煙霧濃度檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、東北石油大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 2015 年 7 月 8 日課 程 傳感器課程設(shè)計(jì) 題 目 煙霧濃度檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院 系 電氣信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 測(cè)控技術(shù)與儀器 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 任務(wù)書課程課程 傳感器課程設(shè)計(jì)傳感器課程設(shè)計(jì)題目題目 煙霧濃度檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)煙霧濃度檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè) 姓名 學(xué)號(hào) 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：本課題針對(duì)現(xiàn)在火災(zāi)頻繁發(fā)生，設(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)單可靠的煙霧檢測(cè)報(bào)警電路。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，煙霧報(bào)警器就是通過監(jiān)測(cè)煙霧的濃度來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范的，煙感器內(nèi)部采用半導(dǎo)體煙霧傳感器，半導(dǎo)體煙霧傳感器是一種技術(shù)先進(jìn)，工作穩(wěn)定可靠的傳感器，被廣泛運(yùn)用到

2、各種消防工作中，性能遠(yuǎn)優(yōu)于氣敏電阻類的火災(zāi)報(bào)警器。基本要求：基本要求：1分析煙霧濃度檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，說明本設(shè)計(jì)方案選用原則；2分析設(shè)計(jì)中各個(gè)電路的工作原理；3說明選用傳感器的基本工作原理、畫出應(yīng)用電路電路圖、注明元器件參數(shù)。主要參考資料：主要參考資料：1金發(fā)慶，傳感器技術(shù)與應(yīng)用M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20042趙勇，胡濤.傳感器與檢測(cè)技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010-09-013楊志忠.數(shù)字電子技術(shù)M.北京：高等教育出版社，2008-8.4 李永生，楊莉玲.半導(dǎo)體氣敏元件選擇性研究J.傳感器技術(shù).2002(6):12-20.完成期限 2015.7.42015.7.8 指導(dǎo)

3、教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 2015 年 7 月 1 日傳感器課程設(shè)計(jì)摘 要家本文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。其中選用 MQ-2 型半導(dǎo)體可燃?xì)怏w敏感元件煙霧傳感器實(shí)現(xiàn)煙霧的檢測(cè)，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。選用的 STC12C5410AD 單片機(jī)，其整合了 A/D 轉(zhuǎn)換、硬件乘法器、硬件脈寬調(diào)制器等資源，具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，是目前同類技術(shù)中性價(jià)比較高的產(chǎn)品。以 STC12C5410AD 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)警器可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警、故障自診斷、

4、濃度顯示、報(bào)警限設(shè)置、延時(shí)報(bào)警及與上位機(jī)串口通信等功能。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。關(guān)鍵詞：煙霧；報(bào)警器；STC12C5410；傳感器傳感器課程設(shè)計(jì)目 錄一 、設(shè)計(jì)要求 .11、功能與用途 .12、課題研究的意義 .13、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 .1二、設(shè)計(jì)方案及其特點(diǎn) .21、方案說明 .22、方案論證 .2三、傳感器工作原理 .3四、電路的工作原理 .4五、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇 .51、單元電路設(shè)計(jì) .52、參數(shù)計(jì)算 .73、器件選擇 .8六、總結(jié) .9參考文獻(xiàn) .10傳感器課程設(shè)計(jì)0煙霧濃度檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)一 、設(shè)計(jì)要求1、功

5、能與用途功能：煙霧檢測(cè)報(bào)警器是能夠檢測(cè)環(huán)境中的煙霧濃度，并具有報(bào)警功能的儀器，儀器的最基本組成部分應(yīng)包括：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。以 STC12C5410AD 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)警器可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警、故障自診斷、濃度顯示、報(bào)警限設(shè)置、延時(shí)報(bào)警及與上位機(jī)串口通信等功能。用途：在現(xiàn)代城市家庭里，許多人因不懂家庭安全常識(shí)引起火災(zāi)事故，使好端端的幸福家庭眼間毀于一旦，有的導(dǎo)致家破人亡，而且一旦發(fā)生居民家庭火災(zāi),處置不當(dāng)、報(bào)警遲緩,是造成人員傷亡的重要因素。所以說,人們應(yīng)該積極了解家庭火災(zāi)的

