煙霧報(bào)警器 裝置

1、摘要隨著“信息時(shí)代”的到來(lái)，作為獲取信息的手段傳感器技術(shù)得到了顯著的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，對(duì)其要求越來(lái)越高，需求越來(lái)越迫切。傳感器技術(shù)已成為衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。因此，了解并掌握各類傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。 為了提高對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí)和了解，尤其是對(duì)煙霧傳感器的深入研究以及其用法與用途，基于實(shí)用、廣泛和典型的原則而設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)。本文利用單片機(jī)結(jié)合傳感器技術(shù)而開發(fā)設(shè)計(jì)了這一煙霧監(jiān)控系統(tǒng)。 本論文以電阻式煙霧傳感器和單片機(jī)技術(shù)為核心并與其他電子技術(shù)相結(jié)合， 設(shè)計(jì)出一種技術(shù)水平較好的煙霧報(bào)警器。其中選用MQ-2型半導(dǎo)體可燃?xì)怏w敏感元件煙霧傳感器實(shí)現(xiàn)煙霧的

2、檢測(cè)，具有靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且價(jià)格低廉，使用壽命長(zhǎng)。選用的MCS-51單片機(jī)，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(qiáng)抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，是目前同類技術(shù)中性價(jià)比較高的產(chǎn) 品。以MCS-51單片機(jī)和MQ-2型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器為核心設(shè)計(jì)的煙霧報(bào)警器可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警、故障自診斷、濃度顯示、報(bào)警限設(shè)置、延時(shí)報(bào)警及與上位機(jī)串口通信等功能。是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能 穩(wěn)定、使用方便、價(jià)格低廉、智能化的煙霧報(bào)警器。具有一定的實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：煙霧，報(bào)警器，MCS-51，傳感器AbstractWhile “information age” the arriv

3、al, obtained the remarkable progress as the gain information method - - sensor technology, its application domain is more and more widespread, is more and more high to its request, the demand is more and more urgent.The sensor technology has become weighs one of national science and technology level

4、 of development important symbols.Therefore, understood and grasps each kind of sensor the basic structure, the principle of work and the characteristic is extremely important.In order to enhance to the sensor understanding and the understanding, in particular to the smog sensor thorough research as

5、 well as its usage and the use, based on practical, widespread and the model principle has designed this system.This article used the monolithic integrated circuit union sensor technology to develop has designed this smog supervisory system.。The present paper take leaves the minor smog sensor and th

6、e monolithic integrated circuit technology unifies as the core and with other electronic technology, designs one kind of technical level good smog alarm apparatus.In which selects the 2M007 semiconductor resistance type smog sensor realization smog the examination, has the sensitivity high, responds

7、, the antijamming ability quickly strong and so on the merits, moreover the price is inexpensive, the service life is long.Selects the MCS-51monolithic integrated circuit, its conformity A/D transformed, the hardware multiplier, resources and so on hardware PDM keyer, has high speed, low merits and

8、so on power loss, ultra strong antijamming, is the present similar technology neutral price quite high product. May realize the acousto-optics take the MCS-51 monolithic integrated circuit and the 2M007 semiconductor resistance type gas sensor as the core design smog alarm apparatus to report to the

9、 police, the breakdown from the diagnosis, the density demonstrated, reports to the police limits the establishment, the time delay reports to the police and with functions and so in position machine serial port correspondence.Is one kind of structure simple, the performance stable, the easy to oper

10、ate, the price inexpensive, the intellectualized smog alarm apparatus.Has certain practical value.Key word: Smog, alarm apparatus, MCS-51, sensor第一章 緒論1.1論文研究來(lái)源、目的和意義 論文研究來(lái)源 隨著科技的發(fā)展，越來(lái)越多的巨大的隱患由于工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活而產(chǎn)生。為了早期發(fā)現(xiàn)和通報(bào)火災(zāi)，防止和減少火災(zāi)危害，保護(hù)人身和財(cái)產(chǎn)安全。保衛(wèi)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)，防止火災(zāi)引起燃燒、爆炸等事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及生命安全。為了減少這類事故的發(fā)生，

