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1、 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 51 页1 绪论1.1 仓库烟雾警报器的设计背景随着社会的发展，经济区域不断的扩展，大型仓储、物流、加工型企业和物流工业区越来越多。所以，我们应该把在这些区域的消防工作放在首要的位置。仓库指储藏和放置物资的场所和建筑物，是物资高度集中的地方，火灾一旦发生，经济损失将会十分严重。近年来，在我国发生的特大火灾事故中，仓库火灾占有相当比例。如上海紫兴药业有限公司的仓库发生火灾，造成 2 人死亡和 7 人受伤。随州市曾都区的供销社资产管理中心所属仓库发生火灾，烧毁 100 多台电视机、大量的木制家俱还有固体酒精等，造成的损失不低于 100 万
2、元。仓库火灾的损失如此严重，主要是由于其物资高度集中的特点所造成。本文设计了一套适用于仓库火灾的自动报警装置,对于火灾的及早发现和对火灾进行早期的扑灭,减小火灾造成的损失有重要的意义。烟雾检测报警装置是一种能够检测环境中的烟雾浓度并且具有报警功能的仪器。该报警装置可用于石油化学工业、可能有气体泄漏的生产工厂及家庭防火防爆。烟雾报警器归属于中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录中第 46 项，归类于物理化学计量器具。 建筑设计防火规范(GBJ16-87)第 10.3.2 条明确规定:“散发可燃烟雾、可燃蒸汽的甲类厂房和场所，应设置烟雾浓度检测报警装置” 。2003 年 12 月，国家执行了新的
3、烟雾探测器标准(GB 15322-2003)可燃烟雾探测器 ，2004 年 10 月国家颁布可燃烟雾检测报警器规程JJG693-2004 ，研究新型、性能稳定、能准确监测可燃性气体，并合乎国家相关规定的报警器具有极其重要得意义。1.2 仓库烟雾警报器的设计目的火灾警报系统可以在火灾早期将火情及时的通知管理人员，使火灾能够在早期就被抑制，延长货物的疏散的时间。设计一种能够在火灾初期发生时或者有可燃气体堆积引起的火灾隐患时就能发出报警的报警器，使人们能够及时发现火灾，并及时采取有效措施，扑灭初期火灾，最大限度的减少或消除因火灾造成的生命危害和财产的损失，是人们同火灾做斗争的有力工具。火灾自动报警系
4、统一般是由触发器件、火灾报警装置及其他联动控制系统部分等组成。由于物资仓库面积很大，存放的物品密集而且易燃，物资仓库的火灾危险性一般具有以下特征:（1）火势蔓延快， 烟气扩散快；（2）火灾形成后扑救难度大；（3）火险的隐患多，灾后损失严重。根据物资仓库的建筑结构和火灾危险性，触发器件选用了普敏式烟雾警报器，使其可以及早发现火灾还能减小火灾的误报率。同时采取火灾报警控制器和集中火灾控制报警器的分布式结构，以提高火灾自动报警系统的工作效率，使其能及时灭火，减小火灾造成的损失。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 51 页1.3 设计的主要任务我们已经学习了很多比如单片机控制电路
5、、传感器电路、A/D 和 D/A 转换电路、信号放大电路等相关的知识，具备了设计对信号采集、放大、转换、处理、控制以及显示电路的能力。通过对传感器电路，微控制器电路，数据存储电路，显示电路和警报电路的整合，可以设计出一个具有良好性能且稳定性高的电路，以实现对烟雾浓度的检测以及对数据的显示和存储功能。本设计以单片机为核心，通过烟雾传感器对烟雾进行检测其浓度并进行警报和实时显示，以达到对烟雾的监测警报的目的。主要研究的内容有：以单片机为主控制器，设计、制作一套控制系统，实现电动车的电气控制，要求：1输入电源：交流 220V；2可巡回检测储藏库的四个不同位置的烟雾及煤气浓度；3可实时显示各处烟雾及煤
6、气浓度；4检测精度2FS；5可实现数据的保存及调用历史数据；6当烟雾及煤气浓度超过一定值时报警；2 系统原理的概述烟雾警报器可以检测环境中的烟雾，能够实时的显示浓度并且能够在浓度达到一定程度的时候发出警报，其组成部分包括：烟雾信号采集电路，单片机控制电路，显示电路，警报电路，数据存储电路。烟雾信号采集电路是由烟雾传感器和模拟放大电路组成的，烟雾信号会被转化成模拟电信号。模拟信号将通过模数转换电路转换成单片机可以识别的数字信号，然后传入单片机内。数字信号通过单片机的滤波处理，并分析处理后的数据，数据将在显示电路的显示屏上实时显示数据，如果其大于预设值（就是警报值） ，则会出发警报电路发出警报，反
7、之就是正常状态。实时的数据也将会在数据存储电路中存储。烟雾警报器的两大核心是是单片机和烟雾传感器，选择好的传感器，对警报器的稳定性和精确度非常重要。2.1 硬件的原理和结构本文中的烟雾警报器是以 STC12C5A60S2 单片机为核心，采用 MQ-2 型普敏式半导体传感器采集烟雾信息。首先，传感器采集来的烟雾浓度电压信号很小，经过电压信号放大后送入STC12C5A60S2 单片机中；然后，信号在单片机内经过 A/D 转换、浓度比较后，对数据进行线性化的处理，把已经数字化的信号转化为相对应十进制的浓度值；最后，把实际测得的气体浓度信息通过液晶显示器实时显示出来，并同时判断这个浓度值是否桂林电子科
