小型空间烟雾探测报警器研究
摘 要通过探测火灾初期的烟雾来实现火灾预报对于保障人民的生命财产安全有着十分重要的意义，而现在的小型的空间几乎一般烟雾探测装置，因而，研究一种适用于小型空间的烟雾探测器是有必要的。本文设计了一种无需使用干电池的适用于小空间的的烟雾探测报警器。本文设计了印制板电路的原理图，它由探测电路、跟随器电路、减法器电路、比较电路和+5V供电电源电路组成，设计中还编写了单片机的应用程序，然后将硬件电路和单片机有机整合在一起构成了烟雾探测报警器。该设计的最大创新点在于它可根据烟雾浓度显示不同的烟雾等级。在电路制作完成后，对其进行了测试和调试以让其性能达到最优，同时展望了该系统器的未来发展的可能方向。摘要......................Ⅰ
目录
ABSTRACTⅡ
目录…………………………………………………………………………….Ⅲ
绪论.1
1.1背景.1
1.2研究的现状.................................................1
1.3研究目的和意义.3
1.4研究内容.4
电路基本原理、主要器件及软件工具简介.5
2.1基本原理..5
2.1.1整体电路工作原理...5
2.1.2单片机程序逻辑介绍...6
2.2主要器件的介绍与选型..8
2.3软件工具介绍17
烟雾探测报警器的电路设计19
3.1供电电源电路设计19
3.2探测电路设计20
3.3跟随器电路和减法器电路设计22
3.3.1跟随器电路设计.22
3.3.2减法器电路设计.23
3.4比较电路设计25
3.5烟雾探测报警器实物效果26
实验结果分析与设计优化27
4.1实验结果分析..27
4.2设计优化..30
总结与展望32
5.1总结..32
5.2展望..32
参考文献..34
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/> 致谢..36
附录一..37
附录二..46
第一章 绪论
1.1研究背景
长久以来，火灾一直是危害非常之大的一个灾情。根据公安消防部的统计数据，2014年全国总计接报火灾39.5万起，由此而造成的直接财产损失为43.9亿元，这两个数字可不可谓不触目惊心。因而，火灾的预防和警报显得极其之重要。一般的火灾中，明火的出现是要晚于烟雾的，因此探测到烟雾可以提前发出火灾警报，其意义是十分重大的。
火灾产生的烟雾时是气、液、固微粒组合成的混合物，有温度、电荷和质量等物理特征[1]。对烟雾探测原理不同就有了不同种类的烟雾探测的装置，并且随着人们消防安全意识的提高，它们也被广泛应用于一些场所的烟雾探测从而发挥预报火情的作用。在日常中所见到的烟雾探测器常安装于一些比较大的空间中起着监测烟雾作用，然而对于一些小型的空间则常常缺乏必要的监测，比如狭小的过道、小的仓库和小型贮藏室等等。因而这些地方往往会成为火灾探测的“盲区”，若是这些地方有火情待到蔓延到别的地方才被探测到再警报可能就已经晚了。比如一些不规则的小型空间，火情发生短短数十秒内它们内部温度就会迅速地升至高温，这是相当危险的[2]。当然，若是将现有的报警器用于这些小空间，那么可能确实能预报火灾但却存在着一些问题。由于这些空间比较狭小一点的烟雾就可能有较大的浓度从而导致误报，比如狭小过道有人吸烟等情况。再者，若小空间较多则由于现在大部分的烟雾探测装置采用电池供电，会产生较多的废电池，不利于环保。因此设计一种适合于小空间的烟雾探测报警器是有必要的。
1.2研究现状
近年来，对于烟雾探测报警的研究取得了很好的成果，各种各样的的烟雾探测系统装置被设计出来，它们的偏重点各不相同，在这里介绍下国内外先进的设计方案：
国外的一些技术手段包括，基于小波变换技术的实时视频烟雾探测方法，其利用了烟雾边缘的图像帧对图像高频含量的影响这一原理，图1.1和图1.2是其实验效果的对比图[3]。
图1.1原始框架和其单一层次小波子图像
图1.2带有烟雾的框架和其单一层次小波子图像（边缘处模糊可见）
在礼堂等大空间内，受气流的影响，常见的粒子式光电式的烟雾探测器常常不能探测到可能的火灾，从而不能让人及早采取措施耽误灭火[4]。而视频式的烟雾探测方法就可解决该问题，该方法所用的主要技术是数字图像处理，该技术中可用向量来表示图像，从而可用向量的知识来处理图像，构成向量时，按行的顺序或案列的顺序都是可以的 [5]。还有一种户外火灾探测视频烟雾探测技术，可用于监视森林的火情状况[6]。
