烟雾检测报警系统设计

烟雾检测报警系统设计 1 摘 要 当今世界已进入信息时代，在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。随着这些系统能力的增强，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。 为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对烟雾传感器的深入研究以及其用法与用途，本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一烟雾监控系统。 本论文以电阻式烟雾传感器和单片机技术为核心并与其他电子技术相结合， 设计出一种技术水平较好的烟雾报警器。其中选用MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现烟雾的检测，具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长。选用的STC12C5410AD单片机，其整合了A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器等资源，具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是目前同类技术中性价比较高的产品。 以STC12C5410AD单片机和MQ-2型半导体电阻式烟雾传 2 感器为核心设计的烟雾报警器可实现声光报警、故障自诊断、浓 度显示、报警限设臵、延时报警及与上位机串口通信等功能。该 烟雾报警器是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、 智能化的烟雾报警器，具有一定的实用价值。 关键词:传感器 ,烟雾报警器 ,STC12C5410AD单片机 ABSTRACT The world has entered the information age, in the course of the use of information, we must first resolve is to obtain accurate and reliable information, and sensor is to obtain information in the field of natural and production of the main ways and means. In modern industrial production, especially in automated production processes, use a variety of sensors to monitor and control the various parameters of the manufacturing process, so that equipment or the best work in the normal state, and to reach the best quality products. With the enhanced capacity of these systems, sensors have become increasingly important. Sensors have become automated systems and robotics in a key component, as the system 3 composed of a structure, its importance has become increasingly apparent. In order to improve awareness and understanding of the sensor, especially for smoke sensor in-depth research, and its use and purpose, this paper microcomputer with the sensor technology development and design of this smoke control system. In this thesis, smoke sensors and resistive technology as the core MCU and other electronic technology with the combination of skills to design a better smoke alarm. Which use MQ-2 combustible gas sensor type semiconductor Smoke Sensors detect smoke, have high sensitivity, fast response, the advantages of anti-interference ability, and low-cost, long life. Selected STC12C5410AD microcontroller, which integrates A / D conversion, hardware multiplier, the hardware resources such as pulse width modulator with a high speed, low power consumption, the advantages of superior anti-jamming, is similar in cost-effective high technology products. To STC12C5410AD microcontroller and MQ-2-type semiconductor resistance type smoke sensor as the core 4 design of the smoke