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2 森林火灾报警器总体方案设计

2.1报警器设计思路

国标《火灾自动报警系统设计规范》对于火灾自动报警系统的基本组成规定如下：火灾自动报警系统一般由触发器件、火灾报警装置、火灾警报装置和电源部分组成。

触发器件一般是烟雾、温度、声光等传感器组成。烟雾传感器能够检测环境中的烟雾浓度；温度传感器检测环境中的温差变化。

火灾报警装置一般用以接收、显示和传递火灾报警信号，并能发出控制信号和具有其他辅助功能的控制指示设备称为火灾报警装置，他是火灾自动报警系统中的核心组成部分。本设计中报警装置主要是由单片机为核心作控制。

火灾警报装置一般用以发出区别于环境声、光的火灾警报信号的装置称为火灾警报装置。主要是由蜂鸣器和LED灯组成作为示警装置

电源用以支持火灾报警器的顺利运行，本设计中电源采用蓄电池。

图2.1 报警器原理图

蜂鸣器 传感器 单 片 机 状态显示器 页 第5

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2.2触发器件的选型

本设计中触发器件由烟雾传感器和温度传感器组成，烟雾传感器是气-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；温度传感器将环境中温度的变化转化成数字信号送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度 处理及报警控制等工作。传感器作为火灾报警器的信号采集部分，是核心组成部分之一。由此可见，传感器的选型是非常重要的。

2.3烟雾传感器选型

2.3.1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、光干涉烟雾传 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；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须具备以下条件：

(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)制造成本低，使用与维护方便。

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(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单介绍。 (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、结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。该传感器己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。

(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。但这种传感器制造成本高，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。接触燃烧式烟雾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)，使用时将铂丝通电，保持300°C~400°C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发展。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、材料重量等物理性能发生变化。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

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分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它烟雾传感器的不足。

(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。目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。

(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结构形式，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 值的变化情况。温度的变化情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，热传导率是它固有的物理特性。

（g）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地吸收了。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。

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