【正文】 燃?xì)鈭?bào)警器可分為民用火災(zāi)煙霧報(bào)警器、工業(yè)用煙霧報(bào)警器、有毒有害煙霧報(bào)警器三大系列產(chǎn)品。（1）民用火災(zāi)煙霧報(bào)警器 民用火災(zāi)煙霧報(bào)警器為居民家庭用的火災(zāi)報(bào)警器,一般安裝在廚房，遇到火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧時(shí)時(shí)，報(bào)警器可發(fā)出聲光報(bào)警，或同時(shí)伴有數(shù)字顯示，同時(shí)聯(lián)動(dòng)外部設(shè)備。有的報(bào)警器可自動(dòng)開啟排風(fēng)扇，把煙霧排出室外 。（1）工業(yè)用煙霧報(bào)警器及有毒有害煙霧報(bào)警器工業(yè)用煙霧報(bào)警器及有毒有害煙霧報(bào)警器只是檢測探頭有差異，而在原理和應(yīng)用中都很相近。工業(yè)用燃?xì)鈭?bào)警器及有毒煙霧報(bào)警器根 據(jù)檢測環(huán)境的不同，也可分為檢漏儀、控制器和探測器。檢漏儀的體積較小，可隨身攜帶或手持，主要應(yīng)用于燃?xì)夤芾淼牟槁?與巡檢。若有燃?xì)庑孤瑱z漏儀便會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)數(shù)字顯示煙霧濃度，以便及時(shí)采取安全措施，防止爆炸等惡性事故的發(fā)生。 控制器與探測器結(jié)合使用，可在防爆現(xiàn)場長期監(jiān)測煙霧的濃度。探測器安裝在防爆現(xiàn)場，控制器壁掛在值班室等有人值守的地方，二者采用屏蔽電纜線連接。當(dāng)在現(xiàn)場的探測器探測到燃?xì)庑孤┲?，通過屏蔽電纜線將信號傳到控制器，控制器發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)排風(fēng)裝置或關(guān)閉電磁閥切斷氣源，以確保安全。此種儀器廣泛應(yīng)用于液化氣站、汽車加油站、鍋爐房等工業(yè)場所。 本論文主要任務(wù)本篇論文是煙霧報(bào)警器的研制，主要基本部分和擴(kuò)展部分：(1)基本部分(a)對系統(tǒng)進(jìn)行整體規(guī)劃和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。(b)以STC12C5410AD單片機(jī)為中央處理器，對硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)，使其功能更加完善。系統(tǒng)硬件電路主要分為前置放大電路、鍵盤電路、串口通信電路、聲音報(bào)警電路、狀態(tài)指示燈電路、液晶顯示電路六個(gè)部分。(c)系統(tǒng)的軟件編制。按照軟件實(shí)現(xiàn)的功能，主要分為主程序、初始化子程序、鍵盤處理子程序、濾波子程序、線性化處理子程序、濃度顯示子程序、報(bào)警子程序、報(bào)警限值設(shè)置子程序、串口通信子程序。在程序的編寫過程中，加入了詳細(xì)的文字注釋，便于后期的改進(jìn)與維護(hù)。 (d)硬件電路和軟件的綜合調(diào)試。(2)擴(kuò)展部分(a)再加入一路傳感器信號采集電路，利用雙通道數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)采集的優(yōu)化，主要是利用輔助的一路進(jìn)行修正主傳感器，以提高精度和可靠性。2. 煙霧檢測報(bào)警器的方案設(shè)計(jì) 煙霧檢測報(bào)警器設(shè)計(jì)思路 煙霧檢測報(bào)警器是能夠檢測環(huán)境中的煙霧濃度，并具有報(bào)警功能的儀器，儀器的最基本組成部分應(yīng)包括：煙霧信號采集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路。煙霧信號采集電路一般由煙霧傳感器和模擬放大電路組成，將煙霧信號轉(zhuǎn)化為模擬的電信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將從煙霧檢測電路送出的模擬信號 轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識別的數(shù)字信號后送入單片機(jī)。單片機(jī)對該數(shù)字信號進(jìn)行 濾波處理，并對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，是否大于或等于某個(gè)預(yù)設(shè)值(也就是報(bào)警限)，如果大于則啟動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警聲音，反之則為正常狀態(tài)。為方便檢測與監(jiān)控，使儀器測試人員及用戶能夠直觀地觀察到環(huán)境中 的可燃煙霧濃度值，可將濃度值送到顯示屏中。方便調(diào)節(jié)報(bào)警限，可以加入按鍵。為使報(bào)警裝置更加完善，可以在聲音報(bào)警基礎(chǔ)上，加入光閃報(bào)警，變化的光信號可以引起用戶注意，彌補(bǔ)嘈雜環(huán)境中聲音報(bào)警的局限。