西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告PAGEPAGE28第頁(yè)目錄1緒論 11.1煙霧報(bào)警器的發(fā)展及現(xiàn)狀 11.2論文研究的內(nèi)容及意義 12總體方案設(shè)計(jì) 32.1設(shè)計(jì)思想 32.2總體框圖 32.3總體設(shè)計(jì) 43單元模塊電路簡(jiǎn)介與設(shè)計(jì) 53.1單片機(jī)主芯片電路 53.1.1單片機(jī)型號(hào)選擇 53.1.2時(shí)鐘電路和復(fù)位電路 53.2傳感器模塊電路 63.2.1MQ-2煙霧傳感器簡(jiǎn)介 63.2.2MQ-2煙霧傳感器模塊電路設(shè)計(jì) 73.3聲光報(bào)警電路 73.4數(shù)碼管顯示電路 83.5狀態(tài)指示燈及按鍵控制電路 94軟件設(shè)計(jì) 104.1軟件設(shè)計(jì)原理及所用工具 104.2軟件設(shè)計(jì)流程 105系統(tǒng)調(diào)試 115.1系統(tǒng)硬件調(diào)試 115.2系統(tǒng)軟件調(diào)試 116系統(tǒng)功能、指標(biāo)參數(shù) 126.1爆炸下限(LEL)概念介紹 126.2爆炸極限的影響因素 126.3爆炸極限的計(jì)算方法 136.4常見氣體爆炸極限值 146.5實(shí)驗(yàn)鑒定及誤差分析 147總結(jié)與體會(huì) 168致謝 179參考文獻(xiàn) 18附錄1相關(guān)設(shè)計(jì)圖 19附錄2軟件設(shè)計(jì)源代碼 221緒論1.1煙霧報(bào)警器的發(fā)展及現(xiàn)狀隨著科技的發(fā)展，越來越多的巨大的隱患由于工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活而產(chǎn)生。為了早期發(fā)現(xiàn)和通報(bào)火災(zāi)，保護(hù)人身和財(cái)產(chǎn)安全,保衛(wèi)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)，防止火災(zāi)引起燃燒、爆炸等事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及生命安全,為了減少這類事故的發(fā)生，就必須對(duì)煙霧進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)，嚴(yán)密監(jiān)測(cè)環(huán)境中煙霧的濃度，及早發(fā)現(xiàn)事故隱患，采取有效措施，避免事故發(fā)生，才能確保工業(yè)安全和家庭生活安全。因此，研究煙霧的檢測(cè)方法與研制煙霧報(bào)警器就成為傳感器技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。國(guó)外從20世紀(jì)30年代開始研究及開發(fā)煙霧傳感器，且發(fā)展迅速，一方面是因?yàn)槿藗儼踩庾R(shí)增強(qiáng)，對(duì)環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是因?yàn)閭鞲衅魇袌?chǎng)增長(zhǎng)受到政府安全法規(guī)的推動(dòng)。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)1996年~2002年煙霧傳感器年均增長(zhǎng)率為27%~30%。隨著傳感器生產(chǎn)工藝水平逐步提高，傳感器日益小型化、集成度不斷增大，使得煙霧檢測(cè)儀器的體積也逐漸變小,提高了煙霧檢測(cè)儀器的便攜性，更加利于生產(chǎn)、運(yùn)輸及市場(chǎng)推廣。1963年5月，日本開發(fā)完成第一臺(tái)接觸燃燒式家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器，次年12月其改良產(chǎn)品問世，改良的報(bào)警器可以檢測(cè)燃?xì)狻⒁谎趸嫉葰怏w，可以安裝在浴室或者采用集中監(jiān)視。我國(guó)在70年代初期開始研制煙霧報(bào)警器，生產(chǎn)型號(hào)多樣、品種較齊全，應(yīng)用范圍也由單一的煉油系統(tǒng)擴(kuò)展到幾乎所有危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境的各種類型報(bào)警器，產(chǎn)品數(shù)量也在不斷增加。但主要是在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的傳感器技術(shù)和先進(jìn)的生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，進(jìn)行研究與開發(fā)形成自己的特色。近年來，在煙霧選擇性和產(chǎn)品穩(wěn)定性上也有很大進(jìn)步。1.2論文研究的內(nèi)容及意義為了早期發(fā)現(xiàn)和通報(bào)火災(zāi)，防止和減少火災(zāi)危害，保護(hù)人身和財(cái)產(chǎn)安全。保衛(wèi)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)，防止火災(zāi)引起燃燒、爆炸等事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及生命安全。煙霧檢測(cè)報(bào)警裝置是能夠檢測(cè)環(huán)境中的煙霧濃度并具有報(bào)警功能的儀器。