火灾报警器系统的单片机设计.pdf

《火灾报警器系统的单片机设计.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《火灾报警器系统的单片机设计.pdf（71页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、-本 科 毕 业 设 计（论文）题目 基于单片机的火灾报警器系统设计 院（系部）专业名称 年级班级 学生姓名 指导教师 年 月 日-专业班级 学生姓名 一、题目 二、主要任务与要求 三、起止日期 年 月 日至 年 月 日 指导教师签字（盖章）系 主 任签字（盖章）年 月 日 专业班级 学生姓名-题目 评 阅 人 签字（盖章）职 称 工作单位 年 月 日 专业班级 学生姓名 题目 -指导教师签字（盖章）职称 年 月 日 经审查，专业班同学所提交的毕业设计（论文），符合学校本科生毕业设计（论文）的相关规定，达到毕业设计（论文）任务书的要求，根据学校教学管理的有关规定，同意参加毕业设计（论文）答辩。

2、-指导教师签字（盖章）年 月 日 根据审查，准予参加答辩。答辩委员会主席（组长）签字（盖章）年 月 日 院（系）专业班 同学的毕业设计（论文）于 年 月 日进行了答辩。题目 答辩委员会成员 主 席（组长）-委 员（成员）委 员（成员）委 员（成员）委 员（成员）委 员（成员）委 员（成员）答辩前向毕业设计答辩委员会（小组）提交了如下资料：、设计（论文）说明 共页 、图纸 共张 、评阅人意见 共页 、指导教师意见 共页 根据学生所提供的毕业设计（论文）材料、评阅人和指导教师意见以及在答辩过程中学生回答问题的情况，毕业设计（论文）答辩委员会（小组）做出如下决议。一、毕业设计（论文）的总评语 -二、

3、毕业设计（论文）的总评成绩 毕业设计答辩委员会主席（组长）签名 委员（组员）签名 年 月-摘 要 本文介绍了一种适用于多种公共场所的基于单片机火灾报警系统。针对现有的分布式火灾报警系统投资大、安装麻烦、工程量大等缺点，设计了一种基于单片机的无线火灾报警系统。系统上位机采用AT89C51单片机作为主控芯片，可分为主控模块、存储模块、人机对话模块(包括数码管和键盘)和无线射频通信模块。系统下位机以AT89C51系列单片机作为主控芯片，可分为主控模块、烟感探头以及无线射频通信模块。该系统具有很好的可靠性和实时性，具有广泛的市场前景。随着计算机技术和信息技术等高新技术的快速发展，无线火灾报警技术也得到

4、迅速的推动。无线火灾报警技术的应用范围是非常广泛的，更是与我们的生活及生命财产安全息息相关的。本文综合运用火灾自动报警系统观点出发将分布式控制的思想应用到报警控制系统的设计之中，采用一台 AT89C51 系列单片机作为系统的上位机，下位机也采用了与上位机相同的 AT89C51 单片机。上位机和下位机之间通过无线模块进行通讯，组成分布式智能消防报警控制系统。该系统下位机的感烟探测器由感烟探测器经加装无线传输设备而成。上位机的液晶显示界面要求提供良好人机对话界面，在故障和报警时提供相应的声光报警信号和数码管显示。关键词：火灾报警；AT89C51 单片机；ADC0809；-Abstract This

5、 article introduced one kind is suitable for many kinds of public place wireless fire alarm system.For existing distributed fire alarm system investments,installation problems,engineering capacity shortcomings,designed a single wireless fire alarm system.System using AT89C51 microcontroller as maste

6、r chip,can be divided into the master module,enclosure,interactive modules(including LCD and keyboard)and radio frequency communications module.The system has a very good reliability and real-time performance,wireless fire alarm technology has been rapidly.Wireless fire alarm technology is very exte

7、nsive,with our lives and the lives and property.This article is a combination of wireless communication technology,from the point of view will be distributed control concepts to wireless alarm control system design,PLC or the host computer the same AT89C51 microcontroller.Master and slave over the w

8、ireless module for communication,distributed intelligent fire alarm control system.The LCD displays the interface requires a good interactive interface,in failure and an alert provides alarming signals and LCD screen displays.Key words:Fire Alarm;AT89C51 Microcontroller;ADC0809-目录 前言-8-1 课题研究的背景和意义-

