基于单片机的烟雾报警器设计

摘要

随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段——传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。

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，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。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，STC12C5410，传感器

目 录

摘要 ................................................................................................................................. 1 Abstract ......................................................................................... 错误！未定义书签。 第一章 绪论 ................................................................................................................... 4 1.1论文研究来源、目的和意义 ............................................................................... 4

1.1.1论文研究来源 ................................................................................................ 4 1.1.2论文研究目的和意义 .................................................................................... 4 1.2烟雾报警器的国内外现状 ................................................................................... 5 1.3本论文主要任务 ................................................................................................... 5 第二章 烟雾检测报警器的方案设计 ........................................................................... 7 2.1烟雾检测报警器设计思路 ................................................................................... 7 2.2烟雾传感器的选型 ............................................................................................... 7 2.2.1烟雾传感器介绍 ............................................................................................ 7 2.2.2烟雾传感器的选定 ...................................................................................... 10 2.2.3 MQ-2型烟雾传感器的工作原理................................................................ 11 2.2.4 MQ-2型传感器的特性及主要技术指标.................................................... 12 2.3烟雾检测报警器整体设计方案 ......................................................................... 13 2.3.1烟雾检测报警器工作原理 .......................................................................... 13 2.3.2烟雾检测报警器的结构 .............................................................................. 14 2.3.3烟雾检测报警器的功能 .............................................................................. 15 2.3.4烟雾检测报警器的主要技术指标 .............................................................. 15 2.4本章小结 ............................................................................................................. 16 第三章 烟雾检测报警器的硬件设计 ......................................................................... 17 3.1单片机的选型 ..................................................................................................... 17 3.1.1单片机的选择 .............................................................................................. 17 3.1.2 STC12C5410AD单片机的特点.................................................................. 18 3.2烟雾检测报警器硬件电路设计 ......................................................................... 20 3.2.1信号采集及前置放大电路 .......................................................................... 20 3.2.2声音报警电路 .............................................................................................. 21 3.2.3数码管显示电路 .......................................................................................... 22 3.2.4状态指示灯及控制键电路 .......................................................................... 23 3.2.5报警器故障自诊断电路 .............................................................................. 24 3.3本章小结 ............................................................................................................. 25 第四章 烟雾检测报警器的软件设计 ......................................................................... 26 4.1 STC12系列单片机调试及开发工具 ................................................................. 26 4.2烟雾检测报警器软件流程及设计 ..................................................................... 26 4.2.1主程序设计及流程图 .................................................................................. 27 4.2.2主程序初始化流程图 .................................................................................. 28

4.2.3中位值平均滤波法数字滤波子程序设计及流程图 .................................. 29 4.2.4插值法线性化处理子程序设计及流程图 .................................................. 30 4.2.6报警子程序设计及流程图 .......................................................................... 33 4.2.7控制按键设计子程序及流程图 .................................................................. 34 4.3本章小结 ............................................................................................................. 35 第五章 实验检定及误差分析 ..................................................................................... 36 5.1烟雾检测报警器检定 ......................................................................................... 36 5.1.1爆炸下限(LEL)概念介绍 ............................................................................ 36 5.1.2实验数据分析 .............................................................................................. 36 5.2实验误差分析 ..................................................................................................... 38 5.3本章小结 ............................................................................................................. 39 结 论 ............................................................................................................................. 40 参考文献 ....................................................................................................................... 41 致 谢 ............................................................................................................................. 43 附 录1 ........................................................................................................................ 44

第一章 绪论

1.1论文研究来源、目的和意义 1.1.1论文研究来源

随着科技的发展，越来越多的巨大的隐患由于工业生产和人们的日常生活而产生。为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。保卫社会主义现代化建设，防止火灾引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至危及生命安全。

为了减少这类事故的发生，就必须对烟雾进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测仪表，严密监测环境中烟雾的浓度， 及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和 家庭生活安全。因此，研究烟雾的检测方法与研制烟雾报警 器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。

