傳感器課程設(shè)計(jì)

1、HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY傳感器原理及應(yīng)用課程課 外 學(xué) 分 項(xiàng) 目 名 稱 多傳感器火災(zāi)報(bào)警器 項(xiàng) 目 組 成 員 姓名(學(xué)號(hào)) 成 績 機(jī)械與汽車工程學(xué)院 機(jī)械電子工程系二零一六 年 五 月多傳感器火災(zāi)報(bào)警器摘要：近年來，隨著家用電器的普及，家庭的用電量也逐年上升，火災(zāi)發(fā)生的頻率也隨之增高，這也推動(dòng)了火災(zāi)報(bào)警器的廣泛應(yīng)用。本文介紹的火災(zāi)報(bào)警器就是一種運(yùn)用多傳感器結(jié)合單片機(jī)使之能有效解決報(bào)警準(zhǔn)確率與靈敏度之間的矛盾，進(jìn)而保證使用人群生命和財(cái)產(chǎn)安全。本設(shè)計(jì)具有高可靠性、低誤報(bào)率等特點(diǎn)，有一定的實(shí)用價(jià)值。接下來本文從選題的意思設(shè)計(jì)的思路元器件的選擇系統(tǒng)硬件軟件的

2、調(diào)試幾個(gè)方面進(jìn)行論述。 關(guān)鍵詞：火災(zāi)報(bào)警；多傳感器；模糊判斷；多值判斷處理；單片機(jī)1. 引言1.1 當(dāng)前火災(zāi)報(bào)警器的發(fā)展1.1.1 火災(zāi)探測技術(shù)當(dāng)今社會(huì)火災(zāi)所引發(fā)的安全事故比比皆是，對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)和社會(huì)安全形成了很大的威脅，所以人們對(duì)它研究預(yù)防也從未停止。火災(zāi)的產(chǎn)生是一個(gè)非常復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)過程，除了自身的化學(xué)物理變化以外，他還易受到外界環(huán)境的干擾，一旦產(chǎn)生便以接觸式(物質(zhì)流)和非接觸式能量流)的形式向外釋放能量。接觸式的形式包括可燃?xì)怏w、煙霧和氣溶膠等。非接觸式如聲音、輻射等。而火災(zāi)探測技術(shù)就是將火災(zāi)中難以處理的化學(xué)物理變化特征通過敏感元件轉(zhuǎn)換為易于處理的物理量各種探測器對(duì)應(yīng)的火災(zāi)物理參量及探

3、測器如圖1-1所示。圖1-1 各種探測器對(duì)應(yīng)的火災(zāi)物理參量及探測器 火災(zāi)火焰（非接觸式）形狀-圖形探測器燃燒產(chǎn)物 （接觸式）溫度-感溫傳感器固體產(chǎn)物微粒靜電探測器感煙探測器離子式光電式煙霧形狀-圖形傳感器氣體產(chǎn)物-氣體傳感器燃燒音（非接觸式）-聲音傳感器輻射-火焰探測器1.2 火災(zāi)探測器的未來發(fā)展趨勢探測器探測技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展更加拓展了火災(zāi)方面的應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)探測器無法有效處理的環(huán)境限制。先關(guān)技術(shù)的發(fā)展與改進(jìn)例如低功耗MCU技術(shù)、傅立葉近紅外光譜技術(shù)弱信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)一步促進(jìn)了探測技術(shù)的發(fā)展，使得探測器的技術(shù)性能得到大大的提高，從早期探測向小型化、智能化方向飛速發(fā)展。另一方面，隨著單片機(jī)應(yīng)用的

