【正文】 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 所示。 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 。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。 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。 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) 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 29 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。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 ，煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 28 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)體氣敏元件的阻值上升； N 型半導(dǎo)體氣敏元件的阻值下降。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。 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。 圖 : 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)。 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。 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。 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。 (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。 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(dá)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)。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 。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 。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。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。 DS18B20 與單片機接口電路如圖 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 22 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 。 (4)在 DS18B20 測溫程序設(shè)計中，向 DS18B20 發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要定的重視。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊 距離可達(dá) 150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離進一步加長。 (2)在 DS18B20 的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛 DS18B20 數(shù)量問題，容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個 DS18B20，在實際應(yīng)用中并非如此。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收 。DS 18B20 在完成一個讀時序過程，至少需要 60us 才能完成 。 各種操作的時序圖與 DS1820 相同， DS18B20 的復(fù)位時序圖如圖 所示。 DS18B20 每一步操作都要遵循嚴(yán)格的工作時序 和通信協(xié)議。 DS18B20 的控制方法 在硬件 上， DS18B20 與單片機的連接有兩種方法。 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值 T與 TH, TL作比較，若 TTH 或 TTL，則將該器件內(nèi)的告警標(biāo)志位置位，并對主機發(fā)出的告警搜索命令作出響應(yīng)。單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后。因此，在實際應(yīng)用中要在分辨率和轉(zhuǎn)換時間兩者中權(quán)衡考慮高速暫存存儲器除了配置寄存器外，還有 其他 8 個字節(jié)組成，其分配如下所示。而配置寄存器為高速暫存器中的第 5個字節(jié)，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率， DS18B20工作時按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的數(shù)值。 (2)非易失性溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL，可通過軟件寫入用戶報警上下限。圖 是 DS18B20 的引腳排列 圖。以在變換時間內(nèi)允許其它數(shù)據(jù)在單總線上傳輸。 圖 DS18B20的內(nèi)部測溫電路框圖 DS18B20 在光刻 ROM 中的 64 位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該 DS18B20的地址序列碼，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個 DS18B20 的目的。圖中還隱含著計數(shù)門，當(dāng)計數(shù)門打開時， DS18B20 就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進行計數(shù)，進而完成溫度測量。 (11) 內(nèi)含 64 位激光修正的只讀存儲 ROM，扣除 8 位產(chǎn)品系列號和 8 位循環(huán)冗余校驗碼 (CRC)之后，產(chǎn)品序號占 48 位。當(dāng)電源電壓的極性反接時，能保護 DS18B20不會因發(fā)熱而燒毀。 (5)通過編程可實現(xiàn) 9～ 12位的數(shù)字讀數(shù)方式。 (3)可用數(shù)據(jù)線供電，供電電壓范圍： +～ + V 。它在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面較 DS1820 都有了很大的改進，給用戶帶來了更方便和更令人滿意的效果。同時其“一線總線”獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入了全新的概念。 探測器的電路設(shè)計 溫度傳感器 DS18B20 DS18B20 簡介及性能 DS18B20 是美國 DALLAS 半導(dǎo)體公司繼 DS18B20 之后最新推出的一種數(shù)字化單總線器件，屬于新一代適配微處理器的改進型智能溫度傳感器。