【正文】 xscout=0。(clear_biao==0)) //采集定時(shí)程序 { jia3++。(over_biao==0)amp。 yure_biao=1。 YS=~YS。另外，系統(tǒng)還受到各種外部電磁噪聲的干擾，設(shè)計(jì)上，把探測(cè)器與控制器之間的信號(hào)線用屏蔽電纜連接。 (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。另外所選的阻容器件都是經(jīng)過(guò)精確測(cè)量后再焊接上去的，并經(jīng)過(guò)仔細(xì)調(diào)試以獲得最佳性能。 硬 件誤差主要來(lái)自以下四個(gè)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(jìn)行線性化處理，誤差數(shù)據(jù)參見(jiàn)表 和圖 。 軟件誤差主要來(lái)自以下兩個(gè)方面： (1)A/D 轉(zhuǎn)換量化誤差 STC12C5410AD 單片機(jī)的內(nèi)部 A/D 轉(zhuǎn)換器為 12bit，輸入單片機(jī)模擬電壓信號(hào) 0~，參考電壓 ， A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入模擬信號(hào)的最 大 分 辨 率 為 ?1= ， 因 此 可 求 得 A/D 轉(zhuǎn) 換 誤 差 為==%。 5%之內(nèi)。 5%范圍內(nèi)。 本設(shè)計(jì)中設(shè)定甲烷的爆炸下限為 10%體積比，對(duì)應(yīng)的報(bào)警限設(shè) 在 20%LEL，也就是甲烷含量為 2%體積比時(shí)報(bào)警器報(bào)警。一般可燃煙霧檢測(cè)儀的測(cè)量范圍為 0~100%LEL。爆炸極限一般用體積百分比濃度表示。燃燒與爆炸 沒(méi)有嚴(yán)格的區(qū)分。 煙霧的濃度過(guò)低或過(guò)高時(shí)是沒(méi)有危險(xiǎn)的，只有與空氣混合形成混合氣或更確切地說(shuō)遇到氧氣形成一定比例的混合氣才會(huì)發(fā)生燃燒或爆炸。 圖 鍵盤(pán)處理子程序 5. 實(shí)驗(yàn)檢定及誤差分析 煙霧檢測(cè)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(cè)報(bào)警器選用“ %LEL”作為煙霧的測(cè)量單位及衡量標(biāo)準(zhǔn)，下面介紹關(guān)于 LEL 的相關(guān)概念。為防止誤報(bào)，在程序設(shè)計(jì)上，對(duì)煙霧濃度進(jìn)行快速重復(fù)檢測(cè)和延時(shí)報(bào)警，以區(qū)別出是管道中煙霧的泄漏，還是由于暫短打開(kāi)閥門(mén)產(chǎn)生的可燃煙霧的微量散失，防止誤報(bào)。中位值平均濾波法的程序流程圖如圖 所示。這種方法既可濾去脈沖干擾又可濾去小的隨機(jī)干擾。 圖 主程序初始化流程圖 中位值平均濾波法數(shù)字濾波子程序設(shè)計(jì)及流程圖 在煙霧傳感器對(duì)煙霧濃度采樣時(shí)，可能會(huì)遇到尖脈沖干擾的現(xiàn)象。首先設(shè) 定定時(shí)初值 50ms，利用 IAP 寫(xiě)入 EEPROM，作為取值間隔。同時(shí)送入段式液晶顯示煙霧濃度值。首先要給傳感器預(yù)熱三分鐘，因?yàn)?MQ2 型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器在不通電存放一段時(shí)間后，再次通電時(shí)，傳感器不能立即正常采集煙霧信息，需要一段時(shí)間預(yù)熱。 用戶(hù)可以通過(guò)調(diào)試環(huán)境軟件的人機(jī)對(duì)話(huà)界面，在程序中設(shè)置斷點(diǎn)，在STC12C5410AD 中，可以同時(shí)設(shè)置 3 個(gè)硬件斷點(diǎn)，它是經(jīng)過(guò)串口的傳輸，由芯片中的幾組斷點(diǎn)條件寄存器實(shí)現(xiàn)的。 STC12 系列單片機(jī)下載程序使用的是宏晶科技自行開(kāi)發(fā)的 STC 單片機(jī) ISP 下載編程軟件。開(kāi)發(fā)人員可用 IDE 本身或其它編輯器編輯 C或匯編源文件。 KeilC51 軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全Windows 界面。當(dāng)傳感器正常連接時(shí)，電阻和傳感器分壓，此時(shí)電阻兩端有微弱的電壓，單片機(jī)可以通過(guò) (AD)口檢測(cè)到；如果傳感器電源連接不正常，則會(huì)產(chǎn)生斷路，檢測(cè)到電阻兩端電壓為 0。紅燈閃亮表示環(huán)境中可燃煙霧濃度超過(guò)報(bào)警限值，提醒用戶(hù)盡快作相應(yīng)安全措施。 C 接口方式： 8 線并行接口 圖 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 狀態(tài)指示燈及控制鍵電路 狀態(tài)指示燈及控制鍵電路圖如圖 所示。