毕业论文-液压回路流量监测系统设计.doc

摘摘 要要 随着液压设备大量使用,尤其是像我们中国这样的发展中大国每个大中型企 业都离不开液压设备。液压设备的普及给工业发展带来了很多方便,减少了劳动 力的使用,提高了生产质量和效率,但是液压系统也潜伏了许多安全隐患,比如液 压系统的流量大小不稳定，一旦发生由于流量的不稳定导致的事故,处置不及时 就有可能给操作工人带来生命的威胁。面对液压系统由于流量不稳定产生的威 胁，我们需要一个解决办法。使用流量监测系统是对付流量不稳定的重要手段 之一。 本论文以流量传感器和单片机技术为核心设计的流量监测系统可实现报警 功能，是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的流量监测 系统，具有一定的实用价值。 其中选用 MQ-2 传感器实现对气体的检测，具有灵敏度高、响应快、抗干扰 能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长。其与 ADC0808 转换器连接，将流 量信号转换成单片机可识别的数字信号，经 AT89C51 单片机处理，并对处理后 的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值，如果大于则会自动启动报警电 路发出报警声音，反之则为正常状态 关键词： 传感器 报警器 单片机 Abstract With the wide use of natural gas, each a residential towers were gas “enveloped“. The popularity of natural gas to public life brought convenient, reduce the citys pollution and improve the life quality and efficiency, but at the same time, natural gas is also potential “dangerous“, once produce large leak, disposal not timely could trigger, the big bang to peoples life and property safety brought great threat. Facing the gas leak all kinds of accidents caused by threats, we need a solution. Use of natural gas alarm is deal with gas invisible killer one of the important means. This papers to the semiconductor gas sensors and single chip microcomputer as the core design can realize the gas alarm sound-light alarm functions, is a kind of simple structure, stable performance, easy to use, inexpensive and intelligent gas alarm, has certain practical value. Among them choose MQ - 2 of gas detection sensor realize, has a high sensitivity, fast response, strong anti-jamming capability etc, and the price is low, service life long. ADC0808 converters connected with the gas signal, convert microcontroller can identify the digital signal processing, by AT89C51 for processing the data and analysis, whether is equal to or greater than the a default value (that is, the alarm limit), if will automatically start alarm circuit warning voice, conversely for normal state Keywords: sensor alarm MCS 目目 录录 第第 1 章章 绪论绪论1 1.1 液压回路流量监测系的概述1 1.2 液压回路流量监测系统的背景1 1.3 液压回路流量监测系统研究意义与目的2 1.4 设计任务2 第第 2 章章 天燃气泄漏报警系统的方案设计天燃气泄漏报警系统的方案设计1 2.1 天燃气报警系统的设计思路1 2.2 气体传感器的选型1 2.2.1 气体传感器介绍1 2.2.2 气体传感器的选定5 2.3 天燃气泄露报警系统的整体设计方案6 2.3.1 天燃气泄露报警器工作原理6 2.3.2 天燃气泄露报警器的结构6 2.3.3 气体检测报警器的功能7 第第 3 章章 天燃气泄漏报警系统的硬件部分设计天燃气泄漏报警系统的硬件部分设计8 3.1 主控电路的设计8 3.1.1 半导体气敏传感器简介8 3.1.2 单片机的选择11 3.1.3 AT89C51 单片机的基本结构.13 3.1.4 AT89C51 单片机的引脚.14 3.1.5 AT89C51 单片机的时钟电路.16 3.1.6 