以上是根據(jù)報(bào)警器應(yīng)具備的功能，提出的整體設(shè)計(jì)思路。煙霧傳感器及單片機(jī)是可燃煙霧檢測報(bào)警器的兩大核心，根據(jù)報(bào)警器 功能的需要，選擇合適、精確、經(jīng)濟(jì)的煙霧傳感器及單片機(jī)芯片是至關(guān)重要的。煙霧傳感器的選型在下一節(jié)詳細(xì)介紹。單片機(jī)作為硬件電路的核心，它的選型將在第三章詳述。 煙霧傳感器的選型 煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，是氣電變換器，它將可燃性氣體在空氣中的含量(即濃度)轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號，通過A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到單片機(jī)，進(jìn)而由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、濃度處理及報(bào)警控制等工作。傳感器作為煙霧檢測報(bào)警器的信號采集部分，是儀表的核心組成部分之一。由此可見，傳感器的選型是非常重要的。 煙霧傳感器介紹 (1)煙霧傳感器的分類 煙霧傳感器種類繁多，從檢測原理上可以分為三大類： (a)利用物理化學(xué)性質(zhì)的煙霧傳感器：如半導(dǎo)體煙霧傳感器、接觸燃燒煙霧傳感器等。 (b)利用物理性質(zhì)的煙霧傳感器：如熱導(dǎo)煙霧傳感器、光干涉煙霧傳感器、紅外傳感器等。 (c)利用電化學(xué)性質(zhì)的煙霧傳感器：如電流型煙霧傳感器、電勢型氣體傳感器等。 (2)煙霧傳感器應(yīng)滿足的基本條件一個(gè)煙霧傳感器可以是單功能的，也可以是多功能的；可以是單一的實(shí)體，也可以是由多個(gè)不同功能傳感器組成的陣列。但是，任何一個(gè)完整的煙霧傳感器都必須具備以下條件： (a)能選擇性地檢測某種單一煙霧，而對共存的其它煙霧不響應(yīng)或低響應(yīng)； (b)對被測煙霧具有較高的靈敏度，能有效地檢測允許范圍內(nèi)的煙霧濃度； (c)對檢測信號響應(yīng)速度快，重復(fù)性好； (d)長期工作穩(wěn)定性好； (e)使用壽命長； (f)制造成本低，使用與維護(hù)方便。 (3)常見煙霧傳感器簡介下面對工業(yè)上常用的幾種煙霧傳感器作簡單介紹。 (a)半導(dǎo)體煙霧傳感器 半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器，以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器。自1962年半導(dǎo)體金屬氧化物煙霧傳感器問世以來，由于具有靈敏度高、響應(yīng)快、輸出信號強(qiáng)、耐久性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。該傳感器己成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的煙霧傳感器之一。按照敏感機(jī)理分類，可分為電阻型和非電阻型。 (b)固體電解質(zhì)煙霧傳感器 固體電解質(zhì)煙霧傳感器使用固體電解質(zhì)氣敏材料作為氣敏元件，其原理是利用氣敏材料在通過煙霧時(shí)產(chǎn)生電阻，測量其形成電動(dòng)勢從而測量氣體濃度。由于這種傳感器電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，因而得到了廣泛的應(yīng)用，幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，其產(chǎn)量僅次于半導(dǎo)體煙霧傳感器的一類傳感器。但這種傳感器制造成本高，檢測煙霧范圍有限，在檢測環(huán)境污染領(lǐng)域中有優(yōu)勢。 (c)接觸燃燒式傳感器 當(dāng)易燃煙霧接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時(shí)會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)而燃燒，故得名接觸燃燒式傳感器。接觸燃燒式煙霧傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲(也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層)，使用時(shí)將鉑絲通電，保持300176。C~400176。C的高溫，此時(shí)若與煙霧接觸，煙霧就會(huì)在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會(huì)上升，鉑絲的電阻值也上升；通過測量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道煙霧的濃度。 (d)高分子煙霧傳感器 利用高分子氣敏材料制作的煙霧傳感器近年來得到很大的發(fā)展。高分子氣敏材料在遇到特定煙霧時(shí)，其電阻、介電常數(shù)、材料表面聲波傳播速度和頻率、材料重量等物理性能發(fā)生變化。