燃气泄漏报警系统设计.doc

1 摘摘 要要 随着信息时代的到来，作为获取信息的手段传感器技术得到了显著的 进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器 技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌 握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。 为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对气体传感器的深入研究以及其 用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机 结合传感器技术而开发设计了这一烟雾监控系统。 本论文以电阻式气体传感器和单片机技术为核心并与其他电子技术相结合， 设计出一种烟雾报警器。其中选用半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现烟 雾的检测，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。 以单片机和半导体电阻式气体传感器为核心设计的气体报警器可实现声光 报警功能。是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的气体 报警器。具有一定的实用价值。 关键词： 传感器 报警器 单片机 keywords： sensor alarm scm 目目 录录 摘 要1 2 abstract 2 第 1 章 绪论5 1.1 家庭燃气泄漏报警的概述.5 1.2 家庭燃气泄漏报警的现状.5 1.3 家庭燃气泄漏报警的发展趋势.6 1.4 燃气泄漏报警研究意义与目的.6 第 2 章燃气泄漏报警系统的方案设计7 2.1 燃气报警系统的设计思路.7 2.2 气体传感器的选型.7 2.2.1 气体传感器介绍7 2.2.2 气体传感器的选定11 2.3 燃气泄露报警系统的整体设计方案.12 2.3.1 燃气泄露报警器工作原理12 2.3.2 燃气泄露报警器的结构12 2.3.3 气体检测报警器的功能13 第 3 章 家庭燃气泄漏报警系统的硬件部分设计14 3.1 主控电路的设计.14 3.1.1 半导体气体传感器简介14 a. 标准工作条件16 3.1.2 单片机的选择18 3.1.3 at89c51 单片机的基本结构.19 3.1.4 at89c51 单片机的引脚.20 3.1.5 at89c51 单片机的时钟电路.22 3.1.6 at89c51 单片机的复位电路.23 3.2 外围接口电路的设计.24 3.2.1 adc0808 转换器的介绍 24 3.2.2 adc0808 转换器和 at89c51 单片机的接口电路 25 3.2.3 声音报警电路.26 3.2.4 灯光报警电路.27 3.3 总电路设计.27 第 4 章 燃气泄漏报警系统的软件部分设计28 4.1.1 主程序设计流程图.29 4.1.2 主程序的编程.30 4.2 程序调试.33 4.2.1 程序调试的步骤34 4.2.2 程序调试过程中的问题及解决35 小节与展望36 致 谢36 参考文献38 3 附录一、家庭燃气泄漏报警系统电路图39 附录二、英文文献40 微机发展简史43 4 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 家庭燃气泄漏报警的概述家庭燃气泄漏报警的概述 燃气泄漏报警器是非常重要的燃气安全设备，由气体传感器、单片机和报警 器组成。它是安全使用城市燃气的最后一道保护。燃气泄漏报警器通过气体传 感器探测周围环境中的低浓度可燃气体，通过采样电路，将探测信号用模拟量 或数字量传递给控制器或控制电路，当气体浓度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或执行关闭燃气阀门等动作。 气体报警器的探测气体传感器主要有氧化物半导体型、催化燃烧型、热线型气 体传感器，还有少量的其他类型，如化学电池类传感器。这些传感器都是通过 对周围环境中的可燃气体的吸附，在传感器表面产生化学反应或电化学反应， 造成传感器的电物理特性的改变，经单片机处理后报警 。 1.2 家庭燃气泄漏报警的现状家庭燃气泄漏报警的现状 气体检测报警产品是一个系列产品，包括气体探测设备、信息传输设备、 报警分析控制器。是物理传感技术、自动控制、计算机技术、数据传输和管理、 智能楼宇等技术的综合集成，属于高新技术。依托中国多年的基本建设的发展， 这个行业也得到发展，具备了和国外知名企业抗衡的能力。在目前中国许多冠 名以高新技术的行业中，中国企业大多做的是下游的制造和服务，分取极少一 部分的利润，像安防报警产品那样又拥有自我知识产权，又拥有大量市场的行 业其实是很少的。 在安防报警产品的技术含量上，国内产品和国外产品差距不是很大，许多 指标已经超越，存在的问题是：类似于国外安防报警产品的大批量规模化的生 产才刚起步，有待于积累经验和技术；也因此在产品一致性和长期稳定性上有 一些差距；国内正在形成权重的大型企业和集团，这样可以带领国内的各家企 业去冲击海外市场，并最终占领海外的安防报警市场。 5 1.3 家庭燃气泄漏报警的发展趋势家庭燃气泄漏报警的发展趋势 二十多年前，我国的安防报警产品刚刚起步，无论产品技术含量、产品系 列完整性、使用性，还是社会影响程度都是相当低的。国外的产品和品牌却占 领我们的大部分市场。由于中国的建设正在面临飞速发展，我们应该抓住广阔 的市场空间，庆幸的是中国企业抓住了这次机遇，顶住了挑战，先是一批国家 的科研院所，后是一批国营企业、民营企业，业内也吸引和凝聚一大批国内的 技术和管理精英，花了多年时间，通过几次产品更新换代，就使自己的产品紧 紧跟上了国际水平，并且夺回了大部分国内市场，使得现在大多国外产品只有 招架之势，这是典型的自力更生，走自己的路。当然目前而言，我们基本占据 的是国内市场，对外还刚刚启动。但是，中国企业已经做好准备进军海外市场。 1.4 燃气泄漏报警研究意义与目的燃气泄漏报警研究意义与目的 面对燃气泄漏而造成的种种事故威胁，我们需要一个解决办法。使用燃气报 警器是对付燃气无形杀手的重要手段之一。燃气专家指出，燃气泄漏或废气排 放而大量产生的一氧化碳是燃气中毒事响应的根源，如采有用燃气泄漏报警器 就能得到及时的警示。有关部门经长期测试得出结论，燃气报警器防止一氧化 碳中毒事故发生的有效率达 95%以上。 计算机的普及和信息技术的迅猛发展，人们己不满足于传统的居住环境，对 家庭及住宅小区提出了更高的要求，智能化被引入家庭，并迅速在世界各地发 展起来。人们对居住环境要求的日见增高，体现在希望住宅不仅更便利、舒适 而且更安全。 单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，燃气泄漏则是人们日常生活中 常常需要测量和控制的一个问题。单片机有利于为现代人工作、科研、生活、 提供更好的更方便的设施。为了防止中毒事件再次发生，提出利用单片机系统 进行有效的预防对策。所以怎样防止煤气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要。 6 第第 2 章燃气泄漏报警系统的方案设计章燃气泄漏报警系统的方案设计 2.1 燃气报警系统的设计思路燃气报警系统的设计思路 燃气报警系统是能够检测环境中的可燃性气体浓度，并具有报警功能的仪器， 仪器的最基本组成部分应包括：气体信号采集电路、模数转换电路、单片机控 制电路。 