【正文】 tware 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(shì)。 本章 闡述了煙霧報(bào)警器的硬件設(shè)計(jì)。 圖 狀態(tài)指示燈電路圖 圖 控制按鍵連接示意圖 (1)判斷傳感器電源連接情況 在傳感器的地端串聯(lián)一個(gè)電阻 R6。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。 C 顯示方式：反射式正顯示存儲(chǔ)溫度： 20～ +60176。當(dāng)單片機(jī) STC12C5410AD的 17 腳 ()置 1時(shí)，三極 管 Q1導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警。所以調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，就可以直接改變放大電路的參考電壓。 (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。同相比例運(yùn)算電路有以下幾個(gè)特點(diǎn)： (1)同相比例運(yùn)算放大電路是一個(gè)深度的電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。 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(gè)運(yùn)放一致性好 ； 其輸入偏流電阻是溫度補(bǔ)償?shù)模膊恍柰饨宇l率補(bǔ)償，可做到輸出電平與 數(shù)字電路兼容。 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。同時(shí)， STC12C5410AD的片內(nèi)已集成了程序斷點(diǎn)控制等邏輯功能。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使用的口可繼續(xù)作為 I/O 口使用。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(dòng)能力，對(duì)于一般的液晶顯示屏、蜂鳴器可以直接驅(qū)動(dòng)而無需 輔助電路。 4 種類型分別為：準(zhǔn)雙向口 (標(biāo)準(zhǔn) 8051輸出模式 )、推挽輸出、僅為輸入 (高阻 )和開漏輸出功能。當(dāng) CL的值由 FF 變?yōu)?0溢出時(shí)， {EPCnH， CCAPnH}的內(nèi)容裝載到 {EPCnL， CCAPnL}中。輸出頻率取決于 PCA定時(shí)器的 時(shí)鐘源。 圖 STC12C5410AD單片機(jī)管腳圖 STC12C5410AD單片機(jī)具有以下特點(diǎn)： (1) Flash 存儲(chǔ)器 STC12C5410AD Flash 存儲(chǔ)器為 10KB。它體積小，價(jià)格低，非常適用于本設(shè)計(jì)，下面介紹 STC12C5410AD的自身 特點(diǎn)。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)比和應(yīng) 用適應(yīng)性。鑒于 C語言的易讀性和普遍性，本論文的軟件設(shè)計(jì)選擇 C語言編程，所以 STC系列單片機(jī)在此處不是非常適合。而 STC單片機(jī)程序嵌套包括中斷最多不能超過 8層。 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。 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。它一方面要接收來自傳感 器送來的煙霧濃度對(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。 該報(bào)警器將空氣中煙霧或可燃性液體蒸汽的濃度顯示在儀表盤上，當(dāng)空氣中的煙霧或可燃性液體蒸汽的濃度達(dá)到一定濃度時(shí)， 則啟動(dòng)快速重復(fù)檢測(cè)和延時(shí)報(bào)警，以區(qū)別出是管道中煙霧的泄漏， 還是由于短暫打開閥門產(chǎn)生的可燃煙霧的微量散失，防止誤報(bào)。 本章主要闡述了煙霧報(bào)警儀的設(shè)計(jì)方案，即傳感器的選型和報(bào)警器的設(shè)計(jì)。C~500176。 (1) 傳感器類型：半導(dǎo)體電阻式 (2) 檢測(cè)范圍： 0~100%LEL (3) 報(bào)警準(zhǔn)確度 :：177。 (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。 圖 可燃性氣體檢測(cè)報(bào)警器結(jié)構(gòu)框圖 (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。其目標(biāo)是在傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警儀的基礎(chǔ)上，盡量提高準(zhǔn)確性，降低成本，縮小體積。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)。 (d)加熱功率： (P)約 750mW (e)靈 敏 度：以甲烷為例 R0(air)/RS (%CH4)＞ 5 (f)響應(yīng)時(shí)間： Tres＜ 10秒 (g)恢復(fù)時(shí)間： Trec＜ 30秒 本論文中的煙霧檢測(cè)報(bào)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。 3?。由于傳感器一般工作在易燃易爆環(huán)境下，若加熱絲直接與電源相接，當(dāng)加熱絲局部短路造成器件過熱或放電時(shí)，可能引發(fā)事故。再通電工作時(shí)氣敏電阻值達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需要的時(shí)間，定義為初期穩(wěn)定時(shí)間。 雖然對(duì)于不同的煙霧，器件靈敏度特性 K 的值也會(huì)各有差異，但是它們都遵循同一規(guī)律， log RS = m logC + n (22) 式中， m 為器件相對(duì)煙霧濃度變化的敏感性，又稱煙霧分離能，對(duì)于 煙霧， m 值為 1/2~1/3； C為檢測(cè)煙霧的濃度。 (d)電路設(shè)計(jì)電壓范圍寬， 24V以下均可；加熱電壓 5177。 (b)MQ2 型傳感器具有良好的重復(fù)性和長期的穩(wěn)定性。而當(dāng)空氣中沒有煙霧時(shí)，二氧化錫半導(dǎo)體又會(huì)自 動(dòng)恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。 C 溫度時(shí)，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少， 從而使其電阻值增加。 C以上 乙醇、可燃性氣體 非電阻型 二極管整流特性 室溫～200176。 