【文章內(nèi)容簡介】 各種煙霧傳感器可檢測的煙霧種類 煙霧檢測報(bào)警器主要應(yīng)用在石油、化工、冶金、油庫、液化氣站、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃煙霧泄漏的場所，根據(jù)報(bào)警器檢測煙霧種類的要求，一般選用接觸燃燒式煙霧傳感器和半導(dǎo)體煙霧傳感器。 使用接觸燃燒式傳感器，其探頭 的阻緩及中毒，是不可避免的問題。 阻緩是當(dāng)在煙霧與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下，則有可能在無焰燃燒的同時(shí)，有些固態(tài)物質(zhì)附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應(yīng)緩慢反應(yīng)滯緩，靈敏度降低。雖然將阻緩的傳感器再放回新鮮空氣環(huán)境中有得到某種程度的恢復(fù)的可能，但是如果長期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會不斷下降，導(dǎo)致傳感器最終喪失檢測煙霧的能力。中毒是如果環(huán)境空氣中含有硅烷之類的物質(zhì)時(shí)，則傳感器將 使催化元件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的中毒，以致靈敏度很快就喪失。當(dāng)懷疑檢測環(huán) 境中存在這些物質(zhì)時(shí)，經(jīng)常對探頭進(jìn)行 標(biāo)定，是必須且有效的辦法。 因此，經(jīng)常對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是保證其準(zhǔn)確性的必要的途徑。一般連續(xù)使用兩個(gè)月后應(yīng)對傳感器進(jìn)行量程校準(zhǔn)，這種經(jīng)常性對傳感器的維護(hù)，無形中加大了工作人員的工作量，同時(shí)增加了報(bào)警器的維護(hù)成本。 半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器，它具有靈敏度高， 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)，因而得到廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體煙霧傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性 (抗干擾性 )和穩(wěn) 定性 (使用壽命 )。 經(jīng)過對比上述兩種煙 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：靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價(jià)格便宜，且不會發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護(hù)成本較低等。因此，本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體煙霧傳感器作為報(bào)警器煙霧信息采集部分的核心。而在眾多半導(dǎo)體氣體傳感器中，本設(shè)計(jì)選用 MQ2 型煙霧傳感器，這種型號的傳感器不但具備一般半導(dǎo)體煙霧傳感器靈敏度 高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。 陳元龍：基于單片機(jī)火災(zāi)報(bào)警器的設(shè)計(jì) 6 MQ2 型煙霧傳感器的工作原理 半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以及用單晶半導(dǎo)體器件制 作的煙霧傳感器。按敏感機(jī)理分類，可分為電阻型和非電阻型。半導(dǎo)體氣敏元件也有 N 型和 P 型之分。 N 型在檢測時(shí)阻值隨煙霧濃度的增大而減小； P型阻值隨煙霧濃度的增大而增大。半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類如表 所示。 表 半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類 所利用的特性工作溫度表面電阻控制器 300～ 450176。 C 類型 所利用的特性 工作溫度 代表性被檢測氣體 電阻型 電阻 表面電阻控制器 300～ 450176。 C 可燃性氣體 體電阻控制器 300～ 450176。 C 700176。 C 以上 乙醇、可燃性氣體 非電阻型 二極管整流特性 室溫～ 200176。 C H CO、乙醇 晶體管特性 150176。 C H H2S 表 半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類 本設(shè)計(jì)中采用的 MQ2 型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，屬于表面離子式 N 型半導(dǎo)體。當(dāng)處于 200~300176。 C 溫度時(shí)，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少， 從而使其電阻值增加。