【文章內(nèi)容簡介】 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(shí)現(xiàn)早期火災(zāi)報警，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)危險性較大的場所，如計算機(jī)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(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、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，且不會發(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，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)計報警器時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(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個用于信號取出，２個用于提供加熱電流。 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（CHC4HH2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。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)時間(trec)恢復(fù)時間(trec)元件功耗檢測范圍使用壽命最大DC 24V2KΩ≤2000 KΩ≥4(在1000ppmC4H10中)≤10S≤30S≤50—10000ppm2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，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，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)計時應(yīng)注意，氣敏元件開機(jī)通電時，其內(nèi)阻很小，但經(jīng)過一段時間后，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。單片機(jī)是煙霧自動報警系統(tǒng)的心臟，用來接收火災(zāi)信號并啟動報警裝置顯示和執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)和消防動作。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警器系統(tǒng)正常工作時能夠及時地觀測到實(shí)時的煙霧濃度等級，并進(jìn)行相應(yīng)處理。同時，在能夠滿足報警器系統(tǒng)設(shè)計的計算速度及接口功能要求的同類型單片機(jī)中，要考慮選擇價格低廉且體積輕巧的機(jī)型，在保證了報警器的精確性、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格比，迅速占領(lǐng)了工業(yè)測控和自動化工程應(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。其中，51系列單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)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(jī)是最理想的選擇，因此設(shè)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(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器（PEROM）和128 bytes的隨機(jī)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(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存儲單元，功能強(qiáng)大AT89C51單片機(jī)可為您提供許多高性價比的應(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) 1288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(jī)提供以下標(biāo)準(zhǔn)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(fù)位。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128BSFR 128BRAM4KBROM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 P3TXD RXD 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(fù)位入口地址 0003H000BH0013H001BH0023H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?biāo)傅刂穯卧獌?nèi)的程序。圖26 AT89C51的存儲器結(jié)構(gòu)報警器正常工作時，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，系統(tǒng)啟動報警。報警時，LED紅燈點(diǎn)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(yùn)行，以達(dá)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(jī)調(diào)用延時子程序,經(jīng)延時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(jìn)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(diǎn)亮且閃爍30min，以提醒用戶檢查傳感器或者電路連線情況，及時排除故障，保證安全。另外，系統(tǒng)還設(shè)有一個消音功能的按鍵，當(dāng)報警器發(fā)出鳴叫時，用戶到達(dá)現(xiàn)場，可按下按鍵（消音鍵）停止報警器鳴叫。若過一點(diǎn)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(jī)控制電路及時的做出相應(yīng)調(diào)整而改變。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。交流變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路交流電源 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，將脈動大的直流電壓處理成平滑的脈動小的直流電壓，即將整流電路輸出的脈動直流電壓中的交流成分濾掉，只留下比較平滑的直流電壓，最后利用集成穩(wěn)壓器W7805，讓電源電路的輸出電壓穩(wěn)定為5V，以此作為系統(tǒng)各個部分電路的電源。以下是本設(shè)計所采用的電源電路圖。 圖32系統(tǒng)電源電路圖 AT89C51的時鐘電路和復(fù)位電路（1）時鐘電路：AT89C51單片機(jī)芯片內(nèi)部設(shè)有一個由反向放大器構(gòu)成的振蕩器，XTAL1和XTAL2分別為振蕩電路的輸入端和