alarm can achieve sound and light alarm, fault diagnosis, concentration display, alarm limit settings, delay alarm and serial communication with PC functions. The smoke alarm is a simple structure, stable performance, easy to use, inexpensive, intelligent smoke detectors, has some practical value. Keywords:sensors ; smoke alarm ; STC12C5410AD SCM 5 目 录 〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃1 摘要 〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃 〃〃2 ABSTRACT 第1章 绪论〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃6 1.1 概述〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃6 1.2 火灾报警器的发展趋势〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃6 1.3 小结〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃8 第2章 烟雾检测报警器的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃9 2.1 烟雾检测报警器设计思路〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃9 2.2 烟雾传感器的选型〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃9 2.2.1 烟雾传感器介绍〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃9 2.2.2 烟雾传感器的选定〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃10 2.3 烟雾检测报警器整体设计方案〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃12 2.3.1 烟雾检测报警器的结构〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃12 2.3.2 烟雾检测报警器工作原理〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃13 6 2.3.3 烟雾检测报警器的功能〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃14 2.4 小结〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃14 第3章 烟雾检测报警器的硬件设计〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃16 3.1 单片机的选型〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃16 3.1.1 单片机的选择〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃16 3.2 烟雾检测报警器硬件电路设计〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃18 3.2.1 信号采集及前臵放大电路〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃18 3.2.2 声音报警电路〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃19 3.2.3 数码管显示电路〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃20 3.2.4 状态指示灯及控制键电路〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃21 3.2.5 报警器故障自诊断电路〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃22 3.3 小结〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃23 第4章 烟雾检测报警器的软件设计〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃24 4.1 STC12系列单片机调试及开发工具〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃24 4.2 烟雾检测报警器软件流程及设计〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃24 4.2.1 主程序设计及流程图〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃25 4.2.2 主程序初始化流程图〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃26 4.2.3 中位值平均滤波法数字滤波子程序设计及流程图〃〃27 4.2.4 报警子程序设计及流程图〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃29 