煙霧檢測報警系統(tǒng)設(shè)計

1、煙霧檢測報警系統(tǒng)設(shè)計摘 要當(dāng)今世界已進(jìn)入信息時代，在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。隨著這些系統(tǒng)能力的增強(qiáng)，傳感器的作用越來越重要。傳感器已成為自動化系統(tǒng)和機(jī)器人技術(shù)中的關(guān)鍵部件，作為系統(tǒng)中的一個結(jié)構(gòu)組成，其重要性變得越來越明顯。 為了提高對傳感器的認(rèn)識和了解，尤其是對煙霧傳感器的深入研究以及其用法與用途，本文利用單片機(jī)結(jié)合傳感器技術(shù)而開發(fā)設(shè)計了這一煙霧監(jiān)控系統(tǒng)。本論文以電阻式煙

2、霧傳感器和單片機(jī)技術(shù)為核心并與其他電子技術(shù)相結(jié)合， 設(shè)計出一種技術(shù)水平較好的煙霧報警器。其中選用MQ-2型半導(dǎo)體可燃?xì)怏w敏感元件煙霧傳感器實現(xiàn)煙霧的檢測，具有靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，而且價格低廉，使用壽命長。選用的STC12C5410AD單片機(jī)，其整合了A/D轉(zhuǎn)換、硬件乘法器、硬件脈寬調(diào)制器等資源，具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等優(yōu)點，是目前同類技術(shù)中性價比較高的產(chǎn)品。以STC12C5410AD單片機(jī)和MQ-2型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器為核心設(shè)計的煙霧報警器可實現(xiàn)聲光報警、故障自診斷、濃度顯示、報警限設(shè)置、延時報警及與上位機(jī)串口通信等功能。該煙霧報警器是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方

3、便、價格低廉、智能化的煙霧報警器，具有一定的實用價值。 關(guān)鍵詞：傳感器 ；煙霧報警器 ；STC12C5410AD單片機(jī) ABSTRACTThe world has entered the information age, in the course of the use of information, we must first resolve is to obtain accurate and reliable information, and sensor is to obtain information in the field of natural and production of

4、the main ways and means. In modern industrial production, especially in automated production processes, use a variety of sensors to monitor and control the various parameters of the manufacturing process, so that equipment or the best work in the normal state, and to reach the best quality products.

5、 With the enhanced capacity of these systems, sensors have become increasingly important. Sensors have become automated systems and robotics in a key component, as the system composed of a structure, its importance has become increasingly apparent. In order to improve awareness and understanding of

6、the sensor, especially for smoke sensor in-depth research, and its use and purpose, this paper microcomputer with the sensor technology development and design of this smoke control system. In this thesis, smoke sensors and resistive technology as the core MCU and other electronic technology with the

7、 combination of skills to design a better smoke alarm. Which use MQ-2 combustible gas sensor type semiconductor Smoke Sensors detect smoke, have high sensitivity, fast response, the advantages of anti-interference ability, and low-cost, long life. Selected STC12C5410AD microcontroller, which integra

8、tes A / D conversion, hardware multiplier, the hardware resources such as pulse width modulator with a high speed, low power consumption, the advantages of superior anti-jamming, is similar in cost-effective high technology products. To STC12C5410AD microcontroller and MQ-2-type semiconductor resist

9、ance type smoke sensor as the core design of the smoke alarm can achieve sound and light alarm, fault diagnosis, concentration display, alarm limit settings, delay alarm and serial communication with PC functions. The smoke alarm is a simple structure, stable performance, easy to use, inexpensive, i

10、ntelligent smoke detectors, has some practical value. Keywords：sensors ; smoke alarm ; STC12C5410AD SCM目 錄摘要································

11、························1 ABSTRACT························&#

12、183;······················2 第1章 緒論··························

13、·························61.1 概述························

14、;····························61.2 火災(zāi)報警器的發(fā)展趨勢···················&#

15、183;············61.3 小結(jié)····································&

16、#183;···············8第2章 煙霧檢測報警器的方案設(shè)計··························92.1 煙霧檢測報警器設(shè)計思路··

17、3;·························92.2 煙霧傳感器的選型······················

18、83;·············92.2.1 煙霧傳感器介紹··································&

19、#183;····92.2.2 煙霧傳感器的選定····································102.3 煙霧檢測報警器整體設(shè)計方案···

20、83;··················122.3.1 煙霧檢測報警器的結(jié)構(gòu)····························

21、83;·122.3.2 煙霧檢測報警器工作原理····························132.3.3 煙霧檢測報警器的功能··············&#

22、183;···············142.4 小結(jié)·································

23、·················14第3章 煙霧檢測報警器的硬件設(shè)計·························163.1 單片機(jī)的選型···

24、·····································163.1.1 單片機(jī)的選擇··········

25、3;·····························163.2 煙霧檢測報警器硬件電路設(shè)計·················

26、83;····183.2.1 信號采集及前置放大電路···························183.2.2 聲音報警電路·············

27、···························193.2.3 數(shù)碼管顯示電路····················

28、83;················203.2.4 狀態(tài)指示燈及控制鍵電路···························213.2.5 報警器故障自診斷電路&#