9、14-1.1 课题研究的背景和意义-14-1.2 国内外的研究现状-15-1.3 本文内容的结构安排-17-2 火灾报警系统整体方案设计-18-2.1 火灾产生原理及过程-18-2.2 系统总体方案设计-20-2.2.1 系统硬件总体构架-20-2.2.2 系统软件总体构架-21-2.3 系统主要器件的选择-22-2.3.1 火灾探测器的选择-22-2.3.2 烟雾传感器的选定-27-2.3.3.烟雾检测器的结构-29-2.3.4.烟雾检测器的功能-30-2.3.5.温度探测器的功能-31-2.3.6.温度探测器的选定-31-3.1 AT89C51 构成与原理-36-3.1.1 AT89C51

10、 构造-36-3.1.2 AT89C51 管脚作用-38-3.2 ADC0809 构成与原理-41-3.2.1 ADC0809 特性与构成-41-3.2.2 ADC0809 工作过程-43-4 火灾自动报警系统硬件设计-45-4.1 前端信号调理电路-45-4.2 晶振电路与复位电路-47-4.2.1 晶振电路-47-4.2.2 复位电路-48-4.3 声光报警电路-49-4.4 数据采集电路-51-5 火灾报警系统程序设计-54-5.1 软件开发环境-54-5.2 火灾报警系统程序设计-54-5.2.1 数据采集程序-56-5.2.2 火灾判断与报警程序-58-6 总结与展望-59-6.1

11、总结-59-6.2 展望-60-致谢-61-参考文献-62-前 言 进入上世纪90年代后，我国经济步入高速发展的时期，城市化建设不断加快，城市建筑也由分散式低密度向集中式高密度过渡，林立的高层建筑成了城市的主要的标志。居民住进了高层塔楼，企业搬进了摩天CBD，高层建筑有效利用空间，节约了城市中本就十分紧张的土地资源。任何事物的发展都具有两面性，高层建筑中各种通讯线路、动力和照明线路、以及各种系统中线路纵横交错，致使火灾的发生概率也在大幅增加。加之现代建筑的密闭性较强，一旦发生火灾，整幢大楼就像一个大的火炉，而楼梯道、各种通风管道、线路竖井都是效果极佳的火筒，从而给灭火施救造成了巨大的难度，对火

12、灾发生后及时发现、及时控制的要求促使了火灾报警产品应运而生。与此同时，现代计算机技术、通讯网络技术和自动控制技术的飞速发展又为人类实现更加理想化的生活提供了可能智能小区应运而生了。随着科学技术的迅猛发展以及国内外经济的迅速增长，市场上迫切需要一种容量大、性能优越、可靠性高、便于安装、使用和维护的智能型火灾报警控制系统。基于社会和经济方面的需求，本课题旨在开发一个能够对监测点实时监控、报警的智能火灾报警系统。智能型火灾报警系统是一个集信号检测、传输、处理、报警于一体的系统。随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下建筑以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾的数量及其造成的损失呈逐

13、年上升趋势，市场上迫切需要一种容量大、可靠性高、使用简单的智能型火灾报警控制系统。该火灾报警系统是以AT89C51单片机作为控制中心，接受、处理火灾探测器输出的烟雾浓度信号、温度信号，并进行声光报警。-1 可体研究的背景和意义 1.1 课题研究的背景和意义 在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。火灾是世界上发生频率较高的一种灾害，几乎每天都有火灾发生。据联合国“世界火灾统计中心(WFSC)2000 统计资料”，全球每年大约发生火灾 600 万至 700 万次，全球每年死于火灾的人数约为 65000 至75000 人。其中，欧美地区发生的火灾较多，死亡人数却相

14、对较少，这与欧美发达国家的生活水平以及消防技术和设施有关;相比较而言，亚洲地区发生火灾次数较少，但死亡人数较多，这与亚洲经济发展程度不高、消防设施不完善等因素有关。据统计，我国 70 年代火灾年平均损失不到 2.5亿元，80 年代火灾年平均损失接近 3.2 亿元。进入 90 年代，特别是 1993年以来，火灾造成的直接财产损失上升到年均十几亿元，年均死亡 2000多人。随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾发生的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。一旦发生火灾，将对人的生命和财产造成极大的危害1。严峻的事实证明，随着社会和经济的发展，社会