1.1.2论文研究目的和意义

为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。保卫社会主义现代化建设，防止火灾引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至危及生命安全。

烟雾检测报警装置是能够检测环境中的烟雾浓度并具 有报警功能的仪器。该报警装置是石油化学工业、有气体泄漏可能 的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。烟雾报警器属于《中华人 民共和国强制检定的工作计量器具目录》中第46项，它归类于物理化学 计量器具。《建筑设计防火规范》(GBJ16-87)第10.3.2条明确规定:“散发可燃烟雾、可燃蒸汽的甲类厂房和场所，应设置烟雾浓度检测报警装置”。2003年12月，国家执行新的烟雾探测器标准(GB 15322-2003)《可燃烟雾探测器》，2004年10月国家颁布《可燃烟雾检测报警器规程JJG693-2004》，研究新型、性能稳定、准确监测可燃性气 体，并合乎国家相关规定的报警器具有极其重要得意义。

目前我国已有许多城市铺设了煤气管道，使用人口约达二亿人，煤气 发生基地及中转站也达几千家。如果这些家用燃气和煤气基地及中转站的 报警率按10% 计算，烟雾检测报警器的需求量就达2000万台以 上。随着全社会对防火防爆及人身安全的重视程度的提高，这个数字会继 续增长。

近十年来，农村的沼气使用也得到了极大的发展。到2006年底，全 国沼气池数量已达近1300万座，这就为检测沼气（主要成分是甲烷）浓 度的仪器提供了市场。可见，烟雾报警器具有十分广阔的市场前景。

1.2烟雾报警器的国内外现状

国外从20世纪30年代开始研究及开发烟雾传感器，且发展迅速，一 方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另 一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。据有关统计，美 国1996年~2002年烟雾传感器年均增长率为27%~30%。随着传感器生产 工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得烟雾检测 仪器的体积也逐渐变小，提高了烟雾检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推广。

1963年5月，日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，次年12月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气 体，可以安装在浴室或者采用集中监视。

我国在70年代初期开始研制烟雾报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色。近年来，在烟雾选择性和产品稳定性上也有很大进步。

燃气报警器可分为民用火灾烟雾报警器、工业用烟雾报警器、 有毒有害烟雾报警器三大系列产品。

(1) 民用火灾烟雾报警器

民用火灾烟雾报警器为居民家庭用的火灾报警器,一般安装在厨房，遇到火灾产生的烟雾时时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动 外部设备。有的报警器可自动开启排风扇，把烟雾排出室外

(2) 工业用烟雾报警器及有毒有害烟雾报警器

工业用烟雾报警器及有毒有害烟雾报警器只是检测探头有差异，而在原理和应用中都很相近。工业用燃气报警器及有毒烟雾报警器根 据检测环境的不同，也可分为检漏仪、控制器和探测器。

检漏仪的体积较小，可随身携带或手持，主要应用于燃气管理的查漏 与巡检。若有燃气泄漏，检漏仪便会发出声光报警，同时数字显示烟雾浓 度，以便及时采取安全措施，防止爆炸等恶性事故的发生。 控制器与探测器结合使用，可在防爆现场长期监测烟雾的浓度。

探测器安装在防爆现场，控制器壁挂在值班室等有人值守的地方，二者采用屏 蔽电缆线连接。当在现场的探测器探测到燃气泄漏之后，通过屏蔽电缆线将信号传到控制器，控制器发出声光报警，同时启动排风装置或关闭电磁阀切断气源，以确保安全。此种仪器广泛应用于液化气站、汽车加油站、锅炉房等工业场所。

1.3本论文主要任务

本篇论文是烟雾报警器的研制，主要基本部分和扩展部分： (1) 基本部分

2.2.3 MQ-2型烟雾传感器的工作原理

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。按敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。半导体气敏元件也有N型和P型之分。N型在检测时阻值随烟雾浓度的增大而减小；P型阻值随烟雾浓度的增大而增大。半导体气敏传感器的分类如表2.2所示。

