基于單片機(jī)的煙霧檢測(cè)系統(tǒng)論文

1、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）題 目： 基于單片機(jī)的煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng) （英文）： Detection Alarm System of Smoke Based on Single Chip Microcomputer 院 別： 機(jī)電學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械電子工程 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 日 期： 2012年5月 基于單片機(jī)的煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)摘要本文設(shè)計(jì)的用單片機(jī)控制的煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，是采用催化燃燒效應(yīng)原理的探頭制成的煙霧濃度測(cè)量及報(bào)警的儀器，適用于家庭、中小型煤礦、農(nóng)村沼氣池等存在可燃?xì)怏w的場(chǎng)所，進(jìn)行多種可燃?xì)怏w（液化石油氣、氫氣、甲烷）在空氣中的濃度測(cè)量，系統(tǒng)能夠根據(jù)可燃?xì)怏w報(bào)警界限進(jìn)行聲、

2、光報(bào)警，并留有可直接使用的擴(kuò)展功能端口，可以根據(jù)用戶的需要用于安全控制裝置（排風(fēng)、鳴笛等）。系統(tǒng)由帶有A/D轉(zhuǎn)換模塊及看門狗模塊的單片機(jī)、敏感元件、前置小信號(hào)放大電路、顯示電器、鍵盤電路、聲光報(bào)警電路、模式切換電路、電源電路、繼電器控制電路等組成。其中單片機(jī)為系統(tǒng)的核心，完成數(shù)據(jù)的采集、處理、輸出、顯示等功能；雙通道模式的敏感元件用于準(zhǔn)確檢測(cè)煙霧的含量，其輸出與煙霧濃度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)；小信號(hào)放大電路用于放大敏感元件輸出的電壓；顯示電路用于顯示煙霧的濃度；鍵盤電路用于調(diào)整報(bào)警界限及消音；報(bào)警電路用于對(duì)超限的煙霧進(jìn)行聲光報(bào)警；模式切換電路用于切換測(cè)量哪種可燃煙霧（液化石油氣、氫氣、甲烷）；電源電路

3、為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓；繼電器控制電路為用戶需要留下擴(kuò)展功能。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是測(cè)量氣體種類多，測(cè)量范圍寬，精度高；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低；可靠性和穩(wěn)定性好；具有死機(jī)自動(dòng)重啟、雙通道傳感器測(cè)量功能，是一種電路設(shè)計(jì)新穎、參數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確、操作方便的多種煙霧濃度檢測(cè)與報(bào)警的實(shí)用設(shè)備。關(guān)鍵詞：煙霧檢測(cè)；傳感器；單片機(jī)Detection Alarm System of Smoke Based on Single Chip MicrocomputerABSTRACTKey words：Smoke Detection; Sensor; Single Chip Microcomputer目 錄1緒論1.1論文研究來(lái)源、目的

4、和意義11.1.1論文研究來(lái)源11.1.2論文研究目的和意義11.2煙霧報(bào)警系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)況21.3本論文的主要任務(wù)與創(chuàng)新思路32系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)2.1煙霧傳感器的選型52.1.1煙霧傳感器介紹52.1.2煙霧傳感器的選型82.1.3 MC101型煙霧傳感器的工作原理82.1.4 MC101型煙霧傳感器的特點(diǎn)與技術(shù)指標(biāo)92.2煙霧報(bào)警系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案112.2.1煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)工作原理112.2.2煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)112.2.3煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的功能112.2.4煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)133煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)的選型143.1.1單片機(jī)的選型143.1.2 S

5、TC12C5410AD單片機(jī)的特點(diǎn)153.2煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)173.2.1信號(hào)采集及前置信號(hào)放大電路173.2.2聲光報(bào)警電路183.2.3數(shù)碼管顯示電路193.2.4鍵盤控制與模式切換控制電路203.2.5安全控制裝置電路213.2.6直流穩(wěn)壓電源電路223.3基于單片機(jī)的煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)硬件總電路234煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 STC12系列單片機(jī)調(diào)試及開發(fā)工具244.2煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)軟件流程及設(shè)計(jì)254.2.1主程序設(shè)計(jì)及流程圖254.2.2主程序初始化設(shè)計(jì)及流程圖264.2.3數(shù)碼管顯示程序設(shè)計(jì)274.2.4外部中斷0程序設(shè)計(jì)及流程圖274.2.5 T0中斷程序設(shè)計(jì)

