【正文】 現(xiàn)場實時檢測，采用先進可靠的安全檢測儀表，嚴密監(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，防止和減少火災危害，保護人身和財產安全。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 計量器具。2003年12月，國家執(zhí)行新的煙霧探測器標準(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、準確監(jiān)測可燃性氣體，并合乎國家相關規(guī)定的報警器具有極其重要得意義。如果這些家用燃氣和煤氣基地及中轉站的 報警率按10%計算，煙霧檢測報警器的需求量就達2000萬臺以 上。近十年來，農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氣泄漏報警器，次年12月其改良產品問世，改良的報警器可以檢測燃氣、一氧化碳等氣 體，可以安裝在浴室或者采用集中監(jiān)視。但主要是在引進國外先進的傳感器技術和先進的生產工藝基礎上，進行研究與開發(fā)形成自己的特色。燃氣報警器可分為民用火災煙霧報警器、工業(yè)用煙霧報警器、有毒有害煙霧報警器三大系列產品。有的報警器可自動開啟排風扇，把煙霧排出室外 。工業(yè)用燃氣報警器及有毒煙霧報警器根 據(jù)檢測環(huán)境的不同，也可分為檢漏儀、控制器和探測器。若有燃氣泄漏，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。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。此種儀器廣泛應用于液化氣站、汽車加油站、鍋爐房等工業(yè)場所。(b)以STC12C5410AD單片機為中央處理器，對硬件電路進行設計和改進，使其功能更加完善。(c)系統(tǒng)的軟件編制。在程序的編寫過程中，加入了詳細的文字注釋，便于后期的改進與維護。(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行修正主傳感器，以提高精度和可靠性。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，將煙霧信號轉化為模擬的電信號。單片機對該數(shù)字信號進行 濾波處理，并對處理后的數(shù)據(jù)進行分析，是否大于或等于某個預設值(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)。方便調節(jié)報警限，可以加入按鍵。以上是根據(jù)報警器應具備的功能，提出的整體設計思路。煙霧傳感器的選型在下一節(jié)詳細介紹。 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)轉化成電壓或者電流信號，通過A/D轉換電路將模擬量轉換成數(shù)字量后送到單片機，進而由單片機完成數(shù)據(jù)處理、濃度處理及報警控制等工作。由此可見，傳感器的選型是非常重要的。 (b)利用物理性質的煙霧傳感器：如熱導煙霧傳感器、光干涉煙霧傳感器、紅外傳感器等。 (2)煙霧傳感器應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。 (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。自1962年半導體金屬氧化物煙霧傳感器問世以來，由于具有靈敏度高、響應快、輸出信號強、耐久性強、結構簡單、價格便宜等諸多優(yōu)點，得到了廣泛的應用。按照敏感機理分類，可分為電阻型和非電阻型。由于這種傳感器電導率高，靈敏度和選擇性好，因而得到了廣泛的應用，幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個領域，其產量僅次于半導體煙霧傳感器的一類傳感器。 (c)接觸燃燒式傳感器 當易燃煙霧接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時會發(fā)生氧化反應而燃燒，故得名接觸燃燒式傳感器。C~400176。 (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。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、易與微結構傳感器和聲表面波器件相結合，在毒性煙霧和食品鮮度等方面的檢測中具有重要作用。 (e)電化學傳感器 電化學傳感器由膜電極和電解液封裝而成。它的優(yōu)點是：反映速度快、準確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測，但壽命較短(大約兩年)。目前國際上絕大部分毒氣檢測采用該類型傳感器。它的測量原理是：將加熱后的鉑電阻線圈置于目標煙霧中，由于向目標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。