15、财富日益增加，火灾给人类、社会和自然造成的危害范围不断扩大，它不仅毁坏物质财产，造成社会秩序的混乱，还直接危胁生命安全，给人们的心灵造成极大的伤害。残酷的现实让人们逐渐认识到监控预警和消防工作的重要性，良好的监控系统和及时的报警机制可以大大降低人员的伤亡，为社会减少不必要的损失2。火灾自动报警系统(FAS)就是为了满足这一需求而研制出的，并且其自身的技术水平也在随着人们需求的不断地提高，在功能、结构、形式等方面不断地完善。-火灾自动报警系统能迅速监测火情，可发现人们不易发觉的火灾早期特征，可将火灾带来的生命财产损失降到最低限度。火灾发生的早期，会使得燃烧物质分解，析出大量的有毒气体 CO，人们

16、可能在毫无察觉火情的情况下就发生了 CO 中毒，从而无力逃生，火灾自动报警系统可监测到CO 浓度的变化，为人们提供 CO 浓度超标报警信息，通知人们及时疏散3。火灾自动报警系统可作为城市消防系统的单元，通过城市消防专用网与城市消防报警中心联网，及时将报警信息传递到消防报警中心，城市消防报警中心会自动查找到火灾发生的位置，并为消防队员制定消防路线图，以便消防队员可以迅速抵达火灾地点4。火灾自动报警系统能对火灾进行实时监测和准确报警，有着防止和减少火灾危害、保护人身安全和财产安全的重要意义，有着很大的经济效益和社会效益。1.2 国内外的研究现状 根据现代战争的突发性、立体性和区域不确定性,使攻防界

17、线模糊,作战方向多变,战火灾自动报警系统已有百余年的发展历史，19 世纪 40年代美国诞生的火灾报警装置标志着火灾自动报警系统首次进入人们的视野5。1890年在英国，感温式火灾探测器研制成功并应用于火灾探测系统，标志着火灾自动报警系统的发展走上正轨6。此后，随着世界科技取得了突飞猛进的进步和各种新兴技术的出现和发展，火灾监测技术也相应迅速发展，各种类型的火灾探测器相继问世，并日臻完善，火灾自动报警系统也在此基础上逐渐地蓬勃发展起来，其发展过程可以分为以下几个阶段:第一阶段，从 19 世纪 40 年代至 20 世纪 40 年代，火灾报警系统处于发展的初级阶段，采用的探测器主要是感温式的探测器，它

18、通过采集温度-信号，然后判定是否超出设定的阂值，从而判断是否有火灾发生。这一阶段，火灾报警系统简单，仅靠单一的温度参量进行火灾判断。但是它易受环境中其他干扰源的影响，灵敏度低，响应速度慢，无法判断阴燃火灾，也无法满足智能化火灾报警系统的要求。第二阶段，20 世纪 40 年代末，瑞士物理学家 Emst Meili 研究的离子感烟探测器推出以后，引起了人们对离子感烟探测器的重视，随后感烟探测器得到广泛应用，并逐渐占据了绝大部分市场，迫使感温式探测器退居其次；到 70 年代末，光电式感烟探测器在光电技术的基础上发展起来，并很快得到大力发展，它的使用寿命长，抗干扰能力强，没有离子感烟探测器的放射性问题

19、。在这一阶段，火灾报警系统普遍采用多线制布局方式，布线、调试、系统可靠性是系统发展的瓶颈。第三阶段，20 世纪 80 年代初期，总线型火灾报警系统开始兴起，在火灾报警领域中迈出了一大步，并得到了较普遍的应用。它使得布线工作量显著减少，安装调试更加容易，更能精确报警定位。但是这一时期的火灾报警系统的智能化水平不高，采用有线连接对工程要求高。第四阶段，从 20 世纪 80 年代中后期开始，随着计算机技术、控制技术、集成电路技术、传感器技术及智能技术的快速发展，火灾自动报警系统步入智能化时代，智能化火灾报警系统迅速发展起来，各种智能型的火灾自动报警系统相继出现。模拟量可寻址技术的应用使得火灾报警系统

