家用天燃气报警器毕业设计

东 南 大 学毕 业 论 文毕业设计题目：家用天然气泄漏报警控制器硬件设计 学生姓名： 李水明 系 别： 机电工程 专业班级： 2008 班 指导教师 ：唐方红 起止时间: 2010 年 1 月 2009 年 4 月 摘 要当今社会上，出现了许多然气报警器，而这些产品大都是针对然气的泄漏所做出的相应的报警，即为家庭式。但是随着社会的发展，然气报警器也在发展。微机控制技术、传感器在工业控制、机电一体化、智能仪表、通信、家用电器等方面得到了广泛应用，显著提高了各种设备的技术水平和自动化程度。因此对这些原理和结构我们就需要很好的了解并掌握。然气报警系统采用了 RCM5700 为系统的 CPU，通过单片机系统设计实现对家用燃气的控制功能，由 NG-CO-001 电化学一氧化碳气体传感器对燃气进行检测，将所得的浓度值与设定浓度值相比较得到偏差。通过对偏差信号的处理获得控制信号，去调节然气出气阀的通断，四个单元的然气浓度对应模拟量利用A/D 转换为数字量，并加入了键盘输入，从而实现对家用然气漏气的控制。整个系统的硬件电路设计合理，性能安全可靠。关键词： 电位器采样 报警临界值 然气浓度目 录 1、绪论 .11.1、课题研究的背景 .11.2、课题研究的目的 .11.3、国内外研究现状及发展动态 .21.4、系统设计基本内容 .42、系统设计技术基础 .52.1、系统实现方案与选择 .52.2、MINI CORE 芯片选择 .72.3、一氧化碳传感器的选择 .152.4、仪表放大器的选择 .212.5、A/D 转换器选择 .233、基于 RCM5700 的系统电路设计 .243.1、系统硬件电路总体设计 .243.2、信号采集放大电路的设计 .263.3、运放电路及 A/D 转换电路 .283.4、RCM5700 内置看门狗的利用 .303.5、通信接口电路设计 .313.6、电源转换电路设计 .344、系统电路调试 .344.1、模块的连通性调试 .344.2、系统各硬件的检测及控制性调试 .354.3、系统主控硬件的通信性能调试 .354.4、系统软硬件综合性能测试 .364.5、系统误差分析 .36总结 .37参考文献 .38致谢 .39附录 .400家用燃 气泄漏报警控制器硬件设计1、绪论1.1、课题研究的背景随着我国燃气的变革及西气东输工程的进行，燃气或天燃气已成为多数家庭的燃料。每年，因燃气泄露造成的燃气中毒事故中，因使用热水器不当或产品本身的质量问题，造成的燃气中毒事故，全国均有不少事例。有甚者，因室内燃气浓度过高，引起燃气爆炸的事故也不少见。家用燃气有时会因各种原因发生泄漏，燃气的主要成分是甲烷，甲烷是一种可燃性气体，遇到明火会发生燃烧甚至爆炸，所以如果在燃气泄漏时打电话，使用家用电器的话，燃气遇到电火花可能会发生爆炸事故。人呆在燃气泄漏的空间内，甲烷的不完全燃烧可能会生成一氧化碳，人体吸入有毒气体一氧化碳后，一氧化碳将会迅速与血液中的红细胞结合导致人体中毒昏迷，如果长时间吸入泄露的燃气甚至会发生中毒死亡。一氧化碳中毒属内科急症，如不及时发现及治疗，将会危及生命。近年来，我国部分地区非职业性一氧化碳中毒事件时有发生。特别是冬春季高发，据不完全统计，我国 2006 年因非职业性一氧化碳中毒，造成至少 3850 人中毒，142 人死亡。2007 年 3-5 月份，南汇区发生了2 起非职业性一氧化碳中毒事件。1.2、课题研究的目的人们面对燃气泄漏而造成的种种事故威胁，就真的没有一个彻底的解决办法吗？据有关专家介绍，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同样得出结论，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1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。所以怎样防止燃气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要。为此我们开发研制了智能燃气报警系统。1.3、国内外研究现状及发展动态民用可燃气体报警器为居民家庭用的燃气报警器，一般安装在厨房，遇燃气泄漏时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。有的报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外；有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏 8。