4.2.5 控制按键设计子程序及流程图〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃30 4.3 小结〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃30 第5章 实验检定及误差分析〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃32 7 5.1 烟雾检测报警器检定〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃32 5.1.1 爆炸概念介绍〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃32 5.1.2 实验数据分析〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃32 5.2 实验误差分析〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃33 5.3 小结〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃34 结论〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃34 致谢〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃36 参考文献〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃36 8 第1章 绪论 1.1 概述 现代建筑的特点是楼层不断加高，这主要是从缓解城市用地紧张的角度出发的，同时还便于集中供电、供热、供气，便于集中控制和管理。现在，不论是普通型,比如民用住宅,还是豪华型,比如高级宾馆,的高层建筑，都日益重视防火和安全技术的普及应用。因为其楼层多、人员密集，如果发生火灾，疏散困难，扑救也困难，势必造成严重的人员伤亡和财产损失。为了保障高层建筑安全可靠，必须设计出具有可靠性高、实时性好的火灾自动报警与消防系统，其要求是:,1,当有火情发生时，能以最快的速度检测报警，并能检测火情发生的具体地点,,2,经查实确认后，能及时的通报消防部门灭火,,3,系统本身应有自身故障检测的功能，保证自动报警系统功能完好,,4,较高的系统抗干扰能力，防止系统发生误报警。 目前，虽然已经有多种火灾自动报警系统，但大多还属于脱机方式，最终要靠人来联系消防部门，往往由于不能及时报警而造成重大损失。如果能够以在线的方式直接工作，将很大程度上减轻财产损失和人员伤亡。正是着眼于这一问题，力图从根本上解决问题，直接将信号通过无线传输技术发送给主控室或消防部门，达到第一时间救火的目的。 9 1.2 发展趋势 传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感器提出越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力。而现在科学技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。 纵观几十年来的传感技术领域的发展，不外乎分为两个方面:一是提高与改善传感器的技术性能，二是寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。提高与改变传感器的技术性能的途径: ,1,差动技术 差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地减小温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响等。不少传感器由于采用了差动技术，还可使灵敏度增大。 ,2,平均技术 在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应，其输出则是这些单元输出的平均值。可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，且可增大信号量，即增大传感器灵敏度。 ,3,补偿与修正技术 补偿与修正技术在传感器中得到了广泛的应用。这种技术的运用大致是针对下列两种情况。一种是针对传感器本身特性的，另一种是针对传感器的工作条件或外界环境的。 对于传感器特性，可以找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。 10 针对传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术措施。不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可观。为了解决这个问题，必要时可以控制温度，增加恒温装臵，但往往费用太高，或使用现场不允许。而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。这时应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。 补偿与修正，可以利用硬件来解决，也可以采用微型计算机通过软件来实现。 ,4,屏蔽、隔离与干扰抑制 传感器大都要在现场工作的，现场的条件往往是难以充分预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素将影响传感器的精度以及其他相关性能。为了减小测量误差，保证其原有性能，就应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响。其方法归纳起来有二:一是减小传感器对影响因素的灵敏度,二是降低外界因素对传感器实际作用。 ,5,稳定性处理 传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重要，其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无法定期鉴定的场合。 