【正文】 圖 DS18B20與單片機接口電路 由于 DS18B20 是數(shù)字式溫度值，直接讀取數(shù)值可省去一路 A/D 轉(zhuǎn)換，與單片機通信又采用單一總線即一條 I/O口即可完成測溫而不需要外接其它電路，其本身封裝采用三腳 形式，其外觀極像三極管，可見其本身體積不大，這些特點都大大節(jié)省了報警器內(nèi)部空間 ，使得在研制復(fù)合型火災(zāi)報警器增加傳感器提高報警準(zhǔn)確度的同時，報警器的體積變化不大，非常實用 。 DS18B20 實物圖如下 圖 所示 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 22 圖 光電感煙探測器設(shè)計 光電感煙探測器是通過探測火災(zāi)初期由于燃燒物陰燃時產(chǎn)生的煙霧來報警的，所以在大多數(shù)場合起到了預(yù)警的作用。光電感煙探測器是在 上世紀(jì) 80 年代才發(fā)展起來的一種新型火災(zāi)探測器，由于它拋棄了放射源，全部由電子元件和光電元件組成。隨著電子技術(shù)特別是光電子 技術(shù)的飛速發(fā)展，光電感煙探測器已經(jīng)具有了精度高、壽命長、抗風(fēng)、 抗潮和抗各種電 磁干擾的優(yōu)點，而且由于成本低，生產(chǎn)、安裝簡單。因而成了國際上各消防電子企業(yè)和各國政府開發(fā)研究和推廣使用的重點。國內(nèi)各廠家都在爭相開發(fā)研究。 工作原理 紅外光電感煙火災(zāi)探測器是利用煙對紅外光線的散射原理來探測火災(zāi)初期階段產(chǎn) 生的煙霧，探測器的工作原理如 上一章 圖 所示 光電傳感器由砷化稼紅外發(fā)光二極管和光電三極管組成，紅外光傳感器固定在黑罩板內(nèi)，紅外發(fā)光二極管發(fā)射一束紅外光，當(dāng)無煙霧時，由于黑罩板的阻隔作用，這束紅外光線不能射到光電三極管上，當(dāng)有煙霧進入探測器時，紅外光線遇到煙霧粒子，產(chǎn)生了光 散射現(xiàn)象，散射的紅外光線被光電三極管接收，轉(zhuǎn)化為電信號，電信號通過放大、濾波、比較電路、輸出報警信號。 物質(zhì)燃燒時在陰燃階段會產(chǎn)生大量的煙霧顆粒和有害氣體，煙霧顆粒的直徑一般在 m。顆粒分布界面極大，性質(zhì)也不穩(wěn)定，很容易使光產(chǎn)生散射，當(dāng)煙霧粒子的尺寸和入射光光束波長接近時，產(chǎn)生的散射為 Mie 散射。根據(jù) Mie 散射理論，設(shè)粒子半徑為R，相對折射率為 m=njη ，即粒子相對于周圍介質(zhì)的折射率，其中 n 為折射率， η 為吸收率。引入粒子半徑相對于波長 λ 的無量綱參數(shù) a(粒徑參數(shù) )來表示粒子大小，即 :a=2π R/λ ， λ 為入射光波長，并把入射光方向和散射光方向組成的平面稱為觀察面，建立如圖 所示的 YOZ平面，則粒子在 P處的散射光強 是： 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 23 式中， I。 為照射到粒子上的入射光光強 :r 為粒子與 P 點的間距 。i1=(S1)2,i2=(S2)2分別為垂直及平行與散射面的散射強度函數(shù)分量 。S1， S2 稱為散射光的振幅函數(shù)，可以表示為下列無窮級數(shù) : 式中， an， bn稱為 Mie 散射系數(shù)，其表達式為 : π n, τ n含有勒讓德函數(shù)，只與散射角有關(guān)，即 : Pn(z)為 n階勒讓德多項式。 如果要定量計算煙霧粒子在 P點處的散射光強，首先需要求出 Mie 系數(shù) an， bn，可 以利用貝塞爾函數(shù)的遞推公式和相應(yīng)的簡化算法來求。 可見，散射場中任意一點的散射光強與粒徑參數(shù) a，復(fù)折射率 m 及散射角θ等都是有關(guān)的。對于特定的應(yīng)用場合，如 a， m 一定時，散射光強就僅與散射角 θ 有關(guān)系 。我們假設(shè)，光電感煙探測器中，發(fā)射管發(fā)出單束平行光，被散射煙霧粒子為各向同性的球形顆粒，觀察點 P位于接收管前端透鏡位置。因此，發(fā)射管與接收管之間的軸向夾角巾同散射角 θ相關(guān)，隨著 θ 的增大， φ 逐漸減小，如圖 所示坐標(biāo)系。