【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電壓跟隨器的作用就如上面介紹的，它只是用來(lái)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(wú)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，(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(chē)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(xiàn)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(xiàn)或者接觸不良。紅燈閃亮表示環(huán)境中可燃煙霧濃度超過(guò)報(bào)警限值，提醒用戶(hù)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(guò)報(bào)警限，報(bào)警器發(fā)出鳴叫，用戶(hù)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，可按下按鍵停止報(bào)警器鳴叫。若過(guò)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(hù)。 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，此時(shí)電阻兩端有微弱的電壓，(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(shuō)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(hù)及時(shí)排除傳感器連接問(wèn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（μVision）將這些部分組合在一起。作為高級(jí)語(yǔ)言，在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)，它更能體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。C51工具包的整體結(jié)構(gòu)中，μVision與Ishell分別是C51 for Windows和for Dos的集成開(kāi)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(kāi)發(fā)流程。開(kāi)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(xiě)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(kāi)發(fā)的STC單片機(jī)ISP下載編程軟件。本論文程序調(diào)試過(guò)程中。ISP工具的功能主要是將由PC機(jī)串接來(lái)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(hù)將源程序(匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言)經(jīng)語(yǔ)法檢查無(wú)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(hù)的系統(tǒng)可以是在線(xiàn)狀態(tài)。用戶(hù)可以通過(guò)調(diào)試環(huán)境軟件的人機(jī)對(duì)話(huà)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(guò)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(hù)還可以通過(guò)調(diào)試環(huán)境軟件的人機(jī)對(duì)話(huà)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(wèn)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(xiàn)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)镸Q2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(xiàn)是否斷線(xiàn)或者接觸不良。 程序初始化傳感器預(yù)熱并故障檢測(cè)鍵盤(pán)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(xiàn)性化處理是否超過(guò)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(jié)進(jìn)入報(bào)警處理程序NYN開(kāi)始圖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、平均值法濾波、線(xiàn)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(hù)帶來(lái)便利。 主程序初始化流程圖開(kāi)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(kāi)定時(shí)器0中斷允許關(guān)閉蜂鳴器打開(kāi)綠燈是否保存報(bào)警初值設(shè)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(yù)熱后，程序開(kāi)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(xiě)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THTL1是全16位參與操作。接下來(lái)定時(shí)器0中斷允許位置1，打開(kāi)定時(shí)器0，關(guān)閉蜂鳴器，開(kāi)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 開(kāi)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(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(chēng)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(xiàn)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(xiàn)，用來(lái)作為使用過(guò)程中的計(jì)量依據(jù)。