单片机多路巡回检测与控制报 警装置的研制.docx
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单片机多路巡回检测与控制报警装置的研制
1绪论
1.1仓库烟雾警报器的设计背景
随着社会的发展，经济区域不断的扩展，大型仓储、物流、加工型企业和物流工业区越来越多。
所以，我们应该把在这些区域的消防工作放在首要的位置。
仓库指储藏和放置物资的场所和建筑物，是物资高度集中的地方，火灾一旦发生，经济损失将会十分严重。
近年来，在我国发生的特大火灾事故中，仓库火灾占有相当比例。
如上海紫兴药业有限公司的仓库发生火灾，造成2人死亡和7人受伤。
随州市曾都区的供销社资产管理中心所属仓库发生火灾，烧毁100多台电视机、大量的木制家俱还有固体酒精等，造成的损失不低于100万元。
仓库火灾的损失如此严重，主要是由于其物资高度集中的特点所造成。
本文设计了一套适用于仓库火灾的自动报警装置,对于火灾的及早发现和对火灾进行早期的扑灭,减小火灾造成的损失有重要的意义。
烟雾检测报警装置是一种能够检测环境中的烟雾浓度并且具有报警功能的仪器。
该报警装置可用于石油化学工业、可能有气体泄漏的生产工厂及家庭防火防爆。
烟雾报警器归属于《中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录》中第46项，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，国家执行了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、能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。
1.2仓库烟雾警报器的设计目的
火灾警报系统可以在火灾早期将火情及时的通知管理人员，使火灾能够在早期就被抑制，延长货物的疏散的时间。
设计一种能够在火灾初期发生时或者有可燃气体堆积引起的火灾隐患时就能发出报警的报警器，使人们能够及时发现火灾，并及时采取有效措施，扑灭初期火灾，最大限度的减少或消除因火灾造成的生命危害和财产的损失，是人们同火灾做斗争的有力工具。
火灾自动报警系统一般是由触发器件、火灾报警装置及其他联动控制系统部分等组成。
由于物资仓库面积很大，存放的物品密集而且易燃，物资仓库的火灾危险性一般具有以下特征:
（1）火势蔓延快，烟气扩散快；
（2）火灾形成后扑救难度大；（3）火险的隐患多，灾后损失严重。
根据物资仓库的建筑结构和火灾危险性，触发器件选用了普敏式烟雾警报器，使其可以及早发现火灾还能减小火灾的误报率。
同时采取火灾报警控制器和集中火灾控制报警器的分布式结构，以提高火灾自动报警系统的工作效率，使其能及时灭火，减小火灾造成的损失。
1.3设计的主要任务
我们已经学习了很多比如单片机控制电路、传感器电路、A/D和D/A转换电路、信号放大电路等相关的知识，具备了设计对信号采集、放大、转换、处理、控制以及显示电路的能力。
通过对传感器电路，微控制器电路，数据存储电路，显示电路和警报电路的整合，可以设计出一个具有良好性能且稳定性高的电路，以实现对烟雾浓度的检测以及对数据的显示和存储功能。
本设计以单片机为核心，通过烟雾传感器对烟雾进行检测其浓度并进行警报和实时显示，以达到对烟雾的监测警报的目的。
主要研究的内容有：
以单片机为主控制器，设计、制作一套控制系统，实现电动车的电气控制，要求：
1．输入电源：
交流220V；
2．可巡回检测储藏库的四个不同位置的烟雾及煤气浓度；
3．可实时显示各处烟雾及煤气浓度；
4．检测精度±2％FS；
5．可实现数据的保存及调用历史数据；
6．当烟雾及煤气浓度超过一定值时报警；
2系统原理的概述
烟雾警报器可以检测环境中的烟雾，能够实时的显示浓度并且能够在浓度达到一定程度的时候发出警报，其组成部分包括：
烟雾信号采集电路，单片机控制电路，显示电路，警报电路，数据存储电路。
烟雾信号采集电路是由烟雾传感器和模拟放大电路组成的，烟雾信号会被转化成模拟电信号。
模拟信号将通过模数转换电路转换成单片机可以识别的数字信号，然后传入单片机内。
数字信号通过单片机的滤波处理，并分析处理后的数据，数据将在显示电路的显示屏上实时显示数据，如果其大于预设值（就是警报值），则会出发警报电路发出警报，反之就是正常状态。
实时的数据也将会在数据存储电路中存储。
烟雾警报器的两大核心是是单片机和烟雾传感器，选择好的传感器，对警报器的稳定性和精确度非常重要。
2.1硬件的原理和结构
本文中的烟雾警报器是以STC12C5A60S2单片机为核心，采用MQ-2型普敏式半导体传感器采集烟雾信息。
首先，传感器采集来的烟雾浓度电压信号很小，经过电压信号放大后送入STC12C5A60S2单片机中；然后，信号在单片机内经过A/D转换、浓度比较后，对数据进行线性化的处理，把已经数字化的信号转化为相对应十进制的浓度值；最后，把实际测得的气体浓度信息通过液晶显示器实时显示出来，并同时判断这个浓度值是否超过警报限，当超过是，警报器被触发响起。
另外因为烟雾传感器工作的时候需要预热，温度也高，反应也快，响应和回复时间也越迅速。
为了使警报器反应迅速，需要向其持续的提供一个5v的电压。
为了适应工厂、仓库场所对可燃性易爆性烟雾气体的安全要求，我们设计的烟雾报警器不仅要工作范围宽广，而且应具有实时显示烟雾浓度、故障自检、延时报警功能及数据保存调用和实时控制等功能。
使其在传统的烟雾报警仪的基础上，具有更高的准确性，低成本，体积小。
本系统是以单片机为核心，与外围电路共同完成信号采集、浓度显示、时间显示、状态显示、声音报警、按键输入等功能。
报警器采用自动巡检的工作方式，进行报警值设定。
系统采用了具有高性能的STC12C5A60S2单片机，因为其工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，可以保证报警器的可靠性及精确性，而且体积小，成本低，有利于减少报警器的体积，节约报警器的成本。
报警器系统结构框图如图2-1所示：
图2-1可燃烟雾报警器系统结构框图
2.2烟雾警报器的类型
2.2.1烟雾传感器介绍
（1）烟雾传感器的分类
从检测原理上，烟雾传感器有很多种，主要可以分为三大类：
利用物理化学性质的烟雾传感器：
