【正文】 鍵連接示意圖 故障自診斷電路 1 判斷傳感器電源連接情況 在傳感器的地端串聯(lián)一個(gè)電阻 R6 當(dāng)傳感器正常連接時(shí)電阻和傳感器分壓此時(shí)電阻兩端有微弱的電壓單片機(jī)可以通過 P11 AD 口檢測到 如果傳感器電源連接不正常則會(huì)產(chǎn)生斷路檢測到電阻兩端電壓為 0 圖 37 傳感器電源連接自診斷電路 2 判斷傳感器信號端連接情況 另一種情況是判斷傳感器信號端是否連接正確此時(shí)不需要外加 電路在傳感器預(yù)熱 2 分鐘后測量傳感器信號的輸出電壓如果電壓為 5V則說明傳感器的信號端連接不正常 當(dāng)報(bào)警器自診斷發(fā)現(xiàn)傳感器連接不正常就會(huì)發(fā)出長鳴聲音警報(bào)并 伴隨黃燈閃爍提醒用戶及時(shí)排除傳感器連接問題 33 本章小結(jié) 本章闡述了煙霧報(bào)警器的硬件設(shè)計(jì)首先介紹了 STC12 系列 單片機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)技術(shù)性能特點(diǎn)從設(shè)計(jì)要求及對 STC12 系列單 片機(jī)性能指標(biāo)價(jià)格及節(jié)省儀表空間考慮選用 STC12C5410AD 單片機(jī) 作為該報(bào)警系統(tǒng)的核心控制器然后詳細(xì)地闡述了煙霧報(bào)警器電 路設(shè)計(jì)分為信號采集及前置放大電路 STC12C5410AD 單片機(jī)接口電路聲音報(bào)警電路顯示電路狀態(tài)指示燈及鍵盤控制電路 第四章 煙霧檢測報(bào)警器的軟件設(shè)計(jì) 41 STC12 系列單片機(jī)調(diào)試及開發(fā)工具 本系統(tǒng)的軟件編程使用的是美國 Keil Software 公司出品的 Keil C51 是 51系列兼容單片機(jī) C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)與匯編相比 C語言在功能上結(jié)構(gòu)性可讀性可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢 Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具全 Windows界面另外重要的一點(diǎn) Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之 高多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊容易理解在開發(fā)大型 軟件時(shí)更能 體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢 C51 工具包的整體結(jié)構(gòu)中μ Vision 與 Ishell 分別是 C51 for Windows 和 for Dos 的集成開發(fā)環(huán)境 IDE 可以完成編輯編譯連接調(diào)試仿真等整個(gè)開發(fā)流程開發(fā)人員可用 IDE本身或其它編輯器編輯 C或匯編源文件然后分別由 C51及 A51編譯器編譯生成目標(biāo)文件 OBJ 目標(biāo)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(biāo)文件 ABS ABS 文件由 OH51 轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 Hex文件以供調(diào)試器 dScope51或 tScope51使用進(jìn)行源代碼級調(diào) 試也可由仿真器使用直接對 目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試也可以直接寫入程序存貯器如 EPROM 中 STC12 系列單片機(jī)下載程序使用的是宏晶科技自行開發(fā)的 STC 單片 機(jī) ISP下載編程軟件本論文程序調(diào)試過程中使用的是 STCISPv31版 ISP工具的功能主要是將由 PC機(jī)串接來的 8位并行數(shù)據(jù)與單片機(jī)的 