【文章內(nèi)容簡介】 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)生一個正比于目標煙霧濃度的差分信號。非擴散式紅外探測器 NDIR (nondispersive IR )是其中的一種，所有的未吸收光全部以最小的擴散和損耗被記錄下來。 由于不同的煙霧吸收不同波長的 IR，所以傳感器根據(jù)目標煙霧而調(diào)整，典型應用包括測量 CO 和 CO冷凍劑煙霧和一些易燃氣。由于非碳氫化合物易燃煙霧 (如氫 )不吸收電磁譜中 IR 部分的能量，所以這種傳感器可 以精確地測量碳氫化合物，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煙霧的影響。 （ f） 離子感煙傳感器 離子感煙傳感器對于火災初起和陰燃階段的煙霧氣溶膠檢測非常有效，可測煙霧粒徑范圍為 。 它在內(nèi)外電離室里面有放射源镅 241。由于它能使兩極板間空氣分子電離為 正、負離子， 使電極之間原來不導電的空氣具有導電性。 在正常的情況下，內(nèi)外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。 當火災發(fā)生時，煙霧粒子進入電離室后，電力部分（區(qū)域）的正離子和負離子被吸附到煙霧粒子上，使正、負離子相互中和的概率增 加，從而將煙霧粒子濃度大小以電流變化量大小表示出來，實現(xiàn)對火災參數(shù)的檢測。 （ g）光電式感煙傳感器 光電式感煙傳感器由光源、光敏元件和電子開關組成。平常光源發(fā)出的光，通過透鏡射到光敏元件上，電路維持正常，如果有煙霧從中阻隔，到達光敏元件上的光就顯著減弱，于是光敏元件就把光強的變化變成電的變化，利用光散射原理對火災初期產(chǎn)生的煙霧進行探測，并及時發(fā)出報警信號。按照光源不同，可分為一般光電式、激光光電式、紫外光光電式和紅外光光電式等 4 種。 光電式感煙探測器發(fā)展很快，種類不斷增多，就其功能而言，它能實現(xiàn)早期火災報警，除應用于大型建筑物內(nèi)部外，還特別適用于電氣火災危險性較大的場所，如計算機房、儀器儀表室和電纜溝、隧道等處。 根據(jù)報警器檢測煙霧種類的不同要求，很多場合都會選擇使用半導體煙霧傳感器。經(jīng)過對比眾多煙霧傳感器的應用特性，發(fā)現(xiàn)半導體煙霧傳感器的優(yōu)點更加 8 突出。半導體煙霧傳感器具有靈敏度高、響應快、體積小、結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、價格便宜等優(yōu)點，且不會發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護成本較低，因而得到廣泛應用 [17]。因此，本設計中的煙霧傳感器選用 QMN5 半導體 氣體 煙霧 傳感器 。 圖 23 QMN5半導體 氣體 煙霧 傳感器 結(jié)構(gòu) QMN5 半導體 氣體 煙霧 傳感器 QMN5 半導體傳感器是以清潔空氣中電導率較低的金屬氧化物二氧化錫(SnO2)為主體的 N型半導體氣敏元件。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。在設計報警器時只有使用簡單的電路即可將電導率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。該傳感器具備一般半導體煙霧傳感器靈敏度高、電導率變化大、響應和恢復時間短、抗干擾能力強、輸出信號大、壽命長和工作穩(wěn)定等優(yōu)點，在市面上應用十分廣泛。 二氧化 錫 (SnO2)半導體氣敏元件特點： (a)SnO2 材料的物理、化學穩(wěn)定性較好，與其他類型氣敏元件相比， SnO2氣敏元件壽命長、穩(wěn)定性好、耐腐蝕性強。 (b)SnO2 氣敏元件對氣體檢測是可逆的，而且吸附、脫離時間短，可連續(xù)長時間使用。 (c)SnO2 氣敏元件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠行較高，機械性能良好。 QMN5 氣敏元件 的結(jié)構(gòu)和外形 如圖 23 所示， 由微型 AL2O3 陶瓷管、 SnO2 敏感層 ,測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有６只 針狀管腳，其中４個用于信號取出，２個用于提供加熱電流。 QMN5 半導體 氣體 煙霧 傳感器 適用于天然氣、煤氣、氫氣、烷類氣體、汽油、煤油、乙炔、氨氣、煙霧等的檢測，對可燃性氣體的（ CH C4H H2 等）的檢測很理想。這種傳感器在較寬的濃度范圍內(nèi)對可燃氣體有良好的靈敏度，能夠檢測多種可燃性氣體，十分適合應用在家庭的氣體泄漏報警器中。是一款便攜式氣體檢測器，非常適合多種應用的低成本傳感器。其技術(shù)指標 表 21。 