【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(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 (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。 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(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)狻Ｓ捎诜翘細(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。 （ f） 離子感煙傳感器 離子感煙傳感器對于火災(zāi)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(fù)離子， 使電極之間原來不導(dǎo)電的空氣具有導(dǎo)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(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙霧粒子進(jìn)入電離室后，電力部分（區(qū)域）的正離子和負(fù)離子被吸附到煙霧粒子上，使正、負(fù)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(shí)現(xiàn)對火災(zāi)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(guān)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(dá)光敏元件上的光就顯著減弱，于是光敏元件就把光強(qiáng)的變化變成電的變化，利用光散射原理對火災(zāi)初期產(chǎn)生的煙霧進(jìn)行探測，并及時(shí)發(fā)出報(bào)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(shí)現(xiàn)早期火災(zāi)報(bào)警，除應(yīng)用于大型建筑物內(nèi)部外，還特別適用于電氣火災(zāi)危險(xiǎn)性較大的場所，如計(jì)算機(jī)房、儀器儀表室和電纜溝、隧道等處。 根據(jù)報(bào)警器檢測煙霧種類的不同要求，很多場合都會(huì)選擇使用半導(dǎo)體煙霧傳感器。經(jīng)過對比眾多煙霧傳感器的應(yīng)用特性，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體煙霧傳感器的優(yōu)點(diǎn)更加 8 突出。半導(dǎo)體煙霧傳感器具有靈敏度高、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)，且不會(huì)發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護(hù)成本較低，因而得到廣泛應(yīng)用 [17]。因此，本設(shè)計(jì)中的煙霧傳感器選用 QMN5 半導(dǎo)體 氣體 煙霧 傳感器 。 圖 23 QMN5半導(dǎo)體 氣體 煙霧 傳感器 結(jié)構(gòu) QMN5 半導(dǎo)體 氣體 煙霧 傳感器 QMN5 半導(dǎo)體傳感器是以清潔空氣中電導(dǎo)率較低的金屬氧化物二氧化錫(SnO2)為主體的 N型半導(dǎo)體氣敏元件。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。在設(shè)計(jì)報(bào)警器時(shí)只有使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。該傳感器具備一般半導(dǎo)體煙霧傳感器靈敏度高、電導(dǎo)率變化大、響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間短、抗干擾能力強(qiáng)、輸出信號大、壽命長和工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在市面上應(yīng)用十分廣泛。 二氧化 錫 (SnO2)半導(dǎo)體氣敏元件特點(diǎn)： (a)SnO2 材料的物理、化學(xué)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(qiáng)。 (b)SnO2 氣敏元件對氣體檢測是可逆的，而且吸附、脫離時(shí)間短，可連續(xù)長時(shí)間使用。 (c)SnO2 氣敏元件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠行較高，機(jī)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(gè)用于信號取出，２個(gè)用于提供加熱電流。 QMN5 半導(dǎo)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?xì)怏w有良好的靈敏度，能夠檢測多種可燃性氣體，十分適合應(yīng)用在家庭的氣體泄漏報(bào)警器中。是一款便攜式氣體檢測器，非常適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。其技術(shù)指標(biāo) 表 21。 9 表 21 QMN5的技術(shù)指標(biāo) 加熱電壓（ Vh） AC 或 DC 5177。 回路電壓（ Vc） 負(fù)載電陰（ Rl） 清潔空氣中電阻 （ Ra） 靈敏度（ S=Ra/Rdg） 響應(yīng)時(shí)間 (trec) 恢復(fù)時(shí)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(jī)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(dāng)信號的數(shù)值符合 A/D轉(zhuǎn)換 器的輸入等級時(shí)，可以不用放大器放大；當(dāng)信號的數(shù)值不符合 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入等級時(shí)，就需要放大器放大。所以 QMN5 半導(dǎo)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(jī)控制器就必須經(jīng)過放大器進(jìn)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(jī)。 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意，氣敏元件開機(jī)通電時(shí)，其內(nèi)阻很小，但經(jīng)過一段時(shí)間后，才能恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)。因此， QMN5 氣體傳感器需開機(jī)預(yù)熱幾分鐘，才可投入使用，以免造成誤報(bào)。 單片機(jī)的選型 單片機(jī) 是 煙霧 自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的心臟，用來接收火災(zāi)信號 并啟動(dòng) 報(bào)警裝置顯示和執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)和消防動(dòng)作。在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制功能中，需要單片機(jī)有較快的運(yùn)算速度，使檢測人員和用戶在報(bào)警器系統(tǒng)正常工作時(shí)能夠及時(shí)地觀測到實(shí)時(shí)的煙霧濃度等級，并進(jìn)行相應(yīng)處理。同時(shí)，在能夠滿足報(bào)警器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的計(jì)算速度及接口功能要求的同類型單片機(jī)中，要考慮選擇價(jià)格低廉且體積輕巧的機(jī)型，在保證了報(bào)警器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎(chǔ)上，能夠不提高成本，縮小體積。 