【導(dǎo)讀】高，需求越來越迫切。傳感器技術(shù)已成為衡量一個國家科學(xué)技術(shù)。發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。因此，了解并掌握各類傳感器的基本。結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。本文利用單片機結(jié)合傳感器技術(shù)而開發(fā)設(shè)計了這。一煙霧監(jiān)控系統(tǒng)。。他電子技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計出一種技術(shù)水平較好的煙霧報警器。低廉，使用壽命長。選用的STC12C5410AD單片機，其整合了。功耗、超強抗干擾等優(yōu)點，是目前同類技術(shù)中性價比較高的產(chǎn)品。顯示、報警限設(shè)置、延時報警及與上位機串口通信等功能。具有一定的實用價值。

　　

【正文】 度百分比的對應(yīng)曲線，可以看出，電壓 值與煙霧濃度 之間是非線性的關(guān)系，為了實時顯示煙霧濃度 .需要對其進行線性化處理。 在誤差許可范圍內(nèi)，根據(jù)標(biāo)定曲線形狀，以及單片機處理能力，把曲線分 成若干小段，對每小段分別線性化。 圖 根據(jù)分段線性插值法求輸入單片機的某一電壓值對應(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 式中， N為所分區(qū)間個數(shù)， f (x)為實際煙霧檢測濃度， x為實際氣體檢測濃度對應(yīng)的電壓值 ， xi 是區(qū)間的下限濃度對應(yīng)電壓值， xi 是區(qū)間的上限濃度對應(yīng)電壓值， f (xi)為區(qū)間下限煙霧濃度值， f (xi )為區(qū)間上限煙霧濃度值。 根據(jù)公式 41 設(shè)計分段插值法線性化程序流程圖如圖 所示。 圖 分段插值法線形化程序流程圖 本設(shè)計采用數(shù)碼管顯示，線性化處理完畢后需將 其送入數(shù)碼管顯示。 void xianshi(void)//顯示程序 { P2=xsdata[xscout]。 } 圖 數(shù)碼管驅(qū)動子程序 當(dāng)煙霧濃度超過報警設(shè)定值時，報警器發(fā)出一種近似警笛的鳴叫聲，對應(yīng)通道的紅燈閃亮，以提示操作人員采取安全對策或自動控制相關(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，在程序設(shè)計上，對煙霧濃度進行快速重復(fù)檢測和延時報警，以區(qū)別出 是管道中煙霧的泄漏，還是由于暫短打開閥門產(chǎn)生的可燃煙霧的微 量散失，防止誤報。報警子程序流程圖如圖 。 圖 本報警器設(shè)計附加一個按鍵，功能分別為：確定 (消音 )。按鍵處理子程序流程圖如圖 。 圖 鍵盤處理子程序 本章闡述了煙霧報警器的軟件設(shè)計。首先介紹了軟件編程的開 發(fā)環(huán)境和工具的選擇，這里選擇的 STC12 系列單片機，應(yīng)用KEIL C51編程器和 STC單片機專用 ISP 下載軟件開發(fā)完成。 然后按照軟件實現(xiàn)的功能，詳細(xì)地設(shè)計并敘述了幾個主要部分軟件流 程，包括：主程序設(shè)計，主 程序初始化設(shè)計，中位值平均濾波法數(shù)字濾波 子程序設(shè)計，插值法線性化處理子程序設(shè)計，煙霧濃度顯示子程序設(shè)計，報警子程序設(shè)計，按鍵處理子程序及串口通訊子程序設(shè)計，共八個部分。 第五章 實驗檢定及誤差分析 (LEL)概念介紹 本論文設(shè)計的煙霧檢測報警器選用“ %LEL”作為煙霧 的測量單位及衡量標(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，稱為爆炸下限 (Lower Explosion Limited)，簡稱 LEL?？扇紵熿F在空 氣中遇明火種爆炸的最高濃度，稱為爆炸上限(Upper Explosion Limited), 簡稱 UEL。 