基于單片機的煙霧報警器的設計(2011畢業(yè)設計)1VIP

1、摘要隨著“信息時代”的到來，作為獲取信息的手段傳感器技術得到了顯著的進步，其應用領域越來越廣泛，對其要求越來越高，需求越來越迫切。傳感器技術已成為衡量一個國家科學技術發(fā)展水平的重要標志之一。因此，了解并掌握各類傳感器的基本結(jié)構、工作原理及特性是非常重要的。 為了提高對傳感器的認識和了解，尤其是對煙霧傳感器的深入研究以及其用法與用途，基于實用、廣泛和典型的原則而設計了本系統(tǒng)。本文利用單片機結(jié)合傳感器技術而開發(fā)設計了這一煙霧監(jiān)控系統(tǒng)。 本論文以電阻式煙霧傳感器和單片機技術為核心并與其他電子技術相結(jié)合， 設計出一種技術水平較好的煙霧報警器。其中選用MQ-2型半導體可燃氣體敏感元件煙霧傳感器實現(xiàn)煙霧的

2、檢測，具有靈敏度高、響應快、抗干擾能力強等優(yōu)點，而且價格低廉，使用壽命長。選用的STC12C5410AD單片機，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、超強抗干擾等優(yōu)點，是目前同類技術中性價比較高的產(chǎn) 品。以STC12C5410AD單片機和MQ-2型半導體電阻式煙霧傳感器為核心設計的煙霧報警器可實現(xiàn)聲光報警、故障自診斷、濃度顯示、報警限設置、延時報警及與上位機串口通信等功能。是一種結(jié)構簡單、性能 穩(wěn)定、使用方便、價格低廉、智能化的煙霧報警器。具有一定的實用價值。關鍵詞：煙霧，報警器，STC12C5410，傳感器AbstractWhile “informatio

3、n 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 national science and

4、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 the smog sensor thor

5、ough 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 leaves the minor sm

6、og 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, has the sensitivit

7、y 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 PDM keyer, has high

8、 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 core design smog ala

9、rm 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 simple, the perform

10、ance 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論文研究來源、目的和意義51.1.1論文研究來源51.1.2論文研究目的和意義51.2煙霧報警器的國內(nèi)外現(xiàn)狀51.3本論文主要任務6第二章 煙霧檢測報警器的方案設計82.1煙霧檢測報警器設計思路

11、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指標122.3煙霧檢測報警器整體設計方案132.3.1煙霧檢測報警器工作原理132.3.2煙霧檢測報警器的結(jié)構142.3.3煙霧檢測報警器的功能142.3.4煙霧檢測報警器的主要技術指標152.4本章小結(jié)15第三章 煙霧檢測報警器的硬件設計173.1單片機的選型173.1.1單片機的選擇173.1.2 STC12C5410AD單片機的特點183.2煙霧檢測報警器硬件電路設計193.2.1信號采集及前置放大電路193.2.2聲

12、音報警電路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報警器故障自診斷電路253.3本章小結(jié)26第四章 煙霧檢測報警器的軟件設計274.1 STC12系列單片機調(diào)試及開發(fā)工具274.2煙霧檢測報警器軟件流程及設計274.2.1主程序設計及流程圖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)字濾波子程序設計及流程圖294.2.4插值法線性化處理子程序設計及流程圖314.2.6報警子程序設計及流程圖354.2.7控制按鍵設計子程序及流程圖364.3本章小結(jié)39第五章 實驗檢定及誤差分析405.1煙霧檢測報警器檢定405.1.1爆炸下限(LEL)概

13、念介紹405.1.2實驗數(shù)據(jù)分析405.2實驗誤差分析425.3本章小結(jié)43結(jié) 論44參考文獻45致 謝47附 錄148第一章 緒論1.1論文研究來源、目的和意義 1.1.1論文研究來源 隨著科技的發(fā)展，越來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)和通報火災，防止和減少火災危害，保護人身和財產(chǎn)安全。保衛(wèi)社會主義現(xiàn)代化建設，防止火災引起燃燒、爆炸等事故，造成嚴重的經(jīng)濟損失，甚至危及生命安全。為了減少這類事故的發(fā)生，就必須對煙霧進行現(xiàn)場實時檢測，采用先進可靠的安全檢測儀表，嚴密監(jiān)測環(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