如接触燃烧烟雾传感器、半导体烟雾传感器等。
利用物理性质的烟雾传感器：
如光干涉烟雾传感器、热导烟雾传感器、红外传感器等。
利用电化学性质的烟雾传感器：
如电势型气体传感器、电流型烟雾传感器等。
（2）烟雾传感器需要满足的基本条件：
一个烟雾传感器可能是单功能的，也可能是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个具有不同功能传感器组成的传感器阵列。
不过，一个完整的烟雾传感器都应该具备以下条件：
可以选择性地检测某种单一烟雾，而对伴随的其它烟雾不响应或低响应；
对被测烟雾气体具有较高的灵敏性，能有效地检测范围内的烟雾浓度；
③能快速响应检测信号，而且具有较好的重复性；
④能够稳定的长期的工作；
⑤使用寿命长；
⑥制做成本低，能够使用与维护。
（3）常见烟雾传感器简介
下面对工业上常用的几种烟雾传感器作简单介绍。
半导体烟雾传感器
半导体烟雾传感器包括用单晶半导体器件制作的烟雾传感器以及用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器。
从1962年半导体金属氧化物烟雾传感器问世以来，因为具有高灵敏度、响应速度快、输出信号强、结构简单、耐久性强、价格便宜等优点，使其得到了广泛的应用。
按照敏感机理分，可将其分为电阻型和非电阻型两种。
固体电解质烟雾传感器
固体电解质烟雾传感器把固体电解质气敏材料作为气敏元件，原理是利用气敏材料在通过烟雾时会产生电阻，测量其形成电动势从而测量烟雾浓度。
由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性比较好，得到了广泛的应用，进入了石化、环保、矿业等各个领域，是产量仅次于半导体烟雾传感器的传感器。
但是这种传感器制造成本较高，检测烟雾范围也有限，在检测环境污染领域中有优势。
③接触燃烧式传感器
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，故得名接触燃烧式传感器。
接触燃烧式烟雾传感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。
④高分子烟雾传感器
利用高分子气敏材料制作的烟雾传感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，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。
高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性烟雾和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。
高分子烟雾传感器具有对特定烟雾分子灵敏度高，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。
⑤电化学传感器
电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。
烟雾浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。
它的优点是：
反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短（大约两年）。
它主要适用于毒性烟雾检测。
目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。
⑥热传导传感器
热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。
它的测量原理是：
将加热后的铂电阻线圈置于目标烟雾中，由于向目标烟雾传送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻值的变化情况。
温度的变化情况是目标烟雾热传导率的函数，而对于一种给定的烟雾或汽化物，热传导率是它固有的物理特性。
⑦红外传感器
红外传感器通常用两束红外光进行烟雾测量，主光束通过测量元件内的目标烟雾，参考光束通过比较元件内的参考烟雾。
在测量和比较元件中，红外射线被烟雾有选择地吸收了。
未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目标烟雾浓度的差分信号。
非扩散式红外探测器NDIR（non-dispersiveIR）是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。
不同的烟雾吸收不同波长的IR，所以传感器根据目标烟雾而调整，典型应用包括测量CO和CO2、冷冻剂烟雾和一些易燃气。
由于非碳氢化合物易燃烟雾（如氢）不吸收电磁谱中IR部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物，并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其它烟雾的腐蚀以及高浓度目标烟雾的影响。
（4）常见烟雾传感器可检测烟雾种类
因为烟雾种类繁多，一种类型的烟雾传感器不能检测所有的气体，一般只能检测某一种或者两种特定性质的烟雾。
例如氧化物半导体烟雾传感器主要检测的是各种还原性烟雾，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。
固体电解质烟雾传感器主要检测无机烟雾，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。
表2-1简要列举出已经研究、开发的各类烟雾传感器及其可检测的气体种类。
表2-1
传感器种类
CO
CO2H2SNH3
HCN
HCI
COCI2
CI2NOX
SO2
O2
CH4
C3H2
H2
H2O
半导体气体传感器
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
高分子电解质气体传感器
○
○
○
○
○
接触燃烧式传感器
◎
○
○
○
电化学式传感器
○
○
○
○
○
○
○
○
固体电解质传感器
◎
○
○