6、主要起因，還有預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。這就是我們研究煙霧報(bào)警器的目的。2、課題研究的意義煙霧檢測(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。目前我國已有許多城市鋪設(shè)了煤氣管道，使用人口約達(dá)二億人，煤氣 發(fā)生基地及中轉(zhuǎn)站也達(dá)幾千家。如果這些家用燃?xì)夂兔簹饣丶爸修D(zhuǎn)站的 報(bào)警率按10% 計(jì)算，煙霧檢測(cè)報(bào)警器的需求量就達(dá) 2000 萬臺(tái)以 上。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。 近十年來，農(nóng)村的沼氣使用也得到了極大的發(fā)展。到 2008 年底，全國沼氣池?cái)?shù)量已達(dá)近 1300 萬座，這就

7、為檢測(cè)沼氣（主要成分是甲烷）濃度的儀器提供了市場(chǎng)?？梢姡瑹熿F報(bào)警器具有十分廣闊的市場(chǎng)前景。3、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國外從 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 一方面是傳感器課程設(shè)計(jì)1因?yàn)閭鞲衅魇袌?chǎng)增長受到政府安全法規(guī)的推動(dòng)。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，美國 1996年2002 年煙霧傳感器年均增長率為 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

8、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。燃?xì)鈭?bào)警器可分為民用火災(zāi)煙霧報(bào)警器、工業(yè)用煙霧報(bào)警器、有毒有害煙霧報(bào)警器三大系列產(chǎn)品。二、設(shè)計(jì)方案及其特點(diǎn)1、方案說明2、方案論證煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，是氣-電變換器，它將可

9、燃性氣體在空氣中的含量(即濃度)轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號(hào)，通過 A/D 轉(zhuǎn)換電路 將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到單片機(jī)，進(jìn)而由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、濃度處理及報(bào)警控制等工作。傳感器作為煙霧檢測(cè)報(bào)警器的信號(hào)采集部分，是儀表的核心組成部分之一。由此圖 1 火災(zāi)煙霧報(bào)警器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖傳感器放大電路A/D轉(zhuǎn)換電路單片機(jī)串行口安全控制裝置狀態(tài)指示燈聲音報(bào)警器濃度顯示四個(gè)按鍵傳感器課程設(shè)計(jì)2可見，傳感器的選型是非常重要的。半導(dǎo)體煙霧傳感器的突出優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價(jià)格便宜，且不會(huì)發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護(hù)成本較低等。因此，本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體煙霧傳感器作為報(bào)警器煙霧信息采集部分的核心。

10、而在眾多半導(dǎo)體氣體傳感器中，本設(shè)計(jì)選用 MQ-2 型煙霧傳感器，這種型號(hào)的傳感器不但具備一般半導(dǎo)體煙霧傳感器靈敏度 高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。 三、傳感器工作原理半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器。按敏感機(jī)理分類，可分為電阻型和非電阻型。半導(dǎo)體氣敏元件也有 N 型和 P 型之分。N 型在檢測(cè)時(shí)阻值隨煙霧濃度的增大而減??；P 型阻值隨煙霧濃度的增大而增大。本設(shè)計(jì)中采用的 MQ-2 型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，屬于表面離子式 N 型半導(dǎo)體。當(dāng)處于 200300C 溫度時(shí)，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的