气体信号采集电路一般由气体传感器和模拟放大电路组成，将气体信号转化 为模拟的电信号。模数转换电路将从燃气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。 烟雾传感器及单片机是燃气泄漏报警器的两大核心，根据报警器功能的需要， 选择合适、精确、经济的烟雾传感器及单片机芯片是至关重要的。气体传感器 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 气体传感器的选型气体传感器的选型 气体传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含 量(即浓度)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、浓度 处理及报警控制等工作。 气体传感器作为燃气泄漏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，气体传感器的选型是非常重要的。 2.2.1 气体传感器介绍气体传感器介绍 (1)气体传感器的分类 气体传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类： 7 1 利用物理化学性质的气体传感器：如半导体气体传感器、接触燃烧气体传 感器等。 2 利用物理性质的气体传感器：如热导气体传感器、光干涉气体传感器、红 外传感器等。 3 利用电化学性质的气体传感器：如电流型气体传感器、电势型气体传感器 等。 (2)气体传感器应满足的基本条件 一个气体传感器可以是单功能的，也可以是 多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。 但是，任何一个完整的气体传感器都必须具备以下条件： 1 能选择性地检测某种单一气体，而对共存的其它气体不响应或低响应； 2 对被测气体具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的气体浓度； 3 对检测信号响应速度快，重复性好； 4 长期工作稳定性好； 5 使用寿命长； 6 制造成本低，使用与维护方便。 (3)常见气体传感器简介 下面对常用的几种气体传感器作简单介绍。 半导体气体传感器半导体气体传感器 半导体气体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。自 1962 年半导体金属氧化物 气体传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、 结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。该传感器己成为世界上 产量最大、使用最广的气体传感器之一。按照敏感机理分类，可分为电阻型和 非电阻型。 固体电解质气体传感器固体电解质气体传感器 固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件，其原理是利 用气敏材料在通过气体时产生电阻，测量其形成电动势从而测量气体浓度。由 于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，因而得到了广 泛的应用，几乎打 入了石化、环保、矿业等各个领域，其产量仅次于半导体气体传感器的一类传 感器。但这种传感器制造成本高，检测气体范围有限，在检测环境污染领域中 有优势。 8 接触燃烧式气体传感器接触燃烧式气体传感器 当易燃气体接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧， 故得名接触燃烧式传感器。接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝 (也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层)，使用时将铂丝通电，保持 300 c400c 的高温，此时若与气体接触，气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因 此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大 小，就知道气体的浓度。 高分子气体传感器高分子气体传感器 利用高分子气敏材料制作的气体传感器近年来得到很大的发展。高分子气敏 材料在遇到特定气体时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速 度和频率、 材料重量等物理性能发生变化。高分子气敏材料由于具有易操 作性、工艺简单、 常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性 气体和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。高分子气体传感器具有对特定 气体分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它 气体传感器的不足。 电化学传感器电化学传感器 电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。气体浓度信号将电解液分解成阴 阳带电离子，通过电极将信号传出。它的优点是：反映速度快、准确、稳定性 好、能够定量检测，但寿命较短(大约两年)。它主要适用于毒性气体检测。目 前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。 热传导传感器热传导传感器 热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。 它的测量原理是：将加热后的铂电阻线圈置于目标烟雾中，由于向目标气体传 送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻 值的变化情况。温 度的变化情况是目标气体热传导率的函数，而对于一种给定的气体，热传导率 是它固有的物理特性。 红外传感器红外传感器 红外传感器通常用两束红外光进行气体测量，主光束通过测量元件内的目 标气体，参考光束通过比较元件内的参考气体。在测量和比较元件中，红外射 线被气体有选择地吸收了。未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比 9 于目标气体浓度的差分信号。非扩散式红外探测器 ndir (non-dispersive ir )是 其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。 不同的气体吸收不同波长的 ir，所以传感器根据目标气体而调整，典型应 用包括测量 co 和 co2、冷冻剂烟雾和一些易燃气。由于非碳氢化合物易燃气体 (如氢)不吸收电磁谱中 ir 部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化 合物，并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其它气体的腐蚀以及高浓度目标烟 雾的影响。 (4)常见气体传感器可检测气体种类 由于气体的种类繁多，一种类型的气体传感器不可能检测所有的气体，通 常只能检测某一种或两种特定性质的气体。例如氧化物半导体气体传感器主要 检测各种还原性烟雾，如 co、h2、c2h5oh、ch3oh 等。固体电解质气体传感器主 要用于检测无机气体，如 o2、co2、h2、cl2、so2等。 简要列举出已经研究、开发的各类气体传感器及其可检测的气体种类 传感器 种类 co co2 h2s nh3 hcnhcl co cl2 ci2 nox so2 o 2 ch4c3h2h2h2o 半导体 气体传 感器 固体电 解质传 感器 接触燃 烧式传 感器 电化学 式传感 器 高分子 电解质 气体传 感器 10 注：好 不太好 表 2.1 各种气体传感器可检测的气体种类 2.2.2 气体传感器的选定气体传感器的选定 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 触燃烧式气体传感器和半导体气体传感器。 使用接触燃烧式气体传感器，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 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。 半导体气体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)。 经过对比上述两种气体传感器的应用特性，发现半导体气体传感器的优点更 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体传感器 作为报警器气体信息采集部分的核心。而在众多半导体气体传感器中，本设计 选用 mq-2 型气体传感器，这种型号的传感器不但具备一般半导体气体传感器灵 敏度 高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。 11 2.3 燃气泄露报警系统的整体设计方案燃气泄露报警系统的整体设计方案 2.3.1 燃气泄露报警器工作原理燃气泄露报警器工作原理 本论文中的燃气报警报警器以 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，并判断气体浓度 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。 2.3.2 燃气泄露报警器的结构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。 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 12 气体 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 燃气泄漏报警系统结构框图 使用 at89c51 单片机，选用气体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燃气泄漏报警器。整个设计由 4 大 部分构成：气体传感器、a/d 转换电路、at89c51 单片机、声光报警电路。气体 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。 2.3.3 气体检测报警器的功能气体检测报警器的功能 (1)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。 (2)看门狗自检单片机状态功能 调用单片机中的看门狗程序，定时检查单片机工作状态，一旦发现单片机出 现死循环状态，立即复位，保证报警器工作正常。 (6)与上位机通讯功能 电源 时钟 复位 13 可以实现与计算机串口通讯，对报警器采取统一控制，以及便于采集和处理 数据，也可以在计算机上更改报警限值等。 第第 3 章章 家庭燃气泄漏报警系统的硬件部分设计家庭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 半导体半导体气体传感器简介气体传感器简介 半导体气体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)。 图 3.1 可燃性气体传感器外形图 14 mq-2/mq-2s气体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 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 氢气中的电阻值 图 3.2 15 （2）温/湿度的影响： 图 3.3 是传感器典型的温度、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 丙烷、不同温/湿度下传感器的电阻值 ro表示在含1000ppm 丙烷、20/65%rh环境条件下传感器的电阻值 （3）基本测试回路： 图3.4是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： 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 图 3.3 16 a. 标准工作条件 b. 环境条件 c. 灵敏度特性 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。 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： 300- 10000ppm 丙烷、丁烷、氢气 预热时间不少于48小时 17 图 3.5 mq-2/mq-2s 气敏元件的结构和外形 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 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 18 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 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。 19 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。 （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） 20 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。 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。 21 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。 /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。 22 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。 图 3.7 单片机的时钟电路图 23 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 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 24 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。 