气体探测报警系统的总体设计.doc

第0页 共31页 目录1 引言11.1 国外研究进展22 气体探测报警系统的总体设计32.1 硬件设计42.2 软件设计53 具体硬件电路设计63.1 气体浓度测量部分63.2 A/D转换电路93.3 主控制器113.4 显示电路143.5 声光报警电路153.7 电源电路194 软件设计234.1 软件设计流程图244.2 各模块流程图25结 论30致 谢31参 考 文 献32本科毕业设计第32页 共31页 1 引言 在工业生产中经常会使用H2、CO等多种可燃气体。为了确保生命和财产的安全必须安装可燃气体探测报警器，以防止意外事件的发生。可燃气体报警器可以更早的探测到有毒有害和可燃气体的存在，当气体超过了报警极限后就会发出动作，将事故控制在事故发生率最低的情况下。为此,在装置现场易产生可燃气体聚集及有关储存设备的附近安装了可燃气体检测报警器,以便及时检测可燃气体的含量,尽早发现泄漏,当可燃气浓度达到设定报警值后,发出报警信号,还可以输入相关控制信号，启动相应控制装置，起到提前预防的功效。工业可燃气体报警器能实时监测可燃气体的泄露情况，一旦气体发生泄露，即空气中可燃气体达到一定浓度时，则报警器就会红灯闪烁，蜂鸣器声响，进行声、光报警，可以有效防止事故的发生，满足人们对燃气安全的需要。还可以输入相关控制信号，启动相应控制装置，避免重大事故发生。本设计在传统的可燃气体报警器基础上进行技术改造，吸收原产品技术优点，增加新的功能。传统的可燃气体报警器采用分立式元件构成，初始通电时，气敏元件处于不稳定状态。同时因缺少气敏元件预热时间控制，缺少气敏元件自身短路、断路故障的检测，产品常常不符合可燃气体产品的新标准。因此开展该项研究具有重要的技术价值和现实意义1。1.1 国外研究进展 国外对可燃气体传感器的研究和开发始于上个世纪30年代，且发展迅速，发展到现在，可燃气体传感器在可测气体种类、测量范围、稳定性、精度和寿命等方面性能均有明显的提高，尤其在稳定性、精度和寿命方面有了很大的进步。可燃气体传感器性能的提高、电子技术的发展以及计算机技术的应用，使可燃气体探测报警器向着更加可靠化、更加多功能化，智能化和自动化的方向发展。目前有代表性的是法国OLDHAM 公司的 MX21，德国 Drager 公司的 Multiwarn，日本理研株式会社 GX86、GX111、GX91、GX82 系列，美国 GasTech 公司的 GT、SAFETMTE 等。美国工业科学公司(ISC)生产的一种气体监控仪可以实现多种气体检测。该仪器在需要改变测量气体的种类时，只需更换传感器，仪器软件便可自动识别该传感器种类来监测特定的气体。美国国际传感器技术(IST)公司应用一种带微程序控制单元的“MegaCas”传感器，可检测100种可燃性气体，通过其传感器“气体检索”功能扫描，自动的实现气体种类的判断。 可燃气体探测技术在国外已有几十年的历史，在好多工业化发达国家已经实现产业化并得到广泛应用。如德国、日本、英国、美国等均已发展成为品种系列齐全、技术综合发展的高新技术产业。可燃气体探测系统的敏感元件是气敏传感器，而气敏传感器是一种可以把空气中特定气体检验出来，并将它转化成对应电信号的器件，并提供有关待测气体存在与否及其浓度大小的信息。它是可燃气体探测器产品中的关键因素，然而传感器的使用寿命又是整个产品的最薄弱环节。气体探测器的主要任务是采集气体传感器输出的浓度信息，并对信息进行处理，气体探测器是决定气体探测系统的精度和可靠性的关键。气敏元件和气体探测器的发展水平代表了一个国家气体探测技术的发展水平2。1.2 国内的研究现状 气体传感器的快速发展使得国内气体探测系统产品表现为新旧并存。从国内发展情况来看，可燃性气体探测器产品正向着功耗低、寿命长、稳定性好、技术水平先进、数字化总线制、多功能、集成化、智能化程度高的方向发展。我国对于湿度、温度、红外等各类传感器的研究和开发也已有多年的历史,并取得了很大的成就, 但对于可燃气体报警器及其相应的气敏传感器的研究工作在近十年才开展的，可燃气体报警器有更大的发展空间，可以从以下几个方面开展：3(1）近年来，单片机技术的发展，其性价比有了很大的提高。在可燃气体报警器中的应用也越来越多。