火灾自动报警系统的设计方案
1.1 选题背景与研究现状
随着科技的发展，越来越多的火灾隐患潜伏在工业生产和人们的日常生活中。火灾一旦发生便是一场巨大的灾难，很有可能造成巨大的经济损失，甚至危及个人的生命安全。在早期时候，防止和发现火灾，保护人身和财产安全，减少经济损失，是必须要做的一个重要事情。
所以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，用来严密监测环境中烟雾的浓度，采取有效措施，及早发现事故隐患，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。
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%[1]。随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、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[2]。
我国在70年代初期就已经开始了对烟雾报警器研究，一方面是由于社会的需要，另外一方面也为了减少国家的经济损失，在生产的过程中，生产型号多样化、品种也比较齐全，应用围从开始单一的炼油系统到后面扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，囊括的种类极其之多，产品数量也在不断增加。不过从发展的角度来看，我们大都是在引进国外先进的传感器技术，并且在国外先进的生产工艺基础之上，对
其进行研究从而大力开发属于自己的特色火灾报警器。随着国家的大力发展，近年来，我国在烟雾选择性和产品稳定性上都有很大进步[3]。
2 设计思路与方案的选择
2.1 整体设计思路
本次设计是基于STC89C52的烟雾报警器，能够检测环境中的烟雾浓度，并具有报警功能。该报警系统的最基本组成部分应包括：信号采集模数转换电路、单片机控制电路、字符显示电路、声光报警电路和安全保护电路等部分[2]。设计的烟雾报警器具有显示报警状态，为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性等要求。报警器以STC89C52单片机为控制核心，延时的工作方式，选用MQ-2半导体气体烟雾传感器，用来采集烟雾浓度信息，配合外围电路以构成烟雾报警系统，从而达到自己设计的目的。
本设计对系统进行一个整体规划，还有结构设计，以STC89C52单片机为中央处理器，对硬件电路进行设计和改进，使其功能更加完善。系统模块分为软件和硬件两个部分。系统硬件电路主要分为数码管显示电路、状态指示灯电路、声音报警电路、数据收集等四大部分。系统的软件编制的分类，按照软件实现的功能，主要分为主程序、报警子程序、初始化子程序、报警限值设置子程序、浓度显示子程序等程序容。在程序的编写过程中，同时又加入了详细的文字注释，以便于后期的修改与维护。
2.2 设计方案的选择
2.2.1 烟雾检测传感器选型
图1烟雾传感器部结构图
烟雾传感器是测量装置和控制系统的首要环节。而烟雾报警器的信号采集由烟雾传感器负责。烟雾传感器能够将气体的种类及其浓度有关的信息转换为电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在的情况有关的信息，从而达到检测、监控、报警的功能[4]。可以说，没有精确可靠的传感器，就没有精确可靠的自动检测、控制和报警系统。烟雾传感器作为报警器中不可缺少的核心器件，它决定了所采集的烟雾浓度信号的准确性和可靠性，烟雾传感器部结构如图1所示[5]。
方案一：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。接触燃烧式气体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），使用时对铂丝通以电流，保持300℃～400℃的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体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，就知道可燃性气体的浓度。使用接触燃烧式传感器，其最大的缺点是探头很容易发生阻缓和中毒现象。一般在连续使用两个月后应对该传感器进行维护。这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[6]。
方案二：半导体烟雾传感器（半导体气敏传感器）半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体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。半导体烟雾传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。按照敏感机理分类，半导体烟雾传感器可分为电阻式和非电阻式。当半导体接触到气体时，半导体的电阻值将发生变化，利用传感器输出端阻值的变化来测定或控制气体的有关参数，这种类型的传感器称为电阻式半导体气敏传感器；当ＭＯＳ场效应管在接触到气体时，场效应管的电压将随周围气体状态的不同而发生变化，利用这种原理制成的传感器被称为非电阻式半导体气敏传感器[7]。
自1962年半导体金属氧化物烟雾传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、体积小、维修方便、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。但是其最大的缺点就是选择性较差。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。
方案三：离子感烟传感器
离子感烟传感器对于火灾初起和阴燃阶段的烟雾气溶胶检测非常有效，可测烟雾粒径围为0.03um-10um。它在外电离室里面有放射源镅241。由于它能使两极板间空气分子电离为正、负离子，使电极之间原来不导电的空气具有导电性。在正常的情况下，
外电离室的电流、电压都是稳定的。当火灾发生时，烟雾粒子进入电离室后，电力部分（区域）的正离子和负离子被吸附到烟雾粒子上，使正、负离子相互中和的概率增加，从而将烟雾粒子浓度大小以电流变化量大小表示出来，实现对火灾参数的检测。
第四种方案：光电式感烟传感器
光电式感烟传感器包含三个部分：光源、光敏元件和电子开关。在正常的情况下，平常光源发出的光，它会通过透镜照射到光敏元件上，这个时候如果没有什么特殊情况，电路就会保持正常。但是一旦有烟雾从中阻隔光的照射，就会导致到达光敏元件上的光减少，这个时候光敏元件就把光强的变化转化成电的变化，在火灾产生的初期利用光散射原理对烟雾进行探测，并及时发出报警信号。在报警的同时，按照光源不同，又可分为4种，其中包括一般光电式、激光光电式、紫外光光电式和红外光光电式。
光电式感烟探测器发展的速度非常快，种类也在不断增多，除了在大型建筑物部应用之外，还特别适用于电气火灾危险性较大的场所，如仪器仪表室、隧道、计算机房和电缆沟等处。但是从另一个角度来看，比如说就其功能而言，它在火灾发生的早期也能实现报警功能。
有时候根据报警器检测烟雾种类的不同要求，在使用条件的各种考虑下，半导体烟雾传感器对于各种场合都比较适合，在众多烟雾传感器的应用特性的对比之下，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出。比如灵敏度高、响应快、体积小、结构简单等优良特性，而且还兼具使用方便、价格便宜等优点，并且在报警的过程中，不具有其他传感器所具备的缺陷，比如探头阻缓及中毒现象，而且在维护成本方面，也是比较低廉的，因而得到广泛应用。因此，本设计中的烟雾传感器采用方案2，选用MQ-2半导体气体烟雾传感器[8]。
2.2.2 单片机的选型
单片机是烟雾自动报警系统最关键的一部分，并且具有多种功能，它可以用来接收火灾信号，当接收到信号之后，就会启动报警装置显示，然后执行相应的报警。在单片机实现的控制功能中，对单片机的运算速度具有较高的要求，使检测人员和用户在报警器系统正常工作时能够及时地观测到实时的烟雾浓度等级，并进行相应处理。同时，在满足报警器系统设计的计算速度要求之后，在接口功能要求相同的同类型单片机中，还要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，这是为了建立在报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础之上，还要能够考虑成本能够足够的低廉[9]。
