自动化毕业设计基于STC12C5412AD单片机的火灾自动报警系统设计

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1、本科毕业论文（设计）基于STC12C5412AD单片机的火灾自动报警系统设计所 在 学 院 信息科学技术学院 专 业 名 称 自动化 申请学士学位所属学科 工 学 年 级 2008级 摘 要目前，随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，由此引起的火灾也越来越多，在我们生活的四周到处潜伏着火灾隐患。为了避免火灾以及减少火灾造成的损失，我们必须按照“隐患险于明火，防患胜于救灾，责任重于泰山”的概念设计和完善火灾自动报警系统，将火灾消灭在萌芽状态，最大限度地减少社会财富的损失。本论文以电阻式烟雾传感器和单片机技术为核心并与其它电子技术相结合， 设计出一种技术水平较好的烟雾报警器。其中选用MQ-2型

2、半导体可燃气体敏感元件的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STC12C5412AD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STC12C5412AD单片机和MQ-2型半导体电阻式烟雾传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、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。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：烟雾，报警器，STC12C5412AD，传感器IVAb

3、stractABSTRACTAt 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 extremel

4、y 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

5、of 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, ha

6、rdware 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 cor

7、e 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 alar

8、m, has a certain practical value.Key words: Smog, alarm, STC12C5412AD, sensor目录目 录1 引言11.1 概述11.2 发展趋势11.3 现状及特点22 烟雾检测报警器的方案设计22.1 烟雾检测报警器设计思路22.2 烟雾传感器的选型32.3 烟雾检测报警器整体设计方案73 烟雾检测报警器的硬件设计93.1 单片机的选型103.2 烟雾检测报警器硬件电路设计114 烟雾检测报警器的软件设计164.1 STC12系列单片机调试及开发工具164.2 烟雾检测报警器软件流程及设计175 实验检定及误差分析255.1 烟雾检

9、测报警器检定255.2 实验误差分析286 结束语30参考文献31致 谢32本科毕业论文（设计）1 引言1.1 概述 火灾自动报警系统，一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成；也可以根据工程的要求同各种灭火设施和通讯装置联动，以形成中心控制系统。即由自动报警、自动灭火、安全疏散诱导、系统过程显示、消防档案管理等组成一个完整的消防控制系统。 火灾探测器是探测火灾的仪器，由于在火灾发生的阶段，将伴随产生烟雾、高温格火光。这些烟、热和光可以通过探测器转变为电信号报警或使自动灭火系统启动，及时扑灭火灾。区域报警器能将所在楼层之探测器发出的信号转换为声光报警，并在屏幕上显示出火灾的房间号；同时还能

10、监视若干楼层的集中报警器（如果监视整个大楼的则设于消防控制中心）输出信号或控制自动灭火系统。集中报警是将接收到的信号以声光方式显示出来，其屏幕上也具体显示出着火的楼层和房间号，机上停走的时钟记录下首次报警的时间，利用本机专用电话，还可迅速发出指示和向消防队报警。此外，也可以控制有关的灭火系统或将火灾信号传输给消防控制室。1.2 发展趋势 二十多年前，中国的消防报警产品刚刚起步，无论产品技术含量、产品系列完整性、使用性，还是社会影响程度都是相当低的。国外的产品和品牌一统天下，占领中国的大部分市场。由于中国的建设正在飞速发展，市场大的惊人，难道这由中国发展带来的成果只能由外国企业来瓜分？可幸的是中

11、国企业抓住了机遇，顶住了挑战，先是一批国家的科研院所，后是一批国营企业、民营企业，业内也吸引和凝聚一大批国内的技术和管理精英，花了十多年时间，通过几次产品更新换代，就使自己的产品紧紧跟上了国际水平，并且夺回了大部分国内市场，使得现在大多国外产品只有招架之功，这是典型的自力更生，走自己的路。当然目前而言，我们基本占据的是国内市场，对外还刚启动。中国企业正虎视眈眈，准备进军海外市场。1.3 现状及特点消防报警产品是一个系列产品，包括火灾探测设备、信息传输设备、报警分析控制器、消防控制联动。是物理传感技术、自动控制、计算机技术、数据传输和管理、智能楼宇等技术的综合集成，属于高新技术。依托中国多年的基

