家用可燃气体报警器的设计毕业设计.pdf

I 家用可燃气体报警器的设计 学生：指导教师 内容摘要：本设计采用了 GS 系列的传感器，将一定浓度的气体转换为电压显示,并通 过 ADC0809 将电压信号转换为模拟信号，再交由 AT89C51 中进行分析和处理。为了方便 用户能进行直观的了解， 3 位 LED 显示器的静态显示接口是 AT89C51 外接 3 片 74LS164， 数据输出线是该器件的 RXD， 移位时钟脉冲为 TXD。 TTL 单向 8 位移位寄存器是 74LS164， 最终可达到并行输出,串行输入， 8 位移位寄存器 74LS164 会将静态显示出来。 在拟定警 报预设值后，单片机控制音乐和闪光效果会体现出警报。单片机的操作了程控一氧化碳 报警器的全部设置。着以程序对一氧化碳的浓度进行 24 小时不间断监控，当有毒有害 危险气体超出了我们预定的危险值后，我们设计的电路便会自动进行报警处理，电路此 功能的实现是外接排风扇与电磁阀相合作完成进行的，为防不测。在程序正常运行的时 候难免会出现程序系统陷入了死循环， 面对这种情况的时候我们需要在程序陷入了死循 环的时候利用 X25045 芯片组成的电路进行复位,从而避免了断开整个系统的连电， 由此 引荐电路得到了保护。 单片机 AT89C51 是数字气体报警器的主要应用器件，性价比十分高。以此为设计 核心展开对可燃气体的泄漏的报警装置的设计， 接下来给出所有的设计原理与硬件电路 和程序的设计。 关键词：气体泄露报警器 一氧化碳 AT89C51 单片机 II Design for household combustible gas alarm Abstract:ThedesignoftheGSseriesofsensors,willbeplaced onthetestenvironmentmeasuredtheconcentrationofgasconverte dtoanalogvoltage,andthenthroughtheADC0809willbeconver tedtoanalogvoltagedigitalsignal,intotheSCMAT89C51inth eprocess.Tousersofgasconcentrationsinreal-timeunderstandi ng,AT89C51willbelinkedthree74LS164externallyastheth reeLEDdisplaystaticdisplayinterface,andtheMCURXDasthe outputdataline,TXDasashiftclockpulse.74LS164TTLis aone-way8-bitregisterdisplacementwhichcanberealizedenter serial,paralleloutput,throughthe8-bitshiftregister74LS1 64canbestaticdisplay.Bysettingthealarmlevel,theMCUc ontrolLEDandmusicICalarmatthesametime.SCMcontroluse oftechnology,producedaprogram-controlledcarbonmonoxidealarm.T heinstrumentofcarbonmonoxide(CO)forreal-timemonitoring,wh entheconcentrationofcarbonmonoxideismorethanallowedva lue,thecontrolcircuitforalarm,andthroughanexternalelect romagneticvalverowfansandtheirprogram-controlled,toprevent accidents.Inadditionprocedurestopreventacycleofdeath,al sousedx25045watchdogcircuitchipcomposedofadeathinthe processsothatwhentheMCUresetcycle,insteadofthewhole