4、不斷深入，各種類型的單片機(jī)也根據(jù)不同的需求開發(fā)出來，單片機(jī)實(shí)際上就是一個(gè)微控制器或微處理器，是器件級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。由于單片機(jī)體積較小，成本較低，功能更全，所以常被應(yīng)用到各種電子系統(tǒng)中去。綜上所述，單片機(jī)也能符合報(bào)警技術(shù)領(lǐng)域的要求，使各鐘報(bào)警裝置的功能更加完善，可靠性大大提高，以滿足社會(huì)的需要。1.3 設(shè)計(jì)工作任務(wù)通過參考現(xiàn)如今國內(nèi)外的各類火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的相關(guān)資料文獻(xiàn)，分析其設(shè)計(jì)理念，找出現(xiàn)有報(bào)警器存在的不足，我們小組設(shè)計(jì)了一種基于多傳感器和單片機(jī)技術(shù)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，我們的設(shè)計(jì)主要包括以下部分：系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì):包括火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的控制器主板設(shè)計(jì)和其中各部分元件的選型，電路的設(shè)計(jì)與繪制，傳感器及相關(guān)電路的

5、設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì):包括火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)，各個(gè)功能模塊的程序設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)收集以及系統(tǒng)自檢程序的設(shè)計(jì)。2. 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)屬于分布式多傳感器火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，與傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)相比有以下優(yōu)點(diǎn)：l 多值判斷處理： 由于系統(tǒng)使用多傳感器進(jìn)行監(jiān)測，因此系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)的檢測也是基于多值綜合判斷處理的，將系統(tǒng)中的多個(gè)傳感器所采集到的數(shù)據(jù)一同送入單片機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一處理，將多組參數(shù)進(jìn)行組合判斷，使各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)互為補(bǔ)充，能讓系統(tǒng)根據(jù)某一時(shí)刻各傳感器返回值來準(zhǔn)確區(qū)分火災(zāi)情況與干擾源，拓寬了檢測災(zāi)害的范圍，提高了靈敏度，同時(shí)還能大大降低誤警率。l 實(shí)時(shí)監(jiān)測與模糊判斷： 傳感器的輸出并非是其連續(xù)檢測的結(jié)果，而是根據(jù)其

6、檢測周期有間隔地輸出，因此傳統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中就存在檢測實(shí)時(shí)性的問題，而本系統(tǒng)是使用單片機(jī)來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可達(dá)到對(duì)傳感器輸出的信號(hào)和環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的效果；與此同時(shí)，本系統(tǒng)并不完全依賴數(shù)據(jù)閾值的判斷，而是加入了帶有持續(xù)時(shí)間檢測的模糊判斷，能夠有效區(qū)分火災(zāi)與干擾源。2.1 系統(tǒng)主要功能本設(shè)計(jì)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)具有下列的幾個(gè)功能：l 火災(zāi)檢測功能：傳感器返回的信號(hào)經(jīng)單片機(jī)判斷為火災(zāi)時(shí)，發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)，并顯示在顯示器上；l 分類示警功能：單片機(jī)根據(jù)不同類型火災(zāi)或氣體泄漏的特征，結(jié)合傳感器返回的環(huán)境信息判斷示警類型并顯示在顯示器上；l 故障檢測與報(bào)警功能：單片機(jī)在工作時(shí)對(duì)每個(gè)傳感器的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)

7、時(shí)檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)傳感器無響應(yīng)時(shí)立即發(fā)出故障信號(hào)，并顯示其具體的故障信息；l 外部設(shè)備控制功能：當(dāng)系統(tǒng)做出火災(zāi)判斷的同時(shí)，啟動(dòng)相應(yīng)的外部設(shè)備如噴水設(shè)備，報(bào)警器等。2.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與其工作流程 我們?cè)O(shè)計(jì)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)由圖2-1中所示的幾個(gè)部分構(gòu)成。將傳感器安裝于檢測現(xiàn)場，通過導(dǎo)線與主板傳感器驅(qū)動(dòng)電路連接，將傳感器返回的信號(hào)發(fā)送到整形電路后轉(zhuǎn)換為0-5V的電信號(hào)，再由A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)中進(jìn)行下一步處理；系統(tǒng)的其他部分均安裝在主板上，單片機(jī)接收到來自各傳感器的數(shù)據(jù)后將數(shù)值顯示于液晶屏上，并根據(jù)事先制定好的判斷原則進(jìn)行判斷是否有火災(zāi)情況發(fā)生，如果有火災(zāi)發(fā)生信號(hào)則顯示報(bào)警信息，同時(shí)驅(qū)動(dòng)

