1、精品文檔本科畢業論文設計基于STC12C5412AD單片機的火災自動報警系統設計所 在 學 院 信息科學技術學院 專 業 名 稱 自動化 申請學士學位所屬學科 工 學 年 級 2021級 摘 要目前，隨著電子產品在人類生活中的使用越來越廣泛，由此引起的火災也越來越多，在我們生活的四周到處潛伏著火災隱患。為了防止火災以及減少火災造成的損失，我們必須按照“隱患險于明火，防患勝于救災，責任重于泰山的概念設計和完善火災自動報警系統，將火災消滅在萌芽狀態，最大限度地減少社會財富的損失。本論文以電阻式煙霧傳感器和單片機技術為核心并與其它電子技術相結合， 設計出一種技術水平較好的煙霧報警器。其中選用MQ-2

2、型半導體可燃氣體敏感元件的煙霧傳感器實現煙霧的檢測，具有靈敏度高、響應快、抗干擾能力強等優點，而且價格低廉，使用壽命長。選用的STC12C5412AD單片機，其整合了A/D轉換、硬件乘法器、硬件脈寬調制器等資源，具有高速、低功耗、超強抗干擾等優點，是目前同類技術中性價比擬高的產品。以STC12C5412AD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。是一種結構簡單、性能穩定、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，STC12C5412AD，傳感器歡迎下

3、載精品文檔ABSTRACTAt present, as the electronic products more widely used in human life, the fire disaster caused more and more, fire hazards lurking around in our lives. We must follow the concept of hidden risks in the fire, precautionary measures better than disaster relief responsibility is extremely

4、 heavy design and improve the fire automatic alarm system, fire will be nipped in the bud, to minimize the loss of social wealth.In this thesis, resistance type smoke sensor and single chip computer as the core and other electronic technology, designs a technology better smoke alarm. The selection o

5、f MQ-2 type semiconductor gas sensitive element of the smoke sensor smoke detection, which has high sensitivity, fast response, high anti interference ability, and the price is low, long service life. The selection of STC12C5412AD single-chip microcomputer, the integration of the A/D conversion, har

6、dware multiplier, hardware pulse width modulator and other resources, has the advantages of high speed, low power, strong anti-interference and other advantages, is of similar technology, cost-effective products.With STC12C5412AD MCU and MQ-2 type semiconductor resistor type smoke sensor as the core

7、 design of the smoke alarm can be realized sound-light alarm, fault diagnosis, the concentration display, alarm limit settings, delay alarm and PC serial communications and other functions. It is a kind of simple structure, stable performance, convenient operation, low price, intelligent smoke alarm

8、, has a certain practical value.Key words: Smog, alarm, STC12C5412AD, sensor歡迎下載精品文檔目 錄1 引言11.1 概述11.2 開展趨勢11.3 現狀及特點22 煙霧檢測報警器的方案設計22.1 煙霧檢測報警器設計思路22.2 煙霧傳感器的選型32.3 煙霧檢測報警器整體設計方案73 煙霧檢測報警器的硬件設計93.1 單片機的選型103.2 煙霧檢測報警器硬件電路設計114 煙霧檢測報警器的軟件設計164.1 STC12系列單片機調試及開發工具164.2 煙霧檢測報警器軟件流程及設計175 實驗檢定及誤差分析255.

9、1 煙霧檢測報警器檢定255.2 實驗誤差分析286 結束語30參考文獻31致 謝32歡迎下載精品文檔1 引言1.1 概述 火災自動報警系統，一般由火災探測器、區域報警器和集中報警器組成；也可以根據工程的要求同各種滅火設施和通訊裝置聯動，以形成中心控制系統。即由自動報警、自動滅火、平安疏散誘導、系統過程顯示、消防檔案管理等組成一個完整的消防控制系統。 火災探測器是探測火災的儀器，由于在火災發生的階段，將伴隨產生煙霧、高溫格火光。這些煙、熱和光可以通過探測器轉變為電信號報警或使自動滅火系統啟動，及時撲滅火災。區域報警器能將所在樓層之探測器發出的信號轉換為聲光報警，并在屏幕上顯示出火災的房間號；同