當(dāng)改變軸向夾角中時， θ 相應(yīng)變化，接收管接收到 的散射光強也會隨之改變，所以，調(diào)整一個合適的軸向夾角 φ ，可以使得光電感煙傳感器對煙霧粒子的探測靈敏度為最佳。 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 24 圖 θ 與軸向角中關(guān)系示意圖 設(shè)計要求 點型紅外光電感煙探測器的設(shè)計，要達到 GB471593《點型感煙探測器技術(shù)要求及試驗方法》的國家標(biāo)準(zhǔn)。探測器設(shè)計必須考慮以下幾個技術(shù)關(guān)鍵問題了： (1)探測器的靈敏度為保證靈敏度，要求最佳設(shè)計光路，正確選擇發(fā)散角、合理選擇光電器件和優(yōu)化電路設(shè)計，使其有最好的光電線性和最大的動態(tài)范圍。在暗室方面，要求沿路暢通，同時要避免外界 光進入和暗室對紅外的散射。 (2)穩(wěn)定性可靠性為減少外界光、電、磁、溫、濕等環(huán)境條件對探測器性能穩(wěn)定性的影響，采用脈沖調(diào)制和溫度補償技術(shù)以及靜電屏蔽、恒流穩(wěn)壓技術(shù)等來提高電路的抗干擾能力，同時要嚴(yán)格控制光電器件和關(guān)鍵元件的質(zhì)量。 (3)減少耗電要優(yōu)化電路設(shè)計，在確保靈敏度、穩(wěn)定性、可靠性等主要性能的基礎(chǔ)上，簡化電路、采用低功耗元件，盡量減少電路的靜態(tài)工作電流。 (4)械性能主要考慮探測器的防震、耐沖擊、防碰撞問題，還要考慮探測器抗 腐蝕性能。既要考慮外形美觀，又要考慮探測器安裝調(diào)試方便。 結(jié)構(gòu)設(shè) 計與散射角確定 光電感煙傳感器的必須安裝集煙盒，集煙盒的作用是既可以使煙霧可以自由進出，又可以減少自然光對光電器件的影響，圖 為光電感煙的集煙盒設(shè)計。 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 25 圖 集煙盒四周采用 Z形葉片，這樣可以阻擋自然光直接進入集煙盒，但兩個 Z形頁片之間留有縫隙，這樣又可以使煙霧可以自由進入。在外面罩上慮網(wǎng)，慮網(wǎng)的作用是慮除掉火災(zāi)發(fā)生時產(chǎn)生的大量灰塵，因為從上面可知光電感煙是區(qū)分不出煙霧離子和灰塵離子的，所以加入慮網(wǎng)可以盡量慮除灰塵而使煙霧進入。 OP231系列器件是一種密封封裝的 GaAIAs紅外發(fā)射二極管，波長集中在 m范圍，在工作電流為 100mA 時，發(fā)射管發(fā)光功率可達 6mW 以上。 OP231 系列前端封裝有透 鏡， 從而使發(fā)射的光束更集中，可以提供極窄的發(fā)射光角度。 OP801SL 系列元件是使用密封封裝的 NPN硅光電三極管，其接收峰值波長也集中在 m附近與 OP231 進行高靈敏度匹配。既有光敏二極管的感光性能又具有三極管的放大功能，狹窄的接收角度提供了與發(fā)射管在軸線方向的禍合。由于發(fā)射管與接收管之間的夾角決定了傳感器輸出的靈敏度，因此在傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計中將角度測量作為重點。 圖 OPTEK組合特性測試 在選擇發(fā)射管與接收管的夾角的測量時，根據(jù)圖 電路，每變化 10℃ 時測量輸出電壓及電流值，通過檢測輸出電壓的變化來判斷在什么角度下光電三極管對煙霧的響應(yīng) 最感，在多次反復(fù)的實驗中我們測得了圖 所示的數(shù)據(jù)，表中四條曲線分別代表了無煙、低濃度、中濃度和高濃度時的情況，實驗發(fā)現(xiàn)，在 120℃ 時無煙與各級煙度的間 距最明顯，說明此角度下從無煙到開始出現(xiàn)煙霧散射輸出變化最大，由此可以判斷出在 120℃距最明顯，說 明此角度下從無煙到開始出現(xiàn)煙霧散射輸出變化最大，由此可以判斷出在發(fā)射管工煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 26 作電壓 ，接收管工作電壓 5V。 圖 應(yīng)用電路設(shè)計 探測器電路主要分為紅外光脈沖發(fā)射部分和接收部分，一旦發(fā)生火災(zāi)，煙霧中的細(xì)微顆粒將對紅外發(fā)射二極管發(fā)射的光產(chǎn)生散射，并變換成相應(yīng)的電信號，該信號放大后經(jīng)比較器送單片機處理。 