声光报警器(工业).docx
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1、第一章 绪论1.1 论文争论来源、目的和意义1.1.1 论文争论来源随着科技的进展,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 觉察和通报火灾,防止和削减火灾危害,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,造成严峻的经济损失,甚至危及生命安全。为了削减这类事故的发生,就必需对烟雾进展现场实时检测,承受先进牢靠的安全检测仪表, 严密监测环境中烟雾的浓度,及早觉察事故隐患,实行有效措施,避开事故发生,才能确保 工业安全和家庭生活安全。因此,争论烟雾的检测方法与研制烟雾报警器就成为传感器技术 进展领域的一个重要课题。1.1.2 论文争论目的和意
2、义为了早期觉察和通报火灾,防止和削减火灾危害,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,造成严峻的经济损失,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名目中第46项,它归类于物理化学 计量器具。建筑设计防火标准(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”。2023年12月,国家执行的烟雾探测器标准(GB 15322-20
3、23)可燃烟雾探测器,2023年10月国家公布可燃烟雾检测报警器规程JJG693-2023,争论型、性能稳定、准确监测可燃性气 体,并符合国家相关规定的报警器具有极其重要得意义。目前我国已有很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。假设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2023万台以 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进展。到 2023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供给了市场。可见,烟
4、雾报警器具有格外宽阔的市场前景。1.2 烟雾报警器的国内外现状国外从20世纪30年月开头争论及开发烟雾传感器,且进展快速,一方面是由于人们安全意 识增加,对环境安全性和生活舒适性要求提高;另 一方面是由于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2023 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 仪器的体积也渐渐变小,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月其改进产品问世,改进的报警器可以检测燃气、
5、一氧化碳等气 体,可以安装在浴室或者承受集中监视。我国在70年月初期开头研制烟雾报警器,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全部危急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根底上,进展争论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
6、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、掌握器和探测器。检漏仪的体积较小,可随身携带或手持,主要应用于燃气治理的查漏 与巡检。假设有燃气泄漏,检漏仪便会发出声光报警,同时数字显示烟雾浓 度,以便准时实行安全措施,防止爆炸等恶性事故的发生。 掌握器与探测器结合使用,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,掌握器壁挂在值班室等有人值守的地方,二者承受屏 蔽电缆线连接。当在现场的探测器
7、探测到燃气泄漏之后,通过屏蔽电缆线将信号传到掌握器,掌握器发出声光报警,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。1.3 本论文主要任务本篇论文是烟雾报警器的研制,主要根本局部和扩展局部:(1) 根本局部(a) 对系统进展整体规划和构造设计。(b) 以 STC12C5410AD 单片机为中心处理器,对硬件电路进展设计和 改进,使其功能更加完善。系统硬件电路主要分为前置放大电路、键盘电路、串口通信电路、声音报警电路、状态指示灯电路、液晶显示电路六个 局部。(c) 系统的软件编制。依据软件实现的功能,主要分为主程序、初始化子程序、键
8、盘处理子程序、滤波子程序、线性化处理子程序、浓度显示 子程序、报警子程序、报警限值设置子程序、串口通信子程序。在程序的 编写过程中,参加了具体的文字注释,便于后期的改进与维护。(d) 硬件电路和软件的综合调试。(2) 扩展局部(a) 再参加一路传感器信号采集电路,利用双通道数据实现采集的优化,主要是利用关心的一路进展修正主传感器,以提高精度和牢靠性。其次章 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,仪器的最根本组成局部应包括:烟雾信号采集电路、模数转换电路、单片机掌握电路。烟雾信号采集电路一般由烟雾传感器和模拟放大电路
9、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展 滤波处理,并对处理后的数据进展分析,是否大于或等于某个预设值(也 就是报警限),假设大于则启动报警电路发出报警声音,反之则为正常状 态。为便利检测与监控,使仪器测试人员及用户能够直观地观看到环境中 的可燃烟雾浓度值,可将浓度值送到显示屏中。便利调整报警限,可以加 入按键。为使报警装置更加完善,可以在声音报警根底上,参加光闪报警, 变化的光信号可以引起用户留意,弥补嘈杂环境中声音报警的局限。以上 是依据报警器应具备的功能,提出的整体设计思路。烟雾传感
10、器及单片机是可燃烟雾检测报警器的两大核心,依据报警器 功能的需要,选择适宜、准确、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 处理及报警掌握等工作。传感器作为烟雾检测报警器的信号采集局部,是仪表的核心组成局部之一。由此可见,传感器的选型是格外重要的。2.2.1 烟雾传感器介绍(1) 烟雾传感
11、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、光干预烟雾传 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根本条件 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需具备以下条件:(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;(b) 对被测烟雾具有较高的灵敏度,能有
12、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) 制造本钱低,使用与维护便利。(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洁介绍。(a) 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、构造简洁、价格廉价等诸多优点,得到了广泛的应用。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。依据敏感机理分 类,可分为电阻型和非电阻型