单片机的引入不仅可以实现测气体浓度值、报警点的设置，声光报警，开机指示等基本功能，而且可以使其实现的功能有更进一步的发展。(2)智能化是当今仪器仪表的发展方向，可燃气报警器在智能化也有了很大的发展，它 使用高性能的微处理器，利用微处理器的运算和逻辑判断功能，按照一定的算法消除由于漂移，增益变化和干扰因素引起的误差，提高仪器的测量精度。(3)提高仪器的自动化测量水平，实现自动调零，自动校准，自动增益调整，自动诊断等功能。(4)气体种类自动识别功能。通过将气体敏感元件的重要数据如气体种类、特性、测量范围、编号等信息写入E2PROM，与敏感元件制成一体作为探头，将其插入仪表后，由仪表根据存储值自动识别气体种类。便于生产厂家批量化生产，根据不用用户的需求来确定是哪种可燃气体的报警器。(5)背景气体干扰的抑制。实际中，背景气体的存在是无法避免的，现在仪表中已实现了程序控制，通过开发软件和研究敏感元件的特性来抑制背景气体干扰。在法国的MX21 仪器中，已在多种有害气体元件上实现了有害气体之间的交叉干扰抑制。2 气体探测报警系统的总体设计 本设计由四部分组成：气体浓度检测部分、气体浓度控制部分、报警部分和显示部分。以气敏传感器作为检测元件，以MCS-51 系列的单片机 AT89C2051为控制核心，并辅以相应的外围电路来实现。设计方案如下：该系统结构组成如图1所示。它由气体浓度检测电路、A/D转换电路、单片机控制电路、LCD液晶屏显示和声光报警电路等组成4。浓度检测电路把泄漏气体浓度的变化转变成电信号，然后根据气体浓度和电压信号之间的关系，再将检测到的模拟信号通过A/D转换变为对应数字信号输入到单片机，最后由单片机驱动LCD液晶屏显示和LED信号显示灯及蜂鸣器完成声光报警过程。当泄漏气体的浓度达到一定值时，可以启动通风换气设备进行排气，同时通过电磁阀将气体管道关闭，并将数据通过LCD显示出来。当泄漏气体的浓度降低到安全点后，关闭通风换气设备，停止报警，将气体管道打开，达到安全保护的目的。该电路主要由浓度采样电路、继电器控制电路、报警电路设计、LCD显示电路组成5。 单片机控制片机控制 LCD显示A/D转换电路检测电路声光报警电路电磁阀电源继电器排风扇图1-1 报警器系统框图2.1 硬件设计1. 气体浓度测量部分 本设计采用MC-112气敏元件作为气体传感器的气敏元件。该传感器的特点是：桥路输出电压呈线性，响应速度快，具有良好的重复性、选择性，元件工作稳定、可靠，灵敏度好，测量范围为0100LEL，符合设计要求。2. A/D转换部分拟采用深圳市芯品源科技有限公司生产的ADC0809型A/D转换器。ADC0809是一种逐次比较式8路模拟输入、8 位数字量输出的A/D转换器。它内部集成了时钟电路、基准电压电路，具有采样/保持速度快、功耗低、串行口输出等特点。3. 主控制器拟采用深圳市力帆电子有限公司生产的AT89C51单片机作为主控制器。AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes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。AT89C51单片机在电子行业中有着广泛的应用。4. 显示电路 拟采用深圳市太和唐健科技有限公司生产的LCD显示器。LCD1602是字符型液晶，显示字母和数字比较方便，控制简单，成本较低。5. 声光报警电路 拟采用分贝蜂鸣器提供达到设定之后警报工作，并且信号灯亮。正常工作时绿灯亮，蜂鸣器不响；当超过设定的浓度值时红灯亮，蜂鸣器响，此时排风扇也开始工作，电磁阀关闭。6. 控制电路 拟采用继电器作为主要控制元件，通过继电器的开和关可以实现直流信号控制交流负载的功能，从而实现对单片机系统的控制。7. 电源 本设计采用+5v电压，单经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳压的直流电压。其中电源变压器采用降压变压器，整流电路采用单相桥式整流电路，滤波采用电容滤波，稳压电路采用三端稳压电源W7805输出为+5v直流电压。2.2 软件设计1. 主程序模块应主要用来完成系统初始化设置、浓度采样，A/D转换输入到单片机。单片机系统初始化设置A/D转换键盘输入浓度采样 图2-1 主程序流程图2. 