【正文】 模塊 設(shè)計(jì) ； ④ ． 煙霧 報(bào)警器 的 軟件 設(shè) 計(jì) ； （ 2） 時(shí)間安排 ： 3 月 1 日至 4 月 15 日：查找資料、調(diào)研、方案論 證； 4 月 16 日至 5 月 15 日：設(shè)計(jì)煙霧報(bào)警器； 5 月 16 日至 6 月 10 日：撰寫論文。 （ 3） 工作量 ： 其 中： 參考文獻(xiàn)篇數(shù)： 20 篇以上（其中，外文資料 3 篇以上）； 圖 紙 張 數(shù)： 講解圖： A0圖紙 1 張， A1圖紙 12 張； 說明書字?jǐn)?shù)： 10000 字以上 專業(yè)負(fù)責(zé)人意見 簽名： 年 月 日 東北林業(yè)大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì) 摘 要 隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，防火工作越來越重要，但是目前國(guó)內(nèi)的 許多 研發(fā) 都 側(cè)重于大型場(chǎng)所的火災(zāi)報(bào)警 。 基于供家庭使用的 煙霧報(bào)警器 應(yīng)該具備 的基本要求和功能，文章設(shè)計(jì)了一種比較 適合的煙霧報(bào)警 器。設(shè)計(jì)中單片機(jī)選用 AT89C51 作為控制器 件 ，傳感器選用 QMN5型氣體傳感器實(shí)現(xiàn) 對(duì) 煙霧的檢測(cè)。 論文 主要針對(duì) 煙霧報(bào)警系統(tǒng) 中的各個(gè)組成部 分 及功能 進(jìn)行了 詳細(xì)的介紹 和說明 ， 并 對(duì) 其 主控電路和外圍設(shè)備電路之間的接口 連接方式，以及系統(tǒng) 軟件 設(shè)計(jì) 進(jìn)行了重點(diǎn) 的分析和講解 。MCU。單片機(jī)好比一個(gè)橋梁，聯(lián)系著傳感器和報(bào)警電路設(shè)備。各種類型的單片機(jī)也根據(jù)社會(huì)的需求而開發(fā)出來。由 于它功能齊全，體積小，成本低，因此它可以應(yīng)用到所有電子系統(tǒng)中 。 而傳感器作為信息技術(shù)系統(tǒng)的“感官”器件， 如果沒有“感官”感受信息，或者“感官”遲鈍，都難以形成 高精度、高速度的控制系統(tǒng)。 所以，根據(jù)報(bào)警器功能的需要，選擇合適、精確、經(jīng)濟(jì)的煙霧傳感器 和單片機(jī)芯片是至關(guān)重要的。 AT89C51 單片機(jī)兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，功能強(qiáng)大，可供許多高性價(jià)比的場(chǎng)合應(yīng)用，能夠靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。由這兩個(gè)核心器件設(shè)計(jì)而成的整個(gè)煙霧報(bào)警器系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警、 報(bào)警狀態(tài)字符 顯示、 換氣扇 排煙 和噴水 滅火等煙霧報(bào)警器應(yīng) 有 的功能 ， 是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便、價(jià)格低廉、智能化的煙霧報(bào)警器 ，具有一定的實(shí)用價(jià)值。 因?yàn)?火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)是建筑物的神經(jīng)系統(tǒng)， 它能夠 感受、接收著發(fā)生火災(zāi)的 早期 信號(hào)并及時(shí)報(bào)警，發(fā)出警報(bào) 同時(shí)告知用戶和周邊居民 。 在火災(zāi)的早期階段，準(zhǔn)確的探測(cè)到火情并迅速報(bào)警，對(duì)于及時(shí)組織有序快速疏散、積極有效地控制火災(zāi)的蔓延、快速滅火和減少火災(zāi)對(duì)居住人群的損失都具有重要的意義 。 據(jù)美國(guó)消防學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì)，最近 十多 年中，安裝自動(dòng)消防設(shè)施的建筑中發(fā)生火災(zāi)，消防 2 設(shè)施的有效率高達(dá) %， 確實(shí)起到了保證建筑物消防安全的作用。 所以， 設(shè)計(jì) 一種能夠在火災(zāi)剛剛發(fā)生時(shí)或者有可燃?xì)怏w堆積引起的火災(zāi)隱患時(shí)就能報(bào)警的 報(bào)警器 就能 使人們能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，并及時(shí)采取有效措施，撲滅初期火災(zāi)，最大限度的減少 或消除 因火災(zāi)造成的生命 危害 和財(cái)產(chǎn)的損失，是人們同火災(zāi)做斗爭(zhēng)的有力工具。 近幾年， 國(guó)內(nèi) 主要 側(cè)重于大型場(chǎng) 所的大型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的研發(fā)，而在居民住宅區(qū)等小型防火單位，卻需要安裝廉價(jià)實(shí)用的煙霧自動(dòng)報(bào)警裝置。但是，人們?cè)谙硎苓@些現(xiàn)代設(shè)施帶來了便利的時(shí)候，卻也增加了火災(zāi)隱患。