基于单片机的烟雾报警器的设计毕业设计方案.doc

摘要
随着“信息时代”到来，作为获取信息手段——传感器技术得到了明显进步，其应用领域越来越广泛，对其规定越来越高，需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一种国家科学技术发展水平重要标志之一。因而，理解并掌握各类传感器基本构造、工作原理及特性是非常重要。
为了提高对传感器结识和理解，特别是对烟雾传感器进一步研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型原则而设计了本系统。本文运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她电子技术相结合， 设计出一种技术水平较好烟雾报警器。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检测，具备敏捷度高、响应快、抗干扰能力强等长处，并且价格低廉，使用寿命长。选用STC12C5410AD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、超强抗干扰等长处，是当前同类技术中性价比较高产 品。
以STC12C5410AD单片机和MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器为核心设计烟雾报警器可实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设立、延时报警及与上位机串口通信等功能。是一种构造简朴、性能 稳定、使用以便、价格低廉、智能化烟雾报警器。具备一定实用价值。
核心词：烟雾，报警器，STC12C5410，传感器
Abstract
While “information age” the arrival，obtained the remarkable progress as the gain information method - - sensor technology，its application domain is more and more widespread，is more and more high to its request，the demand is more and more urgent.The sensor technology has become weighs one of national science and technology level of development important symbols.Therefore，understood and grasps each kind of sensor the basic structure，the principle of work and the characteristic is extremely important.
In order to enhance to the sensor understanding and the understanding，in particular to the smog sensor thorough research as well as its usage and the use，based on practical，widespread and the model principle has designed this system.This article used the monolithic integrated circuit union sensor technology to develop has designed this smog supervisory system.。
The present paper take leaves the minor smog sensor and the monolithic integrated circuit technology unifies as the core and with other electronic technology，designs one kind of technical level good smog alarm apparatus.In which selects the 2M007 semiconductor resistance type smog sensor realization smog the examination，has the sensitivity high，responds，the antijamming ability quickly strong and so on the merits，moreover the price is inexpensive，the service life is long.Selects the STC12C5410AD monolithic integrated circuit，its conformity A/D transformed，the hardware multiplier，resources and so on hardware PDM keyer，has high speed，low merits and so on power loss，ultra strong antijamming，is the present similar technology neutral price quite high product.
May realize the acousto-optics take the STC12C5410AD monolithic integrated circuit and the 2M007 semiconductor resistance type gas sensor as the core design smog alarm apparatus to report to the police，the breakdown from the diagnosis，the density demonstrated，reports to the police limits the establishment，the time delay reports to the police and with functions and so in position machine serial port correspondence.Is one kind of structure simple，the performance stable，the easy to operate，the price inexpensive，the intellectualized smog alarm apparatus.Has certain practical value.
Key word：Smog，alarm apparatus，STC12C5410，sensor
目 录
摘要 1
Abstract 2
第一章 绪论 5
1.1论文研究来源、目和意义 5
1.1.1论文研究来源 5
1.1.2论文研究目和意义 5
1.2烟雾报警器国内外现状 5
1.3本论文重要任务 6
第二章 烟雾检测报警器方案设计 8
2.1烟雾检测报警器设计思路 8
2.2烟雾传感器选型 8
2.2.1烟雾传感器简介 8
2.2.2烟雾传感器选定 10
2.2.3 MQ-2型烟雾传感器工作原理 11
2.2.4 MQ-2型传感器特性及重要技术指标 12
2.3烟雾检测报警器整体设计方案 13
2.3.1烟雾检测报警器工作原理 13
2.3.2烟雾检测报警器构造 14
2.3.3烟雾检测报警器功能 14
2.3.4烟雾检测报警器重要技术指标 15
2.4本章小结 15
第三章 烟雾检测报警器硬件设计 17
3.1单片机选型 17
3.1.1单片机选取 17
3.1.2 STC12C5410AD单片机特点 18
3.2烟雾检测报警器硬件电路设计 19
3.2.1信号采集及前置放大电路 19
3.2.2声音报警电路 21
3.2.3数码管显示电路 22
3.2.4状态批示灯及控制键电路 23
3.2.5报警器故障自诊断电路 25
3.3本章小结 26
第四章 烟雾检测报警器软件设计 27
4.1 STC12系列单片机调试及开发工具 27
4.2烟雾检测报警器软件流程及设计 27
4.2.1主程序设计及流程图 27
4.2.2主程序初始化流程图 29
4.2.3中位值平均滤波法数字滤波子程序设计及流程图 29
4.2.4插值法线性化解决子程序设计及流程图 31
4.2.6报警子程序设计及流程图 35
4.2.7控制按键设计子程序及流程图 36
4.3本章小结 39
第五章 实验检定及误差分析 40
5.1烟雾检测报警器检定 40
5.1.1爆炸下限(LEL)概念简介 40
5.1.2实验数据分析 40
5.2实验误差分析 42
5.3本章小结 43
结 论 44
参照文献 45
致 谢 47
附 录1 48

