【文章內(nèi)容簡介】 顯示、聲音及閃爍報警、按鍵輸入、故障自檢等功能。報警器采用巡檢的工作方式，進行兩級 報警值設定，并發(fā)出不同的光、聲信號。系統(tǒng)應采用高性能的單片機，要求工作穩(wěn)定、測量精度高、通用性強、功耗低，保證報警器的精確性及可 靠性，而且最好體積小，成本低，有利于減少報警器的體積，降低報警器 的成本。 可燃性氣體檢測報警器結構框圖 (1)自診斷故障報警功能 當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，報警器發(fā)出警報，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，并且可以切換到設置狀態(tài)，通過鍵盤設置或者更改報警限值，以便于用戶或檢測人員隨時觀測煙霧濃度及更改報警限。 (3)煙霧報警功能 當煙霧濃度連續(xù)20秒取值都在報警限值之上，蜂鳴器開始報警，且聲音越來越急促，并且伴隨紅燈閃爍。因為人對變化的信號更為敏 感，所以變化的聲音及燈光更容易引起用戶的注意。 (4)防止報警器誤報功能 快速重復檢測及延時報警可以區(qū)別出是管道中可燃煙霧的泄漏，還是由于打開閥門時的微量煙霧的散失。 (5)看門狗自檢單片機狀態(tài)功能 調用單片機中的看門狗程序，定時檢查單片機工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)單片機出現(xiàn)死循環(huán)狀態(tài)，立即復位，保證報警器工作正常。 (6)與上位機通訊功能 可以實現(xiàn)與計算機串口通訊，對報警器采取統(tǒng)一控制，以及便于采集 和處理數(shù)據(jù)，也可以在計算機上更改報警限值等。 (7)自動控制相關安全裝置的擴展功能 留有繼電器接口，可以帶動排風扇或大功率蜂鳴器，也可以控制管道電子閥門，可在報警的同時自動啟動相關安全裝置。 (1) 傳感器類型：半導體電阻式 (2) 檢測范圍：0~100%LEL (3) 報警準確度:：177。5%LEL (4) 報警點設置：達到20%LEL開始報警 (5) 報警器工作方式：現(xiàn)場固定安裝，自然擴散進行采樣，長年連續(xù)運行 (6) 工作環(huán)境溫度：檢測器 50176。C~50176。C；報警器0176。C~500176。C (7) 工作環(huán)境濕度：≤85%RH (8) 報警方式：煙霧泄漏聲光報警、自診斷故障報警 (9) 指示方式：數(shù)字顯示，可顯示被測煙霧LEL%及設定報警限值 (10)響應時間：≤30S (11) 輸出信號：可輸出與煙霧濃度對應的0~5V DC標準信號 (11) 工作電壓：AC220V177。15%，50177。lHz (12)具備快速重復檢測和延時報警功能，可區(qū)別煙霧的泄漏 和短時間的微量散失，防止誤報。 本章主要闡述了煙霧報警儀的設計方案，即傳感器的選型和報警器的設計。傳感器從種類、選定、工作原理、基本特性四個方面分別敘述。 根據(jù)本設計要求及使用環(huán)境、成本等因素選用的MQ2型半導體電阻式煙霧敏感器件。并且從結構、功能、技 術指標三方面對報警器進行了詳細地論述，使其在較寬的溫度范圍工作，用于檢測空氣中煙霧或可燃性液體蒸汽的濃度。該報警器將空氣中煙霧或可燃性液體蒸汽的濃度顯示在儀表盤上，當空氣中的煙霧或可燃性液體蒸汽的濃度達到一定濃度時， 則啟動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， 還是由于短暫打開閥門產(chǎn)生的可燃煙霧的微量散失，防止誤報。若判斷是 煙霧泄漏，則發(fā)出聲、光報警信號，也可在報警的同時自動驅動相 關安全裝置而且具有故障自診斷功能。此系統(tǒng)還可接計算機進行現(xiàn)場實時控制。第三章 煙霧檢測報警器的硬件設計在報警儀的設計中，單片機是其核心部件。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 兩種信號分別進行處理，控制后續(xù)電路進行相應動作；與此同時查詢是否 有鍵按下的請求。在單片機完成這些的工作中，尤其是信號處理中，比較 濃度值后送入顯示的軟件實現(xiàn)比較復雜，要求單片機具備較快的運算速 度，使檢測人員能夠較準確地觀測到煙霧濃度，并根據(jù)情況做進行 相應處理。并且也要考慮選擇低價實用的機型，并為研制同一系列的低功 耗產(chǎn)品做準備。根據(jù)多方面的比較，本設計選用宏晶科技生產(chǎn)的STC12系列單片機。 單片機是煙霧檢測報警器的核心部件，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 號分別進行處理，控制后續(xù)電路的相應工作；同時，查詢是否有鍵按下的 命令。在單片機實現(xiàn)的功能中，將模數(shù)轉換后的信號做數(shù)字濾波，再進行 線性化處理，然后送LCD顯示，這一過程的軟件實現(xiàn)，需要單片機有較 快的運算速度，使儀表監(jiān)測人員能夠觀測到實時的煙霧濃度，并進 行相應處理。