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1、商丘工学院毕业论文（设计）题目： 多路无线火灾报警系统设计 学 院： 信息与电子工程学院 专 业： 11电子信息工程技术 班 级： 11电信1班 学生姓名： 智二霞 指导教师： 刘 琳 成 绩： 2014年5月 摘 要随着“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
2、机结合传感器技术以及无线通信技术而开发设计了这一无线火灾报警系统。本文介绍了一种适用于多种公共场所的无线火灾报警系统。针对现有的分布式火灾报警系统投资大、安装麻烦、工程量大等缺点，设计了一种基于单片机的无线火灾报警系统。系统上位机采用AT89C51单片机作为主控芯片，可分为主控模块、存储模块、人机对话模块(包括数码管和键盘)和无线射频通信模块。系统下位机以AT89C51系列单片机作为主控芯片，可分为主控模块、烟感探头以及无线射频通信模块。该系统具有很好的可靠性和实时性，具有广泛的市场前景。随着计算机技术和信息技术等高新技术的快速发展，无线火灾报警技术也得到迅速的推动。无线火灾报警技术的应用范围
3、是非常广泛的，更是与我们的生活及生命财产安全息息相关的。本文综合运用无线通信技术，从系统的观点出发将分布式控制的思想应用到无线报警控制系统的设计之中，采用一台AT89C51系列单片机作为系统的上位机，下位机也采用了与上位机相同的AT89C51单片机。上位机和下位机之间通过无线模块进行通讯，组成分布式智能消防报警控制系统。该系统下位机的感烟探测器由感烟探测器经加装无线传输设备而成。上位机的液晶显示界面要求提供良好人机对话界面，在故障和报警时提供相应的声光报警信号和数码管显示。 关键词：火灾报警；AT89C51单片机；PTR2000； 前 言“火灾”，是指在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。
4、在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。人类能够对火进行利用和控制，是文明进步的一个重要标志。火，给人类带来文明进步、光明和温暖。但是，失去控制的火，就会给人类造成巨大的灾难。对于火灾，在我国古代，人们就总结出“防为上，救次之，戒为下”的经验。随着社会的不断发展，在社会财富日益增多的同时，导致发生火灾的危险性也在增多， 火灾的危害性也越来越大。据统计， 我国七十年代火灾年平均损失不到2.5亿元，八十年代火灾年平均损失不到3.2亿元。进入九十年代， 特别是1993 年以来，火灾造成的直接财产损失上升到年均十几亿元，年均死亡2000多人。消防作为一门独立的学科，专
5、门研究如何预防和控制火灾的发生和蔓延，是很多领域的交叉点，已经融入了大量的计算机技术、电子技术、传感器技术以及现代自动控制技术。在消防领域，研制自动化的消防报警控制系统是一个很有意义的课题。自二十世纪四十年代瑞士西伯乐斯公司研制出第一只离子感烟探测器，并组建了世界上第一家生产火灾报警设备厂，火灾自动报警技术开始了真正有意义的推广和发展。根据火灾自动报警技术的发展，通常把二十世纪八十年代初兴起的新一代报警系统称为“现代火灾自动报警系统”，把采用八十年代以前的技术生产的目前仍在使用的系统通称为“传统火灾自动报警系统”。传统火灾自动报警系统几十年的发展和应用表明，只要不同类型的火灾探测器用于适宜的场
6、所，经正确的安装并在合理的使用规则下运行，均可发挥其监视火情的重要作用，但是，在应用中它的不足之处很明显，主要有：传统开关量火灾探测器报警判断方式缺乏科学性。因为开关量火灾探测器的火灾判断依据仅仅是根据所探测的某个火灾现象参数是否超过其自身设定值（阈值）来确定是否报警，所以无法排除环境和其它的干扰因素。也就是说，以一个不变的灵敏度来面对不同使用场所、不同使用环境的变化，显然是不科学的。灵敏度选低了，会引起漏报或报警不及时，选高了容易产生误报警，通常均稍选高一点，宁可误报不可不报。另外，由于探测器内部电路的漂移现象和元器件失效等因素，也会产生误报警。据国外统计数据表明，误报与真实火灾报警之比达2
7、01之多。较高误报会使使用者对火灾报警系统失去信心，甚至关闭火灾报警系统。传统火灾自动报警系统的功能少、性能差，不能满足发展需要。比如：多线制报警系统费线费工；电源功耗大；缺乏故障自诊断、自排除能力；无法识别报警探测器（地址编码）及探测器类型；不具备现场编程能力；不能自动探测重要组件的真实状态；不能自动补偿探测器灵敏度的漂移；当线路短路或开路时，系统不能采用隔离切断有故障的部分等。随着我国现代化建设的发展，各种现代化楼宇对火灾报警系统提出了更高的要求。大宾馆、酒店、商场、图书馆、博物馆、档案馆和办公楼等，无线火灾报警系统系统已成为必不可少的安保装置。当今社会火灾的发生频率非常高，无论电器设备、