功能实现模块功能实现模块主要由A/D转换子程序、中断处理子程序、报警子程序和显示子程序等组成5。T0中断子程序该中断是单片机内部5s定时中断，为低优先级。在该中断程序中，单片机要完成如下工作：A/D转换和数据采样、数字过滤、判断是否超限、显示当前浓度、预设定值进行比较等。T1中断子程序T1定时中断嵌套在T0中断之中，为高优先级中断。T1的中断响应时间用于输出对排风扇或电磁阀的控制信号。3 具体硬件电路设计3.1 气体浓度测量部分本设计采用MC-112气敏元件作为气体传感器的气敏元件。选用的气敏传感器型号为MC-112，它是一种催化燃烧式传感器。根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，补偿元件起参比及温湿度补偿作用。这种传感器主要用于检测可燃性气体，它是由4只感应电阻构成惠斯登检测桥路。当含有可燃性的混合气体扩散到检测元件上时，在气敏元件表面有一层催化剂，催化剂迅速与可燃性气体进行无焰燃烧，并产生热量。温度使感应电阻阻值发生变化，打破电桥平衡，从而产生微小的电压差信号，此信号与可燃气体浓度是成正比的，从而达到检测可燃气体浓度的目的。其结构及工作原理如图所示6。图3-1 传感器结构示意图图3-2 传感器测量电路MC系列气敏器件是一种体电阻控制型的气敏器件，其阻值随被测气体的浓度（成分）而变化。 表3-1 MC-112气敏器件的参数介绍适用气体甲烷、液化气、丙烷等可燃性气体探测范围0-100%LEL特征气体1%甲烷灵敏度2040mV/1%甲烷响应时间10s恢复时间30s工作电压3V0.1V工作电流11010mA功率360mW测试条件环境湿度：655%RH环境氧含量：21%(STD)环境温度：202工作条件环境温度:-40 to 70 湿度:95%RH贮存条件温度: -20-70 湿度:70%RH 气敏器件阻值与气体浓度之间一般为非线性关系乙醇氢气甲烷一氧化碳（PPM）RL=2.0k5.04.03.02.01.0 图 3-3 气敏器件阻值与气体浓度之间关系气体检测电路原理如图3-4所示，由气敏传感器MC-112、电阻RW、电阻R9、R10组成平衡电桥检测电路，电压信号分别从电阻RW和探头的中点取出，从电阻RW的中点取出的电压信号通过电阻R11被加到运放的同相输入端，从探头中点取出的电压信号通过电阻R12被加到运放的反相输入端。在气敏传感器通电的情况下，未检测到一定浓度的可燃气体时，气敏传感器的反应电阻不会发生任何变化，这样从探头中点取出的电压信号也不会发生变化。当在输入端加上+5V电压时，经过3个二极管D1、D2、D3(二极管型号为IN4001，每个二极管的压降约为0.7 V)，最后加在传感器探头两端的电压约为2.72.9 V，此时运放同相端3(+)的电压为1.4 V左右，反相端2(-)的电压也应该为1.4 V左右。未探测到可燃气体时，差动运算放大器反相端和同相端的输入信号电压差几乎为零，那么通过调节RW，此时差动放大器的输出端1使输出电压信号也接近于零。当气敏传感器探测到一定浓度的可燃性气体泄漏时，在传感器元件上的催化剂使可燃性气体进行无焰燃烧，产生热量使感应电阻阻值发生变化，打破电桥平衡，产生了微小的电压差信号，此时差动运算放大器同相端3(+)的电位V3+高于反相端2(-)的电位V2-，经差动运算放大器放大后输出的差模电压信号为3.5 V左右，由公式(1)可算出差动运算放大器输出端的电压值。可燃性气体的浓度变化时所对应输出电压的变化：气体浓度V3+(V3+-V2-)V o，由差动运算放大器的反相输入端和同相输入端输入信号分别为V2-和V3+时输出电压为7：Vo=-400V2-/1+(1400/1)100/(1+100)V3+400(V3+-V2-) 二极管D1、D2、D3和D4选择IN4001型，每个管压降为0.7V。电阻R9、R10、R12、R13、R14、R15、R16和Rw阻值选择为1k。电容C5选择100pF/16V,电解电容C4选择10uF/16V。3.2 A/D转换电路 ADC0809是一种逐次比较式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。