基于單片機(jī)的煙霧報(bào)警系統(tǒng)

1、畢業(yè)論文畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)設(shè)計(jì))基于單片機(jī)的煙霧報(bào)基于單片機(jī)的煙霧報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 一、選題目的和意義火災(zāi)是指在時(shí)間或空間上失去控制的燃燒所造成的災(zāi)害。在各種災(zāi)害中，火災(zāi)是最經(jīng)常、最普遍地威脅公眾安全和社會發(fā)展的主要災(zāi)害之一。人類能夠?qū)疬M(jìn)行利用和控制，是文明進(jìn)步的一個(gè)重要標(biāo)志?；?，給人類帶來文明進(jìn)步、光明和溫暖。但是，失去控制的火，就會給人類造成巨大的災(zāi)難。本系統(tǒng)是一個(gè)由單片機(jī)控制的火災(zāi)煙霧濃度、溫度檢測系統(tǒng)，它將傳感器輸出地電壓信號進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換、濾波、線性化，由單片機(jī)將電壓值轉(zhuǎn)換為氣體濃度和溫度送 LED 顯示，并判斷是否超過報(bào)警上限，若超過，則發(fā)出聲光報(bào)警。同時(shí)用戶可以自己設(shè)定報(bào)

2、警上限和定時(shí)時(shí)間，使用戶可以根據(jù)實(shí)際情況方便的掌握安全狀況。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠及時(shí)監(jiān)測到系統(tǒng)故障和環(huán)境中有無火災(zāi)，火災(zāi)一旦發(fā)生將實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，并采取有效措施控制火情的發(fā)展，將火災(zāi)消滅在萌芽狀態(tài)，以確保人身財(cái)產(chǎn)安全，最大限度地減少損失。二、本選題在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢自本世紀(jì) 80 年代開始，隨著電子產(chǎn)品在人類生活中的使用越來越廣泛，由此引起的火災(zāi)也越來越多，在我們生活的四周到處潛伏著火災(zāi)隱患。目前國內(nèi)廠家多偏重用于大型倉庫、商場、高級寫字樓、賓館等場所大型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的研發(fā)，他們采用集中區(qū)域報(bào)警控制方式，其系統(tǒng)復(fù)雜、成本較高。而在居民住宅區(qū)、機(jī)房、辦公室等小型防火單位，需要設(shè)置一種單一或區(qū)

3、域聯(lián)網(wǎng)、廉價(jià)實(shí)用的火災(zāi)自動探測報(bào)警裝置，因此，研制一種結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉的語音數(shù)字聯(lián)網(wǎng)火災(zāi)報(bào)警器是非常必要的。三、課題設(shè)計(jì)方案 1目標(biāo)：通過設(shè)計(jì)一個(gè)以 STC12C5410AD 單片機(jī)為核心外加 MQ-2 型半導(dǎo)體電阻式煙霧敏感器件的火災(zāi)報(bào)警器可以實(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)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便、價(jià)格低廉、智能化的火災(zāi)報(bào)警器，具有一定的實(shí)用價(jià)值。2內(nèi)容：對煙霧報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行整體功能分析，實(shí)現(xiàn)硬件和軟件設(shè)計(jì)，對所選芯片做簡單介紹，分模塊實(shí)現(xiàn)各部分功能。3研究途徑和方法：通過對課題的分析，然后進(jìn)行市場調(diào)研，對現(xiàn)用煙霧報(bào)警器控制系統(tǒng)的

4、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行研究，確定論文的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)所需的軟硬件。四、計(jì)劃進(jìn)度安排 起止日期:2011.10.8-2012.4.302011.10.8-2011.10.24 擬定設(shè)計(jì)（論文）題目 2011.10.24-2011.10.31 設(shè)計(jì)（論文）題目論證2011.11.1-2011.11.3 指導(dǎo)教師與畢業(yè)學(xué)生見面，下達(dá)工作任務(wù)2011.11.3-2011.12.2 市場調(diào)研，對現(xiàn)用煙霧報(bào)警器控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)分析，找出需改進(jìn)的地方，完成開題報(bào)告2011.12.21-2011.12.31 確定系統(tǒng)的總體方案研制和硬件的選擇。2012.1.1-2012.1.12 確定論文的架構(gòu)2012.2.24-2012.

