【正文】 方面的檢測(cè)中具有重要作用。高分子煙霧傳感器具有對(duì)特定煙霧分子靈敏度高，選擇性好，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能在常溫下使用，可以彌補(bǔ)其它煙霧傳感器本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 5 的不足。 (d) 熱傳導(dǎo)傳感器 熱傳導(dǎo)傳感器與接觸燃燒式傳感器具有類似的結(jié)構(gòu)形式，但是測(cè)量原理不同。它的測(cè)量原理是：將加熱后的鉑電阻線圈置于目標(biāo)煙霧中，由于向目標(biāo)煙霧傳送熱量造成溫度降低，引起電阻值變 化，傳感器即測(cè)量電阻值的變化情況。溫度的變化情況是目標(biāo)煙霧熱傳導(dǎo)率的函數(shù)，而對(duì)于一種給定的煙霧或汽化物，熱傳導(dǎo)率是它固有的物理特性。 表 21各類煙霧傳感器及其可檢測(cè)的氣體種類 傳感器種類 C0 CO2 H2S NH3 HCN HCI COCI2 CI2 NOX SO2 O2 CH4 C3H2 H2 H2O 半導(dǎo)體氣體傳感器 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 固體電解質(zhì)傳感器 ○ ○ ○ ○ ○ 接觸燃燒式傳感器 ◎ ○ ○ ○ 電化學(xué)式傳感器 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 高分子電解質(zhì)氣體傳感器 ◎ ○ ○ ○ ○ 注：○好 ◎不太好 （ e） 紅外傳感器 紅外傳感器通常用兩束紅外光進(jìn)行煙霧測(cè)量，主光束通過測(cè)量元件內(nèi)的目標(biāo)煙霧，參考光束通過比較元件內(nèi)的參考煙霧。在測(cè)量和比較元件中，紅外射線被本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 6 煙霧有選擇地吸收了。未吸收的紅外光由光電探測(cè)器測(cè)量，產(chǎn)生一個(gè)正比于目標(biāo)煙霧濃度的差分信號(hào)。非擴(kuò)散式紅外探測(cè)器 NDIR (nondispersive IR )是其中的一種，所有的未吸收光全部以最小的擴(kuò)散和損耗被記錄下來(lái)。 不 同的煙霧吸收不同波長(zhǎng)的 IR，所以傳感器根據(jù)目標(biāo)煙霧而調(diào)整，典型應(yīng)用包括測(cè)量 CO和 CO冷凍劑煙霧和一些易燃?xì)?。由于非碳?xì)浠衔镆兹紵熿F (如氫 )不吸收電磁譜中 IR 部分的能量，所以這種傳感器可以精確地測(cè)量碳?xì)浠衔?，并具有最小的交叉靈敏度，而且不受其它煙霧的腐蝕以及高濃度目標(biāo)煙霧的影響。 (4) 常見煙霧傳感器可檢測(cè)煙霧種類 由于煙霧的種類繁多，一種類型的煙霧傳感器不可能檢測(cè)所有的氣體，通常只能檢測(cè)某一種或兩種特定性質(zhì)的煙霧。例如氧化物半導(dǎo)體煙霧傳感器主要檢測(cè)各種還原性煙霧，如 CO、 H C2H5OH、 CH3OH 等。固體電解質(zhì)煙霧傳感器主要用于檢測(cè)無(wú)機(jī)煙霧，如 O CO H Cl SO2 等。表 21 簡(jiǎn)要列舉出已經(jīng)研究、開發(fā)的各類煙霧傳感器及其可檢測(cè)的氣體種類。 煙霧傳感器的選定 煙霧檢測(cè)報(bào)警器主要應(yīng)用在石油、化工、冶金、油庫(kù)、液化氣站、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃煙霧泄漏的場(chǎng)所，根據(jù)報(bào)警器檢測(cè)煙霧種類的要求，一般選用接觸燃燒式煙霧傳感器和半導(dǎo)體煙霧傳感器 [8]。 使用接觸燃燒式傳感器，它的探頭的中毒和阻緩是常出現(xiàn)的問題 。中毒是如果環(huán)境空氣中含有硅烷之類的物質(zhì)時(shí)，則傳感器將使催化元件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的中毒 ，以致靈敏度很快就喪失。當(dāng)懷疑檢測(cè)環(huán)境中存在這些物質(zhì)時(shí)，經(jīng)常對(duì)探頭進(jìn)行標(biāo)定，是必須且有效的辦法。阻緩是當(dāng)在煙霧與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下，則有可能在無(wú)焰燃燒的同時(shí)，有些固態(tài)物 質(zhì)附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應(yīng)緩慢反應(yīng)滯緩、 靈 敏度降低。雖然將阻緩的傳感器再放回新鮮空氣環(huán)境中有得到某種程度 的 恢復(fù)的可能，但是如果長(zhǎng)期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會(huì)不斷下降，導(dǎo)致傳感器最終喪失檢測(cè)煙霧的能力。 因此，經(jīng)常對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是保證其準(zhǔn)確性的必要的途徑。一般連續(xù)使用兩個(gè)月后應(yīng)對(duì)傳感器進(jìn) 行量程校準(zhǔn)，這種經(jīng)常性對(duì)傳感器的維護(hù)，無(wú)形中加大本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 了工作人員的工作量，同時(shí)增加了報(bào)警器的維護(hù)成本。 