如果在家庭中沒有安裝火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警器，一旦在家庭中發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)容易由不被發(fā)現(xiàn)的早期火災(zāi)而演變成為更大、更嚴(yán)重的大型火災(zāi)。這不僅使的用戶本身遭受重大的損失，還容易形成“ 火燒連營(yíng) ” 的局面，給周邊家庭和場(chǎng)所造成無法估計(jì)的損失和嚴(yán)重的影響。 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)新聞報(bào)道可知，英國(guó)每年發(fā)生 50000起以上的嚴(yán)重家庭火災(zāi)，其中大部分火災(zāi)造成傷亡和重大的家庭財(cái)產(chǎn)損失，甚至連累左鄰右舍。家庭防火重在防患于未然，因 此，我們就有必要研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的煙霧自動(dòng)報(bào)警器，以適應(yīng)市場(chǎng)的需求。 在國(guó)外， 現(xiàn)在的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)已達(dá)到智能型、全總線型和綜合型，系統(tǒng)一旦報(bào)警，馬上在顯示器上出現(xiàn) 報(bào)警探測(cè)器 的具體地址，一目了然。 現(xiàn)階段， 我國(guó)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警 系統(tǒng)的主要問題有以下幾點(diǎn)： 適用范圍過小 。由于家庭住宅等小單位的 防范措施不到位 ，給家庭生活帶來了許多的不方便和一定的損失。我國(guó)使用的火災(zāi) 探測(cè)器雖然都進(jìn)行了智能化設(shè)計(jì)，但由于傳感器件探測(cè)的參數(shù)較少、支持系統(tǒng)的軟件開發(fā)不成熟、各種算法的準(zhǔn)確性缺乏足夠驗(yàn)證、火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)不健全等，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)難以準(zhǔn)確判定粒子 (煙氣 )的濃度、現(xiàn)場(chǎng)溫度、光波的強(qiáng)度以及可燃?xì)怏w的濃度、電磁輻射等指標(biāo)，造 3 成遲報(bào)、誤報(bào)、漏報(bào)情況較多。我國(guó)應(yīng)用的火災(zāi) 自 動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)形式基本上以區(qū)域火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、集中火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)和控制中心火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)為主，安裝形式主要是集散控制方式，自成體系，自我封閉，尚未形成區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)化火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)?；馂?zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)以多線制和總線制連接方式為主，探測(cè)器和報(bào)警器及控制器之間是采用兩條或多條的銅芯絕緣導(dǎo)線或銅芯電纜穿管相接，存在耗材多、成本高、抗干擾能力差的缺點(diǎn)。 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)誤報(bào)、漏報(bào)問題較多。 發(fā)展 趨勢(shì) 面對(duì)人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)與技術(shù)急速發(fā)展的時(shí)代，伴隨這電子、計(jì)算機(jī)、通訊和現(xiàn)代控制技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警應(yīng)用技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 正在向著全總線制、軟件編程、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、多樣化、小型化、社區(qū)化、藍(lán)牙技術(shù)無線化、高靈敏化、綜合化等方面發(fā)展。 通過對(duì)新技術(shù)、新工藝、新材料和新設(shè)備的應(yīng)用研究，對(duì)系統(tǒng)方案、設(shè)備選型的優(yōu)化組合，改進(jìn)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的工作性能、減少維護(hù)費(fèi)用和維護(hù)要求，向著高可靠性、高靈敏性、低誤報(bào)率、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、技術(shù)智能化方向發(fā)展，為更好的預(yù)防和遏制建筑火災(zāi)提供了強(qiáng)有力的保障，從而更好的保護(hù)國(guó)家和人民的生命、財(cái)產(chǎn)安全。該報(bào)警系統(tǒng)的最基本組成部分應(yīng)包括：信號(hào)采集及 前置 放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、 字符 顯示電路、聲光報(bào)警電路和 安全 保護(hù)電路 等部分組成。 