【正文】 .................................................................................. 34 附錄一家庭燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)電路圖 ..................................................................... 35 1 第 1 章 緒論 家庭燃?xì)庑孤?報(bào)警的概述 天 燃?xì)庑孤﹫?bào)警器是非常重要的燃?xì)獍踩O(shè)備， 由 氣 敏 傳感器 、 單片機(jī) 和報(bào)警器組成 。 它是安全使用城市燃?xì)獾淖詈笠坏辣Ｗo(hù)。 天 燃?xì)庑孤﹫?bào)警器通過 氣 敏傳感器 探測(cè)周圍環(huán)境中的低濃度可燃?xì)怏w，通過采樣電路，將探測(cè)信號(hào)用模擬量或數(shù)字量傳遞給控制器或控制電路，當(dāng)氣體濃度超過控制器或控制電路 中設(shè)定值時(shí)，控制器通過執(zhí)行器或執(zhí)行電路發(fā)出報(bào)警信號(hào) 或執(zhí)行關(guān)閉燃?xì)忾y門等動(dòng)作。氣體報(bào)警器的探測(cè)氣 敏 傳感器主要半導(dǎo)體型、 接觸 燃燒 式 、 電化學(xué)氣敏 傳感器，還有少量的其他類型 。 這些傳感器都是通過對(duì)周圍環(huán)境中的可燃?xì)怏w的吸附，在傳感器表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，造成傳感器的電物理特性的改變 ， 經(jīng)單片機(jī)處理后 報(bào)警 。 家庭燃?xì)庑孤﹫?bào)警的現(xiàn)狀 天 氣體檢測(cè) 報(bào)警產(chǎn)品是一個(gè)系列產(chǎn)品，包括 氣體 探測(cè)設(shè)備、信息傳輸設(shè)備、報(bào)警分析控制器 ， 是物理傳感技術(shù)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸和管理、智能樓宇等技術(shù)的綜合集成，屬于高新技術(shù) 。依托中國(guó)多年的基本建設(shè)的發(fā)展，這個(gè)行業(yè)也得到發(fā)展，具備了和國(guó)外知名企業(yè)抗衡的能力。在目前中國(guó)許多冠名以高新技術(shù)的行業(yè)中，中國(guó)企業(yè)大多做的是下游的制造和服務(wù)，分取極少一部分的利潤(rùn)， 像安 防報(bào)警產(chǎn)品那樣又擁有自我知識(shí)產(chǎn)權(quán)，又擁有大量市場(chǎng)的行業(yè)其實(shí)是很少的。 在 安 防報(bào)警產(chǎn)品的技術(shù)含量上，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品和國(guó)外產(chǎn)品差距不是很大，許多指標(biāo)已經(jīng)超越，存在的問題是：類似于國(guó)外 安 防報(bào)警產(chǎn)品的大批量規(guī)?；纳a(chǎn)才剛起步，有待于積累經(jīng)驗(yàn)和技術(shù) ， 也因此在產(chǎn)品一致性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性上有一些差距；國(guó)內(nèi)正在形成權(quán)重的大型企業(yè)和集團(tuán)，這樣可以帶領(lǐng)國(guó) 內(nèi)的各家企業(yè)去沖擊海外市場(chǎng)，并最終占領(lǐng)海外的 安 防報(bào)警市場(chǎng)。 2 家庭燃?xì)庑孤﹫?bào)警的發(fā)展趨勢(shì) 二十多年前， 我 國(guó)的 安 防報(bào)警產(chǎn)品剛剛起步，無論產(chǎn)品技術(shù)含量、產(chǎn)品系列完整性、使用性，還是社會(huì)影響程度都是相當(dāng)?shù)偷?。?guó)外的產(chǎn)品和品牌 卻 占領(lǐng) 我們 的大部分市場(chǎng)。由于中國(guó)的建設(shè)正在 面臨 飛速發(fā)展， 我們應(yīng)該抓住廣闊的市場(chǎng)空間，慶幸 的是中國(guó)企業(yè)抓住了 這次 機(jī)遇，頂住了挑戰(zhàn)，先是一批國(guó)家的科研院所，后是一批國(guó)營(yíng)企業(yè)、民營(yíng)企業(yè)，業(yè)內(nèi)也吸引和凝聚一大批國(guó)內(nèi)的技術(shù)和管理精英，花了多年時(shí)間，通過幾次產(chǎn)品更新?lián)Q代，就使自己的產(chǎn)品緊緊跟上了國(guó)際水平，并且奪回了大部分國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，使得現(xiàn)在大多國(guó)外產(chǎn)品只有招架之 勢(shì) ，這是典型的自力更生，走自己的路。當(dāng)然目前而言，我們基本占據(jù)的是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，對(duì)外還剛 剛 啟動(dòng)。 但是， 中國(guó) 企業(yè)已經(jīng)做好 準(zhǔn)備進(jìn)軍海外市場(chǎng)。 燃?xì)庑孤﹫?bào)警研究意義與目的 面對(duì)燃?xì)庑孤┒斐傻姆N種事故威脅，我們需要一個(gè)解決辦法。使用 天 燃?xì)鈭?bào)警器是對(duì)付燃?xì)鉄o形殺手的重要手段之一。燃?xì)鈱＜抑赋觯細(xì)庑孤┗驈U氣排放而大量產(chǎn)生的一氧化碳是燃?xì)庵卸臼?件的根源，如采 用 天 燃?xì)庑孤﹫?bào)警器就能得到及時(shí)的警示。有關(guān)部門經(jīng)長(zhǎng)期測(cè)試得出結(jié)論， 天 燃?xì)鈭?bào)警器防止 天然氣泄漏事故 發(fā)生的有效率達(dá) 95%以上。 計(jì)算機(jī)的普及和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們己不滿足于傳統(tǒng)的居住環(huán)境，對(duì)家庭及住宅小區(qū)提出了更高的要求，智能化被引入家庭，并迅速在世界各地發(fā)展起來。人們對(duì)居住環(huán)境要求的日見增高，體現(xiàn)在希望住宅不僅更便利、舒適而且更安全。 單片機(jī)在日用電子產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛，燃?xì)庑孤﹦t是人們?nèi)粘Ｉ钪谐３Ｐ枰獪y(cè)量和控制的一個(gè)問題。