【正文】 儲(chǔ)器 STC12C5410AD Flash 存儲(chǔ)器為 10KB。其 內(nèi)部集成的 Flash 幾乎擁有現(xiàn)代追求個(gè)性化的用戶(hù)所需要的掉電后數(shù)據(jù)不 丟失、快速的數(shù)據(jù)存取時(shí)間、電可擦除、容量大、在線可編程、足夠多的 擦寫(xiě)次數(shù)、價(jià)格低廉和高可靠性等所有優(yōu)點(diǎn)。它體積小，價(jià)格低，非常適用于本設(shè)計(jì)，下面介紹 STC12C5410AD的自身 特點(diǎn)。 它們是以單片機(jī)內(nèi)部集成 Flash 的大小區(qū)分的。而且在功能同樣的情況下， 管腳較少封裝體積小，價(jià)格比其他型號(hào)便宜， 因此具有很好的性?xún)r(jià)比和應(yīng) 用適應(yīng)性。 宏晶科技新推出的 STC12系列單片機(jī)具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，是的新一代 8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051，速度 卻比 8051單片機(jī)快 8~12倍。鑒于 C語(yǔ)言的易讀性和普遍性，本論文的軟件設(shè)計(jì)選擇 C語(yǔ)言編程，所以 STC系列單片機(jī)在此處不是非常適合。 匯編語(yǔ)言對(duì)于不同的 CPU，其匯編語(yǔ)言可能有所差異，所以不易移 植。而 STC單片機(jī)程序嵌套包括中斷最多不能超過(guò) 8層。 8051系 列采用的是堆棧指針， STC采用硬件堆棧 8級(jí)。 8051 單片機(jī)雖然應(yīng)用普遍，工具多，易上手，片源廣，價(jià)格低，但 是速度慢，功耗大，適合民用，商用，不適合工業(yè)用途。同時(shí)，在能夠滿(mǎn)足報(bào)警器設(shè)計(jì)的計(jì)算速度及接口數(shù)的要求的 同類(lèi)型單片機(jī)中 ，要考慮選擇價(jià)格低廉且體積輕巧的機(jī)型，在保證了報(bào)警 器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎(chǔ)上，能夠不提高成本，縮小體積。 單片機(jī)是煙霧檢測(cè)報(bào)警器的核心部件，一方面它要接收來(lái)自傳 感器的煙霧濃度的模擬信號(hào)和故障檢測(cè)信號(hào)，另一方面要對(duì)兩種信 號(hào)分別進(jìn)行處理，控制后續(xù)電路的相應(yīng)工作；同時(shí)，查詢(xún)是否有鍵按下的 命令。并且也要考慮選擇低價(jià)實(shí)用的機(jī)型，并為研制同一系列的低功 耗產(chǎn)品做準(zhǔn)備。它一方面要接收來(lái)自傳感 器送來(lái)的煙霧濃度對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)和故障檢測(cè)信號(hào)，另一方面要對(duì) 兩種信號(hào)分別進(jìn)行處理，控制后續(xù)電路進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作；與此同時(shí)查詢(xún)是否 有鍵按下的請(qǐng)求。此系統(tǒng)還可接計(jì)算機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制。 該報(bào)警器將空氣中煙霧或可燃性液體蒸汽的濃度顯示在儀表盤(pán)上，當(dāng)空氣中的煙霧或可燃性液體蒸汽的濃度達(dá)到一定濃度時(shí)， 則啟動(dòng)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， 還是由于短暫打開(kāi)閥門(mén)產(chǎn)生的可燃煙霧的微量散失，防止誤報(bào)。 根據(jù)本設(shè)計(jì)要求及使用環(huán)境、成本等因素選用的 MQ2 型半導(dǎo)體電阻式煙霧敏感器件。 本章主要闡述了煙霧報(bào)警儀的設(shè)計(jì)方案，即傳感器的選型和報(bào)警器的設(shè)計(jì)。 15%， 50177。C~500176。 C~50176。 (1) 傳感器類(lèi)型：半導(dǎo)體電阻式 (2) 檢測(cè)范圍： 0~100%LEL (3) 報(bào)警準(zhǔn)確度 :：177。 (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。 (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(kāi)閥門(mén)時(shí)的微量煙霧的散失。 (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(kāi)始報(bào)警，且聲音越來(lái)越急促，并且伴隨紅燈閃爍。 圖 可燃性氣體檢測(cè)報(bào)警器結(jié)構(gòu)框圖 (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(hù)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。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)。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。 當(dāng)然幾種狀態(tài)的報(bào)警信號(hào)是各不相同的。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)。