煤气泄漏自动报警器.doc

第 0 页 西华大学课程设计说明书 目 录 1 1 前言前言1 1 2 2 方案设计方案设计 2 2 21 方案比较 .2 22 方案比较与选择.3 3 3 单元模块介绍单元模块介绍 4 4 3.1 气体传感器 4 3.2 A/D 采集模块 5 3.3 数码管显示模块6 3.4 单片机及报警模块7 3.5 电源模块9 3.6 通信部分 .10 3.7 软件设计流程图 .10 4 4 系统仿真与调试系统仿真与调试1212 5 5 总结总结1313 6 6 致谢致谢1414 7 7 参考文献参考文献 1515 附录一：系统电路图附录一：系统电路图1616 附录二：系统程序附录二：系统程序1717 第 1 页 西华大学课程设计说明书 1 1 前言前言 鉴于家用煤气中毒和矿井中瓦斯爆炸时常发生，造成意外伤害的发生。这 些不必要的伤害都源于有些可燃气体，在无色无味或在浓度较小的气体环境下， 很难被人所发现，但可能此时已经构成了安全隐患。可燃气体报警是一种安全 的检测仪器，它只是检测空气中可燃气体的含量，如果可燃气体超出正常的空 气含量威胁到人身安全或财产安全的时候，可燃使用煤气或矿井工作中要注意 采取并完善安全措施、控制事故隐患。但是，不可能达到绝对安全，仍然会出 现万有一失的情况。况且有时难免会有人们的疏忽。因此，事故隐患的检测报 警，在家庭、矿井等场所可燃气体检测报警，是非常必要的。对避免和控制事 故具有重要的意义。气体报警器就会自动报警，提醒人们及早的采取措施，避 免事故发生。 由于可燃气体本身的危险性和对人民生产生活造成的巨大危害，因此对可 燃气体的检测和报警是一项必要的工作。可燃气体报警是利用气体传感器技术， 将检测到的可燃气体浓度和标准值进行比较，当高过一定浓度值时候进行相应 的声光报警，提醒正在作业的人员进行相应的处理，组织人员撤离或对该场所 通风排气，避免不安全事故的发生，对现在的家庭、作业场地安全起着非常重 要的作用。基于种种社会想法，笔者所设计一种低成本的煤气泄漏自动报警设 计，能够监控煤气的浓度，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。 该设计中采用半导体气体传感器 MQ-5，感应外界可燃气体，其以金属氧化 物半导体为基础材料，当被测可燃气体在该内部半导体表面吸附后，引起其电 学特性(例如电导率)发生变化。由于电导率的改变产生不同的阻抗，时而产生 不同的模拟电压信号。 然后采用 8 位并行的 A/D 转换器 ADC0809，将时间和幅值都连续的电压模 拟量，经过取样、保持、量化和编码等过程，转换为时间、幅值离散的数字量， 同时将转换结束的数字量赋给主控芯片单片机 STC89C52。 单片机 STC89C52 根据外界可燃气体与对应变换电压的函数关系，处理数 据.并将得到的对应浓度数据交给 LED 数码管及时显示。当检测气体浓度低于 设定报警阀值的时候，LED 显示器仅仅显示测得的可燃气体浓度；当检测气体 浓度超出设定报警阀值时同时还给出声光报警。 第 2 页 西华大学课程设计说明书 2 2 方案设计方案设计 2.12.1 方案比较方案比较 2.1.12.1.1 方案一：方案一：（采用纯模拟电路）电路输入级为气敏元件，和二极管、三级 管构成的电子开关。再用两个三极管构成互补多谐振荡器，他与继电器和发光 二级管组成闪光报警器。电位器为报警灵敏度调节，可燃气体浓度一定，三极 管导通，继电器通断工作，二极管闪烁报警。其框图如图 2-1-1: 传感器 报警装置比较器信号调理 电 源 图 2-1-1 方案一框图 2.1.22.1.2 方案二：方案二：电路气敏元件采集浓度信号，A/D 处理数据，单片机控制电路， LED 数据显示，对不同的气体浓度进行声光报警。其框图如图 2-1-2: 传 感 器 信 号 调 理 A D 转 换 单 片 机 报警 显示 电 源 图 2-1-2 方案二框图 第 3 页 西华大学课程设计说明书 2.22.2 方案比较与选择方案比较与选择 方案一比较简单，结构小巧，采用比较器的基准电压可以对报警灵敏度进 行调节，但是属于纯模拟电路报警，在调节过程中相对比较困难。设计中涉及 到运放比较器，供电比较麻烦，而且稳定性不好，从定性到定量，方案二较方 案一从设计上有所提高，但由于只是通过 LED 发光来报警，不能很好的引起使 用者的重视。方案二采用以单片机为核心的控制电路，对采集的数字信号进行 处理和判断，运用一定的算法计算出待检测气体成分及浓度并送到 LCD 显示器 显示出来。并通过软件控制设定一定的报警阀值，当浓度达到此阀值时有选择 的进行声光报警。但是此电路在设计时即有硬件的设计又有软件的设计。 基于以上因素的考虑，本次设计我们选择方案二。 第 4 页 西华大学课程设计说明书 3 3 单元模块介绍单元模块介绍 3.13.1 气体传感器气体传感器 该设计中采用的是半导体气体传感器 MQ-5，以金属氧化物半导体为基础材 料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率)发生变 化。目前流行的定性模型是：原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势 垒模型。图 3-1-1 是其结构和外形，MQ-5 气敏元件的结构和外形如图 3 所示 (结构 A 或 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 6 只针状管脚，其中 4 个用于信号取出，2 个用 于提供加热电流。 图 3-1-1 MQ-5 的结构和外形 图 3-1-2 MQ-5 气敏元件的灵敏度特性 其中 X 轴表示外界可燃气体的浓度，Y 轴表示变化内阻与固定电阻的值 （Rs/Ro） Ro：元件在洁净空气中的电阻值 (Ro=14.43 K) 图 3-1-3 MQ-5 的连接电路图 第 5 页 西华大学课程设计说明书 浓度与电压的关系函数: 浓度=(0.7-(10-10*ADdata)/1.4*14.43*ADdata)104（ppm） 3.23.2 A/DA/D 采集模块采集模块 ADC0809 是带有 8 位 A/D 转换器、8 路多路开关以及微处理机兼容的控制逻 辑的 CMOS 组件。