【正文】 5%LEL 之內(nèi)，滿足檢測要求，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果的結(jié)論。這種方法既可濾去脈沖干擾又可濾去小的隨機(jī)干擾，不但最大限度地排除現(xiàn)場噪聲干擾，降低煙霧報(bào)警器誤報(bào)概率，而且易于在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)。為了能夠進(jìn)一步提高安全性，可以在自動(dòng)聲光報(bào)警的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)煙霧 管道關(guān)斷等功能。報(bào)警器還可以與上位機(jī) (PC)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)傳輸煙霧濃度檢測數(shù)據(jù)，由上位機(jī)記錄保存，也可以利用上位機(jī)完成實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測和控制等功能。當(dāng)煙霧的濃度達(dá)到設(shè)定的濃度時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警。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(shí)，能夠進(jìn)行故障報(bào) 警。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(shí)間和恢復(fù)時(shí)間就越快。 在系統(tǒng)單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)上，采用了高性能、高整合度的 STC12C5410AD單片機(jī)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(shí)現(xiàn)了儀器的小型化和智能化。該傳感器是對(duì)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。 本論文設(shè)計(jì)的煙霧報(bào)警器由煙霧信號(hào)采集電路與單片機(jī)控制電路兩大部分構(gòu)成。 本論文在對(duì)煙霧傳感器和報(bào)警技術(shù)進(jìn)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(diǎn)，合理地確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過現(xiàn)場標(biāo)定及測試，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。 本章介紹了煙霧報(bào)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。另外，系統(tǒng)還受到各種外部電磁噪聲的干擾，設(shè)計(jì)上，把探測器與控制器之間的信號(hào)線用屏蔽電纜連接。但環(huán)境溫度、濕度對(duì)傳感器有一定的影響。 (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。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。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。運(yùn)放誤差是造 成前置放大誤差的主要原因，運(yùn)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。 硬件誤差主要來自以下四個(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)參見表 。本儀器使用數(shù)據(jù)的計(jì)算全部是由STC12C5410AD完成的，可以直 接執(zhí)行 16 16 bit定點(diǎn)乘法和 32247。 軟件誤差主要來自以下兩個(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 12 bit，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 212 ?1 = ，因此可求得 A/D轉(zhuǎn)換誤差為 ==%。 在測量儀器的實(shí)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。 5%之 內(nèi)。 對(duì)曲線作線性化處理時(shí)，根據(jù)曲線的走勢，將煙霧濃度分成 7段。 5%范圍內(nèi)。實(shí)際甲烷煙霧與進(jìn)入到單片機(jī)輸入端的電壓值對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)如表 。 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。假定甲烷的爆炸下限為 5%體積比，那也就是說，把這個(gè) 5%體積比，一百等分，讓5%體積比對(duì)應(yīng) 100%LEL，也就是說，當(dāng)檢測儀數(shù)值到達(dá) 10%LEL報(bào)警點(diǎn)時(shí)，相當(dāng)于此時(shí)甲烷的含量為 %體積比。一般可燃煙霧檢測儀的測量范圍為 0~100%LEL。低于爆炸下限或高于爆炸上限都不會(huì)發(fā)生爆炸。爆炸極限一般用體積 百分比濃度表示。低于爆炸下限，混合氣中的可燃?xì)獾暮坎蛔悖荒芤鹑紵虮?，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。燃燒與爆炸 沒有嚴(yán)格的區(qū)分?？扇?xì)獾娜紵梢苑譃閮深悾? 一類是擴(kuò)散燃燒，即揮發(fā)的或從設(shè)備中噴出、泄漏的可燃?xì)?，遇到點(diǎn)火源 混合燃燒。 煙霧的濃度過低或過高時(shí)是沒有危險(xiǎn)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(huì)發(fā)生燃燒或爆炸。 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。 