高分子氣敏材料由于具有易操作性、工藝簡單、常溫選擇性好、價(jià)格低廉、易與微結(jié)構(gòu)傳感器和聲表面波器件相結(jié)合，在毒性煙霧和食品鮮度等方面的檢測中具有重要作用。高分子煙霧傳感器具有對特定煙霧分子靈敏度高，選擇性好，且結(jié)構(gòu)簡單，能在常溫下使用，可以彌補(bǔ)其它煙霧傳感器的不足。 (e)電化學(xué)傳感器 電化學(xué)傳感器由膜電極和電解液封裝而成。煙霧濃度信號將電解液分解成陰陽帶電離子，通過電極將信號傳出。它的優(yōu)點(diǎn)是：反映速度快、準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測，但壽命較短(大約兩年)。它主要適用于毒性煙霧檢測。目前國際上絕大部分毒氣檢測采用該類型傳感器。 (f)熱傳導(dǎo)傳感器熱傳導(dǎo)傳感器與接觸燃燒式傳感器具有類似的結(jié)構(gòu)形式，但是測量原理不同。它的測量原理是：將加熱后的鉑電阻線圈置于目標(biāo)煙霧中，由于向目標(biāo)煙霧傳送熱量造成溫度降低，引起電阻值變化，傳感器即測量電阻值的變化情況。溫度的變化情況是目標(biāo)煙霧熱傳導(dǎo)率的函數(shù)，而對于一種給定的煙霧或汽化物，熱傳導(dǎo)率是它固有的物理特性 (g)紅外傳感器 紅外傳感器通常用兩束紅外光進(jìn)行煙霧測量，主光束通過測量元件內(nèi)的目標(biāo)煙霧，參考光束通過比較元件內(nèi)的參考煙霧。在測量和比較元件中，紅外射線被煙霧有選擇地吸收了。未吸收的紅外光由光電探測器測量，產(chǎn)生一個(gè)正比于目標(biāo)煙霧濃度的差分信號。非擴(kuò)散式紅外探測器NDIR(nondispersiveIR)是其中的一種，所有的未吸收光全部以最小的擴(kuò)散和損耗被記錄下來。不同的煙霧吸收不同波長的IR，所以傳感器根據(jù)目標(biāo)煙霧而調(diào)整，典型應(yīng)用包括測量CO和CO冷凍劑煙霧和一些易燃?xì)?。由于非碳?xì)浠衔镆兹紵熿F(如氫)不吸收電磁譜中IR部分的能量，所以這種傳感器可以精確地測量碳?xì)浠衔?，并具有最小的交叉靈敏度，而且不受其它煙霧的腐蝕以及高濃度目標(biāo)煙霧的影響。 煙霧傳感器的選定 煙霧檢測報(bào)警器主要應(yīng)用在石油、化工、冶金、油庫、液化氣站、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃煙霧泄漏的場所，根據(jù)報(bào)警器檢測煙霧種類的要求，一般選用接觸燃燒式煙霧傳感器和半導(dǎo)體煙霧傳感器。 使用接觸燃燒式傳感器，其探頭的阻緩及中毒，是不可避免的問題。阻緩是當(dāng)在煙霧與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下，則有可能在無焰燃燒的同時(shí)，有些固態(tài)物質(zhì)附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應(yīng)緩慢反應(yīng)滯緩，靈敏度降低。雖然將阻緩的傳感器再放回新鮮空氣環(huán)境中有得到某種程度的恢復(fù)的可能，但是如果長期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會(huì)不斷下降，導(dǎo)致傳感器最終喪失檢測煙霧的能力。中毒是如果環(huán)境空氣中含有硅烷之類的物質(zhì)時(shí)，則傳感器將使催化元件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的中毒，以致靈敏度很快就喪失。當(dāng)懷疑檢測環(huán)境中存在這些物質(zhì)時(shí)，經(jīng)常對探頭進(jìn)行標(biāo)定，是必須且有效的辦法。 因此，經(jīng)常對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是保證其準(zhǔn)確性的必要的途徑。一般連續(xù)使用兩個(gè)月后應(yīng)對傳感器進(jìn)行量程校準(zhǔn)，這種經(jīng)常性對傳感器的維護(hù)，無形中加大了工作人員的工作量，同時(shí)增加了報(bào)警器的維護(hù)成本。 半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器，它具有靈敏度高，響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體煙霧傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性(抗干擾性)和穩(wěn)定性(使用壽命)。經(jīng)過對比上述兩種煙霧傳感器的應(yīng)用特性，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體煙霧傳感器的優(yōu)點(diǎn)更加突出：靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價(jià)格便宜，且不會(huì)發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護(hù)成本較低等。