摘 要: 以溫度作為主要探測(cè)參數(shù)，采用熱電偶為感溫元件，AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" 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title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52" title="AT89S52">AT89S52單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)餐飲業(yè)廚房煙道火災(zāi)的探測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過熱重法和模擬火災(zāi)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，確定了煙道火災(zāi)報(bào)警、滅火溫度閾值，并可實(shí)現(xiàn)煙道火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)、報(bào)警、滅火聯(lián)動(dòng)等功能。
關(guān)鍵詞: 煙道火災(zāi)探測(cè)；溫度閾值；AT89S52；控制系統(tǒng)
煙道火災(zāi)，主要是廚房煙道內(nèi)的油垢易堆積且沒有及時(shí)清洗，造成排煙不暢，煙道內(nèi)溫度過高，或排煙過程中吸入火星，極易引燃油垢，發(fā)生火災(zāi)。煙道火災(zāi)具有火災(zāi)發(fā)生初期隱蔽、不易被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，火勢(shì)蔓延速度快，溫度高、極易引燃周圍可燃物，煙道相對(duì)封閉、消防撲救難度大等特點(diǎn)[1]。
現(xiàn)有的廚房火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)，大多采用傳統(tǒng)火災(zāi)探測(cè)裝置，如感溫、感煙、感光、氣體以及復(fù)合探測(cè)器等，安裝在廚房墻壁、天花板等位置。由于煙道油垢著火溫度高、升溫快、煙道相對(duì)封閉、煙氣無法判別等特殊性，現(xiàn)有火災(zāi)探測(cè)裝置不適宜直接安裝在煙道上，容易造成使用壽命縮短和靈敏度降低。一旦煙道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，此類火災(zāi)探測(cè)器只能在煙道內(nèi)的火已蔓延至廚房其他空間后才探測(cè)出火情，延誤了最佳滅火時(shí)機(jī)，使廚房火災(zāi)安全難以保障。因此，設(shè)計(jì)針對(duì)煙道火災(zāi)的自動(dòng)探測(cè)報(bào)警及滅火系統(tǒng)，具有十分重要的意義。
本文以溫度作為煙道火災(zāi)探測(cè)的主要參數(shù)，采用熱重法和模擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，確定了煙道火災(zāi)報(bào)警、滅火溫度閾值；整個(gè)系統(tǒng)以熱電偶為感溫元件，可直接在煙道上安裝探測(cè); 以AT89S52單片機(jī)為核心，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度探測(cè)、報(bào)警、噴淋滅火、數(shù)據(jù)上傳等功能，可以更早期地預(yù)防煙道火災(zāi)，從根本上解決煙道火災(zāi)探測(cè)問題。
1系統(tǒng)報(bào)警、滅火溫度閾值確定
1.1 油垢著火溫度
本文首先通過熱重實(shí)驗(yàn)對(duì)油垢在空氣氣氛下的熱解過程進(jìn)行分析，采用常用的TG-DTG 聯(lián)合法來確定油垢的著火溫度。實(shí)驗(yàn)用油垢樣品采自某高校食堂三樓排煙系統(tǒng)管道，實(shí)驗(yàn)裝置采用德國(guó)耐馳公司（NETZSCH）生產(chǎn)的型號(hào)為TG209C的熱重分析儀。
油垢樣品分為3組，每組樣品量約5mg~6mg，升溫速率分別為10℃/min、20℃/min、30 ℃/min。反應(yīng)氣體為干燥空氣，氣體總流量為20mL/min。通過記錄試樣重量隨溫度的變化，得到熱重曲線TG曲線如圖1所示，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理給出重量隨時(shí)間的變化率曲線DTG。不同升溫速率下TG、DTG曲線如圖2所示。
TG-DTG 聯(lián)合定義法, 如圖3所示，即在DTG曲線上, 過峰值點(diǎn)A 作垂線與TG 曲線交于一點(diǎn)B,過B 點(diǎn)作TG 曲線的切線, 該切線與失重開始時(shí)平行線的交點(diǎn)C 所對(duì)應(yīng)的溫度Ti定義為著火溫度[2-3]。油垢組分復(fù)雜，DTG曲線有多個(gè)峰值，采用過第一個(gè)峰值作垂線與TG曲線交點(diǎn)確定著火溫度。
如圖4所示，隨著升溫速率的增大，油垢著火溫度逐漸升高，10 K/min下著火溫度為305 ℃，20 K/min下著火溫度為320 ℃，30 K/min下著火溫度為330 ℃。取下限值，確定油垢著火溫度為305 ℃。