它内部集成了时钟电路、基准电压电路，具有采样/保持速度快、功耗低、串行口输出等特点ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，其引脚排列见图3-58。1） ADC0809的内部结构 ADC0809的内部逻辑结构图如图3-5所示。图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，表2为通道选择表。 单片机经74LS74二分频后作为A/D的时钟信号,如图所示。74LS74这个集成块是一个双D触发器，其功能比较的多，可用作寄存器，移位寄存器，振荡器，单稳态，分频计数器等功能。 表3-2 通道选择表图3-5 ADC00809接线图2）引脚功能介绍对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下： IN7IN0：模拟量输入通道。 ALE：地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。 START：转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。这个信号有时简写为ST。 A、B、C：地址线。通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。其地址状态与通道对应关系见表3-2。 CLK：时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号 EOC：转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。 D7D0：数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高位。 OE：输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。 Vcc：+5V电源。 Vref：参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V)。3.3 主控制器 采用AT89C51单片机作为主控制器。AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes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。在本设计中，单片机的P0口的数据输出接地址锁存器74LS74和ADC0809的数据输入口，单片机的时钟引脚接锁存器的控制引脚。锁存器的输出引脚第三位接A/D的控制引脚，用于选通8路模拟信号中的某一路，在本设计中只需选通一路用于A/D转换。单片机经74LS74二分频后作为A/D的时钟信号。3.3.1 AT89C51的主要特性： 与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 全静态工作：0Hz-24MHz 三级程序存储器锁定 1288位内部RAM 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路3.3.2 引脚介绍91）电源引脚：VCC：供电电压。 GND：接地。2）I/O口引脚：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。 P3口：P3口的管脚是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。P3口线具有第二功能，位系统提供一些控制信号。因此在P3口电路增加了第二功能控制引脚。P3口无论作为输出口还是第二功能信号的输入，锁存器输出和“第二输出功能”线都应保持高电平。3） 时钟引脚： XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：反向振荡器的输出端。4）控制引脚： RST：复位引脚。只需给MCS=51的复位引脚RST加上大于2个机器周期的高电平就可使MCS=51复位。 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。 