9 表 21 QMN5的技術(shù)指標 加熱電壓（ Vh） AC 或 DC 5177。 回路電壓（ Vc） 負載電陰（ Rl） 清潔空氣中電阻 （ Ra） 靈敏度（ S=Ra/Rdg） 響應時間 (trec) 恢復時間 (trec) 元件功耗 檢測范圍 使用壽命 最大 DC 24V 2KΩ ≤ 2020 KΩ ≥ 4(在 1000ppmC4H10 中 ) ≤ 10S ≤ 30S ≤ 50— 10000ppm 2 年 由于物理量和測量范圍的不同，傳感器的工作機理和結(jié)構(gòu)就不同。通常煙霧傳感器輸出的電信號是模擬信號（已有許多新型傳感器采用數(shù)字量輸出）。當信號的數(shù)值符合 A/D轉(zhuǎn)換 器的輸入等級時，可以不用放大器放大；當信號的數(shù)值不符合 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入等級時，就需要放大器放大。所以 QMN5 半導體 氣體 煙霧傳感器 要想把采集到的煙霧濃度模擬信號傳送給單片機控制器就必須經(jīng)過放大器進行放大處理，之后才能將模擬信號經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為可以識別的電信號給單片機。 設計時應注意，氣敏元件開機通電時，其內(nèi)阻很小，但經(jīng)過一段時間后，才能恢復到原來的穩(wěn)定狀態(tài)。因此， QMN5 氣體傳感器需開機預熱幾分鐘，才可投入使用，以免造成誤報。 單片機的選型 單片機 是 煙霧 自動報警系統(tǒng)的心臟，用來接收火災信號 并啟動 報警裝置顯示和執(zhí)行相應的保護和消防動作。在單片機實現(xiàn)的控制功能中，需要單片機有較快的運算速度，使檢測人員和用戶在報警器系統(tǒng)正常工作時能夠及時地觀測到實時的煙霧濃度等級，并進行相應處理。同時，在能夠滿足報警器系統(tǒng)設計的計算速度及接口功能要求的同類型單片機中，要考慮選擇價格低廉且體積輕巧的機型，在保證了報警器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎上，能夠不提高成本，縮小體積。 單片機作為最典型的嵌入式系統(tǒng)，所以它是低端控制系統(tǒng)最佳器件。由于其微小的體積和極低的成本，開發(fā)環(huán)境要求較低，軟件資源十分豐富，開發(fā)工具和編程語言也大大簡化，因此被廣泛應用于家用電器、機器人、儀器儀表、工業(yè)控制單元、辦公自動化設備以及通信產(chǎn)品中，成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中最重要的智能化工具。由于 MCS 系列單片機集成了幾乎完善的中央處理單元，處理功能強，中央處理單元中集成了方便靈活的專用寄存器，這給我們利用單片機提供了極大的便利。 由于單片機技術(shù)在各個領域正得到越來越廣泛的應用，世界上許多集成電路生產(chǎn)廠家相繼推出了各種類型的單片機，在單片機家族的眾多成員中， MCS 系列單片機以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)及高可靠性和高性能價格比，迅速占領了工業(yè)測控和自動化工程應用的主要市場，成為國內(nèi)單片機應用領域中的主流。 其 10 中， 51 系列單片機的優(yōu)點是價錢便宜 ,I/O 口多 ,程序空間大。因此，測控系統(tǒng)中，使用 51 系列單片機是最理想的選擇 ， 因此設計采用 AT89C51。 （ 1） AT89C51 功能特性概述 目前市面上使用的比較普遍的 51 系列單片機是 AT89C51。 AT89C51 是美國ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS8 位單片機，片內(nèi)含 4k bytes 的可反復擦寫的只讀程序存儲器（ PEROM）和 128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器（ CPU）和 Flash 存儲單元，功能強大 AT89C51單片機可為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。