【正文】 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(wèn)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(xiàn)性區(qū)時(shí)的兩個(gè)特點(diǎn)來(lái)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(wú)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(kāi)銷(xiāo)；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(guò)前置電路對(duì)其進(jìn)行放大、濾波、電平調(diào)整，滿(mǎn)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(kāi)發(fā)工具 STC12C5410AD的Flash存儲(chǔ)器給用戶(hù)的開(kāi)發(fā)帶來(lái)方便。上電復(fù)位后P1口是弱上拉 型的I/O口，可以通過(guò)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(wàn)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(wú)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(lèi)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(kāi)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(xiě)，最小擦除單位為1段，經(jīng)過(guò) 擦除的位為“1”，寫(xiě)入位為“0”。 STC12C5410AD單片機(jī)管腳圖STC12C5410AD單片機(jī)具有以下特點(diǎn)： (1) Flash存儲(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(xiàn)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。 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(xiàn)發(fā)生斷線(xiàn)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(xiàn)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。MQ2型傳感器具有良好的抗干擾性，可準(zhǔn)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。初始穩(wěn)定， 響應(yīng)時(shí)間短，長(zhǎng)時(shí)間工作性能好。 MQ2型傳感器的外觀 MQ2型傳感器的特性及主要技術(shù)指標(biāo) (1) MQ2型傳感器的一般特點(diǎn) (a)MQ2型傳感器對(duì)天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對(duì)烷類(lèi)煙霧更為敏感。這就是MQ2型燃性煙霧傳感器檢測(cè)可燃煙霧的基本原理。遇到可燃煙霧（如CH4等）時(shí)，原來(lái)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(shí)，如果晶粒間界處的勢(shì)壘受 到該煙霧的調(diào)制而變化，就會(huì)引起表而電導(dǎo)率的變化。當(dāng)處于200~300176。CHCO、乙醇晶體管特性150176。C700176。C類(lèi)型所利用的特性工作溫度代表性被檢測(cè)氣體電阻型電阻表面電阻控制器300～450176。N型在檢測(cè)時(shí)阻值隨煙霧濃度的增大而減小；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)C0CO2 H2S NH3 HCNHCICOCI2CI2 NOX SO2O2CH4C3H2H2H2O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OCOHClSO2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(xiàn)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