煙霧報(bào)警器畢業(yè)論文

1、煙霧報(bào)警器畢業(yè)論文煙霧報(bào)警器畢業(yè)論文摘要隨著“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(kāi)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

2、可燃?xì)怏w敏感元件煙霧傳感器實(shí)現(xiàn)煙霧的檢測(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STC12C5410AD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STC12C5410AD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，STC12C5410，傳感器Abstrac

3、tWhile “information age” the arrival, 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 nat

4、ional science and technology level 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 th

5、e smog sensor thorough research as 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 l

6、eaves the minor smog sensor and the 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,

7、has the sensitivity high, responds, the antijamming ability quickly strong and so on the merits, moreover the price is inexpensive, the service life is long.Selects the STC12C5410AD monolithic integrated circuit, its conformity A/D transformed, the hardware multiplier, resources and so on hardware P

8、DM keyer, has high speed, low merits and so on power loss, ultra strong antijamming, is the present similar technology neutral price quite high product. May realize the acousto-optics take the STC12C5410AD monolithic integrated circuit and the 2M007 semiconductor resistance type gas sensor as the co

9、re design smog alarm apparatus to report to the 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 s

10、imple, the performance stable, the easy to operate, the price inexpensive, the intellectualized smog alarm apparatus.Has certain practical value.Key word: Smog, alarm apparatus, STC12C5410, sensor目 錄摘要1Abstract2第一章 緒論51.1論文研究來(lái)源、目的和意義51.1.1論文研究來(lái)源51.1.2論文研究目的和意義51.2煙霧報(bào)警器的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀51.3本論文主要任務(wù)6第二章 煙霧檢測(cè)報(bào)警器的方

11、案設(shè)計(jì)82.1煙霧檢測(cè)報(bào)警器設(shè)計(jì)思路82.2煙霧傳感器的選型82.2.1煙霧傳感器介紹82.2.2煙霧傳感器的選定102.2.3 MQ-2型煙霧傳感器的工作原理112.2.4 MQ-2型傳感器的特性及主要技術(shù)指標(biāo)122.3煙霧檢測(cè)報(bào)警器整體設(shè)計(jì)方案132.3.1煙霧檢測(cè)報(bào)警器工作原理132.3.2煙霧檢測(cè)報(bào)警器的結(jié)構(gòu)142.3.3煙霧檢測(cè)報(bào)警器的功能142.3.4煙霧檢測(cè)報(bào)警器的主要技術(shù)指標(biāo)152.4本章小結(jié)15第三章 煙霧檢測(cè)報(bào)警器的硬件設(shè)計(jì)173.1單片機(jī)的選型173.1.1單片機(jī)的選擇173.1.2 STC12C5410AD單片機(jī)的特點(diǎn)183.2煙霧檢測(cè)報(bào)警器硬件電路設(shè)計(jì)193.2.1信

12、號(hào)采集及前置放大電路193.2.2聲音報(bào)警電路213.2.3數(shù)碼管顯示電路223.2.4狀態(tài)指示燈及控制鍵電路233.2.5報(bào)警器故障自診斷電路253.3本章小結(jié)26第四章 煙霧檢測(cè)報(bào)警器的軟件設(shè)計(jì)274.1 STC12系列單片機(jī)調(diào)試及開(kāi)發(fā)工具274.2煙霧檢測(cè)報(bào)警器軟件流程及設(shè)計(jì)274.2.1主程序設(shè)計(jì)及流程圖274.2.2主程序初始化流程圖294.2.3中位值平均濾波法數(shù)字濾波子程序設(shè)計(jì)及流程圖294.2.4插值法線性化處理子程序設(shè)計(jì)及流程圖314.2.6報(bào)警子程序設(shè)計(jì)及流程圖354.2.7控制按鍵設(shè)計(jì)子程序及流程圖364.3本章小結(jié)39第五章 實(shí)驗(yàn)檢定及誤差分析405.1煙霧檢測(cè)報(bào)警器檢

13、定405.1.1爆炸下限(LEL)概念介紹405.1.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析405.2實(shí)驗(yàn)誤差分析425.3本章小結(jié)43結(jié) 論44參考文獻(xiàn)45致 謝47附 錄148第一章 緒論1.1論文研究來(lái)源、目的和意義 1.1.1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，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

14、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。 1.1.2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)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10.3.

