【文章內(nèi)容簡介】 可燃性煙霧的干擾信息，例如酒精和煙霧等 。 (d)電路設(shè)計(jì)電壓范圍寬， 24V 以下均可；加熱電壓 5177。 。 (2) MQ2型傳感器的基本特性 (a) 靈敏度特性 煙霧傳感器在最佳工作條件下，接觸同一種煙霧，其電阻值 RS 隨氣體濃度變化的特性稱之為靈敏度特性，用 K 表示。 K=RS/R0(21)式中， R0 為煙霧傳感器潔凈空氣條件下的電阻值， RS 為煙霧 傳感器在一定濃度的檢測煙霧中的電阻值。雖然對于不同的煙霧，器件靈敏度特性 K的值也會(huì)各有差異，但是它們都遵循同一規(guī)律， logRS=mlogC+n(22) 式中， m為器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(guān)，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(dǎo)體煙霧傳感器在不通電狀態(tài)存放一段時(shí)間后，再通電時(shí)，器件并不能立即投入正常工作。這是因?yàn)闊熿F傳感器中的二氧化錫在不通電的狀態(tài)下 會(huì)吸附空氣中的水蒸氣，當(dāng)再次通電時(shí)需要預(yù)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(shí)氣敏電阻值達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需要的時(shí)間，定義為初期穩(wěn)定時(shí)間。一般情況下，不通電時(shí)間越長，初期穩(wěn)定時(shí)間也越長，當(dāng)不通電存放時(shí)間達(dá)到 15天左右時(shí)，初期穩(wěn)定時(shí)間一般需要 5分鐘左右。 (c) 加熱特性 半導(dǎo)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(dāng)加熱絲局部短路造成器件過熱或放電時(shí)，可能引發(fā)事故。所以必須使用傳感 器生產(chǎn)廠家推薦的加熱電壓，使其工作在較安全的范圍內(nèi)。 MQ2 型煙霧傳感器加熱電壓為 5177。 ，加熱電阻為 31177。 3?。當(dāng)加熱絲斷路時(shí)，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(shí)檢測必出現(xiàn)較大的誤差。為避免出現(xiàn)這種情況，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)氣敏元件的故障，需要設(shè)計(jì)加熱絲故障診斷報(bào)警電路。 (3) MQ2型傳感器的特性參數(shù) (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(yīng)時(shí)間： Tres＜ 10秒 (g)恢復(fù)時(shí)間： Trec＜ 30秒 煙霧檢測報(bào)警器整體設(shè)計(jì)方案 煙霧檢測報(bào)警器工作原理 本論文中的煙霧檢測報(bào)警器以 STC12C5410AD 單片機(jī)為控制核心，采用 MQ2型電阻式半導(dǎo)體傳感器采集煙霧信息。 首先，傳感器送來的煙霧濃度對應(yīng)的微小的電壓信號經(jīng)過放大，轉(zhuǎn)化成較大的電壓信號送入 STC12C5410AD 單片機(jī)；然后，在 STC12C5410AD 單片機(jī)內(nèi) A/D轉(zhuǎn)換 、濃度比較，對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理，將數(shù)字化電壓信號轉(zhuǎn)化成為對應(yīng)的十進(jìn)制濃度值；最后，將實(shí)際可燃性氣體濃度送入液晶，并判斷濃度值是否超出報(bào)警限，當(dāng)濃度處于正常狀態(tài)綠燈長亮，當(dāng)煙霧濃度超出設(shè)定的限定值時(shí)，發(fā)出聲音報(bào)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(yīng)越快，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間就越快。為提高響應(yīng)時(shí)間，保證傳感器準(zhǔn)確地、穩(wěn)定地工作，報(bào)警器需要向煙霧傳感器持續(xù)輸出一個(gè) 5V 的電壓。為了保證其可靠性，在輸出 5V 的電壓的同時(shí)，進(jìn)行故障監(jiān)測。當(dāng)傳感器加熱絲或電纜線和傳感器斷線或接觸不良時(shí)，進(jìn) 行故障報(bào)警，發(fā)出聲光報(bào)警信號。當(dāng)然幾種狀態(tài)的報(bào)警信號是各不相同的。 煙霧檢測報(bào)警器的結(jié)構(gòu) 為適應(yīng)家庭和工業(yè)等場所對可燃性易爆煙霧安全性要求，設(shè)計(jì)的可燃性煙霧報(bào)警儀應(yīng)不僅能在較寬的溫度范圍工作，而且應(yīng)具有顯示可燃煙霧濃度、故障自檢、延時(shí)報(bào)警功能及可接計(jì)算機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場遠(yuǎn)測和實(shí)時(shí)控制等功能。其目標(biāo)是在傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警儀的基礎(chǔ)上，盡量提高準(zhǔn)確性，降低成本，縮小體積。 報(bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 ，系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，配合外圍電路共同完成信號采集、濃度顯示、時(shí)間顯示、狀態(tài)顯示、聲音及閃爍報(bào)警、按 鍵輸入、故障自檢等功能。報(bào)警器采用巡檢的工作方式，進(jìn)行兩級報(bào)警值設(shè)定，并發(fā)出不同的光、聲信號。系統(tǒng)應(yīng)采用高性能的單片機(jī)，要求工作穩(wěn)定、測量精度高、通用性強(qiáng)、功耗低，保證報(bào)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(bào)警器的體積，降低報(bào)警器的成本。 