20、的安全性、精准性和智能性有了很大提高，在火灾自动报警系统发展史上具有里程碑的意义7。近年来，采用无线通信方式的火灾自动报警系统在国外悄然兴起。这种系统引入了无线电通信技术，利用无线通信方式代替传统的有线通信方式，将大多的电器装置通过无线连接方式进行信息传输与控制，适用于各类建筑和场所。无线火灾自动报警系统起初仅用于特殊场合，如博物馆、-名胜古迹等不宜布线的场合，而且其价格也比较高8。随着科技进步和元器件成本的降低，无线火灾自动报警系统的研发和生成成本也随之降低，它在性能和价格上都具有很强的竞争力，其市场潜力已经崭露头角9。在我国，采用的无线通信方式的火灾自动报警系统日益受到重视。由于其具有安装

21、简便、对建筑物无损坏作业、灵活性好，易于扩展等优点，适用于许多场合，如名胜古迹、体育馆、博物馆、展览中心、处于施工阶段的建筑物、医院等。火灾自动报警系统的智能性主要体现在火灾判决和统筹管理方面，一般分为分散式、集中式和分布式，分散式系统由非智能型控制器若干智能型探测节点组成，由探测节点完成火灾状态的判断;集中式系统由智能型控制器和若干非智能探测节点构成，探测节点仅将火灾参量传送给控制器，由控制器智能地判断火灾状态；分布式系统的控制器和探测节点均为智能型，也是今后火灾自动报警系统的发展方向10。1.3 本文内容的结构安排 基于社会和经济方面的需求，本课题旨在开发一个能够对监测点实时监控、报警的智

22、能火灾报警系统。智能型火灾报警系统是一个集信号检测、传输、处理、报警于一体的系统。随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下建筑以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势，市场上迫切需要一种容量大、可靠性高、使用简单的智能型火灾报警控制系统。该火灾报警系统是以AT89C51单片机作为控制中心，接受、处理火灾探测器输出的烟雾浓度信号、温度信号，并进行声光报警。-2 火灾报警系统整体方案设计 2.1 火灾产生原理及过程 火灾是一种失去人为控制的由燃烧造成的灾害，产生火灾的基本要素是可燃物、助燃物和点火源。可燃物以气态、液态和固态三种形态存在，助燃物通常

23、是空气中的氧气。根据可燃气体与空气混合方式不同有两种燃烧方式，如果在燃烧前，可燃气就与空气均匀混和，则称之为预混燃烧；如果可燃气体和空气分别进入燃烧区边混合边燃烧，则称之为扩散燃烧。液体和固体是凝聚态物质，难与空气均匀混合，它们燃烧的基本过程是当从外部获取一定的能量时，液体或固体先蒸发成蒸汽或分解出可燃气体(如 CO、H2等)的分子团、灰烬和未燃烧的物质颗粒悬浮在空气中，称之为气溶胶。一般气溶胶的分子较小(直径 0.01m)。在产生气溶胶的同时，产生分子较大(直径 0.01 一 10m)的液体或固体微粒，称为烟雾。可燃气体与空气混合，在较强火源作用下产生预混燃烧。着火后，燃烧产生的热量使液体或

24、固体的表面继续放出可燃气体，并形成扩散燃烧。同时，发出含有红、紫外线的火焰，散发出大量的热量11。这些热量通过可燃物的直接燃烧、热传导、热辐射和热对流，使火从起火部位向周围蔓延，导致了火势的扩大，形成火灾。其中的气溶胶、烟雾、火焰和热量都称为火灾参量，通过对这些参量的测定便可确定是否存在火灾。根据火灾发生时产生现象的不同，可以将火灾分为慢速阴燃、明火和快速发展火焰等。阴燃就是在疏松或颗粒介质中形成的缓慢进行的热解和-氧化反应，它能长时间自行维持并传播，当条件发生变化时，或者自行熄灭，或者转化为明火。明火则是火灾发生时燃烧火焰产生的热量使液体或固体的表面放出可燃气体，并形成扩散燃烧，同时发出含有

25、红、紫外线的火焰。快速发展火焰则是火灾扩散的速度特别快，这种类型的火灾一般为空气中混有大量可燃气体。通过大量的研究表明阴燃是诱发火灾的重要原因12。总的来说，普通可燃物在燃烧时表现为以下形式：首先是产生燃烧气体，然后是烟雾，在氧气充足的条件下才能达到全部燃烧，产生火焰，发出可见光和不可见光，并散发出大量的热，使环境温度升高。起火过程中，起初和阴燃两个阶段所占的时间比较长，虽然产生大量的烟雾，但是环境温度不太高，若探测器就应该从此阶段开始进行探测，就可以火灾损失控制在最小限度。火焰燃烧后，迅速蔓延，产生大量的热使得环境温度升高，如果能将这时能够探测到有效地温度值，就可以比较及时地控制火灾。起火过