第一章 绪论
1.1论文研究来源、目和意义
1.1.1论文研究来源
随着科技发展，越来越多巨大隐患由于工业生产和人们寻常生活而产生。为了初期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。保卫社会主义当代化建设，防止火灾引起燃烧、爆炸等事故，导致严重经济损失，甚至危及生命安全。
为了减少此类事故发生，就必要对烟雾进行现场实时检测，采用先进可靠安全检测仪表，严密监测环境中烟雾浓度， 及早发现事故隐患，采用有效办法，避免事故发生，才干保证工业安全和 家庭生活安全。因而，研究烟雾检测办法与研制烟雾报警 器就成为传感器技术发展领域一种重要课题。
1.1.2论文研究目和意义
为了初期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。保卫社会主义当代化建设，防止火灾引起燃烧、爆炸等事故，导致严重经济损失，甚至危及生命安全。
烟雾检测报警装置是可以检测环境中烟雾浓度并具 有报警功能仪器。该报警装置是石油化学工业、有气体泄漏也许 生产工厂及家庭防火防爆必备仪器。烟雾报警器属于《中华人 民共和国强制检定工作计量器具目录》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、可燃蒸汽甲类厂房和场合，应设立烟雾浓度检测报警装置”。12月，国家执行新烟雾探测器原则(GB 15322-)《可燃烟雾探测器》，10月国家颁布《可燃烟雾检测报警器规程JJG693-》，研究新型、性能稳定、精确监测可燃性气 体，并合乎国家有关规定报警器具备极其重要得意义。
当前国内已有许多都市铺设了煤气管道，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 报警率按10% 计算，烟雾检测报警器需求量就达万台以 上。随着全社会对防火防爆及人身安全注重限度提高，这个数字会继 续增长。
近十年来，农村沼气使用也得到了极大发展。究竟，全 国沼气池数量已达近1300万座，这就为检测沼气（重要成分是甲烷）浓 度仪器提供了市场。可见，烟雾报警器具备十分辽阔市场前景。
1.2烟雾报警器国内外现状
国外从20世纪30年代开始研究及开发烟雾传感器，且发展迅速，一 方面是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒服性规定提高；另 一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规推动。据关于记录，美 国1996年~烟雾传感器年均增长率为27%~30%。随着传感器生产 工艺水平逐渐提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得烟雾检测 仪器体积也逐渐变小，提高了烟雾检测仪器便携性，更加利于生产、运送及市场推广。
1963年5月，日本开发完毕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。
国内在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，应用范畴也由单一炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境各种类型报警器，产品数量也在不断增长。但重要是在引进国外先进传感器技术和先进生产工艺基本上，进行研究与开发形成自己特色。近年来，在烟雾选取性和产品稳定性上也有很大进步。
燃气报警器可分为民用火灾烟雾报警器、工业用烟雾报警器、有毒有害烟雾报警器三大系列产品。
(1) 民用火灾烟雾报警器
民用火灾烟雾报警器为居民家庭用火灾报警器,普通安装在厨房，遇到火灾产生烟雾时时，报警器可发出声光报警，或同步伴有数字显示，同步联动 外部设备。有报警器可自动启动排电扇，把烟雾排出室外
(2) 工业用烟雾报警器及有毒有害烟雾报警器
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差别，而在原理和应用中都很相近。工业用燃气报警器及有毒烟雾报警器根 据检测环境不同，也可分为检漏仪、控制器和探测器。