11、就必須對(duì)煙霧進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)，采用先進(jìn)可靠的安全檢測(cè)儀表，嚴(yán)密監(jiān)測(cè)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。因此，研究煙霧的檢測(cè)方法與研制煙霧報(bào)警 器就成為傳感器技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。 論文研究目的和意義 為了早期發(fā)現(xiàn)和通報(bào)火災(zāi)，防止和減少火災(zāi)危害，保護(hù)人身和財(cái)產(chǎn)安全。保衛(wèi)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)，防止火災(zāi)引起燃燒、爆炸等事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及生命安全。煙霧檢測(cè)報(bào)警裝置是能夠檢測(cè)環(huán)境中的煙霧濃度并具 有報(bào)警功能的儀器。該報(bào)警裝置是石油化學(xué)工業(yè)、有氣體泄漏可能 的生產(chǎn)工廠及家庭防火防爆必備的儀器。煙霧報(bào)警器屬于中華人 民共和國(guó)

12、強(qiáng)制檢定的工作計(jì)量器具目錄中第46項(xiàng)，它歸類于物理化學(xué) 計(jì)量器具。建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范(GBJ16-87)第條明確規(guī)定:“散發(fā)可燃煙霧、可燃蒸汽的甲類廠房和場(chǎng)所，應(yīng)設(shè)置煙霧濃度檢測(cè)報(bào)警裝置”。2003年12月，國(guó)家執(zhí)行新的煙霧探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)(GB 15322-2003)可燃煙霧探測(cè)器，2004年10月國(guó)家頒布可燃煙霧檢測(cè)報(bào)警器規(guī)程JJG693-2004，研究新型、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)可燃性氣 體，并合乎國(guó)家相關(guān)規(guī)定的報(bào)警器具有極其重要得意義。目前我國(guó)已有許多城市鋪設(shè)了煤氣管道，使用人口約達(dá)二億人，煤氣 發(fā)生基地及中轉(zhuǎn)站也達(dá)幾千家。如果這些家用燃?xì)夂兔簹饣丶爸修D(zhuǎn)站的 報(bào)警率按10% 計(jì)算，煙霧檢測(cè)報(bào)警器

13、的需求量就達(dá)2000萬(wàn)臺(tái)以 上。隨著全社會(huì)對(duì)防火防爆及人身安全的重視程度的提高，這個(gè)數(shù)字會(huì)繼 續(xù)增長(zhǎng)。 近十年來(lái)，農(nóng)村的沼氣使用也得到了極大的發(fā)展。到2006年底，全 國(guó)沼氣池?cái)?shù)量已達(dá)近1300萬(wàn)座，這就為檢測(cè)沼氣（主要成分是甲烷）濃 度的儀器提供了市場(chǎng)?？梢?jiàn)，煙霧報(bào)警器具有十分廣闊的市場(chǎng)前景。1.2煙霧報(bào)警器的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 國(guó)外從20世紀(jì)30年代開始研究及開發(fā)煙霧傳感器，且發(fā)展迅速，一 方面是因?yàn)槿藗儼踩庾R(shí)增強(qiáng)，對(duì)環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另 一方面是因?yàn)閭鞲衅魇袌?chǎng)增長(zhǎng)受到政府安全法規(guī)的推動(dòng)。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，美 國(guó)1996年2002年煙霧傳感器年均增長(zhǎng)率為27%30%。隨著傳感器生產(chǎn) 工藝

14、水平逐步提高，傳感器日益小型化、集成度不斷增大，使得煙霧檢測(cè) 儀器的體積也逐漸變小，提高了煙霧檢測(cè)儀器的便攜性，更加利于生產(chǎn)、運(yùn)輸及市場(chǎng)推廣。 1963年5月，日本開發(fā)完成第一臺(tái)接觸燃燒式家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器，次年12月其改良產(chǎn)品問(wèn)世，改良的報(bào)警器可以檢測(cè)燃?xì)?、一氧化碳等?體，可以安裝在浴室或者采用集中監(jiān)視。 我國(guó)在70年代初期開始研制煙霧報(bào)警器，生產(chǎn)型號(hào)多樣、品種較齊全，應(yīng)用范圍也由單一的煉油系統(tǒng)擴(kuò)展到幾乎所有危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境的各種類型報(bào)警器，產(chǎn)品數(shù)量也在不斷增加。但主要是在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的傳感器技術(shù)和先進(jìn)的生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，進(jìn)行研究與開發(fā)形成自己的特色。近年來(lái)，在煙霧選擇性和產(chǎn)品穩(wěn)定性上也有很大進(jìn)