AT89C51 单片机的复位电路.17 3.2 外围接口电路的设计19 3.2.1 ADC0808 转换器的介绍 19 3.2.2 ADC0808 转换器和 AT89C51 单片机的接口电路 20 3.2.3 声音报警电路.21 3.2.4 灯光报警电路.22 3.3 总电路设计23 第第 4 章章 燃气泄漏报警系统的软件部分设计燃气泄漏报警系统的软件部分设计26 4.1 主程序设计流程与编程26 4.1.1 主程序设计流程图.26 4.1.2 主程序的编程.27 4.2 程序调试29 4.2.1 程序调试的步骤29 4.2.2 程序调试过程中的问题及解决30 总结与展望总结与展望32 致致 谢谢33 参考文献参考文献34 附录一家庭燃气泄漏报警系统电路图附录一家庭燃气泄漏报警系统电路图35 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 液压回路流量监测系统的概述液压回路流量监测系统的概述 液压系统流量监测对整个液压系统来说是非常重要的，由流量传感器、A/D 转换器、单片机和报警器组成。它使整个液压系统安全稳定的运行。液压系统 流量监测通过流量传感器监测系统中流量的大小，通过采样电路，将监测信号 用模拟量或数字量传递给控制器或控制电路，当流量大小超过控制器或控制电 路中设定值时，控制器通过执行器或执行电路发出报警信号。 1.2 液压回路流量监测系统的背景液压回路流量监测系统的背景 最近几年，人们己开始认识到了流量监测中存在的问题，并开始进行了多 方面的探索性研究。在很早以前浙江大学就提出了一种二通插装式动态流量监 测计。这种流量监测计利用阀芯受压与阀口流量的平方成正比的关系，对阀口 进行特殊设计，使得带有弹簧的阀芯的位移的平方与所受压力成正比，这样得 到了流量与位移的线形关系，通过在阀芯上安装位移传感器，测量阀芯位移， 进而方便地得到流量信号。由于阀芯的惯性很小，因而动态品质得到提高。并 且它采用了二通插装式结构设计，结构灵巧，安装方便。但是设计中显然也没 有考虑到作动态流动的液体的惯性力的影响，它产生的测量误差也很大。与此 相似，华南理工大学交通学院开发了一种智能化差压式双向流量监测计。它包 括差压式双向流量阀、位移测量电路和单片机系统。阀体的内腔经过特殊设计， 当无流量通过时，阀芯停留在中间位置上，完全封闭了流道。当被测流体从传 感器的一端进入时，压缩弹簧使阀芯产生一个位移，并与壳体间形成了一个环 形节流面积，流体的流动使得阀芯前后形成压差，当压差力与弹簧力平衡时， 阀芯位移与压差成正比。通过连接在阀芯上的电磁式位移传感器可以测出位移， 进而得出流量。流量与位移的关系是非线性的，但采用单片机来对信号处理可 以很好地解决这个问题。该传感器能测量正、反向流量，也能进行一定的动态 流量监测。但是如前所述，设计中也没有能考虑到动态流动的液体的惯性力的 影响，因此也不适合测量高频动态流量。此外，华中理工大学研制出一种数字 2 式动态流量测量系统，该系统由流量脉冲传感器、数据转换器和计算机三部分 组成。流量脉冲传感器由一对空套在轴上的计量齿轮马达和涡流传感器构成， 当液压流体推动互相啮合的齿轮转动，充满流体的齿间经过涡流传感器时，产 生一个电脉冲信号。数据转换器对涡流传感器输出的每一个电脉冲信号进行放 大、整形、滤波，由计数器计数，并由计算机对信号进行数据处理，计算出被 测液压系统某瞬时的动态流量。这种流量计把齿轮空套在轴上，减小了运动部 件的质量，从而提高了动态特性，采用每齿记数，提高了测量精度。但是这种 流量计并没有根本克服运动部件惯性的影响，从间接测量的角度来解决传统流 量计的动态特性差的问题，有的是从直接改进流量计的结构，减小它的惯性， 并引入精确的电测量手段来提高测量精度的角度来解决问题，都取得了一定的 进步，但是都存在一定的缺陷，还不能根本解决像比例流量阀测试中的带偏置 的高频动态流量这样的复杂的流量监测问题。但无疑对我们进一步的研究拓宽 了思路。 1.3 液压回路流量监测系统研究意义与目的液压回路流量监测系统研究意义与目的 液压技术在矿山机械得到广泛应用。如矿山岩石钻进、铲装、运输、破碎及选 矿等设备。但由于矿山机械大都在较恶劣环境下。易于产生液压系统故障，且 液压系统属于封闭 运行，故障大都在内部产生。故障位置比较隐蔽、原因复杂， 因此难以发现故障。给矿山机械维护和矿下工作人员的安全造成隐患。流量是 液压系统的重要参数之一，其大小直接反映液压系统运行状况的好坏。通过测 量系统流量实现液压系统的实时监控以保证液压系统的正常运转和矿下工作 人员的安全，同时也便于诊断液压系统故障。设计的目的为实用，面对激烈的 市场竞争，只有技术性能更加进步、更加符合生际需要的产品才能赢得市场； 同时也才能使企业的生产效率提高，进而提高效益。由于各液压元件中的运动 件均在油液中工作，能自行润滑，故元件的使用寿命长。在液压系统及设备的 状态监测与故障诊断过程中，流量往往是需要测量和控制的主要参数之一，流 量测量通常包括测量平均稳态流量和测量瞬时动态流量。其中动态流量的测量， 对于与评价伺服阀、比例阀等控制元件，以及液压控制系统的动态特性都有非 常重要的意义。 3 基于 51 单片机液体流量进行监测，不仅具有控制方便，组态简单和灵活性 大等优点，而且可以大幅度提高被控流量的技术指标，从而能够大大提高产品 的质量和数量。因此，机对流量监测问题一直是工业生产中重要的研究对象。 1.4 设计任务设计任务 实现液压回路流量的监量。用传感器、51 单片机和若干 IC 芯片、模拟器 件设计它的测量电路、放大电路和显示控制电路，编写显示控制软件。实现液 压回路流量监测。 