該報(bào)警裝置是石油化學(xué)工業(yè)、有氣體泄漏可能的生產(chǎn)工廠及家庭防火防爆必備的儀器。隨著全社會(huì)對(duì)防火防爆及人身安全的重視程度的提高，這個(gè)數(shù)字會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)。近十年來，農(nóng)村的沼氣使用也得到了極大的發(fā)展。到2006年底，全國(guó)沼氣池?cái)?shù)量已達(dá)近1300萬座，這就為檢測(cè)沼氣（主要成分是甲烷）濃度的儀器提供了市場(chǎng)?？梢?，煙霧報(bào)警器具有十分廣闊的市場(chǎng)前景。本設(shè)計(jì)以電阻式煙霧傳感器和單片機(jī)技術(shù)為核心并與其他電子技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一種技術(shù)水平較好的煙霧報(bào)警器，主要基本部分和擴(kuò)展部分：(1)基本部分以宏晶科技公司生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機(jī)為中央處理器，對(duì)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)，使其功能更加完善。系統(tǒng)硬件電路主要分為前置放大電路、鍵盤電路、聲音報(bào)警電路、狀態(tài)指示燈電路、數(shù)碼管顯示電路五個(gè)部分。(2)擴(kuò)展部分以MQ-2型半導(dǎo)體可燃?xì)怏w敏感元件為主的傳感器信號(hào)采集電路，實(shí)現(xiàn)氣體濃度模擬量的采集，該傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且價(jià)格低廉，使用壽命長(zhǎng)。最后根據(jù)設(shè)計(jì)需求將硬件電路和軟件結(jié)合進(jìn)行綜合調(diào)試，以單片機(jī)和MQ-2型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器為核心設(shè)計(jì)的煙霧報(bào)警器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便、價(jià)格低廉、智能化的煙霧報(bào)警器，具有一定的實(shí)用價(jià)值。2總體方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)思想此次設(shè)計(jì)是針對(duì)于單片機(jī)原理及其應(yīng)用展開的。其中包含了我們大學(xué)三年中所學(xué)到的相關(guān)知識(shí)，運(yùn)用我們所學(xué)的電工電子技術(shù)，傳感器技術(shù)，單片機(jī)技術(shù)去設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的煙霧報(bào)警系統(tǒng)。STC12C5A60S2單片機(jī)好比一個(gè)橋梁，聯(lián)系著傳感器和報(bào)警電路等相關(guān)設(shè)備。當(dāng)周圍的環(huán)境（溫度、濕度、煙霧濃度）達(dá)到我們?cè)O(shè)定的數(shù)值時(shí)，煙霧傳感器把被測(cè)的物理量（煙霧濃度）作為輸入?yún)?shù)，轉(zhuǎn)換為電量（電流、電壓、電阻等等）輸出。物理量和測(cè)量范圍的不同，傳感器的工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)就不同。通常傳感器輸出的電信號(hào)是模擬信號(hào)（已有許多新型傳感器采用數(shù)字量輸出）。當(dāng)信號(hào)的數(shù)值符合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入等級(jí)時(shí)，可以不用放大器放大；當(dāng)信號(hào)的數(shù)值不符合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入等級(jí)時(shí)，就需要放大器放大。而我們選擇前者，不需要用放大器，選擇數(shù)值符合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入等級(jí)的傳感器模塊，這樣就可以簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)置。傳感器將物理信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為可以利用識(shí)別的電信號(hào)給單片機(jī)，這里我們選擇單片機(jī)的P1口為模擬通道輸入，接收到信號(hào)的單片機(jī)經(jīng)過程序的設(shè)定處理（當(dāng)煙霧濃度達(dá)到設(shè)定數(shù)值時(shí)）會(huì)由P2口作為單片機(jī)的輸出將濃度顯示在數(shù)碼管上，同時(shí)由P3口啟動(dòng)聲光報(bào)警電路，此時(shí)揚(yáng)聲器將發(fā)出持續(xù)的蜂鳴聲，同時(shí)指示燈亮，這就達(dá)到了聲光報(bào)警的效果。2.2總體框圖根據(jù)方案的設(shè)計(jì)思想，我們從中就可以得到了煙霧報(bào)警系統(tǒng)的總體框圖如圖2.1所示，使用STC12C5A60S2單片機(jī)，選用煙霧傳感器作為敏感元件，利用揚(yáng)聲器和LED等為聲光報(bào)警電路，開發(fā)可用于家庭或小型單位的火災(zāi)報(bào)警的煙霧報(bào)警器。