伴隨著煙霧的 產(chǎn)生會釋放出 CO 氣體，而 CO 氣體比空氣輕，擴散性強，因此 CO 傳感器能在一定程度上克服上述干擾； 伴隨著起火的過程，周圍環(huán)境溫度會逐漸升高， 而紫外線探測器更加靈敏， 這 樣利用 四 個傳感器進行同時探測可減少誤報和漏報的可能性。 溫度傳感器采用 DALLAS 的 DS18B20； CO 氣體傳感器 采用 TGS 813型旁熱式 Sn02氣敏元件 ，煙霧傳感器采用 Optek公司的 OP231和 OP801SL作為光電發(fā)射管和接收管，使用 5V 的直流電壓供電。而在進一步的測量中即在小車上的探測器的選型我們 選擇光電感煙探測器，感溫探測器，氣體探測器 和紫外線火災(zāi)探測器 。 在何場所選擇何種火災(zāi)探測器，取決于所保護對象的功能是什么，可燃物燃燒時的特點是什么，現(xiàn)場有何特殊情況。它由紫外光敏探頭和放大器組成，不足之處是 :靈敏度差 ,檢測距離小于 15m,不能抗雷電的干擾 ,存在一定的誤報率 ,因此只能用在距離較短的封閉環(huán)境 ,如加熱爐、工業(yè)鍋爐等地方。 (2)可燃?xì)怏w探測器：對煤氣、液化石油氣、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、汽油和氨等可燃?xì)怏w進行漏監(jiān)測的探測器。 氣體探測器 氣體傳感器主要包括以下兩種： (1)點型氣體火災(zāi)探測器：對火災(zāi)早期階段，由于熱和氣化作用所產(chǎn)生的燃燒氣體做出響應(yīng)的探測器。定溫探測器一般應(yīng)用在環(huán)境溫度變化較大的場所。由于熱敏元器件的種類較多，所以感溫火災(zāi)探測器的型式也較多。 感溫探測器 對警戒范圍中火災(zāi)熱（溫度）參量，即環(huán)境氣流的異常高溫或升溫速度做出響應(yīng)的探測器。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，電信號通過處理后輸出報警信號。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。同時，廢棄探測器的處理必須由生產(chǎn)商承擔(dān)，這就更進一步加大了生產(chǎn)成本。離子感煙探測器內(nèi)部裝有電離室，電離室內(nèi)的放射源產(chǎn)生的粒子將空氣分子電離成正負(fù)離子。 火災(zāi)傳感器的選型 火災(zāi)探測的原理是探測物質(zhì)燃燒的過程中 所產(chǎn)生的各種物理和化學(xué)現(xiàn)象。根據(jù)客戶的要求和系統(tǒng)的特點，總結(jié)系統(tǒng)的技術(shù)要求如下： (1)小體積探測器的體積要盡可能的小，這樣才能減少占用的空間，而且更便于安裝和更換； (2)低功耗系統(tǒng)采用三節(jié) 5 號干電池供電，電池電量有限，并且無線發(fā)射模塊消耗電能比較大。 系統(tǒng)設(shè)計要求 系統(tǒng)功能要求 本系統(tǒng)的研制主要包括以下幾項功能： (1)火情探測功能為了擴大火災(zāi)探測器的使用范圍，該系統(tǒng)火災(zāi)探測器的前置火災(zāi)傳感器設(shè)計為可以拆卸形式。對外接電容 C C2 雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻 率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，我們推薦電容使用 30pF，而如果使用陶瓷諧振器建議選擇 40pF。 時鐘振蕩器 時鐘振蕩器： AT89C51 中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。當(dāng)主電源 VCC 發(fā)生故障而降低到規(guī)定低電平時， RST/VPD 線上的備用電源自動投入，以保證片內(nèi) RAM 中信息不丟失。 對于 8051， EA/VPP 用于在片內(nèi) EPROM 編程 /校驗時輸入 21V編程電源。 ② PSEN：片外 ROM 選通線，在執(zhí)行訪問片外 ROM 的指令 MOVC 時， 8051 自動在 PSEN線上產(chǎn)生一個負(fù)脈沖，用于為片外 ROM 芯片的選通。在不訪問片外存儲器時， 8051 自動在 ALE/PROG 線上輸出頻率為 fosc/6 的脈沖序列。作為輸入 ,由于外部下拉為低電平 ,P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 ④ P3 口： — 這組引腳的第一功能和其余三個端口的第一功能相同。 P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口 ,P2 口緩沖器可接收 ,輸出 4個 TTL 門電流 ,當(dāng) P2口被寫“ 1” 時 ,其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高 ,且作為輸入。 P1 口管腳寫入 1 后 ,被內(nèi)部上拉為高 ,可用作輸入 ,P1 口被外部下拉為低電平時 ,將輸出電流 ,這是由于內(nèi)部上拉的緣故。這時 — 用于傳送 EPROM 的編程機器碼或讀出校驗碼。這時，輸出數(shù)據(jù)可以得到鎖存，不需要外接專用鎖存器，輸入數(shù)據(jù)可以得到緩沖，增加了數(shù)煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 7 據(jù)輸入的可靠性。由于每個端口的結(jié)構(gòu)各不相同，因此它們在功能和用途上的差別頗大。可編程串行通道 178。 128*8 位內(nèi)部 RAM 178。壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 178。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)存，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。由于將多功能 8位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中 ,ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器 ,AT89C2051 是它的一種精簡版本。 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓 ,高性能 CMOS 8 位微處理器 ,俗稱單片機。 （ 4）電機的選擇及控制，本課題選擇 2相 5 線步進電機和普通電機各一臺，分別用于探測器的旋轉(zhuǎn)和行走。這時期我國的火災(zāi)報警企業(yè)大量出現(xiàn)，部分企業(yè)進行了合資生產(chǎn)、技術(shù)合作，取得了不菲的成績，也造就了現(xiàn)今市場上許多有實力的商家，部分技煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 5 術(shù)已接近或趕上了國際水平。特別是模擬量火災(zāi)探測器的應(yīng)用，提高了火災(zāi)探測報警系統(tǒng)報警的準(zhǔn)確性和智能化程度，是火災(zāi)自動報警系統(tǒng)技術(shù)進步的一個重要標(biāo)志。 第三階段從八十年代開始，總線制火災(zāi)自動報警系統(tǒng)蓬勃興起，它同以前的產(chǎn)品相比有了很大的飛躍，布線工作顯著減少，安裝調(diào)試變得容易，降低了安裝和維修費用，其最大優(yōu)點是施工簡單并能精確確定報警部位，因而得到了較普遍的應(yīng)用。 直到 20世紀(jì)五十年代初，瑞士物理學(xué)家埃斯特邁里 (Ernst Meili