同時，在能夠滿足報警器設計的計算速度及接口數(shù)的要求的 同類型單片機中，要考慮選擇價格低廉且體積輕巧的機型，在保證了報警 器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎上，能夠不提高成本，縮小體積。 如今市面上比較普遍的單片機有8051系列與STC系列。 8051單片機雖然應用普遍，工具多，易上手，片源廣，價格低，但 是速度慢，功耗大，適合民用，商用，不適合工業(yè)用途。STC單片機是MICROCHIP公司的產(chǎn)品，其突出的特點是功耗低， 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。當堆棧指針設定合理，局部變量少的情況下，8051系列用10層的程序嵌套不會出現(xiàn)問題。而STC單片機程序嵌套包括中斷最多不能超過8層。所以如果用C語言進行STC編程設計容易堆棧溢出。 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語言是一種結構化的高級語言，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算機語言。鑒于C語言的易讀性和普遍性，本論文的軟件設計選擇C語言編程，所以STC系列單片機在此處不是非常適合。 為適用于本論文設計的煙霧檢測報警器，應選擇一種比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。 宏晶科技新推出的STC12系列單片機具有高速、低功耗、超強抗干擾等優(yōu)點，是的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，速度 卻比8051單片機快8~12倍。而且STC12系列下屬的STC12C54xxAD系 列單片機是低功耗Flash單片機，它的高效尋址方式、大容量Flash、 EEPROM、A/D轉換、硬件乘法器、硬件脈寬調制器(PWM)等功能特點， 較好的實現(xiàn)了強大的功能與超低功耗的結合。而且在功能同樣的情況下， 管腳較少封裝體積小，價格比其他型號便宜，因此具有很好的性價比和應 用適應性。 STC12C54xxAD系列單片機有6種型號：分別是STC12C5412AD、 STC12C5410AD、STC12C5408AD、STC12C5406AD、STC12C5404AD、 和STC12C5402AD。 它們是以單片機內(nèi)部集成Flash的大小區(qū)分的。在價格相同的情況下，盡量選擇Flash較大的芯片，所以選擇了STC12C5410AD單片機作為本論文設計的煙霧報警器的單片機核 心芯片。它體積小，價格低，非常適用于本設計，下面介紹STC12C5410AD的自身特點。 STC12C5410AD單片機的特點 STC12C5410AD單片機較以往的單片機提高了工作效率，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)存取時間、電可擦除、容量大、在線可編程、足夠多的 擦寫次數(shù)、價格低廉和高可靠性等所有優(yōu)點。STC12C5410AD單片機的管 。 STC12C5410AD單片機管腳圖STC12C5410AD單片機具有以下特點： (1) Flash存儲器 STC12C5410AD Flash存儲器為10KB。Flash存儲器主要用作程序存 儲，可經(jīng)計算機串口接口下載程序；程序運行時能對其中的1段或多段進 行擦、寫操作，因此兼有數(shù)據(jù)存儲器功能。Flash存儲器的掉電保護功能 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定時器的 時鐘源。由于所有模塊共用僅有的PCA定時器，所有它們的輸出頻率相 同。各個模塊的輸出占空比是獨立變化的，與使用的捕獲寄存器{EPCnL， CCAPnL}有關。當CL SFR的值小于{EPCnL，CCAPnL}時，輸出為低， 當PCACL SFR的值等于或大于{EPCnL，CCAPnL}時，輸出為高。當CL的值由FF變?yōu)?0溢出時，{EPCnH，CCAPnH}的內(nèi)容裝載到{EPCnL， CCAPnL}中。這樣就可實現(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口工作類型設置 STC12C5410AD帶有24個I/O引腳，它的I/O與傳統(tǒng)的I/O不同，每個I/O口均可由軟件設置成4種工作類型之一，使得功能口和通用I/O口復用。 4種類型分別為：準雙向口(標準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I/O口進行操作前要選擇其要實現(xiàn)的功能，這樣大大地增強了端口的功能和靈活性。