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51单片机火灾报警系统

2012-04-06 41页 doc 3MB 27阅读

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51单片机火灾报警系统常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 毕业设计(论文)任务书 专业 电子信息工程 班级 中韩电子072 姓名 余涌 一、课题名称: 单片机火灾报警电路设计 二、主要技术指标: (1) 传感器类型:半导体电阻式 ...
51单片机火灾报警系统
常州信息职业技术学院电子与电气学院 毕业设计论文 毕业设计(论文)任务书 专业 电子信息工程 班级 中韩电子072 姓名 余涌 一、课题名称: 单片机火灾报警电路设计 二、主要技术指标: (1) 传感器类型:半导体电阻式 (2) 检测范围:0~100%LEL (3) 报警准确度::±5%LEL (4) 报警点设置:达到20%LEL开始报警 (5) 报警器工作方式:现场固定安装,自然扩散进行采样,长年连续运行 (6) 工作环境温度:检测器 -50°C~50°C;报警器0°C~500°C (7) 工作环境湿度:≤85%RH (8) 报警方式:烟雾泄漏声光报警、自诊断故障报警 (9) 指示方式:数字显示,可显示被测烟雾LEL%及设定报警限值 (10)响应时间:≤30S (11) 输出信号:可输出与烟雾浓度对应的0~5V DC标准信号 (11) 工作电压:AC220V±15%,50±lHz (12)具备快速重复检测和延时报警功能,可区别烟雾的泄漏 和短时间的微量散失,防止误报。 三、工作和要求: 首先,传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过放大,转化成较大的电压信号送入STC12C5410AD单片机;然后,在STC12C5410AD单片机内A/D转换、浓度比较,对数据进行线性化处理, 将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值;最后,将实际可燃性气 体浓度送入液晶,并判断浓度值是否超出报警限,当浓度处于正常状态绿 灯长亮,当烟雾浓度超出设定的限定值时,发出声音报警并伴随红 灯闪亮。另外由于烟雾传感器需要在加热状态下工作,温度越高,反应越 快,响应时间和恢复时间就越快。为提高响应时间,保证传感器准确地、 稳定地工作,报警器需要向烟雾传感器持续输出一个5V的电压。为了保 证其可靠性,在输出5V的电压的同时,进行故障监测。当传感器加热丝 或电缆线和传感器断线或接触不良时,进行故障报警,发出声光报警信号。 当然几种状态的报警信号是各不相同的。 要求:(1)自诊断故障报警功能当传感器加热丝或者电缆线发生断线或者接触不良的情况时,报警器发出警报,并且黄色指示灯闪烁,提醒用户检查传感器或者电路线接触情况,及时排除故障,保证安全。 (2)烟雾浓度显示通过液晶屏显示可燃烟雾的浓度值,并且可以切换到设置状态,通过键盘设置或者更改报警限值,以便于用户或检测人员随时观测烟雾浓度及更改报警限。 (3)烟雾报警功能当烟雾浓度连续20秒取值都在报警限值之上,蜂鸣器开始报警,且声音越来越急促,并且伴随红灯闪烁。因为人对变化的信号更为敏 感,所以变化的声音及灯光更容易引起用户的注意。 (4)防止报警器误报功能 快速重复检测及延时报警可以区别出是管道中可燃烟雾的泄漏,还是由于打开阀门时的微量烟雾的散失。 (5)看门狗自检单片机状态功能调用单片机中的看门狗程序,定时检查单片机工作状态,一旦发现单片机出现死循环状态,立即复位,保证报警器工作正常。 (6)与上位机通讯功能 可以实现与计算机串口通讯,对报警器采取统一控制,以及便于采集 和处理数据,也可以在计算机上更改报警限值等。 (7)自动控制相关安全装置的扩展功能留有继电器接口,可以带动排风扇或大功率蜂鸣器,也可以控制管道电子阀门,可在报警的同时自动启动相关安全装置。 四、主要参考文献: [1]陈连生. 可燃烟雾探测器及其设置安装要领. 石油工程建设. 1996(1): 23~25 [2]张保卫, 尚家峰, 赵金水. 燃气报警器的分类与选择. 山东消防, 2003(8): 27~28 [3]彭军. 传感器与检测技术. 西安电子科技大学出版社, 2003: 263~315 [4]李永生, 杨莉玲. 半导体气敏元件的选择性研究. 传感器技术, 2002(3): 1~3 [5]Yoon D h, Yu J h, Choi Gm. 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实践证明,随着社会和经济的发展,消防工作的重要性就越来越突出。由此,火灾报警器在消防工作就的作用也尤为突出了。我国的火灾自动报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程,其智能化程度也越来越高。但目前国内厂家多偏重用于大型仓库、商场、高级写字楼、宾馆等场所大型火灾报警系统的研发,他们采用集中区域报警控制方式,其系统复杂、成本较高。而在居民住宅区、机房、办公室等小型防火单位,需要设置一种单一或区域联网、廉价实用的火灾自动探测报警装置,因此,研制一种结构简单、价格低廉的语音数字联网火灾报警器是非常必要的。 课题研究的主要内容:本章主要阐述了烟雾报警仪的设计,即传感器的选型和报警器的设计。