1、智能化电子系统设计正文目录1绪论 11.1烟雾报警器的发展及现状 11.2论文研究的内容及意义 12总体方案设计 32.1设计思想 32.2总体框图 32.3总体设计 43 单元模块电路简介与设计 53.1单片机主芯片电路 53.1.1单片机型号选择 53.1.2时钟电路和复位电路 53.2传感器模块电路 63.2.1 MQ-2烟雾传感器简介 63.2.2 MQ-2烟雾传感器模块电路设计 73.3声光报警电路 73.4数码管显示电路 83.5状态指示灯及按键控制电路 94软件设计 104.1 软件设计原理及所用工具 104.2 软件设计流程 105系统调试 115.1 系统硬件调试 115.2
2、 系统软件调试 116系统功能、指标参数 126.1爆炸下限(LEL)概念介绍 126.2爆炸极限的影响因素 126.3爆炸极限的计算方法 136.4常见气体爆炸极限值 146.5实验鉴定及误差分析 147总结与体会 168致谢 179 参考文献 18附录1 相关设计图 19附录2 软件设计源代码 221绪论1.1烟雾报警器的发展及现状随着科技的发展，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，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，
3、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。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
4、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。1.2论文研究的内容及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
5、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。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。本设计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，主要基本部分和扩展部分：(1)基本部分以宏晶科技公司生产的STC
6、12C5A60S2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、声音报警电路、状态指示灯电路、数码管显示电路五个部分。(2)扩展部分以MQ-2型半导体可燃气体敏感元件为主的传感器信号采集电路，实现气体浓度模拟量的采集，该传感器具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长。最后根据设计需求将硬件电路和软件结合进行综合调试，以单片机和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。2总体方案设计2.1设计思想此次设计是针对于
7、单片机原理及其应用展开的。其中包含了我们大学三年中所学到的相关知识，运用我们所学的电工电子技术，传感器技术，单片机技术去设计基于单片机的烟雾报警系统。STC12C5A60S2单片机好比一个桥梁，联系着传感器和报警电路等相关设备。当周围的环境（温度、湿度、烟雾浓度）达到我们设定的数值时，烟雾传感器把被测的物理量（烟雾浓度）作为输入参数，转换为电量（电流、电压、电阻等等）输出。物理量和测量范围的不同，传感器的工作机理和结构就不同。通常传感器输出的电信号是模拟信号（已有许多新型传感器采用数字量输出）。当信号的数值符合A/D转换器的输入等级时，可以不用放大器放大；当信号的数值不符合A/D转换器的输入等
8、级时，就需要放大器放大。而我们选择前者，不需要用放大器，选择数值符合A/D转换器的输入等级的传感器模块，这样就可以简化整个系统的设置。传感器将物理信号经过A/D转换器转化为可以利用识别的电信号给单片机，这里我们选择单片机的P1口为模拟通道输入，接收到信号的单片机经过程序的设定处理（当烟雾浓度达到设定数值时）会由P2口作为单片机的输出将浓度显示在数码管上，同时由P3口启动声光报警电路，此时扬声器将发出持续的蜂鸣声，同时指示灯亮，这就达到了声光报警的效果。2.2总体框图根据方案的设计思想，我们从中就可以得到了烟雾报警系统的总体框图如图2.1所示，使用STC12C5A60S2单片机，选用烟雾传感器作