检漏仪体积较小，可随身携带或手持，重要应用于燃气管理查漏 与巡检。若有燃气泄漏，检漏仪便会发出声光报警，同步数字显示烟雾浓 度，以便及时采用安全办法，防止爆炸等恶性事故发生。 控制器与探测器结合使用，可在防爆现场长期监测烟雾浓度。
探测器安装在防爆现场，控制器壁挂在值班室等有人值守地方，两者采用屏 蔽电缆线连接。当在现场探测器探测到燃气泄漏之后，通过屏蔽电缆线将信号传到控制器，控制器发出声光报警，同步启动排风装置或关闭电磁阀切断气源，以保证安全。此种仪器广泛应用于液化气站、汽车加油站、锅炉房等工业场合。
1.3本论文重要任务
本篇论文是烟雾报警器研制，重要基本某些和扩展某些：
(1) 基本某些
(a)对系统进行整体规划和构造设计。
(b)以STC12C5410AD单片机为中央解决器，对硬件电路进行设计和 改进，使其功能更加完善。系统硬件电路重要分为前置放大电路、键盘电 路、串口通信电路、声音报警电路、状态批示灯电路、液晶显示电路六个 某些。
(c)系统软件编制。按照软件实现功能，重要分为主程序、初始 化子程序、键盘解决子程序、滤波子程序、线性化解决子程序、浓度显示 子程序、报警子程序、报警限值设立子程序、串口通信子程序。在程序 编写过程中，加入了详细文字注释，便于后期改进与维护。
(d)硬件电路和软件综合调试。
(2)扩展某些
(a) 再加入一路传感器信号采集电路，运用双通道数据实现采集优化，重要是运用辅助一路进行修正主传感器，以提高精度和可靠性。
第二章 烟雾检测报警器方案设计
2.1烟雾检测报警器设计思路
烟雾检测报警器是可以检测环境中烟雾浓度，并具备报警功能仪器，仪器最基本构成某些应涉及：烟雾信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。
烟雾信号采集电路普通由烟雾传感器和模仿放大电路构成，将烟雾信 号转化为模仿电信号。模数转换电路将从烟雾检测电路送出模仿信号 转换成单片机可辨认数字信号后送入单片机。单片机对该数字信号进行 滤波解决，并对解决后数据进行分析，与否不不大于或等于某个预设值(也 就是报警限)，如果不不大于则启动报警电路发出报警声音，反之则为正常状 态。为以便检测与监控，使仪器测试人员及顾客可以直观地观测到环境中 可燃烟雾浓度值，可将浓度值送到显示屏中。以便调节报警限，可以加 入按键。为使报警装置更加完善，可以在声音报警基本上，加入光闪报警， 变化光信号可以引起顾客注意，弥补嘈杂环境中声音报警局限。以上 是依照报警器应具备功能，提出整体设计思路。
烟雾传感器及单片机是可燃烟雾检测报警器两大核心，依照报警器 功能需要，选取适当、精准、经济烟雾传感器及单片机芯片是 至关重要。烟雾传感器选型在下一节详细简介。单片机作为硬件电路 核心，它选型将在第三章详述。
2.2烟雾传感器选型
烟雾传感器属于气敏传感器，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 将模仿量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完毕数据解决、浓度 解决及报警控制等工作。传感器作为烟雾检测报警器信号采集某些，是仪表核心构成某些之一。由此可见，传感器选型是非常重要。
2.2.1烟雾传感器简介
(1) 烟雾传感器分类
烟雾传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类：
(a)运用物理化学性质烟雾传感器：如半导体烟雾传感器、接触燃 烧烟雾传感器等。
(b)运用物理性质烟雾传感器：如热导烟雾传感器、光干涉烟雾传 感器、红外传感器等。
(c)运用电化学性质烟雾传感器：如电流型烟雾传感器、电势型气 体传感器等。
(2) 烟雾传感器应满足基本条件 一种烟雾传感器可以是单功能，也可以是多功能；可以是单一实体，也可以是由各种不同功能传感器构成阵列。但是，任何一种完整烟雾传感器都必要具备如下条件：
(a)能选取性地检测某种单一烟雾，而对共存其他烟雾不响应或低 响应；
(b)对被测烟雾具备较高敏捷度，能有效地检测容许范畴内烟雾 浓度；
(c)对检测信号响应速度快，重复性好；
(d)长期工作稳定性好；
(e)使用寿命长；
(f)制导致本低，使用与维护以便。