15、步。燃?xì)鈭?bào)警器可分為民用火災(zāi)煙霧報(bào)警器、工業(yè)用煙霧報(bào)警器、 有毒有害煙霧報(bào)警器三大系列產(chǎn)品。(1)民用火災(zāi)煙霧報(bào)警器 民用火災(zāi)煙霧報(bào)警器為居民家庭用的火災(zāi)報(bào)警器,一般安裝在廚房，遇到火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧時(shí)時(shí)，報(bào)警器可發(fā)出聲光報(bào)警，或同時(shí)伴有數(shù)字顯示，同時(shí)聯(lián)動(dòng) 外部設(shè)備。有的報(bào)警器可自動(dòng)開啟排風(fēng)扇，把煙霧排出室外 (2) 工業(yè)用煙霧報(bào)警器及有毒有害煙霧報(bào)警器 工業(yè)用煙霧報(bào)警器及有毒有害煙霧報(bào)警器只是檢測(cè)探頭有差異，而在原理和應(yīng)用中都很相近。工業(yè)用燃?xì)鈭?bào)警器及有毒煙霧報(bào)警器根 據(jù)檢測(cè)環(huán)境的不同，也可分為檢漏儀、控制器和探測(cè)器。 檢漏儀的體積較小，可隨身攜帶或手持，主要應(yīng)用于燃?xì)夤芾淼牟槁?與巡檢。若有燃

16、氣泄漏，檢漏儀便會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)數(shù)字顯示煙霧濃 度，以便及時(shí)采取安全措施，防止爆炸等惡性事故的發(fā)生。 控制器與探測(cè)器結(jié)合使用，可在防爆現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)煙霧的濃度。探測(cè)器安裝在防爆現(xiàn)場(chǎng)，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。當(dāng)在現(xiàn)場(chǎng)的探測(cè)器探測(cè)到燃?xì)庑孤┲?，通過(guò)屏蔽電纜線將信號(hào)傳到控制器，控制器發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)排風(fēng)裝置或關(guān)閉電磁閥切斷氣源，以確保安全。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(chǎng)所。 第二章 煙霧檢測(cè)報(bào)警器的方案設(shè)計(jì)2.1煙霧檢測(cè)報(bào)警器設(shè)計(jì)思路煙霧檢測(cè)報(bào)警器是能夠檢測(cè)環(huán)境中的煙霧濃度，并具有報(bào)警功能的儀器，儀器的最基本組成部分應(yīng)包括：煙霧

17、信號(hào)采集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路。煙霧信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)化為模擬的電信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將從煙霧檢測(cè)電路送出的模擬信號(hào) 轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)后送入單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行 濾波處理，并對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，是否大于或等于某個(gè)預(yù)設(shè)值(也 就是報(bào)警限)，如果大于則啟動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警聲音，反之則為正常狀 態(tài)。為方便檢測(cè)與監(jiān)控，使儀器測(cè)試人員及用戶能夠直觀地觀察到環(huán)境中 的可燃煙霧濃度值，可將濃度值送到顯示屏中。方便調(diào)節(jié)報(bào)警限，可以加 入按鍵。為使報(bào)警裝置更加完善，可以在聲音報(bào)警基礎(chǔ)上，加入光閃報(bào)警， 變化的光信號(hào)可以引起用戶注意，

18、彌補(bǔ)嘈雜環(huán)境中聲音報(bào)警的局限。以上 是根據(jù)報(bào)警器應(yīng)具備的功能，提出的整體設(shè)計(jì)思路。煙霧傳感器及單片機(jī)是可燃煙霧檢測(cè)報(bào)警器的兩大核心，根據(jù)報(bào)警器 功能的需要，選擇合適、精確、經(jīng)濟(jì)的煙霧傳感器及單片機(jī)芯片是 至關(guān)重要的。煙霧傳感器的選型在下一節(jié)詳細(xì)介紹。單片機(jī)作為硬件電路 的核心，它的選型將在第三章詳述。2.2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(hào)，通過(guò)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(jī)，進(jìn)而由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、濃度 處理及報(bào)警控制等工作。傳感器作為煙霧檢測(cè)報(bào)警器的信號(hào)采集部分，是儀表的核心組成部分

19、之一。由此可見(jiàn)，傳感器的選型是非常重要的。煙霧傳感器介紹 (1)煙霧傳感器的分類 煙霧傳感器種類繁多，從檢測(cè)原理上可以分為三大類： (a)利用物理化學(xué)性質(zhì)的煙霧傳感器：如半導(dǎo)體煙霧傳感器、接觸燃 燒煙霧傳感器等。 (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。 (c)利用電化學(xué)性質(zhì)的煙霧傳感器：如電流型煙霧傳感器、電勢(shì)型氣 體傳感器等。 (2)煙霧傳感器應(yīng)滿足的基本條件 一個(gè)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(shí)體，也可以是由多個(gè)不同功能傳感器組成的陣列。但是，任何一個(gè)完整的煙霧傳感器都必須具備以下條件： (a)能選擇性地檢測(cè)某種單一煙