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接高电平时，程序将从片内程序存储器开始执行；当EA引脚接低电平时，单片机只能执行片外程序存储器中的程序（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。图3-6 单片机最小系统 51单片机最小系统电路介绍101） 复位电路参数选择51单片机最小系统复位电路的极性电容C3的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用1030uF，51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。本设计选择C3为10uF。2） 晶振电路参数选择 51单片机最小系统晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快，考虑单片机的运行速度，选用常用的11.0592MHZ晶振频率。在此频率下，单片机一个机器周期为1微妙，运行速度较快。本设计选择11.0592MHz。3)起振电容选择 51单片机最小系统起振电容C1、C2一般采用1533pF，并且电容离晶振越近越好，本设计选择20pF。4） 上拉电阻选择P0口为开漏输出，作为输出口时需加上拉电阻，阻值一般为10k。3.4 显示电路 采用LCD1602液晶显示器,1602显示质量高、采用数字式接口和单片机系统的接口更加简单可靠、体积小、重量轻、功耗低。3.3V或5V工作电压，对比度可调，内含复位电路提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能。LCD1602在系统中用于实时显示可燃气体浓度，从而可以根据液晶屏上显示的数据，更加有效的控制可燃气体的浓度。LCD1602采用标准的16脚接口，技术参数如下：111）1602LCD主要特征：3.3V或5V工作电压，对比度可调。工作电流:2.0mA(5.0V) 。最佳工作电压:5.0V 。内含复位电路。提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能。有80字节显示数据存储器DDRAM。 图3-7 LCD1602引脚图 2）管脚介绍： VSS：电源地 VDD：5V电源正极 Vlcd：液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。 RS：寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。 RW：读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。 E：(或EN)端为使能(enable)端。 D0D7：8位双向数据端。 LED+：背景光源，接+5V。LED-:背景光源，接地。3.5 声光报警电路 设计中采用分贝蜂鸣器提供达到设定之后的警报工作，并且信号指示灯亮。声光报警电路由电阻，功率三极管和蜂鸣器组成。蜂鸣器用来作为报警指示，选用直流型DZ.99-BC-5V型号。蜂鸣器工作电压为+5V，工作电流在20mA以上。单片机的驱动电流不够，不能直接驱动，必须外接功率驱动。因此，选用NPN型三极管作为蜂鸣器的功率驱动，保证三极管工作在饱和状态。当可燃气体浓度小于设定值时，单片机对应引脚P2.2输出高电平，功率三极管导通，绿灯亮，不报警；当检测可燃气体浓度大于浓度设定值时，单片机对应引脚P2.1输出高电平，功率三极管导通，红灯亮且蜂鸣器声响，执行报警。当气敏元件发生短路或断路故障时，单片机对应引脚P2.1、P2.2同时输出高电平，三极管导通，发出故障报警。其电路如图所示12。在本设计中选择红色和绿色共阳极发光二极管作为信号指示光源。电路上电正常工作后，绿灯常亮，表明可燃气体探测器处于正常工作状态。当检测到可燃气体浓度大于浓度设定值时，单片机对应引脚输出高电平，红灯闪烁，电路发出声、光报警信号。当气敏元件发生断路或短路故障时，单片机对应引脚全部输出高电平，黄灯（由红色和绿色二极管合成）常亮，发出有明显区别的声光报警信号。