12、本建设的发展，这个行业也得到发展，具备了和国外知名企业抗衡的能力。在目前中国许多冠名以高新技术的行业中，中国企业大多做的是下游的制造和服务，分取极少一部分的利润，像消防报警产品那样又拥有自主知识产权，又拥有大量市场的行业其实是很少的。在消防报警产品的技术含量上，国内产品和国外产品差距不是很大，许多指标已经超越，存在的问题是：类似于国外消防报警产品的大批量规模化的生产才刚起步，有待于积累经验和技术；也因此在产品一致性和长期稳定性上有一些差距；国内正在形成权重的大型企业和集团，这样可以带领国内的各家企业去冲击海外市场，并最终占领海外的消防报警市场。2 烟雾检测报警器的方案设计2.1 烟雾检测报警器

13、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，仪器的最基本组成部分应包括：烟雾信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。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单片机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，是否大于或等于某个预设值(也就是报警限)，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的可燃烟雾浓度值，可将浓度值送到显示屏中。方便调节报警限，可以加入按键。

14、为使报警装置更加完善，可以在声音报警基础上，加入光闪报警， 变化的光信号可以引起用户注意，弥补嘈杂环境中声音报警的局限。以上是根据报警器应具备的功能提出的整体设计思路。烟雾传感器及单片机是可燃烟雾检测报警器的两大核心，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的烟雾传感器及单片机芯片是至关重要的。烟雾传感器的选型在下一节详细介绍。单片机作为硬件电路的核心，它的选型将在第三部分详述。2.2 烟雾传感器的选型 烟雾传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量(即浓度)转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理

15、及报警控制等工作。传感器作为烟雾检测报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。由此可见，传感器的选型是非常重要的。2.2.1 烟雾传感器介绍 (1) 烟雾传感器的分类 烟雾传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类10： (a)利用物理化学性质的烟雾传感器：如半导体烟雾传感器、接触燃烧烟雾传感器等。 (b)利用物理性质的烟雾传感器：如热导烟雾传感器、光干涉烟雾传感器、红外传感器等。 (c)利用电化学性质的烟雾传感器：如电流型烟雾传感器、电势型气体传感器等。 (2) 烟雾传感器应满足的基本条件一个烟雾传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成

16、的阵列。但是，任何一个完整的烟雾传感器都必须具备以下条件： (a)能选择性地检测某种单一烟雾，而对共存的其它烟雾不响应或低响应； (b)对被测烟雾具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的烟雾浓度；(c)对检测信号响应速度快，重复性好；(d)长期工作稳定性好； (e)使用寿命长； (f)制造成本低，使用与维护方便。 (3) 常见烟雾传感器简介 下面对工业上常用的几种烟雾传感器作简单介绍5。 (a) 半导体烟雾传感器半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器，以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器。自1962年半导体金属氧化物烟雾传感器问世以来，由于其具有灵敏度高、响应快

17、、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的烟雾传感器之一。按照敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。 (b) 接触燃烧式传感器 当易燃烟雾接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧，故得名接触燃烧式传感器。接触燃烧式烟雾传感器的检测元件一般为铂金属丝(也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层)，使用时将铂丝通电，保持300C400C的高温，此时若与烟雾接触，烟雾就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道烟雾的浓度。 (c) 高分子烟雾传感器 利用高分子气敏

18、材料制作的烟雾传感器近年来得到很大的发展。高分子气敏材料在遇到特定烟雾时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。高分子气敏材料由于具有易操作性、制作工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声波器件相结合，在毒性烟雾和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。高分子烟雾传感器具有对特定烟雾分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它烟雾传感器的不足。 (d) 热传导传感器 热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。它的测量原理是：将加热后的铂电阻线圈置于目标烟雾中，由于向目标烟雾传送热量造成温度降低，引起电阻