20、霧，而對(duì)共存的其它煙霧不響應(yīng)或低 響應(yīng)； (b)對(duì)被測(cè)煙霧具有較高的靈敏度，能有效地檢測(cè)允許范圍內(nèi)的煙霧 濃度；(c)對(duì)檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)速度快，重復(fù)性好；(d)長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性好； (e)使用壽命長(zhǎng)； (f)制造成本低，使用與維護(hù)方便。 煙霧傳感器的選定煙霧檢測(cè)報(bào)警器主要應(yīng)用在石油、化工、冶金、油庫(kù)、液化氣 站、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃煙霧泄漏的場(chǎng)所，根據(jù)報(bào)警器檢測(cè)煙霧 種類的要求，一般選用接觸燃燒式煙霧傳感器和半導(dǎo)體煙霧傳感器。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(wèn)題。 阻緩是當(dāng)在煙霧與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下，則有可能在無(wú)焰燃燒的同時(shí)，有些固態(tài)物質(zhì)附著在催化元件表

21、面，阻塞載體的微孔，從而引起響應(yīng)緩慢反應(yīng)滯緩，靈敏度降低。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(zhǎng)期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會(huì)不斷下降，導(dǎo)致傳感器最終喪失檢測(cè)煙霧的能力。中毒是如果環(huán)境空氣中含有硅烷之類的物質(zhì)時(shí)，則傳感器將 使催化元件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的中毒，以致靈敏度很快就喪失。當(dāng)懷疑檢測(cè)環(huán) 境中存在這些物質(zhì)時(shí)，經(jīng)常對(duì)探頭進(jìn)行標(biāo)定，是必須且有效的辦法。 因此，經(jīng)常對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是保證其準(zhǔn)確性的必要的途徑。一般連續(xù)使用兩個(gè)月后應(yīng)對(duì)傳感器進(jìn)行量程校準(zhǔn)，這種經(jīng)常性對(duì)傳感器的維護(hù)，無(wú)形中加大了工作人員的工作量，同時(shí)增加了報(bào)警器的維護(hù)成本。半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧

22、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，它具有靈敏度高， 響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。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)。 經(jīng)過(guò)對(duì)比上述兩種煙霧傳感器的應(yīng)用特性，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體煙霧傳感器的優(yōu)點(diǎn)更加突出：靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價(jià)格便宜，且不會(huì)發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護(hù)成本較低等。因此，本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體煙霧傳感器作為報(bào)警器煙霧信息采集部分的核心。而在眾多半導(dǎo)體氣體傳感器中，本設(shè)計(jì)選用MQ-2型煙霧傳感器，這種型號(hào)的傳感器不但具備一般半導(dǎo)體煙霧傳感器靈敏度

23、高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。 MQ-2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。按敏感機(jī)理分類，可分為電阻型和非電阻型。半導(dǎo)體氣敏元件也有N型和P型之分。N型在檢測(cè)時(shí)阻值隨煙霧濃度的增大而減??；P型阻值隨煙霧濃度的增大而增大。半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類如表2.2所示。表2.2半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類 所利用的特性工作溫度表面電阻控制器300450°C表2.2半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類類型所利用的特性工作溫度代表性被檢測(cè)氣體電阻型電阻表面電阻控制器300450°C可燃性氣體體電阻控制器3

24、00450°C700°C以上乙醇、可燃性氣體非電阻型二極管整流特性室溫200°CH2、CO、乙醇晶體管特性150°CH2、H2S本設(shè)計(jì)中采用的MQ-2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。當(dāng)處于200300°C溫度時(shí)，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)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。當(dāng)與煙霧接觸時(shí)，如果晶粒間界處的勢(shì)壘受 到該煙霧的調(diào)制而變化，就會(huì)引起表而電導(dǎo)率的變化。利用這一點(diǎn)就可以 獲得這種煙霧存在的信息。遇到可燃煙霧（如CH4等）時(shí)，原來(lái)吸附的氧脫附，而由可燃煙霧以正離子狀態(tài)吸附在二氧