1 第第 2 章章 天燃气泄漏报警系统的方案设计天燃气泄漏报警系统的方案设计 2.1 液压回路流量监测系统的设计思路液压回路流量监测系统的设计思路 液压回路流量监测系统是能够检液压回路中油液的流量大小，并具有报警功 能的仪器，仪器的最基本组成部分应包括：流量信号采集电路、模数转换电路、 单片机控制电路。 流量信号采集电路一般由流量传感器和模拟放大电路组成，将流量信号转化 为模拟的电信号。模数转换电路将从流量检测电路送出的模拟信号转换成单片 机可识别的数字信号后送入单片机。单片机对该数字信号进行处理，并对处理 后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值(也就是报警限)，如果大于则 会自动启动报警电路发出报警声音，反之则为正常状态。为使报警装置更加完 善，可以在声音报警基础上，加入光闪报警，变化的光信号可以引起用户注意， 弥补嘈杂环境中声音报警的局限。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整 体设计思路。 流量传感器及单片机是流量过大报警器的两大核心，根据报警器功能的需要， 选择合适、精确、经济的流量传感器及单片机芯片是至关重要的。传感器的选 型在下一节介绍。单片机作为硬件电路的核心，它的选型将在第三章详述。 2.2 流量传感器的选型流量传感器的选型 流量传感器将液压回路中流量的大小转化成电压或者电流信号，通过 A/D 转 换电路，将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、 流量大小处理及报警控制等工作。流量传感器作为流量过载报警器的信号采集 部分，是仪表的核心组成部分之一。由此可见，流量传感器的选型是非常重要 的。 2.2.1流量流量传感器介绍传感器介绍 1. 流量传感器的分类 液体流量传感器可分为以下几种： 液体流量传感器可分为以下几种： 1、 2 电磁流量计 2、涡街流量计 、 3、涡轮流量计 、 4、超声波流量计 、 5、容 积流量计 、 6、差压式流量计 、 1、电磁流量计 原理： 原理：电磁流量计的测量原理是基于法拉第电磁感应定 导电液体在磁 场中作切割磁力线运动时， 律：导电液体在磁场中作切割磁力线运动时，导体 中产 生感应电势，其感应电势 E 为 生感应电势，其感应电势 为：E=KBVD 式 中： 仪表常数 式中：K仪表常数 B磁感 应强度 磁感应强度 V测量管道截面内的平均流速 测量管道截面内的平均流速 D测量管道截面的内径 测量管道截面的内径 测量流量时，导电性液体以速度 V 流 过垂直于流动 测量流量时，导电性液体以速度 流过垂直于流动 方向的磁场， 方向的磁场，导电性液体的流动感应出一个与平均流速 成正比的电压， 成正 比的电压，其感应电压信号通过二个或二个以上与 液体直接接触的电极捡出， 液体直接接触的电极捡出，并通过电缆送至转换器通过 智能化处理，然后 LCD 显示或转换成标准信号 20ma 显示或转换成标准信号 4 智能化处理，然后 显示或转换成标准信号 输出。 和 01khz 输出。 输出 2、涡街流量计 原理： 原理：涡街流量计便是依据卡门旋涡原理 进行封闭管道流体流量测量 的新型流量计。 进行封闭管道流体流量测量的新型流量计。 因其具有良好的 介质适应能力， 因其具有良好的介质适应能力，无需温度 压力补偿即可直接 测量蒸汽、空气、气体、 压力补偿即可直接测量蒸汽、空气、气体、 液体的 工况体积流量，配备温度、 水、液体的工况体积流量，配备温度、压 力传感 器可测量标况体积流量和质量流量， 力传感器可测量标况体积流量和质量流量， 是节流式流量计的理想替代产品。 是节流式流量计的理想替代产品。 3、涡轮流量 工作原理 原理：进入仪表的被测气体，经截面收缩 原理：进入仪表的被测气体， 的 导流体加速， 的导流体加速，然后通过进口通道作用在 涡轮叶片上。涡轮轴 安装在滚珠轴承上。 涡轮叶片上。涡轮轴安装在滚珠轴承上。 与补测气体的 体积量成正比的涡轮转数， 与补测气体的体积量成正比的涡轮转数， 经多级 齿轮减速后传到多位计数器上， 经多级齿轮减速后传到多位计数器上，显 示 出被测气体的体积量。 示出被测气体的体积量。 3 涡轮流量计的组成 涡轮流量计由以下部分组成： 涡轮流量计由以下部分组成： （1）表体： 它承受来自被测流体的压力，起连接 ）表体：它承受来自被测流体的压力， 管道和安装导流体、检测器的作用。 管道和安装导流体、检测器的作用。 （2）导流体：对流体起导向作用，并起支撑叶轮 ）导流体：对流体起导向作 用， 的作用。 的作用。 （3）涡轮：由安装在前后导流体中的轴承支撑， ） 涡轮：由安装在前后导流体中的轴承支撑， 与表体同轴，涡轮叶片的数量与流 量计口径相关， 与表体同轴，涡轮叶片的数量与流量计口径相关， 由高导磁 性材料制成。 由高导磁性材料制成。 （4）轴承：是决定流量计的可靠性和使 用年限的 ）轴承： 主要因素，要求其有足够的寿命、耐磨性能、 主要因素， 要求其有足够的寿命、耐磨性能、以及 良好的润滑系统。 良好的润滑系统。 （5）信号检测器：它由永久磁铁、铁芯、线圈和 ）信号检测器：它由永久磁 铁、铁芯、 防爆结构等组成，涡轮转动周期性地改变检测线圈 防爆结构等组 成， 的磁通量，从而产生电脉冲信号。 的磁通量，从而产生电脉冲信号。 4、超声波流量计原理 、 原理：超声波液位计是采用回声测距的原理工作的， 原理：超声波液位计 是采用回声测距的原理工作的， 即探头部分发射出超声波，然后被液面反射， 即探头部分发射出超声波，然后被液面反射，探头 部分再接收，探头到液(物 面的距离和超声波经过 部分再接收，探头到液 物)面的距离和超声波经过 的 时间成比例: 的时间成比例 即 时间声速 声速/2 距离 m = 时间 声速 m 超声波液位计是现今应用最广泛的液位计。超声波 超声波液位计是现今 应用最广泛的液位计。 