紅外發(fā)射電路中的 555 電路用于產(chǎn)生頻率可調(diào)的脈沖波形，使用 555 電路的一個主要優(yōu)點是輸出脈沖的占空比可調(diào)，便于設(shè)計不同要求的驅(qū)動輸出。同時，較之用直流電源供電可以達到減小功耗的目的。上電后， 555 振蕩輸出信號經(jīng)過 8050 放 大并反相，使紅外發(fā)射管 OP231 上獲得調(diào)制后的方波電壓信號，電路設(shè)計中，振蕩電路輸出的方波信號為 7ms的高電平和 139ms 的低電平輸出，頻率約為 7Hz，設(shè)計時以發(fā)射管高電平供電時間滿足單片機采樣時間為準(zhǔn)，同時滿足低功耗要求，具體參數(shù)如下： 接收電路部分中的光電三極管接收到煙霧粒子散射的光信號后，以變化電流的形式送給三極管 9014，放大后的射極電流變換成電壓信號作為輸出，其中輸出端可變電阻用于調(diào)節(jié)輸出為合適的電壓信號以備計算機采樣用。 圖 為光電感煙實際應(yīng)用電路 : 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 27 圖 探測 器電 路 原理圖 CO探測器設(shè)計 半導(dǎo)體 CO氣體傳感器的工作原理 氣敏傳感器是一種能夠感知環(huán)境中氣體成分及其濃度的敏感元件，它將氣體種類及其濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)這些電信號的強弱獲得與待測氣體在環(huán)境中存在情況有關(guān)的信息，從而進行檢測、監(jiān)控、報警，還可通過接口電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統(tǒng)。 按其構(gòu)成材料可分為半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類。半導(dǎo)體氣體傳感器主要是以氧化物半導(dǎo)體為基本材料，使氣體吸附于該半導(dǎo)體表面，利用由此而產(chǎn)生的電導(dǎo)率變化測量檢測氣體的成分和濃度。半導(dǎo)體氣體傳感 器由于具有靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，其產(chǎn)品發(fā)展非常迅速，目前已成為世 界上產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的傳感器之一。 半導(dǎo)體氣敏元件的敏感部分是金屬氧化物半導(dǎo)體微結(jié)晶粒子燒結(jié)體，當(dāng)其表面吸附有被檢測氣體時，半導(dǎo)體微結(jié)晶粒子接觸界面的導(dǎo)電電子比例發(fā)生變化，從而使氣敏元件的電阻值隨被測氣體的濃度改變而改變。該反應(yīng)是可逆的，因而可重復(fù)使用。電阻值的變化是伴隨著金屬氧化物半導(dǎo)體表面對氣體的吸附和釋放而發(fā)生的，為加速反應(yīng)，通常要用加熱器對氣敏元件加熱。 當(dāng)氧化型氣體吸附到 N型半導(dǎo)體，或還原型氣體吸附到 P型半導(dǎo)體時，將使半導(dǎo)體載流子減少，電阻值增大。還原型氣體吸附到 N 型半導(dǎo)體，或氧化型氣體吸附到 P型半導(dǎo)體時，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。 N 型材料有 Sn0 Fe20 Ti02 等， P 型材料主要有 M00 Cu20 等。 半導(dǎo)體氣敏元件吸附被測氣體時電阻的變化情況如圖 所示。由于空氣中的含氧量大體上是恒定的，因此氧化的吸附量也是恒定的，器件阻值也相對固定。當(dāng)半導(dǎo)體氣敏元件在潔凈空氣中通電加熱至穩(wěn)定狀態(tài) (即加熱器加熱 2～ 10 min，電阻值恒定不變時 )后，如果被測氣體接觸半導(dǎo)體氣敏元件表面而被吸附時，被吸附的氣體分子首先在元件 表面物理性自由擴散失去動能以后，一部分被蒸發(fā)掉，一部分熱分解而被化學(xué)吸附，導(dǎo)致其阻值隨被測氣體的吸附情況而發(fā)生變化，其變化規(guī)律視半導(dǎo)體的材料而定： P 型半導(dǎo)體氣敏元煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 28 件的阻值上升； N 型半導(dǎo)體氣敏元件的阻值下降。