毕业设计（论文）-基于51单片机的有毒气体监测.doc

摘 要 日常生活中经常发生毒气泄漏或者其他有毒气体危害人们的生命健康的事故。故此，本人联系实际和运用所学的电子技术知识，设计出一套有毒气体的检测电路，并且可以在有毒气体超标时能即时抽排出有害气体，就可以使人们的生命健康有一个保障同时也锻炼了自己的实践动手能力，培养了科学实践的兴趣，提升自己的专业知识面。 当检测到有毒气体意外排时，发出警笛报警声和灯光间歇闪烁的光报警提示，当有毒气体浓度超标时能自行启动抽排系统，排出有毒气体，更换空气以保障人们的生命财产安全。抽排完毕后，系统自动回到实时检测状态。关键字：气体监测，单片机，自动控制AbstractDaily life often happen gas leak or other toxic gases harm peoples life and health of accidents. Therefore, actual and learned contact the electronic technology knowledge, designed a set of toxic gas detection circuit, and can be in excess of poisonous gases can instant smoke eduction harmful gas, can make peoples life and health have a security also tempered their practical ability, training scientific practice interest, improve their professional knowledge.When detect toxic gas accident row, sirens sound and light alarm sent the intermittent flashing light alarm prompt, when toxic gases when chroma supply-passage-discharge system can begin to start smoking, ejecting toxic gases, replace the life of people in order to ensure the air property security. After the smoke exhaust system, automatic back to real-time detection of state.Key word: gas monitoring, microcontroller, automatic control1 绪 论近年来随着人民生活水平的提高，管道毒气和罐装毒气已深入到寻常百姓家。但由于使用不当或设备老化等原因导致的毒气泄漏极大地威胁着人们的生命财产安全。目前，一般的毒气报警器功能单一，或是必须手动复位阀门系统，性能稳定性低；而大型的监控系统又价格不菲，需专门的技术人员来管理，不适用于中小企业和家庭。家用毒气泄漏报警器是非常重要的燃气安全设备，它是安全使用城市燃气的最后一道保护。燃气泄漏报警器通过气体传感器探测周围环境中的低浓度可燃气体，通过采样电路，将探测信号用模拟量或数字量传递给控制器或控制电路，当可燃气体浓度超过控制器或控制电路中设定的值时，控制器通过执行器或执行电路发出报警信号或执行关闭燃气阀门等动作。可燃气体报警器的探测可燃气体的传感器主要有氧化物半导体型、催化燃烧型、热线型气体传感器，还有少量的其他类型，如化学电池类传感器。这些传感器都是通过对周围环境中的可燃气体的吸附，在传感器表面产生化学反应或电化学反应，造成传感器的电物理特性的改变。燃气泄漏报警器广泛应用在城市安防、小区、工厂、公司、学校、家庭、别墅、仓库、资源、石油、化工、燃气输配等众多领域。按检测气体可分为：可燃气体报警器，有毒气体报警器和复合式气体报警器，气体报警器使用不同传感器检测不同气体，复合式气体报警器可同时检测可燃和有毒气体。按使用环境可分为：工业用气体报警器和家用燃气报警器。按自身形态可分为固定式气体报警器和便携式气体检测仪。燃气泄漏报警器从功能上可分为仅有泄漏报警功能的泄漏报警器和可以指示所探测到的燃气浓度并具有报警功能的检测报警器；从使用场所上可分为民用燃气泄漏报警器和商用报警器。民用报警器通常是独立的在住宅中使用的燃气报警器，功能较简单；商用报警器主要使用燃气的运输、储存场所、使用燃气和可能有燃气泄漏的的工厂和公共场所。