【正文】 為了早期發(fā)現(xiàn)和通報(bào)火災(zāi)，防止和減少火災(zāi)危害，保護(hù)人身和財(cái)產(chǎn)安全。為了早期發(fā)現(xiàn)和通報(bào)火災(zāi)，防止和減少火災(zāi)危害，保護(hù)人身和財(cái)產(chǎn)安全。是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能 穩(wěn)定、使用方便、價(jià)格低廉、智能化的煙霧報(bào)警器。本論文以電阻式煙霧傳感器和單片機(jī)技術(shù)為核心并與其他電子技術(shù)相結(jié)合， 設(shè)計(jì)出一種技術(shù)水平較好的煙霧報(bào)警器。武 漢 紡 織 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文論文題目：基于STC12C5410AD單片機(jī)的煙霧報(bào)警控制系統(tǒng) 院 系 高職學(xué)院 專 業(yè) 班 級(jí) 應(yīng)電102 學(xué) 生 姓 名 余常科 指 導(dǎo) 教 師 郭 旻 摘 要隨著“信息時(shí)代”的到來(lái)，作為獲取信息的手段——傳感器技術(shù)得到了顯著的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，對(duì)其要求越來(lái)越高，需求越來(lái)越迫切。其中選用MQ2型半導(dǎo)體可燃?xì)怏w敏感元件煙霧傳感器實(shí)現(xiàn)煙霧的檢測(cè)，具有靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且價(jià)格低廉，使用壽命長(zhǎng)。具有一定的實(shí)用價(jià)值。保衛(wèi)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)，防止火災(zāi)引起燃燒、爆炸等事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及生命安全。保衛(wèi)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)，防止火災(zāi)引起燃燒、爆炸等事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及生命安全?！督ㄖO(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GBJ1687):“散發(fā)可燃煙霧、可燃蒸汽的甲類廠房和場(chǎng)所，應(yīng)設(shè)置煙霧濃度檢測(cè)報(bào)警裝置”。隨著全社會(huì)對(duì)防火防爆及人身安全的重視程度的提高，這個(gè)數(shù)字會(huì)繼 續(xù)增長(zhǎng)。 煙霧報(bào)警器的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 國(guó)外從20世紀(jì)30年代開始研究及開發(fā)煙霧傳感器，且發(fā)展迅速，一方面是因?yàn)槿藗儼踩庾R(shí)增強(qiáng)，對(duì)環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是因?yàn)閭鞲衅魇袌?chǎng)增長(zhǎng)受到政府安全法規(guī)的推動(dòng)。 我國(guó)在70年代初期開始研制煙霧報(bào)警器，生產(chǎn)型號(hào)多樣、品種較齊全，應(yīng)用范圍也由單一的煉油系統(tǒng)擴(kuò)展到幾乎所有危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境的各種類型報(bào)警器，產(chǎn)品數(shù)量也在不斷增加。（1）民用火災(zāi)煙霧報(bào)警器 民用火災(zāi)煙霧報(bào)警器為居民家庭用的火災(zāi)報(bào)警器,一般安裝在廚房，遇到火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧時(shí)時(shí)，報(bào)警器可發(fā)出聲光報(bào)警，或同時(shí)伴有數(shù)字顯示，同時(shí)聯(lián)動(dòng)外部設(shè)備。檢漏儀的體積較小，可隨身攜帶或手持，主要應(yīng)用于燃?xì)夤芾淼牟槁?與巡檢。當(dāng)在現(xiàn)場(chǎng)的探測(cè)器探測(cè)到燃?xì)庑孤┲螅ㄟ^(guò)屏蔽電纜線將信號(hào)傳到控制器，控制器發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)排風(fēng)裝置或關(guān)閉電磁閥切斷氣源，以確保安全。系統(tǒng)硬件電路主要分為前置放大電路、鍵盤電路、串口通信電路、聲音報(bào)警電路、狀態(tài)指示燈電路、液晶顯示電路六個(gè)部分。 (d)硬件電路和軟件的綜合調(diào)試。