家用燃气报警器毕业设计论文.doc

.学校代码： 10128学 号：200810107021 本科毕业设计说明书（题 目：家用燃气泄漏报警装置的设计学生姓名：学 院：机械学院系 别：测控系专 业：测控技术与仪器班 级：测控08-1指导教师： 高 级 实 验 师二 0 一 二 年 六 月.摘 要燃气(人工煤气、天然气)的普及，为市民提供了方便，也提高市民的生活质量，但是任何事物都有它的两面性，在使用燃气的过程中，因燃气泄漏等原因造成的燃气爆炸、中毒等意外事故时有发生，给人们的生命和财产安全带来了严重的威胁，因此安全使用燃气，是不可忽视的一个重中之重的工作。家用燃气泄漏报警装置能有效监测环境中可燃气体(如CH4)的浓度，一旦其浓度超出报警限定值，就能发出声光报警信号，并且能随着浓度的增加报警音量逐渐加大，能及时起到安全防范的作用。本设计所研究的可燃性气体报警系统包括：气体信号采集电路、调理电路、模数转化电路、单片机系统电路、报警电路组成，首先利用传感器对可燃气体浓度信号进行监测并且转变成电压信号，选择合适的放大电路，将电压放大到A/D所要求的电压，经过模数转换，将检测的电压值送入单片机，在单片机内完成与设定的电压信号进行比较，当气体浓度超标时，驱动声音和灯光报警。关键词：传感器；报警器；单片机AbstractWith the popularity of Gas ,for example( artificial coal gas, natural gas ), It is provide a convenient to citizens and improve the quality of lives, But every coin has its two sides,at the use of gas in the process, gas explosion caused by gas leak, So that poisoning and other accidents have occurred, It is harm for people and property and brings the seriously threat to the safe use of gas at the same time, The Domestic gas leakage alarm device can effectively monitor the environment of combustible gases (such as CH4) leakage, Once its concentration beyond the alarm limit value, can send out sound and light alarm signals, and with the increasing concentration of alarm volume increased gradually, The alarm plays a significant role. the sensor especially gas sensors usage and use research are needed.The design and research of the family gas alarm system includes: gas signal acquisition circuit, analog-to-digital conversion electric control circuit, The signals are monitored and converted into voltage signal, select the appropriate amplification circuit, the voltage amplification to the requirement of the A/D voltage, after analog-digital conversion, the detected voltage value into the microcontroller, in the MCU completed within the voltage signal is compared with the set, when the gas concentration exceed the standard, drive the sound and light alarm.Keywords: sensor；alarm；SCM.目 录引 言1第一章 概 述21.1家用燃气泄露报警的概述21.2家用燃气泄露报警的发展21.3家用燃气泄露报警研究的目的与意义3第二章 燃气检测传感器的选择42.1气体传感器的选型42.1.1气体传感器介绍42.2.2气体传感器的主要参数和特性72.2.2气体传感器的选定82.2.3 MC101介绍8第三章 家用燃气泄露报警装置的硬件部分设计113.1系统硬件电路总体设计113.2家用燃气报警器的功能113.2.1声光报警功能113.2.2标准工作条件113.2.3外围接口电路的设计163.2.4 A/D转换主要技术指标183.2.5单片机与ADC0808接口电路183.2.6串口转并口芯片74HC164193.2.7数码管显示203.2.8声音灯光报警电路223.3总电路设计22第四章 燃气泄漏报警系统的软件部分设计244.1软件设计重要性244.2主程序设计流程图244.3软件设计的子程序基本思想284.3.1A/D转换284.3.2浓度转换294.3.3 数码显示30结 论32谢 辞33参考文献34图表清单表2-1 各种气体传感器可检测的气体种类 7表2-2 MC101技术指标 8图2-1 灵敏度特性图 9图2-2响应恢复特性图 9图2-3 输出信号随环境温度的变化图 9图2-4 输出信号随环境温度的变化图 10图2-5 输出信号随工作电压的变化图 10图2-6 输出信号随工作电压的变化图 10图2-7 传感器基本测试电路图 10表3-1 地址选通输入端 17表3-2引脚说明 20表3-3功能表 20图3-1燃气报警系统结构框图 12图3-2 AT89C51单片机 12图3-3时钟和复位电路 15图3-4电源电路电路、信号采集及放大电路16图3-5 ADC0808引脚图 17图3-6单片机与0808接口电路 19图3-7 74HC164 19图3-8数码管显示图 21图3-9 声音灯光报警电路 22图3-10燃气报警系统总电路图 23图4-1 主程序流程图25图4-2 A/D转换程序流程图28图4-3 浓度转换流程图29图4-4数码管显示流程图30.