作品基于单片机的烟雾报警器设计

作品基于单片机的烟雾报警器设计内容摘要：

方便、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。 但是其最大的缺点就是选择性较差。 该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的烟雾传感器之一。 (b)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。 接触燃烧式气体传感器的检测 元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂 丝通以电流，保持 300℃～ 400℃的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体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的大小，就知道可燃性气体的浓度。 使用接触燃烧式传感器，其最大的缺点是探头很容易发生 阻缓和 中毒现象。 一般在连续使用两个月后应对该传感器进行维护。 这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。 (c)电化学传感器 7 电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。 电化学气敏传感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流，也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。 即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。 目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。 (d)高分子烟雾传感器 利用高分子气敏 元件 制作的烟雾传感器近年来得到很大的发展。 高分子气敏元件 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、材料重量等物理性能发生变化。 高分子气敏 元件 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，在毒性烟雾和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。 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，可以弥补其它烟雾传感器的不足。 （ e）红外吸收型传感器 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地吸收了。 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 (nondispersive 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。 由于不同的烟 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 CO冷冻剂烟雾和一些易燃气。 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，而且不受其它烟雾的腐蚀以及高浓度目标烟雾的影响。 （ f） 离子感烟传感器 离子感烟传感器对于火灾初起和阴燃阶段的烟雾气溶胶检测非常有效，可测烟雾粒径范围为。 它在内外电离室里面有放射源镅 241。 由于它能使两极板间空气分子电离为 正、负离子， 使电极之间原来不导电 的空气具有导电性。 在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。 当火灾发生时，烟雾粒子进入电离室后，电力部分（区域）的正离子和负离子被吸附到烟雾粒子上，使正、负离子相互中和的概率增加，从而将烟雾粒子浓度大小以电流变化量大小表示出来，实现对火灾参数的检测。 （ g）光电式感烟传感器 光电式感烟传感器由光源、光敏元件和电子开关组成。 平常光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如果有烟雾从中阻隔，到达光敏元件上的光就显著减弱，于是光敏元件就把光强的变化变成电的变化，利用光散射原理对火灾初期产 生的烟雾进行探测，并及时发出报警信号。 按照光源不同，可分为一般光电式、激光光电式、紫外光光电式和红外光光电式等 4 种。 光电式感烟探测器发展很快，种类不断增多，就其功能而言，它能实现早期火灾报警，除应用于大型建筑物内部外，还特别适用于电气火灾危险性较大的场所，如计算机房、仪器仪表室和电缆沟、隧道等处。 根据报警器检测烟雾种类的不同要求，很多场合都会选择使用半导体烟雾传感器。 经过对比众多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 8 突出。 半导体烟雾传感器具有灵敏度高、响应快、体积小、结构简单，使用方便、价 格便宜等优点，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低，因而得到广泛应用 [17]。 因此，本设计中的烟雾传感器选用 QMN5 半导体 气体 烟雾 传感器。 图 23 QMN5半导体 气体 烟雾 传感器 结构 QMN5 半导体 气体 烟雾 传感器 QMN5 半导体传感器是以清洁空气中电导率较低的金属氧化物二氧化锡(SnO2)为主体的 N 型半导体气敏元件。 当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。 在设计报警器时只有使用简单的电路即可将电导率的变化转换为 与该气体浓度相对应的输出信号。 该传感器具备一般半导体烟雾传感器灵敏度高、电导率变化大、响应和恢复时间短、抗干扰能力强、输出信号大、寿命长和工作稳定等优点，在市面上应用十分广泛。 二氧化锡 (SnO2)半导体气敏元件特点： (a)SnO2 材料的物理、化学稳定性较好，与其他类型气敏元件相比， SnO2气敏元件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。 (b)SnO2 气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、脱离时间短，可连续长时间使用。 (c)SnO2 气敏元件结构简单，成本低，可靠行较高，机械性能良好。 QMN5 气敏元件 的结构和 外形 如图 23所示， 由微型 AL2O3 陶瓷管、 SnO2 敏感层 ,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。 封装好的气敏元件有６只针状管脚，其中４个用于信号取出，２个用于提供加热电流。 