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(nondispersiveIR)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。由于非碳氫化合物易燃煙霧(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氫化合物，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煙霧的影響。 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，導致傳感器最終喪失檢測煙霧的能力。當懷疑檢測環(huán)境中存在這些物質時，經常對探頭進行標定，是必須且有效的辦法。一般連續(xù)使用兩個月后應對傳感器進行量程校準，這種經常性對傳感器的維護，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成本。半導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，本設計采用半導體煙霧傳感器作為報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體煙霧傳感器包括用氧化物半導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體器件制作的煙霧傳感器。半導體氣敏元件也有N型和P型之分。 本設計中采用的MQ2型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導體氣敏材料，屬于表面離子式N型半導體。C溫度時，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。利用這一點就可以獲得這種煙霧存在的信息。而當空氣中沒有煙霧時，二氧化錫半導體又會自動恢復氧的負離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。 MQ2型傳感器的特性及主要技術指標 (1)MQ2型傳感器的一般特點 (a)MQ2型傳感器對天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對烷類煙霧更為敏感。初始穩(wěn)定，響應時間短，長時間工作性能好。(d)電路設計電壓范圍寬，24V以下均可；加熱電壓5177。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煙霧中的電阻值。n為與檢測煙霧，器件材料有關，并隨測試溫度和材料中有無增感劑而有所不同。這是因為煙霧傳感器中的二氧化錫在不通電的狀態(tài)下會吸附空氣中的水蒸氣，當再次通電時需要預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，不通電時間越長，初期穩(wěn)定時間也越長，當不通電存放時間達到15天左右時，初期穩(wěn)定時間一般需要5分鐘左右。C)下工作，所以需要對其加熱。所以必須使用傳感器生產廠家推薦的加熱電壓，使其工作在較安全的范圍內。加熱電阻為31177。當加熱絲斷路時，由于熱惰性緣故，煙霧傳感器的氣敏特性并不立即消失，此時檢測必出現(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，傳感器送來的煙霧濃度對應的微小的電壓信號經過放大，轉化成較大的電壓信號送入STC12C5410AD單片機；然后，在STC12C5410AD單片機內A/D轉換、濃度比較，對數(shù)據(jù)進行線性化處理，將數(shù)字化電壓信號轉化成為對應的十進制濃度值；最后，將實際可燃性氣體濃度送入液晶，并判斷濃度值是否超出報警限，當濃度處于正常狀態(tài)綠燈長亮，當煙霧濃度超出設定的限定值時，發(fā)出聲音報警并伴隨紅燈閃亮。為提高響應時間，保證傳感器準確地、穩(wěn)定地工作，報警器需要向煙霧傳感器持續(xù)輸出一個5V的電壓。當傳感器加熱絲或電纜線和傳感器斷線或接觸不良時，進行故障報警，發(fā)出聲光報警信號。 煙霧檢測報警器的結構 為適應家庭和工業(yè)等場所對可燃性易爆煙霧安全性要求，設計的可燃性煙霧報警儀應不僅能在較寬的溫度范圍工作，而且應具有顯示可燃煙霧濃度、故障自檢、延時報警功能及可接計算機進行現(xiàn)場遠測和實時控制等功能。單片機，系統(tǒng)以單片機為核心，配合外圍電路共同完成信號采集、濃度顯示、時間顯示、狀態(tài)顯示、聲音及閃爍報警、按鍵輸入、故障自檢等功能。系統(tǒng)應采用高性能的單片機，要求工作穩(wěn)定、測量精度高、通用性強、功耗低，保證報警器的精確性及可靠性，而且最好體積小，成本低，有利于減少報警器的體積，降低報警器的成本。 (2)煙霧濃度顯示 通過液晶屏顯示可燃煙霧的濃度值，并且可以切換到設置狀態(tài)，通過鍵盤設置或者更改報警限值，以便于用戶或檢測人員隨時觀測煙霧濃度及更改報警限。