整個(gè)設(shè)計(jì)由四大部分構(gòu)成：煙霧傳感器、12C5A60S2單片機(jī)、數(shù)碼管顯示、聲光報(bào)警電路。其中，傳煙霧感器是將現(xiàn)場(chǎng)煙霧濃度這種非電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；聲光報(bào)警模塊由蜂鳴器和LED電路組成，由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)不同的聲光報(bào)警功能。綜合考慮各因素，本次設(shè)計(jì)選擇MQ-2煙霧傳感器用作系統(tǒng)采集的敏感元件。MQ-2煙霧傳感器能探測(cè)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想。這種傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，它靈敏度高，穩(wěn)定性好，適合于火災(zāi)中氣體的探測(cè)。圖2.1煙霧報(bào)警系統(tǒng)的總體框圖2.3總體設(shè)計(jì)本論文中的煙霧檢測(cè)報(bào)警器以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，MQ-2型阻式半導(dǎo)體傳感器采集煙霧信息。首先，傳感器送來的煙霧濃度對(duì)應(yīng)的微小的電壓信號(hào)經(jīng)過放大，轉(zhuǎn)化成較大的電壓信號(hào)送入STC12C5A60S2單片機(jī)；然后，在STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換、濃度比較，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理，將數(shù)字化電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成為對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制濃度值；最后，將實(shí)際可燃性氣體濃度送入數(shù)碼管，并判斷濃度值是否超出報(bào)警限，當(dāng)濃度處于正常狀態(tài)報(bào)警燈不亮，當(dāng)煙霧濃度超出設(shè)定的限定值時(shí)，發(fā)出聲音報(bào)警并且紅燈亮。另外由于煙霧傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反應(yīng)越快，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間就越快。為提高響應(yīng)時(shí)間，保證傳感器準(zhǔn)確地、穩(wěn)定地工作，報(bào)警器需要向煙霧傳感器持續(xù)輸出一個(gè)5V的電壓。為了保證其可靠性，在輸出5V的電壓的同時(shí)，進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)。3單元模塊電路簡(jiǎn)介與設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)主芯片電路3.1.1單片機(jī)型號(hào)選擇硬件設(shè)計(jì)中最核心的器件是單片機(jī)STC12C5A60S2，它是一款單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)，但速度快8-12倍，并且自帶8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換。AD轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，另一方面，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字值經(jīng)計(jì)算機(jī)處理得到相應(yīng)的二進(jìn)制代碼，與設(shè)定的值作比較。整個(gè)系統(tǒng)的軟件編程就是通過C語言對(duì)單片機(jī)STC12C5A60S2實(shí)現(xiàn)其控制功能。圖3.1STC12C5A60S2管腳圖3.1.2時(shí)鐘電路和復(fù)位電路單片機(jī)的晶振電路，即時(shí)鐘電路，其工作流程，就是在系統(tǒng)時(shí)鐘的作用下，逐條地執(zhí)行存儲(chǔ)器中的程序。單片機(jī)的時(shí)鐘電路由外接的一只晶振和兩只起振電容，以及單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘電路組成。單片機(jī)系統(tǒng)常用的晶振頻率有11.0592MHz和12MHz，本系統(tǒng)采用11.0592MHz晶振，電容選30pF，電路如圖3.2圖3.2晶振電路圖系統(tǒng)剛上電時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部的程序還沒有開始執(zhí)行，需要一段準(zhǔn)備時(shí)間，也就是復(fù)位時(shí)間。一個(gè)穩(wěn)定的單片機(jī)系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)復(fù)位電路。當(dāng)程序跑飛或死機(jī)時(shí)，也需要進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位。