15、2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)。

16、 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(kāi)始研究及開(kāi)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

17、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(kāi)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)狻⒁谎趸嫉葰?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(kāi)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(kāi)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)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

18、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(kāi)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?xì)庑孤?，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

19、。 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。 1.3本論文主要任務(wù) 本篇論文是煙霧報(bào)警器的研制，主要基本部分和擴(kuò)展部分：(1)基本部分(a)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體規(guī)劃和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。(b)以STC12C5410AD單片機(jī)為中央處理器，對(duì)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和 改進(jìn)，使其功能更加完善。系統(tǒng)硬件電路主要分為前置放大電路、鍵

20、盤(pán)電 路、串口通信電路、聲音報(bào)警電路、狀態(tài)指示燈電路、液晶顯示電路六個(gè) 部分。 (c)系統(tǒng)的軟件編制。按照軟件實(shí)現(xiàn)的功能，主要分為主程序、初始 化子程序、鍵盤(pán)處理子程序、濾波子程序、線性化處理子程序、濃度顯示 子程序、報(bào)警子程序、報(bào)警限值設(shè)置子程序、串口通信子程序。在程序的 編寫(xiě)過(guò)程中，加入了詳細(xì)的文字注釋，便于后期的改進(jìn)與維護(hù)。 (d)硬件電路和軟件的綜合調(diào)試。 (2)擴(kuò)展部分 (a)再加入一路傳感器信號(hào)采集電路，利用雙通道數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)采集的優(yōu)化，主要是利用輔助的一路進(jìn)行修正主傳感器，以提高精度和可靠性。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

21、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

22、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，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

23、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之一。由此可見(jiàn)，傳感器的選型是非常重要的。2.2.1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

24、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。 (3)常見(jiàn)煙霧傳感器簡(jiǎn)介 下面對(duì)工業(yè)上常用的幾種煙霧傳感器作簡(jiǎn)單介紹。 (a)半導(dǎo)體煙霧傳感器半導(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。自1962年半導(dǎo)體金屬氧化物煙霧傳感器問(wèn)世以來(lái)，由于具有靈敏度高、響應(yīng)快、輸出信號(hào)強(qiáng)、耐久性

25、強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。該傳感器己成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的煙霧傳感器之一。按照敏感機(jī)理分類，可分為電阻型和非電阻型。 (b)固體電解質(zhì)煙霧傳感器 固體電解質(zhì)煙霧傳感器使用固體電解質(zhì)氣敏材料作為氣敏元件，其原理是利用氣敏材料在通過(guò)煙霧時(shí)產(chǎn)生電阻，測(cè)量其形成電動(dòng)勢(shì)從而測(cè)量氣體濃度。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(gè)領(lǐng)域，其產(chǎn)量?jī)H次于半導(dǎo)體煙霧傳感器的一類傳感器。但這種傳感器制造成本高，檢測(cè)煙霧范圍有限，在檢測(cè)環(huán)境污染領(lǐng)域中有優(yōu)勢(shì)。 (c)接觸燃燒式傳感器 當(dāng)易燃煙霧接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時(shí)會(huì)

26、發(fā)生氧化反應(yīng)而燃燒，故得名接觸燃燒式傳感器。接觸燃燒式煙霧傳感器的檢測(cè)元件一般為鉑金屬絲(也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層)，使用時(shí)將鉑絲通電，保持300°C400°C的高溫，此時(shí)若與煙霧接觸，煙霧就會(huì)在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會(huì)上升，鉑絲的電阻值也上升；通過(guò)測(cè)量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道煙霧的濃度。 (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(lái)得到很大的發(fā)展。高分子氣敏材料在遇到特定煙霧時(shí)，其電阻、介電常數(shù)、材料表面聲波傳播速 度和頻率、材料重量等物理性能發(fā)生變化。高分子氣敏材料由于具有易操 作性、工藝簡(jiǎn)單、常溫選擇性好、價(jià)格低廉、易與

