【正文】 )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。 所利用的特性工作溫度表面電阻控制器300~450176。C可燃性氣體體電阻控制器300～450176。C以上乙醇、可燃性氣體非電阻型二極管整流特性室溫～200176。CHH2S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型傳感器的結(jié)構(gòu)圖如 。 (b)MQ2型傳感器具有良好的重復性和長期的穩(wěn)定性。 169。 (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(guān)，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(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(jīng)過放大，轉(zhuǎn)化成較大的電壓信號送入STC12C5410AD單片機；然后，在STC12C5410AD單片機內(nèi)A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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。 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。 ，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(diào)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(guān)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(guān)安全裝置。5%LEL (4) 報警點設置：達到20%LEL開始報警 (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 (6) 工作環(huán)境溫度：檢測器 50176。C；報警器0176。C (7) 工作環(huán)境濕度：≤85%RH (8) 報警方式：煙霧泄漏聲光報警、自診斷故障報警 (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 (10)響應時間：≤30S (11) 輸出信號：可輸出與煙霧濃度對應的0~5V DC標準信號 (11) 工作電壓：AC220V177。lHz (12)具備快速重復檢測和延時報警功能，可區(qū)別煙霧的泄漏 和短時間的微量散失，防止誤報。傳感器從種類、選定、工作原理、基本特性四個方面分別敘述。并且從結(jié)構(gòu)、功能、技 術(shù)指標三方面對報警器進行了詳細地論述，使其在較寬的溫度范圍工作，用于檢測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、光報警信號，也可在報警的同時自動驅(qū)動相 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(chǎn)的STC12系列單片機。在單片機實現(xiàn)的功能中，將模數(shù)轉(zhuǎn)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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換、硬件乘法器、硬件脈寬調(diào)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(jié)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單片機的管 。Flash存儲器主要用作程序存 儲，可經(jīng)計算機串口接口下載程序；程序運行時能對其中的1段或多段進 行擦、寫操作，因此兼有數(shù)據(jù)存儲器功能。 (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定時器，所有它們的輸出頻率相 同。當CL SFR的值小于{EPCnL，CCAPnL}時，輸出為低， 當PCACL SFR的值等于或大于{EPCnL，CCAPnL}時，輸出為高。這樣就可實現(xiàn)無干擾地更新PWM。 (3) I/O口工作類型設置 STC12C5410AD帶有24個I/O引腳，它的I/O與傳統(tǒng)的I/O不同，每個I/O口均可由軟件設置成4種工作類型之一，使得功能口和通用I/O口復用。在對同一個I/O口進行操作前要選擇其要實現(xiàn)的功能，這樣大大地增強了端口的功能和靈活性。如與捕獲比較 模塊相結(jié)合可以實現(xiàn)串行通信，與A/D模塊結(jié)合實現(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、 電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等功能。這樣，A/D轉(zhuǎn)換和I/O口 可以靈活的運用，節(jié)省了軟件及時間。用戶可以將 芯片焊接在線路板上后進行下載程序、調(diào)試程序和修改程序。因此，它的 開發(fā)工具較為簡單，只需1套PC環(huán)境下的調(diào)試軟件和1個連接于并口的仿真器。因此，用戶只要在設計應用系統(tǒng)時為調(diào)試需要預留好STC12C5410AD的串口接口的引出插座，即可實現(xiàn)系統(tǒng)的程序下載調(diào)試、系統(tǒng)現(xiàn)場編程硬件仿真或軟件升級功能， 而且無需外加編程電壓。