煙霧的濃度過低或過高時是沒有危險的，只有與空氣混合形成 混合氣或更確切地說遇到氧氣形成一定比例的混合氣才會發(fā)生燃燒或爆炸。燃燒是伴有發(fā)光發(fā)熱的激烈氧化反應(yīng)，它必須具備三個要素：可燃物（燃?xì)猓?；助燃物（氧氣）；點火源（溫度）?？扇?xì)獾娜紵梢苑譃閮深悾? 一類是擴散燃燒，即揮發(fā)的或從設(shè)備中噴出、泄漏的可燃?xì)猓龅近c火源 混合燃燒。另一類燃燒，是可燃?xì)馀c空氣混合著火燃燒，這種燃燒反應(yīng) 激 烈而速度快，一般會產(chǎn)生巨大的壓力和聲響，又稱之為爆炸。燃燒與爆炸 沒有嚴(yán)格的區(qū)分。 有關(guān)權(quán)威部門和專家已經(jīng)對目前發(fā)現(xiàn)的可燃?xì)庾髁巳紵ǚ治?，? 定出了煙霧的爆炸極限，它分為爆炸上限和爆炸下限。低于爆炸下限，混合氣中的可燃?xì)獾暮坎蛔?，不能引起燃燒或爆炸，高于上限混合氣中的氧氣的含量不足，也不能引起燃燒或爆炸。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，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 會發(fā)生爆炸。低于爆炸下限或高于爆炸上限都不會發(fā)生爆炸。因此，在進行爆炸測量時，報警濃度一般設(shè)定在爆炸 下限的 25%LEL 以下。一般可燃煙霧檢測儀的測量范圍為 0~100%LEL。 甲烷在空氣濃度為 9%11%時遇明火爆炸 ,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，把這個 5%體積比，一百等分，讓5%體積比對應(yīng) 100%LEL，也就是說，當(dāng)檢測儀數(shù)值到達 10%LEL報警點時，相當(dāng)于此時甲烷的含量為 %體積比。當(dāng)檢測儀數(shù) 值到達 20%LEL報警點時，相當(dāng)于此時甲烷的含量為 1%體積 比。 本設(shè)計中設(shè)定甲烷的爆炸下限為 10%體積比，對應(yīng)的報警限設(shè)在 20%LEL，也就是甲烷含量為 2%體積比時報警器報警。 因為家用煤氣中主要成分為甲烷，所以本實驗在煙霧標(biāo)定時，選用甲 烷煙霧。實際甲烷煙霧與進入到單片機輸入端的電壓值對應(yīng)數(shù)據(jù)如表 。 表 濃度（ %） 電壓（ V） 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 從該曲線可以看出，電壓值與煙霧濃度之間是非線性關(guān)系，為了實時顯示氣 體濃度，需要對其進行線性化處理，使顯示的煙霧濃度與實際誤差 在177。 5%范圍內(nèi)。煙霧濃度與測量電壓值線性化示意圖如圖 。 對曲線作線性化處理時，根據(jù)曲線的走勢，將煙霧濃度分成 7段。 直線方程 f(x) = f (xi ) + (x xi ) f (xi ) f (xi )/（ xi – xi） i =1,2,3L,7 (51) 其中， f (x)為實際煙霧檢測 LEL濃度， x為實際煙霧 檢測濃度對應(yīng) 的電壓值， xi是區(qū)間的下限濃度對應(yīng)電壓值， xi是區(qū)間的上限濃度對應(yīng) 電壓值， f (xi)為區(qū)間下限點煙霧 LEL濃度值， f (xi )為區(qū)間上限點煙霧 LEL 濃度值，根據(jù)公式 51 計算出 7個直線方程式，如下： (1) 0%~10%LEL f (x) = ? + (2) 10%~20%LEL f (x) = ? + 3) 20%~40%LEL f (x) = ? + (4) 40%~50%LEL f (x) = ? + (5) 50%~60%LEL f (x) = ? + (6) 60%~80%LEL f (x) = ? + (7) 80%~100%LEL f (x) = ? + 經(jīng)實驗的標(biāo)定，實際煙霧濃度與顯示濃度誤差對比如表 所示： 濃度（ %LEL） 濃度誤差 濃度（ %LEL） 濃度誤差 0 0 50 5 5 3 55 3 10 1 60 0 15 4 65 2 20 3 70 3 25 1 75 5 30 5 80 2 35 3 85 4 40 2 90 3 45 5 95 5 表 根據(jù)誤差計算公式 X = i ，在本實驗中 N為 20，計算本報警器 顯示煙霧濃度與實際濃度之間的誤差為 %，在所規(guī)定誤差范圍177。 