19、值变化，传感器即测量电阻值的变化情况。温度的变化情况是目标烟雾热传导率的函数，而对于一种给定的烟雾或汽化物，热传导率是它固有的物理特性。表2-1各类烟雾传感器及其可检测的气体种类传感器种类C0CO2 H2S NH3 HCNHCICOCI2CI2 NOX SO2O2CH4C3H2H2H2O半导体气体传感器固体电解质传感器接触燃烧式传感器电化学式传感器高分子电解质气体传感器注：好 不太好 （e）红外传感器 红外传感器通常用两束红外光进行烟雾测量，主光束通过测量元件内的目标烟雾，参考光束通过比较元件内的参考烟雾。在测量和比较元件中，红外射线被烟雾有选择地吸收了。未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一

20、个正比于目标烟雾浓度的差分信号。非扩散式红外探测器NDIR (non-dispersive IR )是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。 不同的烟雾吸收不同波长的IR，所以传感器根据目标烟雾而调整，典型应用包括测量CO和CO2、冷冻剂烟雾和一些易燃气。由于非碳氢化合物易燃烟雾(如氢)不吸收电磁谱中IR部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物，并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其它烟雾的腐蚀以及高浓度目标烟雾的影响。(4) 常见烟雾传感器可检测烟雾种类 由于烟雾的种类繁多，一种类型的烟雾传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的烟雾。例如氧化

21、物半导体烟雾传感器主要检测各种还原性烟雾，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固体电解质烟雾传感器主要用于检测无机烟雾，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。表2-1简要列举出已经研究、开发的各类烟雾传感器及其可检测的气体种类。2.2.2 烟雾传感器的选定烟雾检测报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气站、喷漆作业等易发生可燃烟雾泄漏的场所，根据报警器检测烟雾种类的要求，一般选用接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器8。使用接触燃烧式传感器，它的探头的中毒和阻缓是常出现的问题。中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。

22、当怀疑检测环境中存在这些物质时，经常对探头进行标定，是必须且有效的办法。阻缓是当在烟雾与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓、灵敏度降低。虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致传感器最终丧失检测烟雾的能力。 因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，无形中加大了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。半导体烟雾传感器包

23、括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器，它具有灵敏度高、响应快、体积小、结构简单、使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用7。半导体烟雾传感器的性能主要看其灵敏度、选择性(抗干扰性)和稳定性(使用寿命)。 经过对比上述两种烟雾传感器的应用特性，发现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、价格便宜且不会发生探头阻缓及中毒现象、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。而在众多半导体烟雾传感器中，本设计选用MQ-2型烟雾传感器，这种型号的传感器不但具备一般半导体烟雾传感器灵敏度

24、高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点，还具有探测范围广的特点。2.3 烟雾检测报警器整体设计方案 2.3.1 烟雾检测报警器工作原理 本论文中的烟雾检测报警器以STC12C5412AD单片机为控制核心，采用MQ-2型电阻式半导体传感器采集烟雾信息。 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STC12C5412AD单片机；然后，在STC12C5412AD单片机内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

25、定的限定值时，发出声音报警并伴随红灯闪亮4。另外，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。为提高响应时间，保证传感器准确稳定地工作，报警器需要向烟雾传感器持续输出一个5V的电压。为了保证其可靠性，在输出5V的电压的同时，进行故障监测。当传感器加热丝或电缆线和传感器断线或接触不良时，进行故障报警，发出声光报警信号。当然几种状态的报警信号是各不相同的。2.3.2 烟雾检测报警器的结构 为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的可燃性烟雾报警器应不仅能在较宽的温度范围工作，而且应具有显示可燃烟雾浓度、故障自诊断、延时报警功能及可接计算机进行现场