造成传感器性能不稳定的原因是:随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。 为了提高传感器性能的稳定性，应该对材料、元器件或传 11 感器整体进行必要的稳定性处理。 1.3 小结 现在的楼层不断加高，对于这类高层建筑，都日益重视防火的问题。如果安装了火灾报警系统，其可将信号通过无线传输技术发给消防部门，可以保障高层建筑的安全，将人员伤亡和财产损失降到最低。传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。几十年来的传感技术领域的发展，不外乎分为两个方面:一是提高与改善传感器的技术性能，二是寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。 本论文主要是有以下几个部分组成:第一章绪论,第二章烟雾检测报警器的方案设计,第三章烟雾检测报警器的硬件设计,第四章烟雾检测报警器的软件设计,第五章实验检定及误差分析,第六章总结,第七章致谢。 12 第2章 烟雾检测报警器的方案设计 2.1 烟雾检测报警器设计思路 烟雾检测报警器是能够检测环境中的烟雾浓度，并具有报警功能的仪器。 烟雾信号采集电路一般由烟雾传感器和模拟放大电路组成，将烟雾信号转化为模拟的电信号。模数转换电路将从烟雾检测电路送出的模拟信号转换成可识别的数字信号后送入单片机。单片机对该数字信号进行滤波处理，并对处理后的数据进行分析与处理。单片机对该数字信号进行滤波处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值，如果大于则启动报警电路发出报警声音，反之则为正常状态。为方便检测与监控，使仪器测试人员及用户能够直观地观察到环境中烟雾浓度值,可将浓度值送到显示屏中。 2.2 烟雾传感器的选型 烟雾传感器由敏感元件和转换元件组成，它将可燃性气体在空气中的含量转化成电信号，通过A/D转换电路，将模拟信号转换成数字信号后送到单片机，进而由单片机完成数据处理等工作。 13 2.2.1 烟雾传感器介绍 下面将目前广泛采用的分类方法作一个简单介绍。 首先，按传感器的工作机理，可分为物理型、化学型、生物型等。 其次，按构成原理，可分为结构型与物性型两大类。 结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。物理学中的定律一般是以方程式给出的。对于传感器来说，这些方程式也就是许多传感器在工作时的数学模型。这类传感器的特点是传感器的工作原理是以传感器中元件相对位臵变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。物性型传感器是利用物质定律构成的。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物性型传感器的性能随材料的不同而异。 第三，根据传感器的能量转换情况，可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器。能量控制型传感器，其能量需要外电源供给。能量转换型传感器，它不需要外电源。 第四，按照物理原理分类，可分为: ,1,电参量式传感器。,2,磁电式传感器。,3,压电式传感器。,4,光电式传感器,包括一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式等。,5,气电式传感器。,6,热电式传感器。,7,波式传感器,包括超声波式、微波式等。,8,射线式传感器。,9, 14 半导体式传感器。,10,其它原理的传感器等。 2.2.2 烟雾传感器的选定 ,1,根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 要进行具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题:1.量程的大小,2.对传感器体积的要求,3.测量方式为接触式还是非接触式,4.信号的引出方法，有线或是非接触测量。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。 ,2,灵敏度的选择 通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。反当灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但值得注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声就容易混入，并会被放大系统放大，影响测量精度。 ,3,频率响应特性 失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应越高，可测的信号频率范围就越宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大， 15 因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点响应特性，以免产生误差。 ,4,线性范围 传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先需看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。 ,5,稳定性 传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。 ,6,精度 16 传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的,如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。 半导体烟雾传感器的优点更加突出:灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，维护成本较低等。