【文章內(nèi)容簡介】 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對滑動變阻器輸出電壓的影響。 聲音報警電路 圖32 聲音報警電路圖聲音報警電路圖如上圖32所示。報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，適用于家用煤氣報警器的報警聲音源。當單片機STC12C5412AD的17腳()置1時，三極管Q1導通，蜂鳴器報警。本報警器采用單片機STC12C5412AD的PWM功能，如果煙霧濃度達到報警限，(PWM)口輸出占空比一定的脈沖[11]，報警時蜂鳴器會發(fā)出如警車警笛的聲音。 數(shù)碼管顯示電路 報警器濃度顯示采用共陽極數(shù)碼管顯示濃度級別，其主要技術參數(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：反射式正顯示存儲溫度：20—+60176。C接口方式：8線并行接口 圖33 數(shù)碼管結(jié)構圖 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警限值，提醒用戶盡快作相應安全措施[15]。 圖34 狀態(tài)指示燈電路圖圖35 控制按鍵連接示意圖當煙霧濃度超過報警限，報警器發(fā)出鳴叫，用戶到達現(xiàn)場，可按下按鍵停止報警器鳴叫。若過一點時間濃度仍超出報警限，報警器會再次鳴叫提醒用戶。 報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)一個電阻R6。當傳感器正常連接時，電阻和傳感器分壓，此時電阻兩端有微弱的電壓，(AD)口檢測到[9]；如果傳感器電源連接不正常，則會產(chǎn)生斷路，檢測到電阻兩端電壓為0。圖36 傳感器電源連接自診斷電路(2)判斷傳感器信號端連接情況 另一種情況是判斷傳感器信號端是否連接正確，此時不需要外加電路，在傳感器預熱2分鐘后，測量傳感器信號的輸出電壓，如果電壓為5V，則說明傳感器的信號端連接不正常。 當報警器自診斷發(fā)現(xiàn)傳感器連接不正常，就會發(fā)出長鳴聲音警報，并伴隨黃燈閃爍，提醒用戶及時排除傳感器連接問題。 4 煙霧檢測報警器的軟件設計 STC12系列單片機調(diào)試及開發(fā)工具 本系統(tǒng)的軟件編程使用的是美國Keil Software公司出品的Keil C51，是51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（μVision）將這些部分組合在一起。作為高級語言，在開發(fā)大型軟件時，它更能體現(xiàn)出優(yōu)勢。C51工具包的整體結(jié)構中，μVision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文件(.OBJ)。目標文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經(jīng)C51連接定位生成絕對目標文件(.ABS)。ABS文件由OH51轉(zhuǎn)換成標準的Hex文件，以供調(diào)試器dScope51或tScope51使用進行源代碼級調(diào)試，也可由仿真器使用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。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STC12C5412AD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，在程序中設置斷點，在STC12C5412AD中，可以同時設置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。用戶還可以通過調(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)。 煙霧檢測報警器軟件流程及設計 本論文中，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，按鍵功能設置，以及報警器聲光警報。 主程序設計及流程圖 主程序流程圖如圖41所示。首先要給傳感器預熱三分鐘，因為MQ2型半導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，需要一段時間預熱[13]。程序初始化結(jié)束后，系統(tǒng)進入監(jiān)控狀態(tài)。本論文的主程序設計先對傳感器預熱三分鐘，預熱同時，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。 程序初始化傳感器預熱并故障檢測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警限濃度顯示設置指示燈狀態(tài)進入報警限設置模式Y(jié)進入報警處理程序NYN開始圖41 主程序流程圖STC12C5412AD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置，中斷子程序等，使報警器功能更加完善，給用戶帶來便利。 主程序初始化流程圖開始設定定時初值50ms設置定時器0，選擇方式1打開定時器0中斷允許關閉蜂鳴器打開綠燈是否保存報警初值設定初值返回NY、Y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)的設定、寄存器初始化、中斷使能等。首先設定定時初值50ms，利用IAP寫入EEPROM，作為取值間隔。然后設置定時器0，選擇方式1。方式1狀態(tài)下定時器的工作寄存器THTL1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，關閉蜂鳴器，開啟綠燈，設置報警限初值。 