图 3-8 声光报警电路1) 蜂鸣器的选型： 选择DZ.99-BC-3B型声光蜂鸣器。 表3-3 蜂鸣器主要技术参数如下：13描 述参 数应用领域应用起重机械、门吊、桥吊、行车及冶金、矿山大型设备工作电压AC24VAC240V / AC380V DC12V220V（可选择）电源频率50H60Hz防护等级IP65喇叭功率10W声级106dBLED功率5W重 量1.8kgDZ.99-BC-3B 声光蜂鸣器外壳采用工程塑料，内置音频功放电路，顶部灯泡采用LED发光二极管制成，是一款声光兼备的报警设备。2) 发光二极管的选型:分别选择红色和绿色发光二极管用于指示电路工作状况。红色发光二极管是1.8V完全点亮，绿色是2.2V完全点亮。3) 三极管的选型: 单片机的高电平设为+5V，加在R6和VT2上的电压总和为+5V，三极管的基极电流为Ib，UBE=0.7V，VT1和VT2选择8050NPN型高频放大管40V1.5A1W100MHZ，取放大倍数=50。三极管基极输入电流：取Ic=200mA。基极电流4) 电阻选型：基极电阻 电阻R4和R6阻值都选择1k。3.6 继电器控制电路 继电器控制回路主要采用继电器作为主控元件,主要由排风扇、电磁阀、K1和K2组成。当空气中泄漏气体的浓度达到设定值时，通过软件置p1.4和p1.5为1，此时VT4和VT5导通，K1、K2闭合，启动通风换气设备进行排气，同时通过电磁阀将气体管道关闭户。当气体浓度下降到一定值时，做相反的设置。不同可燃气体的爆炸下限不同，可以根据它们爆炸下限的不同，设置报警时对应的最小的可燃气体浓度值。若测得的气体浓度大于或等于此值时，则置P2.1=1(红灯闪烁、蜂鸣器常叫)，同时置位P2.4=1(开启排风扇)和P2.3=1(关闭电磁阀)，并显示气体浓度达真实值的90%，响应时间在30s以内。设定一个电压值，使该电压值高于气体浓度所对应的电压峰值，当该数值大于或等于报警峰值时，表示检测电路出现故障，这时置位P2.1=1、P2.2=1(红绿灯亮，蜂鸣器鸣叫)。当泄漏气体的浓度降低到安全点后，停止报警，绿灯亮，打开电磁阀，关闭排风扇，将气体管道打开，达到安全保护的目的。如图3-9所示1415：1） 继电器选择继电器是感性元件，驱动电流较大，单片机不能直接驱动，必须经过电路的转换。继电器选择SRS-26DC-SL型号，额定电压28V，线圈电阻600欧姆，继电器的电源电压为恒定的26V直流电。继电器K1的常开触点一端接恒定电源的输入端，另一端接电磁阀。继电器K2的常开触点一端接恒定电源的输入端，另一端接排风扇。继电器的吸合电流=26/600=43.333mA。2） 三极管的选择 单片机的高电平设为+5V，加在R1和VT4上的电压总和为+5V，三极管的基极电流为Ib，UBE=0.7V，VT4和VT5选择8050NPN型高频放大管40V1.5A1W100MHZ，取放大倍数=100。三极管基极输入电流：继电器的吸合电流/放大倍数=基极电流,为工作稳定，实际基极电流应为计算值的2倍以上，设定三极管工作电流为继电器吸合电流的两倍，这里取100毫安，即取Ic=100mA。基极电流3） 基极电阻 取R1和R2都为4.3k4) 保护二极管， 二极管D1和D2选为大于50V的整流二极管，正向压降越小越好，选择1N4001。在电路中起续流作用，保护三极管不被继电器反电势击穿。 5） 排风扇的选择： 选择轴流式排气风扇。规格型号为FB-35，叶轮直径350mm，电压220V。单片机对应引脚输出高电平，三极管V5导通，继电器常开触点吸合，供给外界排风扇直流+26V电压。接着，排风扇动作，排风扇常开触点闭合，开始排风。6） 电磁阀的选择： 电磁阀是感性元件，驱动电流较大，电磁阀选用ExiBIIBT3型号，采用直流+26V电压供电。单片机对应引脚输出高电平，三极管V4导通，继电器常开触点吸合，供给外界电磁阀直流+26V电压。接着，电磁阀动作，电磁阀常开触点闭合，关闭气源。3.7 电源电路本设计采用+5v电压为系统供电，220V交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压。其中电源变压器采用降压变压器，整流电路采用单相桥式整流电路，滤波采用电容滤波，稳压电路采用三端稳压电源W7805输出为+5v直流电压。