【正文】 ...................38 ..........................................41 參考文獻(xiàn) .................................................43 1. 緒論 論文研究來源、目的和意義 論文研究來源 隨著科技的發(fā)展，越來越多的巨大的隱患由于工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活而產(chǎn)生。 以 STC12C5410AD單片機(jī)和 MQ2型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器為核心設(shè)計(jì)的煙霧報(bào)警器可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警、故障自診斷、濃度顯示、報(bào)警限設(shè)置、延時(shí)報(bào)警及與上位機(jī)串口通信等功能。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。選用的 STC12C5410AD 單片機(jī)，其整合了 A/D 轉(zhuǎn)換、硬件乘法器、硬件脈寬調(diào)制器等資源，具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等優(yōu) 點(diǎn)，是目前同類技術(shù)中性價(jià)比較高的品。 關(guān)鍵詞：煙霧；報(bào)警器； STC12C5410；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。 2021 年 12月，國家執(zhí)行新的煙霧探測器標(biāo)準(zhǔn) (GB 153222021)《可燃煙霧探測器》， 2021年 10月國家頒布《可燃煙霧檢測報(bào)警器規(guī)程 JJG6932021》，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 ~2021 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(dòng)開啟排風(fēng)扇，把煙霧排出室外 。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。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(dòng)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(huì)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(huì)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(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)。 (b)MQ2 型傳感器具有良好的重復(fù)性和長期的穩(wěn)定性。 。 n 為與檢測煙霧，器件材料有關(guān)，并隨測試溫度和材料中有無增感劑而有所不同。一般情況下，不通電時(shí)間越長，初期穩(wěn)定時(shí)間也越長，當(dāng)不通電存放時(shí)間達(dá)到 15 天左右時(shí)，初期穩(wěn)定時(shí)間一般需要 5分鐘左右。所以必須使用傳感器生產(chǎn)廠家推薦的加熱電壓，使其工作在較安全的范圍內(nèi)。當(dāng)加熱絲斷路時(shí)，由于熱惰性緣故，煙霧傳感器的氣敏特性并不立即消失，此時(shí)檢測必出現(xiàn)較大的誤差。 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(shí)際可燃 性氣體濃度送入液晶，并判斷濃度值是否超出報(bào)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(shí)，發(fā)出聲音報(bào)警并伴隨紅燈閃亮。當(dāng)傳感器加熱絲或電纜線和傳感器斷線或接觸不良時(shí)，進(jìn)行故障報(bào)警，發(fā)出聲光報(bào)警信號。 報(bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 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(shí)間顯示、狀態(tài)顯示、聲音及閃爍報(bào)警、按鍵輸入、故障自檢等功能。 (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(bào)警限值，以便于用戶或檢測人員隨時(shí)觀測煙霧濃度及更改報(bào)警限。 (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(shí)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(bào)警器工作正常。 (2)檢 測范圍： 0~100%LEL。 (5)報(bào)警器工作方式：現(xiàn)場固定安裝，自然擴(kuò)散進(jìn)行采樣，長年連續(xù)運(yùn)行。 C~500176。 (9)指示方式：數(shù)字顯示，可顯示被測煙霧 LEL%及設(shè)定報(bào)警限值。 lHz。在單片機(jī)完成這些的工作中，尤其是信號處理中，比較濃度值后送入顯示的軟件實(shí)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。在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能中，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(shí)現(xiàn)，需要單片機(jī)有較快的運(yùn)算速度，使儀表監(jiān)測人員能夠觀測到實(shí)時(shí)的煙霧濃度，并進(jìn)行相應(yīng)處理。 STC 單片機(jī)是 MICROCHIP 公司的產(chǎn)品，其突出的特點(diǎn)是功耗低，精簡指令集，抗干擾性好，可靠性高，但是存在溢出隱患問題。所以如果用 C 語言進(jìn)行 STC 編程設(shè)計(jì)容易堆棧溢出。 