串行數(shù)據(jù)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)PC 機(jī)與 STC12C5410AD 的 RXD 及 TXD 口通訊 當(dāng)用戶將源程序 匯編語言或 C 語言 經(jīng)語法檢查無誤并生成代碼時(shí) 就可以將程序代碼下載到 Flash 芯片中 [31]而用戶的系統(tǒng)可以是在線狀態(tài) 用戶可以通 過調(diào)試環(huán)境軟件的人機(jī)對話界面在程序中設(shè)置斷點(diǎn)在STC12C5410AD 中可以同時(shí)設(shè)置 3 個(gè)硬件斷點(diǎn)它是經(jīng)過串口的傳輸由芯片中的幾組斷點(diǎn)條件寄存器實(shí)現(xiàn)的 用戶可以通過調(diào)試環(huán)境軟件的人機(jī)對話界面檢查或修改 Flash 芯片 內(nèi)的各種存儲(chǔ)器寄存器的數(shù)據(jù) 42 煙霧檢測報(bào)警器軟件流程及設(shè)計(jì) 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(jìn)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(shè)置以及報(bào)警器聲光警報(bào) 設(shè)計(jì)及流程圖 主程序流程圖如圖 41所示首先要給傳感器預(yù)熱三分鐘因?yàn)?MQ2型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器在不通電存放一段時(shí)間后再次通電時(shí)傳感器不能立即正常采集煙霧信息需要一段時(shí)間預(yù)熱程序初始化結(jié)束后系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)本論文的主程序設(shè)計(jì)先對傳感器預(yù)熱三分鐘 預(yù)熱同時(shí)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 STC12C5410AD 單片機(jī)對傳感器檢測的煙霧濃度信號進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn) 換平均值法濾波線性化處理后將濃度值與報(bào)警限設(shè)定值相比較判斷是否報(bào)警同時(shí)送入段式液晶顯示煙霧濃度值主程序還包括狀態(tài)指示燈及按鍵功能設(shè)置中斷子程序等使報(bào)警器功能更加完善給用戶帶來便利 圖 41 主程序流程圖 初始化流程圖 主程序初始化流程圖如圖 42 所示給傳感器預(yù)熱后程序開始執(zhí)行 初始化子程序這部分實(shí)現(xiàn)的功能包括各種 IO 口輸入輸出狀態(tài)的設(shè)定 寄存器初始化中斷使能等首先設(shè)定定時(shí)初值 50ms利用 IAP寫入 EEPROM作為取值間隔然后設(shè)置定時(shí)器 0選擇方式 1方式 1狀態(tài)下定時(shí)器的工作寄存器 TH1TL1是全 16位參與操作接下來定時(shí)器 0 中斷允許位置 1 打開定時(shí)器 0 關(guān)閉蜂鳴器開啟綠燈設(shè)置報(bào)警限初 值 圖 42 主程序初始化流程圖 平均濾波法數(shù)字濾波子程序設(shè)計(jì)及流程圖 在煙霧傳感器對煙霧濃度采樣時(shí)可 能會(huì)遇到尖脈沖干擾的現(xiàn)象干擾通常只影響個(gè)別采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)此數(shù)據(jù)與其他采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)相差比較大 如果采用一般的平均值法則干擾將平均到計(jì)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 為此可采取中位值平均濾波法 又稱防脈沖干擾平均濾波法 先對 N 個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比較去掉其中的最大值和最小值然后計(jì)算余下的 N– 2 個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值這種方法既可濾去脈沖干擾又可濾去小的隨機(jī) 