【文章內(nèi)容簡介】 測煙霧種類 由于煙霧的種類繁多，一種類型的煙霧傳感器不可能檢測所有的氣體， 通常只能檢測某一種或兩種特定性質(zhì)的煙霧。例如氧化物半導(dǎo)體煙霧傳感器主要檢測各種還原性煙霧，如 CO、 H C2H5OH、 CH3OH 等。固體電解質(zhì)煙霧傳感器主要用于檢測無機(jī)煙霧，如 O CO H Cl SO2 等。 表 簡要列舉出已經(jīng)研究、開發(fā)的各類煙霧傳感器及其可檢測的氣體種類。 傳感器種類 C0 CO2 H2S NH3 HCN HCI COCI2 CI2 NOX SO2 O2 CH4 C3H2 H2 H2O 半導(dǎo)體氣體傳感器 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 固體電解質(zhì) 傳感器 ○ ○ ○ ○ ○ 接觸燃燒式傳感器 ◎ ○ ○ ○ 8 電化學(xué)式傳感器 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 高分子電解質(zhì)氣體傳感器 ◎ ○ ○ ○ ○ 注：○好 ◎不太好 表 各種煙霧傳感器可檢測的煙霧種類 煙霧傳感器的選定 煙霧檢測報警器主要應(yīng)用在石油、化工、冶金、油庫、液化氣 站、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃煙霧泄漏的場所，根據(jù)報警器檢測煙霧 種類的要求，一般選用接觸燃燒式煙霧傳感器和半導(dǎo)體煙霧傳感器。 使用接觸燃燒式傳感器，其探 頭的阻緩及中毒，是不可避免的問題。 阻緩是當(dāng)在煙霧與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下，則有可能在無焰燃燒的同時，有些固態(tài)物質(zhì)附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應(yīng)緩慢反應(yīng)滯緩，靈敏度降低。雖然將阻緩的傳感器再放回新鮮空氣環(huán)境中有得到某種程度的恢復(fù)的可能，但是如果長期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會不斷下降，導(dǎo)致傳感器最終喪失檢測煙霧的能力。中毒是如果環(huán)境空氣中含有硅烷之類的物質(zhì)時，則傳感器將 使催化元件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的中毒，以致靈敏度很快就喪失。當(dāng)懷疑檢測環(huán) 境中存在這些物質(zhì)時，經(jīng)常對探頭進(jìn) 行標(biāo)定，是必須且有效的辦法。 因此，經(jīng)常對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是保證其準(zhǔn)確性的必要的途徑。一般連續(xù)使用兩個月后應(yīng)對傳感器進(jìn)行量程校準(zhǔn)，這種經(jīng)常性對傳感器的維護(hù)，無形中加大了工作人員的工作量，同時增加了報警器的維護(hù)成本。 半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器，它具有靈敏度高， 響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體煙霧傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性 (抗干擾性 )和穩(wěn) 定性 (使用壽命 )。 經(jīng)過對比上述兩種 煙霧傳感器的應(yīng)用特性，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體煙霧傳感器的優(yōu)點(diǎn)更加突出：靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價格便宜，且不會發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護(hù)成本較低等。因此，本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體煙霧傳感器作為報警器煙霧信息采集部分的核心。而在眾多半導(dǎo)體氣體傳感器中，本設(shè)計(jì)選用MQ2 型煙霧傳感器，這種型號的傳感器不但具備一般半導(dǎo)體煙霧傳感器靈敏度 高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長等優(yōu)點(diǎn) 。 煙霧檢測報警器整體設(shè)計(jì)方案 煙霧檢測報警器工作原理 本論文中的煙霧檢測報警器以 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。 9 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，發(fā)出聲音報警并伴隨紅 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)時間和恢復(fù)時間就越快。為提高響應(yīng)時間，保證傳感器準(zhǔn)確地、 穩(wěn)定地工作，報警器需要向煙霧傳感器持續(xù)輸出一個 5V 的電壓。為了保 證其可靠性，在輸出 5V 的電壓的同時，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，進(jìn)行故障報警，發(fā)出聲光報警信號。 當(dāng)然幾種狀態(tài)的報警信號是各不相同的。 煙霧檢測報警器的結(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、延時報警功能及可接計(jì)算機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場遠(yuǎn) 測和實(shí)時控制等功能。其目標(biāo)是在傳統(tǒng)的煙霧報警儀的基礎(chǔ)上，盡量提高準(zhǔn)確性，降低成本，縮小體積。 報警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 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采集、濃度顯示、時間顯示、狀態(tài)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(jìn)行兩級 報警值設(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。 圖 可燃 性氣體檢測報警器結(jié)構(gòu)框圖 煙霧檢測報警器的功能 (1)自診斷故障報警功能 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，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。 10 (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(dāng)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?yàn)槿藢ψ兓男盘柛鼮槊? 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(fù)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(jī)狀態(tài)功能 調(diào)用單片機(jī)中的看門狗程序，定時檢查單片機(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)上更改報警限值等。 (7)自動控制相 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，可在報警的同時自動啟動相關(guān)安全裝置。 11 3 煙霧檢測報警器的硬件設(shè)計(jì) 在報警儀的設(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)動作；與此同時查詢是否 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 單片機(jī)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(jìn)行處理，控制后續(xù)電路的相應(yīng)工作；同時，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)時的煙霧濃度，并進(jìn) 行相應(yīng)處理。同時，在能夠滿足報警器設(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，要考慮選擇價格低廉且體積輕巧的機(jī)型，在保證了報警 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。 8051 單片機(jī)雖然應(yīng)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(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 12 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(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)的煙霧報警器的單片機(jī)核 心芯片。它體積小，價格低，非常適用于本設(shè)計(jì)，下面介紹STC12C5410AD 的自身特點(diǎn)。 煙霧檢測報警器硬件電路設(shè)計(jì) 信號采集及前置放大電路 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(jìn)行放大、濾波、電平調(diào)整，滿足單片機(jī)對輸入信號的要求。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(fù)壓，這顯然 會造成浪費(fèi)。常見的運(yùn)算放大器中，LM324 價格低廉、使用簡單等優(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關(guān)，四個運(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 所示，從傳感器的上端出來的信號 Vi 經(jīng)過運(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(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)時的兩個特點(diǎn)來分析其電壓放大倍數(shù)。 在圖 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