传感器从种类、选定、工作原理、基本特性四个方面分别叙述。 根据本设计要求及使用环境、成本等因素选用的MQ-2型半导体电阻式烟雾敏感器件。并且从结构、功能、技 术指标三方面对报警器进行了详细地论述,使其在较宽的温度范围工作,用于检测空气中烟雾或可燃性液体蒸汽的浓度。 该报警器将空气中烟雾或可燃性液体蒸汽的浓度显示在仪表盘上,当空气中的烟雾或可燃性液体蒸汽的浓度达到一定浓度时, 则启动快速重复检测和延时报警,以区别出是管道中烟雾的泄漏, 还是由于短暂打开阀门产生的可燃烟雾的微量散失,防止误报。若判断是 烟雾泄漏,则发出声、光报警信号,也可在报警的同时自动驱动相 关安全装置而且具有故障自诊断功能。此系统还可接计算机进行现场实时控制。 主要研究(设计)方法论述:烟雾检测报警器是能够检测环境中的烟雾浓度,并具有报警功能的仪器,仪器的最基本组成部分应包括:烟雾信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。 烟雾信号采集电路一般由烟雾传感器和模拟放大电路组成,将烟雾信 号转化为模拟的电信号。模数转换电路将从烟雾检测电路送出的模拟信号 转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。单片机对该数字信号进行 滤波处理,并对处理后的数据进行分析,是否大于或等于某个预设值(也 就是报警限),如果大于则启动报警电路发出报警声音,反之则为正常状 态。为方便检测与监控,使仪器测试人员及用户能够直观地观察到环境中 的可燃烟雾浓度值,可将浓度值送到显示屏中。方便调节报警限,可以加 入按键。为使报警装置更加完善,可以在声音报警基础上,加入光闪报警, 变化的光信号可以引起用户注意,弥补嘈杂环境中声音报警的局限。以上 是根据报警器应具备的功能,提出的整体设计思路。 四、设计(论文)进度安排: 时间(迄止日期) 工 作 内 容 五、指导教师意见:              指导教师签名: 2009 年 7 月 3 日 六、系部意见:             系主任签名: 2009 年 7 月 4 日 目录 【摘要】······························································9 【关键词】····························································9 第一章 绪论·····························································10 1.1 概述····································································10 1.2 火灾报警器的发展趋势····················································11 1. 3 火灾报警器的现状及特点··················································11 第二章 烟雾检测报警器的方案设计·········································11 2. 1 烟雾检测报警器设计思路·················································11 2. 2 烟雾传感器的选型·······················································12 2. 2.1 烟雾传感器介绍·····················································13 2. 2.2 烟雾传感器的选定····················································14 2. 3 烟雾检测报警器整体设计方案·············································15 2. 3.1 烟雾检测报警器工作原理··············································15 2. 3.2 烟雾检测报警器的结构················································16 2. 3.3 烟雾检测报警器的功能················································16 第三章烟雾检测报警器的硬件设计·······································17 3. 1单片机的选型····················································17 3.1.1 单片机的选择·············································17 3. 2 烟雾检测报警器硬件电路设计··································18 3. 2. 1 信号采集及前置放大电路···································19 3. 2. 2 声音报警电路·············································20 3. 2. 3 数码管显示电路···········································21 3. 2. 