多傳感器系統(tǒng)在火災(zāi)中的應(yīng)用

1、 天津大學(xué) Tianjin University機(jī)械工程 2017級(jí)碩士機(jī)制二班郭志成匯報(bào)人：王國(guó)鋒老師：2017年12月12日目 錄選題背景1傳感器的選取2各種傳感器的分類及原理3系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)4參考文獻(xiàn)5選題背景選題的背景1各種火災(zāi)必然產(chǎn)生大量煙霧，在煙霧成分中，CO, CO2,煙霧濃度異常增大、濕度異常增大、溫度異常增高，這是必然會(huì)出現(xiàn)火災(zāi)的特征?；馂?zāi)現(xiàn)場(chǎng)1.選題背景及意義火災(zāi)是最經(jīng)常和普遍的威脅社會(huì)安全和發(fā)展的重要災(zāi)害。1.選題背景及意義目前市場(chǎng)上使用的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可以分成兩類：傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)和現(xiàn)代火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。從檢測(cè)原理分析，傳統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)一般采用單一的感溫或感煙方式。但是，火

2、災(zāi)的發(fā)生是一個(gè)伴隨著大量物理、化學(xué)反應(yīng)的非線性動(dòng)力學(xué)過程。單一的傳感器僅僅探測(cè)火災(zāi)的一種特征，并沒有考慮環(huán)境狀況變化的多個(gè)因素。當(dāng)報(bào)警閾值設(shè)置過低時(shí)，則會(huì)在烹飪煙霧等干擾下產(chǎn)生誤報(bào)警;如果報(bào)警閾值設(shè)置過高，則會(huì)在有真正的火災(zāi)危險(xiǎn)時(shí)不能報(bào)警?，F(xiàn)代火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)具有一定的智能化，將溫感和煙感結(jié)合，可以進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)控制，具有自動(dòng)和手動(dòng)操作功能。傳感器的選擇火災(zāi)發(fā)生的特點(diǎn)2依據(jù)特點(diǎn)選擇傳感器1.火災(zāi)發(fā)生的特點(diǎn)熱解過程：當(dāng)溫度經(jīng)過一段時(shí)間上升到熱解溫度，此后材料表面處于不完全燃燒狀態(tài)，產(chǎn)生不可見的燃燒生成物，如CO。發(fā)煙過程：熱量進(jìn)一步聚集，材料局部就會(huì)發(fā)生完全燃燒，釋放出更多的氣體，C02開始產(chǎn)生，同時(shí)伴隨

3、大量的含水蒸氣的煙霧?；鹧鏀U(kuò)散：材料溫度的不斷上升，可燃?xì)怏w的大量釋放，開始出現(xiàn)了火焰。衰減：可燃物燃燒結(jié)束后。溫度開始下降，煙霧也減少。全燃：產(chǎn)生大量的熱量、火焰、濃煙，CO和C02濃度繼續(xù)增加。吸熱過程：材料從外界吸取熱量。2.依據(jù)火災(zāi)特點(diǎn)選傳感器1234CO濃度異常增大一氧化碳濃度傳感器煙霧濃度傳感器煙霧濃度異常增大二氧化碳濃度傳感器CO2濃度異常增大溫度濕度異常增大溫濕度傳感器各種傳感器的分類及原理傳感器的分類3傳感器的原理（信號(hào)轉(zhuǎn)化和信號(hào)處理）1.CO濃度傳感器當(dāng)一氧化碳擴(kuò)散到氣體傳感器時(shí)，其輸出端產(chǎn)生電流輸出，提供給報(bào)警器中的采樣電路，起著將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的作用。當(dāng)氣體濃度發(fā)生變

