【正文】 為了早期發(fā)現(xiàn)和通報火災，防止和減少火災危害，保護人身和財產安全。為了早期發(fā)現(xiàn)和通報火災，防止和減少火災危害，保護人身和財產安全。是一種結構簡單、性能 穩(wěn)定、使用方便、價格低廉、智能化的煙霧報警器。本論文以電阻式煙霧傳感器和單片機技術為核心并與其他電子技術相結合， 設計出一種技術水平較好的煙霧報警器。武 漢 紡 織 大 學畢業(yè)設計論文論文題目：基于STC12C5410AD單片機的煙霧報警控制系統(tǒng) 院 系 高職學院 專 業(yè) 班 級 應電102 學 生 姓 名 余?？? 指 導 教 師 郭 旻 摘 要隨著“信息時代”的到來，作為獲取信息的手段——傳感器技術得到了顯著的進步，其應用領域越來越廣泛，對其要求越來越高，需求越來越迫切。其中選用MQ2型半導體可燃氣體敏感元件煙霧傳感器實現(xiàn)煙霧的檢測，具有靈敏度高、響應快、抗干擾能力強等優(yōu)點，而且價格低廉，使用壽命長。具有一定的實用價值。保衛(wèi)社會主義現(xiàn)代化建設，防止火災引起燃燒、爆炸等事故，造成嚴重的經濟損失，甚至危及生命安全。保衛(wèi)社會主義現(xiàn)代化建設，防止火災引起燃燒、爆炸等事故，造成嚴重的經濟損失，甚至危及生命安全?！督ㄖO計防火規(guī)范》(GBJ1687):“散發(fā)可燃煙霧、可燃蒸汽的甲類廠房和場所，應設置煙霧濃度檢測報警裝置”。隨著全社會對防火防爆及人身安全的重視程度的提高，這個數(shù)字會繼 續(xù)增長。 煙霧報警器的國內外現(xiàn)狀 國外從20世紀30年代開始研究及開發(fā)煙霧傳感器，且發(fā)展迅速，一方面是因為人們安全意識增強，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是因為傳感器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動。 我國在70年代初期開始研制煙霧報警器，生產型號多樣、品種較齊全，應用范圍也由單一的煉油系統(tǒng)擴展到幾乎所有危險作業(yè)環(huán)境的各種類型報警器，產品數(shù)量也在不斷增加。（1）民用火災煙霧報警器 民用火災煙霧報警器為居民家庭用的火災報警器,一般安裝在廚房，遇到火災產生的煙霧時時，報警器可發(fā)出聲光報警，或同時伴有數(shù)字顯示，同時聯(lián)動外部設備。檢漏儀的體積較小，可隨身攜帶或手持，主要應用于燃氣管理的查漏 與巡檢。當在現(xiàn)場的探測器探測到燃氣泄漏之后，通過屏蔽電纜線將信號傳到控制器，控制器發(fā)出聲光報警，同時啟動排風裝置或關閉電磁閥切斷氣源，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、聲音報警電路、狀態(tài)指示燈電路、液晶顯示電路六個部分。 (d)硬件電路和軟件的綜合調試。模數(shù)轉換電路將從煙霧檢測電路送出的模擬信號 轉換成單片機可識別的數(shù)字信號后送入單片機。為使報警裝置更加完善，可以在聲音報警基礎上，加入光閃報警，變化的光信號可以引起用戶注意，彌補嘈雜環(huán)境中聲音報警的局限。單片機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，從檢測原理上可以分為三大類： (a)利用物理化學性質的煙霧傳感器：如半導體煙霧傳感器、接觸燃燒煙霧傳感器等。但是，任何一個完整的煙霧傳感器都必須具備以下條件： (a)能選擇性地檢測某種單一煙霧，而對共存的其它煙霧不響應或低響應； (b)對被測煙霧具有較高的靈敏度，能有效地檢測允許范圍內的煙霧濃度； (c)對檢測信號響應速度快，重復性好； (d)長期工作穩(wěn)定性好； (e)使用壽命長； (f)制造成本低，使用與維護方便。該傳感器己成為世界上產量最大、使用最廣的煙霧傳感器之一。但這種傳感器制造成本高，檢測煙霧范圍有限，在檢測環(huán)境污染領域中有優(yōu)勢。C的高溫，此時若與煙霧接觸，煙霧就會在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會上升，鉑絲的電阻值也上升；通過測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特定煙霧分子靈敏度高，選擇性好，且結構簡單，能在常溫下使用，可以彌補其它煙霧傳感器的不足。它主要適用于毒性煙霧檢測。溫度的變化情況是目標煙霧熱傳導率的函數(shù)，而對于一種給定的煙霧或汽化物，熱傳導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行煙霧測量，主光束通過測量元件內的目標煙霧，參考光束通過比較元件內的參考煙霧。