【正文】 16 bit 定點(diǎn)除法運(yùn)算所以有限字長(zhǎng)造成的誤差對(duì)于本系統(tǒng)而言可以忽略不計(jì) 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) 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(hào)一般比較微弱需要過數(shù)據(jù)采集前置電路對(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 本設(shè)計(jì)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(cè)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(hào)它們對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的正常運(yùn)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(diǎn)接地每個(gè)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(duì)本系統(tǒng)來說空氣中的成分對(duì)系統(tǒng)的探頭和單片機(jī)及其外圍電路影響很小在進(jìn)行測(cè)量時(shí)不用進(jìn)行補(bǔ)償?shù)h(huán)境溫度濕度對(duì)傳感器有一定的影響但是溫濕度的影響相對(duì)于系統(tǒng) 5LEL 的精度要求可以忽略不計(jì)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)線用屏蔽電纜連接在電路板布線時(shí)注意抗干擾設(shè)計(jì) 53 本章小結(jié) 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給出了煙霧 濃度信號(hào)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定及測(cè)試達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果 結(jié) 論 煙霧檢測(cè)報(bào)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(chǎng)空間與發(fā)展前景 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(guó)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)方案并對(duì)儀 器的整體設(shè)計(jì)和各個(gè)組成部分進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì) 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 根據(jù)設(shè)計(jì)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(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)體敏感器件它的靈敏度適中具有響應(yīng)與恢復(fù)特性好長(zhǎng)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(diǎn) 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使儀器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性能穩(wěn)定體積小成本低等優(yōu)點(diǎn)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)間就越快為提高響應(yīng)時(shí)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(shí)能夠進(jìn)行故障報(bào) 警 煙霧報(bào)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(dá)到設(shè)定的濃度時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警還具有故障自診斷功能快速重復(fù)檢測(cè)和延時(shí)報(bào)警功能報(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(cè)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(cè)和控制等功能 在本論文研制的報(bào)警器的基礎(chǔ)上可以再做適當(dāng)?shù)墓δ軘U(kuò)展使可燃性煙霧報(bào)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(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 應(yīng)用程序以 C 語言編寫充分利用芯片資源提高了測(cè)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(duì)經(jīng) AD 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)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(jī)干擾不但最大限度地排除現(xiàn)場(chǎng)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) 通過現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定及測(cè)試分析煙霧濃度信號(hào)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算本報(bào)警器顯示煙霧濃度與實(shí)際濃度之間的誤差為 255LEL在所規(guī)定誤差范圍177。 5 范圍內(nèi)煙霧濃度與測(cè)量電壓值線性化示意圖如圖 45 所示 對(duì)曲線作線性化處理時(shí)根據(jù)曲線的走勢(shì)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 123L7 51 其中 f x 為實(shí)際煙霧檢測(cè) LEL 濃度 x 為實(shí)際煙霧檢測(cè)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)間下限點(diǎn)煙霧 LEL 濃度值 f xi 為區(qū)間上限點(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 010LEL f x 050x 370 2 1020LEL f x 050x 361 3 2040LEL f x 150x 390 4 4050LEL f x 32x 458 5 5060LEL f x 37x 483 6 6080LEL f x 405x 504 7 80100LEL f x 900x 900 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(duì)比如表 52 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 52 分段線性化誤差數(shù)據(jù) 根據(jù)誤差計(jì)算公式 X i 在本實(shí)驗(yàn)中 N 為 20 計(jì)算本報(bào)警器 顯示煙霧濃度與實(shí)際濃度之間的誤差為 255 在所規(guī)定誤差范圍177。 C 顯示方式反射式正顯示存儲(chǔ)溫度 20～ 60176。1550177。 C500176。 C50176。 