表2.2半导体气敏传感器的分类 所利用的特性工作温度表面电阻控制器300~450°C

表2.2半导体气敏传感器的分类 类型 电阻型 非电阻型 所利用的特性 电阻 表面电阻控制器 体电阻控制器 二极管整流特性 晶体管特性 工作温度 300～450°C 300～450°C 700°C以上 室温～200°C 150°C 代表性被检测气体 可燃性气体 乙醇、可燃性气体 H2、CO、乙醇 H2、H2S 本设计中采用的MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。当处于200~300°C温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少， 从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受 到该烟雾的调制而变化，就会引起表而电导率的变化。利用这一点就可以 获得这种烟雾存在的信息。

遇到可燃烟雾（如CH4等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃烟雾以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面；氧脱附放出电子，烟雾以正离子状态吸附也要放出电子，从而使二氧化锡半导体导带电子密度增加，电阻值下降。而当空气中没有烟雾时，二氧化锡半导体又会自 动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是MQ-2型燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的基本原理。MQ-2型传感器的结构图如 图2.1所示，其外观如2.2所示。

图2.1MQ-2型传感器的结构图

图2.2 MQ-2型传感器的外观

2.2.4 MQ-2型传感器的特性及主要技术指标

(1) MQ-2型传感器的一般特点

(a)MQ-2型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感。

(b)MQ-2型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定， 响应时间短，长时间工作性能好。

?MQ-2型传感器具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例如酒精和烟雾等。

(d)电路设计电压范围宽，24V以下均可；加热电压5±0.2V。

(2) MQ-2型传感器的基本特性 (a) 灵敏度特性

烟雾传感器在最佳工作条件下，接触同一种烟雾，其电阻值RS随气 体浓度变化的特性称之为灵敏度特性，用K表示。 K=RS / R0 (2-1) 式中，R0为烟雾传感器洁净空气条件下的电阻值，RS为烟雾传感器在一定浓度的检测烟雾中的电阻值。 虽然对于不同的烟雾，器件灵敏度特性K的值也会各有差异，但是它们都遵循同一规律， log RS = m logC + n (2-2) 式中，m为器件相对烟雾浓度变化的敏感性，又称烟雾分离能，对于 烟雾，m值为1/2~1/3；C为检测烟雾的浓度。n为与检测烟雾，器件材料有关，并随测试温度和材料中有无增感剂而有所不同。

(b)初期稳定特性

半导体烟雾传感器在不通电状态存放一段时间后，再通电时，器件并不能立即投入正常工作。这是因为烟雾传感器中的二氧化锡在不通电的状态下会吸附空气中的水蒸气，当再次通电时需要预热几分钟使水蒸气蒸发后，气敏电阻才能正常工作。再通电工作时气敏电阻值达到稳定时所需要的时间，定义为初期稳定时间。一般情况下，不通电时间越长，初期稳定时间也越长，当不通电存放时间达到15天左右时，初期稳定时间一 般需要5分钟左右。 (c) 加热特性

半导体烟雾传感器一般要在较高的温度(200~450°C)下工作，所以需要对其加热。由于传感器一般工作在易燃易爆环境下，若加热丝直接与电源相接，当加热丝局部短路造成器件过热或放电时，可能引发事故。所以必须使用传感器生产厂家推荐的加热电压，使其工作在较安全的范围内。MQ-2型烟雾传感器加热电压为5±0.2V，加热电阻为31±3?。当加热丝断路时，由于热惰性缘故，烟雾传感器的气敏特性并不立即消失，此时检测必出现较大的误差。为避免出现这种情况，并及时发现气敏元件的故障， 需要设计加热丝故障诊断报警电路。 (3) MQ-2型传感器的特性参数 (a)回路电压：(Vc) 5~24V (b)取样电阻：(RL) 0.1~20K (c)加热电压：(VH)5±0.2V (d)加热功率：(P)约750mW