不同的煙霧吸收不同波長的IR，所以傳感器根據目標煙霧而調整，典型應用包括測量CO和CO冷凍劑煙霧和一些易燃氣。阻緩是當在煙霧與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質的情況下，則有可能在無焰燃燒的同時，有些固態(tài)物質附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應緩慢反應滯緩，靈敏度降低。 因此，經常對傳感器進行標定，是保證其準確性的必要的途徑。經過對比上述兩種煙霧傳感器的應用特性，發(fā)現(xiàn)半導體煙霧傳感器的優(yōu)點更加突出：靈敏度高、響應快、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，維護成本較低等。按敏感機理分類，可分為電阻型和非電阻型。當處于200~300176。遇到可燃煙霧（如CH4等）時，原來吸附的氧脫附，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體導帶電子密度增加，電阻值下降。 (b)MQ2型傳感器具有良好的重復性和長期的穩(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 半導體煙霧傳感器在不通電狀態(tài)存放一段時間后，再通電時，器件并不能立即投入正常工作。 (c) 加熱特性 半導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，并及時發(fā)現(xiàn)氣敏元件的故障，需要設計加熱絲故障診斷報警電路。另外由于煙霧傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反應越快，響應時間和恢復時間就越快。當然幾種狀態(tài)的報警信號是各不相同的。報警器采用巡檢的工作方式，進行兩級報警值設定，并發(fā)出不同的光、聲信號。 (3)煙霧報警功能當煙霧濃度連續(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。 (6)與上位機通訊功能 可以實現(xiàn)與計算機串口通訊，對報警器采取統(tǒng)一控制，以及便于采集和處理數(shù)據，也可以在計算機上更改報警限值等。 (3)報警準確度:：177。 (6)工作環(huán)境溫度：檢測器50176。C。(10)響應時間：≤30S(11)輸出信號：可輸出與煙霧濃度對應的0~5VDC標準信號。(12)具備快速重復檢測和延時報警功能，可區(qū)別煙霧的泄漏和短時間的微量散失，防止誤報。并且也要考慮選擇低價實用的機型，并為研制同一系列的低功耗產品做準備。同時，在能夠滿足報警器設計的計算速度及接口數(shù)的要求的同類型單片機中，要考慮選擇價格低廉且體積輕巧的機型，在保證了報警器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎上，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。 匯編語言對于不同的CPU，其匯編語言可能有所差異，所以不易移植。宏晶科技新推出的STC12系列單片機具有高速、低功耗、超強抗干擾等優(yōu)點，是的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，速度卻比8051單片機快8~12倍。它們是以單片機內部集成Flash的大小區(qū)分的。其內部集成的Flash幾乎擁有現(xiàn)代追求個性化的用戶所需要的掉電后數(shù)據不丟失、快速的數(shù)據存取時間、電可擦除、容量大、在線可編程、足夠多的擦寫次數(shù)、價格低廉和高可靠性等所有優(yōu)點。 (2)脈寬調節(jié)模式(PWM) 所有PCA模塊都可用作PMW輸出。當CLSFR的值小于{EPCnL，CCAPnL}時，輸出為低，當PCACLSFR的值等于或大于{EPCnL，CCAPnL}時，輸出為高。 (3)I/O口工作類型設置 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口均可由軟件設置成4種工作類型之一，使得功能口和通用I/O口復用。如與捕獲比較模塊相結合可以實現(xiàn)串行通信，與A/D模塊結合實現(xiàn)A/D轉換等。8路電壓輸入型A/D，可以完成溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等功能。用戶可以將芯片焊接在線路板上后進行下載程序、調試程序和修改程序。