【文章內容簡介】 霧 傳感器 利用高分子氣敏材料制作的煙霧傳感器近年來得到很大的發(fā)展。高分子氣敏材料在遇到特定煙霧時，其電阻、介電常數(shù)、材料表面聲波傳播速度和頻率、材料重量等物理能發(fā)生變化。高分子氣敏材料由于具有易操作性、工藝簡單、常溫選擇性好、價格低廉、易與微結構傳感器和聲表面波器件相結合，在毒性煙霧和食品新鮮度等方面檢測中具有重要作用。高分子煙霧傳感器具有對特定煙霧分子靈敏度高，選擇性好，且結構簡單，能在常溫下使用，可以彌補其他煙霧傳感器的不足。 5 電化學傳感器 電化學傳感器由膜電極和電解液封裝而成。煙霧濃度信號將電解液 分解成陰陽帶電離子，通過電極將信號傳出。它的優(yōu)點是：反映速度快、準確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測，但壽命較短（大約兩年）。它主要適用于毒性煙霧檢測。目前國際上大部分毒氣檢測采用該類型傳感器。 6 熱傳導傳感器 熱傳導傳感器與接觸燃燒式傳感器具有類似的結構形式，但是測量原理不同。他的測量原理是：將加熱后的鉑電阻線圈置于目標煙霧中，由于向目標煙霧傳送熱量造成溫度降低，引起電阻值變化，傳感器即測量電阻值的變化情況。溫度的變化情況使目標煙霧熱傳導率的函數(shù)，而對于一種給定的煙霧或汽化物，熱傳導率使它固有的物理特性。 7 紅外傳感器 紅外傳感器通常用兩束紅外光進行煙霧測量，主光束通過測量元件內的目標煙霧，參考光束通過比較元件內的參考煙霧。在測量和比較元件中，紅外射線被煙霧有選擇的吸收了。未吸收的紅外光由光電探測器測量，產(chǎn)生一個正比于目標煙霧濃度的差分信號。非擴散式紅外探測器 NDIR nondispersive IR 是其中的一種，所有的未吸收光全部以最小的擴散和損耗被記錄下來。 不同的煙霧吸收不同波長的 IR，所以傳感器根據(jù)目標煙霧而調整，典型應用包括測量 CO 和 CO冷凍劑煙霧和一些易燃氣。由于非碳氫化合物易燃煙霧（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氫化合物，并具有最小的交叉靈敏度，而且不受其他煙霧的腐蝕以及高濃度目標煙霧的影響。 由于煙霧的種類繁多，一種類型的煙霧傳感器不可能檢測所有的氣體，通常只能檢測某一種或兩種特定性質的煙霧。例如氧化物半導體煙霧傳感器主要檢測各種還原性煙霧，如 CO、 H C2H5OH、 CH3OH 等。固體電解質煙霧傳感器主要用于檢測無機煙霧，如 CO、 CO H C1 SO2 等。 感器的選定 煙霧檢測器主要應用在石油化工、冶金、油庫 、液化氣站、噴漆作業(yè)的易發(fā)生可燃煙霧泄漏的場所，根據(jù)報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體煙霧傳感器。 使用接觸燃燒式傳感器，器探頭的阻緩及中毒，是不可避免的問題。阻緩是當在煙霧與空氣的混合物中含有硫化氫等硫物質的情況下，則有可能在無焰燃燒的同時，有些固態(tài)物質附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應緩慢反映滯緩，靈敏度降低。雖然講組換的傳感器再放回新鮮空氣環(huán)境中有得到某種程度恢復的可能，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，導致傳感器將使催化元件產(chǎn)生不可逆轉的中 毒，以致靈敏度很快就喪失。當懷疑檢測環(huán)境中存在這些物質時，經(jīng)常對探頭進行標定，使必須且有效的辦法。 因此，經(jīng)常對傳感器進行標定，是保證其準確性的必要的途徑。一般連續(xù)使用兩個月后應對傳感器進行量程校準，這種經(jīng)常性對傳感器的維護，無形中加大了工作人員的工作量，同時增加了報警器的維護成本。 半導體煙霧傳感器包括用氧化物半導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體器件制作的煙霧傳感器，它具有靈敏度高、響應快、體積小、結構簡單、使用方便、價格便宜等優(yōu)點，因而得到廣泛應用。半導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用特性，發(fā)現(xiàn)半導體煙霧傳感器的優(yōu)點更加突出：靈敏度高、響應快、抗干擾性好、使用方便、價格便宜，且不會發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護成本比較低等。因此，本設計采用半導體煙霧傳感器作為報警系統(tǒng)煙霧信息采集部分的核心。而在眾多半導體氣體傳感器中，本設計選用 MQ2 型煙霧傳感器。 經(jīng)過對比上述兩種煙霧傳感器的應用特性，發(fā)現(xiàn)半導體煙霧傳感器的優(yōu)點更加突出：靈敏度高、響應快、抗干擾性好、使用方便、價格便宜，且不會發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護成本較低 等。