第五章 實(shí)驗(yàn)檢定及誤差分析 (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。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(jī)，應(yīng)用KEIL C51編程器和 STC單片機(jī)專用 ISP 下載軟件開發(fā)完成。按鍵處理子程序流程圖如圖 。報(bào)警子程序流程圖如圖 。 } 圖 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)子程序 當(dāng)煙霧濃度超過報(bào)警設(shè)定值時(shí)，報(bào)警器發(fā)出一種近似警笛的鳴叫聲，對(duì)應(yīng)通道的紅燈閃亮，以提示操作人員采取安全對(duì)策或自動(dòng)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。 圖 分段插值法線形化程序流程圖 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。 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(duì)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(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(duì)應(yīng)的電壓值 ， xi 是區(qū)間的下限濃度對(duì)應(yīng)電壓值， xi 是區(qū)間的上限濃度對(duì)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。圖 為單片機(jī)采集電壓值與煙霧濃度百分比的對(duì)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(shí)時(shí)顯示煙霧濃度 .需要對(duì)其進(jìn)行線性化處理。該報(bào)警器主要針對(duì)甲烷煙霧檢測，在軟件線性化處理時(shí)，以傳感器對(duì)甲烷的響應(yīng)曲線為依據(jù)。 圖 在單片機(jī)測控系統(tǒng)中，使用之前必須進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，以得到輸出信號(hào)與被測信號(hào)的關(guān)系輸出曲線，用來作為使用過程中的計(jì)量依據(jù)。即調(diào)用 A/D連續(xù)進(jìn)行 10 次采樣，去掉其中的最大值和最小值，計(jì)算其余 8 個(gè)值的平均值，將這個(gè)平均值送入寄存器。保證報(bào)警器檢測煙霧濃度的準(zhǔn)確性，減小誤報(bào)、錯(cuò)報(bào)的可能。 為此，可采取中位值平均濾波法 (又稱防脈沖干擾平均濾波法 )，先對(duì) N個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，去掉其中的最大值和最小值，然后計(jì)算余下的 N– 2 個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。干擾通常只影響個(gè)別采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)與其他采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)相差比較大。接下來定時(shí)器 0中斷允許位置 1，打開定時(shí)器 0，關(guān)閉蜂鳴器，開啟綠燈，設(shè)置報(bào)警限初 值。然后設(shè)置定時(shí)器 0，選擇方式 1。給傳感器預(yù)熱后，程序開始執(zhí)行 初始化子程序，這部分實(shí)現(xiàn)的功能包括各種 I/O 口輸入輸出狀態(tài)的設(shè)定、 寄存器初始化、中斷使能等。主程序還包括狀態(tài)指示燈及按鍵功能設(shè)置，中斷子程序等，使報(bào)警器功能更加完善，給用戶帶來便利。 STC12C5410AD 單片機(jī)對(duì)傳感器檢測的煙霧濃度信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn) 換、平均值法濾波、線性化處理后，將濃度值與報(bào)警限設(shè)定值相比較，判斷是否報(bào)警。程序初始化結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。 主程序流程圖如圖 所示。 用戶可以通過調(diào)試環(huán)境軟件的人機(jī)對(duì)話界面，檢查或修改Flash 芯片 內(nèi)的各種存儲(chǔ)器、寄存器的數(shù)據(jù)。 當(dāng)用戶將源程序 (匯編語言或 C 語言 )經(jīng)語法檢查無誤并生成代碼時(shí)， 就可以將程序代碼下載到 Flash 芯片中 [31]，而用戶的系統(tǒng)可以是在線狀態(tài)。本論文程序調(diào)試過程中，使用的是 。ABS 文件由 OH51轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 Hex 文件，以供調(diào)試器 dScope51或 tScope51使用進(jìn)行源代碼級(jí)調(diào)試，也可由仿真器使用直接對(duì) 目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如 EPROM中。然后分別由 C51 及 A51編譯器編譯生成目標(biāo)文件 (.OBJ)。 C51工具包的整體結(jié)構(gòu)中，μ Vision 與 Ishell 分別是 C51 for Windows 和 for Dos 的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個(gè)開發(fā)流程。另外重要的一點(diǎn)， Keil C51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之 高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。 