可燃气体泄露无线报警装置设计

陕西理工学院毕业论文（设计）I可燃气体泄露无线报警装置设计任 超（陕西理工学院 物理与电信工程学院 通信工程专业 1203，陕西 汉中 723003）指导教师：李翠华 摘要 本设计是利用单片机对于可燃气体浓度进行检测并且可以及时报警的无线报警装置。该系统由 MQ-2传感器采集可燃气体浓度信号，系统建立浓度与电压关系并且进行浓度电压之间的相互转换，通过 LCD1602 液晶显示屏将检测到的浓度及设定值显示出来，当系统检测到可燃气体浓度超过设定值时，就能发出声光报警信号且开启换气装置，同时实现发送短信的无线报警，能及时避免由于可燃气体泄漏所引起的安全事故。关键词 可燃气体 单片机 显示 无线报警 陕西理工学院毕业论文（设计）IIThe design of combustible gas alarm systemRenchao(Grade2012,Class3,Major of Communication Engineering，School of Physics and Telecommunication Engineering , Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003,Shaanxi)Tutor: LiCuihuaAbstract: This design is the use of single-chip microcomputer for the detection of combustible gas concentration and timely alarm of the wireless alarm device. The system combustibles gas concentration signal, the setting-up of the system concentration and voltage relationship and mutual conversion between concentration and voltage by the sensor mq-2 acquisition and displays the detected concentration and setting values through the LCD1602.When the system detects that the combustible gas concentration exceeds the set value,it will send out sound and light alarm signal,open the ventilation device and send text messages to the wireless alarm in time in order to avoid the security incidents caused by the gas leakage. Keywords：combustible gas microcontroller display wireless alarm陕西理工毕业论文（设计）III目 录1.绪论 .11.1 研究的目的及其意义 .11.2 国内外情况及其发展趋势 .11.3 论文结构 .12.系统的硬件设计 .22.1 方案论证及选择 .22.1.1 方案论证 .22.1.2 方案选择 .22.2 传感器部分的设计 .22.2.1 可燃气体传感器的概述 .22.2.2 MQ-2 传感器及其主要特点 .32.3 单片机最小系统的设计 .42.4 显示电路设计 .62.5 报警电路设计 .82.5.1 继电器 .82.5.2 声光报警 .92.5.3 无线报警 .103.软件系统的设计 .144.装配与调试 .174.1 硬件与软件调试 .174.2 测试结果 .175.总结 .19致谢 .20参考文献 .21附录 A .22附录 B .30附录 C .31附录 D .32陕西理工学院毕业论文（设计）第 0 页 共 40 页1.绪论1.1 研究的目的及其意义随着工业的快速发展，液化石油气、天然气等含有甲烷类、烃类、烯类、醇类及一氧化碳等成分是易燃易爆的气体。其中天然气作为一种新型清洁型高效型能源得到广泛普及并且已经成为人们生活中不可缺少的一部分。有的可燃气体是无色无味或者在浓很小的情况下很难被人们发现。