26、程曲线如图 2.1 所示13。图 2.1 起火过程曲线-2.2 系统总体方案设计 2.2.1 系统硬件总体构架 报警系统主要由数据采集模块、单片机控制模块、声光报警模块组成。图 2.2 为火灾报警系统的结构框图。图 2.2 系统结构框图 单片机是整个报警系统的核心，系统的工作原理是：先通过传感器(包括温感和烟感)将现场温度、烟雾等非电信号转化为电信号，调理电路将传感器输出的电信号进行调理(放大、滤波等)，使之满足 A/D 转换的要求,最后由 A/D 转换电路,完成将温度传感器和烟雾传感器输出的模拟信号到数字信号的转换，单片机判断现场是否发生火灾。如果发生火灾，系统以声光的形式报警。本火灾自动报

27、警系统具有以下功能：(1)声、光双重报警功能。(2)系统故障报警功能。当系统出现硬件故障时，能发出故障报警信号。-(3)异常报警功能。当环境出现异常(如烟雾浓度过大或是温度较高)时，能发出异常报警信号，引起人们注意，尽可能避免火灾的发生。(4)火灾报警功能。一旦真出现火灾(烟雾和温度同时出现异常)时，能立即发出声光火灾警报15。2.2.2 系统软件总体构架 为了便于系统维护和功能扩充，采用了模块化程序设计方法，系统各个模块的具体功能都是通过子程序调用实现的。本系统主要包括数据采集子程序、火灾判断与报警子程序等，系统程序流程图如图2.3 所示。图 2.3 程序流程图 为了降低误报率，系统采用了多

28、次采集、多次判断的方法。每次数据采集后根据得到的数据对现场情况进行判断，然后综合多次判断结果做出最终的火情判断。主程序是一个无限循环体，其流程是：首先在上电之后系统的各部分包括单片机各个端口输入输出的设置、外围驱动电路和数据-存储电路等完成初始化，其次是对芯片内的程序进行初始化，接下来执行火灾报警系统中的数据采集任务，数据通信任务和查询判断任务。2.3 系统主要器件的选择 2.3.1 火灾探测器的选择 1）探测器简介 火灾探测器是火灾报警系统的重要组成部分，直接关系到整个系统的正常运行。当火灾发生时，把火灾产生的各种非电量参数(如烟雾，温度)变成电量参数传送给控制器。其特点是模拟量传输，跟随各

29、种非电量参数的变化而变化16。火灾探测器根据火灾发生时所表现出来的物理现象可以分为：气敏型、感温型、感烟型、感光型、感声型五大类。(l)感温探测器 感温探测器一般分为定温式和差温式。单一的感温探测器灵敏度低、探测速度慢、探测范围小，尤其对阴燃情况不响应，因此不适用于火灾早期的探测，而在设计时往往安装在不宜安装感烟探测器的区域17。(2)感烟探测器 感烟探测器可以分为离子感烟探测器和光电感烟探测器18。感烟探测器具有非常好的早期报警功能，即使在不太好的环境条件场所也会有比较好的探测效果，它一般适用于极高的房屋或空心花板或地下室中。感烟探测器适用于火灾前期及早期，产生大量的烟和少量的热，但它不能区

30、分火灾信号与非火灾信号，如厨房烟、水蒸气等，所以误报率较高。(3)气体探测器 气体探测器的主要作用是在发生可燃气体泄漏危险时，提醒有关人员采取相关措施以保护现场工作人员、生产设备的安全运转以及周围环境。-气体探测器适用于散发可燃气体和可燃蒸汽的场所。但由于气体探测器探测对像 CO 易与还原气体发生化学反应，因此在有还原气体的场所可能会发生误报警。(4)图像探测器 图像火灾探测器分为烟雾图像探测器、火焰图像探测器、激光图像感烟探测器等，它们都非常适合于商场大空间建筑。但烟雾图像火灾探测器对不规则物体或相似图像可能发生误报警;而火焰图像探测器则对高温物体或太阳光照射可能发生误报警;激光图像感烟火灾