25、化錫半導(dǎo)體表面；氧脫附放出電子，煙霧以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子，從而使二氧化錫半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加，電阻值下降。而當(dāng)空氣中沒(méi)有煙霧時(shí)，二氧化錫半導(dǎo)體又會(huì)自 動(dòng)恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是MQ-2型燃性煙霧傳感器檢測(cè)可燃煙霧的基本原理。MQ-2型傳感器的結(jié)構(gòu)圖如 圖2.1所示，其外觀如2.2所示。圖2.1MQ-2型傳感器的結(jié)構(gòu)圖圖2.2 MQ-2型傳感器的外觀 MQ-2型傳感器的特性及主要技術(shù)指標(biāo) (1)MQ-2型傳感器的一般特點(diǎn) (a)MQ-2型傳感器對(duì)天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對(duì)烷類煙霧更為敏感。 (b)MQ-2型傳感器具有良好的重復(fù)性和長(zhǎng)期的穩(wěn)定

26、性。初始穩(wěn)定， 響應(yīng)時(shí)間短，長(zhǎng)時(shí)間工作性能好。 ©MQ-2型傳感器具有良好的抗干擾性，可準(zhǔn)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。 (d)電路設(shè)計(jì)電壓范圍寬，24V以下均可；加熱電壓5±0.2V。 (2)MQ-2型傳感器的特性參數(shù) (a)回路電壓：(Vc) 524V (b)取樣電阻：(RL) 0.120K(c)加熱電壓：(VH)5±0.2V(d)加熱功率：(P)約750mW (e)靈 敏 度：以甲烷為例R0(air)/RS (0.1%CH4)5 (f)響應(yīng)時(shí)間：Tres10秒 (g)恢復(fù)時(shí)間：Trec30秒 l 2.3煙霧檢測(cè)報(bào)警器整體設(shè)計(jì)方案煙霧

27、檢測(cè)報(bào)警器工作原理 本論文中的煙霧檢測(cè)報(bào)警器以MCS-51單片機(jī)為控制核心，采用MQ-2型電阻式半導(dǎo)體傳感器采集煙霧信息。 首先，傳感器送來(lái)的煙霧濃度對(duì)應(yīng)的微小的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，轉(zhuǎn)化成較大的電壓信號(hào)送入MCS-51單片機(jī)；然后，在MCS-51單片機(jī)內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換、濃度比較，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理， 將數(shù)字化電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成為對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制濃度值；最后，將實(shí)際可燃性氣 體濃度送入液晶，并判斷濃度值是否超出報(bào)警限，當(dāng)濃度處于正常狀態(tài)綠 燈長(zhǎng)亮，當(dāng)煙霧濃度超出設(shè)定的限定值時(shí)，發(fā)出聲音報(bào)警并伴隨紅 燈閃亮。另外由于煙霧傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反應(yīng)越 快，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間就越快。為提高響應(yīng)時(shí)間

28、，保證傳感器準(zhǔn)確地、 穩(wěn)定地工作，報(bào)警器需要向煙霧傳感器持續(xù)輸出一個(gè)5V的電壓。為了保 證其可靠性，在輸出5V的電壓的同時(shí)，進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)。當(dāng)傳感器加熱絲 或電纜線和傳感器斷線或接觸不良時(shí)，進(jìn)行故障報(bào)警，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。 當(dāng)然幾種狀態(tài)的報(bào)警信號(hào)是各不相同的。 煙霧檢測(cè)報(bào)警器的結(jié)構(gòu) 為適應(yīng)家庭和工業(yè)等場(chǎng)所對(duì)可燃性易爆煙霧安全性要求，設(shè)計(jì)的可燃性煙霧報(bào)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(shí)報(bào)警功能及可接計(jì)算機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)測(cè)和實(shí)時(shí)控制等功能。其目標(biāo)是在傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警儀的基礎(chǔ)上，盡量提高準(zhǔn)確性，降低成本，縮小體積。 報(bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.3所示，系統(tǒng)以單片機(jī)為核

29、心，配合外圍電路共同完成信號(hào)采集、濃度顯示、時(shí)間顯示、狀態(tài)顯示、聲音及閃爍報(bào)警、按鍵輸入、故障自檢等功能。報(bào)警器采用巡檢的工作方式，進(jìn)行兩級(jí) 報(bào)警值設(shè)定，并發(fā)出不同的光、聲信號(hào)。系統(tǒng)應(yīng)采用高性能的單片機(jī)，要求工作穩(wěn)定、測(cè)量精度高、通用性強(qiáng)、功耗低，保證報(bào)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(bào)警器的體積，降低報(bào)警器 的成本。圖2.3 可燃性氣體檢測(cè)報(bào)警器結(jié)構(gòu)框圖 2.3.3煙霧檢測(cè)報(bào)警器的主要技術(shù)指標(biāo) (1)傳感器類型：半導(dǎo)體電阻式 (2)檢測(cè)范圍：0100%LEL (3)報(bào)警準(zhǔn)確度:：±5%LEL (4)報(bào)警點(diǎn)設(shè)置：達(dá)到20%LEL開始報(bào)警 (5)報(bào)警器工作方式