6、及流程圖284.2.6 ADC中斷程序設(shè)計(jì)及流程圖295儀器標(biāo)定及誤差分析5.1煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)標(biāo)定315.1.1爆炸下限（LEL）概念介紹315.1.2儀器的標(biāo)定325.2煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)誤差分析33結(jié)論參考文獻(xiàn)致謝附錄A1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)

7、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)警系統(tǒng)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。報(bào)警器作為預(yù)防燃?xì)鉄熿F泄漏的有力武器，它的出現(xiàn)卻似乎并沒有引起人們應(yīng)有的注意。這個(gè)在安全防護(hù)上可以和家用滅火器相提并論、甚至比滅火器更需要進(jìn)入家庭的小東西，大多數(shù)家庭根本沒有把它當(dāng)一回事，甚至不知道還有這樣一個(gè)可以從根本上解決煤氣中毒和煤氣

8、爆炸的“保護(hù)神”存在。以上海為例，去年因熱水器廢氣中毒及灶具溢熄、橡皮管老化脫落引起的燃?xì)庑孤┖驮斐芍卸舅劳龅墓?6人，占全部燃?xì)馐鹿仕劳鋈藬?shù)的84%。但據(jù)權(quán)威部門公布的另一項(xiàng)調(diào)查表明在上海市300萬(wàn)左右的燃?xì)庥脩糁?，安裝家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器的不足10%。城市里面使用煤氣的用戶越來(lái)越多，而使用了煙霧報(bào)警系統(tǒng)的用戶都廖廖可數(shù)，隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)安全的意識(shí)也越來(lái)越強(qiáng)。無(wú)論是工廠還是家庭中，在這些有燃?xì)獯嬖诘沫h(huán)境中，安裝煙霧報(bào)警器，勢(shì)在必行。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)四億人，煤氣發(fā)生基地及中轉(zhuǎn)站也達(dá)幾萬(wàn)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

9、的需求量就達(dá)4000萬(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2011年底，全國(guó)沼氣池?cái)?shù)量已達(dá)近4500萬(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)?？梢姡瑹熿F報(bào)警器具有十分廣闊的市場(chǎng)前景。科學(xué)技術(shù)在不斷地前進(jìn)，微機(jī)技術(shù)也如日中天，時(shí)至今日，煙霧報(bào)警系統(tǒng)它不僅僅是可以實(shí)現(xiàn)煙霧報(bào)警那就可以了。而是要朝著高精度，微型化，數(shù)字化，集成化，智能化等方向不斷發(fā)展。并且需求量會(huì)越來(lái)越大，發(fā)展速度也以日俱增。目前，現(xiàn)代建筑都會(huì)有選擇地安裝不同功能的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。因?yàn)榛馂?zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)是建筑物的神經(jīng)系統(tǒng)，它能夠

10、感受、接收著發(fā)生火災(zāi)的早期信號(hào)并及時(shí)報(bào)警，發(fā)出警報(bào)同時(shí)告知用戶和周邊居民。它就像是一個(gè)個(gè)稱職的更夫，給居住、忙碌或是休息在家庭中的人們以極大的安全感。在火災(zāi)的早期階段，準(zhǔn)確的探測(cè)到火情并迅速報(bào)警，對(duì)于及時(shí)組織有序快速疏散、積極有效地控制火災(zāi)的蔓延、快速滅火和減少火災(zāi)對(duì)居住人群的損失都具有重要的意義。1.2煙霧報(bào)警系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)況國(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2011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

11、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。我國(guó)在上世紀(jì)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)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

12、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┡c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。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)，

13、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┲螅ㄟ^(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本論文的主要任務(wù)與創(chuàng)新思路2系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)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

14、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，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。2.1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