systemoff,therebyprotectingthehardwarecircuit. AsdesignedbythenumberofgasalarmusingSCMAT89C51, itischeap,stableperformance,easy-production.GStogassensor sandAT89C51microcontrollerasthecoredesignofgasleakage alarm,thealarmsystemdesignmethodissimple,usegoodeffect, thefollowingisagasleakagealarmthegeneraldesignprinciple s,thekeyhardwareandallThesoftwareprogramdesign. III Keywords:CoLeakinggasesalarmAT89C51microcomtuper GSGasesSensors IV 1 家用可燃气体报警器的设计 1绪论 1.1研究背景及意义 随着煤气或天然气被多数家庭使用，每年因煤气泄漏造成的各类事故中，一氧化碳 中毒占多数，气体泄漏爆炸引起的致死致伤事故更是高发。防止煤气泄漏导致中毒或者 明火引燃导致爆炸已经迫在眉睫。家用可燃气体的报警器的设计是现今所必须，而在 全国各大矿区天然气引发的灾难性事故也被个媒体频繁报道， 综上所述可燃有害气体的 报警器的设计是时下所需。 单片机设计可以满足数字气体报警器监控精度高， 体积小巧， 能长期工作且稳定的特点。 在工业控制和仪器仪表智能化的应用中单片机是必不可少的。成品具有体积小、低 成本、灵活运用、抗干扰性强、适应能力强、在任何艰苦的情景下都可以进行正常的运 行工作。 1.2实现功能及研究目标 单片机 AT89C51 是我在本次课程设计中的数字气体报警器的主要硬件设备。通过 A/D 转换器可以把需要测试的环境中的气体传感器所输出的模拟电压输送到单片机。 我们在单片机AT89C51中所进行的处理功能和显示功能都是通过预置警报值实现运 行的，一旦需要被检测出的气体浓度超出我们设定的值后，发光二极管会表现出闪烁目 的是达到报警的作用，同时扩音器也会不停的发出声响产生警报，两者的相作用可以在 当下的环境下及时报警，而不至于产生任何事故,但是我们考虑到如果发生了事故的情 况,所以在这种考虑下,我们在本次课程设计中选择了外接排风扇与电磁阀相作用的结 果来进行程控。当系统出现运行不正常的问题时，黄色灯闪烁，提醒主人对警报器及时 维修。 AT89C51 单片机和 MQK 气体传感器是系统的核心,主要实现： 精确测量周遭空气中的有毒害气体的发散； 对设计内的各个系统模块功能的控制； 单片机语言及单片机系统的控制； 单片机内所有接口的功能描述及作用描述； 对操控电路的最基本的实现运行方法。 1.3研究的方案 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 2 本次课程设计是利用了单片机的原理来实现一氧化碳报警器的运行。 设计的目的是 对一氧化碳有害气体进行 24 小时不间断的监控，当有毒有害气体浓度超过我们设定的 预置值后，因为单片机的作用我们设计得电路会自动发出警报信号，连接到外接风扇， 避免发生事故。充分利用 AT89C51 的最大优势性价比高，系统内的各种控制均由其完 成。报警器最为重要的即为传感器所以采用 GS 传感器。实现模数转换是利用 ADC0809， 为了更直观方便的显示浓度信息，我们采用动态扫描显示装置以及几台扫描显示装置。 综上所述，可燃气体报警器的设计均由以上 5 种模块组成。 2有关于一些单片机的知识介绍 2.1单片机的中断和复位 2.1.1 单片机的中断系统 中断的意义 通过把 CPU 的运行改变，调整方向即为中断。除 CPU 的原因外，电脑在执行程序指 令的时候必须要终止当前程序的进行，在终止结束完成后再继续进行前一程序，所执行 的一系列步骤就统称为中断。 单片机 89C51 的中断的系统 89C51 的中断系统是由一个特殊功能的寄存器中的几个相关的中断入口、顺序查询 逻辑电路等组成。特殊功能寄存器被定义为以下几类，分成了中断优先级寄存器，中断 允许寄存器中断源寄存器。