為適用于本論文設(shè)計(jì)的煙霧檢測報(bào)警器，應(yīng)選擇一種比 8051 系列速度快，功耗低，抗干擾性好，而又避免 C語言編程溢出問題的單片機(jī)。 STC12C54xxAD系列單片機(jī)有 6種型號：分別是 STC12C5412AD、 STC12C5410AD、STC12C5408AD、 STC12C5406AD、 STC12C5404AD、和 STC12C5402AD。 STC12C5410AD 單片機(jī)的特點(diǎn) STC12C5410AD 單片機(jī)較以往的單片機(jī)提高了工作效率，使系統(tǒng)的可靠性、抗干擾能力得到了顯著改善，而且進(jìn)一步小型化和便攜化。 Flash 存儲器主要用作程序存儲，可經(jīng)計(jì)算機(jī)串口接口下載程序；程序運(yùn)行時(shí)能對其中的 1段或多段進(jìn)行擦、寫操作，因此兼有數(shù)據(jù)存儲器功能。由于所有模塊共用僅有的 PCA 定時(shí)器，所有它們的輸出頻率相同。這樣就可實(shí)現(xiàn)無干擾地更新 PWM。在對同一個(gè) I/O 口進(jìn)行操作前要選擇 其要實(shí)現(xiàn)的功能，這樣大大地增強(qiáng)了端口的功能和靈活性。許多端口內(nèi)部都集成了上拉電阻，可以方便地與外圍器件相接。這樣， A/D 轉(zhuǎn)換和 I/O 口可以靈活的運(yùn)用，節(jié)省了軟件及時(shí)間。因此，它的開發(fā)工具較為簡單，只需 1套 PC 環(huán)境下的調(diào)試軟件和 1 個(gè)連接于并口的仿真器。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(gè)參考電阻，再經(jīng)過一個(gè)放大電路即可發(fā)送給 ADC 采集。 下面詳細(xì)介紹運(yùn)算放大電路： 如圖 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(shí)，反相輸入端通過電阻 R3 接到參考電壓 Vref。因?yàn)椴淮嬖凇疤摰亍爆F(xiàn)象，所以其輸入端有較高的共模輸入電壓。高輸入阻抗就可以減少放大電路對前端電路的影響，同時(shí)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(jì)。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(dòng)變阻器輸出電壓的影響。本報(bào)警器采用單片機(jī) STC12C5410AD 的 PWM 功能，如果煙霧濃度達(dá)到報(bào)警限，單片機(jī)控制 (PWM)口輸出占空比一定的脈沖，報(bào)警時(shí)蜂鳴器會(huì)發(fā)出如警車警笛的聲音。 C 接口方式： 8 線并行接口 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 所示。紅燈閃亮表示環(huán)境中可燃煙霧濃度超過報(bào)警限值，提醒用戶盡快作相應(yīng)安全措施。當(dāng)傳感器正常連接時(shí)，電阻和傳感器分壓，此時(shí)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(huì)產(chǎn)生斷路，檢測到電阻兩端電壓為 0。 KeilC51 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。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。 STC12系列單片機(jī)下載程序使用的是宏晶科技自行開發(fā)的 STC單片機(jī) ISP下載編程軟件。 用戶可以通過調(diào)試環(huán)境軟件的人機(jī)對話界面，在程序中設(shè)置斷點(diǎn)，在STC12C5410AD 中，可以同時(shí)設(shè)置 3 個(gè)硬件斷點(diǎn)，它是經(jīng)過串口的傳輸，由芯片中的幾組斷點(diǎn)條件寄存器實(shí)現(xiàn)的。首先要給傳感器預(yù)熱三分鐘，因?yàn)?MQ2 型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器在不通電存放一段時(shí)間后，再次通電時(shí)，傳感器不能立即正常采集煙霧信息，需要一段時(shí)間預(yù)熱。同時(shí)送入段式液晶顯示煙霧濃度值。首先設(shè)定定時(shí)初值 50ms，利 用 IAP 寫入 EEPROM，作為取值間隔。 圖 中位值平均濾波法數(shù)字濾波子程序設(shè)計(jì)及流程圖 在煙霧傳感器對煙霧濃度采樣時(shí)，可能會(huì)遇到尖脈沖干擾的現(xiàn)象。這種方法既可濾去脈沖干擾又可濾去小的隨機(jī)干擾。中位值平均濾波法的程序流程圖如圖 所示。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)。 圖 5. 實(shí)驗(yàn)檢定及誤差分析 煙霧檢測報(bào)警器檢定 爆炸下限 (LEL)概念介紹 本 論文設(shè)計(jì)的煙霧檢測報(bào)警器選用“ %LEL”作為煙霧的測量單位及衡量標(biāo)準(zhǔn)，下面介紹關(guān)于 LEL 的相關(guān)概念。 煙霧的濃度過低或過高時(shí)是沒有危險(xiǎn)的，只有與空氣混合形成混合氣或更確切地說遇到氧氣形成一定比例的混合氣才會(huì)發(fā)生燃燒或爆炸。燃燒與爆炸 沒有嚴(yán)格的區(qū)分。爆炸極限一般用體積百分比濃度表示。一般可燃煙霧檢測儀的測量范圍為 0~100%LEL。 本設(shè)計(jì)中設(shè)定甲烷的爆炸下限為 10%體積比，對應(yīng)的報(bào)警限設(shè) 在 20%LEL，也就是甲烷含量為 2%體積比時(shí)報(bào)警器報(bào)警。 5%范圍內(nèi)。 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~，參考電壓 ， A/D 轉(zhuǎn)換器對輸入模擬信號的最 大分辨率為 ?1= ， 因 此 可 求 得 A/D 轉(zhuǎn) 換 誤 差 為==%。 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，誤差數(shù)據(jù)參見表 和圖 。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(