單片機控制消防系統設計研究范文

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摘要：為提升易燃、易爆工程裝備的消防安全能力，提出一種基于AT89S52單片機和凌陽單片機的移動消防系統。主要由主控模塊、火焰檢測模塊、尋跡與避障模塊、傳感模塊、定位模塊、驅動模塊、滅火裝置、顯示模塊、無線通信模塊等組成，可針對火災進行預警處理，能夠穩定、精準地感應火源信號，大大降低工程設備對人身財產的危害，同時該消防系統具有較高的自由度，可自主越障，并計算出最佳行程路徑。整個系統結構簡單，工作效率高，可靠性好，集成度和性價比高，具有良好的經濟效益和社會效益。

關鍵詞：單片機；消防系統；主控模塊；檢測模塊

引言

隨著國內各個行業和領域內生產技術和生產效率的提升，安全成為關鍵問題。在設備管理方面，一些高危設備仍處于被動檢測狀態，特別是具有腐蝕和易燃易爆的工程裝備，往往難以得到及時的狀態反饋，若發生泄漏，將造成巨大的消防安全事故[1]，大大損傷人力、物力和財力。對于設備自主消防能力的替身，目前尚未得到充分的重視，使得該問題延伸為急需解決的重要工程問題。針對以上問題，本文提出一種基于單片機控制的移動消防系統[2]，可代替人工，實時靠近并檢測高危設備的相關工作狀態，可針對火災進行預警處理，不但能大大降低這些工程設備對人身危害，而且具有良好的社會效益和經濟效益。文中所設計消防系統具有較高的自由度，可自主越障，并計算出最佳行程路徑，工作效率高，可靠性好。

1總體設計方案

1.1系統結構設計

根據消防安全基本要求，可確立系統的主要結構模塊包括：控制器模塊、尋跡傳感器模塊、傳感模塊、定位模塊、驅動模塊、滅火裝置、顯示模塊、無線通信模塊等，如圖1所示。圖1中可以看出，移動消防系統主要包括兩部分基本功能：實時在線監測和反饋預警[3]。這兩部分內容由各個功能模塊相輔相成，依賴于主控制器（單片機）和多路傳感器，可獨立通訊，也可協調工作，屬于典型的智能控制系統。

1.2主功能實現方案

該消防系統的可移動性基于多自由度車體，前進、后退與轉彎動作基于兩個驅動輪和兩個轉向輪實現。其中，兩個驅動輪由兩個步進電機單獨控制，當兩者轉速一致 時，實現直線行駛，轉速不一致時，實現轉彎。系統主要的功能流程如圖2所示。在移動消防系統工作時，定點檢測某個工程設備節點位置的火源信號，若沒有火源，則執行下一個節點的檢測。但檢測出由火源信號，則即可進行火源的掃描定位，并在此檢測，避免誤報。待火源信號消失時，完成該位置的檢測任務。主功能實現原理如圖3所示。在該控制任務條件下，需要多個傳感控制器協同工作[4]，包括：位置傳感器、火焰/煙霧傳感器、速度傳感器等。其中，系統的定位基于電子羅盤而實現，軌跡控制由光電傳感器實現，驅動電機選用L298N系列，滅火裝置為風扇滅火，煙霧/火焰探測器選用R2868系列。系統具有良好的避障能力，可通過LCD顯示屏與語音播報，實時表達消防信息，便于工作人員及時做出相應處理。

2系統主要模塊設計

2.1主控模塊設計

為確保控制系統的可靠性和性價比要求，文中綜合采用AT89S52單片機和凌陽單片機實現整個系統的綜合控制。其中，凌陽單片機主要完成無線信號的傳輸與反饋預警，AT89S52單片機則實現各個關鍵的檢測功能。AT89S52是一款具備低功耗與成本、高性能的單片機，由ATMEL公司開發研制，其接線圖如圖4所示。AT89S52單片機為51內核的CMOS8位單片機，單片機內部集成了8kB的閃存空間，隨機存取數據存儲器（RAM）的大小為256B，輸入/輸出接口共計32個，可編程定時計數器共計3個，均為16位。在程序控制方面，易于編程，也易于程序的下載與上傳，在整個系統中具有良好地控制效果。

