【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 本設(shè)計(jì)選用離子感煙傳感器（ UD02 型離子感煙傳感器）。相對(duì)于感溫傳感器和氣體傳感器，離子感煙傳感器能在火災(zāi)超早期作出準(zhǔn)確判斷。 第二，單片機(jī)的選取。根據(jù)要求，本設(shè)計(jì)選用的單片機(jī)為AT89C51。 第三，接口芯片。本設(shè)計(jì)的接口芯 片采用并行接口芯片 8243。通過 8243 進(jìn)行多探頭監(jiān)控。 第四，報(bào)警裝置。本設(shè)計(jì)的報(bào)警裝置采用聲光報(bào)警裝置：首先，起火點(diǎn)會(huì)發(fā)出聲音報(bào)警；同時(shí)，總控端也會(huì)產(chǎn)生聲音報(bào)警并會(huì)顯示具體的著火地點(diǎn)（即探頭位置）。 第五，電源的設(shè)計(jì)。由于要整個(gè)系統(tǒng)必須 24 小時(shí)連續(xù)工作，并要保證在市電突然停止供電的一定時(shí)間內(nèi)保持系統(tǒng)正常工作，所以系統(tǒng)采用雙電源供電模式。即采用主供電模式和從供電模式達(dá)到一用一備的目的。具體設(shè)計(jì)見后闡述。 第六，消防聯(lián)動(dòng)裝置。當(dāng)單片機(jī)探測(cè)到火情后，會(huì)自動(dòng)打開聯(lián)動(dòng)消防裝置。 系統(tǒng)總構(gòu)架的設(shè)計(jì) 火災(zāi) 報(bào)警系統(tǒng)，能對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，一旦出現(xiàn)火情能立即報(bào)警，并能指示出發(fā)生火災(zāi)的具體地點(diǎn)。本火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低等特點(diǎn)。 硬件電路如圖 22 所示，主機(jī)選用 AT89C51 單片機(jī)， 4 線 /7 線譯碼器選用 74LS48，數(shù)碼顯示部分選用 BS212 共陰數(shù)碼管，報(bào)警電路可選用一片 KD9561 及放大器、揚(yáng)聲器來構(gòu)成，多點(diǎn)檢測(cè)電路選用 8243 并行 I/O 口。由于 8243 每片有四個(gè)口，每個(gè)口有四個(gè)點(diǎn)，故每片 8243 可監(jiān)測(cè) 16 個(gè)離子煙霧探測(cè)器探頭，圖 22火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 用了兩片 8243，即可檢測(cè) 32 個(gè)探頭。根據(jù)需要，還可增加 8243的數(shù)量。 圖 22 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 火災(zāi) 報(bào)警系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)在 中已經(jīng)作了初步的探討，本章將繼續(xù)講述該系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)并予以深化。 硬件組成 通過對(duì)火災(zāi)情況的分析，本設(shè)計(jì)采用如圖 31 所示的硬件組成，報(bào)警器硬件由煙霧信號(hào)采集模塊，聲光報(bào)警模塊以及聯(lián)動(dòng)消防模塊組成。圖中 1， 2， 3 組成數(shù)據(jù)采集模塊， 4， 5 組成聲光報(bào)警模塊， 5， 6 組成聯(lián)動(dòng)消防裝置。其中， 1 為傳感器，將現(xiàn) 場(chǎng)煙霧濃度這一非電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)； 2 為信號(hào)調(diào)理電路，將傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理（放大、濾波等），使之滿足比較轉(zhuǎn)換電路的要求； 3 為比較轉(zhuǎn)換電路，完成將煙霧傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。聲光報(bào)警模塊由單片機(jī)和報(bào)警電路組成，由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)不同的聲光報(bào)警（異常報(bào)警、故障報(bào)警、火災(zāi)報(bào)警）功能。下面對(duì)上述的各模塊進(jìn)行詳細(xì)的介紹 圖 31 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)硬件框圖 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 煙霧信號(hào)采集模塊 圖 31 中 1， 2， 3 組成煙霧數(shù)據(jù)采集模塊，將現(xiàn)場(chǎng)煙霧濃度這一非電信號(hào)轉(zhuǎn) 化為電信號(hào)，并以數(shù)字量的形式送給單片機(jī)。 