火灾报警控制器--毕业设计论文.doc

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毕业设计说明书

题 目： 火灾报警控制器
学 院： 机电工程学院
专 业： 机械设计制造及其自动化
学生姓名：
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指导教师：
职 称：

题目类型： 理论研究 实验研究 √ 工程设计 工程技术研究 软件开

引言
人类对火使用技能的不断提高使火灾成为各国最有破坏性质灾害之一，其危害人类生存安全，提醒人们需加大防火措施。在我国科技与生活水平不断提高下各式各样消防设备相继出现，让我们可以在发生火灾时尽可能减少损失，保护生命财产不受损害，能对火灾发出警报的仪器开始应运而生。
火灾报警系统是对可以对环境进行勘探后就实际情况进行警报、灭火措施的设备。在整个系统中火灾报警控制器的地位至关重要，作为中心器件其可回收现场探察信息，可对整个设计供电，还能启动后方广播警报响应。近年来人们还将无线通讯加入报警控制器中，改变只能有线传送报警信息这一缺点。
无线传输信息能改变多线制传输造成的线路混杂、发生故障排除困难等问题，从而减少火灾报警控制器传输成本，体现系统技术在不停提升。
建筑物的不断增多使火灾报警系统的重要地位逐渐升高，在科技飞速进步的社会生活中对火灾报警消防系统要求会不断提升，火灾报警系统在慢慢成为专家社会的研究对象，很多专业生产机构以及公司都在不断出现。
1 火灾报警控制系统概述
1.1 选题背景及意义
1.1.1设计研究的目的及意义
火是生活中不可缺少、人类社会不断进步的产物，人们居住、工作环境的改善使楼房越建越高，大型综合高层建筑也越来越多，火灾的发生变成生活中的常事。火灾发生数量和火灾发生损失概率都在逐年上涨，宾馆、饭店、影院、住宅、办公楼这些公用民用建筑的不断增加，在房屋建设中火灾报警系统成为不可或缺部分,对火灾进行预防与救助起到重要作用。
连年来我国火灾报警技术有很快进展，但在生活使用中火灾报警技术还是存存留着一些缺陷：（1）系统可使用范畴小；（2）系统智能运用程度低；（3）系统部件连接繁琐；（4）系统错误报警较多；（5）系统创新程度低。
我国启动发展以计算机操作为主的新生产力,，科技研究里把信息化技术运用至生活中可以更好提高人们生活质量。火灾报警技术不断发展，已经开始趋近智能控制，将探测系统尽可能接近人脑设计，对环境中发生的各种情况（如温度高低、烟雾浓度、火焰亮度等）来判断是否有火情发生。根据这些情况的收集传输使用计算机进行处理、判断来精确播报火灾的发生。
火灾误报问题一直存在于火灾报警系统中，火灾误报情况存在阻碍着火灾报警技术发展，是一项需要大家更努力去解决的难题。由于各种技术不断进步，火灾误报问题已经开始慢慢减少，概率降低为以后可以采取更好的消防措施打下铺垫。
1.1.2火灾报警控制器的作用
火灾报警系统主要由探查、控制、警报以及电源部分组成，火灾报警控制器为系统最重要的部分。火灾报警控制器由于用处的差异，能分成区域火灾报警控制器、集中火灾报警控制器和通用火灾报警控制器三种基本类型[1]。探测器将信号传输给控制器再转换成报警信号发送至后台，发出广播与声光报警来警示人们，并向显示屏上传输各种报警信息，如发生火灾地点、时间等。
火灾报警控制器功能如下：
（1） 控制器获取火灾信息后开始判断并发出声光警报。
（2） 监控系统的当前状态，发生火灾可快速做出反应。
（3） 在收到报警信号之后可以发出联动信号控制消防设备，如消防栓、广播、洒水喷头等。
（4）控制器和处理警报部分对接,显示屏上能直接观察当时情况，以便工作人员及时采取措施。
1.1.3火灾报警控制器的特点
火灾报警控制器近年来多以单片机作为核心来进行设计，单片机的价格便宜在使用上可以减少成本。将传统器件连线传递信号转变成无线传递可以加快传输效率。这两项微机的使用让火灾报警控制器得到了空前进步。
（1）单片机的应用与发展。
世界的第一部电子数字计算机诞生于1946年，为了适应着社会科技的发展需要，电子技术与半导体技术在不断的进步因此新产品也层出不穷。
单片机于20世纪中后期出现，其把中央处理器、数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)和I/O接口电路组合在一起形成一个小型微机系统。由于单片机面积小、高性能、价钱便宜在各行业中的运用已经开始日趋广泛。
①家用电器：现代家用电器中大都使用单片机控制电路来提升灵敏程度，如洗衣机、空调等都使用了其进行控制。
②测控系统：单片机能组成各种不同的操纵系统，如温、湿度自动掌控等，在简易数字控制中得到了普遍使用。
③商业营销：在贸易中单片机控制系统的应用更是数不胜数，如电子秤、电子收银等等。这种系统有明显的抗病菌侵害、抗电磁干扰等高可靠性能的保证。