15、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之一。由此可見，傳感器的選型是非常重要的。2.1.1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： （1）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。 （2）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。 （3）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

16、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： （1）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；（2）對(duì)檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)速度快，重復(fù)性好；（3）長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性好； （4）使用壽命長(zhǎng)； （5）制造成本低，使用與維護(hù)方便。3、常見的煙霧傳感器簡(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。 （1）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1。自1962年半導(dǎo)體金屬氧化物煙霧傳感器問世以來(lái)，由于具有靈敏度高、響應(yīng)快、輸出

17、信號(hào)強(qiáng)、耐久性強(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。 （2）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)。 （3）接觸燃燒式傳感器 接觸燃燒式氣體傳感器分為直接接觸燃

18、燒式和催化接觸燃燒式（熱線型）兩種。工作原理是：氣敏材料在通電狀態(tài)下，可燃性氣體被氧化燃燒或在催化劑作用下氧化燃燒，產(chǎn)生的熱量使電熱絲升溫，使其電阻值發(fā)生變化，電阻值的變化反映了氣體體積分?jǐn)?shù)的變化。這種傳感器只能測(cè)量可燃?xì)怏w，對(duì)非可燃性氣體不敏感。例如，在Pt絲上涂敷活性催化劑Rh和Pd等制成的傳感器，具有廣譜特性，可以檢測(cè)各種可燃?xì)怏w。接觸燃燒式氣體傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對(duì)爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進(jìn)行檢測(cè)，普遍應(yīng)用于對(duì)石化、造船業(yè)、礦井、浴室、廚房等領(lǐng)域內(nèi)的可燃性氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警2。 （4）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

19、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。 （5）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

20、毒氣檢測(cè)采用該類型傳感器。 （6）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。 （7）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

21、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、冷凍劑煙霧和一些易燃?xì)?。由于非碳?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?，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(biāo)煙霧的影響。 2.1.2煙霧傳感器的選型煙霧檢測(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)、家庭等易發(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)

22、體煙霧傳感器。熱催化式是利用可燃性氣體在催化元件上的氧化生熱引起其電阻的變化來(lái)測(cè)定可燃性氣體的濃度。其優(yōu)點(diǎn)是元件和儀器的生產(chǎn)成本低，輸出信號(hào)大，對(duì)于1%氣樣，電橋輸出可達(dá)15mV以上，處理和顯示都比較方便，所以儀器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受背景氣體和溫度變化的影響小，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。其缺點(diǎn)是探測(cè)元件的壽命較短，不能測(cè)高濃度的燃?xì)?，硫化氫及硅蒸氣?huì)引起元件中毒而失效。目前國(guó)內(nèi)外檢測(cè)甲烷等燃?xì)獾膬x器廣泛采用這一原理。 氣敏半導(dǎo)體的種類較多，如氧化錫、氧化鋅燒結(jié)型金屬氧化物。這一原理是利用氣敏半導(dǎo)體被加熱到200°C時(shí)，其表面能夠吸附燃?xì)舛淖兤潆娮柚祦?lái)檢測(cè)燃?xì)鉂舛取Ｆ鋬?yōu)點(diǎn)是對(duì)微量燃?xì)獗容^敏感，結(jié)構(gòu)

23、簡(jiǎn)單、成本低。但當(dāng)濃度大于1%甲烷時(shí)，其反應(yīng)遲純，選擇性和線性均較差，所以很少用于檢測(cè)濃度比1%大的燃?xì)狻１菊撐脑O(shè)計(jì)的煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，可檢測(cè)范圍比較寬，設(shè)在0100%LEL。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)熱催化式煙霧傳感器的優(yōu)點(diǎn)更加突出，本設(shè)計(jì)選用MC101熱催化式煙霧傳感器，這種型號(hào)的傳感器橋路輸出電壓呈線性，響應(yīng)速度快，具有良好的重復(fù)性、選擇性，元件工作穩(wěn)定、可靠，有優(yōu)異的抗H2S、有機(jī)硅中毒能力；可應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的天然氣、液化氣、煤氣、烷類等可燃性氣體及汽油、醇、酮、苯等有機(jī)溶劑蒸汽的濃度檢測(cè)。應(yīng)用于可燃性氣體泄漏報(bào)警器、可燃性氣體探測(cè)器、氣體濃度計(jì)等，應(yīng)用范圍廣3。2.1