○
○
注：
○好◎不太好
2.2.2烟雾传感器的选定
烟雾检测报警器主要应用在工厂、仓库、石油、化工、冶金、油库、液化气站等易发生可燃气体和烟雾泄漏的场所，根据报警器检测烟雾种类的要求，一般选用接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器。
使用接触燃烧式传感器，有两个不可避免的问题是探头的阻缓及中毒。
阻缓是当在烟雾与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的时，有可能在无焰燃烧的同时，一些固态物质会附着在催化元件表面，阻塞载体的网格微孔，从而使得传感器响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。
虽然把阻缓的传感器放回新鲜空气环境中有可能得到一定程度的恢复，但是长期暴露在这样的环境中，其灵敏度就会不断下降，传感器最终检测烟雾的能力会丧失。
中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。
当怀疑检测环境中存在这些物质时，经常对探头进行标定，是必须且有效的办法。
因此，经常对传感器进行标定，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传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，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，它具有灵敏度高，响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。
半导体烟雾传感器的性能主要看其灵敏度、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传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出：
灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。
因此，本设计采用半导体烟雾传感器作为报警器烟雾信息采集部分的核心。
而在众多半导体气体传感器中，本设计选用MQ-2型烟雾传感器，这种型号的传感器不但具备一般半导体烟雾传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。
2.2.3报警器工作特性
本次设计是针对仓库中的烟雾及煤气的检测，仓库烟雾中所含的一般是混杂，所以采用普敏式烟雾传感器MQ-2。
MQ-2的特点是：
探测范围广，高灵敏度/快速响应恢复，优异的稳定性/寿命长，驱动电路简单。
可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。
其灵敏特性如下表：
表2-2
符号
参数名称
技术参数
备注
Rs
敏感体表面电阻
3KΩ-30KΩ
（1000ppm异丁烷）
探测浓度范围
100ppm-10000ppm
液化气和丙烷
300ppm-5000ppm丁烷
5000ppm-20000ppm甲烷
300ppm-5000ppm氢气
100ppm-2000ppm酒精
α（3000/1000）异丁烷
浓度斜率
≤0.6
标准工作条件
温度：
20℃±2℃Vc:
5.0V±0.1V
相对湿度：
65%±5%Vh:
5.0V±0.1V
预热时间
不少于24小时
特别注意的是MQ-2烟雾传感器需要不断电的预热24小时，这会对于系统的演示会造成影响。
如果采用工业板，侧灵敏度较高，预热的时间将大大减少，节约系统运行时需要的时间，更有效的实现运作。
图2-3给出了MQ-2型气敏元件的温湿度特性
图2-3MQ-2型气敏元件的温湿度特性
Ro:
20℃，33%RH条件下，1000ppm氢气中元件电阻。
Rs:
不同温度，湿度下，1000ppm氢气中元件电阻。
灵敏度调整：
MQ-2型气敏元件对不同种类、不同浓度的气体有不同的电阻值。
因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。
当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。
MQ-2元件外形结构如图2-4所示：
图a图b
图2-4MQ-2元件外形结构图
MQ-2气敏元件的结构和外形如图a所示（结构AorB）,由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。
封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。
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。
3.1单片机的选型
在单片机完成指定的工作时，尤其是信号处理，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。
3.1.1STC12C5A60S2单片机的介绍
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。
STC12C5A60S2/AD/PWM单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是新一代高速/低功耗/超强抗干扰的8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度要快8-12倍。
内部集成有MAX810专用的复位电路，有2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S），专门针对电机控制，强干扰场合。
其特点是：
（1）有增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051单片机；
（2）工作电压：
STC12C5A60S2系列工作电压：
5.5V-3.3V（5V单片机）；
（3）工作频率范围：
0~35MHz，相当于普通8051单片机的0~420MHz；