8、技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 51 页超过警报限，当超过是，警报器被触发响起。另外因为烟雾传感器工作的时候需要预热，温度也高，反应也快，响应和回复时间也越迅速。为了使警报器反应迅速，需要向其持续的提供一个 5v 的电压。为了适应工厂、仓库场所对可燃性易爆性烟雾气体的安全要求，我们设计的烟雾报警器不仅要工作范围宽广，而且应具有实时显示烟雾浓度、故障自检、延时报警功能及数据保存调用和实时控制等功能。使其在传统的烟雾报警仪的基础上，具有更高的准确性，低成本，体积小。 本系统是以单片机为核心，与外围电路共同完成信号采集、浓度显示、时间显示、状态显示、声音报警、按键输入等功能。报警器采
9、用自动巡检的工作方式，进行报警值设定。系统采用了具有高性能的 STC12C5A60S2 单片机，因为其工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，可以保证报警器的可靠性及精确性，而且体积小，成本低，有利于减少报警器的体积，节约报警器的成本。报警器系统结构框图如图 2-1 所示：放大 电路A/D 转换单片机LED 状态指示灯蜂鸣器液晶浓度显示烟雾 传感 器四个按键串口通信图 2-1 可燃烟雾报警器系统结构框图2.2 烟雾警报器的类型2.2.1 烟雾传感器介绍 (1) 烟雾传感器的分类 从检测原理上，烟雾传感器有很多种，主要可以分为三大类： 利用物理化学性质的烟雾传感器：如接触燃烧烟雾传感器、半导体烟
10、雾传感器等。 利用物理性质的烟雾传感器：如光干涉烟雾传感器、热导烟雾传感器、红外传感器等。 利用电化学性质的烟雾传感器：如电势型气体传感器、电流型烟雾传感器等。 (2) 烟雾传感器需要满足的基本条件：一个烟雾传感器可能是单功能的，也可能是多功能的；可以是单一的实体，也可桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 51 页以是由多个具有不同功能传感器组成的传感器阵列。不过，一个完整的烟雾传感器都应该具备以下条件：可以选择性地检测某种单一烟雾，而对伴随的其它烟雾不响应或低响应；对被测烟雾气体具有较高的灵敏性，能有效地检测范围内的烟雾浓度；能快速响应检测信号，而且具有较好的重复性；能够
11、稳定的长期的工作；使用寿命长；制做成本低，能够使用与维护。(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。 半导体烟雾传感器半导体烟雾传感器包括用单晶半导体器件制作的烟雾传感器以及用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器。从 1962 年半导体金属氧化物烟雾传感器问世以来，因为具有高灵敏度、响应速度快、输出信号强、结构简单、耐久性强、价格便宜等优点，使其得到了广泛的应用。按照敏感机理分，可将其分为电阻型和非电阻型两种。 固体电解质烟雾传感器 固体电解质烟雾传感器把固体电解质气敏材料作为气敏元件，原理是利用气敏材料在通过烟雾时会产生电阻，测量其形成电动势从而测量烟雾
12、浓度。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性比较好，得到了广泛的应用，进入了石化、环保、矿业等各个领域，是产量仅次于半导体烟雾传感器的传感器。但是这种传感器制造成本较高，检测烟雾范围也有限，在检测环境污染领域中有优势。 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 300C400C 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
13、。 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。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 51 页 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
14、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。 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。 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
15、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
16、烟雾种类 因为烟雾种类繁多，一种类型的烟雾传感器不能检测所有的气体，一般只能检测某一种或者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的是各种还原性烟雾，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。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 51 页表 2-1传感器种类COCO2 H2S NH3HCNHCICOCI2CI2 NOXSO2O2CH4C3H2H2H2O半导体气体传感器高分子电解质气体传感器 接触燃烧式传感器电化学式传感器固体电解质传感器