5、3.4 煙霧報(bào)警器控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)2012.3.5-2012.3.20 煙霧報(bào)警器控制系統(tǒng)軟件編程設(shè)計(jì)2012.3.21-2012.3.31 撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ，完成設(shè)計(jì)（論文）初稿2012.4.1-2012.4.15 提交中期檢查表2012.4.16-2012.4.30 根據(jù)指導(dǎo)教師修改意見進(jìn)行設(shè)計(jì)（論文）修改，并最終定稿2012.5.1-2012.5.7 上交論文2012.5.19-2012.5.20 參加答辯五、主要參考文獻(xiàn)1陳連生. 可燃煙霧探測器及其設(shè)置安裝要領(lǐng)J. 石油工程建設(shè). 1996(1): 2325 2張保衛(wèi), 尚家峰, 趙金水. 燃?xì)鈭?bào)警器的分類與選擇J. 山東消

6、防, 2003(8): 2728 3彭軍. 傳感器與檢測技術(shù)M. 西安電子科技大學(xué)出版社, 2003: 263315 4謝望. 煙霧傳感器技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢J. 儀器儀表用戶, 2006, 13(5): 12 5李永生, 楊莉玲. 半導(dǎo)體氣敏元件的選擇性研究J. 傳感器技術(shù), 2002(3): 13 6宏晶科技(深圳). STC12C5410AD 系列單片機(jī)器件手冊EB/OL. http:/，20007于冶會. 對調(diào)整儀表用蜂鳴器振動規(guī)范的探討J. 傳感器世界, 2000(1): 3538 8何衍慶. 控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)和應(yīng)用M. 化學(xué)工業(yè)出版社, 2003:20219陳曉莉, 張俊濤. KE

7、IL C51 單片機(jī)仿真器的設(shè)計(jì)J.微計(jì)算機(jī)信息(嵌入式與 SOC), 2006,2(2): 1920指導(dǎo)教師意見及建議： 簽名： 年 月 日教學(xué)單位領(lǐng)導(dǎo)小組審批意見： 組長簽名： 年 月 日畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的進(jìn)度計(jì)劃：2011.10.8-2011.10.24 擬定設(shè)計(jì)（論文）題目 2011.10.24-2011.10.31 設(shè)計(jì)（論文）題目論證2011.11.1-2011.11.3 指導(dǎo)教師與畢業(yè)學(xué)生見面，下達(dá)工作任務(wù)2011.11.3-2011.12.2 市場調(diào)研，對現(xiàn)用煙霧報(bào)警器控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)分析，找出需改進(jìn)的地方，完成開題報(bào)告2011.12.21-2011.12.31 確定系統(tǒng)的總體

8、方案研制和硬件的選擇。2012.1.1-2012.1.12 確定論文的架構(gòu)2012.2.24-2012.3.4 煙霧報(bào)警器控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)2012.3.5-2012.3.20 煙霧報(bào)警器控制系統(tǒng)軟件編程設(shè)計(jì)2012.3.21-2012.3.31 撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ，完成設(shè)計(jì)（論文）初稿2012.4.1-2012.4.15 提交中期檢查表2012.4.16-2012.4.30 根據(jù)指導(dǎo)教師修改意見進(jìn)行修改，并最終定稿完成情況：到現(xiàn)在為止，我通過查找資料和指導(dǎo)老師的指導(dǎo)完成了以上部分內(nèi)容，使我對煙霧報(bào)警器控制系統(tǒng)有了更為深刻的了解，通過軟、硬件的設(shè)計(jì)和整體調(diào)試，使我積累了更豐富的經(jīng)驗(yàn)。下一

9、步將要撰寫論文準(zhǔn)備參加答辯。指導(dǎo)教師評議簽 名： 年 月 日備 注：目錄目錄1 緒 論.11.1 概述.11.2 現(xiàn)狀.12 煙霧檢測報(bào)警器的方案設(shè)計(jì).12.1 煙霧檢測報(bào)警器設(shè)計(jì)思路.12.2 煙霧傳感器的選型.22.3 煙霧檢測報(bào)警器整體設(shè)計(jì)方案.33 煙霧檢測報(bào)警器的硬件設(shè)計(jì).53.1 核心芯片選擇.53.2 煙霧檢測報(bào)警器硬件電路設(shè)計(jì).64 煙霧檢測報(bào)警器的軟件設(shè)計(jì).114.1 STC12 系列單片機(jī)調(diào)試及開發(fā)工具.114.2 煙霧檢測報(bào)警器軟件流程及設(shè)計(jì).125 實(shí)驗(yàn)誤差分析 .19結(jié)論 .20參考文獻(xiàn) .21謝辭 .23基于單片機(jī)的煙霧報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的煙霧報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)幸福的

