With the development of the line behalf of ship transport,the safety of the ship is even more important,especially fire prevention is a top priority.The fist ship of automatic fire alarm technology status and development trend to do some research. Smoke detectors have also been widely used in various occasions. This design is combined with the use of single-chip sensor technology development and design of the smoke alarm system. The main thesis of the smoke alarm system for the various components are introduced,its control circuit and peripheral equipment circuit interface between technology and software have been the focus of introduction.

【Keywords】: 80C51, smoke sensor alarm.

现代的船舶上,为了保障生命财产的安全,迅速及早发现火灾苗子,最大限度地减少经济损失,都逐步装设了自动探火和报警系统,它主要由探测器和报警器两大部分组成。 探测器是火灾的自动探测设备,其安装

于被保护处所,将灭灾时产生的热量,烟气或光谱讯号转换成电的信号,通过探测器与报警器的连接电线将电信号在报警器上用声光显示,发出火灾报警。 报警器是探测器的指示与控制设备。将探测器感受的火灾信号以声光警报呼唤人员告知火灾发生的具体位置。若有必要,能通过继电器的一对常开接点发送一个电信号供自动关闭风机或闭合“安全门”,“排烟道”之用,如带有自动灭火装置,报警器也可通过某几个分路的组合,发送自动灭火指令的电信号。

火灾探测器的种类

火灾探测器的种类很多，大致分成以下几种

（1）离子感烟探测器。

（2）光电感烟探测器。

（3）感温探测器（包括定温式和差温式）。

（4）气体式探测器。

（5）红外线式探测器。

（6）紫外线式探测器。

常用的火灾探测器基本原理

（1）感烟火灾探测器

火灾发展过程大致可以分为初期阶段、发展阶段和衰减熄灭阶段。感烟火灾探测器的功能在于：在初燃生烟阶段，能自动发出火灾报警信号，以期将火扑灭在未成灾害之前。根据结构不同，感烟探测器可分为离子感烟探测器和光电感烟探测器。

①离子感烟探测器

离子式感烟探测器是由两个内含Am241放射源的串联室、场效应管及开关电路组成的。内电离室即补偿室，是密封的，烟不易进入；外电离室即检测室，是开孔的，烟能够顺利进入。在串联两个电离室的两端直接接入24V直流电源。当火灾发生时，烟雾进入检测电离室，Am241产生的α射线被阻挡，使其电离能力降低，因而电离电流减少，检测电离室空气的等效阻抗增加，而补偿电离室因无烟进入，电离室的阻抗保持不变，因此，引起施加在两个电离室两端分压比的变化，在检测电离室两端的电压增加量达到一定值时，开关电路动作、发出报警信号。

②光电感烟探测器

光电式感烟探测器由光源、光电元件和电子开关组成。利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测，并及时发出报警信号。按照光源不同，可分为一般光电式、激光光电式、紫外光光电式和红外光光电式等4种。

a、一般光电式感烟探测器根据其结构特点可分为遮光型和散射型两种。

遮光型光电感烟探测器由一个光源（灯泡或发光二极管）和一个光电元件对应装在小暗室内构成。在无烟情况下，光源发出的光通过透镜聚成光束，照射到光电元件上，并将其转换成电信号，使整个电路维持在正常状态，不发出报警。当火灾发生有烟雾进入探测器，使光的传播特性改变，光强明显减弱，电路正常状态被破坏，则发出报警信号。 散射光电式感烟探测器的发光二极管和光电元件设置的位置不是对应的。光电元件设置在多孔的小暗室里。无烟雾时，光不能射到光电元件上，电路维持正常状态。而发生火灾时，有烟雾进入探测器，光通过烟雾粒子的反射或散射到达光电元件上，则光信号转换成电信号，经放大电路放大后，驱动自动报警装置发出报警信号。

