【文章內容簡介】 件相對煙霧濃度變化的敏感性，又稱煙霧分離能，對于 煙霧， m 值為 1/2~1/3； C為檢測煙霧的濃度。 n 為與檢測煙霧，器件材料有關，并隨測試溫度和材料中有無增感劑而有所不同。 (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。這是因為煙霧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，當再次通電時需要預熱幾分鐘使水蒸氣蒸發(fā)后，氣敏電阻才能正常工作。再通電工作時氣敏電阻值達到穩(wěn)定時所需要的時間，定義為初期穩(wěn)定時間。一般情況下，不通電時間越長，初期穩(wěn)定時間也越長，當不通電存放時間達到 15天左右時，初期穩(wěn)定時間一 般需要 5分鐘左右。 (c) 加熱特性 半導體煙霧傳感器一般要在較高的溫度 (200~450176。 C)下工作，所以需要對其 加熱。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，當加熱絲局部短路造成器件過熱或放電時，可能引發(fā)事故。所以必須使用傳感器生產廠家推薦的加熱電壓，使其工作在較安全的范圍內。 MQ2 型煙霧傳感器加熱電壓為 5177。 ，加熱電阻為 31177。 3?。當加熱絲斷路時，由于熱惰性緣故，煙霧傳感器的氣敏特性并不立即消失，此時檢測必出現較大的誤差。為避免出現這種情況，并及時發(fā)現氣敏元件的故障， 需要設計加熱絲故障診斷報警電路。 (3) MQ2型傳感器的特性參數 (a)回路電壓： (Vc) 5~24V (b)取樣電阻： (RL) ~20K (c)加熱電壓： (VH)5177。 (d)加熱功率： (P)約 750mW (e)靈 敏 度：以甲烷為例 R0(air)/RS (%CH4)＞ 5 (f)響應時間： Tres＜ 10秒 (g)恢復時間： Trec＜ 30秒 本論文中的煙霧檢測報警器以 STC12C5410AD 單片機為控制核心，采用 MQ2型電阻式半導體傳感器采集煙霧信息。 首先，傳感器送來的煙霧濃度對應的微小的電壓信號經過放大，轉化成 較大的電壓信號送入 STC12C5410AD 單片機；然后，在 STC12C5410AD 單片機內 A/D 轉換、濃度比較，對數據進行線性化處理， 將數字化電壓信號轉化成為對應的十進制濃度值；最后，將實際可燃性氣 體濃度送入液晶，并判斷濃度值是否超出報警限，當濃度處于正常狀態(tài)綠 燈長亮，當煙霧濃度超出設定的限定值時，發(fā)出聲音報警并伴隨紅 燈閃亮。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。為提高響應時間，保證傳感器準確地、 穩(wěn)定地工作，報警器需要向煙霧傳感器持續(xù)輸出一個 5V的 電壓。為了保 證其可靠性，在輸出 5V 的電壓的同時，進行故障監(jiān)測。當傳感器加熱絲 或電纜線和傳感器斷線或接觸不良時，進行故障報警，發(fā)出聲光報警信號。 當然幾種狀態(tài)的報警信號是各不相同的。 為適應家庭和工業(yè)等場所對可燃性易爆煙霧安全性要求，設計的可燃性煙霧報警儀應不僅能在較寬的溫度范圍工作，而且應具有顯示可燃煙霧濃度、故障自檢、延時報警功能及可接計算機進行現場遠測和實時控制等功能。其目標是在傳統(tǒng)的煙霧報警儀的基礎上，盡量提高準確性，降低成本，縮小體積。 報警器系統(tǒng)結構框圖如 圖 所示，系統(tǒng)以單片機為核心，配合外圍電路共同完成信號采集、濃度顯示、時間顯示、狀態(tài)顯示、聲音及閃爍報警、按鍵輸入、故障自檢等功能。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。系統(tǒng)應采用高性能的單片機，要求工作穩(wěn)定、測量精度高、通用性強、功耗低，保證報警器的精確性及可 靠性，而且最好體積小，成本低，有利于減少報警器的體積，降低報警器 的成本。 圖 可燃性氣體檢測報警器結構框圖 (1)自診斷故障報警功能 當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，報警器發(fā)出警報，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，及時排除故障，保證安全。 (2)煙霧濃度顯示 通過液晶屏顯示可燃煙霧的濃度值，并且可以切換到設置狀態(tài)，通過鍵盤設置或者更改報警限值，以便于用戶或檢測人員隨時觀測煙霧濃度及更改報警限。 (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。因為人對變化的信號更為敏 感，所以變化的聲音及燈光更容易引起用戶的注意。 (4)防止報警器誤報功能 快速 重復檢測及延時報警可以區(qū)別出是管道中可燃煙霧的泄漏，還是由于打開閥門時的微量煙霧的散失。 (5)看門狗自檢單片機狀態(tài)功能 調用單片機中的看門狗程序，定時檢查單片機工作狀態(tài)，一旦發(fā)現單片機出現死循環(huán)狀態(tài)，立即復位，保證報警器工作正常。 (6)與上位機通訊功能 可以實現與計算機串口通訊，對報警器采取統(tǒng)一控制，以及便于采集 和處理數據，也可以在計算機上更改報警限值等。 (7)自動控制相關安全裝置的擴展功能 留有繼電器接口，可以帶動排風扇或大功率蜂鳴器，也可以控制管道電子閥門，可在報警的同時自動啟動相關 安全裝置。 (1) 傳感器類型：半導體電阻式 (2) 檢測范圍： 0~100%LEL (3) 報警準確度 :：177。 5%LEL (4) 報警點設置：達到 20%LEL開始報警 (5) 報警器工作方式：現場固定安裝，自然擴散進行采樣，長年連續(xù)運行 (6) 工作環(huán)境溫度：檢測器 50176。 C~50176。 C；報警器 0176。C~500176。 C (7) 工作環(huán)境濕度：≤ 85%RH (8) 報警方式：煙霧泄漏聲光報警、自診斷故障報警 (9) 指示方式：數字顯示，可顯示被測煙霧 LEL%及設定報警限值 (10)響應時間：≤ 30S (11) 輸出信號：可輸出與煙霧濃度對應的 0~5V DC標準信號 (11) 工作電壓： AC220V177。 15%， 50177。 lHz (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。 本章主要闡述了煙霧報警儀的設計方案，即傳感器的選型和報警器的設計。傳感器從種類、選定、工作原理、基本特性四個方面分別敘述。 根據本設計要求及使用環(huán)境、成本等因素選用的 MQ2 型半導體電阻式煙霧敏感器件。并且從結構、功能、技 術指 標三方面對報警器進行了詳細地論述，使其在較寬的溫度范圍工作，用于檢測空氣中煙霧或可燃性液體蒸汽的濃度。 該報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，當空氣中的煙霧或可燃性液體蒸汽的濃度達到一定濃度時， 則啟動快速重復檢測和延時報警，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生的可燃煙霧的微量散失，防止誤報。若判斷是 煙霧泄漏，則發(fā)出聲、光報警信號，也可在報警的同時自動驅動相 關安全裝置而且具有故障自診斷功能。此系統(tǒng)還可接計算機進行現場實時控制。 第三章 煙霧檢測報警器的硬件設計 在報 警儀的設計中，單片機是其核心部件。它一方面要接收來自傳感 器送來的煙霧濃度對應的模擬信號和故障檢測信號，另一方面要對 兩種信號分別進行處理，控制后續(xù)電路進行相應動作；與此同時查詢是否 有鍵按下的請求。在單片機完成這些的工作中，尤其是信號處理中，比較 濃度值后送入顯示的軟件實現比較復雜，要求單片機具備較快的運算速 度，使檢測人員能夠較準確地觀測到煙霧濃度，并根據情況做進行 相應處理。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。根據多方面的比較，本設計選用宏晶科技生產的 STC12 系列單 片機。 單片機是煙霧檢測報警器的核心部件，一方面它要接收來自傳 感器的煙霧濃度的模擬信號和故障檢測信號，另一方面要對兩種信 號分別進行處理，控制后續(xù)電路的相應工作；同時，查詢是否有鍵按下的 命令。在單片機實現的功能中，將模數轉換后的信號做數字濾波，再進行 線性化處理，然后送 LCD 顯示，這一過程的軟件實現，需要單片機有較 快的運算速度，使儀表監(jiān)測人員能夠觀測到實時的煙霧濃度，并進 行相應處理。同時，在能夠滿足報警器設計的計算速度及接口數的要求的 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。 如今市面上比較普遍的單片機有 8051系列與 STC 系列。 