【正文】 ○○○注：○好 ◎不太好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。固體電解質(zhì)煙霧傳感器主要用于檢測無機煙霧，如OCOHClSO2等。 (4) 常見煙霧傳感器可檢測煙霧種類 由于煙霧的種類繁多，一種類型的煙霧傳感器不可能檢測所有的氣體，通常只能檢測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器測量，產(chǎn)生一個正比于目標(biāo)煙霧濃度的差分信號。 紅外傳感器 紅外傳感器通常用兩束紅外光進(jìn)行煙霧測量，主光束通過測量元件內(nèi)的目標(biāo)煙霧，參考光束通過比較元件內(nèi)的參考煙霧。它的測量原理是：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，傳感器即測量電阻 值的變化情況。目前國際上絕大部分毒氣檢測采用該類型傳感器。它的優(yōu)點是：反映速度快、準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測，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、工藝簡單、常溫選擇性好、價格低廉、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會發(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)等各個領(lǐng)域，其產(chǎn)量僅次于半導(dǎo)體煙霧傳感器的一類傳感器。按照敏感機理分類，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世以來，由于具有靈敏度高、響應(yīng)快、輸出信號強、耐久性強、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜等諸多優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用。 (3)常見煙霧傳感器簡介 下面對工業(yè)上常用的幾種煙霧傳感器作簡單介紹。 (2) 煙霧傳感器應(yīng)滿足的基本條件 一個煙霧傳感器可以是單功能的，也可以是多功能的；可以是單一的實體，也可以是由多個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，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，通過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，進(jìn)而由單片機完成數(shù)據(jù)處理、濃度 處理及報警控制等工作。煙霧傳感器的選型在下一節(jié)詳細(xì)介紹。以上 是根據(jù)報警器應(yīng)具備的功能，提出的整體設(shè)計思路。方便調(diào)節(jié)報警限，可以加 入按鍵。單片機對該數(shù)字信號進(jìn)行 濾波處理，并對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，是否大于或等于某個預(yù)設(shè)值(也 就是報警限)，如果大于則啟動報警電路發(fā)出報警聲音，反之則為正常狀 態(tài)。煙霧信號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 號轉(zhuǎn)化為模擬的電信號。 (2)擴展部分 (a) 再加入一路傳感器信號采集電路，利用雙通道數(shù)據(jù)實現(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 編寫過程中，加入了詳細(xì)的文字注釋，便于后期的改進(jìn)與維護(hù)。 (c)系統(tǒng)的軟件編制。(b)以STC12C5410AD單片機為中央處理器，對硬件電路進(jìn)行設(shè)計和 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、汽車加油站、鍋爐房等工業(yè)場所。探測器安裝在防爆現(xiàn)場，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?，檢漏儀便會發(fā)出聲光報警，同時數(shù)字顯示煙霧濃 度，以便及時采取安全措施，防止爆炸等惡性事故的發(fā)生。工業(yè)用燃?xì)鈭缶骷坝卸緹熿F報警器根 據(jù)檢測環(huán)境的不同，也可分為檢漏儀、控制器和探測器。(1) 民用火災(zāi)煙霧報警器 民用火災(zāi)煙霧報警器為居民家庭用的火災(zāi)報警器,一般安裝在廚房，遇到火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧時時，報警器可發(fā)出聲光報警，或同時伴有數(shù)字顯示，同時聯(lián)動 外部設(shè)備。近年來，在煙霧選擇性和產(chǎn)品穩(wěn)定性上也有很大進(jìn)步。 我國在70年代初期開始研制煙霧報警器，生產(chǎn)型號多樣、品種較齊全，應(yīng)用范圍也由單一的煉油系統(tǒng)擴展到幾乎所有危險作業(yè)環(huán)境的各種類型報警器，產(chǎn)品數(shù)量也在不斷增加。隨著傳感器生產(chǎn) 工藝水平逐步提高，傳感器日益小型化、集成度不斷增大，使得煙霧檢測 儀器的體積也逐漸變小，提高了煙霧檢測儀器的便攜性，更加利于生產(chǎn)、運輸及市場推廣。 