30、：現(xiàn)場(chǎng)固定安裝，自然擴(kuò)散進(jìn)行采樣，長(zhǎng)年連續(xù)運(yùn)行 (6)工作環(huán)境溫度：檢測(cè)器 -50°C50°C；報(bào)警器0°C500°C (7)工作環(huán)境濕度：85%RH (8)報(bào)警方式：煙霧泄漏聲光報(bào)警、自診斷故障報(bào)警 (9)指示方式：數(shù)字顯示，可顯示被測(cè)煙霧LEL%及設(shè)定報(bào)警限值 (10)響應(yīng)時(shí)間：30S (11) 輸出信號(hào)：可輸出與煙霧濃度對(duì)應(yīng)的05V DC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) (11) 工作電壓：AC220V±15%，50±lHz (12)具備快速重復(fù)檢測(cè)和延時(shí)報(bào)警功能，可區(qū)別煙霧的泄漏 和短時(shí)間的微量散失，防止誤報(bào)。 第三章 煙霧檢測(cè)報(bào)警器的硬件設(shè)計(jì)在報(bào)警

31、儀的設(shè)計(jì)中，單片機(jī)是其核心部件。它一方面要接收來(lái)自傳感 器送來(lái)的煙霧濃度對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)和故障檢測(cè)信號(hào)，另一方面要對(duì) 兩種信號(hào)分別進(jìn)行處理，控制后續(xù)電路進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作；與此同時(shí)查詢是否 有鍵按下的請(qǐng)求。在單片機(jī)完成這些的工作中，尤其是信號(hào)處理中，比較 濃度值后送入顯示的軟件實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，要求單片機(jī)具備較快的運(yùn)算速 度，使檢測(cè)人員能夠較準(zhǔn)確地觀測(cè)到煙霧濃度，并根據(jù)情況做進(jìn)行 相應(yīng)處理。并且也要考慮選擇低價(jià)實(shí)用的機(jī)型，并為研制同一系列的低功 耗產(chǎn)品做準(zhǔn)備。根據(jù)多方面的比較，本設(shè)計(jì)選用宏晶科技生產(chǎn)的MCS-51系列單片機(jī)。 3.1單片機(jī)的選型 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)是煙霧檢測(cè)報(bào)警器的核心部件，一方面它要接

32、收來(lái)自傳 感器的煙霧濃度的模擬信號(hào)和故障檢測(cè)信號(hào)，另一方面要對(duì)兩種信 號(hào)分別進(jìn)行處理，控制后續(xù)電路的相應(yīng)工作；同時(shí)，查詢是否有鍵按下的 命令。在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能中，將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)做數(shù)字濾波，再進(jìn)行 線性化處理，然后送LCD顯示，這一過(guò)程的軟件實(shí)現(xiàn)，需要單片機(jī)有較 快的運(yùn)算速度，使儀表監(jiān)測(cè)人員能夠觀測(cè)到實(shí)時(shí)的煙霧濃度，并進(jìn) 行相應(yīng)處理。同時(shí)，在能夠滿足報(bào)警器設(shè)計(jì)的計(jì)算速度及接口數(shù)的要求的 同類型單片機(jī)中，要考慮選擇價(jià)格低廉且體積輕巧的機(jī)型，在保證了報(bào)警 器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎(chǔ)上，能夠不提高成本，縮小體積。 8751簡(jiǎn)介圖17 8751引腳圖 8751是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦

33、除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的8751是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。3.1.2 主要特性:·與MCS-51 兼容·4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz·三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定·128*8

34、位內(nèi)部RAM·32可編程I/O線·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器·5個(gè)中斷源·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 3.1.3 管腳說(shuō)明VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩

35、沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為低八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸

36、出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故. P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：口管腳 備選功能P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3口同時(shí)為閃爍編程

37、和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)

38、效。/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。3.2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)

39、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，可以減少硬件開銷；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

40、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3.2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3.2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*R

41、4/R3 + R4 (3-1)而且V- = V+ = ViVo = Vi*（R3 + R4）/R3 (3-2)由以上兩式可求出Vo=Vref-R4/R3 (3-3)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。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+ R4 R3 ，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

42、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3.