正是由于这一原因，所以煤气中毒和矿井中的瓦斯爆炸时常发生，给人的生活带来了生命和财产安全的危害。现在国内许多已经安装的可燃气体的检测器由于使用年度过久，器件老化，原有的技术指标不达标以及技术落后未淘汰而一直在使用的产品，所以研究新型、性能稳定并且能准确检测可燃气体的简易装置势在必行。家用智能天然气检测报警系统是预防天然气泄漏的一种家用的自动检测报警控制系统，一般都是应用高灵敏度的气敏元件作为气电转换元件并配以声光报警，当泄漏的气体达到设定值时报警器就会发生鸣响和声光报警。 本设计主要针对可燃气体检测报警系统进行技术改进，使用单片机系统进行系统控制，LCD1602 显示屏显示测量值和设定值，GSM 实现无线通信。并且还增加了超出安全值时自动开启排风扇装置，这样使得人们的财产安全和生命安全得到进一步的保障。而且本系统成本低，安全性能好，能够监控可燃气体的浓度，显示测量结果，并对当前的环境状态做出判断，发出报警信息。1.2 国内外情况及其发展趋势随着社会的发展，绿色环保的观念越来越成为人们生活中不可缺少的一部分。沼气是一种清洁、高效的可再生能源，可以替代天然气。但是无论沼气还是天然气，在人们的使用过程中若不注意，就会出现安全隐患，造成财产安全和人身事故。因此，对于可燃气体的检测是安全生产生活中的一个非常重要的环节。而我国经济处于高速发展，国家对于安全及环保也越来越重视，相关政策和法规陆续出台，极大地刺激了可燃气体检测仪器仪表行业市场的迅速扩大。然而，现在大多数可燃气体泄漏检测仪器仪表绝大多数都是常规有线仪表，只有少数采用无线。有线仪器在安装时要考虑信号电缆的铺设，这就限制了可燃气体检测仪器仪表的适用范围，在一些场合就不能安装固定的可燃气体监测装置。所以可以通过在不同地方放置便携式进行时时检测与报警。目前，世界各国已经开始将沼气用作燃料和用于照明。用沼气代替汽油、柴油，发动机器的效果也很好。将它作为农村的能源，具有许多优点。例如，修建一个平均每人 1.2 平方米左右的发酵池，就可以基本解决一年四季的燃柴和照明问题；人、畜的粪便以及各种作物秸秆、杂草等，通过发酵后，既产生了沼气，还可作为肥料，而且由于腐熟程度高使肥效更高，粪便等沼气原料经过发酵后，绝大部分寄生虫卵被杀死，可以改善农村卫生条件，减少疾病的传染。现在，沼气的应用正在各国广大农村推广，沼气能源的开发利用的普及等方面，已经取得了较好的成绩。1.3 论文结构论文主要从技术概述、系统硬件电路设计、系统软件设计流程图以及制作与调试等几大方面来介绍可燃气体报警系统的设计和制作过程。其中方案论证及选择是从两种可以实现可燃气体浓度超标报警功能的方案中选出一个能及时报警、易操作、系统性能较高的方案。系统硬件电路设计主要设计包括：单片机最小系统电路、LCD1602 显示电路、GSM 模块电路、天然气检测电路、继电器控制电路、声光报警电路等。系统软件设计主要是设计单片机进行控制以及处理数据所需的相关 C语言程序。最后对是系统整体的调试，将硬件电路与软件程序相结合，调整相关参数，使得系统的各个模块都能实现所要的功能并且达到最优。陕西理工学院毕业论文（设计）第 1 页 共 40 页2.系统的硬件设计2.1 方案论证及选择2.1.1 方案论证方案一：基于蓝牙的可燃气体无线报警系统蓝牙技术是一种无线网络技术，其以低成本、短距离无线连接为基础，可用于替代数字设备和计算机外设间的电缆连线以实现数字设备间的无线组网。首先由单片机通过蓝牙模块接收数据，然后将该数据导入 LCD 屏进行显示，同时单片机对收集的可燃气体浓度数据进行分析处理，并将其与设定值进行比较。当其浓度高于设定值时，系统立刻发出报警，开启排气设备。方案二：基于 SIM900A 的天然气报警系统。基于 SIM900A 的火灾报警系统，传感器采集数据传给单片机，单片机将数据进行处理并与设定值进行比较， 当测量值大于设定值时，SIM900A 进行无线报警。SIM900A 属于双频 GSM/GPRS 模块，采用 SMT 封装形式，其性能稳定，性价比高，可以满足打电话，发短息的基本功能。SIM900A采用工业标准接口，工作频率为 GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。2.1.2 方案选择方案一：蓝牙的通讯速率不是很高，并且受距离的远近影响较大，而且应用成本很高，普及难度大，并且只适用于进程通讯，不能达到远程的目的。故排除方案一。方案二：目前手机以及全面普及，GSM 网络信号覆盖面积广、网络接入灵活、无需布线，打破了距离的限制，从而可以实现全国乃至全球漫游监控 。