河南理工大学万方科技学院本科毕业论文
5 .行性分析
5.1烟雾检测报警器检定
本论文设计的烟雾检测报警器选用“%LEL”作为烟雾 的测量单位及衡量标准，下面介绍关于LEL的相关概念。
“LEL”是指爆炸下限。 可燃烟雾在空气中遇明火种爆炸的最低浓 度，称为爆炸下限(Lower Explosion Limited)，简称LEL。可燃烟雾在空 气中遇明火种爆炸的最高浓度，称为爆炸上限(Upper Explosion Limited), 简称UEL。
烟雾的浓度过低或过高时是没有危险的，只有与空气混合形成 混合气或更确切地说遇到氧气形成一定比例的混合气才会发生燃烧或爆炸。燃烧是伴有发光发热的激烈氧化反应，它必须具备三个要素：可燃物（燃气）；助燃物（氧气）；点火源（温度）。可燃气的燃烧可以分为两类， 一类是扩散燃烧，即挥发的或从设备中喷出、泄漏的可燃气，遇到点火源 混合燃烧。另一类燃烧，是可燃气与空气混合着火燃烧，这种燃烧反应激 烈而速度快，一般会产生巨大的压力和声响，又称之为爆炸。燃烧与爆炸 没有严格的区分。
有关权威部门和专家已经对目前发现的可燃气作了燃烧爆炸分析，制 定出了烟雾的爆炸极限，它分为爆炸上限和爆炸下限。低于爆炸下限，混合气中的可燃气的含量不足，不能引起燃烧或爆炸，高于上限混合气中的氧气的含量不足，也不能引起燃烧或爆炸。另外，可燃气的燃烧与爆炸还与烟雾的压力、温度、点火能量等因素有关。爆炸极限一般用体积 百分比浓度表示。
爆炸极限是爆炸下限、爆炸上限的总称，可燃烟雾在空气中的浓度只有在爆炸下限、爆炸上限之间才会发生爆炸。低于爆炸下限或高于爆
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炸上限都不会发生爆炸。因此，在进行爆炸测量时，报警浓度一般设定在爆炸 下限的25%LEL以下。一般可燃烟雾检测仪的测量范围为0~100%LEL。 甲烷在空气浓度为9%-11%时遇明火爆炸,高于11%或低于9%都不爆 炸。假定甲烷的爆炸下限为5%体积比，那也就是说，把这个5%体积比，一百等分，让5%体积比对应100%LEL，也就是说，当检测仪数值到达10%LEL报警点时，相当于此时甲烷的含量为0.5%体积比。当检测仪数 值到达20%LEL报警点时，相当于此时甲烷的含量为1%体积比。
本设计中设定甲烷的爆炸下限为10%体积比，对应的报警限设在20%LEL，也就是甲烷含量为2%体积比时报警器报警。
因为家用煤气中主要成分为甲烷，所以本实验在烟雾标定时，选用甲 烷烟雾。实际甲烷烟雾与进入到单片机输入端的电压值对应数据如表5.1所示。
表5.1实际甲烷烟雾与送入单片机的电压值对应数据
从该曲线可以看出，电压值与烟雾浓度之间是非线性关系，为了实时显示气 体浓度，需要对其进行线性化处理，使显示的烟雾浓度与实际误差 在±5%范围内。烟雾浓度与测量电压值线性化示意图如图4.5所
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示。 对曲线作线性化处理时，根据曲线的走势，将烟雾浓度分成7段。
直线方程
f(x) = f (xi ) + (x - xi ) f (xi ) - f (xi )/（xi – xi） i =1,2,3L,7 (5-1)
其中， f (x)为实际烟雾检测LEL浓度，x为实际烟雾检测浓度对应 的电压值，xi是区间的下限浓度对应电压值，xi是区间的上限浓度对应 电压值，f (xi)为区间下限点烟雾LEL浓度值，f (xi )为区间上限点烟雾LEL浓度值，根据公式5-1计算出7个直线方程式，如下：