當(dāng)與煙霧接觸時(shí)，如果晶粒間界處的勢壘受 到該煙霧的調(diào)制而變化，就會引起表而電導(dǎo)率的變化。利用這一點(diǎn)就可以 獲得這種煙霧存在的信息。 遇到可燃煙霧（如 CH4 等）時(shí)，原來吸附的氧脫附，而由可 燃煙霧以正離子狀態(tài)吸附在二氧化錫半導(dǎo)體表面；氧脫附放出電子，煙霧以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子，從而使二氧化錫半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加，電阻值下降。而當(dāng)空氣中沒有煙霧時(shí)，二氧化錫半導(dǎo)體又會自 動恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是 MQ2 型燃性煙霧傳感器檢測可燃煙霧的基本原理。 MQ2型傳感器的結(jié)構(gòu)圖如 圖 所示，其外觀如 所示。 20xx 級電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 圖 型傳感器的結(jié)構(gòu)圖 圖 MQ2 型傳感器的外觀 MQ2 型傳感器的特性及主要技術(shù)指標(biāo) （ 1） MQ2型傳感器的一般 特點(diǎn) （ a） MQ2 型傳感器對天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對烷類煙霧更為敏感。 （ b） MQ2型傳感器具有良好的重復(fù)性和長期的穩(wěn)定性。初始穩(wěn)定， 響應(yīng)時(shí)間短，長時(shí)間工作性能好。 （ c） MQ2 型傳感器具有良好的抗干擾性，可準(zhǔn)確排除有刺激性非可燃性煙霧的干擾信息，例如酒精和煙霧等。 陳元龍：基于單片機(jī)火災(zāi)報(bào)警器的設(shè)計(jì) 8 （ d）電路設(shè)計(jì)電壓范圍寬， 24V 以下均可；加熱電壓 5177。 。 （ 2） MQ2型傳感器的基本特性 （ a）靈敏度特性 煙霧傳感器在最佳工作條件下，接觸同一種煙霧，其電阻值 RS 隨氣 體濃度變化的特性稱之 為靈敏度特性，用 K表示。 K=RS / R0 (21) 式中， R0為煙霧傳感器潔凈空氣條件下的電阻值， RS 為煙霧傳感器在一定濃度的檢測煙霧中的電阻值。 雖然對于不同的煙霧，器件靈敏度特性 K的值也會各有差異，但是它們都遵循同一規(guī)律， log RS = m logC + n (22) 式中， m 為器件相對煙霧濃度變化的敏感性，又稱煙霧分離能，對于 煙霧， m 值為1/2～ 1/3； C 為檢測煙霧的濃度。 n 為與檢測煙霧，器件材料有關(guān)，并隨測試溫度和材料中有無增感劑而有所不同。 （ b）初期穩(wěn)定特性 半導(dǎo)體煙霧傳感器在 不通電狀態(tài)存放一段時(shí)間后，再通電時(shí)，器件并不能立即投入正常工作。這是因?yàn)闊熿F傳感器中的二氧化錫在不通電的狀態(tài)下會吸附空氣中的水蒸氣，當(dāng)再次通電時(shí)需要預(yù)熱幾分鐘使水蒸氣蒸發(fā)后，氣敏電阻才能正常工作。再通電工作時(shí)氣敏電阻值達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需要的時(shí)間，定義為初期穩(wěn)定時(shí)間。一般情況下，不通電時(shí)間越長，初期穩(wěn)定時(shí)間也越長，當(dāng)不通電存放時(shí)間達(dá)到 15 天左右時(shí)，初期穩(wěn)定時(shí)間一 般需要 5 分鐘左右。 （ c）加熱特性 半導(dǎo)體煙霧傳感器一般要在較高的溫度 (200～ 450176。 C)下工作，所以需要對其加熱。由于傳感器一般工作在易燃易爆環(huán) 境下，若加熱絲直接與電源相接，當(dāng)加熱絲局部短路造成器件過熱或放電時(shí)，可能引發(fā)事故。所以必須使用傳感器生產(chǎn)廠家推薦的加熱電壓，使其工作在較安全的范圍內(nèi)。 MQ2 型煙霧傳感器加熱電壓為 5177。 ，加熱電阻為 31177。 3?。當(dāng)加熱絲斷路時(shí)，由于熱惰性緣故，煙霧傳感器的氣敏特性并不立即消失，此時(shí)檢測必出現(xiàn)較大的誤差。為避免出現(xiàn)這種情況，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)氣敏元件的故障， 需要設(shè)計(jì)加熱絲故障診斷報(bào)警電路。 （ 3） MQ2型傳感器的特性參數(shù) （ a）回路電壓： (Vc) 5～ 24V （ b）取樣電阻： (RL) ～ 20K （ c）加熱電壓： (VH)5177。 （ d）加熱功率： (P)約 750mW （ e）靈 敏 度：以甲烷為例 R0(air)/RS (%CH4)＞ 5 （ f）響應(yīng)時(shí)間： Tres＜ 10秒 （ g）恢復(fù)時(shí)間： Trec＜ 30秒 20xx 級電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 3． 煙霧檢測報(bào)警器整體設(shè)計(jì)方案 煙霧檢測報(bào)警器原理圖 本論文中的煙霧檢測報(bào)警器以 STC89C52RC 單片機(jī)為控制核心，采用 MQ2型電阻式半導(dǎo)體傳感器采集煙霧信息。 