10、時還能監視假設干樓層的集中報警器如果監視整個大樓的那么設于消防控制中心輸出信號或控制自動滅火系統。集中報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，機上停走的時鐘記錄下首次報警的時間，利用本機專用 ，還可迅速發出指示和向消防隊報警。此外，也可以控制有關的滅火系統或將火災信號傳輸給消防控制室。1.2 開展趨勢 二十多年前，中國的消防報警產品剛剛起步，無論產品技術含量、產品系列完整性、使用性，還是社會影響程度都是相當低的。國外的產品和品牌一統天下，占領中國的大局部市場。由于中國的建設正在飛速開展，市場大的驚人，難道這由中國開展帶來的成果只能由外國企業來瓜分？可幸的

11、是中國企業抓住了機遇，頂住了挑戰，先是一批國家的科研院所，后是一批國營企業、民營企業，業內也吸引和凝聚一大批國內的技術和管理精英，花了十多年時間，通過幾次產品更新換代，就使自己的產品緊緊跟上了國際水平，并且奪回了大局部國內市場，使得現在大多國外產品只有招架之功，這是典型的自力更生，走自己的路。當然目前而言，我們根本占據的是國內市場，對外還剛啟動。中國企業正虎視眈眈，準備進軍海外市場。1.3 現狀及特點消防報警產品是一個系列產品，包括火災探測設備、信息傳輸設備、報警分析控制器、消防控制聯動。是物理傳感技術、自動控制、計算機技術、數據傳輸和管理、智能樓宇等技術的綜合集成，屬于高新技術。依托中國多年

12、的根本建設的開展，這個行業也得到開展，具備了和國外知名企業抗衡的能力。在目前中國許多冠名以高新技術的行業中，中國企業大多做的是下游的制造和效勞，分取極少一局部的利潤，像消防報警產品那樣又擁有自主知識產權，又擁有大量市場的行業其實是很少的。在消防報警產品的技術含量上，國內產品和國外產品差距不是很大，許多指標已經超越，存在的問題是：類似于國外消防報警產品的大批量規模化的生產才剛起步，有待于積累經驗和技術；也因此在產品一致性和長期穩定性上有一些差距；國內正在形成權重的大型企業和集團，這樣可以帶著國內的各家企業去沖擊海外市場，并最終占領海外的消防報警市場。2 煙霧檢測報警器的方案設計2.1 煙霧檢測報

13、警器設計思路煙霧檢測報警器是能夠檢測環境中的煙霧濃度，并具有報警功能的儀器，儀器的最根本組成局部應包括：煙霧信號采集電路、模數轉換電路、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，將煙霧信號轉化為模擬的電信號。模數轉換電路將從煙霧檢測電路送出的模擬信號轉換成單片機可識別的數字信號后送入單片機。單片機對該數字信號進行濾波處理，并對處理后的數據進行分析，是否大于或等于某個預設值(也就是報警限)，如果大于那么啟動報警電路發出報警聲音，反之那么為正常狀態。為方便檢測與監控，使儀器測試人員及用戶能夠直觀地觀察到環境中的可燃煙霧濃度值，可將濃度值送到顯示屏中。方便調節報警限，可以參

14、加按鍵。為使報警裝置更加完善，可以在聲音報警根底上，參加光閃報警， 變化的光信號可以引起用戶注意，彌補嘈雜環境中聲音報警的局限。以上是根據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，根據報警器功能的需要，選擇適宜、精確、經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詳細介紹。單片機作為硬件電路的核心，它的選型將在第三局部詳述。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)轉化成電壓或者電流信號，通過A/D轉換電路將模擬量轉換成數字量后送到單片機，進而由單片機完成數據處理、

15、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集局部，是儀表的核心組成局部之一。由此可見，傳感器的選型是非常重要的。 煙霧傳感器介紹 (1) 煙霧傳感器的分類 煙霧傳感器種類繁多，從檢測原理上可以分為三大類10： (a)利用物理化學性質的煙霧傳感器：如半導體煙霧傳感器、接觸燃燒煙霧傳感器等。 (b)利用物理性質的煙霧傳感器：如熱導煙霧傳感器、光干預煙霧傳感器、紅外傳感器等。 (c)利用電化學性質的煙霧傳感器：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根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