4 状态指示灯及控制键电路···································22 3. 2. 5 报警器故障自诊断电路·····································23 第四章烟雾检测报警器的软件设计·······································24 4. 1 STC12系列单片机调试及开发工具················24 4. 2 烟雾检测报警器软件流程及设计·················24 4. 2.1 主程序设计及流程图·····················24 4. 2.2 主程序初始化流程图·····················25 4. 2.3 中位值平均滤波法数字滤波子程序设计及流程图·················27 4. 2.4 插值法线性化处理子程序设计及流程图·························28 4. 2.5 报警子程序设计及流程图·····································30 4. 2.6 控制按键设计子程序及流程图·································31 第五章实验检定及误差分析·············································33 5. 1 烟雾检测报警器检定··········································· 33 5. 1.1 爆炸下限(LEL)概念介绍······································ 34 5. 1.2实验数据分析················································35 5. 2 实验误差分析·················································36 第六章 结束语·······················································37 第七章 答谢词·······················································38 参考文献····························································39 单片机火灾报警系统设计 摘要:随着“信息时代”的到来,作为获取信息的手段——传感器技术得到了显著的进步,其应用领域越来越广泛,对其要求越来越高,需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此,了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。 为了提高对传感器的认识和了解,尤其是对烟雾传感器的深入研究以及其用法与用途,基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一烟雾监控系统。。 本论文以电阻式烟雾传感器和单片机技术为核心并与其他电子技术相结合, 设计出一种技术水平较好的烟雾报警器。其中选用MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现烟雾的检测,具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点,而且价格低廉,使用寿命长。选用的STC12C5410AD单片机,其整合了A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器等资源,具 有高速、低功耗、超强抗干扰等优点,是目前同类技术中性价比较高的产 品。 以STC12C5410AD单片机和MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器为核心设计的烟雾报警器可实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。是一种结构简单、性能 稳定、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾报警器。具有一定的实用价值。 关键词:烟雾,报警器,STC12C5410,传感器 Abstract While “information age” the arrival, obtained the remarkable progress as the gain information method - - sensor technology, its application domain is more and more widespread, is more and more high to its request, the demand is more and more urgent.The sensor technology has become weighs one of national science and technology level of development important symbols.Therefore, understood and grasps each kind of sensor the basic structure, the principle of work and the characteristic is extremely