烟雾检测报警器的方案设计

烟雾检测报警器的方案设计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[2]。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信号采集部分，是仪表核心组成部分之一。由此可见，传感器的选型是非常重要的。烟雾传感器介绍烟雾传感器的分类烟雾传感器种类非常繁多。从检测原理上可以分为三大类：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。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。利用化学性质的烟雾传感器：电流型烟雾传感器，电势气体烟雾传感器等。烟雾传感器应满足的基本条件：一个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的传感器组成的阵列。但是，任何一个完整的烟雾传感器都必须具备以下条件：能选择性地检测某种单一烟雾，而对共同存在的气体烟雾不响应或低响应；对被检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；对检测信号响应速度快，重复性好；长期工作稳定性好；使用寿命长；制造成本低，使用与维护方便；常见烟雾传感器可以检测烟雾的种类由于烟雾种类繁多，一种类型的烟雾传感器不可能测量所有的气体，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用于检测各种还原性烟雾，如CO、H2、C2H50H、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、CL2、SO2等。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露的场所，根据报警器检测种类的要求，一般选用接触燃烧式传感器和半导体烟雾传感器。使用接触燃烧式传感器，其探头的阻缓和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的环境中有得到某种恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断地下降，导致传感器最后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。当怀疑检测环境中含有这些物质时，经常对探头进行标定，是必须且有效的方法。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，同时也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、使用方便、价格便宜等优点，因而等到广泛的应用。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，发型半导体烟雾传感器的特性更加突出：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和中毒现象，维护成本较低。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。而在众多的半导体气体传感器中，本设计选用2M007型烟雾传感器。(1)2M007型传感器的一般特点(a)2M007型传感器对天然气、液化石油气等可燃性气体有很高的灵敏度，尤其对烷类气体更为敏感。(b)2M007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。(c)2M007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气体的干扰信息，例如酒精和烟雾等。(d)电路设计电压范围宽，24V以下均可;加热电压5±0.1V。(2)2M007型传感器的基本特性(a)灵敏度特性气体传感器在最佳工作条件下，接触同一种气体，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。式中，Ro为气体传感器洁净空气条件下的电阻值，Rs为气体传感器在一定浓度的检测气体中的电阻值。虽然对于不同的可燃性气体，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，式中，m为器件相对气体浓度变化的敏感性，又称气体分离能，对于可燃性气体，m值为1/21～/3;C为检测气体的浓度。n为与检测气体，器件材料有关，并随测试温度和材料中有无增感剂}fu有所不同。(b)初期稳定特性半导体气体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。这是因为气体传感器中的二氧化锡在不通电的状态下会吸附空气中的水蒸气，当再次通电时需要预热几分钟使水蒸气蒸发后，气敏电阻才能正常工作。再通电工作时气敏电阻值达到稳定时所需要的时间，定义为初期稳定时间。一般情况下，不通电时间越长，初期稳定时间也越长，当不通电存放时间达到15天左右时，初期稳定时间一般需要5分钟左右。(c)加热特性半导体气体传感器一般要在较高的温度(200～450℃)下工作，所以需要对其加热。由于传感器一般工作在易燃易爆环境下，若加热扮直接与电源相接，当加热扮局部短路造成器件过热或放电时，可能引发事故。所以必须使用传感器生产厂家推荐的加热电压，使其工作在较安全的范围内。2M007型气体传感器加热电压为5±0.2V，加热电阻为30±3Ω。