復(fù)位電路有很多種，有上電復(fù)位，手動(dòng)復(fù)位等，電路如圖3.3所示。圖3.3復(fù)位電路圖3.2傳感器模塊電路3.2.1MQ-2煙霧傳感器簡(jiǎn)介本次設(shè)計(jì)采用MQ-2氣體傳感器模塊，MQ-2所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。MQ-2氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想。這種傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器圖3.4MQ-2煙霧傳感器圖3.5MQ-2煙霧傳感器模塊MQ-2半導(dǎo)體煙霧傳感器在不通電狀態(tài)存放一段時(shí)間后，再通電時(shí)，器件并不能立即投入正常工作。這是因?yàn)闊熿F傳感器中的二氧化錫在不通電的狀態(tài)下會(huì)吸附空氣中的水蒸氣，當(dāng)再次通電時(shí)需要預(yù)熱幾分鐘使水蒸氣蒸發(fā)后，氣敏電阻才能正常工作。再通電工作時(shí)氣敏電阻值達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需要的時(shí)間，定義為初期穩(wěn)定時(shí)間。一般情況下，不通電時(shí)間越長(zhǎng)，初期穩(wěn)定時(shí)間也越長(zhǎng)，當(dāng)不通電存放時(shí)間達(dá)到15天左右時(shí)，初期穩(wěn)定時(shí)間一般需要5分鐘左右。此圖是傳感器典型的靈敏度特性曲線:圖1圖1H2:氫氣LPG:液化氣CH4:甲烷CO:一氧化碳alcohol:乙醇propane:丙烷air:空氣3.2.2MQ-2煙霧傳感器模塊電路設(shè)計(jì)本模塊設(shè)計(jì)主要采用LM393和MQ-2煙霧傳感器件等元器件，模塊設(shè)計(jì)原理圖如圖3.6所示。圖3.6MQ-2煙霧傳感器模塊電路3.3聲光報(bào)警電路聲光報(bào)警電路由單片機(jī)P3.7和P3.6口控制，輸出報(bào)警信號(hào)，驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警電路，直至按開關(guān)鍵。聲光報(bào)警電路由蜂鳴器和普通發(fā)光二極管組成，電路圖如圖3.7所示。圖3.7聲光報(bào)警電路3.4數(shù)碼管顯示電路報(bào)警器濃度顯示采用四個(gè)共陽(yáng)數(shù)碼管，顯示濃度級(jí)別，其主要技術(shù)參數(shù)如下：模塊工作電壓：2.7～5.5V工作電流：80ma,每段10ma字高：11.4mm環(huán)境相對(duì)濕度：<85％視角：6:00工作溫度：-10～+50°C顯示方式：反射式正顯示存儲(chǔ)溫度：-20～+60°C接口方式：8線并行接口圖3.8顯示驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖3.9數(shù)碼管結(jié)構(gòu)3.5狀態(tài)指示燈及按鍵控制電路狀態(tài)指示燈及控制鍵電路圖如圖3.5所示。單片機(jī)STC12C5A60S2的P3.6、P3.5腳控制輸出的狀態(tài)指示燈。綠燈常亮表示正常狀態(tài)，環(huán)境中可燃煙霧濃度極低，紅燈亮表示環(huán)境中可燃煙霧濃度超過報(bào)警限值，提醒用戶盡快作相應(yīng)安全措施。當(dāng)煙霧濃度超過報(bào)警限，報(bào)警器發(fā)出鳴叫，用戶到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，可按下按鍵停止報(bào)警器鳴叫。圖3.10狀態(tài)指示燈電路圖圖3.11控制按鍵連接示意圖4軟件設(shè)計(jì)4.1軟件設(shè)計(jì)原理及所用工具本次設(shè)計(jì)中，軟件解決的主要問題是檢測(cè)煙霧傳感器的煙霧濃度信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，數(shù)字化處理，數(shù)碼管濃度顯示，按鍵功能設(shè)置，以及報(bào)警器聲光警報(bào)。軟件設(shè)計(jì)主要用到的工具是KeiluVision4，Keil公司是一家業(yè)界領(lǐng)先的微控制器（MCU）軟件開發(fā)工具的獨(dú)立供應(yīng)商。KeilC51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。C51編譯器的功能不斷增強(qiáng)，更加貼近CPU本身，及其它的衍生產(chǎn)品。KeiluVision4是C51forWindows集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個(gè)開發(fā)流程。開發(fā)人員可用IDE本身或其它編輯器編輯C或匯編源文件。下載軟件用的是宏晶公司單片機(jī)專用下載軟件STC_ISP_V483，可以將編譯后生成的HEX文件下載到單片機(jī)中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)實(shí)物的控制功能。4.2軟件設(shè)計(jì)流程主程序流程圖如圖4.1所示。首先至少要給傳感器預(yù)熱五分鐘以上，因?yàn)镸Q-2型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器在不通電存放一段時(shí)間后，再次通電時(shí)，傳感器不能立即正常采集煙霧信息，需要一段時(shí)間預(yù)熱。