29、183;·····························223.3 小結(jié)···················

30、······························23第4章 煙霧檢測報警器的軟件設(shè)計·················

31、········244.1 STC12系列單片機(jī)調(diào)試及開發(fā)工具·················244.2 煙霧檢測報警器軟件流程及設(shè)計··················

32、;·244.2.1 主程序設(shè)計及流程圖································254.2.2 主程序初始化流程圖···········&

33、#183;····················264.2.3 中位值平均濾波法數(shù)字濾波子程序設(shè)計及流程圖··274.2.4 報警子程序設(shè)計及流程圖···················&

34、#183;·······294.2.5 控制按鍵設(shè)計子程序及流程圖······················304.3 小結(jié)···············&#

35、183;·································30第5章 實驗檢定及誤差分析··············

36、;··················325.1 煙霧檢測報警器檢定·····························&#

37、183;···325.1.1 爆炸概念介紹·········································325.1.2 實驗數(shù)據(jù)分析

38、3;········································325.2 實驗誤差分析·······

39、3;································335.3 小結(jié)················&#

40、183;·································34結(jié)論···············

41、3;··········································34致謝·······

42、··················································

43、·36參考文獻(xiàn)················································

44、·····36第1章 緒論1.1 概述現(xiàn)代建筑的特點是樓層不斷加高，這主要是從緩解城市用地緊張的角度出發(fā)的，同時還便于集中供電、供熱、供氣，便于集中控制和管理?，F(xiàn)在，不論是普通型（比如民用住宅）還是豪華型（比如高級賓館）的高層建筑，都日益重視防火和安全技術(shù)的普及應(yīng)用。因為其樓層多、人員密集，如果發(fā)生火災(zāi)，疏散困難，撲救也困難，勢必造成嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。為了保障高層建筑安全可靠，必須設(shè)計出具有可靠性高、實時性好的火災(zāi)自動報警與消防系統(tǒng)，其要求是：（1）當(dāng)有火情發(fā)生時，能以最快的速度檢測報警，并能檢測火情發(fā)生的具體地點；（2）經(jīng)查實確認(rèn)后，

45、能及時的通報消防部門滅火；（3）系統(tǒng)本身應(yīng)有自身故障檢測的功能，保證自動報警系統(tǒng)功能完好；（4）較高的系統(tǒng)抗干擾能力，防止系統(tǒng)發(fā)生誤報警。目前，雖然已經(jīng)有多種火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，但大多還屬于脫機(jī)方式，最終要靠人來聯(lián)系消防部門，往往由于不能及時報警而造成重大損失。如果能夠以在線的方式直接工作，將很大程度上減輕財產(chǎn)損失和人員傷亡。正是著眼于這一問題，力圖從根本上解決問題，直接將信號通過無線傳輸技術(shù)發(fā)送給主控室或消防部門，達(dá)到第一時間救火的目的。1.2 發(fā)展趨勢 傳感器在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。人類社會對傳感器提出越來越高的要求是傳感器技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動力。而現(xiàn)在科

46、學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)則提供了堅強(qiáng)的后盾。 縱觀幾十年來的傳感技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，不外乎分為兩個方面：一是提高與改善傳感器的技術(shù)性能，二是尋找新原理、新材料、新工藝及新功能等。提高與改變傳感器的技術(shù)性能的途徑：（1）差動技術(shù) 差動技術(shù)是傳感器中普遍采用的技術(shù)。它的應(yīng)用可顯著地減小溫度變化、電源波動、外界干擾等對傳感器精度的影響等。不少傳感器由于采用了差動技術(shù)，還可使靈敏度增大。 （2）平均技術(shù) 在傳感器中普遍采用平均技術(shù)可產(chǎn)生平均效應(yīng)，其輸出則是這些單元輸出的平均值?？梢姡趥鞲衅髦欣闷骄夹g(shù)不僅可使傳感器誤差減小，且可增大信號量，即增大傳感器靈敏度。 （3）補(bǔ)償與修正技術(shù) 補(bǔ)償與修正技術(shù)在傳感器中得到

47、了廣泛的應(yīng)用。這種技術(shù)的運用大致是針對下列兩種情況。一種是針對傳感器本身特性的，另一種是針對傳感器的工作條件或外界環(huán)境的。 對于傳感器特性，可以找出誤差的變化規(guī)律，或者測出其大小和方向，采用適當(dāng)?shù)姆椒右匝a(bǔ)償或修正。 針對傳感器工作條件或外界環(huán)境進(jìn)行誤差補(bǔ)償，也是提高傳感器精度的有力技術(shù)措施。不少傳感器對溫度敏感，由于溫度變化引起的誤差十分可觀。為了解決這個問題，必要時可以控制溫度，增加恒溫裝置，但往往費用太高，或使用現(xiàn)場不允許。而在傳感器內(nèi)引入溫度誤差補(bǔ)償又常常是可行的。這時應(yīng)找出溫度對測量值影響的規(guī)律，然后引入溫度補(bǔ)償措施。 補(bǔ)償與修正，可以利用硬件來解決，也可以采用微型計算機(jī)通過軟件來實

