【正文】 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。 (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。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。 (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(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。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)。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。 C 的高溫，此時(shí)若與煙霧接觸，煙霧就會(huì)在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會(huì)上升，鉑絲的電阻值也上升；通過(guò)測(cè)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(shí)，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(duì)特定煙霧分子靈敏度高，選擇性好，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能在常溫下使用，可以彌補(bǔ)其它煙霧傳感器的不足。煙霧濃度信號(hào)將電解液分解成陰陽(yáng)帶電離子，通過(guò)電極將信號(hào)傳出。它主要適用于毒性煙霧檢測(cè)。 (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(cè)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(duì)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(cè)量和比較元件中，紅外射線被煙霧有選擇地吸收了。非擴(kuò)散式紅外探測(cè)器 NDIR (nondispersive IR )是其中的一種，所有的未吸收光全部以最小的擴(kuò)散和損耗被記錄下來(lái)。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(cè)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(cè)各種還原性煙霧，如 CO、 HC2H5OH、 CH3OH等。 表 簡(jiǎn)要列舉出已經(jīng)研究、開(kāi)發(fā)的各類煙霧傳感器及其可檢測(cè)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(wèn)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(zhǎng)期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會(huì)不斷下降，導(dǎo)致傳感器最終喪失檢測(cè)煙霧的能力。當(dāng)懷疑 檢測(cè)環(huán) 境中存在這些物質(zhì)時(shí)，經(jīng)常對(duì)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(gè)月后應(yīng)對(duì)傳感器進(jìn)行量程校準(zhǔn)，這種經(jīng)常性對(duì)傳感器的維護(hù)，無(wú)形中加大了工作人員的工作量，同時(shí)增加了報(bào)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 )和穩(wěn) 定性 (使用壽命 )。因此，本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體煙霧傳感器作為報(bào)警器煙霧信息采集部分的核心。 MQ2型煙霧傳感器的工作原理 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。半導(dǎo)體氣敏元件也有N型和 P 型之分。半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類如表。 C 表 類型 所利用的特性 工作溫度 代表性被檢測(cè)氣體 電電阻 表面電阻控制器 300～ 450 176。C 700176。 C H CO、乙醇 晶體管特性 150176。當(dāng)處于 200~300176。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。 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。這就是 MQ2 型燃性煙霧傳感器檢測(cè)可燃煙霧的基本原理。 圖 圖 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。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。 。 K=RS / R0 (21) 式中， R0為煙霧傳感器潔凈空氣條件下的電阻值， RS為煙霧傳感器在一定濃度的檢測(cè)煙霧中的電阻值。 n 為與檢測(cè)煙霧，器件材料有關(guān)，并隨測(cè)試溫度和材料中有無(wú)增感劑而有所不同。這是因?yàn)闊熿F傳感器中的二氧化錫在不通電的狀態(tài)下會(huì)吸附空氣中的水蒸氣，當(dāng)再次通電時(shí)需要預(yù)熱幾分鐘使水蒸氣蒸發(fā)后，氣敏電阻才能正常工作。一般情況下，不通電時(shí)間越長(zhǎng)，初期穩(wěn)定時(shí)間也越長(zhǎng)，當(dāng)不通電存放時(shí)間達(dá)到 15天左右時(shí)，初期穩(wěn)定時(shí)間一 般需要 5分鐘左右。 C)下工作，所以需要對(duì)其 加熱。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)。 ，加熱電阻為 31177。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。 (3) MQ2型傳感器的特性參數(shù) (a)回路電壓： (Vc) 5~24V (b)取樣電阻： (RL) ~20K (c)加熱電壓： (VH)5177。 首先，傳感器送來(lái)的煙霧濃度對(duì)應(yīng)的微小的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)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。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。當(dāng)傳感器加熱絲 或電纜線和傳感器斷線或接觸不良時(shí)，進(jìn)行故障報(bào)警，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。 為適應(yīng)家庭和工業(yè)等場(chǎng)所對(duì)可燃性易爆煙霧安全性要求，設(shè)計(jì)的可燃性煙霧報(bào)警儀應(yīng)不僅能在較寬的溫度范圍工作，而且應(yīng)具有顯示可燃煙霧濃度、故障自檢、延時(shí)報(bào)警功能及可接計(jì)算機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)測(cè)和實(shí)時(shí)控制等功能。 