本報(bào)警器采用單片機(jī) STC12C5410AD 的 PWM 功能，如果煙霧濃度達(dá)到報(bào)警限，單片機(jī)控制 (PWM)口輸出占空比一定的脈沖，報(bào)警時(shí)蜂鳴器會(huì)發(fā)出如警車(chē)警笛的聲音。而電壓跟隨器的作用就如上面介紹的，它只是用來(lái)匹配阻抗用的，防止 R3和 R4 對(duì)滑動(dòng)變阻器輸出電壓的影響。高輸入阻抗就可以減少放大電路對(duì)前端電路的影響，同時(shí)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(shè)計(jì)。因?yàn)椴淮嬖凇疤摰亍爆F(xiàn)象，所以其輸入端有較高的共模輸入電壓。 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(lái)的信號(hào) Vi經(jīng)過(guò)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(guò)電阻 R4接到反相輸入端，同時(shí)，反相輸入端通過(guò)電阻 R3接到參考電壓 Vref。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(gè)參考電阻，再經(jīng)過(guò)一個(gè)放大電路即可發(fā)送給 ADC 采集。因此，它的開(kāi)發(fā)工具較為簡(jiǎn)單，只需 1套 PC 環(huán)境下的調(diào)試軟件和 1 個(gè)連接于并口的仿真器。這樣， A/D 轉(zhuǎn)換和 I/O 口可以靈活的運(yùn)用，節(jié)省了軟件及時(shí)間。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。在對(duì)同一個(gè) I/O 口進(jìn)行操作前要選擇 其要實(shí)現(xiàn)的功能，這樣大大地增強(qiáng)了端口的功能和靈活性。這樣就可實(shí)現(xiàn)無(wú)干擾地更新 PWM。由于所有模塊共用僅有的 PCA 定時(shí)器，所有它們的輸出頻率相同。 Flash 存儲(chǔ)器主要用作程序存儲(chǔ)，可經(jīng)計(jì)算機(jī)串口接口下載程序；程序運(yùn)行時(shí)能對(duì)其中的 1 段或多段進(jìn)行擦、寫(xiě)操作，因此兼有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器功能。 STC12C5410AD 單片機(jī)的特點(diǎn) STC12C5410AD 單片機(jī)較以往的單片機(jī)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(jìn)一步小型化和便攜化。 STC12C54xxAD系列單片機(jī)有 6種型號(hào)：分別是 STC12C5412AD、 STC12C5410AD、STC12C5408AD、 STC12C5406AD、 STC12C5404AD、和 STC12C5402AD。 為適用于本論文設(shè)計(jì)的煙霧檢測(cè)報(bào)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(yǔ)言編程溢出問(wèn)題的單片機(jī)。所以如果用 C 語(yǔ)言進(jìn)行 STC 編程設(shè)計(jì)容易堆棧溢出。 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(jiǎn)指令集，抗干擾性好，可靠性高，但是存在溢出隱患問(wèn)題。在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能中，將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)做數(shù)字 濾波，再進(jìn)行線性化處理，然后送 LCD顯示，這一過(guò)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(cè)人員能夠觀測(cè)到實(shí)時(shí)的煙霧濃度，并進(jìn)行相應(yīng)處理。在單片機(jī)完成這些的工作中，尤其是信號(hào)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(cè)人員能夠較準(zhǔn)確地觀測(cè)到煙霧濃度，并根據(jù)情況做進(jìn)行相應(yīng)處理。 lHz。 (9)指示方式：數(shù)字顯示，可顯示被測(cè)煙霧 LEL%及設(shè)定報(bào)警限值。 C~500176。 (5)報(bào)警器工作方式：現(xiàn)場(chǎng)固定安裝，自然擴(kuò)散進(jìn)行采樣，長(zhǎng)年連續(xù)運(yùn)行。 (2)檢 測(cè)范圍： 0~100%LEL。 (5)看門(mén)狗自檢單片機(jī)狀態(tài)功能 調(diào)用單片機(jī)中的看門(mén)狗程序，定時(shí)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(bào)警器工作正常。 (2)煙霧濃度顯示 通過(guò)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(guò)鍵盤(pán)設(shè)置或者更改報(bào)警限值，以便于用戶(hù)或檢測(cè)人員隨時(shí)觀測(cè)煙霧濃度及更改報(bào)警限。 