【文章內(nèi)容簡介】 直接對目標板進行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如 EPROM中。 STC12 系列單片機下載程序使用的是宏晶科技自行開發(fā)的 STC 單片機 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機串接來的 8位并行數(shù)據(jù)與單片機的串行數(shù)據(jù)進行相互轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn) PC機與 STC12C5410AD的 RXD及 TXD口通訊。當用戶將源程序 (匯編語言或 C語言 )經(jīng)語法檢查無誤并生成代碼時， 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)境軟件的人機對話界面，在程序中設(shè)置斷點，在 STC12C5410AD中，可以同時設(shè)置 3個硬件斷點，它是經(jīng)過串口的傳輸，由芯片中的幾組斷點條件寄存器實現(xiàn)的。 用戶可以通過調(diào)試環(huán)境軟件的人機對話界面，檢查或修改 Flash芯片內(nèi)的各種存儲器、寄存器的數(shù)據(jù) [9]。 煙霧檢測報警器軟件流程及設(shè)計 在 論文中，軟件解決的主要問題是檢測煙霧傳感器的煙霧濃度信號，然后對信號進行AD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，以及報警器聲光警報。 主程序設(shè)計及流程圖 主程序流程圖如圖 9 所示。首先要給傳感器預(yù)熱三分鐘，因為 MQ2 型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器在不通電存放一段時間后，再次通電時，傳感器不能立即正常采集煙霧信息，需要一段時間預(yù)熱。程序初始化結(jié)束后，系統(tǒng)進入監(jiān)控狀態(tài)。本論文的主程序設(shè)計先對傳感器預(yù)熱三分鐘，預(yù)熱同時，對傳感器加熱絲故障檢測，采用軟件方式檢測傳感器加熱絲或電纜線是否斷線或者接觸不良。 STC12C5410AD單片機對傳感器檢測的煙霧濃 度信號進行 A/D轉(zhuǎn)換、平均值法濾波、線性化處理后，將濃度值與報警限設(shè)定值相比較，判斷是否報警。同時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，使報警器功能更加完善，給用戶帶來便利。 圖 9 主程序流程圖 主程序初始化流程圖 主程序初始化流程圖如圖 10 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。Y 開始 初始化 傳感器預(yù)熱、故障檢測 鍵盤處理 報警限設(shè)置 報警子程序 平均值法濾波 線性化處理 設(shè)置指示燈狀態(tài) Y N 是否按下模式切換 A/D 轉(zhuǎn)換 N 是否超過報警限 濃度顯示 首先設(shè)定定時初值 50ms，利用 IAP寫入 EEPROM，作為取值間隔。然后設(shè)置定時器 0，選擇方式 1。方式 1 狀態(tài)下定時器的工作寄存器 TH TL1 是全 16 位參與操作。接下來定時器0中斷允許位置 1，打開定時器 0，關(guān)閉蜂鳴器，開啟綠燈，設(shè)置報警限初值。 圖 10 主程序初始化流程圖 中位值平均濾波法數(shù)字濾波子程序設(shè)計及流程圖 在煙霧傳感器對煙霧濃度采樣時，可能會遇到尖脈沖干擾的現(xiàn)象。干擾通常只影響個別采樣點的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)與其他采樣點的數(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”到計算結(jié)果上去，故平均值法不易消除由于脈沖干擾而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 N個采樣數(shù)據(jù)進行比較，去掉其中的最大值和最小值，然后計算余下的 N– 2 個數(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小的隨機干擾。保證報警器檢測煙霧濃度的準確性，減小誤報、錯報的可能。 在實際應(yīng)用中， N 可取任何值，但為了加快測量計算速度，本論文數(shù)字濾波的設(shè)計中N 取 10。即調(diào)用 A/D 連續(xù)進行 10 次采樣，去掉其中的最大值和最小值，計算其余 8 個 值的平均值，將這個平均值送入寄存器。中位值平均濾波法的程序流程圖如圖 11所示。 開始 定時器初始化 開中斷 關(guān)閉蜂鳴器，打開綠燈 設(shè)定初值 Y N 是否保持報警初值 返回 圖 11 濾波子程序流程圖 插值法線性化處理子程序設(shè)計及流程圖 在單片機測控系統(tǒng)中，使用之前必須進行靜態(tài)標定，以得到輸出信號與被測信號的關(guān)系輸出曲線，用來作為使用過程中的計量依據(jù)。