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將從煙霧檢測(cè)電路送出的模擬信號(hào) 轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)后送入單片機(jī)。為使報(bào)警裝置更加完善，可以在聲音報(bào)警基礎(chǔ)上，加入光閃報(bào)警，變化的光信號(hào)可以引起用戶注意，彌補(bǔ)嘈雜環(huán)境中聲音報(bào)警的局限。單片機(jī)作為硬件電路的核心，它的選型將在第三章詳述。 煙霧傳感器介紹 (1)煙霧傳感器的分類 煙霧傳感器種類繁多，從檢測(cè)原理上可以分為三大類： (a)利用物理化學(xué)性質(zhì)的煙霧傳感器：如半導(dǎo)體煙霧傳感器、接觸燃燒煙霧傳感器等。但是，任何一個(gè)完整的煙霧傳感器都必須具備以下條件： (a)能選擇性地檢測(cè)某種單一煙霧，而對(duì)共存的其它煙霧不響應(yīng)或低響應(yīng)； (b)對(duì)被測(cè)煙霧具有較高的靈敏度，能有效地檢測(cè)允許范圍內(nèi)的煙霧濃度； (c)對(duì)檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)速度快，重復(fù)性好； (d)長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性好； (e)使用壽命長(zhǎng)； (f)制造成本低，使用與維護(hù)方便。該傳感器己成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的煙霧傳感器之一。但這種傳感器制造成本高，檢測(cè)煙霧范圍有限，在檢測(cè)環(huán)境污染領(lǐng)域中有優(yōu)勢(shì)。C的高溫，此時(shí)若與煙霧接觸，煙霧就會(huì)在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會(huì)上升，鉑絲的電阻值也上升；通過(guò)測(cè)量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道煙霧的濃度。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)其它煙霧傳感器的不足。它主要適用于毒性煙霧檢測(cè)。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 (g)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(guò)測(cè)量元件內(nèi)的目標(biāo)煙霧，參考光束通過(guò)比較元件內(nèi)的參考煙霧。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)狻Ｗ杈徥钱?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。 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。經(jīng)過(guò)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。按敏感機(jī)理分類，可分為電阻型和非電阻型。當(dāng)處于200~300176。遇到可燃煙霧（如CH4等）時(shí)，原來(lái)吸附的氧脫附，而由可燃煙霧以正離子狀態(tài)吸附在二氧化錫半導(dǎo)體表面；氧脫附放出電子，煙霧以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子，從而使二氧化錫半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加，電阻值下降。 (b)MQ2型傳感器具有良好的重復(fù)性和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。 (2) MQ2型傳感器的基本特性 (a) 靈敏度特性 煙霧傳感器在最佳工作條件下，接觸同一種煙霧，其電阻值RS隨氣體濃度變化的特性稱之為靈敏度特性，用K表示。 (b) 初期穩(wěn)定特性 半導(dǎo)體煙霧傳感器在不通電狀態(tài)存放一段時(shí)間后，再通電時(shí)，器件并不能立即投入正常工作。 (c) 加熱特性 半導(dǎo)體煙霧傳感器一般要在較高的溫度(200~450176。MQ2型煙霧傳感器加熱電壓為5177。為避免出現(xiàn)這種情況，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)氣敏元件的故障，需要設(shè)計(jì)加熱絲故障診斷報(bào)警電路。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。當(dāng)然幾種狀態(tài)的報(bào)警信號(hào)是各不相同的。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)。 (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。 (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。 (3)報(bào)警準(zhǔn)確度:：177。 (6)工作環(huán)境溫度：檢測(cè)器50176。C。(10)響應(yīng)時(shí)間：≤30S(11)輸出信號(hào)：可輸出與煙霧濃度對(duì)應(yīng)的0~5VDC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。(12)具備快速重復(fù)檢測(cè)和延時(shí)報(bào)警功能，可區(qū)別煙霧的泄漏和短時(shí)間的微量散失，防止誤報(bào)。并且也要考慮選擇低價(jià)實(shí)用的機(jī)型，并為研制同一系列的低功耗產(chǎn)品做準(zhǔn)備。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。8051系列采用的是堆棧指針，STC采用硬件堆棧8級(jí)。 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。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)，是的新一代8051單片機(jī)，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。它們是以單片機(jī)內(nèi)部集成Flash的大小區(qū)分的。其內(nèi)部集成的Flash幾乎擁有現(xiàn)代追求個(gè)性化的用戶所需要的掉電后數(shù)據(jù)不丟失、快速的數(shù)據(jù)存取時(shí)間、電可擦除、容量大、在線可編程、足夠多的擦寫次數(shù)、價(jià)格低廉和高可靠性等所有優(yōu)點(diǎn)。 (2)脈寬調(diào)節(jié)模式(PWM) 所有PCA模塊都可用作PMW輸出。當(dāng)CLSFR的值小于{EPCnL，CCAPnL}時(shí)，輸出為低，當(dāng)PCACLSFR的值等于或大于{EPCnL，CCAPnL}時(shí)，輸出為高。 (3)I/O口工作類型設(shè)置 STC12C5410AD帶有24個(gè)I/O引腳，它的I/O與傳統(tǒng)的I/O不同，每個(gè)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。如與捕獲比較模塊相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)串行通信，與A/D模塊結(jié)合實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換等。8路電壓輸入型A/D，可以完成溫度檢測(cè)、電池電壓檢測(cè)、按鍵掃描、頻譜檢測(cè)等功能。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。因此，用戶只要在設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)為調(diào)試需要預(yù)留好STC12C5410AD的串口接口的引出插座，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的程序下載調(diào)試、系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)編程硬件仿真或軟件升級(jí)功能，而且無(wú)需外加編程電壓。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。根據(jù)運(yùn)放的“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)可知，I=I+=0， 所以V=VoR3/R3+R4+VrefR4/R3+R4(31) 而且V=V+=Vi Vo=Vi(R3+R4）/R3(32) 由以上兩式可求出Vo=VrefR4/R3(33) 所以本放大電路的放大倍數(shù)A=1+R4R3，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。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。它利用滑動(dòng)變阻器產(chǎn)生一個(gè)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。報(bào)警裝置采用無(wú)源壓電式KM3712x型蜂鳴器[26]，較一般的蜂鳴器體積大，聲音響亮，適用于家用煤氣報(bào)警器的報(bào)警聲音源。顯示濃度級(jí)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。綠燈常亮表示正常狀態(tài)，環(huán)境中可燃煙霧濃度極低。若過(guò)一點(diǎn)時(shí)間濃度仍超出報(bào)警限，報(bào)警器會(huì)再次鳴叫提醒用戶。