电路如下：1617+5V 电源 开关SP1在AT89C51单片机写程序的时候对单片机进行断电，有利于对单片机进行写入程序，在开关接通的时候，电路输出5V电压，当开关处于断开的时候，没有电压输出，达到单片机断电写程序的目的。发光二极管用作电源指示。1） 变压器 变压器选择220/9的型号。2） 电阻选择 LED和电阻R5的电压为+5V，LED发红光，电压约为1.6V-2V,为保证二极管安全工作，选择R5阻值为5.1K。3） 滤波电路输入端滤波电容C6的选择：为了获得良好的滤波效果，在实际电路中，应选择滤波电容的容量满足RLC=（35）T/2的条件。由于采用电解电容，考虑到电网电压的波动范围为10%，电容的耐压值应大于1.1U2。在半波整流电路中，为了获得良好的滤波效果，电容容量应选的更大些。U2=9V，输出电压平均值UO(AV)=1.2U2,输出电流IO=500mA,电容的容量为电容的耐压值V实际选择容量为3300uF、耐压为32V的电容做本设计的输入滤波电容。C7的选择：图中电容C2用于抵消输入线较长时的电感效应，以防止电路产生自激震荡，其容量较小，一般小于1uF。本设计选择100pF。输出端滤波电容C8的选择：滤波电容的容量越大滤波效果越好，选择滤波电容的容量满足R1C=（35）T/2的条件。电容的容量为C8两端的电压为W7805的输出电压UO=5V，电容的耐压值实际选择容量为220uF、耐压为16V的电容做本设计的输出滤波电容。C9的选择： 图中电容C9用于消除输出电压中的高频噪声，可取小于1uF的电容，也可取几微法甚至几十微法的电容，以便输出较大的脉冲电流，C9选择0.33uF.4） 整流电路二极管选择IN4007型二极管组成的集成整流电路在单相桥式整流电路中，因为每个二极管只在变压器副边电压的半个周期通过电流，所以每个二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半，即 与半波整流电路中二极管的平均电流相同。二极管承受的最大反向电压与半波整流电路中二极管承受的最大反向电压也相同。考虑到电网电压的波动范围为10%，在实际选用二极管时，应至少有10%的余量，选择最大整流电流IF和最高反向工作电压URM分别为5） 稳压电路：W7800系列三端稳压器的输出电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V七个档次，型号后面的两个数字表示输出电压。输出电流有1.5A（W7800）、0.5A（W78M00）和0.1A(W78L00)三个档次。本设计采用W7805三端稳压器，W7805最大输出电压为5V,最大输出电流为1.5A.18 表3-4 W7805在25条件下主要参数如下：参数名称符号测试条件单位W7805（典型值）输入电压U1V10输出电压UoIo=500mAV5最小输入电压UIminIo=1.5AV7电压调整率Su(Uo)Io=500mA8V=Ui=18VmV7电流调整率Si(Uo)10mA=Io=1.5AmV25输出电压温度变化率STIo=5mAmV/1输出噪声电压Uno10Hz=f=报警数值?与设定值进行比较读取A/D转换值置P2.2为1，绿灯亮，电源正常工作键是否按下？ 开始系统初始化使绿灯闪烁，预热5分钟置P2.1为0，红灯灭，蜂鸣器不响，处于正常监视状态。 图4-1 系统主程序流程图 程序主流程图如图4-1所示：首先系统初始化，初始化完毕后，判断键P3.2是否按下。若键没有按下，置P2.2为1，此时电源正常工作，绿灯闪烁；若键被按下，则置P2.1为1，浓度超限，红灯亮，蜂鸣器鸣响。使气敏元件预热五分钟，预热完毕后，惠斯登电桥电路的差动输入导致输出电压变化，检测到的电压信号发生变化，将检测到的电压信号通过A/D转换输入到单片机。根据事先建立好的浓度和电压对应的关系：气体浓度不同时所对应的电压值不同，查找出与浓度所对应电压值时的报警点。根据不同的可燃气体的爆炸下限不同，设置报警器报警时对应的最小可燃气体浓度值，把从A/D转换器读取转换值与预先设定的电压值进行比较，若大于或等于此值则置P2.1=1(红灯亮、蜂鸣器叫)，同时置位P2.4=1(开启排风扇)和P2.3=1(关闭电磁阀)，并显示气体浓度达真实值90%，响应时间30s以内。