【正文】 a 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體規(guī)劃和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(bào)警電路狀態(tài)指示燈電路液晶顯示電路六個(gè) 部分 c 系統(tǒng)的軟件編制按照軟件實(shí)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?yàn)V波子程序線性化處理子程序濃度顯示 子程序報(bào)警子程序報(bào)警限值設(shè)置子程序串口通信子程序在程序的 編寫過(guò)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) d 硬件電路和軟件的綜合調(diào)試 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 第二章 煙霧檢測(cè)報(bào)警器的方案設(shè)計(jì) 2122 煙霧傳感器的選型 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) AD 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)警控制等工作傳感器作為煙霧檢測(cè)報(bào)警器的信號(hào)采集部分是儀表的核心組成部分之一由此可見(jiàn)傳感器的選型是非常重要的 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(cè)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 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 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(shì)型氣 體傳感器等 2 煙霧傳感器應(yīng)滿足的基本條件 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但是任何一個(gè)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(cè)某種單一煙霧而對(duì)共存的其它煙霧不響應(yīng)或低 響應(yīng) b 對(duì)被測(cè)煙霧具有較高的靈敏度能有效地檢測(cè)允許范圍內(nèi)的煙霧 濃度 c 對(duì)檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)速度快重復(fù)性好 d 長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性好 e 使用壽命長(zhǎng) f 制造成本低使用與維護(hù)方便 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 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按照敏感機(jī)理分類可分為電阻型和非電阻型 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(guò)煙霧時(shí)產(chǎn)生電阻測(cè)量其形成電動(dòng)勢(shì)從而測(cè)量氣體濃度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傳感器但這種傳感器制造成本高檢測(cè)煙霧范圍有限在檢測(cè)環(huán)境污染領(lǐng)域中有優(yōu)勢(shì) 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接觸燃燒式煙霧傳感器的檢測(cè)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(shí)將鉑絲通電保持 300176。 C400176。 C 表 22 半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類 類型 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。 C 700176。 C H2CO 乙醇 晶體管特性 150176。 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)率的變化利用這一點(diǎn)就可以 獲得這種煙霧存在的信息 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)這就是MQ2 型燃性煙霧傳感器檢測(cè)可燃煙霧的基本原理 MQ2 型傳感器的結(jié)構(gòu)圖如 圖21 所示其外觀如 22 所示 圖 21MQ2 型傳感器的結(jié)構(gòu)圖 圖 22 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)烷類煙霧更為敏感 b MQ2 型傳感器具有良好的重復(fù)性和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性初始穩(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 d 電路設(shè)計(jì)電壓范圍寬 24V 以下均可加熱電壓 5177。 C 下工作所以需要對(duì)其加熱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)事故所以必須使用傳感器生產(chǎn)廠家推薦的加熱電壓使其工作在較安全的范圍內(nèi) MQ2 型煙霧傳感器加熱電壓為 5177。 3 當(dāng)加熱絲斷路 時(shí)由于熱惰性緣故煙霧傳感器的氣敏特性并不立即消失此時(shí)檢測(cè)必出現(xiàn)較大的誤差為避免出現(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 型傳感器的特性參數(shù) a 回路電壓 Vc 524V b 取樣電阻 RL 0120K c 加熱電壓 VH 5177。 5LEL 4 報(bào)警點(diǎn)設(shè)置達(dá)到 20LEL 開(kāi)始報(bào)警 5 報(bào)警器工作方式現(xiàn)場(chǎng)固定安裝自然擴(kuò)散進(jìn)行采樣長(zhǎng)年連續(xù)運(yùn)行 6 工作環(huán)境溫度檢測(cè)器 50176。 C 報(bào)警器 0176。 C 7 工作環(huán)境濕度≤ 85RH 8 報(bào)警方式煙霧泄漏聲光報(bào)警自診斷故障報(bào)警 9 指示方式數(shù)字顯示可顯示被測(cè)煙霧 LEL 及設(shè)定報(bào)警限值 10 響應(yīng)時(shí)間≤ 30S 11 輸出信號(hào)可輸出與煙霧濃度對(duì) 應(yīng)的 05V DC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) 11 工作電壓 AC220V177。