2.2火焰檢測模塊設計

對于移動消防系統，最重要的工作任務為煙霧/火焰的及早防范。本文采用具有高集成特性的R2868火焰傳感器實現煙霧/火焰的監測。該傳感器與主控器形成檢測模塊，對火源信號具有很高的靈敏度和反應效率，即使在可見度非常低的條件下無需信號過濾，可測試的有效距離較大（不低于5m），可保持良好的信號傳輸效果，在惡劣條件下仍能夠探測185～260個不同的狹窄光譜敏感源[5]?；鹧鏅z測模塊采集并輸出的信號為數字信號，可通過單片機直接進行數據處理，可靠性非常高。

2.3尋跡與避障模塊設計

本文所設計的消防系統可完全脫離人工干預，因此，對于尋跡與避障功能提出非常高的要求。在尋址功能方面，系統采用紅外定位方案，通過紅外線的發送與接收實時控制與被測設備之間的距離。系統所采用的傳感器為AM312型號紅外定位傳感器，在移動小車中安裝有多個，可通過相應的尋跡算法[6]，排除不確定性因素。尋跡模塊具有較高的集成度，靈敏度高，體積較小，而且成本非常低。該模塊基于紅外發射技術實現，受強烈光線的干擾較多，為此，系統增設特定的A/D轉換器與單片機連接，可實現更高的信號辨識度，效果較為理想。如圖5所示，系統在信號的接收端設置電壓跟隨器[7]，這樣可以降低單片機本身的信號干擾，從而使得信號輸出端的高低電平區分更加顯著。尋跡模塊中的紅外接收與發送集成一體，相比紅外對管的性價比更高，結合實際工程使用效果可知，該模塊的應用具有良好的可行性。在尋跡中，信號的檢測和采集狀態主要通過高低電平的輸出來判定。紅外信號由二極管發出，通過被測物的反射由接收管接收，此時，光敏三極管即可通電，實現位置信號的檢測。尋跡模塊在長期工作條件下，需要克服的關鍵問題之一為最大測量距離的控制。測量距離是改變高低電平的關鍵因素，在長期工作條件下，如何通過位置信號的反饋，使其始終保持在有效測控范圍內，是確保系統可靠性的關鍵問題。除此之外，紅外線發射端電流與光敏三極管電極電流之間的線性關系也是控制電平的跳變是否顯著的重要因素。除此之外，整個消防系統的安全移動離不開越障功能，特別是當移動小車所面臨的障礙物或工作場地為隨機時。本文對于避障模塊的設計采用超聲測距方法[8]，其原理如圖6所示。發射信號由超聲探頭發出，對應的接收器接收，記錄整個收發時間，獲取距離障礙物的位置。系統的尋跡與避障功能是相輔相成的，不但可以抵消兩種測距原理在不同工作條件下的缺陷，而且能夠確保檢測功能的精確性和可靠性。

3結束語

目前，國內諸多行業和領域的消防安全意識在主動性方面明顯不足，使得工程上的火災問題難以避免。本文基于AT89S52單片機和凌陽單片機設計出一種移動消防系統，可實現多自由度的運動，包括前進、后退和轉彎等，其自動運行與檢測功能主要通過尋跡模塊、避障模塊和火焰檢測模塊實現。該系統具有較高的性價比，控制精準，可靠性高，能夠有效地降低和避免消防安全事故，在工程上具有良好的應用前景。

參考文獻：

［1］胡亦軍.消防報警及聯動自動控制系統的設計與實現［J］.電子世界，2012（17）：128-129.

［2］黃豐偉，吳榮文.智能建筑中智慧消防控制系統的應用研究［J］.電子世界，2017（19）：79-79.

［3］王翔宇，李昀澤，王金昭.自動控制系統在消防泵房的應用［J］.通用機械，2015（12）：72-74.

［4］吳蓉.多傳感器消防報警系統的綜合利用［J］.消防技術與產品信息，2012（s1）：105-107.

［5］高冬陽，胡友勃，劉巖，等.雙通道自校準光譜輻射源光電探測效率的定標［J］.光學學報，2016（11）：319-326.

［6］廖華麗，周祥，董豐，等.基于模糊控制的AGV尋跡算法［J］.哈爾濱工業大學學報，2005（7）：896-898.

［7］趙樹軍.CMOS軌到軌電壓跟隨器的設計及優化［J］.黑龍江工程學院學報，2013，27（2）：61-64.

［8］曹茂永，王霞.超聲測距數字信號采集系統［J］.電測與儀表，2000（8）：26-27.

作者：楊龍 生國鋒 王軍棗 單位：莊科技職業學院