報(bào)警器采用 延時(shí) 的工作方式， 煙霧檢測(cè)報(bào)警器以 AT89C51 單片機(jī)為控制核心，選用 QMN5 半導(dǎo)體 氣體 煙霧 傳感器 采集煙霧 濃度 信息， 配合外圍電路 構(gòu)成煙霧報(bào)警系統(tǒng) 。 圖 21 可燃 煙霧報(bào) 警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 該系統(tǒng)的工作由煙霧信號(hào)采集及放大電路將采集到的煙霧濃度信息轉(zhuǎn)化為放大的模擬電信號(hào)。單片機(jī)對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，并對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。反之則為正常工作狀態(tài)。系統(tǒng)采 用 蜂鳴器聲音報(bào)警和LED 閃爍狀態(tài)作為警報(bào) 信號(hào) 。因 為變化的光信號(hào)可以引起用戶和家庭鄰居的注意，彌補(bǔ)了在嘈雜環(huán)境中聲音報(bào)警的局限，使得報(bào)警裝置更加完善。 系統(tǒng)留有繼電器接口， 使單片機(jī)能夠 控制 換氣風(fēng)扇 和 調(diào)節(jié) 閥 的工作狀態(tài) ， 讓系統(tǒng)在報(bào)警的同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)相關(guān)安全裝置。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。 當(dāng)傳感器煙霧傳感器 放大電路 A/ D 轉(zhuǎn)換 單 片 機(jī) 調(diào)節(jié) 閥 LED狀態(tài)指示燈 蜂鳴器 數(shù)碼管 字符 顯示 換氣扇 5 加熱絲或電纜線和傳感器斷線或接觸不良時(shí)，進(jìn)行故障報(bào)警。 傳感 器的選型 煙霧傳感器是測(cè)量裝置和控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。煙霧傳感器能夠?qū)怏w的種類及其濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱就可以獲得與待測(cè)氣體在環(huán)境中存在的情況有關(guān)的信息，從而達(dá)到檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警的功能。煙霧傳感器作為報(bào)警器中不可缺少的核心器件，它決定了所采集的煙 霧濃度信號(hào)的準(zhǔn)確性和可靠性。它能 將空氣中的煙霧濃度變量轉(zhuǎn)換成有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系的輸出信號(hào)的裝置。當(dāng) 煙霧探頭碰到煙霧或某些特定的氣體，煙霧探頭內(nèi)部阻值發(fā)生變化，產(chǎn)生一個(gè)模擬值，從而對(duì)其進(jìn)行控制。 在智能建筑中對(duì)火災(zāi)探測(cè)器的應(yīng)用主要以感煙火災(zāi)探測(cè)器選用為主。目前， 煙霧傳感器廣泛應(yīng)用在城市安防、小區(qū)、工廠、公司、學(xué)校、家庭、別墅、倉(cāng)庫(kù)、資源、石油、化工、燃?xì)廨斉涞缺姸囝I(lǐng)域。但是，由于 各生產(chǎn)的設(shè)備不可通用，獨(dú)立為正，不但不可彼此互相代替 ，更 不可以互相通訊 。而這也正是國(guó)內(nèi)產(chǎn)品市場(chǎng)的一個(gè)重大缺陷。由 6 于對(duì)不同氣體的檢測(cè)方法不盡相同，目前主要的方法有：利用半導(dǎo)體氣體器件檢測(cè)的電氣法；使用電極和電解液對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)的電化學(xué)法；利用氣體對(duì)光的折射率或光吸收等特性來檢測(cè)氣體的光學(xué)法。但是，任何一個(gè)完整的煙霧傳感器都必須具備以下條件： (a)能選擇性地檢測(cè)某種單一煙霧，而對(duì)共存的其它煙霧不響應(yīng)或低響應(yīng)； (b)對(duì)被測(cè)煙霧具有較高的靈敏度，能有效地檢測(cè)允許范圍內(nèi)的煙霧濃度； (c)對(duì)檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)速度快，重復(fù)性好； (d)長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性好； (e)使用壽命長(zhǎng)； (f)制造成本低，使用與維護(hù)方便。但是， 由于煙霧的種類繁多，一種類型的煙霧傳感器不可能檢測(cè)所有的氣體，通常只能檢測(cè)某一種或兩種特定性質(zhì)的煙霧。固體電解質(zhì)煙霧傳感器主要用于檢測(cè)無機(jī)煙霧，如 O CO H Cl SO2 等。 (a)半導(dǎo)體煙霧傳感器（半導(dǎo)體氣敏傳感器） 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。按照敏感機(jī)理分類，半導(dǎo)體煙霧傳感器可分為電阻式和非電阻式。 自 1962 年半導(dǎo)體金屬氧化物煙霧傳 感器問世以來，由于具有靈敏度高、響應(yīng)快、輸出信號(hào)強(qiáng)、耐久性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、維修方便、價(jià)格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。