单片机的使用给社会带来了便易与进步，在其问世后的火速发展与人们的思想科技进步密不可分。由最初1976年诞生的8位数据处理到1982年后16位以及32位的出现让单片机一步一步渗入到人们生活中，成为我们现在及以后都非常重要的控制系统。
单片机体积小、价格便宜、功能强大、使用方便，在研究制作火灾报警控制器时是一个不二的选择，可以大大的降低了火灾报警控制器的体积与价格。单片机朝着功率消耗更低、制作元件更小、品种型号更多的方向来发展将来发展趋势一定会让人们更加大开眼界。
（二）火灾报警控制器无线传输。
在过去发展中火灾报警系统在传输上都是运用有线连接的传输方式，在有线传输基础上出现了二总线、四总线、I2C总线等不同总线传输方式。虽然总线传输方式的出现已经大大减少了布线数量，但在大型建筑中无线传输出现更能达到便易的效果。
无线传输的使用让人们可以更容易对探测器传输出来信息进行管理，由于不使用有线连接，在发生故障时即可实现快速排查的效果。在大型建筑物中使用多线制火灾报警控制器，发生故障时由于线路过多、排布杂乱会使排查检修工作不能及时顺利的进行。
控制器实现无线传输让火灾报警技术跃出了很大一步。无线火灾报警系统是采用无线传输芯片将从探测器接收到的信息通过控制器启动后台警报，主要应用于大型场所。无线传输好处有轻便、干扰小，并且可以达到较高经济效益，在技术持续进步中，无线传输的使用会不断增加。
1.2 火灾报警控制器的发展
1.2.1火灾报警控制器的现状
国民经济在不断进步的同时，火灾报警控制器行业多年来都在迅速发展，但在发展中也遇到很多困难，如国内供给量降低、出口量减少、经营不景气和利润下降。金融经济逐步提高，火灾报警控制器行业也慢慢有了较好发展势头。
火灾报警控制器硬件技术与软件技术在科技不断跃进中有不同进步。在硬件方面有探测与控制方面硬件连接，国外硬件技术水平主要朝着轻便、可靠性高、低成本、便易等方面进行发展。在软件方面有信号处理、程序软件简易方面的发展，信号处理是整个火灾报警技术的重中之重。
火灾报警传输由多线制开始进步到无线传输，无线报警系统于1985年在英国推出，科技技术不断进步后新型无线报警系统采用锂电池供电。锂电池的使用减少了电磁干扰和体积大等缺点，并保证探测部分可以在低压情况下工作。调查显示截至到1999年，我国控制器生产商就已有108家；美国有辛普勒斯、盛赛尔、江森；日本有:报智机、松下、日探；英国有:科艺、GENT、WORMAIN等；瑞士有:西伯乐斯;德国有:安福、西门子；加拿大有:爱德华等[2]。
1.2.2火灾报警控制器的前景
火灾报警控制器发展趋势是运用微机处理方式，实现探测参数记录与模式识别，达到探测信息化、技术智能化。在探查方面提高探测器反应敏捷性和正确性，在气体探测中，最有发展前景的是二氧化碳探测技术研究，以及发展一个探测头可以探测多种火灾类型。
火灾报警控制器还存在着误报漏报、智能化和网络化普及程度低等问题，基于这些问题，很多新型技术、精美工艺、坚固材料与全新设备的出现指日可待。
发展目标总结有以下几点：
（1） 降低成本；采用便宜且轻便的处理器来代替较贵器材，这些处理器的使用可以减少布线与费用消耗。
（2） 改进功能度；加大实现控制器更简便的操控，使其适合各类人群使用。
（3） 改进探测技术；提升探察反应速率进而提升报警准确率，削减误报漏报概率。
火灾报警控制器技术在不断进步与发展，针对于不同使用者与使用场所，要求也各有不同。对于小型场所的使用只需要价格适宜非智能系统即可满足需求，而对于大型场所使用时就需要智能系统安全可靠的实现报警。
随着火灾报警计算机技术不断进步，国外很多国家依靠经验或专家意见，对建筑防火规范提出改进方法从而完善消防安全工程标准，提出新型要求和方法为消防设施打开更宽阔的市场。
根据国外火灾自动报警技术各方面当前发展现状的剖析，以及对报警技术发展总趋势和相关技能领域进步趋势预测，可以清楚看出，美、英、德和日本等发展国家是当今火灾自动报警技术领先国家，我国在各方面还有很大差距，为提高与国外抗争力还需更加努力钻研。
1.3系统设计主要内容与安排
本设计主要研究火灾报警控制器的制作。工作内容是根据安装在每个房间的探测装置（有红外探测头、按钮）对现场进行检测，火灾发生即传输报警信号，控制器对信息进行集合并判断，再由无线装置传输给后置装置触发语音警报。控制器的液晶显示器可准确显示火灾发生位置，在发出的广播报警声中也会准确播报火灾发生房间号。
主要设计内容有：
（1）完成火灾报警控制器总机设计规划。
（2）以STC12C5AC60S2单片机进行硬件设计，其中包含红外探测连接电路、电源电路、LCD显示屏电路、声光报警电路。
（3）无线传输部分要实现接收发送信息并且能够启动声光报警。
（4）软件设计用C语言进行程序编写，完成既定的要求，如房间号的地址、液晶显示器的数据显示、查询功能的显示等，程序要求有详尽注解。
（5）完成硬件和软件的设计并且实现。

