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烟雾报警仪-烟雾报警器 装置_信息与通信_二氧化碳检测仪

时间:2021-04-08 09:57:14 来源:多种气体检测仪器仪表中心 点击:

武汉科技学院ժҪ随着"信息时代"的到来,作为获取信息的手段——传感器技术得到了显著的进步,其应用领域越来越 广泛,对其要求越来越高,需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志 之一。因此,了解并掌握各类传感器的基本结构,工作原理及特性是非常重要的。 为了提高对传感器的认识和了解,尤其是对烟雾传感器的深入研究以及其用法与用途,基于实用,广泛 和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一烟雾监控系统。 。 本论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 MCS-51 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 MCS-51 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,MCS-51,传感器1武汉科技学院 " age" the , the as the gain - , its is more and more , is more and more high to its , the is more and more 。The has one of and of 。, and each kind of the , the of work and the is 。

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In the type smog smog the , has the high, , the and so on the , the is , the life is long。 the MCS- , its A/D , the , and so on PDM , has high , low and so on loss, , is the high 。

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Has 。 Key word: Smog, , MCS-51, 武汉科技学院第一章 绪论1。1 论文研究来源,目的和意义1。1。1 论文研究来源随着科技的发展,越来越多的巨大的隐患由于工业生产和人们的日常生活而产生。为了早期发现和通报 火灾,防止和减少火灾危害,保护人身和财产安全。保卫社会主义现代化建设,防止火灾引起燃烧,爆炸等 事故,造成严重的经济损失,甚至危及生命安全。 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。因此,研究烟雾的检测方法与研制烟雾报警 器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。1。1。2 论文研究目的和意义为了早期发现和通报火灾,防止和减少火灾危害,保护人身和财产安全。保卫社会主义现代化建设,防 止火灾引起燃烧,爆炸等事故,造成严重的经济损失,甚至危及生命安全。 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。烟雾报警器属于《中华人 民共和国强制检定的工 作计量器具目录》中第 46 项,它归类于物理化学 计量器具。 《建筑设计防火规范》(-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, 国家执行新的烟雾探测器标准(GB -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 -2004》 ,研究新型,性能稳定,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。 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 2006 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。

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可见,烟雾报警器具有十分广阔的市场前景。1。2 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,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3武汉科技学院感器日益小型化,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。 (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,遇到火灾产生的烟雾时时,报警器 可发出声光报警,或同时伴有数字显示,同时联动 外部设备。有的报警器可自动开启排风扇,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,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,也可分为检漏仪,控制器和探测器。 检漏仪的体积较小,可随身携带或手持,主要应用于燃气管理的查漏 与巡检。若有燃气泄漏,检漏仪 便会发出声光报警,同时数字显示烟雾浓 度,以便及时采取安全措施,防止爆炸等恶性事故的发生。 控制 器与探测器结合使用烟雾报警仪,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,控制器壁挂在值班室等有人值守的地方,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,通过屏蔽电缆线将信号传到控制器,控制器发出声光报警,同时启动排风 装置或关闭电磁阀切断气源, 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。4武汉科技学院第二章 烟雾检测报警器的方案设计2。1 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。 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。

烟雾传感器的选型在下一节详细介绍。单片机作为硬件电 路 的核心,它的选型将在第三章详述。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 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,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; 5武汉科技学院(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,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。 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烟雾报警仪,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。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 境中存在这些物质时,经常对探头进行标定,是必须且有效的 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,抗干扰能力强,寿 命长等优点。2。2。3 MQ-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,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 表 2。2 半导体气敏传感器的分类6武汉科技学院类型 所利用的特性 电阻 电阻型 表面电阻控制器 体电阻控制器 工作温度 300~450°C 300~450°C 700°C 以上 非电阻型 二极管整流特性 晶体管特性 室温~200°C 150°C H2,CO,乙醇 H2,H2S 代表性被检测气体 可燃性气体 乙醇,可燃性气体本设计中采用的 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。 MQ-2 型传感器的结构图如 图 2。1 所示, 其外观如 2。2 所示。图 2。1MQ-2 型传感器的结构图7武汉科技学院图 2。2 MQ-2 型传感器的外观2。2。4 MQ-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。 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。 (d)电路设计电压范围宽,24V 以下均可;加热电压 5±0。2V。 (2) 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 (e)灵 敏 度:以甲烷为例 R0(air)/RS (0。1%CH4)>5 (f)响应时间:Tres

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