【正文】 范圍內(nèi)對可燃氣體有良好的靈敏度，壽命長，成本低， 非常適用于 家庭使用的氣體泄漏報警器。由這兩個核心器件設計而成的整個煙霧報警器系統(tǒng)可實現(xiàn)聲光報警、 報警狀態(tài)字符 顯示、 換氣扇 排煙 和噴水 滅火等煙霧報警器應 有 的功能 ， 是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便、價格低廉、智能化的煙霧報警器 ，具有一定的實用價值。 目前， 現(xiàn)代建筑 都會有選擇地 安裝 不同功能的 火災自動報警系統(tǒng)。 因為 火災自動報警系統(tǒng)是建筑物的神經(jīng)系統(tǒng)， 它能夠 感受、接收著發(fā)生火災的 早期 信號并及時報警，發(fā)出警報 同時告知用戶和周邊居民 。它 就像是一個 個稱職的更夫，給居住、 忙碌或是休息 在 家庭 中的人們以極大的安全感。 在火災的早期階段，準確的探測到火情并迅速報警，對于及時組織有序快速疏散、積極有效地控制火災的蔓延、快速滅火和減少火災對居住人群的損失都具有重要的意義 。 設計煙霧報警器的目的及意義 隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，家庭火災防不勝防，防火工作也就越來越重要。 據(jù)美國消防學會統(tǒng)計，最近 十多 年中，安裝自動消防設施的建筑中發(fā)生火災，消防 2 設施的有效率高達 %， 確實起到了保證建筑物消防安全的作用。 這是因為 火災 自 動報警系統(tǒng) 能夠及時將火災跡象通知用戶及有關(guān)管理人員，以便他們準備疏散或組織滅火，延長了建筑物可供疏散的時間并通過聯(lián)動系統(tǒng)啟動其他消防設施。 所以， 設計 一種能夠在火災剛剛發(fā)生時或者有可燃氣體堆積引起的火災隱患時就能報警的 報警器 就能 使人們能夠及時發(fā)現(xiàn)火災，并及時采取有效措施，撲滅初期火災，最大限度的減少 或消除 因火災造成的生命 危害 和財產(chǎn)的損失，是人們同火災做斗爭的有力工具。 目前我國火災自動報警系統(tǒng)只被安裝在重要建筑上，而在美國、日本等發(fā)達國家，包括許多居民家庭都安裝了火災自動報警系統(tǒng)。 近幾年， 國內(nèi) 主要 側(cè)重于大型場 所的大型火災報警系統(tǒng)的研發(fā)，而在居民住宅區(qū)等小型防火單位，卻需要安裝廉價實用的煙霧自動報警裝置。 由于 我國人口不斷的增長，土地也開始的稀缺，所以為了緩解城市用地的緊張，居住的樓層不斷加高，這不但便于集中供電、供熱、供氣，而且也可以集中控制和管理。但是，人們在享受這些現(xiàn)代設施帶來了便利的時候，卻也增加了火災隱患。樓層多、人員密集，一旦發(fā)生火災，疏散困難，容易造成經(jīng)濟和人員的損失。如果在家庭中沒有安裝火災自動報警器，一旦在家庭中發(fā)生火災，火災容易由不被發(fā)現(xiàn)的早期火災而演變成為更大、更嚴重的大型火災。結(jié)果是由于一家 的 起火， 而 火勢不能得到有效控制， 使得火勢迅速蔓延并 很快出現(xiàn)大面積燃燒 。這不僅使的用戶本身遭受重大的損失，還容易形成“ 火燒連營 ” 的局面，給周邊家庭和場所造成無法估計的損失和嚴重的影響。 據(jù)公安部消防局 2020 統(tǒng)計，近年來， 我 國每年發(fā)生家庭火災 5 萬余起，死亡 800余人，占火災死亡人數(shù)的 70%以上。 根據(jù)網(wǎng)絡新聞報道可知，英國每年發(fā)生 50000起以上的嚴重家庭火災，其中大部分火災造成傷亡和重大的家庭財產(chǎn)損失，甚至連累左鄰右舍。 由此可見：家庭防火同樣是現(xiàn)今社會的重要家庭安防問題，而且刻不容緩。家庭防火重在防患于未然，因 此，我們就有必要研制一種結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉的煙霧自動報警器，以適應市場的需求。 