02V d 加熱功率 P 約 750mW e 靈 敏 度以甲烷為例 R0 air RS 01CH4 ＞ 5 f 響應(yīng)時(shí)間 Tres＜ 10 秒 g 恢復(fù)時(shí)間 Trec＜ 30 秒 23 煙霧檢測(cè)報(bào)警器整體設(shè)計(jì)方案 測(cè)報(bào)警 器工作原理 本論文中的煙霧檢測(cè)報(bào)警器以 STC12C5410AD 單片機(jī)為控制核心采用 MQ2型電阻式半導(dǎo)體傳感器采集煙霧信息 首先傳感器送來的煙霧濃度對(duì)應(yīng)的微小的電壓信號(hào)經(jīng)過放大轉(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) AD 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 燈閃亮另外由于煙霧傳感 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)間就越快為提高響應(yīng)時(shí)間保證傳感器準(zhǔn)確地 穩(wěn)定地工作報(bào)警器需要向煙霧傳感器持續(xù)輸出一個(gè) 5V 的電壓為了保 證其可靠性在輸出 5V 的電壓的同時(shí)進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)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) 當(dāng)然幾種狀態(tài)的報(bào)警信號(hào)是各不相同的 測(cè)報(bào)警器的結(jié)構(gòu) 為適應(yīng)家庭和工業(yè)等場(chǎng)所對(duì)可燃性易爆煙霧安全性要求設(shè)計(jì)的可燃性煙霧報(bào)警儀應(yīng)不僅能在較寬的溫度范圍工作而且應(yīng)具有顯示可燃煙霧濃度故障自檢延時(shí)報(bào)警功能及可接計(jì)算機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)測(cè)和 實(shí)時(shí)控制等功能其目標(biāo)是在傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警儀的基礎(chǔ)上盡量提高準(zhǔn)確性降低成本縮小體積 報(bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 23 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報(bào)警器采用巡檢的工作方式進(jìn)行兩級(jí) 報(bào)警值設(shè)定并發(fā)出不同的光聲信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)采用高性能的單片機(jī)要求工作穩(wěn)定測(cè)量精度高通用性強(qiáng)功耗低保證報(bào)警器的精確性及可 靠性而且最好體積小成本低有利于減少報(bào)警器的體積降低報(bào)警器 的成本 圖 23 可燃性氣體檢測(cè)報(bào)警器結(jié)構(gòu)框圖 測(cè)報(bào)警器的功能 1 自診斷故障報(bào) 警功能 當(dāng)傳感器加熱絲或者電纜線發(fā)生斷線或者接觸不良的情況時(shí)報(bào)警器發(fā)出警報(bào)并且黃色指示燈閃爍提醒用戶檢查傳感器或者電路線接觸情況及時(shí)排除故障保證安全 2 煙霧濃度顯示 通過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)通過鍵盤設(shè)置或者更改報(bào)警限值以便于用戶或檢測(cè)人員隨時(shí)觀測(cè)煙霧濃度及更改報(bào)警限 3 煙霧報(bào)警功能 當(dāng)煙霧濃度連續(xù) 20 秒取值都在報(bào)警限值之上蜂鳴器開始報(bào)警且聲音越來越急促并且伴隨紅燈閃爍因?yàn)槿藢?duì)變化的信號(hào)更為敏 感所以變化的聲音及燈光更容易引起用戶的注意 4 防止報(bào)警器誤報(bào)功能 快速重復(fù)檢測(cè)及延時(shí)報(bào)警可以區(qū)別出是管道中可燃煙霧的泄漏還是由于打開閥門時(shí)的微量煙霧的散失 5 看門狗自檢單片機(jī)狀態(tài)功能 調(diào)用單片機(jī)中的看門狗程序定時(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 6 與上位機(jī)通訊功能 可以實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)串口通訊對(duì)報(bào)警器采取統(tǒng)一控制以及便于采集 和處理數(shù)據(jù)也可以在計(jì)算機(jī)上更改報(bào)警限值等 7 自動(dòng)控制相關(guān)安全裝置的擴(kuò)展功能 留有繼電器接口可以帶動(dòng)排風(fēng)扇或大功率蜂鳴器也可以控制管道電子閥門可在報(bào)警的同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)相關(guān)安全裝置 測(cè)報(bào) 警器的主要技術(shù)指標(biāo) 1 傳感器類型半導(dǎo)體電阻式 2 檢測(cè)范圍 0100LEL 3 報(bào)警準(zhǔn)確度177。 02V加熱電阻為 31177。 02V 2 MQ2 型傳感器的基本特性 a 靈敏度特性 煙霧傳感器在最佳工作條件下接觸同一種煙霧其電阻值 RS 隨氣 體濃度變化的特性稱之為靈敏度特性用 K 表示 K RS R0 21 式中 R0 為煙霧傳感器潔凈空氣條件下的電阻值 RS 為煙霧傳感器在一定濃度的檢測(cè)煙霧中的電 阻值 雖然對(duì)于不同的煙霧器件靈敏度特性 K 的值也會(huì)各有差異但是它們都遵循同一規(guī)律 log RS m logC n 22 式中 m 為器件相對(duì)煙霧濃度變化的敏感性又稱煙霧分離能對(duì)于 煙霧 m 值為1213C為檢測(cè)煙霧的濃度 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增感劑而有所不同 b 初期穩(wěn)定特性 半導(dǎo)體煙霧傳感器在不通電狀態(tài)存放一段時(shí)間后再通電時(shí)器件并不能立即投入正常工作這是因?yàn)闊熿F傳感器中的二氧化錫在不通電的狀態(tài)下會(huì)吸附空氣中的水蒸氣當(dāng)再次通電時(shí)需要預(yù)熱幾分鐘使水蒸氣蒸發(fā)后氣敏電阻才能正 常工作再通電工作時(shí)氣敏電阻值達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需要的時(shí)間定義為初期穩(wěn)定時(shí)間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 c 加熱特性 半導(dǎo)體煙霧傳感器一般要在較高的溫度 202050176。 C H2H2S 本設(shè)計(jì)中采用的 MQ2 型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料屬于表面離子式 N型半導(dǎo)體當(dāng)處于 202000176。 C 以上 乙醇可燃性氣體 非電阻型 二極管 整流特性 室溫～ 200176。 C 可燃性氣體 體電阻控制器 300～ 450176。 C 的高溫此時(shí)若與煙霧接觸煙霧就會(huì)在稀有金屬催化層上燃燒因此鉑絲的溫度會(huì)上升鉑絲的電阻值也上升通過測(cè)量鉑絲的電阻值變化的大小就知道煙霧的濃度 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得到很大的發(fā)展高分子氣敏材料在遇到特定煙霧時(shí)其電阻介電常數(shù)材料表面聲波傳播速 度和頻率材料重量等物理性能發(fā)生變化高分子氣敏材料由于具有易操 作性工藝簡(jiǎn)單常溫選擇性好價(jià)格低廉易與微結(jié)構(gòu)傳感器和聲表面波器件相結(jié)合在毒性煙霧和食品鮮度等方面的檢測(cè)中具有重要作用高分子煙霧傳感器具有對(duì)特定煙霧分子靈敏度高選擇性好且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單能在常溫下使用可以彌補(bǔ)其它煙霧傳感器的不足 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煙霧濃度信號(hào)將電解液分解 成陰陽帶電離子通過電極將信號(hào)傳出它的優(yōu)點(diǎn)是反映速度快準(zhǔn)確穩(wěn)定性好能夠定量檢測(cè)但壽命較短 大約兩年 它主要適用于毒性煙