开题报告-范亚芳

中 北 大 学

毕业设计开题报告

学 生 姓 名： 学 院、系： 专 业： 设 计 题 目：

指导教师:

2011年3月5日

范亚芳 学 号： 0706034204

电子与计算机科学技术学院

计算机科学与技术系 计算机科学与技术 实验室消防安全监控系统

陈够喜

毕 业 设 计 开 题 报 告

1．结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述： 文 献 综 述 一、本课题选题的目的和意义 随着我国高等教育事业的发展，高等学校实验室作为培养社会主义现代化建设科技人才的一个重要基地，也有了较大发展。增添了大量具有国际先进水平的分析、测试仪器，装备了实验室，改善了教学、科研条件，提高了实验技术水平，为培养人才提供了物质上的保证。同时，如何维护、管理好先进、精密贵重的仪器设备，提高实验室的效益，已成为高校实验室管理人员亟待研究解决的大课题。 近十年，高等学校实验室从数量和装备质量上都明显得到发展。一个中等规模的高校，其实验室由过去的十几个发展到近百个，装备实验室的仪器设备、材料投资每年均在百万元以上。重视实验室的消防安全，可提高精密贵重仪器设备的投资效益，使得实验室在教学、科研和培养学生中发挥应有作用[2]。因此，重视和加强实验室的安全防火是非常必要的，否则，如因安全上的疏忽而导致火灾，往往会使国家财产遭受严重损失，并影响教学和科研的正常开展，这样的教训国内外已不鲜见。实验室的安全防火是非常必要的，否则，损失之大，是无法用时间和金钱弥补的。 二、国内外研究现状 1、国外火灾科学研究历史概述 早在19世纪中叶，西方国家的工程师发明了早期的自动喷水灭火装置和火灾自动报警装置，20世纪中期以后消防技术进入真正的高速发展阶段。同时，数学、物理学、燃烧学、液体力学、计算机技术等学科领域的进展以及火灾试验手段的提高，又为开展机理和规律的研究提供了条件。20世纪70年代初，美国哈佛大学的艾蒙斯(H.W.Etnlnons)教授提出了火灾模化理论，为火灾科学的建立奠定了基础。后来，英国爱丁堡大学庄斯戴尔(D.Drysdale)出版了专著《火灾动力学》，对火灾科学的理论体系进行了系统的阐述。火灾科学的建立和发展，促进了消防新技术、新产品的研究与开发，同时一系列新产品的开发和应用进一步促进了火灾科学的发展[3]。 1956年，美国马里兰大学设立世界上第一个“消防工程系” (DePartment of [1]

Fire Protection Engineering)，消防工程作为一门独立的专业进入了高等学府的知识殿堂。英国爱丁堡大学于1973年成立了“消防工程系” (Department of Fire safety Engineering)，并开设了世界上第一个消防工程专业的硕士研究生课程。进入80年代后，许多国家都在大学开设“消防工程”专业课程，提供正规的学历教育，可授予学士、硕士、和博士学位，消防工程专业教育得到了更快的发展。同时，许多国家的消防科学家和工程师成立了专业性学术机构，进行各种专业学术活动。某些消防专业学术团体己有了相当长的历史并产生相当大的社会影响，如美国的消防工程师学会(Society of Fire Protection Engineers)、英国消防工程师学会 (Institution of Fire Engineers)和德国消防促进协会(Vereinigungzur Forderungdes Deutsehen Brandsehutzese.V)等均有数十年的历史，在这些国家的工程科学界已占有一席之地。1985年，由英、美、日等国几位著名的消防科学家发起，成立T国际消防安全科学协会(Iniernational Assoeiation for Firesafety火灾实验室监控系统及热辐射模型建立science)(另译名为“国际火灾学会”)。该协会自成立以来，不断发展壮大，己成为具有较大影响的国际专业学术团体，其会员的研究领域包括火灾学、火灾物理、火灾动力学、火灾探测报警与自动灭火系统、被动防火技术(建筑结构的防火保护、防火分隔、防火建筑材料与构件等)、建筑防火设计、人在火灾中行为、火灾风险评估、火灾调查、消防安全管理等。 2、目前国内外火灾科学主要研究机构及发展 (1)国外主要研究机构国外的火灾科学研究起步较早，目前国外的主要研究机构与组织有:美国国家标准技术研究所建筑与火灾研究实验室 (The Building and Fire Research Laboratory(USA))，WPI火灾科学实验室 (WPI Fire Science Laboratory)，澳大利亚联邦科学工业研究组织(Australia，5Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization)。格林威治大学火灾安全工程研究组站点(Fire Safety Engineering Group(FSEG) Website of the University of Greenwich)日本的国立消防研究所，国际火灾安全科学组织(website of International Association for Fire Safety Science(IAFSS))，国际消防培习组织(International Fire Service Training Association(IFSTA))等。国内外大量资料表明，火灾中导致人员死亡的主要原因是烟气，20世纪60年代后，人们开始重视火灾烟气控制的研究。美国、英国、加拿大等国家对火灾烟气模型的研究和开发起步较早，以美国标准技术局[4]