14、安全。因此，研究煙霧的檢測方法與研制煙霧報警 器就成為傳感器技術發(fā)展領域的一個重要課題。 1.1.2論文研究目的和意義 為了早期發(fā)現(xiàn)和通報火災，防止和減少火災危害，保護人身和財產(chǎn)安全。保衛(wèi)社會主義現(xiàn)代化建設，防止火災引起燃燒、爆炸等事故，造成嚴重的經(jīng)濟損失，甚至危及生命安全。煙霧檢測報警裝置是能夠檢測環(huán)境中的煙霧濃度并具 有報警功能的儀器。該報警裝置是石油化學工業(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。煙霧報警器屬于中華人 民共和國強制檢定的工作計量器具目錄中第46項，它歸類于物理化學 計量器具。建筑設計防火規(guī)范(GBJ16-87)第10.3.2條明確規(guī)定:“散發(fā)可燃煙霧、可燃蒸

15、汽的甲類廠房和場所，應設置煙霧濃度檢測報警裝置”。2003年12月，國家執(zhí)行新的煙霧探測器標準(GB 15322-2003)可燃煙霧探測器，2004年10月國家頒布可燃煙霧檢測報警器規(guī)程JJG693-2004，研究新型、性能穩(wěn)定、準確監(jiān)測可燃性氣 體，并合乎國家相關規(guī)定的報警器具有極其重要得意義。目前我國已有許多城市鋪設了煤氣管道，使用人口約達二億人，煤氣 發(fā)生基地及中轉(zhuǎn)站也達幾千家。如果這些家用燃氣和煤氣基地及中轉(zhuǎn)站的 報警率按10% 計算，煙霧檢測報警器的需求量就達2000萬臺以 上。隨著全社會對防火防爆及人身安全的重視程度的提高，這個數(shù)字會繼 續(xù)增長。 近十年來，農(nóng)村的沼氣使用也得到了極

16、大的發(fā)展。到2006年底，全 國沼氣池數(shù)量已達近1300萬座，這就為檢測沼氣（主要成分是甲烷）濃 度的儀器提供了市場?？梢?，煙霧報警器具有十分廣闊的市場前景。1.2煙霧報警器的國內(nèi)外現(xiàn)狀 國外從20世紀30年代開始研究及開發(fā)煙霧傳感器，且發(fā)展迅速，一 方面是因為人們安全意識增強，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另 一方面是因為傳感器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動。據(jù)有關統(tǒng)計，美 國1996年2002年煙霧傳感器年均增長率為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 儀器的體積也逐漸變小，提高了煙霧檢測儀器的便攜性，更加利于生產(chǎn)、運輸及市場推

17、廣。 1963年5月，日本開發(fā)完成第一臺接觸燃燒式家用燃氣泄漏報警器，次年12月其改良產(chǎn)品問世，改良的報警器可以檢測燃氣、一氧化碳等氣 體，可以安裝在浴室或者采用集中監(jiān)視。 我國在70年代初期開始研制煙霧報警器，生產(chǎn)型號多樣、品種較齊全，應用范圍也由單一的煉油系統(tǒng)擴展到幾乎所有危險作業(yè)環(huán)境的各種類型報警器，產(chǎn)品數(shù)量也在不斷增加。但主要是在引進國外先進的傳感器技術和先進的生產(chǎn)工藝基礎上，進行研究與開發(fā)形成自己的特色。近年來，在煙霧選擇性和產(chǎn)品穩(wěn)定性上也有很大進步。燃氣報警器可分為民用火災煙霧報警器、工業(yè)用煙霧報警器、 有毒有害煙霧報警器三大系列產(chǎn)品。(1)民用火災煙霧報警器 民用火災煙霧報警器為

18、居民家庭用的火災報警器,一般安裝在廚房，遇到火災產(chǎn)生的煙霧時時，報警器可發(fā)出聲光報警，或同時伴有數(shù)字顯示，同時聯(lián)動 外部設備。有的報警器可自動開啟排風扇，把煙霧排出室外 (2) 工業(yè)用煙霧報警器及有毒有害煙霧報警器 工業(yè)用煙霧報警器及有毒有害煙霧報警器只是檢測探頭有差異，而在原理和應用中都很相近。工業(yè)用燃氣報警器及有毒煙霧報警器根 據(jù)檢測環(huán)境的不同，也可分為檢漏儀、控制器和探測器。 檢漏儀的體積較小，可隨身攜帶或手持，主要應用于燃氣管理的查漏 與巡檢。若有燃氣泄漏，檢漏儀便會發(fā)出聲光報警，同時數(shù)字顯示煙霧濃 度，以便及時采取安全措施，防止爆炸等惡性事故的發(fā)生。 控制器與探測器結(jié)合使用，可在防爆

