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淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第1页共26页1绪论1.1概述多年以来，火灾一直是人们所遭遇的最主要灾害之一，曾对人类的文明造成了重大破坏，许多著名的建筑大多都毁于火灾。例如：我国的南宋在杭州建都后，先后发生火灾20次，其中5次使全城为之一空。公元1201年3月（农历）的一场大火烧了数天，蔓延到城内外10余里，烧毁宫室、军营、仓库、民宅等58000余间，受灾达186300余人，成为我国灾害火灾之最。世界上其他国家的火灾问题也同样十分严重，例如1666年9月2日，英国伦敦失火，大火整整烧了5天，市内83.26%的面积成为瓦砾，其中包括古老的圣保罗大教堂，财产损失达1200万英镑，20多万人无家可归，又如1871年10月美国芝加哥西区发生了火灾，大火27小时后才被雨水浇灭，10万人无家可归，1.73万多间房屋被毁。现在，火灾仍然不断对人类社会造成巨大损失伤害，根据世界火灾统计中心的统计，近年来全球范围内，每年发生的火灾有600～700万起，死亡人数为65000～75000人，大多数国家的火灾直接损失占国有经济总值的0.2%以上。实际上，发生火灾后，除了直接经济财产损失外还有相当大的间接损失，所以要发展加强火灾防范，加强烟雾探测报警器的研究。1.2烟雾探测报警器的应用现状目前，现代建筑都会有选择地安装不同功能的火灾自动报警系统。因为火灾自动报警系统是建筑物的神经系统，它能够感受、接收着发生火灾的早期信号并及时报警，发出警报同时告知用户和周边居民。它就像是一个个称职的更夫，给居住、忙碌或是休息在家庭中的人们以极大的安全感。在火灾的早期阶段，准确的探测到火情并迅速报警，对于及时组织有序快速疏散、积极有效地控制火灾的蔓延、快速灭火和减少火灾对居住人群的损失都具有重要的意义。我国的烟雾探测报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，目前正朝智能化和网络化方向发展。火灾自动报警系统智能化是使探测系统能够模仿人的思维，主动采集环境温度，湿度光波等数据模拟量并充分采用模糊逻辑和人工神经网络技术等进行计算处理。对各项环境数据进行对比判断，从而准确地预报和探测火灾，避免误报和漏报现象。发生火灾时，能依据探测到的各种信息对火场的范围，火势的淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第2页共26页大小，烟的浓度以及火的蔓延方向等给出详细的描述，甚至可配合电子地图进行形象显示，对出动力量和扑救方法等给出合理化建议，以及实现各方面快速准确反应联动，最大限度得降低人员伤亡和财产损失，而且火灾中探测到的各种数据可作为准确判断起火原因，调查火灾事故责任的科学依据。此外，规模庞大的建筑使用全智能型火灾自动报警系统，即探测器和控制器均为智能型，分别承担不同的职能，可提高系统巡检速度，稳定性和可靠性。烟雾探测报警系统网络化是用计算机技术将控制器直接探测器之间、系统内部、各个系统之间以及城市“119”报警中心等通过一定的网络协议进行相互连接，实现远程数据的调用，对火灾自动报警系统实行网络监控管理，使各个独立的系统组成一个大的网络，实现网络内部各系统之间的资源和信息共享，使城市“119”报警中心的人员能及时，准确掌握各单位的有关信息，对各系统进行宏观管理，对各系统出现问题能及时发现并及时责成有关单位进行处理，从而弥补现在部分火灾自动报警系统擅自停用，值班管理人员责任心不强，业务素质低，对出现的问题处置不及时，不果断等方面的不足。目前国内厂家多偏重用于大型仓库、商场、高级写字楼、宾馆等场所大型烟雾探测报警系统的研发，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、价格低廉的烟雾探测报警器是非常必要的。1.3烟雾探测报警器的组成烟雾探测报警系统一般由触发器件、烟雾报警模块、AD模块及具有其他辅助功能的装置组成。随着电子技术和计算机技术的迅速发展,烟雾探测报警系统的结构、形式越来越灵活多样,很难精确划分为几种固定的模式。烟雾探测报警系统对现代建筑起着极其重要的安全保障作用。烟雾探测报警控制器是烟雾探测报警系统的核心。为了减少这类事故的发生，就必须对烟雾进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测仪表，严密监测环境中烟雾的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和家庭生活安全。近几年来，单片机已逐步深入应用到工农业生产各部门及人们生活的各个方面。各种类型的单片机也根据社会的需求而开发出来。单片机实际上是一个微控制器或微处理器。由于它功能齐全，体积小，成本低，因此它可以应用到所有电子系统中。同样，它也可以广泛应用于报警技术领域，使各类报警装置的功能更加完善，可靠性大淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第3页共26页大提高，以满足社会发展的需要。单片机及烟雾传感器是烟雾报警器系统的两大核心。单片机好比一个桥梁，联系着传感器和报警电路设备。1.4本章小节随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，由此引起的火灾也越来越多，在我们生活得四周到处潜伏着火灾隐患。为了避免火灾以及减少火灾造成的损失，所以要发展加强火灾防范，加强烟雾探测报警器的研究。以及讲述了烟雾探测器的应用现状及其组成。2烟雾探测报警器的方案设计2.1烟雾探测报警器设计思路烟雾探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A/D转换电路组成，将烟雾信号转化为模拟的电信号。模数转换电路将从烟雾探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。为了方便检测与监控，使仪器测试人员或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。也可以加入按键，使报警装置更加完善。还可以在声音报警基础上，加入光闪报警，变化的光信号更能引起用户的注意，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。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。它将检测到的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)烟雾传感器的分类淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第4页共26页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。2.2.2烟雾传感器的选定烟雾探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。假如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。如果中毒是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些物质时，经常对探头进行标定，是最有效的办法。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淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第5页共26页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、响应快的优点，他的抗干扰能力更强、寿命更长。2.2.3MQ-2烟雾传感器的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，如果晶粒间界处的离子受到该烟雾的调制而变化，就会引起表面电导率的变化。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。2.2.4MQ-2型传感器的特性及主要技术指标(1)MQ-2型传感器的一般特点：(a)MQ-2型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感。(b)MQ-2型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定，响应时间短，长时间工作性能好。淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第6页共26页(c)MQ-2型传感器具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例如酒精和烟雾等。(2)MQ-2型传感器的基本特性(a)灵敏度特性烟雾传感器在接触同一种烟雾，其电阻值RS随气体浓度变化的特性称之为灵敏度特性，用K表示。K=RS/R0式中，R0为烟雾传感器洁净空气条件下的电阻值，RS为烟雾传感器在一定浓度的检测烟雾中的电阻值。虽然对于不同的烟雾，器件灵敏度特性K的值也会各有差异，但是它们都遵循同一规律，logRS=mlogC+n式中，m为器件相对烟雾浓度变化的敏感性，又称烟雾分离能，对于烟雾，m值为1/2～1/3；C为检测烟雾的浓度。n为与检测烟雾，器件材料有关，并随测试温度和材料中有无增感剂而有所不同。(b)初期稳定特性半导体烟雾传感器在不通电状态存放一段时间后，再通电时，器件并不能立即投入正常工作。这是因为烟雾传感器中的二氧