国内的先进技术手段也有很多，如，新疆建筑设计研究院的吴校军介绍了基于VEDSA的应用于机房的烟雾探测系统，它被设计用来在火灾初期充分利用初期火情的特点进行探测和报警。该系统能够适用于不同的厂商生产的不同的控制面板，且其在有火情的情况下从火情开始到探测到烟雾并发出有火灾的警报的时间是非常之短的，而且其还可以根据不同的时间和要求等设置不同的报警门限，从而满足不同使用者不同的需求和不同场合的要求，另外它的使用效果不受气流的影响，从而使得它非常地适用于机房等需要通风换气的场所[7]。华中科技大学的胡勇、王殊等人设计了一种主动式、光电式的烟雾探测系统，它解决了普通烟雾探测器被动感烟的问题且灵敏度非常高，用抽气风机主动地对空气进行采样检测，使得它能够应用于太空中的飞船的舱室等失重或重力非常小的环境中[8]。北京交通大学的张中向等人提出了一种利用CAN通信技术进行烟雾探测的方法，可用于存放了大量锂电池的充电站的烟雾探测[9]。还有利用利用神经网络来识别火灾所产生的烟雾的技术，它是一种能够识别火灾产生的烟雾与非火灾因素的很有效的方法，图1.1是用于识别火灾所产生的烟雾的神经网络结构图[10]。
图1.1 用于烟雾识别的神经网络结构图
还有一些被设计应用于特定场合的烟雾探测系统，比如一种被设计用于地铁上的烟雾探测系统，该设计克服了地铁的高速运动对探测的影响且能够在火灾发生时的极早期就发出警报从而最大程度地保障了地铁的消防安全[11]。还有一种被研究用于在后方储存物资的仓库进行烟雾探测的系统，其通过采样空气来检测是否有火灾发生，给后方仓库的消防安全工作提供了非常好的新思路[12]。
1.3研究目的和意义
本文旨在设计一种适合于小空间的烟雾探测报警器，此探测器无需干电池供电，较为环保，还能显示不同的烟雾等级，从而人们可根据显示的内容作出正确的判断。这样，它在预报火灾的同时又避免了因误报而引起的人们不必要的恐慌和人力物力的浪费，对于保障小空间的消防安全有着十分重要的意义。
1.4研究内容
本设计的内容是研究了一种适用于小型空间的烟雾探测报警器，它是一个软硬件相结合的电路系统。在此次设计中设计了整个探测器印制板电路的各个工作模块的原理图，再将其整合形成整体的电路图，还编写了单片机部分的程序，最后将单片机和硬件电路有机的结合起来，完成了烟雾探测报警器的设计。在设计完成并将实物制作出来后，对探测报警器所用的器件、模块电路和整个探测报警器都进行了实验测试和调试，以让探测器能够完满地实现预期的功能。
目录
ABSTRACTⅡ
目录…………………………………………………………………………….Ⅲ
绪论.1
1.1背景.1
1.2研究的现状.................................................1
1.3研究目的和意义.3
1.4研究内容.4
电路基本原理、主要器件及软件工具简介.5
2.1基本原理..5
2.1.1整体电路工作原理...5
2.1.2单片机程序逻辑介绍...6
2.2主要器件的介绍与选型..8
2.3软件工具介绍17
烟雾探测报警器的电路设计19
3.1供电电源电路设计19
3.2探测电路设计20
3.3跟随器电路和减法器电路设计22
3.3.1跟随器电路设计.22
3.3.2减法器电路设计.23
3.4比较电路设计25
3.5烟雾探测报警器实物效果26
实验结果分析与设计优化27
4.1实验结果分析..27
4.2设计优化..30
总结与展望32
5.1总结..32
5.2展望..32
参考文献..34
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附录一..37
附录二..46
第一章 绪论
1.1研究背景
长久以来，火灾一直是危害非常之大的一个灾情。根据公安消防部的统计数据，2014年全国总计接报火灾39.5万起，由此而造成的直接财产损失为43.9亿元，这两个数字可不可谓不触目惊心。因而，火灾的预防和警报显得极其之重要。一般的火灾中，明火的出现是要晚于烟雾的，因此探测到烟雾可以提前发出火灾警报，其意义是十分重大的。