8、蜂鳴器發(fā)生報(bào)警，同時(shí)驅(qū)動(dòng)外部安全設(shè)備進(jìn)行工作。溫度傳感器模塊CO傳感器模塊煙霧傳感器模塊傳感器驅(qū)動(dòng)電路STC89C52RC 單片機(jī)溫度&氣體濃度讀數(shù)顯示外部設(shè)備狀態(tài)示警圖2-1 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖為了提高系統(tǒng)的可靠性，我們?cè)谙到y(tǒng)硬件設(shè)計(jì)上采取了一些措施。設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候，不單單考慮到正常狀態(tài)的運(yùn)行，對(duì)干擾源也有所考慮。由于可能會(huì)因某些特定因素產(chǎn)生類似火災(zāi)的干擾源觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)導(dǎo)致誤警，為避免這樣的情況發(fā)生，我們對(duì)系統(tǒng)做出如下設(shè)計(jì)：若檢測到單一傳感器的數(shù)據(jù)迅速變化，則檢測其余傳感器是否檢測到觸發(fā)火災(zāi)相應(yīng)的數(shù)據(jù)變化，同時(shí)判斷數(shù)值是否到達(dá)報(bào)警閾值，如果沒有檢測到相應(yīng)變化則將其視為干擾源，若有相應(yīng)的

9、變化則判斷有火災(zāi)發(fā)生，并根據(jù)設(shè)置的閥值直接報(bào)警。3. 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)本章將詳細(xì)闡述系統(tǒng)各個(gè)硬件模塊的設(shè)計(jì)，包括各個(gè)模塊的選型、電路原理、功能實(shí)現(xiàn)和硬件設(shè)計(jì)。該火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)由傳感器和主板電路構(gòu)成，綜合考慮系統(tǒng)性能與成本，選用以單片機(jī)為核心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中傳感器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，并傳輸回主板；單片機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析與處理，完成傳感器的檢測與分析、觸發(fā)火災(zāi)的判斷以及驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路工作。P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728P2021RXD/P3010TXD/P3111INT0/P321

10、2INT1/P3313T0/P3414T1/P3515WR/P3616RD/P3717P101P112P123P134P145P156P167P178RESET9X119EA/VP31ALE/P30PSEN29X218VCC40GND20STC89C52RC圖3-1 STC89C52RC單片機(jī)引腳分配3.1 單片機(jī)選型STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8Kb在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單片機(jī)芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在線

11、系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活。采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的C51內(nèi)核，芯片的引腳分配如圖3-1所示。在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xC52相同，其主要用于會(huì)聚調(diào)整時(shí)的功能控制。功能包括對(duì)會(huì)聚主IC內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會(huì)聚調(diào)整控制，會(huì)聚測試圖控制，紅外遙控信號(hào)IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1(19腳)和XTAL2(18腳)為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz晶振。RST/Vpd(9腳)為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC(40腳)和VSS(20腳)為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)端。P0

12、到P3為可編程通用I/O腳，其功能用途由軟件定義。本系統(tǒng)采用該系列單片機(jī)中的STC89C52RC型號(hào)，各引腳功能描述見表3-1。 表3-1 STC89C52RC引腳功能描述名稱名稱及功能ALE地址鎖存使能P0.0-0.7P0口P1.0-1.7P1口T2（P1.0）：定時(shí)/計(jì)數(shù)器2的外部記數(shù)輸入/時(shí)鐘輸出 T2EX（P1.1）：定時(shí)/計(jì)數(shù)器2重裝載/捕捉/方向控制P2.0-2.7P2口P3.0-3.7P3口RXD(P3.0)：串行輸入口TXD(P3.1)：串行輸出口INT0(P3.2)：外部中斷0INT1(P3.3)：外部中斷1T0(P3.4)：定時(shí)器0外部輸入T1(P3.5)：定時(shí)器1外部輸入