10、笑(德州學(xué)院機(jī)電系，山東德州 253023)摘 要：為了提高對傳感器的認(rèn)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(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)了這一煙霧報(bào)警系統(tǒng)，它是以 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；STC12C5410AD；傳感器1 緒 論1.1 概述火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)，一般由

11、火災(zāi)探測器、區(qū)域報(bào)警器和集中報(bào)警器組成；火災(zāi)探測器是探測火災(zāi)的儀器，由于在火災(zāi)發(fā)生的階段，將伴隨產(chǎn)生煙霧、高溫和火光。這些煙、熱和光可以通過探測器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枅?bào)警或使自動滅火系統(tǒng)啟動，及時(shí)撲滅火災(zāi)。區(qū)域報(bào)警器能將所在樓層的探測器發(fā)出的信號轉(zhuǎn)換為聲光報(bào)警，并在屏幕上顯示出火災(zāi)的房間號；同時(shí)還能監(jiān)視若干樓層的集中報(bào)警器（如果監(jiān)視整個(gè)大樓的則設(shè)于消防控制中心）輸出信號或控制自動滅火系統(tǒng)。集中報(bào)警是將接收到的信號以聲光方式顯示出來，其屏幕上也具體顯示出著火的樓層和房間號，機(jī)上停走的時(shí)鐘記錄下首次報(bào)警時(shí)間性，利用本機(jī)專用電話，還可迅速發(fā)出指示和向消防隊(duì)報(bào)警。此外，也可以控制有關(guān)的滅火系統(tǒng)或?qū)⒒馂?zāi)信號傳輸

12、給消防控制室。1.2 現(xiàn)狀消防報(bào)警產(chǎn)品是一個(gè)系列產(chǎn)品，包括火災(zāi)探測設(shè)備、信息傳輸設(shè)備、報(bào)警分析控制器、消防控制聯(lián)動。是物理傳感技術(shù)、自動控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸和管理、智能樓宇等技術(shù)的綜合集成，屬于高新技術(shù)。依托中國多年的基本建設(shè)的發(fā)展，這個(gè)行業(yè)也得到發(fā)展，具備了和國外知名企業(yè)抗衡的能力。在目前中國許多冠名以高新技術(shù)的行業(yè)中，中國企業(yè)大多做的是下游的制造和服務(wù)，分取極少一部分的利潤，像消防報(bào)警產(chǎn)品那樣又擁有自我知識產(chǎn)權(quán)，又擁有大量市場的行業(yè)其實(shí)是很少的。2 煙霧檢測報(bào)警器的方案設(shè)計(jì)2.1 煙霧檢測報(bào)警器設(shè)計(jì)思路煙霧檢測報(bào)警器是能夠檢測環(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

13、分應(yīng)包括：煙霧信號采集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)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(jī)可識別的數(shù)字信號后送入單片機(jī)。單片機(jī)對該數(shù)字信號進(jìn)行濾波處理，并對處理后的數(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(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，變化的光信號可以引起用戶注意，彌

14、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1。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，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(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報(bào)警器的信號采集部分，是儀表的核心組成部分之一。由此

15、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(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)能選擇性地檢測某種單一煙霧，而對

16、共存的其它煙霧不響應(yīng)或低響應(yīng)； (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(yīng)速度快，重復(fù)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(hù)方便2。2.2.2 煙霧傳感器的選定煙霧檢測報(bào)警器主要應(yīng)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(bào)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(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

17、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，但是如果長期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會不斷下降，導(dǎo)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(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)懷疑檢測環(huán)境中存在這些物質(zhì)時(shí)，經(jīng)常對探頭進(jìn)行標(biāo)定，是必須且有效的辦法。 因此，經(jīng)常對傳感器進(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)對傳感器進(jìn)行量程校準(zhǔn)，這種經(jīng)常性對傳感器的維護(hù)，無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3。半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)

18、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) 4。 經(jīng)過對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，這種型號的傳感器不但具備一般半導(dǎo)體煙霧傳感器靈敏度高、響

19、應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，而且只需要簡單的驅(qū)動電路。 2.3 煙霧檢測報(bào)警器整體設(shè)計(jì)方案2.3.1 煙霧檢測報(bào)警器工作原理本論文中的煙霧檢測報(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，傳感器送來的煙霧濃度對應(yīng)的微小的電壓信號經(jīng)過放大，轉(zhuǎn)化成較大的電壓信號送入 STC12C5410AD 單片機(jī)；然后，在 STC12C5410AD 單片機(jī)內(nèi) A/D 轉(zhuǎn)換、濃度比較，對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理，將數(shù)字化電壓信號轉(zhuǎn)化成為對應(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)綠燈長亮，當(dāng)

