【正文】 24 作為電路的運(yùn)算放大器。 信號(hào)采集及前置放大電路 在許多檢測技術(shù)的應(yīng)用場合，傳感器輸出的信號(hào)比較弱，而 且其中還包括了工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對(duì)這種信號(hào)的放大就需要放大電路具有很好的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗。 R 13470 ΩR 141K Ω+ C322u FS1手動(dòng)復(fù)位C130p FC230p FY12M H z5VX1X2R E S E T 圖 33 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路 圖 （ 2） 復(fù)位電路： 單片機(jī)有多種復(fù)位電路，本系統(tǒng)采用 自動(dòng) 復(fù)位 （上電復(fù)位） 與 手動(dòng) 復(fù)位方式，電路 如圖 33。晶振頻率選擇 12MHZ， CC2的電容值取 30pF，電容的大小起頻率微調(diào)的作用。 12348 ～ 9VB R I D G E～ 22 0 VT132V VGNDIN OUTI C 6W 78 05C6C410 0 0u FC5R 15240５Ｖ12J1C O N 2Dz 圖 32 系統(tǒng)電源電路圖 AT89C51的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路 （ 1） 時(shí)鐘電路： AT89C51 單片機(jī)芯片內(nèi)部設(shè)有一個(gè)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輸出端，時(shí)鐘可由內(nèi)部或外部生成，在 XTAL1交流變壓器 整流電路 濾波電路 穩(wěn)壓電路 14 和 XTAL2 引腳上外接晶體振蕩器 Y，內(nèi)部振蕩電路就會(huì)產(chǎn)生自 激振蕩。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(chǔ)能元件組成的濾波電路 ，將脈動(dòng)大的直流電壓處理成平滑的脈動(dòng)小的直流電壓，即將整流電路輸 出的脈動(dòng)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(gè)部分 電路 的電源。其組成方框圖如圖 31所示。 13 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。若過一點(diǎn)時(shí)間濃度仍超出報(bào)警限，報(bào)警器會(huì)再次鳴叫提醒用戶。 為了區(qū)別正常的工作的報(bào)警，在誤報(bào)警和不正常的工作狀態(tài)警報(bào)時(shí)， LED數(shù)碼管顯示符號(hào)“ 0”， 蜂鳴器聲音報(bào)警持續(xù) 30min，同時(shí) 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(shí)排除故障，保 證安全。 否則 ，報(bào)警系統(tǒng)只能啟動(dòng)聲光報(bào)警和換氣 扇 自動(dòng) 排煙功能而無法進(jìn)行滅火動(dòng)作。報(bào)警時(shí)，LED 紅燈點(diǎn)亮并持續(xù)閃爍 60min，蜂鳴器啟動(dòng)并持續(xù) 鳴叫 60min， LED數(shù)碼管顯示符號(hào)“ 1” ，并且換氣扇自動(dòng)運(yùn)行，以 達(dá)到改善環(huán)境 中的空氣質(zhì)量的目的。 T0 T1 時(shí)鐘源 系 統(tǒng) 總 線 CPU 震蕩與 定時(shí)電路 外部中斷信號(hào) 內(nèi)部中斷信號(hào) 128B SFR 128B RAM 4KB ROM 兩個(gè) 16 位定時(shí) 0 計(jì)數(shù)器 總線控制 并行端口 串行端口 控制信號(hào) P0 P1 P2 P3 TXD RXD 12 圖 26 AT89C51的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 煙霧報(bào)警器的主要功能設(shè)計(jì) 報(bào)警器正常工作時(shí)，傳感器送來的煙霧濃度對(duì)應(yīng)的微小的電壓信號(hào)經(jīng)過放大電路放大，轉(zhuǎn)化成較大的模擬電壓信號(hào) 后 送入 A/D 轉(zhuǎn)換器 ，然后再送給 AT89C51單片機(jī)處理。 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM） 64K 字節(jié)。 外部程序存儲(chǔ)器（ ROM） 64K 字節(jié)。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(gè)硬件復(fù) 11 位。同時(shí)， 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。 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(chǔ)器（ PEROM）和 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)單元，功能強(qiáng)大 AT89C51單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。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(jì)采用 AT89C51。 由于單片機(jī)技術(shù)在各個(gè)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(jià)格比，迅速占領(lǐng)了工業(yè)測控和自動(dòng)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。