13、WR(P3.6)：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫信號(hào)RD(P3.7)：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀信號(hào)PSEN程序存儲(chǔ)選通RST復(fù)位端VCC電源：提供掉電，空閑，正常工作電壓。VSS接地EA/Vpp外部尋址使能/編程電壓XTAL1晶體1：反相振蕩放大器輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路輸入XTAL2晶體2：反相振蕩放大器輸出3.2 傳感器選型對(duì)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)來說，傳感器的性能在整個(gè)系統(tǒng)的工作效能上有著舉足輕重的作用，因此傳感器的選型尤為重要，根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，使用溫度傳感器、一氧化碳傳感器和煙霧傳感器。設(shè)計(jì)中這三種傳感器均為模擬信號(hào)傳感器，通過放大整形電路與A/D轉(zhuǎn)換后作為送入單片機(jī)處理的數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中對(duì)傳感器的性能有著如下要求

14、：煙霧檢測：05%/英尺，誤差10；溫度檢測：0200，誤差4；一氧化碳：0500ppm，誤差5ppm。這些性能指標(biāo)即設(shè)計(jì)中各傳感器的選型的主要依據(jù)，其次在選型中也應(yīng)考慮到元件性價(jià)比的因素，在滿足性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上盡可能提高元件性能。3.2.1 溫度傳感器溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量。溫度測量儀表按測溫方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。通常來說接觸式測溫儀表比較簡單、可靠，測量精度較高；但因測溫元件與被測介質(zhì)需要進(jìn)行充分的熱交換，需要一定的時(shí)間才能達(dá)到熱平衡，所以存在測溫的延遲現(xiàn)象，同時(shí)受耐高溫材料的限制，不能應(yīng)用于很高的溫度測量。非接觸式儀表測

15、溫是通過熱輻射原理來測量溫度的，測溫元件不需與被測介質(zhì)接觸，測溫范圍廣，不受測溫上限的限制，也不會(huì)破壞被測物體的溫度場，反應(yīng)速度一般也比較快；但受到物體的發(fā)射率、測量距離、煙塵和水氣等外界因素的影響，其測量誤差較大。熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。其優(yōu)點(diǎn)是：測量精度高。因熱電偶直接與被測對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。測量范圍廣。常用的熱電偶從-50到+1600均可測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800（如鎢-錸）。構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來方便9。本設(shè)計(jì)使用高精度熱電偶溫度傳感

16、器YH-WEP-01/Pt100，其形為薄膜鉑電阻。膜厚在2m以內(nèi)，用玻璃燒結(jié)料把Ni（或Pd）引線固定，經(jīng)激光調(diào)阻制成的薄膜元件。傳感器工作時(shí)因環(huán)境溫度的變化，使自身內(nèi)阻發(fā)生相應(yīng)變化，在固定電流下轉(zhuǎn)化為一定的電壓，經(jīng)過放大整形后送入A/D轉(zhuǎn)換，成為能被單片機(jī)識(shí)別的溫度數(shù)據(jù)信號(hào)。測量范圍：-50500；R=1000；工作電流：0.5mA；線性度：0.17%；測量誤差：(0.10+0.0017| t |)；外形結(jié)構(gòu)：5.02.0金屬殼封裝；延長線：0.510.0。由上述性能指標(biāo)可知該傳感器符合設(shè)計(jì)的性能要求，同時(shí)其體積小巧、溫感靈敏且誤差很小，適合火災(zāi)檢測的溫度測量。YH-WEP-01/Pt10