(e)灵 敏 度：以甲烷为例R0(air)/RS (0.1%CH4)＞5 (f)响应时间：Tres＜10秒 (g)恢复时间：Trec＜30秒

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STC12C5410AD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STC12C5410AD单片机；然后，在STC12C5410AD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，当烟雾浓度超出设定的限定值时，发出声音报警并伴随红 灯闪亮。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，保证传感器准确地、 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仪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、故障自检、延时报警功能及可接计算机进行现场远测和实时控制等功能。其目标是在传统的烟雾报警仪的基础上，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2.3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。

图2.3 可燃性气体检测报警器结构框图

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。

2.3.4烟雾检测报警器的主要技术指标

(1) 传感器类型：半导体电阻式 (2) 检测范围：0~100%LEL (3) 报警准确度:：±5%LEL

(4) 报警点设置：达到20%LEL开始报警

(5) 报警器工作方式：现场固定安装，自然扩散进行采样，长年连续运行 (6) 工作环境温度：检测器 -50°C~50°C；报警器0°C~500°C (7) 工作环境湿度：≤85%RH

(8) 报警方式：烟雾泄漏声光报警、自诊断故障报警

(9) 指示方式：数字显示，可显示被测烟雾LEL%及设定报警限值 (10)响应时间：≤30S (11) 输出信号：可输出与烟雾浓度对应的0~5V DC

标准信号

(11) 工作电压：AC220V±15%，50±lHz

(12)具备快速重复检测和延时报警功能，可区别烟雾的泄漏 和短时间的微量散失，防止误报。

2.4本章小结

本章主要阐述了烟雾报警仪的设计方案，即传感器的选型和报警器的设计。传感器从种类、选定、工作原理、基本特性四个方面分别叙述。

根据本设计要求及使用环境、成本等因素选用的MQ-2型半导体电阻式烟雾敏感器件。并且从结构、功能、技 术指标三方面对报警器进行了详细地论述，使其在较宽的温度范围工作，用于检测空气中烟雾或可燃性液体蒸汽的浓度。 该报警器将空气中烟雾或可燃性液体蒸汽的浓度显示在仪表盘上，当空气中的烟雾或可燃性液体蒸汽的浓度达到一定浓度时， 则启动快速重复检测和延时报警，以区别出是管道中烟雾的泄漏， 还是由于短暂打开阀门产生的可燃烟雾的微量散失，防止误报。若判断是 烟雾泄漏，则发出声、光报警信号，也可在报警的同时自动驱动相 关安全装置而且具有故障自诊断功能。此系统还可接计算机进行现场实时控制。

第三章 烟雾检测报警器的硬件设计

在报警仪的设计中，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。

STC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。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，是的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度 却比8051单片机快8~12倍。而且

STC12系列下属的STC12C54xxAD系 列单片机是低功耗Flash单片机，它的高效寻址方式、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， 管脚较少封装体积小，价格比其他型号便宜，因此具有很好的性价比和应 用适应性。

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。在价格相同的情况下，尽量选择Flash较大的芯片，所以选择了STC12C5410AD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，下面介绍STC12C5410AD的自身特点。

3.1.2 STC12C5410AD单片机的特点

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。其 内部集成的Flash几乎拥有现代追求个性化的用户所需要的掉电后数据不 丢失、快速的数据存取时间、电可擦除、容量大、在线可编程、足够多的 擦写次数、价格低廉和高可靠性等所有优点。STC12C5410AD单片机的管 脚结构如图3.1所示。

图3.1 STC12C5410AD单片机管脚图

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 可用于程序数据保存，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(PWM)

