【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 輸入端，同時(shí)，反相輸入端通過電阻 R3接到參考電壓 Vref。 同相比例運(yùn)算電路中反饋的組態(tài)為電壓串聯(lián)負(fù)反饋，同樣可以利用理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的兩個(gè)特點(diǎn)來分析其電壓放大倍數(shù)。在圖 31 中，根據(jù)運(yùn)放的“虛本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 12 短”和“虛斷”的特點(diǎn)可知， I = I+ = 0， 所以 V = Vo * R3/（ R3 + R4） +Vref * R4/R3 + R4 而且 V = V+ = Vi Vo = Vi *（ R3 + R4） /R3 由以上兩式可求出 Vo=Vref R4/R3 所以本放大電路的放大倍數(shù) A =1+ R4/R3 ，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。 圖 31 前置放大電路 圖 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。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。 (2)電壓放大倍數(shù) A =1+ R4/R3 ，即輸出電壓與輸入電壓的幅值成正比，且相位相同，所以此電路實(shí)現(xiàn)了同相比例放大。如果不接 R3和 R4，則此電路就成了“電本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 13 壓跟隨器”，它可以減少電路模塊間由于阻抗引起的干擾。 (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。高輸入阻抗就可以減少放大電路對(duì)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)。此放大電路還加了參考電壓，引入了零點(diǎn)調(diào)節(jié)功能，這樣可以更方便的調(diào)整由于不同傳感器導(dǎo)致的零點(diǎn)變化問題。它利用滑動(dòng)變阻器產(chǎn)生一個(gè)參考電壓 Vref，再利用電壓跟隨器把電壓輸入到運(yùn)算放大電路的電壓參考端。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。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(duì)滑動(dòng)變阻器輸出電壓的影響。 聲音報(bào)警電路 圖 32 聲音報(bào)警電 路圖 聲音報(bào)警電路圖如 上 圖 32 所示。報(bào)警裝置采用無源壓電式 KM3712x 型蜂鳴器，較一般的蜂鳴器體積大，聲音響亮，適用于家用煤氣報(bào)警器的報(bào)警聲音源。當(dāng)單片機(jī) STC12C5412AD 的 17 腳 ()置 1時(shí)，三極管 Q1導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警。本本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 14 報(bào)警器采用單片機(jī) STC12C5412AD 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 [11]，報(bào)警時(shí)蜂鳴器會(huì)發(fā)出如警車警笛的聲音。 數(shù)碼管顯示電路 報(bào)警器濃度顯示采用共陽(yáng) 極 數(shù)碼管 顯示濃度級(jí)別，其主要技術(shù)參數(shù)如下： 模塊工作電壓： 工作電流： 80mA,每段 10mA 字高： 環(huán)境相對(duì)濕度： 85％ 視角： 6:00 工作溫度： 10— +50176。 C 顯示方式：反射式正顯示存儲(chǔ)溫度： 20— +60176。 C 接口方式： 8線并行接口 圖 33 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)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 3圖 35 所示。單片機(jī) STC12C5412AD 的18腳 ()、 12腳 ()、 13腳 ()，控制輸出的狀態(tài)指示燈。綠燈常亮表示本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 15 正常狀態(tài)，環(huán)境中可燃 煙霧濃度極低。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。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 [15]。 圖 34 狀態(tài)指示燈電路圖 圖 35 控制按鍵連接示意圖 當(dāng)煙霧濃度超過報(bào)警限，報(bào)警器發(fā)出鳴叫，用戶到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，可按下按鍵停止報(bào)警器鳴叫。若過一點(diǎn)時(shí)間濃度仍超出報(bào)警限，報(bào)警器會(huì)再次鳴叫提醒用戶。 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。當(dāng)傳感器正常連接時(shí)，電阻和傳感器分壓，本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 16 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(cè)到 [9]；如果傳感器電源連接不正常，則會(huì)產(chǎn)生斷路，檢測(cè)到電阻兩端電壓為 0。 