程序初始化結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。圖4.1流程圖5系統(tǒng)調(diào)試5.1系統(tǒng)硬件調(diào)試一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)過方案論證、硬件設(shè)計(jì)、印刷版的布局、加工和焊接包括軟件的編制，通常不可能一次成功，不可避免地要出現(xiàn)一些錯(cuò)誤，這就要靠調(diào)試來解決。調(diào)試的次序一般是先易后難，后面的調(diào)試應(yīng)盡可能采用以前已調(diào)好的電路，各單元電路都調(diào)好以后，再進(jìn)行系統(tǒng)總調(diào)。對(duì)于本次設(shè)計(jì)，其硬件電路的調(diào)試可以按如下步驟進(jìn)行。1）硬件電路的總體檢查在一塊電路試驗(yàn)板上，焊接好電路，按實(shí)際電路圖插好元器件，連好線。在接上電源之前，用萬用表粗略檢查電路的正確性，尤其是要檢查電源和地之間的電阻。確保電源和地?zé)o故障之后，再通電，然后檢查電源電壓數(shù)值的正確性。排除可能出現(xiàn)的故障后，再進(jìn)行各單元電路調(diào)試。2）單元電路調(diào)試按照前面設(shè)計(jì)的單片機(jī)最小系統(tǒng)和電源，焊接并插上相應(yīng)的元器件，連好線，檢查正確無誤后，接上電源。5.2系統(tǒng)軟件調(diào)試首先，將源程序進(jìn)行匯編，若匯編未通過，則匯編程序會(huì)提示出錯(cuò)類型，比如操作碼錯(cuò)、缺少操作數(shù)、跳轉(zhuǎn)出范圍、符號(hào)未定義、缺少“；”等常見錯(cuò)誤。經(jīng)過修改后再進(jìn)行匯編，若這時(shí)提示匯編成功，保存目標(biāo)文件，則說明源程序的指令使用沒有錯(cuò)誤。但并不表示程序沒有錯(cuò)誤，還必須經(jīng)過仿真調(diào)試，仿真通過才說明程序設(shè)計(jì)正確。接下來要進(jìn)行實(shí)物仿真調(diào)試，在電路板上插好仿真頭，接好通信電纜，接通電源，運(yùn)行仿真程序。在進(jìn)行實(shí)物仿真之前，要選擇正確的仿真頭、通信口、通信協(xié)議和波特率等，并設(shè)置用戶程序空間和數(shù)據(jù)空間所處的位置（用戶板上或仿真頭）。然后，裝入顯示程序，匯編并執(zhí)行，檢查結(jié)果是否正確。6系統(tǒng)功能、指標(biāo)參數(shù)6.1爆炸下限(LEL)概念介紹本設(shè)計(jì)的煙霧檢測(cè)報(bào)警器選用“%LEL”作為煙霧的測(cè)量單位及衡量標(biāo)準(zhǔn)，下面介紹關(guān)于LEL的相關(guān)概念。“LEL”是指爆炸下限。可燃煙霧在空氣中遇明火種爆炸的最低濃度，稱為爆炸下限(LowerExplosionLimited)，簡(jiǎn)稱LEL。可燃煙霧在空氣中遇明火種爆炸的最高濃度，稱為爆炸上限(UpperExplosionLimited),簡(jiǎn)稱UEL。煙霧的濃度過低或過高時(shí)是沒有危險(xiǎn)的，只有與空氣混合形成混合氣或更確切地說遇到氧氣形成一定比例的混合氣才會(huì)發(fā)生燃燒或爆炸。燃燒是伴有發(fā)光發(fā)熱的激烈氧化反應(yīng)，它必須具備三個(gè)要素：可燃物（燃?xì)猓恢嘉铮ㄑ鯕猓稽c(diǎn)火源（溫度）?？扇?xì)獾娜紵梢苑譃閮深悾活愂菙U(kuò)散燃燒，即揮發(fā)的或從設(shè)備中噴出、泄漏的可燃?xì)?，遇到點(diǎn)火源混合燃燒。另一類燃燒，是可燃?xì)馀c空氣混合著火燃燒，這種燃燒反應(yīng)激烈而速度快，一般會(huì)產(chǎn)生巨大的壓力和聲響，又稱之為爆炸。燃燒與爆炸沒有嚴(yán)格的區(qū)分。有關(guān)權(quán)威部門和專家已經(jīng)對(duì)目前發(fā)現(xiàn)的可燃?xì)庾髁巳紵ǚ治?，制定出了煙霧的爆炸極限，它分為爆炸上限和爆炸下限。低于爆炸下限，混合氣中的可燃?xì)獾暮坎蛔?，不能引起燃燒或爆炸，高于上限混合氣中的氧氣的含量不足，也不能引起燃燒或爆炸。另外，可燃?xì)獾娜紵c爆炸還與煙霧的壓力、溫度、點(diǎn)火能量等因素有關(guān)。爆炸極限一般用體積百分比濃度表示。爆炸極限是爆炸下限、爆炸上限的總稱，可燃煙霧在空氣中的濃度只有在爆炸下限、爆炸上限之間才會(huì)發(fā)生爆炸。低于爆炸下限或高于爆炸上限都不會(huì)發(fā)生爆炸。因此，在進(jìn)行爆炸測(cè)量時(shí)，報(bào)警濃度一般設(shè)定在爆炸下限的25%LEL以下。甲烷在空氣濃度為9%-11%時(shí)遇明火爆炸,高于11%或低于9%都不爆炸。假定甲烷的爆炸下限為5%體積比，那也就是說，把這個(gè)5%體積比，一百等分，讓5%體積比對(duì)應(yīng)100%LEL，也就是說，當(dāng)檢測(cè)儀數(shù)值到達(dá)10%LEL報(bào)警點(diǎn)時(shí)，相當(dāng)于此時(shí)甲烷的含量為0.5%體積比。當(dāng)檢測(cè)儀數(shù)值到達(dá)20%LEL報(bào)警點(diǎn)時(shí)，相當(dāng)于此時(shí)甲烷的含量為1%體積比。6.2爆炸極限的影響因素爆炸極限通常是在常溫常壓等標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)定出來的數(shù)據(jù)，它不是固定的物理常數(shù)。同一種可燃?xì)怏w、蒸氣的爆炸極限也不是固定不變的，它隨溫度、壓力、含氧量、等因素的變化而變化。