43、2前置放大電路圖聲音報(bào)警電路 聲音報(bào)警電路圖如圖3.3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)的6(P1.5)極 管Q1導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警。圖3.3聲音報(bào)警電路圖段式液晶顯示電路 報(bào)警器濃度顯示是利用8751串行口上擴(kuò)展多片行輸入并行輸出的移位寄存器74LS164作為靜態(tài)顯示接口的方法，設(shè)計(jì)3位靜態(tài)顯示接口。靜態(tài)顯示的優(yōu)點(diǎn)是顯示穩(wěn)定，在發(fā)光二極管導(dǎo)通的電流一定的情況下，顯示器的亮度大，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，在需要更新顯示內(nèi)容時(shí)，CPU才去執(zhí)行更新顯示內(nèi)容的程序，這樣既節(jié)約CPU的時(shí)間，又提高了CPU的工作效率。

44、顯示容量：3位帶小數(shù)點(diǎn)數(shù)字 (1)1腳：接RXD (2)2腳：接TXD (3)3腳：接+24V電源 三位段式液晶結(jié)構(gòu)，它與單片機(jī)的連接示 意圖如圖3.12所示。液晶模塊的1腳、2腳分別連接單片機(jī)8751的10腳(RXD)、11腳(TXD)，構(gòu)成了報(bào)警器的煙霧濃度液 晶顯示模塊。 圖3.11 三位段式液晶結(jié)構(gòu)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3.5所示。單片機(jī)8751(P1.0)、2(P1.2)3腳（p1.2）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

45、作相應(yīng)安全措施。 單片機(jī)MCS-51的23腳(P1.5)、22腳(P1.4)、21腳(P1.3)、20腳(P1.2)，構(gòu)成鍵盤4個(gè)按鍵，分別為模式選擇、上調(diào)、下調(diào)、確定(消音)。 液晶模塊顯示濃度狀態(tài)下，按下1鍵，進(jìn)入報(bào)警限值手動(dòng)調(diào)節(jié)模式，此時(shí)，每按一下2鍵，報(bào)警限值便會(huì)在初始值基礎(chǔ)上加1，反之，每按一下3號(hào)鍵報(bào)警限值減1，到達(dá)預(yù)設(shè)值時(shí)按下4鍵，則確定當(dāng)前值為新的報(bào)警限值。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4號(hào)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3.5 狀態(tài)指示燈電路圖圖3.6 控制按鍵連接示意圖報(bào)警器故障自診斷電路 (1)判斷傳

46、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)P1.1(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3.7 傳感器電源連接自診斷電路(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。 第四章 煙霧檢測(cè)報(bào)警器的軟件設(shè)計(jì)4.1煙霧檢測(cè)

47、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)。 4.1.1主程序設(shè)計(jì)及流程圖 主程序流程圖如圖4.1所示。首先要給傳感器預(yù)熱三分鐘，因?yàn)镸Q-2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。 MCS-51單片機(jī)對(duì)傳感器檢測(cè)的煙霧

48、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4.1 主程序流程圖4.1.2主程序初始化流程圖主程序初始化流程圖如圖4.2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TH1、TL1是全16位參與操作。接下來(lái)定時(shí)

49、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4.2主程序初始化流程圖4.1.3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4.7所示。圖4.7報(bào)警子程序流程圖4.1.4控制按鍵設(shè)計(jì)子程序及流程圖本報(bào)警器設(shè)計(jì)附加四個(gè)按鍵，功能分別為：模式選擇

50、、上調(diào)、下調(diào)、 確定(消音)。模式選擇用于切換濃度顯示與報(bào)警限值設(shè)置兩種狀態(tài)。上調(diào)、下調(diào)用于重新設(shè)定報(bào)警限值，上調(diào)每按一次數(shù)值加1，下調(diào)每按一次數(shù)值 減1。當(dāng)調(diào)整報(bào)警限值后，按下“確定”鍵，新的報(bào)警限值設(shè)定完成。當(dāng)報(bào)警器檢測(cè)到可燃煙霧的濃度達(dá)到報(bào)警限設(shè)定值時(shí)，報(bào)警器發(fā)出聲光報(bào) 警，此時(shí)用戶按下消音鍵(即確定鍵)，蜂鳴器即刻停止鳴叫。 模式選擇、上調(diào)、下調(diào)、確定(消音)四個(gè)鍵接入單片機(jī)P1.2P1.5口， 并把Pl寄存器設(shè)置成外部中斷模式，這樣，單片機(jī)可以直接對(duì)P1引腳電 平變化做出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)按鍵功能。按鍵采用直連，鍵抬起時(shí)，鍵值再送出。 按鍵處理子程序流程圖如圖4.8所示。圖4.3 鍵盤處理子

