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1、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
2、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1Abstract2第一章 绪论51.1
3、论文研究来源、目的和意义51.1.1论文研究来源51.1.2论文研究目的和意义51.2烟雾报警器的国内外现状51.3本论文主要任务6第二章 烟雾检测报警器的方案设计82.1烟雾检测报警器设计思路82.2烟雾传感器的选型82.2.1烟雾传感器介绍82.2.2烟雾传感器的选定102.2.3 MQ-2型烟雾传感器的工作原理112.2.4 MQ-2型传感器的特性及主要技术指标122.3烟雾检测报警器整体设计方案132.3.1烟雾检测报警器工作原理132.3.2烟雾检测报警器的结构142.3.3烟雾检测报警器的功能142.3.4烟雾检测报警器的主要技术指标152.4本章小结15第三章 烟雾检测报警器的硬
4、件设计173.1单片机的选型173.1.1单片机的选择173.1.2 STC12C5410AD单片机的特点183.2烟雾检测报警器硬件电路设计193.2.1信号采集及前置放大电路193.2.2声音报警电路213.2.3数码管显示电路223.2.4状态指示灯及控制键电路233.2.5报警器故障自诊断电路253.3本章小结26第四章 烟雾检测报警器的软件设计274.1 STC12系列单片机调试及开发工具274.2烟雾检测报警器软件流程及设计274.2.1主程序设计及流程图274.2.2主程序初始化流程图294.2.3中位值平均滤波法数字滤波子程序设计及流程图294.2.4插值法线性化处理子程序设计
5、及流程图314.2.6报警子程序设计及流程图354.2.7控制按键设计子程序及流程图364.3本章小结39第五章 实验检定及误差分析405.1烟雾检测报警器检定405.1.1爆炸下限(LEL)概念介绍405.1.2实验数据分析405.2实验误差分析425.3本章小结43结 论44参考文献45致 谢47附 录148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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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(a)对系统
12、进行整体规划和结构设计。(b)以STC12C5410AD单片机为中央处理器，对硬件电路进行设计和 改进，使其功能更加完善。系统硬件电路主要分为前置放大电路、键盘电 路、串口通信电路、声音报警电路、状态指示灯电路、液晶显示电路六个 部分。 (c)系统的软件编制。按照软件实现的功能，主要分为主程序、初始 化子程序、键盘处理子程序、滤波子程序、线性化处理子程序、浓度显示 子程序、报警子程序、报警限值设置子程序、串口通信子程序。在程序的 编写过程中，加入了详细的文字注释，便于后期的改进与维护。 (d)硬件电路和软件的综合调试。 (2)扩展部分 (a)再加入一路传感器信号采集电路，利用双通道数据实现采集
13、的优化，主要是利用辅助的一路进行修正主传感器，以提高精度和可靠性。第二章 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，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
14、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。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，它的选型将在第三章详述。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
15、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： (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；