8、装修材料、室内陈设都有可能引发楼宇火灾，导致人员伤亡和财产损失。而火灾最容易发生在人群周围和物资密集的地方，损失尤以高层建筑最大，因此无线火灾报警系统报警系统技术，在智能楼宇中的应用最具代表性。目前，分布式消防报警系统大多采用有线方式传输线路进行连接。这样的连接方式投资大、安装麻烦、工程量大，特别在旧建筑中安装时，工序更是极为的麻烦。而且是今天大多数的大宾馆、酒店、商场、图书馆、博物馆、档案馆和办公楼等外表看起来都要求美观，因此在安装设备时就要把线路隐藏在墙面内，这样的话工程量和投资都会陡然增加。因此一种安全可靠、便于安装、投资少的分布式火灾报警系统更加符合市场的实际需要，也具有更大的市场空间
9、。因为它不仅可以减少很多不必要的消耗，还有利于节约资源，并可为环保作出一定的贡献。而且现在的无线通信技术已经可以做到高速率、低功耗，这就大大降低了系统成本和施工成本，并且明显地降低了系统安装的难度。而且系统具有比较良好的人机交互界面，绝大多数人都可以使用，所有监测点的情况都一目了然，简单方便，非常的实用。随着时间的推移，无线火灾报警系统在这一行业中必将成为主流，成为这一行业当今发展的主要方向，按现在的发展趋势来看，它必将以绝对优势在激烈的市场竞争走在前列，因为它更符合当今世界人们的需要，顺应时代发展的潮流。目 录第一章 绪论11.1 概述11.2 国内外火灾报警系统发展与现状11.2.1国内火
10、灾报警系统发展及现状21.2.2国外火灾报警系统发展及现状21.3 国内外无线火灾报警系统发展趋势31.4 课题研究的任务要求3第二章 系统硬件设计42.1单片机的选定42.2信号采集及前置放大电路72.3声音报警电路92.4数码管显示电路102.5状态指示灯及控制键电路102.6报警器故障自诊断电路112.6.1判断传感器电源连接情况112.6.2判断传感器信号端连接情况122.7烟雾检测器122.7.1烟雾检测器的设计思路122.7.2烟雾传感器的选型132.7.3烟雾传感器介绍132.7.4烟雾传感器的选定142.8烟雾检测器整体设计方案152.8.1烟雾检测器工作原理152.8.2烟雾
11、检测器的结构162.8.3烟雾检测器的功能162.9通信模块设计182.10单片机与PTR2000接口电路的设计19第三章 系统软件设计203.1主程序设计及流程图.20 3.2主程序初始化流程图223.3报警子程序设计及流程图223.4 控制按键设计子程序及流程图243.5无线模块软件设计243.5.1PTR2000模块程序设计243.5.2串行无线通信协议设计253.5.3 程序流程25结论27参考文献28第一章 绪论1.1 概述火灾报警系统，一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成；也可以根据工程的要求同各种灭火设施和通讯装置联动，以形成中心控制系统。即由自动报警、自动灭火、安全疏散
12、诱导、系统过程显示、消防档案管理等组成一个完整的消防控制系统。 火灾探测器是探测火灾的仪器，由于在火灾发生的阶段，将伴随产生烟雾、高温格火光。这些烟、热和光可以通过探测器转变为电信号报警或使自动灭火系统启动，及时扑灭火灾。 区域报警器能将所在楼层之探测器发出的信号转换为声光报警，并在屏幕上显示出火灾的房间号；同时还能监视若干楼层的集中报警器（如果监视整个大楼的则设于消防控制中心）输出信号或控制自动灭火系统。 集中报警是将接收到的信号以声光方式显示出来，其屏幕上也具体显示出着火的楼层和房间号，机上停走的时钟记录下首次报警时间性，利用本机专用电话，还可迅速发出指示和向消防队报警。此外，也可以控制有
13、关的灭火系统或将火灾信号传输给消防控制室。1.2 国内外火灾报警系统发展与现状国内外火灾报警系统，从发展过程来看，大体可分为三个阶段。第一阶段：多线型火灾自动报警系统。每个探测器除需提供两根电源线外，还需提供一根报警信号线，探测器电源由报警器提供，探测器的信号线均连接到报警显示盘上，报警时点亮相应的指示灯，如日本“日探”公司生产的CPF 火灾报警系统，此类系统的功能一般以报警为主，辅以一些简单的联动功能（也为多线制），如驱动警铃等，其报警器对外围探测器无故障检测功能，只会对电源线的断线做出故障反应，安装此类系统比较繁琐，特别是校线工作量较大。第二阶段：总线型火灾自动报警系统。这种自动报警系统已
14、采用微处理器控制，其线制一般有四线制、三线制、二线制，探测器和模块均采用地址编码形式，通过总线与控制器实现信号传送，其探测器的报警形式为开关量，它的灵敏度在制造时，通过硬件决定，不可调整，此类系统可进行现场编程，并通过各种模块对各联动设备实行较复杂的控制，此类系统已具有系统自检以及对外围器件的故障检验等功能，但对故障类型不能区分，目前国内生产的火灾自动报警系统大多数为此类产品，由于此类产品具有报警和控制功能，它的施工、安装较为方便，且价格较低，已被大量使用。第三阶段：智能型火灾自动报警系统。由于采用了先进的计算机控制技术，智能化程度大大提高，探测器的报警形式采用数字量，并可通过软件对其灵敏度根
15、据使用场合、时间进行设定和调整，如可设定白天、夜间、休息日不同灵敏度。对探测器的使用环境参数变化较大的场所，灵敏度设定相对低一些，对环境较稳定或一些重要的场所，灵敏度设定相对高一些，这一功能可提高系统的稳定性及可靠性，减少误报。1.2.1国内火灾报警系统发展及现状我国的火灾自动报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，其智能化程度也越来越高。我国火灾报警系统起步较发达国家晚几十年，从上世纪七十年代我国才开始研制生产火灾报警系统产品。进入八十年代后，国内主要厂家也多是模仿国外产品，或是引进国外技术进行生产，没有真正意义上的核心技术，并且市场也刚刚开始发育。火灾报警产品真正发展是在九十年