important. In order to enhance to the sensor understanding and the understanding, in particular to the smog sensor thorough research as well as its usage and the use, based on practical, widespread and the model principle has designed this system.This article used the monolithic integrated circuit union sensor technology to develop has designed this smog supervisory system.。 The present paper take leaves the minor smog sensor and the monolithic integrated circuit technology unifies as the core and with other electronic technology, designs one kind of technical level good smog alarm apparatus.In which selects the 2M007 semiconductor resistance type smog sensor realization smog the examination, has the sensitivity high, responds, the antijamming ability quickly strong and so on the merits, moreover the price is inexpensive, the service life is long.Selects the STC12C5410AD monolithic integrated circuit, its conformity A/D transformed, the hardware multiplier, resources and so on hardware PDM keyer, has high speed, low merits and so on power loss, ultra strong antijamming, is the present similar technology neutral price quite high product. May realize the acousto-optics take the STC12C5410AD monolithic integrated circuit and the 2M007 semiconductor resistance type gas sensor as the core design smog alarm apparatus to report to the police, the breakdown from the diagnosis, the density demonstrated, reports to the police limits the establishment, the time delay reports to the police and with functions and so in position machine serial port correspondence.Is one kind of structure simple, the performance stable, the easy to operate, the price inexpensive, the intellectualized smog alarm apparatus.Has certain practical value. Key word: Smog, alarm apparatus, STC12C5410, sensor 1.绪论 1.1 概述 火灾自动报警系统,一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成;也可以根据工程的要求同各种灭火设施和通讯装置联动,以形成中心控制系统。即由自动报警、自动灭火、安全疏散诱导、系统过程显示、消防档案管理等组成一个完整的消防控制系统。 火灾探测器是探测火灾的仪器,由于在火灾发生的阶段,将伴随产生烟雾、高温格火光。这些烟、热和光可以通过探测器转变为电信号报警或使自动灭火系统启动,及时扑灭火灾。 区域报警器能将所在楼层之探测器发出的信号转换为声光报警,并在屏幕上显示出火灾的房间号;同时还能监视若干楼层的集中报警器(如果监视整个大楼的则设于消防控制中心)输出信号或控制自动灭火系统。 集中报警是将接收到的信号以声光方式显示出来,其屏幕上也具体显示出着火的楼层和房间号,机上停走的时钟记录下首次报警时间性,利用本机专用电话,还可迅速发出指示和向消防队报警。此外,也可以控制有关的灭火系统或将火灾信号传输给消防控制室。 1.2发展趋势 二十多年前,中国的消防报警产品刚刚起步,无论产品技术含量、产品系列完整性、使用性,还是社会影响程度都是相当低的。国外的产品和品牌一统天下,占领中国的大部分市场。由于中国的建设正在飞速发展,市场大的惊人,难道这由中国发展带来的成果只能由外国企业来瓜分?