89C51 单片机中的五个中断源分别在本次课程设计中给我们 提供了可实现二级中断嵌套的两个中断优先级。 外部中断请求源： 外部中断的 1 电平和 0 电平分别是由外部中断的引脚带入的，所以称之为外部中断 请求源。 内部中断请求源： TF0 和 TF1 是关于定时器 T0 溢出的中断标志。 中断允许寄存器 IE IE 主宰中断的允许或禁止。见表 2-1。 EAXXESET1EX1ET0EX0 表 2-18 位中断允许寄存器 EA 其中的 EA 为总开关，如果它等于 0，则上述所有中断都不被允许。 2.1.2 单片机复位电路 复位是所有要进行的操作的第一步， 所有的程序在计算机中均以0000H位开始单元。 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 3 也可以在出错或系统崩溃使用此键进行重启。 除了计算机，此键对其它专用寄存器复位状态的影响； PC0000HTCON00H ACC00HTLO00H PSW00HTH000H SP07HTL100H DPTR0000HTH100H P0P30FFHSCON00H IPxx000000BSBUF不定 IE0x000000BPCON0xx0000B TMOD00H 还有一些其他的引脚产生的信号同样会受到复位键的不同程度上的影响。 检测一个能否正常工作的单片机，第一步是要看它的复位键是不是能够被使用。如 果不能，说明此单片机为损坏状态。 2.2AT89C51 与 ADC0809 相关联的接口 以下三点在接入时需要注意： 保证开始线能够正常接收到 100ns 宽度的信号脉冲; A/D 转换结束为结束线接收到脉冲信号; 地址译码器信号输入到 OE 线上 2.3 简介 AT89C51 AT89C51 是一个能产生高性能但是却不会产生高功率消耗的单片机， 总共有 40 个引 脚，32 个外部的端口。AT89C51 既可以在线编程也可以按照常规方法进行编程。一定程 度上做到了性价比的提高，降低了生产成本。 3对硬件设施的调试与设计 3.1 硬件模块设计 3.1.1构成系统的各个部分 该报警器整体由浓度的查验和反应模块、 主控模块和报警及事故处理模块三个部分 组成。大致结构显示为图 3.1-1。 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 4 工作状态设置 气体浓度检 AT89C51 浓度显示 报警控制 故障处理 图 3.1-1 3.1.2每个模块在系统中的功能 浓度的检测模块 器件选择为 (GS-A1),该器件对一氧化碳的反应迅速，,尤其在活性碳罩的加入后, 也阻止了其他杂质气体的干扰.结果经高科技精密仪器放大数倍后传入 ADC0809 模 P 转 换芯片从而实现其模数转换。 模数转换模块 模数转换模块在本实验中也有重要的意义。 通过模数转换的 4 步完成运送模拟信号 到单片机内 从而被单片机有效识别。本实验中的模数转换的特点及性能指标为： 8 位的分辨率。 转换过程中出现的误差不超过 1lsb。 100 毫秒内实现。 兼容性高。 供电设施简单。 转换范围相对于其他转换器要广。 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 5 图 3.1-2A/D 转换模块引脚图 显示电路 单片机内部进行的标度变换完全是通过 PO 实现，每 30 秒进行一次更新.系统使用 串行口唯一的功能扩展为 4 位.当第 1 为“00”时,说明系统在一个房间的不同状态进行 查验;为“8”即为在房间个点检测正常;为“1” 、 “2” 、 “3”结尾系统工作在独立状态， 当次之时第 1、2、3 传感器可以探测到有害气体的浓度量。当 P2.0=1 且 AT89C51 的 TXD 端有输出时,74LS164 接收串行数据,当 P2.0=0 时其结果同上。 主控模块 依然使用 AT89C51 单片机.该仪器特点及使用原理和开发公司背景为： ALE 端与 ADC0809 的 CLOCK 相连。 APD 结果通过 PO 口进行。 PO P1 关闭下无法正常工作，开启状态系统工作正常。 P2:P2.1端与ADC0809的START和ALE相通,用以启动APD, P2.1端与RD与ADC0809 的 OE 端联通, P2.2 端是系统报警音乐的控制端口，1 电平作用；保证畅通控制着电路 开关。