20、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 的電壓的同時(shí)，進(jìn)行故障監(jiān)測。當(dāng)傳感器加熱絲或電纜線發(fā)生斷線或接觸不良時(shí)，進(jìn)行故障報(bào)警，發(fā)出聲光報(bào)警信號。 2.3.2 煙霧檢測報(bào)警器的結(jié)構(gòu) 為適應(yīng)家庭和工業(yè)等場所對可燃性易爆煙霧安全性要求，設(shè)計(jì)的可燃性煙霧報(bào)警器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)場遠(yuǎn)測和實(shí)時(shí)控制等功能

21、。其目標(biāo)是在傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警器的基礎(chǔ)上，盡量提高準(zhǔn)確性，降低成本，縮小體積5。 報(bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 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)行兩級報(bào)警值設(shè)定，并發(fā)出不同的光、聲信號。系統(tǒng)應(yīng)采用高性能的單片機(jī)，要求工作穩(wěn)定、測量精度高、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。傳感器放大電路A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)狀態(tài)指示燈聲音報(bào)警濃度顯示按鍵串口通信圖 1 可燃性氣體檢測報(bào)警器結(jié)構(gòu)框圖2.3.3 煙霧檢測報(bào)警器的功

22、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)，通過鍵盤設(shè)置或者更改報(bào)警限值，以便于用戶或檢測人員隨時(shí)觀測煙霧濃度及更改報(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，且聲音越來越急促，并且伴隨紅燈閃爍。因?yàn)槿藢ψ兓男盘柛鼮槊舾校宰兓穆曇艏盁艄飧菀滓鹩脩舻淖⒁狻?(4)防止報(bào)警器誤報(bào)功能 快速重復(fù)檢測及延時(shí)報(bào)警可以區(qū)別出是管道中可燃煙

23、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)自動啟動相關(guān)安全裝置。3 煙霧檢測報(bào)警器的硬件設(shè)計(jì)3.1 核心芯片選擇在報(bào)警器的設(shè)計(jì)中，單片機(jī)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(yīng)的模擬

24、信號和故障檢測信號，另一方面要對兩種信號分別進(jìn)行處理，控制后續(xù)電路進(jìn)行相應(yīng)動作；與此同時(shí)查詢是否有鍵按下的請求。在單片機(jī)完成這些的工作中，尤其是將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號做數(shù)字濾波，再進(jìn)行線性化處理，然后送 LCD 顯示這一過程的軟件實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，要求單片機(jī)具備較快的運(yùn)算速度，使檢測人員能夠較準(zhǔn)確地觀測到煙霧濃度，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)中集成 Flash 較大的 STC12C5410AD。 STC12C5410AD 單片機(jī)具有以下特點(diǎn)：（1） 增強(qiáng)型 8051 內(nèi)核。

25、（2） 10KB Flash 程序存儲器。（3） 2KB 數(shù)據(jù) Flash（EEPROM）。（4） 512B RAM。（5） 兩個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。（6） 最多 27 根 I/O 口線。（7） 全雙工異步串行口（UART）。（8） 高速同步通信端口（SPI）。（9） 8 通道 10 位 ADC。（10）4 通道 PWM/可編程計(jì)數(shù)器陣列/捕獲/比較單元（PWM/PCA/CCU）。（11）MAX810 專用復(fù)位電路和硬件看門狗6。圖 2 STC12C5410AD 單片機(jī)的引腳圖3.2 煙霧檢測報(bào)警器硬件電路設(shè)計(jì)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

26、其進(jìn)行放大、濾波、電平調(diào)整，滿足單片機(jī)對輸入信號的要求。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，這顯然會造成浪費(fèi)。常見的運(yùn)算放大器中，LM324 價(jià)格低廉、使用簡單等優(yōu)點(diǎn)比較突出，所以本設(shè)計(jì)中的前置放大電路采用 LM324 作為電路的運(yùn)算放大器。 LM324 是單片高增益四運(yùn)算放大器，可在較寬電壓范圍內(nèi)的單電源或雙電源下工作，其電源電流很小且與電源電壓無關(guān)，四個(gè)

27、運(yùn)放一致性好；其輸入偏流電阻是溫度補(bǔ)償?shù)模膊恍柰饨宇l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 所示，從傳感器的上端出來的信號 Vi 經(jīng)過運(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 通過電阻 R4 接到反相輸入端，同時(shí)，反相輸入端通過電阻 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)來分析其電壓放大倍數(shù)。在圖 3 中，根據(jù)運(yùn)放的“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)可知，I- = I+ = 0，所以 V- = Vo*R3/R3 + R4 +Vref*R4/R3 + R4 (