中位值平均濾波法數(shù)字濾波子程序設計及流程圖 開始設置采樣次數(shù)N=10調(diào)用A/D采樣已采樣10次將10個采樣值排序求第二個到第九個采樣值的累加和sumsum除以8求平均值送入寄存器YN圖43 中位值平均濾波法程序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。在實際使用中，N能取任何值，而為了加快測量時的計算速度，本論文數(shù)字濾波的設計中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上圖43所示。 插值法線性化處理子程序設計及流程圖 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系輸出曲線，用來作為使用過程中的計量依據(jù)。但在標定時輸出的曲線常常不是一條理想直線，因此要對標定的曲線進行線性化處理，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。此報警器主要是對甲烷煙霧檢測，故軟件線性化處理時，則以傳感器對甲烷的響應曲線為根據(jù)。 圖44 單片機采集電壓值與煙霧濃度百分比線性化曲線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44為單片機采集電壓值與煙霧濃度百分比的對應曲線，可以看出，電壓值與煙霧濃度之間是非線性的關系。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[12]。然后，使用分段線性插值法可以算出輸入單片機的某一電壓值對應的煙霧濃度，根據(jù)算出的煙霧濃度對測控系統(tǒng)進行標定。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的某一電壓值對應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）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的電壓值，xi是區(qū)間的下限濃度對應電壓值，xi+1是區(qū)間的上限濃度對應電壓值，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設計分段插值法線性化程序流程圖如上圖45所示。 控制按鍵設計子程序及流程圖本報警器設計附加一個按鍵，功能分別為：確定(消音)。按鍵處理子程序流程圖如圖46所示。開始掃描鍵值是否有鍵按下延時10ms去抖動是否有鍵按下提取鍵值調(diào)用鍵盤處理子程序結(jié)束NNYY圖46 按鍵處理子程序流程圖 報警子程序設計及流程圖 開始讀取處理后的煙霧濃度值是否大于20%延遲20秒后采集一組濃度數(shù)據(jù)是否大于20%傳感器故障自診斷傳感器有問題啟動燃氣泄漏報警消音鍵是否按下返回上電狀態(tài)啟動報警故障返回監(jiān)控狀態(tài)YNNYNYYN圖47 報警子程序流程圖當煙霧濃度超過報警設定值時，報警器發(fā)出一種近似警笛的鳴叫聲，對應通道的紅燈閃亮，以提示操作人員采取安全對策或自動控制相關安全裝置，從而保障生產(chǎn)安全，避免火災和爆炸事故的發(fā)生。為防止誤報，在程序設計上，對煙霧濃度進行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47所示。5 實驗檢定及誤差分析 煙霧檢測報警器檢定 爆炸下限(LEL)概念介紹 本論文設計的煙霧檢測報警器選用“%LEL”作為煙霧的測量單位及衡量標準，下面介紹關于LEL的相關概念。 “LEL”是指爆炸下限。可燃煙霧在空氣中遇明火種爆炸的最低濃度，稱為爆炸下限(Lower Explosion Limited)，簡稱LEL。可燃煙霧在空氣中遇明火種爆炸的最高濃度，稱為爆炸上限(Upper Explosion Limited), 簡稱UEL。 煙霧的濃度過低或者過高時沒有危險，只有和空氣混合時形成混合氣或者確切一點說遇到氧氣而形成一定比例的混合氣時才可能發(fā)生燃燒或爆炸。燃燒是兼有發(fā)光和發(fā)熱的劇烈氧化反應，它需具備3個要素：可燃物（燃氣）；助燃物（氧氣）；點火源（溫度）?？扇細馊紵梢苑譃閮煞N：一種是擴散燃燒，即揮發(fā)的或者從設備里噴出或泄漏的可燃氣，遇點火源時混合燃燒；另一種燃燒，則是可燃氣和空氣混合遇火燃燒，這類燃燒反應劇烈且速度快，一般會產(chǎn)生巨大的壓力和聲響，又稱之為爆炸。其實，燃燒與爆炸并沒有嚴格的區(qū)分。 有些權威部門和專家已經(jīng)對目前發(fā)現(xiàn)的可燃氣作了燃燒爆炸分析，制定出了煙霧爆炸的極限，它分為爆炸下限和爆炸上限。低于爆炸下限的，混合氣中含的可燃氣的量不足，不能發(fā)生燃燒或爆炸，高于上限的混合氣中氧氣的含量不夠，也不能發(fā)生燃燒或爆炸。另外，可燃氣的燃燒與爆炸還與煙霧的壓力、溫度、點火能量等因素有關。爆炸極限一般用體積百分比濃度表示。 爆炸極限是爆炸下限、爆炸上限的總稱，可燃煙霧在空氣中的濃度只有在爆炸下限、爆炸上限之間才會發(fā)生爆炸。低于爆炸下限或高于爆炸上限都不會發(fā)生爆炸。因此，在進行爆炸測量時，報警濃度一般設定在爆炸下限的25%LEL以下。一般可燃煙霧檢測儀的測量范圍為0~100%LEL。甲烷在空氣濃度為9%11%時遇明火爆炸,高于11%或低于9%都不爆炸。假定甲烷的爆炸下限為5%體積比，那也就是說，把這個5%體積比一百等分，讓5%體積比對應100%LEL，也就是說，當檢測儀數(shù)值到達10%LEL報警點時，%體積比。當檢測儀數(shù)值到達20%LEL報警點時，相當于此時甲烷的含量為1%體積比。 本設計中設定甲烷的爆炸下限為10%體積比，對應的報警限設在20%LEL，也就是甲烷含量為2%體積比時報警器報警。 實驗數(shù)據(jù)分析 因為家用煤氣中主要成分為甲烷，所以本實驗在煙霧標定時，選用甲烷煙霧。實際甲烷煙霧與進入到單片機輸入端的電壓值對應數(shù)據(jù)如表51所示。表51實際甲烷煙霧與送入單片機的電壓值對應數(shù)據(jù)濃度（%）電壓（V）0102030405060