16、陣列。但是，任何一個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)長期工作穩定性好； (e)使用壽命長； (f)制造本錢低，使用與維護方便。 (3) 常見煙霧傳感器簡介 下面對工業上常用的幾種煙霧傳感器作簡單介紹5。 (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，由于其具有靈敏度高、響應快、

17、輸出信號強、耐久性強、結構簡單、價格廉價等諸多優點，得到了廣泛的應用。該傳感器己成為世界上產量最大、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) 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外表時會發生氧化反響而燃燒，故得名接觸燃燒式傳感器。接觸燃燒式煙霧傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲(也可外表涂鉑、鈀等稀有金屬催化層)，使用時將鉑絲通電，保持300C400C的高溫，此時假設與煙霧接觸，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。 (c) 高分子煙霧傳感器 利用高分子氣敏

18、材料制作的煙霧傳感器近年來得到很大的開展。高分子氣敏材料在遇到特定煙霧時，其電阻、介電常數、材料外表聲波傳播速度和頻率、材料重量等物理性能發生變化。高分子氣敏材料由于具有易操作性、制作工藝簡單、常溫選擇性好、價格低廉、易與微結構傳感器和聲波器件相結合，在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，且結構簡單，能在常溫下使用，可以彌補其它煙霧傳感器的缺乏。 (d) 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低，引起電阻

19、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，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。表2-1各類煙霧傳感器及其可檢測的氣體種類傳感器種類C0CO2 H2S NH3 HCNHCICOCI2CI2 NOX SO2O2CH4C3H2H2H2O半導體氣體傳感器固體電解質傳感器接觸燃燒式傳感器電化學式傳感器高分子電解質氣體傳感器注：好 不太好 e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的目標煙霧，參考光束通過比擬元件內的參考煙霧。在測量和比擬元件中，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，產生一個正

20、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，所以傳感器根據目標煙霧而調整，典型應用包括測量CO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局部的能量，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的煙霧。例如氧化物半

21、導體煙霧傳感器主要檢測各種復原性煙霧，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固體電解質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簡要列舉出已經研究、開發的各類煙霧傳感器及其可檢測的氣體種類。 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、噴漆作業等易發生可燃煙霧泄漏的場所，根據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8。使用接觸燃燒式傳感器，它的探頭的中毒和阻緩是常出現的問題。中毒是如果環境空氣中含有硅烷之類的物質時，那么傳感器將使催化元件產生不可逆轉的中毒，以致靈敏度很快就喪失。當疑心檢測環

22、境中存在這些物質時，經常對探頭進行標定，是必須且有效的方法。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的情況下，那么有可能在無焰燃燒的同時，有些固態物質附著在催化元件外表，阻塞載體的微孔，從而引起響應緩慢反響滯緩、靈敏度降低。雖然將阻緩的傳感器再放回新鮮空氣環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。 因此，經常對傳感器進行標定，是保證其準確性的必要的途徑。一般連續使用兩個月后應對傳感器進行量程校準，這種經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本錢。半導體煙霧傳感器包括用氧化物

23、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、結構簡單、使用方便、價格廉價等優點，因而得到廣泛應用7。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)和穩定性(使用壽命)。 經過比照上述兩種煙霧傳感器的應用特性，發現半導體煙霧傳感器的優點更加突出：靈敏度高、響應快、抗干擾性好、使用方便、價格廉價且不會發生探頭阻緩及中毒現象、維護本錢較低等。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局部的核心。而在眾多半導體煙霧傳感器中，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煙霧傳感器靈敏度高、響應快

24、、抗干擾能力強、壽命長等優點，還具有探測范圍廣的特點。2.3 煙霧檢測報警器整體設計方案 煙霧檢測報警器工作原理 本論文中的煙霧檢測報警器以STC12C5412AD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過放大，轉化成較大的電壓信號送入STC12C5412AD單片機；然后，在STC12C5412AD單片機內A/D轉換、濃度比擬，對數據進行線性化處理，將數字化電壓信號轉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綠燈長亮，當煙霧濃度超出設定的限定值時，發出聲音