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(dòng)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。同時(shí)，在能夠滿足報(bào)警器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的計(jì)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(jià)格低廉 且體積輕巧的機(jī)型，在保證了報(bào)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)的選型 單片機(jī) 是 煙霧 自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的心臟，用來接收火災(zāi)信號(hào)并啟動(dòng) 報(bào)警裝置顯示和執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)和消防動(dòng)作。 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意，氣敏元件開機(jī)通電時(shí)，其內(nèi)阻很小，但 經(jīng)過一段時(shí)間后，才能恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)信號(hào)的數(shù)值符合 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入等級(jí)時(shí)，可以不用放大器放大；當(dāng)信號(hào)的數(shù)值不符合 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入等級(jí)時(shí)，就需要放大器放大。 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(shí)間 (trec) 恢復(fù)時(shí)間 (trec) 元件功耗 檢測范圍 使用壽命 最大 DC 24V 2KΩ ≤ 2020 KΩ ≥ 4(在 1000ppmC4H10 中 ) ≤ 10S ≤ 30S ≤ 50— 10000ppm 2 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。其技術(shù)指標(biāo) 表 21。這種傳感器在較寬的濃度范圍內(nèi)對(duì)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(bào)警器中。封裝好的氣敏元件有６只針狀管腳，其中４個(gè)用于信號(hào)取出，２個(gè)用于提供加熱電流。 (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。 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)。在設(shè)計(jì)報(bào)警器時(shí)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(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。 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。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(jià) 格便宜等優(yōu)點(diǎn)，且不會(huì)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]。 根據(jù)報(bào)警器檢測煙霧種類的不同要求，很多場合都會(huì)選擇使用半導(dǎo)體煙霧傳感器。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。 （ g）光電式感煙傳感器 光電式感煙傳感器由光源、光敏元件和電子開關(guān)組成。 在正常的情況下，內(nèi)外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。 它在內(nèi)外電離室里面有放射源镅 241。由于非碳?xì)浠衔镆兹紵熿F (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?xì)浠衔铮⒕哂凶钚〉慕徊骒`敏度，而且不受其它煙霧的腐蝕以及高濃度目標(biāo)煙霧的影響。非擴(kuò)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(kuò)散和損耗被記錄下來。在測量和比較元件中，紅外射線被煙霧有選擇地吸收了。高 分子煙霧傳感器具有對(duì)特定煙霧分子靈敏度高，選擇性好，且結(jié)構(gòu)簡單，能在常溫下使用，可以彌補(bǔ)其它煙霧傳感器的不足。高分子氣敏元件 在遇到特定煙霧時(shí)，其電阻、介電常數(shù)、材料表面聲波傳播速度和頻率、材料重量等物理性能發(fā)生變化。目前國際上絕大部分毒氣檢測采用該類型傳感器。它的優(yōu)點(diǎn)是：反映速度快、準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測，但壽命較短 (大約兩年 )。電化學(xué)氣敏傳感器一般利用液體（或固體、有機(jī)凝膠等）電解質(zhì)，其輸出形式可以是氣體直接氧化或還原產(chǎn)生的電流，也可以是離子作用于離子電極產(chǎn)生的電動(dòng)勢。這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。使用接觸燃燒式傳感器，其最大的缺點(diǎn)是探頭很容易發(fā)生 阻緩和 中毒現(xiàn)象。 (b)接觸燃燒式傳感器 當(dāng)易燃煙霧接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時(shí)會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)而燃燒。