液位计的优点超声波液位计可以定点和连续的测量， 液位计的优点超声波液位计可以定点和连续的测量， 对介质的状态无苛求，且 不需要运动部件， 对介质的状态无苛求，且不需要运动部件，其传播 速度并 不直接与媒介的介电常数、电导率， 速度并不直接与媒介的介电常数、电导率， 热导率 有关，且经济耐用，使用与安装方便。 有关，且经济耐用，使用与安 装方便。缺点是不能 测量有气泡及悬浮物的液位， 测量有气泡及悬浮物的液 位，在液面有较大的波动 时于测量不利，使测量带来误差。 时于测量不利， 使测量带来误差。 5、容积式流量计 、 原理：容积式流量计利用机械测量元件把液体连续 原理： 不断地分割成 单个已知的体积部分， 不断地分割成单个已知的体积部分，根据计量室逐 次、 重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测 量流量体积总量。 量流量体积 总量。 典型的容积式流量计（如椭圆齿轮流量计）的工作 典型的容积式流 4 量计（如椭圆齿轮流量计） 原理为：流体通过流量计， 原理为：流体通过流 量计，就会在流量计进出口之 间产生一定的压力差。流量计的转动部件（ 间 产生一定的压力差。流量计的转动部件（简称转 在这个压力差作用下产生旋转， 子）在这个压力差作用下产生旋转，并将流体由入 口排向出口。在这个过程 中， 口排向出口。在这个过程中，流体一次次地充满流 量计的“计量空间” 然后又不断地被送往出口。 量计的“计量空间” ，然后又不断地被送往出口。 在给定流量计条件下，该计量空间的体积是确定的， 在给定流量计条件下，该 计量空间的体积是确定的， 只要测得转子的转动次数就可以得到通过流量计的 流体体积的累积值。 流体体积的累积值。 6、差压式流量计 、 原理：充满管道的流体，当它流经管道内的节 原理：充满管道的流体， 流 件时，如图 4.1 所示 所示， 流件时，如图 所示，流速将在节流件处形 成局 部收缩，因而流速增加，静压力降低， 成局部收缩，因而流速增加，静压力降 低，于 是在节流件前后便产生了压差。流体流量愈大， 是在节流件前后便产 生了压差。流体流量愈大， 产生的压差愈大， 产生的压差愈大，这样可依据 压差来衡量流量 的大小。这种测量方法是以流动连续性方程( 的大小。这种测 量方法是以流动连续性方程( 质量守恒定律)和伯努利方程 能量守恒定律)为 和伯努利方程(能量守恒定律 质量守恒定律 和伯努利方程 能量守恒定律 为 基础的。 基础的。压差的大小不仅与流量还与其他许多 因素有关， 因素有关， 例如当节流装置形式或管道内流体 的物理性质(密度 粘度)不同时 密度、 不 同时， 的物理性质 密度、粘度 不同时，在同样大小 的流量下产生的压差也 是不同的。 的流量下产生的压差也是不同的。 2.2.2 流量传感器的选定流量传感器的选定 天燃气泄漏报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气站、喷漆 作业等易发生可燃气体泄漏的场所，根据报警器检测气体种类的要求，一般选 用接触燃烧式气敏传感器和半导体气敏传感器。 使用接触燃烧式气敏传感器，其探头的阻缓及中毒,是不可避免的问题。阻 缓是当在气体与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在 无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而 引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环 境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵 敏度会不断下降，导致该传感器最终丧失检测烟雾的能力。中毒是如果环境空 气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以 5 致灵敏度很快就丧失。当怀疑检测环境中存在这些物质时，经常对探头进行标 定，是必须且有效的办法。 因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。一般连续 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的维护，无形中 加大了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。 半导体气敏传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传 感器以及用单晶半导体器件制作的气体传感器，它具有灵敏度高，响应快、体 积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。半导体气 敏传感器的性能主要看其灵敏度、选择性(抗干扰性)和稳定性(使用寿命)。 经过对比上述两种气敏传感器的应用特性，发现半导体气敏传感器的优点 更加突出：灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、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。因此，本设计采用半导体气敏传感 器作为报警器气体信息采集部分的核心。而在众多半导体气敏传感器中，本设 计选用 MQ-2 型气敏传感器，这种型号的传感器具备一般半导体气敏传感器灵敏 度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。 2.3 天燃气泄露报警系统的整体设计方案天燃气泄露报警系统的整体设计方案 2.3.1 天燃气泄露报警器工作原理天燃气泄露报警器工作原理 本论文中的燃气泄漏报警器以 AT89C51 单片机为控制核心，采用 MQ-2 型 电阻式半导体传感器采集气体信息。 