(3)常用烟雾传感器简介
下面对工业上惯用几种烟雾传感器作简朴简介。
(a) 半导体烟雾传感器
半导体烟雾传感器涉及用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作烟雾传感器，以及用单晶半导体器件制作烟雾传感器。自1962年半导体金属氧化物烟雾传感器问世以来，由于具备敏捷度高、响应快、输出信号强、耐久性强、构造简朴、价格便宜等诸多长处，得到了广泛应用。该传感器己成为世界上产量最大、使用最广烟雾传感器之一。按照敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。
(b) 固体电解质烟雾传感器
固体电解质烟雾传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件，其原理是运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，敏捷度和选取性好，因而得到了广 泛应用，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一类传感器。但这种传感器制导致本高，检测烟雾范畴有限，在检测环境污染领域中有优势。
(c) 接触燃烧式传感器
当易燃烟雾接触这种被催化物覆盖传感器表面时会发生氧化反映而燃烧，故得名接触燃烧式传感器。接触燃烧式烟雾传感器检测元件普通为铂金属丝(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，因而铂丝温度会上升，铂丝电阻值也上升；通过测量铂丝电阻值变化大小，就懂得烟雾浓度。
(d) 高分子烟雾传感器
运用高分子气敏材料制作烟雾传感器近年来得到很大发展。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备易操 作性、工艺简朴、常温选取性好、价格低廉、易与微构造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检测中具备重要作用。高分子烟雾传感器具备对特定烟雾分子敏捷度高，选取性好，且构造简朴，能在常温下使用，可以弥补其他烟雾传感器局限性。
(e) 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。它长处是：反映速度快、精确、稳定性好、可以定量检测，但寿命较短(大概两年)。它重要合用于毒性烟雾检测。当前国际上绝大某些毒气检测采用该类型传感器。
(f) 热传导传感器
热传导传感器与接触燃烧式传感器具备类似构造形式，但是测量原理不同。它测量原理是：将加热后铂电阻线圈置于目的烟雾中，由于向目的烟雾传送热量导致温度减少，引起电阻值变化，传感器即测量电阻 值变化状况。温度变化状况是目的烟雾热传导率函数，而对于一种给定烟雾或汽化物，热传导率是它固有物理特性。
红外传感器
红外传感器通惯用两束红外光进行烟雾测量，主光束通过测量元件内目的烟雾，参照光束通过比较元件内参照烟雾。在测量和比较元件中，红外射线被烟雾有选取地吸取了。未吸取红外光由光电探测器测量，产生一种正比于目的烟雾浓度差分信号。非扩散式红外探测器NDIR (non-dispersive IR )是其中一种，所有未吸取光所有以最小扩散和损耗被记录下来。
不同烟雾吸取不同波长IR，因此传感器依照目的烟雾而调节，典型应用涉及测量CO和CO2、冷冻剂烟雾和某些易燃气。由于非碳氢化合物易燃烟雾(如氢)不吸取电磁谱中IR某些能量，因此这种传感器可以精准地测量碳氢化合物，并具备最小交叉敏捷度，并且不受其他烟雾腐蚀以及高浓度目的烟雾影响。
(4) 常用烟雾传感器可检测烟雾种类
由于烟雾种类繁多，一种类型烟雾传感器不也许检测所有气体，普通只能检测某一种或两种特定性质烟雾。例如氧化物半导体烟雾传感器重要检测各种还原性烟雾，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固体电解质烟雾传感器重要用于检测无机烟雾，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。
表2.1简要列举出已经研究、开发各类烟雾传感器及其可检测气体种类。

