【正文】 護(hù)成本 [3]。 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)簡單，使用方便、價格便宜等優(yōu)點，因而得到廣泛應(yīng)用 。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 ) [4]。 經(jīng)過對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，且不會發(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 MQ2 型煙霧傳感器，這種型號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)、壽命長等優(yōu)點 ，而且只需要簡單的驅(qū)動電路 。 煙霧檢測報警器整體設(shè)計方案 煙霧檢測報警器工作原理 本論文中的煙霧檢測報警器以 STC12C5410AD 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 STC12C5410AD 單片機(jī)；然后，在 STC12C5410AD 單片機(jī)內(nèi) 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。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)時間和恢復(fù)時間就越快。為提高響應(yīng)時間，保證傳感器準(zhǔn)確地、穩(wěn)定地工作，報警器需要向煙霧傳感器持續(xù)輸出一個 5V 的電壓。為了保證其可靠性，在輸出 5V 的電壓的同時，進(jìn)行故障監(jiān)測。當(dāng)傳感器加熱絲或電纜線發(fā)生 斷線或接觸 不良時，進(jìn)行故障報警，發(fā)出聲光報警信號。 煙霧檢測報警器的結(jié)構(gòu) 為適應(yīng)家庭 和工業(yè)等場所對可燃性易爆煙霧安全性要求，設(shè)計的可燃性煙霧報警 器 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、故障自檢、延時報警功能及可接計算機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場遠(yuǎn)測和實時控制等功能。其目標(biāo)是在傳統(tǒng)的煙霧報警 器 的基礎(chǔ)上，盡量提高準(zhǔn)確性，降低成本，縮小體積 [5]。 報警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1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采集、濃度顯示、時間顯示、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 1 可燃性氣體檢測報警器結(jié)構(gòu)框圖 傳感器 放大電路 A/D轉(zhuǎn)換 單片機(jī) 狀態(tài)指示燈 聲音報警 濃度顯示 按鍵 串口通信 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，且聲音越來越急促，并且伴隨紅燈閃爍。因為人對變化的信號更為敏感，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。 (7)自動控制相關(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，可在報警的同時自動啟動相關(guān)安全裝置。 3 煙霧檢測報警器的 硬件設(shè)計 核心芯片選擇 在報警器的設(shè)計中，單片機(jī)是其核心部件。它一方面要接收來自傳感器送來的煙霧濃度對應(yīng)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)電路進(jìn)行相應(yīng)動作；與此同時查詢是否有鍵按下的請求。在單片機(jī)完成這些的工作中，尤其是將模數(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)比較復(fù)雜，要求單片機(jī)具備較快的運(yùn)算速度，使檢測人員能夠較準(zhǔn)確地觀測到煙霧濃 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實用的機(jī)型，并為研制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)計選用宏晶科技生產(chǎn)的 STC12 系列單片機(jī)中集成 Flash 較大的 STC12C5410AD。 STC12C5410AD 單片機(jī) 具有以下特點： （ 1） 增強(qiáng)型 8051 內(nèi)核。 （ 2） 10KB Flash 程序存儲器。 （ 3） 2KB 數(shù)據(jù) Flash（ EEPROM）。 （ 4） 512B RAM。 （ 5） 兩個 16 位定時 /計數(shù)器。 （ 6） 最多 27 根 I/O 口線。 （ 7） 全雙工異步串行口（ UART）。 （ 8） 高速同步通信端口（ SPI）。 （ 9） 8 通道 10 位 ADC。 （ 10） 4 通道 PWM/可編程計數(shù)器陣列 /捕獲 /比較單元（ PWM/PCA/CCU）。 （ 11） MAX810 專用復(fù)位電路和硬件看門狗 [6]。 圖 2 STC12C5410AD 單片機(jī)的引腳圖 煙霧檢測報警器硬件電路設(shè)計 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。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)一個參考電阻，再經(jīng)過一個放大電路即可發(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)生一個負(fù)壓，這顯然會造成浪費(fèi)。常見的運(yùn)算放大器中， LM324 價格低廉、使用簡單等優(yōu)點比較突出，所以本設(shè)計中的前置放大電路采用 LM324 作為電路的運(yùn)算放大器。 