25、報警并伴隨紅燈閃亮4。另外，由于煙霧傳感器需要在加熱狀態下工作，溫度越高，反響越快，響應時間和恢復時間就越快。為提高響應時間，保證傳感器準確穩定地工作，報警器需要向煙霧傳感器持續輸出一個5V的電壓。為了保證其可靠性，在輸出5V的電壓的同時，進行故障監測。當傳感器加熱絲或電纜線和傳感器斷線或接觸不良時，進行故障報警，發出聲光報警信號。當然幾種狀態的報警信號是各不相同的。 煙霧檢測報警器的結構 為適應家庭和工業等場所對可燃性易爆煙霧平安性要求，設計的可燃性煙霧報警器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、故障自診斷、延時報警功能及可接計算機進行現場遠測和實時控制等功能。其目標是在

26、傳統的煙霧報警器的根底上，盡量提高準確性、降低本錢、縮小體積。 報警器系統結構框圖如圖2-1所示，系統以單片機為核心，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，進行兩級報警值設定，并發出不同的光、聲信號。系統應采用高性能的單片機，要求工作穩定、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，本錢低，有利于減少報警器的體積，降低報警器的本錢。單片機狀態指示燈燈聲音報警濃度顯示四個按鍵串口通信平安控制裝置A/D轉換放大電路傳感器圖2-1報警器系統結構框圖 煙霧檢測報警器的功能 (1)自診

27、斷故障報警功能 當傳感器加熱絲或者電纜線發生斷線或者接觸不良的情況時，報警器發出警報，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，保證平安。 (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，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警限。 (3)煙霧報警功能 當煙霧濃度連續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別出是管道中可燃煙霧的泄漏，還是由

28、于翻開閥門時的微量煙霧的散失。 (5)看門狗自檢單片機狀態功能 調用單片機中的看門狗程序，定時檢查單片機工作狀態，一旦發現單片機出現死循環狀態，立即復位，保證報警器工作正常。 (6)與上位機通訊功能 可以實現與計算機串口通訊，對報警器采取統一控制，以及便于采集和處理數據，也可以在計算機上更改報警限值等。 (7)自動控制相關平安裝置的擴展功能 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平安裝置。 3 煙霧檢測報警器的硬件設計在報警器的設計中，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

29、種信號分別進行處理，控制后續電路進行相應動作；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，比擬濃度值后送入顯示的軟件實現比擬復雜，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品做準備。根據多方面的比擬，本設計選用宏晶科技生產的STC12系列單片機。3.1 單片機的選型 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，控制后續電路的相應工作；同時，查詢是否有鍵按下的

30、命令。在單片機實現的功能中，將模數轉換后的信號做數字濾波，再進行線性化處理，然后送LCD顯示，這一過程的軟件實現，需要單片機有較快的運算速度，使儀表監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根底上，能夠不提高本錢、縮小體積。 如今市面上比擬普遍的單片機有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，不適合工業用途1。STC系列單片機是MICROCHIP公司的產品，其突

31、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2。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適合。 為適用于本論文設

32、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、而又防止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、超強抗干擾等優點，是新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統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，它具有高效的尋址方式、大容量Flash、EEPROM、A/D轉換、硬件乘法器、硬件脈寬調制器(PWM)等功能特點，較好的實現了強大的功能與超低功耗的結合。而且在功能同樣的情況下，管腳較少封裝體積小，價格比其他型號廉價，因此具有很好的性價比和實用性。

33、 STC12C54xxAD系列單片機有6種型號：分別是STC12C5412AD、 STC12C5410AD、STC12C5408AD、STC12C5406AD、STC12C5404AD和STC12C5402AD。它們是以單片機內部集成Flash的大小區分的3。在價格相同的情況下，盡量選擇Flash較大的芯片，所以選擇了STC12C5412AD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。 3.2 煙霧檢測報警器硬件電路設計 信號采集及前置放大電路 傳感器輸出信號一般比擬微弱，需要經過前置電路對其進行放大、濾波、電平調整，滿足單片機對輸入信號的要求。本系統

34、采用的半導體煙霧傳感器屬于電阻型，因此只需串聯一個參考電阻，再經過一個放大電路即可發送給ADC采集。由于系統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，那么一般需要利用雙極性供電，這就需要系統額外的利用變壓芯片產生一個負壓6，這顯然會造成浪費。常見的運算放大器中，LM324價格低廉、使用簡單等優點比擬突出，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。 下面詳細介紹運算放大電路： 如圖3-1所示，從傳感器的上端出來的信號Vi經過運算放大器的同相輸入端，但是為保證引入的是負反響，輸出電壓Vo通過電阻R4接到反相輸入端，同時，反相輸入端通過