16、代以后，随着政府逐渐开放国门，国外企业开始大量进入中国消防市场，带来先进技术的同时也促进了市场的成熟。这时期，我国生产火灾报警产品的企业也得到了快速发展，部分企业进行了合资生产、技术合作，取得了不菲的成绩，也造就了现今市场上许多有实力的商家，部分技术已接近或赶上了国际水平8。通过几次产品更新换代，已经使自己的产品紧紧跟上了国际水平，并且夺回了大部分国内市场，使得现在大多国外产品只有招架之功，这是典型的自力更生，走自己的路。当然目前而言，我们基本占据的是国内市场，对外还刚启动。中国企业正虎视眈眈，准备进军海外市场。依托中国多年的基本建设的发展，这个行业也得到发展，具备了和国外知名企业抗衡的能力。
17、在目前中国许多冠名以高新技术的行业中，中国企业大多做的是下游的制造和服务，分取极少一部分的利润，象消防报警产品那样又拥有自我知识产权，又拥有大量市场的行业其实是很少的。我国消防电子产品企业在消防战线上不仅担负着生产更多更好的产品以满足社会经济发展的要求的任务，而且还担负着为广大消费者提供物质生活(消防产品)和文化(知识科技等)生活服务的“多重任务”。 面对国内市场国际化、国际市场国内化、市场竞争白热化的新形势，我国消防产品企业要跻进国际市场成为举足轻重的一员就必须加快向服务型企业转变的进程。1.2.2国外火灾报警系统发展及现状国外一些较发达的国家，具有火灾预防、报警、扑救、善后处理等比较完善的
18、消防体系。政府每年都要拨出大笔资金用于消防设备更新、人员培训以及消防设施维护。德国、日本、美国等国家就采用计算机与用户终端的传感器或者用户终端信号采集器相连，对火灾自动报警设备实时监控以及故障远程传输。例如：美国、加拿大、英国、澳大利亚、日本等国家在建设和应用城市火灾自动报警监控系统方面均有可供借鉴的成功经验。他们将自动火灾报警作为公共报警手段接入监控系统，并有效运行多年，使消防指挥中心能够快速准确判断火灾地点、火灾类型，并调度消防部队迅速到达现场，自动报警监控系统在此起到了很大的作用。此外，这些国家在监控系统管理方面比较规范，专门成立一个监控服务机构，该机构的责任是保证火灾报警数据通信畅通，
19、为用户服务，对用户负责，同时向消防部队传送可靠的火灾报警信息，而消防部门的主要责任是对此类服务机构进行资质审查及监督管理。这种管理运作方式已经取得了良好的效果。目前国外发达国家已逐渐形成一个集安防、消防、医疗救护为一体的安全保障行业。安全技术防范行业真正形成行业规模是在第二次产业革命中即1950年-1971年，首先在美国、英国等国家形成，像ADEMCO（安定宝）；VICON（维康）；CHUBO（集宝）；AMERICA DYNAMIC（A.D）等。六十年代视频图像技术、七十年代计算机数字技术、八十年代生物识别技术以及九十年代国际互联网技术的应用，使安防行业得到快速发展。现在世界各国都在致力于研究
20、和开发能早期预报火灾的火灾探测方法和设备，如利用神经网络所具有的自学习和自适应等特点，就可以组成智能火灾探测系统，提高火灾探测系统的检出率，增进系统的可靠性。1.3 国内外无线火灾报警系统发展趋势国内外火灾报警产品技术发展的特点如下：智能化：从传统型走向全总线智能型从根本上解决火灾报警系统的误报和漏报。1994年以后所有的国际厂商产品先后升级换代为全总线智能火灾报警系统如瑞士西伯乐斯公司从CS100升级为S11；美国新普利斯从2120升级为4000；日本能美公司从R12升级为R21Z；日本日探公司从F-1升级为F-3，又如美国江森公司的2020，霍尼威尔公司的FS90，英国GENT的3400，
21、英国ZITTON的ZP-5，德国安舍的80078，西门子公司的西格玛系统。中国的生产厂商到90年代末也将原有产品不同程度的升级为智能产品，如海湾GST5000和GST8000，首安SL-M500和SL-D601南京盛华SH9400，利达LD128、国营262厂5800、6800、7800和9100，世宗ZN900和S2175，深圳市赋安AFN100，国泰怡安G5、G6、G7和GK603，狮岛SHIDAOSD2100B L，海拓普AHG9600，北京中科原电子仪器厂J3000，北京核中警HJ8000，清华同方消防TF9200，四川久远JF-998，依爱EI-2000，蓝天3100和5i，无锡市电
22、子报警YZ80000，天津天利M2000、西安莱科思LK2000，东莞市方达电子FD21，南京亨利HTS8000、上海互易消防电子HY6200等 例如JF-998系统其技术特点：控制器采用积木式模块化设计，可以根据实际工程规模方便地增减；二总线上采用了先进的传输技术，包括电压和电流两种传输方式，并用对返回信号采用动态环境补偿措施从而提高了抗干扰能力，二总线的布线长度可以达到2000；在控制器各单元之间以及联网的多台控制器之间采用了内部和外部两个CAN总线进行连接；探测器采用软编址方式，取消了拨码开关，具有内置动态调零能力，能够自动修正环境造成的本底漂移；控制模块本身不需要除二总线以外的供电，可