短消息(SMS)利用信令信道传输，直接把要发的信息加上目的地址发送到短消息服务中心，由服务中心再发给终端。短消息容量有限（每条短信内容最多 140 个字节），适于传输小流量的数据；由于建立时间较长，传送过程要受短消息服务中心服务器繁忙程度的影响，因而适于非连续性和实时性要求不太高的传输场合。短消息传输具有实现简单，通信成本低的优点。设计此系统的是基于短消息方式，简单、方便使用、价格低廉的实用性系统，因此我们选择 SIM900A。2.2 传感器部分的设计2.2.1 可燃气体传感器的概述可燃气体传感器是气-电转换元件，它能将可燃气体浓度信息转化为模拟信号，然后通过 A/D转换单元将模拟信号转化为数字信号送微处理器执行相应的操作。所以可燃气体传感器是系统的一个很关键的部分，它将直接影响到系统的性能，所以选择经济、稳定、精确的可燃气体传感器是设计系统的首要任务。可燃气体检测报警设备的核心部件是能对可燃气进行检测的可燃气体检测。可燃气体的传感器主要有半导体传感器，固体电解质气体传感器，接触燃烧气体传感器，高分子气体传感器，电化学式气体传感器等，由于可燃气体的种类很多，一种类型的气体传感器往往不能检测所有的可燃气体。接触燃烧式气体传感器可分为直接接触燃烧式传感器和催化接触燃烧式传感器。其工作原理是气敏材料在通电状态下可燃性气体氧化燃烧或者在催化剂作用下氧化燃烧，燃烧使电热丝升温,从而使其电阻值发生变化。半导体气体传感器是以恒定的直流电源对半导体器件加热，当无可燃气体存在时，半导体两极间呈现高阻状态，传感器无信号输出。当空气中有可燃气体存在并吸附在氧化物烧结体上，引起半导体电导率或热导率的变化，使其阻值变小，从而将被测气体的浓度信息转变为电信号。陕西理工学院毕业论文（设计）第 2 页 共 40 页由于接触燃烧式气体传感器是利用可燃性气体氧化燃烧使电热丝升温来达到检测可燃气体的目的，因此这种类型传感器对不燃烧气体不敏感，不会造成其他气体的交叉感染。而且传感器受环境温度湿度的影响比较小，性能稳定。催化燃烧式气体传感器采用电桥原理构成检测电路，其线性度及灵敏度比较好。而半导体气体传感器则是裸露在环境中进行高温检测，故对气体造成的干扰很难克服，易出现误检误报的情况，同时易受温度湿度的影响，离散性比较大。气敏式传感器从检测方式上分，该传感器可分为表面电阻控型。表面电阻控制型有氧化锡、氧化锌等金属氧化物，其原理是当气敏半导体加热到 200时，其表面可以吸附可燃气体从而改变电阻值来检测可燃气体浓度。其优点是对微量的可燃气体较为敏感，结构简单成本低。但是当浓度较大时，其选择性和线性较差，所以气敏式传感器多用于可燃气体的检测报警，基本不会用于井下瓦斯爆炸。MQ-2 气体传感器的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡。当传感器检测到可燃气体时，传感器的导电率会随着空气中可燃气体的浓度的增大而增大。在通过模数转化将电导率的变化转变为与该气体浓度相对应的输出信号。并且 MQ-2 气体传感器对液化气体、丙烷、氢气的林敏度较高，对于天然气和其他可燃气体的检测也很理想，在交宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，有简单的驱动电路，低成本，寿命长。所以可以被用于家庭用气气体泄漏报警器、工业可燃气体报警器以及便携式气体检测器MQ-2 气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化。若气浓度发生变化，其阻值也将随之变化。根据这一变化，可以从阻值的变化得出吸附气体的种类和浓度。2.2.2 MQ-2 传感器及其主要特点MQ-2 的 主 要 特 点 ：(1)具有电源指示和 TTL 信号输出指示；(2)具有 D0 开关信号（TTL）输出和 AO 模拟信号输出；(3)TTL 输出有效信号为低电平。（当输出为低电平时信号灯亮，可直接单片机或继电器模块）；(4)模拟量输出电压随浓度的越高电压越高；(5)快速的响应恢复特性；(6)具有长期的使用寿命和可靠的稳定性；(7)对液化气，天然气，城市煤气，烟雾有较好的灵敏度；(8)输入电压为 DC5V，功耗电流为 150mA；(9)DO 输出 TTL 数字量 0 和 1（0.1 和 5V）；(10)AO 输出 0.1-0.3V（相对无污染），最高浓度电压是 4V 左右；当传感器通电后需要预热 20S 左右，测量的数据相对稳定。