24、.3 MC101型煙霧傳感器的工作原理接觸燃燒式氣體傳感器分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式（熱線型）兩種。工作原理是：氣敏材料在通電狀態(tài)下，可燃性氣體被氧化燃燒或在催化劑作用下氧化燃燒，產(chǎn)生的熱量使電熱絲升溫，使其電阻值發(fā)生變化，電阻值的變化反映了氣體體積分?jǐn)?shù)的變化。這種傳感器只能測(cè)量可燃?xì)怏w，對(duì)非可燃性氣體不敏感。例如，在Pt絲上涂敷活性催化劑Rh和Pd等制成的傳感器，具有廣譜特性，可以檢測(cè)各種可燃?xì)怏w。接觸燃燒式氣體傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對(duì)爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進(jìn)行檢測(cè)，普遍應(yīng)用于對(duì)石化、造船業(yè)、礦井、浴室、廚房等領(lǐng)域內(nèi)的可燃性氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警。MC101型催化元件根據(jù)

25、催化燃燒效應(yīng)的原理工作，由檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件配對(duì)組成電橋的兩個(gè)臂，遇可燃性氣體時(shí)檢測(cè)元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大，補(bǔ)償元件起參比及溫濕度補(bǔ)償作用。其基本測(cè)試電路如圖2.1所示，外形結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。圖2.1 基本測(cè)試電路 圖2.2 MC101外形結(jié)構(gòu)圖2.1.4 MC101型煙霧傳感器的特點(diǎn)與技術(shù)指標(biāo)1、MC101傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用MC101傳感器橋路輸出電壓呈線性，響應(yīng)速度快，具有良好的重復(fù)性、選擇性，元件工作穩(wěn)定、可靠，有優(yōu)異的抗H2S、有機(jī)硅中毒能力；可應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的天然氣、液化氣、煤氣、烷類等可燃性氣體及汽油、醇、酮、苯等有機(jī)溶劑蒸汽的濃度

26、檢測(cè)。應(yīng)用于可燃性氣體泄漏報(bào)警器、可燃性氣體探測(cè)器、氣體濃度計(jì)等，應(yīng)用范圍廣。其外形結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。2、MC101傳感器的技術(shù)指標(biāo)（1）MC101傳感器的基本特性參數(shù) MC101傳感器的基本特性參數(shù)如表2.1所示。表2.1 MC101基本特性參數(shù)工作電壓(V) 3.0±0.1 工作電流(mA) 110±10 靈敏度(mV) 1%甲烷 2550 1%丁烷 3050 1%氫氣 2545 線形度（%） 5 測(cè)量范圍（LEL） 0100 響應(yīng)時(shí)間 (90%) 小于10秒 恢復(fù)時(shí)間 (90%) 小于30秒 使用環(huán)境 -40+70 低于95%RH 儲(chǔ)存環(huán)境 -20+70 低于95%

27、RH 外形尺寸（mm） 12mm×8mm （2）MC101傳感器的靈敏度特性MC101傳感器橋路輸出呈線性，其靈敏度特性如圖2.3所示。圖2.3 MC101靈敏度特性（3）MC101傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性MC101傳感器在空氣中每年漂移小于±2個(gè)mV，在1%甲烷中每年漂移小于±2個(gè)mV。短期儲(chǔ)存（兩周內(nèi)）30分鐘即可穩(wěn)定，如長(zhǎng)期儲(chǔ)存（一年），則需老化5小時(shí)才可穩(wěn)定。傳感器在環(huán)境溫度、濕度、工作電壓影響下，一般不會(huì)超過(guò)±1mV，穩(wěn)定性好。2.2煙霧報(bào)警系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案2.2.1煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)工作原理本論文中的煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)以STC12C5410AD單片機(jī)為