城市燃气规范中规定地下室、半地下室、地上密闭空间的用气房间、建筑的管道井、封闭计量表房等都要安装燃气报警器。建筑和燃气的相关规范和法规也推荐使用民用燃气泄漏报警器。工业用固定式气体报警器由报警控制器和探测器组成，控制器可放置于值班室内，主要对各监测点进行控制，探测器安装于气体最易泄露的地点，其核心部件为内置的气体传感器，传感器检测空气中气体的浓度。探测器将传感器检测到的气体浓度转换成电信号，通过线缆传输到控制器，气体浓度越高，电信号越强，当气体浓度达到或超过报警控制器设置的报警点时，报警器发出报警信号，并可启动电磁阀、排气扇等外联设备，自动排除隐患。便携式气体检测仪为手持式，工作人员可随身携带，检测不同地点的气体浓度，便携式气体检测仪集控制器，探测器于一体，小巧灵活。与固定式气体报警器相比主要区别是便携式气体检测仪不能外联其他设备。燃气报警器的核心是气体传感器，俗称“电子鼻”。这是一个独特的电阻，当“闻”到燃气时，传感器电阻随燃气浓度而变化，燃气达到一定浓度，电阻达到一定水平时，传感器就可以发出声光报警。什么叫声光报警？燃气泄漏使室内浓度达到报警器浓度后，报警器的红色指示灯亮，蜂鸣器发出“辟-辟-”的报警声，所以叫做声光报警。2 有毒气体监测系统方案设计与选择2.1 有毒气体监测系统电路设计方案方案一：QMN5气敏传感器的检测电路由气体检测电路、电子开关电路、报警电路、和气体排放电路构成。在有害气体浓度很低合乎大气标准时，QMN5 未能检测，元件的两端呈高阻抗，使两个比较器都无输出，电路不报警，也不进行排气。当有害气体达到一定浓度时，QMN5检测到有毒气体，元件两极电阻变的很小，此时电压比较器U3:B有输出，使得555芯片组成的多谐电路产生方波信号，驱动报警电路工作，使发光二极管间歇发光，蜂鸣器间断发出声音；当有毒气体浓度继续升高到超标时，电压比较器U3:A有输出，驱动排气系统工作。当气体被排出，浓度和付标准时，电路回复到自动检测状态。此设计中可通过调节电位器RV1来实现控制有毒气体检测灵敏度，从而到达控制空气中不同气体标准浓度不同的目的。这也是此设计的亮点之处！排气电路中，三极管Q1为开关作用。当气体浓度大于C2,气敏电阻阻值进一步减小，从而是U3:A输出从-5.8v变到+5v使Q1为饱和导通状态，电机工作，开始进行排气。当毒气浓度低于C2时，U3:A输出为低电平，使三极管Q1截止，电机工作电路不能导通，停止排气。QMN5气敏传感器检测的原理图方案二：基于单片机的有毒气气体检测此次设计的有毒气体监测报警器的系统框图如下所示：主要由气体传感器MQ-4、A/D转换器ICL7109、单片机AT89S51、LED显示电路、键盘控制电路、声光报警装置和附件电路组成。蜂鸣器、发光二极管（声光报警）AT89S51LED显示键盘控制毒气探测器电 源A/D7109排 风图2-1 系统框图由图可以看出毒气监测报警器的硬件部分设计是以单片机系统为核心，用于整个设计的数据处理以及控制显示电路、声光报警电路等正常工作。在这里我们选用ATMEL公司生产的8位单片机AT89S51，该种单片机与以往所采用的AT89C51相比新增加了很多功能，性能有了较大提升，片内4K的FLASH存储空间也能满足我们设计的要求，价格较之AT89C51基本不变甚至更低。甲烷传感器采用气敏传感器，用于探测采集毒气的浓度。由于该传感器的输出信号为模拟电压信号，要想将采集到的数据送至单片机系统进行数据处理则需要将模拟信号转换成数字信号，所以在这里我们还要选用ICL7109芯片进行模数转换处理。这里的ICL7109是一种双积分的12位A/D转换器，其性能价格比很高，是一种高精度、低噪声、低漂移A/D转换器。毒气浓度显示部分采用四位的LED数码管显示，在这里我们采用动态扫描方法来显示各种参数。综上所述，我们选择方案二。3 毒气监测系统主要器件的简介3.1气体传感器3.1.1气体传感器的分类气体传感器又叫气敏传感器，主要用来监测气体的特定成分。气体传感器通常以气敏特性来分类，主要可分为：（1）半导式方式包括氧化系、气敏二极管系、气敏MOSFET系。若气体接触到加热的金属，氧化物电阻值就会增大或者减少，其灵敏度高，构造电路简单，但输出与气体浓度不成比例。（2）固体电解质其利用铂等金属材料对氢吸附敏感使功函数改变原理制成，器特点是其他选择性好但不能重复使用。 （3）接触燃烧式其原理是化学溶剂与气体反应产生使电导率发生变化。其特点是属于气体浓度成比例，但灵敏度较低。（4）其他类型 包括光干涉式、热传导方式、红外线吸收式。气体传感器的类型虽然很多，但对它们有以下几个基本特性：（1） 对被测气体要有高的灵敏度，尽量减少外界一如的干扰信号；（2） 选择性要好，即对和被测气体共存的其他气体不敏感；（3） 能够长期稳定工作，它是关系整个监测系统监测精度的一个重要环节。