該傳感器己成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的煙霧傳感器之一。接觸燃燒式氣體傳感器的檢測(cè) 元件一般為鉑金屬絲（也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層），使用時(shí)對(duì)鉑 絲通以電流，保持 300℃～ 400℃的高溫，此時(shí)若與可燃性氣體接觸，可燃性氣體就會(huì)在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑 絲的溫度會(huì)上升，鉑絲的電阻值也上升；通過測(cè)量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道可燃性氣體的濃度。一般在連續(xù)使用兩個(gè)月后應(yīng)對(duì)該傳感器進(jìn)行維護(hù)。 (c)電化學(xué)傳感器 7 電化學(xué)傳感器由膜電極和電解液封裝而成。即煙霧濃度信號(hào)將電解液分解成陰陽帶電離子，通 過電極將信號(hào)傳出。它主要適用于毒性煙霧檢測(cè)。 (d)高分子煙霧傳感器 利用高分子氣敏 元件 制作的煙霧傳感器近年來得到很大的發(fā)展。高分子氣敏 元件 由于具有易操作性、工藝簡(jiǎn)單、常溫選擇性好、價(jià)格低廉、易與微結(jié)構(gòu)傳感器和聲表面波器件相結(jié)合，在毒性煙霧和食品鮮度等方面的檢測(cè)中具有重要作用。 （ e）紅外吸收型傳感器 紅外傳感器通常用兩束紅外光進(jìn)行煙霧測(cè)量，主光束通過測(cè)量元件內(nèi)的目標(biāo)煙霧，參考光束通過比較元件內(nèi)的參考煙霧。未吸收的紅外光由光電探測(cè)器測(cè)量，產(chǎn)生一個(gè)正比于目標(biāo)煙霧濃度的差分信號(hào)。 由于不同的煙 霧吸收不同波長(zhǎng)的 IR，所以傳感器根據(jù)目標(biāo)煙霧而調(diào)整，典型應(yīng)用包括測(cè)量 CO 和 CO冷凍劑煙霧和一些易燃?xì)狻? （ f） 離子感煙傳感器 離子感煙傳感器對(duì)于火災(zāi)初起和陰燃階段的煙霧氣溶膠檢測(cè)非常有效，可測(cè)煙霧粒徑范圍為 。由于它能使兩極板間空氣分子電離為 正、負(fù)離子， 使電極之間原來不導(dǎo)電 的空氣具有導(dǎo)電性。 當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙霧粒子進(jìn)入電離室后，電力部分（區(qū)域）的正離子和負(fù)離子被吸附到煙霧粒子上，使正、負(fù)離子相互中和的概率增加，從而將煙霧粒子濃度大小以電流變化量大小表示出來，實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)參數(shù)的檢測(cè)。平常光源發(fā)出的光，通過透鏡射到光敏元件上，電路維持正常，如果有煙霧從中阻隔，到達(dá)光敏元件上的光就顯著減弱，于是光敏元件就把光強(qiáng)的變化變成電的變化，利用光散射原理對(duì)火災(zāi)初期產(chǎn) 生的煙霧進(jìn)行探測(cè)，并及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 光電式感煙探測(cè)器發(fā)展很快，種類不斷增多，就其功能而言，它能實(shí)現(xiàn)早期火災(zāi)報(bào)警，除應(yīng)用于大型建筑物內(nèi)部外，還特別適用于電氣火災(zāi)危險(xiǎn)性較大的場(chǎng)所，如計(jì)算機(jī)房、儀器儀表室和電纜溝、隧道等處。經(jīng)過對(duì)比眾多煙霧傳感器的應(yīng)用特性，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體煙霧傳感器的優(yōu)點(diǎn)更加 8 突出。因此，本設(shè)計(jì)中的煙霧傳感器選用 QMN5 半導(dǎo)體 氣體 煙霧 傳感器 。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。該傳感器具備一般半導(dǎo)體煙霧傳感器靈敏度高、電導(dǎo)率變化大、響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間短、抗干擾能力強(qiáng)、輸出信號(hào)大、壽命長(zhǎng)和工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在市面上應(yīng)用十分廣泛。 (b)SnO2 氣敏元件對(duì)氣體檢測(cè)是可逆的，而且吸附、脫離時(shí)間短，可連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間使用。 QMN5 氣敏元件 的結(jié)構(gòu)和 外形 如圖 23所示， 由微型 AL2O3 陶瓷管、 SnO2 敏感層 ,測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。 QMN5 半導(dǎo)體 氣體 煙霧 傳感器 適用于天然氣、煤氣、氫氣、烷類氣體、汽油、煤油、乙炔、氨氣、煙霧等的檢測(cè)，對(duì)可燃性氣體的（ CH C4H H2 等）的檢測(cè)很理想。是一款便攜式氣體檢測(cè)器，非常適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。 9 表 21 QMN5的技術(shù)指標(biāo) 加熱電壓（ Vh） AC 或 DC 5177。通常煙霧傳感器輸出的電信號(hào)是模擬信號(hào)（已有許多新型傳感器采用數(shù)字量輸出）。所以 QMN5半導(dǎo)體 氣體 煙霧傳感器 要想把采集到的煙霧濃度模擬信號(hào)傳送給單片機(jī)控制