35、電阻R3接到參考電壓Vref。 同相比例運算電路中反響的組態為電壓串聯負反響，同樣可以利用理想運放工作在線性區時的兩個特點來分析其電壓放大倍數。在圖3-1中，根據運放的“虛短和“虛斷的特點可知，I- = I+ = 0，所以V- = Vo * R3/R3 + R4+Vref * R4/R3 + R4 而且V- = V+ = ViVo = Vi *R3 + R4/R3 由以上兩式可求出Vo=Vref - R4/R3 所以本放大電路的放大倍數A =1+ R4/R3 ，此放大電路為同相比例放大電路，它的放大倍數總是大于或等于1。圖3-1 前置放大電路圖同相比例運算電路有以下幾個特點： (1)同相比例運

36、算放大電路是一個深度的電壓串聯負反響電路。因為不存在“虛地現象，所以其輸入端有較高的共模輸入電壓。(2)電壓放大倍數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，所以此電路實現了同相比例放大。如果不接R3和R4，那么此電路就成了“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負反響，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計。此放大電路還加了參考電壓，引入了零點調節功能，這樣可以更方便的調整由于不同傳感器導致的零點變化問

37、題。它利用滑動變阻器產生一個參考電壓Vref，再利用電壓跟隨器把電壓輸入到運算放大電路的電壓參考端。所以調節滑動變阻器，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。 聲音報警電路 圖3-2 聲音報警電路圖聲音報警電路圖如上圖3-2所示。報警裝置采用無源壓電式KM3712x型蜂鳴器，較一般的蜂鳴器體積大，聲音響亮，適用于家用煤氣報警器的報警聲音源。當單片機STC12C5412AD的17腳(P3.7)置1時，三極管Q1導通，蜂鳴器報警。本報警器采用單片機STC12C5412AD的PWM功能，如果煙霧濃度到達報

38、警限，單片機控制P3.7(PWM)口輸出占空比一定的脈沖11，報警時蜂鳴器會發出如警車警笛的聲音。 數碼管顯示電路 報警器濃度顯示采用共陽極數碼管顯示濃度級別，其主要技術參數如下： 模塊工作電壓： 2.7-5.5V 工作電流： 80mA,每段10mA字高：11.4mm環境相對濕度：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3-3 數碼管結構圖 狀態指示燈及控制鍵電路 狀態指示燈及控制鍵電路圖如圖3-4、圖3-5所示。單片機STC12C5412AD的18腳(P1.0)、12腳(P2.4)、13腳(P2.5)，控制輸出的

39、狀態指示燈。綠燈常亮表示正常狀態，環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生斷線或者接觸不良。紅燈閃亮表示環境中可燃煙霧濃度超過報警限值，提醒用戶盡快作相應平安措施15。 圖3-4 狀態指示燈電路圖圖3-5 控制按鍵連接示意圖當煙霧濃度超過報警限，報警器發出鳴叫，用戶到達現場，可按下按鍵停止報警器鳴叫。假設過一點時間濃度仍超出報警限，報警器會再次鳴叫提醒用戶。 報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一個電阻R6。當傳感器正常連接時，電阻和傳感器分壓，此時電阻兩端有微弱的電壓，單片機可以通過P1.1(AD)口檢測到9；如果傳感器電源連接不正常，那

40、么會產生斷路，檢測到電阻兩端電壓為0。圖3-6 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 另一種情況是判斷傳感器信號端是否連接正確，此時不需要外加電路，在傳感器預熱2分鐘后，測量傳感器信號的輸出電壓，如果電壓為5V，那么說明傳感器的信號端連接不正常。 當報警器自診斷發現傳感器連接不正常，就會發出長鳴聲音警報，并伴隨黃燈閃爍，提醒用戶及時排除傳感器連接問題。 4 煙霧檢測報警器的軟件設計4.1 STC12系列單片機調試及開發工具 本系統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C語言軟件開發系統。Keil提供了包括C編譯器、宏匯