因此，本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體煙霧傳感器作為報(bào)警器煙霧信息采集部分的核心。而在眾多半導(dǎo)體氣體傳感器中，本設(shè)計(jì)選用MQ2型煙霧傳感器，這種型號的傳感器不但具備一般半導(dǎo)體煙霧傳感器靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。 MQ2型煙霧傳感器的工作原理半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器。按敏感機(jī)理分類，可分為電阻型和非電阻型。半導(dǎo)體氣敏元件也有N型和P型之分。N型在檢測時(shí)阻值隨煙霧濃度的增大而減??；P型阻值隨煙霧濃度的增大而增大。 本設(shè)計(jì)中采用的MQ2型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，屬于表面離子式N型半導(dǎo)體。當(dāng)處于200~300176。C溫度時(shí)，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當(dāng)與煙霧接觸時(shí)，如果晶粒間界處的勢壘受到該煙霧的調(diào)制而變化，就會(huì)引起表而電導(dǎo)率的變化。利用這一點(diǎn)就可以獲得這種煙霧存在的信息。遇到可燃煙霧（如CH4等）時(shí)，原來吸附的氧脫附，而由可燃煙霧以正離子狀態(tài)吸附在二氧化錫半導(dǎo)體表面；氧脫附放出電子，煙霧以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子，從而使二氧化錫半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加，電阻值下降。而當(dāng)空氣中沒有煙霧時(shí)，二氧化錫半導(dǎo)體又會(huì)自動(dòng)恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是MQ2型燃性煙霧傳感器檢測可燃煙霧的基本原理。 MQ2型傳感器的特性及主要技術(shù)指標(biāo) (1)MQ2型傳感器的一般特點(diǎn) (a)MQ2型傳感器對天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對烷類煙霧更為敏感。 (b)MQ2型傳感器具有良好的重復(fù)性和長期的穩(wěn)定性。初始穩(wěn)定，響應(yīng)時(shí)間短，長時(shí)間工作性能好。 (c)MQ2型傳感器具有良好的抗干擾性，可準(zhǔn)確排除有刺激性非可燃性煙霧的干擾信息，例如酒精和煙霧等。(d)電路設(shè)計(jì)電壓范圍寬，24V以下均可；加熱電壓5177。 (2) MQ2型傳感器的基本特性 (a) 靈敏度特性 煙霧傳感器在最佳工作條件下，接觸同一種煙霧，其電阻值RS隨氣體濃度變化的特性稱之為靈敏度特性，用K表示。K=RS/R0(21)式中，R0為煙霧傳感器潔凈空氣條件下的電阻值，RS為煙霧傳感器在一定濃度的檢測煙霧中的電阻值。雖然對于不同的煙霧，器件靈敏度特性K的值也會(huì)各有差異，但是它們都遵循同一規(guī)律， logRS=mlogC+n(22)式中，m為器件相對煙霧濃度變化的敏感性，又稱煙霧分離能，對于煙霧，m值為1/2~1/3；C為檢測煙霧的濃度。n為與檢測煙霧，器件材料有關(guān)，并隨測試溫度和材料中有無增感劑而有所不同。 (b) 初期穩(wěn)定特性 半導(dǎo)體煙霧傳感器在不通電狀態(tài)存放一段時(shí)間后，再通電時(shí)，器件并不能立即投入正常工作。這是因?yàn)闊熿F傳感器中的二氧化錫在不通電的狀態(tài)下會(huì)吸附空氣中的水蒸氣，當(dāng)再次通電時(shí)需要預(yù)熱幾分鐘使水蒸氣蒸發(fā)后，氣敏電阻才能正常工作。再通電工作時(shí)氣敏電阻值達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需要的時(shí)間，定義為初期穩(wěn)定時(shí)間。一般情況下，不通電時(shí)間越長，初期穩(wěn)定時(shí)間也越長，當(dāng)不通電存放時(shí)間達(dá)到15天左右時(shí)，初期穩(wěn)定時(shí)間一般需要5分鐘左右。 (c) 加熱特性 半導(dǎo)體煙霧傳感器一般要在較高的溫度(200~450176。C)下工作，所以需要對其加熱。由于傳感器一般工作在易燃易爆環(huán)境下，若加熱絲直接與電源相接，當(dāng)加熱絲局部短路造成器件過熱或放電時(shí)，可能引發(fā)事故。所以必須使用傳感器生產(chǎn)廠家推薦的加熱電壓，使其工作在較安全的范圍內(nèi)。MQ2型煙霧傳感器加熱電壓為5177。，加熱電阻為31177。3?。當(dāng)加熱絲斷路時(shí)，由于熱惰性緣故，煙霧傳感器的氣敏特性并不立即消失，此時(shí)檢測必出現(xiàn)較大的誤差。為避免出現(xiàn)這種情況，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)氣敏元件的故障，需要設(shè)計(jì)加熱絲故障診斷報(bào)警電路。 (3) MQ2型傳感器的特性參數(shù) (a)回路電壓：(Vc