圖 36 傳感器電源連接自診斷電路 (2)判斷傳感器信號(hào)端連接情況 另一種情況是判斷傳感器信號(hào)端是否連接正確，此時(shí)不需要外加電路，在傳感器預(yù)熱 2 分鐘后，測(cè)量傳感器信號(hào)的輸出電壓，如果電壓為 5V，則說明傳感器的信號(hào)端連接不正常。 當(dāng)報(bào)警器自診斷發(fā)現(xiàn)傳感器連接不正常，就會(huì)發(fā)出長(zhǎng)鳴聲音警報(bào)，并伴隨黃燈閃爍，提醒用戶及時(shí)排除傳感器連接問 題。 4 煙霧檢測(cè)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 本系統(tǒng)的軟件編程使用的是美國(guó) Keil Software 公司出品的 Keil C51，是 51系列兼容單片機(jī) C 語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)。 Keil 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（ μ Vision）將這些部分組合在一起。 作為高級(jí)語(yǔ)言，在開發(fā)大型軟件時(shí)，它更能體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 17 C51 工具包的整體結(jié)構(gòu)中，μ Vision 與 Ishell 分別是 C51 for Windows 和 for Dos 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。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。然后分別由 C51及 A51 編譯器編譯生成目標(biāo)文件 (.OBJ)。目標(biāo)文件可由 LIB51 創(chuàng)建生成庫(kù)文件，也可以與庫(kù)文件一起經(jīng) C51 連接定位生成絕對(duì)目標(biāo)文件 (.ABS)。 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(jí)調(diào)試，也可由仿真器使用直接對(duì)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。 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。本論文程序調(diào)試過程中，使用的是 版。 ISP 工具的功能主要是將由 PC 機(jī)串接來的 8 位并行數(shù)據(jù)與單片機(jī)的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn) PC 機(jī)與 STC12C5412AD 的 RXD 及 TXD 口通訊。 當(dāng)用戶將源程序 (匯編語(yǔ)言或 C語(yǔ)言 )經(jīng)語(yǔ)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，而用戶的系統(tǒng)可以是在線狀態(tài)。 用戶可以通過調(diào)試環(huán)境軟件的人機(jī)對(duì)話界面，在程序中設(shè)置斷點(diǎn)，在STC12C5412AD 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。 用戶還 可以通過調(diào)試環(huán)境軟件的人機(jī)對(duì)話界面，檢查或修改 Flash 芯片內(nèi)的各種存儲(chǔ)器、寄存器的數(shù)據(jù) 。 煙霧檢測(cè)報(bào)警器軟件流程及設(shè)計(jì) 本論文中，軟件解決的主要問題是檢測(cè)煙霧傳感器的煙霧濃度信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字濾波，線性化處理，段式液晶濃度顯示，按鍵功能設(shè)置，以及報(bào)警器聲光警報(bào)。 主程序設(shè)計(jì)及流程圖 主程序流程圖如圖 41所示。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 [13]。程序初始化結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 18 本論文的主程序設(shè)計(jì)先對(duì)傳感器預(yù)熱三分鐘，預(yù)熱同時(shí)，對(duì)傳感器加熱絲故障檢測(cè)，采用軟件方式檢測(cè)傳感器加熱絲或電纜線是否斷線或者接觸不良。 圖 41 主程序流程圖 STC12C5412AD 單片機(jī)對(duì)傳感器檢測(cè)的煙霧濃度信號(hào)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換、平均值法程序初始化 傳感器預(yù)熱 并故障檢測(cè) 鍵盤掃描 及鍵值處理 是否按下模式切換 A/D 轉(zhuǎn)換 平均值法濾波 線性化處理 是否超過報(bào)警限 濃度 顯示 設(shè)置指示燈狀態(tài) 進(jìn)入報(bào)警限設(shè)置模式 Y 進(jìn)入報(bào)警處理程序 N Y N 開始 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 19 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。同時(shí)送入段式液晶顯示煙霧濃度值。主程序 還包括狀態(tài)指示燈及按鍵功能設(shè)置，中斷子程序等，使報(bào)警器功能更加完善，給用戶帶來便利。 主程序初始化流程圖 圖 42 主程序初始化流程圖 主程序初始化流程圖如 上 圖 42 所示。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。首先設(shè)定定時(shí)初值 50ms，利用 IAP 寫入 EEPROM，作為取值間隔。