17、0傳感器為本設(shè)計(jì)采用的高精度熱電偶溫度傳感器。傳感器工作時(shí)因環(huán)境溫度的變化，使自身內(nèi)阻發(fā)生相應(yīng)變化，經(jīng)過放大整形后送入A/D轉(zhuǎn)換，成為能被單片機(jī)識(shí)別的溫度數(shù)據(jù)信號(hào)。由熱電偶的溫度計(jì)算公式： (3-1)其中，R0是0時(shí)的電偶內(nèi)阻，阻值1000；溫度系數(shù)=0.。由此可得，當(dāng)溫度為200時(shí)，電偶內(nèi)阻Rt|t=200=1785，又知電偶在t=0時(shí)工作電流為0.5mA，驅(qū)動(dòng)電壓為5V，故選用9k電阻作為負(fù)載電阻，電阻Rt則為YH-WEP-01/Pt100熱電偶。3.2.2 煙霧傳感器煙霧報(bào)警器就是通過監(jiān)測煙霧的濃度來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范的，煙感器內(nèi)部采用離子式煙霧傳感，離子式煙霧傳感器是一種技術(shù)先進(jìn)，工作穩(wěn)定可

18、靠的傳感器，被廣泛運(yùn)用到各種消防報(bào)警系統(tǒng)中，性能遠(yuǎn)優(yōu)于氣敏電阻類的火災(zāi)報(bào)警器8。本設(shè)計(jì)使用的煙霧傳感器為離子式煙霧傳感器HIS-07，該傳感器是基于類比最佳性能設(shè)計(jì)的單源雙室DSCB型電離室，電離室中安裝的電離源為Am-241，專用于感煙探測。當(dāng)流經(jīng)內(nèi)外電離室的電子流不平衡時(shí)，集電極充電直到電離電流達(dá)到平衡，在無煙或無燃燒物時(shí)，集電極除手電離電流潮汐影響外保持平衡電位。當(dāng)煙霧進(jìn)入外電離室時(shí)對(duì)電離電流產(chǎn)生影響，使電離電流下降，集電極重新充電直到新的平衡電位，這時(shí)的電位變化經(jīng)整形后送入A/D轉(zhuǎn)換，即可得到煙霧濃度的數(shù)據(jù)。測量范圍：0%5%；工作電壓：9V；測量誤差：0.1V；UL217標(biāo)準(zhǔn)大氣中輸

19、出電壓：5.60.4V；工作濕度：95%RH；棉芯2%/foot煙靈敏度：0.60.1V；集電極平衡電位：5.50.3V；絕緣體漏電電流：0.5pA；電離源活度：0.5Ci(18Kbq)10%；電離室25cm處輻射劑量率：0.03mGy/年。圖3-4 HIS-07煙霧傳感器工程樣圖表3-2 HIS-07煙霧傳感器工作參數(shù)靈敏度特性電源電壓特性濕度特性煙霧濃度%/英尺輸出電壓V誤差V電源電壓V輸出電壓V濕度%RH輸出V05.60.4063.30.3305.750.515.30.50.30.195.60.4605.600.425.00.50.60.1128.00.7905.450.434.70.5

20、0.90.21510.00.85溫度特性44.40.51.20.21813.01.0溫度輸出V54.20.51.40.205.150.4255.600.4505.850.4注：測試條件根據(jù)UL217標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)速0.1m/s由上述性能指標(biāo)可知該傳感器符合設(shè)計(jì)的性能要求，HIS-07傳感器的生產(chǎn)制作符合GB4715-93國家標(biāo)準(zhǔn)，采用單源雙室結(jié)構(gòu)，體積小，便于安裝；在適用范圍的環(huán)境條件下集電極平衡電位變化值基本在參數(shù)范圍內(nèi)，穩(wěn)定性較高；集電極平衡電位一致性好，響應(yīng)時(shí)間較短，適于火災(zāi)檢測中的煙霧測量。HIS-07煙霧傳感器是日本為檢測煙霧而設(shè)計(jì)的新型傳感器，是為專用于煙霧檢測的傳感器外形尺寸圖3-4，