報(bào)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(hào)采集、濃度顯示、時(shí)間顯示、狀態(tài)顯示、聲音及閃爍報(bào)警、按鍵輸入、故障自檢等功能。當(dāng)傳感器加熱絲或電纜線和傳感器斷線或接觸不良時(shí)，進(jìn)行故障報(bào)警，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。 首先，傳感器送來(lái)的煙霧濃度對(duì)應(yīng)的微小的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，轉(zhuǎn)化成較大的電壓信號(hào)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理，將數(shù)字化電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成為對(duì)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(bào)警限，當(dāng)濃度處于正常狀態(tài)綠燈長(zhǎng)亮，當(dāng)煙霧濃度超出設(shè)定的限定值時(shí)，發(fā)出聲音報(bào)警并伴隨紅燈閃亮。當(dāng)加熱絲斷路時(shí)，由于熱惰性緣故，煙霧傳感器的氣敏特性并不立即消失，此時(shí)檢測(cè)必出現(xiàn)較大的誤差。所以必須使用傳感器生產(chǎn)廠家推薦的加熱電壓，使其工作在較安全的范圍內(nèi)。一般情況下，不通電時(shí)間越長(zhǎng)，初期穩(wěn)定時(shí)間也越長(zhǎng)，當(dāng)不通電存放時(shí)間達(dá)到 15 天左右時(shí)，初期穩(wěn)定時(shí)間一般需要 5分鐘左右。 n 為與檢測(cè)煙霧，器件材料有關(guān)，并隨測(cè)試溫度和材料中有無(wú)增感劑而有所不同。 。 (b)MQ2型傳感器具有良好的重復(fù)性和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。而當(dāng)空氣中沒(méi)有煙霧時(shí)，二氧化錫半導(dǎo)體又會(huì)自動(dòng)恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附，使電阻值升高到初始狀 態(tài)。 C溫度時(shí)，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。半導(dǎo)體氣敏元件也有 N型和 P型之分。因此，本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體煙霧傳感器作為報(bào)警器煙霧信息采集部分的核心。一般連續(xù)使用兩個(gè)月后應(yīng)對(duì)傳感器進(jìn)行量程校準(zhǔn)，這種經(jīng)常性對(duì)傳感器的維護(hù)，無(wú)形中加大了工作人員的工作量，同時(shí)增加了報(bào)警器的維護(hù)成本。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(zhǎng)期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會(huì)不斷下降，導(dǎo)致傳感器最終喪失檢測(cè)煙霧的能力。由于非碳?xì)浠衔镆兹紵熿F (如氫 )不吸收電磁譜中 IR 部分的能量，所以這種傳感器可以精確地測(cè)量碳?xì)浠衔?，并具有最小的交叉靈敏度，而且不受其它煙霧的腐蝕以及高濃度目標(biāo)煙霧的影響。在測(cè)量和比較元件中，紅外射線被煙霧 有選擇地吸收了。目前國(guó)際上絕大部分毒氣檢測(cè)采用該類(lèi)型 傳感器。 (e)電化學(xué)傳感器 電化學(xué)傳感器由膜電極和電解液封裝而成。 (d)高分子煙霧傳感器 利用高分子氣敏材料制作的煙霧傳感器近年來(lái)得到很大的發(fā)展。 (c)接觸燃燒式傳感器 當(dāng)易燃煙霧接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時(shí)會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)而燃燒，故得名接觸燃燒式傳感 器。按照敏感機(jī)理分類(lèi)，可分為電阻型和非電阻型。 (3)常見(jiàn)煙霧傳感器簡(jiǎn)介 下面對(duì)工業(yè)上常用的幾種煙霧傳感器作簡(jiǎn)單介紹。 (b)利用物理性質(zhì)的煙霧傳感器：如熱導(dǎo)煙霧傳感器、光干涉煙霧傳感器、紅外傳感器等。 煙霧傳感器的選型 煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，是氣 電變換器，它將可燃性氣體在空氣中的含量 (即濃度 )轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號(hào)，通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后 送到單片機(jī)，進(jìn)而由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、濃度處理及報(bào)警控制等工作。