传感器种类
C0
CO2 H2S NH3
HCN
HCI
COCI2
CI2 NOX
SO2
O2
CH4
C3H2
H2
H2O
半导体气体传感器
○

○
○

○
○

○
○
○
○
○
固体电解质传感器
○

○

○
○
○
接触燃烧式传感器
◎

○
○
○

电化学式传感器

○

○
○
○
○
○

○

○

高分子电解质气体传感器
◎
○

○

○

○
注：○好 ◎不太好
表2.1各种烟雾传感器可检测烟雾种类
2.2.2烟雾传感器选定
烟雾检测报警器重要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气 站、喷漆作业等易发生可燃烟雾泄漏场合，依照报警器检测烟雾 种类规定，普通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，其探头阻缓及中毒，是不可避免问题。 阻缓是当在烟雾与空气混合物中具有硫化氢等含硫物质状况下，则有也许在无焰燃烧同步，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体微孔，从而引起响应缓慢反映滞缓，敏捷度减少。虽然将阻缓传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种限度恢复也许，但是如果长期暴露在这样环境中，其敏捷度会不断下降，导致传感器最后丧失检测烟雾能力。中毒是如果环境空气中具有硅烷之类物质时，则传感器将 使催化元件产生不可逆转中毒，以致敏捷度不久就丧失。当怀疑检测环 境中存在这些物质时，经常对探头进行标定，是必要且有效办法。
因而，经常对传感器进行标定，是保证其精确性必要途径。普通持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维护，无形中加大了工作人员工作量，同步增长了报警器维护成本。
半导体烟雾传感器涉及用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作烟雾传感器以及用单晶半导体器件制作烟雾传感器，它具备敏捷度高， 响应快、体积小、构造简朴，使用以便、价格便宜等长处，因而得到广泛应用。半导体烟雾传感器性能重要看其敏捷度、选取性(抗干扰性)和稳 定性(使用寿命)。
通过对比上述两种烟雾传感器应用特性，发现半导体烟雾传感器长处更加突出：敏捷度高、响应快、抗干扰性好、使用以便、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。因而，本设计采用半导体烟雾传感器作为报警器烟雾信息采集某些核心。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，这种型号传感器不但具备普通半导体烟雾传感器敏捷度 高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等长处。
2.2.3 MQ-2型烟雾传感器工作原理
半导体烟雾传感器涉及用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作烟雾传感器以及用单晶半导体器件制作烟雾传感器。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增大而减小；P型阻值随烟雾浓度增大而增大。半导体气敏传感器分类如表2.2所示。
表2.2半导体气敏传感器分类 所运用特性工作温度表面电阻控制器300~450°C
表2.2半导体气敏传感器分类
类型
所运用特性
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°C
可燃性气体
体电阻控制器
300～450°C
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°C
H2、CO、乙醇
晶体管特性
150°C
H2、H2S

本设计中采用MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。当处在200~300°C温度时，二氧化锡吸附空气中氧，形成氧负离子吸附，使半导体中电子密度减少， 从而使其电阻值增长。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处势垒受 到该烟雾调制而变化，就会引起表而电导率变化。运用这一点就可以 获得这种烟雾存在信息。
遇到可燃烟雾（如CH4等）时，本来吸附氧脱附，而由可燃烟雾以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面；氧脱附放出电子，烟雾以正离子状态吸附也要放出电子，从而使二氧化锡半导体导带电子密度增长，电阻值下降。而当空气中没有烟雾时，二氧化锡半导体又会自 动恢复氧负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是MQ-2型燃性烟雾传感器检测可燃烟雾基本原理。MQ-2型传感器构造图如 图2.1所示，其外观如2.2所示。