但是標定時輸出曲線往往不是一條理想的直線，所以要對標定曲線進行線性化處理，用一條擬合直線近似代替輸出曲線，線性化是智能儀表的典型功能之一。該報警器主要針對甲烷煙霧檢測，在軟件線性化處 理時，以傳感器對甲烷的響應(yīng)曲線為依據(jù)。 本論文報警器使用的 MQ2 型傳感器的電阻是隨著煙霧濃的升高而降低的，因此輸入單片機的電壓也是隨之降低的。圖 12為單片機采集電壓值與煙霧濃度百分比的對應(yīng)曲線，開始 設(shè)定采樣次數(shù) 調(diào)用 A/D 采樣 求第二個到第九個采樣值的累加和 將累加和求平均值 送入寄存器 N Y 已達到設(shè)定次數(shù) 將采樣值排序 可以看出，電壓值與煙霧濃度之間是非線性的關(guān)系，為了實時顯示煙霧濃度 .需要對其進行線性化處理。在誤差許可范圍內(nèi)，根據(jù)標定曲線形狀，以及單片機處理能力，把曲線分 成若干小段，對每小段分別線性化。 圖 12 單片機采集電壓值與煙霧濃度百分比線性化曲線 根據(jù)分段線性插值法求輸入單片機的某一電壓值對應(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 (3) 式中， N 為所分區(qū)間個數(shù)， f (x)為實際煙霧檢測濃度， x 為實際氣體檢測濃度對應(yīng)的電壓值， xi是區(qū)間的下限濃度對應(yīng)電壓值， xi 是區(qū)間的上限濃度對應(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。 根據(jù)公式 4設(shè)計分段插值法線性化程序流程圖如圖 13所示。 圖 13 分段插值法線形化程序流程圖 報警子程序設(shè)計及流程圖 當煙霧濃度超過報警設(shè)定值時，報警器發(fā)出一種近似警笛的鳴叫聲，對應(yīng)通道的紅燈閃亮，以提示操作人員采取安全對策或自動控制相關(guān)安全裝置，從而保障生產(chǎn)安全，避免火災(zāi)和爆炸事故的發(fā)生。為防止誤報，在程序設(shè)計上，對煙霧濃度進行快速重復(fù)檢測和延時報警，以區(qū)別出是管道中煙霧的泄漏，還是由于暫短打開閥門產(chǎn)生的可燃煙霧的微量散失，防止誤報。報警子程序流程圖如圖 14所示。 圖 45 分段插值法 分段插值線形化程序流程圖 線形化程序流程圖 開始讀取濾波電壓 X查表并確定 X 所在電壓區(qū)間求電壓值 X 與所在區(qū)間下限差X m= X X i求 X 所在區(qū)間的上下限濃度值的差 Z = f ( X i + 1) f ( X i)求上下限電壓值的差 Xd = X i + 1 X i求 Z 與 Xd 的比 K = Z / X d求出 K 與 X 的和 S = K * X m求出 f ( X )= f ( X i)+ S保存濃度值返回 控制按鍵設(shè)計子程序及流程圖 圖 14 報警子程序流程圖 N Y N Y Y 開始 讀取處理后的氣體 濃度值 延遲 20 秒后采集一組數(shù)據(jù) Y N 是否大于 20% 傳感器故障自診斷 傳感器有問題 返回 啟動故障報警 復(fù)位鍵是否按下 是否大于 20% N 啟動燃氣泄漏報警 本報警器設(shè)計附加一個按鍵，功 能分別為：確定 (消音 )。按鍵處理子程序流程圖如圖 15所示。 圖 15 鍵盤處理子程序流程圖 5 實驗誤差分析 在測量儀器的實際使用中，造成誤差的來源很多，通常是多種誤差源綜合作用的結(jié)果。就本儀器而言，誤差來源主要有軟件和硬件兩個方面。 軟件誤差主要來自以下兩個方面： 開始 掃描鍵值 是否有鍵按下 延時 10ms 消抖 是否有鍵按下 提取鍵值 調(diào)用鍵盤 處理子程序 結(jié)束 N N Y Y Y (1)A/D轉(zhuǎn)換量化誤差 STC12C5410AD單片機的內(nèi)部 A/D轉(zhuǎn)換器為 12 bit，輸入單片機模擬電壓信號 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 ，因此可得 A/D 轉(zhuǎn)換誤差為 %。 (2)數(shù)字濾波過程中的有限字長效應(yīng)在中位值平均濾波法數(shù)字濾波過程中，用到了乘法和除法運算，因此在運算過程中，由于字長有限而不能保留原有數(shù)據(jù)的有效位數(shù)會出現(xiàn)舍入誤差，由于累計計算會造成計算誤差。本儀器使用數(shù)據(jù)的計算全部是由 STC12C5410AD完成的，可以直接執(zhí)行 16 16 bit定點乘法和 32247。 16 bit定點除法運算，所以有限字長造成的誤差對于本系統(tǒng)而言，可以忽略不計。 硬件誤差主要來自以下四個方面： (1)傳感器非線性誤差 本系統(tǒng) 選用 MQ2 型半導(dǎo)體 電阻 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行線性化處理，誤差數(shù)據(jù)參見圖 12。 (2)電子元器件參數(shù)的離散性、溫度不穩(wěn)定性造成的誤差 傳感器輸出信號一般比較微弱，需要過數(shù)據(jù)采集前置電路對其進行放大、濾波、電平調(diào)整，滿足單片機對輸入信號的要求。運放誤差是造成前置放大誤差的主要原因，運放的輸入失調(diào)電壓，輸入失調(diào)電流是影響電路精度的重要因素。本設(shè)計選用高輸入阻抗、低噪聲的放大器，可以滿足要求。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)過仔細調(diào)試以獲得 最佳性能。 (3)電源造成的誤差 雖然系統(tǒng)采用直流電源供電，但電源不可避免地殘留一定的交流成分而形成噪聲信號 .它們對測控系統(tǒng)的正常運行危害很大。本系統(tǒng)選用 ACDC電源模塊，將 220V 市電轉(zhuǎn)化為 5V直流電壓，分別給模擬電路和數(shù)字電路供電。為了盡量減小噪聲，數(shù)字地和模擬地要一點接地，每個芯片的電源就近接退耦電容。 (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。對本系統(tǒng)來說，空氣中的成分對系統(tǒng)的探頭和單片機及其外圍電路影響很小，在進行測量時不用進行補償。但環(huán)境溫度、濕度對傳感 器有一定的影響。但是溫濕度的影響相對于系統(tǒng) 5%LEL的精度要求，可以忽略不計。另外，系統(tǒng)還受到各種外部電磁噪聲的干擾，設(shè)計上，把探測器與控制器之間的信號線用屏蔽電纜連接。在電路板布線時，注意抗干擾設(shè)計。 結(jié) 論 煙霧檢測報警器可保障生產(chǎn)與生活的安全，避免火災(zāi)和爆炸事故以及煤氣中毒的發(fā)生，它是防火、防爆和安全生產(chǎn)所必備的儀器，具有廣闊的市場空間與發(fā)展前景。 本論文在對煙霧傳感器和報警技術(shù)進行深入研究的基礎(chǔ)上，全面比較國內(nèi)外同類產(chǎn)品的技術(shù)特點，合理地確定系統(tǒng)的設(shè)計方案。本論文設(shè)計的煙霧報警器由煙霧信號采集電 路與單片機控制電路兩大部分構(gòu)成。 根據(jù)設(shè)計要求、使用環(huán)境、成本等因素，選用 MQ2 型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器。該傳感器是對以烷類煙霧為主的多種煙霧有良好敏感特性的廣譜型半導(dǎo)體敏感器件。它的靈敏度適中，具有響應(yīng)與恢復(fù)特性好，長期工作穩(wěn)定性、重現(xiàn)性、不易受環(huán)境影響及抗溫濕度影響等優(yōu)點。 在系統(tǒng)單片機控制電路的設(shè)計上，采用了高性能、高整合度的 STC12C5410AD 單片機作為核心芯片，充分利用了其高速數(shù)據(jù)處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)，實現(xiàn)了儀器的小型化和智能化。使儀器具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、體積小、成本低等優(yōu)點。由 于煙霧傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反應(yīng)越快，響應(yīng)時間和恢復(fù)時間就越快。為提高響應(yīng)時伺，保證傳感器準確地、穩(wěn)定地工作，需要向煙霧傳感器持續(xù)供給 5V 的加熱電壓。為了保證傳感器加熱工作的可靠性，當傳感器加熱絲斷線或傳感器接觸不良時，能夠進行故障報警。 煙霧報警器能在較寬的溫度范圍工作，可將煙霧濃度顯示用 LCD顯示。當煙霧的濃度達到設(shè)定的濃度時，發(fā)出聲光報警。還具有故障自診斷功能快速重復(fù)檢測和延時報警功能。報警器還可以與上位機 (PC)進行通信，實時傳輸煙霧濃度檢測數(shù)據(jù)，由上位機記錄保存，也可以利用上位機 完成實現(xiàn)遠程實時檢測和控制等功能。 在本論文研制的報警器的基礎(chǔ)上，可以再做適當?shù)墓δ軘U展，使可燃性煙霧報警器的功能更加完善，安全性更高，使用更加方便等。為了能夠進一步提高安全性，可以在自動聲光報警的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)帶動煙霧管道關(guān)斷等功能。 應(yīng)用程序以 C語言編寫，充分利用芯片資源，提高了測量精度和代碼執(zhí)行效率，減小了代碼容量，采用中位值平均數(shù)字濾波算法對經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行濾波處理。這種方法既可濾去脈沖干擾又可濾去小的隨機干擾，不但最大限度地排除現(xiàn)場噪聲干擾，降低煙霧報警器誤報概率，而且易于在單片機中 實現(xiàn)。 參考文獻 [1]陳連生 . 可燃煙霧探測器及其設(shè)置安裝要領(lǐng) ［ J］ . 石油工程建設(shè) . 1996(1): 23～ 25 [2]張保衛(wèi) , 尚家峰 , 趙金水 . 燃氣