但在標(biāo)定時(shí)輸出的曲線(xiàn)常常不是一條理想直線(xiàn)，因此要對(duì)標(biāo)定的曲線(xiàn)進(jìn)行線(xiàn)性化處理，使用一條擬合的直線(xiàn)來(lái)近似替代輸出的曲線(xiàn)，而線(xiàn)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(xiàn)性化處理時(shí)，則以傳感器對(duì)甲烷的響應(yīng)曲線(xiàn)為根據(jù)。 圖44 單片機(jī)采集電壓值與煙霧濃度百分比線(xiàn)性化曲線(xiàn)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(xiàn)，可以看出，電壓值與煙霧濃度之間是非線(xiàn)性的關(guān)系。在誤差許可范圍內(nèi)，根據(jù)標(biāo)定曲線(xiàn)形狀，以及單片機(jī)處理能力，把曲線(xiàn)分成若干小段，對(duì)每小段分別線(xiàn)性化[12]。然后，使用分段線(xiàn)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。開(kāi)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(xiàn)形化程序流程圖根據(jù)分段線(xiàn)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）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(xiàn)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。開(kāi)始掃描鍵值是否有鍵按下延時(shí)10ms去抖動(dòng)是否有鍵按下提取鍵值調(diào)用鍵盤(pán)處理子程序結(jié)束NNYY圖46 按鍵處理子程序流程圖 報(bào)警子程序設(shè)計(jì)及流程圖 開(kāi)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(wèn)題啟動(dòng)燃?xì)庑孤﹫?bào)警消音鍵是否按下返回上電狀態(tài)啟動(dòng)報(bào)警故障返回監(jiān)控狀態(tài)YNNYNYYN圖47 報(bào)警子程序流程圖當(dāng)煙霧濃度超過(guò)報(bào)警設(shè)定值時(shí)，報(bào)警器發(fā)出一種近似警笛的鳴叫聲，對(duì)應(yīng)通道的紅燈閃亮，以提示操作人員采取安全對(duì)策或自動(dòng)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(bào)，在程序設(shè)計(jì)上，對(duì)煙霧濃度進(jìn)行快速重復(fù)檢測(cè)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(kāi)閥門(mén)產(chǎn)生的可燃煙霧的微量散失，防止誤報(bào)。報(bào)警子程序流程圖如圖47所示。5 實(shí)驗(yàn)檢定及誤差分析 煙霧檢測(cè)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(cè)報(bào)警器選用“%LEL”作為煙霧的測(cè)量單位及衡量標(biāo)準(zhǔn)，下面介紹關(guān)于LEL的相關(guān)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(chēng)為爆炸下限(Lower Explosion Limited)，簡(jiǎn)稱(chēng)LEL?？扇紵熿F在空氣中遇明火種爆炸的最高濃度，稱(chēng)為爆炸上限(Upper Explosion Limited), 簡(jiǎn)稱(chēng)UEL。 煙霧的濃度過(guò)低或者過(guò)高時(shí)沒(méi)有危險(xiǎn)，只有和空氣混合時(shí)形成混合氣或者確切一點(diǎn)說(shuō)遇到氧氣而形成一定比例的混合氣時(shí)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(yīng)，它需具備3個(gè)要素：可燃物（燃?xì)猓?；助燃物（氧氣）；點(diǎn)火源（溫度）?？扇?xì)馊紵梢苑譃閮煞N：一種是擴(kuò)散燃燒，即揮發(fā)的或者從設(shè)備里噴出或泄漏的可燃?xì)?，遇點(diǎn)火源時(shí)混合燃燒；另一種燃燒，則是可燃?xì)夂涂諝饣旌嫌龌鹑紵@類(lèi)燃燒反應(yīng)劇烈且速度快，一般會(huì)產(chǎn)生巨大的壓力和聲響，又稱(chēng)之為爆炸。其實(shí)，燃燒與爆炸并沒(méi)有嚴(yán)格的區(qū)分。 有些權(quán)威部門(mén)和專(zhuān)家已經(jīng)對(duì)目前發(fā)現(xiàn)的可燃?xì)庾髁巳紵ǚ治?，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?xì)獾牧坎蛔悖荒馨l(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?xì)獾娜紵c爆炸還與煙霧的壓力、溫度、點(diǎn)火能量等因素有關(guān)。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(chēng)，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(huì)發(fā)生爆炸。低于爆炸下限或高于爆炸上限都不會(huì)發(fā)生爆炸。因此，在進(jìn)行爆炸測(cè)量時(shí)，報(bào)警濃度一般設(shè)定在爆炸下限的25%LEL以下。一般可燃煙霧檢測(cè)儀的測(cè)量范圍為0~100%LEL。甲烷在空氣濃度為9%11%時(shí)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(shuō)，把這個(gè)5%體積比一百等分，讓5%體積比對(duì)應(yīng)100%LEL，也就是說(shuō)，當(dāng)檢測(cè)儀數(shù)值到達(dá)10%LEL報(bào)警點(diǎn)時(shí)，%體積比。當(dāng)檢測(cè)儀數(shù)值到達(dá)20%LEL報(bào)警點(diǎn)時(shí)，相當(dāng)于此時(shí)甲烷的含量為1%體積比。 本設(shè)計(jì)中設(shè)定甲烷的爆炸下限為10%體積比，對(duì)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。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 因?yàn)榧矣妹簹庵兄饕煞譃榧淄?，所以本?shí)驗(yàn)在煙霧標(biāo)定時(shí)，選用甲烷煙霧。實(shí)際甲烷煙霧與進(jìn)入到單片機(jī)輸入端的電壓值對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)如表51所示。表51實(shí)際甲烷煙霧與送入單片機(jī)的電壓值對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)濃度（%）電壓（V）0102030405060