26、远测和实时控制等功能。其目标是在传统的烟雾报警器的基础上，尽量提高准确性、降低成本、缩小体积。 报警器系统结构框图如图2-1所示，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。单片机状态指示灯灯声音报警浓度显示四个按键串口通信安全控制装置A/D转换放大电路传感器图2-1报警器系统结构框图2

27、.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，并且可以切换到设置状态，通过键盘设置或者更改报警限值，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，且声音越来越急促，并且伴随红灯闪烁。因为人对变化的信号更为敏感，所以变化的声音及灯光更容易引起用户的注意。 (4)防止报警器误报功能 快速重复检测及延时报

28、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 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。 (7)自动控制相关安全装置的扩展功能 留有继电器接口，可以带动排风扇或大功率蜂鸣器，也可以控制管道电子阀门，可在报警的同时自动启动相关安全装置。 3 烟雾检测报警器的硬件设计在报警器的设计中，单片机是其核心部件。它一方面要接收来自传感器送来的烟雾浓度对

29、应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，控制后续电路进行相应动作；与此同时查询是否有键按下的请求。在单片机完成这些的工作中，尤其是信号处理中，比较浓度值后送入显示的软件实现比较复杂，要求单片机具备较快的运算速度，使检测人员能够较准确地观测到烟雾浓度，并根据情况做进行相应处理。并且也要考虑选择低价实用的机型，并为研制同一系列的低功耗产品做准备。根据多方面的比较，本设计选用宏晶科技生产的STC12系列单片机。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

30、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。同时，在能够满足报警器设计的计算速度及接口数的要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本、缩小体积。 如今市面上比较普遍的单片机有8051系列与STC系列。8051单片机虽然应用普遍、工具多、易上手、片源广、价格低，但是速度慢、功耗大，适合民用、商用，不适合工业用途1

31、。STC系列单片机是MICROCHIP公司的产品，其突出的特点是功耗低、精简指令集、抗干扰性好、可靠性高，但是存在溢出隐患问题。8051系列采用的是堆栈指针，STC采用硬件堆栈8级2。当堆栈指针设定合理，局部变量少的情况下，8051系列用10层的程序嵌套不会出现问题。而STC单片机程序嵌套包括中断最多不能超过8层。所以如果用C语言进行STC编程设计容易堆栈溢出。 汇编语言对于不同的CPU，其汇编语言可能有所差异，所以不易移植。而C语言是一种结构化的高级语言，虽然占用资源较汇编多，但是可读性好，移植容易，是普遍使用的一种计算机语言。鉴于C语言的易读性和普遍性，本论文的软件设计选择C语言编程，所以

32、STC系列单片机在此处不是非常适合。 为适用于本论文设计的烟雾检测报警器，应选择一种比8051系列速度快、功耗低、抗干扰性好、而又避免C语言编程溢出问题的单片机。宏晶科技新推出的STC12系列单片机具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度却比8051单片机快812倍。而且STC12系列下属的STC12C54xxAD系列单片机是低功耗Flash单片机，它具有高效的寻址方式、大容量Flash、EEPROM、A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器(PWM)等功能特点，较好的实现了强大的功能与超低功耗的结合。而且在功能同样的情况下，管脚较少封装体积

33、小，价格比其他型号便宜，因此具有很好的性价比和实用性。 STC12C54xxAD系列单片机有6种型号：分别是STC12C5412AD、 STC12C5410AD、STC12C5408AD、STC12C5406AD、STC12C5404AD和STC12C5402AD。它们是以单片机内部集成Flash的大小区分的3。在价格相同的情况下，尽量选择Flash较大的芯片，所以选择了STC12C5412AD单片机作为本论文设计的烟雾报警器的单片机核心芯片。它体积小、价格低，非常适用于本设计。 3.2 烟雾检测报警器硬件电路设计 3.2.1 信号采集及前置放大电路 传感器输出信号一般比较微弱，需要经过前置电