首先，气体传感器送来的气体浓度对应的电压信号送入 AT89C51 单片机； 然后，在 AT89C51 单片机内 A/D 转换、气体浓度比较，对数据进行线性化处 理，将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值；最后，判断气体浓度值 是否超出报警限，当气体浓度处于正常状态红灯不会闪亮，当气体浓度超出设 定的限定值时，发出声音报警并伴随红灯闪亮。另外由于气体传感器需要在加 热状态下工作，温度越高，反应越快，响应时间和恢复时间就越快。为提高响 应时间，保证气体传感器准确地、稳定地工作，报警器需要向气体传感器持续 输出一个 5V 的电压。为了保证其可靠性，在输出 5V 的电压的同时，进行故障 监测。 6 2.3.2 天燃气泄露报警器的结构天燃气泄露报警器的结构 为适应家庭对可燃性易爆气体安全性要求，设计的可燃性气体报警仪应不 仅能在较宽的温度范围工作，而且应具有显示可燃气体浓度、可接计算机进行 现场远测和实时控制等功能。其目标是在传统的烟雾报警仪的基础上，尽量提 高准确性，降低成本，缩小体积。 天燃气泄露报警器系统结构框图如图 2.2 所示，该系统以单片机为核心， 配合外围电路共同完成信号采集、声音及闪烁报警等功能。系统采用高性能的 单片机，要求工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，保证报警器的精确 性及可靠性，而且最好体积小，成本低，有利于减少报警器的体积，降低报警 器的成本。 使用 AT89C51 单片机，选用气敏传感器作为敏感元件，利用 A/D 转换器和 声光报警电路，开发了可用于家庭或小型单位天燃气泄漏报警器。整个设计由 4 大部分构成：气敏传感器、A/D 转换电路、AT89C51 单片机、声光报警电路。 气敏传感器是将现场气体浓度非电信号转化为电信号；转换电路是将完成将气 体传感器输出的模拟信号到数字信号的转换。声光报警模块由单片机和报警电 路组成，由单片机控制实现不同的声光报警功能。 7 气敏 传感器 A/D 转换器AT89C51 单片机 灯光报警 声音报警 气体 浓度 图 2.2 天燃气泄漏报警系统结构框图 2.3.3 气体检测报警器的功能气体检测报警器的功能 声光报警功能 当气体浓度取值处在报警限值之上，蜂鸣器开始报警，且声音越来越急促， 并且伴随红灯闪烁。因为人对变化的信号更为敏感，所以变化的声音及灯光更 容易引起用户的注意。 电源 时钟 复位 8 第第 3 章章 天燃气泄漏报警系统的硬件部分设计天燃气泄漏报警系统的硬件部分设计 3.1 主控电路的设计主控电路的设计 3.1.1 半导体半导体气气敏敏传感器简介传感器简介 半导体气敏传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感 器以及用单晶半导体器件制作的气体传感器，它具有灵敏度高，响应快、体积 小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。半导体气体 传感器的性能主要看其灵敏度、选择性(抗干扰性)和稳定性(使用寿命)。 MQ-2/MQ-2S气敏传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二 氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃性气体时，传感器的电导率随空 气中可燃性气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换 为与该气体浓度相对应的输出信号。 （1）灵敏度特性： 图 3.2 9 图 3.2 传感器典型的灵敏度特性曲线 注：图中纵坐标为传感器的电阻比（Rs/Ro） ，横坐标为气体浓度。 Rs 表示传感器在不同浓度气体中的电阻值 Ro 表示传感器在1000ppm不同气体中的电阻值 （2）温/湿度的影响： 图 3.3 传感器典型的温度、湿度特性曲线 图中纵坐标是传感器的电阻比（Rs/Ro） 。 Rs表示在含1000ppm 甲烷、不同温/湿度下传感器的电阻值 Ro表示在含1000ppm 甲烷、20/65%RH环境条件下传感器的电阻值 （3）基本测试回路： 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9 -20-1001020304050 Rs/R0 60%RH 30%RH 85%RH 图 3.3 Vc VH GND RL VRL 10 图3.4 传感器的基本测试电路 该传感器需要施加2个电压：加热器电压（VH）和测试电压（VC） 。其中VH用 于为传感器提供特定的工作温度。VC则是用于测定与传感器串联的负载电阻 （RL）上的电压（VRL） 。这种传感器具有轻微的极性，VC需用直流电源。在满 足传感器电性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一个电源电路。为更好利用 传感器的性能，需要选择恰当的RL值。 （4）规格： A.标准工作条件 B. 环境条件 C. 