4、化時(shí)，氣體傳感器的輸出電流也隨之成正比變化，經(jīng)報(bào)警器的中間電路轉(zhuǎn)換放大輸出，以驅(qū)動(dòng)不同的執(zhí)行裝置，完成聲、光和電等檢測(cè)與報(bào)警功能。CO濃度傳感器1.選題背景及意義1.CO濃度傳感器當(dāng)一氧化碳?xì)怏w通過外殼上的氣孔經(jīng)透氣膜擴(kuò)散到工作電極表面上時(shí)，在工作電極的催化作用下，一氧化碳?xì)怏w在工作電極上發(fā)生氧化。其化學(xué)反應(yīng)式為： 在工作電極上發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生的 離子和電子，通過電解液轉(zhuǎn)移到與工作電極保持一定間隔的對(duì)電極上，與水中的氧發(fā)生還原反應(yīng)。其化學(xué)反應(yīng)式為： 因此，傳感器內(nèi)部就發(fā)生了氧化-還原的可逆反應(yīng)。其化學(xué)反應(yīng)式為：這個(gè)氧化-還原的可逆反應(yīng)在工作電極與對(duì)電極之間始終發(fā)生著，并在電極間產(chǎn)生電位差。當(dāng)氣

5、體傳感器產(chǎn)生輸出電流時(shí)，其大小與氣體的濃度成正比。通過電極引出線用外部電路測(cè)量傳感器輸出電流的大小，便可檢測(cè)出一氧化碳的濃度。信號(hào)轉(zhuǎn)化的原理1.選題背景及意義1.CO濃度傳感器一氧化碳CO傳感器的輸出腳輸出的是電流信號(hào)，需要先經(jīng)過一級(jí)放大器進(jìn)行電流到電壓的轉(zhuǎn)換，同時(shí)加土偏置電壓進(jìn)行跟隨，這樣信號(hào)才能變成單片機(jī)可以AD采集的電壓信號(hào)，但是此時(shí)的輸出電壓如果直接進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換的話，因?yàn)槠洳▌?dòng)幅度太小，不能被準(zhǔn)確的被分辨開，為了采集的準(zhǔn)確性，該電壓需要進(jìn)入二級(jí)放大器進(jìn)行再次放大，這樣就得到單片機(jī)可以進(jìn)行準(zhǔn)確分辨的AD轉(zhuǎn)換電壓信號(hào)，同時(shí)需要注意進(jìn)行信號(hào)保護(hù)及濾波，這樣信號(hào)接到單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換IO口，就可

6、以實(shí)現(xiàn)一氧化碳的采集了。信號(hào)處理的方式2.CO2濃度傳感器132l固體電解質(zhì)CO2氣體傳感器l電容式CO2傳感器l紅外吸收型CO2傳感器常用CO2濃度傳感器有以下三種，具體介紹新型的紅外吸收型CO2傳感器。2.CO2濃度傳感器紅外吸收CO2傳感器是利用不同氣體對(duì)紅外輻射有著不同的吸收光譜，吸收強(qiáng)度與氣體濃度有關(guān)的事實(shí)來(lái)檢測(cè)CO2濃度的。如果氣體吸收譜線在入射光譜范圍內(nèi)，那么紅外輻射透過被測(cè)氣體后在相應(yīng)譜線處發(fā)生能量的衰減，未被吸收的輻射被探頭測(cè)出，通過測(cè)量該譜線處能量的衰減量來(lái)得知被測(cè)氣體濃度。實(shí)際上，構(gòu)成分子的原子之間距離是變化的。由于熱運(yùn)動(dòng)的影響，原子之間會(huì)發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象。分子在發(fā)生振動(dòng)時(shí)能

7、級(jí)的躍遷需要一定的能量，這個(gè)能量通常由輻射體系的紅外光提供。分子在振動(dòng)過程中必須有瞬間偶極矩的改變，才能在紅外光譜中出現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的吸收光譜。紅外吸收型CO2濃度傳感器1.選題背景及意義2.CO2濃度傳感器單片機(jī)控制光源驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號(hào)，利用脈沖調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光管發(fā)射紅外光，CO2紅外傳感器將檢測(cè)到紅外光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，然后經(jīng)過放大、濾波處理，輸入到單片機(jī)，經(jīng)過內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器后，得到相應(yīng)的數(shù)字量，通過液晶顯示單元顯示CO2氣體的濃度值以及需要的參數(shù)值，DA轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字量轉(zhuǎn)變成0-1V的模擬電壓。信號(hào)處理的方式3.煙霧濃度傳感器在探測(cè)器的電離室內(nèi)放粒子放射源，其不斷地持續(xù)放射出

