毕业论文-煤气泄漏检测与报警系统设计100070778.doc

无锡科技职业学院嵌入式系统专业 毕业设计（论文） 煤气泄漏检测与报警系统设计摘要：对煤气泄漏实时精确监控是十分重要的。本文介绍一种基于单片机技术的智能型煤气监控系统,可对煤气浓度进行智能地实时检测和监控、报警,而且还能实现自动开启和关闭煤气管道阀门,经过多次运行,精确度、灵敏度和稳定性均达到设计要求,且造价低,操作方便,可广泛作为智能报警器及监控系统来使用。本系统以ATMEGA16单片机为核心，论述了基于测控技术的煤气泄漏监测报警装置的硬件和软件方案设计与实现。文中重点阐述了信号采集调理电路与语音电路的设计。实验表明，设计制作的系统满足设计要求，具有实用价值。关键词：单片机处理器;一氧化碳传感器；煤气浓度；声光报警；煤气泄漏Design of Gas-leaking Monitoring and Alarming SystemAbstract：Accurate real-time monitoring of the gas leak is important. This paper describes a single chip technology based on intelligent gas monitoring system, the gas concentration can be intelligent in real time detection and monitoring, alarm, and can automatically open and close the gas pipeline valves, after several runs, precision, sensitivity and stability meet the design requirements, and low cost, easy to operate, can be widely as a smart alarm and monitoring system to use. This system uses the ATMEGA16 as control core. This paper introduces the both scheme design and implement of hardware and software on the gas-leaking monitoring and alarming system based on measure and control technology. The experiment shows that the system of design and make satisfies the requirement, and holds better practicability.Key words: Single chip processor;CO Sensor, Gas concentration, voice and light alarm, Gas-leaking 目录第1章 绪 论41.1 课题背景、目的及意义41.1.1 课题的背景41.1.2 课题的目的及意义41.2 系统设计内容5第2章 系统硬件设计实现62.1 一氧化碳浓度检测电路设计62.1.1 CO传感器原理介绍与选型62.1.2 NAP-505型一氧化碳传感器介绍72.2 键盘及显示电路接口设计82.2.1 键盘/显示器电路设计92.3 稳压电源电路设计122.4 声光报警电路设计132.4.1 声音报警电路13第3章 系统软件设计163.1 系统软件总体设计163.2 开机自检模块程序设计163.3 键盘处理、显示模块程序设计173.4 数据A/D转换模块程序设计203.5 数据处理和报警、控制模块程序设计21结 论23致 谢24参考文献25第1章 绪 论本章主要介绍本次毕业设计的研究的背景、目的与作用，以及在本次设计的主要内容和技术指标。1.1 课题背景、目的及意义1.1.1 课题的背景随着我国燃起的变革及西气东输工程的进行，煤气或天然气已成为多数家庭的燃料。每年，因煤气泄露造成的中毒事故中，因热水器不当或产品本身的质量问题，造成的煤气中毒事故，全国均有不少事例。