然后設(shè)置定時(shí)器 0，選擇方式 1。方式 1 狀態(tài)下定時(shí)器的工作寄存器 TH TL1 是全 16 位參與操作。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，開始 設(shè)定定時(shí)初值 50ms 設(shè)置定時(shí)器 0，選擇方式 1 打開定時(shí)器 0 中斷允許 關(guān)閉蜂鳴器 打開綠燈 是否保存報(bào)警初值 設(shè)定初值 返回 N Y、Y 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 20 開啟綠燈，設(shè)置報(bào)警限初值。 中位值平均濾波法數(shù)字濾波子程序設(shè)計(jì)及流程圖 圖 43 中位值平均濾波法程序流程圖 在煙霧傳感器對(duì)煙霧濃度采樣時(shí)，可能會(huì)遇到尖脈沖干擾的現(xiàn)象。干擾通常只影響個(gè)別采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)與其他采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)相差比較大。如果采用一般的平均值法， 則干擾將“平均”到計(jì)算結(jié)果上去，故平均值法不易消除由于脈沖干擾 引起的煙霧濃度采樣值的偏差。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(duì) 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。這種方法既可濾去脈沖干擾又可濾去開始 設(shè)置采樣次數(shù) N=10 調(diào)用 A/D 采樣 已采樣 10 次 將 10 個(gè)采樣值排序 求第二個(gè)到第九個(gè)采樣值的累加和 sum sum 除以 8求平均值 送入寄存器 Y N 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 21 小的隨機(jī)干擾。保證報(bào)警器檢測(cè)煙霧濃度的準(zhǔn)確性，減小誤報(bào)、錯(cuò)報(bào)的可能。 在實(shí)際 使 用中， N能取任何值，而 為了加快測(cè)量 時(shí)的 計(jì)算速度，本論文數(shù)字濾波的設(shè)計(jì)中 N取 10。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。中位值平均濾波法的程序流程圖如 上 圖 43所示。 插值法線性化處理子程序設(shè)計(jì)及 流程圖 在單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，使用之前必須進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，以得到輸出信號(hào)與被測(cè)信號(hào)的關(guān)系輸出曲線，用來作為使用過程中的計(jì)量 依據(jù)。但在 標(biāo)定時(shí)輸出 的曲線常常不是一條理想直線，因此 要對(duì)標(biāo)定 的 曲線進(jìn)行線性化處理， 使 用一條擬合 的直線 來 近似 替代 輸出 的 曲線， 而 線性化 則是智能儀表的功能之一。此報(bào)警器主要是對(duì)甲烷煙霧檢測(cè)，故 軟件線性化處理時(shí)， 則以傳感器對(duì)甲烷的響應(yīng)曲線為根據(jù) 。 圖 44 單片機(jī)采集電壓值與煙霧濃度百分比線性化曲線 本論文報(bào)警器使用的 MQ2型傳感器的電阻是隨著煙霧濃的升高而降低的，因此輸入單片機(jī)的電壓也是 隨之降低的。圖 44 為單片機(jī)采集電壓值與煙霧濃度百分比的對(duì)應(yīng)曲線，可以看出，電壓值與煙霧濃度之間是非線性的關(guān)系，為了實(shí)時(shí)顯示煙霧濃度 .需要對(duì)其進(jìn)行線性化處理。 在誤差許可范圍內(nèi)，根據(jù)標(biāo)定曲線形狀，以及單片機(jī)處理能力，把曲線分成若干小段，對(duì)每小段分別線性化 [12]。 然后，使用分段 線性插值法 可以算出 輸入單片機(jī)的某一電壓值對(duì)應(yīng)的煙霧濃度 ，根據(jù)算出的煙霧濃度對(duì)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 22 圖 45 分段插值法線形化程序流程圖 根據(jù)分段線性插值法求輸入單片機(jī)的某一 電壓值對(duì)應(yīng)的煙霧濃度的公式如下： f(x) = f(xi) + (xxi)*（ f(xi+1)f(xi)） /（ xi+1xi） i=1,2,3…N （ 41） 開始 讀取濾波后電壓值 查表法確定 x所在電壓區(qū)間 求電壓值 x與所在區(qū)間下限的差 xm=xxi 求 x所在區(qū)間的上下限濃度值的差 z=f(xi+1)f(x) 求上下限電壓值的差 xd=xi+1xi 求 z 與 xd 的比 K=z/xd 求出 K 與 x的積 S=Kxm 求出 f(x)=f(xi)+S 送入液晶顯示 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 23 式中 N 為所分區(qū)間個(gè)數(shù)， f(x)為實(shí)際煙霧檢測(cè)濃度， x 為實(shí)際氣體檢測(cè)濃度對(duì)應(yīng)的電壓值， xi是區(qū)間的下限濃度對(duì)應(yīng)電壓值， xi+1是區(qū)間的上限濃度對(duì)應(yīng)電壓值，f(xi)為區(qū)間下限煙霧濃度值， f(xi+1)為區(qū)間上限煙霧濃度值 [14]。 根據(jù)公式 41 設(shè)計(jì)分段插值法線性化程序流程圖如 上 圖 45所示。 控制按鍵設(shè)計(jì)子程序及流程圖 本報(bào)警器設(shè)計(jì)附加一個(gè)按鍵，功能分別為：確定 (消音 )。按鍵處理子程序流程圖如圖 46所示。 圖 46 按鍵 處理子程序 流程圖 開始