28、控制核心，采用MC101熱催化燃燒型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)差動(dòng)放大30倍，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)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、濃度比較，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顯示器，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，同時(shí)啟動(dòng)繼電器開啟外圍安全控制裝置。由于傳感器需要維持一定的溫度，所以傳感器需要使用3V穩(wěn)定電壓持久供電。2.2.2煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為適應(yīng)家庭和工業(yè)等場(chǎng)

29、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、延時(shí)報(bào)警功能并在傳統(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2.4所示，系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，配合外圍電路共同完成雙通道信號(hào)采集4、信號(hào)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、濃度顯示、狀態(tài)顯示、聲音及燈光閃爍報(bào)警、按鍵輸入、繼電器控制等功能。報(bào)警器采用巡檢的工作方式，進(jìn)行實(shí)時(shí)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

30、。2.2.3煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的功能（1）檢測(cè)燃?xì)夥N類切換功能通過(guò)兩個(gè)開關(guān)切換檢測(cè)燃?xì)夥N類，并且設(shè)置檢測(cè)液化石油氣為默認(rèn)狀態(tài)，通過(guò)兩個(gè)開關(guān)設(shè)置更改檢測(cè)種類，可切換成檢測(cè)氫氣模式及甲烷模式。適合多種場(chǎng)合的使用。（2）煙霧濃度顯示通過(guò)數(shù)碼管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)鍵盤設(shè)置或者更改報(bào)警限值，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，蜂鳴器開始報(bào)警，并且伴隨紅燈閃爍及像警車一樣的報(bào)警聲。因?yàn)槿藢?duì)變化的信號(hào)更為敏感，所以閃爍的燈光及警聲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

31、區(qū)別出是管道中可燃煙霧的泄漏，還是由于打開閥門時(shí)的微量煙霧的散失。 （5）看門狗自檢單片機(jī)狀態(tài)功能 調(diào)用單片機(jī)中的看門狗程序，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)，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 狀態(tài)指示燈聲音報(bào)警濃度顯示四個(gè)按鍵傳感器放大電路A/D轉(zhuǎn)換模式切換安全控制裝置傳感器串口通信單片機(jī)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，可在報(bào)警的同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)相關(guān)安全裝置。圖2.4 煙霧檢

32、測(cè)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2.4煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)（1）傳感器類型：熱催化燃燒式 （2）檢測(cè)范圍：0100%LEL （3）報(bào)警準(zhǔn)確度:：±3%LEL （4）報(bào)警點(diǎn)設(shè)置：液化石油氣、甲烷達(dá)30%LEL，氫氣達(dá)25%LEL開始報(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 0°C70°C；報(bào)警器0°C70°C （7）工作環(huán)境濕度：95%RH （8）報(bào)警方式：煙霧泄漏聲光報(bào)警 （9）指示方式：數(shù)字顯示，可顯示被測(cè)煙霧的實(shí)際濃度及設(shè)定報(bào)警限值 （10）響應(yīng)時(shí)間：10S 輸出信號(hào)：可輸出與煙霧

33、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或DC9V±10% （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)。3煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)在煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，單片機(jī)是其核心部件。它要接收來(lái)自傳感器送來(lái)的煙霧濃度對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)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

34、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。同時(shí)，在能夠滿足報(bào)警器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的計(jì)算速度及接口功能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。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)的選型單片機(jī)是煙霧檢測(cè)報(bào)警器的核心部件，它要接收來(lái)自傳感器的煙霧濃度的模擬信號(hào)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，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的公式處理后得到濃度，然后送顯示器顯示，這一過(guò)程的軟件實(shí)現(xiàn)，需

35、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51系列與AVR系列。 51系列單片機(jī)應(yīng)用普遍，工具多，易上手，片源廣，價(jià)格低，速度比較，功耗小，適合民用，商用，工業(yè)用途。STC單片機(jī)是屬于51系列下的一個(gè)品牌，它是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。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

36、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語(yǔ)言。為適用于本論文設(shè)計(jì)的煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，應(yīng)選擇一種51系列里速度快，功耗低，抗干擾性好，而又避免C語(yǔ)言編程溢出問題的單片機(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)，是新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，速度卻比普通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