因為人對變化的信號更為敏感，所以變化的聲音及燈光更容易引起用戶的注意。 (5)看門狗自檢單片機狀態(tài)功能 調用單片機中的看門狗程序，定時檢查單片機工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)單片機出現(xiàn)死循環(huán)狀態(tài)，立即復位，保證報警器工作正常。 (7)自動控制相關安全裝置的擴展功能留有繼電器接口，可以帶動排風扇或大功率蜂鳴器，也可以控制管道電子閥門，可在報警的同時自動啟動相關安全裝置。 (2)檢測范圍：0~100%LEL。5%LEL。 (5)報警器工作方式：現(xiàn)場固定安裝，自然擴散進行采樣，長年連續(xù)運行。C~50176。C~500176。 (7)工作環(huán)境濕度：≤85%RH。(9)指示方式：數(shù)字顯示，可顯示被測煙霧LEL%及設定報警限值。 (11)工作電壓：AC220V177。lHz。3. 煙霧檢測報警器的硬件設計在報警儀的設計中，單片機是其核心部件。在單片機完成這些的工作中，尤其是信號處理中，比較濃度值后送入顯示的軟件實現(xiàn)比較復雜，要求單片機具備較快的運算速度，使檢測人員能夠較準確地觀測到煙霧濃度，并根據(jù)情況做進行相應處理。根據(jù)多方面的比較，本設計選用宏晶科技生產的STC12系列單片機。在單片機實現(xiàn)的功能中，將模數(shù)轉換后的信號做數(shù)字濾波，再進行線性化處理，然后送LCD顯示，這一過程的軟件實現(xiàn)，需要單片機有較快的運算速度，使儀表監(jiān)測人員能夠觀測到實時的煙霧濃度，并進行相應處理。 如今市面上比較普遍的單片機有8051系列與STC系列。 STC單片機是MICROCHIP公司的產品，其突出的特點是功耗低，精簡指令集，抗干擾性好，可靠性高，但是存在溢出隱患問題。當堆棧指針設定合理，局部變量少的情況下，8051系列用10層的程序嵌套不會出現(xiàn)問題。所以如果用C語言進行STC編程設計容易堆棧溢出。而C語言是一種結構化的高級語言，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算機語言。 為適用于本論文設計的煙霧檢測報警器，應選擇一種比8051系列速度快，功耗低，抗干擾性好，而又避免C語言編程溢出問題的單片機。而且STC12系列下屬的STC12C54xxAD系列單片機是低功耗Flash單片機，它的高效尋址方式、大容量Flash、EEPROM、A/D轉換、硬件乘法器、硬件脈寬調制器(PWM)等功能特點，較好的實現(xiàn)了強大的功能與超低功耗的結合。STC12C54xxAD系列單片機有6種型號：分別是STC12C5412AD、STC12C5410AD、STC12C5408AD、STC12C5406AD、STC12C5404AD、和STC12C5402AD。在價格相同的情況下，盡量選擇Flash較大的芯片，所以選擇了STC12C5410AD單片機作為本論文設計的煙霧報警器的單片機核心芯片。 STC12C5410AD單片機的特點STC12C5410AD單片機較以往的單片機提高了工作效率，使系統(tǒng)的可靠性、抗干擾能力得到了顯著改善，而且進一步小型化和便攜化。STC12C5410AD單片機具有以下特點： (1)Flash存儲器 STC12C5410ADFlash存儲器為10KB。Flash存儲器的掉電保護功能可用于程序數(shù)據(jù)保存，可以按字或字節(jié)讀寫，最小擦除單位為1段，經過擦除的位為“1”，寫入位為“0”。輸出頻率取決于PCA定時器的時鐘源。各個模塊的輸出占空比是獨立變化的，與使用的捕獲寄存器{EPCnL，CCAPnL}有關。當CL的值由FF變?yōu)?0溢出時，{EPCnH，CCAPnH}的內容裝載到{EPCnL，CCAPnL}中。要使能PWM模式，模塊CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必須置位。4種類型分別為：準雙向口(標準8051輸出模式)、推挽輸出、僅為輸入(高阻)和開漏輸出功能。其中一些I/O口還可以與STC12C5410AD中的特殊模塊相結合完成更為復雜的工作。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的驅動能力，對于一般的液晶顯示屏、蜂鳴器可以直接驅動而無需輔助電路。 (4)A/D模數(shù)轉換寄存器 STC12C5410AD單片機的A/D轉換口在P1口(~)，有8路10位高速A/D轉換器，STC12C5410AD系列是10位精度的A/D，速度均可達到100KHz(10萬次/秒)。上電復位后P1口是弱上拉型的I/O口，可以通過軟件設置將8路中的任何一路設置為A/D轉換，不需作為A/D使用的口可繼續(xù)作為I/O口使用。 (5)有配套的仿真開發(fā)工具STC12C5410AD的Flash存儲器給用戶的開發(fā)帶來方便。同時，STC12C5410AD的片內已集成了程序斷點控制等邏輯功能。仿真器與STC12C5410AD經串口連接。 煙霧檢測報警器硬件電路設計 信號采集及前置放大電路