第四章 煙霧檢測報(bào)警器的軟件設(shè)計(jì) STC12系列單片機(jī)調(diào)試及開發(fā)工具 本系統(tǒng)的軟件編程使用的是美國 Keil Software 公司出品的Keil C51，是 51系列兼容單片機(jī) C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢。從設(shè)計(jì)要求及對(duì) STC12系列單 片機(jī)性能指標(biāo)、價(jià)格及節(jié)省儀表空間考慮，選用STC12C5410AD 單片機(jī) 作為該報(bào)警系統(tǒng)的核心控制器。 本章 闡述了煙霧報(bào)警器的硬件設(shè)計(jì)。 圖 傳感器電源連接自診斷電路 (2)判斷傳感器信號(hào)端連接情況 另一種情況是判斷傳感器信號(hào)端是否連接正確，此時(shí)不需要外加電路，在傳感器預(yù)熱 2分鐘后，測量傳感器信號(hào)的輸出電壓，如果電壓為 5V，則說明傳感器的信號(hào)端連接不正常。 圖 狀態(tài)指示燈電路圖 圖 控制按鍵連接示意圖 (1)判斷傳感器電源連接情況 在傳感器的地端串聯(lián)一個(gè)電阻 R6。 當(dāng)煙霧濃度超過報(bào)警限，報(bào)警器發(fā)出鳴叫，用戶到達(dá)現(xiàn)場，可按下按鍵停止報(bào)警器鳴叫。黃燈閃亮表示傳 感器加熱 絲或者電纜發(fā)生斷線或者接觸不良。單片機(jī)STC12C5410AD的 18腳 ()、 12腳 ()、 13腳 ()，控制輸出的狀態(tài)指示燈。 C 顯示方式：反射式正顯示存儲(chǔ)溫度： 20～ +60176。 圖 報(bào)警器濃度顯示采用共陽數(shù)碼管。當(dāng)單片機(jī) STC12C5410AD的 17 腳 ()置 1時(shí)，三極 管 Q1導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警。 圖 聲音報(bào)警電路圖如圖 所示。所以調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，就可以直接改變放大電路的參考電壓。 此放大電路還加了參考電壓，引入了零點(diǎn)調(diào)節(jié)功能，這樣可以更方便 的調(diào)整由于不同傳感器導(dǎo)致的零點(diǎn)變化問題。 (3)由于引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，因此電路的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低。 (2)電壓放大倍數(shù) A =1+ R4 R3 ，即輸出電壓與輸入電壓的幅值成正比，且相位相同，所以此電路實(shí)現(xiàn)了同相比例放大。同相比例運(yùn)算電路有以下幾個(gè)特點(diǎn)： (1)同相比例運(yùn)算放大電路是一個(gè)深度的電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。 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(shí)的兩個(gè)特點(diǎn)來分析其電壓放大倍數(shù)。 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(gè)運(yùn)放一致性好 ； 其輸入偏流電阻是溫度補(bǔ)償?shù)?，也不需外接頻率補(bǔ)償，可做到輸出電平與 數(shù)字電路兼容。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(gè)負(fù)壓，這顯然 會(huì)造成浪費(fèi)。 傳感器輸出信號(hào)一般比較微弱，需要經(jīng)過前置電路對(duì)其進(jìn)行放大、濾波、電平調(diào)整，滿足單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的要求。仿真器與 STC12C5410AD經(jīng)串口連接。同時(shí)， STC12C5410AD的片內(nèi)已集成了程序斷點(diǎn)控制等邏輯功能。 (5)有配套的仿真開發(fā)工具 STC12C5410AD 的 Flash 存儲(chǔ)器給用戶的開發(fā)帶來方便。上電復(fù)位后 P1 口是弱上拉 型的 I/O 口，可以通過軟件設(shè)置將 8路中的任何一路設(shè)置為 A/D轉(zhuǎn)換，不需作為 A/D使用的口可繼續(xù)作為 I/O 口使用。 (4) A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換寄存器 STC12C5410AD 單片機(jī)的 A/D 轉(zhuǎn)換口在 P1 口 (~)，有 8路 10位高速 A/D轉(zhuǎn)換器， STC12C5410AD系列是 10位精度的 A/D，速度 均可達(dá)到 100KHz(10萬次 /秒 )。此外，STC12C5410AD的 I/O 端口電氣特性也十分突出，幾乎所有的 I/O口都有 20mA 的驅(qū)動(dòng)能力，對(duì)于一般的液晶顯示屏、蜂鳴器可以直接驅(qū)動(dòng)而無需 輔助電路。其中一些 I/O口還可以與 STC12C5410AD中的特殊模塊相結(jié)合完成更為復(fù)雜的工作。 4 種類型分別為：準(zhǔn)雙向口 (標(biāo)準(zhǔn) 8051輸出模式 )、推挽輸出、僅為輸入 (高阻 )和開漏輸出功能。要使能 PWM模式，模 塊CCAPMn 寄存器的 PWMn 和 ECOMn 位必須置位。當(dāng) CL的值由 FF 變?yōu)?0溢出時(shí)， {EPCnH， CCAPnH}的內(nèi)容裝載到 {EPCnL， CCAPnL}中。各個(gè)模塊的輸出占空比是獨(dú)立變化的，與使用的捕獲寄存器 {EPCnL， CCAPnL}有關(guān)。輸出頻率取決于 PCA定時(shí)器的 時(shí)鐘源。 Flash存儲(chǔ)器的掉電保護(hù)功能 可用于程序數(shù)據(jù)保存，可以按字或字節(jié)讀寫，最小擦除單位為 1 段，經(jīng)過 擦除的位為“ 1”，寫入位為“ 0”。 圖 STC12C5410AD單片機(jī)管腳圖 STC12C5410AD單片機(jī)具有以下特點(diǎn)： (1) Flash 存