【文章內(nèi)容簡介】 本設(shè)計選用離子感煙傳感器（ UD02 型離子感煙傳感器）。相對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)計選用的單片機(jī)為AT89C51。 第三，接口芯片。本設(shè)計的接口芯 片采用并行接口芯片 8243。通過 8243 進(jìn)行多探頭監(jiān)控。 第四，報警裝置。本設(shè)計的報警裝置采用聲光報警裝置：首先，起火點(diǎn)會發(fā)出聲音報警；同時，總控端也會產(chǎn)生聲音報警并會顯示具體的著火地點(diǎn)（即探頭位置）。 第五，電源的設(shè)計。由于要整個系統(tǒng)必須 24 小時連續(xù)工作，并要保證在市電突然停止供電的一定時間內(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)計見后闡述。 第六，消防聯(lián)動裝置。當(dāng)單片機(jī)探測到火情后，會自動打開聯(lián)動消防裝置。 系統(tǒng)總構(gòu)架的設(shè)計 火災(zāi) 報警系統(tǒng)，能對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行自動檢測，一旦出現(xiàn)火情能立即報警，并能指示出發(fā)生火災(zāi)的具體地點(diǎn)。本火災(zāi)報警系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、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)檢測電路選用 8243 并行 I/O 口。由于 8243 每片有四個口，每個口有四個點(diǎn)，故每片 8243 可監(jiān)測 16 個離子煙霧探測器探頭，圖 22火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計 7 用了兩片 8243，即可檢測 32 個探頭。根據(jù)需要，還可增加 8243的數(shù)量。 圖 22 火災(zāi)報警系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計 8 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 火災(zāi) 報警系統(tǒng)硬件的設(shè)計在 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)計并予以深化。 硬件組成 通過對火災(zāi)情況的分析，本設(shè)計采用如圖 31 所示的硬件組成，報警器硬件由煙霧信號采集模塊，聲光報警模塊以及聯(lián)動消防模塊組成。圖中 1， 2， 3 組成數(shù)據(jù)采集模塊， 4， 5 組成聲光報警模塊， 5， 6 組成聯(lián)動消防裝置。其中， 1 為傳感器，將現(xiàn) 場煙霧濃度這一非電信號轉(zhuǎn)化為電信號； 2 為信號調(diào)理電路，將傳感器輸出的電信號進(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轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。聲光報警模塊由單片機(jī)和報警電路組成，由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)不同的聲光報警（異常報警、故障報警、火災(zāi)報警）功能。下面對上述的各模塊進(jìn)行詳細(xì)的介紹 圖 31 火災(zāi)自動報警系統(tǒng)硬件框圖 火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計 9 煙霧信號采集模塊 圖 31 中 1， 2， 3 組成煙霧數(shù)據(jù)采集模塊，將現(xiàn)場煙霧濃度這一非電信號轉(zhuǎn) 化為電信號，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)成的兩個電離室（檢測電離室和補(bǔ)償電離室）及場效應(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，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 間加上一個電壓 E，極板間原來做雜亂無章運(yùn)動的正負(fù)離子，此時在電場的作用下，正負(fù)離子做有規(guī)則的運(yùn)動，正離子向負(fù)極運(yùn)動，負(fù)離子向正極運(yùn)動，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，外加電壓再增高，電離電流也不會增加，形成火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計 10 一個飽和電流 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)，即主探測區(qū)。 本設(shè)計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。 同時在離子感煙傳感器設(shè)計中，是將兩個單極性電離室串聯(lián)起來。如圖 34 所示，一個作為檢測電離室 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電離電流的影響，提高離子感煙探測器的環(huán)境使用能力和穩(wěn)定性（離子感煙探測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)報警系統(tǒng)設(shè)計 11 圖 34 離子感煙探測器工作原理圖 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，這時電離室是一個典型的電阻元件。在初始條件下，B 點(diǎn)的電位 Vb 是相對穩(wěn)定的，煙霧進(jìn)入 AB 之間的檢測室時，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，這個變化經(jīng)過電路放大，作為火警信號輸出，從而實(shí)現(xiàn)煙信號到電信號的轉(zhuǎn)變。 至于煙霧進(jìn)入 AB 檢測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，部分正離子和負(fù)離子被吸附在了煙 霧顆?；蛘吣切┤紵晌锷希运麄冊陔妶鲋械乃俣缺仍瓉砺枚?，并且在移動中部分正負(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， 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。有煙霧和無煙霧時其電位差可達(dá) 1V 以上。 火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計 12 圖 35 離子 感煙傳感器等效電路圖 本設(shè)計選用的 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)。其對外有三個引出腳： 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)報警系統(tǒng)設(shè)計 13 離子感煙傳感器專用集成電路 DQ295 根據(jù)設(shè)計選用的 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 腳為檢測腳； 3 與 15 腳為電壓與靈敏度設(shè)置腳； 10 與 11 腳為報警輸出腳。其內(nèi)部功能框圖見圖 38 所示。 火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計 14 圖 38 DQ295內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 DQ295 集成塊內(nèi)部設(shè)有檢測信號閥值設(shè)置（超過閥值即輸出報警聲）以及電池（或電源）低壓設(shè)置（電壓低于某值時發(fā) 出報警聲）。 見圖 38，其中 A1 是 電池低電壓比較器 A2 信號電壓比較器。 A1 作為 檢測電池電壓的比較器，用來檢測電池的分壓與內(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警聲（每24 個 時鐘脈沖檢測一次）。 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)來改變其低電壓報警閥值。 A2 是檢測信號閥值比較器，無煙霧信號時，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)有煙霧信號時，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)報警系統(tǒng)設(shè)計 15 離子感煙火災(zāi)報警器應(yīng)用電路 (1)電路原理： 離子感煙火災(zāi)報警器的應(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)報警器 離子感煙傳感器由內(nèi)外兩個電離室組成，當(dāng)空氣中無煙霧時，輸出端 B 輸出電平約等于 1/2 電源電壓即 ，這時集成塊不工作，壓電陶瓷喇叭無聲。當(dāng) 空氣中有煙霧粉塵時，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)制的報警信號，推動壓電陶瓷報警喇叭發(fā)出響亮的報警聲。 (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)報警系統(tǒng)設(shè)計 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)計是基于單片機(jī)的聲光火災(zāi)報警器，單片機(jī)是其 中的核心部件，它就像大腦一樣，是設(shè)計中的樞紐。 AT89C51 是一種低功耗