因此，本设计采用半导体烟雾传感器作为报警器烟雾信息采集部分的核心。而在众多半导体气体传感器中，本设计选用MQ-2型烟雾传感器，这种型号的传感器具备灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。 2.3 烟雾检测报警器整体设计方案 2.3.1 烟雾检测报警器的结构 报警器系统结构系统以单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、浓度显示、时间显示、状态显示、声音及闪烁报警、按键输入、故障自检等功能。报警器采用巡检的工作方式，进行两级报警值设定，并发出不同的光、声信号。系统应采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，保 17 证报警器的精确性及可靠性，而且最好体积小，成本低，有利于减少报警器的体积，降低报警器的成本。 图2-1 烟雾检测报警器的结构 2.3.2 烟雾检测报警器工作原理 传感器是通过测量空气中的正负电荷的平衡来工作的。在传感器内部，有一小片放射性物质，这种物质能在感应室内流动的空气中产生一股微小的电流。在线路板上，有一个电脑芯片用来监测这股电流。当烟雾粒子进入到感应室后，就会扰乱那里的正负电荷的平衡，同时也会使这股电流发生变化。当烟雾逐渐加重，正负电荷的不平衡性就会加强。当这种平衡性达到一定的限度，喇叭就会响起。 首先，传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过放大，转化成较大的电压信号送入单片机,然后， A/D转换，浓 18 度比较，对数据进行线性化处理， 将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值,最后，将实际可燃性气体浓度送入液晶，并判断浓度值是否超出报警限，当浓度处于正常状态绿灯长亮，当烟雾浓度超出设定的限定值时，发出声音报警并伴随红灯闪亮。 2.3.3 烟雾检测报警器的功能 (1)自诊断故障报警功能 当传感器加热丝或者电缆线发生断线或者接触不良的情况时，报警器发出警报，并且黄色指示灯闪烁，提醒用户检查传感器或者电路线接触情况，及时排除故障，保证安全。 (2)烟雾浓度显示 通过液晶屏显示可燃烟雾的浓度值，并且可以切换到设臵状态，通过键盘设臵或者更改报警限值，以便于用户或检测人员随时观测烟雾浓度及更改报警限。 (3)烟雾报警功能 当烟雾浓度连续20秒取值都在报警限值之上，蜂鸣器开始报警，声音越来越急促，并且伴随红灯闪烁。 (4)防止报警器误报功能 快速重复检测及延时报警可以区别出是管道中可燃烟雾的泄漏，还是由于打开阀门时的微量烟雾的散失。 (5)看门狗自检单片机状态功能 19 调用单片机中的看门狗程序，定时检查单片机工作状态，一旦发现单片机出现死循环状态，立即复位，保证报警器工作正常。 (6)与上位机通讯功能 可以实现与计算机串口通讯，对报警器采取统一控制，以及便于采集和处理数据，也可以在计算机上更改报警限值等。 2.4 小结 烟雾检测报警器是能够检测环境中的烟雾浓度，并具有报警功能的仪器。此电路是将烟雾信号转化为模拟的电信号，再转换为可识别的数字信号后送入单片机并且对该信号的数据进行分 析与处理。烟雾传感器的选定可以从以下几个方面入手:,1,根据测量对象与测量环境确定传感器的类型,,2,灵敏度的选择,,3,频率响应特性,,4,线性范围,,5,稳定性,,6,精度。 烟雾检测报警器工作原理:传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过放大，转化成较大的电压信号送入单片机,然后， A/D转换，浓度比较，对数据进行线性化处理， 将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值,最后，将实际可燃性气体浓度送入液晶，并判断浓度值是否超出报警限，当浓度处于正常状态绿灯长亮，当烟雾浓度超出设定的限定值时，发出声音报警并伴随红灯闪亮。 20 21 第3章 烟雾检测报警器的硬件设计 3.1 单片机的选型 3.1.1 单片机的选择 单片机是烟雾检测报警器的核心部件，一方面它要接收来自传感器的烟雾浓度的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对两种信号分别进行处理，控制后续电路的相应工作,同时，查询是否有键按下的命令。在单片机实现的功能中，将模数转换后的信号做数字滤波，再进行线性化处理，然后送LCD显示，这一过程的软件实现，需要单片机有较快的运算速度，使仪表监测人员能够观测到实时的烟雾浓度，并进行相应处理。 STC12C5410AD单片机较以往的单片机提高了工作效率，使系统的可靠性、抗干扰能力得到了显著改善，而且进一步小型化和便携化。 22 STC12C5410AD单片机具有以下特点: (1) Flash存储器 STC12C5410AD Flash存储器为10KB。 Flash存储器主要用作程序存储，可经计算机串口接口下载程序;程序运行时能对其中的1段或多段进行擦、写操作，因此兼有数据存储器功能。Flash存储器的掉电保护功能可以按字或字节读写，最小擦除单位为1段，经过擦除的位为1，写入位为0。 (2)脉宽调节模式 所有PCA模块都可用作PMW输出。输出频率取决于PCA定时器的时钟源。由于所有模块共用仅有的PCA定时器，所有它们的输出频率相同。当CL SFR的值小于时，输出为低，当CL SFR的值等于或大于时，输出为高。当CL的值由FF变为00溢出时，这样就可实现无干扰地更新PWM。 (3) I/O口工作类型设臵 STC12C5410AD带有24个I/O引脚，它的I/O与传统的I/O不同，每个I/O口均可由软件设臵成4种工作类型之一，使得功能口和通用I/O口复用。4种类型分别为:准双向口、推挽输出、仅为输入(高阻)和开漏输出功能。在对同一个I/O口进行操作前要选择其要实现的功能，这样大大地增强了端口的功能和灵活性。其中一些I/O口还可以与STC12C5410AD中的特殊模块相结合完成更为复杂的工作。