34、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。本系统采用的半导体烟雾传感器属于电阻型，因此只需串联一个参考电阻，再经过一个放大电路即可发送给ADC采集。由于系统采用的是单极性供电，所以采用同相比例放大电路可以减少硬件开销；反之，如果采用反相放大，则一般需要利用双极性供电，这就需要系统额外的利用变压芯片产生一个负压6，这显然会造成浪费。常见的运算放大器中，LM324价格低廉、使用简单等优点比较突出，所以本设计中的前置放大电路采用LM324作为电路的运算放大器。 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

35、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Vref。 同相比例运算电路中反馈的组态为电压串联负反馈，同样可以利用理想运放工作在线性区时的两个特点来分析其电压放大倍数。在图3-1中，根据运放的“虚短”和“虚断”的特点可知，I- = I+ = 0，所以V- = Vo * R3/（R3 + R4）+Vref * R4/R3 + R4 而且V- = V+ = ViVo = Vi *（R3 + R4）/R3 由以上两式可求出Vo=Vref - R4/R3 所以本放大电路的放大倍数A =1+ R4/R3 ，此放大电路为同相比例放大电路，它的放大倍数总是大于或等于1

36、。图3-1 前置放大电路图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。因为不存在“虚地”现象，所以其输入端有较高的共模输入电压。(2)电压放大倍数A =1+ R4/R3 ，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。如果不接R3和R4，则此电路就成了“电压跟随器”，它可以减少电路模块间由于阻抗引起的干扰。 (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。此放大电路还加了参

37、考电压，引入了零点调节功能，这样可以更方便的调整由于不同传感器导致的零点变化问题。它利用滑动变阻器产生一个参考电压Vref，再利用电压跟随器把电压输入到运算放大电路的电压参考端。所以调节滑动变阻器，就可以直接改变放大电路的参考电压。而电压跟随器的作用就如上面介绍的，它只是用来匹配阻抗用的，防止R3和R4对滑动变阻器输出电压的影响。3.2.2 声音报警电路 图3-2 声音报警电路图声音报警电路图如上图3-2所示。报警装置采用无源压电式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STC12C5412AD的17脚(P3.7)置1时，三极管Q1导通

38、，蜂鸣器报警。本报警器采用单片机STC12C5412AD的PWM功能，如果烟雾浓度达到报警限，单片机控制P3.7(PWM)口输出占空比一定的脉冲11，报警时蜂鸣器会发出如警车警笛的声音。3.2.3 数码管显示电路 报警器浓度显示采用共阳极数码管显示浓度级别，其主要技术参数如下： 模块工作电压： 2.7-5.5V 工作电流： 80mA,每段10mA字高：11.4mm环境相对湿度：85 视角：6:00 工作温度：-10+50C 显示方式：反射式正显示存储温度：-20+60C接口方式：8线并行接口 图3-3 数码管结构图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、图3-5

39、所示。单片机STC12C5412AD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15。 图3-4 状态指示灯电路图图3-5 控制按键连接示意图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。若过一点时间浓度仍超出报警限，报警器会再次鸣叫提醒用户。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

40、，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9；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。 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。 4 烟雾检测报警器的软件设计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Keil So

41、ftware公司出品的Keil C51，是51系列兼容单片机C语言软件开发系统。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（Vision）将这些部分组合在一起。作为高级语言，在开发大型软件时，它更能体现出优势。C51工具包的整体结构中，Vision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，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(.OBJ)。目标文件可由LIB

42、51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)。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如EPROM中。 STC12系列单片机下载程序使用的是宏晶科技自行开发的STC单片机ISP下载编程软件。本论文程序调试过程中，使用的是STC-ISP-v3.1版。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STC12C5412AD的RXD及TXD口通讯。 当用户将源程序(汇编语言或C语言)