本系統(tǒng)采用的半導體煙霧 傳感器屬于電阻型，因此只需串聯(lián)一個參考電阻，再經(jīng)過一個放大電路即可發(fā)送給ADC采集。常見的運算放大器中，LM324價格低廉、使用簡單等優(yōu)點 比較突出，所以本設計中的前置放大電路采用LM324作為電路的運算放大器。 下面詳細介紹運算放大電路： ，從傳感器的上端出來的信號Vi經(jīng)過運算放大器的同相 輸入端，但是為保證引入的是負反饋，輸出電壓Vo通過電阻R4接到反相輸入端，同時，反相輸入端通過電阻R3接到參考電壓Vref。 ，根據(jù)運放的“虛短”和“虛斷”的特點可知，I = I+ = 0，所以V = Vo*R3/R3 + R4 +Vref*R4/R3 + R4 (31)而且V = V+ = ViVo = Vi*（R3 + R4）/R3 (32)由以上兩式可求出Vo=VrefR4/R3 (33)所以本放大電路的放大倍數(shù)A =1+ R4 R3 ，此放大電路為同相比例放大電路，它的放大倍數(shù)總是大于或等于1。因為不存在“虛地”現(xiàn)象，所以其輸入端有較高的共模輸入電壓。如果不接R3和R4，則此電 路就成了“電壓跟隨器”，它可以減少電路模塊間由于阻抗引起的干擾。高輸入阻抗就可以減少放大電路對前端電路的影響，同時低輸出阻抗也可以提高自身的抗干擾性，這顯然有利于電路中其他模塊的設 計。它利用滑動變阻器產(chǎn)生一個參考電壓Vref，再利用電壓跟隨器把電壓輸入到運算放大電路的電壓參考 端。而電壓 跟隨器的作用就如上面介紹的，它只是用來匹配阻抗用的，防止R3和R4對 滑動變阻器輸出電壓的影響。報警裝置采用無源壓電式KM3712x型蜂鳴器[26]，較一般的蜂鳴器體積大，聲音響亮，適用于家用煤氣報警 器的報警聲音源。本報警器采用單片機STC12C5410AD的PWM功 能，如果煙霧濃度達到報警限，(PWM)口輸出占空比一定 的脈沖，報警時蜂鳴器會發(fā)出如警車警笛的聲音。顯示濃度級別，其主要技術(shù)參數(shù)如下： 模塊工作電壓： ~ 工作電流： 80ma,每段10ma字高：：85％ 視角：6:00 工作溫度：10~+50176。C接口方式：8線并行接口 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 。綠燈常亮表示正常狀態(tài)，環(huán)境中可燃煙霧濃度極低。紅燈閃亮表示環(huán)境中可燃煙霧濃度超 過報警限值，提醒用戶盡快作相應安全措施。若過一點時間濃度仍超出報警限，報警器會再次鳴叫提醒用戶。當傳感器正常連接時，電阻和傳感器分壓，此時電阻兩端有微弱的電壓，(AD)口檢測到； 如果傳感器電源連接不正常，則會產(chǎn)生斷路，檢測到電阻兩端電壓為0。 當報警器自診斷發(fā)現(xiàn)傳感器連接不正常，就會發(fā)出長鳴聲音警報，并 伴隨黃燈閃爍，提醒用戶及時排除傳感器連接問題。首先介紹了STC12系列 單片機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點、技術(shù)性能特點。然后，詳細地闡述了煙霧報警器電 路設計，分為信號采集及前置放大電路、STC12C5410AD單片機接口電路、聲音報警電路、顯示電路、狀態(tài)指示燈及鍵盤控制電路。 Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。在開發(fā)大型軟件時更能 體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。開發(fā)人員可用IDE本身或其它編輯器編輯C或匯編源文件。目標文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經(jīng)C51連接定位生成絕對目標文件(.ABS)。 STC12系列單片機下載程序使用的是宏晶科技自行開發(fā)的STC單片 機ISP下載編程軟件。ISP工具的功能主要是將由PC機串接來的8位并行數(shù)據(jù)與單片機的 串行數(shù)據(jù)進行相互轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)PC機與STC12C5410AD的RXD及TXD口通訊。用戶可以通過調(diào)試環(huán)境軟件的人機對話界面，在程序中設置斷點，在STC12C5410AD中，可以同時設置3個硬件斷點，它是經(jīng)過串口的傳輸，由芯片中的幾組斷點條件寄存器實現(xiàn)的。 本論文中，軟件解決的主要問題是檢測煙霧傳感器的煙霧濃度信號，然后對信號進行AD轉(zhuǎn)換，數(shù)字濾波，線性化處理，段式液晶濃度 顯示，按鍵功能設置，以及報警器聲光警報。首先要給傳感器預熱三分鐘，因為MQ2型半導體電阻式煙霧傳感器在不通電存放一段時間后，再次通電時，傳感器不能立即正常采集煙霧信息，需要一段時間預熱。本論文的主程序設計先對傳感器預熱三分鐘， 預熱同時，對傳感器加熱絲故障檢測，采用軟件方式檢測傳感器加熱絲或 電纜線是否斷線或者接觸不良。同時送入段式液晶顯示煙霧濃度值。 主程序流程圖。首先設定定時初值50ms，利用IAP寫入EEPROM，作為取值間隔。方式1狀態(tài)下定時器的工作寄存器THTL1是全16位參與操作。 在煙霧傳感器對煙霧濃度采樣時，可能會遇到尖脈沖干擾的現(xiàn)象。 如果采用一般的平均值法，則干擾將“平均”到計算結(jié)果上去，故平均值法不易消除由于脈沖干擾而引起的煙霧濃度采樣值的偏差。這種方法既可濾去脈沖干擾又可濾去小的隨機 干擾。 在實際應用中，N可取任何值，