當(dāng)報(bào)警器自診斷發(fā)現(xiàn)傳感器連接不正常，就會(huì)發(fā)出長(zhǎng)鳴聲音警報(bào)，并伴隨黃燈閃爍，提醒用戶及時(shí)排除傳感器連接問題。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。目標(biāo)文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫(kù)文件，也可以與庫(kù)文件一起經(jīng)C51連接定位生成絕對(duì)目標(biāo)文件(.ABS)。ISP工具的功能主要是將由PC機(jī)串接來(lái)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(shí)現(xiàn)PC機(jī)與STC12C5410AD的RXD及TXD口通訊。 煙霧檢測(cè)報(bào)警器軟件流程及設(shè)計(jì)本論文中，軟件解決的主要問題是檢測(cè)煙霧傳感器的煙霧濃度信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)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(bào)警器聲光警報(bào)。本論文的主程序設(shè)計(jì)先對(duì)傳感器預(yù)熱三分鐘，預(yù)熱同時(shí)，對(duì)傳感器加熱絲故障檢測(cè)，采用軟件方式檢測(cè)傳感器加熱絲或電纜線是否斷線或者接觸不良。 主程序初始化流程圖。方式1狀態(tài)下定時(shí)器的工作寄存器THTL1是全16位參與操作。 如果采用一般的平均值法，則干擾將“平均”到計(jì)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。在實(shí)際應(yīng)用中，N可取任何值，但為了加快測(cè)量計(jì)算速度，本論文數(shù)字濾波的設(shè)計(jì)中N取10。 } 報(bào)警子程序設(shè)計(jì)及流程圖當(dāng)煙霧濃度超過(guò)報(bào)警設(shè)定值時(shí)，報(bào)警器發(fā)出一種近似警笛的鳴叫聲，對(duì)應(yīng)通道的紅燈閃亮，以提示操作人員采取安全對(duì)策或自動(dòng)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。 “LEL”是指爆炸下限。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(gè)要素：可燃物（燃?xì)猓恢嘉铮ㄑ鯕猓?；點(diǎn)火源（溫度）。 有關(guān)權(quán)威部門和專家已經(jīng)對(duì)目前發(fā)現(xiàn)的可燃?xì)庾髁巳紵ǚ治?，制定出了煙霧的爆炸極限，它分為爆炸上限和爆炸下限。 爆炸極限是爆炸下限、爆炸上限的總稱，可燃煙霧在空氣中的濃度只有在爆炸下限、爆炸上限之間才會(huì)發(fā)生爆炸。甲烷在空氣濃度為9%11%時(shí)遇明火爆炸,高于11%或低于9%都不爆炸。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析因?yàn)榧矣妹簹庵兄饕煞譃榧淄?，所以本?shí)驗(yàn)在煙霧標(biāo)定時(shí)，選用甲烷煙霧。 直線方程 f(x)=f(xi)+(xxi)f(xi)f(xi)/（xi–xi） i=1,2,3L,7(51) 其中，f(x)為實(shí)際煙霧檢測(cè)LEL濃度，x為實(shí)際煙霧檢測(cè)濃度對(duì)應(yīng)的電壓值，xi是區(qū)間的下限濃度對(duì)應(yīng)電壓值，xi是區(qū)間的上限濃度對(duì)應(yīng)電壓值，f(xi)為區(qū)間下限點(diǎn)煙霧LEL濃度值，f(xi)為區(qū)間上限點(diǎn)煙霧LEL濃度值，根據(jù)公式51計(jì)算出7個(gè)直線方程式，如下： (1)0%~10%LELf(x)=?+ (2)10%~20%LELf(x)=?+ (3)20%~40%LELf(x)=?+ (4)40%~50%LELf(x)=?+ (5)50%~60%LELf(x)=?+ (6)60%~80%LELf(x)=?+(7)80%~100%LELf(x)=?+經(jīng)實(shí)驗(yàn)的標(biāo)定，：濃度（%LEL）濃度誤差濃度（%LEL）濃度誤差0050553553101600154652203703251755305802353854402903455955 根據(jù)誤差計(jì)算公式X=i，在本實(shí)驗(yàn)中N為20，%，在所規(guī)定誤差范圍177。就本儀器而言，誤差來(lái)源主要有軟件和硬件兩個(gè)方面。16bit定點(diǎn)除法運(yùn)算，所以有限字長(zhǎng)造成的誤差對(duì)于本系統(tǒng)而言，可以忽略不計(jì)。本設(shè)計(jì)選用高輸入阻抗、低噪聲的放大器，可以滿足要求。為了盡量減小噪聲，數(shù)字地和模擬地要一點(diǎn)接地，每個(gè)芯片的電源就近接退耦電容。但是溫濕度的影響相對(duì)于系統(tǒng)5%LEL的精度要求，可以忽略不計(jì)。HowellInformat