b、激光式感烟探测器。由激光发射机（包括脉冲电源和激光发生器）和激光接收器（包括光电接收器、脉冲放大及报警）组成。

它利用激光方向性强、亮度高及单色性和相干性好的特点。在无烟情况下，脉冲激光束射到光电接收器上，转换成电信号，报警器不发出报警。一旦激光束在发射过程中有烟雾遮挡而减弱到一定程度，使光电接收器信号显著减弱，探测器发出报警信号。在种类繁多的激光光源中，半导体激光器由于具有所需激发电压低、效率高、脉冲功率大、器件体积小、耐震、寿命长和价格低廉等优点而受到重视。

c、紫外光和红外光感烟探测器。它们具有灵敏度高、性能稳定、可靠、探测方位准确等优点，因而得到普遍重视，并成为目前火灾探测器的重要设备和发展方向。

光电式感烟探测器发展很快，种类不断增多，就其功能而言，它能实现早期火灾报警，除应用于大型建筑物内部外，还特别适用于电气火灾危险性较大的场所，如计算机房、仪器仪表室和电缆沟、隧道等处。

（2）感温火灾探测器

感温探测器按结构原理不同有双金属片型、膜盒型、热敏电子元件型等三种。 ①双金属片型是应用两种不同膨胀系数的金属片作为敏感元件的，一般制成差温和定温两种形式，定温式是当环境温度上升达到设定温度时，定温部件立即动作，发出报警信号；差温式是当环境温度急剧上升，其温升速率（℃/min）达到或超过探测器规定的动作温升速率时，差温部件立即动作，发出报警信号。

②膜盒型探测器由波纹板组成一个气室，室内空气只能通过气塞螺钉的小孔与大气相通。一般情况下（指环境温升速率不大于1℃/min），气室受热，室内膨胀的气体可以通过气塞螺钉小孔泄漏到大气中去。当发生火灾时，温升速率急剧增加，气室内的气压增大，波纹板向上鼓起，推动弹性接触片，接通电接点，发出报警信号。

③电子感温探测器由两个阻值和温度特性相同的热敏电阻和电子开关线路组成，两个热敏电阻中一个可直接感受环境温度的变化，而另一个则封闭在一定热容量的小球内。当外界温度变化缓慢时，两个热敏电阻的阻值随温度变化基本相接近，开关电路不动作。火灾发生时，环境温度剧烈上升，两个热敏电阻阻值变化不一样，原来的稳定状态破坏，开关电路打开，发出报警信号。

（3）火灾探测器的选择

a根据火灾的特点选择探测器

①火灾初期有阴燃阶段，产生大量的烟和少量热，很小或没有火焰辐射，应选用感烟探测器。

②火灾发展迅速，产生大量的热、烟和火焰辐射，可选用感烟探测器、感温探测器、火焰探测器或其组合。

③火灾发展迅速、有强烈的火焰辐射和少量烟和热、应选用火焰探测器。 ④火灾形成特点不可预料，可进行模拟试验，根据试验结果选择探测器。 b根据安装场所环境特征选择探测器

①相对湿度长期大于95%，气流速度大于5m/s，有大量粉尘、水雾滞留，可能产生腐蚀性气体，在正常情况下有烟滞留，产生醇类、醚类、酮类等有机物质的场所，不宜选用离子感烟探测器。

火灾自动报警应用技术的发展趋势

灾自动报警应用技术进一步着眼于当前国际发展的新形势，加快更新改造进程，加强对数字技术和新工艺、新材料的应用，改进系统能力，使火灾自动报警应用技术向着高可靠、低误报和网络化、智能化方向发展。当前，国外火灾自动报警应用技术的发展趋势主要表现为七个方面。

网络化

火灾自动报警系统网络化是用计算机技术将控制器之间、探测器之间、系统内部、各个系统之间以及城市“119”报警中心等通过一定的网络协议进行相互连接，实现远程数据的调用，对火灾自动报警系统实行网络监控管理，使各个独立的系统组成一个大的网络，实现网络内部各系统之间的资源和信息共享，使城市“119”报警中心的人员能及时、准确掌握各单位的有关信息，对各系统进行宏观管理，对各系统出现的问题能及时发现并及时责成有关单位进行处理，从而弥补现在部分火灾自动报警系统擅自停用，值班管理人员责任心不强、业务素质低、对出现的问题处置不及时、不果断等方面的不足。