43、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，在程序中设置断点，在STC12C5412AD中，可以同时设置3个硬件断点，它是经过串口的传输，由芯片中的几组断点条件寄存器实现的。用户还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。 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A/D转换，数字滤波，线性化处理，段式液晶浓度显示，按键功能设置，以及报警器声光警报。4.2.1 主程序设计及流程图 主程

44、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13。程序初始化结束后，系统进入监控状态。本论文的主程序设计先对传感器预热三分钟，预热同时，对传感器加热丝故障检测，采用软件方式检测传感器加热丝或电缆线是否断线或者接触不良。 程序初始化传感器预热并故障检测键盘扫描及键值处理是否按下模式切换A/D转换平均值法滤波线性化处理是否超过报警限浓度显示设置指示灯状态进入报警限设置模式Y进入报警处理程序NYN开始图4-1 主程序流程图STC12C5412AD单片机对传感器检测的烟雾浓度信

45、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置，中断子程序等，使报警器功能更加完善，给用户带来便利。4.2.2 主程序初始化流程图开始设定定时初值50ms设置定时器0，选择方式1打开定时器0中断允许关闭蜂鸣器打开绿灯是否保存报警初值设定初值返回NY、Y图4-2 主程序初始化流程图主程序初始化流程图如上图4-2所示。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、中断使能等。首先设定定时初值50ms，利用IAP写入EEPROM

46、，作为取值间隔。然后设置定时器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中断允许位置1，打开定时器0，关闭蜂鸣器，开启绿灯，设置报警限初值。4.2.3 中位值平均滤波法数字滤波子程序设计及流程图 开始设置采样次数N=10调用A/D采样已采样10次将10个采样值排序求第二个到第九个采样值的累加和sumsum除以8求平均值送入寄存器YN图4-3 中位值平均滤波法程序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

47、去，故平均值法不易消除由于脉冲干扰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N2个数据的算术平均值。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。在实际使用中，N能取任何值，而为了加快测量时的计算速度，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。中位值平均滤波法的程序流程图如上图4-3所示。4.2.4 插值法线性化处理子程序设计及流程图 在

48、单片机测控系统中，使用之前必须进行静态标定，以得到输出信号与被测信号的关系输出曲线，用来作为使用过程中的计量依据。但在标定时输出的曲线常常不是一条理想直线，因此要对标定的曲线进行线性化处理，使用一条拟合的直线来近似替代输出的曲线，而线性化则是智能仪表的功能之一。此报警器主要是对甲烷烟雾检测，故软件线性化处理时，则以传感器对甲烷的响应曲线为根据。 图4-4 单片机采集电压值与烟雾浓度百分比线性化曲线本论文报警器使用的MQ-2型传感器的电阻是随着烟雾浓的升高而降低的，因此输入单片机的电压也是随之降低的。图4-4为单片机采集电压值与烟雾浓度百分比的对应曲线，可以看出，电压值与烟雾浓度之间是非线性的关

49、系，为了实时显示烟雾浓度.需要对其进行线性化处理。在误差许可范围内，根据标定曲线形状，以及单片机处理能力，把曲线分成若干小段，对每小段分别线性化12。然后，使用分段线性插值法可以算出输入单片机的某一电压值对应的烟雾浓度，根据算出的烟雾浓度对测控系统进行标定。开始读取滤波后电压值查表法确定x所在电压区间求电压值x与所在区间下限的差xm=x-xi求x所在区间的上下限浓度值的差z=f(xi+1)-f(x)求上下限电压值的差xd=xi+1-xi求z与xd的比K=z/xd求出K与x的积S=Kxm求出f(x)=f(xi)+S送入液晶显示图4-5 分段插值法线形化程序流程图根据分段线性插值法求输入单片机的某