灵敏度特性 符号参数名称技术条件备注 Vc 回路电压 24VDC VH 加热电压 5.0V0.2VACorDC RL 负载电阻可调 RH 加热电阻 313 室温 PH 加热功耗 900mW 符号参数名称技术条件备注 Tao 使用温度 -1050 Tas 储存温度 -2070 R相对湿度 小于 95% R O2 氧气浓度 21%(标准条件) 氧气浓度会影响灵敏度 特性 最小值大于 符号参数名称 技术参数 备注 Rs 敏感体表面电阻 2K-20K (2000ppm C3H8 ) (R3000ppm/ R1000ppm C3H8) 浓度斜率0.6 标准工作条 件 温度： 202 Vc:5.0V0.1V 相对湿度： 65%5% VH: 5.0V0.1V 适用范围： 5000- 20000ppm 天然气 11 敏感体功耗（Ps）值：Ps=Vc2Rs/(Rs+RL)2 传感器电阻（Rs）值：Rs=(Vc/VRL-1)RL （5）结构，外形 MQ-2/MQ-2S 气敏元件的结构和外形如图 3.4 所示(结构 A A 或 B),B), 由微型 Al2O3 陶瓷管、SnO2 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或 不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气 敏元件有只针状管脚，其中个用于信号取出，个用于提供加热电流。 图 3.5 MQ-2/MQ-2S 气敏元件的结构和外形 预热时间不少于48小时 部件材料 1气体敏感层二氧化锡 2电极金（Au） 3测量电极引线铂（Pt） 4加热器镍铬合金（Ni-Cr） 5陶瓷管三氧化二铝 6防爆网100目双层不锈钢 （SUB316） 7卡环镀镍铜材（Ni-Cu） 8基座胶木或尼龙 9针状管脚镀镍铜材（Ni-Cu） 图 3.4 12 MQ-2/MQ-2S气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它 可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多 种应用的低成本传感器。 3.1.2 单片机的选择单片机的选择 单片机作为燃气泄漏报警器的核心部件，一方面它要接收来自传感器的气 体浓度的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对两种信号分别进行处理，控 制后续电路的相应工作；同时，查询是否有键按下的命令。在单片机实现的功 能中，将模数转换后的信号做数字滤波，再进行线性化处理，这一过程的软件 实现，需要单片机有较快的运算速度，使仪表监测人员能够观测到并进行相应 处理。同时，在能够满足报警器设计的计算速度及接口数的要求的同类型单片 机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可 靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。 AT89C51 是 Atmel 公司生产的一种带 4K 字节闪存可编程可擦除只读存储 器（FPEROMFlash Programmable and Erasable ReadOnly Memory）的低电压， 高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。其 中 AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可 擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除 只读存储器可以反复擦除 100 次。该器件采 用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制 造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚 相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储 器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是 一种高效微控制器，AT89C2051 是它的一种 精简版本。AT89C 单片机为很多嵌入式控制 系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外 形如图所示， 本设计用的 AT89C51 是一个低功耗高性能单片机，8 位数据总线，40 个引脚， 32 个外部双向输入/输出（I/O）端口，六个中断源，两层中断优先级，同时内 含 2 个外中断口，2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口， AT89C51 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器 13 和 Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低 开发成本。另外，AT89C51 是以静态逻辑运行到零频率的方式设计的，并且支 持两种可利用软件选择的掉电保护模式。休眠模式停止 CPU 运行，但允许数据 存储器、定时/计数器、串行口和中断系统继续运行。掉电模式保存数据存储器 的内容，但停止了晶振，是其他所有芯片停止工作直到下一次复位为止。 AT89C51 其工作电压范围为 2.76V（实际使用+5V 供电） ，片内含 4k bytes 的 可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 128Kbytes 的随机存取数据存储器 （RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，内置功能强 大的微型计算机的 AT89C51 提供了高性价比的解决方案。 3.1.3 AT89C51 单片机的基本结构单片机的基本结构 AT89C51 单片机的基本结构如图所示 图 3.6 基本结构图 由图可见，89C51 单片机主要由以下部分组成： （1）CPU 系统 8 位 CPU 和闪烁存储器；时钟电路；总线控制逻辑。 