41、編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，通過一個集成開發環境Vision將這些局部組合在一起。作為高級語言，在開發大型軟件時，它更能表達出優勢。C51工具包的整體結構中，Vision與Ishell分別是C51 for Windows和for Dos的集成開發環境(IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調試、仿真等整個開發流程。開發人員可用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文件(.OBJ)。目標文件可由LIB51創立生成庫文件，也可以與庫文件一起經C51連接定位生成絕對目標文件(.ABS)。ABS文件由OH51轉換成標準的

42、Hex文件，以供調試器dScope51或tScope51使用進行源代碼級調試，也可由仿真器使用直接對目標板進行調試，也可以直接寫入程序存貯器如EPROM中。 STC12系列單片機下載程序使用的是宏晶科技自行開發的STC單片機ISP下載編程軟件。本論文程序調試過程中，使用的是STC-ISP-v3.1版。ISP工具的功能主要是將由PC機串接來的8位并行數據與單片機的串行數據進行相互轉換，以實現PC機與STC12C5412AD的RXD及TXD口通訊。 當用戶將源程序(匯編語言或C語言)經語法檢查無誤并生成代碼時， 就可以將程序代碼下載到Flash芯片中，而用戶的系統可以是在線狀態。用戶可以通過調試環

43、境軟件的人機對話界面，在程序中設置斷點，在STC12C5412AD中，可以同時設置3個硬件斷點，它是經過串口的傳輸，由芯片中的幾組斷點條件存放器實現的。用戶還可以通過調試環境軟件的人機對話界面，檢查或修改Flash芯片內的各種存儲器、存放器的數據。 4.2 煙霧檢測報警器軟件流程及設計 本論文中，軟件解決的主要問題是檢測煙霧傳感器的煙霧濃度信號，然后對信號進行A/D轉換，數字濾波，線性化處理，段式液晶濃度顯示，按鍵功能設置，以及報警器聲光警報。 主程序設計及流程圖 主程序流程圖如圖4-1所示。首先要給傳感器預熱三分鐘，因為MQ-2型半導體電阻式煙霧傳感器在不通電存放一段時間后，再次通電時，傳感

44、器不能立即正常采集煙霧信息，需要一段時間預熱13。程序初始化結束后，系統進入監控狀態。本論文的主程序設計先對傳感器預熱三分鐘，預熱同時，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。 程序初始化傳感器預熱并故障檢測鍵盤掃描及鍵值處理是否按下模式切換A/D轉換平均值法濾波線性化處理是否超過報警限濃度顯示設置指示燈狀態進入報警限設置模式Y進入報警處理程序NYN開始圖4-1 主程序流程圖STC12C5412AD單片機對傳感器檢測的煙霧濃度信號進行A/D轉換、平均值法濾波、線性化處理后，將濃度值與報警限設定值相比擬，判斷是否報警。同時送入段式液晶顯示煙霧濃度值。主程

45、序還包括狀態指示燈及按鍵功能設置，中斷子程序等，使報警器功能更加完善，給用戶帶來便利。 主程序初始化流程圖開始設定定時初值50ms設置定時器0，選擇方式1翻開定時器0中斷允許關閉蜂鳴器翻開綠燈是否保存報警初值設定初值返回NY、Y圖4-2 主程序初始化流程圖主程序初始化流程圖如上圖4-2所示。給傳感器預熱后，程序開始執行初始化子程序，這局部實現的功能包括各種I/O口輸入輸出狀態的設定、存放器初始化、中斷使能等。首先設定定時初值50ms，利用IAP寫入EEPROM，作為取值間隔。然后設置定時器0，選擇方式1。方式1狀態下定時器的工作存放器TH1、TL1是全16位參與操作。接下來定時器0中斷允許位置

46、1，翻開定時器0，關閉蜂鳴器，開啟綠燈，設置報警限初值。 中位值平均濾波法數字濾波子程序設計及流程圖 開始設置采樣次數N=10調用A/D采樣已采樣10次將10個采樣值排序求第二個到第九個采樣值的累加和sumsum除以8求平均值送入存放器YN圖4-3 中位值平均濾波法程序流程圖在煙霧傳感器對煙霧濃度采樣時，可能會遇到尖脈沖干擾的現象。干擾通常只影響個別采樣點的數據，此數據與其他采樣點的數據相差比擬大。如果采用一般的平均值法，那么干擾將“平均到計算結果上去，故平均值法不易消除由于脈沖干擾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個采樣數據進行比擬，