8051 單片機雖然應用普遍，工具多，易上手，片源廣，價格低，但 是速度慢，功耗大，適合民用，商用，不適合工業(yè)用途。 STC單片機是 MICROCHIP 公司的產品，其突出的特點是功耗低， 精簡指令集 ，抗干擾性好，可靠性高，但是存在溢出隱患問題。 8051系 列采用的是堆棧指針， STC采用硬件堆棧 8級。當堆棧指針設定合理，局部變量少的情況 下， 8051 系列用 10 層的程序嵌套不會出現問題。而 STC單片機程序嵌套包括中斷最多不能超過 8層。所以如果用 C 語言進行 STC編程設計容易堆棧溢出。 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。而 C 語言是一種結構化的高級語言，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算機語言。鑒于 C語言的易讀性和普遍性，本論文的軟件設計選擇 C語言編程，所以 STC系列單片機在此處不是非常適合。 為適用于本論文設計的煙霧檢測報警器，應選擇一種比 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。 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。而且 STC12系列下屬的 STC12C54xxAD 系 列單片機是低功耗 Flash 單片機，它的高效尋址方式、大容量 Flash、 EEPROM、 A/D 轉換、硬件乘法器、硬件脈寬調制器 (PWM)等功能特點， 較好的實現了強大的功能與超低功耗的結合。而且在功能同樣的情況下， 管腳較少封裝體積小，價格比其他型號便宜， 因此具有很好的性價比和應 用適應性。 STC12C54xxAD 系列單片機有 6 種型號：分別是STC12C5412AD 、 STC12C5410AD 、 STC12C5408AD 、STC12C5406AD、 STC12C5404AD、 和 STC12C5402AD。 它們是以單片機內部集成 Flash 的大小區(qū)分的。在價格相同的情況下，盡量選擇 Flash 較大的芯片，所以選擇了 STC12C5410AD單片機作為本論文設計的煙霧報警器的單片機核 心芯片。它體積小，價格低，非常適用于本設計，下面介紹 STC12C5410AD的自身 特點。 STC12C5410AD 單片機的特點 STC12C5410AD單片機較以往的單片機提高了工作效率，使系統(tǒng)的可 靠性、抗干擾能力得到了顯著改善，而且進一步小型化和便攜化。其 內部集成的 Flash 幾乎擁有現代追求個性化的用戶所需要的掉電后數據不 丟失、快速的數據存取時間、電可擦除、容量大、在線可編程、足夠多的 擦寫次數、價格低廉和高可靠性等所有優(yōu)點。 STC12C5410AD單片機的管 腳結構如圖 所示。 圖 STC12C5410AD單片機管腳圖 STC12C5410AD單片機具有以下特點： (1) Flash 存儲器 STC12C5410AD Flash 存儲器為 10KB。 Flash 存儲器主要用作程序存 儲，可經計算機串口接口下載程序；程序運行時能對其中的 1段或多段進 行擦、寫操作，因此兼有數據存儲器功能。 Flash存儲器的掉電保護功能 可用于程序數據保存，可以按字或字節(jié)讀寫，最小擦除單位為 1 段，經過 擦除的位為“ 1”，寫入位為“ 0”。 (2)脈寬調節(jié)模式 (PWM) 所有 PCA 模塊都可用作 PMW 輸出。輸出頻率取決于 PCA定時器的 時鐘源。由于所有模塊共用僅有的 PCA 定時器，所有它們的輸出頻率相 同。各個模塊的輸出占空比是獨立變化的，與使用的捕獲寄存器 {EPCnL， CCAPnL}有關。當 CL SFR的值小于 {EPCnL， CCAPnL}時，輸出為低， 當 PCACL SFR 的值等于或大于 {EPCnL， CCAPnL}時，輸出為高。當 CL的值由 FF 變?yōu)?0溢出時， {EPCnH， CCAPnH}的內容裝載到 {EPCnL， CCAPnL}中。這樣就可實現無干擾地更新 PWM。要使能 PWM模式，模 塊CCAPMn 寄存器的 PWMn 和 ECOMn 位必須置位。 (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。 4 種類型分別為：準雙向口 (標準 8051輸出模式 )、推挽輸出、僅為輸入 (高阻 )和開漏輸出功能。在對同一個 I/O 口進行操作前要選擇其要實現的功能，這樣大大地增強