根據(jù)這一特性，可以從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度，響應(yīng)時間一般不超過 l min。 圖 半導(dǎo)體 CO傳感器的結(jié)構(gòu)及特性 根據(jù)檢測不同氣敏特征量的方式，半導(dǎo)體式氣體傳感器分為電阻式和非電阻式兩種。其中以 Sn02 為氣敏材料的表面控制型多孔質(zhì)燒結(jié)體氣體傳 感器是目前工藝較成熟、應(yīng)用較廣泛的氣體傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖 所示，由 Sn02 燒結(jié)體、加熱器、電極引線、塑料底座及不銹鋼絲網(wǎng)罩等組成，燒結(jié)時將加熱器、測量電極間 Sn02 燒結(jié)在一起制成氣敏元件，最后將加熱器熱絲和測量電極焊接在塑料底座的引出線上，并罩上兩層不銹鋼絲網(wǎng)。 圖 Sn02氣敏傳感器結(jié)構(gòu)圖 電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器的結(jié)構(gòu) 氣敏傳感器通常由氣敏元件、加熱器和封裝體等三部分組成。氣敏元件從制造工藝來分有燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三類。 燒結(jié)型氣敏器件以 Sn02 半導(dǎo)體材料為基體，將鉑電極和加熱絲埋入 SnOZ 材料中，用加熱、加壓、溫度為 7009O00C 的制陶工藝燒結(jié)形成。 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 29 薄膜器件是采用蒸發(fā)或濺射工藝，在石英基片上形成氧化物半導(dǎo)體薄膜。 厚膜器件是將 Sn02或 ZnO等材料與 3%15%(重量 )的硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠。 加熱器的作用是將附著在敏感元件表面上的塵埃、油霧等燒掉，加速氣體的吸附，提高其靈敏度和響應(yīng)速度。加熱器的溫度一般控制在 2004000C 左右。 加熱方式一般有直熱式和旁熱式兩種，因而形成了直熱式和旁熱式氣敏元件。直熱式是將加熱絲直接埋入 Sn0 ZnO 粉末中燒結(jié)而成，結(jié)構(gòu)如圖 所示。旁熱式是將加熱絲和敏感元件同置于一個陶瓷管內(nèi)，管外表面梳狀金電極作測量極，在金電極外再涂上SnO:等敏感材料，其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 直熱式結(jié)構(gòu)的氣敏傳感器的優(yōu)點是制造工藝簡單、成本低、功耗小，可以在高壓回路中使用。它的缺點是熱容量小，易受環(huán)境氣流影響，測量回路和加熱回路間沒有隔離而相互影響。 旁熱式結(jié)構(gòu)的氣敏傳感器克服了直熱式結(jié)構(gòu)的缺點，使測量極和加熱極分離，而且加熱絲不與氣敏材料接觸，避免了測量回路和加熱回路的相互影響 。器件熱容量大，降低了環(huán)境溫度對器件 加熱溫度的影響，所以這類結(jié)構(gòu)器件的穩(wěn)定性、可靠性比直熱式的好。 Sn02 氣敏傳感器可以檢測甲烷、丙烷、一氧化碳、氫氣、酒精、硫化氫等氣體，并具有檢測靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，其特性曲線如圖 所示，表示不同氣體濃度下氣敏器件的電阻值。 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 30 圖 敏感元件阻值 R與空氣中被測氣體的濃度 C成對數(shù)關(guān)系變化： 式中 m、 n為常數(shù)， m 表示隨氣體濃度而變化的傳感器靈敏度，對于可燃性氣體來說，m 值多數(shù)介于 1/2 至 l/3 之間， n 與氣體靈敏度有關(guān)，除了隨傳感器材料和氣體 種類不同而變化外，還會由于測量溫度、濕度和激 活劑的不同而發(fā)生大幅度的變化，因此在使用時需要進行補償 。 具有溫濕補償?shù)?CO 探測電路設(shè)計 具有溫濕補償?shù)?CO氣體探測電路如圖 。本探測電路中采用 TGS