離子感煙傳感器的原理 離子感煙傳感器探頭電路是利用兩片放射性物質(zhì) 241（ AM）α源構(gòu)成的兩個(gè)電離室（檢測(cè)電離室和補(bǔ)償電離室）及場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ EFT）等電子元件件組成。 其工作原理為： P1 和 P2 是一相對(duì)的電極，在電極之間放有α放射源 241 镅，由于它持續(xù)不斷地放射出α射線，α粒子以高速運(yùn)動(dòng)，撞擊空氣分子，從而使極板間空氣分子電離為正離子和負(fù)離子（電子），這樣電極之間原來不導(dǎo)電的空氣具有了導(dǎo)電性，實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程的裝置我們稱它為電離室，如圖 32 所示 圖 32 電離電流的形成 如果在極板 P1 和 P2 間加上一個(gè)電壓 E，極板間原來做雜亂無章運(yùn)動(dòng)的正負(fù)離子，此時(shí)在電場(chǎng)的作用下，正負(fù)離子做有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，正離子向負(fù)極運(yùn)動(dòng)，負(fù)離子向正極運(yùn)動(dòng)，從而形成了電離電流 I。當(dāng)然，施加電壓 E 愈高，電離電流愈大。直到電離電流增加到一定值時(shí)，外加電壓再增高，電離電流也不會(huì)增加，形成火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 一個(gè)飽和電流 IS。如圖 33 所示 圖 33 電離電流和電壓的關(guān)系 電離室又可分為雙極性和單極性兩種。整個(gè)電離室全部被 a 射線所照射，電離室內(nèi)的空氣都被電離，我們把這種電離室稱為雙極性電離室。而單極性是指電離室局部被 a 射線所照射，使一部分形成電離區(qū)，而未被 a 射線所照射的部分則為非電離區(qū)，即主探測(cè)區(qū)。 本設(shè)計(jì)選用的離子感煙傳感器 UD02 為單極性的。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙霧進(jìn)入電離室后，單極性電離室要比雙極性電離室的電流變化大，也就是說可以得到較大的電壓變化量，從而可以提高離子感煙傳感器的靈敏度。 同時(shí)在離子感煙傳感器設(shè)計(jì)中，是將兩個(gè)單極性電離室串聯(lián)起來。如圖 34 所示，一個(gè)作為檢測(cè)電離室 AB（也叫外電離室），做成煙霧容易進(jìn)入的結(jié)構(gòu)；另一個(gè)作為補(bǔ)償電離室 BC（也叫內(nèi)電離室），做成煙粒子難進(jìn)入而空氣又能緩慢進(jìn)入的結(jié)構(gòu)形式。電離室采用這種串聯(lián)的方式，主要是為了減少環(huán)境溫度、濕度、氣壓等自然條件的變化對(duì)電離電流的影響，提高離子感煙探測(cè)器的環(huán)境使用能力和穩(wěn)定性（離子感煙探測(cè)器電路主要有三部分組成，即前置放大器，總線無極性變換電源電路以及解碼電路）。 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 圖 34 離子感煙探測(cè)器工作原理圖 在正常 工作狀態(tài)下，放射源放出的射線電離了電離室的空氣，便有電流從 A 經(jīng)過 B 流向 C，這時(shí)電離室是一個(gè)典型的電阻元件。在初始條件下，B 點(diǎn)的電位 Vb 是相對(duì)穩(wěn)定的，煙霧進(jìn)入 AB 之間的檢測(cè)室時(shí)，電離狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致 AB 之間的電阻阻值變化，而 BC 間組成的參照室因?yàn)椴桓杏X煙的存在，基本保持阻值初始狀態(tài)不變，根據(jù)歐姆定律，在 B 點(diǎn)上分壓值發(fā)生相應(yīng)的變化，這個(gè)變化經(jīng)過電路放大，作為火警信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)煙信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)變。 至于煙霧進(jìn)入 AB 檢測(cè)室是如何使電離狀態(tài)發(fā)生變化，是因?yàn)楫?dāng)煙霧進(jìn)入電離室 AB 時(shí)，部分正離子和負(fù)離子被吸附在了煙 霧顆?；蛘吣切┤紵晌锷?，所以他們?cè)陔妶?chǎng)中的速度比原來慢得多，并且在移動(dòng)中部分正負(fù)離子中和，這樣到達(dá)正負(fù)極板的離子數(shù)量相對(duì)減少，從而離子電流變小。煙霧數(shù)量越多，離子電流就越小，而 BC 電離室基本無煙霧進(jìn)入，離子電流恒定，這樣就改變了 B 點(diǎn)的電位。 