11、負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當(dāng)與煙霧接觸時(shí)，如果晶粒間界處的勢(shì)壘受到該煙霧的調(diào)制而變化，就會(huì)引起表而電導(dǎo)率的變化。利用這一點(diǎn)就可以獲得這種煙霧存在的信息。遇到可燃煙霧（如 CH4 等）時(shí)，原來吸附的氧脫附，而由可燃煙霧以正離子狀態(tài)吸附在二氧化錫半導(dǎo)體表面；氧脫附放出電子，煙霧以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子，從而使二氧化錫半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加，電阻值下降。而當(dāng)空氣中沒有煙霧時(shí)，二氧化錫半導(dǎo)體又會(huì)自動(dòng)恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是 MQ-2 型燃性煙霧傳感器檢測(cè)可燃煙霧的基本原理。氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值，稱為氣敏元件(電阻型)的固有電阻

12、值，表示為 RA。一般其固有電阻值在(103105) 范圍。氣敏元件一般工作在200以上高溫。為氣敏元件提供必要工作溫度的加熱電路的電阻(指加熱器的電阻值)稱為加熱電阻，用 RH。直熱式的加熱電阻值一般小于 5；旁熱式的加熱電阻大于 20。氣敏半導(dǎo)體時(shí)在接觸不同氣體時(shí)，工作于不同溫度下產(chǎn)生的器件阻發(fā)生值變化。氣敏元件的靈敏度是表征氣敏元件對(duì)于被測(cè)氣體的敏感程度的指標(biāo)。它表示氣體敏感元件的電參量與被測(cè)氣體濃度之間的依從關(guān)系。表示方法有三種：傳感器課程設(shè)計(jì)3（a）電阻比靈敏度 K： （1）gaRRK/ 式中:Ra氣敏元件在潔凈空氣中的電阻值； Rg氣敏元件在規(guī)定濃度的被測(cè)氣體中的電阻值。 （b）氣

13、體分離度： （2）21/ccRR 式中:Rc1氣敏元件在濃度為 Cc 的被測(cè)氣體中的阻值： Rc2氣敏元件在濃度為 C2 的被測(cè)氣體中的阻值。通常，C1C2。 （c）輸出電壓比靈敏度 Kv: （3）gaVVK/v 式中:Va氣敏元件在潔凈空氣中工作時(shí)，負(fù)載電阻上的電壓輸出； Vg氣敏元件在規(guī)定濃度被測(cè)氣體中工作時(shí)，負(fù)載電阻的電壓輸出.四、電路的工作原理1煙霧檢測(cè)報(bào)警器工作原理 本論文中的煙霧檢測(cè)報(bào)警器以 STC12C5410AD 單片機(jī)為控制核心，采用 MQ-2型電阻式半導(dǎo)體傳感器采集煙霧信息。 圖 2 火災(zāi)煙霧報(bào)警器電路圖傳感器課程設(shè)計(jì)4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

14、，轉(zhuǎn)化成較大的電壓信號(hào)送入 STC12C5410AD 單片機(jī)；然后，在 STC12C5410AD 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 體濃度送入液晶，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)綠 燈長亮，當(dāng)煙霧濃度超出設(shè)定的限定值時(shí)，發(fā)出聲音報(bào)警并伴隨紅燈閃亮。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)。當(dāng)傳

15、感器加熱絲或電纜線和傳感器斷線或接觸不良時(shí)，進(jìn)行故障報(bào)警，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。 當(dāng)然幾種狀態(tài)的報(bào)警信號(hào)是各不相同的。 2煙霧檢測(cè)報(bào)警器的結(jié)構(gòu) 為適應(yīng)家庭和工業(yè)等場(chǎng)所對(duì)可燃性易爆煙霧安全性要求，設(shè)計(jì)的可燃性煙霧報(bào)警儀應(yīng)不僅能在較寬的溫度范圍工作，而且應(yīng)具有顯示可燃煙霧濃度、故障自檢、延時(shí)報(bào)警功能及可接計(jì)算機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)測(cè)和實(shí)時(shí)控制等功能。其目標(biāo)是在傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警儀的基礎(chǔ)上，盡量提高準(zhǔn)確性，降低成本，縮小體積。 報(bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.3 所示，系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，配合外圍電路共同完成信號(hào)采集、濃度顯示、時(shí)間顯示、狀態(tài)顯示、聲音及閃爍報(bào)警、按鍵輸入、故障自檢等功能。報(bào)警器采用巡檢的工作方式，進(jìn)行兩