1．初始溫度混合氣著火前的初溫升高，會(huì)使分子的反應(yīng)活性增加，導(dǎo)致爆炸范圍擴(kuò)大，即爆炸下限降低，上限提高，從而增加了混合物的爆炸危險(xiǎn)性。2．初始?jí)毫υ黾踊旌蠚怏w的初始?jí)毫Γǔ?huì)使上限顯著提高，爆炸范圍擴(kuò)大。增加壓力還能降低混合氣的自燃點(diǎn)，這樣使得混合氣在較低的著火溫度下能夠發(fā)生燃燒。原因在于，處在高壓下的氣體分子比較密集，濃度較大，這樣分子間傳熱和發(fā)生化學(xué)反應(yīng)比較容易，反應(yīng)速度加快，而散熱損失卻顯著減少。壓力對(duì)甲烷爆炸極限的影響。在已知的氣體中，只有CO的爆炸范圍是隨壓力增加而變窄的?；旌蠚庠跍p壓的情況下，爆炸范圍會(huì)隨之減小。壓力降到某一數(shù)值，上限與下限重合，這一壓力稱為臨界壓力。低于臨界壓力，混合氣則無燃燒爆炸的危險(xiǎn)。在一些化工生產(chǎn)中，對(duì)爆炸危險(xiǎn)性大的物料的生產(chǎn)、貯運(yùn)往往采用在臨界壓力以下的條件進(jìn)行，如環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)和貯運(yùn)。3．含氧量混合氣中增加氧含量，一般情況下對(duì)下限影響不大，因?yàn)榭扇細(xì)庠谙孪逎舛葧r(shí)氧是過量的。由于可燃?xì)庠谏舷逎舛葧r(shí)含氧量不足，所以增加氧含量使上限顯著增高，爆炸范圍擴(kuò)大，增加了發(fā)生火災(zāi)爆炸的危險(xiǎn)性。若減少氧含量，則會(huì)起到相反的效果。例如甲烷在空氣中的爆炸范圍為5．3％～14％，而在純氧中的爆炸范圍則放大到5．O％～61％。甲烷的極限氧含量為12％，若低于極限氧含量，可燃?xì)饩筒荒苋紵恕?.3爆炸極限的計(jì)算方法爆炸極限計(jì)算方法：比較認(rèn)可的計(jì)算方法有兩種：（1）萊·夏特爾定律

對(duì)于兩種或多種可燃蒸氣混合物，如果已知每種可燃?xì)獾谋O限，那么根據(jù)萊·夏特爾定律，可以算出與空氣相混合的氣體的爆炸極限。用Pn表示一種可燃?xì)庠诨旌衔镏械捏w積分?jǐn)?shù)，則：LEL=（P1+P2+P3）/（P1/LEL1+P2/LEL2+P3/LEL3）（V%）混合可燃?xì)獗ㄉ舷蓿篣EL=（P1+P2+P3）/（P1/UEL1+P2/UEL2+P3/UEL3）（V%）此定律一直被證明是有效的。（2）理·查特里公式

理·查特里認(rèn)為，復(fù)雜組成的可燃?xì)怏w或蒸氣混合的爆炸極限，可根據(jù)各組分已知的爆炸極限按下式求之。該式適用于各組分間不反應(yīng)、燃燒時(shí)無催化作用的可燃?xì)怏w混合物。Lm=100/（V1/L1+V2/L2+……+Vn/Ln）式中Lm——混合氣體爆炸極限，%；L1、L2、L3——混合氣體中各組分的爆炸極限，%；

V1、V2、V3——各組分在混合氣體中的體積分?jǐn)?shù)，%。

例如：一天然氣組成如下：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常見氣體爆炸極限值MQ-2型傳感器對(duì)天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對(duì)烷類煙霧更為敏感具有良好的抗干擾性，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測(cè)。可用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測(cè)裝置。下表給出一些常見氣體的爆炸限值：常見氣體的爆炸極限氣體名稱

化學(xué)分子式下限(V/V)

(體積分?jǐn)?shù))/

%上限(V/V)

(體積分?jǐn)?shù))/

%甲烷CH45.015酒精C2H5OH3.419液化石油氣112氫氣H24.075丁烷C4H101.98.5丙烷C3H82.29.5氨氣NH31530.26.5實(shí)驗(yàn)鑒定及誤差分析本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中假設(shè)打火機(jī)裝的是純液態(tài)丁烷，已知丁烷的爆炸下限為1.9%體積比，即19000ppm,對(duì)應(yīng)的報(bào)警限設(shè)在20%LEL,即3800ppm,實(shí)驗(yàn)時(shí)我們?cè)O(shè)定為2000ppm,即氣體濃度達(dá)到2000ppm時(shí)，此時(shí)聲光報(bào)警啟動(dòng)，且該MQ-2煙霧傳感器模塊對(duì)丁烷的檢測(cè)范圍在300-5000ppm之間。在測(cè)量?jī)x器的實(shí)際使用中，通常會(huì)有多種誤差源綜合作用的結(jié)果。就本儀器而言，誤差來源主要以下幾個(gè)方面：(1)電子元器件參數(shù)的離散性、溫度不穩(wěn)定性造成的誤差傳感器輸出信號(hào)一般比較微弱，需要過數(shù)據(jù)采集前置電路對(duì)其進(jìn)行放大、濾波、電平調(diào)整，滿足單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的要求。運(yùn)放誤差是造成前置放大誤差的主要原因，運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓，輸入失調(diào)電流是影響電路精度的重要因素。本設(shè)計(jì)選用高輸入阻抗、低噪聲的放大器，可以滿足要求。另外所選的阻容器件都是經(jīng)過精確測(cè)量后再焊接上去的，并經(jīng)過仔細(xì)調(diào)試以獲得最佳性能。