5%之 內(nèi)。因此，本論文中的可燃性報警器滿足檢測要求。 在測量儀器的實際使用中，造成誤差的來源很多，通常是多種誤差源 綜合作用的結(jié)果。就本儀器而言，誤差來源主要有軟件和硬件兩個方面。 軟件誤差主要來自以下兩個方面： (1) A/D 轉(zhuǎn)換量化誤差 STC12C5410AD 單片機的內(nèi)部 A/D轉(zhuǎn)換器為 12 bit，輸入單片機模擬 電壓信號 0~，參考電壓， A/D 轉(zhuǎn)換器對輸入模擬信號的最大分辨率為 212 ?1 = ，因此可求得 A/D轉(zhuǎn)換誤差為 ==%。 (2) 數(shù)字濾波過程中的有限字長效應(yīng) 在中位值平均濾波法數(shù)字濾波過程中，用到了乘法和除法運算，因此 在運算過程中，由于字長有限而不能保留原有數(shù)據(jù)的有效位數(shù)會出現(xiàn)舍入誤差，由于累計計算會造成計算誤差。本儀器使用數(shù)據(jù)的計算全部是由STC12C5410AD完成的，可以直 接執(zhí)行 16 16 bit定點乘法和 32247。 16 bit 定點除法運算，所以有限字長造成的誤差對于本系統(tǒng)而言，可以忽略不計。 硬件誤差主要來自以下四個方面： (1) 傳感器非線性誤差 本系統(tǒng)選用 MQ2 型半導(dǎo)體陶瓷式煙霧傳感器，煙霧濃度與輸出電壓存在一定的非線性，使用折線插值方法進行線性化處理，誤差數(shù)據(jù)參見表 。 (2) 電子元器件參數(shù)的離散性、溫度不穩(wěn)定性造成的誤差 傳感器輸出信號一般比較微弱，需要過數(shù)據(jù)采集前置電路對其進行放 大、濾波、電平調(diào)整，滿足單片機對輸入信號的要求。運放誤差是造 成前置放大誤差的主要原因，運放的輸入失調(diào)電壓，輸入失調(diào)電流是影響電路精度的重要因素。 本設(shè)計選用高輸入阻抗、低噪聲的放大器，可以滿足要求。另外所選的阻容器件都是經(jīng)過精確測量后再焊接上去的，并經(jīng)過仔細(xì)調(diào)試以獲得最佳性能。 (3) 電源造成的誤差 雖然系統(tǒng)采用直流電源供電，但電源不可避免地殘留一定的交流成分而形成噪聲信號 .它們對測控系統(tǒng)的正常運行危害很大。本系統(tǒng)選用 ACDC電源模塊，將 220V市電轉(zhuǎn)化為 5V直流電壓，分別給模擬電路和數(shù)字電路供電。為了盡量減小噪聲，數(shù)字地和模擬地要一點接地，每個芯片的電源就近 接退耦電容。 (4) 環(huán)境、外部噪聲引起的誤差 環(huán)境因素包括環(huán)境溫度、濕度、空氣中的塵埃等。對本系統(tǒng)來說，空氣中的成分對系統(tǒng)的探頭和單片機及其外圍電路影響很小，在進行測量時不用進行補償。但環(huán)境溫度、濕度對傳感器有一定的影響。但是溫濕度的影響相對于系統(tǒng) 5%LEL 的精度要求，可以忽略不計。另外，系統(tǒng)還受到各種外部電磁噪聲的干擾，設(shè)計上，把探測器與控制器之間的信號線用屏蔽電纜連接。在電路板布線時，注意抗干擾設(shè)計。 本章介紹了煙霧報警器的誤差來源，分析了系統(tǒng)中的硬件電路引入誤差和軟件所帶來的 誤差。給出了煙霧濃度信號的實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析。經(jīng)過現(xiàn)場標(biāo)定及測試，達到了預(yù)期的設(shè)計效果。 結(jié) 論 煙霧檢測報警器可保障生產(chǎn)與生活的安全，避免火災(zāi)和爆炸事故以及煤氣中毒的發(fā)生，它是防火、防爆和安全生產(chǎn)所必備的儀器，具有廣闊的市場空間與發(fā)展前景。 