单片机控制消防系统设计研究范文

摘要：为提升易燃、易爆工程装备的消防安全能力，提出一种基于AT89S52单片机和凌阳单片机的移动消防系统。主要由主控模块、火焰检测模块、寻迹与避障模块、传感模块、定位模块、驱动模块、灭火装置、显示模块、无线通信模块等组成，可针对火灾进行预警处理，能够稳定、精准地感应火源信号，大大降低工程设备对人身财产的危害，同时该消防系统具有较高的自由度，可自主越障，并计算出最佳行程路径。整个系统结构简单，工作效率高，可靠性好，集成度和性价比高，具有良好的经济效益和社会效益。

关键词：单片机；消防系统；主控模块；检测模块

引言

随着国内各个行业和领域内生产技术和生产效率的提升，安全成为关键问题。在设备管理方面，一些高危设备仍处于被动检测状态，特别是具有腐蚀和易燃易爆的工程装备，往往难以得到及时的状态反馈，若发生泄漏，将造成巨大的消防安全事故[1]，大大损伤人力、物力和财力。对于设备自主消防能力的替身，目前尚未得到充分的重视，使得该问题延伸为急需解决的重要工程问题。针对以上问题，本文提出一种基于单片机控制的移动消防系统[2]，可代替人工，实时靠近并检测高危设备的相关工作状态，可针对火灾进行预警处理，不但能大大降低这些工程设备对人身危害，而且具有良好的社会效益和经济效益。文中所设计消防系统具有较高的自由度，可自主越障，并计算出最佳行程路径，工作效率高，可靠性好。

1总体设计方案

1.1系统结构设计

根据消防安全基本要求，可确立系统的主要结构模块包括：控制器模块、寻迹传感器模块、传感模块、定位模块、驱动模块、灭火装置、显示模块、无线通信模块等，如图1所示。图1中可以看出，移动消防系统主要包括两部分基本功能：实时在线监测和反馈预警[3]。这两部分内容由各个功能模块相辅相成，依赖于主控制器（单片机）和多路传感器，可独立通讯，也可协调工作，属于典型的智能控制系统。

1.2主功能实现方案

该消防系统的可移动性基于多自由度车体，前进、后退与转弯动作基于两个驱动轮和两个转向轮实现。其中，两个驱动轮由两个步进电机单独控制，当两者转速一致 时，实现直线行驶，转速不一致时，实现转弯。系统主要的功能流程如图2所示。在移动消防系统工作时，定点检测某个工程设备节点位置的火源信号，若没有火源，则执行下一个节点的检测。但检测出由火源信号，则即可进行火源的扫描定位，并在此检测，避免误报。待火源信号消失时，完成该位置的检测任务。主功能实现原理如图3所示。在该控制任务条件下，需要多个传感控制器协同工作[4]，包括：位置传感器、火焰/烟雾传感器、速度传感器等。其中，系统的定位基于电子罗盘而实现，轨迹控制由光电传感器实现，驱动电机选用L298N系列，灭火装置为风扇灭火，烟雾/火焰探测器选用R2868系列。系统具有良好的避障能力，可通过LCD显示屏与语音播报，实时表达消防信息，便于工作人员及时做出相应处理。

2系统主要模块设计

2.1主控模块设计

为确保控制系统的可靠性和性价比要求，文中综合采用AT89S52单片机和凌阳单片机实现整个系统的综合控制。其中，凌阳单片机主要完成无线信号的传输与反馈预警，AT89S52单片机则实现各个关键的检测功能。AT89S52是一款具备低功耗与成本、高性能的单片机，由ATMEL公司开发研制，其接线图如图4所示。AT89S52单片机为51内核的CMOS8位单片机，单片机内部集成了8kB的闪存空间，随机存取数据存储器（RAM）的大小为256B，输入/输出接口共计32个，可编程定时计数器共计3个，均为16位。在程序控制方面，易于编程，也易于程序的下载与上传，在整个系统中具有良好地控制效果。