1.2 報(bào)警溫度閾值確定
通過熱重法確定的油垢著火溫度，是油垢開始完全燃燒時(shí)的溫度。在實(shí)際煙道中，油垢溫度迅速上升，產(chǎn)生大量煙氣等特征，往往已預(yù)示著煙道火災(zāi)的發(fā)生，此時(shí)應(yīng)是報(bào)警的最佳時(shí)機(jī)。而此時(shí)油垢并未能達(dá)到著火溫度，若用上述油垢著火溫度作為報(bào)警溫度，已經(jīng)延誤了火情，錯(cuò)過了最佳報(bào)警時(shí)間。因此，系統(tǒng)報(bào)警溫度閾值應(yīng)低于油垢著火溫度305℃，其值通過實(shí)驗(yàn)分析確定。
實(shí)驗(yàn)利用鐵皮搭建圓筒形簡(jiǎn)易煙道，通過電爐加熱引燃油垢。測(cè)溫采用E型熱電偶聯(lián)接XM-101型溫度顯示儀，測(cè)溫范圍為0～400℃。測(cè)得油垢產(chǎn)生大量煙氣時(shí)的溫度，共100組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。油垢溫度值分布情況如圖5所示。
正常情況下煙道內(nèi)煙氣溫度為夏季時(shí)80℃，冬季時(shí)60℃[4]，高于此溫度值可認(rèn)為有火災(zāi)發(fā)生的可能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)以油垢產(chǎn)生大量刺激性煙氣時(shí)的溫度作為煙道火災(zāi)報(bào)警溫度，如圖5所示，此時(shí)所測(cè)油垢溫度值在150℃~190℃范圍內(nèi)，基本服從正態(tài)分布，峰值點(diǎn)為165℃。以165℃作為系統(tǒng)報(bào)警裝置啟動(dòng)溫度閾值。
1.3 滅火溫度閾值確定
系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)油垢溫度達(dá)到著火溫度305℃時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)滅火噴淋裝置進(jìn)行滅火。以305℃作為系統(tǒng)滅火噴淋裝置啟動(dòng)溫度閾值。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)由AT89S52單片機(jī)、測(cè)溫及A/D轉(zhuǎn)換電路、溫度顯示及報(bào)警電路、鍵盤控制電路、水閥控制電路以及電源電路等部分組成。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖6所示。
系統(tǒng)中，熱電偶采集溫度并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)放大電路及A/D轉(zhuǎn)換電路，送入AT89S52單片機(jī)中處理后顯示溫度值。并同時(shí)與通過鍵盤設(shè)定的報(bào)警溫度閾值相比較，如果高于設(shè)定值則啟動(dòng)報(bào)警裝置。通過按鍵和自動(dòng)兩種方式開啟電磁閥，啟動(dòng)噴淋裝置滅火。
2.1 AT89S52單片機(jī)
系統(tǒng)采用ATMEL新型AT89S52系列單片機(jī)作為核心控件。AT89S52是一個(gè)低功耗、高性能的CMOS 8位單片機(jī),片內(nèi)含8 KB系統(tǒng)內(nèi)可編程ISP（In-system programmable）Flash存儲(chǔ)器。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)。其價(jià)格低廉、功能強(qiáng)大，可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。
AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8KBFlash存儲(chǔ)器，256 B內(nèi)部RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，雙數(shù)據(jù)指針，3個(gè)16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路等[5-6]。
2.2 溫度檢測(cè)電路
油垢的著火溫度在300℃左右，且燃燒后升溫迅速，而煙道多為鐵皮等高熱導(dǎo)率材質(zhì)，故溫度傳感器選擇E型（鎳鉻-康銅）熱電偶。其使用范圍為-250～800℃。最大特點(diǎn)是在常用熱電偶中熱電動(dòng)勢(shì)率最大，靈敏度最高[7]，可滿足系統(tǒng)需要。
放大器選用美國(guó)TI公司的INA128，它是一種低電壓通用型儀表放大器，具有非常小的失調(diào)電壓(50 μV)，低漂移(0.5 μV/℃)及高共模抑制(G>100時(shí)為120 dB)，高輸入阻抗(1 010Ω)。單個(gè)外部電阻可把增益設(shè)置為1～10 000的任何值。寬電壓范圍：±2.25 V～±18 V，低靜態(tài)電流700 μA。