國外從20世紀(jì)30年代開始研究及開發(fā)煙霧傳感器，且發(fā)展迅速，一 方面是因為人們安全意識增強，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另 一方面是因為傳感器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動。到2006年底，全 國沼氣池數(shù)量已達(dá)近1300萬座，這就為檢測沼氣（主要成分是甲烷）濃 度的儀器提供了市場。隨著全社會對防火防爆及人身安全的重視程度的提高，這個數(shù)字會繼 續(xù)增長。目前我國已有許多城市鋪設(shè)了煤氣管道，使用人口約達(dá)二億人，煤氣 發(fā)生基地及中轉(zhuǎn)站也達(dá)幾千家?！督ㄖO(shè)計防火規(guī)范》(GBJ1687):“散發(fā)可燃煙霧、可燃蒸汽的甲類廠房和場所，應(yīng)設(shè)置煙霧濃度檢測報警裝置”。該報警裝置是石油化學(xué)工業(yè)、有氣體泄漏可能 的生產(chǎn)工廠及家庭防火防爆必備的儀器。保衛(wèi)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)，防止火災(zāi)引起燃燒、爆炸等事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及生命安全。因此，研究煙霧的檢測方法與研制煙霧報警 器就成為傳感器技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域的一個重要課題。保衛(wèi)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)，防止火災(zāi)引起燃燒、爆炸等事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及生命安全。基于單片機的煙霧報警器的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計目 錄摘要 1Abstract 2第一章 緒論 目的和意義 5 5 5 5 6第二章 煙霧檢測報警器的方案設(shè)計 8 8 8 8 10 MQ2型煙霧傳感器的工作原理 11 MQ2型傳感器的特性及主要技術(shù)指標(biāo) 12 13 13 14 14 15 15第三章 煙霧檢測報警器的硬件設(shè)計 17 17 17 STC12C5410AD單片機的特點 18 19 19 21 22 23 25 26第四章 煙霧檢測報警器的軟件設(shè)計 27 STC12系列單片機調(diào)試及開發(fā)工具 27 27 27 29 29 31 35 36 39第五章 實驗檢定及誤差分析 40 40(LEL)概念介紹 40 40 42 43結(jié) 論 44參考文獻(xiàn) 45致 謝 47附 錄1 48第一章 緒論、目的和意義 隨著科技的發(fā)展，越來越多的巨大的隱患由于工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活而產(chǎn)生。為了早期發(fā)現(xiàn)和通報火災(zāi)，防止和減少火災(zāi)危害，保護(hù)人身和財產(chǎn)安全。為了減少這類事故的發(fā)生，就必須對煙霧進(jìn)行現(xiàn)場實時檢測，采用先進(jìn)可靠的安全檢測儀表，嚴(yán)密監(jiān)測環(huán)境中煙霧的濃度， 及早發(fā)現(xiàn)事故隱患，采取有效措施，避免事故發(fā)生，才能確保工業(yè)安全和 家庭生活安全。 為了早期發(fā)現(xiàn)和通報火災(zāi)，防止和減少火災(zāi)危害，保護(hù)人身和財產(chǎn)安全。煙霧檢測報警裝置是能夠檢測環(huán)境中的煙霧濃度并具 有報警功能的儀器。煙霧報警器屬于《中華人 民共和國強制檢定的工作計量器具目錄》中第46項，它歸類于物理化學(xué) 計量器具。2003年12月，國家執(zhí)行新的煙霧探測器標(biāo)準(zhǔn)(GB 153222003)《可燃煙霧探測器》，2004年10月國家頒布《可燃煙霧檢測報警器規(guī)程JJG6932004》，研究新型、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確監(jiān)測可燃性氣 體，并合乎國家相關(guān)規(guī)定的報警器具有極其重要得意義。如果這些家用燃?xì)夂兔簹饣丶爸修D(zhuǎn)站的 報警率按10% 計算，煙霧檢測報警器的需求量就達(dá)2000萬臺以 上。 近十年來，農(nóng)村的沼氣使用也得到了極大的發(fā)展?？梢?，煙霧報警器具有十分廣闊的市場前景。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，美 國1996年~2002年煙霧傳感器年均增長率為27%~30%。 1963年5月，日本開發(fā)完成第一臺接觸燃燒式家用燃?xì)庑孤﹫缶?，次?2月其改良產(chǎn)品問世，改良的報警器可以檢測燃?xì)?、一氧化碳等?體，可以安裝在浴室或者采用集中監(jiān)視。但主要是在引進(jìn)國外先進(jìn)的傳感器技術(shù)和先進(jìn)的生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，進(jìn)行研究與開發(fā)形成自己的特色。燃?xì)鈭缶骺煞譃槊裼没馂?zāi)煙霧報警器、工業(yè)用煙霧報警器、 有毒有害煙霧報警器三大系列產(chǎn)品。