圖 煙霧檢測報(bào)警器的功能 (1)自診斷故障報(bào)警功能 當(dāng)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(shí)，報(bào)警器發(fā)出警報(bào)，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(shí)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(shè)置狀態(tài)，通過鍵盤設(shè)置或者更改報(bào)警限值，以便于用戶或檢測人員隨時(shí)觀測煙霧濃度及更改報(bào)警限。 傳感器 放大電路 A/D轉(zhuǎn)換 串口通信 安全控制裝置 單片機(jī) 狀態(tài)指示燈 聲音報(bào)警 濃度顯示 四個(gè)按鍵 (3)煙霧報(bào)警功能 當(dāng)煙霧濃度連續(xù) 20 秒取值都在報(bào)警限值之上，蜂鳴器開始報(bào)警，且聲音越來越急促，并且伴隨紅燈閃爍。因?yàn)槿藢ψ兓男盘柛鼮槊舾?，所以變化的聲音及燈光更容易引起用戶的注意? (4)防止報(bào)警器誤報(bào)功能 快速重復(fù)檢測及延時(shí)報(bào)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(shí)的微量煙霧的散失。 (5)看門狗自檢單片機(jī)狀態(tài)功能 調(diào)用單片機(jī)中的看門狗程序，定時(shí)檢查單片機(jī)工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)單片機(jī)出現(xiàn)死循環(huán)狀態(tài)，立即復(fù)位，保證報(bào)警器工作正常。 (6)與上位機(jī)通訊功能 可以實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)串口通訊，對報(bào)警器采取統(tǒng)一控制，以及便于采集和處理數(shù)據(jù)，也可以在計(jì)算機(jī)上更改報(bào)警限值等。 (7)自動(dòng)控制相關(guān)安全裝置的擴(kuò)展功能 留有繼電器接口，可以帶動(dòng)排風(fēng)扇或大功率蜂鳴器，也可以控制管道電子閥門，可在報(bào)警的同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)相關(guān)安全裝置。 煙霧檢測報(bào)警器的主要技術(shù)指標(biāo) (1)傳感器類型：半導(dǎo)體電阻式。 (2)檢測范圍： 0~100%LEL。 (3)報(bào)警準(zhǔn)確度 :：177。 5%LEL。 (4)報(bào)警點(diǎn)設(shè)置：達(dá)到 20%LEL開始報(bào)警。 (5)報(bào)警器工作方式：現(xiàn)場固定安裝，自然擴(kuò)散進(jìn)行采樣，長年連續(xù)運(yùn)行。 (6)工作環(huán)境溫度：檢測器 50176。 C~50176。 C；報(bào)警器 0176。 C~500176。 C。 (7)工作環(huán)境濕度：≤ 85%RH。 (8)報(bào)警方式：煙霧泄漏聲光報(bào)警、自診斷故障報(bào)警。 (9)指示方式：數(shù)字顯示 ，可顯示被測煙霧 LEL%及設(shè)定報(bào)警限值。 (10)響應(yīng)時(shí)間：≤ 30S(11)輸出信號：可輸出與煙霧濃度對應(yīng)的 0~5VDC標(biāo)準(zhǔn)信號。 (11)工作電壓： AC220V177。 15%， 50177。 lHz。 (12)具備快速重復(fù)檢測和延時(shí)報(bào)警功能，可區(qū)別煙霧的泄漏和短時(shí)間的微量散失，防止誤報(bào)。 3. 煙霧檢測報(bào)警器的硬件設(shè)計(jì) 在報(bào)警儀的設(shè)計(jì)中，單片機(jī)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(yīng)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(jìn)行處理，控制后續(xù)電路進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作；與此同時(shí)查詢是否有鍵按下的請求。在單 片機(jī)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(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，要求單片機(jī)具備較快的運(yùn)算速度，使檢測人員能夠較準(zhǔn)確地觀測到煙霧濃度，并根據(jù)情況做進(jìn)行相應(yīng)處理。并且也要考慮選擇低價(jià)實(shí)用的機(jī)型，并為研制同一系列的低功耗產(chǎn)品做準(zhǔn)備。根據(jù)多方面的比較，本設(shè)計(jì)選用宏晶科技生產(chǎn)的STC12系列單片機(jī)。 單片機(jī)的選型 單片機(jī)的選擇 8051 單片機(jī)單片機(jī)是煙霧檢測報(bào)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(jìn)行處理，控制后 續(xù)電路的相應(yīng)工作；同時(shí)，查詢是否有鍵按下的命令。在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能中，將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號做數(shù)字濾波，再進(jìn)行線性化處理，然后送 LCD顯示，這一過程的軟件實(shí)現(xiàn)，需要單片機(jī)有較快的運(yùn)算速度，使儀表監(jiān)測人員能夠觀測到實(shí)時(shí)的煙霧濃度，并進(jìn)行相應(yīng)處理。