干擾保證報(bào)警器檢測煙霧濃度的準(zhǔn)確性減小誤報(bào)錯(cuò)報(bào)的可能 在實(shí)際應(yīng)用中 N 可取任何值但為了加快測量計(jì)算速度本論文數(shù)字濾波的設(shè)計(jì)中 N 取 10 即調(diào)用 AD 連續(xù)進(jìn)行 10 次采樣去掉其中的最大值和最小值計(jì)算其余8 個(gè)值的平均值將這個(gè)平均值送入寄存器 中位值平均濾波法的程序流程圖如圖43 所示 圖 43 中位值平均濾波法程序流程圖 線性化處理子程序設(shè)計(jì)及流程圖 在單片機(jī)測控系統(tǒng)中使用之前必須進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定以得到輸出信號與被測信號的關(guān)系輸出曲線用來作為使用過程中的計(jì)量依據(jù)但是標(biāo)定時(shí)輸出曲線往往不是一條理想的直線所以要對標(biāo)定曲線進(jìn)行線性化處理用一條擬合直線近似代替輸出曲線線性化是智能儀表的典型功能之一該報(bào)警器主要針對甲烷煙霧檢測在軟件線性化處理時(shí)以傳感器對甲烷的響應(yīng)曲線為依據(jù) 本論文報(bào)警器使用的 MQ2 型傳感器的電阻是隨著煙霧濃的升高而降低的因此輸入單片機(jī)的電壓也是隨之降低的圖 44 為單片機(jī)采集電壓值與煙霧濃度百分比的對應(yīng)曲線可以看出電壓值與煙霧濃度 之間是非線性的關(guān)系 為了實(shí)時(shí)顯示煙霧濃度需要對其進(jìn)行線性化處理 在誤差許可范圍內(nèi)根據(jù)標(biāo)定曲線形狀以及單片機(jī)處理能力把曲線分 成若干小段對每小段分別線性化 圖 44 單片機(jī)采集電壓值與煙霧濃度百分比線性化曲線 根據(jù)分段線性插值法求輸入單片機(jī)的某一電壓值對應(yīng)的煙霧濃度的 公式如下 f x f xi xxi f xi1 f xi Xi1Xii 123N 式中 N為所分區(qū)間個(gè)數(shù) f x 為實(shí)際煙霧檢測濃度 x為實(shí)際氣體檢測濃度對應(yīng)的電壓值 xi是區(qū)間的下限濃度對應(yīng)電壓值 xi是區(qū)間的上限濃度對應(yīng)電壓值 f xi 為區(qū)間下限煙 霧濃度值 f xi 為區(qū)間上限煙霧濃度值 根據(jù)公式 41 設(shè)計(jì)分段插值法線性化程序流程圖如圖 45 所示 圖 45 分段插值法線形化程序流程圖 度顯示子程序設(shè)計(jì)及流程圖 本設(shè)計(jì)采用數(shù)碼管顯示線性化處理完畢后需將 其送入數(shù)碼管顯示 void xianshi void 顯示程序 P2 xsdata[xscout] 圖 46 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)子程序 程序設(shè)計(jì)及流程圖 當(dāng)煙霧濃度超過報(bào)警設(shè)定值時(shí)報(bào)警器發(fā)出一種近似警笛的鳴叫聲對應(yīng)通道的紅燈閃亮以提示操作人員采取安全對策或自動(dòng)控制相關(guān)安全裝置從而保障生產(chǎn)安全避免火災(zāi)和爆炸事故的發(fā)生為防止誤 報(bào)在程序設(shè)計(jì)上對煙霧濃度進(jìn)行快速重復(fù)檢測和延時(shí)報(bào)警以區(qū)別出 是管道中煙霧的泄漏還是由于暫短打開閥門產(chǎn)生的可燃煙霧的微 量散失防止誤報(bào)報(bào)警子程序流程圖如圖 47 所示 圖 47 報(bào)警子程序流程圖 鍵設(shè)計(jì)子程序及流程圖 本報(bào)警器設(shè)計(jì)附加一個(gè)按鍵功能分別為確定 消音 按鍵處理子程序流程圖如圖 48 所示 圖 48 鍵盤處理子程序 43 本章小結(jié) 本章闡述了煙霧報(bào)警器的軟件設(shè)計(jì)首先介紹了軟件編程的開 發(fā)環(huán)境和工具的選擇這里選擇的 STC12系列單片機(jī)應(yīng)用 KEIL C51編程器和 STC單 片機(jī)專用 ISP下載軟件開發(fā)完成 然后按照軟件實(shí)現(xiàn)的功能詳細(xì)地設(shè)計(jì)并敘述了幾個(gè)主要部分軟件流 