因此，本設計采用半導體煙霧傳感器作為報警器煙霧信息采集部分的核心。而在眾多半導體氣體傳感器中，本設計選用MQ2 型煙霧傳感器，這種型號的傳感器不但具備一般半導體煙霧傳感器靈敏度 高、響應快、抗干擾能力強、壽命長等優(yōu)點。 本論文中的煙霧檢測報警器以 AT89C51 單片機為控制核心，采用 MQ2 型電阻式半導體傳感器采集煙霧信息。 首先，傳感器送來的煙霧濃度對應的微小的電壓信號經(jīng)過放大，轉化成大的電壓信號送入 AT89C51 單片機；后，在 AT89C51 單片機內 A/D 轉換、濃度比較，對數(shù)據(jù)進 行線性化處理，將數(shù)字化電壓信號轉化成為對應的十進制濃度值；最后，將實際可燃性氣體濃度送入液晶，并判斷濃度值是否超出報警限，另外由于煙霧傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反映越快，響應時間和恢復時間就越快。為提高響應時間，保證傳感器準確地、穩(wěn)定地工作，報警器需要向煙霧傳感器持續(xù)輸出一個 5V 的電壓。為了保證其可靠性，在輸出 5V 的電壓的同時，進行故障監(jiān)測。當傳感器加熱絲或電纜線和傳感器斷線和接觸不良時，進行故障報警，發(fā)出聲光報警信號。當然幾種狀態(tài)的報警信號是各不相同的。 .煙霧檢測器的結構 為適應家庭和工業(yè)等 場所對可燃性易爆煙霧安全性要求，設計的可燃性煙霧報警儀應不僅能在較寬的溫度范圍工作，而且應具有顯示可燃煙霧濃度、故障自檢、演示報警功能及可接計算機進行現(xiàn)場遠測和實時控制等功能。其目標是在傳統(tǒng)的煙霧檢測的基礎上，盡量提高準確性，降低成本，縮小體積。 .煙霧檢測器的功能 （ 1）自診斷故障功能 （ 2）看門狗自檢單片機狀態(tài)功能 調用單片機中的看門狗程序，定時檢查單片機工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)單片機出現(xiàn)死循環(huán)狀態(tài)，立即復位，保證報警器工作正常。 （ 3）與上位機通訊功能 可以實現(xiàn)與計算機串口通訊，對報警器采取統(tǒng)一控制， 以及便于采集和處理數(shù)據(jù)，也可以在計算機上更改報警限值等。 感煙探測器采用的是日本 NEMOTO 公司生產(chǎn) NIS09C 離子型感煙探測器，內部有微量的放射性物質媚 Am 241，探測器被金屬電極覆蓋，放射能不會泄露。它對白色、灰白和黑色煙霧都有良好的響應，但其受環(huán)境濕度影響較大。符合美國 UL217 標準，歐洲 EN547 標準及 GB471593 國家標準。 NIS09C 是具有低功耗、普適性的傳感器，適用于高靈敏度煙霧探測器、火災報警系統(tǒng)。其特性參數(shù)和溫濕度特性參數(shù)分。 NIS09C 離子煙霧探測器探測到的是煙霧濃度模 擬量，通過其靈敏度特性（如表所示）可以看出，煙霧濃度 p 和輸出電壓 v 之間是近似線性的關系，其特性曲線方程： v +。 表 NIS09C 煙霧探測器的主要特征參數(shù)表 靈敏度特性 UL217 標準 電源電壓特性 25℃ 60%RH 煙 霧 濃 度 輸出電壓 V 誤差 V 電 源 電 壓 輸出電壓 V 0 177。 0 6 177。 1 177。 177。 9 177。 2 177。 177。 12 177。 3 177。 177。 15 177。 4 177。 177。 18 13177。 表 NIS09C 煙霧傳感器的溫濕度特性參數(shù)表 溫度特性 濕度： 60%RH 濕度特性 溫度： 25℃ 溫度 ℃ 輸出 V 濕度 %RH 輸出 V 0 177。 30 177。 25 177。 60 177。 50 177。 90 177。 . 溫度探測器的功能 溫度探測器是利用熱敏方式來檢測環(huán)境溫度進行報警的探測器，用 于檢測被測物體和環(huán)境的溫度，當超出或低于標準值時發(fā)出報警。 溫度探測器：火災時物質的燃燒產(chǎn)生大量的熱量，使周圍溫度發(fā)生變化。溫度探測器是對警戒范圍中某一點或某一線路周圍溫度變化時響應的火災探測器。它是將溫度的變化轉換為電信號以達到報警目的。根據(jù)監(jiān)測溫度參數(shù)的不同，一般用于工業(yè)和民用建筑中的溫度探測器有定溫式、差溫式、差定溫式等幾種。 溫度探測器定溫式探測器。定溫式探測器是在規(guī)定時間內，火災引起的溫度上升超過某個定值時啟動報警的火災探測器。它有線型和點型兩種結構。其中線型是當局部環(huán)境溫度上升達到 規(guī)定值時， 可熔絕緣物熔化使兩導線短路，從而產(chǎn)生火災報警信號。點型定溫式探測器利用雙金屬片、易熔金屬、熱電偶熱敏半導體電阻等元件，在規(guī)定的溫度值上產(chǎn)生火災報警信號。