QMN5 半导体 气体 烟雾 传感器 适用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气、烟雾等的检测，对可燃性气体的（ CH C4H H2 等）的检测很理想。 这种传感器在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，能够检测多种可燃性气体，十分适合应用在家庭的气体 泄漏报警器中。 是一款便携式气体检测器，非常适合多种应用的低成本传感器。 其技术指标 表 21。 9 表 21 QMN5的技术指标 加热电压（ Vh） AC 或 DC 5177。 回路电压（ Vc） 负载电阴（ Rl） 清洁空气中电阻 （ Ra） 灵敏度（ S=Ra/Rdg） 响应时间 (trec) 恢复时间 (trec) 元件功耗 检测范围 使用寿命 最大 DC 24V 2KΩ ≤ 2020 KΩ ≥ 4(在 1000ppmC4H10 中 ) ≤ 10S ≤ 30S ≤ 50— 10000ppm 2 年 由于物理量和测量范围的不同，传感器的工作机理和结构就不同。 通常烟雾传感器输出的电信号是模拟信号（已有许多新型传感器采用数字量输出）。 当信号的数值符合 A/D 转换器的输入等级时，可以不用放大器放大；当信号的数值不符合 A/D 转换器的输入等级时，就需要放大器放大。 所以 QMN5半导体 气体 烟雾传感器 要想把采集到的烟雾浓度模拟信号传送给单片机控制器就必须经过放大器进行放大处理，之后才能将模拟信号经过 A/D 转换器转化为可以识别的电信号给单片机。 设计时应注意，气敏元件开机通电时，其内阻很小，但 经过一段时间后，才能恢复到原来的稳定状态。 因此， QMN5气体传感器需开机预热几分钟，才可投入使用，以免造成误报。 单片机的选型 单片机 是 烟雾 自动报警系统的心脏，用来接收火灾信号并启动 报警装置显示和执行相应的保护和消防动作。 在单片机实现的控制功能中，需要单片机有较快的运算速度，使检测人员和用户在报警器系统正常工作时能够及时地观测到实时的烟雾浓度等级，并进行相应处理。 同时，在能够满足报警器系统设计的计算速度及接口功能要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉 且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。 单片机作为最典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。 由于其微小的体积和极低的成本，开发环境要求较低，软件资源十分丰富，开发工具和编程语言也大大简化，因此被广泛应用于家用电器、机器人、仪器仪表、工业控制单元、办公自动化设备以及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。 由于 MCS 系列单片机集成了几乎完善的中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，这给我们利用单片机提供了极大的 便利。 由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机家族的众多成员中， MCS 系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。 其 10 中， 51系列单片机的优点是价钱便宜 ,I/O 口多 ,程序空间大。 因此，测控系统中，使用 51 系列单片机是最理想的选择 ， 因此设计采用 AT89C51。 （ 1） AT89C51 功能特性概述 目前市面上使用的比较普遍的 51 系列单片机是 AT89C51。 AT89C51 是美国ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS8 位单片机，片内含 4k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（ PEROM）和 128 bytes 的随机存取数据存储器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS51 指令系统，片内置通用 8位中央处理器（ CPU）和 Flash 存储单元，功能强大 AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。 其主要性能参数如下： (a) 与 MCS51 产品指令系统完全兼容 (b) 4k字节可重擦 写 Flash 闪速存储器 (c) 1000 次擦写周期 (d) 全静态操作： 0Hz－ 24MHz (e) 三级加密程序存储器 (f) 128 8字节内部 RAM (g) 32个可编程 I／ O 口线 (h) 2个 16位定时／计数器 (i) 6个中断源 (j)可编程串行 UART 通道 (k)低功耗空闲和掉电模式 图 24 AT89C51的引脚排列 图 AT89C51 单片机提供以下标准功能： 4k 字节 Flash 闪速存储器， 128 字节内部 RAM， 32 个 I／ O 口线，两个 16 位定时／计数器，一个 5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。 同时， AT89C51 可降至 0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。 空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时／计数器，串行通信口及中断系统继续工作。 掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复 11 位。 图 25 AT89C51单片机的基本组成 图 （ 2） AT89C51 的内存空间 内部程序存储器（ FLASH） 4K 字节。 外部程序存储器（ ROM） 64K 字节。 内部数据存储器（ RAM） 256 字节。 外部数据存储器（ RAM） 64K 字节。 表 32 程序存储器的 6个特殊地址 0000H 上电或复位入口地址 0003H 000BH 0013H 001BH 0023H 外部中断 0 入口地址 定时器 T0 中断入口地址 外部中断 1 入口地址 定时器 T1 中断入口地址 串口中断入口地址 在上述事件发生时， PC 指针获得固定的地址，然后 CPU执行 PC 指针所指地址单元内的程序。 T0 T1 时钟源 系 统 总 线 CPU 震荡与 定时电路 外部中断信号 内部中断信号 128B SFR 128B RAM 4KB ROM 两个 16 位定时 0 计数器 总线控制 并行端口 串行端口 控制信号 P0 P1 P2 P3 TXD RXD 12 图 26 AT89C51的存储器结构 烟雾报警器的主要功能设计 报警器正常工作时，传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过放大电路放大，转化成较大的模拟电压信号 后 送入 A/D 转换器 ，然后再送给 AT89C51单片机处理。 当 单片机 检测到 输入 ADC0809 的放大信号不为零时，系统启动报。