NIST(Nat1onal Institute of Standards and Teehno1ogy)为代表机构，早期开发的烟控模型中以网络模型为主，如加拿国家建筑研究院的IRC模型，NIST建筑火灾研究实验室BFRL(Building and Fire Researching Laboratory)的ASCOS模型、CONTAM模型等。英国建筑研究部的BRE模型，荷兰应用物理学院的TNO模型等[5]。 (2)国内主要研究机构目前国内火灾科学研究机构有公安部设于天津、沈阳、上海、四川的四个消防研究所，中国科学与技术大学的火灾科学国家重点实验室等。同时，许多高校及相关机构也在从事火灾科学的研究[6]。 3、火灾实验室监控系统建立的主要目标 监控系统要为大空间实验室的整体良好运行提供可靠的保障，建立监控系统的主要目标包括:①实时采集火灾实验过程中所需要的现场实验数据，例如空间各点的温度、气压、风速、温度等。②按照实验过程中的要求调节现场设备或仪器的参数。③实现13个负载的自动调节。④能够全面测量、线性调节实验室电力系统参数，包括直流电源的电压、电流的测量与显示，交流配电系统的线电压、相电压、电流的测量与显示，调压器的控制等[7]。 4、关于51单片机 这里，初学者要澄清单片机实际使用方面的一个产品概念，MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，典型产品有 8031（内部没有程序存储器，实际使用方面已经被市场淘汰）、8051（芯片采用HMOS，功耗是630mW，是89C51的5倍，实际使用方面已经被市场淘汰）和8751等通用产品，一直到现在， MCS-51内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品（比如目前流行的89S51、已经停产的89C51等），各高校及专业学校的培训教材仍与MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习[8]。 不过在市场化方面，89C51受到了PIC单片机阵营的挑战，89C51最致命的缺陷在于不支持ISP（在线更新程序）功能，必须加上ISP功能等新功能才能更好延续MCS-51的传奇。89S51就是在这样的背景下取代89C51的，现在，89S51目前已经成为了实际应用市场上新的宠儿，作为市场占有率第一的Atmel目前公司已经停产AT89C51，将用AT89S51代替。89S51在工艺上进行了改进，89S51采用0.35新工艺，成本降低,而且将功能提升,增加了竞争力。89SXX可以像下兼容89CXX等51系列芯片。同时，Atmel不再接受89CXX的定单，大家在市场上见到的89C51实际都是Atmel前期生产的巨量库存而已。如果市场需要，Atmel当然也可以再恢复生产AT89C51。 [9]

5、火灾探测中的信息 在火灾的孕育与初级阶段，建筑物内会出现不少特殊的现象或征兆，如发热、发光、发声以及散发出烟尘、可燃气体、特殊气味等。这些特性是物质燃烧过程中发生物质交换和能量转换的结果，为早期发现火灾、进行火灾探测提供了依据。深入分析火灾早期现象特征，从中提取出可用于火灾探测的信息是一项极其重要的工作。 火灾探测中的信息可以分为以下几类： （1）火焰 火灾燃烧时一种复杂的化学反应过程，火焰温度通常达到900~1400度。在这个过程中通常会产生大量的炽热微粒，这些炽热微粒，是的火焰散发出电磁波辐射，包括可见光，这些光学特性也为远距离探测火灾提供了可行性。包括火焰辐射、火焰形状、火焰闪烁等。 （2）燃烧产物 燃烧产物就是通常所说的烟气，分为气态燃烧物和固态高温产物两种。 气态燃烧产物的主要成分为水、一氧化碳和二氧化碳，由于环境中温度的影响，通常不把水作为火灾探测参数。一般情况下，空气中的一氧化碳和二氧化碳含量极低，只有发生燃烧时才会产生大量的一氧化碳和二氧化碳，从而使其含量急剧增加。其物理特征为：气体特征光谱、气体浓度和气体温度。 （3）燃烧音 燃烧过程中产生的高温，会加热周围空气，使之膨胀形成压力声波，其频率仅在数赫兹左右，这就是燃烧音，其传播速度为声速。这种超低频率的声音现象，为物质燃烧的共同现象。且在这个频带范围内，日常杂音也很少。所以，在这个频带上的探测可以在很大程度上避免环境噪音所造成的干扰[11]。 适用于一种火灾参数的单元探测器可能就不使用于探测其它火灾参数。例如传统的单位传感器不能将早期火灾信号和香烟、厨房烟、水蒸气等非火灾信号区分开来，大量由单传感器探测器引起的误报警说明了这一点。实际上，响应各种不同类型的火灾，通常使用不同类型的火灾探测器，例如高温、烟感、火焰探测器，从这些探测器获得信号，并从这些信号中导出多样的报警和诊断判据，即利用多种和多个传感器进行数据采集，利用数据融合技术进行数据的处理，提取有用的和准确的信息，达到控制和测量的目的。 [12][10]