37、、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

38、常適用于本設(shè)計(jì)，下面介紹STC12C5410AD的自身特點(diǎn)。3.1.2 STC12C5410AD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、足夠多的擦寫次數(shù)、價(jià)格低廉和高可靠性等所有優(yōu)點(diǎn)5。STC12C5410AD單片機(jī)的管腳結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。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。Flas

39、h存儲(chǔ)器主要用作程序存儲(chǔ)，可經(jīng)計(jì)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，最小擦除單位為1段，經(jīng)過(guò)擦除的位為“1”，寫入位為“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)。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，

40、CCAPnL時(shí)，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。 圖3.1 STC12C5410AD管腳結(jié)構(gòu)圖（3）I/O口工作類型設(shè)置 STC12C5410AD帶有27個(gè)I/O引腳，如3.1圖，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)

41、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(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/

42、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）有配套的仿真開發(fā)工具 STC12C5410AD的Flash存儲(chǔ)器給用戶的開發(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，它的開發(fā)工具較為簡(jiǎn)單，只需1套PC環(huán)境下的調(diào)試

43、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。3.2煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.2.1信號(hào)采集及前置信號(hào)放大電路3.2.2聲光報(bào)警電路聲音報(bào)警電路圖如圖3.3(a)所示。報(bào)警裝置采用普通小型揚(yáng)聲器，較一般的蜂鳴器體積大，聲音響亮，適用于多種場(chǎng)合燃?xì)鈭?bào)警器的報(bào)警聲音源。當(dāng)單片機(jī)STC12C5410AD的19腳(P3.7)置1時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通。如果煙霧濃度達(dá)到報(bào)警限，單片機(jī)控制P3.7口輸

44、出一定頻率的脈沖，再通過(guò)T1中斷使這個(gè)頻率改變，從而使得揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)像警車聲一樣的報(bào)警聲。狀態(tài)指示燈控制電路如圖3.3(b)所示。單片機(jī)STC12C5410AD的6腳(P0.0)、10腳(P0.1)、23腳(P0.2)，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正在預(yù)熱絲；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。(a)聲音報(bào)警電路 (b)燈光報(bào)警電路圖3.3 聲光報(bào)警電路3.2.3數(shù)碼管顯示電路報(bào)警器濃度顯示采用四位紅色的共陰數(shù)碼管。以動(dòng)態(tài)刷新的方式，顯示實(shí)際濃度，在設(shè)置調(diào)整報(bào)警界限模式時(shí)顯示報(bào)警界限。選用74LS49顯

45、示譯碼器作其驅(qū)動(dòng)6，通過(guò)控制四個(gè)I/O口得出七位的信號(hào)，從而得到要顯示的字型，減少單片機(jī)的I/O負(fù)擔(dān)。選用74LS139作為其選位控制芯片，從而控制要顯示的位。數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)位直接由單片機(jī)的P2.3腳控制。其電路圖如圖3.4所示，其主要技術(shù)參數(shù)如下： 模塊工作電壓：2.75.5V 工作電流：80mA,每段10mA字高：11.4mm環(huán)境相對(duì)濕度：<85 視角：6:00 工作溫度：-10+50°C 顯示方式：動(dòng)態(tài)顯示顯示位數(shù)：四位顯示顏色：紅色接口方式：8線并行接口圖3.4 數(shù)碼管顯示電器3.2.4鍵盤控制與模式切換控制電路3.2.5安全控制裝置電路在安全控制裝置擴(kuò)展電路中，繼電器