14 （2）存储器系统 4KB 的程序存储器（ROM/EPROM/Flash）；128KB 数据存储器（RAM）。 （3）I/O 口和其他动能单元 4 个并行 I/O 口；2 个 16 位定时/计数器；,2 个全双工串行通信口；中断系统 （5 个中断源） 3.1.4 AT89C51 单片机的引脚单片机的引脚 1.引脚的分类 （1）主电源及时钟引脚：VCC、GND 等。 （2）编程电源：VPP。 （3）控制口线：PSEN（片外取指控制） 、ALE（地址锁存控制） 、EA(片外存 储器选择)、RST（复位控制） 。 （4）I/O 控制：P0、P1、P2、P3 共四个 8 位口线， 2.引脚详细说明 VCC：供电电压，接+5V。 GND：接地。 15 P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。 当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据 存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原 码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接 收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。 P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收， 输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作 为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于 内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进 行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势， 当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。为 输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉缘故。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高 电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址 的地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用 作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存 储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时，ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该 引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个 机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。 16 /EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H- FFFFH） ，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间， 此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP） 。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性: XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放 大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟 源驱动器件，XTAL2 应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发 器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求 的宽度。 3.1.5 AT89C51 单片机的时钟电路单片机的时钟电路 采用内部时钟方式利用芯片内部的振荡器，然后在引脚 XTALl 和 XTAL2 两 端跨接晶体振荡器（简称晶振），就构成了稳定的自激振荡器，发出的脉冲直 接送入内部时钟电路。外接晶振时，Cl和 C2的值通常选择为 30pF 左右；Cl、C2 对频率有微调作用，晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在 1.2MHz12MHz 之间选 择。为了减小寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容 应尽可能安装得与单片机引脚 XTALl 和 XTAL2 靠近。 17 图 3.7 单片机的时钟电路图 3.1.6 AT89C51 单片机的复位电路单片机的复位电路 在整个燃气报警系统中，要进行实验，必须对整个系统先复位。复位是单 片机的初始化操作。单片机系统在上电启动运行时，都需要先复位。其作用是 使 CPU 和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作， 因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的， 必须配合相应的外部复位电路才能实现。 