21、其特性參數(shù)如表3-2所示。根據(jù)傳感器的特性，其輸出值正不需要額外的放大電路，直接由A/D轉(zhuǎn)換即可得到需要的數(shù)字信號(hào) 。3.2.3 一氧化碳傳感器一氧化碳傳感器屬于化學(xué)傳感器。本設(shè)計(jì)使用的一氧化碳傳感器為ME4-CO型電化學(xué)傳感器，該傳感器根據(jù)電化學(xué)的原理工作，利用待測氣體在電解池中工作電極上的電化學(xué)氧化過程，通過電子線路將電解池的工作電極和參比電極恒定在一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娢?，在該電位下可以發(fā)生待測氣體的電化學(xué)氧化，由于氧在氧化和還原反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的法拉第電流很小，可以忽略不計(jì)，于是待測氣體電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電流與其濃度成正比并遵循法拉第定律。于是通過將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并整形方法送入A/D轉(zhuǎn)換就可以確

22、定一氧化碳?xì)怏w的濃度數(shù)據(jù)。測量范圍：01500ppm；工作電壓：9V；測量誤差：0.080.02uA/ppm；零點(diǎn)漂移(-2040)：9ppm；工作濕度：15%95%RH；響應(yīng)時(shí)間：25s；分辨率：1ppm；穩(wěn)定性：5%/年；重復(fù)性：2%輸出值。由上述性能指標(biāo)可知該傳感器符合設(shè)計(jì)的性能要求，ME4-CO傳感器對(duì)CO有很高的靈敏度，具有良好的重復(fù)性和長期的穩(wěn)定性，抗干擾特性良好，適合是用于火災(zāi)環(huán)境下的一氧化碳?xì)怏w檢測。ME4-CO傳感器屬于電化學(xué)型傳感器，對(duì)電解容納室作了重新設(shè)計(jì)，減少了電解液泄露的風(fēng)險(xiǎn)，體積小，大幅度的減低了成本。輸出信號(hào)直線性、重復(fù)再現(xiàn)性優(yōu)越、不受濕度影響、電池可驅(qū)動(dòng)。傳感器

23、檢測煙霧的原理由以下反應(yīng)式描述：CO + H2OCO2 + 2H+ + 2e-此時(shí)生成的電子分布在檢知電極，氫離子分布在電極旁邊的電解液中，形成兩層電。在此檢知電極和對(duì)向電極同外部電路相結(jié)合時(shí)，電子從檢知電極向?qū)ο螂姌O流動(dòng)。氫離子在電解液中移動(dòng)接受對(duì)向側(cè)電子，發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)生成水。4H+ + O2 + 4e-2H2O其主要性能參數(shù)見表3-3所示。表3-3 ME4-CO一氧化碳傳感器性能參數(shù)產(chǎn)品類型電化學(xué)氣敏元件產(chǎn)品封裝塑料封裝（ME4）檢測范圍0500ppm最大測量限1500ppm預(yù)期壽命2年靈敏度0.080.02uA/ppm分辨率1ppm使用壓力范圍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓10響應(yīng)時(shí)間（T90）25S濕

24、度范圍1590RH無凝結(jié)零點(diǎn)漂移（20+40）9ppm重復(fù)性2輸出值由于傳感器輸出電壓很小達(dá)不到單片機(jī)工作的要求，所以在一氧化碳檢測電路的設(shè)中加入了放大電路，同時(shí)出于對(duì)可調(diào)整性與可更換性的考慮，設(shè)計(jì)如圖3-5所示可調(diào)倍率放大電路。圖3-5 可調(diào)倍率放大電路原理圖其中R1=R2=1K，=20K，R=10K，=50K；由圖可得輸入輸出關(guān)系：(3-2)故該電路的放大增益為：(3-3) 可見變阻器RW可以在一定范圍調(diào)整整個(gè)放大電路的增益，這不僅對(duì)傳感器的校準(zhǔn)有用，也為以后更換傳感器時(shí)的電路適用性起了很大幫助，降低電路成本，提高了系統(tǒng)硬件可移植性。4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本章主要是介紹火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，