（4） 检测和报警要迅速。（5） 响应时间 ，指从气敏元件到被测气体接触到气敏元件的参数达到新的稳定状态下所需要的时间，表示了气敏元件的反应速度。（6） 温度特性。气敏元件的特性随温度的变化而变化为温度特性。消除这种影响的方法是采用温度补偿法。（7） 湿度特性。气敏元件的特性随环境会死度的不同而发生变化的特性成为湿度特性。湿度特性是硬性检测精度的理工一个因素，就绝这一问题的措施之一是采用湿度补偿法。（8） 电源电压特性电源电压发生变化时，气敏元件也会发生变化，解决的方法是采用恒压供电。3.1.2 气体传感器的选择要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，而这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，还是自行研制，价格能否承受。在考虑上述问题之后就能大致确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标，其具体性能指标见下。3.1.3 气体传感器的主要特性（1）灵敏度灵敏度是指传感器输出变化量与被测输入变化量之比，通常，在传感器的线性范围内，首先要考虑的是选择一种敏感技术，它对目标气体的阀限制(TLV-thresh-old limit value)或最低爆炸限(LEL-lower explosive limit)的百分比的检测有足够的灵敏度，也就是通常我们说的希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。（2）稳定性稳定性是指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性，取决于零点漂移和区间漂移。零点漂移是指在没有目标气体时，整个工作时间内传感器输出响应的变化。区间漂移是指传感器连续置于目标气体中的输出响应变化，表现为传感器输出信号在工作时间内的降低。理想情况下，一个传感器在连续工作条件下，每年零点漂移小于10%。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。（3）精度精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。在这里根据其具体的性能指标，结合此次设计的要求，我们选择使用的气体传感器为MQ-4型气体传感器，它属于电阻式半导体型气体传感器（是半导体金属氧化物陶瓷气体传感器），是一种用金属氧化物薄膜(例如：SnO2，ZnO，Fe2O3，TiO2等)制成的阻抗器件，其电阻随着气体含量的不同而变化。气味分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器传导率的变化。为了消除气味分子还必须发生一次氧化反应，传感器内的加热器有助于氧化反应进程。这种类型的气敏传感器具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。之所以选择MQ-4型气体传感器是因为它对甲烷、天然气有很高的灵敏度，有着很可靠的稳定性，快速的响应恢复特性，非常简单的驱动电路而且其使用寿命很长。是一种可以广泛应用于家庭，工业的甲烷，天然气的探测装置。3.2 主控制器AT89S523.2.1 MSC-51芯片资源简介 89S51是MCS-51系列单片机的典型产品，我们就这一代表性的机型进行系统的讲解。89S51单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：图3.4 单片机内部结构示意图A.中央处理器中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。B.数据存储器(RAM)89S51内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。C.程序存储器(ROM)89S51共有4KB掩膜ROM，最大可扩展64K字节，用于存放用户程序，原始数据或表格。D.定时/计数器：89S51有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。E.并行输入输出(I/O)口：89S51共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。F.中断系统89S51具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。