31、探测器则由于其良好的探测性能，发生误报警的概率小，非常适合商场建筑的火灾探测19。(5)红、紫外火焰探测器 火灾中能够辐射出红外线的不仅仅是火焰，一些高温物体的表面都能发出与火焰红外线频带相吻合的红外线，因此这些并非火灾的红外源就容易使单波段红外火焰探测器产生误报警20。紫外火焰探测器灵敏度高(ms级)，反应快，适合在火灾时有强烈的火焰辐射而无阴燃阶段且需对火焰做出快速反应的场合，但当环境中有紫外辐射、高温物体或有太阳光直射时可能或产生误报警，因此，紫外火焰探测器不宜用于火焰出现前有浓烟扩散或有阳光直射的地方。烟雾浓度是火灾的特性参数之一，在较大范围的监视场所，烟雾探测一直被广泛使用的火灾探测

32、方法。火灾中会产生大量的热，温度也是火灾的另一特性参数，和环境温度相比火灾的温升是很明显的，所以温度也被用来进行火灾探测21。然而烟雾探测器在受到外界非火灾的干扰信号会产生误报警，且对于某些黑烟的探测并不敏感。温度探测器可以很好地补充烟雾探测器造成的漏报，但由于只有在燃烧的后两个阶段才会发生明显的变化，报警的响应时间慢。因此根据以上情况以及本系统的要求，采用感烟探测器和感温探测器相结合的多传感器探测方法22，可以发挥各自的优-势、弥补不足之处，在火灾发生的早期就能够更加准确的报警。(6）烟雾探测器 烟雾检测器是能够检测环境中的烟雾浓度的传感器。仪器的最基本组成部分应包括：烟雾信号采集电路，模数

33、转换电路，单片机控制电路。烟雾信号采集电路一般由烟雾传感器和模拟放大电路组成，将烟雾信号转化为模拟的电信号。模数转换电路将从烟雾检测电路中送出的模拟信号转化为单片机可识别的数字信号后送入单片机，单片机对该数字信号进行滤波处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值（即报警限），若大于则单片机控制射频模块向上位机发送报警信号，反之则为正常状态。为方便检测与监控，室仪器测试人员及用户能够直观地观察到环境中的可燃烟雾浓度值，可将浓度值送到显示屏中。烟雾传感器属于气敏传感器，使气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量转化成电压或者电流信号，通过 A/D 转换电路将模拟量转换成数字量后送到

34、单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。传感器作为烟雾检测器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。由此可见，传感器的选型时非常重要的。1.烟雾传感器的分类 烟雾传感器种类繁多，从检测原理上可分为三大类：（1）利用物理化学性质的烟雾传感器：如半导体烟雾传感器、接触燃烧烟雾传感器等。（2）利用物理性质的烟雾传感器：如热导烟雾传感器、光干涉传感器、红外传感器等。（3）利用电化学性质的烟雾传感器：如电流型烟雾传感器、电势型气体传感器等。2.烟雾传感器应满足的基本条件-一个烟雾传感器可以使单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以使由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，

35、任何一个完整的烟雾传感器都必须具备以下条件：（1）能选择性地检测某种单一烟雾，而对共存的其它烟雾不响应或低响应；（2）对被测烟雾具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的烟雾浓度；（3）对检测信号响应速度快，重复性好；（4）长期工作稳定性好；（5）使用寿命长；（6）制造成本低；3.常见烟雾传感器简介 下面对工业上常用的集中烟雾传感器做简单介绍。（1）半导体烟雾传感器 半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器，以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器。自 1962 年半导体金属氧化物传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优

36、点，得到了广泛的应用。该传感器已成为世界上产量最大、使用最广的烟雾传感器之一。按照敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。（2）固体电解质烟雾传感器 固体电解质烟雾传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件，其原理是利用气敏材料在通过烟雾时产生电阻，测量其形成电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，因而得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，其产量仅次于半导体-烟雾传感器的一类传感器。但这种传感器制造成本高，检测烟雾范围有限，在检测环境污染领域中有优势。(3)接触燃烧式传感器 当易燃烟雾接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧，故得名接触燃烧

37、式传感器。接触燃烧式传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可以表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时将铂丝通电，保持 300-400的高温，此时若与烟雾接触，烟雾就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化大小，就知道烟雾的浓度。(4)高分子烟雾传感器 利用高分子气敏材料制作的烟雾传感器近年来得到很大的发展。高分子气敏材料在遇到特定烟雾时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理能发生变化。高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性烟雾和食品新鲜度等方面检测中具