19、現(xiàn)場長期監(jiān)測煙霧的濃度。探測器安裝在防爆現(xiàn)場，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。當在現(xiàn)場的探測器探測到燃氣泄漏之后，通過屏蔽電纜線將信號傳到控制器，控制器發(fā)出聲光報警，同時啟動排風裝置或關閉電磁閥切斷氣源，以確保安全。此種儀器廣泛應用于液化氣站、汽車加油站、鍋爐房等工業(yè)場所。 1.3本論文主要任務 本篇論文是煙霧報警器的研制，主要基本部分和擴展部分：(1)基本部分(a)對系統(tǒng)進行整體規(guī)劃和結(jié)構設計。(b)以STC12C5410AD單片機為中央處理器，對硬件電路進行設計和 改進，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、鍵盤電 路、串口通信電路、聲音報警電路

20、、狀態(tài)指示燈電路、液晶顯示電路六個 部分。 (c)系統(tǒng)的軟件編制。按照軟件實現(xiàn)的功能，主要分為主程序、初始 化子程序、鍵盤處理子程序、濾波子程序、線性化處理子程序、濃度顯示 子程序、報警子程序、報警限值設置子程序、串口通信子程序。在程序的 編寫過程中，加入了詳細的文字注釋，便于后期的改進與維護。 (d)硬件電路和軟件的綜合調(diào)試。 (2)擴展部分 (a)再加入一路傳感器信號采集電路，利用雙通道數(shù)據(jù)實現(xiàn)采集的優(yōu)化，主要是利用輔助的一路進行修正主傳感器，以提高精度和可靠性。第二章 煙霧檢測報警器的方案設計2.1煙霧檢測報警器設計思路煙霧檢測報警器是能夠檢測環(huán)境中的煙霧濃度，并具有報警功能的儀器，儀器

21、的最基本組成部分應包括：煙霧信號采集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機控制電路。煙霧信號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 號轉(zhuǎn)化為模擬的電信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將從煙霧檢測電路送出的模擬信號 轉(zhuǎn)換成單片機可識別的數(shù)字信號后送入單片機。單片機對該數(shù)字信號進行 濾波處理，并對處理后的數(shù)據(jù)進行分析，是否大于或等于某個預設值(也 就是報警限)，如果大于則啟動報警電路發(fā)出報警聲音，反之則為正常狀 態(tài)。為方便檢測與監(jiān)控，使儀器測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)報警限，可以加 入按鍵。為使報警裝置更加完善，可以在聲音報警基礎上，加入光閃報警， 變

22、化的光信號可以引起用戶注意，彌補嘈雜環(huán)境中聲音報警的局限。以上 是根據(jù)報警器應具備的功能，提出的整體設計思路。煙霧傳感器及單片機是可燃煙霧檢測報警器的兩大核心，根據(jù)報警器 功能的需要，選擇合適、精確、經(jīng)濟的煙霧傳感器及單片機芯片是 至關重要的。煙霧傳感器的選型在下一節(jié)詳細介紹。單片機作為硬件電路 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，通過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，進而由單片機完成數(shù)據(jù)處理、濃度 處理及報警控制等工作。傳感器作為煙霧檢測報警器的信號采

23、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。2.2.1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，從檢測原理上可以分為三大類： (a)利用物理化學性質(zhì)的煙霧傳感器：如半導體煙霧傳感器、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)利用電化學性質(zhì)的煙霧傳感器：如電流型煙霧傳感器、電勢型氣 體傳感器等。 (2)煙霧傳感器應滿足的基本條件 一個煙霧傳感器可以是單功能的，也可以是多功能的；可以是單一的實體，也可以是由多個不同功能傳感器組成的陣列。但是，任何一個完整的煙霧傳感器都必須具備以下

24、條件： (a)能選擇性地檢測某種單一煙霧，而對共存的其它煙霧不響應或低 響應； (b)對被測煙霧具有較高的靈敏度，能有效地檢測允許范圍內(nèi)的煙霧 濃度；(c)對檢測信號響應速度快，重復性好；(d)長期工作穩(wěn)定性好； (e)使用壽命長； (f)制造成本低，使用與維護方便。 (3)常見煙霧傳感器簡介 下面對工業(yè)上常用的幾種煙霧傳感器作簡單介紹。 (a)半導體煙霧傳感器半導體煙霧傳感器包括用氧化物半導體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器，以及用單晶半導體器件制作的煙霧傳感器。自1962年半導體金屬氧化物煙霧傳感器問世以來，由于具有靈敏度高、響應快、輸出信號強、耐久性強、結(jié)構簡單、價格便宜等諸多優(yōu)點，得

