基于stc12c5410ad单片机的烟雾报警控制系统设计

基于stc12c5410ad单片机的烟雾报警控制系统设计内容摘要：

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 5177。 (2) MQ2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(21)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， logRS=mlogC+n(22) 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 (200~450176。 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。 MQ2 型烟雾传感器加热电压为 5177。 ，加热电阻为 31177。 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) MQ2型传感器的特性参数 (a)回路电压： (Vc)5~24V (b)取样电阻： (RL)~20K (c)加热电压： (VH)5177。 (d)加热功率： (P)约 750mW (e)灵敏度：以甲烷为例 R0(air)/RS(%CH4)＞ 5 (f)响应时间： Tres＜ 10秒 (g)恢复时间： Trec＜ 30秒 烟雾检测报警器整体设计方案 本论文中的烟雾检测报警器以 STC12C5410AD 单片机为控制核心，采用 MQ2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。 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 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 可燃性气体检测报警器结构框图 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。 传感器 放大电路 A/D转换 串口通信 安全控制装置 单片机 状态指示灯 声音报警 浓度显示 四个按键 (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。 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 :：177。 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 50176。 C~50176。 C；报警器 0176。 C~500176。 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 0~5VDC 标准信号。 (11)工作电压： AC220V177。 15%， 50177。 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。 3. 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。 单片机的选型 单片机的选择 8051 单片机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。 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。 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 所示。 图 单片机管脚图 STC12C5410AD 单片机具有以下特点： (1)Flash 存储器 STC12C5410ADFlash 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 CLSFR 的值小于 {EPCnL， CCAPnL}时，输出为低，当 PCACLSFR 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。