23、以与所控制的设备实现完全的电隔离（包括外控和设备动作回答），从而大大提高了控制模块的抗干扰能力等，这些技术与国际接轨，缩短了与国际先进的技术和产品的差距可见智能化是国内外厂商产品技术升级的主要标志。线制：从多线制走向全总线制便于设计、施工、布线管理。联动：从多线制的硬件组合走向全总线软件编程便于设计、施工、管理和现场维修。可以明确认为，智能化和采用检索查询技术，使报警控制器走向联动型，是消防报警控制系统技术发展的必然趋势。1.4 课题研究的任务要求本文设计的是一个基于单片机的无线火灾报警系统，要求能够通过对烟雾的检测进行火灾报警。具体要求：有效传输距离在100m以上，即在有效距离内能实现报警；
24、程序跑飞或者死机时，系统能复位以使系统恢复正常运转；断电后仍然能够保存一些重要的历史信息数据。第二章 系统硬件设计2.1单片机的选定单片机是烟雾检测报警器的核心部件，一方面它要接收来自传感器的烟雾浓度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，控制后续电路的相应工作；同时，查询是否有键按下的 命令。在单片机实现的功能中，将模数转换后的信号做数字滤波，再进行线性化处理，然后送LCD显示，这一过程的软件实现，需要单片机有较 快的运算速度，使仪表监测人员能够观测到实时的烟雾浓度，并进行相应处理。同时，在能够满足报警器设计的计算速度及接口数的要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体
25、积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。如今市面上比较普遍的单片机有51系列与STC系列。STC系列虽然功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，但是存在溢出隐患问题，而且更适用于工业用途；AT89C51单片机应用普遍，工具多，易上手，片源广，价格低，且适合民用、商用。用途更广泛。综合以上观点，本论文选定AT89C51作为本系统的核心。图2-1 AT89C51管脚图AT89C51简介：AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memo
26、ry）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图2-1为AT89C51管脚图，各管脚功能如下：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作
27、为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位
28、地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高
29、电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态。 表2-1 AT89C51的初始态特殊功能寄存器初始态特殊功能寄存器初始态ACC00HB00HPSW00HSP07HDPH00HTH000HDPL00HTH100HIP0xx00000BTH100HIE0xx00000BTL100HTMOD00HTCON00HSCONxxxxxxxxBSBUF00HP0-P3BPCON0xxxxxxxB ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地
30、位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP：当/E
31、A保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须
32、保证脉冲的高低电平要求的宽度。芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89S51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。2.2信号采集及前置放大电路传感器输出信号一般比较微弱，需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电
33、平调整，满足单片机对输入信号的要求。本系统采用的半导体烟雾传感器属于电阻型，因此只需串联一个参考电阻，再经过一个放大电路即可发送给ADC采集。由于系统采用的是单极性供电，所以采用同相比例 放大电路，可以减少硬件开销；反之，如果采用反相放大，则一般需要利用双极性供电，这就需要系统额外的利用变压芯片产生一个负压，这显然 会造成浪费。常见的运算放大器中，LM324价格低廉、使用简单等优点比较突出，所以本设计中的前置放大电路采用LM324作为电路的运算放大器。 LM324是单片高增益四运算放大器，可在较宽电压范围内的单电源或双电源下工作，其电源电流很小且与电源电压无关，四个运放一致性好； 其输入偏流电