P2.3 端口是排气扇的控制端。1 电平有效 所有 P3 端口均为直观显示结果端口 处理事故的模块 有害物质超过允许的范围时，该模块开始发挥其作用。如图 3.1-3 所示. 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 6 图 3.1-3单个传感器电路图 3.1.3对系统的指挥 正常的工作状态为系统的默认状态，而出现其他状态时，电磁阀处于开启状态， 从而关闭了可燃有害物体的继续排放，达到设计目的。 如果有害物体的浓度超标（指标为 100ppm）时，报警乐响起，如若警示作用没有 达到，音乐未能及时关闭，则系统控制风扇开关通风散气。 原始状态即正常状态时，风扇被优先开启，继而开启煤气阀门开始供气。 当正常工作了一段时间后，以 40 分钟为计时开始每个 10 分钟都会响起警报，达 到警示用户的目的。 有害气体的浓度偏高时，系统自动预判为超标状态，从而关闭气体的继续排放。 防止中毒或者更为严重的爆炸事故的发生，防患于未然。 3.1.4GS 传感器简介 该系统中的各个器件的主要功能描述如下： 低耗能高效工作 专一性强，无视干扰。 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 7 有保障的器件 自身材料性能优越 无毒无害绿色环保 图 3.1-4传感线输出曲线坐标图 图 3.1-5加热电压曲线 气体传感器加热电源的原理如图 3.1-6 所示， 利用 PWM 及 A/D 转换输入功能实现电 源电压的稳定和自我调整。 该系统的工作原理是：设定好电压值为第一步，pmw 的输出，连电开始工作，将模 拟信号进行模数转换植入单片机内部，可能出现的电压为拟定值，也可能为超出或小于 拟定值，这事通过对 PWM 的调节达到目的形成稳定输出环境的闭合回路。操作此步骤继 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 8 而到电压值保持不变为止，随着环境温度的改变，所谓拟定电压值会改变为不同数值打 小，此效果符合了岁温度变化而变化的加热功率的目标，契合了气体传感器的温度灵敏 变化，同时有关于稳压电源的压降损耗也被控制开关来降低到最小化。 图 3.1-6 3.2硬件电路的调试 本设计的各类元器件较少。第一步：看各元器件的工作状态是受为正常工作状态， 不是则进行相关调整。若无异常，我们所进行的硬件电路的调试的步骤就全部完成了。 4软件部分的设计及调试 4.1软件部分的设计 报警器的性能体现在程序的编写，流程图见附录 1。报警器程序上有 4 大模块可供 调试。 4.1.1主程序 所有程序中只有两个中断的使用，它们为：外部中断和定时器中断，这两个中断表 现不同的作用，前者判别是否已经进行了模数转换，后者则为看门狗服务。它们的相关 程序具体如下所示： ORG00H JUMPSTART;外部程序的相关入口地址 ORG03H JUMPINT1;寄存器控制外部中断 ORG00H 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 9 JUMPITOP;定时器内部 0 的相关中断入口 ORG1100H Start:MOVE，IE,#10000001B;中断 INT0 MOVE，IP,#00000001B; 优先中断 INT0 MOVE，TCON,#00000000B;电平被触发在 INT0 点上 MOVE，SCON,#00000000B; 请按 0 MOVESTOP,#60H;堆栈的设定 MOVETMOD,#01H;其中的 T0 为第一种方式 CALLPLT0M0 HERE: AJUMPHERE;本身跳转其它 PLT0M0: MOVETL1,#1CH;T1 中断此服务程序，T1 重置为最初设定值 MOVETH1,#1FEH SETBTR1;启动 T1 SETBET1;允许 T1 SETBEA; RET1 IETOP:MOVETL0,#0CH;T0 再一次中断服务，T0 的相关数值被重置为最初设定 MOVETH0,0FEH SETB CPLP1.1;P1.1 取相关反向状态 RET2 AllCALLLED;调用 LED 