但是其最大的缺點(diǎn)就是選擇性較差。當(dāng)半導(dǎo)體接觸到氣體時(shí)，半導(dǎo)體的電阻值將發(fā)生變化，利用傳感器輸出端阻值的變化來測定或控制氣體的有關(guān)參數(shù)，這種類型的傳感器稱為電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器；當(dāng)ＭＯＳ場效應(yīng)管在接觸到氣體時(shí)，場效應(yīng)管的電壓將隨周圍氣體狀態(tài)的不同而發(fā)生變化，利用這種原理制成的傳感器被稱為非電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器。半導(dǎo)體煙霧傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的。 因此目前使用的煙霧傳感器有很多種，各自的檢測原理也各不相同，下面就對(duì)一些常用的煙霧傳感器進(jìn)行介紹。例如氧化物半導(dǎo)體煙霧傳感器主要檢測各種還原性煙霧，如 CO、 H C2H5OH、 CH3OH 等。 （ 3） 常見的煙霧探測器種類及工作原理 為了確保家庭環(huán)境的安全，需要對(duì)各種可燃性 氣體、有毒性氣體進(jìn)行檢測。 （ 2） 煙霧傳感器應(yīng)滿足的基本條件 一個(gè)煙霧傳感器可以是單功能的，也可以是多功能的；可以是單一的實(shí)體，也可以是由多個(gè)不同功能傳感器組成的陣列。 （ 1）煙霧傳感器的分類 從構(gòu)成氣體傳感器材料的形態(tài)上通常將它們分為干式和濕式氣體傳感器。使得用戶面對(duì)眾多廠家生產(chǎn)的煙霧探測器感到不知所措。 在國內(nèi)的產(chǎn)品中， 無論 哪 家生產(chǎn)的 煙霧 探測器，都可以探測到火災(zāi)的發(fā)生，都具 有比較 高的靈敏度 ，而且 在安裝中都比較簡單 。隨著傳感器生產(chǎn)工藝水平逐步提高，傳感器日益小型化、集成度不斷增大，使得煙霧探測器的體積也逐漸變小，提高了煙霧探測器的便攜性，更加利于生產(chǎn)、運(yùn)輸和市場推廣。煙霧 傳感器 利 用煙霧敏感 元件的電阻 受煙霧（主要是可燃顆粒）濃度影響阻值變化的原理向 單片機(jī) 發(fā)送煙霧濃度相應(yīng)的模擬信號(hào) 。煙霧傳感器就是通過監(jiān)測 環(huán)境中 煙霧的濃度來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范的 。 圖 22 煙霧傳感器及其結(jié)構(gòu) 圖 煙霧傳感器的介紹 煙霧傳感器是模擬傳感器 ?？梢哉f，沒有精確可靠的傳感器，就沒有精確可靠的自動(dòng)檢測、控制和報(bào)警系統(tǒng)。而煙霧報(bào)警器的信號(hào)采集由煙霧傳感器負(fù)責(zé)。以上是根據(jù)報(bào)警器應(yīng)具備的功能，提出的整體設(shè)計(jì)思路。為了保證其可靠性，在輸出 5V 的電壓的同時(shí)，進(jìn)行故障監(jiān)測。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。在報(bào)警啟動(dòng)的同時(shí)，單片機(jī)控制器還可以控制 調(diào)節(jié) 閥 噴水滅火和 換氣扇 排煙動(dòng)作。這種報(bào)警方法是在聲音報(bào)警基礎(chǔ)上，加入光閃報(bào)警。 設(shè)計(jì)中為了方便檢測與監(jiān)控，使儀器測試人員及用戶能夠 間 接知道環(huán)境中的煙霧濃度，所以用數(shù)碼管顯示 字符 來 指示報(bào)警狀態(tài) 。當(dāng) 輸入 A/D 轉(zhuǎn)換器的放大信號(hào)不為零 時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警電路。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路再將該模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)后送入單片機(jī)。報(bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 如圖 21。 為適 應(yīng)家庭和工業(yè)等場所對(duì)可燃性易爆煙霧安全性要求，設(shè)計(jì)的煙霧報(bào)警器具有顯示 報(bào)警狀態(tài) 、故障自檢、 換氣排煙 和自動(dòng)滅火等功能。 4 2 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) 煙霧報(bào)警器是能夠檢測環(huán)境中的煙霧濃度，并具有報(bào)警功能的儀器。 針對(duì)當(dāng)前火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)存在的通訊協(xié)議不一致，系統(tǒng)誤報(bào)、漏報(bào)頻繁，智能化程度低，網(wǎng)絡(luò)化程度低、特殊惡劣環(huán)境的火災(zāi)探測報(bào)警抗干擾等問題較為突出的現(xiàn)象，提出在符合國家消防規(guī)范的基礎(chǔ)下采用統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)、 開放的通訊協(xié)議 。由于火災(zāi)探測器的安裝環(huán)境極其復(fù)雜，加之各種傳感器在探測火災(zāi)方面存在著某些先天不足，無法準(zhǔn)確地感應(yīng)各種物質(zhì)在燃燒過程中所特有的聲波、光譜、輻射、氣味等諸多方面發(fā)生的微妙變化，對(duì)火災(zāi)發(fā)生過程中所產(chǎn)生的不同粒徑 和顏色的煙 霧 存在探測 “ 盲區(qū) ” ，誤報(bào)、漏報(bào)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。同時(shí)，銅導(dǎo)線耐高溫性能差、易磨損，系統(tǒng)施工維修復(fù)雜，影響了火災(zāi)自