48、現(xiàn)。 （4）屏蔽、隔離與干擾抑制 傳感器大都要在現(xiàn)場工作的，現(xiàn)場的條件往往是難以充分預(yù)料的，有時是極其惡劣的。各種外界因素將影響傳感器的精度以及其他相關(guān)性能。為了減小測量誤差，保證其原有性能，就應(yīng)設(shè)法削弱或消除外界因素對傳感器的影響。其方法歸納起來有二：一是減小傳感器對影響因素的靈敏度；二是降低外界因素對傳感器實際作用。 （5）穩(wěn)定性處理 傳感器作為長期測量或反復(fù)使用的器件，其穩(wěn)定性顯得特別重要，其重要性甚至勝過精度指標(biāo)，尤其是對那些很難或無法定期鑒定的場合。 造成傳感器性能不穩(wěn)定的原因是：隨著時間的推移和環(huán)境條件的變化，構(gòu)成傳感器的各種材料與元器件性能將發(fā)生變化。 為了提高傳感器性能的穩(wěn)定性

49、，應(yīng)該對材料、元器件或傳感器整體進(jìn)行必要的穩(wěn)定性處理。1.3 小結(jié)現(xiàn)在的樓層不斷加高，對于這類高層建筑，都日益重視防火的問題。如果安裝了火災(zāi)報警系統(tǒng)，其可將信號通過無線傳輸技術(shù)發(fā)給消防部門，可以保障高層建筑的安全，將人員傷亡和財產(chǎn)損失降到最低。傳感器在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。幾十年來的傳感技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，不外乎分為兩個方面：一是提高與改善傳感器的技術(shù)性能，二是尋找新原理、新材料、新工藝及新功能等。本論文主要是有以下幾個部分組成：第一章緒論；第二章煙霧檢測報警器的方案設(shè)計；第三章煙霧檢測報警器的硬件設(shè)計；第四章煙霧檢測報警器的軟件設(shè)計；第五章實驗檢定及誤差分

50、析；第六章總結(jié)；第七章致謝。第2章 煙霧檢測報警器的方案設(shè)計2.1 煙霧檢測報警器設(shè)計思路煙霧檢測報警器是能夠檢測環(huán)境中的煙霧濃度，并具有報警功能的儀器。煙霧信號采集電路一般由煙霧傳感器和模擬放大電路組成，將煙霧信號轉(zhuǎn)化為模擬的電信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將從煙霧檢測電路送出的模擬信號轉(zhuǎn)換成可識別的數(shù)字信號后送入單片機(jī)。單片機(jī)對該數(shù)字信號進(jìn)行濾波處理，并對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理。單片機(jī)對該數(shù)字信號進(jìn)行濾波處理，并對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，是否大于或等于某個預(yù)設(shè)值，如果大于則啟動報警電路發(fā)出報警聲音，反之則為正常狀態(tài)。為方便檢測與監(jiān)控，使儀器測試人員及用戶能夠直觀地觀察到環(huán)境中煙霧濃度值,可將濃度值送

51、到顯示屏中。2.2 煙霧傳感器的選型 煙霧傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，它將可燃性氣體在空氣中的含量轉(zhuǎn)化成電信號，通過A/D轉(zhuǎn)換電路，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后送到單片機(jī)，進(jìn)而由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理等工作。2.2.1 煙霧傳感器介紹 下面將目前廣泛采用的分類方法作一個簡單介紹。 首先，按傳感器的工作機(jī)理，可分為物理型、化學(xué)型、生物型等。 其次，按構(gòu)成原理，可分為結(jié)構(gòu)型與物性型兩大類。 結(jié)構(gòu)型傳感器是利用物理學(xué)中場的定律構(gòu)成的，包括動力場的運動定律，電磁場的電磁定律等。物理學(xué)中的定律一般是以方程式給出的。對于傳感器來說，這些方程式也就是許多傳感器在工作時的數(shù)學(xué)模型。這類傳感器的特點是傳感器的工作

52、原理是以傳感器中元件相對位置變化引起場的變化為基礎(chǔ)，而不是以材料特性變化為基礎(chǔ)。物性型傳感器是利用物質(zhì)定律構(gòu)成的。物質(zhì)定律是表示物質(zhì)某種客觀性質(zhì)的法則。這種法則，大多數(shù)是以物質(zhì)本身的常數(shù)形式給出。這些常數(shù)的大小，決定了傳感器的主要性能。因此，物性型傳感器的性能隨材料的不同而異。 第三，根據(jù)傳感器的能量轉(zhuǎn)換情況，可分為能量控制型傳感器和能量轉(zhuǎn)換型傳感器。能量控制型傳感器，其能量需要外電源供給。能量轉(zhuǎn)換型傳感器，它不需要外電源。 第四，按照物理原理分類，可分為: （1）電參量式傳感器。（2）磁電式傳感器。（3）壓電式傳感器。（4）光電式傳感器,包括一般光電式、光柵式、激光式、光電碼盤式、光導(dǎo)纖維式