如与捕获比较模块相结合可以实现串行通信，与A/D模块结合实现A/D转换等。此外， 23 STC12C5410AD的I/O端口电气特性也十分突出，几乎所有的I/O口都有20mA的驱动能力，对于一般的液晶显示屏、蜂鸣器可以直接驱动而无需辅助电路。许多端口内部都集成了上拉电阻，可以方便地与外围器件相接。 (4) A/D模数转换寄存器 STC12C5410AD单片机的A转换口在P1口(P1.7:P1.0)，有8路10位高速A/D转换器，STC12C5410AD系列是10位精度的A/D，速度均可达到1OOKHz(10万次/秒)，可以完成温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等功能。上电复位后P1口是弱上拉型的I/O口，可以通过软件设臵将8路中的任何一路设臵为A/D转换，不需作为A/D使用口可继续作为I/O口使用。这样，A/D转换和I/O口可以灵活的运用，节省了软件及时间。 (5)有配套的仿真开发工具 STC12C5410AD的Flash存储器给用户的开发带来方便。用户可以将芯片焊接在线路板上后进行下载程序、调试程序和修改程序。同时，STC12C5410AD的片内已集成了程序断点控制等逻辑功能。因此，它的开发工具较为简单。仿真器与 STC12C5410AD经串口连接。因此，用户只要在设计应用系统时为调试需要预留好STC12C5410AD的串口接口的引出插座，即可实现系统的程序下载调试、系统现场编程硬件仿真或软件升级功能，而且无需外加编程电压。 24 3.2 烟雾检测报警器硬件电路设计 3.2.1 信号采集及前臵放大电路 传感器输出信号一般比较微弱，需要经过前臵电路对其进行放大、滤波、电平调整，满足单片机对输入信号的要求。 下面详细介绍运算放大电路: 如图3-1所示，从传感器的上端出来的信号Vi经过运算放大器的同相输入端，但是为保证引入的是负反馈，输出电压Vo通过电阻R4接到反相输入端，同时，反相输入端通过电阻R3接到参考电压。 同相比例运算电路有以下几个特点: ,1,同相比例运算放大电路是一个深度的电压串联负反馈电路。 ,2,电压放大倍数，即输出电压与输入电压的幅值成正比，且相位相同，所以此电路实现了同相比例放大。 ,3,由于引入了深度电压串联负反馈，因此电路的输入阻抗很高，输出阻抗很低。高输入阻抗就可以减少放大电路对前端电路的影响，同时低输出阻抗也可以提高自身的抗干扰性，这显然有利于电路中其他模块的设计。 25 图3-1 信号采集及前臵放大电路 3.2.2 声音报警电路 声音报警电路图如图3-2所示。报警装臵采用无源压电式KM3712x型蜂鸣器，较一般的蜂鸣器体积大，声音响亮，适用于家用煤气报警器的报警声音源。当单片机STC12C5410AD的17脚(P3.7)接至R6端口并臵1时，三极管导通，蜂鸣器报警。当臵0时，三极管不导通，蜂鸣器不报警。 26 ,a, (b) 图3-2 声音报警电路 3.2.3 数码管显示电路 数码管显示电路中:a端口与P2.0相连接,b端口与P2.1相连接,c端口与P2.2相连接,d端口与P2.3相连接,e端口 与P2.4相连接,f端口与P2.5相连接,g端口与P2.6相连接,dt端口与P2.7相连接。 27 图3-3 数码管显示电路 28 3.2.4 状态指示灯及控制键电路 状态指示灯及控制键电路图如图3-4和3-5所示。单片机STC12C5410AD的18脚(P1.0)、12脚(P2.4)、13脚(P2.5)，控制输出的状态指示灯。绿灯常亮表示正常状态，环境中可燃烟雾浓度极低。黄灯闪亮表示传感器加热丝或者电缆发生断线或者接触不良。红灯闪亮表示环境中可燃烟雾浓度超过报警限值，提醒用户尽快作相应安全措施。 当烟雾浓度超过报警限，报警器发出鸣叫，用户到达现场，可按下按键停止报警器鸣叫。若过一段时间浓度仍超出报警限，报警器会再次鸣叫提醒用户。 图3-4 状态指示灯电路图 29 图3-5 控制按键连接示意图 3.2.5 报警器故障自诊断电路 (1)判断传感器电源连接情况 在传感器的地端串联一个电阻R6。当传感器正常连接时，电阻和传感器分压，此时电阻两端有微弱的电压，单片机可以通过P1.1(AD)口检测到, 如果传感器电源连接不正常，则会产生断路，检测到电阻两端电压为0。 图3-6 传感器电源连接自诊断电路 (2)判断传感器信号端连接情况 另一种情况是判断传感器信号端是否连接正确，此时不需要外加电路，在传感器预热2分钟后，测量传感器信号的输出电压，如果电压为5V，则说明传感器的信号端连接不正常。 30 当报警器自诊断发现传感器连接不正常，就会发出长鸣声音警报，并伴随黄灯闪烁，提醒用户及时排除传感器连接问题。 3.3 小结 单片机是烟雾检测报警器的核心部件，一方面它要接收来自传感器的烟雾浓度的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对两种信号分别进行处理，控制后续电路的相应工作,同时，查询是否有键按下的命令。在单片机实现的功能中，将模数转换后的信号做数字滤波，再进行线性化处理，然后送LCD显示，这一过程的软件实现，需要单片机有较快的运算速度，使仪表监测人员能够观测到实时的烟雾浓度，并进行相应处理。本论文运用 STC12C5410AD单片机，此单片机可靠性高，抗干扰能力强。 在本章节中也包含了信号采集及前臵放大电路，声音报警电路，数码管显示电路，状态指示灯及控制键电路和报警器故障自诊断电路。 31 第4章 烟雾检测报警器的软件设计 32 4.1 STC12系列单片机调试及开发工具 本系统的软件编程使用的是美国Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。 C51工具包的整体结构中，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经C51连接定位生成绝对目标文件。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器中。 STC12系列单片机下载程序使用的是STC单片机ISP下载编程软件。ISP工具的功能主要是将由PC机串接来的8位并行数据与单片机的串行数据进行相互转换，以实现PC机与STC12C5410AD的RXD及TXD口通讯。