图2.1MQ-2型传感器构造图

图2.2 MQ-2型传感器外观
2.2.4 MQ-2型传感器特性及重要技术指标
(1) MQ-2型传感器普通特点
(a)MQ-2型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高敏捷度，特别对烷类烟雾更为敏感。
(b)MQ-2型传感器具备良好重复性和长期稳定性。初始稳定， 响应时间短，长时间工作性能好。
©MQ-2型传感器具备良好抗干扰性，可精确排除有刺激性非可燃性烟雾干扰信息，例如酒精和烟雾等。
(d)电路设计电压范畴宽，24V如下均可；加热电压5±0.2V。
(2) MQ-2型传感器基本特性
(a) 敏捷度特性
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 体浓度变化特性称之为敏捷度特性，用K表达。 K=RS / R0 (2-1) 式中，R0为烟雾传感器干净空气条件下电阻值，RS为烟雾传感器在一定浓度检测烟雾中电阻值。 虽然对于不同烟雾，器件敏捷度特性K值也会各有差别，但是它们都遵循同一规律，
log RS = m logC + n (2-2)
式中，m为器件相对烟雾浓度变化敏感性，又称烟雾分离能，对于 烟雾，m值为1/2~1/3；C为检测烟雾浓度。n为与检测烟雾，器件材料关于，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储一段时间后，再通电时，器件并不能及时投入正常工作。这是由于烟雾传感器中二氧化锡在不通电状态下会吸附空气中水蒸气，当再次通电时需要预热几分钟使水蒸气蒸发后，气敏电阻才干正常工作。再通电工作时气敏电阻值达到稳定期所需要时间，定义为初期稳定期间。普通状况下，不通电时间越长，初期稳定期间也越长，当不通电存储时间达到15天左右时，初期稳定期间一 般需要5分钟左右。
(c) 加热特性
半导体烟雾传感器普通要在较高温度(200~450°C)下工作，因此需要对其加热。由于传感器普通工作在易燃易爆环境下，若加热丝直接与电源相接，当加热丝局部短路导致器件过热或放电时，也许引起事故。因此必要使用传感器生产厂家推荐加热电压，使其工作在较安全范畴内。MQ-2型烟雾传感器加热电压为5±0.2V，加热电阻为31±3?。当加热丝断路时，由于热惰性缘故，烟雾传感器气敏特性并不及时消失，此时检测必浮现较大误差。为避免浮现这种状况，并及时发现气敏元件故障， 需要设计加热丝故障诊断报警电路。
(3) MQ-2型传感器特性参数
(a)回路电压：(Vc) 5~24V
(b)取样电阻：(RL) 0.1~20K
(c)加热电压：(VH)5±0.2V
(d)加热功率：(P)约750mW
(e)灵 敏 度：以甲烷为例R0(air)/RS (0.1%CH4)＞5
(f)响应时间：Tres＜10秒
(g)恢复时间：Trec＜30秒
2.3烟雾检测报警器整体设计方案
2.3.1烟雾检测报警器工作原理
本论文中烟雾检测报警器以STC12C5410AD单片机为控制核心，采用MQ-2型电阻式半导体传感器采集烟雾信息。
一方面，传感器送来烟雾浓度相应微小电压信号通过放大，转化成较大电压信号送入STC12C5410AD单片机；然后，在STC12C5410AD单片机内A/D转换、浓度比较，对数据进行线性化解决， 将数字化电压信号转化成为相应十进制浓度值；最后，将实际可燃性气 体浓度送入液晶，并判断浓度值与否超过报警限，当浓度处在正常状态绿 灯长亮，当烟雾浓度超过设定限定值时，发出声音报警并随着红 灯闪亮。此外由于烟雾传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反映越 快，响应时间和恢复时间就越快。为提高响应时间，保证传感器精确地、稳定地工作，报警器需要向烟雾传感器持续输出一种5V电压。为了保 证其可靠性，在输出5V电压同步，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。 固然几种状态报警信号是各不相似。
2.3.2烟雾检测报警器构造
为适应家庭和工业等场合对可燃性易爆烟雾安全性规定，设计可燃性烟雾报警仪应不但能在较宽温度范畴工作，并且应具备显示可燃烟雾浓度、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。其目的是在老式烟雾报警仪基本上，尽量提高精确性，减少成本，缩小体积。
报警器系统构造框图如图2.3所示，系统以单片机为核心，配合外围电路共同完毕信号采集、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。报警器采用巡检工作方式，进行两级 报警值设定，并发出不同光、声信号。系统应采用高性能单片机，规定工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，保证报警器精准性及可 靠性，并且最佳体积小，成本低，有助于减少报警器体积，减少报警器 成本。