53、、紅外式等。（5）氣電式傳感器。（6）熱電式傳感器。（7）波式傳感器,包括超聲波式、微波式等。（8）射線式傳感器。（9）半導(dǎo)體式傳感器。（10）其它原理的傳感器等。2.2.2 煙霧傳感器的選定（1）根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型要進(jìn)行具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：1.量程的大??；2.對傳感器體積的要求；3.測量方式為接觸式還是非接觸式；4.信號的引出方法，有線或是非接觸測量。在考慮上述問

54、題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。 （2）靈敏度的選擇通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。反當(dāng)靈敏度高時，與被測量變化對應(yīng)的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但值得注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關(guān)的外界噪聲就容易混入，并會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。 （3）頻率響應(yīng)特性失真的測量條件，實際上傳感器的響應(yīng)總有定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)越高，可測的信號頻率范圍就越寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。在動態(tài)測量中，應(yīng)根據(jù)信號的特點響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生誤差。 （4）

55、線性范圍傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先需看其量程是否滿足要求。但實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當(dāng)所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。 （5）穩(wěn)定性傳感器使用一段時間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。

56、在選擇傳感器之前，應(yīng)對其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧?，減小環(huán)境的影響。傳感器的穩(wěn)定性有定量指標(biāo)，在超過使用期后，在使用前應(yīng)重新進(jìn)行標(biāo)定，以確定傳感器的性能是否發(fā)生變化。在某些要求傳感器能長期使用而又不能輕易更換或標(biāo)定的場合，所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴(yán)格，要能夠經(jīng)受住長時間的考驗。 （6）精度傳感器的精度越高，其價格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。如果測量目的是定性分析的，選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不宜選用絕對量值精度高的；如果是為了

57、定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級能滿足要求的傳感器。對某些特殊使用場合，無法選到合適的傳感器，則需自行設(shè)計制造傳感器。自制傳感器的性能應(yīng)滿足使用要求。半導(dǎo)體煙霧傳感器的優(yōu)點更加突出：靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價格便宜，維護(hù)成本較低等。因此，本設(shè)計采用半導(dǎo)體煙霧傳感器作為報警器煙霧信息采集部分的核心。而在眾多半導(dǎo)體氣體傳感器中，本設(shè)計選用MQ-2型煙霧傳感器，這種型號的傳感器具備靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長等優(yōu)點。2.3 煙霧檢測報警器整體設(shè)計方案2.3.1 煙霧檢測報警器的結(jié)構(gòu) 報警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，配合外圍電路共同完成信號采集、濃度顯示、時

58、間顯示、狀態(tài)顯示、聲音及閃爍報警、按鍵輸入、故障自檢等功能。報警器采用巡檢的工作方式，進(jìn)行兩級報警值設(shè)定，并發(fā)出不同的光、聲信號。系統(tǒng)應(yīng)采用高性能的單片機(jī)，要求工作穩(wěn)定、測量精度高、通用性強(qiáng)、功耗低，保證報警器的精確性及可靠性，而且最好體積小，成本低，有利于減少報警器的體積，降低報警器的成本。圖2-1 煙霧檢測報警器的結(jié)構(gòu)2.3.2 煙霧檢測報警器工作原理 傳感器是通過測量空氣中的正負(fù)電荷的平衡來工作的。在傳感器內(nèi)部，有一小片放射性物質(zhì)，這種物質(zhì)能在感應(yīng)室內(nèi)流動的空氣中產(chǎn)生一股微小的電流。在線路板上，有一個電腦芯片用來監(jiān)測這股電流。當(dāng)煙霧粒子進(jìn)入到感應(yīng)室后，就會擾亂那里的正負(fù)電荷的平衡，同時也

59、會使這股電流發(fā)生變化。當(dāng)煙霧逐漸加重，正負(fù)電荷的不平衡性就會加強(qiáng)。當(dāng)這種平衡性達(dá)到一定的限度，喇叭就會響起。首先，傳感器送來的煙霧濃度對應(yīng)的微小的電壓信號經(jīng)過放大，轉(zhuǎn)化成較大的電壓信號送入單片機(jī)；然后， A/D轉(zhuǎn)換，濃度比較，對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理， 將數(shù)字化電壓信號轉(zhuǎn)化成為對應(yīng)的十進(jìn)制濃度值；最后，將實際可燃性氣體濃度送入液晶，并判斷濃度值是否超出報警限，當(dāng)濃度處于正常狀態(tài)綠燈長亮，當(dāng)煙霧濃度超出設(shè)定的限定值時，發(fā)出聲音報警并伴隨紅燈閃亮。2.3.3 煙霧檢測報警器的功能 (1)自診斷故障報警功能 當(dāng)傳感器加熱絲或者電纜線發(fā)生斷線或者接觸不良的情況時，報警器發(fā)出警報，并且黃色指示燈閃爍，提醒用