25、到了廣泛的應用。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煙霧時產(chǎn)生電阻，測量其形成電動勢從而測量氣體濃度。由于這種傳感器電導率高，靈敏度和選擇性好，因而得到了廣 泛的應用，幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個領域，其產(chǎn)量僅次于半導體煙霧傳感器的一類傳感器。但這種傳感器制造成本高，檢測煙霧范圍有限，在檢測環(huán)境污染領域中有優(yōu)勢。 (c)接觸燃燒式傳感器 當易燃煙霧接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時會發(fā)生氧化反應而燃燒，故得名接觸燃燒式

26、傳感器。接觸燃燒式煙霧傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲(也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層)，使用時將鉑絲通電，保持300°C400°C的高溫，此時若與煙霧接觸，煙霧就會在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會上升，鉑絲的電阻值也上升；通過測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得到很大的發(fā)展。高分子氣敏材料在遇到特定煙霧時，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、工藝簡單、常溫選擇性好、價格低廉、易與微結(jié)構傳感器和聲表面波器件相結(jié)合，在

27、毒性煙霧和食品鮮度等方面的檢測中具有重要作用。高分子煙霧傳感器具有對特定煙霧分子靈敏度高，選擇性好，且結(jié)構簡單，能在常溫下使用，可以彌補其它煙霧傳感器的不足。 (e)電化學傳感器 電化學傳感器由膜電極和電解液封裝而成。煙霧濃度信號將電解液分解成陰陽帶電離子，通過電極將信號傳出。它的優(yōu)點是：反映速度快、準確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測，但壽命較短(大約兩年)。它主要適用于毒性煙霧檢測。目前國際上絕大部分毒氣檢測采用該類型傳感器。 (f)熱傳導傳感器 熱傳導傳感器與接觸燃燒式傳感器具有類似的結(jié)構形式，但是測量原理不同。它的測量原理是：將加熱后的鉑電阻線圈置于目標煙霧中，由于向目標煙霧傳送熱量造成溫度降

28、低，引起電阻值變化，傳感器即測量電阻 值的變化情況。溫度的變化情況是目標煙霧熱傳導率的函數(shù)，而對于一種給定的煙霧或汽化物，熱傳導率是它固有的物理特性。 紅外傳感器 紅外傳感器通常用兩束紅外光進行煙霧測量，主光束通過測量元件內(nèi)的目標煙霧，參考光束通過比較元件內(nèi)的參考煙霧。在測量和比較元件中，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器測量，產(chǎn)生一個正比于目標煙霧濃度的差分信號。非擴散式紅外探測器NDIR (non-dispersive IR )是其中的一種，所有的未吸收光全部以最小的擴散和損耗被記錄下來。 不同的煙霧吸收不同波長的IR，所以傳感器根據(jù)目標煙霧而調(diào)整，典型應用包括測量C

29、O和CO2、冷凍劑煙霧和一些易燃氣。由于非碳氫化合物易燃煙霧(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量碳氫化合物，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煙霧的影響。 (4)常見煙霧傳感器可檢測煙霧種類 由于煙霧的種類繁多，一種類型的煙霧傳感器不可能檢測所有的氣體，通常只能檢測某一種或兩種特定性質(zhì)的煙霧。例如氧化物半導體煙霧傳感器主要檢測各種還原性煙霧，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固體電解質(zhì)煙霧傳感器主要用于檢測無機煙霧，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。表2.1簡要列舉出已經(jīng)研究、開發(fā)的各類煙霧傳感器及其可檢測的氣體種類。傳感器

30、種類C0CO2 H2S NH3 HCNHCICOCI2CI2 NOX SO2O2CH4C3H2H2H2O半導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的煙霧種類2.2.2煙霧傳感器的選定煙霧檢測報警器主要應用在石油、化工、冶金、油庫、液化氣 站、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃煙霧泄漏的場所，根據(jù)報警器檢測煙霧 種類的要求，一般選用接觸燃燒式煙霧傳感器和半導體煙霧傳感器。使用接觸燃燒式傳感器，其探頭的阻緩及中毒，是不可避免的問題。 阻緩是當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，則有可能在無焰燃燒的同時，有些固態(tài)物

31、質(zhì)附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應緩慢反應滯緩，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的可能，但是如果長期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會不斷下降，導致傳感器最終喪失檢測煙霧的能力。中毒是如果環(huán)境空氣中含有硅烷之類的物質(zhì)時，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。當懷疑檢測環(huán) 境中存在這些物質(zhì)時，經(jīng)常對探頭進行標定，是必須且有效的辦法。 因此，經(jīng)常對傳感器進行標定，是保證其準確性的必要的途徑。一般連續(xù)使用兩個月后應對傳感器進行量程校準，這種經(jīng)常性對傳感器的維護，無形中加大了工作人員的工作量，同時增加了報警器的維護成本。半導體

