【導讀】顯著的進步，其應用領(lǐng)域越來越廣泛，對其要求越來越高，需求越來越迫切。傳感器技術(shù)已成為衡量一個國家科學技術(shù)發(fā)展水平的重要標志之一。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。結(jié)合，設(shè)計出一種技術(shù)水平較好的煙霧報警器。其中選用MQ-2型半導體可。擾能力強等優(yōu)點，而且價格低廉，使用壽命長。低功耗、超強抗干擾等優(yōu)點，是目前同類技術(shù)中性價比較高的品。報警及與上位機串口通信等功能。是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便、具有一定的實用價值。Keyword:Smog；alarmapparatus；STC12C5410；sensor；circuit. 煙霧檢測報警器工作原理.....

　　

【正文】 (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準，下面介紹關(guān)于 LEL 的相關(guān)概念。 “ LEL”是指爆炸下限?？扇紵熿F在空氣中遇明火種爆炸的最低濃度，稱為爆炸下限 (LowerExplosionLimited)，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 (UpperExplosionLimited),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，它必須具備三個要素：可燃物（燃氣）；助燃物（氧氣）；點火源（溫度）?？扇細獾娜紵梢苑譃閮深?，一類是擴散燃燒，即揮發(fā)的或從設(shè)備中噴出、泄漏的可燃氣，遇到點火源混合燃燒。另一類燃燒，是可燃氣與空氣混合著火燃燒，這種燃燒反應激烈而速度快，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)的可燃氣作了燃燒爆炸分析，制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，混合氣中的可燃氣的含量不足，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，可燃氣的燃燒與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 100%LEL，也就是說，當檢測儀數(shù)值到達 10%LEL 報警點時，相當于此時甲烷的含量為 %體積比。當檢測儀數(shù)值到達 20%LEL 報警點時，相當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。 實驗數(shù)據(jù)分析 因為家用煤氣中主要成分為甲烷，所以本實驗在煙霧標定時，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數(shù)據(jù)如表 所示。 表 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 所示。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)+(xxi)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的電壓值，xi是區(qū)間的下限濃度對應電壓值， xi 是區(qū)間的 上限濃度對應電壓值， 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： 濃度（ %） 電壓（ V） 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 (1)0%~10%LELf(x)=?+ (2)10%~20%LELf(x)=?+ (3)20%~40%LELf(x)=?+ (4)40%~50%LELf(x)=?+ (5)50%~60%LELf(x)=?+ (6)60%~80%LELf(x)=?+ (7)80%~100%LELf(x)=?+ 經(jīng)實驗的標定，實際煙霧濃度與顯示濃度誤差對比如表 所示： 表 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 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。 實驗誤差分析 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 12bit，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 ?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 16bit 定點乘法和 32247。16bit 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 和圖 。 (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。 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) [M]. 石油工程建設(shè) .1996(1):2325. 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