28、1)而且 V- = V+ = ViVo = Vi*（R3 + R4）/R3 (2)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

29、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)變化問題。它利用滑動變阻器產(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，它只是用來匹配阻抗用的，防止 R3 和 R4 對滑動變阻器輸出電壓的影響。 圖 3 前置放大電路3.2.2 聲音報(bào)警電路 聲音報(bào)警電路圖如圖 4 所示。

30、報(bào)警裝置采用無源壓電式 KM3712x 型蜂鳴器7，較一般的蜂鳴器體積大，聲音響亮，適用于家用煤氣報(bào)警器的報(bào)警聲音源。當(dāng)單片機(jī)STC12C5410AD 的 17 腳(P3.7)置 1 時(shí)，三極管 Q1 導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警。本報(bào)警器采用單片機(jī) STC12C5410AD 的 PWM 功能，如果煙霧濃度達(dá)到報(bào)警限，單片機(jī)控制 P3.7(PWM)口輸出占空比一定 的脈沖，報(bào)警時(shí)蜂鳴器會發(fā)出如警車警笛的聲音。圖 4 聲音報(bào)警電路圖3.2.3 數(shù)碼管顯示電路 報(bào)警器濃度顯示采用共陽數(shù)碼管。顯示濃度級別，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：11.4m

31、m 環(huán)境相對濕度：85 視角：6:00 工作溫度：-10+50C 顯示方式：反射式正顯示存儲溫度：-20+60C接口方式：8 線并行接口 圖 5 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖3.2.4 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 6 和圖 7 所示。單片機(jī) STC12C5410AD 的 18 腳(P1.0)、12 腳(P2.4)、13 腳(P2.5)，控制輸出的狀態(tài)指示燈。綠燈常亮表示正常狀態(tài)，環(huán)境中可燃煙霧濃度極低。黃燈閃亮表示傳感器加熱絲或者電纜發(fā)生斷線或者接觸不良。紅燈閃亮表示環(huán)境中可燃煙霧濃度超過報(bào)警限值，提醒用戶盡快作相應(yīng)安全措施。 當(dāng)煙霧濃度超過報(bào)警限，報(bào)警器發(fā)出鳴叫，用戶到達(dá)現(xiàn)場，可按

32、下按鍵停止報(bào)警器鳴叫。若過一點(diǎn)時(shí)間濃度仍超出報(bào)警限，報(bào)警器會再次鳴叫提醒用戶。圖 6 狀態(tài)指示燈電路圖圖 7 控制按鍵連接示意圖3.2.5 報(bào)警器故障自診斷電路 (1)判斷傳感器電源連接情況 在傳感器的地端串聯(lián)一個(gè)電阻 R6。當(dāng)傳感器正常連接時(shí)，電阻和傳感器分壓，此時(shí)電阻兩端有微弱的電壓，單片機(jī)可以通過 P1.1(AD)口檢測到； 如果傳感器電源連接不正常，則會產(chǎn)生斷路，檢測到電阻兩端電壓為 0。圖 8 傳感器電源連接自診斷電路(2)判斷傳感器信號端連接情況 此時(shí)不需要外加電路，在傳感器預(yù)熱 2 分鐘后，測量傳感器信號的輸出電壓，如果電壓為 5V，則說明傳感器的信號端連接不正常。 當(dāng)報(bào)警器自診

33、斷發(fā)現(xiàn)傳感器連接不正常，就會發(fā)出長鳴聲音警報(bào)，并伴隨黃燈閃爍，提醒用戶及時(shí)排除傳感器連接問題8。4 煙霧檢測報(bào)警器的軟件設(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 Keil Software 公司出品的 Keil C51，是 51 系列兼容單片機(jī) C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢。 Keil C51 軟件提供豐富的庫函數(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

34、級語言的優(yōu)勢。 C51 工具包的整體結(jié)構(gòu)中，Vision 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)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經(jīng)C51 連接定位生成絕對目標(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)行源代碼級調(diào)試，也可由仿真器使用直接對

35、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)試過程中，使用的是 STC-ISP-v3.1 版。ISP 工具的功能主要是將由 PC機(jī)串接來的 8 位并行數(shù)據(jù)與單片機(jī)的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn) PC 機(jī)與STC12C5410AD 的 RXD 及 TXD 口通訊。當(dāng)用戶將源程序(匯編語言或 C 語言)經(jīng)語法檢查無誤并生成代碼時(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)。用戶可以通過調(diào)試環(huán)境軟件的人機(jī)對話界面，在程序中設(shè)置斷點(diǎn)，在 STC12