8、粒子射線，以高速運(yùn)動(dòng)撞擊空氣中的氮、氧等分子。在粒子的轟擊下引起電離，產(chǎn)生大量的帶正負(fù)電荷的離子，從而使得原來(lái)不導(dǎo)電的空氣具有導(dǎo)電性。當(dāng)在電離室兩端加上一定的電壓后，使得空氣中的正負(fù)離子向相反的電極移動(dòng)，形成電離電流。具體電流的大小與電離室本身的幾何形狀、放射源活度、 粒子能量、電極電壓的大小及空氣的密度、溫度、濕度和氣流速度等因素有關(guān)。 當(dāng)煙霧粒子進(jìn)入電離室后，由于氣熔膠吸附大量的正負(fù)離子，使其中和。煙霧越濃，導(dǎo)致離子復(fù)合幾率加快，從而使空氣中電離電流迅速下降，電離室阻抗增加，因此根據(jù)R值變化可以感受到煙霧濃度的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)的探測(cè)。 煙霧濃度傳感器1.選題背景及意義2.煙霧濃度傳感器

9、首先要經(jīng)過一級(jí)運(yùn)算放大電路。然后將輸出電壓接到單片機(jī)的AD口進(jìn)行轉(zhuǎn)換采集。信號(hào)處理的方式4.溫濕度傳感模塊溫濕度傳感器由溫度傳感器和濕度傳感器組成。（1）熱電偶溫度傳感器兩種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱為熱電偶。當(dāng)有兩種不同的導(dǎo)體和半導(dǎo)體A和B組成一個(gè)回路，其兩端相互連接時(shí)，只要兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，一端溫度為T，稱為工作端或熱端，另一端溫度為TO，稱為自由端，則回路中就有電流產(chǎn)生，即回路中存在的電動(dòng)勢(shì)，稱為熱電動(dòng)勢(shì)。（2）濕度傳感器濕敏電阻的特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測(cè)量濕度。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕

10、敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對(duì)濕度成正比。溫濕度傳感器1.選題背景及意義4.溫濕度傳感模塊濕度采集可以直接把輸出接到單片機(jī)定時(shí)器IO接口，在定時(shí)器初始化時(shí)設(shè)置為計(jì)數(shù)模式就可以了。通過計(jì)數(shù)模式得到的每秒的脈沖計(jì)數(shù)次數(shù)，就是溫濕度傳感器輸出的頻率來(lái)求濕度。下圖所示為濕度與頻率的關(guān)系圖，濕度越高，頻率越低。信號(hào)處理的方式系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)41.選題背景及意義系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)經(jīng)過歸納，有三種數(shù)據(jù)采集需要用到AD轉(zhuǎn)換，即一氧化碳、煙霧濃度、溫度，雖然本單片機(jī)有至少8個(gè)AD采集IO口，但是每次ADC中斷只能采集一種數(shù)據(jù)，所以對(duì)于這三種參數(shù)，為了及時(shí)得到數(shù)據(jù)，軟件設(shè)計(jì)每10ms

11、進(jìn)行一次ADC啟動(dòng)，三種參數(shù)輪詢交替采集。這樣采集的數(shù)據(jù)既穩(wěn)定，又及時(shí)，滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。 與此同時(shí)其他三組數(shù)據(jù)，濕度是采用定時(shí)器計(jì)數(shù)模式，因此它可以每100ms得出一次數(shù)據(jù);二氧化碳是通過串口發(fā)送指令得到二氧化碳濃度，它也可以每100ms執(zhí)行一次。工作流程參考文獻(xiàn)5參考文獻(xiàn)1 李宏文，張向陽(yáng).建筑物火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的智能化發(fā)展.工程設(shè)計(jì)CAD與智能建筑，2002, 2: 21-23.2 劉浩東.淺談電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的施工技術(shù)J.城市建設(shè)理論研究(電子版)，2013 (3).3 武玉澤，楊興榮.論火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展.消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2004 (1): 16-19.4 黃海龍. (2008).火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)在智能建筑中的應(yīng)用分析.科技致富向?qū)В?4, 087.5 姜巖蕾。多傳感器信息融合火災(zāi)探測(cè)器及算法研究n.焦作:河南理工大學(xué)，2005.6 韓敬.(2002).火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)及發(fā)展.山西建筑，28(7), 85-86.7 王軍，馬青波，隋虎林，等.火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警監(jiān)控