9、为敏感元件，利用扬声器和LED等为声光报警电路，开发可用于家庭或小型单位的火灾报警的烟雾报警器。整个设计由四大部分构成：烟雾传感器、12C5A60S2单片机、数码管显示、声光报警电路。其中，传烟雾感器是将现场烟雾浓度这种非电信号转化为电信号；声光报警模块由蜂鸣器和LED电路组成，由单片机控制实现不同的声光报警功能。综合考虑各因素，本次设计选择MQ-2烟雾传感器用作系统采集的敏感元件。MQ-2烟雾传感器能探测液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，它灵敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体的探测。 图2.1烟雾报警系统的总体框图2.3总体设
10、计本论文中的烟雾检测报警器以STC12C5A60S2单片机为控制核心，MQ-2型 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STC12C5A60S2单片机；然后，在STC12C5A60S2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数码管，并判断浓度值是否超出报警限，当浓度处于正常状态报警灯不亮，当烟雾浓度超出设定的限定值时，发出声音报警并且红灯亮。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
11、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。3 单元模块电路简介与设计3.1单片机主芯片电路3.1.1单片机型号选择 硬件设计中最核心的器件是单片机STC12C5A60S2，它是一款单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代单片机，指令代码完全兼容传统，但速度快8-12倍，并且自带8路高速10位A/D转换。AD转换器实现模拟信号到数字信号的转换，另一方面，将转换后的数字值经计算机处理得到相应的二进制代码，与设定的值作比较。整个系统的软件编程就是通过C语言对单片机STC12C5
12、A60S2实现其控制功能。图3.1 STC12C5A60S2管脚图3.1.2时钟电路和复位电路单片机的晶振电路，即时钟电路，其工作流程，就是在系统时钟的作用下，逐条地执行存储器中的程序。单片机的时钟电路由外接的一只晶振和两只起振电容，以及单片机内部的时钟电路组成。单片机系统常用的晶振频率有11.0592MHz和12MHz，本系统采用11.0592MHz晶振，电容选30pF，电路如图3.2图3.2 晶振电路图系统刚上电时，单片机内部的程序还没有开始执行，需要一段准备时间，也就是复位时间。一个稳定的单片机系统必须设计复位电路。当程序跑飞或死机时，也需要进行系统复位。复位电路有很多种，有上电复位，手
13、动复位等，电路如图3.3所示。图3.3 复位电路图3.2传感器模块电路3.2.1 MQ-2烟雾传感器简介本次设计采用MQ-2气体传感器模块，MQ-2所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器图3.4 MQ-2烟雾传感器 图3.5 MQ-2烟雾传感器模块MQ-2半导体烟雾传感器在
14、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。此图是传感器典型的灵敏度特性曲线:H2:氢气LPG: 液化气CH4:甲烷CO:一氧化碳alcohol:乙醇propane:丙烷air:空气3.2.2 MQ-2烟雾传感器模块电路设计本模块设计主要采用LM393和MQ-2烟雾
15、传感器件等元器件，模块设计原理图如图3.6所示。 图3.6 MQ-2烟雾传感器模块电路 3.3声光报警电路声光报警电路由单片机P3.7和P3.6口控制，输出报警信号，驱动声光报警电路，直至按开关键。声光报警电路由蜂鸣器和普通发光二极管组成，电路图如图3.7所示。 图3.7 声光报警电路3.4数码管显示电路报警器浓度显示采用四个共阳数码管，显示浓度级别，其主要技术参数如下：模块工作电压：2.75.5V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3.8 显示驱动结构
16、图3.9 数码管结构3.5状态指示灯及按键控制电路状态指示灯及控制键电路图如图3.5所示。单片机STC12C5A60S2的P3.6、P3.5脚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，红灯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。图3.10状态指示灯电路图图3.11控制按键连接示意图4软件设计4.1 软件设计原理及所用工具本次设计中，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，数字化处理，数码管浓度显示，按键功能设置，以及报警器声光警报。