50、一电压值对应的烟雾浓度的公式如下：f(x) = f(xi) + (x-xi)*（f(xi+1)-f(xi)）/（xi+1-xi）i=1,2,3N （4-1）式中N为所分区间个数，f(x)为实际烟雾检测浓度，x为实际气体检测浓度对应的电压值，xi是区间的下限浓度对应电压值，xi+1是区间的上限浓度对应电压值，f(xi)为区间下限烟雾浓度值，f(xi+1)为区间上限烟雾浓度值14。根据公式4-1设计分段插值法线性化程序流程图如上图4-5所示。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)。按键处理子程序流程图如图4-6所示。开始扫描键值是否有键按下延时10

51、ms去抖动是否有键按下提取键值调用键盘处理子程序结束NNYY图4-6 按键处理子程序流程图4.2.6 报警子程序设计及流程图 开始读取处理后的烟雾浓度值是否大于20%延迟20秒后采集一组浓度数据是否大于20%传感器故障自诊断传感器有问题启动燃气泄漏报警消音键是否按下返回上电状态启动报警故障返回监控状态YNNYNYYN图4-7 报警子程序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自动控制相关安全装置，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

52、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。报警子程序流程图如图4-7所示。5 实验检定及误差分析5.1 烟雾检测报警器检定 5.1.1 爆炸下限(LEL)概念介绍 本论文设计的烟雾检测报警器选用“%LEL”作为烟雾的测量单位及衡量标准，下面介绍关于LEL的相关概念。 “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(Lower Explosion Limited)，简称LEL。可燃烟雾在空气中遇明火种爆炸的最高浓度，称为爆炸上限(Upper Explosion Limited), 简称UEL。 烟雾的浓度过低或者过高时没有危险，只有和空气混合

53、时形成混合气或者确切一点说遇到氧气而形成一定比例的混合气时才可能发生燃烧或爆炸。燃烧是兼有发光和发热的剧烈氧化反应，它需具备3个要素：可燃物（燃气）；助燃物（氧气）；点火源（温度）。可燃气燃烧可以分为两种：一种是扩散燃烧，即挥发的或者从设备里喷出或泄漏的可燃气，遇点火源时混合燃烧；另一种燃烧，则是可燃气和空气混合遇火燃烧，这类燃烧反应剧烈且速度快，一般会产生巨大的压力和声响，又称之为爆炸。其实，燃烧与爆炸并没有严格的区分。 有些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，制定出了烟雾爆炸的极限，它分为爆炸下限和爆炸上限。低于爆炸下限的，混合气中含的可燃气的量不足，不能发生燃烧或爆炸，

54、高于上限的混合气中氧气的含量不够，也不能发生燃烧或爆炸。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。因此，在进行爆炸测量时，报警浓度一般设定在爆炸下限的25%LEL以下。一般可燃烟雾检测仪的测量范围为0100%LEL。甲烷在空气浓度为9%-11%时遇明火爆炸,高于11%或低于9%都不爆炸。假定甲烷的爆炸下限为5%体积比，那也就是说，把这个5%体积比一百等分，让5%体积比对应100%LEL，也就是说

55、，当检测仪数值到达10%LEL报警点时，相当于此时甲烷的含量为0.5%体积比。当检测仪数值到达20%LEL报警点时，相当于此时甲烷的含量为1%体积比。 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时，选用甲烷烟雾。实际甲烷烟雾与进入到单片机输入端的电压值对应数据如表5-1所示。表5-1实际甲烷烟雾与送入单片机的电压值对应数据浓度（%）电压（V）03.70103.65203.60303.48403.30502.98602.61702.22801.8090

56、1.021000从曲线中可以看出，电压值与烟雾浓度之间是非线性关系，为了实时显示气 体浓度，需要对其进行线性化处理，使显示的烟雾浓度与实际误差在5%范围内。烟雾浓度与测量电压值线性化示意图如图11所示。对曲线作线性化处理时，根据曲线的走势，将烟雾浓度分成7段。各段曲线的直线方程为f(x) = f(xi) + (x - xi)（f(xi+1)-f(xi)）/（xi+1xi）i =1,2,37 (4-2)其中，f(x)为实际烟雾检测LEL浓度，x为实际烟雾检测浓度对应的电压值，xi是区间的下限浓度对应电压值，xi+1是区间的上限浓度对应电压值，f(xi)为区间下限点烟雾LEL浓度值，f(xi+1)

