【正文】 2C5410；傳感器。為了減少這類事故的發(fā)生，就必須對煙霧進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)時(shí)檢測，采用先進(jìn)可靠的安全檢測儀表，嚴(yán)密監(jiān)測環(huán)境中煙霧的濃度， 及早發(fā)現(xiàn)事故隱患，采取有效措施，避免事故發(fā)生，才能確保工業(yè)安全和 家庭生活安全。煙霧檢測報(bào)警裝置是能夠檢測環(huán)境中的煙霧濃度并具 有報(bào)警功能的儀器。2003年12月，國家執(zhí)行新的煙霧探測器標(biāo)準(zhǔn)(GB 153222003)《可燃煙霧探測器》，2004年10月國家頒布《可燃煙霧檢測報(bào)警器規(guī)程JJG6932004》，研究新型、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確監(jiān)測可燃性氣體，并合乎國家相關(guān)規(guī)定的報(bào)警器具有極其重要得意義。近十年來，農(nóng)村的沼氣使用也得到了極大的發(fā)展。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，美國1996年~2002年煙霧傳感器年均增長率為27%~30%。但主要是在引進(jìn)國外先進(jìn)的傳感器技術(shù)和先進(jìn)的生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，進(jìn)行研究與開發(fā)形成自己的特色。有的報(bào)警器可自動開啟排風(fēng)扇，把煙霧排出室外 。若有燃?xì)庑孤?，檢漏儀便會發(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。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)場所。(c)系統(tǒng)的軟件編制。(2)擴(kuò)展部分(a)再加入一路傳感器信號采集電路，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。單片機(jī)對該數(shù)字信號進(jìn)行 濾波處理，并對處理后的數(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)，如果大于則啟動報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警聲音，反之則為正常狀態(tài)。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。 煙霧傳感器的選型 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，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。 (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。 (3)常見煙霧傳感器簡介下面對工業(yè)上常用的幾種煙霧傳感器作簡單介紹。按照敏感機(jī)理分類，可分為電阻型和非電阻型。 (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)會發(fā)生氧化反應(yīng)而燃燒，故得名接觸燃燒式傳感器。 (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。 (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。目前國際上絕大部分毒氣檢測采用該類型傳感器。在測量和比較元件中，紅外射線被煙霧有選擇地吸收了。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量碳?xì)浠衔铮⒕哂凶钚〉慕徊骒`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。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，但是如果長期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會不斷下降，導(dǎo)致傳感器最終喪失檢測煙霧的能力。一般連續(xù)使用兩個(gè)月后應(yīng)對傳感器進(jìn)行量程校準(zhǔn)，這種經(jīng)常性對傳感器的維護(hù)，無形中加大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。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。半導(dǎo)體氣敏元件也有N型和P型之分。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。而當(dāng)空氣中沒有煙霧時(shí)，二氧化錫半導(dǎo)體又會自動恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。初始穩(wěn)定，響應(yīng)時(shí)間短，長時(shí)間工作性能好。K=RS/R0(21)式中，R0為煙霧傳感器潔凈空氣條件下的電阻值，RS為煙霧傳感器在一定濃度的檢測煙霧中的電阻值。這是因?yàn)闊熿F傳感器中的二氧化錫在不通電的狀態(tài)下會吸附空氣中的水蒸氣，當(dāng)再次通電時(shí)需要預(yù)熱幾分鐘使水蒸氣蒸發(fā)后，氣敏電阻才能正常工作。C)下工作，所以需要對其加熱。加熱電阻為31177。 (3) MQ2型傳感器的特性參數(shù) (a)回路電壓：(Vc)5~24V (b)取樣電阻：(RL)~20K (c)加熱電壓：(VH)5177。為提高響應(yīng)時(shí)間，保證傳感器準(zhǔn)確地、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。 煙霧檢測報(bào)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(jì)的可燃性煙霧報(bào)警儀應(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、故障自檢、延時(shí)報(bào)警功能及可接計(jì)算機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場遠(yuǎn)測和實(shí)時(shí)控制等功能。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(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。因?yàn)槿藢ψ兓男盘柛鼮槊舾?，所以變化的聲音及燈光更容易引起用戶的注意? (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(bào)警的同時(shí)自動啟動相關(guān)安全裝置。5%LEL。C~50176。 (7)工作環(huán)境濕度：≤85%RH。 (11)工作電壓：AC220V177。3. 煙霧檢測報(bào)警器的硬件設(shè)計(jì)在報(bào)警儀的設(shè)計(jì)中，單片機(jī)是其核心部件。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)。 如今市面上比較普遍的單片機(jī)有8051系列與STC系列。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層的程序嵌套不會出現(xiàn)問題。而C語言是一種結(jié)構(gòu)化的高級語言，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)語言。而且STC12系列下屬的STC12C54xxAD系列單片機(jī)是低功耗Flash單片機(jī)，它的高效尋址方式、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。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STC12C5410AD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。STC12C5410AD單片機(jī)具有以下特點(diǎn)： (1)Flash存儲器 STC12C5410ADFlash存儲器為10KB。輸出頻率取決于PCA定時(shí)器的時(shí)鐘源。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。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。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)動能力，對于一般的液晶顯示屏、蜂鳴器可以直接驅(qū)動而無需輔助電路。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。同時(shí)，STC12C5410AD的片內(nèi)已集成了程序斷點(diǎn)控制等邏輯功能。 煙霧檢測報(bào)警器硬件電路設(shè)計(jì) 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。 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)?，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。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。 (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。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。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。C 顯示方式：反射式正顯示存儲溫度：20～+60176。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。 報(bào)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(gè)電阻R6。4. 煙霧檢測報(bào)警器的軟件設(shè)計(jì) STC12系列單片機(jī)調(diào)試及開發(fā)工具 系統(tǒng)的軟件編程使用的是美國KeilSoftware公司出品的KeilC51，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。 C51工具包的整體結(jié)構(gòu)中，μVision與Ishell分別是C51forWindows和forDos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(gè)開發(fā)流程。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，也可由仿真器使用直接對目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如EPROM中。