摘  要: 以溫度作為主要探測參數，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單片機為控制核心，設計了一種針對餐飲業廚房煙道火災的探測系統。該系統通過熱重法和模擬火災實驗相結合，確定了煙道火災報警、滅火溫度閾值，并可實現煙道火災自動探測、報警、滅火聯動等功能。
關鍵詞: 煙道火災探測；溫度閾值；AT89S52；控制系統

    煙道火災，主要是廚房煙道內的油垢易堆積且沒有及時清洗，造成排煙不暢，煙道內溫度過高，或排煙過程中吸入火星，極易引燃油垢，發生火災。煙道火災具有火災發生初期隱蔽、不易被及時發現，火勢蔓延速度快，溫度高、極易引燃周圍可燃物，煙道相對封閉、消防撲救難度大等特點[1]。
　 現有的廚房火災探測系統，大多采用傳統火災探測裝置，如感溫、感煙、感光、氣體以及復合探測器等，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、煙道相對封閉、煙氣無法判別等特殊性，現有火災探測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。一旦煙道內發生火災，此類火災探測器只能在煙道內的火已蔓延至廚房其他空間后才探測出火情，延誤了最佳滅火時機，使廚房火災安全難以保障。因此，設計針對煙道火災的自動探測報警及滅火系統，具有十分重要的意義。
　 本文以溫度作為煙道火災探測的主要參數，采用熱重法和模擬實驗相結合的方法，確定了煙道火災報警、滅火溫度閾值；整個系統以熱電偶為感溫元件，可直接在煙道上安裝探測; 以AT89S52單片機為核心，能夠實現溫度探測、報警、噴淋滅火、數據上傳等功能，可以更早期地預防煙道火災，從根本上解決煙道火災探測問題。
1系統報警、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驗對油垢在空氣氣氛下的熱解過程進行分析，采用常用的TG-DTG 聯合法來確定油垢的著火溫度。實驗用油垢樣品采自某高校食堂三樓排煙系統管道，實驗裝置采用德國耐馳公司（NETZSCH）生產的型號為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，并由計算機進行數據處理給出重量隨時間的變化率曲線DTG。不同升溫速率下TG、DTG曲線如圖2所示。

    TG-DTG 聯合定義法, 如圖3所示，即在DTG曲線上, 過峰值點A 作垂線與TG 曲線交于一點B,過B 點作TG 曲線的切線, 該切線與失重開始時平行線的交點C 所對應的溫度Ti定義為著火溫度[2-3]。油垢組分復雜，DTG曲線有多個峰值，采用過第一個峰值作垂線與TG曲線交點確定著火溫度。

    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的溫度。在實際煙道中，油垢溫度迅速上升，產生大量煙氣等特征，往往已預示著煙道火災的發生，此時應是報警的最佳時機。而此時油垢并未能達到著火溫度，若用上述油垢著火溫度作為報警溫度，已經延誤了火情，錯過了最佳報警時間。因此，系統報警溫度閾值應低于油垢著火溫度305℃，其值通過實驗分析確定。
　實驗利用鐵皮搭建圓筒形簡易煙道，通過電爐加熱引燃油垢。測溫采用E型熱電偶聯接XM-101型溫度顯示儀，測溫范圍為0～400℃。測得油垢產生大量煙氣時的溫度，共100組實驗數據。油垢溫度值分布情況如圖5所示。

    正常情況下煙道內煙氣溫度為夏季時80℃，冬季時60℃[4]，高于此溫度值可認為有火災發生的可能。系統設計以油垢產生大量刺激性煙氣時的溫度作為煙道火災報警溫度，如圖5所示，此時所測油垢溫度值在150℃~190℃范圍內，基本服從正態分布，峰值點為165℃。以165℃作為系統報警裝置啟動溫度閾值。
1.3 滅火溫度閾值確定
    系統設計當油垢溫度達到著火溫度305℃時，自動啟動滅火噴淋裝置進行滅火。以305℃作為系統滅火噴淋裝置啟動溫度閾值。
2系統硬件設計
    本系統由AT89S52單片機、測溫及A/D轉換電路、溫度顯示及報警電路、鍵盤控制電路、水閥控制電路以及電源電路等部分組成。系統硬件原理框圖如圖6所示。