A/D轉(zhuǎn)換芯片采用Maxim公司生產(chǎn)的低功耗、8通道、10位串行A/D轉(zhuǎn)換器MAX192。該器件用單一+5V電源工作，有一個(gè)內(nèi)部典型漂移為±30 ppm的4.096 V基準(zhǔn)電壓。單次轉(zhuǎn)換時(shí)間為7.5 us。通過接口僅需4線（SCLK、DIN、DOUT、CS）即可與單片機(jī)連接，無需其他邏輯電路。
熱電偶獲得的溫度信號(hào)經(jīng)INA128放大后，MAX192將放大的電壓值轉(zhuǎn)化成與之成正比的數(shù)字量，通過P1.5口輸入單片機(jī)。為獲得更準(zhǔn)確的煙道溫度值，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量，MAX192同時(shí)與分布于煙道上的多個(gè)熱電偶連接，最多可采集8路測(cè)溫點(diǎn)溫度。溫度檢測(cè)電路如圖7所示。
2.3 溫度顯示及報(bào)警電路
溫度值通過3位LED顯示。顯示溫度范圍0℃~600℃。當(dāng)溫度低于0℃或超過600℃時(shí)，最高位顯示出錯(cuò)。系統(tǒng)每隔1s刷新一次顯示溫度值。
報(bào)警電路由三極管構(gòu)成驅(qū)動(dòng)放大,然后外接揚(yáng)聲器構(gòu)成，通過P2.4口控制。溫度顯示及報(bào)警電路如圖8所示。
2.4 鍵盤控制電路
鍵盤主要負(fù)責(zé)報(bào)警溫度閾值的設(shè)定及滅火噴淋裝置的啟動(dòng)。P3.2口控制按鍵可調(diào)節(jié)報(bào)警溫度閾值設(shè)定狀態(tài)，P3.3與P3.4口控制按鍵可調(diào)報(bào)警溫度閾值大小，P3.5口控制按鍵可人工啟/停繼電器，與滅火噴淋裝置聯(lián)動(dòng)。鍵盤控制電路如圖8所示。
2.5 水閥控制電路
采用繼電器驅(qū)動(dòng)電磁閥，與滅火裝置聯(lián)動(dòng)，繼電器通過P2.6口控制。有人狀態(tài)時(shí)通過按鍵啟/停繼電器，無人狀態(tài)時(shí)可自動(dòng)啟動(dòng)繼電器，開啟電磁閥。水閥控制電路如圖8所示。
3 軟件設(shè)計(jì)
軟件部分由主程序和多個(gè)子程序組成。主程序完成系統(tǒng)初始化、判斷報(bào)警和滅火系統(tǒng)的啟\停；報(bào)警閾值設(shè)定、溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、顯示、鍵盤控制等都由子程序來完成；中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)定時(shí)測(cè)溫和鍵盤輸入。系統(tǒng)主程序流程圖如圖9所示。
軟件上可實(shí)現(xiàn)：通過鍵盤輸入設(shè)定報(bào)警溫度值及滅火噴淋裝置啟動(dòng)溫度值；每隔1s刷新一次溫度，新溫度值低于報(bào)警溫度值可自動(dòng)消除警報(bào)；報(bào)警后自動(dòng)延時(shí)，通過人工和自動(dòng)兩種方式判斷是否啟動(dòng)滅火噴淋裝置：人工方式通過按鍵輸入，若確認(rèn)滅火，則電磁閥動(dòng)作，開啟噴淋裝置；若不需要滅火，則自動(dòng)消除警報(bào)；自動(dòng)方式為超過設(shè)定延時(shí)時(shí)間無人應(yīng)答，且溫度達(dá)到自動(dòng)滅火溫度閾值時(shí)則自動(dòng)開啟電磁閥噴淋滅火。
本文以溫度作為主要探測(cè)參數(shù)，采用熱重法與模擬火災(zāi)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，確定了煙道火災(zāi)報(bào)警及滅火溫度閾值，整個(gè)系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)為控制核心，熱電偶為測(cè)溫元件，可實(shí)現(xiàn)煙道火災(zāi)早期探測(cè)、報(bào)警與滅火聯(lián)動(dòng)。整個(gè)設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)，適用于餐飲業(yè)廚房煙道火災(zāi)的探測(cè)與預(yù)報(bào)，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
本文中確定的煙道火災(zāi)報(bào)警及滅火溫度閾值，受油垢樣品、加熱速率、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等因素影響，僅作為本系統(tǒng)的設(shè)定值，不是固定值。系統(tǒng)溫度閾值可調(diào)，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)報(bào)警、滅火溫度閾值。
后續(xù)工作中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際廚房環(huán)境、煙道結(jié)構(gòu)進(jìn)一步完善系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的靈敏度、可靠性滿足實(shí)際需要。
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