【正文】 )和開(kāi)漏輸出功能。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。其中一些 I/O 口還可以與 STC12C5410AD 中的特殊模塊相結(jié)合完成更為復(fù)雜的工作。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。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(qū)動(dòng)能力，對(duì)于一般的液晶顯示屏、蜂鳴器可以直接驅(qū)動(dòng)而無(wú)需輔助電路。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。 (4)A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換寄存器 STC12C5410AD 單片機(jī)的 A/D 轉(zhuǎn)換口在 P1 口 (~)，有 8路 10位高速A/D 轉(zhuǎn)換器， STC12C5410AD 系列是 10 位精度的 A/D，速度均可達(dá)到 100KHz(10萬(wàn)次 /秒 )。 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。上電復(fù)位后 P1 口是弱上拉型的 I/O 口，可以通過(guò)軟件設(shè)置將8路中的任何一路設(shè)置為 A/D 轉(zhuǎn)換，不需作為 A/D使用的口可繼續(xù)作為 I/O 口使用。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。 (5)有配套的仿真開(kāi)發(fā)工具 STC12C5410AD 的 Flash 存 儲(chǔ)器給用戶的開(kāi)發(fā)帶來(lái)方便。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。同時(shí)， STC12C5410AD 的片內(nèi)已集成了程序斷點(diǎn)控制等邏輯功能。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。仿真器與 STC12C5410AD經(jīng)串口連接。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。 煙霧檢測(cè)報(bào)警器硬件電路設(shè)計(jì) 信號(hào)采集及前置放大電路 傳感器輸出信號(hào)一般比較微弱，需要經(jīng)過(guò)前置電路對(duì)其進(jìn)行放大、濾波、電平調(diào)整，滿足單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的要求。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)參考電阻，再經(jīng)過(guò)一個(gè)放大電路即可發(fā)送給 ADC 采集。由于系統(tǒng)采用的是單極性供電，所以采用同相比例放大電路，可以減少硬件開(kāi)銷(xiāo)；反之，如果采用反相放大，則一般需要利用雙極性供電，這就需要系統(tǒng)額外的利用變壓芯片產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓，這顯然會(huì)造成浪費(fèi)。常見(jiàn)的運(yùn)算放大器中， LM324 價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)比較突出，所以本設(shè)計(jì)中的前置放大電 路采用 LM324作為電路的運(yùn)算放大器。 LM324 是單片高增益四運(yùn)算放大器，可在較寬電壓范圍內(nèi)的單電源或雙電源下工作，其電源電流很小且與電源電壓無(wú)關(guān)，四個(gè)運(yùn)放一致性好；其輸入偏流電阻是溫度補(bǔ)償?shù)?，也不需外接頻率補(bǔ)償，可做到輸出電平與數(shù)字電路兼容。 下面詳細(xì)介紹運(yùn)算放大電路： 如圖 所示，從傳感器的上端出來(lái)的信號(hào) Vi 經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器的同相輸入端，但是為保證引入的是負(fù)反饋，輸出電壓 Vo 通過(guò)電阻 R4接到反相輸入端，同時(shí)，反相輸入端通過(guò)電阻 R3 接到參考電壓 Vref。 同相比例運(yùn)算電路中反饋 的組態(tài)為電壓串聯(lián)負(fù)反饋，同樣可以利用理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的兩個(gè)特點(diǎn)來(lái)分析其電壓放大倍數(shù)。在圖 中，根據(jù)運(yùn)放的“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)可知， I=I+=0， 所以 V=Vo R3/R3+R4+Vref R4/R3+R4(31) 而且 V=V+=Vi Vo=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+R4R3，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。同相比例運(yùn)算電路 有以下幾個(gè)特點(diǎn)： (1)同相比例運(yùn)算放大電路是一個(gè)深度的電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。因?yàn)椴淮嬖凇疤摰亍爆F(xiàn)象，所以其輸入端有較高的共模輸入電壓。 (2)電壓放大倍數(shù) A=1+R4R3，即輸出電壓與輸入電壓的幅值成正比，且相位相同，所以此電路實(shí)現(xiàn)了同相比例放大。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。 (3)由于引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，因此電路的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低。高輸入阻抗就可以減少放大電路對(duì)前端電路的影響，同時(shí)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(shè)計(jì)。此放大電路還加了參考電壓，引入了零點(diǎn)調(diào)節(jié)功能，這樣可以更方便的調(diào)整由于不同傳感器導(dǎo)致的零點(diǎn)變化問(wèn)題。它利用滑動(dòng)變阻器產(chǎn)生一個(gè)參考電壓 Vref，再利用電壓跟隨器把電壓輸入到運(yùn)算放大電路的電壓參考端。所以調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，就可以直接改變放大電路的參考電壓。而電壓跟隨器的作用就如上面介紹的，它只是用來(lái)匹配阻抗用的，防止 R3和 R4 對(duì)滑動(dòng)變阻器輸出電壓的影響。 圖 聲音報(bào)警電路 聲音 報(bào)警電路圖如圖 所示。報(bào)警裝置采用無(wú)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(bào)警器的報(bào)警聲音源。當(dāng)單片機(jī) STC12C5410AD 的 17腳 ()置 1時(shí)，三極管 Q1導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警。本報(bào)警器采用單片機(jī) STC12C5410AD 的 PWM 功能，如果煙霧濃度達(dá)到報(bào)警限，單片機(jī)控制 (PWM)口輸出占空比一定的脈沖，報(bào)警時(shí)蜂鳴器會(huì)發(fā)出如警車(chē)警笛的聲音。 圖 數(shù)碼管顯示電 路 報(bào)警器濃度顯示采用共陽(yáng)數(shù)碼管。顯示濃度級(jí)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 顯示方式：反射式正顯示存儲(chǔ)溫度： 20～ +60176。 C 接口方式： 8 線并行接口 圖 狀態(tài)指示燈及控制鍵電路 狀態(tài)指示燈及控制鍵電路圖如圖 所示。