智能化

火灾自动报警系统智能化是使探测系统能模仿人的思维，主动采集环境温度、湿度、灰尘、光波等数据模拟量并充分采用模糊逻辑和人工神经网络技术等进行计算处理，对各项环境数据进行对比判断，从而准确地预报和探测火灾，避免误报和漏报现象。发生火灾时，能依据探测到的各种信息对火场的范围、火势的大小、烟的浓度以及火的蔓延方向等给出详细的描述，甚至可配合电子地图进行形象提示、对出动力量和扑救方法等给出合理化建议，以实现各方面快速准确反应联动，最大限度地降低人员伤亡和财产损失，而且火灾中探测到的各种数据可作为准确判定起火原因、调查火灾事故责任的科学依据。此外，规模庞大的建筑使用全智能火灾自动报警系统，即探测器和控制器均为智能型，分别承担不同的职能，可提高系统巡检速度、稳定性和可靠性。

多样化

火灾探测技术的多样化。我国目前应用的火灾探测器按其相应和工作原理基本可分为感烟、感温、火焰、可燃气体探测器以及两种或几种探测器的组合等，其中，感烟探测器一枝独秀，但光纤线性感温探测技术、火焰自动探测技术、气体探测技术、静电探测技术、燃烧声波探测技术、复合式探测技术代表了火灾探测技术发展和开发应用研究的方向。此外，利用纳米粒子化学活性强、化学反应选择性好的特性，将纳米材料制成气体探测器或离子感烟探测器，用来探测有毒气体、易燃易爆气体、蒸气烟雾的浓度并进行预警，具有反应快、准确性高的特点，目前已列为我国消防科研工作的重点研究开发课题。 设备连接方式的多样化。随着无线通信技术的成熟、完善和新型有线通信材料的研制，设备间、系统间可根据具体的环境、场所的不同而选择方便可靠的通信方式和技术，设备间可以用无线技术进行连接，形成有线、无线互补，同时新型通信材料的研制开发可弥补铜线连接存在的缺陷。而且各探测器之间也可进行数据信息传递和交流，使探测器的设置从枝状变成网状，探测器不再是各自对立的，使系统间、设备间的信息传递更方便、更可靠。

小型化

火灾自动报警系统的小型化是指探测部分或者说网络中的“子系统”小型化。如果火灾自动报警系统实现网络化，那么系统中的中心控制器等设备就会变得很小，甚至对较小的报警设备安装单位就可以不再独立设置，而依靠网络中的设备、服务资源进行判断、控制、报警，这样火灾自动报警系统安装、使用、管理就变得简洁、省钱、方便。

社区化

目前我国火灾自动报警系统只被安装在重要建筑上，而在美国、日本等发达国家，包括许多居民家庭都安装了火灾自动报警系统。随着我国经济的不断发展、人们安全意识的增强、火灾自动报警系统的进一步完善以及智能化程度的提高，在社区家庭特别是高级住宅积极推广应用防盗、防火联动报警装置或独立式感烟探测器，对于预防居民家庭火灾是非常必要和行之有效的措施。

蓝牙技术

无线技术与有线火灾自动报警系统相比，蓝牙技术无线火灾自动报警系统具有施工简单、安装容易、组网方便、调试省时省力等特点，而且对建筑结构损坏小，便于与原有系统集成且容易扩展，系统设计简单且可完全寻址，便于网络化设计，可广泛应用于医院、文物古建筑、机场、综合建筑和不便联网、建筑物分散、规模较大，干扰较小的建筑。对正在施工或正在进行重新装修的场所，在未安装有线火灾自动报警系统前，这种临时系统可以充分保障建筑物的防火安全，一旦施工结束，蓝牙技术无线系统可以很容易转移到别的场所。