單片機(jī)有利于 為現(xiàn)代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的設(shè)施。 為了防止中毒事件再次發(fā)生，提出利用單 片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行有效的預(yù)防對(duì)策。所以怎樣防止燃?xì)?中毒與爆炸已成為人們的迫切需要 。 設(shè)計(jì)任務(wù) 本文 設(shè)計(jì)了一種靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價(jià)格便宜的 天然氣檢測(cè)系統(tǒng)， 采用 氣敏傳感器，氣敏傳感器是能夠感知環(huán)境中某種氣體及其濃 3 度的一種敏感器件，它將氣體成分、濃度等有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而 可以進(jìn)行檢測(cè) 。目前，人們對(duì)氣敏傳感器的測(cè)試方法主要停留在用人工手動(dòng)的方式來操作，開發(fā)出一種實(shí)用高效的智能化傳感器測(cè)試裝置是極為必要的。而 聲光 信號(hào)是信息的又一主要載體，如果在這些測(cè)量場(chǎng)合能用 聲光信號(hào) 直接報(bào)出結(jié)果，將給操作人員帶來極大方便，本文就介紹一種新型的氣敏傳感器測(cè)試系統(tǒng) ， 從組成框圖、 硬件設(shè)計(jì)以及程序流程及代碼等幾方面對(duì)其進(jìn)行了 詳細(xì)的 介紹。 1 第 2 章 天 燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 天 燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路 天 燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng) 是能夠檢測(cè)環(huán)境中的可 燃性氣體 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： 氣體 信號(hào)采集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路。 氣體 信號(hào)采集電路一般由 氣敏 傳感器和模擬放大電路組成，將 氣體 信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬的電信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將從 燃?xì)?檢測(cè)電路送出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)后送入單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，并對(duì)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 )，如果大于則會(huì)自動(dòng)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(hào)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。 氣敏 傳感器及單片機(jī)是 燃?xì)庑孤﹫?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)的氣敏傳感器及單片機(jī)芯片是至關(guān)重要的。 傳感器的選型在下一節(jié)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。 氣體傳感器的選型 氣體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(hào)，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。氣體傳感器作為 燃?xì)庑孤﹫?bào)警器 的信號(hào)采集部分，是儀表的核心組成部分之一。由此可見，氣體傳感器的選型是非常重要的。 氣體傳感器介紹 氣體傳感器種類繁多，從檢測(cè)原理上可以分為三大類： 2 (1)利用物理化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器：如半導(dǎo)體氣體傳感器、接觸燃燒氣體傳感器等。 (2)利用物理性質(zhì)的氣體傳感器：如 熱導(dǎo)氣體傳感器、光干涉氣體傳感器、紅外傳感器等。 (3)利用電化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器：如電流型氣體傳感器、電勢(shì)型氣體傳感器等。 :一個(gè)氣體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)完整的氣體傳感器都必須具備以下條件： (1)能選擇性地檢測(cè)某種單一氣體，而對(duì)共存的其它氣體不響應(yīng)或低響應(yīng)； (2)對(duì)被測(cè)氣體具有較高的靈敏度，能有效地檢測(cè)允許范圍內(nèi)的氣體濃度； (3)對(duì)檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)速度快，重復(fù)性好； (4)長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性好； (5)使用壽命長(zhǎng)； (6)制造成本低，使用與維護(hù)方便。 （ 1） 半導(dǎo)體氣體傳感器 半導(dǎo)體氣體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氣體傳感器，以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的氣體傳感器。自 1962 年半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器問世以來，由于具有靈敏度高、響應(yīng)快、輸出信號(hào)強(qiáng)、耐久性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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、使用最廣的氣體傳感器之一。按照敏感機(jī)理分類，可分為電阻型和非電阻型。 （ 2） 固體電解 質(zhì)氣體傳感器 固體電解質(zhì)氣體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氣體時(shí)產(chǎn)生電阻，測(cè)量其形成電動(dòng)勢(shì)從而測(cè)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?jī)H次于半導(dǎo)體氣體傳感器的一類傳感器。但這種傳感器制造成本高，檢測(cè)氣體范圍有限，在檢測(cè)環(huán)境污染領(lǐng)域中有優(yōu)勢(shì)。 （ 3） 接觸燃燒式氣體傳感器 當(dāng)易燃?xì)怏w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。接觸燃燒式氣體傳感器的檢 測(cè)元件一般為鉑金屬絲 3 (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)若與氣體接觸，氣體就會(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(cè)量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道氣體的濃度。 （ 4） 高分子氣體傳感器 利用高分子氣敏材料制作的氣體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氣體時(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(jiǎn)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，在毒性氣體和食品鮮度等方面的檢測(cè)中具有重要作用。高分子氣體傳感器具有對(duì)特定氣體分子靈敏度高，選擇性好，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能在常溫下使用，可以彌補(bǔ)其它氣體傳感器的不足。 （ 5） 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。氣體濃度信號(hào)將電解液分解成陰陽(yáng)帶電離子，通過電極將信號(hào)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(cè)，但壽命較短 (大約兩年 )。它主要適用于毒性氣體檢測(cè)。目前國(guó)際上絕大部分毒氣檢測(cè)采用該類型傳感器。 （ 6） 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(cè)量原理不同。它的測(cè)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)氣體傳送熱量造成溫度降低，引起電阻值變化，傳感器即測(cè)量電阻值的變化情況。溫度的變化情況是目標(biāo)氣體熱傳導(dǎo)率的函數(shù)，而對(duì)于一種給定的氣體，熱傳導(dǎo)率是它固有的物理特性。 （ 7） 紅外傳感器 紅外傳感器通常用兩束紅外光進(jìn)行氣體測(cè)量，主光束通過測(cè)量元件內(nèi)的目標(biāo)氣體，參考光束通過比較元件內(nèi)的參考?xì)怏w。在測(cè)量和比較元件中，紅外射線被氣體有選擇地吸收了。未吸收的紅外光由光電探測(cè)器測(cè)量，產(chǎn)生一個(gè)正比于目標(biāo)氣體濃度 的差分信號(hào)。非擴(kuò)散式紅外探測(cè)器 NDIR (nondispersive IR )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。 不同的氣體吸收不同波長(zhǎng)的 IR，所以傳感器根據(jù)目標(biāo)氣體而調(diào)整，典型應(yīng)用包括測(cè)量 CO和 CO冷凍劑煙霧和一些易燃?xì)?。由于非碳?xì)浠衔镆兹細(xì)怏w (如氫 )不吸收電磁譜中 4 IR部分的能量，所以這種傳感器可以精確地測(cè)量碳?xì)浠衔?，并具有最小的交叉靈敏度，而且不受其它氣體的腐蝕以及高濃度目標(biāo)煙霧的影響。 由于氣體的種類繁多，一種類型的氣體傳感器 不可能檢測(cè)所有的氣體，通常只能檢測(cè)某一種或兩種特定性質(zhì)的氣體。例如氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器主要檢測(cè)各種還原性煙霧，如 CO、 H C2H5OH、 CH3OH 等。固體電解質(zhì)氣體傳感器主要用于檢測(cè)無機(jī)氣體，如 O CO H Cl SO2等。 簡(jiǎn)要列舉出已經(jīng)研究、開發(fā)的各類氣體傳感器及其可檢測(cè)的氣體種類 傳感器種類 CO CO2 H2S NH3 HCN HCl CO Cl2 CI2 NOX SO2 O2 CH4 C3H2 H2 H2O 半導(dǎo)體氣體傳感器 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 固體電解質(zhì)傳感器 ○ ○ ○ ○ ○ 接觸燃燒式傳感器 ◎ ○ ○ ○ 電化學(xué)式傳感器 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 高分子電解質(zhì)氣體傳感器 ◎ ○ ○ ○ ○ 注：○好 ◎不太好 表 各種氣體傳感器可檢測(cè)的氣體種類 5 氣體傳感器的選定 天 燃?xì)庑孤﹫?bào)警器 主要應(yīng)用在石油、化工、冶金、油庫(kù)、液化氣站、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃?xì)怏w 泄漏的場(chǎng)所，根據(jù)報(bào)警器檢測(cè)氣體種類的要求，一般選用接觸燃燒式氣敏傳感器和半導(dǎo)體氣敏 傳感 器。 使 用接觸燃燒式氣敏 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)在氣體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(zhǎng)期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會(huì)不斷下降，導(dǎo)致該傳感器最終喪失檢測(cè)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(cè) 環(huán)境中存在這些物質(zhì)時(shí)，經(jīng)常對(duì)探頭進(jìn)行標(biāo)定，是必須且有效的辦法。 因此，經(jīng)常對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是保