同時(shí)，在能夠滿足報(bào)警器設(shè)計(jì)的計(jì)算速度及接口數(shù)的要求的同類型單片機(jī)中，要考慮選擇價(jià)格低廉且體積輕巧的機(jī)型，在保證了報(bào)警器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎(chǔ)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(jī)有 8051系列與 STC系列。 雖然應(yīng)用普遍，工具 多，易上手，片源廣，價(jià)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(jī)是 MICROCHIP 公司的產(chǎn)品，其突出的特點(diǎn)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(dāng)堆棧指針設(shè)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(huì)出現(xiàn)問題。而 STC 單片機(jī)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(jìn)行 STC編程設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(jì)算機(jī)語言。鑒于 C 語言的易讀性和普遍性，本論文的軟件設(shè)計(jì)選擇 C語言編程，所以 STC系列單片機(jī)在此處不是非常適合。 為適用于本論文設(shè)計(jì)的煙霧檢測報(bào)警器，應(yīng)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(jī)。宏晶科技新推出的 STC12 系列單片機(jī)具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，是的新一代 8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051，速度卻比 8051 單片機(jī)快 8~12 倍。 而且STC12 系列下屬的 STC12C54xxAD 系列單片機(jī)是低功耗 Flash 單片機(jī)，它的高效尋址方式、大容量 Flash、 EEPROM、 A/D轉(zhuǎn)換、硬件乘法器、硬件脈寬調(diào)制器 (PWM)等功能特點(diǎn)，較好的實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的功能與超低功耗的結(jié)合。而且在功能同樣的情況下，管腳較少封裝體積小，價(jià)格比其他型號便宜，因此具有很好的性價(jià)比和應(yīng)用適應(yīng)性。 STC12C54xxAD系列單片機(jī)有 6種型號：分別是 STC12C5412AD、 STC12C5410AD、STC12C5408AD、 STC12C5406AD、 STC12C5404AD、和 STC12C5402AD。它們是以單片機(jī)內(nèi)部集成 Flash 的大小區(qū)分的。在價(jià)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(jī)作為本論文設(shè)計(jì)的煙霧報(bào)警器的單片機(jī)核心芯片。它體積小，價(jià)格低，非常適用于本設(shè)計(jì)，下面介紹 STC12C5410AD的自身特點(diǎn)。 STC12C5410AD 單片機(jī)的特點(diǎn) STC12C5410AD 單片機(jī)較以往的單片機(jī)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(jìn)一步小型化和便攜化。其內(nèi)部集成的 Flash幾乎擁有現(xiàn)代追求個(gè) 性化的用戶所需要的掉電后數(shù)據(jù)不丟失、快速的數(shù)據(jù)存取時(shí)間、電可擦除、容量大、在線可編程、足夠多的擦寫次數(shù)、價(jià)格低廉和高可靠性等所有優(yōu)點(diǎn)。 STC12C5410AD 單片機(jī)的管腳結(jié)構(gòu)如圖 。 圖 STC12C5410AD單片機(jī)具有以下特點(diǎn)： (1)Flash存儲(chǔ)器 STC12C5410ADFlash 存儲(chǔ)器為 10KB。 Flash 存儲(chǔ)器主要用作程序存儲(chǔ)，可經(jīng)計(jì)算機(jī)串口接口下載程序；程序運(yùn)行時(shí)能對其中的 1段或多段進(jìn)行擦、寫操作，因此兼有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器功能。 Flash存儲(chǔ)器的掉電保護(hù)功能可用于程序數(shù)據(jù)保存，可以按字或字節(jié)讀寫，最小擦除單位為 1段，經(jīng)過擦除的位為“ 1”，寫入位為“ 0”。 (2)脈寬調(diào)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(shí)器的時(shí)鐘源。由于所有模塊共用僅有的 PCA定時(shí)器，所有它們的輸出頻率相同。各個(gè)模塊的輸出占空比是獨(dú)立變化的，與使用的捕獲寄存器 {EPCnL， CCAPnL}有關(guān)。當(dāng) CLSFR 的值小于 {EPCnL， CCAPnL}時(shí)，輸出為低，當(dāng) PCACLSFR 的值等于或大于 {EPCnL，CCAPnL}時(shí)，輸出為高。當(dāng) CL 的值由 FF 變?yōu)?00 溢出時(shí)， {EPCnH， CCAPnH}的內(nèi)容裝載到 {EPCnL， CCAPnL}中。這樣就可實(shí)現(xiàn)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(shè)置 STC12C5410AD 帶有 24 個(gè) I/O 引腳，它的 I/O 與傳統(tǒng)的 I/O 不同，每個(gè) I/O口均可由軟件設(shè)置成 4種工作類型之一，使得功能口和通用 I/O口復(fù)用。 4種類型分別為：準(zhǔn)雙向口 (標(biāo)準(zhǔn) 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(gè) I/O口進(jìn)行操作前要選擇其要實(shí)現(xiàn)的功能，這樣大大地增