火灾产生的烟雾时是气、液、固微粒组合成的混合物，有温度、电荷和质量等物理特征[1]。对烟雾探测原理不同就有了不同种类的烟雾探测的装置，并且随着人们消防安全意识的提高，它们也被广泛应用于一些场所的烟雾探测从而发挥预报火情的作用。在日常中所见到的烟雾探测器常安装于一些比较大的空间中起着监测烟雾作用，然而对于一些小型的空间则常常缺乏必要的监测，比如狭小的过道、小的仓库和小型贮藏室等等。因而这些地方往往会成为火灾探测的“盲区”，若是这些地方有火情待到蔓延到别的地方才被探测到再警报可能就已经晚了。比如一些不规则的小型空间，火情发生短短数十秒内它们内部温度就会迅速地升至高温，这是相当危险的[2]。当然，若是将现有的报警器用于这些小空间，那么可能确实能预报火灾但却存在着一些问题。由于这些空间比较狭小一点的烟雾就可能有较大的浓度从而导致误报，比如狭小过道有人吸烟等情况。再者，若小空间较多则由于现在大部分的烟雾探测装置采用电池供电，会产生较多的废电池，不利于环保。因此设计一种适合于小空间的烟雾探测报警器是有必要的。
1.2研究现状
近年来，对于烟雾探测报警的研究取得了很好的成果，各种各样的的烟雾探测系统装置被设计出来，它们的偏重点各不相同，在这里介绍下国内外先进的设计方案：
国外的一些技术手段包括，基于小波变换技术的实时视频烟雾探测方法，其利用了烟雾边缘的图像帧对图像高频含量的影响这一原理，图1.1和图1.2是其实验效果的对比图[3]。
图1.1原始框架和其单一层次小波子图像
图1.2带有烟雾的框架和其单一层次小波子图像（边缘处模糊可见）
在礼堂等大空间内，受气流的影响，常见的粒子式光电式的烟雾探测器常常不能探测到可能的火灾，从而不能让人及早采取措施耽误灭火[4]。而视频式的烟雾探测方法就可解决该问题，该方法所用的主要技术是数字图像处理，该技术中可用向量来表示图像，从而可用向量的知识来处理图像，构成向量时，按行的顺序或案列的顺序都是可以的 [5]。还有一种户外火灾探测视频烟雾探测技术，可用于监视森林的火情状况[6]。
国内的先进技术手段也有很多，如，新疆建筑设计研究院的吴校军介绍了基于VEDSA的应用于机房的烟雾探测系统，它被设计用来在火灾初期充分利用初期火情的特点进行探测和报警。该系统能够适用于不同的厂商生产的不同的控制面板，且其在有火情的情况下从火情开始到探测到烟雾并发出有火灾的警报的时间是非常之短的，而且其还可以根据不同的时间和要求等设置不同的报警门限，从而满足不同使用者不同的需求和不同场合的要求，另外它的使用效果不受气流的影响，从而使得它非常地适用于机房等需要通风换气的场所[7]。华中科技大学的胡勇、王殊等人设计了一种主动式、光电式的烟雾探测系统，它解决了普通烟雾探测器被动感烟的问题且灵敏度非常高，用抽气风机主动地对空气进行采样检测，使得它能够应用于太空中的飞船的舱室等失重或重力非常小的环境中[8]。北京交通大学的张中向等人提出了一种利用CAN通信技术进行烟雾探测的方法，可用于存放了大量锂电池的充电站的烟雾探测[9]。还有利用利用神经网络来识别火灾所产生的烟雾的技术，它是一种能够识别火灾产生的烟雾与非火灾因素的很有效的方法，图1.1是用于识别火灾所产生的烟雾的神经网络结构图[10]。
图1.1 用于烟雾识别的神经网络结构图
还有一些被设计应用于特定场合的烟雾探测系统，比如一种被设计用于地铁上的烟雾探测系统，该设计克服了地铁的高速运动对探测的影响且能够在火灾发生时的极早期就发出警报从而最大程度地保障了地铁的消防安全[11]。还有一种被研究用于在后方储存物资的仓库进行烟雾探测的系统，其通过采样空气来检测是否有火灾发生，给后方仓库的消防安全工作提供了非常好的新思路[12]。
1.3研究目的和意义
本文旨在设计一种适合于小空间的烟雾探测报警器，此探测器无需干电池供电，较为环保，还能显示不同的烟雾等级，从而人们可根据显示的内容作出正确的判断。这样，它在预报火灾的同时又避免了因误报而引起的人们不必要的恐慌和人力物力的浪费，对于保障小空间的消防安全有着十分重要的意义。
1.4研究内容
本设计的内容是研究了一种适用于小型空间的烟雾探测报警器，它是一个软硬件相结合的电路系统。在此次设计中设计了整个探测器印制板电路的各个工作模块的原理图，再将其整合形成整体的电路图，还编写了单片机部分的程序，最后将单片机和硬件电路有机的结合起来，完成了烟雾探测报警器的设计。在设计完成并将实物制作出来后，对探测报警器所用的器件、模块电路和整个探测报警器都进行了实验测试和调试，以让探测器能够完满地实现预期的功能。
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