47、去掉其中的最大值和最小值，然后計算余下的N2個數據的算術平均值。這種方法既可濾去脈沖干擾又可濾去小的隨機干擾。保證報警器檢測煙霧濃度的準確性，減小誤報、錯報的可能。在實際使用中，N能取任何值，而為了加快測量時的計算速度，本論文數字濾波的設計中N取10。即調用A/D連續進行10次采樣，去掉其中的最大值和最小值，計算其余8個值的平均值，將這個平均值送入存放器。中位值平均濾波法的程序流程圖如上圖4-3所示。 插值法線性化處理子程序設計及流程圖 在單片機測控系統中，使用之前必須進行靜態標定，以得到輸出信號與被測信號的關系輸出曲線，用來作為使用過程中的計量依據。但在標定時輸出的曲線常常不是一條理想直線，

48、因此要對標定的曲線進行線性化處理，使用一條擬合的直線來近似替代輸出的曲線，而線性化那么是智能儀表的功能之一。此報警器主要是對甲烷煙霧檢測，故軟件線性化處理時，那么以傳感器對甲烷的響應曲線為根據。 圖4-4 單片機采集電壓值與煙霧濃度百分比線性化曲線本論文報警器使用的MQ-2型傳感器的電阻是隨著煙霧濃的升高而降低的，因此輸入單片機的電壓也是隨之降低的。圖4-4為單片機采集電壓值與煙霧濃度百分比的對應曲線，可以看出，電壓值與煙霧濃度之間是非線性的關系，為了實時顯示煙霧濃度.需要對其進行線性化處理。在誤差許可范圍內，根據標定曲線形狀，以及單片機處理能力，把曲線分成假設干小段，對每小段分別線性化12。

49、然后，使用分段線性插值法可以算出輸入單片機的某一電壓值對應的煙霧濃度，根據算出的煙霧濃度對測控系統進行標定。開始讀取濾波后電壓值查表法確定x所在電壓區間求電壓值x與所在區間下限的差xm=x-xi求x所在區間的上下限濃度值的差z=f(xi+1)-f(x)求上下限電壓值的差xd=xi+1-xi求z與xd的比K=z/xd求出K與x的積S=Kxm求出f(x)=f(xi)+S送入液晶顯示圖4-5 分段插值法線形化程序流程圖根據分段線性插值法求輸入單片機的某一電壓值對應的煙霧濃度的公式如下：f(x) = f(xi) + (x-xi)*f(xi+1)-f(xi)/xi+1-xii=1,2,3N 4-1式中N

50、為所分區間個數，f(x)為實際煙霧檢測濃度，x為實際氣體檢測濃度對應的電壓值，xi是區間的下限濃度對應電壓值，xi+1是區間的上限濃度對應電壓值，f(xi)為區間下限煙霧濃度值，f(xi+1)為區間上限煙霧濃度值14。根據公式4-1設計分段插值法線性化程序流程圖如上圖4-5所示。 控制按鍵設計子程序及流程圖本報警器設計附加一個按鍵，功能分別為：確定(消音)。按鍵處理子程序流程圖如圖4-6所示。開始掃描鍵值是否有鍵按下延時10ms去抖動是否有鍵按下提取鍵值調用鍵盤處理子程序結束NNYY圖4-6 按鍵處理子程序流程圖 報警子程序設計及流程圖 開始讀取處理后的煙霧濃度值是否大于20%延遲20秒后采集

51、一組濃度數據是否大于20%傳感器故障自診斷傳感器有問題啟動燃氣泄漏報警消音鍵是否按下返回上電狀態啟動報警故障返回監控狀態YNNYNYYN圖4-7 報警子程序流程圖當煙霧濃度超過報警設定值時，報警器發出一種近似警笛的鳴叫聲，對應通道的紅燈閃亮，以提示操作人員采取平安對策或自動控制相關平安裝置，從而保障生產平安，防止火災和爆炸事故的發生。為防止誤報，在程序設計上，對煙霧濃度進行快速重復檢測和延時報警，以區別出是管道中煙霧的泄漏，還是由于暫短翻開閥門產生的可燃煙霧的微量散失，防止誤報。報警子程序流程圖如圖4-7所示。5 實驗檢定及誤差分析5.1 煙霧檢測報警器檢定 爆炸下限(LEL)概念介紹 本論文