2 火灾报警控制器方案设计
2.1 火灾报警控制器系统要求
2.1.1火灾报警控制器工作环境
火灾报警控制器在安装时要要检测无线信号的传输功能是否符合需求，保证能够在安装范围内实现控制器信息的传输，从而实现系统安装的便捷与快速。
需注意火灾报警控制器正常工作所需环境温度、空气湿度、风的速度等条件。在控制器安装规定中表示环境安装要求是：陆地使用装置温度在-10~50℃，湿度≦92%(40℃),风速<5m/s；船用使用装置温度在-10~50℃之间,湿度风速与陆地装置相同，气压在85~106kPa。
由《火灾报警控制器通用技术条件》、《火灾自动报警系统设计规范》等准则来对火灾报警控制器进行设计。
2.1.2火灾报警控制器性能要求
火灾报警装置须有手动与自动两种触动引发方式。火灾探测器属于自动装置，可自动察觉火灾并启动报警。设在楼道或者发生现所的报警按钮属于手动装置，可手动触发报警。
火灾报警控制器性能叙述如下：
(1)接收火灾报警信息且启动后台显示记录火情位置和发生时间。
(2)可以传输报警信号并启动警报和灭火装置等消防系统。
(3)监视系统当前运行状态。
2.1.3火灾报警控制器技术要求
（1）电源模块设计。
火灾报警控制器需实现电源切换，主电源应能保持控制器持续工作，备用电可支持控制器于正常状态下工作8小时。备用电可在报警状态下可工作30min，在不超过规定的极限放电情况下，应能在48h内备用电能充电恢复到正常状态[3]。
（2）主控模块设计。
要实现接收探测端发来的警报后可以正确进行分析和处理，显示警报发生地点和准确时间，开启声光报警并对自动灭火系统发出控制信号。
（3）接口电路设计。
火灾信号通过探测后经过传输使二极管发光出现亮光报警，信号再通过无线传输至后台触发声光报警。单片机串口复杂，设计时要注意串口对应连接。
（4）控制器软件设计。
控制器与探测部分有互相传输的功能，运用高低电平来进行信息发送，保持数据精准。采用keil软件书写C语言程序，将所有控制步骤按要求与需求进行程序书写。设定好各个地址信息，分辨房间现有工作状态。
（5）无线信号接收。
将从探测部分接收到的报警信息通过无线通讯模块传输至后台并进行相应处理，随后发出声光报警信号。
2.2 火灾报警控制器方案提出与选择
2.2.1方案一
方案一打算用51系列AT89C51单片机作为中心设计，AT89C51优点有电压低、性能高处理器，传输起来速度较快。运用I2C总线可以同步控制多个探测源。在内部程序设计时，将火灾等级根据烟雾浓度、精度分成高中低的等级。
于探测源范围内发生火灾，探测装置产生信号，启动信息发送，控制器接到警报信息后能实现声光报警功能。
方案功能如图2-1：

图2-1 方案一功能图
2.2.2方案二
方案二考虑到设计研究方向为火灾报警控制器，因而不使用传感器进行传输，使用程序模拟信号可以减少硬件上的加装。模拟信号传送到接收端由单片机AT89C51进行处理验证再由无线传输模块发送至后置处理模块启动声光报警。
使用模拟信号在接口电路的设计上会比较复杂，软件程序设计要设置火灾发生的虚拟位置使方案达到最终显示效果。
方案二功能如图2-2所示：