2.2火焰检测模块设计

对于移动消防系统，最重要的工作任务为烟雾/火焰的及早防范。本文采用具有高集成特性的R2868火焰传感器实现烟雾/火焰的监测。该传感器与主控器形成检测模块，对火源信号具有很高的灵敏度和反应效率，即使在可见度非常低的条件下无需信号过滤，可测试的有效距离较大（不低于5m），可保持良好的信号传输效果，在恶劣条件下仍能够探测185～260个不同的狭窄光谱敏感源[5]。火焰检测模块采集并输出的信号为数字信号，可通过单片机直接进行数据处理，可靠性非常高。

2.3寻迹与避障模块设计

本文所设计的消防系统可完全脱离人工干预，因此，对于寻迹与避障功能提出非常高的要求。在寻址功能方面，系统采用红外定位方案，通过红外线的发送与接收实时控制与被测设备之间的距离。系统所采用的传感器为AM312型号红外定位传感器，在移动小车中安装有多个，可通过相应的寻迹算法[6]，排除不确定性因素。寻迹模块具有较高的集成度，灵敏度高，体积较小，而且成本非常低。该模块基于红外发射技术实现，受强烈光线的干扰较多，为此，系统增设特定的A/D转换器与单片机连接，可实现更高的信号辨识度，效果较为理想。如图5所示，系统在信号的接收端设置电压跟随器[7]，这样可以降低单片机本身的信号干扰，从而使得信号输出端的高低电平区分更加显著。寻迹模块中的红外接收与发送集成一体，相比红外对管的性价比更高，结合实际工程使用效果可知，该模块的应用具有良好的可行性。在寻迹中，信号的检测和采集状态主要通过高低电平的输出来判定。红外信号由二极管发出，通过被测物的反射由接收管接收，此时，光敏三极管即可通电，实现位置信号的检测。寻迹模块在长期工作条件下，需要克服的关键问题之一为最大测量距离的控制。测量距离是改变高低电平的关键因素，在长期工作条件下，如何通过位置信号的反馈，使其始终保持在有效测控范围内，是确保系统可靠性的关键问题。除此之外，红外线发射端电流与光敏三极管电极电流之间的线性关系也是控制电平的跳变是否显著的重要因素。除此之外，整个消防系统的安全移动离不开越障功能，特别是当移动小车所面临的障碍物或工作场地为随机时。本文对于避障模块的设计采用超声测距方法[8]，其原理如图6所示。发射信号由超声探头发出，对应的接收器接收，记录整个收发时间，获取距离障碍物的位置。系统的寻迹与避障功能是相辅相成的，不但可以抵消两种测距原理在不同工作条件下的缺陷，而且能够确保检测功能的精确性和可靠性。

3结束语

目前，国内诸多行业和领域的消防安全意识在主动性方面明显不足，使得工程上的火灾问题难以避免。本文基于AT89S52单片机和凌阳单片机设计出一种移动消防系统，可实现多自由度的运动，包括前进、后退和转弯等，其自动运行与检测功能主要通过寻迹模块、避障模块和火焰检测模块实现。该系统具有较高的性价比，控制精准，可靠性高，能够有效地降低和避免消防安全事故，在工程上具有良好的应用前景。

参考文献：

［1］胡亦军.消防报警及联动自动控制系统的设计与实现［J］.电子世界，2012（17）：128-129.

［2］黄丰伟，吴荣文.智能建筑中智慧消防控制系统的应用研究［J］.电子世界，2017（19）：79-79.

［3］王翔宇，李昀泽，王金昭.自动控制系统在消防泵房的应用［J］.通用机械，2015（12）：72-74.

［4］吴蓉.多传感器消防报警系统的综合利用［J］.消防技术与产品信息，2012（s1）：105-107.

［5］高冬阳，胡友勃，刘岩，等.双通道自校准光谱辐射源光电探测效率的定标［J］.光学学报，2016（11）：319-326.

［6］廖华丽，周祥，董丰，等.基于模糊控制的AGV寻迹算法［J］.哈尔滨工业大学学报，2005（7）：896-898.

［7］赵树军.CMOS轨到轨电压跟随器的设计及优化［J］.黑龙江工程学院学报，2013，27（2）：61-64.

［8］曹茂永，王霞.超声测距数字信号采集系统［J］.电测与仪表，2000（8）：26-27.

作者：杨龙 生国锋 王军枣 单位：庄科技职业学院