【正文】 學(xué) 生 姓 名 余?？? 指 導(dǎo) 教 師 郭 旻 摘 要 隨著“信息時代”的到來，作為獲取信息的手段 —— 傳感器技術(shù)得到了顯著的進步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，對其要求越來 越高，需求越來越迫切。傳感器技術(shù)已成為衡量一個國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標志之一。 本論文以電阻式煙霧傳感器和單片機技術(shù)為核心并與其他電子技術(shù)相結(jié)合， 設(shè)計出一種技術(shù)水平較好的煙霧報警器。選用的 STC12C5410AD 單片機，其整合了 A/D 轉(zhuǎn)換、硬件乘法器、硬件脈寬調(diào)制器等資源，具有高速、低功耗、超強抗干擾等優(yōu) 點，是目前同類技術(shù)中性價比較高的品。是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能 穩(wěn)定、使用方便、價格低廉、智能化的煙霧報警器。 關(guān)鍵詞：煙霧；報警器； STC12C5410；傳感器 。 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，就必須對煙霧進行現(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(zāi)，防止和減少火災(zāi)危害，保護人身和財產(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。 2020 年 12月，國家執(zhí)行新的煙霧探測器標準 (GB 153222020)《可燃煙霧探測器》， 2020年 10月國家頒布《可燃煙霧檢測報警器規(guī)程 JJG6932020》，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(guān)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(zhuǎn)站的 報警率按10%計算，煙霧檢測報警器的需求量就達 2020 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 ~2020 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(chǎn)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(shù)和先進的生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)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(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 。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(yīng)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(shè)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(zhuǎn)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(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)。方便調(diào)節(jié)報警限，可以加入按鍵。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。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(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(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。 (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。 (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(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。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(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。 (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(yīng)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(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。 (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。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(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。當懷疑檢測環(huán)境中存在這些物質(zhì)時，經(jīng)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(yīng)對傳感器進行量程校準，這種經(jīng)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(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)計采用半導(dǎo)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(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。 本設(shè)計中采用的 MQ2 型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，屬于表面離子式 N 型半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體又會自動恢復(fù)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)圖如圖 所示，其外觀如 所示。 (b)MQ2型傳感器具有良好的重復(fù)性和長期的穩(wěn)定性。 (c)MQ2型 傳感器具有良好的抗干擾性，可準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(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(yīng)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu) 為適應(yīng)家庭和工業(yè)等場所對可燃性易爆煙霧安全性要求，設(shè)計的可燃性煙霧報警儀應(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。 報警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示，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(yīng)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(shè)置狀態(tài)，通過鍵盤設(shè)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(fù)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(fēng)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。 (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(shè)定報警限值。 (11)工作電壓： AC220V177。 lHz。 3. 煙霧檢測報警器的硬件設(shè)計 在報警儀的設(shè)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(fù)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(yīng)處理。根據(jù)多方面的比較，本設(shè)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(yīng)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(shè)定合理，局部變量少的情況下， 8051 系列用 10 層的程序嵌套不會出現(xiàn)問題。所以如果用 C 語言進行 STC 編程設(shè)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(shè)計的煙霧檢測報警器，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