LM324 是單片高增益四運(yùn)算放大器，可在較寬電壓范圍內(nèi)的單電源或雙電源下工作，其電源電流很小且與電源電壓無關(guān)，四個運(yùn)放一致性 好；其輸入偏流電阻是溫度補(bǔ)償?shù)?，也不需外接頻率補(bǔ)償，可做到輸出電平與數(shù)字電路兼容。 下面詳細(xì)介紹運(yùn)算放大電路： 如圖 3 所示，從傳感器的上端出來的信號 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 接到反相輸入端，同時，反相輸入端通過電阻 R3接到參考電壓 Vref。 同相比例運(yùn)算電路中反饋的組態(tài)為電壓串聯(lián)負(fù)反饋，同樣可以利用理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時的兩個特點來分析其電壓放大倍數(shù)。在圖 3中，根據(jù)運(yùn)放的“虛短”和“虛斷”的特點可知， I = I+ = 0， 所以 V = Vo*R3/R3 + R4 +Vref*R4/R3 + R4 (1) 而且 V = V+ = Vi Vo = Vi*（ R3 + R4） /R3 (2) 所以本放大電路的放大倍數(shù) A =1+ R4/R3 ，此放大電路為同相比例放大電路，它的放大倍數(shù)總是大于或等于 1。同相比例運(yùn)算電路有以下幾個特點： (1)同相比例運(yùn)算放大電路是一個深度的電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。因為不存在“虛地”現(xiàn)象，所以其輸入端有較高的共模輸入電壓。 (2)電壓放大倍數(shù) A =1+ R4/R3 ，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。如果不接 R3 和 R4，則此電路就成了“電壓跟隨器”，它可以減少電路模塊間由于阻抗引起的干擾。 (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。此放大電路還加了參考電壓，引入了零點調(diào)節(jié)功能，這樣可以更方便的調(diào)整由于不同傳感器導(dǎo)致的零點變化問題。它利用滑動變阻器產(chǎn)生一個參考電壓 Vref，再利用電壓跟隨器把 電壓輸入到運(yùn)算放大電路的電壓參考端。所 以調(diào)節(jié)滑動變阻器，就可以直接改變放大電路的參考電壓。而電壓跟隨器的作用就如上面介紹的，它只是用來匹配阻抗用的，防止 R3和 R4對滑動變阻器輸出電壓的影響。 圖 3 前置放大電路 聲音報警電路 聲音報警電路圖如圖 4 所示。報警裝置采用無源壓電式 KM3712x 型蜂鳴器 [7]，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 ()置 1時，三極管 Q1導(dǎo)通，蜂鳴器報警。本報警器采用單片機(jī) STC12C5410AD的 PWM功能，如果煙霧濃度達(dá)到報警限，單片機(jī)控制 (PWM)口輸出占空比一定 的脈沖，報警時蜂鳴器會發(fā)出如警車警笛的聲音。 圖 4 聲音報警電路圖 數(shù)碼管顯示電路 報警器濃度顯示采用共陽數(shù)碼管。顯示濃度級別，其主要技術(shù)參數(shù)如下： 模塊工作電壓： ～ 工作電流： 80mA,每段 10mA 字高： ： 85％ 視角： 6:00 工作溫度： 10～ +50176。 C 顯示方式：反射式正顯示存儲溫度： 20～ +60176。 C 接口方式： 8線并行接口 圖 5 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 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 6和圖 7所示。單片機(jī) STC12C5410AD的 18腳 ()、12 腳 ()、 13 腳 ()，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。若過一點時間濃度仍超出報警限，報警器會再 次鳴叫提醒用戶 。 圖 6 狀態(tài)指示燈電路圖 圖 7 控制按鍵連接示意圖 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 (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 8 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 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 [8]。 4 煙霧 檢測 報警器的 軟件設(shè)計 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 Keil Software 公司出品的 Keil C51，是 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。 Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全 Windows界面。另外重要的一點， Keil C51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。 C51 工具包的整體結(jié)構(gòu)中，μ Vision 與 Ishell 分別是 C51 for Windows 和 for Dos的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)，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 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 (.OBJ)。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)。 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