图2-2 方案二功能图
2.2.3方案三
方案三运用STC12C5A60S2单片机作为设计中心，搭建模型设置为三层楼建筑，每层楼有2个房间，每个房间安装一个红外接收头、手动报警按钮、报警指示灯。
当发生火灾时，房间内的指示灯就会闪烁，蜂鸣器发出一声报警，信号传入单片机处理后通过无线模块发送至后台处理，最后发出广播报警并在液晶显示屏上播放发生火灾的房间号码。
在电源部分安装有蓄电池，可以保障在火灾断电时可以自动切换到蓄电池供电，不妨碍控制器的正常工作。
方案三功能如图2-3所示：

图2-3 方案三功能图
2.2.4方案选择
方案一中，使用通讯中常用传输线I2C总线，有操控方法简单、通讯效率高、使用线路少等优点。适用于大型区域控制多个探测点的传输，并且利于维修。
由于目前的设置没有很多探测点，使用I2C总线因为其协议要求很高反而不易找到合适传感器，因而放弃方案一。
方案二中，放弃使用I2C总线构思直接使用模拟信号来模拟火灾点，在编程时需要自己定义所有火灾地址位置，而且在显示上也不如第三方案直观，因此放弃方案二。
方案三中，将AT89C51核心单片机改成STC12C5A60S2单片机。由于STC12C5A60S2单片机比AT89C51单片机多4个I/O口，STC单片机中包含了AD芯片、定时芯片、复位芯片还有RC振荡。因此运行速度比传统51单片机快了12倍，运用贴片式还能减少电路板上的面积甚至比直插式美观。
在电源方面有蓄电池保证了仪器在断电情况下也可以正常的使用，相对于前两种方案该方案比较完善和符合要求。
三个方案相互比较之后可以发现方案三可以顺利的实现设计要求，因此最终选择方案三。

3 火灾报警控制器硬件设计
3.1 主要硬件介绍
3.1.1 STC12C5A60S2单片机结构及特点
STC12C5A60S2单片机内设复位电路运算速度快且功率消耗低是新型8051单片机，比一般单片机快8-12倍的处理速度使其应用范围愈加广泛。该单片机功能非常强大，有两个全双工串行通信接口，串口1可使用内部装置改变信号对载波调制速率，串口2则需使用外部装置改变。
STC12C5A60S2单片机优点有：(1)无法解密，其使用最新加密技能；(2)超强抗干扰；(3)速度快；(4)支持掉电唤醒的管脚；(5)超低功耗；(6)输入、输出口多；(7)外部复位电路可省略。
STC12C5A60S2系列单片机内部结构如图3-1示，内部结构中具备收集数据与掌控信息的需求模块，如同一个简易系统。其中含有核心处理器、程序/数据存储器、定时/计数器、看门狗、IO/SPI接口、功能串口、高速A/D转换及R/C片内振荡器和晶体片外振荡电路模块。

图3-1 STC12C5A60S2单片机内部结构
STC12C5A60S2单片机管脚如图3-2所示：

图3-2 STC12C5A60S2单片机管脚图
设计中用贴片式STC12C5A60S2单片机，单片机中加装了一个12M晶振来启动。12M晶振内部贴片电容要求是10pf-30pf间，根据需要使用22pf。晶振主要作用是形成一个振荡电路，单片机中时钟周期由晶振提供，运行程序需有时钟周期。工作时从程序存储器里取指令再一步步执行，读取Rom时间为机器周期，12个时钟周期为一个机器周期得1us。
12M晶振内部结构如图3-3所示：

图3-3 12M晶振内部结构
STC12C5A60S2单片机与12M晶振连接电路如图3-4所示：

图3-4 STC12C5A60S2单片机与12M晶振连接电路
3.1.2 NRF24L01无线传输芯片结构及特点
NRF24L01芯片作为新式无线传输元件,运行频段于2.4GHz～2.5GHz通用ISM频段，混合ShockBurst技术，频道选择与协议设置由SPI接口决定。内部功能有：（1）获得扫频输出信号；（2）输出功率驱动负载；（3）电场频率机械振动；（4）将信号变化成稳定高频振荡信号；（5）可复原最初调制信号等。实现无线通讯要保留单片机1个中断输入引脚和5个IO口即可。
NRF24L01芯片接收信息时电流为12.3mA，休眠模式电流为1uA，整机工作电流在保证合理间隔比下有20uA左右，在掉电和空闲模式下，工作电流消耗更低、节能效果更显著。芯片在长时间处于发射或接收状态对电量消耗要求非常高，在工作时间内快速切换到这两个模式即可很好解决掉消耗问题。
NRF24L10无线芯片使用在设计中能给整个设计带来亮点,让整个设计实现智能化控制。
NRF24L01无线芯片功能如图3-5所示：