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。 (d)加熱功率： (P)約 750mW (e)靈 敏 度：以甲烷為例 R0(air)/RS (%CH4)＞ 5 (f)響應(yīng)時(shí)間： Tres＜ 10秒 (g)恢復(fù)時(shí)間： Trec＜ 30秒 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。為避免出現(xiàn)這種情況，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)氣敏元件的故障， 需要設(shè)計(jì)加熱絲故障診斷報(bào)警電路。 3?。 MQ2 型煙霧傳感器加熱電壓為 5177。由于傳感器一般工作在易燃易爆環(huán)境下，若加熱絲直接與電源相接，當(dāng)加熱絲局部短路造成器件過(guò)熱或放電時(shí)，可能引發(fā)事故。 (c) 加熱特性 半導(dǎo)體煙霧傳感器一般要在較高的溫度 (200~450176。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。 (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。 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(chēng)煙霧分離能，對(duì)于 煙霧， m 值為 1/2~1/3； C為檢測(cè)煙霧的濃度。 (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(chēng)之為靈敏度特性，用 K 表示。 (d)電路設(shè)計(jì)電壓范圍寬， 24V以下均可；加熱電壓 5177。 169。 (b)MQ2 型傳感器具有良好的重復(fù)性和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。 MQ2型傳感器的結(jié)構(gòu)圖如 圖 ，其外觀如 。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)。利用這一點(diǎn)就可以 獲得這種煙霧存在的信息。 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。 C H H2S 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。 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 阻型 體電阻控制器 300～ 450 176。 表 所利用的特性工作溫度表面電阻控制器 300~450176。 N 型在檢測(cè)時(shí)阻值隨煙霧濃度的增大而減??； P型阻值隨煙霧濃度的增大而增大。按敏感機(jī)理分類(lèi)，可分為電阻型和非電阻型。而在眾多半導(dǎo)體氣體傳感器中，本設(shè)計(jì)選用MQ2 型煙霧傳感器，這種型號(hào)的傳感器不但具備一般半導(dǎo)體煙霧傳感器靈敏度 高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。 經(jīng)過(guò)對(duì)比上述兩種煙霧傳感器的應(yīng)用特性，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體煙霧傳感器的優(yōu)點(diǎn)更加突出：靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價(jià)格便宜，且不會(huì)發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護(hù)成本較低等。 半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器，它具有靈敏度高， 響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。 因此，經(jīng)常對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是保證其準(zhǔn)確性的必要的途徑。中毒是如果環(huán)境空氣中含有硅烷之類(lèi)的物質(zhì)時(shí)，則傳感器將 使催化元件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的中毒，以致靈敏度很快就喪失。 阻緩是當(dāng)在煙霧與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下，則有可能在無(wú)焰燃燒的同時(shí)，有些固態(tài)物質(zhì)附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應(yīng)緩慢反應(yīng)滯緩，靈敏度降低。 傳感器種類(lèi) C0 CO2 H2S NH3 HCN HCI COCI2 CI2 NOX SO2 O2 CH4 C3H2 H2 H2O 半導(dǎo)體氣體傳感器 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 固體電解質(zhì)傳感器 ○ ○ ○ ○ ○ 接觸燃燒式傳感器 ◎ ○ ○ ○ 電化學(xué)式傳 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 感器 高分子電解質(zhì)氣體傳感器 ◎ ○ ○ ○ ○ 注：○好 ◎不太好 表 煙霧檢測(cè)報(bào)警器主要應(yīng)用在石油、化工、冶金、油庫(kù)、液化氣 站、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃煙霧泄漏的場(chǎng)所，根據(jù)報(bào)警器檢測(cè)煙霧 種類(lèi)的要求，一般選用接觸燃燒式煙霧傳感器和半導(dǎo)體 煙霧傳感器。