当用户将源程序经语法检查无误并生成代码时，就可以将程序代码下载到Flash芯片中，而用户的系统可以是在线状态。 用户可以通过调试环境软件的人机对话界面，检查或修改Flash芯片内的各种存储器、寄存器的数据。 33 4.2 烟雾检测报警器软件流程及设计 本论文中，软件解决的主要问题是检测烟雾传感器的烟雾浓度信号，然后对信号进行AD转换，数字滤波，线性化处理，段式液晶浓度显示，按键功能设臵，以及报警器声光警报。 4.2.1 主程序设计及流程图 主程序流程图如图4-1所示。首先要给传感器预热三分钟，因为MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器在不通电存放一段时间后，再次通电时，传感器不能立即正常采集烟雾信息，需要一段时间预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。 STC12C5410AD单片机对传感器检测的烟雾浓度信号进行A/D转换、平均值法滤波、线性化处理后，将浓度值与报警限设定值相比较，判断是否报警。同时送入段式液晶显示烟雾浓度值。主程序还包括状态指示灯及按键功能设臵，中断子程序等，使报警器功能更加完善，给用户带来便利。 34 图4-1 主程序流程图 4.2.2 主程序初始化流程图 给传感器预热后，程序开始执行初始化子程序，这部分实现的功能包括各种I/O口输入输出状态的设定、寄存器初始化等。 35 首先设定定时初值50ms，利用IAP写入EEPROM，作为取值间隔。然后设臵定时器0，选择方式1。方式1状态下定时器的工作寄存器TH1、TL1是全16位参与操作。接下来定时器0中断允许位臵1，打开定时器0，关闭蜂鸣器，开启绿灯，设臵报警限初值。 图4-2 主程序初始化流程图 4.2.3 中位值平均滤波法数字滤波子程序设计及流程图 在烟雾传感器对烟雾浓度采样时，可能会遇到尖脉冲干扰的现象。干扰通常只影响个别采样点的数据，此数据与其他采样点 36 的数据相差比较大。 如果采用一般的平均值法，则干扰将“平均”到计算结果上去，故平均值法不易消除由于脉冲干扰而引起的烟雾浓度采样值的偏差。 为此，可采取中位值平均滤波法(又称防脉冲干扰平均滤波法)，先对N个采样数据进行比较，去掉其中的最大值和最小值，然后计算余下的数据的算术平均值。这种方法既可滤去脉冲干扰又可滤去小的随机干扰。保证报警器检测烟雾浓度的准确性，减小误报、错报的可能。 在实际应用中，N可取任何值，但为了加快测量计算速度，本论文数字滤波的设计中N取10。即调用A/D连续进行10次采样，去掉其中的最大值和最小值，计算其余8个值的平均值，将这个平均值送入寄存器。 37 图4-3 中位值平均滤波法程序流程图 4.2.4 报警子程序设计及流程图 当烟雾浓度超过报警设定值时，报警器发出一种近似警笛的鸣叫声，对应通道的红灯闪亮，以提示操作人员采取安全对策或 38 自动控制相关安全装臵，从而保障生产安全，避免火灾和爆炸事故的发生。为防止误报，在程序设计上，对烟雾浓度进行快速重复检测和延时报警，以区别出是管道中烟雾的泄漏，还是由于暂短打开阀门产生的可燃烟雾的微量散失，防止误报。 图4-4 报警子程序流程图 39 4.2.5 控制按键设计子程序及流程图 本报警器设计附加一个按键，功能分别为:确定(消音)。 图4-5 键盘处理子程序流程图 4.3 小结 主程序设计及流程图:STC12C5410AD单片机对传感器检测的烟雾浓度信号进行A/D转换、平均值法滤波、线性化处理后，将浓度值与报警限设定值相比较，判断是否报警。主程序初始化流程图:首先设定定时初值50ms，利用IAP写入EEPROM， 40 作为取值间隔。然后设臵定时器0，选择方式1。方式1状态下定时器的工作寄存器TH1、TL1是全16位参与操作。接下来定时器0中断允许位臵1，打开定时器0，关闭蜂鸣器，开启绿灯，设臵报警限初值。中位值平均滤波法数字滤波子程序设计及流程图:先对N个采样数据进行比较，去掉其中的最大值和最小值，然后计算余下的数据的算术平均值。这种方法既可滤去脉冲干扰又可滤去小的随机干扰。报警子程序设计及流程图:当烟雾浓度超过报警设定值时，报警器发出一种近似警笛的鸣叫声，为防止误报，在程序设计上，对烟雾浓度进行快速重复检测和延时报警，以区别出是管道中烟雾的泄漏，还是由于暂短打开阀门产生的可燃烟雾的微量散失，防止误报。 41 第5章 实验检定及误差分析 5.1 烟雾检测报警器检定 5.1.1 爆炸概念介绍 “LEL”是指爆炸下限。 可燃烟雾在空气中遇明火种爆炸的最低浓度，称为爆炸下限，简称LEL。可燃烟雾在空气中遇明 42 火种爆炸的最高浓度，称为爆炸上限,简称UEL。 烟雾的浓度过低或过高时是没有危险的，只有与空气混合形成混合气体才会发生燃烧或爆炸。燃烧是伴有发光发热的激烈氧化反应，它必须具备三个要素:可燃物,燃气,,助燃物,氧气,,点火源,温度,。可燃气的燃烧可以分为两类， 一类是扩散燃烧，即挥发的或从设备中喷出、泄漏的可燃气，遇到点火源混合燃烧。另一类燃烧，是可燃气与空气混合着火燃烧，这种燃烧反应激烈而速度快，一般会产生巨大的压力和声响，又称之为爆炸。 有关权威部门和专家已经对目前发现的可燃气作了燃烧爆炸分析，制定出了烟雾的爆炸极限，它分为爆炸上限和爆炸下限。低于爆炸下限，混合气中的可燃气的含量不足，不能引起燃烧或爆炸，高于上限混合气中的氧气的含量不足，也不能引起燃烧或爆炸。另外，可燃气的燃烧与爆炸还与烟雾的压力、温度、点火能量等因素有关。爆炸极限一般用体积百分比浓度表示。 爆炸极限是爆炸下限、爆炸上限的总称，可燃烟雾在空气中的浓度只有在爆炸下限、爆炸上限之间才会发生爆炸。低于爆炸下限或高于爆炸上限都不会发生爆炸。本设计中设定甲烷的爆炸下限为10%体积比，对应的报警限设在20%LEL，也就是甲烷含量为2%体积比时报警器报警。 5.1.2 实验数据分析 因为家用煤气中主要成分为甲烷，所以本实验在烟雾标定 43 时，选用甲烷烟雾。