60、戶檢查傳感器或者電路線接觸情況，及時排除故障，保證安全。 (2)煙霧濃度顯示通過液晶屏顯示可燃煙霧的濃度值，并且可以切換到設(shè)置狀態(tài)，通過鍵盤設(shè)置或者更改報警限值，以便于用戶或檢測人員隨時觀測煙霧濃度及更改報警限。 (3)煙霧報警功能 當(dāng)煙霧濃度連續(xù)20秒取值都在報警限值之上，蜂鳴器開始報警，聲音越來越急促，并且伴隨紅燈閃爍。(4)防止報警器誤報功能 快速重復(fù)檢測及延時報警可以區(qū)別出是管道中可燃煙霧的泄漏，還是由于打開閥門時的微量煙霧的散失。 (5)看門狗自檢單片機(jī)狀態(tài)功能 調(diào)用單片機(jī)中的看門狗程序，定時檢查單片機(jī)工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)單片機(jī)出現(xiàn)死循環(huán)狀態(tài)，立即復(fù)位，保證報警器工作正常。 (6)與上

61、位機(jī)通訊功能 可以實現(xiàn)與計算機(jī)串口通訊，對報警器采取統(tǒng)一控制，以及便于采集和處理數(shù)據(jù)，也可以在計算機(jī)上更改報警限值等。2.4 小結(jié)煙霧檢測報警器是能夠檢測環(huán)境中的煙霧濃度，并具有報警功能的儀器。此電路是將煙霧信號轉(zhuǎn)化為模擬的電信號，再轉(zhuǎn)換為可識別的數(shù)字信號后送入單片機(jī)并且對該信號的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理。煙霧傳感器的選定可以從以下幾個方面入手：（1）根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型；（2）靈敏度的選擇；（3）頻率響應(yīng)特性；（4）線性范圍；（5）穩(wěn)定性；（6）精度。煙霧檢測報警器工作原理：傳感器送來的煙霧濃度對應(yīng)的微小的電壓信號經(jīng)過放大，轉(zhuǎn)化成較大的電壓信號送入單片機(jī)；然后， A/D轉(zhuǎn)換，濃度

62、比較，對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理， 將數(shù)字化電壓信號轉(zhuǎn)化成為對應(yīng)的十進(jìn)制濃度值；最后，將實際可燃性氣體濃度送入液晶，并判斷濃度值是否超出報警限，當(dāng)濃度處于正常狀態(tài)綠燈長亮，當(dāng)煙霧濃度超出設(shè)定的限定值時，發(fā)出聲音報警并伴隨紅燈閃亮。第3章 煙霧檢測報警器的硬件設(shè)計3.1 單片機(jī)的選型 3.1.1 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)是煙霧檢測報警器的核心部件，一方面它要接收來自傳感器的煙霧濃度的模擬信號和故障檢測信號，另一方面要對兩種信號分別進(jìn)行處理，控制后續(xù)電路的相應(yīng)工作；同時，查詢是否有鍵按下的命令。在單片機(jī)實現(xiàn)的功能中，將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號做數(shù)字濾波，再進(jìn)行線性化處理，然后送LCD顯示，這一過程的軟件實現(xiàn)，需要單

63、片機(jī)有較快的運算速度，使儀表監(jiān)測人員能夠觀測到實時的煙霧濃度，并進(jìn)行相應(yīng)處理。 STC12C5410AD單片機(jī)較以往的單片機(jī)提高了工作效率，使系統(tǒng)的可靠性、抗干擾能力得到了顯著改善，而且進(jìn)一步小型化和便攜化。STC12C5410AD單片機(jī)具有以下特點:(1) Flash存儲器STC12C5410AD Flash存儲器為10KB。 Flash存儲器主要用作程序存儲，可經(jīng)計算機(jī)串口接口下載程序;程序運行時能對其中的1段或多段進(jìn)行擦、寫操作，因此兼有數(shù)據(jù)存儲器功能。Flash存儲器的掉電保護(hù)功能可以按字或字節(jié)讀寫，最小擦除單位為1段，經(jīng)過擦除的位為1，寫入位為0。(2)脈寬調(diào)節(jié)模式所有PCA模塊都可

64、用作PMW輸出。輸出頻率取決于PCA定時器的時鐘源。由于所有模塊共用僅有的PCA定時器，所有它們的輸出頻率相同。當(dāng)CL SFR的值小于時，輸出為低，當(dāng)CL SFR的值等于或大于時，輸出為高。當(dāng)CL的值由FF變?yōu)?0溢出時，這樣就可實現(xiàn)無干擾地更新PWM。(3) I/O口工作類型設(shè)置STC12C5410AD帶有24個I/O引腳，它的I/O與傳統(tǒng)的I/O不同，每個I/O口均可由軟件設(shè)置成4種工作類型之一，使得功能口和通用I/O口復(fù)用。4種類型分別為:準(zhǔn)雙向口、推挽輸出、僅為輸入(高阻)和開漏輸出功能。在對同一個I/O口進(jìn)行操作前要選擇其要實現(xiàn)的功能，這樣大大地增強(qiáng)了端口的功能和靈活性。其中一些I/