36、C5410AD中，可以同時(shí)設(shè)置 3 個(gè)硬件斷點(diǎn)，它是經(jīng)過串口的傳輸，由芯片中的幾組斷點(diǎn)條件寄存器實(shí)現(xiàn)的。 用戶可以通過調(diào)試環(huán)境軟件的人機(jī)對話界面，檢查或修改 Flash 芯片內(nèi)的各種存儲器、寄存器的數(shù)據(jù)9。 4.2 煙霧檢測報(bào)警器軟件流程及設(shè)計(jì) 在論文中，軟件解決的主要問題是檢測煙霧傳感器的煙霧濃度信號，然后對信號進(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)。 4.2.1 主程序設(shè)計(jì)及流程圖 主程序流程圖如圖 9 所示。首先要給傳感器預(yù)熱三分鐘，因?yàn)?MQ-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

37、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)先對傳感器預(yù)熱三分鐘，預(yù)熱同時(shí)，對傳感器加熱絲故障檢測，采用軟件方式檢測傳感器加熱絲或電纜線是否斷線或者接觸不良。 STC12C5410AD 單片機(jī)對傳感器檢測的煙霧濃度信號進(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，給用戶帶來便利。Y開始初始化傳感器預(yù)熱、故障檢測鍵盤處理報(bào)警限設(shè)置報(bào)警子程序平均值法濾波線性化處理設(shè)置指示燈狀態(tài)YN是否按下模式切換A/D 轉(zhuǎn)換N是否超

38、過報(bào)警限濃度顯示圖 9 主程序流程圖4.2.2 主程序初始化流程圖主程序初始化流程圖如圖 10 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。接下來定時(shí)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。開始定時(shí)器初始化開中斷關(guān)閉蜂鳴器，打開綠燈設(shè)定初值YN是否保持報(bào)警初值返回圖 10 主程序初始化

39、流程圖4.2.3 中位值平均濾波法數(shù)字濾波子程序設(shè)計(jì)及流程圖 在煙霧傳感器對煙霧濃度采樣時(shí)，可能會遇到尖脈沖干擾的現(xiàn)象。干擾通常只影響個(gè)別采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)與其他采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)相差比較大。 如果采用一般的平均值法，則干擾將“平均”到計(jì)算結(jié)果上去，故平均值法不易消除由于脈沖干擾而引起的煙霧濃度采樣值的偏差。 為此，可采取中位值平均濾波法(又稱防脈沖干擾平均濾波法)，先對 N 個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，去掉其中的最大值和最小值，然后計(jì)算余下的 N2 個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。這種方法既可濾去脈沖干擾又可濾去小的隨機(jī)干擾。保證報(bào)警器檢測煙霧濃度的準(zhǔn)確性，減小誤報(bào)、錯(cuò)報(bào)的可能。 在實(shí)際應(yīng)用中，N 可取任何值，但為

40、了加快測量計(jì)算速度，本論文數(shù)字濾波的設(shè)計(jì)中N 取 10。即調(diào)用 A/D 連續(xù)進(jìn)行 10 次采樣，去掉其中的最大值和最小值，計(jì)算其余 8 個(gè)值的平均值，將這個(gè)平均值送入寄存器。中位值平均濾波法的程序流程圖如圖 11 所示。開始設(shè)定采樣次數(shù)調(diào)用 A/D 采樣求第二個(gè)到第九個(gè)采樣值的累加和將累加和求平均值送入寄存器NY已達(dá)到設(shè)定次數(shù)將采樣值排序圖 11 濾波子程序流程圖4.2.4 插值法線性化處理子程序設(shè)計(jì)及流程圖 在單片機(jī)測控系統(tǒng)中，使用之前必須進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，以得到輸出信號與被測信號的關(guān)系輸出曲線，用來作為使用過程中的計(jì)量依據(jù)。但是標(biāo)定時(shí)輸出曲線往往不是一條理想的直線，所以要對標(biāo)定曲線進(jìn)行線性化處