52、設計的煙霧檢測報警器選用“%LEL作為煙霧的測量單位及衡量標準，下面介紹關于LEL的相關概念。 “LEL是指爆炸下限?？扇紵熿F在空氣中遇明火種爆炸的最低濃度，稱為爆炸下限(Lower Explosion Limited)，簡稱LEL?？扇紵熿F在空氣中遇明火種爆炸的最高濃度，稱為爆炸上限(Upper Explosion Limited), 簡稱UEL。 煙霧的濃度過低或者過高時沒有危險，只有和空氣混合時形成混合氣或者確切一點說遇到氧氣而形成一定比例的混合氣時才可能發生燃燒或爆炸。燃燒是兼有發光和發熱的劇烈氧化反響，它需具備3個要素：可燃物燃氣；助燃物氧氣；點火源溫度?？扇細馊紵梢苑譃閮煞N：一種

53、是擴散燃燒，即揮發的或者從設備里噴出或泄漏的可燃氣，遇點火源時混合燃燒；另一種燃燒，那么是可燃氣和空氣混合遇火燃燒，這類燃燒反響劇烈且速度快，一般會產生巨大的壓力和聲響，又稱之為爆炸。其實，燃燒與爆炸并沒有嚴格的區分。 有些權威部門和專家已經對目前發現的可燃氣作了燃燒爆炸分析，制定出了煙霧爆炸的極限，它分為爆炸下限和爆炸上限。低于爆炸下限的，混合氣中含的可燃氣的量缺乏，不能發生燃燒或爆炸，高于上限的混合氣中氧氣的含量不夠，也不能發生燃燒或爆炸。另外，可燃氣的燃燒與爆炸還與煙霧的壓力、溫度、點火能量等因素有關。爆炸極限一般用體積百分比濃度表示。 爆炸極限是爆炸下限、爆炸上限的總稱，可燃煙霧在空氣

54、中的濃度只有在爆炸下限、爆炸上限之間才會發生爆炸。低于爆炸下限或高于爆炸上限都不會發生爆炸。因此，在進行爆炸測量時，報警濃度一般設定在爆炸下限的25%LEL以下。一般可燃煙霧檢測儀的測量范圍為0100%LEL。甲烷在空氣濃度為9%-11%時遇明火爆炸,高于11%或低于9%都不爆炸。假定甲烷的爆炸下限為5%體積比，那也就是說，把這個5%體積比一百等分，讓5%體積比對應100%LEL，也就是說，當檢測儀數值到達10%LEL報警點時，相當于此時甲烷的含量為0.5%體積比。當檢測儀數值到達20%LEL報警點時，相當于此時甲烷的含量為1%體積比。 本設計中設定甲烷的爆炸下限為10%體積比，對應的報警限設

55、在20%LEL，也就是甲烷含量為2%體積比時報警器報警。 實驗數據分析 因為家用煤氣中主要成分為甲烷，所以本實驗在煙霧標定時，選用甲烷煙霧。實際甲烷煙霧與進入到單片機輸入端的電壓值對應數據如表5-1所示。表5-1實際甲烷煙霧與送入單片機的電壓值對應數據濃度%電壓V03.70103.65203.60303.48403.30502.98602.61702.22801.80901.021000從曲線中可以看出，電壓值與煙霧濃度之間是非線性關系，為了實時顯示氣 體濃度，需要對其進行線性化處理，使顯示的煙霧濃度與實際誤差在5%范圍內。煙霧濃度與測量電壓值線性化示意圖如圖11所示。對曲線作線性化處理時，根據曲線的走勢，將煙霧濃度分成7段。各段曲線的直線方程為f(x) = f(xi) + (x - xi)f(xi+1)-f(xi)/xi+1xii =1,2,37 (4-2)其中，f(x)為實際煙霧檢測LEL濃度，x為實際煙霧檢測濃度對應的電壓值，xi是區間的下限濃度對應電壓值，xi+1是區間的上限濃度對應電壓值，f(xi)為區間下限點煙霧LEL濃度值，f(xi+1)為區間上限點煙霧LEL濃度值，根據公式4-2計算出7個直線方程式，如下：(1) 0%10%LEL