高灵敏化

以早期火灾智能预警系统为代表。该系统采用先进的激光探测技术和独特的主动式空气采样技术以外，还采用了“人工神经网络”算法，具有很强的适应能力、学习能力、容错能力和并行处理能力，近乎于人类的神经思维。此外，该系统的子机与主机可以进行双向智能信息交流。使整个系统的响应速度及运行能力空前提高，误报率几乎接近零，灵敏度比传统探测器高1000倍以上，能探测到物质高热分解出的微粒子，并在火灾发生前的30min到20min预警，确保了系统的高灵敏性和高可靠性，实现早期预警。

针对当前火灾自动报警系统存在的通讯协议不一致，系统误报、漏报频繁，智能化程度低，网络化程度低、特殊恶劣环境的火灾探测预警抗干扰等问题较为突出的现象，提出在符合国家消防规范的基础上采用统一、标准、开放的通讯协议，通过对新技术、新工艺、新材料和新设备的应用研究，对系统方案、设备选型的优化组合，改进火灾自动报警系统的工作性能、减少维护费用和维护要求，向着高可靠性、高灵敏性、低误报率、系统网络化、技术智能化方向发展，为更好的预防和遏制建筑火灾提供了强有力的保障，从而更好的保护国家和人民的生命、财产安全。这是火灾自动报警应用技术的研究发展趋势。

声光报警器的发展及现状

火灾探测技术

火灾作术为一种在时空上失去控制的燃烧所引发的灾害，对人类生命财产和社会安全构成了极大的威胁。由此引发的重大安全事故比比皆是，所以人类一直也未停止过对它的研究。

火灾的发生和发展是一个非常复杂的非平稳过程，它除了自身的物理化学变化以外还会受到许多外界的干扰，火灾一旦产生便以接触式(物质流)和非接触式〔能量流)的形式向外释放能量。接触式形式包括可燃气体、燃烧气体和烟雾、气溶胶等。非接触式如声音、辐射等。火灾探测技术就是利用敏感元件将火灾中出现的物理化学特征转换为另外一种易于处理的物理量。各种探测器对应的火灾物理参量及探测器如图1-1所示。

各种探测器对应的火灾物理参量及探测器

探测器朝新探测技术的发展进一步拓展了火灾探测的应用领域，为一些传统探测器无法胜任的环境提供了有效的手段。相关技术的发展，如傅立叶近红外光谱技术弱信号处理技术、低功耗MCU技术进一步促进了传统探测技术的改进，使得传统探测器在技术和性能上有了显著的提高。火灾着极早期探测、多传感器复合探测和探测器小型化、智能化的方向发展迈出了更快的步伐。

近几年来，单片机已逐步深入应用到工农业生产各部门及人们生活的各个方面。各种类型的单片机也根据社会的需求而开发出来。单片机是器件级计算机系统，实际上它是一个微控制器或微处理器。由于它功能齐全，体积小，成本低，因此它可以应用到任何电子系统中去，同样，它也可以广泛应用于报警技术领域，使各类报警装置的功能更加完善，可靠性大大提高，以满足社会发展的需要。 硬件设计中最核心的器件是单片机80C51，它一方面控制A/D转换器实现模拟信号到数字信号的转换，另一方面，将采集到的数字电压值经计算机处理得到相应的二进制代码，与设定的值作比较。整个系统的软件编程就是通过汇编语言对单片机80C51实现其控制功能。

80C51系列

80C51系列单片机产品繁多，主流地位已经形成。多年来的应用实践已经证明，80C51的系统结构合理，技术成熟，许多单片机芯片倾力于提高80C51系列产品的综合功能，从而形成了80C51的主流产品的地位，近年来推出的与80C51兼容的主要产品有：