自检子程序 MOVE22H,#0000H;此次中断的完成标志位 0 位显示 MOVEDEPTR,#0EFEFH;ADC 程序相关的端口地址 MOVXDEPTR,A;高阻抗的 BUS 使得数模转换开始 WAIT:MOVEH,33H;数模转换完成信号显示 JTNZINT1K JUMPWAIT;强制跳回在未完成 INT0K:MOVEB,44H; JTNZL2 MOVEB,22H 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 10 JUMPL1 L1:MOVE22H,27H MOVEB,46H;新的浓度被标识出来 L2:CALLBCD；启用相关调整程序（BCD 码） CALLDISP；此时的气体浓度为多少 CALLADRZERO;调用前函数或数值调整当前 CALLALARM;把报警程序调入 CALLBCDCALLDISP;把相关的一些子程序引入 CLRB; JUMPSTART;返回 4.1.2调零子程序： 显示数据由于外部原因导致与预期值出现差异，此问题解决方法为：模数转换的同 时加入一个经过调整的数值。如此一来，得到的数值即为真是情况的显示，对其加以调 整便得到直观、稳定与有效方便的数据。程序的实现见如下所示： ARDZER0:CALL SUBBDELAY JUBP1.1,JUMP1;此一步的调零为正确值，否则则通过以下程序进行调整： JMP1:REGET 相关程序的实现如下所示： L00P0: CALLDELAY JUMPBP2.2,$;抖动的延时被第一时间清理 MOVEB,32H;调零的预设值设置为 32H 送入 CLRD;相关近位标识的删除 SURBUBB,#OO1H;选择的调零相关数值减去 1 JUMPBLOOP1; MOVEB,#12H; LOOP1: MOVE28H,B;所有调整过的值被保存起来 MOVEB,D2;正确的当前浓度为现在设定值 JZZZENDX DNECB;为了契合调整后的浓度，当前进行响应 XENDO: MOVE29H,B;送回 29H 进行保存 MOVE40H,A;送回 40H 保存 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 11 CALLBCD; CALLDISP; JMPLOOP1; XEND1: MOVEB,#71H JUMPXEND0 该操作步骤为有则按键无则返回主程序重新开始。 4.1.3相关子程序的显示 模数转换得到的数值被传送到单片机中以十六进制存在， 这是不符合我们的操作需 要的，BCD 码所产生的转换是我们程序运行中的主要解决措施。转换的类似相关的一些 程序如我们在下面进行的程序演示所示： BCD:MOVE44H,#21H; MOVE29H,#18H; CLRLB; MOVER1,#90H;清除 R1 CHAN:SUBBB,#33H;减 99 JCCHAN2;不能做减，跳转 INR2; JUMPCHAN3; CHAN1: ADCB,#89H;还原百位数 CLRC;相关数据进行整理与切实转换 CHAN1: SUBB,#10H;减 29 JNCCHAN1;无法达成减法计算，跳转 JNCR3;不能够则不加能够则加上 1 JUMPCHAN1;无相关重复 CHAN1: ADCB,#OBH;还原个位数;把个位数放 30H 中 MOVE22H,B;把十位数放 90H 中 RET 所有的显示结果均与预期值的走向一致接下来就看如下程序的完成情况了， 接下来 就是我们之后的程序改动： DICSP：MOVER9,#65H MOVER1,#28H 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 12 LED0: MOVEA,#RO MOVEDPTR,#TABLE LED1: MOVEA,#B+DPTR MOVESSUF,B JUMPTO, CLRTO INCR1 JNZR8,LED3 RET 直观的显示结果从 LED 处显示驱动设备也被添加到应用里面，它的步骤如下： 为了达到控制实验目的接地的按键输出始终为“0” ：松开此按钮则输出为“1” ，每 次按键都保证 CPU 进行正确单一的判断 ，去除抖动显得有必要，大致的操作已详细说 明，具体的如上所示的程序都在下面的文本中得到了应用和体现： DELAY: MOVE4,#5 设定 50 毫秒 D0: MOVE5,#459;设定 0.6 毫秒 DMJNZR4,# DMJNZR4,D0 RET 每个周期为 1us,30ms 延时效果通过以上程序能够进行实现。 