以上是根據(jù)報(bào)警器應(yīng)具備的功能，提出的整體設(shè)計(jì)思路。單片機(jī)對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行 濾波處理，并對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，是否大于或等于某個(gè)預(yù)設(shè)值 (也就是報(bào)警限 )，如果大于則啟動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警聲音，反之則為正常狀態(tài)。 (2)擴(kuò)展部分 (a)再加入一路傳感器信號(hào)采集電路，利用雙通道數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)采集的優(yōu)化，主要是利用輔助的一路進(jìn)行修正主傳感器，以提高精度和可靠性。 (c)系統(tǒng)的軟件編制。此種儀器廣泛應(yīng)用于 液化氣站、汽車(chē)加油站、鍋爐房等工業(yè)場(chǎng)所。若有燃?xì)庑孤?，檢漏儀便會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)數(shù)字顯示煙霧濃度，以便及時(shí)采取安全措施，防止爆炸等惡性事故的發(fā)生。有的報(bào)警器可自動(dòng)開(kāi)啟排風(fēng)扇，把煙霧排出室外 。但主要是在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的傳感器技術(shù)和先進(jìn)的生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)形成自己的特色。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，美國(guó) 1996 年 ~2020 年煙霧傳感器年均增長(zhǎng)率為 27%~30%。 近十年來(lái)，農(nóng)村的沼氣使用也得到了極大的發(fā)展。 2020 年 12月，國(guó)家執(zhí)行新的煙霧探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn) (GB 153222020)《可燃煙霧探測(cè)器》， 2020年 10月國(guó)家頒布《可燃煙霧檢測(cè)報(bào)警器規(guī)程 JJG6932020》，研究新型、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)可燃性氣體，并合乎國(guó)家相關(guān)規(guī)定的報(bào)警器具有極其重要得意義。 煙霧檢測(cè)報(bào)警裝置是能夠檢測(cè)環(huán)境中的煙霧濃度并具 有報(bào)警功能的儀器。 為了減少這類(lèi)事故的發(fā)生，就必須對(duì)煙霧進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)，采用先進(jìn)可靠的安全檢測(cè)儀表，嚴(yán)密監(jiān)測(cè)環(huán)境中煙霧的濃度， 及早發(fā)現(xiàn)事故隱患，采取有效措施，避免事故發(fā)生，才能確保工業(yè)安全和 家庭生活安全。 關(guān)鍵詞：煙霧；報(bào)警器； STC12C5410；傳感器 。選用的 STC12C5410AD 單片機(jī)，其整合了 A/D 轉(zhuǎn)換、硬件乘法器、硬件脈寬調(diào)制器等資源，具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等優(yōu) 點(diǎn)，是目前同類(lèi)技術(shù)中性?xún)r(jià)比較高的品。傳感器技術(shù)已成為衡量一個(gè)國(guó)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(lèi)傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。 以 STC12C5410AD單片機(jī)和 MQ2型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器為核心設(shè)計(jì)的煙霧報(bào)警器可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警、故障自診斷、濃度顯示、報(bào)警限設(shè)置、延時(shí)報(bào)警及與上位機(jī)串口通信等功能。 電路 ABSTRACT While “information age” the arrival, obtained the remarkable progress as the gain information method sensor technology, its application domain is more and more widespread, is more and more high to its request, the dem