41、理，用一條擬合直線近似代替輸出曲線，線性化是智能儀表的典型功能之一。該報(bào)警器主要針對甲烷煙霧檢測，在軟件線性化處理時(shí)，以傳感器對甲烷的響應(yīng)曲線為依據(jù)。 本論文報(bào)警器使用的 MQ-2 型傳感器的電阻是隨著煙霧濃的升高而降低的，因此輸入單片機(jī)的電壓也是隨之降低的。圖 12 為單片機(jī)采集電壓值與煙霧濃度百分比的對應(yīng)曲線，可以看出，電壓值與煙霧濃度之間是非線性的關(guān)系，為了實(shí)時(shí)顯示煙霧濃度.需要對其進(jìn)行線性化處理。在誤差許可范圍內(nèi)，根據(jù)標(biāo)定曲線形狀，以及單片機(jī)處理能力，把曲線分 成若干小段，對每小段分別線性化。圖 12 單片機(jī)采集電壓值與煙霧濃度百分比線性化曲線根據(jù)分段線性插值法求輸入單片機(jī)的某一電壓值

42、對應(yīng)的煙霧濃度的公式如下：f(x) = f(xi) + (x-xi)*（f(xi+1)-f(xi)）/（Xi+1-Xi）i=1,2,3N (3)式中，N 為所分區(qū)間個(gè)數(shù)， f (x)為實(shí)際煙霧檢測濃度，x 為實(shí)際氣體檢測濃度對應(yīng)的電壓值，xi 是區(qū)間的下限濃度對應(yīng)電壓值，xi 是區(qū)間的上限濃度對應(yīng)電壓值， f (xi)為區(qū)間下限煙霧濃度值， f (xi+1 )為區(qū)間上限煙霧濃度值。根據(jù)公式 4 設(shè)計(jì)分段插值法線性化程序流程圖如圖 13 所示。開始讀取濾波電壓X查表并確定X所在電壓區(qū)間求電壓值X與所在區(qū)間下限差Xm=X-Xi求X所在區(qū)間的上下限濃度值的差Z=f(Xi+1)-f(Xi)求上下限電壓

43、值的差Xd=Xi+1-Xi求Z與Xd的比K=Z/Xd求出K與X的和S=K*Xm求出f(X)=f(Xi)+S保存濃度值返回圖 13 分段插值法線形化程序流程圖4.2.5 報(bào)警子程序設(shè)計(jì)及流程圖 當(dāng)煙霧濃度超過報(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，對應(yīng)通道的紅燈閃亮，以提示操作人員采取安全對策或自動控制相關(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，對煙霧濃度進(jìn)行快速重復(fù)檢測和延時(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 14 所示。圖 14 報(bào)警子程序流程圖NYNYY開始讀取處理后的

44、氣體濃度值延遲 20 秒后采集一組數(shù)據(jù)YN是否大于 20%傳感器故障自診斷傳感器有問題返回啟動故障報(bào)警復(fù)位鍵是否按下是否大于 20%N啟動燃?xì)庑孤﹫?bào)警4.2.6 控制按鍵設(shè)計(jì)子程序及流程圖本報(bào)警器設(shè)計(jì)附加一個(gè)按鍵，功能分別為：確定(消音)。按鍵處理子程序流程圖如圖 15所示。開始掃描鍵值是否有鍵按下延時(shí) 10ms 消抖是否有鍵按下提取鍵值調(diào)用鍵盤處理子程序結(jié)束NNYY圖 15 鍵盤處理子程序流程圖5 實(shí)驗(yàn)誤差分析在測量儀器的實(shí)際使用中，造成誤差的來源很多，通常是多種誤差源綜合作用的結(jié)果。就本儀器而言，誤差來源主要有軟件和硬件兩個(gè)方面。軟件誤差主要來自以下兩個(gè)方面： (1)A/D 轉(zhuǎn)換量化誤差

45、STC12C5410AD 單片機(jī)的內(nèi)部 A/D 轉(zhuǎn)換器為 12 bit，輸入單片機(jī)模擬電壓信號 03.7V，參考電壓 2.5V，A/D 轉(zhuǎn)換器對輸入模擬信號的最大分辨率為 0.00061V，因此可得 A/D 轉(zhuǎn)換誤差為 0.016%。 (2)數(shù)字濾波過程中的有限字長效應(yīng)在中位值平均濾波法數(shù)字濾波過程中，用到了乘法和除法運(yùn)算，因此在運(yùn)算過程中，由于字長有限而不能保留原有數(shù)據(jù)的有效位數(shù)會出現(xiàn)舍入誤差，由于累計(jì)計(jì)算會造成計(jì)算誤差。本儀器使用數(shù)據(jù)的計(jì)算全部是由STC12C5410AD 完成的，可以直接執(zhí)行 1616 bit 定點(diǎn)乘法和 3216 bit 定點(diǎn)除法運(yùn)算，所以有限字長造成的誤差對于本系統(tǒng)而