報(bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如 圖 所示，系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，配合外圍電路共同完成信號(hào)采集、濃度顯示、時(shí)間顯示、狀態(tài)顯示、聲音及閃爍報(bào)警、按鍵輸入、故障自檢等功能。系統(tǒng)應(yīng)采用高性能的單片機(jī)，要求工作穩(wěn)定、測(cè)量精度高、通用性強(qiáng)、功耗低，保證報(bào)警器的精確性及可 靠性，而且最好體積小，成本低，有利于減少報(bào)警器的體積，降低報(bào)警器 的成本。 (2)煙霧濃度顯示 通過(guò)液晶屏顯示可燃煙霧的濃度值，并且可以切換到設(shè)置狀態(tài)，通過(guò)鍵盤設(shè)置或者更改報(bào)警限值，以便于用戶或檢測(cè)人員隨時(shí)觀測(cè)煙霧濃度及更改報(bào)警限。因?yàn)槿藢?duì)變化的信號(hào)更為敏 感，所以變化的聲音及燈光更容易引起用戶的注意。 (5)看門狗自檢單片機(jī)狀態(tài)功能 調(diào)用單片機(jī)中的看門狗程序，定時(shí)檢查單片機(jī)工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)單片機(jī)出現(xiàn)死循環(huán)狀態(tài)，立即復(fù)位，保證報(bào)警器工作正常。 (7)自動(dòng)控制相關(guān)安全裝置的擴(kuò)展功能 留有繼電器接口，可以帶動(dòng)排風(fēng)扇或大功率蜂鳴器，也可以控制管道電子閥門，可在報(bào)警的同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)相關(guān) 安全裝置。 5%LEL (4) 報(bào)警點(diǎn)設(shè)置：達(dá)到 20%LEL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：≤ 85%RH (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 0~5V 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)。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。并且從結(jié)構(gòu)、功能、技 術(shù)指 標(biāo)三方面對(duì)報(bào)警器進(jìn)行了詳細(xì)地論述，使其在較寬的溫度范圍工作，用于檢測(cè)空氣中煙霧或可燃性液體蒸汽的濃度。若判斷是 煙霧泄漏，則發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)，也可在報(bào)警的同時(shí)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)相 關(guān)安全裝置而且具有故障自診斷功能。 第三章 煙霧檢測(cè)報(bào)警器的硬件設(shè)計(jì) 在報(bào) 警儀的設(shè)計(jì)中，單片機(jī)是其核心部件。在單片機(jī)完成這些的工作中，尤其是信號(hào)處理中，比較 濃度值后送入顯示的軟件實(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。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)。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。 如今市面上比較普遍的單片機(jī)有 8051系列與 STC 系列。 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。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。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。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。 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)。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、 EEPROM、 A/D 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。 STC12C54xxAD 系列單片機(jī)有 6 種型號(hào)：分別是STC12C5412AD 、 STC12C5410AD 、 STC12C5408AD 、STC12C5406AD、 STC12C5404AD、 和 STC12C5402AD。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。 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。 STC12C5410AD單片機(jī)的管 腳結(jié)構(gòu)如圖 所示。 Flash 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。 (2)脈寬調(diào)節(jié)模式 (PWM) 所有 PCA 模塊都可用作 PMW 輸出。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。當(dāng) CL SFR的值小于 {EPCnL， CCAPnL}時(shí)，輸出為低， 當(dāng) PCACL SFR 的值等于或大于 {EPCnL， CCAPnL}時(shí)，輸出為高。這樣就可實(shí)現(xiàn)無(wú)干擾地更新 PWM。 (3) I/O 口工作類型設(shè)置 STC12C5410AD 帶有 24個(gè) I/O 引腳，它的 I/O 與傳統(tǒng)的 I/O不同，每個(gè) 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。在對(duì)同一個(gè) I/O 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。如與捕獲比較 模塊相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)串行通信， 與 A/D模塊結(jié)合實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換等。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 。 8路電壓輸入型 A/D，可以完成溫度檢測(cè)、 電池電壓檢測(cè)、按鍵掃描、頻譜檢測(cè)等功能。這樣， A/D轉(zhuǎn)換和 I/O 口 可以靈活的運(yùn)用，節(jié)省了軟件及時(shí)間。用戶可以將 芯片焊接在線路板上后進(jìn)行下載程序、調(diào)試程序和修改程序。因此，它的 開(kāi)發(fā)工具 較為簡(jiǎn)單，只需 1套 PC環(huán)境下的調(diào)試軟件和 1個(gè)連接于并口的仿真器。因此，用戶只要在設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)為調(diào)試需要預(yù)留好 STC12C5410AD的串口接口的引出插座，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的程序下載調(diào)試、系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)編程硬件仿真或軟件升級(jí)功能， 而且無(wú)需外加編程電壓。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(gè)參考