38、有重要作用。高分子烟雾传感器具有对特定烟雾分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其他烟雾传感器的不足。(5)电化学传感器 电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。烟雾浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。它的优点是：反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短（大约两年）。它主要适用于毒性烟雾检测。目前国际上大部分毒气检测采用该类型传感器。(6)热传导传感器 热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。他的测量原理是：将加热后的铂电阻线圈置于目标烟雾中，由于-向目标烟雾传送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻值

39、的变化情况。温度的变化情况使目标烟雾热传导率的函数，而对于一种给定的烟雾或汽化物，热传导率使它固有的物理特性。(7)红外传感器 红外传感器通常用两束红外光进行烟雾测量，主光束通过测量元件内的目标烟雾，参考光束通过比较元件内的参考烟雾。在测量和比较元件中，红外射线被烟雾有选择的吸收了。未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目标烟雾浓度的差分信号。非扩散式红外探测器NDIR(non-dispersive IR)是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。不同的烟雾吸收不同波长的 IR，所以传感器根据目标烟雾而调整，典型应用包括测量 CO 和 CO2、冷冻剂烟雾和一些易燃气

40、。由于非碳氢化合物易燃烟雾（如氢）不吸收电磁谱中 IR 部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物，并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其他烟雾的腐蚀以及高浓度目标烟雾的影响。4.常见烟雾传感器可检验烟雾种类 由于烟雾的种类繁多，一种类型的烟雾传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的烟雾。例如氧化物半导体烟雾传感器主要检测各种还原性烟雾，如 CO、H2、C2H5OH、CH3OH 等。固体电解质烟雾传感器主要用于检测无机烟雾，如 CO、CO2、H2、C12、SO2 等。2.3.2 烟雾传感器的选定 烟雾检测器主要应用在石油化工、冶金、油库、液化气站、喷漆作业的易发生可燃

41、烟雾泄漏的场所，根据报警器检测烟雾种类的要求，一般选用接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器。-使用接触燃烧式传感器，器探头的阻缓及中毒，是不可避免的问题。阻缓是当在烟雾与空气的混合物中含有硫化氢等硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反映滞缓，灵敏度降低。虽然讲组换的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。当怀疑检测环境中存在这些物质时，经常对探头进行标定，使必须且有效的办法。因此，经常对传感器进行

42、标定，是保证其准确性的必要的途径。一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，无形中加大了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器，它具有灵敏度高、响应快、体积小、结构简单、使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。半导体烟雾传感器的性能主要看其灵敏度、选择性（抗干扰性）和稳定性（使用寿命）。经过对比上述两种烟雾传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出：灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本比较低

43、等。因此，本设计采用半导体烟雾传感器作为报警系统烟雾信息采集部分的核心。而在众多半导体气体传感器中，本设计选用 MQ2 型烟雾传感器。经过对比上述两种烟雾传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出：灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。因此，本设计采用半导体烟雾传感器作为报警器烟雾信息采集部分的核心。而在众多半导体气-体传感器中，本设计选用 MQ-2 型烟雾传感器，这种型号的传感器不但具备一般半导体烟雾传感器灵敏度 高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。6.烟雾检测器工作原理 本论文中的烟雾检测报警器以AT89C51单片机为

44、控制核心，采用 MQ-2型电阻式半导体传感器采集烟雾信息。首先，传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过放大，转化成大的电压信号送入 AT89C51 单片机；后，在 AT89C51 单片机内 A/D 转换、浓度比较，对数据进行线性化处理，将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值；最后，将实际可燃性气体浓度送入液晶，并判断浓度值是否超出报警限，另外由于烟雾传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反映越快，响应时间和恢复时间就越快。为提高响应时间，保证传感器准确地、稳定地工作，报警器需要向烟雾传感器持续输出一个 5V 的电压。为了保证其可靠性，在输出 5V 的电压的同时，进行故障监测。当传感器