32、煙霧傳感器包括用氧化物半導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體器件制作的煙霧傳感器，它具有靈敏度高， 響應快、體積小、結(jié)構簡單，使用方便、價格便宜等優(yōu)點，因而得到廣泛應用。半導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)過對比上述兩種煙霧傳感器的應用特性，發(fā)現(xiàn)半導體煙霧傳感器的優(yōu)點更加突出：靈敏度高、響應快、抗干擾性好、使用方便、價格便宜，且不會發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護成本較低等。因此，本設計采用半導體煙霧傳感器作為報警器煙霧信息采集部分的核心。而在眾多半導體氣體傳感器中，本設計選用MQ-2型煙霧傳感器，這種型號的傳感器不但具備一般半導體

33、煙霧傳感器靈敏度 高、響應快、抗干擾能力強、壽命長等優(yōu)點。 2.2.3 MQ-2型煙霧傳感器的工作原理 半導體煙霧傳感器包括用氧化物半導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體器件制作的煙霧傳感器。按敏感機理分類，可分為電阻型和非電阻型。半導體氣敏元件也有N型和P型之分。N型在檢測時阻值隨煙霧濃度的增大而減小；P型阻值隨煙霧濃度的增大而增大。半導體氣敏傳感器的分類如表2.2所示。表2.2半導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氣體電阻型電阻表面電阻控制器300450

34、6;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本設計中采用的MQ-2型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導體氣敏材料，屬于表面離子式N型半導體。當處于200300°C溫度時，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少， 從而使其電阻值增加。當與煙霧接觸時，如果晶粒間界處的勢壘受 到該煙霧的調(diào)制而變化，就會引起表而電導率的變化。利用這一點就可以 獲得這種煙霧存在的信息。遇到可燃煙霧（如CH4等）時，原來吸附的氧脫附，而由

35、可燃煙霧以正離子狀態(tài)吸附在二氧化錫半導體表面；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體導帶電子密度增加，電阻值下降。而當空氣中沒有煙霧時，二氧化錫半導體又會自 動恢復氧的負離子吸附，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可燃煙霧的基本原理。MQ-2型傳感器的結(jié)構圖如 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指標 (1)MQ-2型傳感器的一般特點 (a)MQ-2型傳感器對天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對烷類煙霧更為敏感。 (b)MQ

36、-2型傳感器具有良好的重復性和長期的穩(wěn)定性。初始穩(wěn)定， 響應時間短，長時間工作性能好。 ©MQ-2型傳感器具有良好的抗干擾性，可準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)電路設計電壓范圍寬，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煙霧中的電阻值。 雖然對于不同的煙霧，器件靈敏度特性K的

37、值也會各有差異，但是它們都遵循同一規(guī)律，log RS = m logC + n (2-2)式中，m為器件相對煙霧濃度變化的敏感性，又稱煙霧分離能，對于 煙霧，m值為1/21/3；C為檢測煙霧的濃度。n為與檢測煙霧，器件材料有關，并隨測試溫度和材料中有無增感劑而有所不同。 (b)初期穩(wěn)定特性 半導體煙霧傳感器在不通電狀態(tài)存放一段時間后，再通電時，器件并不能立即投入正常工作。這是因為煙霧傳感器中的二氧化錫在不通電的狀態(tài)下會吸附空氣中的水蒸氣，當再次通電時需要預熱幾分鐘使水蒸氣蒸發(fā)后，氣敏電阻才能正常工作。再通電工作時氣敏電阻值達到穩(wěn)定時所需要的時間，定義為初期穩(wěn)定時間。一般情況下，不通電時間越長，

38、初期穩(wěn)定時間也越長，當不通電存放時間達到15天左右時，初期穩(wěn)定時間一 般需要5分鐘左右。 (c)加熱特性 半導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，當加熱絲局部短路造成器件過熱或放電時，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?。當加熱絲斷路時，由于熱惰性緣故，煙霧傳感器的氣敏特性并不立即消失，此時檢測必出現(xiàn)較大的誤差。為避免出現(xiàn)這種情況，并及時發(fā)現(xiàn)氣敏元件的故障，

39、 需要設計加熱絲故障診斷報警電路。 (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)響應時間：Tres10秒 (g)恢復時間：Trec30秒 2.3煙霧檢測報警器整體設計方案 2.3.1煙霧檢測報警器工作原理 本論文中的煙霧檢測報警器以STC12C5410AD單片機為控制核心，采用MQ-2型電阻式半導體傳感器采集煙霧信息。 首先，傳感器送來的煙霧濃度對應的微小的電壓信號經(jīng)過放大