它是逐次逼近式 A/D 转换器，可以和单片机直接接口。 由图 3-3-2，ADC0809 由一个 8 路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个 A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。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 A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存 A/D 转换完的数字量，当 OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的 数据。 1 2 3 4 J1 3EHDR M -04P W 1 20K IN-0 26 msb2-1 21 2-2 20 IN-1 27 2-3 19 2-4 18 IN-2 28 2-5 8 2-6 15 IN-3 1 2-7 14 lsb2-8 17 IN-4 2 EOC 7 IN-5 3 ADD-A 25 IN-6 4 ADD-B 24 ADD-C 23 IN-7 5 ALE 22 ref(-) 16 ENAB LE 9 STAR T 6 ref(+) 12 C LOC K 10 U1 ADC 0809 EOC ST OE C LK P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 ST VC C VC C GND 图 3-2-1 信号处理模块电路图 ADC0809 中 D0-D7 表示 8 位数字量输出引脚，IN0-IN7 表示 8 位模拟量 输入引脚，START 为 A/D 转换启动信号输入端。ALE 为地址锁存允许信号输入端。 （以上两种信号用于启动 A/D 转换）.EOC 表示转换结束信号输出引脚，开始转 换时为低电平，当转换结束时为高电平。OE 表示输出允许控制端，用以打开三 态数据输出锁存器。CLK：时钟信号输入端（一般为 500KHz，这里有 74LS74 四 分频电路产生） 第 6 页 西华大学课程设计说明书 C LK 3 D 2 SD 4 CD 1 Q 5 Q 6 IC 2A 74LS74 C LK 11 D 12 SD 10 CD 13 Q 9 Q 8 IC 2B 74LS74 ALE C LK VC CVC C VC CVC C 图 3-2-2 四分频电路 3.33.3 数码管显示模块数码管显示模块 该电路为检测的可燃气体浓度显示部分。采用四位共阴数码管，同时用两 个 74HC573 点亮驱动。驱动芯片分别有单片机的 I/O 口 P26、P27 控制。当片 选信号为高时，表示该芯片工作有效，可输送入数据。当片选信号为低时，该 芯片将获得的数据锁存。其电路图如图 3.2 所示。 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 W E1 W E2 W E3 W E4 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 OC 1 C 11 1D 2 2D 3 3D 4 4D 5 5D 6 6D 7 7D 8 8D 9 1Q 19 2Q 18 3Q 17 4Q 16 5Q 15 6Q 14 7Q 13 8Q 12 IC 2 74HC 573 OC 1 C 11 1D 2 2D 3 3D 4 4D 5 5D 6 6D 7 7D 8 8D 9 1Q 19 2Q 18 3Q 17 4Q 16 5Q 15 6Q 14 7Q 13 8Q 12 IC 3 74HC 573 a b c d f g h e a b c dhgfe W ELADULA W E1W E2W E3W E4 e 1 d 2 dp 3 c 4 g 5 b 7 G3 8 G2 9 f 10 a 11 G1 12 G4 6 LED1 4LED-SM 图 3-3-1 数码管显示电路图 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多 一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为 1 位、 2 位、4 位等等数码管。 第 7 页 西华大学课程设计说明书 按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码 管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数 码管在应用时应将公共极 COM 接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平 时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共 阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。 共阴数码管在应用时应将公共极 COM 接到地线 GND 上，当某一字段发光二极管 的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字 段就不亮。 3.43.4 单片机及报警模块单片机及报警模块 该模块就 STC89C51 单片机基本外围电路及报警电路作一个简单的介绍。 其单片机的基本外围电路及报警电路图如图 3.3 所示。 