13、。(b) 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,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。但这种传感器制造本钱高,检测烟雾范围有限, 在检测环境污染领域中有优势。(c) 接触燃烧式传感器当易燃烟雾接触这种被催化物掩盖的传感器外表时会发生氧化反响而燃烧,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(也可外表涂铂、钯等稀有金属催化层),使用时将铂丝通电,保
14、持300C400C 的高温,此时假设与烟雾接触,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。(d) 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进展。高分子气敏材料在遇到特定烟雾时,其电阻、介电常数、材料外表声波传播速 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、工艺简洁、常温选择性好、价格低廉、易与微构造传感器和声外表波器件相结合,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,且构造简洁,能在常温下使用,
15、可以弥补其它烟雾传感器的缺乏。(e) 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。目前国际上绝大局部毒气检测承受该类型传感 器。(f) 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构造形式,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 值的变化状况。温度的变化状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
16、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展烟雾测量,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地吸取了。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。非集中式红外探测器 NDIR (non-dispersive IR ) 是其中的一种,全部的未吸取光全部以最小的集中和损耗被记录下来。不同的烟雾吸取不同波长的 IR,所以传感器依据目标烟雾而调整,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)不吸取电磁谱中 IR 局部的能量,所以这种传感器可
17、以准确地测量碳氢化合物,并具有最小的穿插灵敏度,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烟雾种类由于烟雾的种类繁多,一种类型的烟雾传感器不行能检测全部的气体,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主要检测各种复原性烟雾,如CO、H2、C2H5OH、CH3OH 等。固体电解质烟雾传感器主要用于检测无机烟雾,如 O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。表2.1简要列举出已经争论、开发的各类烟雾传感器及其可检测的气体种类。传感器种类C0CO2NH3H2SHCNHCICOCI2CI2NOXSO2O2CH4C3H2H2H2O半导体气体传感器
18、固体电解质传感器接触燃烧式传感器电化学式传感器高分子电解质气体传感器注:好 不太好表2.1各种烟雾传感器可检测的烟雾种类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,依据报警器检测烟雾 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,是不行避开的问题。 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状况下,则有可能在无焰燃烧的同时,有些固态物质 附着在催化元件外表,堵塞载体的微孔,从而引起响应缓慢反响滞缓,灵敏度降低。虽然将阻缓的传感器再放回颖空气环境中有得
19、到某种程度的恢复的可能,但是假设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力量。中毒是假设环境 空气中含有硅烷之类的物质时,则传感器将 使催化元件产生不行逆转的中毒,以致灵敏度很快就丧失。当疑心检测环 境中存在这些物质时,常常对探头进展标定,是必需且有效的方法。因此,常常对传感器进展标定,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展量程校准,这种常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本钱。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,
20、 响应快、体积小、构造简洁,使用便利、价格廉价等优点,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)。经过比照上述两种烟雾传感器的应用特性,觉察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、使用便利、价格廉价,且不会发生探头阻缓及中毒现象,维护本钱较低等。因此,本设计承受半导体烟雾传感器作为报警器烟雾信息采集局部的核心。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、抗干扰力量强、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
21、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外表电阻掌握器300450C 表2.2半导体气敏传感器的分类类型 电阻型所利用的特性电阻外表电阻掌握器体电阻掌握器工作温度300450C300450C700C 以上代表性被检测气体可燃性气体乙醇、可燃性气体非电阻型二极管整流特性晶体管特性室温200C 15
22、0CH2、CO、乙醇H2、H2S本设计中承受的 MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料,属于外表离子式 N 型半导体。当处于200300C 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削减, 从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时,假设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外表;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
23、化锡半导体又会自动恢复氧的负离子吸附,使电阻值上升到初始状态。这就是 MQ-2型燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的根本原理。MQ-2型传感器的构造图如 图2.1所示,其外观如2.2所示。图2.1MQ-2型传感器的构造图图2.2MQ-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型传感器对自然气、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,可准确排解有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息,例如酒精和烟
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