有甚者，因室内煤气浓度过高，引起的煤气爆炸的事故也不少见。家用煤气有时会因各种原因发生泄漏，煤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，所以在煤气泄漏时打电话，使用家用电器的话，煤气遇到电火花可能会发生爆炸事故。人呆在煤气泄漏的空间内，甲烷的不完全燃烧可能会生成一氧化碳，人体吸入有毒的一氧化碳后，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，如果长时间吸入泄漏的煤气甚至会发生中毒死亡随着经济的发展，人们对生活质量的提高和生活环境的改善越来越重视，液化气、煤气进入家庭的使用为人们带来了方便，也改善了城市的环境，但同时也给人们带来了潜在的危险，其中一氧化碳是最主要的危险源。当今我国很多煤矿企业由于对于矿井下的煤气监测和处理不够及时，酿成了许多的惨剧，造成的工人生命和国家财产的损失。因此，及时准确地对房间室内和矿井进行CO浓度实时监测和报警成为保障群众生命安全和国家财产安全的一项必不可少的工作。1.1.2 课题的目的及意义AT89系列单片机是控制系统常用的单片机，应用在很多领域，利用它完成的报警系统比较多，使用AT89系列构成的计算机系统能够实现准确的采样煤气浓度，能够达到题目的设计要求，而且AT89系列单片机相对于其它型号的单片机（AVR、ARM），更加易于学习和掌握，性能也相对比较好。同时掌握好了此系列的单片机的应用，对于深入学习其他类型的单片机是一个很好的基础。本课题需要完成一个完整系统的设计，涉及到电子技术、传感器技术、计算机应用与控制技术等多学科性知识，是一个硬软件相结合的设计性题目。本课题融知识性与趣味性于一体，提供了一个有力的了解小家电设计技术平台，能提高我的检索资料的能力、电子系统设计的能力、实际动手的能力、分析排除故障的能力以及创新设计的能力等。并且，可以通过此次设计，很好的掌握系统设计的工作流程、开发步骤；熟悉单片机开发的多种编程语言。1.2 系统设计内容设计的题目是“煤气泄漏检测与报警系统设计”。选择ATMEL公司的ATMEGA16单片机为系统控制核心，采用电化学型CO传感器作为采集煤气浓度的采集器，经过系列处理实现对煤气浓度进行智能地实时监测、报警，能实现自动开启和关闭煤气管道阀门及排风装置。系统设计具体任务如下：(1) 实现对煤气泄漏的实时监测；(2) 具有超限声、光报警功能；(3) 根据报警状况自动关闭煤气管道电磁阀并开启排风机；(4) 设计并制作煤气测量键盘、显示等接口电路；(5) 性能指标：一氧化碳测量精度为3%；实现所有的硬件、软件设计、系统整体调试、形成可以正常运行的产品为本次设计的最终目标。将从系统的硬件、软件的设计实现；系统的调试等方面进行介绍。第2章 系统硬件设计实现硬件是系统的载体与执行机构，硬件设计是本次设计的重点，主要涉及传感器信号放大、采集、处理，键盘与显示处理，声光报警，执行电路设计、系统供电等多个部分。本章分为8节介绍系统的硬件设计实现。2.1 一氧化碳浓度检测电路设计2.1.1 CO传感器原理介绍与选型1、电化学型气体传感器的基本原理按照检测原理的不同，电化学气体传感器主要分为金属氧化物半导体式传感器、催化燃烧式传感器、定电位电解式气体传感器、迦伐尼电池式氧气传感器、红外式传感器、PID光离子化传感器等等。目前，烟气分析仪中使用较多的是定电位电解式气体传感器和迦伐尼电池式氧气传感器。其中定电位电解式气体传感器工作原理是：使电极与电解质溶液的界面保持一定电位进行电解，通过改变其设定电位，有选择地使气体进行氧化或还原，从而能定量检测各种气体。其结构是：在一个塑料制成的筒状池体内安装工作电极、对电极和参比电极，在电极之间充满电解液，由多孔四氟乙烯做成的隔膜，在顶部封装。前置放大器与传感器电极的连接，在电极之间施加了一定的电位，使传感器处于工作状态。2、CO传感器的比较与确定本次设计的使用群体主要针对的是普通家庭，在家庭中的煤气浓度（CO浓度）一般不可能有太高，否则将引起很多的事故，即使有CO报警系统。针对大多数家庭的情况，设计中考虑的CO传感器的测量范围在0500ppm或者01000ppm，高于了此范围的CO传感器基本不使用于普通家庭。