【導(dǎo)讀】本文通過對火災(zāi)煙霧的分析與研究，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單片機(jī)的火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)。的作用，達(dá)到有效的預(yù)防火災(zāi)和控制火情的目的。其中選用MQ-2型半導(dǎo)體可燃?xì)怏w敏感元件煙霧傳感器。實(shí)現(xiàn)煙霧信號的采集，具有抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，而且價(jià)格低廉，選用的AT89S52單片機(jī)，其整合了硬件乘法器、A/D轉(zhuǎn)換、硬件脈寬調(diào)制。是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便、價(jià)格低廉、智能化的煙霧報(bào)警器。一定的實(shí)用價(jià)值。

　　

【正文】 位到地址 00H位置 指令 2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址 00H 指令 3：光標(biāo) 和顯示模式設(shè)置 I/D：光標(biāo)移動(dòng)方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效 指令 4：顯示開關(guān)控制。 D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示 C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo) B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍 指令 5：光標(biāo)或顯示移位 S/C：高電平時(shí)移動(dòng)顯示的文字，低電平時(shí)移動(dòng)光標(biāo) 指令 6：功能設(shè)置命令 DL：高電平時(shí)為 4位總線，低電平時(shí)為 8位總線 N：低電平時(shí)為單行顯示，高電平時(shí)雙行顯示 F: 低電平時(shí)顯示 5x7的點(diǎn)陣字符，高電平時(shí)顯示 5x10的點(diǎn)陣字符 指令 7：字符發(fā)生器 RAM地址設(shè)置 指令 8： DDRAM地址設(shè)置 指令 9：讀忙信號和光標(biāo)地址 BF：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時(shí)模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。 指令 10：寫數(shù)據(jù) 指令 11：讀數(shù)據(jù) 3 硬件設(shè)計(jì) 28 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng) （ 1） 單片機(jī) 9腳接復(fù)位電路，可按復(fù)位按鈕 S1 給單片機(jī)復(fù)位。 （ 2） 晶振采用 12MHZ。 （ 3） 由于單片機(jī)只訪問片內(nèi) Flash ROM并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令，因此 單片機(jī)的 31 腳接高電平 VCC。 DS18B20 測溫電路 29 圖 DS18B20 電路 DS18B20 的 1 腳接地， 2 腳數(shù)據(jù)端接單片機(jī)的 ， 3腳接 VCC，為了確保 DS18B20工作可靠， 2腳要接 10K 的上拉電阻。 報(bào)警電路 圖 蜂鳴器電路 30 本系統(tǒng)中采用蜂鳴器報(bào)警，由于單片機(jī)輸出電流較小，所以用三極管 9013 驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲音。 液晶顯示電路 本系統(tǒng)的顯示部分采用 LCD1602字符顯示模塊，與采用數(shù)碼管相比，硬件連接和軟件調(diào)試上都由優(yōu)勢。只要把要顯示的內(nèi)容放進(jìn)液晶模塊 的顯示存儲(chǔ)器里面就可以直觀的顯示出指定的內(nèi)容，操作方便。 LCD1602與單片機(jī)的連接圖，如圖 ： 圖 LCD液晶顯示屏與單片機(jī)接口硬件連接圖 其中，單片機(jī)的 ~ LCD1602的 4~6引腳相連，因?yàn)?AT89S52單片機(jī)的 P0口沒有上拉電阻，所以在它們中間接一個(gè) ，它們數(shù)據(jù)的讀寫功能。