34、阻是温度补偿的，也不需外接频率补偿，可做到输出电平与数字电路兼容。 下面详细介绍运算放大电路： 如图2-2所示，从传感器的上端出来的信号Vi经过运算放大器的同相输入端，但是为保证引入的是负反馈，输出电压Vo通过电阻R4接到反相输入端，同时，反相输入端通过电阻R3接到参考电压Vref。 同相比例运算电路中反馈的组态为电压串联负反馈，同样可以利用理想运放工作在线性区时的两个特点来分析其电压放大倍数。 在图2-2中，根据运放的“虚短”和“虚断”的特点可知，I-=I+=0，所以 V-=Vo*R3/R3+R4+Vref*R4/R3+R4而且 V-=V+=ViVo =Vi*（R3+R4）/R3 由以上两式
35、可求出 Vo=Vref-R4/R3 所以本放大电路的放大倍数A =1+R4 R3，此放大电路为同相比例放大电路，它的放大倍数总是大于或等于1。同相比例运算电路有以下几个特点： (1)同相比例运算放大电路是一个深度的电压串联负反馈电路。因为不存在“虚地”现象，所以其输入端有较高的共模输入电压。(2)电压放大倍数A =1+R4R3 ，即输出电压与输入电压的幅值成正比，且相位相同，所以此电路实现了同相比例放大。如果不接R3和R4，则此电路就成了“电压跟随器”，它可以减少电路模块间由于阻抗引起的干扰。 (3)由于引入了深度电压串联负反馈，因此电路的输入阻抗很高，输出阻抗很低。高输入阻抗就可以减少放大电
36、路对前端电路的影响，同时低输出阻抗也可以提高自身的抗干扰性，这显然有利于电路中其他模块的设 计。 此放大电路还加了参考电压，引入了零点调节功能，这样可以更方便 的调整由于不同传感器导致的零点变化问题。它利用滑动变阻器产生一个参考电压Vref，再利用电压跟随器把电压输入到运算放大电路的电压参考 端。所以调节滑动变阻器，就可以直接改变放大电路的参考电压。而电压 跟随器的作用就如上面介绍的，它只是用来匹配阻抗用的，防止R3和R4对 滑动变阻器输出电压的影响。图2-2 前置放大电路图2.3声音报警电路声音报警电路图如图2-3所示。报警装置采用无源压电式KM3712x型蜂鸣器，较一般的蜂鸣器体积大，声音
37、响亮，适用于家用煤气报警器的报警声音源。当单片机STC12C5410AD的17脚(P3.7)置1时，三极 管Q1导通，蜂鸣器报警。本报警器采用单片机STC12C5410AD的PWM功能，如果烟雾浓度达到报警限，单片机控制P3.7(PWM)口输出占空比一定的脉冲，报警时蜂鸣器会发出如警车警笛的声音。图2-3 声音报警电路图2.4数码管显示电路如图2-4所示，报警器浓度显示采用共阳数码管。显示浓度级别，其主要技术参数如下： 模块工作电压： 2.7-5.5V 工作电流：80ma,每段10ma字高：11.4mm环境相对湿度：85视角：6:00工作温度：-10+50C显示方式：反射式正显示存储温度：-2
38、0+60C接口方式：8线并行接口图2-4 数码管结构图2.5状态指示灯及控制键电路状态指示灯及控制键电路图如图2-5所示。单片机STC12C5410AD的18脚(P1.0)、12脚(P2.4)、13脚(P2.5)，控制输出的状态指示灯。绿灯常亮表示正常状态，环境中可燃烟雾浓度极低。黄灯闪亮表示传感器加热 丝或者电缆发生断线或者接触不良。红灯闪亮表示环境中可燃烟雾浓度超过报警限值，提醒用户尽快作相应安全措施。当烟雾浓度超过报警限，发出鸣叫声并且发射模块向上位机（用户端）发出报警信号，用户端发出鸣叫，用户到达现场后，可按下按键停止报警器鸣叫。若过一点时间浓度仍超出报警限，报警器会再次鸣叫提醒用户。
39、图2-5 状态指示灯电路图图2-6 控制按键连接示意图2.6报警器故障自诊断电路2.6.1.判断传感器电源连接情况 如图2-7，在传感器的地端串联一个电阻R6。当传感器正常连接时，电阻和传感器分压，此时电阻两端有微弱的电压，单片机可以通过P1.1(AD)口检测到； 如果传感器电源连接不正常，则会产生断路，检测到电阻两端电压为0。图2-7 传感器电源连接自诊断电路2.6.2判断传感器信号端连接情况 另一种情况是判断传感器信号端是否连接正确，此时不需要外加电路，在传感器预热2分钟后，测量传感器信号的输出电压，如果电压为5V，则说明传感器的信号端连接不正常。 当报警器自诊断发现传感器连接不正常，就会
40、发出长鸣声音警报，并 伴随黄灯闪烁，提醒用户及时排除传感器连接问题。 2.7烟雾检测器2.7.1.烟雾检测器的设计思路烟雾检测器是能够检测环境中的烟雾浓度的传感器。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中送出的模拟信号转化为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（即报警限），若大于则单片机控制射频模块向上位机发送报警信号，反之则为正常状态。为方便检测与监控，室仪器测试人