半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的煙 霧傳感器，它具有靈敏度高、響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 使用方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用 [7]。半導(dǎo)體煙霧傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性 (抗干擾性 )和穩(wěn)定性 (使用壽命 )。 經(jīng)過對(duì)比上述兩種煙霧傳感器的應(yīng)用特性，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體煙霧傳感器的 優(yōu)點(diǎn)更加突出：靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價(jià)格便宜 且不會(huì)發(fā) 生探 頭阻緩及中毒現(xiàn)象、 維護(hù)成本較低等。因此，本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體煙霧傳感器作為報(bào)警器煙霧信息采集部分的核心。而在眾多半導(dǎo)體 煙霧 傳感器中，本設(shè)計(jì)選用 MQ2型煙霧傳感器，這種型號(hào)的傳感器不但具備一般半導(dǎo)體 煙霧傳感器靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，還具有探測(cè)范圍廣的特點(diǎn)。 煙霧檢測(cè)報(bào)警器整體設(shè)計(jì)方案 煙霧檢測(cè)報(bào)警器工作原理 本論文中的煙霧檢測(cè)報(bào)警器以 STC12C5412AD 單片機(jī)為控制核心，采用 MQ2型電阻式半導(dǎo)體傳感器采集煙霧信息。 首先，傳感器送來(lái)的煙霧濃度對(duì)應(yīng)的微小 的 電壓 信號(hào)經(jīng)過放大，轉(zhuǎn)化成較大的電壓信號(hào)送入 STC12C5412AD 單片機(jī)；然后，在 STC12C5412AD 單片機(jī)內(nèi) A/D 轉(zhuǎn)換、濃度比較，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理，將數(shù)字化電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成為對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制濃度值；最后，將實(shí)際可燃性氣體濃度送入液晶，并判斷濃度值是否超出報(bào)警限，當(dāng)濃度處于正常狀態(tài)綠燈長(zhǎng)亮，當(dāng)煙霧濃度超出設(shè)定的限定值時(shí)，發(fā)出聲音報(bào)警并伴隨紅燈閃亮 [4]。 另外 ， 由于煙霧傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反應(yīng)越快，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間就越快。為提高響應(yīng)時(shí)間，保證傳感器準(zhǔn)確穩(wěn)定地工作，報(bào)警器需要向煙霧傳感器持續(xù) 輸出一個(gè) 5V 的電壓。為了保證其可靠性，在輸出 5V 的電壓的同時(shí)，進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)。當(dāng)傳感器加熱絲或電纜線和傳感器斷線或接觸不良時(shí)，進(jìn)行故障報(bào)警，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。當(dāng)然幾種狀態(tài)的報(bào)警信號(hào)是各不相同的。 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 煙霧檢測(cè)報(bào)警器的結(jié)構(gòu) 為適應(yīng)家 庭和工業(yè)等場(chǎng)所對(duì)可燃性易爆煙霧安全性要求，設(shè)計(jì)的可燃性煙霧報(bào)警器 應(yīng)不僅能在較寬的溫度范圍工作，而且應(yīng)具有顯示可燃煙霧濃度、故障自診斷 、延時(shí)報(bào)警功能及可 接計(jì)算機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)測(cè)和實(shí)時(shí)控制等功能。其目標(biāo)是在傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警器 的基礎(chǔ)上，盡量提高準(zhǔn)確性、降低成本、 縮小體積。 報(bào)警器系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)框圖如圖 21 所示，系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，配合外圍電路共同完成信號(hào)采集、濃度顯示、時(shí)間顯示、狀態(tài)顯示、聲音及閃爍報(bào)警、按鍵輸入、故障自檢等功能。