其中一些I/O口還可以與STC12C5410AD中的特殊模塊相結合完成更為復雜的工作。如與捕獲比較 模塊相結合可以實現(xiàn)串行通信，與A/D模塊結合實現(xiàn)A/D轉換等。此外，STC12C5410AD的I/O端口電氣特性也十分突出，幾乎所有的I/O口都有20mA的驅動能力，對于一般的液晶顯示屏、蜂鳴器可以直接驅動而無需 輔助電路。許多端口內(nèi)部都集成了上拉電阻，可以方便地與外圍器件相接 。 (4) A/D模數(shù)轉換寄存器 STC12C5410AD單片機的A/D轉換口在P1口(~)，有8路10位高速A/D轉換器，STC12C5410AD系列是10位精度的A/D，速度 均可達到100KHz(10萬次/秒)。8路電壓輸入型A/D，可以完成溫度檢測、 電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等功能。上電復位后P1口是弱上拉 型的I/O口，可以通過軟件設置將8路中的任何一路設置為A/D轉換，不需作為A/D使用的口可繼續(xù)作為I/O口使用。這樣，A/D轉換和I/O口 可以靈活的運用，節(jié)省了軟件及時間。 (5)有配套的仿真開發(fā)工具 STC12C5410AD的Flash存儲器給用戶的開發(fā)帶來方便。用戶可以將 芯片焊接在線路板上后進行下載程序、調試程序和修改程序。同時，STC12C5410AD的片內(nèi)已集成了程序斷點控制等邏輯功能。因此，它的 開發(fā)工具較為簡單，只需1套PC環(huán)境下的調試軟件和1個連接于并口的仿真器。仿真器與STC12C5410AD經(jīng)串口連接。因此，用戶只要在設計應用系統(tǒng)時為調試需要預留好STC12C5410AD的串口接口的引出插座，即可實現(xiàn)系統(tǒng)的程序下載調試、系統(tǒng)現(xiàn)場編程硬件仿真或軟件升級功能， 而且無需外加編程電壓。 傳感器輸出信號一般比較微弱，需要經(jīng)過前置電路對其進行放大、濾波、電平調整，滿足單片機對輸入信號的要求。本系統(tǒng)采用的半導體煙霧 傳感器屬于電阻型，因此只需串聯(lián)一個參考電阻，再經(jīng)過一個放大電路即可發(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，可以減少硬件開銷；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)生一個負壓，這顯然 會造成浪費。常見的運算放大器中，LM324價格低廉、使用簡單等優(yōu)點 比較突出，所以本設計中的前置放大電路采用LM324作為電路的運算放大器。 LM324是單片高增益四運算放大器，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關，四個運放一致性好； 其輸入偏流電阻是溫度補償?shù)?，也不需外接頻率補償，可做到輸出電平與 數(shù)字電路兼容。 下面詳細介紹運算放大電路： ，從傳感器的上端出來的信號Vi經(jīng)過運算放大器的同相 輸入端，但是為保證引入的是負反饋，輸出電壓Vo通過電阻R4接到反相輸入端，同時，反相輸入端通過電阻R3接到參考電壓Vref。 同相比例運算電路中反饋的組態(tài)為電壓串聯(lián)負反饋，同樣可以利用理 想運放工作在線性區(qū)時的兩個特點來分析其電壓放大倍數(shù)。 ，根據(jù)運放的“虛短”和“虛斷”的特點可知，I = I+ = 0，所以V = Vo*R3/R3 + R4 +Vref*R4/R3 + R4 (31)而且V = V+ = ViVo = Vi*（R3 + R4）/R3 (32)由以上兩式可求出Vo=VrefR4/R3 (33)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。同相比例運算電路有以下幾個特點： (1)同相比例運算放大電路是一個深度的電壓串聯(lián)負反饋電路。因為不存在“虛地”現(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前端電路的影響，同時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 計。 此放大電路還加了參考電壓，引入了零點調節(jié)功能，這樣可以更方便 的調整由于不同傳感器導致的零點變化問題。它利用滑動變阻器產(chǎn)生一個參考電壓Vref，再利用電壓跟隨器把電壓輸入到運算放大電路的電壓參考 端。所以調節(jié)滑動變阻器，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，它只是用來匹配阻抗用的，防止R3和R4對 滑動變阻器輸出電壓的影響。 。報警裝置采用無源壓電式KM3712x型蜂鳴器[26]，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STC12C5410AD的17腳()置1時，