16、級(jí) 報(bào)警值設(shè)定，并發(fā)出不同的光、聲信號(hào)。系統(tǒng)應(yīng)采用高性能的單片機(jī)，要求工作穩(wěn)定、測(cè)量精度高、通用性強(qiáng)、功耗低，保證報(bào)警器的精確性及可 靠性，而且最好體積小，成本低，有利于減少報(bào)警器的體積，降低報(bào)警器 的成本。五、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇1、單元電路設(shè)計(jì)（一）單片機(jī)的選型 1單片機(jī)的選擇 單片機(jī)是煙霧檢測(cè)報(bào)警器的核心部件，一方面它要接收來自傳感器的煙霧濃度的模擬信號(hào)和故障檢測(cè)信號(hào)，另一方面要對(duì)兩種信號(hào)分別進(jìn)行處理，控制后續(xù)電路的相應(yīng)工作；同時(shí)，查詢是否有鍵按下的命令。在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能中，將傳感器課程設(shè)計(jì)5模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)做數(shù)字濾波，再進(jìn)行線性化處理，然后送 LCD 顯示，這一過程的軟件

17、實(shí)現(xiàn)，需要單片機(jī)有較快的運(yùn)算速度，使儀表監(jiān)測(cè)人員能夠觀測(cè)到實(shí)時(shí)的煙霧濃度，并進(jìn)行相應(yīng)處理。同時(shí)，在能夠滿足報(bào)警器設(shè)計(jì)的計(jì)算速度及接口數(shù)的要求的 同類型單片機(jī)中，要考慮選擇價(jià)格低廉且體積輕巧的機(jī)型，在保證了報(bào)警 器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎(chǔ)上，能夠不提高成本，縮小體積。 如今市面上比較普遍的單片機(jī)有 8051 系列與 STC 系列。 8051 單片機(jī)雖然應(yīng)用普遍，工具多，易上手，片源廣，價(jià)格低，但是速度慢，功耗大，適合民用，商用，不適合工業(yè)用途。STC 單片機(jī)是 MICROCHIP 公司的產(chǎn)品，其突出的特點(diǎn)是功耗低，精簡(jiǎn)指令集，抗干擾性好，可靠性高，但是存在溢出隱患問題。8051 系列采用

18、的是堆棧指針，STC 采用硬件堆棧 8 級(jí)。當(dāng)堆棧指針設(shè)定合理，局部變量少的情況下，8051 系列用 10 層的程序嵌套不會(huì)出現(xiàn)問題。而 STC 單片機(jī)程序嵌套包括中斷最多不能超過 8 層。所以如果用 C 語言進(jìn)行 STC 編程設(shè)計(jì)容易堆棧溢出。 為適用于本論文設(shè)計(jì)的煙霧檢測(cè)報(bào)警器，應(yīng)選擇一種比 8051 系列速度快，功耗低，抗干擾性好，而又避免 C 語言編程溢出問題的單片機(jī)。宏晶科技新推出的 STC12 系列單片機(jī)具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，是的新一代 8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051，速度卻比 8051 單片機(jī)快 812 倍。而且STC12 系列下屬的 STC12C5

19、4xxAD 系 列單片機(jī)是低功耗 Flash 單片機(jī)，它的高效尋址方式、大容量 Flash、EEPROM、A/D 轉(zhuǎn)換、硬件乘法器、硬件脈寬調(diào)制器(PWM)等功能特點(diǎn)，較好的實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的功能與超低功耗的結(jié)合。而且在功能同樣的情況下， 管腳較少封裝體積小，價(jià)格比其他型號(hào)便宜，因此有很好的性價(jià)比和應(yīng)用適應(yīng)性。 2STC12C5410AD 單片機(jī)的特點(diǎn) STC12C5410AD 單片機(jī)較以往的單片機(jī)提高了工作效率，使系統(tǒng)的可靠性、抗干擾能力得到了顯著改善，而且進(jìn)一步小型化和便攜化。其內(nèi)部集成的 Flash 幾乎擁有現(xiàn)代追求個(gè)性化的用戶所需要的掉電后數(shù)據(jù)不丟失、快速的數(shù)據(jù)存取時(shí)間、電可擦除、容量大、在