经实验检定，实际烟雾浓度与显示浓度误差对比如表5-1所示: 浓度浓度误差 浓度浓度误差 ,%LEL, ,%LEL, 0 0 50 5 5 3 55 3 10 -1 60 0 15 4 65 2 20 3 70 3 25 -1 75 5 30 5 80 -2 35 3 85 4 40 2 90 3 45 5 95 5 表5-1 实际烟雾浓度与显示浓度误差 显示烟雾浓度与实际浓度之间的误差在所规定误差范围?5%之内。因此，本论文中的可燃性报警器满足检测要求。 44 5.2 实验误差分析 硬件误差主要来自以下四个方面: (1)传感器非线性误差 本系统选用MQ-2型半导体陶瓷式烟雾传感器，烟雾浓度与输出电压存在定的非线性，使用折线插值方法进行线性化处理。 (2)电子元器件参数的离散性、温度不稳定性造成的误差 传感器输出信号一般比较微弱，需要过数据采集前臵电路对其进行放大、滤波、电平调整，满足单片机对输入信号的要求。运放误差是造成前臵放大误差的主要原因，运放的输入失调电压，输入失调电流是影响电路精度的重要因素。 本设计选用高输入阻抗、低噪声的放大器，可以满足要求。另外所选的阻容器件都是经过精确测量后再焊接上去的，并经过仔细调试以获得最佳性能。 (3)电源造成的误差 虽然系统采用直流电源供电，但电源不可避免地残留一定的交流成分而形成噪声信号.它们对测控系统的正常运行危害很大。本系统选用ACDC电源模块，将220V市电转化为5V直流电压，分别给模拟电路和数字电路供电。 (4)环境、外部噪声引起的误差 环境因素包括环境温度、湿度、空气中的尘埃等。对本系统来说，空气中的成分对系统的探头和单片机及其外围电路影响很小，在进行测量时不用进行补偿。但环境温度、湿度对传感器有 45 一定的影响。但是温湿度的影响相对于系统5%LEL的精度要求，可以忽略不计。另外，系统还受到各种外部电磁噪声的干扰，设计上，把探测器与控制器之间的信号线用屏蔽电缆连接。在电路板布线时，注意抗干扰设计。 5.3 小结 首先，在本章的开头介绍了爆炸的下限与上限的概念，其次，说明了爆炸与哪些因素有关并且说明了在本设计中报警器报警的范围。最后说明了硬件的误差来自四个方面:(1)传感器非线性误差,(2)电子元器件参数的离散性、温度不稳定性造成的误差,(3)电源造成的误差,(4)环境、外部噪声引起的误差。 结 论 烟雾检测报警器可保障生产与生活的安全，避免火灾和爆炸事故以及煤气中毒的发生，它是防火、防爆和安全生产所必备的仪器，具有广阔的市场空间与发展前景。 本论文在对烟雾传感器和报警技术进行深入研究的基础上，全面比较国内外同类产品的技术特点，合理地确定系统的设计方案。并对仪器的整体设计和各个组成部分进行了详细的分析和设计。 本论文设计的烟雾报警器由烟雾信号采集电路与单片机控制电路两大部分构成。 根据设计要求、使用环境、成本等因素，选用MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器。该传感器是对以烷类烟雾为主的多种烟雾有良好敏感特性的广谱型半导体敏感器件。它的灵敏度适中，具有响应与恢复特性好，长期工作稳定性、重现性、不易受环境影响及抗温湿度影响等优点。 46 在系统单片机控制电路的设计上，采用了高性能、高整合度的STC12C5410AD单片机作为核心芯片，充分利用了其高速数据处理能力和丰富的片内外设，实现了仪器的小型化和智能化。使仪器具有结构简单、性能稳定、体积小、成本低等优点。由于烟雾传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反应越快，响应时间和恢复时间就越快。为提高响应，保证传感器准确地、稳定地工作，需要向烟雾传感器持续供给5V的加热电压。为了保证传感器加热工作的可靠性，当传感器加热丝断线或传感器接触不良时，能够进行故障报警。 烟雾报警器能在较宽的温度范围工作，可将烟雾浓度显示用LCD显示。当烟雾的浓度达到设定的浓度时，发出声光报警。还具有故障自诊断功能快速重复检测和延时报警功能。报警器还可以与上位机(PC)进行通信，实时传输烟雾浓度检测数据，由上位机记录保存，也可以利用上位机完成实现远程实时检测和控制等功能。 在本论文研制的报警器的基础上，可以再做适当的功能扩展，使可燃性烟雾报警器的功能更加完善，安全性更高，使用更加方便等。为了能够进一步提高安全性，可以在自动声光报警的基础上，实现带动烟雾管道关断等功能。 采用中位值平均数字滤波算法对经A/D转换后的数字信号进行滤波处理。这种方法既可滤去脉冲干扰又可滤去小的随机干扰，不但最大限度地排除现场噪声干扰，降低烟雾报警器误报概率，而且易于在单片机中实现。 通过现场标定及测试，分析烟雾浓度信号的实验数据，计算本报警器显示烟雾浓度与实际浓度之间的误差在所规定误差范围?5%之内，满足检测要求，达到了预期的设计效果的结论。 致 谢 回忆我在南京工程高等职业学校电子工程系学习的四年中，最令我难忘的是陈娟老师，学识渊博，品德高尚，平易近人。无论是在理论学习阶段，还是在论文的选题、资料查询、开题、研究和撰写的每一个环节，无不得到导师的悉心指导和帮助。借此机会我向导师表示衷心的感谢,同时，我要感谢授课的各位老师，正是由于他们的传道、授业、解惑，让我学到了专业知识，并从 47 他们身上学到了如何求知治学、如何为人处事。我也要感谢我的母校，是她提供了良好的学习环境和生活环境，让我的生活丰富多姿，为我的人生留下精彩的一笔。另外，我还要感谢我的 班主任 高三班主任计划七年级班主任计划初中七年级班主任计划初二班主任计划高一班主任计划 。我愿在未来的学习和研究过程中，以更加丰厚的成果来答谢曾经关心、帮助和支持过我的所有领导、老师、同学、和朋友。明天，将是我终身学习另一天的开始, 参考文献 [1]陈连生. 可燃烟雾探测器及其设臵安装要领. 石油工程建设.23-25 [2]张保卫, 尚家峰, 赵金水. 燃气报警器的分类与选择. 山东消防, 27-28 [3]彭军. 传感器与检测技术. 西安电子科技大学出版社, 263-315 [4]李永生, 杨莉玲. 半导体气敏元件的选择性研究. 传感器技术, 1-3 [5] 蔡文斋. 专业级串口调试器设计. 现代电子技术, 69-72 [6]郑郁正. 单片机原理及应用. 四川大学出版社, 25-56 [7]成伟, 郝跃, 马晓华, 刘红侠. 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