單片機(jī)的 ~ LCD1602的 7~14引腳相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)的通訊傳輸。 報(bào)警溫度設(shè)定按鍵電路 31 圖 按鍵電路 報(bào)警溫度用按鍵 S2， S3， S4來 設(shè)置， S2 為調(diào)整鍵，按一次可調(diào)整報(bào)警上限溫度值，按兩次可調(diào)整報(bào)警下限溫度值，按三次數(shù)碼管恢復(fù)到正常溫度顯示。 S5 是緊急呼叫按鍵。 煙霧傳感器轉(zhuǎn)換電路 32 圖 下載電路 煙霧傳感器 MQ2 經(jīng)過 AD0832 轉(zhuǎn)換后接單片機(jī)口。 控制電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用 8550三極管驅(qū)動(dòng)繼電器工作，來控制加熱裝置和制冷裝置， 當(dāng)溫度低于設(shè)定的下限時(shí)，單片機(jī)讓 控制加熱裝置的 繼電器動(dòng)作，同時(shí)點(diǎn)亮綠色發(fā)光二極管，當(dāng)溫度高于設(shè)定的上限時(shí)。單片機(jī)讓 控制制冷裝置的 繼電器動(dòng)作，同時(shí)點(diǎn)亮紅色發(fā)光二極管。 33 圖 控制 電路圖 34 4 軟件設(shè)計(jì) 主程序設(shè)計(jì)及流程圖 主程序流程圖如圖 。首先必須給傳感器預(yù)熱 3分鐘 ,因?yàn)?MQ 2型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器在閑置一段時(shí)間后 ,再上電 ,傳感器無法立即正常工作采集信息 ,需要吸收一些熱量做預(yù)熱。程序初始化后 ,系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。本文主程序設(shè)計(jì)的傳感器預(yù)熱三分鐘 ,預(yù)熱同時(shí) ,傳感器加熱絲故障檢測 ,使用軟件模式檢測傳感器加熱導(dǎo)線是否電纜斷線或接觸不良。 AT89S52 單片機(jī)的傳感器檢測煙霧濃度信號進(jìn)行 A / D 轉(zhuǎn)換、平均值法濾波 ,線性化 ,比較密度和報(bào)警限值而 決定是否報(bào)警。同時(shí)液晶顯示器 (LCD)顯示濃度。主程序包括狀態(tài)燈和按鍵功能設(shè)置 ,中斷子程序等 ,使報(bào)警功能更加完善 ,并給用戶帶來便利。 35 圖 主程序初始化流程圖 主程序初始化流程圖如圖 所示。傳感器預(yù)熱、程序開始執(zhí)行初始化程序 ,這部分功能的實(shí)現(xiàn)包括 I / O 端口輸入 /輸出狀態(tài)寄存器的設(shè)置 ,初始化、中斷待。第一組定 36 時(shí)初始 50 ms,利用 IAP 寫入 EEPROM 作為取值區(qū)間。然后設(shè)置定時(shí)器 0,選擇 1。模式 1狀態(tài)定時(shí)器工作寄存器 TH TL1 是所有 16參與操作。定時(shí)器 0 中斷允許位置 1,打開定時(shí)器 0,關(guān)閉蜂鳴器 ,打開綠色 ,報(bào)警限設(shè)置初始值。 圖 中位值平均濾波法數(shù)字濾波子程序設(shè)計(jì)及流程圖 在煙霧傳感器煙塵濃度采樣 ,可以滿足尖脈沖干擾現(xiàn)象。干擾通常只影響單個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù) ,數(shù)據(jù)和其他樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)相差較大。 如果使用一般平均法 ,經(jīng)過“平均”后將干擾平分到計(jì)算結(jié)果上 ,因此無法消除煙霧濃度采集的偏差。 因此 ,可以采取中值平均濾波方法 (也稱為防脈沖干擾平均濾波方法 ),先比較 N采樣數(shù) 據(jù) ,去除最大值和最小值 ,然后計(jì)算剩余的 N 2 個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。這個(gè)方法可以過濾到脈沖干擾和過濾器帶來的隨機(jī)干擾。確保準(zhǔn)確性的煙霧報(bào)警器檢測濃度 ,減少錯(cuò)報(bào)的可能和誤差。 37 在實(shí)際應(yīng)用中，該 N 值可以任意取值。