20、線可編程、足夠多的 擦寫次數(shù)、價(jià)格低廉和高可靠性等所有優(yōu)點(diǎn)。STC12C5410AD 單片機(jī)的管 腳結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。傳感器課程設(shè)計(jì)6（二）煙霧檢測(cè)報(bào)警器硬件電路設(shè)計(jì) 1信號(hào)采集及前置放大電路 傳感器輸出信號(hào)一般比較微弱，需要經(jīng)過前置電路對(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。本系統(tǒng)采用的半導(dǎo)體煙霧傳感器屬于電阻型，因此只需串聯(lián)一個(gè)參考電阻，再經(jīng)過一個(gè)放大電路即可發(fā)送給 ADC 采集。由于系統(tǒng)采用的是單極性供電，所以采用同相比例放大電路，可以減少硬件開銷；反之，如果采用反相放大，則一般需要利用雙極性供電，這就需要系統(tǒng)額外的利用變壓芯片產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓，這顯然 會(huì)造成浪費(fèi)。常見的

21、運(yùn)算放大器中，LM324 價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)比較突出，所以本設(shè)計(jì)中的前置放大電路采用 LM324 作為電路的運(yùn)算放大器。 LM324 是單片高增益四運(yùn)算放大器，可在較寬電壓范圍內(nèi)的單電源或雙電源下工作，其電源電流很小且與電源電壓無關(guān)，四個(gè)運(yùn)放一致性好；其輸入偏流電阻是溫度補(bǔ)償?shù)模膊恍柰饨宇l率補(bǔ)償，可做到輸出電平與 數(shù)字電路兼容。 下面詳細(xì)介紹運(yùn)算放大電路： 如圖 4 所示，從傳感器的上端出來的信號(hào) Vi 經(jīng)過運(yùn)算放大器的同相 輸入端，但是為保證引入的是負(fù)反饋，輸出電壓 Vo 通過電阻 R4 接到反相輸入端，同時(shí)，反相輸入端通過電阻 R3 接到參考電壓 Vref。 同相比例運(yùn)算電路中反饋

22、的組態(tài)為電壓串聯(lián)負(fù)反饋，同樣可以利用理 想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的兩個(gè)特點(diǎn)來分析其電壓放大倍數(shù)。 在圖 4 中，根據(jù)運(yùn)放的“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)可知 I-=I+=0。所以 4344433/*/*RRRVrefRVrefRRRVVo圖 3 STC12C5410AD 單片機(jī)管腳圖傳感器課程設(shè)計(jì)7（4）而且 V-=V+=Vi （5）343/ )(*RRRVVio由以上兩式可求出 34/ RRVrefVo（6） 所以本放大電路的放大倍數(shù) A =1+ R4/R3 ，此放大電路為同相比例放大電路，它的放大倍數(shù)總是大于或等于 1。同相比例運(yùn)算電路有以下幾個(gè)特點(diǎn)： (1)同相比例運(yùn)算放大電路是一個(gè)深度的電壓串聯(lián)

23、負(fù)反饋電路。因?yàn)椴淮嬖凇疤摰亍爆F(xiàn)象，所以其輸入端有較高的共模輸入電壓。(2)電壓放大倍數(shù) A =1+ R4/R3 ，即輸出電壓與輸入電壓的幅值成正比，且相位相同，所以此電路實(shí)現(xiàn)了同相比例放大。如果不接 R3 和 R4，則此電 路就成了“電壓跟隨器”，它可以減少電路模塊間由于阻抗引起的干擾。 (3)由于引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，因此電路的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低。高輸入阻抗就可以減少放大電路對(duì)前端電路的影響，同時(shí)低輸出阻抗也可以提高自身的抗干擾性，這顯然有利于電路中其他模塊的設(shè)計(jì)。此放大電路還加了參考電壓，引入了零點(diǎn)調(diào)節(jié)功能，這樣可以更方便 的調(diào)整由于不同傳感器導(dǎo)致的零點(diǎn)變化問題。它利用滑動(dòng)變