65、O口還可以與STC12C5410AD中的特殊模塊相結(jié)合完成更為復(fù)雜的工作。如與捕獲比較模塊相結(jié)合可以實現(xiàn)串行通信，與A/D模塊結(jié)合實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換等。此外，STC12C5410AD的I/O端口電氣特性也十分突出，幾乎所有的I/O口都有20mA的驅(qū)動能力，對于一般的液晶顯示屏、蜂鳴器可以直接驅(qū)動而無需輔助電路。許多端口內(nèi)部都集成了上拉電阻，可以方便地與外圍器件相接。(4) A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換寄存器STC12C5410AD單片機(jī)的A轉(zhuǎn)換口在P1口(P1.7P1.0)，有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，STC12C5410AD系列是10位精度的A/D，速度均可達(dá)到1OOKHz(10萬次/秒)，可以完成溫度檢測

66、、電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等功能。上電復(fù)位后P1口是弱上拉型的I/O口，可以通過軟件設(shè)置將8路中的任何一路設(shè)置為A/D轉(zhuǎn)換，不需作為A/D使用口可繼續(xù)作為I/O口使用。這樣，A/D轉(zhuǎn)換和I/O口可以靈活的運用，節(jié)省了軟件及時間。(5)有配套的仿真開發(fā)工具STC12C5410AD的Flash存儲器給用戶的開發(fā)帶來方便。用戶可以將芯片焊接在線路板上后進(jìn)行下載程序、調(diào)試程序和修改程序。同時，STC12C5410AD的片內(nèi)已集成了程序斷點控制等邏輯功能。因此，它的開發(fā)工具較為簡單。仿真器與STC12C5410AD經(jīng)串口連接。因此，用戶只要在設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)時為調(diào)試需要預(yù)留好STC12C5410AD

67、的串口接口的引出插座，即可實現(xiàn)系統(tǒng)的程序下載調(diào)試、系統(tǒng)現(xiàn)場編程硬件仿真或軟件升級功能，而且無需外加編程電壓。3.2 煙霧檢測報警器硬件電路設(shè)計 3.2.1 信號采集及前置放大電路 傳感器輸出信號一般比較微弱，需要經(jīng)過前置電路對其進(jìn)行放大、濾波、電平調(diào)整，滿足單片機(jī)對輸入信號的要求。下面詳細(xì)介紹運算放大電路： 如圖3-1所示，從傳感器的上端出來的信號Vi經(jīng)過運算放大器的同相輸入端，但是為保證引入的是負(fù)反饋，輸出電壓Vo通過電阻R4接到反相輸入端，同時，反相輸入端通過電阻R3接到參考電壓。同相比例運算電路有以下幾個特點： （1）同相比例運算放大電路是一個深度的電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。（2）電壓放大倍數(shù)

68、，即輸出電壓與輸入電壓的幅值成正比，且相位相同，所以此電路實現(xiàn)了同相比例放大。 （3）由于引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，因此電路的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低。高輸入阻抗就可以減少放大電路對前端電路的影響，同時低輸出阻抗也可以提高自身的抗干擾性，這顯然有利于電路中其他模塊的設(shè)計。圖3-1 信號采集及前置放大電路3.2.2 聲音報警電路聲音報警電路圖如圖3-2所示。報警裝置采用無源壓電式KM3712x型蜂鳴器，較一般的蜂鳴器體積大，聲音響亮，適用于家用煤氣報警器的報警聲音源。當(dāng)單片機(jī)STC12C5410AD的17腳(P3.7)接至R6端口并置1時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器報警。當(dāng)置0時，三極管不導(dǎo)通，蜂鳴器

69、不報警。 （a） (b)圖3-2 聲音報警電路3.2.3 數(shù)碼管顯示電路 數(shù)碼管顯示電路中：a端口與P2.0相連接；b端口與P2.1相連接；c端口與P2.2相連接；d端口與P2.3相連接；e端口與P2.4相連接；f端口與P2.5相連接；g端口與P2.6相連接；dt端口與P2.7相連接。圖3-3 數(shù)碼管顯示電路3.2.4 狀態(tài)指示燈及控制鍵電路 狀態(tài)指示燈及控制鍵電路圖如圖3-4和3-5所示。單片機(jī)STC12C5410AD的18腳(P1.0)、12腳(P2.4)、13腳(P2.5)，控制輸出的狀態(tài)指示燈。綠燈常亮表示正常狀態(tài)，環(huán)境中可燃煙霧濃度極低。黃燈閃亮表示傳感器加熱絲或者電纜發(fā)生斷線或者接

70、觸不良。紅燈閃亮表示環(huán)境中可燃煙霧濃度超過報警限值，提醒用戶盡快作相應(yīng)安全措施。 當(dāng)煙霧濃度超過報警限，報警器發(fā)出鳴叫，用戶到達(dá)現(xiàn)場，可按下按鍵停止報警器鳴叫。若過一段時間濃度仍超出報警限，報警器會再次鳴叫提醒用戶。圖3-4 狀態(tài)指示燈電路圖圖3-5 控制按鍵連接示意圖3.2.5 報警器故障自診斷電路 (1)判斷傳感器電源連接情況 在傳感器的地端串聯(lián)一個電阻R6。當(dāng)傳感器正常連接時，電阻和傳感器分壓，此時電阻兩端有微弱的電壓，單片機(jī)可以通過P1.1(AD)口檢測到； 如果傳感器電源連接不正常，則會產(chǎn)生斷路，檢測到電阻兩端電壓為0。圖3-6 傳感器電源連接自診斷電路(2)判斷傳感器信號端連接情況

