基于单片机的烟雾报警器设计与实现可行性研究报告文档格式.docx
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一、国家立法部门可制定相应法规l、强制民用住宅区域安装烟感器;
另外l、政府参与调节烟感器的售价幅度l、适当给予补贴政策l、让普通家庭都能承受并愿意去购买.
二、针对居民对住宅防火如此无知l、政府相关部门深入开展社会宣传工作l、向居民广泛宣传住宅防火的重要性、必要性及具体措施.大力发动民宗安装住宅烟感器l、直到国内城乡居民住户全部普及使用为止.
三、消防协会可协同法律和保险部门l、由家庭财产保险部门出资l、对每幢居民住宅强制性安装烟火报警器l、以此减少住宅火灾危险.
四、对新建的居民住宅l、相关部门应强调必须安装烟感器.还应组织检查城市旅馆、酒店、商场等公共场所是否合理安装烟感器.以确保火灾发生后能将危害降到最低.
1.2烟雾报警器的国内外现状及发展趋势
1.2.1烟雾报警器的国内外现状
国外从20世纪30年代开始研究及开发烟雾传感器l、且发展迅速l、一方面是因为人们安全意识增强l、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市场增长受到政府安全法规的推动.据有关统计l、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l、传感器日益小型化、集成度不断增大l、使得烟雾检测仪器的体积也逐渐变小l、提高了烟雾检测仪器的便携性l、更加利于生产、运输及市场推广.
1963年5月l、日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器l、次年12月其改良产品问世l、改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体l、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l、生产型号多样、品种较齐全l、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l、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l、进行研究与开发形成自己的特色.近年来l、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.
（1）民用火灾烟雾报警器
民用火灾烟雾报警器为居民家庭用的火灾报警器,一般安装在厨房l、遇到火灾产生的烟雾时时l、报警器可发出声光报警l、或同时伴有数字显示l、同时联动外部设备.有的报警器可自动开启排风扇l、把烟雾排出室外
（2）工业用烟雾报警器及有毒有害烟雾报警器
工业用烟雾报警器及有毒有害烟雾报警器只是检测探头有差异l、而在原理和应用中都很相近.工业用燃气报警器及有毒烟雾报警器根据检测环境的不同l、也可分为检漏仪、控制器和探测器.
检漏仪的体积较小l、可随身携带或手持l、主要应用于燃气管理的查漏与巡检.若有燃气泄漏l、检漏仪便会发出声光报警l、同时数字显示烟雾浓度l、以便及时采取安全措施l、防止爆炸等恶性事故的发生.控制器与探测器结合使用l、可在防爆现场长期监测烟雾的浓度.
探测器安装在防爆现场l、控制器壁挂在值班室等有人值守的地方l、二者采用屏蔽电缆线连接.当在现场的探测器探测到燃气泄漏之后l、通过屏蔽电缆线将信号传到控制器l、控制器发出声光报警l、同时启动排风装置或关闭电磁阀切断气源l、以确保安全.此种仪器广泛应用于液化气站、汽车加油站、锅炉房等工业场所.
1.2.2烟雾报警器的发展趋势
面对人类社会经济与技术急速发展的时代l、伴随这电子、计算机、通讯和现代控制技术的迅速发展l、现代火灾自动报警应用技术发展趋势正在向着全总线制、软件编程、网络化、智能化、多样化、小型化、社区化、蓝牙技术无线化、高灵敏化、综合化等方面发展.
针对当前火灾自动报警系统存在的通讯协议不一致l、系统误报、漏报频繁l、智能化程度低l、网络化程度低、特殊恶劣环境的火灾探测报警抗干扰等问题较为突出的现象l、提出在符合国家消防规范的基础下采用统一、标准、开放的通讯协议.通过对新技术、新工艺、新材料和新设备的应用研究l、对系统方案、设备选型的优化组合l、改进火灾自动报警系统的工作性能、减少维护费用和维护要求l、向着高可靠性、高灵敏性、低误报率、系统网络化、技术智能化方向发展l、为更好的预防和遏制建筑火灾提供强有力的保障l、从而更好的保护国家和人民的生命、财产安全.