4.1.4报警系统中的子程序 声音与光的感应控制为本设计的主要手段，当有害气体浓度一氧化碳超标时，声乐 响起，灯光闪烁。机器可能会遇到故障，针对此问题我们也提出了相关的解决方案。而 遇到故障的表现为红灯亮起，喇叭发出声响，它的正常时候表现为红灯变暗喇叭哑声。 所有功能模块都工作正常时绿灯为指示灯。系统对事故进行第一时间的处理，通风换气 等等一系列的操作防止事故恶化。其相关程序的行驶与体现如下所示： ALAORM:MOVEB,22H;当前的浓度值被送到了累加器中进行分析 CLRB; SUBBA,50H; DJNCGOOD0; SETAP2.3;声音与光亮得到控制并取消 SETAP2.4CLRP1.7;关闭所有 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 13 SETCP2.1;黄色的显示灯被关闭掉 CLRP0.1;绿色的灯光第一时间亮起通告正常 RET GOODO: CTLRP2.4;警报声音与警报灯光再一次被打开 CTLRP11.1 CTLRP11.4; SETCP12.3; SETCP11.5; RET 4.1.5中断取值子程序 从所有的执行过程中不难看出模数转换完成 INTR 端变成输出“1”电平，未完成则 输出“0”电平。在执行的过程中中断又一次被发挥出了它的作用，中断处理程序如下 所示； INT1:PUSHBCC;需要将累加完的值压榨在堆栈保存 PSHPUSW;PUSW 值压榨在堆栈保存 MOVXB,DPTR;数模转换好的值保存进入到累加器中 MOVE30H,A;把数模转换好的值保存进入到 30H 保存 CLRE SUBBB,61H; JNCDOK0 MOVE44H,#11H;模数转换的值模拟电压小于 1 所以变化为 1 JUMPEMP3 OKO:MOVEB,25H CALLADJNCUST;启用 ADJNCUST 气体浓度值被改写为 16 进制 CALLADCP;调用 ADCP 所有相加 1 后同样调整为 16 进制得意应用 MOVE45H,B;45 保存相关数值 EMP2:MOVEIE,#10100001OB; POPPWM; POPADC; MOVE27H,#O1H; RETI 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 14 调整所有应用中被应用的相加子程序 ADJNCUST:CTLRB SUCBB,#27H;数模转换进行调整后应用 MOVEC,#O1H DIVEBA MOVEC,#22H MULLBA RET ADCD:ADCD,22H TABLE: DCBOBOH,OCOH,OC3H,OCOH,22H DCB33H,41H,O9OH,4OH,5OH END 数值为 199 之间的所有子程序的应用必须及时在转换之间完成， 用到的相关类型 程序在如下的程序中表示出来： ADJNCUST:CTLRB SUBYB,#11H;模数转换再一次被应用到数值转换， 16 进制值在转换后得到 应用 MOVEC,#12H DIVEBA MOVEC,#22H MULLBA RET 堆栈中断处理机制过程 以下几个阶段为备份断后：中断处理、响应与返回。 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 15 图 4.1-1单片机中断流程图 图中，保护现场之后的开中断是为了允许有更高级中断打断此中断服务程序。 4.2软件程序的调试 所有程序完结后我们都需要进行一些调试，所有程序都按照一定顺序分别调试。从 子程序入手，当检查其没有问题后再进行全套调试，调试过程中均以设定值为基础。最 终结果符合我们的实验设计的最终目。 5结束语 通过这次的课程设计的学校，我明白了在学习中不能单单的运用书本上的理论知 识，而忽略了动手实际操作的部分，老话说的理论与实际相结合是没有错的，我在这次 的设计中完全的领悟到了这句话的意义，只有在两者共同运用下才能完成我这次的设 计。勤恳的态