传感器内部有电热丝，发热属于正常现象，但是烫手就不正常；MQ-2 模块的 VCC 接 5V 电源正极，GND 接电源负极，AO 为模拟信号输出，DO 为 TTL 信号输出；MQ-2 天然气传感器实物图如图 2.1 所示。图 2.1 MQ-2 烟雾传感器实物图陕西理工学院毕业论文（设计）第 3 页 共 40 页MQ-2 传感器原理图如图 2.2 所示。图 2.2 MQ-2 传感器原理图其引脚表如表 2.1 所示表 2.1 MQ-2 天然气传感器引脚功能引脚 功能VCC 5V 工作电压GND 外接 GNDD0 小板数字开关输出接口（0 和 1）A0 小板模拟量输出接口一般情况下，传感器的电导率是随空气中可燃气体浓度的增大而增大，再通过外围电路就将电导率的变化转变成与气体浓度变化相对应的电信号。由于传感器输出的信号会比较弱并且还有不可避免的干扰，所以要对输出信号放大并要求很好的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗的放大电路。将传感器的输出信号依次经过放大、滤波、整流后输入到单片机。天然气传感器是气-电变换器，它属于气敏传感器，它将空气中天然气和甲烷气体的含量(即浓度)转化成对应的电压或者电流信号，传感器作为天然气和甲烷报警器的信号采集部分，是整个系统的核心组成部分之一。2.3 单片机最小系统的设计单片机最小系统是指单片机能正常工作所必须的基本电路，主要由单片机、复位电路、晶振电路组成。具体电路图如图 2.3 所示。电路主要包括：单片机、时钟电路、复位电路。陕西理工学院毕业论文（设计）第 4 页 共 40 页122 22 12 01 91 81 71 61 51 41 31 21 11 098765432 33 43 33 23 13 02 92 82 72 62 52 44 03 93 83 73 63 5P 1 . 0P 1 . 7P 1 . 6P 1 . 5P 1 . 4P 1 . 3P 1 . 2P 1 . 1P 0 . 0E A / V P PA L E / P R O GP 2 . 0X T A L 1P 3 . 0 / R X DR S T / V P DP 3 . 6 / W RP 3 . 5 / T 1P 3 . 4 / T 0P 3 . 3 / I N T 1P 3 . 2 / I N T 0P 3 . 1 / T X DG N DX T A L 2P 3 . 7 / R DP 2 . 5P 2 . 4P 2 . 3P 2 . 2P 2 . 1P 2 . 7P 2 . 6V C CP 0 . 7P S E NP 0 . 6P 0 . 5P 0 . 4P 0 . 3P 0 . 2P 0 . 13 0 p F11.0592MHZ+R1 0 KC10uFV C CV C CS T C 1 2 C 5 A 6 0 S 2123456789C O MR 1R 2R 3R 4R 5R 6R 7R 8V C C3 0 p F图 2.3 单片机最小系统电路图(1)单片机芯片STC12C5A60S2 单片机与工业标准 MCS-51 指令和输出管脚相兼容的芯片，是一个低功耗，高性能的 CMOS 8 位单片机 STC15 系列增强型 8051 单片机集成了上电复位电路与高精准 R/C 振荡器。主要有特性包括用户可直接启动的应用程序有 8K 字节、6 时钟/机器周期和 12 时钟/机器周期课任意选择，指令代码完全兼容传统的 80C51 单片机，工作电压宽度达 3.3V-5.5V，工作频率范围为 0-40MHz，但实际工作频率可以达到 48MHz，芯片上有 512 字节大小的 RAM，通用 I/O 口有 32 个，P0口是漏极开路输出，在作总线扩展时，不用加上拉电阻，作 I/O 口时要加上拉电阻。STC12C5A60S2单片机还集成了大容量的程序存储器、数据存储器以及 EEPRM、集成 MAX810 专用复位电路,2 路PWM，8 路高速 10 位 A/D、集成了 PWM、SPI 等高功能接口部件，并且简化最小系统的外围电路，让设计单片机应用系统更加简捷，使系统性能更加高效、可靠。 STC12C5A60S2 系列单片机内部自带 A/D 转换口在 P1 口，有 8 路 10 位高速 A/D 转换器，速度可达 250KHz。8 路电压输入型 A/D，可做温度检测，电池电压检测，按键扫描等。上电后 P1 口为弱上拉型 IO 口，用户可以自己设置 8 路中的任何一路为 A/D 转化，不作 A/D 接口用的可以继续作IO 口用。