固體電解質(zhì)煙霧傳感器主要用于檢測(cè)無(wú)機(jī)煙霧，如 O CO H Cl SO2等。 (4) 常見(jiàn)煙霧傳感器可檢測(cè)煙霧種類(lèi) 由于煙霧的種類(lèi)繁多，一 種類(lèi)型的煙霧傳感器不可能檢測(cè)所有的氣體，通常只能檢測(cè)某一種或兩種特定性質(zhì)的煙霧。 不同的煙霧吸收不同波長(zhǎng)的 IR，所以傳感器根據(jù)目標(biāo)煙霧而調(diào)整，典型應(yīng)用包括測(cè)量 CO 和 CO冷凍劑煙霧和一些易燃?xì)?。未吸收的紅外光由光電探測(cè)器測(cè)量，產(chǎn)生一個(gè)正比于 目標(biāo)煙霧濃度的差分信號(hào)。 紅外傳感器 紅外傳感器通常用兩束紅外光進(jìn)行煙霧測(cè)量，主光束通過(guò)測(cè)量元件內(nèi)的目標(biāo)煙霧，參考光束通過(guò)比較元件內(nèi)的參考煙霧。它的測(cè)量原理是：將加熱后的鉑電阻線圈置于目標(biāo)煙霧中，由于向目標(biāo)煙霧傳送熱量造成溫度降低，引起電阻值變化，傳感器即測(cè)量電阻 值的變化情況。目前國(guó)際上絕大部分毒氣檢測(cè)采用該類(lèi)型傳感器。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 )。 (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。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。 (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~400176。 (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。由于這種傳感器電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，因而得到了廣 泛的應(yīng)用，幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，其產(chǎn)量?jī)H次于半導(dǎo)體煙霧傳感器的一類(lèi)傳感器。按照敏感機(jī)理分類(lèi)，可分為電阻型和非電阻型。自 1962年半導(dǎo)體金屬氧化物煙霧傳感器問(wèn)世以來(lái)，由于具有靈敏度高、響應(yīng)快、輸出信號(hào)強(qiáng)、耐久性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。 (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。 (2) 煙霧傳感器應(yīng)滿(mǎn)足的基本條件 一個(gè)煙霧傳感器可以是單功能的，也可以是多功能的；可以是單一的實(shí)體，也可以是由多個(gè)不同功能傳感器組成的陣列。 (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。由此可見(jiàn)，傳感器的選型是非常重要的。 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。煙霧傳感器的選型在下一節(jié)詳細(xì)介紹。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。方便調(diào)節(jié)報(bào)警限，可以加 入按鍵。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)。 煙霧信號(hào)采集電路一般由煙霧傳感器和模擬放大電路組成，將煙霧信 號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬的電信號(hào)。 (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。在程序的 編寫(xiě)過(guò)程中，加入了詳細(xì)的文字注釋?zhuān)阌诤笃诘母倪M(jìn)與維護(hù)。 (c)系統(tǒng)的軟件編制。 (b)以 STC12C5410AD 單片機(jī)為中央處理器，對(duì)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和 改進(jìn)，使其功能更加完善。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。 探測(cè)器安裝在防爆現(xiàn)場(chǎng)，控制器壁掛在值班室等有人值守的地方，二者采用屏 蔽電纜線連接。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。工業(yè)用燃?xì)鈭?bào)警器及有毒 煙霧報(bào)警器根 據(jù)檢測(cè)環(huán)境的不同，也可分為檢漏儀、控制器和探測(cè)器。 (1) 民用火災(zāi)煙霧報(bào)警器 民用火災(zāi)煙霧報(bào)警器為居民家庭用的火災(zāi)報(bào)警器 ,一般安裝在廚房，遇到火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧時(shí)時(shí)，報(bào)警器可發(fā)出聲光報(bào)警，或同時(shí)伴有數(shù)字顯示，同時(shí)聯(lián)動(dòng) 外部設(shè)備。近 年來(lái)，在煙霧選擇性和產(chǎn)品穩(wěn)定性上