烟雾浓度检测报警系统设计

东北石油大学课程设计2015年7月8日课程传感器课程设计题目烟雾浓度检测报警系统设计院系电气信息工程学院专业班级测控技术与仪器学生姓名学生学号指导教师任务书课程传感器课程设计题目烟雾浓度检测报警系统设计专业姓名学号主要内容：本课题针对现在火灾频繁发生，设计出一种简单可靠的烟雾检测报警电路。是能够检测环境中的烟雾浓度，并具有报警功能的仪器，烟雾报警器就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，烟感器内部采用半导体烟雾传感器，半导体烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防工作中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。基本要求：1．分析烟雾浓度检测报警系统设计方案的优缺点，说明本设计方案选用原则；2．分析设计中各个电路的工作原理；3．说明选用传感器的基本工作原理、画出应用电路电路图、注明元器件参数。主要参考资料：[1]金发庆，传感器技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2004[2]赵勇，胡涛.传感器与检测技术[M].北京：机械工业出版社，2010-09-01[3]杨志忠.数字电子技术[M].北京：高等教育出版社，2008-8.[4]李永生，杨莉玲.半导体气敏元件选择性研究[J].传感器技术.2002(6):12-20.完成期限2015.7.4—2015.7.8指导教师专业负责人2015年7月1日传感器课程设计摘要家本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；传感器传感器课程设计目录一、设计要求........................................................11、功能与用途...................................................12、课题研究的意义...............................................13、国内外发展现状...............................................1二、设计方案及其特点.................................................21、方案说明.....................................................22、方案论证.....................................................2三、传感器工作原理...................................................3四、电路的工作原理...................................................4五、单元电路设计、参数计算和器件选择.................................41、单元电路设计.................................................52、参数计算.....................................................93、器件选择....................................................13六、总结............................................................14参考文献............................................................16传感器课程设计1烟雾浓度检测报警系统设计一、设计要求1、功能与用途功能：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：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。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。用途：在现代城市家庭里，许多人因不懂家庭安全常识引起火灾事故，使好端端的幸福家庭眼间毁于一旦，有的导致家破人亡，而且一旦发生居民家庭火灾,处置不当、报警迟缓,是造成人员伤亡的重要因素。所以说,人们应该积极了解家庭火灾的主要起因，还有预防火灾的发生。这就是我们研究烟雾报警器的目的。2、课题研究的意义烟雾检测报警装置是能够检测环境中的烟雾浓度并具有报警功能的仪器。该报警装置是石油化学工业、有气体泄漏可能的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。目前我国已有许多城市铺设了煤气管道，使用人口约达二亿人，煤气发生基地及中转站也达几千家。如果这些家用燃气和煤气基地及中转站的报警率按10%计算，烟雾检测报警器的需求量就达2000万台以上。随着全社会对防火防爆及人身安全的重视程度的提高，这个数字会继续增长。近十年来，农村的沼气使用也得到了极大的发展。到2008年底，全国沼气池数量已达近1300万座，这就为检测沼气（主要成分是甲烷）浓度的仪器提供了市场。可见，烟雾报警器具有十分广阔的市场前景。3、国内外发展现状国外从20世纪30年代开始研究及开发烟雾传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是因为传感器课程设计2传感器市场增长受到政府安全法规的推动。据有关统计，美国1996年～2002年烟雾传感器年均增长率为27%～30%。随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得烟雾检测仪器的体积也逐渐变小，提高了烟雾检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推广。1963年5月，日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，次年12月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体，可以安装在浴室或者采用集中监视。我国在70年代初期开始研制烟雾报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色。近年来，在烟雾选择性和产品稳定性上也有很大进步。燃气报警器可分为民用火灾烟雾报警器、工业用烟雾报警器、有毒有害烟雾报警器三大系列产品。二、设计方案及其特点1、方案说明2、方案论证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，图1火灾烟雾报警器系统设计方案框图传感器放大电路A/D转换电路单片机串行口安全控制装置状态指示灯声音报警器浓度显示四个按键传感器课程设计3传感器的选型是非常重要的。半导体烟雾传感器的突出优点：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。三、传感器工作原理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。按敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。半导体气敏元件也有N型和P型之分。N型在检测时阻值随烟雾浓度的增大而减小；P型阻值随烟雾浓度的增大而增大。本设计中采用的MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。当处于200~300°C温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化，就会引起表而电导率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息。遇到可燃烟雾（如CH4等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃烟雾以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面；氧脱附放出电子，烟雾以正离子状态吸附也要放出电子，从而使二氧化锡半导体导带电子密度增加，电阻值下降。而当空气中没有烟雾时，二氧化锡半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是MQ-2型燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的基本原理。气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件(电阻型)的固有电阻值，表示为RA。一般其固有电阻值在(103～105)Ω范围。气敏元件一般工作在200℃以上高温。为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻(指加热器的电阻值)称为加热电阻，用RH。直热式的加热电阻值一般小于5Ω；旁热式的加热电阻大于20Ω。气敏半导体时在接触不同气体时，工作于不同温度下产生的器件阻发生值变化。气敏元件的灵敏度是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表示气体敏感元件的电参量与被测气体浓度之间的依从关系。表示方法有三种：传感器课程设计4（a）电阻比灵敏度K：gaRRK/（1）式中:Ra—气敏元件在洁净空气中的电阻值；Rg—气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值。（b）气体分离度：21/ccRR（2）式中:Rc1—气敏元件在浓度为Cc的被测气体中的阻值：Rc2—气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。通常，C1＞C2。（c）输出电压比灵敏度Kv:gaVVK/v（3）式中:Va—气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；Vg—气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出.四、电路的工作原理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。图2火灾烟雾报警器电路图传感器课程设计5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．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