這里為了方便計(jì)算，將 N 取 A/D 轉(zhuǎn)換連續(xù)進(jìn)行 10 次采樣，排除該最大值和最小值，計(jì)算剩余的八個(gè)的算術(shù)平均值，將該值送入寄存器。 中位值平均濾波法的程序流程圖如圖 所示。 圖 插值法線性化處理子程序設(shè)計(jì)及流程圖 在單片機(jī)測控系統(tǒng) ,靜態(tài)校準(zhǔn)必須在使用前進(jìn)行 ,為了得到輸出信號的關(guān)系以及測量信號輸出曲線 ,用作基礎(chǔ)過程中使用的測量。但校準(zhǔn)曲線的輸出通常不是一個(gè)理想的直線 ,所以要對校準(zhǔn)曲線進(jìn)行線性化處理 ,用擬合線性近似代替輸出曲線 ,線性化的智能 38 儀器是一個(gè)典型的功能。這個(gè)報(bào)警是針對甲烷感煙探測 ,在軟件線性化 ,以傳感器對甲烷的響應(yīng)曲線位基礎(chǔ)。 本文使用 MQ 2 報(bào)警類型傳感器電阻是隨著煙霧濃度的上升和下降的 ,所以輸入電壓的單片機(jī)也降低了。圖 為單片機(jī)采集電壓值和煙霧濃度比例的相應(yīng)曲線 ,我們可以看到 ,這個(gè)電壓值和煙霧濃度是非線性關(guān)系 ,為了實(shí)時(shí)顯示煙霧濃度。需要進(jìn)行線 性化。在誤差范圍內(nèi) ,根據(jù)校準(zhǔn)曲線形狀 ,和單片機(jī)處理能力 ,曲線分成幾個(gè)小的部分 ,對于每個(gè)段落都分別線性化。 圖 根據(jù)分段線性插值法求輸入單片機(jī)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， xi 是區(qū)間的上限濃度對應(yīng)電壓值， N 為所分區(qū)間個(gè)數(shù)， f (x)為實(shí)際煙霧檢測濃度， x 為實(shí)際氣體檢測濃度對應(yīng)的電壓值， f (xi )為區(qū)間上限煙霧濃度值， xi 是 區(qū)間的下限濃度對應(yīng)電壓值， f (xi)為區(qū)間下限煙霧濃度值。 根據(jù)公式 41 設(shè)計(jì)分段插值法線性化程序流程圖如圖 所示。 39 圖 分段插值法線形化程序流程圖 煙霧濃度顯示子程序設(shè)計(jì)及流程圖 本設(shè)計(jì)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]。 40 } 圖 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)子程序 報(bào)警子程序設(shè)計(jì)及流程圖 當(dāng)煙霧濃度超過報(bào)警設(shè)定值 ,報(bào)警出一種近似警笛的聲音 ,并伴有紅色的光芒 ,以提示操作員 采取安全措施或自動(dòng)控制相關(guān)安全裝置 ,以保證安全生產(chǎn) ,避免火災(zāi)和爆炸事故。為確保準(zhǔn)確 ,在程序設(shè)計(jì)中 ,需要對煙霧濃度快速重復(fù)測試和延遲報(bào)警 ,以便區(qū)分是在管煙的煙霧泄漏 ,或是由于短時(shí)間打開閥產(chǎn)生微量的可燃煙霧流失 ,造成的誤報(bào)。報(bào)警程序流程圖如圖 所示。 41 圖 控制按鍵設(shè)計(jì)子程序及流程圖 本報(bào)警器設(shè)計(jì)附加一個(gè)按鍵，功能分別為：確定 (消音 )。按鍵處理子程序流程圖如圖 所示。 42 圖 鍵盤處理子程序 本章小結(jié) 本章闡述了火災(zāi)報(bào)警控制器的軟件設(shè)計(jì)。首先介紹了 設(shè)計(jì)工具的選擇和軟件編程的所需要的開發(fā)環(huán)境，這里選擇的 89C52 系列單片機(jī)，利用 KEIL C51 編程器和 STC 單片機(jī)專用的 ISP 下載軟件開發(fā)完成。然后根據(jù)軟件實(shí)現(xiàn)的功能 ,詳細(xì)設(shè)計(jì) ,描述了幾個(gè)主要部分的軟件過程 ,包括 :主程序設(shè)計(jì)、主程序初始化設(shè)計(jì)、中值平均濾波法的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) ,插值方法線性化處理子程序的設(shè)計(jì)、顯示子程序設(shè)計(jì) ,煙塵濃度報(bào)警子程序設(shè)計(jì)、按鍵處理子程序和串行通信子程序設(shè)計(jì) ,共有八個(gè)部分。 43 5 實(shí)驗(yàn)檢定及誤差分析 煙霧檢測報(bào)警器檢定 爆炸下限 (LEL)概念介紹 本論文設(shè)計(jì)的煙霧檢 測報(bào)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”全稱： Lower Explosion Limited，即爆炸下限。