火災自動報警系統(tǒng)作為重要的建筑自動消防設施，其技術(shù)進步性表現(xiàn)報警時間提前、報警可靠性提高、特殊場所火災的探測報警、報警系統(tǒng)網(wǎng)絡化、消防聯(lián)動控制智能化、消防通信網(wǎng)絡技術(shù)與計算機接警指揮管理等。 在國外， 現(xiàn)在的火災自動報警系統(tǒng)已達到智能型、全總線型和綜合型，系統(tǒng)一旦報警，馬上在顯示器上出現(xiàn) 報警探測器 的具體地址，一目了然。近年來，我國火災自動報警工程應用技術(shù)實現(xiàn)了較快發(fā)展，但由于在實際應用中，火災自動報警系統(tǒng)的通訊協(xié)議不一致，火災自動報警工程技術(shù)水平還相對落后，還存在著一些比較突出的問題。 現(xiàn)階段， 我國火災自動報警 系統(tǒng)的主要問題有以下幾點： 適用范圍過小 。 我國火災自動報警系統(tǒng)技術(shù)比美、英等發(fā)達國家起步較晚 ，適用范圍過 有限，使得一般家庭用戶未能普及使用火災自動報警器。由于家庭住宅等小單位的 防范措施不到位 ，給家庭生活帶來了許多的不方便和一定的損失。2智能化程度低。我國使用的火災 探測器雖然都進行了智能化設計，但由于傳感器件探測的參數(shù)較少、支持系統(tǒng)的軟件開發(fā)不成熟、各種算法的準確性缺乏足夠驗證、火災現(xiàn)場參數(shù)數(shù)據(jù)庫不健全等，火災自動報警系統(tǒng)難以準確判定粒子 (煙氣 )的濃度、現(xiàn)場溫度、光波的強度以及可燃氣體的濃度、電磁輻射等指標，造 3 成遲報、誤報、漏報情況較多。 網(wǎng)絡化程度低。我國應用的火災 自 動報警系統(tǒng)形式基本上以區(qū)域火災自動報警系統(tǒng)、集中火災自動報警系統(tǒng)和控制中心火災自動報警系統(tǒng)為主，安裝形式主要是集散控制方式，自成體系，自我封閉，尚未形成區(qū)域性網(wǎng)絡化火災自動報警系統(tǒng)。 組件連接方式有 待改善。火災自動報警系統(tǒng)以多線制和總線制連接方式為主，探測器和報警器及控制器之間是采用兩條或多條的銅芯絕緣導線或銅芯電纜穿管相接，存在耗材多、成本高、抗干擾能力差的缺點。同時，銅導線耐高溫性能差、易磨損，系統(tǒng)施工維修復雜，影響了火災自動報警系統(tǒng)的可靠性和更廣泛的應用。 火災自動報警系統(tǒng)誤報、漏報問題較多。由于火災探測器的安裝環(huán)境極其復雜，加之各種傳感器在探測火災方面存在著某些先天不足，無法準確地感應各種物質(zhì)在燃燒過程中所特有的聲波、光譜、輻射、氣味等諸多方面發(fā)生的微妙變化，對火災發(fā)生過程中所產(chǎn)生的不同粒徑 和顏色的煙 霧 存在探測 “ 盲區(qū) ” ，誤報、漏報現(xiàn)象時有發(fā)生。 發(fā)展 趨勢 面對人類社會經(jīng)濟與技術(shù)急速發(fā)展的時代，伴隨這電子、計算機、通訊和現(xiàn)代控制技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代 火災自動報警應用技術(shù)發(fā)展趨勢 正在向著全總線制、軟件編程、網(wǎng)絡化、智能化、多樣化、小型化、社區(qū)化、藍牙技術(shù)無線化、高靈敏化、綜合化等方面發(fā)展。 針對當前火災自動報警系統(tǒng)存在的通訊協(xié)議不一致，系統(tǒng)誤報、漏報頻繁，智能化程度低，網(wǎng)絡化程度低、特殊惡劣環(huán)境的火災探測報警抗干擾等問題較為突出的現(xiàn)象，提出在符合國家消防規(guī)范的基礎下采用統(tǒng)一、標準、 開放的通訊協(xié)議 。 通過對新技術(shù)、新工藝、新材料和新設備的應用研究，對系統(tǒng)方案、設備選型的優(yōu)化組合，改進火災自動報警系統(tǒng)的工作性能、減少維護費用和維護要求，向著高可靠性、高靈敏性、低誤報率、系統(tǒng)網(wǎng)絡化、技術(shù)智能化方向發(fā)展，為更好的預防和遏制建筑火災提供了強有力的保障，從而更好的保護國家和人民的生命、財產(chǎn)安全。 