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第3.6节控制电路设计15
第4章软件设计16
第4.1节主程序设计及流程图16
第4.2节主程序初始化流程图17
第4.3节中位值平均滤波法数字滤波子程序设计及流程图17
第4.4节插值法线性化处理子程序设计及流程图18
第4.5节报警子程序设计及流程图20
第4.6节控制按键设计子程序及流程图21
第4.7节本章小结22
第5章实物调试23
第5.1节实际测量和数据23
第5.2节测量结论24
结论25
参考文献26
致谢27
附录28
附录1:
实物照片说明28
附录2:
电路图28
附录3:
部分源程序29
摘要
随着“信息时代”的来到,作为获取信息的手段——传感器技术得到了显著的进步,在其应用领域越来越广泛,对其要求也变得越来越高,需求也越来越迫切。
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ST89C52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ST89C52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报警、故障自诊断、浓度级别显示、报警限设置、温度显示及与温度报警值设定等功能。
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,传感器
Abstract
Withtheadventof"
informationtimes"
asameansofaccessinginformation--sensortechnologyhasbeensignificantprogress,itsapplicationfieldismoreandmoreextensive,therequirementismoreandmorehigh,moreandmoreurgentneed.Thesensortechnologyhasbecomeanationalscienceandtechnologydevelopmentlevelofoneoftheimportantsymbols.Therefore,understandingandmasteringofsensor'
sstructure,workingprincipleandcharacteristicisveryimportant.
Inordertoimprovethesensor'
sunderstandingandtheunderstanding,especiallyforthesmokesensorresearchanditsusageanduse,basedonpractical,andtheprincipleanddesignthetypicalsystem.Inthispaper,combinedwiththeuseofsingle-chipsensortechnologydevelopmentanddesignofthesmokecontrolsystem.
Inthispaper,resistancetypesmokesensorandsingle-chipmicrocomputerasthecoretechnologyandelectronictechnology,designsatechnologybettersmokealarm.TheselectionofMQ-2typesemiconductorgassensitiveelementsmokesensorsmokedetection,whichhashighsensitivity,fastresponse,stronganti-interferenceability,andthepriceislow,longservicelife.TheselectionofST89C5chip,theintegrationoftheA/Dconversion,hardwaremultiplier,hardwarepulsewidthmodulatorandotherresources,withhighspeed,lowpower,stronganti-interferenceandotheradvantages,isofsimilartechnologyneutralpricecomparisonhighyieldquality.
WithST89C5MCUandMQ-2typesemiconductorresistortypesmokesensorasthecoredesignofthesmokealarmcanalarm,faultdiagnosis,concentrationleveldisplay,alarmlimitsettings,temperaturedisplayandtemperaturealarmvaluesettingandotherfunctions.Isakindofsimplestructure,stableperformance,convenientoperation,lowprice,intelligentsmokealarm.Hasacertainpracticalvalue.
[Keywords]:
smog,alarm,sensor
第1章绪论
第1.1节论文研究来源、目的和意义
1.1.1.论文研究来源
随着科技的飞速发展,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。
为了较早的发现和通报火灾,防止和降低火灾带来的危害,保护人身和财产的安全。
保卫社会主义现代化建设,防止由火灾引起的燃烧或者爆炸事故,造成严重的经济损失,甚至危及到人们的生命安全。
如果想让这类事故能够尽少的发生,我们必须能够现场实时的测量烟雾,采用先进、可靠的测试仪器,准确的测量出烟雾的浓度,能够及时的发现隐患,并采取一定的措施来防止事故发生,才能够保证工业家庭生活的安全。
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(GB15322-2003)《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。
第1.2节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,且发展迅猛,一方面因为人们的安全意识大大增强,对生活的舒适性和环境的安全性有很高的要求;
另一方面因为安全法规带动了传感器市场的增长。