引 言随着我国燃气的变革及西气东输工程的进行，目前家家户户做饭离不开煤气、天然气，一旦泄露后果不堪设想，每年，因煤气泄漏引发的中毒事件，或因室内燃气泄漏浓度过高引起的爆炸，类似的事件也不少见。该设计装置可避免悲剧的发生，同时它又非常实用，具有良好的市场前景。本设计是一种实用的燃气泄漏报警装置，首先是气体浓度检测，并对气体浓度信号进行放大处理，经过A/D转换，将转换后的数字信号送入单片机，由单片机系统完成对气体浓度的显示以及报警功能，报警电路由蜂鸣器和二极管组成，显示电路由7407反相器驱动显示。家用燃气的主要成分是CH4，设计中传感器的选择是首要任务，经过市场调查，选取灵敏度高和性价比比较高的MC101传感器。在产品技术含量上，国内产品和国外产品差别不是很大，在一些指标上也有一定的超越，但是产品的大规模化生产才刚起步，需要积累经验和技术，所以在产品的一致性和长期稳定性存在差距，国内正在扩大发展大型企业和集团，以便带领国内企业冲击国外市场。.第一章 概 述1.1家用燃气泄露报警的概述燃气泄漏报警器是非常重要的燃气安全设备，它是安全使燃气的不可或缺一道保护。本设计中传感器的选择和单片机是设计的核心，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、经过单片机处理后实现报警功能。燃气泄漏报警器由气体传感器探测周围环境中的低浓度可燃气体，通过信号采样电路，将探测信号用模数转化电路转换成单片机可识别的数字量，当可燃气体浓度超过单片机控制设定的值时，控制器通过执行器或执行电路发出声光报警信号。1.2家用燃气泄露报警的发展目前，气体传感器的集中表现为：一是提高传感器灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合,这也是气体传感器一直追求的目标，如日本费加罗公司提出了检测（0.1-10*106硫化氢低功耗气体传感器，美国GneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器，实现了多功能化，智能化，气敏元件传感器作为新型气敏传感器在国家列为重点支持发展的情况下，国内已有一定的基础现状是：烧结型气敏元件仍是市场的主流。在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺。低功耗气敏元件已从产品研究进入中试。国内气敏元件传感器产量已经超过“九五”初期的400万支。总的说来，我国的安防报警产品才刚刚起步，无论从产品的技术含量、产品系列完整性、使用性、还是社会影响程度都是相当低的。国外的产品和品牌占领了我国的大部分市场，所以我们应该抓住机遇，迎接挑战，庆幸的是国营企业，民营企业经过几次产品的更新换代，为安防报警产品的技术提供了新的活力与动力，随着更多企业更大程度的投入安防产品的开发，使得我们夺回了很多产品的国内市场，同时也整装待发，向海外市场提出挑战。1.3家用燃气泄露报警研究的目的与意义燃气的泄露，给市民的生活带来了不便，严重影响了生命安全，如果采用燃气报警就能得到及时的警钟，有关部门专家经过长期测试，燃气报警器能防止泄露造成的事故发生的有效率达95%以上。面对这种隐形杀手的威胁，因此，无论是从中国企业的发展战略，还是为了维护家家户户一个平安的生活切身利益，都急需探究一款高效稳定的安防产品。在改革开放的30多年间，我国有很多企业不断发展壮大，已成为具有世界竞争力的世界级企业，但也有很多以前成功的企业现在却失败了，总结我国成功企业战略管理的成功经验，分析失败企业的教训，加以推广，对于解决我国企业当前和未来所面临的问题与挑战，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，燃气泄漏则是人们日长生活中需要测量和控制的一个重要问题，为了防止中毒事件再次发生，利用单片机系统进行有效的预防对策。所以提高新的燃气报警产品有重要的实践意义，怎样防止煤气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要。只有这样才能够在解释中国情景上形成新的理论，丰富或者补充国际上对新兴市场、经济带来的挑战。第二章 燃气检测传感器的选择2.1气体传感器的选型气体传感器是能将被测气体的浓度、类别和成分按一定规律转换成一定关系的电量输出的装置。通过电信号的大小可以获得待测气体的相关信息，从而可以进行检测、监控和报警。它是气电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量（即浓度）转化为电压或者电流信号，通过A/D转换电路，将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、及报警控制等工作。气体传感器作为气体浓度信号采集部分，是整个设计的核心之一，所以气体传感器选型是首要工作。2.1.1气体传感器介绍2.1.1.1气体传感器的分类气体传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类：1利用物理化学性质的气体传感器：如半导体气体传感器、接触燃烧式气体传感器。2利用物理性质的气体传感器：如热导气体传感器、光干涉气体传感器、红外传感器。3利用电化学性质的气体传感器：如电流型气体传感器、电势型气体传感器等。2.1.1.2气体传感器应满足的基本条件1能选择性的检测单一性气体，而对共存的其他气体不相应或低相应；2能对被测气体具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的气体浓度；3对检测信号相应速度快，重复性好；4长期工作稳定性好；5使用寿命长；6制造成本低，使用与维护方便。2.1.1.3常见气体传感器简介1半导体气体传感器半导体气体传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作匡气体传感器，以及用单晶半导体器件制作的气体传感器。自1962年半导体金属氧化物气体传感器问世以来，由十具有灵敏度高、响应快、输庄信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应几。该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的气体传感器之一。按贬敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。2固体电解质气体传感器固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏兀件，其厚理是利用气敏材料在通过气体时产生离子，测量其形成电动势从而测量气体浓度。