lHz 12 具備快速重復(fù)檢測(cè)和延時(shí)報(bào)警功能可區(qū)別煙霧的泄漏 和短時(shí)間的微量散失防止誤報(bào) 24 本章小結(jié) 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)傳感器從種類選定工作原理基本特性四個(gè)方面分別敘述 根據(jù)本設(shè)計(jì)要求及使用環(huán)境成本等因素選用的 MQ2STC12 系列單片機(jī) 31 單片機(jī)的選型 的選擇 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)查詢是否有鍵按下的 命令在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能中將模數(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(guò)程的軟件實(shí)現(xiàn)需要單片機(jī)有較 快的運(yùn)算速度使儀表監(jiān)測(cè)人員能夠觀測(cè)到實(shí)時(shí)的煙霧濃度并進(jìn) 行相應(yīng)處理同時(shí)在能夠滿足報(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 如今市面上比較普遍的單片機(jī)有 8051 系列與 STC 系列 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 STC單片機(jī)是 MICROCHIP公司的產(chǎn)品其突出的特點(diǎn)是功耗低 精簡(jiǎn)指令集 抗干擾性好可靠性高但是存在溢出隱患問(wèn)題 8051系 列采用的是堆棧指針 STC采用硬件堆棧 8級(jí)當(dāng)堆棧指針設(shè)定合理局部變量少的情況下 8051系列用 10層的程序嵌套不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題而 STC單片機(jī)程序嵌套包括中斷最多不能超過(guò) 8層所以如果用C 語(yǔ)言進(jìn)行 STC 編程設(shè)計(jì)容易堆棧溢出 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 C 語(yǔ)言是一種結(jié)構(gòu)化的高級(jí)語(yǔ)言雖然占用資源較匯編多但是可讀性好移植容易是普 遍使用的一種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言鑒于 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 為適用于本論文設(shè)計(jì)的煙霧檢測(cè)報(bào)警器應(yīng)選擇一種比 8051 系列速度快功耗低抗干擾性好而又避免 C語(yǔ)言編程溢出問(wèn)題的單 片機(jī) 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 812 倍而且 STC12 系列下屬的STC12C54xxAD 系 列單片機(jī)是低功耗 Flash 單片機(jī)它的高效尋址方式大容量Flash EEPROMAD 轉(zhuǎn)換硬件乘法器硬件脈寬調(diào)制器 PWM 等功能特點(diǎn) 較好的實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的功能與超低功耗的結(jié)合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價(jià)比和應(yīng) 用適應(yīng)性 STC12C54xxAD 系列單片機(jī)有 6 種型號(hào)分別是 STC12C5412AD STC12C5410ADSTC12C5408ADSTC12C5406ADSTC12C5404AD 和 STC12C5402AD 它們是以單片機(jī)內(nèi)部集成 Flash 的大小區(qū)分的在價(jià)格相同的情況下盡量選擇 Flash較大的芯片所以選擇了 STC12C5410AD 單片機(jī)作為本論文設(shè)計(jì)的煙霧報(bào)警器的單片機(jī)核 心芯片它體積小價(jià)格低非常適用于本設(shè)計(jì)下面介紹 STC12C5410AD 的自身特點(diǎn) STC12C5410AD 單片機(jī)的特點(diǎn) STC12C5410AD 單片機(jī)較以往的單片機(jī)提高了工作效率使系統(tǒng)的可 靠性抗干擾能力得到了顯著改善而且進(jìn)一步小型化和便攜化其 內(nèi)部集成的 Flash 幾乎擁有現(xiàn)代追求個(gè)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(shí)間電可擦除容量大在線可編程足夠多的 擦寫次數(shù)價(jià)格低廉和高可靠性等所有優(yōu)點(diǎn)STC12C5410AD 單片機(jī)的管 腳 結(jié)構(gòu)如圖 31 所示 圖 31 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 10KBFlash 存儲(chǔ)器主要用作程序存 儲(chǔ)可經(jīng)計(jì)算機(jī)串口接口下載程序程序運(yùn)行時(shí)能對(duì)其中的 1 段或多段進(jìn) 行擦寫操作因此兼有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器功能 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)讀寫最小擦除單位為 1 段經(jīng)過(guò) 擦除的位為 1 寫入位為 0 2 脈寬調(diào)節(jié)模式 PWM 所有 PCA 模塊都可用作 PMW 輸出輸出頻率取決于 PCA 定時(shí)器的 時(shí)鐘源由于所有模塊共用僅有的 PCA 定時(shí)器所有它們的輸出頻率相 同各個(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)當(dāng) CL SFR 的值小于 EPCnLCCAPnL 時(shí)輸出為低 當(dāng) PCACL SFR的值等于或大于 EPCnLCCAPnL 時(shí)輸出為高當(dāng) CL 的值由 FF 變?yōu)?00 溢出時(shí) EPCnHCCAPnH 的內(nèi)容裝載到 EPCnL CCAPnL 中這樣就可實(shí)現(xiàn)無(wú)干擾地更新 PWM 要使能 PWM 模式模 塊 CCAPMn 寄存器的 PWMn 和ECOMn 位必須置位 3 IO 口工 作類型設(shè)置 STC12C5410AD 帶有 24 個(gè) IO 引腳它的 IO 與傳統(tǒng)的 IO 不同每個(gè) IO 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 IO 口復(fù)用 4 種類型分別為準(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)漏輸出功能在對(duì)同一個(gè)IO 口進(jìn)行操作前要選擇其要實(shí)現(xiàn)的功能這樣大大地增強(qiáng)了端口的功能和靈活性其中一些 IO口還可以與 STC12C5410AD中的特殊模塊相結(jié)合完成更為復(fù)雜的工作如與捕獲比較 模塊相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)串行通信與 AD 模塊結(jié)合實(shí)現(xiàn) AD 轉(zhuǎn)換等此外STC12C5410AD 的 IO 端口電氣特性也 十分突出幾乎所有的 IO 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