在市场考察中得知CO测量范围在0500ppm或者01000ppm的传感器类型也相当的多。譬如中国饶阳县北核牌CO传感器系列、中国威兴达传感器厂的CO传感器系列、瑞士Membrpor的CO传感器系列、日本NEMOTO的CO传感器系列等。传感器选择是主要考虑传感器本身的输出信号的大小，因为传感器的输出信号越大，对后续放大电路要求就越低，这样有利于硬件电路的设计。这些传感器类型中信号输出最大的是瑞士Membrpor的CO传感器系列，它的信号输出可以达到5010 nAppm以上；而中国威兴达传感器厂的CO传感器系列只有1 nA 50 nAppm的输出。本次选用的传感器并不是输出信号最大的，因为在价格方面瑞士Membrpor的CO传感器系列的价格都在500元RMBPCS以上，而输出与其基本相当的中国饶阳县北核牌CO传感器系列也需要280元RMBPCS左右。而日本NEMOTO的NAP-505一氧化碳传感器的输出只是4010 nAppm，但是价格只在80120元RMBPCS，综合各方面考虑，本次设计采用的是日本NEMOTO的NAP-505一氧化碳传感器。2.1.2 NAP-505型一氧化碳传感器介绍NAP-505一氧化碳传感器属于电化学型传感器，它采用了新的构造，电解液泄露的风险较低到几乎为零，体积小，大幅度的减低了成本。输出信号直线性、重复再现性优越、不受湿度影响、电池可驱动。其主要性能参数如表2-1所示。表2-1 NAP-505型电化学一氧化碳气体传感器主要性能参数表检测气体范围CO 01000ppm输出电流4010nA/ppm分辨率1ppm重复再现性2%以内应答时间30s基准线位移（-2050）10ppm长期稳定性=设定值?报警、控制程序显示子程序AD采样子程序通信程序(可选)显示子程序等待中断图3-1 系统软件设计总体流程框图3.2 开机自检模块程序设计开机自检设计在电源接通或者是系统复位之后，自检中如果没有发现问题，就进入测控程序，如果发现问题则及时报警，以避免测控系统带病工作。本次设计仅仅设计了对CPU数据存储器RAM的校验程序，采用破坏性校验选用，只能用于开机自检；主要是选用特征字55H（01010101B）和AAH（10101010B），分别对每一个单元进行先写后读的操作。其自检程序流程图如图4-2所示，主要是先对RAM的某个单元进行AAH的写入与读出，将读出值与写入值相比较，如果相同的话说明该单元正常，再进行55H的写入、读出和比较。如果某个单元出现写入与读出的值不相同，则说明RAM中有损坏，执行内存错误提示。否则就执行正常运行程序。YYYRAM自检开始建立地址指针写入AAH并读出写入55H并读出读写相符吗？读写相符吗？地址指针+1最后一单元？PASS标志结 束Error标志NNN图3-2 自检程序流程图3.3 键盘处理、显示模块程序设计为了让人机交流部分更友好，本次设计中设计了44键盘和8位LED显示，包括09数字键、左移位键、确认键、报警值设定键、时钟设定键、阀门开启键、运行键等l6键，现场煤气浓度显示和时间显示，方便使用者进行相应的控制操作和了解现场相关情况。YYN开始设置8279扫描方式和时钟频率是否有键按下？读入键值是运行键？N进入主程序结束YN阀门开启键？开启阀门N时钟设定键？进入时间设定程序设定结束Y报警值设定键？进入报警值设定程序设定结束YN结束图3-3 键盘处理主程序流程图在软件部分也设计了相应的程序，主要是运用程序读取8279中的键盘处理值，让CPU将这个数据进行分析，根据不同的键值进行不同的处理。其键盘处理主程序流程图如图3-3所示，主要是如果有键码输入提示，则将键值读入，判断是否有大功能键（运行键、阀门开启键、时钟设定键、报警值设定键）按下，如果有则进入相应的子程序中进行相应的处理13，如果不是则返回最初状态的检测。开始程序暂存、设置信息有键按下？NY调用显示程序确认键？读入键值Y保存数据设定结束N左移键？Y数据存储地址+1调用显示NN设置数字键查询信息数字键？Y暂存数字信息查询指针+1查表查询完？YN返回返回返回图3-4 时钟、报警浓度值设定程序流程图时间设定程序流程框图和报警值设定程序流程框图如图3-4所示。由于时间设定程序和报警值设定程序基本相同，因此程序流程图画在了一起。