(2)電源造成的誤差雖然系統(tǒng)采用直流電源供電，但電源不可避免地殘留一定的交流成分而形成噪聲信號(hào).它們對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行危害很大。本系統(tǒng)選用ACDC電源模塊，將220V市電轉(zhuǎn)化為5V直流電壓，分別給模擬電路和數(shù)字電路供電。為了盡量減小噪聲，數(shù)字地和模擬地要一點(diǎn)接地，每個(gè)芯片的電源就近接退耦電容。(3)環(huán)境、外部噪聲引起的誤差環(huán)境因素包括環(huán)境溫度、濕度、空氣中的塵埃等。對(duì)本系統(tǒng)來說，空氣中的成分對(duì)系統(tǒng)的探頭和單片機(jī)及其外圍電路影響很小，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)不用進(jìn)行補(bǔ)償。但環(huán)境溫度、濕度對(duì)傳感器有一定的影響。但是溫濕度的影響相對(duì)于系統(tǒng)5%LEL的精度要求，可以忽略不計(jì)。另外，系統(tǒng)還受到各種外部電磁噪聲的干擾，設(shè)計(jì)上，把探測(cè)器與控制器之間的信號(hào)線用屏蔽電纜連接。在電路板布線時(shí)，注意抗干擾設(shè)計(jì)。7總結(jié)與體會(huì)在本次設(shè)計(jì)中，由于沒有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，走了不少?gòu)澛?，比如在選擇器件上，不懂得綜合各個(gè)方面的因素，只是單單考慮某一個(gè)方面，所以在設(shè)計(jì)硬件原理圖時(shí)進(jìn)行了多次修改，花費(fèi)了不少時(shí)間。不過在各方面的幫助下，我們本次的課程設(shè)計(jì)最后還是完成了。經(jīng)過這次課程設(shè)計(jì)后，我們受益匪淺不僅積累了很多課外知識(shí)，而且每個(gè)人在這個(gè)過程中一也發(fā)現(xiàn)了自己所擅長(zhǎng)的地方，大家的共同努力使得這次課設(shè)圓滿結(jié)束！本系統(tǒng)以STC12C5A60S2為核心，實(shí)現(xiàn)了煙霧探測(cè)濃度顯示和聲光報(bào)警的硬件和軟件的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)將我這一階段以來的工作總結(jié)如下：1.了解了煙霧傳感器的基本原理構(gòu)成及優(yōu)缺點(diǎn)。通過此次課程設(shè)計(jì)，我們了解了現(xiàn)在傳感器已經(jīng)應(yīng)用于人們生產(chǎn)、生活中的各個(gè)領(lǐng)域，而且具有低電壓、低功耗，使用方式靈活，等特點(diǎn)。并且，隨著知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來，人類逐步進(jìn)入了信息化社會(huì)，它的發(fā)展將成為社會(huì)發(fā)展的一個(gè)主流方向。2.學(xué)習(xí)了STC12系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)原理基于設(shè)計(jì)的核心控制是由STC12C5A60S2單片機(jī)完成的，我們?cè)谝延械?0系列單片機(jī)知的基礎(chǔ)上，認(rèn)真學(xué)習(xí)了STC公司的STC12系列單片機(jī)尤其是STC12C5A60S2的結(jié)構(gòu)功能和原理。3.學(xué)習(xí)使用Altiumdesigner軟件進(jìn)行系統(tǒng)原理圖和電路板的設(shè)計(jì)以前，對(duì)于Altiumdesigner的使用只是知道一點(diǎn)皮毛，真正利用這個(gè)軟件來設(shè)計(jì)實(shí)用的電路圖和電路板出現(xiàn)的問題有很多。我們?cè)谕趵蠋煛熜值膸椭?，一邊查閱相關(guān)圖書，一邊自己實(shí)踐繪制原理圖和電路板。通過自己的學(xué)習(xí)總結(jié)和親手操作，終于利用它進(jìn)行設(shè)計(jì)了，這將對(duì)我們以后的學(xué)習(xí)和工作有一定的幫助。 4.實(shí)踐了電路板的焊制由于本次設(shè)計(jì)是一次軟件硬件相結(jié)合的課題，所以就必須自己動(dòng)手焊制電路板。以前在電子工藝實(shí)習(xí)時(shí)只是學(xué)習(xí)了一些基本的操作，對(duì)一些器件的焊制還不熟悉，比如排線的制作、跳線的焊接等。這次在同學(xué)的幫助下我們學(xué)到了很多的東西，在很大程度上鍛煉了我們的動(dòng)手能力，為我們今后的工作打下了一定的基礎(chǔ)。8致謝本次課程設(shè)計(jì)是在王維博老師的悉心指導(dǎo)下完成的。在我們確定了課程設(shè)計(jì)實(shí)際題目后，開始王老師給了我們?cè)S多有益的指導(dǎo)和幫助，老師淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)、敏銳的學(xué)術(shù)洞察力都給了我們莫大的啟迪和鞭策。在此謹(jǐn)向王老師表示誠(chéng)摯的謝意，老師孜孜不倦的敬業(yè)精神和精益求精的工作態(tài)度永遠(yuǎn)是我們學(xué)習(xí)的榜樣。在這一段時(shí)間里，王老師在學(xué)習(xí)上對(duì)我們嚴(yán)格要求、耐心指導(dǎo)，給予了我們無微不至的關(guān)懷。