可幸的是中国企业抓住了机遇,顶住了挑战,先是一批国家的科研院所,后是一批国营企业、民营企业,业内也吸引和凝聚一大批国内的技术和管理精英,花了十多年时间,通过几次产品更新换代,就使自己的产品紧紧跟上了国际水平,并且夺回了大部分国内市场,使得现在大多国外产品只有招架之功,这是典型的自力更生,走自己的路。当然目前而言,我们基本占据的是国内市场,对外还刚启动。中国企业正虎视眈眈,准备进军海外市场。 1. 3现状及特点 消防报警产品是一个系列产品,包括火灾探测设备、信息传输设备、报警分析控制器、消防控制联动。是物理传感技术、自动控制、计算机技术、数据传输和管理、智能楼宇等技术的综合集成,属于高新技术。依托中国多年的基本建设的发展,这个行业也得到发展,具备了和国外知名企业抗衡的能力。在目前中国许多冠名以高新技术的行业中,中国企业大多做的是下游的制造和服务,分取极少一部分的利润,象消防报警产品那样又拥有自我知识产权,又拥有大量市场的行业其实是很少的。 在消防报警产品的技术含量上,国内产品和国外产品差距不是很大,许多指标已经超越,存在的问题是:类似于国外消防报警产品的大批量规模化的生产才刚起步,有待于积累经验和技术;也因此在产品一致性和长期稳定性上有一些差距;国内正在形成权重的大型企业和集团,这样可以带领国内的各家企业去冲击海外市场,并最终占领海外的消防报警市场。 2烟雾检测报警器的方案设计 2.1烟雾检测报警器设计思路 烟雾检测报警器是能够检测环境中的烟雾浓度,并具有报警功能的仪器,仪器的最基本组成部分应包括:烟雾信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。 烟雾信号采集电路一般由烟雾传感器和模拟放大电路组成,将烟雾信 号转化为模拟的电信号。模数转换电路将从烟雾检测电路送出的模拟信号 转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。单片机对该数字信号进行 滤波处理,并对处理后的数据进行分析,是否大于或等于某个预设值(也 就是报警限),如果大于则启动报警电路发出报警声音,反之则为正常状 态。为方便检测与监控,使仪器测试人员及用户能够直观地观察到环境中 的可燃烟雾浓度值,可将浓度值送到显示屏中。方便调节报警限,可以加 入按键。为使报警装置更加完善,可以在声音报警基础上,加入光闪报警, 变化的光信号可以引起用户注意,弥补嘈杂环境中声音报警的局限。以上 是根据报警器应具备的功能,提出的整体设计思路。 烟雾传感器及单片机是可燃烟雾检测报警器的两大核心,根据报警器 功能的需要,选择合适、精确、经济的烟雾传感器及单片机芯片是 至关重要的。烟雾传感器的选型在下一节详细介绍。单片机作为硬件电路 的核心,它的选型将在第三章详述。 2.2烟雾传感器的选型 烟雾传感器属于气敏传感器,是气-电变换器,它将可燃性气 体在空气中的含量(即浓度)转化成电压或者电流信号,通过A/D转换电路 将模拟量转换成数字量后送到单片机,进而由单片机完成数据处理、浓度 处理及报警控制等工作。传感器作为烟雾检测报警器的信号采集部分,是仪表的核心组成部分之一。由此可见,传感器的选型是非常重要的。 2.2.1烟雾传感器介绍 (1) 烟雾传感器的分类 烟雾传感器种类繁多,从检测原理上可以分为三大类: (a)利用物理化学性质的烟雾传感器:如半导体烟雾传感器、接触燃 烧烟雾传感器等。 (b)利用物理性质的烟雾传感器:如热导烟雾传感器、光干涉烟雾传 感器、红外传感器等。 (c)利用电化学性质的烟雾传感器:如电流型烟雾传感器、电势型气 体传感器等。 (2) 烟雾传感器应满足的基本条件 一个烟雾传感器可以是单功能的,也可以是多功能的;可以是单一的实体,也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是,任何一个完整的烟雾传感器都必须具备以下条件: (a)能选择性地检测某种单一烟雾,而对共存的其它烟雾不响应或低 响应; (b)对被测烟雾具有较高的灵敏度,能有效地检测允许范围内的烟雾 浓度; (c)对检测信号响应速度快,重复性好; (d)长期工作稳定性好; (e)使用寿命长; (f)制造成本低,使用与维护方便。 (3)常见烟雾传感器简介 下面对工业上常用的几种烟雾传感器作简单介绍。 (a) 半导体烟雾传感器 半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器,以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器。自1962年半导体金属氧化物烟雾传感器问世以来,由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点,得到了广泛的应用。该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的烟雾传感器之一。按照敏感机理分类,可分为电阻型和非电阻型。 (b) 固体电解质烟雾传感器 固体电解质烟雾传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件,其原理是利用气敏材料在通过烟雾时产生电阻,测量其形成电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高,灵敏度和选择性好,因而得到了广 泛的应用,几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域,其产量仅次于半导体烟雾传感器的一类传感器。