本論文在對煙霧傳感器和報警技術(shù)進行深入研究的基礎(chǔ)上，全面比較國內(nèi)外同類產(chǎn)品的技術(shù)特點，合理地確定系統(tǒng)的設(shè)計方案。并對儀 器的整體設(shè)計和各個組成部分進行了詳細(xì)的分析和設(shè)計。 本論文設(shè)計的煙霧報警器由煙霧信號采集電路與單片機控制電路兩大部分構(gòu)成。 根據(jù)設(shè)計要求、使用 環(huán)境、成本等因素，選用 MQ2 型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器。該傳感器是對以烷類煙霧為主的多種煙霧有良好敏感特性的廣譜型半導(dǎo)體敏感器件。它的靈敏度適中，具有響應(yīng)與恢復(fù)特性好，長期工作穩(wěn)定性、重現(xiàn)性、不易受環(huán)境影響及抗溫濕度影響等優(yōu)點。 在系統(tǒng)單片機控制電路的設(shè)計上，采用了高性能、高整合度的 STC12C5410AD單片機作為核心芯片，充分利用了其高速數(shù)據(jù)處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)，實現(xiàn)了儀器的小型化和智能化。使儀器具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、體積小、成本低等優(yōu)點。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)時伺，保證傳感器準(zhǔn)確地、穩(wěn)定地工作，需要向煙霧傳感器持續(xù)供給 5V 的加熱電壓。為了保證傳感器加熱工作的可靠性，當(dāng)傳感器加熱絲斷線或傳感器接觸不良時，能夠進行故障報 警。 煙霧報警器能在較寬的溫度范圍工作，可將煙霧濃度顯示用LCD 顯示。當(dāng)煙霧的濃度達到設(shè)定的濃度時，發(fā)出聲光報警。還具有故障自診斷功能快速重復(fù)檢測和延時報警功能。報警器還可以與上位機 (PC)進行通信，實時傳輸煙霧濃度檢測數(shù)據(jù)，由上位機記錄保存，也可以利用上位機完成實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時檢測和控制等功能。 在本論文研制的 報警器的基礎(chǔ)上，可以再做適當(dāng)?shù)墓δ軘U展，使可燃性煙霧報警器的功能更加完善，安全性更高，使用更加方便等。為了能夠進一步提高安全性，可以在自動聲光報警的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)帶動煙霧 管道關(guān)斷等功能。 應(yīng)用程序以 C語言編寫，充分利用芯片資源，提高了測量精度和代碼執(zhí)行效率，減小了代碼容量，采用中位值平均數(shù)字濾波算法對經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行濾波處理。這種方法既可濾去脈沖干擾又可濾去小的隨機干擾，不但最大限度地排除現(xiàn)場噪聲干擾，降低煙霧報警器誤報概率，而且易于在單片機中實現(xiàn)。 通過現(xiàn)場標(biāo)定及測試，分析煙霧濃度信號的實 驗數(shù)據(jù)，計算本報警器顯示煙霧濃度與實際濃度之間的誤差為 %LEL，在所規(guī)定誤差范圍177。 5%LEL 之內(nèi)，滿足檢測要求，達到了預(yù)期的設(shè)計效果的結(jié)論。 參考文獻 [1]陳連生 . 可燃煙霧探測器及其設(shè)置安裝要領(lǐng) . 石油工程建設(shè) . 1996(1): 23~25 [2]張保衛(wèi) , 尚家峰 , 趙金水 . 燃?xì)鈭缶鞯姆诸惻c選擇 . 山東消防 , 2021(8): 27~28 [3]彭軍 . 傳感器與檢測技術(shù) . 西安電子科技大學(xué)出版社 , 2021: 263~315 [4]李永生 , 楊莉玲 . 半導(dǎo)體氣敏元件的選擇性研究 . 傳 感器技術(shù) , 2021(3): 1~3 [5]Yoon D h, Yu J h, Choi