71、 另一種情況是判斷傳感器信號端是否連接正確，此時不需要外加電路，在傳感器預(yù)熱2分鐘后，測量傳感器信號的輸出電壓，如果電壓為5V，則說明傳感器的信號端連接不正常。 當(dāng)報警器自診斷發(fā)現(xiàn)傳感器連接不正常，就會發(fā)出長鳴聲音警報，并伴隨黃燈閃爍，提醒用戶及時排除傳感器連接問題。3.3 小結(jié)單片機(jī)是煙霧檢測報警器的核心部件，一方面它要接收來自傳感器的煙霧濃度的模擬信號和故障檢測信號，另一方面要對兩種信號分別進(jìn)行處理，控制后續(xù)電路的相應(yīng)工作；同時，查詢是否有鍵按下的命令。在單片機(jī)實現(xiàn)的功能中，將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號做數(shù)字濾波，再進(jìn)行線性化處理，然后送LCD顯示，這一過程的軟件實現(xiàn)，需要單片機(jī)有較快的運算速度，使

72、儀表監(jiān)測人員能夠觀測到實時的煙霧濃度，并進(jìn)行相應(yīng)處理。本論文運用STC12C5410AD單片機(jī)，此單片機(jī)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。在本章節(jié)中也包含了信號采集及前置放大電路，聲音報警電路，數(shù)碼管顯示電路，狀態(tài)指示燈及控制鍵電路和報警器故障自診斷電路。第4章 煙霧檢測報警器的軟件設(shè)計4.1 STC12系列單片機(jī)調(diào)試及開發(fā)工具 本系統(tǒng)的軟件編程使用的是美國Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢。 C51工具包的整體結(jié)構(gòu)中，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個開發(fā)流程。開發(fā)人員可用IDE本身或其它編輯器編輯

73、C或匯編源文件。然后分別由C51及A51編譯器編譯生成目標(biāo)文件。目標(biāo)文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經(jīng)C51連接定位生成絕對目標(biāo)文件。ABS文件由OH51轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的Hex文件，以供調(diào)試器dScope51或tScope51使用進(jìn)行源代碼級調(diào)試，也可由仿真器使用直接對目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器中。 STC12系列單片機(jī)下載程序使用的是STC單片機(jī)ISP下載編程軟件。ISP工具的功能主要是將由PC機(jī)串接來的8位并行數(shù)據(jù)與單片機(jī)的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)PC機(jī)與STC12C5410AD的RXD及TXD口通訊。當(dāng)用戶將源程序經(jīng)語法檢查無誤并生成代碼時，就可以將程序

74、代碼下載到Flash芯片中，而用戶的系統(tǒng)可以是在線狀態(tài)。用戶可以通過調(diào)試環(huán)境軟件的人機(jī)對話界面，檢查或修改Flash芯片內(nèi)的各種存儲器、寄存器的數(shù)據(jù)。 4.2 煙霧檢測報警器軟件流程及設(shè)計 本論文中，軟件解決的主要問題是檢測煙霧傳感器的煙霧濃度信號，然后對信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，數(shù)字濾波，線性化處理，段式液晶濃度顯示，按鍵功能設(shè)置，以及報警器聲光警報。 4.2.1 主程序設(shè)計及流程圖 主程序流程圖如圖4-1所示。首先要給傳感器預(yù)熱三分鐘，因為MQ-2型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器在不通電存放一段時間后，再次通電時，傳感器不能立即正常采集煙霧信息，需要一段時間預(yù)熱。程序初始化結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。 ST

75、C12C5410AD單片機(jī)對傳感器檢測的煙霧濃度信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、平均值法濾波、線性化處理后，將濃度值與報警限設(shè)定值相比較，判斷是否報警。同時送入段式液晶顯示煙霧濃度值。主程序還包括狀態(tài)指示燈及按鍵功能設(shè)置，中斷子程序等，使報警器功能更加完善，給用戶帶來便利。圖4-1 主程序流程圖4.2.2 主程序初始化流程圖給傳感器預(yù)熱后，程序開始執(zhí)行初始化子程序，這部分實現(xiàn)的功能包括各種I/O口輸入輸出狀態(tài)的設(shè)定、寄存器初始化等。首先設(shè)定定時初值50ms，利用IAP寫入EEPROM，作為取值間隔。然后設(shè)置定時器0，選擇方式1。方式1狀態(tài)下定時器的工作寄存器TH1、TL1是全16位參與操作。接下來定時器0