随着传感器的生产水平在不断的上升,传感器日益小型化、集成度不断增大,使得烟雾报警系统的体积也慢慢变小,提高了烟雾报警系统的便携性,更加利于烟雾报警器系统的生产、运输以及市场推广。
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年代初期开始研发烟雾报警器,生产品种齐全、类型多样,由炼油系统扩展到各种类型的警报器几乎所有危险的工作环境中都有应用,所生产的数量也在不断的增加。
主要在国外先进的生产技术和传感器技术的基础上,进行研究和发展,创造出属于自己的特色。
近年来,在烟雾选择性和产品稳定性上也有很大进步。
烟雾报警系统可分为民用火灾烟雾报警系统、工业用烟雾报警系统、有毒有害烟雾报警系统三个类别。
(1)民用火灾烟雾报警系统
民用火灾烟雾报警一般是居民家用的烟雾报警,通常在厨房里安装,遇到由火灾而产生的烟雾时,报警器会发出声音报警,或同时显示数字,同时联动外部设备。
有的报警器则可以自动开启排风扇,把烟雾排出室外。
(2)工业用烟雾报警系统及有毒有害烟雾报警系统
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不同,而在原理和应用中都很差不多。
工业用燃气报警器及有毒烟雾报警器根据不同的环境检测,可以分为检漏仪、控制器和探测器。
检漏仪的尺寸较小,分为便携带式或手持式,一般情况用在燃气管理的查漏与巡检。
如果燃气泄漏出来,检漏仪便会发出警报和烟雾浓度的数字显示,让人能够及时的采取措施,以防发生爆炸之类的事故。
控制器和探测器组合起来使用,可长期的监测防爆现场的烟雾浓度。
探测器一般安装于防爆现场,控制器壁挂在有人值班的值班室里,两者由屏蔽电缆线连在一起。
当探测器检测到天燃气泄漏的时候,屏蔽电缆线会将信号传送到控制器,控制器便开始报警,同一时间启动排气装置来保证安全。
此种仪器广泛的应用在液化气站、汽车加油站、锅炉房等工业场所。
第1.3节本论文主要任务
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)对系统进行整体规划和结构设计。
(b)以AT89S52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温度电路、键盘电路、烟雾A/D转换电路、声音报警电路、显示电路五个部分。
(c)系统的软件设计。
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。
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)硬件与软件的实时调试。
(2)扩展部分
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2章烟雾检测报警器的方案设计
第2.1节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,并且能够报警提示的一种仪器,仪器的最基本组成部分应包括:
模数转换电路、烟雾信号采集电路、单片机控制电路。
一般由烟雾传感器与模拟放大电路构成烟雾信号采集电路,能让烟雾信号变成模拟的电信号。
模数转换电路可以让烟雾检测电路发出的模拟信号改变为单片机能够识别的数字信号导入单片机。
单片机再对这数字信号开始滤波处理,最后分析处理过的数据,看看是否大于或等于某个预设值(也就是报警限),如果大于报警限定就开始报警,反之则继续工作。
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。
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。
第2.2节烟雾报警器的选型
烟雾报警器属于气敏传感器,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、浓度处理及报警控制等工作。
2.2.1.烟雾报警器介绍
(1)烟雾报警器的分类
烟雾报警器品种繁多,一般可以分为三个类别:
(a)利用物理化学性质的烟雾报警器:
如接触燃烧烟雾报警器、半导体烟雾报警器等。
(b)利用物理性质的烟雾报警器:
如红外报警器、热导烟雾报警器、光干涉烟雾报警器等。
(c)利用电化学性质的烟雾报警器:
如电势型气体报警器、电流型烟雾报警器等。
(2)烟雾报警器应满足的基本条件烟雾报警器可以是单一功能的,也可以有很多功能;
可是单独的实物,也能够由许多的传感器构成。
但是,每一个烟雾报警器都应该满足这些要求:
(a)可以自选的检查某一种烟雾,并且对其他的烟雾没有什么大的反应;
(b)可以很灵敏并且有效的测量出烟雾的浓度;
(c)能够快速的反应测试,并且可以反复的使用;
(d)可以长时间稳定的工作;
(e)使用时间长;
(f)成本廉价,方便运用和修检。
(3)常见烟雾报警器介绍
下面对工业上常用的几种烟雾报警器作简单介绍。
(a)半导体烟雾报警器
半导体烟雾报警器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾报警器,以及用单晶半导体器件制作的烟雾报警器。
自1962年半导体金属氧化物烟雾报警器问世以来,由于具有灵敏度高、响应快、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。
该报警器己成为世界上产量最大、使用最广的烟雾报警器之一。
按照敏感机理分类,可分为电阻型和非电阻型。
(b)固体电解质烟雾报警器
固体电解质烟雾报警器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件,其原理是利用气敏材料在通过烟雾时产生电阻,测量其形成电动势从而测量气体浓度。
由于这种传感器电导率高,灵敏度和选择性好,因而得到了广泛的应用,几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域,其产量仅次于半导体烟雾传感器的一类传感器。
但这种报警器制造成本高,检测烟雾范围有限,在检测环境污染领域中有优势。
(c)接触燃烧式报警器
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,故得名接触燃烧式报警器。
接触燃烧式烟雾报警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300°
C~400°
C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。