51、程序第五章 實(shí)驗(yàn)檢定及誤差分析5.1煙霧檢測(cè)報(bào)警器檢定 爆炸下限(LEL)概念介紹 本論文設(shè)計(jì)的煙霧檢測(cè)報(bào)警器選用“%LEL”作為煙霧 的測(cè)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(jiǎn)稱LEL?？扇紵熿F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(jiǎn)稱UEL。 煙霧的濃度過(guò)低或過(guò)高時(shí)是沒(méi)有危險(xiǎn)的，只有與空氣混合形成 混合氣或更確切地說(shuō)遇到氧氣形成一定比例的混合氣才會(huì)發(fā)生燃燒或爆炸。燃燒是伴有發(fā)光發(fā)熱的激

52、烈氧化反應(yīng)，它必須具備三個(gè)要素：可燃物（燃?xì)猓?；助燃物（氧氣）；點(diǎn)火源（溫度）?？扇?xì)獾娜紵梢苑譃閮深悾?一類是擴(kuò)散燃燒，即揮發(fā)的或從設(shè)備中噴出、泄漏的可燃?xì)?，遇到點(diǎn)火源 混合燃燒。另一類燃燒，是可燃?xì)馀c空氣混合著火燃燒，這種燃燒反應(yīng)激 烈而速度快，一般會(huì)產(chǎn)生巨大的壓力和聲響，又稱之為爆炸。燃燒與爆炸 沒(méi)有嚴(yán)格的區(qū)分。 有關(guān)權(quán)威部門和專家已經(jīng)對(duì)目前發(fā)現(xiàn)的可燃?xì)庾髁巳紵ǚ治?，?定出了煙霧的爆炸極限，它分為爆炸上限和爆炸下限。低于爆炸下限，混合氣中的可燃?xì)獾暮坎蛔悖荒芤鹑紵虮?，高于上限混合氣中的氧氣的含量不足，也不能引起燃燒或爆炸。另外，可燃?xì)獾娜紵c爆炸還與煙霧的壓力、溫度、點(diǎn)

53、火能量等因素有關(guān)。爆炸極限一般用體積 百分比濃度表示。 爆炸極限是爆炸下限、爆炸上限的總稱，可燃煙霧在空氣中的濃度只有在爆炸下限、爆炸上限之間才會(huì)發(fā)生爆炸。低于爆炸下限或高于爆炸上限都不會(huì)發(fā)生爆炸。因此，在進(jìn)行爆炸測(cè)量時(shí)，報(bào)警濃度一般設(shè)定在爆炸 下限的25%LEL以下。一般可燃煙霧檢測(cè)儀的測(cè)量范圍為0100%LEL。 甲烷在空氣濃度為9%-11%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(shuō)，把這個(gè)5%體積比，一百等分，讓5%體積比對(duì)應(yīng)100%LEL，也就是說(shuō)，當(dāng)檢測(cè)儀數(shù)值到達(dá)10%LEL報(bào)警點(diǎn)時(shí)，相當(dāng)于此時(shí)甲烷的含量為0.5%體積比。當(dāng)檢測(cè)儀數(shù) 值到

54、達(dá)20%LEL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(duì)應(yīng)的報(bào)警限設(shè)在20%LEL，也就是甲烷含量為2%體積比時(shí)報(bào)警器報(bào)警。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 因?yàn)榧矣妹簹庵兄饕煞譃榧淄椋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(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)如表5.1所示。 表5.1實(shí)際甲烷煙霧與送入單片機(jī)的電壓值對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)濃度（%）電壓（V）03.70103.65203.60303.48403.30502.98602.61702.22801.80901.021000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(duì)其

55、進(jìn)行線性化處理，使顯示的煙霧濃度與實(shí)際誤差 在±5%范圍內(nèi)。煙霧濃度與測(cè)量電壓值線性化示意圖如圖4.5所示。 對(duì)曲線作線性化處理時(shí)，根據(jù)曲線的走勢(shì)，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 =1,2,3L,7 (5-1)其中， f (x)為實(shí)際煙霧檢測(cè)LEL濃度，x為實(shí)際煙霧檢測(cè)濃度對(duì)應(yīng) 的電壓值，xi是區(qū)間的下限濃度對(duì)應(yīng)電壓值，xi是區(qū)間的上限濃度對(duì)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5-1計(jì)算出7個(gè)直線方程式，如下：(1) 0%10%LEL f (x) = ?0.50x + 3.70(2) 10%20%LEL f (x) = ?0.50x + 3.613) 20%40%