單片機(jī) STC12C5410AD 的 18 腳()、 12 腳 ()、 13 腳 ()，控制輸出的狀態(tài)指示燈。綠燈常亮表示正常狀態(tài)，環(huán)境中可燃煙霧濃度極低。黃燈閃亮表示傳感器加熱絲或者電纜發(fā)生斷線或者接觸不良。紅燈閃亮表示環(huán)境中可燃煙霧濃度超過(guò)報(bào)警限值，提醒用戶盡快作相應(yīng)安全措施。 當(dāng)煙霧濃度超過(guò)報(bào)警限，報(bào)警器發(fā)出鳴叫，用戶到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，可按下按鍵停止報(bào)警器鳴叫。若過(guò)一點(diǎn)時(shí)間濃度仍超出報(bào)警限，報(bào)警器會(huì)再次鳴叫提醒用戶。 圖 圖 報(bào)警器故障自診斷電路 (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(guò) (AD)口檢測(cè)到；如果傳感器電源連接不正常，則會(huì)產(chǎn)生斷路，檢測(cè)到電阻兩端電壓為 0。 圖 (2)判斷傳感器信號(hào)端連接情況 另一種情況是判斷傳感器信號(hào)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(cè)量傳感器信號(hào)的輸出電壓，如果電壓為 5V，則說(shuō)明傳感器的信號(hào)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(zhǎng)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(wèn)題。 4. 煙霧檢測(cè)報(bào)警器的軟件設(shè)計(jì) STC12 系列單片機(jī)調(diào)試及開(kāi)發(fā)工具 系統(tǒng)的軟件編程使用的是美國(guó) KeilSoftware 公司出品的 KeilC51，是 51系列兼容單片機(jī) C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C語(yǔ)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(shì)。 KeilC51 軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全Windows 界面。另外重要的一點(diǎn)， KeilC51 生成的目標(biāo)代 碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。 C51 工具包的整體結(jié)構(gòu)中，μ Vision 與 Ishell 分別是 C51forWindows 和forDos 的集成開(kāi)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(kāi)發(fā)流程。開(kāi)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(kù)文件，也可以與庫(kù)文件一起經(jīng) C51 連接定位生成絕對(duì)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(jí)調(diào)試，也可由仿真器使用直接對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試，也可以直接寫(xiě)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(kāi)發(fā)的 STC單片機(jī) ISP下載編程軟件。本論文程序調(diào)試過(guò)程中，使用的是 版。 ISP 工具的功能主要是將由 PC機(jī)串接來(lái)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(yǔ)言或 C 語(yǔ)言 )經(jīng) 語(yǔ)法檢查無(wú)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(guò)調(diào)試環(huán)境軟件的人機(jī)對(duì)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(guò)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(guò)調(diào)試環(huán)境軟件的人機(jī)對(duì)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)。 煙霧檢測(cè)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(wèn)題是檢測(cè)煙霧傳感器的煙霧濃度信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)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)。 主程序設(shè)計(jì)及流程圖 主程序流程圖如圖 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(duì)傳感器預(yù)熱三分鐘，預(yù)熱同時(shí)，對(duì)傳感器加熱絲故障檢測(cè)，采用軟件方式檢測(cè)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(duì)傳感器檢測(cè)的煙霧濃度 信號(hào)進(jìn)行 A/D 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(lái)便利。 圖 主程序初始化流程圖 主程序初始化流程圖如圖 所示。給傳感器預(yù)熱后，程序開(kāi)始執(zhí)行初始化子程序，這部分實(shí)現(xiàn)的功能包括各種 I/O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(xiě)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 TH TL1是全 16 位參與操作。接下來(lái)定時(shí)器 0 中斷允許位置 1，打開(kāi)定時(shí)器 0，關(guān)閉蜂鳴器，開(kāi)啟綠燈，設(shè)置報(bào)警限初值。 圖 中位值平均濾波法數(shù)字濾波子程序設(shè)計(jì)及流程圖 在煙霧傳感器對(duì)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(chēng)防脈沖干擾平均濾波法 )，先對(duì) 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(cè)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(cè)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 A/D 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 所示。 圖 煙霧濃度顯示子程序設(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。 voidxianshi(void)//顯示程序 { P2=xsdata[xscout]。 } 報(bào)警子程序設(shè)計(jì)及流程圖 當(dāng)煙霧濃度超過(guò)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(duì)應(yīng)通道的紅燈閃亮，以提示操作人員采取安全對(duì)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(duì)煙霧濃度進(jìn)行快速重復(fù)檢測(cè)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(kāi)閥門(mén)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 所示。 圖 控制按鍵設(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 所示。 圖 5. 實(shí)驗(yàn)檢定及誤差分析 煙霧檢測(cè)報(bào)警器檢定 爆炸下限