光电型烟雾探测器的设计报告

电子科学与应用物理学院

微波光电子技术课程设计报告

课题名称：光电型烟雾探测器的设计

姓名: 陶辉 20114712 专业班级：电子科11-1班

指导老师：刘士兴

小组成员：陶辉钟小康袁传翰陈国建赵凌峰

日期： 2013-2014学年第3学期第1-2周

一、火灾探测报警技术发展概况

近十几年来，世界各国都对火灾的预防、报警和控制进行了大量的研究，使火灾探测报警系统产品更新换代速度非常快。探测器的性能和系统的联动控制日趋完善，可靠性越来越高。模糊控制、小波、神经网络等先进的理论方法越来越多地用于火灾的判定。感烟式火灾探测器是目前世界上应用较普遍的一类火灾探测器，而光电感烟探测器是利用起火时产生的烟雾能够改变光的传播特性这一基本性质而研制的。

世界上火灾自动探测报警技术己经有100多年的历史。1890年英国人研制成功了感温式火灾探测器，开创了历史上火灾探测技术的先例。从19世纪40年代到20世纪40年代，感温探测器一直占据主导地位，火灾自动报警系统处于初级发展阶段。这一时期探测器的主要类型有：定温探测器、差温探测器和差定温组合式探测器。探测技术主要是根据感温探测器的采集的温度信号，判定它是否超过某一阈值。但是由于感温探测器的灵敏度较低，探测火灾的速度比较慢，尤其对阴燃火灾往往不响应，因此，它无法较好地实现火灾早期报警的要求。

自20世纪40年代瑞士西伯乐斯公司研制出第一只离子感烟探测器，并组建了世界上第一家生产火灾报警设备厂，火灾自动报警技术开始了真正有意义的推广和发展。到20世纪70年代，离子型感烟火灾探测器将感温火灾探测器排挤到次要地位，火灾信号传输为多线制，包括N+1线或更多线。火势蔓延往往始于烟雾，感烟探测技术使人类在实现火灾早期报警向前迈进了一大步。

20世纪70年代末，由于离子感烟探测器的放射性问题以及抗干扰能力及稳定性差、误报率高的问题，一种更新的光电式感烟探测器得到了大力研制和发展，并逐渐打破离子式感烟探测器的垄断局面。通常，离子式感烟探测器更适合侦测焰火，而光电式对缓慢的阴燃火比较敏感。这一时期的火灾探测技术主要是根据感烟探测器采集的烟雾信号，判定是否超过某一阈值。随后，火灾探测报警技术逐渐进入智能化时代。

目前感烟式火灾探测器有离子感烟式、光电感烟式、激光感烟式等几种型式。独立式光电感烟火灾探测报警器是目前世界上应用较普遍的一类独立工作的火灾探测报警器，它不但可以在火灾初期发现火灾，同时解决了离子火灾探测器放射源辐射，解决了污染问题。

到目前为止，火灾探测报警技术已发展成为一门多学科、多专业的综合应用科学，在建筑、工业、国防和科学技术等各个领域内得到了广泛应用，它已成为人类同火灾作斗争的重要手段，在预防火灾、保护国家经济建设和人民生命财产安全方面发挥了巨大的作用。

二、烟雾报警器的原理和工作结构

光电型烟雾探测器主要由光学探测室及相关电路组成，由红外发光元件、红外光接收元件、光学探测暗室组成。光电感烟机理如下: 烟粒子和光相互作用时，粒子以同样波长再辐射己经接收的能量，再辐射可以在所有的方向上发生，但通常在不同方向上其强度不同，这个过程称为散射。光学探测室Z形遮光部件及其它构件组合成探测室的光学暗室内腔，最大限度的减弱环境光线的影响。同时它也形成烟颗粒迷宫，一方面烟颗粒容易流入，另一方面烟进入后相对不易流出，以减少外界气流的影响。

光电型烟雾探测电路模块是通过一对红外线发射和接收二极管实现的,其电路原理如图所示。红外发光二极管工作在930nm波段，由微处理器I/O引脚驱动，也可以由专用振荡电路提供脉冲，控制红外发射二极管发出脉冲光，红外光在无烟颗粒存在的情况下，由于遮光板的阻光作用，光线不能射入接收元件，接收元件接近无信号输出（实际当中由于不能完全避免的杂散光的存在，接收元件有微弱信号输出）。火灾发生时，有烟颗粒进入光学探测室，红外光经烟颗粒散射并到达接收二极管，产生电流信号，信号通过经过两级放大，光电信号被放大数十倍，使得探测电路的灵敏度很高。光敏二极管接收到散射光信号随烟雾浓度增加而加大，经过微处理器内嵌的ADC做模数转换后作为烟雾传感数据。

报警器采用延时的工作方式，烟雾检测报警器以AT89C51单片机为控制核心，发光二极管与光敏二极管构成烟雾传感器，ADC0808进行A/D转换，配合外围电路构成烟雾报警系统。报警器系统结构如图2-1。

图 2-1可燃烟雾报警器系统结构框图

该系统的工作由烟雾信号采集及放大电路将采集到的烟雾浓度信息转化为放大的模拟电信号。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送入单片机。单片机对该数字信号进行处理，并对处理后的数据进行分析。当输入A/D转换器的放大信号不为零时，启动报警电路。反之则为正常工作状态。

三、AT89C51的时钟电路和复位电路

（1）时钟电路：

AT89C51单片机芯片内部设有一个由反向放大器构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端，时钟可由内部或外部生成，在XTAL1和XTAL2引脚上外接晶体振荡器Y，内部振荡电路就会产生自激振荡。系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振频率选择12MHZ，C1、C2的电容值取30pF，电容的大小起频率微调的作用。时钟电路如图3-3。

图3-1 时钟电路

（2）复位电路：

单片机有多种复位电路，本系统采用自动复位（上电复位）与手动复位方式，电路如下图。当上电时，C3充电，电源经过电容器C3 加到RESET引脚，使单片机复位；在正常工作时，按下复位键时单片机复位。

图3-2复位电路图

3.1信号采集及前置放大电路

在许多检测技术的应用场合，传感器输出的信号比较弱，而且其中还包括了工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很好的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。只有传感器输出的信号经过前置放大电路对其进行的放大、滤波、电平调整，才能满足单片机对输入信号的要求。