单片机的外部复位电路有上电复位和上电和按键均有效的复位两种。我们 在设计单片机复位时，选用上电复位。 上电复位利用电容器的充电实现。图 3.8 是 AT89C51 单片机的上电复位电 路。图中给出了复位电路参数。 上电要求接通电源后，单片机实现自动复位操作。上电瞬间 RST 引脚获得 高电平，随着电容的充电，RST 引脚的高电平将逐渐下降。RST 引脚的高电平只 18 要能保持足够的时间（2 个机器周期），单片机就可以进行复位操作。该电路 典型的电容参数为：晶振为 12MHZ，电容值为 1uF。 图 3.8 单片机复位电路图 19 3.2 外围接口电路的设计外围接口电路的设计 3.2.1 ADC0808 转换器的介绍转换器的介绍 ADC0808 是采样分辨率为 8 位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。 其内部有一个 8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通 8 路模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。 （1）主要特性： 1、8 路输入通道，8 位 AD 转换器，即分辨率为 8 位。 2、具有转换起停控制端。 3、转换时间为 100s 4、单个5V 电源供电 5、模拟输入电压范围 05V，不需零点和满刻度校准。 6、工作温度范围为-4085 摄氏度 7、低功耗，约 15mW。 （2）内部结构： ADC0808 是 CMOS 单片型逐次逼近式 AD 转换器，它由 8 路模拟开关、地 址锁存与译码器、比较器、8 位开关树型 DA 转换器、逐次逼近 （3）外部特性（引脚功能） ADC0808 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装，如图所示。下面说明各 引脚功能。 20 图 3.9 ADC0808 芯片的引脚图 IN0IN7：8 路模拟量输入端。 2-12-8：8 位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一 路 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START：AD 转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少 100ns 宽） 使其启动（脉冲上升沿使 0809 复位，下降沿启动 A/D 转换） 。 EOC：AD 转换结束信号，输出，当 AD 转换结束时，此端输出一个 高电平（转换期间一直为低电平） 。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 AD 转换结束时，此端 输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHZ。 REF（+） 、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一5V。 GND：接地。 3.2.2 ADC0808 转换器和转换器和 AT89C51 单片机的接口电路单片机的接口电路 A/D 转换器把 0-5V 电压信号转换成 8 位的二进制数输入单片机，电压信号 21 为 0V 时转换器为 00000000（00H） ，电压信号为 5V 时转换器为 1111111（FFH）在设计仿真中电压大于 3.1V 时启动报警电路报警。A/D 转换 器电路图如下所示 图 3.10 AD 转换器与 AT89C51 的接口电路图 22 3.2.3 声音报警电路声音报警电路 声音报警电路图如图所示。报警装置采用蜂鸣器较一般的蜂鸣器体积大，声音响亮， 适用于家用燃气报警器的报警声音源。当单片机 AT89C51 的 8 脚(P3.7)置 1 时，三极管导 通，蜂鸣器报警。 图 3.11 声音报警电路图 3.2.4 灯光报警电路灯光报警电路 灯光报警电路图如图所示。单片机 AT89C51 的 1 脚(P1.0)控制输出的状态 指示灯。红灯不亮表示正常状态，环境中可燃气体浓度极低。红灯闪亮表示环 境中可燃烟雾浓度超过报警限值，提醒用户尽快采取相应安全措施。 23 当烟雾浓度超过报警限，报警器发出鸣叫，用户到达现场，可进行操作停 止报警器鸣叫。若过一点时间浓度仍超出报警限，报警器会再次鸣叫提醒用户。 图 3.12 灯光报警电路图 3.3 总电路设计总电路设计 根据要求，设计中我们选用 AT89C51 单片机。AT89C51 单片机的主控电路 24 包括时钟电路、复位电路。两电路的接法在前面分别做了介绍，这里不再赘述。 而传感器是将非电量需要转换成与非电量有一定关系的电量。当今信息时 代，随着电子计算机技术的非速发展，自动检测，自动控制技术显露非凡的能 力，而大多数设备只能处理电信号，也就需要把被测，被控非电量的信息通过 传感器转换成电信号。可见，传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。 没有传感器对原始信息进行精确可靠的捕捉和转换，就没有现代自动检测和自 动控制系统。没有传感器就没有现代科学技术的迅速发展。设计中，传感器我 们选择的是MQ-2型气体传感器连接在A/D转换器的输入接口。 我们将主控电路和外围接口电路（AT89C51与A/D转换器的接口电路、 AT89C51与声光报警电路）连接起来，就得到了基于AT89C51的气体报警总电路 图。 当外部环境（气体浓度）达到一定值时，气体传感器就会产生模拟电压， 将