　 系統中，熱電偶采集溫度并轉化為電壓信號，經放大電路及A/D轉換電路，送入AT89S52單片機中處理后顯示溫度值。并同時與通過鍵盤設定的報警溫度閾值相比較，如果高于設定值則啟動報警裝置。通過按鍵和自動兩種方式開啟電磁閥，啟動噴淋裝置滅火。
2.1 AT89S52單片機
    系統采用ATMEL新型AT89S52系列單片機作為核心控件。AT89S52是一個低功耗、高性能的CMOS 8位單片機,片內含8 KB系統內可編程ISP（In-system programmable）Flash存儲器。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構。其價格低廉、功能強大，可為許多嵌入式控制應用系統提供高性價比的解決方案。
　 AT89S52具有以下標準功能：8KBFlash存儲器，256 B內部RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時器，雙數據指針，3個16 位定時/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路等[5-6]。
2.2 溫度檢測電路
　 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率材質，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℃。最大特點是在常用熱電偶中熱電動勢率最大，靈敏度最高[7]，可滿足系統需要。
　 放大器選用美國TI公司的INA128，它是一種低電壓通用型儀表放大器，具有非常小的失調電壓(50 μV)，低漂移(0.5 μV/℃)及高共模抑制(G>100時為120 dB)，高輸入阻抗(1 010Ω)。單個外部電阻可把增益設置為1～10 000的任何值。寬電壓范圍：±2.25 V～±18 V，低靜態電流700 μA。
　A/D轉換芯片采用Maxim公司生產的低功耗、8通道、10位串行A/D轉換器MAX192。該器件用單一+5V電源工作，有一個內部典型漂移為±30 ppm的4.096 V基準電壓。單次轉換時間為7.5 us。通過接口僅需4線（SCLK、DIN、DOUT、CS）即可與單片機連接，無需其他邏輯電路。
    熱電偶獲得的溫度信號經INA128放大后，MAX192將放大的電壓值轉化成與之成正比的數字量，通過P1.5口輸入單片機。為獲得更準確的煙道溫度值，系統可實現多點測量，MAX192同時與分布于煙道上的多個熱電偶連接，最多可采集8路測溫點溫度。溫度檢測電路如圖7所示。

2.3 溫度顯示及報警電路
    溫度值通過3位LED顯示。顯示溫度范圍0℃~600℃。當溫度低于0℃或超過600℃時，最高位顯示出錯。系統每隔1s刷新一次顯示溫度值。
    報警電路由三極管構成驅動放大,然后外接揚聲器構成，通過P2.4口控制。溫度顯示及報警電路如圖8所示。
2.4 鍵盤控制電路
　 鍵盤主要負責報警溫度閾值的設定及滅火噴淋裝置的啟動。P3.2口控制按鍵可調節報警溫度閾值設定狀態，P3.3與P3.4口控制按鍵可調報警溫度閾值大小，P3.5口控制按鍵可人工啟/停繼電器，與滅火噴淋裝置聯動。鍵盤控制電路如圖8所示。

2.5 水閥控制電路
    采用繼電器驅動電磁閥，與滅火裝置聯動，繼電器通過P2.6口控制。有人狀態時通過按鍵啟/停繼電器，無人狀態時可自動啟動繼電器，開啟電磁閥。水閥控制電路如圖8所示。
3 軟件設計
　軟件部分由主程序和多個子程序組成。主程序完成系統初始化、判斷報警和滅火系統的啟\停；報警閾值設定、溫度數據轉換、顯示、鍵盤控制等都由子程序來完成；中斷服務程序實現定時測溫和鍵盤輸入。系統主程序流程圖如圖9所示。

     軟件上可實現：通過鍵盤輸入設定報警溫度值及滅火噴淋裝置啟動溫度值；每隔1s刷新一次溫度，新溫度值低于報警溫度值可自動消除警報；報警后自動延時，通過人工和自動兩種方式判斷是否啟動滅火噴淋裝置：人工方式通過按鍵輸入，若確認滅火，則電磁閥動作，開啟噴淋裝置；若不需要滅火，則自動消除警報；自動方式為超過設定延時時間無人應答，且溫度達到自動滅火溫度閾值時則自動開啟電磁閥噴淋滅火。
　 本文以溫度作為主要探測參數，采用熱重法與模擬火災實驗相結合，確定了煙道火災報警及滅火溫度閾值，整個系統采用AT89S52單片機為控制核心，熱電偶為測溫元件，可實現煙道火災早期探測、報警與滅火聯動。整個設計電路簡單、功能強，適用于餐飲業廚房煙道火災的探測與預報，基本達到設計要求。
　 本文中確定的煙道火災報警及滅火溫度閾值，受油垢樣品、加熱速率、實驗環境等因素影響，僅作為本系統的設定值，不是固定值。系統溫度閾值可調，可根據實際情況調節報警、滅火溫度閾值。
　 后續工作中，應結合實際廚房環境、煙道結構進一步完善系統軟硬件設計，使系統的靈敏度、可靠性滿足實際需要。
參考文獻
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