图3-5 NRF24L01无线芯片功能
基于单片机使用时着重的方面是芯片右面。有6个控制和数据信号。
NRF24L10无线芯片引脚功能如表1所示：
表1 NRF24L10无线芯片模块引脚功能

NRF24L10无线芯片Tx与Rx模式初始化过程主要如表2所示：
表2 NRF24L10无线芯片Tx与Rx模式初始化过程

NRF24L10无线芯片引脚封装如图3-6所示：

图3-6 NRF24L01无线芯片引脚封装
3.1.3 ISD4004语音录放芯片结构及特点
ISD4004系列录音芯片在目前大部分运用于手机和方便移动的电子商品中。其工作电压为3V且声音质量优异，有不同型号录放时间可供选择，是目前广泛应用的芯片系列。录放时间有四种型号分别为8分钟、10分钟、12分钟、16分钟，根据设计实际要求选用ISD4004-8型号芯片，录放时间达到8分钟在语音播报中即可完整播报房间号并警示现场人员，远远满足使用要求。
芯片运用CMOS技术,内含振荡器、自动静噪、音频放大器、平滑滤波器及高密度多电平闪烁存贮陈列[4]。
主要特点有：(1)多段信息处理；(2)内部有串行通讯接口；(3)启动电流为25-30mA；(4)采样值存储在片内存储器可再现高质量、自然语音效果；(5)不费电状态信息能存储100年；(6)内部有免调时钟,外部亦可选时钟；(7)能自动降低噪音；(8)拥有可以反复10万次录音周期。
ISD4004系列语音录放芯片的普遍使用给生活带来很多方便，在设计中的使用只应用了其一部分功能，更复杂强大的功能还需继续研究。
ISD4004芯片引脚如图3-7所示：

图3-7 ISD4004芯片引脚图

各个引脚功能如表3所示：
表3 ISD4004芯片引脚功能

3.2 火灾报警模块硬件设计
火灾报警控制器需要从探测器接收火警信息后再进行判别随即发送信号，发动后台语音广播。
由于探测模块不是本系统的研究重点，因此在设计时只使用红外接收头来探测外部火焰来作为启动信号。
以三层建筑，每层有两个房间搭建模型，每个房间安装一个红外接收、手动报警按钮、报警指示灯。手动按钮可以在火灾发生时红外接收坏损或在现场人员先于探测头发现火灾可手动按下按钮自主启动报警，该设计可灵活实现报警并保证人身以及财产的安全。
在探测到环境中有火情出现后房间内的LED报警指示灯就会点亮，在房间里居住的人群是身体有缺陷（如失去或者没有视力、听力的人）或老年人和孩子的情况下可以根据闪烁报警灯或发出的报警声来感知火灾发生，可以保证在房间里现场人员可以及时离开火灾现场并且确保自身安全。若是在大型环境里将要根据环境需求确定安装探测器个数。
单片机接收探测信号，处理后确定火灾发生具体位置再由无线传输模块输出进入下一步。

探测模块功能如图3-8所示：

图3-8 探测模块功能
STC12C5A60S2单片机接收报警部分电路如图3-9所示：

图3-9 STC12C5A60S2单片机接收报警部分电路
探测到信号后控制器向后台发出信号，传输房间号地址以及时间信息，保证后台显示器可以准确显示相关信息且发出广播警报。
控制模块功能如图3-10所示：

图3-10控制模块功能
STC12C5A60S2单片机无线接收部分电路如图3-11所示：

图3-11 STC12C5A60S2单片机无线接收部分电路
3.2.1红外接收探测电路设计
火灾探测器通过对火灾发出的物理、化学现象、气(燃烧气体)、烟(烟雾粒子)、热(温度)、光(火焰)的探测,将探测到火情信号转换成为火警电信号传送给火灾报警控制器[5]。
根据以上原因，可作为探测的传感器有：温度、烟雾、光敏传感器等等。选择红外火焰探测主要原因是在做现场现象实验时可以比较方便实现外部火焰模拟，打火机火焰就可以启动红外探测器的启动，灵敏度比较高也比较方便。
红外接收设有地线、电源和信息输出三个管脚。其内部使用材料与一般发光二极管不同，构造却大致相同。稳固电压施加在红外接收两边不是可见光而是红外线，高低电平输出和发射位相反，则能提升获取灵敏度。
红外接收需快速的探测速率，正向最大电流一般是100mA，放射波形强度随电流增大而增大。
驱动波形如图3-12所示：