24、阻器產(chǎn)生一個(gè)參考電壓 Vref，再利用電壓跟隨器把電壓輸入到運(yùn)算放大電路的電壓參考端。所以調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，就可以直接改變放大電路的參考電壓。而電壓 跟隨器的作用就如上面介紹的，它只是用來匹配阻抗用的，防止 R3 和 R4 對(duì) 滑動(dòng)變阻器輸出電壓的影響。傳感器課程設(shè)計(jì)8 2聲音報(bào)警電路 聲音報(bào)警電路圖如圖 5 所示。報(bào)警裝置采用無源壓電式 KM3712x 型蜂鳴器，較一般的蜂鳴器體積大，聲音響亮，適用于家用煤氣報(bào)警 器的報(bào)警聲音源。當(dāng)單片機(jī) STC12C5410AD 的 17 腳(P3.7)置 1 時(shí)，三極管 Q1 導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警。本報(bào)警器采用單片機(jī) STC12C5410AD 的 PWM 功能

25、，如果煙霧濃度達(dá)到報(bào)警限，單片機(jī)控制 P3.7(PWM)口輸出占空比一定的脈沖，報(bào)警時(shí)蜂鳴器會(huì)發(fā)出如警車警笛的聲音。圖 4 前置放大電路圖傳感器課程設(shè)計(jì)9 3段式液晶顯示電路 報(bào)警器濃度顯示采用太陽人公司生產(chǎn)的 SMS0403 四位段式液晶。其主要技術(shù)參數(shù)如下： 顯示容量：4 位帶小數(shù)點(diǎn)數(shù)字 模塊工作電壓： 2.75.5V 工作電流： 20uA(3.0V)，300uA(5.0V) 字高：11.4mm 環(huán)境相對(duì)濕度：Iomax=0.8A，取I2 =1A，則變壓器副邊輸出功率 P2I2V2=11W，查表之后可以知道變壓器的效率 =0.7，則原邊輸入功率 P1P2/=15.7W。為留有余地，選功率為

26、 20W 的電源變壓器。整流二極管 D1， D2， D3 與 D4 選 IN4001，濾波電容 C1，C2 可以取2200F/25V 的電解電容。應(yīng)在變壓器的副邊接入保險(xiǎn)絲 FU，以防電路短路損壞變壓器或其他器件。3、器件選擇電源采用蓄電池 12v 供電。如采用交流電供電，可選輸出功率大于 5w，二次電壓為 9v 的電源變壓器。氣敏元件可選用 QM-N5 氣敏傳感器或 PS810 型光電式感煙器等通用性較強(qiáng)傳感器課程設(shè)計(jì)14的氣敏元件，適應(yīng)于天然氣、煤氣、液化石油氣、一氧化碳及醚類、苯類等揮發(fā)性氣體及木材、紙張、棉布、塑料制品的燃燒煙霧進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)需要的元器件清單表 1 元器件清單序號(hào)元器件類型元器件規(guī)格數(shù)量備注1電源12V 蓄電池12變壓器單相變壓器 100KVA13定值電阻金屬膜電阻134可變電阻滑動(dòng)變阻器25極性電容電解電容56二極管二極管 IN14867固定電容瓷片電容28穩(wěn)壓器可調(diào)式三端穩(wěn)壓器CW31719開關(guān)閘刀開關(guān)110晶振石英晶體諧振器211報(bào)警器蜂鳴器112煙霧傳感器M-Q2 型傳感器113多諧振蕩器555 定時(shí)器114單片機(jī)STC12C5410AD115運(yùn)算放大器LM32