在应用方面，目前最广泛的是可燃性气体气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，从工厂企业到居民家庭，应用十分广泛。仅以用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，日本早在 1980 年 1 月开始实行安装城市燃气、液化石油气报警器法规，1986 年 5 月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。美国目前已有 6 个州立法，规定家庭、公寓等都要安装 CO 报警器。报警器种类也相当繁多，有用于一般家庭、集体住宅、饮食餐店、医院、学校、工厂的各种气体报警器和系统，有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、遮断连动系统、防止中毒报警防护系统等。结构型式有袖珍型便携式、手推式、固定式报警等；工业用固定式报警又有壁挂式、台放式、单台监控式、多路巡检式等。气体检测技术与计算机技术相结合，实现了智能化、多功能化。美国工业科学公司（ISC ）一台携带式气体监控仪可实现 4 种气体监测，采用了统一的软件，只需要换气体传感器，即可实现对特定气体监测。美国国际传感器技术（IST）公司应用一种“ megacas 传感器和微程序控制单元，可检测 100种以上毒性气体和可燃性气体，通过其“气体检索 ”功能扫描，能很快确定是哪一种气体。可燃气体传感器的发展也成为气体检测系统的代表性标志。近年来，由于在工业生产、家庭安全、环境监测和医疗等领域对气体传感2器的精度、性能、稳定性方面的要求越来越高，因此对气体传感器的研究和开发也越来越重要。随着先进科学技术的应用，气体传感器发展的趋势是微型化、智能化和多功能化。深入研究和把握有机、无机、生物和各种材料的特性及相互作用，理解各类气体传感器的工作原理和作用机理，正确选择各类传感器的敏感材料，灵活运用微机械加工技术、敏感薄膜形成技术、微电子技术、光纤技术等，使传感器性能最优化是气体传感器的发展方向。国外气体传感器发展很快，一方面是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。因此，国外气体传感器技术得到了较快发展，据有关统计猜测，美国1996 年2002 年气体传感器年均增长率为（2730）。目前，气体传感器的发展趋势集中表现为：一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标。如日本费加罗公司推出了检测（0.110）106 硫化氢低功耗气体传感器，美国 IST 提供了寿命达 10 年以上的气体传感器，美国FirstAlert 公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗 CO 气体传感器等。二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展 MEMS 技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。如美国 GeneralMonitors 公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化；还有前已涉及的美国 IST 公司的具有微处理器的“MegaGas”传感器实现了智能化、多功能化。气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，国内已有一定的基础。其现状是：（1）烧结型气敏元件仍是生产的主流，占总量 90以上；接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力；电化学气体传感器有了试制产品；（2）在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构；在气敏材料方面 SnO2和 Fe2O3 材料已用于批量生产气敏元件，新研究开发的 Al2O3 气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料；3（3）低功耗气敏元件（如一氧化碳，甲烷等气敏元件）已从产品研究进入中试；（4）国内气敏元件传感器产量已超过“九五” 初期的 400 万支。