【正文】 機STC12C5410AD的PWM功能，如果煙霧濃度達到報警限，(PWM)口輸出占空比一定的脈沖，報警時蜂鳴器會發(fā)出如警車警笛的聲音。報警裝置采用無源壓電式KM3712x型蜂鳴器[26]，較一般的蜂鳴器體積大，聲音響亮，適用于家用煤氣報警器的報警聲音源。而電壓跟隨器的作用就如上面介紹的，它只是用來匹配阻抗用的，防止R3和R4對滑動變阻器輸出電壓的影響。它利用滑動變阻器產(chǎn)生一個參考電壓Vref，再利用電壓跟隨器把電壓輸入到運算放大電路的電壓參考端。高輸入阻抗就可以減少放大電路對前端電路的影響，同時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。如果不接R3和R4，則此電路就成了“電壓跟隨器”，它可以減少電路模塊間由于阻抗引起的干擾。因為不存在“虛地”現(xiàn)象，所以其輸入端有較高的共模輸入電壓。根據(jù)運放的“虛短”和“虛斷”的特點可知，I=I+=0， 所以V=VoR3/R3+R4+VrefR4/R3+R4(31) 而且V=V+=Vi Vo=Vi(R3+R4）/R3(32) 由以上兩式可求出Vo=VrefR4/R3(33) 所以本放大電路的放大倍數(shù)A=1+R4R3，此放大電路為同相比例放大電路，它的放大倍數(shù)總是大于或等于1。 下面詳細介紹運算放大電路： ，從傳感器的上端出來的信號Vi經(jīng)過運算放大器的同相輸入端，但是為保證引入的是負反饋，輸出電壓Vo通過電阻R4接到反相輸入端，同時，反相輸入端通過電阻R3接到參考電壓Vref。常見的運算放大器中，LM324價格低廉、使用簡單等優(yōu)點比較突出，所以本設(shè)計中的前置放大電路采用LM324作為電路的運算放大器。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)一個參考電阻，再經(jīng)過一個放大電路即可發(fā)送給ADC采集。因此，用戶只要在設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)時為調(diào)試需要預(yù)留好STC12C5410AD的串口接口的引出插座，即可實現(xiàn)系統(tǒng)的程序下載調(diào)試、系統(tǒng)現(xiàn)場編程硬件仿真或軟件升級功能，而且無需外加編程電壓。因此，它的開發(fā)工具較為簡單，只需1套PC環(huán)境下的調(diào)試軟件和1個連接于并口的仿真器。用戶可以將芯片焊接在線路板上后進行下載程序、調(diào)試程序和修改程序。這樣，A/D轉(zhuǎn)換和I/O口可以靈活的運用，節(jié)省了軟件及時間。8路電壓輸入型A/D，可以完成溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等功能。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。如與捕獲比較模塊相結(jié)合可以實現(xiàn)串行通信，與A/D模塊結(jié)合實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換等。在對同一個I/O口進行操作前要選擇其要實現(xiàn)的功能，這樣大大地增強了端口的功能和靈活性。 (3)I/O口工作類型設(shè)置 STC12C5410AD帶有24個I/O引腳，它的I/O與傳統(tǒng)的I/O不同，每個I/O口均可由軟件設(shè)置成4種工作類型之一，使得功能口和通用I/O口復(fù)用。這樣就可實現(xiàn)無干擾地更新PWM。當(dāng)CLSFR的值小于{EPCnL，CCAPnL}時，輸出為低，當(dāng)PCACLSFR的值等于或大于{EPCnL，CCAPnL}時，輸出為高。由于所有模塊共用僅有的PCA定時器，所有它們的輸出頻率相同。 (2)脈寬調(diào)節(jié)模式(PWM) 所有PCA模塊都可用作PMW輸出。Flash存儲器主要用作程序存儲，可經(jīng)計算機串口接口下載程序；程序運行時能對其中的1段或多段進行擦、寫操作，因此兼有數(shù)據(jù)存儲器功能。其內(nèi)部集成的Flash幾乎擁有現(xiàn)代追求個性化的用戶所需要的掉電后數(shù)據(jù)不丟失、快速的數(shù)據(jù)存取時間、電可擦除、容量大、在線可編程、足夠多的擦寫次數(shù)、價格低廉和高可靠性等所有優(yōu)點。它體積小，價格低，非常適用于本設(shè)計，下面介紹STC12C5410AD的自身特點。它們是以單片機內(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，價格比其他型號便宜，因此具有很好的性價比和應(yīng)用適應(yīng)性。宏晶科技新推出的STC12系列單片機具有高速、低功耗、超強抗干擾等優(yōu)點，是的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，速度卻比8051單片機快8~12倍。鑒于C語言的易讀性和普遍性，本論文的軟件設(shè)計選擇C語言編程，所以STC系列單片機在此處不是非常適合。 匯編語言對于不同的CPU，其匯編語言可能有所差異，所以不易移植。而STC單片機程序嵌套包括中斷最多不能超過8層。8051系列采用的是堆棧指針，STC采用硬件堆棧8級。 雖然應(yīng)用普遍，工具多，易上手，片源廣，價格低，但是速度慢，功耗大，適合民用，商用，不適合工業(yè)用途。