【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 綠燈長(zhǎng)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(cè)。當(dāng)傳感器加熱絲或電纜線發(fā)生斷線或接觸不良時(shí)，進(jìn)行故障報(bào)警，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。 煙霧檢測(cè)報(bào)警器的結(jié)構(gòu) 為適應(yīng)家庭和工業(yè)等場(chǎng)所對(duì)可燃性易爆煙霧安全性要求，設(shè)計(jì)的可燃性煙霧報(bào)警器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(chǎng)遠(yuǎn)測(cè)和實(shí)時(shí)控制等功能。其目標(biāo)是在傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警器的基礎(chǔ)上，盡量提高準(zhǔn)確性，降低成本，縮小體積 [5]。 報(bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示，系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，配合外圍電路共同完成信號(hào)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(jí)報(bào)警值設(shè)定，并發(fā)出不同的光、聲信號(hào)。系統(tǒng)應(yīng)采用高性能的單片機(jī)，要求工作穩(wěn)定、測(cè)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 1 可燃性氣體檢測(cè)報(bào)警器結(jié)構(gòu)框圖 煙霧檢測(cè)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(guò)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(guò)鍵盤(pán)設(shè)置或者更改報(bào)警限值，以便于用戶或檢測(cè)人員隨時(shí)觀測(cè)煙霧濃度及更改報(bào)警限。 (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(kāi)始報(bào)警，且聲音越來(lái)越急促，并且伴隨紅燈閃爍。因?yàn)槿藢?duì)變化的信號(hào)更為敏感，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(cè)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(kāi)閥門(mén)時(shí)的微量煙霧的散失。 傳感器放大電路A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)狀態(tài)指示燈聲音報(bào)警濃度顯示按鍵串口通信(5)看門(mén)狗自檢單片機(jī)狀態(tài)功能 調(diào)用單片機(jī)中的看門(mén)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(duì)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(mén)，可在報(bào)警的同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)相關(guān)安全裝置。3 煙霧檢測(cè)報(bào)警器的硬件設(shè)計(jì) 核心芯片選擇在報(bào)警器的設(shè)計(jì)中，單片機(jī)是其核心部件。它一方面要接收來(lái)自傳感器送來(lái)的煙霧濃度對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)和故障檢測(cè)信號(hào)，另一方面要對(duì)兩種信號(hào)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(qǐng)求。在單片機(jī)完成這些的工作中，尤其是將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)做數(shù)字濾波，再進(jìn)行線性化處理，然后送 LCD 顯示這一過(guò)程的軟件實(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(cè)人員能夠較準(zhǔn)確地觀測(cè)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)中集成 Flash 較大的 STC12C5410AD。 STC12C5410AD 單片機(jī)具有以下特點(diǎn)：（1） 增強(qiáng)型 8051 內(nèi)核。（2） 10KB Flash 程序存儲(chǔ)器。（3） 2KB 數(shù)據(jù) Flash（EEPROM）。（4） 512B RAM。（5） 兩個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。（6） 最多 27 根 I/O 口線。（7） 全雙工異步串行口（UART）。（8） 高速同步通信端口（SPI）。（9） 8 通道 10 位 ADC。（10）4 通道 PWM/可編程計(jì)數(shù)器陣列/捕獲/比較單元（PWM/PCA/CCU）。（11）MAX810 專(zhuān)用復(fù)位電路和硬件看門(mén)狗 [6]。圖 2 STC12C5410AD 單片機(jī)的引腳圖 煙霧檢測(cè)報(bào)警器硬件電路設(shè)計(jì) 信號(hào)采集及前置放大電路傳感器輸出信號(hào)一般比較微弱，需要經(jīng)過(guò)前置電路對(duì)其進(jìn)行放大、濾波、電平調(diào)整，滿足單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的要求。本系統(tǒng)采用的半導(dǎo)體煙霧傳感器屬于電阻型，因此只需串聯(lián)一個(gè)參考電阻，再經(jīng)過(guò)一個(gè)放大電路即可發(fā)送給 ADC 采集。由于系統(tǒng)采用的是單極性供電，所以采用同相比例放大電路，可以減少硬件開(kāi)銷(xiāo)；反之，如果采用反相放大，則一般需要利用雙極性供電，這就需要系統(tǒng)額外的利用變壓芯片產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓，這顯然會(huì)造成浪費(fèi)。常見(jiàn)的運(yùn)算放大器中，LM324 價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)比較突出，所以本設(shè)計(jì)中的前置放大電路采用 LM324 作為電路的運(yùn)算放大器。 LM324 是單片高增益四運(yùn)算放大器，可在較寬電壓范圍內(nèi)的單電源或雙電源下工作，其電源電流很小且與電源電壓無(wú)關(guān)，四個(gè)運(yùn)放一致性好；其輸入偏流電阻是溫度補(bǔ)償?shù)模膊恍柰饨宇l率補(bǔ)償，可做到輸出電平與數(shù)字電路兼容。 下面詳細(xì)介紹運(yùn)算放大電路： 如圖 3 所示，從傳感器的上端出來(lái)的信號(hào) Vi 經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器的同相輸入端，但是為保證引入的是負(fù)反饋，輸出電壓 Vo 通過(guò)電阻 R4 接到反相輸入端，同時(shí)，反相輸入端通過(guò)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(lái)分析其電壓放大倍數(shù)。在圖 3 中，根據(jù)運(yùn)放的“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)可知，I = I+ = 0，所以 V = Vo*R3/R3 + R4 +Vref*R4/R3 + R4 (1)而且 V = V+ = ViVo = Vi*（R3 + R4）/R3 (2)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。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(wèn)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(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。 圖 3 前置放大電路 聲音報(bào)警電路 聲音報(bào)警電路圖如圖 4 所示。報(bào)警裝置采用無(wú)源壓電式 KM3712x 型蜂鳴器 [7]，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)STC12C5410AD 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) STC12C5410AD 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，報(bào)警時(shí)蜂鳴器會(huì)發(fā)出如警車(chē)警笛的聲音。圖 4 聲音報(bào)警電路圖 數(shù)碼管顯示電路 報(bào)警器濃度顯示采用共陽(yáng)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： 80m A,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 5 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 6 和圖 7 所示。單片機(jī) STC12C5410AD 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(guò)報(bào)警限值，提醒用戶盡快作相應(yīng)安全措施。 當(dāng)煙霧濃度超過(guò)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