产量超过20 万支的主要厂家有 5 家，黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司（合资） 、北京电子管厂（特种电器厂） ，其中前四家都超过100 万支，据行业协会统计，1998 年全国气敏元件总产量已超过 600 万支。总的看来，我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大的差距，主要是产品制造技术、产业化及应用等方面的差距，与日本比较仍要落后 10 年。1.4、系统设计基本内容针对经常发生的燃气泄漏中毒事件，采用燃气、甲烷、乙烷及一氧化碳等气体传感器、单片机、电磁阀和电铃，设计一套有毒气体检测、报警电路，显示室内空气质量（分优、良、中、好、差五级） ，用单片机模块分路控制继电器、发光二极管和电铃。报警系统由硬件和软件两大部分组成。其中硬件部分由各报警感应器、感应器控制器、主控器等设备组成。软件部分主要是报警系统控制程序。气敏传感器用来检测空气中燃气的浓度，当空气中燃气含量超过允许标准浓度后，感应器所获得的感应信号均被感应器控制器所接收，再由感应器控制器对各感应信号进行相应识别和处理，并将处理后的感应信号通过串口送至主控器，由主控器对其采取相应的警报动作。报警信号加至报警声响电路的控制端后，报警声响电路被触发，发出报警声，同时关闭总气阀。本课题在硬件设计方面主要研究组成家用燃气泄漏报警控制系统的单片机芯片、气体传感器总线的使用方法，同时研究电路设计思路、电路组成，包括控制芯片、气体传感器、单片机、显示电路等的选用和设计，最后给出结构框图、电路原理图。系统软件设计方面的分析设计包括主机和从机程序设计分析等。452、系统设计技术基础微处理器的出现极大地促进了生产力的发展，提高了人们生活的质量，实现了工业的现代化和自动化。Internet 技术的飞速发展，使得基于分组交换技术的通信性能、通信质量和可靠性得到稳步提高。基于 8 位和 16 位单片机的嵌入式设备( 如仪器仪表、数据采集和显示、过程控制、工业自动化等)的实时应用、测控系统正在走向网络智能化。这就要求企业从现场控制层到管理层能实现全方位的无缝信息集成，实现远程维护、智能诊断以及远程管理功能，提供一个开放的基础构架，并具有高可靠性、分散控制、集中监视和管理的功能。2.1、系统实现方案与选择针对目前主要处理芯片的不同，本文提出了 2 种实现方案，分别为基于8051 单片机实现方案以及基于 Rabbit RCM5700 实现方案。并最终选择了一种方案进行系统实现。2.1.1、基于单片机的实现方案基于 8051 单片机实现的燃气报警器的具体方案如图 2.1 所示。该方案主要包括了可燃气体传感器、A/D 转换器、键盘控制电路、 8051 单片机电路、晶振、蜂鸣器以及 LED 显示电路 1。可燃气体传感器输出为模拟量，需要利用 A/D 转换器将模拟量转换成数字量送给 8051 单片机；晶振和键盘控制作为 8051 单片机的外围输入电路，蜂鸣器作为报警用的 8051 单片机的外围输出电路；显示电路采用了 LED 显示，由8051 单片机控制实现显示。图 5.1 基于 8051 单片机的实现62.1.2、基于 Mini Core 的实现方案基于 Mini Core 实现的燃气报警器的具体方案如图 2.2 所示。该方案主要包括了可燃气体传感器、A/D 转换器、键盘控制电路、 Rabbit RCM5700 模块电路、晶振、蜂鸣器以及 LED 显示电路。可燃气体传感器输出为模拟量，需要利用 A/D 转换器将模拟量转换成数字量送给 Rabbit RCM5700 模块电路；晶振和键盘控制作为 Rabbit RCM5700 模块电路的外围输入电路，蜂鸣器作为报警用的 Rabbit RCM5700 模块电路的外围输出电路；显示电路采用了 LED 显示，由 Rabbit RCM5700 模块电路控制实现显示。图 6.1 基于 Mini Core 的实现2.1.3、方案选择方案 1 中采用的是 8051 单片机实现燃气报警器，该方案具有结构化设计简单，器件成本较低的特点，是一种较为广泛采用的实现方案。方案 2 中采用的是 Rabbit RCM5700 模块实现燃气报警器，该方案基于 Rabbit RCM5700 模块进行开发设计，Rabbit MiniCore 模块用于加速嵌入式系统的开发和实施。编程开发采用我们经过业界广为验证的 D