其主要性能參數(shù)如下： (a) 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 (b) 4k 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃速存儲器 (c) 1000 次擦寫周期 (d) 全靜態(tài)操作： 0Hz－ 24MHz (e) 三級加密程序存儲器 (f) 128 8字節(jié) 內(nèi)部 RAM (g) 32 個可編程 I／ O口線 (h) 2 個 16 位定時／計數(shù)器 (i) 6 個中斷源 (j)可編程串行 UART 通道 (k)低功耗空閑和掉電模式 圖 24 AT89C51的引腳排列 圖 AT89C51 單片機提供以下標準功能： 4k 字節(jié) Flash 閃速存儲器， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32 個 I／ O 口線，兩個 16位定時／計數(shù)器，一個 5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時， AT89C51 可降至 0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時／計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復 11 位。 圖 25 AT89C51單片機的基本組成 圖 （ 2） AT89C51 的內(nèi)存空間 內(nèi)部程序存儲器（ FLASH） 4K 字節(jié)。 外部程序存儲器（ ROM） 64K 字節(jié)。 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（ RAM） 256 字節(jié)。 外部數(shù)據(jù)存儲器（ RAM） 64K 字節(jié)。 表 32 程序存儲器的 6個特殊地址 0000H 上電或復位入口地址 0003H 000BH 0013H 001BH 0023H 外部中斷 0 入口地址 定時器 T0 中斷入口地址 外部中斷 1 入口地址 定時器 T1 中斷入口地址 串口中斷入口地址 在上述事件發(fā)生時， PC 指針獲得固定的地址，然后 CPU執(zhí)行 PC 指針所指地址單元內(nèi)的程序。 T0 T1 時鐘源 系 統(tǒng) 總 線 CPU 震蕩與 定時電路 外部中斷信號 內(nèi)部中斷信號 128B SFR 128B RAM 4KB ROM 兩個 16 位定時 0 計數(shù)器 總線控制 并行端口 串行端口 控制信號 P0 P1 P2 P3 TXD RXD 12 圖 26 AT89C51的存儲器結(jié)構(gòu) 煙霧報警器的主要功 能設計 報警器正常工作時，傳感器送來的煙霧濃度對應的微小的電壓信號經(jīng)過放大電路放大，轉(zhuǎn)化成較大的模擬電壓信號 后 送入 A/D 轉(zhuǎn)換器 ，然后再送給 AT89C51單片機處理。 當 單片機 檢測到 輸入 ADC0809 的放大信號不為零時，系統(tǒng)啟動報警。報警時，LED紅燈點亮并持續(xù)閃爍 60min，蜂鳴器啟動并持續(xù) 鳴叫 60min， LED 數(shù)碼管顯示符號“ 1” ，并且換氣扇自動運行，以 達到改善環(huán)境中的空氣質(zhì)量的目的。 同時，若自來水或家庭儲水管道有水，則單片機調(diào)用延時子程序 ,經(jīng)延時 600s 由 單片機通過繼電器控制 調(diào)節(jié) 閥 進行噴水滅火動作。 否則 ，報警系統(tǒng)只能啟動聲光報警和換氣 扇 自動 排煙功能而無法進行滅火動作。 反之 ， 報警器不發(fā)出警報， LED 狀態(tài)指示燈綠燈常亮且不閃爍 ，數(shù)碼管不顯示字符，蜂鳴器不 發(fā)出聲響 。 為了區(qū)別正常的工作的報警，在誤報警和不正常的工作狀態(tài)警報時， LED 數(shù)碼管顯示符號“ 0”， 蜂鳴器聲音報警持續(xù) 30min，同時 LED 黃燈點亮且閃爍 30min，以提醒用戶檢查傳感器或者電路連線情況， 及時排除故障，保證安全。 另外， 系統(tǒng) 還 設有一個消音功能的按鍵， 當報警器發(fā)出鳴叫時，用戶到達現(xiàn)場，可按下按鍵 （消音鍵） 停止報警器鳴叫。若過一點時間濃度仍超出報警限 ，報警器會再次鳴叫提醒用戶。 上述中的聲光警報、顯示和執(zhí)行動作能夠根據(jù)煙霧檢傳感器所檢測到的煙霧濃度的 信號 變化， 隨 單片機控制電路及時的做出相應調(diào)整而改變。 13 3 系統(tǒng)的硬件電路 系統(tǒng)電源電路 任何電子設備都需要穩(wěn)定的直流電源供電，直流穩(wěn)壓電源是將交流電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓的設備。一般直流穩(wěn)壓電源是由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成。其組成方框圖如圖 31 所示。 交流電源 負載 圖 31 直流穩(wěn)壓電源組成方框圖 電源變壓器的作用是，改變電網(wǎng)的交流電壓的大小，將 220V、 50Hz 的市電進行降壓，使變壓器的副邊輸出的交流電壓符合設計要求。然后利用二極管的單向?qū)ㄐ?，將交流電壓變換為單方向的脈沖直流電壓，再利用電容儲能元件組成的濾波電路 ，將