(1) 0%-10%LEL f (x) = -0.50x + 3.70 (2) 10%-20%LEL f (x) = -0.50x + 3.61 (3)20%-40%LEL f (x) = -1.50x + 3.90 (4) 40%-50%LEL f (x) = -3.2x + 4.58 (5) 50%-60%LEL f (x) = -3.7x + 4.83 (6) 60%-80%LEL f (x) = -4.05x + 5.04 (7) 80%-100%LEL f (x) = -9.00x + 9.00
表5.2分段线性化误差数据
根据误差计算公式X = i ，在本实验中N为20，计算本报警器
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显示烟雾浓度与实际浓度之间的误差为2.55%，在所规定误差范围±5%之 内。因此，本论文中的可燃性报警器满足检测要求。
5.2实验误差分析
在测量仪器的实际使用中，造成误差的来源很多，通常是多种误差源 综合作用的结果。就本仪器而言，误差来源主要有软件和硬件两个方面。
软件误差主要来自以下两个方面：
(1)A/D转换量化误差STC12C5410AD单片机的内部A/D转换器为12 bit，输入单片机模拟 电压信号0~3.7V，参考电压2.5V，A/D转换器对输入模拟信号的最大分辨率为2.5 212 ?1 = 0.00061V，因此可求得A/D转换误差为0.00061 =0.00016=0.016%。
(2)数字滤波过程中的有限字长效应 在中位值平均滤波法数字滤波过程中，用到了乘法和除法运算，因此 在运算过程中，由于字长有限而不能保留原有数据的有效位数会出现舍入误差，由于累计计算会造成计算误差。本仪器使用数据的计算全部是由STC12C5410AD完成的，可以直接执行16×16 bit定点乘法和32÷16 bit定点除法运算，所以有限字长造成的误差对于本系统而言，可以忽略不计。
硬件误差主要来自以下四个方面： (1)传感器非线性误差
本系统选用MQ-2型半导体陶瓷式烟雾传感器，烟雾浓度与输出电压存在一定的非线性，使用折线插值方法进行线性化处理，误差数据参见表5.1和图4.5。
(2)电子元器件参数的离散性、温度不稳定性造成的误差 传感器输出信号一般比较微弱，需要过数据采集前置电路对其进行
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放 大、滤波、电平调整，满足单片机对输入信号的要求。运放误差是造成前置放大误差的主要原因，运放的输入失调电压，输入失调电流是影响电路精度的重要因素。 本设计选用高输入阻抗、低噪声的放大器，可以满足要求。另外所选的阻容器件都是经过精确测量后再焊接上去的，并经过仔细调试以获得最佳性能。
(3)电源造成的误差
虽然系统采用直流电源供电，但电源不可避免地残留一定的交流成分而形成噪声信号.它们对测控系统的正常运行危害很大。本系统选用ACDC电源模块，将220V市电转化为5V直流电压，分别给模拟电路和数字电路供电。为了尽量减小噪声，数字地和模拟地要一点接地，每个芯片的电源就近接退耦电容。
(4)环境、外部噪声引起的误差
环境因素包括环境温度、湿度、空气中的尘埃等。对本系统来说，空气中的成分对系统的探头和单片机及其外围电路影响很小，在进行测量时不用进行补偿。但环境温度、湿度对传感器有一定的影响。但是温湿度的影响相对于系统5%LEL的精度要求，可以忽略不计。另外，系统还受到各种外部电磁噪声的干扰，设计上，把探测器与控制器之间的信号线用屏蔽电缆连接。在电路板布线时，注意抗干扰设计。
5.3本章小结
本章介绍了烟雾报警器的误差来源，分析了系统中的硬件电路引入误差和软件所带来的误差。给出了烟雾浓度信号的实验数据及结果分析。经过现场标定及测试，达到了预期的设计效果。
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