ATMEL公司融入Flash存储器技术推出的AT89系列单片机；

Philips公司推出的80C51、80C552系列高性能单片机；

华邦公司提出的W78C51、W77C51系列高速低价单片机；

ADI公司推出的AdμC8ⅹⅹ系列高精度ADC单片机；

LG公司推出的GMS90/97系列低压高速单片机；

Maxim公司推出的DS89420高速(50MIPS)单片机；

Cygnal公司推出的C8051F系列高速单片机。

由此可见，80C51已经成为事实上的单片机主流系列，所以，本次设计选择80C51单片机。

80C51的基本结构

80C51的基本结构如图所示

由图可见，80C51单片机主要由以下部分组成：

（1）CPU系统

8位CPU，含布尔处理器；时钟电路；总线控制逻辑。

（2）存储器系统

4KB的程序存储器（ROM/EPROM/Flash，可扩至64KB）；128KB数据存储器（RAM，可再扩64KB）；特殊功能寄存器SFR。

（3）I/O口和其他动能单元

4个并行I/O口；2个16位定时/计数器；1个全双工异步串行口；中断系统（5个中断源，2个优先级）

80C51系列单片机采用双列直插式（DIP）.QFP44（Quad Flat Pack）和LCC（Leaded Chip Caiier）形式封装。这里仅介绍常用的总线型DIP40封装。如图3-2所示。

40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类：电源、时钟、控制和I/O引脚

(1) 电源:

VCC - 芯片电源，接+5V； VSS - 接地端；

图3-2 80C51单片机的的封装和引脚

(2)时钟:XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。

(3) 控制线:控制线共有4根，

ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲

ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址

PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。 PSEN:外ROM读选通信号。

RST/VPD:复位/备用电源。

RST（Reset）功能：复位信号输入端。

VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。

EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。

EA功能：内外ROM选择端。

Vpp功能：片内EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源

Vpp。

(4) I/O线

80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。

P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。

80C51单片机的时钟

(1)振荡器和时钟电路

80C51内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，但要形成时钟脉冲，外部还需附加电路。80C51的时钟产生方法有以下两种。

a 内部时钟方式

利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTALl和XTAL2两端跨接晶体振荡器（简称晶振），就构成了稳定的自激振荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟电路。外接晶振时，Cl和C2的值通常选择为30pF左右；Cl、C2对频率有微调作用，晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在

1.2MHz～12MHz之间选择。为了减小寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机引脚XTALl和XTAL2靠近。

图3-3 80C51时钟电路接线方法

b 外部时钟方式

此方式是利用外部振荡脉冲接入XTALl或XTAL2。HMOS和CHMOS单片机外时钟信号接入方式不同。

表3-1 80C51单片机外部时钟接入方法

在整个声光报警系统中，要进行实验，必须对整个系统先复位。复位是单片机的

初始化操作。单片机系统在上电启动运行时，都需要先复位。其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部复位电路才能实现。

复位电路设计

单片机的外部复位电路有上电复位和上电和按键均有效的复位两种。我们在设计单片机复位时，选用上电复位。

上电复位

上电复位利用电容器的充电实现。图3-4是80C51单片机的上电复位电路。图中给出了复位电路参数。图3-5是80C51单片机的上电+按键复位电路。

上电要求接通电源后，单片机实现自动复位操作。上电瞬间RST引脚获得高电平，随着电容的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。RST引脚的高电平只要能保持足够的时间

柴油机测试技术作业

（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。该电路典型的电阻值和我电容参数为：晶振为12MHZ，电容值为10uF，电阻值为8.2K。

图3-4 上电复位电路 图3-5

上电+按键复位电路

复位状态：

初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0～R7）的状态，复位后80C51片内各特殊功能寄存器的状态如表所示，表中“x”为不定数。

表3-2复位后的内部特殊功能寄存器状态

复位时，ALE和成输入状态，即ALE== 1，片内RAM不受复位影响。复位后，P0～P3口输出高电平且使这些双向口皆处于输入状态，并将07H写入堆栈指针SP，同时将PC和其余专用寄存器清0。此时，单片机从起始地址0000H开始重新执行程序。所以，单片机运行出错或进入死循环时，可使其复位后重新运行。

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柴油机测试技术作业

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