同時，在能夠滿足報警器設(shè)計的計算速度及接口數(shù)的要求的同類型單片機中，要考慮選擇價格低廉且體積輕巧的機型，在保證了報警器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎(chǔ)上，能夠不提高成本，縮小體積。 單片機的選型 單片機的選擇 8051單片機單片機是煙霧檢測報警器的核心部件，一方面它要接收來自傳感器的煙霧濃度的模擬信號和故障檢測信號，另一方面要對兩種信號分別進行處理，控制后續(xù)電路的相應(yīng)工作；同時，查詢是否有鍵按下的命令。并且也要考慮選擇低價實用的機型，并為研制同一系列的低功耗產(chǎn)品做準備。它一方面要接收來自傳感器送來的煙霧濃度對應(yīng)的模擬信號和故障檢測信號，另一方面要對兩種信號分別進行處理，控制后續(xù)電路進行相應(yīng)動作；與此同時查詢是否有鍵按下的請求。(12)具備快速重復(fù)檢測和延時報警功能，可區(qū)別煙霧的泄漏和短時間的微量散失，防止誤報。15%，50177。(10)響應(yīng)時間：≤30S(11)輸出信號：可輸出與煙霧濃度對應(yīng)的0~5VDC標準信號。 (8)報警方式：煙霧泄漏聲光報警、自診斷故障報警。C。C；報警器0176。 (6)工作環(huán)境溫度：檢測器50176。 (4)報警點設(shè)置：達到20%LEL開始報警。 (3)報警準確度:：177。 煙霧檢測報警器的主要技術(shù)指標 (1)傳感器類型：半導(dǎo)體電阻式。 (6)與上位機通訊功能 可以實現(xiàn)與計算機串口通訊，對報警器采取統(tǒng)一控制，以及便于采集和處理數(shù)據(jù)，也可以在計算機上更改報警限值等。 (4)防止報警器誤報功能快速重復(fù)檢測及延時報警可以區(qū)別出是管道中可燃煙霧的泄漏，還是由于打開閥門時的微量煙霧的散失。 (3)煙霧報警功能當(dāng)煙霧濃度連續(xù)20秒取值都在報警限值之上，蜂鳴器開始報警，且聲音越來越急促，并且伴隨紅燈閃爍。A/D轉(zhuǎn)換放大電路傳感器狀態(tài)指示燈聲音報警串口通信濃度顯示四個按鍵安全控制裝置 煙霧檢測報警器的功能 (1)自診斷故障報警功能當(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，報警器發(fā)出警報，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，及時排除故障，保證安全。報警器采用巡檢的工作方式，進行兩級報警值設(shè)定，并發(fā)出不同的光、聲信號。其目標是在傳統(tǒng)的煙霧報警儀的基礎(chǔ)上，盡量提高準確性，降低成本，縮小體積。當(dāng)然幾種狀態(tài)的報警信號是各不相同的。為了保證其可靠性，在輸出5V的電壓的同時，進行故障監(jiān)測。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)時間和恢復(fù)時間就越快。 (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)時間：Tres＜10秒(g)恢復(fù)時間：Trec＜30秒 煙霧檢測報警器整體設(shè)計方案 本論文中的煙霧檢測報警器以STC12C5410AD單片機為控制核心，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，并及時發(fā)現(xiàn)氣敏元件的故障，需要設(shè)計加熱絲故障診斷報警電路。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熱或放電時，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。再通電工作時氣敏電阻值達到穩(wěn)定時所需要的時間，定義為初期穩(wěn)定時間。 (b) 初期穩(wěn)定特性 半導(dǎo)體煙霧傳感器在不通電狀態(tài)存放一段時間后，再通電時，器件并不能立即投入正常工作。雖然對于不同的煙霧，器件靈敏度特性K的值也會各有差異，但是它們都遵循同一規(guī)律， logRS=mlogC+n(22)式中，m為器件相對煙霧濃度變化的敏感性，又稱煙霧分離能，對于煙霧，m值為1/2~1/3；C為檢測煙霧的濃度。 (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之為靈敏度特性，用K表示。 (c)MQ2型傳感器具有良好的抗干擾性，可準確排除有刺激性非可燃性煙霧的干擾信息，例如酒精和煙霧等。 (b)MQ2型傳感器具有良好的重復(fù)性和長期的穩(wěn)定性。這就是MQ2型燃性煙霧傳感器檢測可燃煙霧的基本原理。遇到可燃煙霧（如CH4等）時，原來吸附的氧脫附，而由可燃煙霧以正離子狀態(tài)吸附在二氧化錫半導(dǎo)體表面；氧脫附放出電子，煙霧以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子，從而使二氧化錫半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加，電阻值下降。當(dāng)與煙霧接觸時，如果晶粒間界處的勢壘受到該煙霧的調(diào)制而變化，就會引起表而電導(dǎo)率的變化。當(dāng)處于200~300176。N型在檢測時阻值隨煙霧濃度的增大而減?。籔型阻值隨煙霧濃度的增大而增大。按敏感機理分類，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)計選用MQ2型煙霧傳感器，這種型號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、壽命長等優(yōu)點。