76、中斷允許位置1，打開定時器0，關(guān)閉蜂鳴器，開啟綠燈，設(shè)置報警限初值。圖4-2 主程序初始化流程圖4.2.3 中位值平均濾波法數(shù)字濾波子程序設(shè)計及流程圖 在煙霧傳感器對煙霧濃度采樣時，可能會遇到尖脈沖干擾的現(xiàn)象。干擾通常只影響個別采樣點的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)與其他采樣點的數(shù)據(jù)相差比較大。 如果采用一般的平均值法，則干擾將“平均”到計算結(jié)果上去，故平均值法不易消除由于脈沖干擾而引起的煙霧濃度采樣值的偏差。 為此，可采取中位值平均濾波法(又稱防脈沖干擾平均濾波法)，先對N個采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，去掉其中的最大值和最小值，然后計算余下的數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。這種方法既可濾去脈沖干擾又可濾去小的隨機(jī)干擾。保證報警器檢測

77、煙霧濃度的準(zhǔn)確性，減小誤報、錯報的可能。 在實際應(yīng)用中，N可取任何值，但為了加快測量計算速度，本論文數(shù)字濾波的設(shè)計中N取10。即調(diào)用A/D連續(xù)進(jìn)行10次采樣，去掉其中的最大值和最小值，計算其余8個值的平均值，將這個平均值送入寄存器。 圖4-3 中位值平均濾波法程序流程圖4.2.4 報警子程序設(shè)計及流程圖 當(dāng)煙霧濃度超過報警設(shè)定值時，報警器發(fā)出一種近似警笛的鳴叫聲，對應(yīng)通道的紅燈閃亮，以提示操作人員采取安全對策或自動控制相關(guān)安全裝置，從而保障生產(chǎn)安全，避免火災(zāi)和爆炸事故的發(fā)生。為防止誤報，在程序設(shè)計上，對煙霧濃度進(jìn)行快速重復(fù)檢測和延時報警，以區(qū)別出是管道中煙霧的泄漏，還是由于暫短打開閥門產(chǎn)生的可

78、燃煙霧的微量散失，防止誤報。圖4-4 報警子程序流程圖4.2.5 控制按鍵設(shè)計子程序及流程圖本報警器設(shè)計附加一個按鍵，功能分別為：確定(消音)。圖4-5 鍵盤處理子程序流程圖4.3 小結(jié)主程序設(shè)計及流程圖：STC12C5410AD單片機(jī)對傳感器檢測的煙霧濃度信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、平均值法濾波、線性化處理后，將濃度值與報警限設(shè)定值相比較，判斷是否報警。主程序初始化流程圖：首先設(shè)定定時初值50ms，利用IAP寫入EEPROM，作為取值間隔。然后設(shè)置定時器0，選擇方式1。方式1狀態(tài)下定時器的工作寄存器TH1、TL1是全16位參與操作。接下來定時器0中斷允許位置1，打開定時器0，關(guān)閉蜂鳴器，開啟綠燈，設(shè)

79、置報警限初值。中位值平均濾波法數(shù)字濾波子程序設(shè)計及流程圖：先對N個采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，去掉其中的最大值和最小值，然后計算余下的數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。這種方法既可濾去脈沖干擾又可濾去小的隨機(jī)干擾。報警子程序設(shè)計及流程圖：當(dāng)煙霧濃度超過報警設(shè)定值時，報警器發(fā)出一種近似警笛的鳴叫聲，為防止誤報，在程序設(shè)計上，對煙霧濃度進(jìn)行快速重復(fù)檢測和延時報警，以區(qū)別出是管道中煙霧的泄漏，還是由于暫短打開閥門產(chǎn)生的可燃煙霧的微量散失，防止誤報。第5章 實驗檢定及誤差分析5.1 煙霧檢測報警器檢定 5.1.1 爆炸概念介紹 “LEL”是指爆炸下限。 可燃煙霧在空氣中遇明火種爆炸的最低濃度，稱為爆炸下限，簡稱LEL?？扇紵熿F

80、在空氣中遇明火種爆炸的最高濃度，稱為爆炸上限,簡稱UEL。 煙霧的濃度過低或過高時是沒有危險的，只有與空氣混合形成混合氣體才會發(fā)生燃燒或爆炸。燃燒是伴有發(fā)光發(fā)熱的激烈氧化反應(yīng)，它必須具備三個要素：可燃物（燃?xì)猓?；助燃物（氧氣）；點火源（溫度）。可燃?xì)獾娜紵梢苑譃閮深悾?一類是擴(kuò)散燃燒，即揮發(fā)的或從設(shè)備中噴出、泄漏的可燃?xì)?，遇到點火源混合燃燒。另一類燃燒，是可燃?xì)馀c空氣混合著火燃燒，這種燃燒反應(yīng)激烈而速度快，一般會產(chǎn)生巨大的壓力和聲響，又稱之為爆炸。有關(guān)權(quán)威部門和專家已經(jīng)對目前發(fā)現(xiàn)的可燃?xì)庾髁巳紵ǚ治觯贫ǔ隽藷熿F的爆炸極限，它分為爆炸上限和爆炸下限。低于爆炸下限，混合氣中的可燃?xì)獾暮坎蛔?，不能引起燃燒或爆炸，高于上限混合氣中的氧氣的含量不足，也不能引起燃燒或爆炸。另外，可燃?xì)獾娜紵c爆炸還與煙霧的壓力、