图3-12红外接收驱动波形
载波波形如图3-13所示：

图3-13红外接收载波波形
在探测部分6个房间有6个红外接收头，每个接收头电压无限大，要由滑动电阻进行调节。红外接收头电阻：5V*（滑动电阻阻值/总电阻）。当红外接收感知到现场中有火焰出现输出电压值为0V，发送给单片机开启后台检测运行。
红外接收探测传输电路如图3-14所示：

图3-14红外接收探测传输电路
如图3-14所示，探测部分发出信号由LM339四路差动比较器组成高压数字逻辑门电路将房间号输出，除此之外它还能直接与TTL、CMOS电路接口。
LM339引脚如图3-15所示：

图3-15 LM339引脚
LM339主要特点有：（1）可随意方便选择输出电位；（2）系统电压范畴广，单、双电源电压范围不同；（3）输入端电压补偿小；（4）噪声干扰流通范围很大；（5）输入电压能与电源电压相等，差动范畴较大；（6）内部信息来源阻值比较限度宽阔。
LM339内置比较器每个都有两个输入脚与一个输出脚，各比较器输出脚允许连接在一起使用。同相输入脚高于输出脚电压时，则输出开路；情况相反时，则输出脚连接低电位。为确保输出状态转变为另一种状态两输入电压差需大于10mV，根据这一特性在检测弱信号场所使用LM339最为理想。
输出端与正电源在应用时两者间要接上拉电阻，不同上拉电阻值对输出脚高电位值有影响。输出截止时，上拉电阻与负载的值可影响集电极电压。
由于一个LM339只有四个比较器因此在设计中一共使用了2个。电源接到3号的空引脚，12号空引脚接地，“+”端接到红外接收头正极，“-”端接到10K的滑动电阻，由此来形成一个探测红外接收信号的回路再由输出端将信号发送出去，并且输出房间号。
3.2.2手动报警按键电路设计
在国家规范GB50116-98《火灾自动报警系统设计规范》中第8.3条[6]对火灾报警按钮设置有严格规定。为更好实现报警，在设计时在每个房间都安装了手动报警按钮，可以实现在探测器失去探测功能时可以由住户或工作人员自身启动报警。
按键在型号选择上没有硬性规定，只需有公共接地端以及电源输端，准确对接需要位置即可，根据一般电子元器件按键选择就能达到目的。设计这一按钮可以使总体设计更加人性化，保障发生火灾时可以及时实现报警。从不同角度出发考虑问题杜绝在灾害中可能发生的情况，防患于未然。
手动报警按钮电路如图3-16所示：

图3-16 手动报警按钮电路
3.2.3电源电路设计
电源模块是设计中的重中之重，主要为整个系统所有设备提供所需电源，电源模块出现纰漏整个系统的使用则会出现问题。
据火灾报警系统设计规范要求，火灾报警控制器应有主电源和备用电源。消防直流电源最适宜作主电源，使用火灾报警控制器专门配备的蓄电池作为备用电。
主副电源要有明显标志并可自由切换，保证电源不间断，主电源转换使用备用电源时有指示灯显示。无事故信息情况下，位于休眠形式，当报警时，马上进行显示处理。
直流电源有三种类型线性电源、开关电源、相控电源，可以按照不同要求使用不同电源，在消防控制系统中电源大多选用开关电源。在设计中考虑到实用性，所设计控制器只驱动较小信号电路，因此选用线性电源。三种电源中线性电源应用性最佳，线性直流作为输出电可用在要求高的场合。
主电源部分电路如图3-17所示：

图3-17主电源部分电路
设计的主电源将生活用电220V的交流电压先通过一个电源变压器，电源变压器可将输入电源Vin：220V直接转换成单路Vout：24V输出，电压变成24V后再通过一个全桥整流桥将24V交流电变成直流电压。接着通过一个串接开关二极管Diode 1N914与可调节三端正电压稳压器LM319将输出电压调整为5.2V以满足整个系统需要的5V电压值。
蓄电池部分电路如图3-18所示：

图3-18蓄电池部分电路
为了提高系统工作可靠度使用蓄电池并且拥有自动充电功能。D18是红色LED灯表示电池通电并且正在充电，而D19是蓝色LED灯表示电池充电完成。+5V电压经过一个TP4056电压线性充电器经由滤波电容滤除交流成分使输出直流更平滑，由以上部件给3.7V锂电池充电形成一个蓄电池结构。
3.7V锂电池充满电后也只有4.2V不满足电压需求，在电压输出时经过一个PTN0405C升压芯片将电流升压成为+5V电压输出。由主电源流出电压应有+5.2V，两个Diode 1N4001整流二极管之间压降为0.2V。当打开蓄电池开关而主电源接通时就有电压+5.2V>+5V，此时整个系统由主电源供电并且能实现给蓄电池充电。
蓄电池启动开关电路如图3-19所示：

