2 系统的总体方案设计
2.1温度报警器的工作结构和原理
温度报警器是可以检测环境中的烟雾浓度和环境实时温度，具有报警功能的仪器。该报警系统的最基本组成部分应包括：信号采集及模数转换电路、温度采集电路、单片机控制电路、字符显示电路和声光报警电路等几部分组成。
为满足家庭和工业对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的温度报警器应具备显示报警状态、声光报警等功能。报警器采用延时的工作方式，烟雾温度报警器以STC89C52单片机为核心器件，选用MQ-2半导体气体烟雾传感器采集烟雾浓度信息和DS18B20数字型温度传感器检测温度信息，结合外围电路组成温度报警系统。报警器系统结构设计如图2-1。
图 2-1温度报警器系统结构框图
该系统的工作由烟雾信号采集然后放大电路将采集到的烟雾浓度信息转化为模拟电信号。模数转换电路再将该模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后输入单片机，再利用温度传感器经过内部A/D转化，发送温度数字信号给单片机。单片机对这些数字信号进行处理，同时对处理后的数据进行分析。
设计中为了便于检测与监控，使仪器测试人员及用户能够间接知道环境中的烟雾浓度和温度值，所以用LCD1602液晶屏显示字符来指示报警状态。系统采用蜂鸣器声音报警和LED闪烁状态作为警报信号。这种报警方法是在声音报警基础上，加入光闪报警。因为变化的光信号可以引起用户和家庭邻居的注意，弥补了在嘈杂环境中声音报警的限制，使得报警装置更加完善。
根据报警的功能，提出了总体设计思路。
2.2烟雾传感器的选型
烟雾传感器是测量装置和控制系统的重要环节。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
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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。烟雾传感器作为报警器中不可或缺的核心器件，它决定了所采集的烟雾浓度信号的准确性和可靠性。
图 2-2 烟雾传感器及其结构图
2.2.1烟雾传感器的介绍
烟雾传感器是模拟传感器。它能将空气中的烟雾浓度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。烟雾传感器就是通过监测环境中烟雾的浓度来实现火灾防范的。当烟雾探头碰到烟雾或某些特定的气体，烟雾探头内部阻值发生变化，产生一个模拟值，从而对其进行控制。烟雾传感器利用烟雾敏感元件的电阻受烟雾（主要是可燃颗粒）浓度影响阻值变化的原理向单片机发送烟雾浓度相应的模拟信号。
在国内的产品中，大多厂家生产的烟雾探测器，都可以探测到火灾的发生，都具有较高的灵敏度，而且安装简单。但是，基于各生产的设备不可通用，不但不可彼此互相代替，更不能互相通讯。使得用户面对众多厂家生产的烟雾探测器感不知如何抉择，这恰好是国内产品市场的一个重大缺陷。 （1）烟雾传感器的分类：从组成气体传感器材料的形态上可分为干式和湿式气体传感器；检测方法也不大相同，当前主要有：采用半导体气体器件检测的电气法；利用电极和电解液对不同气体进行检测的电化学法；使用气体对光的折射率或光吸收等特性来检测气体的光学法。
（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；能够是单一的实体，也能够是 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有以下条件：
(a)能选择性地检测某种单一烟雾，而对共存的别的烟雾不响应或低响应； (b)对被测烟雾具有良好的灵敏度，能快速的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。 （3）常见的烟雾探测器种类及工作原理
为了保证家庭环境的安全，需要对各种可燃性气体和有毒性气体进行检测。但是，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主要检测各种还原性烟雾，如CH2、CO、CH3OH、C2H5OH等。固体电解质烟雾传感器主要用于检测无机烟雾，如H2、O2、CO2、Cl2、SO2等。当前使用的烟雾传感器有很多种，各自的检测原理也各不相同，下面就对一些使用广泛的的烟雾传感器进行简单的介绍。
(a)半导体烟雾传感器（半导体气敏传感器）
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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。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。
(b)接触燃烧式传感器
当这样的易燃烟雾暴露覆盖着传感器和一个催化氧化反应的表面燃烧。检测接触燃烧式气体传感器元件通常是铂丝（稀有金属催化剂层可以用铂，钯等包衣） ，使用铂线来传递电流，以保持在300 ℃?400℃的高温下，然后如果有易燃气体接触，可燃性气体会在稀有金属，铂丝催化层烧掉所以温度会上升，铂丝的电阻值也不断提高;通过测量铂丝的电阻值的大小变化，你知道可燃气体浓度。使用接触燃烧式传感器，其最大的缺点是很容易出现阻塞探头易于中毒。通常情况下，连续使用进行维护的传感器响应经过两个月。这无形中增加了工作人员的工作量，同时增加报警维护成本。
(c)电化学传感器