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。各个模块的输出占空比是独立变化的，与使用的捕获寄存器{EPCnL， CCAPnL}有关。当CL SFR的值小于{EPCnL，CCAPnL}时，输出为低， 当PCACL SFR的值等于或大于{EPCnL，CCAPnL}时，输出为高。当CL的值由FF变为00溢出时，{EPCnH，CCAPnH}的内容装载到{EPCnL， CCAPnL}中。这样就可实现无干扰地更新PWM。要使能PWM模式，模 块CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必须置位。

(3) I/O口工作类型设置

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口均可由软件设置成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(标准8051输出模式)、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，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/D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100KHz(10万次/秒)。8路电压输入型A/D，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，可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为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，只需1套PC环境下的调试软件和1个连接于并口的仿真器。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。

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，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。

LM324是单片高增益四运算放大器，可在较宽电压范围内的单电源 或双电源下工作，其电源电流很小且与电源电压无关，四个运放一致性好； 其输入偏流电阻是温度补偿的，也不需外接频率补偿，可做到输出电平与 数字电路兼容。

下面详细介绍运算放大电路：

如图3.2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3.2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 (3-1) 而且V- = V+ = Vi

Vo = Vi*（R3 + R4）/R3 (3-2) 由以上两式可求出Vo=Vref-R4/R3 (3-3)

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。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

第五章 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。 烟雾的浓度过低或过高时是没有危险的，只有与空气混合形成 混合气或更确切地说遇到氧气形成一定比例的混合气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。燃烧与爆炸 没有严格的区分。

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。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0~100%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，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（%） 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

从该曲线可以看出，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4.5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。

直线方程

f(x) = f (xi ) + (x - xi ) f (xi ) - f (xi )/（xi – xi） i =1,2,3L,7 (5-1)

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 )为区间上限点烟雾LEL浓度值，根据公式5-1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) = -3.2x + 4.58 (5) 50%~60%LEL f (x) = -3.7x + 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：

电压（V） 3.70 3.65 3.60 3.48 3.30 2.98 2.61 2.22 1.80 1.02 0

浓（%LEL） 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 度浓度误差 0 3 -1 4 3 -1 5 3 2 5 浓（%LEL） 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 度浓度误差 5 3 0 2 3 5 -2 4 3 5 表5.2分段线性化误差数据 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。

软件误差主要来自以下两个方面：

(1) A/D转换量化误差STC12C5410AD单片机的内部A/D转换器为12 bit，输入单片机模拟 电压信号0~3.7V，参考电压2.5V，A/D转换器对输入模拟信号的最大分辨率为2.5 212 ?1 = 0.00061V，因此可求得A/D转换误差为0.00061 =0.00016=0.016%。

(2) 数字滤波过程中的有限字长效应 在中位值平均滤波法数字滤波过程中，用到了乘法和除法运算，因此 在运算过程中，由于字长有限而不能保留原有数据的有效位数会出现舍入误差，由于累计计算会造成计算误差。本仪器使用数据的计算全部是由STC12C5410AD完成的，可以直接执行16×16 bit定点乘法和32÷16 bit定点除法运算，所以有限字长造成的误差对于本系统而言，可以忽略不计。

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一定的非线性，使用折线插值方法进行线性化处理，误差数据参见表5.1和图4.5。

(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，需要过数据采集前置电路对其进行放 大、滤波、电平调整，满足单片机对输入信号的要求。运放误差是造成前置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。为了尽量减小噪声，数字地和模拟地要一点接地，每个芯片的电源就近接退耦电容。

(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本章小结

本章介绍了烟雾报警器的误差来源，分析了系统中的硬件电路引入误差和软件所带来的误差。给出了烟雾浓度信号的实验数据及结果分析。经过现场标定及测试，达到了预期的设计效果。

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。

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。为提高响应时伺，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。 应用程序以C语言编写，充分利用芯片资源，提高了测量精度和代码执行效率，减小了代码容量，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为2.55%LEL，在所规定误差范围±5%LEL之内，满足检测要求，达到了预期的设计效果的结论。

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