45、加热丝或电缆线和传感器断线和接触不良时，进行故障报警，发出声光报警信号。当然几种状态的报警信号是各不相同的。2.3.3.烟雾检测器的结构 为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的可燃性烟雾报警仪应不仅能在较宽的温度范围工作，而且应具有显示可燃烟雾浓度、故障自检、演示报警功能及可接计算机进行现场远测和实时控制等功能。其目标是在传统的烟雾检测的基础上，尽量提高准确性，降低成本，缩小体积。-2.3.4.烟雾检测器的功能 （1）自诊断故障功能 （2）看门狗自检单片机状态功能 调用单片机中的看门狗程序，定时检查单片机工作状态，一旦发现单片机出现死循环状态，立即复位，保证报警器工作正常。（

46、3）与上位机通讯功能 可以实现与计算机串口通讯，对报警器采取统一控制，以及便于采集和处理数据，也可以在计算机上更改报警限值等。感烟探测器采用的是日本 NEMOTO 公司生产 NIS-09C 离子型感烟探测器，内部有微量的放射性物质媚(Am)241，探测器被金属电极覆盖，放射能不会泄露。它对白色、灰白和黑色烟雾都有良好的响应，但其受环境湿度影响较大。符合美国 UL217 标准，欧洲 EN-54-7 标准及 GB4715-93 国家标准。NIS-09C 是具有低功耗、普适性的传感器，适用于高灵敏度烟雾探测器、火灾报警系统。其特性参数和温湿度特性参数分别见表 2.1 和表2.2。NIS-09C 离子

47、烟雾探测器探测到的是烟雾浓度模拟量，通过其灵敏度特性（如表所示）可以看出，烟雾浓度 p 和输出电压 v 之间是近似线性的关系，其特性曲线方程：v=-0.3p+5.6。表 2.1NIS-09C 烟雾探测器的主要特征参数表 灵敏度特性(UL217 标准)电源电压特性(25 60%RH)烟 雾 浓 输出电压(V)误差(V)电 源 电 输出电压(V)-度 压 0 5.60.4 0 6 3.30.3 1 5.30.5 0.30.1 9 5.60.4 2 5.00.5 0.60.1 12 8.00.7 3 4.70.5 0.90.2 15 10.00.85 4 4.40.5 1.20.2 18 131.0

48、 表 2.2 NIS-09C 烟雾传感器的温湿度特性参数表 温度特性(湿度：60%RH)湿度特性(温度：25)温度()输出(V)湿度(%RH)输出(V)0 5.150.40 30 5.750.50 25 5.600.40 60 5.600.40 50 5.850.40 90 5.450.40 2.3.5.温度探测器的功能 温度探测器是利用热敏方式来检测环境温度进行报警的探测器，用于检测被测物体和环境的温度，当超出或低于标准值时发出报警。温度探测器：火灾时物质的燃烧产生大量的热量，使周围温度发生变化。温度探测器是对警戒范围中某一点或某一线路周围温度变化时响应的火灾探测器。它是将温度的变化转换为电

49、信号以达到报警目的。根据监测温度参数的不同，一般用于工业和民用建筑中的温度探测器有定温式、差温式、差定温式等几种。2.3.6.温度探测器的选定 1.定温式探测器。定温式探测器是在规定时间内，火灾引起的-温度上升超过某个定值时启动报警的火灾探测器。它有线型和点型两种结构。其中线型是当局部环境温度上升达到 规定值时，可熔绝缘物熔化使两导线短路，从而产生火灾报警信号。点型定温式探测器利用双金属片、易熔金属、热电偶热敏半导体电阻等元件，在规定的温度值上产生火灾报警信号。2.差温式探测器。差温式探测器是在规定时间内，火灾引起的温度上升速率超过某个规定值时启动报警的火灾探测器。它也有线型和点型两种结构。线

50、型差温式探测器是根据广 泛的热效应而动作的，点型差温式探测器是根据局部的热效应而动作的，主要感温器件是空气膜盒、热敏半导体电阻元件等。3.差定温式探测器。差定温式探测器结合了定温和差温两种作用原理并将两种探测器结构组合在一起。差定温式探测器一般多是膜盒式或热敏半导体电阻式等点型组合式探测器 温度探测器使用的是美国国家半导体公司生产的集成温度传感器LM94022，该传感器属于高精度模拟输出 CMOS温度传感器，不仅工作电压低、静态电流小和输出功率极低，而且能与模数转换器(ADC)配合使用。其主要特性如下：(1)工作电压低，可在 1.5V 电压下工作；且工作电压范围宽，为 1.55.5V；(2)静