經(jīng)過對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)點更加突出：靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價格便宜，且不會發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護成本較低等。 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)簡單，使用方便、價格便宜等優(yōu)點，因而得到廣泛應(yīng)用。 因此，經(jīng)常對傳感器進行標定，是保證其準確性的必要的途徑。中毒是如果環(huán)境空氣中含有硅烷之類的物質(zhì)時，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，則有可能在無焰燃燒的同時，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。 煙霧傳感器的選定 煙霧檢測報警器主要應(yīng)用在石油、化工、冶金、油庫、液化氣站、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃煙霧泄漏的場所，根據(jù)報警器檢測煙霧種類的要求，一般選用接觸燃燒式煙霧傳感器和半導(dǎo)體煙霧傳感器。不同的煙霧吸收不同波長的IR，所以傳感器根據(jù)目標煙霧而調(diào)整，典型應(yīng)用包括測量CO和CO冷凍劑煙霧和一些易燃氣。未吸收的紅外光由光電探測器測量，產(chǎn)生一個正比于目標煙霧濃度的差分信號。溫度的變化情況是目標煙霧熱傳導(dǎo)率的函數(shù)，而對于一種給定的煙霧或汽化物，熱傳導(dǎo)率是它固有的物理特性 (g)紅外傳感器 紅外傳感器通常用兩束紅外光進行煙霧測量，主光束通過測量元件內(nèi)的目標煙霧，參考光束通過比較元件內(nèi)的參考煙霧。 (f)熱傳導(dǎo)傳感器熱傳導(dǎo)傳感器與接觸燃燒式傳感器具有類似的結(jié)構(gòu)形式，但是測量原理不同。它主要適用于毒性煙霧檢測。煙霧濃度信號將電解液分解成陰陽帶電離子，通過電極將信號傳出。高分子煙霧傳感器具有對特定煙霧分子靈敏度高，選擇性好，且結(jié)構(gòu)簡單，能在常溫下使用，可以彌補其它煙霧傳感器的不足。高分子氣敏材料在遇到特定煙霧時，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。C的高溫，此時若與煙霧接觸，煙霧就會在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會上升，鉑絲的電阻值也上升；通過測量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道煙霧的濃度。接觸燃燒式煙霧傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲(也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層)，使用時將鉑絲通電，保持300176。但這種傳感器制造成本高，檢測煙霧范圍有限，在檢測環(huán)境污染領(lǐng)域中有優(yōu)勢。 (b)固體電解質(zhì)煙霧傳感器 固體電解質(zhì)煙霧傳感器使用固體電解質(zhì)氣敏材料作為氣敏元件，其原理是利用氣敏材料在通過煙霧時產(chǎn)生電阻，測量其形成電動勢從而測量氣體濃度。該傳感器己成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的煙霧傳感器之一。 (a)半導(dǎo)體煙霧傳感器 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。但是，任何一個完整的煙霧傳感器都必須具備以下條件： (a)能選擇性地檢測某種單一煙霧，而對共存的其它煙霧不響應(yīng)或低響應(yīng)； (b)對被測煙霧具有較高的靈敏度，能有效地檢測允許范圍內(nèi)的煙霧濃度； (c)對檢測信號響應(yīng)速度快，重復(fù)性好； (d)長期工作穩(wěn)定性好； (e)使用壽命長； (f)制造成本低，使用與維護方便。 (c)利用電化學(xué)性質(zhì)的煙霧傳感器：如電流型煙霧傳感器、電勢型氣體傳感器等。 煙霧傳感器介紹 (1)煙霧傳感器的分類 煙霧傳感器種類繁多，從檢測原理上可以分為三大類： (a)利用物理化學(xué)性質(zhì)的煙霧傳感器：如半導(dǎo)體煙霧傳感器、接觸燃燒煙霧傳感器等。傳感器作為煙霧檢測報警器的信號采集部分，是儀表的核心組成部分之一。單片機作為硬件電路的核心，它的選型將在第三章詳述。煙霧傳感器及單片機是可燃煙霧檢測報警器的兩大核心，根據(jù)報警器 功能的需要，選擇合適、精確、經(jīng)濟的煙霧傳感器及單片機芯片是至關(guān)重要的。為使報警裝置更加完善，可以在聲音報警基礎(chǔ)上，加入光閃報警，變化的光信號可以引起用戶注意，彌補嘈雜環(huán)境中聲音報警的局限。為方便檢測與監(jiān)控，使儀器測試人員及用戶能夠直觀地觀察到環(huán)境中 的可燃煙霧濃度值，可將濃度值送到顯示屏中。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將從煙霧檢測電路送出的模擬信號 轉(zhuǎn)換成單片機可識別的數(shù)字信號后送入單片機。2. 煙霧檢測報警器的方案設(shè)計 煙霧檢測報警器設(shè)計思路