報(bào)警器采用巡檢的工作方式，進(jìn)行兩級(jí)報(bào)警值設(shè)定，并發(fā)出不同的光、聲信號(hào)。系統(tǒng)應(yīng)采用高性能的單片機(jī)，要求工作穩(wěn)定、測(cè)量精度高、通用性強(qiáng)、功耗低，保證報(bào)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(bào)警器的體積，降低報(bào)警器的成本。 圖 21報(bào)警器 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)框圖 煙霧檢測(cè)報(bào)警器的功能 (1)自 診斷故障報(bào)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(shí)，報(bào)警器發(fā)出警報(bào)，并且黃色指示燈閃爍，提醒用戶檢查傳感器或者電路線接觸情況，及時(shí)排除故障，保證安全。 單片機(jī) 狀態(tài)指示燈燈 聲音報(bào)警 濃度顯示 四個(gè)按鍵 串口通信 安全控制裝置 A/D 轉(zhuǎn)換 放大電路 傳感器 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 (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(bào)警限值，以便于用戶或檢測(cè)人員隨時(shí)觀測(cè)煙霧濃度及更改報(bào)警限。 (3)煙霧報(bào)警功能 當(dāng)煙霧濃度連續(xù) 20 秒取值都在報(bào)警限值之上，蜂鳴器開始報(bào)警，且聲音越來(lái)越急促，并且伴隨紅燈閃爍。因?yàn)槿藢?duì)變化的信號(hào)更為敏感，所以變化的聲音及燈光更容易引起用 戶的注意。 (4)防止報(bào)警器誤報(bào)功能 快速重復(fù)檢測(cè)及延時(shí)報(bào)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(shí)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(shí)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(bào)警器工作正常。 (6)與上位機(jī)通訊功能 可以實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)串口通訊，對(duì)報(bào)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(jì)算機(jī)上更改報(bào)警限值等。 (7)自動(dòng)控制相關(guān)安全裝置的擴(kuò)展功能 留有繼電器接口，可以帶動(dòng)排風(fēng)扇或大功率蜂鳴器，也可 以控制管道電子閥門，可在報(bào)警的同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)相關(guān)安全裝置。 3 煙霧檢測(cè)報(bào)警器的硬件設(shè)計(jì) 在報(bào)警器的設(shè)計(jì)中，單片機(jī)是其核心部件。它一方面要接收來(lái)自傳感器送來(lái)的煙霧濃度對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)和故障檢測(cè)信號(hào)，另一方面要對(duì)兩種信號(hào)分別進(jìn)行處理，控制后續(xù)電路進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作；與此同時(shí)查詢是否有鍵按下的請(qǐng)求。在單片機(jī)完成這些的工作中，尤其是信號(hào)處理中，比較濃度值后送入顯示的軟件實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，要求單片機(jī)具備較快的運(yùn)算速度，使檢測(cè)人員能夠較準(zhǔn)確地觀測(cè)到煙霧濃度，并根據(jù)情況做進(jìn)行相應(yīng)處理。并且也要考慮選擇低價(jià)實(shí)用的機(jī)型，并為研制本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 同一系 列的低功耗產(chǎn)品做準(zhǔn)備。根據(jù)多方面的比較，本設(shè)計(jì)選用宏晶科技生產(chǎn)的STC12 系列單片機(jī)。 單片機(jī)的選型 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)是煙霧檢測(cè)報(bào)警器的核心部件，一方面它要接收來(lái)自傳感器的煙霧濃度的模擬信號(hào)和故障檢測(cè)信號(hào)，另一方面要對(duì)兩種信 號(hào)分別進(jìn)行處理，控制后續(xù)電路的相應(yīng)工作；同時(shí)， 查詢是否有鍵按下的命令。在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能中，將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)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(shí)現(xiàn)，需要單片機(jī)有較快的運(yùn)算速度，使儀表監(jiān)測(cè)人員能夠觀測(cè)到實(shí)時(shí)的煙霧濃度，并進(jìn)行相應(yīng)處理 。