火災煙霧報警軟硬件設計

3.2煙霧檢測報警器硬件電路設計

3.2.1信號采集及前置放大電路

傳感器輸出信號一般比較微弱，需要經(jīng)過(guò)前置電路對其進(jìn)行放大、濾波、電平調整，滿(mǎn)足單片機對輸入信號的要求。本系統采用的半導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(guò)一個(gè)放大電路即可發(fā)送給ADC采集。由于系統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(kāi)銷(xiāo)；反之，如果采用反相放大，則一般需要利 用雙極性供電，這就需要系統額外的利用變壓芯片產(chǎn)生一個(gè)負壓，這顯然 會(huì )造成浪費。常見(jiàn)的運算放大器中，LM324價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn) 比較突出，所以本設計中的前置放大電路采用LM324作為電路的運算放大器。

LM324是單片高增益四運算放大器，可在較寬電壓范圍內的單電源 或雙電源下工作，其電源電流很小且與電源電壓無(wú)關(guān)，四個(gè)運放一致性好；其輸入偏流電阻是溫度補償的，也不需外接頻率補償，可做到輸出電平與 數字電路兼容。

下面詳細介紹運算放大電路：

如圖3.2所示，從傳感器的上端出來(lái)的信號Vi經(jīng)過(guò)運算放大器的同相 輸入端，但是為保證引入的是負反饋，輸出電壓Vo通過(guò)電阻R4接到反相輸入端，同時(shí)，反相輸入端通過(guò)電阻R3接到參考電壓Vref。

同相比例運算電路中反饋的組態(tài)為電壓串聯(lián)負反饋，同樣可以利用理想運放工作在線(xiàn)性區時(shí)的兩個(gè)特點(diǎn)來(lái)分析其電壓放大倍數。 在圖3.2中，根據運放的“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)可知，I- = I+ = 0，

所以V- = Vo*R3/R3 + R4 +Vref*R4/R3 + R4 (3-1)

而且V- = V+ = Vi

Vo = Vi*（R3 + R4）/R3(3-2)

由以上兩式可求出Vo=Vref-R4/R3(3-3)

所以本放大電路的放大倍數A =1+ R4 R3，此放大電路為同相比例放大電路，它的放大倍數總是大于或等于1。同相比例運算電路有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)同相比例運算放大電路是一個(gè)深度的電壓串聯(lián)負反饋電路。因為不存在“虛地”現象，所以其輸入端有較高的共模輸入電壓。

(2)電壓放大倍數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計。 此放大電路還加了參考電壓，引入了零點(diǎn)調節功能，這樣可以更方便 的調整由于不同傳感器導致的零點(diǎn)變化問(wèn)題。它利用滑動(dòng)變阻器產(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算放大電路的電壓參考 端。所以調節滑動(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(lái)匹配阻抗用的，防止R3和R4對滑動(dòng)變阻器輸出電壓的影響。

圖3.2前置放大電路圖

3.2.2聲音報警電路

聲音報警電路圖如圖3.3所示。報警裝置采用無(wú)源壓電式KM3712x型蜂鳴器[26]，較一般的蜂鳴器體積大，聲音響亮，適用于家用煤氣報警器的報警聲音源。當單片機STC12C5410AD的17腳(P3.7)置1時(shí)，三極管Q1導通，蜂鳴器報警。本報警器采用單片機STC12C5410AD的PWM功能，如果煙霧濃度達到報警限，單片機控制P3.7(PWM)口輸出占空比一定 的脈沖，報警時(shí)蜂鳴器會(huì )發(fā)出如警車(chē)警笛的聲音。

圖3.3聲音報警電路圖（略）

3.2.3數碼管顯示電路

報警器濃度顯示采用共陽(yáng)數碼管。顯示濃度級別，其主要技術(shù)參數如下：

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：反射式正顯示存儲溫度：-20～+60°C

接口方式：8線(xiàn)并行接口

圖3.11數碼管結構圖（略）

3.2.4狀態(tài)指示燈及控制鍵電路

狀態(tài)指示燈及控制鍵電路圖如圖3.5所示。單片機STC12C5410AD的18腳(P1.0)、12腳(P2.4)、13腳(P2.5)，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。黃燈閃亮表示傳感器加熱絲或者電纜發(fā)生斷線(xiàn)或者接觸不良。紅燈閃亮表示環(huán)境中可燃煙霧濃度超 過(guò)報警限值，提醒用戶(hù)盡快作相應安全措施。

當煙霧濃度超過(guò)報警限，報警器發(fā)出鳴叫，用戶(hù)到達現場(chǎng)，可按下按鍵停止報警器鳴叫。若過(guò)一點(diǎn)時(shí)間濃度仍超出報警限，報警器會(huì )再次鳴叫提醒用戶(hù)。

圖3.5狀態(tài)指示燈電路圖

圖3.6控制按鍵連接示意圖

3.2.5報警器故障自診斷電路

(1)判斷傳感器電源連接情況

在傳感器的地端串聯(lián)一個(gè)電阻R6。當傳感器正常連接時(shí)，電阻和傳感器分壓，此時(shí)電阻兩端有微弱的電壓，單片機可以通過(guò)P1.1(AD)口檢測到；如果傳感器電源連接不正常，則會(huì )產(chǎn)生斷路，檢測到電阻兩端電壓為0。

圖3.7傳感器電源連接自診斷電路

(2)判斷傳感器信號端連接情況

另一種情況是判斷傳感器信號端是否連接正確，此時(shí)不需要外加電路，在傳感器預熱2分鐘后，測量傳感器信號的輸出電壓，如果電壓為5V，則說(shuō)明傳感器的信號端連接不正常。

當報警器自診斷發(fā)現傳感器連接不正常，就會(huì )發(fā)出長(cháng)鳴聲音警報，并伴隨黃燈閃爍，提醒用戶(hù)及時(shí)排除傳感器連接問(wèn)題。