46、言，可以忽略不計(jì)。 硬件誤差主要來自以下四個(gè)方面： (1)傳感器非線性誤差 本系統(tǒng)選用 MQ-2 型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器，煙霧濃度與輸出電壓存在一定的非線性，使用折線插值方法進(jìn)行線性化處理，誤差數(shù)據(jù)參見圖 12。 (2)電子元器件參數(shù)的離散性、溫度不穩(wěn)定性造成的誤差 傳感器輸出信號一般比較微弱，需要過數(shù)據(jù)采集前置電路對其進(jìn)行放大、濾波、電平調(diào)整，滿足單片機(jī)對輸入信號的要求。運(yùn)放誤差是造成前置放大誤差的主要原因，運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓，輸入失調(diào)電流是影響電路精度的重要因素。本設(shè)計(jì)選用高輸入阻抗、低噪聲的放大器，可以滿足要求。另外所選的阻容器件都是經(jīng)過精確測量后再焊接上去的，并經(jīng)過仔細(xì)調(diào)試以獲得最佳

47、性能。 (3)電源造成的誤差 雖然系統(tǒng)采用直流電源供電，但電源不可避免地殘留一定的交流成分而形成噪聲信號.它們對測控系統(tǒng)的正常運(yùn)行危害很大。本系統(tǒng)選用 ACDC 電源模塊，將 220V 市電轉(zhuǎn)化為 5V 直流電壓，分別給模擬電路和數(shù)字電路供電。為了盡量減小噪聲，數(shù)字地和模擬地要一點(diǎn)接地，每個(gè)芯片的電源就近接退耦電容。 (4)環(huán)境、外部噪聲引起的誤差 環(huán)境因素包括環(huán)境溫度、濕度、空氣中的塵埃等。對本系統(tǒng)來說，空氣中的成分對系統(tǒng)的探頭和單片機(jī)及其外圍電路影響很小，在進(jìn)行測量時(shí)不用進(jìn)行補(bǔ)償。但環(huán)境溫度、濕度對傳感器有一定的影響。但是溫濕度的影響相對于系統(tǒng) 5%LEL 的精度要求，可以忽略不計(jì)。另外，

48、系統(tǒng)還受到各種外部電磁噪聲的干擾，設(shè)計(jì)上，把探測器與控制器之間的信號線用屏蔽電纜連接。在電路板布線時(shí)，注意抗干擾設(shè)計(jì)。結(jié)論煙霧檢測報(bào)警器可保障生產(chǎn)與生活的安全，避免火災(zāi)和爆炸事故以及煤氣中毒的發(fā)生，它是防火、防爆和安全生產(chǎn)所必備的儀器，具有廣闊的市場空間與發(fā)展前景。 本論文在對煙霧傳感器和報(bào)警技術(shù)進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，全面比較國內(nèi)外同類產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)，合理地確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。本論文設(shè)計(jì)的煙霧報(bào)警器由煙霧信號采集電路與單片機(jī)控制電路兩大部分構(gòu)成。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求、使用環(huán)境、成本等因素，選用 MQ-2 型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器。該傳感器是對以烷類煙霧為主的多種煙霧有良好敏感特性的廣譜型半導(dǎo)體敏感器

49、件。它的靈敏度適中，具有響應(yīng)與恢復(fù)特性好，長期工作穩(wěn)定性、重現(xiàn)性、不易受環(huán)境影響及抗溫濕度影響等優(yōu)點(diǎn)。 在系統(tǒng)單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)上，采用了高性能、高整合度的 STC12C5410AD 單片機(jī)作為核心芯片，充分利用了其高速數(shù)據(jù)處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)，實(shí)現(xiàn)了儀器的小型化和智能化。使儀器具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。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)伺，保證傳感器準(zhǔn)確地、穩(wěn)定地工作，需要向煙霧傳感器持續(xù)供給 5V 的加熱電壓。為了保證傳感器加熱工作的可靠性，當(dāng)傳感器加熱絲斷線或傳感器接觸不良時(shí)，能夠進(jìn)行故障報(bào)警。 煙霧報(bào)警器能在較寬的溫度范圍工作，可將煙霧濃度顯示用 LCD 顯示。當(dāng)煙霧的濃度達(dá)到設(shè)定的濃度時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警。還具有故障自診斷功能快速重復(fù)檢測和延時(shí)報(bào)警功能。報(bào)警器還可以與上位機(jī)(PC)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)傳輸煙霧濃度檢測數(shù)據(jù)，由上位機(jī)記錄保存，也可以利用