有的報警器可自動開啟排風(fēng)扇，把煙霧排出室外 (2) 工業(yè)用煙霧報警器及有毒有害煙霧報警器 工業(yè)用煙霧報警器及有毒有害煙霧報警器只是檢測探頭有差異，而在原理和應(yīng)用中都很相近。 檢漏儀的體積較小，可隨身攜帶或手持，主要應(yīng)用于燃?xì)夤芾淼牟槁?與巡檢。 控制器與探測器結(jié)合使用，可在防爆現(xiàn)場長期監(jiān)測煙霧的濃度。當(dāng)在現(xiàn)場的探測器探測到燃?xì)庑孤┲?，通過屏蔽電纜線將信號傳到控制器，控制器發(fā)出聲光報警，同時啟動排風(fēng)裝置或關(guān)閉電磁閥切斷氣源，以確保安全。 本篇論文是煙霧報警器的研制，主要基本部分和擴展部分：(1) 基本部分(a)對系統(tǒng)進(jìn)行整體規(guī)劃和結(jié)構(gòu)設(shè)計。系統(tǒng)硬件電路主要分為前置放大電路、鍵盤電 路、串口通信電路、聲音報警電路、狀態(tài)指示燈電路、液晶顯示電路六個 部分。按照軟件實現(xiàn)的功能，主要分為主程序、初始 化子程序、鍵盤處理子程序、濾波子程序、線性化處理子程序、濃度顯示 子程序、報警子程序、報警限值設(shè)置子程序、串口通信子程序。 (d)硬件電路和軟件的綜合調(diào)試。第二章 煙霧檢測報警器的方案設(shè)計煙霧檢測報警器是能夠檢測環(huán)境中的煙霧濃度，并具有報警功能的儀器，儀器的最基本組成部分應(yīng)包括：煙霧信號采集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機控制電路。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。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。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。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(jì)的煙霧傳感器及單片機芯片是 至關(guān)重要的。單片機作為硬件電路 的核心，它的選型將在第三章詳述。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。 (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。 (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。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(hù)方便。 (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。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。 (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。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。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。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。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。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。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。它主要適用于毒性煙霧檢測。 (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。溫度的變化情況是目標(biāo)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。在測量和比較元件中，紅外射線被煙霧有選擇地吸收了。非擴散式紅外探測器NDIR (nondispersive IR )是其中的一種，所有的未吸收光全部以最小的擴散和損耗被記錄下來。由于非碳?xì)浠衔镆兹紵熿F(如氫)不吸收電磁譜中IR部分的能量，所以這種傳感器可以精確地測量碳?xì)浠衔?，并具有最小的交叉靈敏度，而且不受其它煙霧的腐蝕以及高濃度目標(biāo)煙霧的影響。例如氧化物半導(dǎo)體煙霧傳感器主要檢測各種還原性煙霧，如CO、HC2H5OH、CH3OH等。、開發(fā)的各類煙霧傳感器及其可檢測的氣體種類。使用接觸燃燒式傳感器，其探頭的阻緩及中毒，是不可避免的問題。雖然將阻緩的傳感器再放回新鮮空氣環(huán)境中有得到某種程度的恢復(fù)的可能，但是如果長期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會不斷下降，導(dǎo)致傳感器最終喪失檢測煙霧的能力。當(dāng)懷疑檢測環(huán) 境中存在這些物質(zhì)時，經(jīng)常對探頭進(jìn)行標(biāo)定，是必須且有效的辦法。一般連續(xù)使用兩個月后應(yīng)對傳感器進(jìn)行量程校準(zhǔn)，這種經(jīng)常性對傳感器的維護(hù)，無形中加大了工作人員的工作量，同時增加了報警器的維護(hù)成本。半導(dǎo)體煙霧傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性(抗干擾性