由十这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，因而得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，其产量仅次于半导体气体传感器的一类传感器。但这种传感器制造成本高，检测气体范围有限，在检测环境污染领域中有优势。3接触燃烧式传感器可燃性气体与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。一般情况下，空气中的可燃气体的浓度都不太高。可燃性气体可以完全燃烧，发热量与其浓度有关。空气中可燃气体的浓度越大，氧化反应产生的热量就越多，铂丝的浓度变化越大，其电阻值增加就越多。阴齿，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值（R）就可以检测空气中可燃气体的浓度。4高分子气体传感器利用高分子气敏材料制作的气体传感器近年来得到很大的发展。高分子气敏材料在遇到特定气体时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播进度和频率、材料重量等物理性能发生变化。高分子气敏材料由十具有易拣作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表雨波器件相结合，在毒性气体和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。高分子气体传感器具有对特定气体分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它气体传感器的不足。5电化学传感器电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。气体浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。它的优点是: 反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短(大约两年)。它主要适用十毒性气体检测。目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。 6热传导传感器热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。它的测量原理是:将加热后的铂电阻线圈置十目标气体中，由于向目标气体传送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻值的变化情况。温度的变化情况是目标气体热传导率的函数，而对十一种给定的气体或汽化物，热传导率是它固有的物理特性。 7红外传感器红外传感器通常用两束红外光进行气体测量，主光束通过测量兀件内的目标气体，参考光束通过比较兀件内的参考气体。在测量和比较兀件中，红外射线被气体有选择地吸收了。未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比十目标气体浓度的差分信号。非扩散式红外探测器NDIR(non-dispersive IR)是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。不同的气体吸收不同波长的IR，所以传感器根据目标气体而调整，典型应用包括测量CO和CO2，冷冻剂厌恶和一些易燃气，由于非碳氢化合物易燃气体（如氢）不吸收电磁普中IR部分能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物，并且有最小的交叉灵敏度，而且不受其他气体的腐蚀以及高浓度目标烟雾的影响。2.1.1.4常见气体传感器可检测气体种类由于气体的种类繁多，一种类型的气体传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测一种或者两种特定性质的气体。例如氧化物半导体气敏传感器主要检测各种还原性烟雾，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固体电解质气体传感器主要用于检测无机气体，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。简要例举出已经研究、开发的各类气体传感器及其可检测的气体种类表2-1 各种气体传感器可检测的气体种类 传感器的种类CO2H2sNH3HCNHClCOCl2Cl2NOxSO2O2CH4C2H2H2H2O半导体气体传感器固体电解质传感器催化燃烧式传感器电化学传感器高分子电解质气体传感器2.2.2气体传感器的主要参数和特性灵敏度灵敏度是气敏传感器的一个重要参数，用K表示，它标志着气敏元件对气体的灵敏程度。用K表示，用其阻值变化量R与气体浓度变化量P之比表示。响应时间气敏传感器的响应时间是指在工作温度下气敏元件对被测气体的响应速度。从气敏元件与被测气体接触，到气敏元件的阻值达到新的恒定值所需要的响应时间。选择性气敏传感器在相同条件下，接触同一浓度、不同种类气体是，区分气体种类的能力成为选择性，传感器催某种气体的选择性好，就表示传感器对它有较高的的灵敏度。稳定性当检测的气体浓度不变时，气敏元件的输出也应保持不变，单实际情况会受其他条件变化的影响而发生变化，这种在其他条件发生变化时气敏元件输出特性保持不变的能力称为稳定性。温度特性气敏元件的特性岁温度变化儿发生变化的特性称为温度特性。元件自身温度对灵敏度的影响相当大，解决这个问题的措施之一就是用温度补偿法。湿度特性气敏元件的特性岁环境湿度不同而发生变化的特性称为湿度特性。电压特性气敏元件的灵敏度随电压变化的特性称为电源电压特性。2.2.2气体传感器的选定根据传感器的主要参数和特性指标以及结合本设计所要求的检测浓度范围，选MC101作为本设计的传感器2.2.3 MC101介绍2.2.3.1简介MC101型催化元件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，该电压变化随气体浓度增大而正比例增大，补偿元件起到参比及温度补偿作用。