46、（電磁繼電器）是否動(dòng)作是保護(hù)動(dòng)作是否執(zhí)行的唯一條件。當(dāng)被檢測(cè)到的現(xiàn)場(chǎng)煙霧濃度達(dá)到給定裝置所設(shè)定的報(bào)警預(yù)設(shè)值時(shí)，繼電器動(dòng)作，安全裝置（自動(dòng)換氣風(fēng)扇、灑水裝置、大功率揚(yáng)聲器、大功率警示燈）啟動(dòng)8。如圖3.6所示。圖3.6 安全控制裝置電路3.2.6直流穩(wěn)壓電源電路由于產(chǎn)品使用場(chǎng)所具有一定爆炸危險(xiǎn)性，所以在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)堅(jiān)持防爆設(shè)計(jì)思想。首先，利用器件的保護(hù)功能，在電路中采用LM317和LM7805作為各對(duì)模塊的供電電源，做到既穩(wěn)壓又保護(hù)；其次，盡量減少堿性、容性元件的使用，減少電路中的儲(chǔ)能量；第三，充電電路的變壓器高壓端接入1A保險(xiǎn)絲，提高系統(tǒng)在充電過(guò)程中的安全性9。一般直流穩(wěn)壓電源是由電源

47、變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成。電源變壓器的作用是，改變電網(wǎng)的交流電壓的大小，將220V、50Hz的市電進(jìn)行降壓，使變壓器的副邊輸出的交流電壓符合設(shè)計(jì)要求。然后利用二極管的單向?qū)ㄐ?，將交流電壓變換為單方向的脈沖直流電壓，再利用電容儲(chǔ)能元件組成的濾波電路，將脈動(dòng)大的直流電壓處理成平滑的脈動(dòng)小的直流電壓，即將整流電路輸出的脈動(dòng)直流電壓中的交流成分濾掉，只留下比較平滑的直流電壓，最后利用集成穩(wěn)壓器LM7805，讓電源電路的輸出電壓穩(wěn)定為5V，以此作為系統(tǒng)部分電路的電源，如圖3.7所示。本設(shè)計(jì)所采用的電源電路中，為了方便系統(tǒng)適應(yīng)多種使用場(chǎng)合，系統(tǒng)不但可以直接使用220V交流電進(jìn)行供電

48、，在沒有交流電的場(chǎng)合進(jìn)行檢漏時(shí)，還可以使用9V電池進(jìn)行供電，電源電路中設(shè)有防反灌充電的二極管，安全可靠。圖3.7 系統(tǒng)5V穩(wěn)壓電源電路由于系統(tǒng)使用的傳感器需要使用3V電源單獨(dú)供電，所以需要將5V電源轉(zhuǎn)成3V穩(wěn)壓電源，如圖3.8所示。圖3.8 傳感器3V獨(dú)立電源電路圖3.3基于單片機(jī)的煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)硬件總電路把上述各個(gè)部分電路結(jié)合到一起，就是本文所設(shè)計(jì)的可燃煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的總電路。通過(guò)各自分工，最終實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警、濃度顯示、自動(dòng)換氣排煙和滅火功能。由于圖紙過(guò)大，具體電路圖見設(shè)計(jì)圖紙。4煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 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(guó)Keil Sof

49、tware公司出品的Keil C51，是51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開發(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)。Keil C51軟件提供豐富的庫(kù)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(yǔ)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(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。C51工具包的整體結(jié)構(gòu)中，uVision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

50、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(guò)程中，使用的是STC-ISP-v6.12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)P

51、C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，而用戶的系統(tǒng)可以是在線狀態(tài)10-12。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)。4.2煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)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(cè)煙霧傳感器的煙霧濃度信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字濾波，動(dòng)態(tài)刷新

52、濃度顯示，按鍵功能設(shè)置，切換模式處理以及報(bào)警器聲光警報(bào)。4.2.1主程序設(shè)計(jì)及流程圖主程序流程圖如圖4.1所示。在初始化程序中，首先要給傳感器預(yù)熱五分鐘，因?yàn)镸C101型熱催化燃燒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)。A/D轉(zhuǎn)換，防脈沖干擾濾波，按鍵處理，等均在中斷子程序中完成。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、防脈沖干擾濾波、對(duì)應(yīng)線性濃度處理后，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)送入四位段式數(shù)碼管顯示煙霧濃度值。在主程序當(dāng)中等待中斷信號(hào)的到來(lái)，進(jìn)