同時(shí)，在能夠滿足報(bào)警器設(shè)計(jì)的計(jì)算速度及接口數(shù)的要求的同類型單片機(jī)中，要考慮選擇價(jià)格低廉且體積輕巧的機(jī)型，在 保證了報(bào)警器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎(chǔ)上，能夠不提高成本、 縮小體積。 如今市面上比較普遍的單片機(jī)有 8051 系列與 STC 系列。 8051 單片機(jī)雖然應(yīng)用普遍、工具多、易上手、 片源 廣、價(jià)格低，但是速度慢、功耗大，適合民用、 商用，不適合工業(yè)用途 [1]。 STC 系列 單片機(jī)是 MICROCHIP 公司的產(chǎn)品，其突出的特點(diǎn)是功耗低、 精簡(jiǎn)指令集 、抗干擾性好、 可靠性高，但是存在溢出隱患問題。 8051 系列采用的是堆棧指針， STC 采用硬件堆棧 8 級(jí) [2]。當(dāng)堆棧指針設(shè)定合理， 局部變量少的情況下， 8051系列用 10 層的程序嵌套不會(huì)出現(xiàn)問題。而 STC 單片機(jī)程序嵌套包括中斷最多不能超過 8層。所以如果用 C語(yǔ)言進(jìn)行 STC 編程設(shè)計(jì)容易堆棧溢出。 匯編語(yǔ)言對(duì)于不同的 CPU，其匯編語(yǔ)言可能有所差異，所以不易移植。而 C 語(yǔ)言是一種結(jié)構(gòu)化的高級(jí)語(yǔ)言，雖然占用資源較匯編多，但是可讀性好，移植容易，是普遍使用的一種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。鑒于 C 語(yǔ)言的易讀性和普遍性，本論文的軟件設(shè)計(jì)選擇 C 語(yǔ)言編程，所以 STC 系列單片機(jī)在此處不是非常適合。 為適用于本論文設(shè)計(jì)的 煙霧檢測(cè)報(bào)警器，應(yīng)選擇一種比 8051 系列速度快、功耗低、抗干擾性好、 而又避免 C 語(yǔ)言編程溢出問題的單片機(jī)。宏晶科技新推出的STC12 系列單片機(jī)具有高速、 低功耗、超強(qiáng)抗干擾等優(yōu)點(diǎn) ，是 新一代 8051 單片機(jī)，本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051，速度卻比 8051 單片機(jī)快 8~12 倍。而且 STC12 系列下屬的 STC12C54xxAD 系列單片機(jī)是低功耗 Flash 單片機(jī)，它 具有 高效 的 尋址方式、大容量 Flash、 EEPROM、 A/D 轉(zhuǎn)換、硬件乘法器、硬件脈寬調(diào)制器 (PWM)等功能特點(diǎn)，較好的實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的功能與超低功耗的結(jié)合。而且在功 能同樣的情況下，管腳較少封裝體積小，價(jià)格比其他型號(hào)便宜，因此具有很好的性價(jià)比和 實(shí)用 性。 STC12C54xxAD 系列單片機(jī)有 6種型號(hào)：分別是 STC12C5412AD、 STC12C5410AD、STC12C5408AD、 STC12C5406AD、 STC12C5404AD 和 STC12C5402AD。它們是以單片機(jī)內(nèi)部集成 Flash 的大小區(qū)分的 [3]。在價(jià)格相同的情況下，盡量選擇 Flash 較大的芯片，所以選擇了 STC12C5412AD單片機(jī)作為本論文設(shè)計(jì)的煙霧報(bào)警器的單片機(jī)核 心芯片 。它體積小、 價(jià)格低，非常適用 于本設(shè)計(jì) 。 煙霧檢測(cè)報(bào)警器硬件電路設(shè)計(jì) 信號(hào)采集及前置放大電路 傳感器輸出信號(hào)一般比較微弱，需要經(jīng)過前置電路對(duì)其進(jìn)行放大、濾波、電平調(diào)整，滿足單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的要求。本系統(tǒng)采用的半導(dǎo)體煙霧傳感器屬于電阻型，因此只需串聯(lián)一個(gè)參考電阻，再經(jīng)過一個(gè)放大電路即可發(fā)送給 ADC 采集。由于系統(tǒng)采用的是單極性供電，所以采用同相比例放大電路 可以減少硬件開銷；反之，如果采用反相放大，則一般需要利用雙極性供電，這就需要系統(tǒng)額外的利用變壓芯片產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓 [6]，這顯然會(huì)造成浪費(fèi)。常見的運(yùn)算放大器中， LM324 價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)比較突出，所以本設(shè)計(jì)中的前置放大電路采用 LM324 作為電路的運(yùn)算放大器。 下面詳細(xì)介紹運(yùn)算放大電路： 如圖 31所示，從傳感器的上端出來(lái)的信號(hào) Vi經(jīng)過運(yùn)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