25、只有穩(wěn)定高效的軟件支撐，才能充分發(fā)揮報(bào)警器的功效，保障人們生命財(cái)產(chǎn)安全。4.1 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)對(duì)軟件設(shè)計(jì)的要求水火無情，火災(zāi)有巨大的破壞力，會(huì)給人們帶來巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失，為此設(shè)計(jì)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)不僅需要能夠?qū)崿F(xiàn)火災(zāi)監(jiān)控與報(bào)警，還要能在火災(zāi)嚴(yán)酷的環(huán)境下正常工作，即火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)不僅要有良好的硬件性能，其軟件也需要滿足運(yùn)行環(huán)境對(duì)穩(wěn)定性、兼容性和即時(shí)性的要求，在惡劣的環(huán)境中也可以繼續(xù)工作。下面分別介紹這幾個(gè)要求的具體內(nèi)容。l 軟件運(yùn)行穩(wěn)定性：由于火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的工作環(huán)境相比其它類型系統(tǒng)更為復(fù)雜，往往在火災(zāi)中會(huì)處于高溫、高輻射或由電氣火災(zāi)引起的電磁干擾下，而這些惡劣的環(huán)境因素對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的破壞十分巨大。

26、因此在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的過程中，除了硬件選型時(shí)選擇抗穩(wěn)定性能優(yōu)異的元件之外，在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要從程序運(yùn)行抗干擾性的角度出發(fā)。l 兼容性：上一點(diǎn)中已經(jīng)說到，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)常工作于極端環(huán)境下，因此其硬件尤其是傳感器等易損耗部件的更換會(huì)經(jīng)常發(fā)生，而當(dāng)沒有同樣型號(hào)的配件時(shí)，通常也只能用同類型器件替換，此時(shí)除了涉及到兼容性問題。在設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要考慮到硬件的兼容性（工作電壓、電流、信號(hào)強(qiáng)度等），在軟件方面同樣需要顧及到軟件系統(tǒng)與替換器件的兼容性（信號(hào)格式、工作周期等），以保證系統(tǒng)能正常運(yùn)行。l 數(shù)據(jù)處理即時(shí)性：火災(zāi)發(fā)生時(shí)，能不能及時(shí)進(jìn)行火災(zāi)告警將直接影響能否控制火災(zāi)規(guī)模、減少火災(zāi)造成的生命財(cái)產(chǎn)損失。因此系統(tǒng)信息

27、處理的即時(shí)性也相當(dāng)重要，除了硬件設(shè)計(jì)方面盡量降低信號(hào)延遲、減少硬件環(huán)節(jié)意之外，設(shè)計(jì)一個(gè)有效率的數(shù)據(jù)處理算法顯得相當(dāng)重要。但是數(shù)據(jù)處理算法的設(shè)計(jì)又不能一味采用高速處理算法，在同樣的硬件環(huán)境下，隨著處理速度的提高，誤警率會(huì)呈對(duì)數(shù)形式提高，所以在軟件中數(shù)據(jù)處理算法要在權(quán)衡準(zhǔn)確性與速度的前提下做出相對(duì)最優(yōu)的設(shè)計(jì)。4.2 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)軟件流程本系統(tǒng)的軟件分為自檢、傳感器數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)分析處理與判斷以及驅(qū)動(dòng)顯示和報(bào)警電路幾個(gè)主要功能。程序開始運(yùn)行后，系統(tǒng)首先對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行初始化以便開始系統(tǒng)自檢，隨后系統(tǒng)進(jìn)入自檢階段，軟件將根據(jù)各個(gè)傳感器返回的信息判斷傳感器功能是都正常，若發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)把錯(cuò)誤信息顯示出來，