图3-19蓄电池启动开关电路
如图3-19所示+5V表示主电源输出电压，当主电源打开有电压流出启动此开关就有电压与图3-18电路接通即可提供给蓄电池充电的电压。
3.2.4复位电路设计
复位电路是用来使电路恢复到起始状态的电路设备，当程序或者系统出现死机或显示错误时可以先使用复位电路按钮让电路回复到起始状态，按下复位电路后，出现的故障错误依旧未消除时，即考虑是否为内部程序或者电路出现了干扰故障。
复位电路中上电复位性能特点可确保系统电路安全可靠的工作。正常工作电路所需电源为5V±5%，即4.75～5.25V。系统通电后，Vcc电压大于4.75V且小于5.25V且晶体稳定运行时，复位信号才会被消除，电路正常运行。
复位电路如图3-20所示：

图3-20复位电路电路
3.3 无线传输模块硬件设计
3.3.1 NRF24L01无线传输电路设计
无线传输是近几年来各种电子行业使用的一个热门项目，在很多方面都运用到这一技术，减少了接线的繁琐和浪费，大大提高经济效益和使用方便性。设计中利用台产版NRF24L01无线芯片，台产型号与挪威型号几乎相同，且于原来版本上加+7DB功放电路，使台产版本传输间隔提升2倍。
运用NRF24L01无线芯片与51系列单片机组合实现传输时，需安装10K上拉电阻才能与P0口相连，其余IO口则不用。在与其他单片机相连接时若电压是3.3V就能直接与无线芯片IO口线连接。
NRF24L01无线传输芯片在与单片机连接时各个串口接线电路如图3-23、图3-24所示：

图3-23无线发送端接线 图3-24无线接收端接线
芯片电压承受范围各有不同，NRF24L01无线芯片电压范围是1.9V~3.6V，超过该范围芯片会被烧毁。根据NRF24L01芯片特点与实际要求，在给无线芯片供电时选择3.3V电压作为输出电压。主电源传输电压为5V，在设计中需采用LM1117-3.3三端稳压调节器，将5V电压降压至3.3V给NRF24L01无线芯片供电。发送和接收端都采用LM1117调节器来对电压进行转换。
LM1117低压差电压调节器管脚如图3-21所示：

图3-21 LM1117管脚
LM1117与LM317管脚阵列相同，是一种低压差电压调节器。有5个固定电压输出型号（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V），后缀数字表输出电压，要实现1.25～13.8V输出电压可通过2个外部电阻来实现，可以提供电流限制和热保护。
根据设计要求采用LM1117-3.3调节器给无线芯片供应3.3V电压。LM1117调节器调压电路如图3-22所示：

图3-22 LM1117调节器调压电路
3.3.2时间显示电路设计
在火灾报警中时间的精确显示是十分重要环节。时间显示可以让后台工作人员精确记录火灾发生时间，在后期进行时间记录汇总时提供一个重要的依据。
在设计中以串行DS1302时钟芯片为主，在芯片中校准时间后引脚5、6、7串接到接收无线接收后进行信息处理的STC12C5A60S2单片机的P1.7-P1.5口。当发生火灾时，声光报警发生、语音广播响起的同时在显示屏上会出现火灾发生的房间号并且同时出现发生火灾的时间，时间精准到年、月、日、时、分、秒、星期。语言报警播报的时间里显示屏上的时间也是在准确的时间里继续行走。
时钟芯片DS1302是目前常用一种时钟芯片，特点有：(1)可以显示实时时钟甚至到秒；(2)需要电池支持使用；(3)内部补偿有效期长；(4)使用RAM进行数据存储；(5)启动电压是2.0V-5.5V；(6)有连续阅读和写作模式；(7)有8个引脚可以进行选择安装。
DS1302时钟芯片引脚如图3-25所示：

图3-25 DS1302时钟芯片引脚
时钟芯片是需要一颗3V纽扣电池来对内部进行供电，内部校准时间不管系统是否启动时间都在行走，当电池电量用完时钟芯片时间会出现错误，改换电池后需对时间进行再一次校准。