表 所利用的特性工作溫度表面電阻控制器 300~450176。按敏感機(jī)理分類，可分為電阻型和非電阻型。 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，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。 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。固體電解質(zhì)煙霧傳感器主要用于檢測(cè)無機(jī)煙霧，如 O CO H Cl SO2等。 不同的煙霧吸收不同波長的 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? 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。目前國際上絕大部分毒氣檢測(cè)采用該類型傳感器。 (e) 電化學(xué)傳感器 電化學(xué)傳感器由膜電極和電解液封裝而成。 (d) 高分子煙霧傳感器 利用高分子氣敏材料制作的煙霧傳感器近年來得到很大的發(fā)展。 (c) 接觸燃燒式傳感器 當(dāng)易燃煙霧接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時(shí)會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)而燃燒，故得名接觸燃燒式傳感器。按照敏感機(jī)理分類，可分為電阻型和非電阻型。 (3)常見煙霧傳感器簡介 下面對(duì)工業(yè)上常用的幾種煙霧傳感器作簡單介紹。 (b)利用物理性質(zhì)的煙霧傳感器：如熱導(dǎo)煙霧傳感器、光干涉煙霧傳 感器、紅外傳感器等。 煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，是氣 電變換器，它將可燃性氣 體在空氣中的含量 (即濃度 )轉(zhuǎn) 化成電壓或者電流信號(hào)，通過 A/D轉(zhuǎn)換電路 將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到單片機(jī)，進(jìn)而由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、濃度 處理及報(bào)警控制等工作。以上 是根據(jù)報(bào)警器應(yīng)具備的功能，提出的整體設(shè)計(jì)思路。單片機(jī)對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行 濾波處理，并對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，是否大于或等于某個(gè)預(yù)設(shè)值 (也 就是報(bào)警限 )，如果大于則啟動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警聲音，反之則為正常狀 態(tài)。 (2)擴(kuò)展部分 (a) 再加入一路傳感器信號(hào)采集電路，利用雙通道數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)采集的優(yōu)化，主要是利用輔助的一路進(jìn)行修正主傳感器，以提高精度和可靠性。 (c)系統(tǒng)的軟件編制。此種儀器廣泛應(yīng)用于液化氣站、汽車加油站、鍋爐房等工業(yè)場(chǎng)所。若有燃?xì)庑孤?，檢漏儀便會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)數(shù)字顯示煙霧濃 度，以便及時(shí)采取安全措施，防止爆炸等惡性事故的發(fā)生。 (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。 我國在 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。 國外從 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)增長受到政府安全法規(guī)的推動(dòng)。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。《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》 (GBJ1687)第 條明確規(guī)定 :“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”。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。具有一定的實(shí)用價(jià)值。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。因此，了解并掌握各類傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。傳感器技術(shù)已成為衡量一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。 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。是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能 穩(wěn)定、使用方便、價(jià)格低廉、智能化的煙霧報(bào)警器。 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。煙霧報(bào)警器屬于《中華人 民共和國強(qiáng)制檢定的工作計(jì)量器具目錄》中第 46項(xiàng)，它歸類于物理化學(xué) 計(jì)量器具。如果這些家用燃?xì)夂兔簹饣丶爸修D(zhuǎn)站的 報(bào)警率按 10% 計(jì)算，煙霧檢測(cè)報(bào)警器的需求量就達(dá) 2021 萬臺(tái)以 上。可見，煙霧報(bào)警器具有十分廣闊的市場(chǎng)前景。 1963 年 5月，日本開發(fā)完成第一臺(tái)接觸燃燒式家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器，次年 12 月其改良產(chǎn)品問世，改良的報(bào)警器可以檢測(cè)燃?xì)狻⒁谎趸嫉葰? 體，可以安裝在浴室或者采用集中監(jiān)視。 燃?xì)鈭?bào)警器可分為民用火災(zāi)煙霧報(bào)警器、工業(yè)用煙霧報(bào)警器、 有毒有害煙霧報(bào)警器三大系列產(chǎn)品。 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┲?，通過屏蔽電纜線將信號(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。 (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(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