【正文】 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) A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波處理。 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。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。 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。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。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)。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)。 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。 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。在電路板布線時(shí)，注意抗干擾設(shè)計(jì)。但是溫濕度的影響相對(duì)于系統(tǒng) 5%LEL 的精度要求，可以忽略不計(jì)。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 。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。 (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。本設(shè)計(jì)選用高輸入阻抗、低噪聲的放大器，可以滿足要求。 (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。 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)。 (2)數(shù)字濾波過程中的有限字長(zhǎng)效應(yīng)在中位值平均濾波法數(shù)字濾波過程中，用到了乘法和除法運(yùn)算，因此在運(yùn)算過程中，由于字長(zhǎng)有限而不能保留原有數(shù)據(jù)的有效位數(shù)會(huì)出現(xiàn)舍入誤差，由于累計(jì)計(jì)算會(huì)造成計(jì)算誤差。就本儀器而言，誤差來源主要有軟件和硬件兩個(gè)方面。按鍵處理子程序流程圖如圖 15所示。報(bào)警子程序流程圖如圖 14 所示。 圖 13 分段插 值法線形化程序流程圖 報(bào)警子程序設(shè)計(jì)及流程圖 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 12 單片機(jī)采集電壓值與煙霧濃度百分比線性化曲線 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 (3) 式中， N 為所分區(qū)間個(gè)數(shù)， f (x)為實(shí)際煙霧檢測(cè)濃度， x 為實(shí)際氣體檢測(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)間下限煙霧濃度值， f (xi+1 )為區(qū)間上限煙霧濃度值。圖 12 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，開始 設(shè)定采樣次數(shù) 調(diào)用 A/D 采樣 求第二個(gè)到第九個(gè)采樣值的累加和 將累加和求平均值 送入寄存器 N Y 已達(dá)到設(shè)定次數(shù) 將采樣值排序 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(cè)，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)。 開始 定時(shí)器初始化 開中斷 關(guān)閉蜂鳴器，打開綠燈 設(shè)定初值 Y N 是否保持報(bào)警初值 返回 圖 11 濾波子程序流程圖 插值法線性化處理子程序設(shè)計(jì)及流程圖 在單片機(jī)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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)。 主程序設(shè)計(jì)及流程圖 主程序流程圖如圖 9 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) [9]。當(dāng)用戶將源程序 (匯編語(yǔ)言或 C語(yǔ)言 )經(jīng)語(yǔ)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，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 版。 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(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。 4 煙霧 檢測(cè) 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(guó) Keil Software 公司出品的 Keil C51，是 51 系列兼容單片機(jī) C 語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語(yǔ)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(shì)。 圖 8 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 此時(shí)不需要外加電路，在傳感器預(yù)熱 2分鐘后，測(cè)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 6 狀態(tài)指示燈電路圖 圖 7 控制按鍵連接示意圖 報(bào)警器故障自診斷電路 (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(chǎng)，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 4 聲音報(bào)警電路圖 數(shù)碼管顯示電路 報(bào)警器濃度顯示采用共陽(yáng)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 3 前置放大電路 聲音報(bào)警電路 聲音報(bào)警電路圖如圖 4 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)。 圖 2 STC12C5410AD單片機(jī)的引腳圖 煙霧檢測(cè)報(bào)警器硬件電路設(shè)計(jì) 信號(hào)采集及前置放大電路 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 。 （ 10） 4 通道 PWM/可編程計(jì)數(shù)器陣列 /捕獲 /比較單元（ PWM/PCA/CCU）。 （ 8） 高速同步通信端口（ SPI）。 （ 6） 最多 27 根 I/O 口線。 （ 4） 512B RAM。 （ 2） 10KB Flash 程序存儲(chǔ)器。根據(jù)多方面的比較，本設(shè)計(jì)選用宏晶科技生產(chǎn)的 STC12 系列單片機(jī)中集成 Flash 較大的 STC12C5410AD。在單片機(jī)完成這 些的工作中，尤其是將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)做數(shù)字濾波，再進(jìn)行線性化處理，然后送 LCD 顯示這一過程的軟件實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，要求單片機(jī)具備較快的運(yùn)算速度，使檢測(cè)人員能夠較準(zhǔn)確地觀測(cè)到煙霧濃 度，并根據(jù)情況做進(jìn)行相應(yīng)處理。 3 煙霧檢測(cè)報(bào)警器的 硬件設(shè)計(jì) 核心芯片選擇 在報(bào)警器的設(shè)計(jì)中，單片機(jī)是其核心部件。 (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，還是由于打開閥門時(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，蜂鳴器開始報(bào)警，且聲音越來越急促，并且伴隨紅燈閃爍。 圖 1 可燃性氣體檢測(cè)報(bào)警器結(jié)構(gòu)框圖 傳感器 放大電路 A/D轉(zhuǎn)換 單片機(jī) 狀態(tài)指示燈 聲音報(bào)警 濃度顯示 按鍵 串口通信 煙霧檢測(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。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 器 的基礎(chǔ)上，盡量提高準(zhǔn)確性，降低成本，縮小體積 [5]。當(dāng)傳感器加熱絲或電纜線發(fā)生 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)。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。 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) A/D 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。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) ， 而且只需要簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路 。 經(jīng)過對(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