程包括主程序設(shè)計(jì)主程序初始化設(shè)計(jì)中位值平均濾波法數(shù)字濾波 子程序設(shè)計(jì)插值法線性化處理子程序設(shè)計(jì)煙霧濃度顯示子程序設(shè)計(jì)報(bào)警子程序設(shè)計(jì)按鍵處理子程序及串口通訊子程序設(shè)計(jì)共八個(gè)部分 第五章 實(shí)驗(yàn)檢定及誤差分析 51 煙霧檢測報(bào)警器檢定 限 LEL 概念介紹 本論文設(shè)計(jì)的煙霧檢測報(bào)警器選用 LEL 作為煙霧 的測量單位及衡量標(biāo)準(zhǔn)下面介紹關(guān)于 LEL 的相關(guān)概念 LEL 是指爆炸下限 可燃煙霧在空氣中遇明火種爆炸的最低濃 度 稱為爆炸下限 Lower Explosion Limited 簡稱 LEL 可燃煙霧在空 氣中遇明火種爆炸的最高濃度稱為爆炸上限 Upper Explosion Limited 簡稱 UEL25LEL 以下一般可燃煙霧檢測儀的測量范圍為 0100LEL 甲烷在空氣濃度為 911 時(shí)遇明火爆炸高于 11或低于 9 都不爆 炸假定甲烷的爆炸下限為 5 體積比那也就是說把這個(gè) 5 體積比一百等分讓 5 體積比對應(yīng) 100LEL 也就是說當(dāng)檢測儀數(shù)值到達(dá) 10LEL 報(bào)警點(diǎn)時(shí)相當(dāng)于此時(shí)甲烷的含量為 05體積比當(dāng)檢測儀數(shù) 值到達(dá) 20LEL報(bào)警點(diǎn)時(shí)相當(dāng)于此時(shí)甲烷的含量為 1 體積比 本設(shè)計(jì)中設(shè)定甲烷的爆炸下限為 10 體積比對應(yīng)的報(bào)警限設(shè)在 20LEL 也就是甲烷含量為 2 體積比時(shí)報(bào)警器報(bào)警 據(jù)分析 因?yàn)榧矣妹簹庵兄饕煞譃榧淄樗员緦?shí)驗(yàn)在煙霧標(biāo)定時(shí)選用甲 烷煙霧實(shí)際甲烷煙霧與進(jìn)入到單片機(jī)輸入端的電壓值對應(yīng)數(shù)據(jù)如表 51 所示 表 51 實(shí)際甲烷煙霧與送入單片機(jī)的電壓值對應(yīng)數(shù)據(jù) 濃度 電壓 V 0 370 10 365 20 360 30 348 40 330 50 298 60 261 70 222 80 180 90 102 100 0 從該曲線可以看出電壓值與煙霧濃度之間是非線性關(guān)系為了實(shí)時(shí)顯示氣 體濃度需要對其進(jìn)行線性化處理使顯示的煙霧濃度與 實(shí)際誤差 在177。 5 范圍內(nèi)煙霧濃度與測量電壓值線性化示意圖如圖 45 所示 對曲線作線性化處理時(shí)根據(jù)曲線的走勢將煙霧濃度分成 7 段 直線方程 f x f xi x xi f xi f xi xi – xi i 123L7 51 其中 f x 為實(shí)際煙霧檢測 LEL 濃度 x 為實(shí)際煙霧檢測濃度對應(yīng) 的電壓值xi 是區(qū)間的下限濃度對應(yīng)電壓值 xi 是區(qū)間的上限濃度對應(yīng) 電壓值 f xi 為區(qū)間下限點(diǎn)煙霧 LEL 濃度值 f xi 為區(qū)間上限點(diǎn)煙霧 LEL 濃度值根據(jù)公式 51 計(jì)算出 7 個(gè)直線 方程式如下 1 010LEL f x 050x 370 2 1020LEL f x 050x 361 3 2040LEL f x 150x 390 4 4050LEL f x 32x 458 5 5060LEL f x 37x 483 6 6080LEL f x 405x 504 7 80100LEL f x 900x 900 經(jīng)實(shí)驗(yàn)的標(biāo)定實(shí)際煙霧濃度與顯示濃度誤差對比如表 52 所示 濃度 LEL 濃度誤差 濃度 LEL 濃度誤差 0 0 50 5 5 3 55 3 10 1 60 0 15 4 65 2 20 3 70 3 25 1 75 5 30 5 80 2 35 3 85 4 40 2 90 3 45 5 95 5 表 52 分段線性化誤差數(shù)據(jù) 根據(jù)誤差計(jì)算公式 X