设定一个电压值，该电压值高于气体浓度所对应的电压峰值，该数值大于或等于报警峰值时表示检测电路出现故障，这时置位P2.1=1、P2.2=1(红绿灯亮，蜂鸣器叫)表示电路出现故障19。4.2 各模块流程图 功能实现模块主要由A/D转换子程序、中断处理子程序、报警子程序和显示子程序等组成。1) A/D转换子程序图 A/D转换模块主要是将传感器采集到的模拟信号转换成数字信号并放大，向单片机发中断请求后由单片机读入数据。2) 显示子程序 显示采用LCD液晶显示。写指令字时，设置LCD1602的工作方式时：需要把RS置为低电平，RW置为低电平，然后将数据送到数据口D0D7，最后E引脚一个高脉冲将数据写入。写数据字时，在1602上实现显示时：需要把RS置为高电平，RW置为低电平，然后将数据送到数据口D0D7，最后E引脚一个高脉冲将数据写入。3） 报警子程序 报警子程序主要完成如下功能：当可燃气体浓度小于设定值时，绿灯闪烁，不报警；当检测可燃气体浓度大于浓度设定值时，红灯闪烁，蜂鸣器响，执行报警。正常工作时1秒钟内，绿灯点亮600ms，熄灭400（绿灯显示）。可燃气体浓度超限时。1秒钟内，蜂鸣器报警750ms，不报警250ms（红灯常亮）。4） 中断子程序T0中断子程序单片机内部5s定时中断，为低优先级。在该中断程序中，单片机要完成如下工作：A/D转换和数据采样、数字过滤、判断是否超限、显示当前浓度、预设定值进行比较等。T1定时中断嵌套在T0中断之中，为高优先级中断。T1的中断响应时间用于输出对排风扇或电磁阀的控制信号20。单片机产生启动信号开始对选中通道进行转换转换结束向单片机发中断请求单片机响应中断进入中断服务程序 选择0809的一个模拟通道读入转换数据开始ADC0809初始化 图 4-2 A/D转换流程图图4-3 LCD显示流程图开始LCD初始化设置第一行显示位置写命令LCD显示显示第一行内容设置第二行显示位置显示第二行内容 图 4-4 报警子程序流程图设定值与设定值进行比较开始程序初始化采集浓度值蜂鸣器响，红灯亮绿灯亮，蜂鸣器不响系统正常工作显示当前浓度与设定值比较开中断开闸门恢复现场返回N中断服务子程序T0保护现场关闸门关屏蔽中断数据采集和A/D转换判断是否超限？Y图 4-5 中断服务子程序T0流程图读计数结果存入RAM返回开闸门开屏蔽中断服务子程序T1保护现场关定时中断中断次数计数器R7-1=0？开中断屏蔽开闸门排风扇启动，电磁阀关闭恢复现场 图4-6 T1中断子程序流程图NY 结 论 近二个月的毕业设计很快就结束了，这是我们把自己四年来所学的知识进行综合应用。通过这次设计，不但巩固了自己的所学知识，同时也学到了许多书本上无法学到的知识，提高了自己的设计能力，为自己走上工作岗位打下了扎实的基础。本设计主要结合实际应用介绍了用MSC-15单片机实现浓度控制系统设计的工作原理，通过本设计，我们掌握了单片机硬件设计及其编程语言，并掌握利用protel软件绘制电路图，提高根据实际情况进行单片机开发能力。提高了我们针对具体问题的资料收集、自我学习、分析及处理能力。以下是我对所做的课题得出的结论：1、 根据系统方案的要求该论文详细地论证了可燃气体浓度采集并实时显示浓度方案的设计思路及系统的总体框架。2、 本设计系统设计了硬件部分，但鉴于本人知识的不足，软件设计部分的程序没能够成功编程。3、本设计通过气敏传感器对可燃气体进行检测，浓度达到报警设定值时能够立即报警，并通过继电器控制可燃气体浓度。4、论文设计所选用的器件有的不太合理，例如气敏传感器从网上所查的没有一种能够检测单一气体，只能检测混合气体，这是本文最大的不足。 5、本系统充分利用单片机的数据处理功能，以其为核心进行设计、研发，并综合考虑了节约成本、简化结构等因素。6、传统的可燃气体报警器采用分立式元件构成，本设计采用集成模块，减少了不稳定性。由于经验和只是不知，我的设计也只是理论的推算，没有得到实践的证明。 总之，通过这次毕业设计，自己学到了许多新知识，了解和掌握了产品设计的过程，使自己在质和量上都得到了较大的提高。 致 谢本论文得以完成，首先应该感谢安国庆老师，正是安老师在本论文搜集资料，器件选择和论文