4 2 系統(tǒng)的總體方案設計 煙霧報警器是能夠檢測環(huán)境中的煙霧濃度，并具有報警功能的儀器。該報警系統(tǒng)的最基本組成部分應包括：信號采集及 前置 放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機控制電路、 字符 顯示電路、聲光報警電路和 安全 保護電路 等部分組成。 為適 應家庭和工業(yè)等場所對可燃性易爆煙霧安全性要求，設計的煙霧報警器具有顯示 報警狀態(tài) 、故障自檢、 換氣排煙 和自動滅火等功能。 報警器采用 延時 的工作方式， 煙霧檢測報警器以 AT89C51 單片機為控制核心，選用 QMN5 半導體 氣體 煙霧 傳感器 采集煙霧 濃度 信息， 配合外圍電路 構(gòu)成煙霧報警系統(tǒng) 。報警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 如圖 21。 圖 21 可燃 煙霧報 警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 該系統(tǒng)的工作由煙霧信號采集及放大電路將采集到的煙霧濃度信息轉(zhuǎn)化為放大的模擬電信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路再將該模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機可識別的數(shù)字信號后送入單片機。單片機對該數(shù)字信號進行處理，并對處理后的數(shù)據(jù)進行分析。當 輸入 A/D 轉(zhuǎn)換器的放大信號不為零 時，啟動報警電路。反之則為正常工作狀態(tài)。 設計中為了方便檢測與監(jiān)控，使儀器測試人員及用戶能夠 間 接知道環(huán)境中的煙霧濃度，所以用數(shù)碼管顯示 字符 來 指示報警狀態(tài) 。系統(tǒng)采 用 蜂鳴器聲音報警和LED 閃爍狀態(tài)作為警報 信號 。這種報警方法是在聲音報警基礎上，加入光閃報警。因 為變化的光信號可以引起用戶和家庭鄰居的注意，彌補了在嘈雜環(huán)境中聲音報警的局限，使得報警裝置更加完善。在報警啟動的同時，單片機控制器還可以控制 調(diào)節(jié) 閥 噴水滅火和 換氣扇 排煙動作。 系統(tǒng)留有繼電器接口， 使單片機能夠 控制 換氣風扇 和 調(diào)節(jié) 閥 的工作狀態(tài) ， 讓系統(tǒng)在報警的同時自動啟動相關(guān)安全裝置。另外由于煙霧傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反應越快，響應時間和恢復時間就越快。為提高響應時間，保證傳感器準確地、穩(wěn)定地工作，報警器需要向煙霧傳感器持續(xù)輸出一個 5V 的電壓。為了保證其可靠性，在輸出 5V 的電壓的同時，進行故障監(jiān)測。 當傳感器煙霧傳感器 放大電路 A/ D 轉(zhuǎn)換 單 片 機 調(diào)節(jié) 閥 LED狀態(tài)指示燈 蜂鳴器 數(shù)碼管 字符 顯示 換氣扇 5 加熱絲或電纜線和傳感器斷線或接觸不良時，進行故障報警。以上是根據(jù)報警器應具備的功能，提出的整體設計思路。 傳感 器的選型 煙霧傳感器是測量裝置和控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。而煙霧報警器的信號采集由煙霧傳感器負責。煙霧傳感器能夠?qū)怏w的種類及其濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換為電信號，根據(jù)這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中存在的情況有關(guān)的信息，從而達到檢測、監(jiān)控、報警的功能。可以說，沒有精確可靠的傳感器，就沒有精確可靠的自動檢測、控制和報警系統(tǒng)。煙霧傳感器作為報警器中不可缺少的核心器件，它決定了所采集的煙 霧濃度信號的準確性和可靠性。 