如圖 35 是離子感煙傳感器的等效電路圖， 無煙霧時(shí)， B 點(diǎn)電位約為 1/2E。若有煙霧，外電離室的離子電流減小，等效電阻增加， B 點(diǎn)電位下降，其下降程度與煙霧數(shù)量成正比。有煙霧和無煙霧時(shí)其電位差可達(dá) 1V 以上。 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 圖 35 離子 感煙傳感器等效電路圖 本設(shè)計(jì)選用的 UD02 型離子感煙傳感器具有靈敏度、可靠性好，性能符合標(biāo)準(zhǔn)等特點(diǎn)。其對(duì)外有三個(gè)引出腳： A 電極（接電源正端 +9V）、 C 電極（接地）、 B 電極（收集電極即輸出端），外形如圖 36 所示。 圖 36 UD02型傳感器 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 離子感煙傳感器專用集成電路 DQ295 根據(jù)設(shè)計(jì)選用的 UD20 型離子感煙傳感器，有 DQ295 與之相配套的專用集成電路。 DQ295 的管腳排列如圖 37 所示， 圖 37 DQ295 管腳圖 DQ295 各引腳功能如下： 第 15 腳接離子感煙傳感器的收集電極； 12 腳為內(nèi)部振蕩器的外接電容腳； 7 腳接定時(shí)電阻； 1 15 腳為輸入保護(hù)用； 5 腳為發(fā)光管 LED； 1 與 4 腳為檢測(cè)腳； 3 與 15 腳為電壓與靈敏度設(shè)置腳； 10 與 11 腳為報(bào)警輸出腳。其內(nèi)部功能框圖見圖 38 所示。 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 圖 38 DQ295內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 DQ295 集成塊內(nèi)部設(shè)有檢測(cè)信號(hào)閥值設(shè)置（超過閥值即輸出報(bào)警聲）以及電池（或電源）低壓設(shè)置（電壓低于某值時(shí)發(fā) 出報(bào)警聲）。 見圖 38，其中 A1 是 電池低電壓比較器 A2 信號(hào)電壓比較器。 A1 作為 檢測(cè)電池電壓的比較器，用來檢測(cè)電池的分壓與內(nèi)部穩(wěn)壓管相比較，若電池電壓較高，比較器 A1 端輸出高電平；若電池電壓不足 ，則 A1 輸出低電平，并給出電池電壓不足的報(bào)警聲（每24 個(gè) 時(shí)鐘脈沖檢測(cè)一次）。 3 腳為電池電壓外部設(shè)置端，可以通過外接電阻網(wǎng)絡(luò)來改變其低電壓報(bào)警閥值。 A2 是檢測(cè)信號(hào)閥值比較器，無煙霧信號(hào)時(shí)，傳感器的輸出平衡電壓大于內(nèi)部設(shè)置的閥值電壓，比較器 A2 輸出低電平；當(dāng)有煙霧信號(hào)時(shí)，傳感器輸出電壓下降 1V 左右，則其電壓小于 內(nèi)部設(shè)置的閥值電壓， A2 翻轉(zhuǎn)為輸出高電平，并發(fā)出調(diào)制報(bào)警聲。與A1 一樣，也可以通過第 13 腳的外接電阻網(wǎng)絡(luò)來改變閥值電平高低。 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 離子感煙火災(zāi)報(bào)警器應(yīng)用電路 (1)電路原理： 離子感煙火災(zāi)報(bào)警器的應(yīng)用電路見圖 39 所示。它由離子感煙傳感器 UD02 和與之配套的專用集成電路 DQ295 等組成。 圖 39 離子感煙火災(zāi)報(bào)警器 離子感煙傳感器由內(nèi)外兩個(gè)電離室組成，當(dāng)空氣中無煙霧時(shí)，輸出端 B 輸出電平約等于 1/2 電源電壓即 ，這時(shí)集成塊不工作，壓電陶瓷喇叭無聲。當(dāng) 空氣中有煙霧粉塵時(shí)，煙霧顆粒進(jìn)入傳感器的外電離室，使離子電流大幅下降，相當(dāng)于等效電阻增大，所 已 B 端電平下降。此電平下降的信號(hào)加到集成塊的第 15 腳，使集成塊觸發(fā)工作，第 11 腳就輸出調(diào)制的報(bào)警信號(hào)，推動(dòng)壓電陶瓷報(bào)警喇叭發(fā)出響亮的報(bào)警聲。 (2)元器件選擇與制作 電阻 R 均用 RTX— 1/8W 型炭膜電阻器； 電容 可用 CT1 型磁介電容器； LED 為普通紅色二極管； 揚(yáng)聲器 為三端壓電陶瓷揚(yáng)聲器； 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 為保證電 路可靠正常工作，電源采用 9V 穩(wěn)壓電源供給 。 單片機(jī)控制中心 本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的聲光火災(zāi)報(bào)警器，單片機(jī)是其 中的核心部件，它就像大腦一樣，是設(shè)計(jì)中的樞紐。 AT89C51 是一種低功耗