(d)高分子烟雾报警器
利用高分子气敏材料制作的烟雾报警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,其介电常数、电阻、材料重量材、料表面声波传播速度和频率等性能发生了变化。
高分子气敏材料由于价格便宜、常温选择性好、工艺简洁、操作简单、易与微结构传感器和声表面波器件相结合,在毒性烟雾也食物新鲜一些方面的检查中起着重要作用。
高分子烟雾报警器具有对一定的烟雾分子灵敏度高,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。
(e)电化学报警器
电化学报警器由电解液和膜电极封装而成。
烟雾报警信号将电解液分解成阴阳带电离子,然后使信号由电极导出。
它有这些优点:
够稳定、准确、可以定量检测、反应时间短,就是使用寿命不长(一般两年)。
它一般应用在有毒烟雾检查。
该报警器广泛的应用在检查很大一部分的毒气检查。
(f)热传导报警器
热传导报警器和接触燃烧式报警器构成基本相似,就是测量原理不一样。
热传导报警器是将加热以后的铂电阻线圈放在待测的烟雾里,因为要传递热量到待测烟雾降低了温度,使其电阻的阻值发生变化。
温度的改变和所测烟雾热传导率之间的函数,如果是一定的烟雾,热传导率的物理特性一般是固定的。
2.2.2.烟雾报警器的选定
烟雾检测报警器一般在油库、化工、石油等容易可燃烧烟雾的地方,根据不同的报警器检查烟雾的需求,我们一般选择半导体烟雾报警器和接触燃烧式烟雾报警器。
使用接触燃烧式报警器,它的探头的阻缓和中毒,这个问题没法避免。
阻缓是空气中的烟雾和其他混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下,很可能在没有焰燃烧的同时,有一些固态的物质附着在催化元件的表面,阻塞其载体的微孔,从而引起响应缓慢反应滞缓,降低了灵敏度。
固然被阻缓的传感器重新放回空气新鲜的环境中可能会有一定程度的恢复,不过如果长时间的暴露的话,它的灵敏度就会不间断的下降,最终导致传感器丧失检测烟雾的能力。
如果中毒是空气之中一些包含硅烷等元素时,则催化元件就会被传感器产生无法逆转的中毒现象,会很快的丧失了灵敏度。
而当这样的物质发生在监测的环境时,经常会标定探头,这个方法很有效果。
因此,经常对报警器进行标定,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报警器进行量程校准,这种经常性对报警器的维护,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。
半导体烟雾报警器是利用单晶半导体材料制成的烟雾报警器和利用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾报警器,它有很多有点,包括价格便宜,响应快、方便使用、体积笑,结构简单、灵敏度高等,所以应用范围非常广泛。
半导体烟雾报警器的性能包括其灵敏度、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报警器的特征,发现半导体烟雾报警器的优点更加突出:
价格便宜,响应快、方便使用、体积笑,结构简单、灵敏度高,且没有探头阻缓和中毒的现象,维护成本廉价等。
所以,本次在设计中采集烟雾信息的核心我采用半导体烟雾报警器。
并且在众多半导体气体传感器中,本设计选用MQ-2型烟雾报警器,因为这种型号的传感器同时具有使用寿命长、抗干扰能力强、响应快、灵敏度高等优点。
2.2.3.MQ-2型烟雾报警器的工作原理
半导体烟雾报警器包括用单晶半导体元件制成烟雾报警器和用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制成烟雾报警器。
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
所利用的特性
工作温度
代表性被检测气体
电阻型
电阻
表面电阻控制器
300~450°
可燃性气体
体电阻控制器
700°
C以上
乙醇、可燃性气体
非电阻型
二极管整流特性
室温~200°
H2、CO、乙醇
晶体管特性
150°
H2、H2S
本设计中采用的MQ-2型烟雾报警器的材料是二氧化锡半导体,它是一种表面的离子式N型半导体。
当温度在200~300°
C时,空气中的氧被二氧化锡所吸附,吸附了氧的负离子,减少了其中的电子密度,进而增加了它的电阻值。
但接触到烟雾后,如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化,这样会让电导率同样发生变化。
利用这特征我们就可以得到这种烟雾存在的信息。
遇到可燃烟雾(例如CH4等)时,脱附掉本来吸附的氧,并且二氧化锡半导体表面吸附着可燃烧烟雾的正离子;
氧脱附发射电子,烟雾的正离子吸附状态也发射电子,这也增加了二氧化锡半导体导带电子的密度,降低了其电阻值。
但如果没有烟雾的时候,二氧化锡半导体开始自动的吸附氧的负离子,让其电阻值变成到起始的时候。
这就是MQ-2型燃性烟雾报警器检查可燃烟雾的基本原理。
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)初期稳定特性
半导体烟雾报警器在不通电状态存放一段时间后,再次通电时,器件并不能立即投入到正常的工作中。
这是因为烟雾报警器中的二氧化锡在不通电的情况下会吸附空气中流离的水蒸气,而再次通电时需要预热几分钟使蒸发掉水蒸气后,气敏电阻才能够正常的工作。
我们一般定义初期稳定时间是再次通电工作时气敏电阻值能够稳定所需要的时间,。
通常,越长时间不通电,初期稳定的时间也越长,如果不通电的时间超过15天的时候,初期稳定时间大概是在5分钟这样。
(b)加热特性
半导体烟雾报警器主要是在工作在温度较高的地方(200~450°
C),因此一般要先对它加热。
而且传感器大多数在易燃易爆的情况下工作,若直接连接加热丝和电源,当加热丝局部短路造成器件过热或放电时,可能就会引发事故。
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±
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。
第2.3节烟雾检测报警器设计方案
2.3.1.烟雾检测报警器工作原理
这次论文的烟雾检测报警器是以ST89C52单片机为主要核心,采用MQ-2型电阻式半导体传感器采集烟雾信息。
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