單片機(jī)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(yīng)用于家用電器、機(jī)器人、儀器儀表、工業(yè)控制單元、辦公自動(dòng)化設(shè)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(jī)集成了幾乎完善的中央處理單元，處理功能強(qiáng)，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(jī)提供了極大的便利。 由于單片機(jī)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)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(jī)，在單片機(jī)家族的眾多成員中， MCS 系列單片機(jī)以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)及高可靠性和高性能價(jià)格比，迅速占領(lǐng)了工業(yè)測控和自動(dòng)化工程應(yīng)用的主要市場，成為國內(nèi)單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中的主流。 其 10 中， 51 系列單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)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(jī)是最理想的選擇 ， 因此設(shè)計(jì)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(jī)是 AT89C51。 AT89C51 是美國ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（ PEROM）和 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器（ CPU）和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大 AT89C51單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)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(chǔ)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(chǔ)器 (f) 128 8字節(jié) 內(nèi)部 RAM (g) 32 個(gè)可編程 I／ O口線 (h) 2 個(gè) 16 位定時(shí)／計(jì)數(shù)器 (i) 6 個(gè)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(jī)提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4k 字節(jié) Flash 閃速存儲(chǔ)器， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32 個(gè) I／ O 口線，兩個(gè) 16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)， 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(shí)／計(jì)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(gè)硬件復(fù) 11 位。 圖 25 AT89C51單片機(jī)的基本組成 圖 （ 2） AT89C51 的內(nèi)存空間 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（ FLASH） 4K 字節(jié)。 外部程序存儲(chǔ)器（ ROM） 64K 字節(jié)。 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM） 256 字節(jié)。 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM） 64K 字節(jié)。 表 32 程序存儲(chǔ)器的 6個(gè)特殊地址 0000H 上電或復(fù)位入口地址 0003H 000BH 0013H 001BH 0023H 外部中斷 0 入口地址 定時(shí)器 T0 中斷入口地址 外部中斷 1 入口地址 定時(shí)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(shí)， PC 指針獲得固定的地址，然后 CPU執(zhí)行 PC 指針?biāo)傅刂穯卧獌?nèi)的程序。 T0 T1 時(shí)鐘源 系 統(tǒng) 總 線 CPU 震蕩與 定時(shí)電路 外部中斷信號 內(nèi)部中斷信號 128B SFR 128B RAM 4KB ROM 兩個(gè) 16 位定時(shí) 0 計(jì)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(chǔ)器結(jié)構(gòu) 煙霧報(bào)警器的主要功 能設(shè)計(jì) 報(bào)警器正常工作時(shí)，傳感器送來的煙霧濃度對應(yīng)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(jī)處理。 當(dāng) 單片機(jī) 檢測到 輸入 ADC0809 的放大信號不為零時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)報(bào)警。報(bào)警時(shí)，LED紅燈點(diǎn)亮并持續(xù)閃爍 60min，蜂鳴器啟動(dòng)并持續(xù) 鳴叫 60min， LED 數(shù)碼管顯示符號“ 1” ，并且換氣扇自動(dòng)運(yùn)行，以 達(dá)到改善環(huán)境中的空氣質(zhì)量的目的。 同時(shí)，若自來水或家庭儲(chǔ)水管道有水，則單片機(jī)調(diào)用延時(shí)子程序 ,經(jīng)延時(shí) 600s 由 單片機(jī)通過繼電器控制 調(diào)節(jié) 閥 進(jìn)行噴水滅火動(dòng)作。 否則 ，報(bào)警系統(tǒng)只能啟動(dòng)聲光報(bào)警和換氣 扇 自動(dòng) 排煙功能而無法進(jìn)行滅火動(dòng)作。 反之 ， 報(bào)警器不發(fā)出警報(bào)， 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(bào)警，在誤報(bào)警和不正常的工作狀態(tài)警報(bào)時(shí)， LED 數(shù)碼管顯示符號“ 0”， 蜂鳴器聲音報(bào)警持續(xù) 30min，同時(shí) LED 黃燈點(diǎn)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(shí)排除故障，保證安全。 另外， 系統(tǒng) 還 設(shè)有一個(gè)消音功能的按鍵， 當(dāng)報(bào)警器發(fā)出鳴叫時(shí)，用戶到達(dá)現(xiàn)場，可按下按鍵 （消音鍵） 停止報(bào)警器鳴叫。若過一點(diǎn)時(shí)間濃度仍超出報(bào)警限 ，報(bào)警器會(huì)再次鳴叫提醒用戶。 上述中的聲光警報(bào)、顯示和執(zhí)行動(dòng)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(jī)控制電路及時(shí)的做出相應(yīng)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(shè)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(shè)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(fù)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(jìn)行降壓，使變壓器的副邊輸出的交流電壓符合設(shè)計(jì)要求。然后利用二極管的單向?qū)ㄐ裕瑢⒔涣麟妷鹤儞Q為單方向的脈沖直流電壓，再利用電容儲(chǔ)能元件組成的濾波電路 ，將