图2.3 可燃性气体检测报警器构造框图
2.3.3烟雾检测报警器功能
(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状况时，报警器发出警报，并且黄色批示灯闪烁，提示顾客检查传感器或者电路线接触状况，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浓度值，并且可以切换到设立状态，通过键盘设立或者更改报警限值，以便于顾客或检测人员随时观测烟雾浓度及更改报警限。
(3)烟雾报警功能
当烟雾浓度持续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，并且随着红灯闪烁。由于人对变化信号更为敏 感，因此变化声音及灯光更容易引起顾客注意。
(4)防止报警器误报功能
迅速重复检测及延时报警可以区别出是管道中可燃烟雾泄漏，还是由于打开阀门时微量烟雾散失。
(5)看门狗自检单片机状态功能
调用单片机中看门狗程序，定期检查单片机工作状态，一旦发现单片机浮现死循环状态，及时复位，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，对报警器采用统一控制，以及便于采集 和解决数据，也可以在计算机上更改报警限值等。
(7)自动控制有关安全装置扩展功能
留有继电器接口，可以带动排电扇或大功率蜂鸣器，也可以控制管道电子阀门，可在报警同步自动启动有关安全装置。
2.3.4烟雾检测报警器重要技术指标
(1) 传感器类型：半导体电阻式
(2) 检测范畴：0~100%LEL
(3) 报警精确度:：±5%LEL
(4) 报警点设立：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，长年持续运营
(6) 工作环境温度：检测器 -50°C~50°C；报警器0°C~500°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) 批示方式：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：可输出与烟雾浓度相应0~5V DC原则信号
(11) 工作电压：AC220V±15%，50±lHz
(12)具备迅速重复检测和延时报警功能，可区别烟雾泄漏 和短时间微量散失，防止误报。
2.4本章小结
本章重要阐述了烟雾报警仪设计方案，即传感器选型和报警器设计。传感器从种类、选定、工作原理、基本特性四个方面分别论述。
依照本设计规定及使用环境、成本等因素选用MQ-2型半导体电阻式烟雾敏感器件。并且从构造、功能、技 术指标三方面对报警器进行了详细地阐述，使其在较宽温度范畴工作，用于检测空气中烟雾或可燃性液体蒸汽浓度。
该报警器将空气中烟雾或可燃性液体蒸汽浓度显示在仪表盘上，当空气中烟雾或可燃性液体蒸汽浓度达到一定浓度时， 则启动迅速重复检测和延时报警，以区别出是管道中烟雾泄漏， 还是由于短暂打开阀门产生可燃烟雾微量散失，防止误报。若判断是 烟雾泄漏，则发出声、光报警信号，也可在报警同步自动驱动相 关安全装置并且具备故障自诊断功能。此系统还可接计算机进行现场实时控制。
第三章 烟雾检测报警器硬件设计
在报警仪设计中，单片机是其核心部件。它一方面要接受来自传感 器送来烟雾浓度相应模仿信号和故障检测信号，另一方面要对 两种信号分别进行解决，控制后续电路进行相应动作；与此同步查询与否 有键按下祈求。在单片机完毕这些工作中，特别是信号解决中，比较 浓度值后送入显示软件实现比较复杂，规定单片机具备较快运算速 度，使检测人员可以较精确地观测到烟雾浓度，并依照状况做进行 相应解决。并且也要考虑选取低价实用机型，并为研制同一系列低功 耗产品做准备。依照多方面比较，本设计选用宏晶科技生产STC12系列单片机。
3.1单片机选型
3.1.1单片机选取
单片机是烟雾检测报警器核心部件，一方面它要接受来自传 感器烟雾浓度模仿信号和故障检测信号，另一方面要对两种信 号分别进行解决，控制后续电路相应工作；同步，查询与否有键按下 命令。在单片机实现功能中，将模数转换后信号做数字滤波，再进行 线性化解决，然后送LCD显示，这一过程软件实现，需要单片机有较 快运算速度，使仪表监测人员可以观测到实时烟雾浓度，并进 行相应解决。同步，在可以满足报警器设计计算速度及接口数规定 同类型单片机中，要考虑选取价格低廉且体积轻巧机型，在保证了报警 器精准性、可靠性及抗干扰性基本上，可以不提高成本，缩小体积。
如今市面上比较普遍单片机有8051系列与STC系列。
8051单片机虽然应用普遍，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公司产品，其突出特点是功耗低， 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，局部变量少状况下，8051系列用10层程序嵌套不会浮现问题。而STC单片机程序嵌套涉及中断最多不能超过8层。因此如果用C语言进行STC编程设计容易堆栈溢出。
汇编语言对于不同CPU，其汇编语言也许有所差别，因此不易移 植。而C语言是一种构造化高档语言，虽然占用资源较汇编多，但是可读性好，移植容易，是普遍使用一种计算机语言。鉴于C语言易读性和普遍性，本论文软件设计选取C语言编程，