电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。电化学气敏传感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流，也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。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。当前国际上绝大部分毒气检测都采用该类型传感器。
(d)高分子烟雾传感器
利用高分子气敏元件制作的烟雾传感器，高分子气敏元件在遇到特定烟雾时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。高分子气敏元件具有操作简单、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、容易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性烟雾和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。
（e）红外吸收型传感器
红外线传感器利用红外灯烟测量目标的两束光通过的烟雾内测量所述主梁元件，由基准元件烟雾比较所述参考光束中。测量和比较元件，所述红外线被选择性地吸收烟雾。红外光不被光检测器和一个差分信号，以产生一烟雾浓度吸收正比于目标。非扩散红外探测器NDIR（非色散红外）就是其中之一，不吸收所有的光以最小的扩散，整个损失记录。
（f） 离子感烟传感器
离子感烟传感器可用于对火灾初起和阴燃阶段的烟雾气溶胶的检测，可测量烟雾粒径范围为0.03um~10um。在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。当发生火灾时，烟雾粒子进入电离室后，电力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。
（g）光电式感烟传感器
光电式感烟传感器由光源、光敏元件和电子开关三部分组成。平常光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如果有烟雾从中阻隔，到达光敏元件上的光就显著减弱，于是光敏元件就把光强的变化变成电的变化，利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测，并及时发出报警信号。按照光源不同，可分为一般光电式、激光光电式、紫外光光电式和红外光光电式等4种。
本设计中的烟雾传感器选用MQ-2半导体气体烟雾传感器。
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图2-3 MQ-2半导体气体烟雾传感器结构
2.2.2 MQ-2半导体气体烟雾传感器
在（ SnO 2）等导电性氧化锡低洁净空气使用MQ - 2气体传感器的敏感材料。增加而增加的可燃气体的浓度，可燃性气体传感器感测传感器的电导率。和用于将对应于输出信号中的气体浓度的电导率的变化的简单电路。
该检测可燃性气体，丙烷高MQ- 2气体传感器，液化石油气，天然气及其他氢灵敏度都非常好。传感器，低成本的传感器，可以检测出可燃性气体的各种广泛的应用是优选的。 图2-4是典型的传感器灵敏度特性。
纵轴所示的电阻率传感器（卢比/ RO）中，横轴表示气体浓度。 RS表示用不同浓度的气体传感器的电阻值 RO表示的氢传感器1000ppm的电阻值
在标准测试条件下，在所有试验中，数字完成。
灵敏度特性：
图2-5是传感器典型的温度、湿度特性曲线。 图中纵坐标是传感器的电阻比（Rs/Ro）。 Rs表示在含1000ppm 丙烷、不同温/湿度下传感器的电阻值
Ro表示在含1000ppm 丙烷、20℃/65%RH环境条件下传感器的电阻值
图2-4
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温/湿度的影响：
1.91.71.5基本测试回路：
图2-5 60%RH30%RH85%RH Vc
图2-6
Rs/R01.31.10.90.70.5-20-1001020304050℃VRL
VH
RL
GND
图2-6是传感器的基本测试电路。该传感器需要
施加2 个电压：加热器电压（VH）和测试电压（VC）。其中VH用于为传感器提供特定的工作温度。VC 则是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的电压（VRL）。这种传感器具有轻微的极性，VC 需用直流电源。在满足传感器电性能要求的前提下，VC 和VH 可以共用同一个电源电路。为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的RL值。
规格：
A. 标准工作条件
符号 Vc VH RL RH PH 参数名称 回路电压 加热电压 负载电阻 加热电阻 加热功耗 技术条件 ≤24V 5.0V±0.2V 可调 31Ω±3Ω ≤900mW 备注 DC ACorDC 室温 B. 环境条件 符号 Tao Tas RＨ O2 参数名称 使用温度 储存温度 相对湿度 氧气浓度 技术条件 -10℃－＋50℃ -20℃－＋70℃ 小于 95% RＨ 21%(标准条件) 氧气浓度会影响灵敏度特性 最小值大于２％ 备注 C. 灵敏度特性 符号 Rs 参数名称 敏感体表面电阻 技术参数 2KΩ-20KΩ (2000ppm C3H8 ) 浓度斜率 ≤0.6 备注 适用范围： 300-10000ppm 丙烷、丁烷、氢气 α (R3000ppm/ R1000ppm C3H8)
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