27、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(cè)中具有重要作用。高分子煙霧傳感器具有對(duì)特定煙霧分子靈敏度高，選擇性好，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能在常溫下使用，可以彌補(bǔ)其它煙霧傳感器的不足。 (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。煙霧濃度信號(hào)將電解液分解成陰陽(yáng)帶電離子，通過(guò)電極將信號(hào)傳出。它的優(yōu)點(diǎn)是：反映速度快、準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測(cè)，但壽命較短(大約兩年)。它主要適用于毒性煙霧檢測(cè)。目前國(guó)際上絕大部分毒氣檢測(cè)采用該類型傳感器。 (f)熱傳導(dǎo)傳感器 熱傳導(dǎo)傳感器與接觸燃燒式傳感器具有類似的結(jié)構(gòu)形式，但是測(cè)量原理不同。它的測(cè)量原理是：將加熱后的鉑電阻線圈置于目標(biāo)煙霧

28、中，由于向目標(biāo)煙霧傳送熱量造成溫度降低，引起電阻值變化，傳感器即測(cè)量電阻 值的變化情況。溫度的變化情況是目標(biāo)煙霧熱傳導(dǎo)率的函數(shù)，而對(duì)于一種給定的煙霧或汽化物，熱傳導(dǎo)率是它固有的物理特性。 (g) 紅外傳感器 紅外傳感器通常用兩束紅外光進(jìn)行煙霧測(cè)量，主光束通過(guò)測(cè)量元件內(nèi)的目標(biāo)煙霧，參考光束通過(guò)比較元件內(nèi)的參考煙霧。在測(cè)量和比較元件中，紅外射線被煙霧有選擇地吸收了。未吸收的紅外光由光電探測(cè)器測(cè)量，產(chǎn)生一個(gè)正比于目標(biāo)煙霧濃度的差分信號(hào)。非擴(kuò)散式紅外探測(cè)器NDIR (non-dispersive IR )是其中的一種，所有的未吸收光全部以最小的擴(kuò)散和損耗被記錄下來(lái)。 不同的煙霧吸收不同波長(zhǎng)的IR，所以

29、傳感器根據(jù)目標(biāo)煙霧而調(diào)整，典型應(yīng)用包括測(cè)量CO和CO2、冷凍劑煙霧和一些易燃?xì)狻Ｓ捎诜翘細(xì)浠衔镆兹紵熿F(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(cè)量碳?xì)浠衔铮⒕哂凶钚〉慕徊骒`敏度，而且不受其它煙霧的腐蝕以及高濃度目標(biāo)煙霧的影響。 (4)常見(jiàn)煙霧傳感器可檢測(cè)煙霧種類 由于煙霧的種類繁多，一種類型的煙霧傳感器不可能檢測(cè)所有的氣體，通常只能檢測(cè)某一種或兩種特定性質(zhì)的煙霧。例如氧化物半導(dǎo)體煙霧傳感器主要檢測(cè)各種還原性煙霧，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固體電解質(zhì)煙霧傳感器主要用于檢測(cè)無(wú)機(jī)煙霧，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。表2.1簡(jiǎn)要列舉出已經(jīng)研究、開(kāi)發(fā)

30、的各類煙霧傳感器及其可檢測(cè)的氣體種類。傳感器種類C0CO2 H2S NH3 HCNHCICOCI2CI2 NOX SO2O2CH4C3H2H2H2O半導(dǎo)體氣體傳感器固體電解質(zhì)傳感器接觸燃燒式傳感器電化學(xué)式傳感器高分子電解質(zhì)氣體傳感器注：好 不太好表2.1各種煙霧傳感器可檢測(cè)的煙霧種類2.2.2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

31、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

32、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

33、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 高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。 2.2.3 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?。籔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

34、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300450°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

35、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2.2.4 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

36、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型傳感器的基本特性 (a)靈敏度特性 煙霧傳感器在最佳工作條件下，接觸同一種煙霧，其電阻值RS隨氣 體濃度變化的特性稱之為靈敏度特性，用K表示。 K=RS / R0 (2-1) 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(cè)煙霧中的電阻