图3.5 mcs51结构框图3.2.2 单片机的引脚89S51单片机内部总线是单总线结构,即数据总线和地址总线是公用的. 89S51有40条引脚, 与其他51系列单片机引脚是兼容的. 这40条引脚可分为I/O接口线、电源线、控制线、外接晶体线4部分. 89S51单片机为双列直插式封装结构, 如图3.6所示. 图3.6 89S51引脚分配图3.2.3 89S51单片机的外接晶体引脚 （1）XTAL1：片内振荡器反相放大器的输入端和内部时钟工作的输入端。采用内部振荡器时，它接外部石英晶体和微调电容的一个引脚。（2） XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端，接外部石英晶体和微调电容的另一端。采用外部振荡器时，该引脚悬空。外接晶体引脚。80C51单片机内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，分别是80C51的19脚和18脚。在XTAL1和XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。如图3.7所示：图3.7 振荡电路石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，使MCS-51片内的OCS电路按石英晶振相同频率自激震荡。通常，OCS的输出时钟频率fosc为0.5MHZ16MHZ，典型值为12MHZ电容器C1和C2通常取30pF左右，对震荡频率有微调作用。调节它们可以达到微调震荡周期fosc的目的。3.2.4 89S51单片机的控制线（1） RST：复位输入端，高电平有效。（2） ALE/PROG：地址锁存允许/编程线。（3） PSEN：外部程序存储器的读选通线。（4） EA/Vpp：片外ROM允许访问端/编程电源端。 3.2.5 89S51单片机复位方式复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把程序计数器PC值初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键重新启动单片机。RST引脚是复位信号的输入端，高电平有效，其有效时间应持续24个震荡周期（即两个机器周期）以上。若使频率为6MHZ的晶振，则复位信号持续时间超过4s才能完成复位操作。复位操作由上电复位和按键手动复为两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图所示。只要电源VCC的上电时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的复位初始化。按键手动复位分为电平方式和脉冲方式两种。其中，电平复位是复位端通过电阻与VCC电源接通而实现的。脉冲复位是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。复位电路虽然简单，但其作用非常重要。一个单片机系统能复正常运行，首先要检查是否能复位成功。单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控，或工作中程序处于某种死循环状态，在这种情况下都需要复位. 复位的作用是使中央处理器CPU以及其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态,并从这个状态重新开始工作.89S51单片机的复位靠外部电路实现,信号由RESET(RST)引脚输入,高电平有效,在振荡器工作时,只要保持RST引脚高电平两个机器周期,单片机即复位. 复位后,PC程序计数器的内容为0000H,片内RAM中内容不变. 复位电路一般有上电复位、手动开关复位和自动复位电路3种,如图3.8所示. a.上电复位电路 b. 手动复位电路 c. 自动复位电路图3.8 单片机复位电路4 有毒气体检测系统总体设计4.1 硬件电路设计4.1.1 单片机最小系统硬件电路图4.1 单片机最小系统4.1.2 气敏检测系统由于生产厂家等等原因，离子室的参数会有所不同。因此必须外接并联电阻改变13脚的电位，以达到一定毒气浓度报警的目的。离子室的输出电平加到检测报警器负端；比较器正端为13脚经内部电阻分压得到的比较器门限电压。因此13脚对6脚并联电阻，会使V13上升，使灵敏度上升；13脚对4脚并联电阻，会使V13下降,使灵敏度降低。并联电阻数百千欧姆至数兆欧姆。