41、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。 2.7.2.烟雾传感器的选型烟雾传感器属于气敏传感器，使气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量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，传感器的选型时非常重要的。 2.7.3.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，从检测原理上可分为三大类：（1）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。（2）利用物理性质的烟雾传感
42、器：如热导烟雾传感器、光干涉传感器、红外传感器等。（3）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使单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以使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：（1）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；（2）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；（3）对检测信号响应速度快，重复性好；（4）长期工作稳定性好；（5）使用寿命长；（6）制造成本低；3.常见烟雾传感器简介下面对工业上常用的集中烟雾传感器做
43、简单介绍。（1）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，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传感器问世以来，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，得到了广泛的应用。该传感器已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，可分为电阻型和非电阻型。（2）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，其原理是利用气敏材料在通过烟雾时产生电阻，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，灵敏度和选择性好，因而得到了广泛的应用，
44、几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，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，检测烟雾范围有限，在检测环境污染领域中有优势。(3)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。接触燃烧式传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可以表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时将铂丝通电，保持300-400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大小，就知道烟雾的浓度。(4)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
45、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，在毒性烟雾和食品新鲜度等方面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，可以弥补其他烟雾传感器的不足。(5)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，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
46、上大部分毒气检测采用该类型传感器。(6)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。他的测量原理是：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。温度的变化情况使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，热传导率使它固有的物理特性。(7)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的吸收了。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，而且不受其他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验烟雾种类由于烟雾的种类繁多，一种类型的烟雾传感器不可能检测所有的气体，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