圖 22 煙霧傳感器及其結(jié)構(gòu) 圖 煙霧傳感器的介紹 煙霧傳感器是模擬傳感器 。它能 將空氣中的煙霧濃度變量轉(zhuǎn)換成有一定對應關(guān)系的輸出信號的裝置。煙霧傳感器就是通過監(jiān)測 環(huán)境中 煙霧的濃度來實現(xiàn)火災防范的 。當 煙霧探頭碰到煙霧或某些特定的氣體，煙霧探頭內(nèi)部阻值發(fā)生變化，產(chǎn)生一個模擬值，從而對其進行控制。煙霧 傳感器 利 用煙霧敏感 元件的電阻 受煙霧（主要是可燃顆粒）濃度影響阻值變化的原理向 單片機 發(fā)送煙霧濃度相應的模擬信號 。 在智能建筑中對火災探測器的應用主要以感煙火災探測器選用為主。隨著傳感器生產(chǎn)工藝水平逐步提高，傳感器日益小型化、集成度不斷增大，使得煙霧探測器的體積也逐漸變小，提高了煙霧探測器的便攜性，更加利于生產(chǎn)、運輸和市場推廣。目前， 煙霧傳感器廣泛應用在城市安防、小區(qū)、工廠、公司、學校、家庭、別墅、倉庫、資源、石油、化工、燃氣輸配等眾多領(lǐng)域。 在國內(nèi)的產(chǎn)品中， 無論 哪 家生產(chǎn)的 煙霧 探測器，都可以探測到火災的發(fā)生，都具 有比較 高的靈敏度 ，而且 在安裝中都比較簡單 。但是，由于 各生產(chǎn)的設備不可通用，獨立為正，不但不可彼此互相代替 ，更 不可以互相通訊 。使得用戶面對眾多廠家生產(chǎn)的煙霧探測器感到不知所措。而這也正是國內(nèi)產(chǎn)品市場的一個重大缺陷。 （ 1）煙霧傳感器的分類 從構(gòu)成氣體傳感器材料的形態(tài)上通常將它們分為干式和濕式氣體傳感器。由 6 于對不同氣體的檢測方法不盡相同，目前主要的方法有：利用半導體氣體器件檢測的電氣法；使用電極和電解液對氣體進行檢測的電化學法；利用氣體對光的折射率或光吸收等特性來檢測氣體的光學法。 （ 2） 煙霧傳感器應滿足的基本條件 一個煙霧傳感器可以是單功能的，也可以是多功能的；可以是單一的實體，也可以是由多個不同功能傳感器組成的陣列。但是，任何一個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或低響應； (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)對檢測信號響應速度快，重復性好； (d)長期工作穩(wěn)定性好； (e)使用壽命長； (f)制造成本低，使用與維護方便。 （ 3） 常見的煙霧探測器種類及工作原理 為了確保家庭環(huán)境的安全，需要對各種可燃性 氣體、有毒性氣體進行檢測。但是， 由于煙霧的種類繁多，一種類型的煙霧傳感器不可能檢測所有的氣體，通常只能檢測某一種或兩種特定性質(zhì)的煙霧。例如氧化物半導體煙霧傳感器主要檢測各種還原性煙霧，如 CO、 H C2H5OH、 CH3OH 等。固體電解質(zhì)煙霧傳感器主要用于檢測無機煙霧，如 O CO H Cl SO2 等。 因此目前使用的煙霧傳感器有很多種，各自的檢測原理也各不相同，下面就對一些常用的煙霧傳感器進行介紹。 (a)半導體煙霧傳感器（半導體氣敏傳感器） 半導體煙霧傳感器包括用氧化物半導體陶瓷材料作為敏感體制作的煙 霧傳感器，以及用單晶半導體器件制作的煙霧傳感器。半導體煙霧傳感器是利用氣體在半導體表面的氧化和還原反應導致敏感元件阻值變化而制成的。按照敏感機理分類，半導體煙霧傳感器可分為電阻式和非電阻式。當半導體接觸到氣體時，半導體的電阻值將發(fā)生變化，利用傳感器輸出端阻值的變化來測定或控制氣體的有關(guān)參數(shù)，這種類型的傳感器稱為電阻式半導體氣敏傳感器；當ＭＯＳ場效應管在接觸到氣體時，場效應管的電壓將隨周圍氣體狀態(tài)的不同而發(fā)生變化，利用這種原理制成的傳感器被稱為非電阻式半導體氣敏傳感器。 自 1962 年半導體金屬氧化物煙霧傳 感器問世以來，由于具有靈敏度高、響應快、輸出信號強、耐久性強、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、維修