X1 11.0592M HZ C 2 30PF C 3 30PF X1 X2 X1 X2 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 S1 KEY4 C 4 2.2 R 16 2.2 R ST R ST EA/VP 31 X1 19 X2 18 R ESET 9 P3.7/R D 17 P3.6/W R 16 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.5/T1 15 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P0.0 39 P0.1 38 P0.2 37 P0.3 36 P0.4 35 P0.5 34 P0.6 33 P0.7 32 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 PSEN 29 ALE/P 30 P3.1/TXD 11 P3.0/R XD 10 IC STC 89C 5X EOC ST OE P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 DULA W ELA P20 P21 P30 P31 R P 10 VC C P22 P23 P24 P25 ALE VC C VC C 图 3-4-1 单片机基本外围电路及报警电路图 单片机有如下功能部件组成： 1、微机处理器（CPU） 它是一个 8 位的 CPU，不仅可以处理字节数据，还可以 进行位变量的处理。 2、数据存储器（RAM） 片内为 128B，片外最多可外扩 64KB。数据存储器来存 储单片机运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标专位等。 3、程序存储器（ROM/EPROM） 用来存储程序。如果片内只读存储器的容量不够， 则需用扩展片外只读存储器，片外最多可外扩至 64K。 第 8 页 西华大学课程设计说明书 4、4 个并位 8 位 I/O 口（P0 口、P1 口、P2 口、P3 口） 5、1 个全双工串行口 可用来串行通信，扩展并行 I/O 口，甚至与多个单片机 相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。 6、2 个 16 位定时器/计数器 在单片机的应用中，往往需要精确的定时，或对 外部事件进行计数，因而需在单片机内部设置定时器/计数器部件。 7、中断系统 89C51 单片机有 5 个中断源，2 个中断优先权。采用中断系统可以 提高单片机的工作效率，而且有实时处理的优势。 8、特殊功能寄存器（SFR） 特殊功能寄存器共有 21 个，用于 CPU 对片内各功 能部件进行管理、控制、监视。实际上是片内各功能部件的控制寄存器和状态 寄存器，是一个具有特殊功能的 RAM 区。 由图 3.3 可知，在本模块中设置了单片机的复位电路。在本次设计中我们 采用的是按键手动电平复位方式。 单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条件不紊地一拍 一拍地工作。因此时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影 响单片机系统的稳定性。在本次设计中我们采用内部时钟方式进行时钟电路的 设计。在图 3.3 中，我们可见单片机 X1 和 X2 引脚间跨接了一个 11.0592Hz 的 石英晶体振荡器和微调电容。该石英晶体振荡器和两个微调电容就构成了一个 稳定的自激振荡器。 P1 口的各位口线具有完全相同但又相互独立的逻辑电路，它的输出三态门 是由 2 只场效应管（FET）组成，所以它是一个真正的双向口。在本次设计中 P0 口作为输出口，要驱动 9015 三极管。但由于输出由两个三态门组成，在正 常情况下输出电压太低不能驱动负载，固我们需要外接上拉电阻 RP1 使输出口 有高电平输出。 在设计中我们采用 LED 灯的闪烁进行报警。当检测到的信号大于设定值时， 单片机 P11 口的电平会不断变化，同时 LED 灯闪烁给予报警提示。 3.53.5 电源模块电源模块 电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设 备的技术指标及能否安全可靠地工作。线性稳压电源亦称串联调整式稳压电源， 其稳压性能好，输出纹波电压很小，但它必须使用笨重的工频变压器与电网进 行隔离，并且调整管的功率损耗较大，致使电源的体积和重量大，效率低。该 电路是由 LM7805 三端稳压器构成的典型稳压电路，输入 220V 交流电，经过电 第 9 页 西华大学课程设计说明书 桥整流，再由极性电容滤波，由稳压器稳压后输出直流 5V 电压。其电路如图 3-5-1 所示。 1 2 J4 C ON2 in 1 2 out 3 IC 1 7805 C 6 1000uf C 9 470uf C 7 104 C 8 104 D2 D1 D4 D1 D3 D1 D5 D1 R 1 510 D LED2 VC C 图 3-5-1 电源模块电路图 常见集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。其中，CW78XX 系列稳压器输出固定的正电压；CW79XX 系列稳压器输出固定的负电压。而可调 式三端稳压器常见的产品有 CW317 和 CW337，前者输出连续可调的正电压，后 者输出连续可调的负电压。 CW7805 是一个输出电压为+5V 的固定三端稳压器。在电路中， D10、D11、D13、D14 二极管构成一个振流电路。电容 C1 对振流后的电压进行 滤波；电容 C3 对 CW7805 的输入电压进行进一步的滤波处理；电容 C4 可减小纹 波电压；电容 C2 则可以改善负载的瞬态响应，使电路稳定工作。 3.63.6 通信部分通信部分 该电路为 PC 机与单片机实现串口通讯的典型电路，MZX232 芯片为 RS-