53、行相應(yīng)的中斷子程序的處理，完成A/D轉(zhuǎn)換、濾波、按鍵處理、濃度比較等操作。中斷處理濃度顯示初始化開始結(jié)束圖4.1 主程序流程圖4.2.2主程序初始化設(shè)計(jì)及流程圖開始主程序初始化流程圖如圖4.2所示。首先啟動(dòng)片內(nèi)看門狗，傳感器預(yù)熱五分鐘，程序開始讀取當(dāng)前模式，設(shè)置報(bào)警界限，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、寄存器初始化等。然后設(shè)定T0定時(shí)初值50ms，作為比較濃度值的間隔，T1則初始化，并將T1的中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高級(jí)。允許所使用的中斷使能，開啟A/D轉(zhuǎn)換，開啟綠燈。啟動(dòng)看門狗關(guān)閉揚(yáng)聲器關(guān)閉狀態(tài)指示燈關(guān)閉顯示器黃燈閃爍傳感器預(yù)熱設(shè)置報(bào)警界限初值 顯示器顯示移動(dòng)的0讀取當(dāng)前模式T0

54、定時(shí)50MS返回返回允許總中斷允許A/D中斷允許T0中斷允許外部0中斷開啟A/D轉(zhuǎn)換設(shè)置T1中斷優(yōu)先啟動(dòng)T0打開綠燈結(jié)束圖4.2 初始化程序流程圖4.2.3數(shù)碼管顯示程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用的是四位共陰的紅色數(shù)碼管顯示實(shí)際濃度或者報(bào)警界限。為了方便數(shù)據(jù)的處理，在得到對(duì)應(yīng)的濃度之后，將該濃度乘于1000后取整，送至顯示器顯示。在四位數(shù)碼碼當(dāng)中，第一位的小數(shù)點(diǎn)常亮，這樣就可以準(zhǔn)確地顯示當(dāng)時(shí)濃度或者報(bào)警界限。在硬件設(shè)計(jì)中，已經(jīng)將小數(shù)點(diǎn)引腳接于單片機(jī)的P2.3腳，所以只要在控制顯示器時(shí)，當(dāng)需要顯示第一位的時(shí)候，將P2.3置1，便可點(diǎn)亮該位的小數(shù)點(diǎn)。由于需要顯示四位數(shù)字，因此需要采用動(dòng)態(tài)刷新的方式去顯示，結(jié)合

55、硬件圖，靈活編碼顯示，具體編碼方式見附錄，逐位顯示，以下為顯示程序：void Display(XSDATA)/顯示程序 int a,b,c,d; a=XSDATA/1000; b=(XSDATA%1000)/100; c=(XSDATA%100)/10; d=XSDATA%10; P2=XS1a; Delay_ms(1); P2=XS2b; Delay_ms(1); P2=XS3c; Delay_ms(1); P2=XS4d; Delay_ms(1); WDT_CONTR=0x35; /喂狗4.2.4外部中斷0程序設(shè)計(jì)及流程圖根據(jù)硬件圖可知，外部中斷0與鍵盤接在一起，因此，外部中斷0子程序主要用于鍵盤掃描，確定按鍵，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的按鍵處理。為了提高準(zhǔn)確率，本設(shè)計(jì)采用延時(shí)去抖動(dòng)的方法消除干擾。四個(gè)按鍵當(dāng)中，第一個(gè)用于顯示當(dāng)前報(bào)警界限值，第二個(gè)用于增加當(dāng)前報(bào)警界限值，每次增加0.01%，第三個(gè)用于減少當(dāng)前報(bào)警界限值，每次減少0.01%，第四個(gè)是用于消除報(bào)警音。外部中斷0子程序的流程圖如圖4.3所示。開始關(guān)閉中斷0允許掃描鍵值延時(shí)10MS去抖動(dòng)是否有鍵按下NY提取鍵值鍵值對(duì)應(yīng)動(dòng)作處理開啟中斷0允許結(jié)束圖4.3 外部中斷0程序流程圖4.2.5 T0中斷程序設(shè)計(jì)及流程圖利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器T0定時(shí)50ms，作為時(shí)間間隔去讀取當(dāng)前檢測(cè)哪一種燃?xì)?，?dāng)模式被切