是指可燃煙霧在空氣中遇到明火或高溫時(shí)的最低濃度。” UEL”全稱： Upper Explosion Limited，即爆炸上限。是指可燃煙霧在空氣中遇到明火或者高溫時(shí)的最高濃度。 煙霧的濃度過低或過高當(dāng)并沒有危險(xiǎn) ,只有與空氣混合形成混合氣或者說遇到氧氣形成一定比例的混合物發(fā)生燃燒或爆炸。燃燒是伴隨著發(fā)光發(fā)熱的強(qiáng)烈氧化反應(yīng) ,它必須有三個(gè)要素 :燃料 (天然氣 )。氧氣 。點(diǎn)火源?？扇粴馊紵煞譃閮煞N ,一種是擴(kuò)散燃燒 ,即揮發(fā)性的或從設(shè)備溢出、泄漏氣體 ,遇到火混合燃燒。另一種類型的燃燒 ,氣體和空氣混合物燃燒 ,燃燒反應(yīng)激烈 ,速度很快 ,一般會(huì)產(chǎn)生巨大的壓力和聲音 ,稱為爆炸。燃燒和爆炸沒有嚴(yán)格的區(qū)分。 有關(guān)部門和專家已經(jīng)對可燃?xì)怏w燃燒爆炸的做了分析 ,計(jì)算出爆炸極限 ,它是煙分為爆炸下限和爆炸上限。低于爆炸下限 ,混合氣體含量不足 ,不能引起燃燒或爆炸 ,高于上限的混合氧含量不足 ,會(huì)引起燃燒或爆炸。另外 ,天然氣燃燒、爆炸和煙霧的壓力、溫度、和其他因素 ,如能源的點(diǎn)火。爆炸極限一般 使用體積百分比濃度表示。 可燃煙霧在空氣中濃度只有在爆炸下限 ,爆炸上限之間才會(huì)發(fā)生爆炸。低于爆炸下限或高于爆炸上限是不會(huì)爆炸的。因此 ,在爆炸測量、報(bào)警濃度一般設(shè)置在爆炸下限的25%的爆炸下限以下。一般可燃煙霧探測器的測量范圍為 0 ~ 100%的爆炸下限為最好。甲烷在空氣密度是 9% 11%在遇到明火爆炸 ,超過 11%或低于 9%都不會(huì)爆炸。假設(shè)甲烷爆炸下限是 5%體積比 ,也就是說 ,5%的體積比 ,分成一百等分 ,5%的體積比相應(yīng)的爆炸下限的 100%,也就是說 ,當(dāng)探測器數(shù)值 10%爆炸下限報(bào)警點(diǎn) ,相當(dāng)于甲烷含量為 %體積比。 44 這個(gè)設(shè)計(jì)甲烷爆炸下限是 10%體積比 ,相應(yīng)的報(bào)警限在 20%的爆炸下限 ,也是甲烷含量為 2%體積比時(shí)報(bào)警器報(bào)警。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 由于家庭天然氣主要成分是甲烷 ,所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)在煙霧校準(zhǔn) ,選擇甲烷煙霧。實(shí)際的甲烷煙和單片機(jī)的輸入電壓值對應(yīng)的數(shù)據(jù)如表 所示。 表 濃度（ %） 電壓（ V） 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 從曲線可以看出 ,電壓值和煙霧濃度是非線性關(guān)系 ,為了實(shí)時(shí)顯示氣體濃度 ,需要進(jìn)行線性化 ,使煙塵濃度和實(shí)際誤差在正負(fù) 5%范圍。煙塵濃度和測量電壓值線性圖如圖 顯示。對線性化處理后的曲線 ,根據(jù)曲線的形狀 ,煙霧濃度分為 7個(gè)部分。 直線方程 f(x) = f (xi ) + (x xi ) f (xi ) f (xi )/（ xi – xi） i =1,2,3L,7 (51) 45 其中， xi 是區(qū)間的上限濃度對應(yīng)電壓值， x 為實(shí)際煙霧檢測濃度對應(yīng) 的電壓值， f (x)為實(shí)際煙 霧檢測 LEL 濃度， xi 是區(qū)間的下限濃度對應(yīng)電壓值， f (xi )為區(qū)間上限點(diǎn)煙霧LEL 濃度值， f (xi)為區(qū)間下限點(diǎn)煙霧 LEL 濃度值，根據(jù)公式 51 計(jì)算出 7 個(gè)直線方程式，如下： (1) 60%~80%LEL f (x) = + (2) 0%~10%LEL f (x) = + (3) 80%~100%LEL f (x) = + (4) 40%~50%LEL f (x) = + (5) 20%~40%LEL f (x) = + (6) 10%~20%LEL f (x) = + (7) 50%~60%LEL f (x) = + 經(jīng)實(shí)驗(yàn)的標(biāo)定，實(shí)際煙霧濃度與顯示濃度誤差對比如表 所示： 濃度（