37、值。 雖然對(duì)于不同的煙霧，器件靈敏度特性K的值也會(huì)各有差異，但是它們都遵循同一規(guī)律，log RS = m logC + n (2-2)式中，m為器件相對(duì)煙霧濃度變化的敏感性，又稱煙霧分離能，對(duì)于 煙霧，m值為1/21/3；C為檢測(cè)煙霧的濃度。n為與檢測(cè)煙霧，器件材料有關(guān)，并隨測(cè)試溫度和材料中有無(wú)增感劑而有所不同。 (b)初期穩(wěn)定特性 半導(dǎo)體煙霧傳感器在不通電狀態(tài)存放一段時(shí)間后，再通電時(shí)，器件并不能立即投入正常工作。這是因?yàn)闊熿F傳感器中的二氧化錫在不通電的狀態(tài)下會(huì)吸附空氣中的水蒸氣，當(dāng)再次通電時(shí)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。再通電工作時(shí)氣敏電阻值達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需要的時(shí)間，定義

38、為初期穩(wěn)定時(shí)間。一般情況下，不通電時(shí)間越長(zhǎng)，初期穩(wěn)定時(shí)間也越長(zhǎng)，當(dāng)不通電存放時(shí)間達(dá)到15天左右時(shí)，初期穩(wěn)定時(shí)間一 般需要5分鐘左右。 (c)加熱特性 半導(dǎo)體煙霧傳感器一般要在較高的溫度(200450°C)下工作，所以需要對(duì)其加熱。由于傳感器一般工作在易燃易爆環(huán)境下，若加熱絲直接與電源相接，當(dāng)加熱絲局部短路造成器件過(guò)熱或放電時(shí)，可能引發(fā)事故。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)。MQ-2型煙霧傳感器加熱電壓為5±0.2V，加熱電阻為31±3?。當(dāng)加熱絲斷路時(shí)，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(shí)檢測(cè)必出現(xiàn)較大的誤差。為

39、避免出現(xiàn)這種情況，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)氣敏元件的故障， 需要設(shè)計(jì)加熱絲故障診斷報(bào)警電路。 (3)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 2.3煙霧檢測(cè)報(bào)警器整體設(shè)計(jì)方案 2.3.1煙霧檢測(cè)報(bào)警器工作原理 本論文中的煙霧檢測(cè)報(bào)警器以STC12C5410AD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

40、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STC12C5410AD單片機(jī)；然后，在STC12C5410AD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，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

41、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。 2.3.2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

42、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)警器的功能 (1)自診斷故障報(bào)警功能 當(dāng)傳感器加熱絲或者電纜線發(fā)生斷線或者接觸不良的情況時(shí)，報(bào)警器發(fā)出警報(bào)，并且黃色指示燈閃爍，提醒用戶檢查傳感器或者電路線接觸情況，及時(shí)排除故障，保證安全。 (2)煙霧濃度顯示通過(guò)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(guò)鍵盤(pán)設(shè)置或者更改報(bào)警限值，

43、以便于用戶或檢測(cè)人員隨時(shí)觀測(cè)煙霧濃度及更改報(bào)警限。 (3)煙霧報(bào)警功能 當(dāng)煙霧濃度連續(xù)20秒取值都在報(bào)警限值之上，蜂鳴器開(kāi)始報(bào)警，且聲音越來(lái)越急促，并且伴隨紅燈閃爍。因?yàn)槿藢?duì)變化的信號(hào)更為敏 感，所以變化的聲音及燈光更容易引起用戶的注意。 (4)防止報(bào)警器誤報(bào)功能 快速重復(fù)檢測(cè)及延時(shí)報(bào)警可以區(qū)別出是管道中可燃煙霧的泄漏，還是由于打開(kāi)閥門(mén)時(shí)的微量煙霧的散失。 (5)看門(mén)狗自檢單片機(jī)狀態(tài)功能 調(diào)用單片機(jī)中的看門(mén)狗程序，定時(shí)檢查單片機(jī)工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)單片機(jī)出現(xiàn)死循環(huán)狀態(tài)，立即復(fù)位，保證報(bào)警器工作正常。 (6)與上位機(jī)通訊功能 可以實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)串口通訊，對(duì)報(bào)警器采取統(tǒng)一控制，以及便于采集 和處理數(shù)據(jù)