当加热扮断路时，由十热惰性缘故，气体传感器的气敏特性并不立即消失，此时检测必出现较大的误差。为避免出现这种情况，并及时发现气敏兀件的故障，需要设计加热扮故障诊断报警电路。(3)2M007型传感器的特性参数(a)回路电压:(Vc)5～24V(b)取样电阴:(RL)0.1～20KΩ,(c)加热电压:(VH)5±0.2V(d)加热功率:(P)约750mW(e)灵敏度:以甲烷为例Ro(air)/Rs(0.1%CH4)5(f)响应时间:Tres10秒(g)恢复时间:Tree30秒单片机的选型在报警仪的设计中，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信号和故障检测信号，另一方面要对两种信号分别进行处理，控制后续电路进行相应动作；与此同时查询是否有键按下的请求。在单片机完成这些的工作中，尤其是信号处理中，比较浓度值后送入显示的软件实现比较复杂，要求单片机具备较快的运算速度，使检测人员能够较准确地观测到烟雾浓度，并根据情况做进行相应处理。并且也要考虑选择低价实用的机型，并为研制同一系列的低功耗产品做准备。市面上比较普遍的单片机有8051系列与STC系列。8051单片机虽然应用普遍，工具多，易上手，片源广，价格低，但是速度慢，功耗大，适合民用，商用，不适合工业用途。STC12系列单片机具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度却比8051单片机快8~12倍。而且STC12系列下属的STC12C54xxAD系列单片机是低功耗Flash单片机，它的高效寻址方式、大容量Flash、EEPROM、A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器(PWM)等功能特点，较好的实现了强大的功能与超低功耗的结合。而且在功能同样的情况下，管脚较少封装体积小，价格比其他型号便宜，因此具有很好的性价比和应用适应性。STC12C54xxAD系列单片机有6种型号：分别是STC12C5412AD、STC12C5410AD、STC12C5408AD、STC12C5406AD、STC12C5404AD、和STC12C5402AD。它们是以单片机内部集成Flash的大小区分的[3]。在价格相同的情况下，尽量选择Flash较大的芯片，所以选择了STC12C5410AD单片机作为设计的烟雾报警器的单片机核心芯片。STC12C5410AD单片机的特点STC12C5410AD单片机较以往的单片机提高了工作效率，使系统的可靠性、抗干扰能力得到了显著改善，而且进一步小型化和便携化。其内部集成的Flash几乎拥有现代追求个性化的用户所需要的掉电后数据不丢失、快速的数据存取时间、电可擦除、容量大、在线可编程、足够多的擦写次数、价格低廉和高可靠性等所有优点。STC12C5410AD单片机的结构如图2.1所示。图2.1STC12C5410AD单片机结构图STC12C5410AD单片机具有以下特点：(1)Flash存储器STC12C5410ADFlash存储器为10KB。Flash存储器主要用作程序存储，可经计算机串口接口下载程序；程序运行时能对其中的1段或多段进行擦、写操作，因此兼有数据存储器功能。Flash存储器的掉电保护功能可用于程序数据保存，可以按字或字节读写，最小擦除单位为1段，经过擦除的位为“1”，写入位为“0”。(2)脉宽调节模式(PWM)所有PCA模块都可用作PMW输出。输出频率取决于PCA定时器的时钟源。由于所有模块共用仅有的PCA定时器，所有它们的输出频率相同。各个模块的输出占空比是独立变化的，与使用的捕获寄存器{EPCnL，CCAPnL}有关。当CLSFR的值小于{EPCnL，CCAPnL}时，输出为低，当PCACLSFR的值等于或大于{EPCnL，CCAPnL}时，输出为高。当CL的值由FF变为00溢出时，{EPCnH，CCAPnH}的内容装载到{EPCnL，CCAPnL}中。这样就可实现无干扰地更新PWM。要使能PWM模式，模块CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必须置位。(3)I/O口工作类型设置STC12C5410AD带有24个I/O引脚，它的I/O与传统的I/O不同，每个I/O口均可由软件设置成4种工作类型之一，使得功能口和通用I/O口复用。4种类型分别为：准双向口(标准8051输出模式)、推挽输出、仅为输入(高阻)和开漏输出功能。在对同一个I/O口进行操作前要选择其要实现的功能，这样大大地增强了端口的功能和灵活性。其中一些I/O口还可以与STC12C5410AD中的特殊模块相结合完成更为复杂的工作。如与捕获比较模块相结合可以实现串行通信，与A/D模块结合实现A/D转换等。此外，STC12C5410AD的I/O端口电气特性也十分突出，几乎所有的I/O口都有20mA的驱动能力，对于一般的液晶显示屏、蜂鸣器可以直接驱动而无需辅助电路。许多端口内部都集成了上拉电阻，可以方便地与外围器件相接。(4)A/D模数转换寄存器STC12C5410AD单片机的A/D转换口在P1口(P1.7~P1.0)，有8路10位高速A/D转换器，STC12C5410AD系列是10位精度的A/D，速度均可达到100KHz(10万次/秒)。8路电压输入型A/D，可以完成温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等功能。上电复位后P1口是弱上拉型的I/O口，可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用。这样，A/D转换和I/O口可以灵活的运用，节省了软件及时间。(