40、，轉(zhuǎn)化成較大的電壓信號送入STC12C5410AD單片機；然后，在STC12C5410AD單片機內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換、濃度比較，對數(shù)據(jù)進行線性化處理， 將數(shù)字化電壓信號轉(zhuǎn)化成為對應的十進制濃度值；最后，將實際可燃性氣 體濃度送入液晶，并判斷濃度值是否超出報警限，當濃度處于正常狀態(tài)綠 燈長亮，當煙霧濃度超出設定的限定值時，發(fā)出聲音報警并伴隨紅 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，反應越 快，響應時間和恢復時間就越快。為提高響應時間，保證傳感器準確地、 穩(wěn)定地工作，報警器需要向煙霧傳感器持續(xù)輸出一個5V的電壓。為了保 證其可靠性，在輸出5V的電壓的同時，進行故障監(jiān)測。當傳感器加熱絲

41、或電纜線和傳感器斷線或接觸不良時，進行故障報警，發(fā)出聲光報警信號。 當然幾種狀態(tài)的報警信號是各不相同的。 2.3.2煙霧檢測報警器的結(jié)構 為適應家庭和工業(yè)等場所對可燃性易爆煙霧安全性要求，設計的可燃性煙霧報警儀應不僅能在較寬的溫度范圍工作，而且應具有顯示可燃煙霧濃度、故障自檢、延時報警功能及可接計算機進行現(xiàn)場遠測和實時控制等功能。其目標是在傳統(tǒng)的煙霧報警儀的基礎上，盡量提高準確性，降低成本，縮小體積。 報警器系統(tǒng)結(jié)構框圖如圖2.3所示，系統(tǒng)以單片機為核心，配合外圍電路共同完成信號采集、濃度顯示、時間顯示、狀態(tài)顯示、聲音及閃爍報警、按鍵輸入、故障自檢等功能。報警器采用巡檢的工作方式，進行兩級 報

42、警值設定，并發(fā)出不同的光、聲信號。系統(tǒng)應采用高性能的單片機，要求工作穩(wěn)定、測量精度高、通用性強、功耗低，保證報警器的精確性及可 靠性，而且最好體積小，成本低，有利于減少報警器的體積，降低報警器 的成本。圖2.3 可燃性氣體檢測報警器結(jié)構框圖2.3.3煙霧檢測報警器的功能 (1)自診斷故障報警功能 當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，報警器發(fā)出警報，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，及時排除故障，保證安全。 (2)煙霧濃度顯示通過液晶屏顯示可燃煙霧的濃度值，并且可以切換到設置狀態(tài)，通過鍵盤設置或者更改報警限值，以便于用戶或檢測人員隨時觀測煙霧濃度及更改報

43、警限。 (3)煙霧報警功能 當煙霧濃度連續(xù)20秒取值都在報警限值之上，蜂鳴器開始報警，且聲音越來越急促，并且伴隨紅燈閃爍。因為人對變化的信號更為敏 感，所以變化的聲音及燈光更容易引起用戶的注意。 (4)防止報警器誤報功能 快速重復檢測及延時報警可以區(qū)別出是管道中可燃煙霧的泄漏，還是由于打開閥門時的微量煙霧的散失。 (5)看門狗自檢單片機狀態(tài)功能 調(diào)用單片機中的看門狗程序，定時檢查單片機工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)單片機出現(xiàn)死循環(huán)狀態(tài)，立即復位，保證報警器工作正常。 (6)與上位機通訊功能 可以實現(xiàn)與計算機串口通訊，對報警器采取統(tǒng)一控制，以及便于采集 和處理數(shù)據(jù)，也可以在計算機上更改報警限值等。 (7)自

44、動控制相關安全裝置的擴展功能 留有繼電器接口，可以帶動排風扇或大功率蜂鳴器，也可以控制管道電子閥門，可在報警的同時自動啟動相關安全裝置。 2.3.4煙霧檢測報警器的主要技術指標 (1)傳感器類型：半導體電阻式 (2)檢測范圍：0100%LEL (3)報警準確度:：±5%LEL (4)報警點設置：達到20%LEL開始報警 (5)報警器工作方式：現(xiàn)場固定安裝，自然擴散進行采樣，長年連續(xù)運行 (6)工作環(huán)境溫度：檢測器 -50°C50°C；報警器0°C500°C (7)工作環(huán)境濕度：85%RH (8)報警方式：煙霧泄漏聲光報警、自診斷故障報警 (9)