25 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 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 26 图 3.10 ad 转换器与 at89c51 的接口电路图 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，适用于家用煤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。 27 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。 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 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。 28 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， 将它作为输出的模拟信号经 adc0808 转换器转换为 at89c51 单片机所能识别的 数字电压量。通过检测信号。当有信号输入时，经程序设定就会驱动 at89c51 单片机的 p1.7 和 p1.0。而 p1.7 和 p1.0 是与声光报警电路相连接的。 综上所述，得出总电路图如图所示： 图 3.13 燃气报警系统总电路图 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 4.1 主程序设计流程与编程主程序设计流程与编程 29 4.1.1 主程序设计流程图主程序设计流程图 主程序流程图如图所示。首先要给传感器预热三分钟，因为 mq-2 型半导体 电阻式烟雾传感器在不通电存放一段时间后，再次通电时，传感器不能立即正 常采集烟雾信息，需要一段时间预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。 本论文的主程序设计先对传感器预热三分钟，预热同时，对传感器加热丝故障 检测，采用软件方式检测传感器加热丝或电缆线是否断线或者接触不良。 at89c51 单片机对传感器检测的气体浓度信号进行 a/d 转换，将浓度值与 报警限设定值相比较，判断是否报警。主程序还包括状态指示灯及声音报警功 能设置，使报警器功能更加完善，给用户带来便利。 图 4.1 主程序流程 30 4.1.2 主程序的编程主程序的编程 #include #include #define uchar unsigned char /定义一下方便使用 #define uint unsigned int #define ulong unsigned long sbit p10=p10; sbit beep=p17; sbit st=p20; sbit oe=p21; sbit eoc=p22; sbit channelsela=p24; sbit channelselb=p25; sbit channelselc=p26; int channel=4; int n; void delay(unsigned int z); int i; unsigned char saveddat6;/存放采集的数据结果 void initadc0808()/初始化函数 channelsela=0; channelselb=0; channelselc=0;/默认选择第 0 通道*/ st=0; oe=1; et0=1; ea=1; tmod=0x02; 31 th0=226; tl0=226; tr0=1; void readdat(void) st=1; _nop_(); _nop_(); st=0;/启动转换 _nop_(); _nop_(); if(eoc=1) oe=1; saveddatchannel=p0; _nop_(); _nop_(); oe=0; _nop_(); _nop_(); st=1; _nop_(); _nop_(); st=0; _nop_(); _nop_(); void adc0808(unsigned char channelsel)/从 04 中选择 if(channelsel4) 32 return; initadc0808(); /channel=channelsel; switch(channelsel) case 0: channelsela=0; channelselb=0; channelselc=0; break; case 1: channelsela=0; channelselb=0; channelselc=1; break; case 2: channelsela=0; channelselb=1; channelselc=0; break; case 3: channelsela=1; channelselb=1; channelselc=0; break; case 4: channelsela=0; channelselb=0; channelselc=1; break; default:break; 33 readdat(); void main() adc0808(channel); if (p00x82) / 当电压大于 3.1v 是系统报警 beep=0; delay(2); beep=1; delay(1); p10=p10; else beep=1; p10=1; void delay(unsigned int z) unsigned int x; for(;z0;z-) for(x=110;x0;x-); 4.2 程序调试程序调试 keil c51 是美国 keil software 公司出品的 51 系列兼容单片机 c 语言软 件开发系统，与汇编相比，c 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有 明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用 c 来开发，体会更加深刻。 keil c51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全 windows 界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体 会到 keil c51 生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑， 容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。keilc51 标准 c 编译 34 器为 80c51 微控制器的软件开发提供了 c 语言环境,同时保留了汇编代码高效, 快速的特点。c51 编译器的功能不断增强，更加贴近 cpu 本身，及其它的衍生 产品。c51 已被完全集成到 uvision2 的集成开发环境中，这个集成开发环境包 含：编译器，汇编 器，实时操作系统，项目管理器，调试器。uvision2 ide 可为它们提供单一而灵活的开发环境。 4.2.1 程序调试的步骤程序调试的步骤 (