同時(shí)實(shí)驗(yàn)室的師兄在這期間也給了我們提供了許多的指導(dǎo)與幫助，為我們指導(dǎo)設(shè)計(jì)中遇到的各種難題，為我們分配器件等等。正是王老師及師兄的關(guān)心和幫助，以及同學(xué)們的大力相助，我們才能順利完成本次課程設(shè)計(jì)。在這里再次對(duì)他們這些無私的人表示衷心的感謝。9參考文獻(xiàn)[1]謝維成，劉勇.微機(jī)原理與接口技術(shù)[M].華中科技大學(xué)出版社，2009[2]張毅剛.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].高等教育出版社，2003[3]宏晶科技(深圳).STC12C5A60S2系列單片機(jī)器件手冊(cè)[M].[4]李春葆、金晶.C語言程序設(shè)計(jì)輔導(dǎo)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007[5]彭軍.傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2003:263-315.[6]李東生等著，ProtelDXP電路設(shè)計(jì)技術(shù)入門于應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.[7]邊海龍，孫永奎.單片機(jī)開發(fā)與典型工程項(xiàng)目實(shí)例詳解[J].電子工業(yè)出版社，2008[8]康光華陳大欽電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第四版）[M].高等教育出版社.1987[9]謝自美主編．電子線路設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn).測(cè)試（第二版）[M]．華中理工大學(xué)出版社，2005[10]黃智偉著，全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.附錄1相關(guān)設(shè)計(jì)圖圖1設(shè)計(jì)原理圖圖2實(shí)物結(jié)果圖圖3控制板PCB圖附錄2軟件設(shè)計(jì)源代碼#include<reg52.h>/*頭文件*/#include<intrins.h>/*AD寄存器定義*/sfrADC_CONTR=0xBC;sfrADC_DATA=0xBD;sfrADC_LOW2=0xBE;sfrP1_ADC_EN=0x9D;sfrP4=0xC0;/*****************宏定義******************/#defineADC_POWER0x80#defineADC_FLAG0x10#defineADC_START0x08#defineADC_SPEEDHH0x00#defineADC_SPEEDH0x20#defineADC_SPEEDL0x40#defineADC_SPEEDLL0x60#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharuintad_value,NH4_value;floatAN_value;/***********位操作端口定義**************/sbitset_key=P1^4; //"設(shè)置"鍵K1sbitadd_key=P1^5; //"加"鍵K2sbitcut_key=P1^7; //"減"鍵K3sbitspeak=P3^7; //蜂鳴器sbitLED1=P3^6; // 紅sbitLED2=P3^5; // 綠sbitqian_wei=P1^0;sbitbai_wei=P1^1;sbitshi_wei=P1^2;sbitge_wei=P1^3;uchary_data[4];//儲(chǔ)存煙霧的數(shù)據(jù)intset_data=200;//報(bào)警初始值的設(shè)定uchartemp[4]={0,0,0,0};ucharbianma[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};//0,1,2,3,4,5,6,7,8,9ucharflog4;voiddelay_1ms(uchari){ uintx,y; for(x=i;x>0;x--) for(y=124;y>0;y--);}voiddisplay(){ qian_wei=0; bai_wei=1; shi_wei=1; ge_wei=1; P2=bianma[y_data[0]]; delay_1ms(5); qian_wei=1; bai_wei=0; shi_wei=1; ge_wei=1; P2=bianma[y_data[1]]; delay_1ms(5); P2=0xff; qian_wei=1; bai_wei=1; shi_wei=0; ge_wei=1; P2=bianma[y_data[2]]; delay_1ms(5); P2=0xff; qian_wei=1; bai_wei=1; shi_wei=1; ge_wei=0; P2=bianma[y_data[3]]; delay_1ms(5); P2=0xff;}voiddisplay2(){ temp[0]=set_data/1000; temp[1]=(set_data%1000)/100; temp[2]=(set_data%100)/10; temp[3]=set_data%10; qian_wei=0; bai_wei=1; shi_wei=1; ge_wei=1; P2=bianma[temp[0]]; delay_1ms(5); 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