45、指示方式：數(shù)字顯示，可顯示被測煙霧LEL%及設定報警限值 (10)響應時間：30S (11) 輸出信號：可輸出與煙霧濃度對應的05V DC標準信號 (11) 工作電壓：AC220V±15%，50±lHz (12)具備快速重復檢測和延時報警功能，可區(qū)別煙霧的泄漏 和短時間的微量散失，防止誤報。 2.4本章小結(jié) 本章主要闡述了煙霧報警儀的設計方案，即傳感器的選型和報警器的設計。傳感器從種類、選定、工作原理、基本特性四個方面分別敘述。 根據(jù)本設計要求及使用環(huán)境、成本等因素選用的MQ-2型半導體電阻式煙霧敏感器件。并且從結(jié)構、功能、技 術指標三方面對報警器進行了詳細地論述，使其在較

46、寬的溫度范圍工作，用于檢測空氣中煙霧或可燃性液體蒸汽的濃度。該報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上，當空氣中的煙霧或可燃性液體蒸汽的濃度達到一定濃度時， 則啟動快速重復檢測和延時報警，以區(qū)別出是管道中煙霧的泄漏， 還是由于短暫打開閥門產(chǎn)生的可燃煙霧的微量散失，防止誤報。若判斷是 煙霧泄漏，則發(fā)出聲、光報警信號，也可在報警的同時自動驅(qū)動相 關安全裝置而且具有故障自診斷功能。此系統(tǒng)還可接計算機進行現(xiàn)場實時控制。第三章 煙霧檢測報警器的硬件設計在報警儀的設計中，單片機是其核心部件。它一方面要接收來自傳感 器送來的煙霧濃度對應的模擬信號和故障檢測信號，另一方面要對 兩種信號分別進行處

47、理，控制后續(xù)電路進行相應動作；與此同時查詢是否 有鍵按下的請求。在單片機完成這些的工作中，尤其是信號處理中，比較 濃度值后送入顯示的軟件實現(xiàn)比較復雜，要求單片機具備較快的運算速 度，使檢測人員能夠較準確地觀測到煙霧濃度，并根據(jù)情況做進行 相應處理。并且也要考慮選擇低價實用的機型，并為研制同一系列的低功 耗產(chǎn)品做準備。根據(jù)多方面的比較，本設計選用宏晶科技生產(chǎn)的STC12系列單片機。 3.1單片機的選型 3.1.1單片機的選擇 單片機是煙霧檢測報警器的核心部件，一方面它要接收來自傳 感器的煙霧濃度的模擬信號和故障檢測信號，另一方面要對兩種信 號分別進行處理，控制后續(xù)電路的相應工作；同時，查詢是否有

48、鍵按下的 命令。在單片機實現(xiàn)的功能中，將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號做數(shù)字濾波，再進行 線性化處理，然后送LCD顯示，這一過程的軟件實現(xiàn)，需要單片機有較 快的運算速度，使儀表監(jiān)測人員能夠觀測到實時的煙霧濃度，并進 行相應處理。同時，在能夠滿足報警器設計的計算速度及接口數(shù)的要求的 同類型單片機中，要考慮選擇價格低廉且體積輕巧的機型，在保證了報警 器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎上，能夠不提高成本，縮小體積。 如今市面上比較普遍的單片機有8051系列與STC系列。 8051單片機雖然應用普遍，工具多，易上手，片源廣，價格低，但 是速度慢，功耗大，適合民用，商用，不適合工業(yè)用途。STC單片機是MICROCHI

49、P公司的產(chǎn)品，其突出的特點是功耗低， 精簡指令集 ，抗干擾性好，可靠性高，但是存在溢出隱患問題。8051系 列采用的是堆棧指針，STC采用硬件堆棧8級。當堆棧指針設定合理，局部變量少的情況下，8051系列用10層的程序嵌套不會出現(xiàn)問題。而STC單片機程序嵌套包括中斷最多不能超過8層。所以如果用C語言進行STC編程設計容易堆棧溢出。 匯編語言對于不同的CPU，其匯編語言可能有所差異，所以不易移 植。而C語言是一種結(jié)構化的高級語言，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算機語言。鑒于C語言的易讀性和普遍性，本論文的軟件設計選擇C語言編程，所以STC系列單片機在此處不是非常

50、適合。 為適用于本論文設計的煙霧檢測報警器，應選擇一種比8051系列速度快，功耗低，抗干擾性好，而又避免C語言編程溢出問題的單 片機。 宏晶科技新推出的STC12系列單片機具有高速、低功耗、超強抗干擾等優(yōu)點，是的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，速度 卻比8051單片機快812倍。而且STC12系列下屬的STC12C54xxAD系 列單片機是低功耗Flash單片機，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， 較好的實現(xiàn)了強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，價格比其他型號