首先，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，轉(zhuǎn)化成較大的電壓信號送入 ADC0832；然后，在 ADC0832內(nèi) A/D 轉(zhuǎn)換、然后送入單片機(jī)進(jìn)行濃度比較，并判斷濃度值是否超出報(bào)警限，當(dāng)濃度處于正常狀態(tài)綠燈長亮，當(dāng)煙霧濃度超出設(shè)定的限定值時(shí)，發(fā)出聲音報(bào)警并伴隨紅燈閃亮。另外由于煙霧傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反應(yīng)越 快，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間就越快。為提高響應(yīng)時(shí)間，保證傳感器準(zhǔn)確地、 穩(wěn)定地工作，報(bào)警器需要向煙霧傳感器持續(xù)輸出一個(gè) 5V 的電壓。 報(bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示，系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，配合外圍電路共同完成信號采集、狀態(tài)顯示、報(bào)警、按鍵輸入等功能。 煙 霧 傳感 器A / D 轉(zhuǎn)換單片機(jī)狀 態(tài) 指示 燈聲 音 報(bào)警緊 急 按鍵 圖 煙霧傳感器檢測報(bào)警器結(jié)構(gòu)框圖 單片機(jī)的選型 STC89C52RC 單片機(jī)的結(jié)構(gòu) STC89C52RC 單片機(jī)是一款低功耗、低電壓、高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8KB（可經(jīng)受 1000 次擦寫周期）的 FLASH 可編程可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（ EPROM），器件陳元龍：基于單片機(jī)火災(zāi)報(bào)警器的設(shè)計(jì) 10 采用 CMOS 工藝和 ATMEL 公司的高密度，非易失性存儲器（ NURAM）技術(shù)制造，其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與 MCS51 兼容，片內(nèi)的 FLASH 存儲器允許在系統(tǒng)內(nèi)可改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲編程器來編程。因此， STC89C52RC 是一種功能強(qiáng)，靈活性高且價(jià)格合理的單片機(jī)，可方便的應(yīng)用在各個(gè)控制領(lǐng)域 [1]。 STC89C52RC 具有以下主要性能： 可改編程序 FLASH 存儲器； ： 0～ 24HZ； 字節(jié)內(nèi)部 RAM； 個(gè)外部雙向輸入，輸出（ I、 O）口； 圖 22 STC89C52RC 引腳說明 22 引腳說明如圖 引腳功能說明如下： VCC：電源電壓。 GND：地。 P0 口： P0 口是一組 8位漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù)線復(fù)用口。作為輸出口 時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動 8 個(gè) TTL 邏輯門電路，對端口寫“ 1”可作為高阻抗輸入端。 20xx 級電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 在訪問外部數(shù)據(jù)儲存器或程序儲存器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 FLASH 編程時(shí)， P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。 P1 口： P1 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對端口寫“ 1”， 通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作為輸入口。作為輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號拉低時(shí)會輸出一個(gè)電流。 FLASH 編程和程序校驗(yàn)期間， P1 接收低 8位地址。 P2 口： P2 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對端口寫“ 1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作為輸入口。作為輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號拉低時(shí)會輸出一個(gè)電流。在訪問外部程序儲存器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)儲存器（例如執(zhí)行 MOVX@DPTR 指令）時(shí)， P2口送出高 8位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8位地址的外部數(shù)據(jù)儲存器（例如執(zhí)行 MOVX@RI 指令）時(shí)， P2