因此，在火灾探测系统中充分利用各种信息，而不应局限于一种信息。因为任何一种探测对象，单用一方面信息来反映其状态行为都是不完整的，只有从多方面获得关于同一对象的多维信息，并加以融合利用，才能对火灾进行准确的早期探测[13-16]。

参考文献： [1] 孙丽华,刘力辉,冉海潮等. 火灾探测技术的发展[J]. 河北科技大学学报, 2002，17(3): 31~32 [2] 孙立新. 火灾报警系统发展趋势[J]. 安徽电子信息职业技术学院学报, 2008，233:5～7 [3] 张忠. 火灾报警系统的应用与集成[D]. 硕士学位论文.上海：上海交通大学出版社, 2008 [4] 王钊. 智能型火灾报警系统的设计与研究. 硕士学位论文,西安：西安理工大学出版社, 2009 [5] Tian Qichuan . Temperature Measuring Based on Image Processing [A]. Proceedings of 6th International Symposium on Test and Measurement(Volume 7), 2005 [6] 旷尤毓,王玲,刘静.基于ARM9的嵌入式火灾预警系统的设计与实现[J].硕士学位论文.北京：中国科学院, 2009 [7] 廖青松.基于ARM和DSP的嵌入式实时监控系统研究[D]. 硕士学位论文.武汉：华中科技大学, 2006 [8] M. Shimoda, A. Sugano, Y. Watanabe. Prediction Method of Unburnt Carbon for Coal Fired Utility Boiler Using Image Processing Technology of Combustion Flame .IEEE Transactions on Energy Conversion. 1990, 15(4) :640~645 [9] Zhou Huaichun et al. Experimental study on image processing of flame temperature distribution in a pilot-scale furnace .Proceeding of the CSEE, 1995, Vol. 15 (No.5) :295～299 [10] J.Sun et al. Application of digital image processing in the detection of flame .Symposium On International Conference On Power Engineering. 1995 :956～960 [11] 陈涛,袁宏永,范维澄. 火灾探测技术研究的展望[J]. 硕士学位论文. 北京：中国科学院, 2001 [12] 曹君. 火灾报警系统设计[D]. 硕士学位论文.哈尔滨：哈尔滨理工大学出版社, 2006 [13] 胡文. 图像型火灾报警系统的研究. 硕士学位论文. 武汉：武汉理工大学出版社, 2010

[14] 陈在坤. 火灾报警系统的后台通信设计与实现. 硕士学位论文.贵州：贵州大学出版社, 2009 [15] 苑成相. 火灾实验室监控系统及热辐射模型建立. 硕士学位论文，武汉：武汉理工大学出版社, 2008 [16] 张忠. 火灾报警系统的应用与集成. 硕士学位论文.上海：上海交通大学出版社, 2008

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２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 一、本课题要研究或解决的问题 ⑴ 单片机的选型； ⑵ 设计监控系统的硬件电路,实现多路数据采集、定时、报警、以及数据传输存储等功能，实现室内消防的监控和报警； ⑶ 设计人机接口，包括：键盘设计、LCD显示设计、通信接口等。 ⑷ 监控软件的设计 二、本课题拟采用的研究手段 1.选取适当的软硬件开发环境 软件环境：操作系统：windows OS 硬件环境：开发电路板：单片机电路板 硬件仿真环境：protel仿真器 2.模块设计 根据系统硬件电路的特点，系统软件设计工作主要分两大块来开展。第一块完成对第二块的检询，并把第二块传递的信息在LCD上显示出来。当有火灾发生时，第一块把信息贮存起来，便于事后查询。第二块负责对现场信息的处理，采集现场的烟感和温度数据，进行分析以后，判断出火源的大概位置，选择要采取的逃生方法，并把信息传递给第一块。当火灾发生时，第二块控制报警系统报警，提醒现场工作人员，启动灭火装置灭火。 3．应用程序开发 本设计重点研究总线型火灾报警系统，该系统是具有接收、传递和显示火灾报警信息，并能对自动消防装置发出控制信号的报警、灭火装置。本设计针对火灾报警系统进行深入研究，全面研制火灾报警控制器硬件电路和软件部分的具体方法。该系统由上位机系统和下位机系统组成。另外，上位机的外围电路部分包括时钟电路功能模块、EEPROM存储电路模块、串口通信电路模块、报警模块、液晶显示屏模块;下位机的外围电路部分包括传感器与执行装置功能模块、报警模块。下位机温度传感器采用数字传感器，烟雾传感器。由于烟雾探头采集到的是火灾现场烟雾浓度的模拟值，下

位机处设计了A/D转换功能模块以便将模拟信号转化为数字信号。灭火执行装置采用电磁阀装置，利用控制电磁阀的通断进一步控制水阀喷水。 本文的目的是开发一套结构简单，使用方便，报警准确，灭火及时的智能火灾控制系统。

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指导教师意见： 指导教师： 2011 年 3 月 10 日 所在系审查意见： 系主任： 2011 年 3 月 11 日