因此，用戶只要在設計應用系統(tǒng)時為調試需要預留好STC12C5410AD的串口接口的引出插座，即可實現(xiàn)系統(tǒng)的程序下載調試、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。常見的運算放大器中，LM324價格低廉、使用簡單等優(yōu)點比較突出，所以本設計中的前置放大電路采用LM324作為電路的運算放大器。根據運放的“虛短”和“虛斷”的特點可知，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。它利用滑動變阻器產生一個參考電壓Vref，再利用電壓跟隨器把電壓輸入到運算放大電路的電壓參考端。報警裝置采用無源壓電式KM3712x型蜂鳴器[26]，較一般的蜂鳴器體積大，聲音響亮，適用于家用煤氣報警器的報警聲音源。顯示濃度級別，其主要技術參數(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。若過一點時間濃度仍超出報警限，報警器會再次鳴叫提醒用戶。當報警器自診斷發(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。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。目標文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經C51連接定位生成絕對目標文件(.ABS)。ISP工具的功能主要是將由PC機串接來的8位并行數(shù)據與單片機的串行數(shù)據進行相互轉換，以實現(xiàn)PC機與STC12C5410AD的RXD及TXD口通訊。 煙霧檢測報警器軟件流程及設計本論文中，軟件解決的主要問題是檢測煙霧傳感器的煙霧濃度信號，然后對信號進行AD轉換，數(shù)字濾波，線性化處理，段式液晶濃度顯示，按鍵功能設置，以及報警器聲光警報。本論文的主程序設計先對傳感器預熱三分鐘，預熱同時，對傳感器加熱絲故障檢測，采用軟件方式檢測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”到計算結果上去，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。在實際應用中，N可取任何值，但為了加快測量計算速度，本論文數(shù)字濾波的設計中N取10。 } 報警子程序設計及流程圖當煙霧濃度超過報警設定值時，報警器發(fā)出一種近似警笛的鳴叫聲，對應通道的紅燈閃亮，以提示操作人員采取安全對策或自動控制相關安全裝置，從而保障生產安全，避免火災和爆炸事故的發(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，它必須具備三個要素：可燃物（燃氣）；助燃物（氧氣）；點火源（溫度）。 有關權威部門和專家已經對目前發(fā)現(xiàn)的可燃氣作了燃燒爆炸分析，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、爆炸上限之間才會發(fā)生爆炸。甲烷在空氣濃度為9%11%時遇明火爆炸,高于11%或低于9%都不爆炸。 實驗數(shù)據分析因為家用煤氣中主要成分為甲烷，所以本實驗在煙霧標定時，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)為實際煙霧檢測LEL濃度，x為實際煙霧檢測濃度對應的電壓值，xi是區(qū)間的下限濃度對應電壓值，xi是區(qū)間的上限濃度對應電壓值，f(xi)為區(qū)間下限點煙霧LEL濃度值，f(xi)為區(qū)間上限點煙霧LEL濃度值，根據公式51計算出7個直線方程式，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)=?+經實驗的標定，：濃度（%LEL）濃度誤差濃度（%LEL）濃度誤差0050553553101600154652203703251755305802353854402903455955 根據誤差計算公式X=i，在本實驗中N為20，%，在所規(guī)定誤差范圍177。就本儀器而言，誤差來源主要有軟件和硬件兩個方面。16bit定點除法運算，所以有限字長造成的誤差對于本系統(tǒng)而言，可以忽略不計。本設計選用高輸入阻抗、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接地，每個芯片的電源就近接退耦電容。但是溫濕度的影響相對于系統(tǒng)5%LEL的精度要求，可以忽略不計。HowellInformat