44、，也可以在計(jì)算機(jī)上更改報(bào)警限值等。 (7)自動(dòng)控制相關(guān)安全裝置的擴(kuò)展功能 留有繼電器接口，可以帶動(dòng)排風(fēng)扇或大功率蜂鳴器，也可以控制管道電子閥門(mén)，可在報(bào)警的同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)相關(guān)安全裝置。 2.3.4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(kāi)始報(bào)警 (5)報(bào)警器工作方式：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

45、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)。 2.4本章小結(jié) 本章主要闡述了煙霧報(bào)警儀的設(shè)計(jì)方案，即傳感器的選型和報(bào)警器的設(shè)計(jì)。傳感器從種類、選定、工作原理、基本特性四個(gè)方面分別敘述。 根據(jù)本設(shè)計(jì)要求及使用環(huán)境、成本等因素選用的MQ-2型半導(dǎo)體電阻式煙霧敏感器件。并且從結(jié)構(gòu)、功能、技 術(shù)

46、指標(biāo)三方面對(duì)報(bào)警器進(jìn)行了詳細(xì)地論述，使其在較寬的溫度范圍工作，用于檢測(cè)空氣中煙霧或可燃性液體蒸汽的濃度。該報(bào)警器將空氣中煙霧或可燃性液體蒸汽的濃度顯示在儀表盤(pán)上，當(dāng)空氣中的煙霧或可燃性液體蒸汽的濃度達(dá)到一定濃度時(shí)， 則啟動(dòng)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， 還是由于短暫打開(kāi)閥門(mén)產(chǎn)生的可燃煙霧的微量散失，防止誤報(bào)。若判斷是 煙霧泄漏，則發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)，也可在報(bào)警的同時(shí)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)相 關(guān)安全裝置而且具有故障自診斷功能。此系統(tǒng)還可接計(jì)算機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制。第三章 煙霧檢測(cè)報(bào)警器的硬件設(shè)計(jì)在報(bào)警儀的設(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

47、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STC12系列單片機(jī)。 3.1單片機(jī)的選型 3.1.1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

48、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。 如今市面上比較普遍的單片機(jī)有8051系列與STC系列。 8051單片機(jī)雖然應(yīng)用普遍，工具多，易上手，片源廣，價(jià)格低，但 是速度慢，功耗大，適合民用，商用，不

49、適合工業(yè)用途。STC單片機(jī)是MICROCHIP公司的產(chǎn)品，其突出的特點(diǎn)是功耗低， 精簡(jiǎn)指令集 ，抗干擾性好，可靠性高，但是存在溢出隱患問(wèn)題。8051系 列采用的是堆棧指針，STC采用硬件堆棧8級(jí)。當(dāng)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(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。而STC單片機(jī)程序嵌套包括中斷最多不能超過(guò)8層。所以如果用C語(yǔ)言進(jìn)行STC編程設(shè)計(jì)容易堆棧溢出。 匯編語(yǔ)言對(duì)于不同的CPU，其匯編語(yǔ)言可能有所差異，所以不易移 植。而C語(yǔ)言是一種結(jié)構(gòu)化的高級(jí)語(yǔ)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(jì)算機(jī)語(yǔ)言。鑒于C語(yǔ)言的易讀性和普遍性，本論文的軟件設(shè)計(jì)選擇C

50、語(yǔ)言編程，所以STC系列單片機(jī)在此處不是非常適合。 為適用于本論文設(shè)計(jì)的煙霧檢測(cè)報(bào)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(yǔ)言編程溢出問(wèn)題的單 片機(jī)。 宏晶科技新推出的STC12系列單片機(jī)具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，是的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，速度 卻比8051單片機(jī)快812倍。而且STC12系列下屬的STC12C54xxAD系 列單片機(jī)是低功耗Flash單片機(jī)，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(diǎn)， 較好的實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的功能與超低功耗的結(jié)合。而且在功能同樣的