差溫式探測器。差溫式探測器是在規(guī)定時間內，火災引起的溫度上升速率超過某個規(guī)定值時啟動報警的火災探測器。它也有線型和點型兩種結構。線型差溫式探測器是根據(jù)廣 泛的熱效應而動作的，點型差溫式探測器是根據(jù)局部的熱效應而動作的，主要感溫器件是空氣膜盒、熱敏半導體電阻元件等。 差定溫式探測器。差定溫式探測器結合了定溫和差溫兩種作用原理并將兩種探測器結構組合在一起。差定 溫式探測器一般多是膜盒式或熱敏半導體電阻式等點型組合式探測器μ A； 3 末級為推挽輸出，輸出電壓與感測的溫度成反比，確保芯片即使在較高的溫度范圍內仍可保持極高的靈敏度； 4 可提供 4 個不同增益讓用戶自行選擇，其中包括 ℃ 、 mV /℃ 、 /℃及 /℃； 5 溫度范圍寬，可以監(jiān)控由 50℃至 150℃范圍內的溫度； 6 設計靈活、功率極低，采用極小巧的 SC70 封裝，大小與美國國冢半導體的標準型號 LM20溫度傳感完全相同。 LM94022 的管腳排列如圖所示。 LM94022 管腳排列 當給 LM94022 的靈敏度選擇輸入端 GS0、 GS1 施加不同電平時，有 4 種不同的靈敏度供用戶選擇，如表 所示 由于輸出電壓隨溫度升高而下降，其靈敏度為負值 。用戶可根據(jù)測溫的范圍及接口電路的工作電壓的條件來合理。選擇要求高電平大于 ；低電平小于 。 表 LM94022 的 4 種靈敏度 GS1 靈敏度典型值 mV/℃ 0 0 0 1 1 0 1 1 LM94022 的輸出特性如圖所示，這是測量溫度與輸出電壓在 不同靈敏度時的特性。由于輸出電壓隨溫度升高而下降，其靈敏度為負值。在為 5 時，不同靈敏度的幾個特定溫度值時的輸出電壓如表所示（典型值）。輸出特性表為 5， t 為25 時的輸出電壓值 GS 00 mV GS 01 mV GS 10 mV GS 11 mV 50 1299 1955 2616 3277 25 1168 1767 2366 2965 0 1034 1565 2100 2633 25 898 1365 1831 2298 50 760 1159 1558 1958 續(xù)表為 5， t 為 25 時的輸出電壓值 GS 00 mV GS 01 mV GS 10 mV GS 11 mV 75 619 949 1290 1609 100 476 737 997 1257 125 332 521 711 901 150 183 301 420 593 按表的數(shù)據(jù)計算出的靈敏度值與表給出的典型靈敏度有一些差值。例如，在00 時， 25 時的輸出電壓為 1168， 50 時的輸出電壓為 1299，則其平均靈敏度為 /℃； 50 時的輸出電壓為 760， 75 時的輸出電壓為 619，則其平均靈敏度為 /℃。表 2 中 00 時，靈敏度為 /℃。 AT89C51， AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲（ FPEROM）的低電壓，高性能 C 位微處理器，俗稱單片機。 AT89C5140 個引腳， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時內含 2 個外中斷口， 2 個 16 位可編程定時計數(shù)器 ,2 個全雙工串行通信口。AT89C51 的引腳圖如圖 所示。芯片可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程，其將通用的微處理器和 Flash 存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 圖 AT89C51 芯片的引腳圖 單片機是煙霧檢測報警器的核心部件，一方面它要接收來自傳感器的煙霧濃度的模擬信號和故障檢測信號，另一方面要對兩種信號分別進行處理，控制后續(xù)電路的相應工作；同時，查詢是否有鍵按下的 命令。在單片機實現(xiàn)的功能中，將模數(shù)轉換后的信號做數(shù)字濾波，再進行線性化處理，然后送 LCD 顯示，這一過程的軟件實現(xiàn)，需要單片機有較 快的運算速度，使儀表監(jiān)測人員能夠觀測到實時的煙霧濃度，并進行相應處理。同時，在能夠滿足報警器設計的計算速度及接口數(shù)的要求的同類型單片機中，要考慮選擇價格低廉且體積輕巧 的機型，在保證了報警器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎上，能夠不提高成本，縮小體積。如今市面上比較普遍的單片機有 51 系列與 STC 系列。 STC 系列雖然功耗低，精簡指令集，抗干擾性好，可靠性高，但是存在溢出隱患問題，而且更適用于工業(yè)用途； AT89C51 單片機應用普遍，工具多，易上手，片源廣，價格低，且適合民用、商用。用途更廣泛。綜合以上觀點，本論文選定 AT89C51 作為本系統(tǒng)的核心。