57、为区间上限点烟雾LEL浓度值，根据公式4-2计算出7个直线方程式，如下：(1) 0%10%LEL f(x) = 0.50x + 3.70(2) 10%20%LEL f(x) = 0.50x + 3.61(3) 20%40%LEL f(x) = 1.50x + 3.90(4) 40%50%LEL f(x) = 3.20x + 4.58(5) 50%60%LEL f(x) = 3.70x + 4.83(6) 60%80%LEL f(x) = 4.05x + 5.04(7) 80%100%LEL f(x) = 9.00x + 9.00经实验的标定，实际烟雾浓度与显示浓度误差对比如表5-2所示：表5-

58、2分段线性化误差数据浓度（%LEL）浓度误差浓度（%LEL）浓度误差005055355310-160015465220370325-175530580-2353854402903455955根据误差计算公式X = i ，在本实验中N为20，计算本报警器显示烟雾浓度与实际浓度之间的误差为2.55%，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。5.2 实验误差分析 在测量仪器的实际使用中，造成误差的来源很多，通常是多种误差源综合作用的结果。就本仪器而言，误差来源主要有软件和硬件两个方面。软件产生的误差主要来源于以下2个方面： (1) A/D转换量化误差STC12C5412A

59、D单片机的内部A/D转换器是12 bit，输入单片机模拟电压信号03.7V，参考电压为2.5V，A/D转换器对于输入的模拟信号最大分辨率是2.5 (212 -1) = 0.00061V，因此可求得A/D转换的误差为0.00061 =0.016%。 (2) 数字滤波过程中，有限字长效应在中位值平均滤波法数字滤波过程中，使用了乘法与除法运算，因此，在运算的过程中，因字长有限才不能够保留原有的数据有效位数而造成舍入误差，因为累计计算能出现计算误差。而本仪器使用的数据的计算则都是由STC12C5412AD完成的，能够直接执行1616 bit定点乘法与3216 bit定点除法运算，因此有限字长所造成的误

60、差相对于这个系统来说，能够忽略不计。 硬件产生的误差主要来源于以下4个方面： (1) 传感器的非线性误差 本系统使用MQ-2型半导体陶瓷式烟雾传感器，烟雾浓度和输出的电压存在非线性的关系，用折线插值的方法进行线性化处理，误差数据参见表5-2和图4-4。 (2) 电子元器件的参数离散性、温度不稳定性等造成的误差 传感器的输出信号通常比较微弱，需要数据采集前置电路对它进行放大、滤波、电平调整，以满足单片机对于输入信号的要求。运放的输入失调电压和输入失调电流为影响电路精度的重要因素，而运放误差则是造成前置放大误差主要的原因。本设计选用低噪声、高输入阻抗的放大器，能够满足要求。此外所使用的阻容元件全是

61、经过精确的测量后焊接上去的，且经过仔细调试才获得最佳性能。 (3) 电源引起的误差 虽然本系统使用直流电源供电，可是电源不免带有的一些交流成分会形成噪声信号.这些噪声信号对于测控系统的正常使用危害很大。本系统使用的AC/DC电源模块，能将220V的市电转化为5V的直流电压，给模拟电路与数字电路同时供电。为了尽可能降低噪声，数字地与模拟地要有一点接地，每个芯片的电源就近接退耦电容。 (4) 外部噪声、环境产生的误差 环境因素包含环境湿度、空气中的尘埃、温度等。就本系统而言，空气中所含的成分对于系统的探头和单片机的外围电路的影响却很小，在测量时不需要补偿。但环境湿度、温度对传感器却有些影响。而温湿

62、度的影响对本系统的5%LEL精度要求，可忽略不计。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。 316 结束语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。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的影响等优点。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