17、软件设计主要用到的工具是Keil uVision4，Keil公司是一家业界领先的微控制器（MCU）软件开发工具的独立供应商。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。C51编译器的功能不断增强，更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。Keil uVision4是C51 for Windows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。下载软件用的是宏晶公司单片机专用下载软件STC_ISP_V483，可以将编译后生成的HEX文件下载到单片机中，从而实现对系统实物的控制
18、功能。4.2 软件设计流程主程序流程图如图4.1所示。首先至少要给传感器预热五分钟以上，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。图4.1流程图5系统调试5.1 系统硬件调试一个单片机应用系统经过方案论证、硬件设计、印刷版的布局、加工和焊接包括软件的编制，通常不可能一次成功，不可避免地要出现一些错误，这就要靠调试来解决。调试的次序一般是先易后难，后面的调试应尽可能采用以前已调好的电路，各单元电路都调好以后，再进行系统总调。对于本次设计，其硬件电路的调试可以按如下步骤进行。1）硬件
19、电路的总体检查在一块电路试验板上，焊接好电路，按实际电路图插好元器件，连好线。在接上电源之前，用万用表粗略检查电路的正确性，尤其是要检查电源和地之间的电阻。确保电源和地无故障之后，再通电，然后检查电源电压数值的正确性。排除可能出现的故障后，再进行各单元电路调试。2）单元电路调试按照前面设计的单片机最小系统和电源，焊接并插上相应的元器件，连好线，检查正确无误后，接上电源。 5.2 系统软件调试首先，将源程序进行汇编，若汇编未通过，则汇编程序会提示出错类型，比如操作码错、缺少操作数、跳转出范围、符号未定义、缺少“；”等常见错误。经过修改后再进行汇编，若这时提示汇编成功，保存目标文件，则说明源程序的
20、指令使用没有错误。但并不表示程序没有错误，还必须经过仿真调试，仿真通过才说明程序设计正确。接下来要进行实物仿真调试，在电路板上插好仿真头，接好通信电缆，接通电源，运行仿真程序。在进行实物仿真之前，要选择正确的仿真头、通信口、通信协议和波特率等，并设置用户程序空间和数据空间所处的位置（用户板上或仿真头）。然后，装入显示程序，汇编并执行，检查结果是否正确。6系统功能、指标参数6.1爆炸下限(LEL)概念介绍本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(LowerExp
21、losionLimited)，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(UpperExplosionLimited),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
22、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。甲烷在空气浓度为9%-11%时遇明火爆炸,高于1
23、1%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。6.2爆炸极限的影响因素爆炸极限通常是在常温常压等标准条件下测定出来的数据，它不是固定的物理常数。同一种可燃气体、蒸气的爆炸极限也不是固定不变的，它随温度、压力、含氧量、等因素的变化而变化。1初始温度混合气着火前的初温升高，会使分子的反应活性增加，导致爆炸范围扩大，即爆炸下限降低，上限提高，从而增加了混合物的爆炸
24、危险性。2初始压力增加混合气体的初始压力，通常会使上限显著提高，爆炸范围扩大。增加压力还能降低混合气的自燃点，这样使得混合气在较低的着火温度下能够发生燃烧。原因在于，处在高压下的气体分子比较密集，浓度较大，这样分子间传热和发生化学反应比较容易，反应速度加快，而散热损失却显著减少。压力对甲烷爆炸极限的影响。在已知的气体中，只有CO的爆炸范围是随压力增加而变窄的。混合气在减压的情况下，爆炸范围会随之减小。压力降到某一数值，上限与下限重合，这一压力称为临界压力。低于临界压力，混合气则无燃烧爆炸的危险。在一些化工生产中，对爆炸危险性大的物料的生产、贮运往往采用在临界压力以下的条件进行，如环氧乙烷的生产