图4.2 气敏传感器特性曲线图3-5. MQ-5的结构和外形MQ-5气敏元件的结构和外形如图3-5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设计中MQ-5的接线如图3-5所示，在实际的测量中，可以按照其等效电路来计算相应的校正数值，其中Ro表示的是测量气体在腔体内的等效电阻，RL是外接负载电阻，用来调整输出的模拟量电压范围，具体数值应根据A/D转换器的输入范围来确定，在TLC1543的输入范围是05V，这样RL可调整至该范围，保证测量得量程足够用7。工作过程：从图3.1可看出两发射管L 1、 L 2 发出的红外光强度一致。无毒气时, 由于两红外接受管的入射光强度相同且不变, 图3.1中比较器U 两输入端的电压(UA - U 0)也将保持不变,U 输出端为1 电平。有光照时,U两输入端的电压变为:(UA + $UA ) - (U B+ $UB ) = (UA - UB ) + ($UA -$UB)。式中, $UA、 $UB 为外界入射光引起的U 两输入端的电压变化。由于两接收管L 3、 L 4 距离较近, 外界入射光对L 3、 L 4 的影响几乎相同, 即 $UA$UB , 因而U 两输入端的电压仍为(UA - UB0) ,U 输出端仍为1 电平。发生火灾时, 毒气进入L 2 与L 4 间的窗口, 使入射到L 4 的光强减少,UA 变小而U B 不变, 使U A - U B 0,U 输出端由 1 变 0, 单片机测到该端为 0 时进入报警程序。为进一步降低传感器功耗, 延长发射管寿命, 可由单片机输出口P1 控制L 1、 L 2 在脉冲方式下工作, 即 P1 为 0 时(012 秒)Q 1 通, L 1、L 2 发射, 同时单片机检测U 输出端P2 的电平状态, 有毒气时, P2= 0, 若连续3 次测到P2= 0则进入报警程序。P1= 1 时(018 秒) ,Q 1 关断,L 1、 L 2不发射, 传感器进行自检。传感器的自检过程：传感器好坏关系到能否及时发现有毒气体, 因此传感器需经常自检以便及时发现问题。自检时单片机输出口 P1= 1,Q 2 导通(模拟毒气产生后的效果) , 单片机输入口 P2 若测到P2= 0 则正常, 否则说明该传感器有故障, 单片机进入故障报警。传感器工作时序见图4.3。图4.3 毒气传感器工作时序图气体检测报警过程 ：气敏传感器是一种把气体（多数为空气）中的有毒成分检测出来，并将它转换成适当的电信号的器件，如果以人们的感觉器官在作比喻，那么气敏传感器相当于人的鼻子（嗅觉）。但是人的嗅觉在灵敏其感知对象也是多样的。在我们周围，实际上存在的各种各样的气体，它们中的大部分将会成为气敏传感器的检测对象。根据气体的吸附和反应，利用半导体的功函数，对气体进行直接的检测。目前，正在积极开发的有金属/半导体结型二极管和金属栅的MOS场效应晶体管的敏感元件，主要利用它们与气体接触后整流特性以及晶体管作用的变化，制成对表面单位有直接测定的传感器。上电后，单片机首先进行初始化处理，然后从毒气探头读取毒气含量信息，在毒气浓度不越限的情况下，根据毒气的浓度值按照预定关系推算下一次的播报时间，并启动播报定时，每当播报时间到，单片机将最新一次采集的毒气浓度值转换成代码，控制语音合成单元进行语音播报。同时读取时间信息，并将时间信息和本次播报内容存入播报信息存放单元，以便日后查询和重播。当毒气出现越限时，单片机立即进入紧急播报状态，在此期间将每隔30s1min播报一次毒气浓度信息，且播报相应的注意事项。当单片机从毒气检测单元读取不到脉冲信号或脉冲信号不在正常范围内时，说明毒气检测单元出现故障，这时单片机将控制语音合成单元播放毒气单元故障信息，以提醒及时处理。毒气浓度值的重播是由一组重播按钮来控制的。重播按钮共有3个，其中一个负责向前快速搜索，一个负责向后快速搜索，一个为确认按钮。当查询XX年XX月XX日XX时XX分的毒气浓度时，先用快速按钮进行寻找，然后用确认按钮进行重播，当不操作搜索按钮直接操作确认按钮时，将重播最后一次的存放结果。MQ-N5为气敏传感器，它有四个引出电极：加热电极H-H1，输出电极为A-B。加热电极H-H1为高阻电热丝，通电即可加热。在加热的条件下，如果有可燃性气体充斥在A，B之间，则A，B之间的阻值将随气体浓度的增大而减小，把这一变化转化为电信号即可制成煤气检测电路。当A，B之间有煤气时，A，B间的电阻明显缩小，使得变阻器R5上电压增大，且随煤气浓度的增大而升高。如图3-3所示：传感器的A端接稳压管D3的阴极。图3-3 有害气体检测电路截图4.1.3抽排气体电路抽排气体电路主要元件是可控硅。可控硅亦称双向晶闸管，有三个极T1，T2，G其中T1为阳极、T2为阴极和门极G。它是由七个晶体三极管和多只电阻组成的功率集成器件。双向可控硅有四种触发状态：当G和T2相对于T1的电压为正时，电流方向为T2到T1；当G和T1相对于T2的电压为负