当功能键按下之后进入相应的设置程序中，首先判断是否有按键按下，如果没有则继续等待；如果有就则判断是否为小功能键（左移键、确定键）：如果是左移键则将接受数据的地址相应加或者减1，显示相应的左移一位；如果为确定键则将先前输出的数据进行保存并退回到键盘处理主程序中。若果不是小功能键，则判断是否为数字键，若不是则什么都不做，若是则判断是哪位数字，将读入的数字信息存入暂存数据的单元，以便保存。因此在进入时间设置或者是报警值设置时不能进行大功能键（运行键、阀门开启键、时钟设定键、报警值设定键）的相应操作。在报警值设定中考虑输入的数据只需要有3位，在最高位则是设置需要采集的传感器路数，由于ADC0809只有8路输入，因此该位最大设置也只需要8。NY设置显示方式、显示数据指针，启动8279入口读取数据，查表获得相应显示码向8279送入显示数据显示完成？数据指针+1返回图3-5 显示程序流程图显示程序流程图如图3-5所示。由于显示基本全部由8279硬件完成，因此显示控制部分只需要给8279的对应显示RAM内输入需要显示的数据，由8279进行显示处理。因此显示也控制程序相对较为简单，进入控制显示程序后首先需要设置显示方式、显示数据的指针及数据个数，之后启动8279并向显示RAM内输入相应的数据，输入完毕之后返回调用程序。3.4 数据A/D转换模块程序设计数据采集部分是根据设定的采集时间间隔，启动ADC0809对外部输入的模拟数据进行AD转换，并将数字信号读入CPU。数据采集程序流程图如图4-6所示，在启动AD0809之前，需要设置输入数据保存的首地址，读入先前设置的采集路数，使用者可以根据实际的AD转换路数来设置程序中的转换的路数。选中IN0并启动ADC0809，只有需要延时等待转换完成。由于ADC0809的工作平率为500kHz，完成一次AD转换需要大约100110s，因此程序中延时等待时间约为128s。之后就可以判断是否转换完成，如果完成则读入数据，如果没有完成在继续等待完成，如此循环直到将全部的路数采集完成。入口设置数据保存地址读入采集总路数NY选择通道，启动AD是否转换完？延时Y返回N读入、保存数据全部采集完？采集路数+1数据保存地址+1更新显示第0路信息图3-6 数据采集程序流程图3.5 数据处理和报警、控制模块程序设计实时判别煤气浓度的测量值，当测量浓度高于设定值时，程序指示电磁阀将煤气管道关闭，开启排风扇是监测地点加强通风，降低煤气浓度。然后开启光电报警系统，提示使用者及时进行事故处理。报警、控制程序流程图如图3-7所示，程序设置从地0路输入的数据开始与设定报警值比较，如果出现高于或等于报警值的情况，则进入报警状态，关闭煤气通道阀门、开始排风扇、开启声光报警、向上位机通信，最后等待外部中断或者是复位。如果没有出现高于或者等于报警设定值的情况，则返回主程序等待下一次的采样输入。由于当空气中一氧化碳浓度达到35ppm时就会对儿童智商造成损害，加上在使用煤气的环境中正常时有10ppm左右的煤气浓度值，因此本次设计中把初始报警浓度值设定为20ppm。入口设置数据首地址读入比较总路数NY更新显示是否超限？调用通信程序发送超限值和时间Y返回N读取数据、比较全部比较完？浓度数据地址+1关闭煤气管道阀门开启排风扇开启声光报警图3-7 报警、控制程序流程图结 论本文论述了基于单片机的煤气泄露监测与报警系统的设计，实现了对现场煤气浓度的实时监测和超限报警。从开始对整个题目分析，到最后的设计完成整个系统的过程中，我对单片机技术和接口技术、测控系统原理及设计的有了更深刻的认识。以ATmega16单片机核心，结合接口电路理论和汇编语言知识设计出了本系统。系统中采取了NAP-505电化学一氧化碳传感器，可以很精确的将现场的CO浓度转换成电流信号；采用高精度，具有很低的输入失调电压和漂移的单片运算放大器OP07作为前置信号处理电路，放大电路采用集成仪用放大器AD620，保证信号放大的质量；采用声光报警，达到及时告知使用处理现场事故，其中使用ISD1420高清晰度语音芯片作为语音报警更显友好性；采取阀门和排风扇控制，能够及时的解决现场煤气浓度超限问题。在程序设计方面并没有遇到很大的问题，采取的是汇编语言完成所有程序。但是在联机调试时仍遇到较大的问题，因为测试时仅对部分电路