51、情況下， 管腳較少封裝體積小，價(jià)格比其他型號(hào)便宜，因此具有很好的性價(jià)比和應(yīng) 用適應(yīng)性。 STC12C54xxAD系列單片機(jī)有6種型號(hào)：分別是STC12C5412AD、 STC12C5410AD、STC12C5408AD、STC12C5406AD、STC12C5404AD、 和STC12C5402AD。 它們是以單片機(jī)內(nèi)部集成Flash的大小區(qū)分的。在價(jià)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(jī)作為本論文設(shè)計(jì)的煙霧報(bào)警器的單片機(jī)核 心芯片。它體積小，價(jià)格低，非常適用于本設(shè)計(jì)，下面介紹STC12C5410AD的自身特點(diǎn)。 3.1.2 STC12C5410

52、AD單片機(jī)的特點(diǎn) STC12C5410AD單片機(jī)較以往的單片機(jī)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(jìn)一步小型化和便攜化。其 內(nèi)部集成的Flash幾乎擁有現(xiàn)代追求個(gè)性化的用戶所需要的掉電后數(shù)據(jù)不 丟失、快速的數(shù)據(jù)存取時(shí)間、電可擦除、容量大、在線可編程、足夠多的 擦寫(xiě)次數(shù)、價(jià)格低廉和高可靠性等所有優(yōu)點(diǎn)。STC12C5410AD單片機(jī)的管 腳結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。圖3.1 STC12C5410AD單片機(jī)管腳圖STC12C5410AD單片機(jī)具有以下特點(diǎn)： (1) Flash存儲(chǔ)器 STC12C5410AD Flash存儲(chǔ)器為10KB。Flash存儲(chǔ)器主要用作程序存 儲(chǔ)，可經(jīng)計(jì)

53、算機(jī)串口接口下載程序；程序運(yùn)行時(shí)能對(duì)其中的1段或多段進(jìn) 行擦、寫(xiě)操作，因此兼有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器功能。Flash存儲(chǔ)器的掉電保護(hù)功能 可用于程序數(shù)據(jù)保存，可以按字或字節(jié)讀寫(xiě)，最小擦除單位為1段，經(jīng)過(guò) 擦除的位為“1”，寫(xiě)入位為“0”。 (2)脈寬調(diào)節(jié)模式(PWM) 所有PCA模塊都可用作PMW輸出。輸出頻率取決于PCA定時(shí)器的 時(shí)鐘源。由于所有模塊共用僅有的PCA定時(shí)器，所有它們的輸出頻率相 同。各個(gè)模塊的輸出占空比是獨(dú)立變化的，與使用的捕獲寄存器EPCnL， CCAPnL有關(guān)。當(dāng)CL SFR的值小于EPCnL，CCAPnL時(shí)，輸出為低， 當(dāng)PCACL SFR的值等于或大于EPCnL，CCAPnL時(shí)，

54、輸出為高。當(dāng)CL的值由FF變?yōu)?0溢出時(shí)，EPCnH，CCAPnH的內(nèi)容裝載到EPCnL， CCAPnL中。這樣就可實(shí)現(xiàn)無(wú)干擾地更新PWM。要使能PWM模式，模 塊CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必須置位。 (3) I/O口工作類型設(shè)置 STC12C5410AD帶有24個(gè)I/O引腳，它的I/O與傳統(tǒng)的I/O不同，每個(gè)I/O口均可由軟件設(shè)置成4種工作類型之一，使得功能口和通用I/O口復(fù)用。 4種類型分別為：準(zhǔn)雙向口(標(biāo)準(zhǔn)8051輸出模式)、推挽輸出、僅為輸入(高阻)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

55、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(P1.7P1.0)，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

56、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STC

57、12C5410AD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。 3.2煙霧檢測(cè)報(bào)警器硬件電路設(shè)計(jì) 3.2.1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；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