51、便宜，因此具有很好的性價比和應 用適應性。 STC12C54xxAD系列單片機有6種型號：分別是STC12C5412AD、 STC12C5410AD、STC12C5408AD、STC12C5406AD、STC12C5404AD、 和STC12C5402AD。 它們是以單片機內(nèi)部集成Flash的大小區(qū)分的。在價格相同的情況下，盡量選擇Flash較大的芯片，所以選擇了STC12C5410AD單片機作為本論文設計的煙霧報警器的單片機核 心芯片。它體積小，價格低，非常適用于本設計，下面介紹STC12C5410AD的自身特點。 3.1.2 STC12C5410AD單片機的特點 STC12C5410AD單

52、片機較以往的單片機提高了工作效率，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)存取時間、電可擦除、容量大、在線可編程、足夠多的 擦寫次數(shù)、價格低廉和高可靠性等所有優(yōu)點。STC12C5410AD單片機的管 腳結(jié)構如圖3.1所示。圖3.1 STC12C5410AD單片機管腳圖STC12C5410AD單片機具有以下特點： (1) Flash存儲器 STC12C5410AD Flash存儲器為10KB。Flash存儲器主要用作程序存 儲，可經(jīng)計算機串口接口下載程序；程序運行時能對其中的1

53、段或多段進 行擦、寫操作，因此兼有數(shù)據(jù)存儲器功能。Flash存儲器的掉電保護功能 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 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定時器的 時鐘源。由于所有模塊共用僅有的PCA定時器，所有它們的輸出頻率相 同。各個模塊的輸出占空比是獨立變化的，與使用的捕獲寄存器EPCnL， CCAPnL有關。當CL SFR的值小于EPCnL，CCAPnL時，輸出為低， 當PCACL SFR的值等于或大于EPCnL，CCAPnL時，輸出為高。當CL的值由FF變?yōu)?0溢出時，E

54、PCnH，CCAPnH的內(nèi)容裝載到EPCnL， CCAPnL中。這樣就可實現(xiàn)無干擾地更新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口工作類型設置 STC12C5410AD帶有24個I/O引腳，它的I/O與傳統(tǒng)的I/O不同，每個I/O口均可由軟件設置成4種工作類型之一，使得功能口和通用I/O口復用。 4種類型分別為：準雙向口(標準8051輸出模式)、推挽輸出、僅為輸入(高阻)和開漏輸出功能。在對同一個I/O口進行操作前要選擇其要實現(xiàn)的功能，這樣大大地增強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)

55、合完成更為復雜的工作。如與捕獲比較 模塊相結(jié)合可以實現(xiàn)串行通信，與A/D模塊結(jié)合實現(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)動能力，對于一般的液晶顯示屏、蜂鳴器可以直接驅(qū)動而無需 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 均可達到100KHz(10萬次/秒)。8路電壓輸入型A/D，可以完成溫度檢測、 電池電壓檢

56、測、按鍵掃描、頻譜檢測等功能。上電復位后P1口是弱上拉 型的I/O口，可以通過軟件設置將8路中的任何一路設置為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 可以靈活的運用，節(jié)省了軟件及時間。 (5)有配套的仿真開發(fā)工具 STC12C5410AD的Flash存儲器給用戶的開發(fā)帶來方便。用戶可以將 芯片焊接在線路板上后進行下載程序、調(diào)試程序和修改程序。同時，STC12C5410AD的片內(nèi)已集成了程序斷點控制等邏輯功能。因此，它的 開發(fā)工具較為簡單，只需1套PC環(huán)境下的調(diào)試軟件和1個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

57、在設計應用系統(tǒng)時為調(diào)試需要預留好STC12C5410AD的串口接口的引出插座，即可實現(xiàn)系統(tǒng)的程序下載調(diào)試、系統(tǒng)現(xiàn)場編程硬件仿真或軟件升級功能， 而且無需外加編程電壓。 3.2煙霧檢測報警器硬件電路設計 3.2.1信號采集及前置放大電路 傳感器輸出信號一般比較微弱，需要經(jīng)過前置電路對其進行放大、濾波、電平調(diào)整，滿足單片機對輸入信號的要求。本系統(tǒng)采用的半導體煙霧 傳感器屬于電阻型，因此只需串聯(lián)一個參考電阻，再經(jīng)過一個放大電路即可發(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)生一個負壓，這顯然 會造成浪費。常見的運算放大器中，LM324價格低廉、使用簡單等優(yōu)點 比較突出，所以本設計中的前置放大電路采用LM324作為電路的運算放大器。 LM324是單