1.3本论文主要任务
本篇论文是烟雾报警器的研制l、主要基本部分和扩展部分：
（1）基本部分
（a）对系统进行整体规划和结构设计.
（b）以AT89C51单片机为中央处理器l、对硬件电路进行设计和改进l、使其功能更加完善.系统硬件电路主要分为前置放大电路、键盘电路、声音报警电路、状态指示灯电路、液晶显示电路六个部分.
（c）系统的软件编制.按照软件实现的功能l、主要分为主程序、初始化子程序、键盘处理子程序、线性化处理子程序、浓度显示子程序、报警子程序、报警限值设置子程序、串口通信子程序.在程序的编写过程中l、加入了详细的文字注释l、便于后期的改进与维护.
（d）硬件电路和软件的综合调试.
（2）扩展部分
（a）再加入一路传感器信号采集电路l、利用双通道数据实现采集的优化l、主要是利用辅助的一路进行修正主传感器l、以提高精度和可靠性.
2烟雾检测报警器的方案设计
2.1烟雾报警器设计思路
烟雾检测报警器是能够检测环境中的烟雾浓度l、并具有报警功能的仪器l、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l、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l、并对处理后的数据进行分析l、是否大于或等于某个预设值（也就是报警限）l、如果大于则启动报警电路发出报警声音l、反之则为正常状态.为方便检测与监控l、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l、可将浓度值送到显示屏中.方便调节报警限l、可以加入按键.为使报警装置更加完善l、可以在声音报警基础上l、加入光闪报警l、变化的光信号可以引起用户注意l、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l、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l、根据报警器功能的需要l、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.
烟雾传感器属于气敏传感器l、是气—电变换器l、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l、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l、是仪表核心组成部分之一.由此可见l、传感器的选型是非常重要的.
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l、根据报警器检测种类的要求l、一般选用接触燃烧式传感器和半导体烟雾传感器.
2.2烟雾传感器的选型
烟雾传感器属于气敏传感器l、是气-电变换器l、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l、通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机l、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l、是仪表的核心组成部分之一.由此可见l、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l、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l、也可以是多功能的；
可以是单一的实体l、也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列.但是l、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l、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l、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l、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l、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l、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l、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l、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l、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l、其原理是利用气敏材料在通过烟雾时产生电阻l、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l、灵敏度和选择性好l、因而得到了广泛的应用l、几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域l、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l、检测烟雾范围有限l、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l、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）l、使用时将铂丝通电l、保持300°
C~400°
C的高温l、此时若与烟雾接触l、烟雾就会在稀有金属催化层上燃烧l、因此铂丝的温度会上升l、铂丝的电阻值也上升；
通过测量铂丝的电阻值变化的大小l、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l、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l、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l、选择性好l、且结构简单l、能在常温下使用l、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l、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l、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l、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l、由于向目标烟雾传送热量造成温度降低l、引起电阻值变化l、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l、而对于一种给定的烟雾或汽化物l、热传导率是它固有的物理特性.
红外传感器
红外传感器通常用两束红外光进行烟雾测量l、主光束通过测量元件内的目标烟雾l、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l、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l、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-dispersiveIR）是其中的一种l、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IRl、所以传感器根据目标烟雾而调整l、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l、所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物l、并具有最小的交叉灵敏度l、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l、一种类型的烟雾传感器不可能检测所有的气体l、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l、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l、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
CO2H2SNH3
HCN
HCI
COCI2
CI2NOX
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
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l、根据报警器检测烟雾种类的要求l、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l、其探头的阻缓及中毒l、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l、则有可能在无焰燃烧的同时l、有些固态物质附着在催化元件表面l、阻塞载体的微孔l、从而引起响应缓慢反应滞缓l、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l、但是如果长期暴露在这样的环境中l、其灵敏度会不断下降l、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l、则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒l、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l、经常对探头进行标定l、是必须且有效的办法.