但这种传感器制造成本高,检测烟雾范围有限,在检测环境污染领域中有优势。 (c) 接触燃烧式传感器 当易燃烟雾接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧,故得名接触燃烧式传感器。接触燃烧式烟雾传感器的检测元件一般为铂金属丝(也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层),使用时将铂丝通电,保持300°C~400°C的高温,此时若与烟雾接触,烟雾就会在稀有金属催化层上燃烧,因此铂丝的温度会上升,铂丝的电阻值也上升;通过测量铂丝的电阻值变化的大小,就知道烟雾的浓度。 (d) 高分子烟雾传感器 利用高分子气敏材料制作的烟雾传感器近年来得到很大的发展。高分子气敏材料在遇到特定烟雾时,其电阻、介电常数、材料表面声波传播速 度和频率、材料重量等物理性能发生变化。高分子气敏材料由于具有易操 作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合,在毒性烟雾和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。高分子烟雾传感器具有对特定烟雾分子灵敏度高,选择性好,且结构简单,能在常温下使用,可以弥补其它烟雾传感器的不足。 (e) 电化学传感器 电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。烟雾浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子,通过电极将信号传出。它的优点是:反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测,但寿命较短(大约两年)。它主要适用于毒性烟雾检测。目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。 (f) 热传导传感器 热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式,但是测量原理不同。它的测量原理是:将加热后的铂电阻线圈置于目标烟雾中,由于向目标烟雾传送热量造成温度降低,引起电阻值变化,传感器即测量电阻 值的变化情况。温度的变化情况是目标烟雾热传导率的函数,而对于一种给定的烟雾或汽化物,热传导率是它固有的物理特性。 (g) 红外传感器 红外传感器通常用两束红外光进行烟雾测量,主光束通过测量元件内的目标烟雾,参考光束通过比较元件内的参考烟雾。在测量和比较元件中,红外射线被烟雾有选择地吸收了。未吸收的红外光由光电探测器测量,产生一个正比于目标烟雾浓度的差分信号。非扩散式红外探测器NDIR (non-dispersive IR )是其中的一种,所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。 不同的烟雾吸收不同波长的IR,所以传感器根据目标烟雾而调整,典型应用包括测量CO和CO2、冷冻剂烟雾和一些易燃气。由于非碳氢化合物易燃烟雾(如氢)不吸收电磁谱中IR部分的能量,所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物,并具有最小的交叉灵敏度,而且不受其它烟雾的腐蚀以及高浓度目标烟雾的影响。 (4) 常见烟雾传感器可检测烟雾种类 由于烟雾的种类繁多,一种类型的烟雾传感器不可能检测所有的气体,通常只能检测某一种或两种特定性质的烟雾。例如氧化物半导体烟雾传感器主要检测各种还原性烟雾,如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固体电解质烟雾传感器主要用于检测无机烟雾,如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。 表2.1简要列举出已经研究、开发的各类烟雾传感器及其可检测的气体种类。 传感器种类 C0 CO2 H2S NH3 HCN HCI COCI2 CI2 NOX SO2 O2 CH4 C3H2 H2 H2O 半导体气体传感器 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 固体电解质传感器 ○ ○ ○ ○ ○ 接触燃烧式传感器 ◎ ○ ○ ○ 电化学式传感器 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 高分子电解质气体传感器 ◎ ○ ○ ○ ○ 注:○好 ◎不太好 表2.1各种烟雾传感器可检测的烟雾种类 2.2.2烟雾传感器的选定 烟雾检测报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气 站、喷漆作业等易发生可燃烟雾泄漏的场所,根据报警器检测烟雾 种类的要求,一般选用接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器。 使用接触燃烧式传感器,其探头的阻缓及中毒,是不可避免的问题。 阻缓是当在烟雾与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下,则有可能在无焰燃烧的同时,有些固态物质附着在催化元件表面,阻塞载体的微孔,从而引起响应缓慢反应滞缓,灵敏度降低。虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能,但是如果长期暴露在这样的环境中,其灵敏度会不断下降,导致传感器最终丧失检测烟雾的能力。中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时,则传感器将 使催化元件产生不可逆转的中毒,以致灵敏度很快就丧失。当怀疑检测环 境中存在这些物质时,经常对探头进行标定,是必须且有效的办法。 因此,经常对传感器进行标定,是保证其准确性的必要的途径。一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准,这种经常性对传感器的维护,无形中加大了工作人员的工作量,同时增加了报警器的维护成本。 半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器,它具有灵敏度高, 响应快、体积小、结构简单,使用方便、价格便宜等优点,因而得到广泛应用。半导体烟雾传感器的性能主要看其灵敏度、选择性(抗干扰性)和稳 定性(使用寿命)。 经过对比上述两种烟雾传感器的应用特性,发现半导体烟雾传感器的优点更加突出:灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜,且不会发生探头阻缓及中毒现象,维护成本较低等。因此,本设计采用半导体烟雾传感器作为报警器烟雾信息采集部分的核心。而在众多半导体气体传感器中,本设计选用MQ-2型烟雾传感器,这种型号的传感器不但具备一般半导体烟雾传感器灵敏度 高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。 2.3烟雾检测报警器整体设计方案 2.3.1烟雾检测报警器工作原理 本论文中的烟雾检测报警器以STC12C5410AD单片机为控制核心,采用MQ-2型电阻式半导体传感器采集烟雾信息。 首先,传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过放大,转化成较大的电压信号送入STC12C5410AD单片机;然后,在STC12C5410AD单片机内A/D转换、浓度比较,对数据进行线性化处理, 将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值;最后,将实际可燃性气 体浓度送入液晶,并判断浓度值是否超出报警限,当浓度处于正常状态绿 灯长亮,当烟雾浓度超出设定的限定值时,发出声音报警并伴随红 灯闪亮。另外由于烟雾传感器需要在加热状态下工作,温度越高,反应越 快,响应时间和恢复时间就越快。为提高响应时间,保证传感器准确地、 稳定地工作,报警器需要向烟雾传感器持续输出一个5V的电压。为了保 证其可靠性,在输出5V的电压的同时,进行故障监测。当传感器加热丝 或电缆线和传感器断线或接触不良时,进行故障报警,发出声光报警信号。 当然几种状态的报警信号是各不相同的。 2.3.2烟雾检测报警器的结构 为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求,设计的可燃性烟雾报警仪应不仅能在较宽的温度范围工作,而且应具有显示可燃烟雾浓度、故障自检、延时报警功能及可接计算机进行现场远测和实时控制等功能。其目标是在传统的烟雾报警仪的基础上,尽量提高准确性,降低成本,缩小体积。 报警器系统结构框图如图2.3所示,系统以单片机为核心,配合外围电路共同完成信号采集、浓度显示、时间显示、状态显示、声音及闪烁报警、按键输入、故障自检等功能。报警器采用巡检的工作方式,进行两级 报警值设定,并发出不同的光、声信号。系统应采用高性能的单片机,要求工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低,保证报警器的精确性及可 靠性,而且最好体积小,成本低,有利于减少报警器的体积,降低报警器 的成本。 图2.3 可燃性气体检测报警器结构框图 2.3.3烟雾检测报警器的功能 (1)自诊断故障报警功能 当传感器加热丝或者电缆线发生断线或者接触不良的情况时,报警器发出警报,并且黄色指示灯闪烁,提醒用户检查传感器或者电路线接触情况,及时排除故障,保证安全。 (2)烟雾浓度显示 通过液晶屏显示可燃烟雾的浓度值,并且可以切换到设置状态,通过键盘设置或者更改报警限值,以便于用户或检测人员随时观测烟雾浓度及更改报警限。 (3)烟雾报警功能 当烟雾浓度连续20秒取值都在报警限值之上,蜂鸣器开始报警,且声音越来越急促,并且伴随红灯闪烁。因为人对变化的信号更为敏 感,所以变化的声音及灯光更容易引起用户的注意。 (4)防止报警器误报功能 快速重复检测及延时报警可以区别出是管道中可燃烟雾的泄漏,还是由于打开阀门时的微量烟雾的散失。 (5)看门狗自检单片机状态功能 调用单片机中的看门狗程序,定时检查单片机工作状态,一旦发现单片机出现死循环状态,立即复位,保证报警器工作正常。 (6)与上位机通讯功能 可以实现与计算机串口通讯,对报警器采取统一控制,以及便于采集 和处理数据,也可以在计算机上更改报警限值等。 (7)自动控制相关安全装置的扩展功能 留有继电器接口,可以带动排风扇或大功率蜂鸣器,也可以控制管道电子阀门,可在报警的同时自动启动相关安全装置。 第三章 烟雾检测报警器的硬件设计 在报警仪的设计中,单片机是其核心部件。它一方面要接收来自传感 器送来的烟雾浓度对应的模拟
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