28、同時(shí)掛起系統(tǒng)，避免繼續(xù)運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)可能造成的損害，若傳感器正常，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)環(huán)境溫度對(duì)照事先寫入的環(huán)境權(quán)重?cái)?shù)值表分配變量權(quán)值；然后系統(tǒng)開始進(jìn)入循環(huán)檢測各個(gè)傳感器返回?cái)?shù)據(jù)的監(jiān)控狀態(tài)，每一次遍歷傳感器返回信息后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷是否有異常狀況，數(shù)據(jù)判斷方式根據(jù)設(shè)計(jì)的權(quán)重算法進(jìn)行模糊判斷，確定為異常時(shí)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的消息提示或報(bào)警提示。軟件總體流程圖見圖4-1。本系統(tǒng)的報(bào)警方式分為2種：“顯示警告消息”與“消息+蜂鳴器報(bào)警”。根據(jù)火災(zāi)從產(chǎn)生到發(fā)展各個(gè)階段的特點(diǎn)，作了以下設(shè)計(jì)：(1) 火災(zāi)初期示警：由于火災(zāi)發(fā)生的初期往往會(huì)產(chǎn)生煙霧和一氧化碳等氣體，而由于沒有明火，溫度的上升并不明顯，根據(jù)這些特征，對(duì)火災(zāi)初期

29、的檢測就集中在煙霧與一氧化碳濃度的監(jiān)控上，當(dāng)監(jiān)測到一氧化碳或煙霧濃度異常時(shí)，將顯示氣體濃度異常的警示消息，此時(shí)蜂鳴器不工作。(2) 暗火火災(zāi)告警：火災(zāi)從初期開始繼續(xù)發(fā)展，煙霧和一氧化碳濃度會(huì)繼續(xù)升高，溫度開始上升，但由于仍然沒有明火，仍然不會(huì)使溫度達(dá)到報(bào)警閾值，此時(shí)系統(tǒng)通過傳感器檢測到氣體和煙霧濃度的繼續(xù)升高，將啟動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)將暗火火災(zāi)的消息顯示出來。(3) 明火火災(zāi)示警：當(dāng)火災(zāi)發(fā)生至產(chǎn)生明火的狀態(tài)時(shí)火勢已經(jīng)具有一定的規(guī)模了，由于明火的出現(xiàn)，溫度會(huì)很快上升，同時(shí)消耗一定的一氧化碳和煙霧，使這兩者的測量數(shù)值反而會(huì)有一定下降，在環(huán)境氧氣消耗完之前，這個(gè)過程會(huì)持續(xù)。當(dāng)系統(tǒng)檢測到溫度的快速上

30、升同時(shí)存在煙霧和易燃?xì)怏w時(shí)將顯示明火火災(zāi)報(bào)警消息，并啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。圖4-1 軟件系統(tǒng)總體流程圖4.3 軟件各功能模塊設(shè)計(jì)4.3.1 系統(tǒng)自檢模塊設(shè)計(jì)該模塊的軟件流程圖如圖4-2所示。系統(tǒng)自檢模塊的功能是完成系統(tǒng)初期的傳感器功能檢測，測試傳感器是否正常，并得出系統(tǒng)工作環(huán)境的數(shù)據(jù)以選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)權(quán)值。開機(jī)通過主函數(shù)首先調(diào)用系統(tǒng)自檢函數(shù)system_chk()進(jìn)行自檢，程序首先會(huì)有一個(gè)約500s的延時(shí)，防止因?yàn)橄到y(tǒng)初啟動(dòng)不穩(wěn)定造成的讀數(shù)錯(cuò)誤，之后程序會(huì)依次啟動(dòng)各個(gè)傳感器所在的A/D轉(zhuǎn)換器讀取信號(hào)，由圖3-3、圖3-5所示的傳感器電路可知若溫度傳感器故障或拔出時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓將為5V，轉(zhuǎn)換結(jié)果將是255，則將此數(shù)據(jù)作為判斷溫度傳感器是否正常的判斷標(biāo)準(zhǔn)，而一氧化碳傳感器和煙霧傳感器故障或拔出時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為0，相應(yīng)輸出值為0，則將此數(shù)據(jù)作為判斷煙霧和一氧化碳傳感器是否正常的判斷標(biāo)準(zhǔn)。傳感器檢測確認(rèn)無誤之后，在屏幕上顯示“SYSTEM NORMAL”字樣，然后根據(jù)讀取到的溫度信息對(duì)照權(quán)值分配表進(jìn)行權(quán)值分配，最后進(jìn)入系統(tǒng)正式運(yùn)行狀態(tài)。圖4-2 自檢模