（4）用户应用程序空间为8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节......；
（5）片上集成1280字节RAM；
（6）通用I/O口（36/40/44个），复位后为：
准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：
准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55mA；
（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；
（8）有EEPROM功能（STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM）；
（9）看门狗；
（10）内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）；
（11）外部掉电检测电路:
在P4.6口有一个低压门槛比较器5V单片机为1.32V，误差为+/-5%,3.3V单片机为1.30V，误差为+/-3%；
（12）时钟源：
外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器（温漂为+/-5%到+/-10%以内）用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟常温下内部R/C振荡器频率为：
5.0V单片机为：
11MHz～15.5MHz3.3V单片机为：
8MHz～12MHz精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准；
（13）共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器；
再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器；
（14）2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟；
（15）外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，PowerDown模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,CCP0/P1.3（也可通过寄存器设置到P4.2）,CCP1/P1.4（也可通过寄存器设置到P4.3）；
（16）PWM（2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路）也可用来当2路D/A使用，也可用来再实现2个定时器，也可用来再实现2个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持）；
（17）A/D转换,10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S（每秒钟25万次）；
（18）通用全双工异步串行口（UART），由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口；
（19）STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2（可通过寄存器设置到P4.2），TxD2/P1.3（可通过寄存器设置到P4.3）；
（20）工作温度范围：
-40-+85℃（工业级）/0-75℃（商业级）；
（21）封装：
PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48；
I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口，还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU，三线通信，还多了串口。
STC12C5A60S2的引脚排列如图3-1所示：
图3-1STC12C5A60S2的引脚排列图
STC12C5A60S2单片机中包含中央处理器（CPU）、程序储存器（Flash）、数据存储器（SRAM）、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、告诉A/D转换、SPI接口，PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡模块。
STC12C5A60S2单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的各种单元模块，可以说是一个片上系统。
3.1.2中断系统
中断系统是为了使CPU具有处理外界异步事件的能力而设置的。
当中央处理机CPU正在处理某个事件的时候外界提出了紧急事件请求，要求CPU暂时停止当前的工作，而转去处理这个紧急事件，处理完这事件之后，再回到原来被中断的程序，继续原来的动作，这样的过程称为中断。
实现这样功能的部件叫做中断系统，请示CPU中断的请求源称为中断源，微型机中断系统一般允许多个中断源，当几个中断源同时向CPU请求中断要求为其服务时，就存在CPU优先相应哪个中断源请求的问题，通常根据中断源的轻重缓急列队，优先处理最紧急事件的中断请求源，也就是预先规定每一个中断请求源有一个优先级别。
CPU是先响应优先级别最高的中断请求。
当CPU正在处理一个请求源时（即执行相应的中断服务程序），产生了一个优先级别比它要高的中断请求源时，CPU能够暂停对原来的中断服务程序，转去执行处理优先级别更高的中断请求源，等到处理完之后，再去处理原来的低级中断服务程序，这样的过程叫做中断嵌套，这样的中断系统叫做多级中断系统，没有中断嵌套功能的中断系统就叫做单级中断系统。
STC12C5A60S2系列单片机提供了10个中断请求源，它们分别是：
外部中断0（
）、外部中断1（
）、定时器0中断、定时器1中断、串口1（UART1）中断、A/D转换中断、PCA中断
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