因此l、经常对传感器进行标定l、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l、这种经常性对传感器的维护l、无形中加大了工作人员的工作量l、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l、它具有灵敏度高l、响应快、体积小、结构简单l、使用方便、价格便宜等优点l、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l、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l、且不会发生探头阻缓及中毒现象l、维护成本较低等.因此l、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l、本设计选用MQ-2型烟雾传感器l、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.
2.2.3MQ-2型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l、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.半导体气敏传感器的分类如表2.2所示.
表2.2半导体气敏传感器的分类所利用的特性工作温度表面电阻控制器300~450°
C
类型
所利用的特性
工作温度
代表性被检测气体
电阻型
电阻
表面电阻控制器
300～450°
可燃性气体
体电阻控制器
700°
C以上
乙醇、可燃性气体
非电阻型
二极管整流特性
室温～200°
H2、CO、乙醇
晶体管特性
150°
H2、H2S
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l、属于表面离子式N型半导体.当处于200~300°
C温度时l、二氧化锡吸附空气中的氧l、形成氧的负离子吸附l、使半导体中的电子密度减少l、从而使其电阻值增加.当与烟雾接触时l、如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化l、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l、原来吸附的氧脱附l、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l、烟雾以正离子状态吸附也要放出电子l、从而使二氧化锡半导体导带电子密度增加l、电阻值下降.而当空气中没有烟雾时l、二氧化锡半导体又会自动恢复氧的负离子吸附l、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.MQ-2型传感器的结构图如图2.1所示l、其外观如2.2所示.
图2.1MQ-2型传感器的结构图
图2.2MQ-2型传感器的外观
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l、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l、响应时间短l、长时间工作性能好.
©
MQ-2型传感器具有良好的抗干扰性l、可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息l、例如酒精和烟雾等.
（d）电路设计电压范围宽l、24V以下均可；
加热电压5±
0.2V.
（2）MQ-2型传感器的基本特性
（a）灵敏度特性
烟雾传感器在最佳工作条件下l、接触同一种烟雾l、其电阻值RS随气体浓度变化的特性称之为灵敏度特性l、用K表示.K=RS/R0（2-1）式中l、R0为烟雾传感器洁净空气条件下的电阻值l、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l、器件灵敏度特性K的值也会各有差异l、但是它们都遵循同一规律l、
logRS=mlogC+n（2-2）
式中l、m为器件相对烟雾浓度变化的敏感性l、又称烟雾分离能l、对于烟雾l、m值为1/2~1/3；
C为检测烟雾的浓度.n为与检测烟雾l、器件材料有关l、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l、再通电时l、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化锡在不通电的状态下会吸附空气中的水蒸气l、当再次通电时需要预热几分钟使水蒸气蒸发后l、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l、定义为初期稳定时间.一般情况下l、不通电时间越长l、初期稳定时间也越长l、当不通电存放时间达到15天左右时l、初期稳定时间一般需要5分钟左右.
（c）加热特性
半导体烟雾传感器一般要在较高的温度（200~450°
C）下工作l、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l、若加热丝直接与电源相接l、当加热丝局部短路造成器件过热或放电时l、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l、使其工作在较安全的范围内.MQ-2型烟雾传感器加热电压为5±
0.2Vl、加热电阻为31±
3?
.当加热丝断路时l、由于热惰性缘故l、烟雾传感器的气敏特性并不立即消失l、此时检测必出现较大的误差.为避免出现这种情况l、并及时发现气敏元件的故障l、需要设计加热丝故障诊断报警电路.
（3）MQ-2型传感器的特性参数
（a）回路电压：
（Vc）5~24V
（b）取样电阻：
（RL）0.1~20K
（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R0（air）/RS（0.1%CH4）＞5
（f）响应时间：
Tres＜10秒
（g）恢复时间：
Trec＜30秒
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STC12单片机为控制核心l、采用MQ-2型电阻式半导体传感器采集烟雾信息.
首先l、传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过放大l、转化成较大的电压信号送入ADS1286；
然后l、在ADS1286内A/D转换、浓度比较l、对数据进行线性化处理l、将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值；
最后l、将实际可燃性气体浓度送入液晶l、并判断浓度值是否超出报警限l、当浓度处于正常状态绿灯
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