单片机 ADC 由多路开关、比较器、逐次比较寄存器、10 位 DAC、转换结果寄存器以及ADC_CONTER 构成。该单片机是逐次比较型的 ADC,由一个比较器和 D/A 转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位开始，顺序的对每一输入电压与内置 D/A 转换器进行比较，经过多次比较，使转换所得数字量逐次逼近输入模拟量对应值，逐次比较型 A/D 转换器具有度高速，低功耗等优点。需要作为 AD 使用的端口要先将 P1ASF 特殊功能寄存器中的相应位置为1，将相应端口设为模拟功能。（2）复位电路单片机系统的复位方式有手动按钮复位和上电复位两种复位方式。51 系列单片机复位信号都陕西理工学院毕业论文（设计）第 5 页 共 40 页是从 RST 引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当振荡器运行时，在 RST 引脚上出现两个机器周期的高电平使单片机复位。如果需要单片机上电源就可以复位，则需在单片机外围加一个复位电路，其功能是在系统上电时为单片机提供复位信号，直到系统电源稳定后，再撤销复位信号。为了防止电源开关闭合引起的抖动对复位的影响，在电源稳定后要经过一定的延时再撤销复位信号。单片机在启动时要进行复位，以使 CPU 及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果 RST 引脚上有一个高电平并维持 2 个机器周期(24 个振荡周期)以上，则 CPU 就可以响应并将系统复位。(3) 时钟电路STC12C5A60S2 单片机的工作频率在 0-48M，芯片内部是一个反相放大器的输入和输出端，通常用于连接晶体振荡器，其外接晶体的引脚为 XTAL1 和 XTAL2。外接的晶体与电容组成并联谐振回路，构成一个自激振荡器向内部时钟电路提供振荡时钟。振荡器的频率可以在 4MHz-48MHz 之间选择，振荡器的频率取决于晶体的振荡频率，晶体选择 11.0592MHz；电容对时钟频率有微调作用，常在 5-100pF 之间选择，通常取 47pF 左右的瓷片电容。2.4 显示电路设计 在单片机系统中应用液晶显示屏作为输出器件，显示质量高，体积小，质量轻，功耗低的特点。液晶显示屏每一个点在收到信号后就一直保持其颜色和亮度，恒定发光，不像阴极射线管显示器要不断刷新亮点，所以，液晶显示屏的画质高。液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的连接更加方便、可靠，更易操作。液晶显示屏的功耗主要消耗在其内部电极和驱动 IC 上，所以其耗电量比较小。液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对显示区域进行控制，通电就会有相应的显示。而且液晶显示屏具有厚度薄、适用大规模集成电路直接驱动，易实现全色彩显示的特点。一个字符由 6*8 或 8*8 点阵组成，所以用 LCD 显示一个字符比较困难。但是 LCD602 内部自带字符发生器，所以字符显示就相对来说比较简单。LCD602 是专门用于显示字母、数字、符号等点阵式 LCD。LCD602 的基本参数及引脚功能，其基本参数如图 2.4。图 2.4 LCD1602 外形尺寸LCD1602 显示屏的主要技术参数：(1)显示容量为 16*2 个字符（不能显示汉字）；(2)芯片工作电压为女 4.5V-5.5V；(3)工作电流为 2mA（5V）；(4)模块最佳工作电压为 5V；(5)字符尺寸为 2.95*4.35(W*H)mm；LCD1602 采用标准的 14 脚或 16 脚接口，各个引脚接口说明如表 2.2。陕西理工学院毕业论文（设计）第 6 页 共 40 页表 2.2 LCD1602 各引脚功能编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明1 VSS 电源地 9 D2 数据2 VDD 电源正极 10 D3 数据3 V0 液晶显示偏压 11 D4 数据4 RS 数据/命令选择 12 D5 数据5 R/W 读写选择 13 D6 数据6 E 使能信号 14 D7 数据7 D0 数据 15 BLA 背光源正极8 D1 数据 16 BLK 本光源负极在 16 个引脚中，V0 为液晶显示屏对比度调整端，接电源正极时对比度最弱，接电源地时对比度最高，对比度告示会产生阴影方格，使用时可以通过