當(dāng)用戶將源程序(匯編語言或C語言)經(jīng)語法檢查無誤并生成代碼時(shí)，就可以將程序代碼下載到Flash芯片中[31]，而用戶的系統(tǒng)可以是在線狀態(tài)。 主程序設(shè)計(jì)及流程圖 。STC12C5410AD單片機(jī)對傳感器檢測的煙霧濃度信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、平均值法濾波、線性化處理后，將濃度值與報(bào)警限設(shè)定值相比較，判斷是否報(bào)警。給傳感器預(yù)熱后，程序開始執(zhí)行初始化子程序，這部分實(shí)現(xiàn)的功能包括各種I/O口輸入輸出狀態(tài)的設(shè)定、寄存器初始化、中斷使能等。接下來定時(shí)器0中斷允許位置1，打開定時(shí)器0，關(guān)閉蜂鳴器，開啟綠燈，設(shè)置報(bào)警限初值。 為此，可采取中位值平均濾波法(又稱防脈沖干擾平均濾波法)，先對N個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，去掉其中的最大值和最小值，然后計(jì)算余下的N–2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。即調(diào)用A/D連續(xù)進(jìn)行10次采樣，去掉其中的最大值和最小值，計(jì)算其余8個(gè)值的平均值，將這個(gè)平均值送入寄存器。為防止誤報(bào)，在程序設(shè)計(jì)上，對煙霧濃度進(jìn)行快速重復(fù)檢測和延時(shí)報(bào)警，以區(qū)別出是管道中煙霧的泄漏，還是由于暫短打開閥門產(chǎn)生的可燃煙霧的微量散失，防止誤報(bào)?？扇紵熿F在空氣中遇明火種爆炸的最低濃度，稱為爆炸下限(LowerExplosionLimited)，簡稱LEL?？扇?xì)獾娜紵梢苑譃閮深?，一類是擴(kuò)散燃燒，即揮發(fā)的或從設(shè)備中噴出、泄漏的可燃?xì)?，遇到點(diǎn)火源混合燃燒。低于爆炸下限，混合氣中的可燃?xì)獾暮坎蛔?，不能引起燃燒或爆炸，高于上限混合氣中的氧氣的含量不足，也不能引起燃燒或爆炸。低于爆炸下限或高于爆炸上限都不會發(fā)生爆炸。假定甲烷的爆炸下限為5%體積比，那也就是說，把這個(gè)5%體積比，一百等分，讓5%體積比對應(yīng)100%LEL，也就是說，當(dāng)檢測儀數(shù)值到達(dá)10%LEL報(bào)警點(diǎn)時(shí)，%體積比。濃度（%）電壓（V）01020304050607080901000從該曲線可以看出，電壓值與煙霧濃度之間是非線性關(guān)系，為了實(shí)時(shí)顯示氣體濃度，需要對其進(jìn)行線性化處理，使顯示的煙霧濃度與實(shí)際誤差在177。5%之內(nèi)。 軟件誤差主要來自以下兩個(gè)方面： (1)A/D轉(zhuǎn)換量化誤差STC12C5410AD單片機(jī)的內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器為12bit，輸入單片機(jī)模擬電壓信號0~，A/?1=，因此可求得A/==%。 硬件誤差主要來自以下四個(gè)方面： (1)傳感器非線性誤差 本系統(tǒng)選用MQ2型半導(dǎo)體陶瓷式煙霧傳感器，煙霧濃度與輸出電壓存在一定的非線性，使用折線插值方法進(jìn)行線性化處理。另外所選的阻容器件都是經(jīng)過精確測量后再焊接上去的，并經(jīng)過仔細(xì)調(diào)試以獲得最佳性能。 (4)環(huán)境、外部噪聲引起的誤差環(huán)境因素包括環(huán)境溫度、濕度、空氣中的塵埃等。另外，系統(tǒng)還受到各種外部電磁噪聲的干擾，設(shè)計(jì)上，把探測器與控制器之間的信號線用屏蔽電纜連接。 YS=~YS。 yure_biao=1。(over_biao==0)amp。(clear_biao==0)) //采集定時(shí)程序 { jia3++。 xscout=0。 if(jia6=6) //定時(shí)1分 { jia6=0。 } if((bao_biao==1)amp。 if(dengji==1) { if(jia4=20) { jia4=0。 RS=~RS。 feng=~feng。 } } if(dengji==5) { if(jia4=2) { jia4=0。 RS=1。 TF0=0。 adc_zhi=2。 adc_zhi|=aa。 else { if(adc_zhimidu[2]) dengji=3。 ADC_FLAG_0。 }}///*voiddelay_s(unsignedchartimedata){ unsignedcharaa=197,bb=250,cc=2。//關(guān)閉看門狗 delay_ms(100)。 TMOD=0x01。//標(biāo)志位清零 TR0=0。//打開AD電源 delay_ms(1)。 EADC_SPI=1。//打開數(shù)碼管顯示 P2=0。 YS=1。}//voidadc_cai(void)//AD采集程序{ if((start_biao==1)amp。 over_biao=1。 xscout=0。amp。 RS=1。//顯示程序 adc_cai()。為了指導(dǎo)我們的畢業(yè)論文，她們放棄了自己的休息時(shí)間，她們的這種無私奉獻(xiàn)的敬業(yè)精神令人欽佩，在此我向她們表示我誠摯的謝意。在本論文的寫作過程中，我的導(dǎo)師郭旻老師傾注了大量的心血，從選題到開題報(bào)告，從寫作提綱，到一遍又一遍地指出每稿中的具體問題，嚴(yán)格把關(guān)，循循善誘，在此我表示衷心感謝