25、和贮运。3含氧量混合气中增加氧含量，一般情况下对下限影响不大，因为可燃气在下限浓度时氧是过量的。由于可燃气在上限浓度时含氧量不足，所以增加氧含量使上限显著增高，爆炸范围扩大，增加了发生火灾爆炸的危险性。若减少氧含量，则会起到相反的效果。例如甲烷在空气中的爆炸范围为5314，而在纯氧中的爆炸范围则放大到5O61。甲烷的极限氧含量为12，若低于极限氧含量，可燃气就不能燃烧爆炸了。6.3爆炸极限的计算方法爆炸极限计算方法：比较认可的计算方法有两种：（1）莱夏特尔定律对于两种或多种可燃蒸气混合物，如果已知每种可燃气的爆炸极限，那么根据莱夏特尔定律，可以算出与空气相混合的气体的爆炸极限。用Pn表示一种可
26、燃气在混合物中的体积分数，则：LEL=（P1+P2+P3）/（P1/LEL1+P2/LEL2+P3/LEL3）（V%）混合可燃气爆炸上限：UEL=（P1+P2+P3）/（P1/UEL1+P2/UEL2+P3/UEL3）（V%）此定律一直被证明是有效的。（2）理查特里公式 理查特里认为，复杂组成的可燃气体或蒸气混合的爆炸极限，可根据各组分已知的爆炸极限按下式求之。该式适用于各组分间不反应、燃烧时无催化作用的可燃气体混合物。Lm=100/（V1/L1+V2/L2+Vn/Ln）式中Lm混合气体爆炸极限，%；L1、L2、L3混合气体中各组分的爆炸极限，%；V1、V2、V3各组分在混合气体中的体积分数，
27、%。例如：一天然气组成如下：甲烷80%（L下=5.0%）、乙烷15%（L下=3.22%）、丙烷4%（L下=2.37%）、丁烷1%（L下=1.86%）求爆炸下限。Lm=100/（80/5+15/3.22+4/2.37+1/1.86）=4.3696.4常见气体爆炸极限值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具有良好的抗干扰性，适宜于液化气、丁烷、丙烷、 甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置。下表给出一些常见气体的爆炸限值：常见气体的爆炸极限气体名称 化学分子式下限(V/V) (体积分数) / %上限(V/V) (体积分数)
28、/ %甲烷CH45.015酒精C2H5OH3.419液化石油气112氢气H24.075丁烷C4H101.98.5丙烷C3H82.29.5氨气NH31530.2 6.5实验鉴定及误差分析本设计实验验证中假设打火机装的是纯液态丁烷，已知丁烷的爆炸下限为1.9%体积比，即19000ppm,对应的报警限设在20%LEL,即3800ppm,实验时我们设定为2000ppm,即气体浓度达到2000ppm时，此时声光报警启动，且该MQ-2烟雾传感器模块对丁烷的检测范围在300-5000ppm之间。在测量仪器的实际使用中，通常会有多种误差源综合作用的结果。就本仪器而言，误差来源主要以下几个方面： (1)电子元器
29、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。 (2)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
30、。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。 (3)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。 7总结与体会在本次设计中，由于没有设计经验，走了不少弯路，比如在选择器件上，不懂得综合各个方面的因素，只是单单考虑某一个方面，所
31、以在设计硬件原理图时进行了多次修改，花费了不少时间。不过在各方面的帮助下，我们本次的课程设计最后还是完成了。经过这次课程设计后，我们受益匪浅不仅积累了很多课外知识，而且每个人在这个过程中一也发现了自己所擅长的地方，大家的共同努力使得这次课设圆满结束！本系统以STC12C5A60S2为核心，实现了烟雾探测浓度显示和声光报警的硬件和软件的设计。现将我这一阶段以来的工作总结如下：1.了解了烟雾传感器的基本原理构成及优缺点。通过此次课程设计，我们了解了现在传感器已经应用于人们生产、生活中的各个领域，而且具有低电压、低功耗，使用方式灵活，等特点。并且，随着知识经济时代的到来，人类逐步进入了信息化社会，它的发展将成为社会发展的一个主流方向。2.学习了STC12系列单片机的结构原理基于设计的核心控制是由STC12C5A60S2单片机完成的，我们在已有的80系列单片机知的基础上，认真学习了STC公司的STC12系列单片机尤其是STC12C5A60S2的结构功能和原理。3.学习使用Altium designer软件进行系统原理图和电路板的设计以前，对于Altium d