时钟芯片部分电路如图3-26所示：

图3-26 时钟芯片部分电路
3.3.3液晶显示屏电路设计
液晶显示屏是能让后台工作人员可以直观查看到实时情况的重要依据，在整个系统中是必不可少的部分。设计中使用Nokia5110显示屏，是一种LCD液晶显示，适合室内使用。火灾报警控制器液晶显示屏一般在后台接收到信号后中控室中作为显示，因此使用LCD显示屏已经可以满足要求。
LCD显示器与一般实验中使用的LED显示屏有很大不同，其可显现多行数字或汉字，比一般LED显示屏功能要强大很多。Nokia5110显示屏的特点有：（1）84x48的点阵，可以显示4行汉字；（2）插口信号线少，包括电信号线只有9条，支持多种串行通信协议；（3）可直接固定到设计电路板上，安装方便；（4）模块体积小；（5）低电压供电有掉电模式。
Nokia5110 LCD显示屏引脚如图3-27所示：

图3-27 Nokia5110 LCD显示屏引脚图
Nokia5110 LCD显示屏内部电路如图3-28所示：

图3-28 Nokia5110 LCD显示屏内部电路
设计中Nokia5110显示屏部分电路如图3-29所示：

图3-29 Nokia5110显示屏部分电路
3.3.4查询功能电路设计
查询信息功能是一个设计中不可或缺部分，是后台操控人员进行记录查找的关键功能。显示火灾报警房间号之后可通过两个按键进行查询，6个房间的房间情况可以依此出现，发生过火灾的房间号下方会出现“Fire”字样，并且显示火灾发生时间，若确定发出报警是误报还可按键擦除报警讯息，而后恢复无火灾界面。
查询功能按键电路如图3-30所示：

图3-30 查询功能按键电路
3.3.5语音报警电路设计
在设计中主要的声光报警有LED灯闪烁、蜂鸣器报警一声之后启动语音报警。LED发光二极管以及蜂鸣器响铃都是由无线发送端的第一片STC单片机进行控制，如第二章探测部分描述只要由单片机进行判断后IO口输出高电平来进行控制。
语音广播报警由无线接收端的第二片STC单片机进行来进行控制，在无线接收到信号后传输给第二片单片机然后进行语音报警和时间显示的处理。
由ISD4004系列语音录放芯片对传输过来房间号进行确认之后，准确播放房间号进行报警。除了ISD4004芯片外在这一模块里还有录音话筒接口，可以使用插入话筒后与电脑对接即可下载录音音频。板面上还加装一块LM386语音功放音量调节芯片，根据需要来调整音量大小。使用的喇叭是废弃小喇叭，音质效果不错，完全符合使用要求。
LM386是一种功率放大器集成电路，在录音机与收音机中广泛应用，有功率消耗低、能调动输入信号放大能力、电压领域大、外接器件少等特点。内建增益为20可使外围元件搭接少，通过P1和P8管脚间电容的搭配，增益可到达200。
LM386音频功率放大器内部电路如图3-31所示：

图3-31 LM386音频功率放大器内部电路
LM386使用时将接地为输入参照，输出端会自动偏转到电源电压一半，在6V电压下，静态功耗仅为24mW，能用电池提供电压。输入电压范围是4V~12V，不工作时电流消耗只有4mA，失真低。
LM386音频功率放大器引脚如图3-32所示：

图3-32 LM386音频功率放大器引脚
语音报警会进行10秒广播，与发生火灾房间号以及显示屏上显示的火灾房间号一致。
语言报警部分电路如图3-33所示：

图3-33 语言报警部分电路
3.4 系统硬件设计PCB板实现
在各个硬件电路设计结束后，要通过PCB板排布焊接来进行硬件实现。设计PCB板时要考虑布线均匀,在没有拉线的地方要尽量平衡版面重量，使版面不易翘起。所有零件位置都要合理安排,确保板面美观,减少元件在焊接拔插过程中导致版面的变形。
使用Altium designer软件绘制电路图，在内部元件库中直接选择元器件封装实现PCB电路板的排布。
在设计PCB电路板时,数字电路输入、输出线尽量远离时钟或振荡器线、电源线等电磁热线,也不紧靠复位线、中断线、控制线等脆弱信号线[7]。线路排列要整齐达到工艺要求，形成环路，信号同路要最大限度减少无用信号耦合。
电源线及各种导线要尽量选取最短距离，可以减少各个回路之间可能产生环路面积，还要尽量减少元件和信号之间可能产生的耦合。
除了以上还有：（1）低电平不靠近高电平；（2）数字与模拟两者电路需隔开；（3）在PCB板上排版时不一样区域电路要分开；（4）为改进晶振内部工作条件加强抗干扰能力外壳需接地。

4 火灾报警控制器软件设计
4.1 系统软件模块介绍
前几章主要介绍系统硬件基本构造，硬件部分是一个系统中非常直观与重要的部分，是整个系统物质基础