2.2.3.2MC101特点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、可靠优异的抗H2S，有机硅中毒能力表2-2 MC101技术指标产品型号MC101产品类型载体催化气敏元件标准封装塑料封装工作电压（V）3.00.1工作电流（mA）11010灵敏度（mV）1%甲烷25501%丁烷30501%氢气2545线形度（%）5测量范围（%）0100响应时间（90%）10s恢复时间（90%）30s使用环境-40+70低于95%RH保存环境-20+70低于95%RH外形尺寸（mm）12mm*8mm2.2.3.3灵敏度、响应恢复特性图2-1 灵敏度特性图图2-2响应恢复特性图2.2.3.4输出信号随环境温度的变化图2-3 输出信号随环境温度的变化图图2-4 输出信号随环境温度的变化图2.2.3.5输出信号随工作电压的变化图2-5 输出信号随工作电压的变化图图2-6 输出信号随工作电压的变化图2.2.3.6基本测试电路图2-7 传感器基本测试电路图第三章 家用燃气泄露报警装置的硬件部分设计3.1系统硬件电路总体设计系统的工作原理是利用燃气传感器将可燃气浓度变换为mV级模拟电流信号，放大器把信号放大后，通过A/D转换器，变换成数字量送入单片机进行数据分析。对其进行分别处理。MC101催化燃烧式气体传感器主要是对CH4气体浓度进行精密的单项检测。空气中的气体浓度信号同时进入单片机，单片机对其进行分析，并输出信号到显示器，当检测信号达到限定的预设值时，单片机将输出信号驱动报警，驱动蜂鸣器发出声响，报警LED发光。 燃气泄漏报警系统结构框图如图所示，该系统传感器和单片机是两大核心，他们共同配合完成气体信号采集、显示、生意及闪烁报警功能，系统采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，保证报警器的精确性及可靠性，成本低，有利于减少报警器的体积。使用AT89C51单片机，选用催化式气敏元件MC101作为敏感元件，通过A/D转换器和声光报警电路，设计可用于家用燃气泄漏报警器，仪器的最基本组成部分包括：气体传感器，模数转化电路，AT89C51单片机，声光报警电路。传感器将气体浓度信号转化为模拟的电信号。经过放大电路，将传感器的输出端微弱信号转化为A/D转化器能识别的电压信号范围，单片机对该数字信号进行数字处理，并对处理后的数据进行分析，通过与预设值的比较，由单片机实现不同的声光报警功能。3.2家用燃气报警器的功能3.2.1声光报警功能当传感器检测的气体浓度达到预设值时，蜂鸣器开始报警，声音70dB并随着浓度的增加报警音量逐渐加大，同时伴随红灯闪烁，通过有明显变化的信号引起人们的警觉意识。3.2.2标准工作条件3.2.2.1单片机的选择气体传感器放大器A/D转换器AT89C51单片机电源声音报警灯光报警图3-1燃气报警系统结构框图单片机作为燃气泄漏报警的核心器件，一方面他要接受来自传感器的气体浓度的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对两种信号分别进行处理，控制后续电路的相应工作；同时，查询是否有键按下的命令。在单片机实现的功能中，将模数转换后的信号做数字滤波，在进行线性化处理，这一过程的软件实现，需要单片机有较快的运算速度，使仪表检测人员能够观测到并进行相应处理。同时，在能够满足报警器设计的计算速度及接口数的要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。3.2.2.2AT89C51单片机AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含4KB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128B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MSC-51指令系统，片内置通用8位（CPU和Flash存储单元）功能强大。3.2.2.3AT89C51的主要性能参数如下：（1）与MSC-51产品指令系统完全兼容。（2）4KB可重复擦写Flash闪速存储器。 （3）1000次擦写周期。（4）三级加密程序存储器。（5）1288B内部RAM。（6）32个可编程I/O口线。（7）2个16位定时/计数器。（8）6个中断源。（9）可编程串行UART通道。（10）低功耗空闲和掉电模式。（11）全静态操纵：AT89C51为0Hz24MHz。（12）AT89C51的工作电源电压为5V。3.2.2.5引脚功能说明P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可做输入口，做输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。Flash编程和程序校验期间，P1口接收低8位地址。P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可做输入口，做输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器或16为地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2）寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接受高位地址和其他控制信号。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，他们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。做输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。3.2.2.6控制信号线RST：复位输入。当振荡器工作室，RST引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程序存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以始终振荡频率1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。更注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。PSEN：程序存储允许（PSEN）输出时外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号不出现。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3.2.3.6时钟和复位电路采用内部时钟方式利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接晶振，就构成了自激振荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟电路。外接晶振时，C1和C2的值通常选择30pF左右；C1、C2对频率有微调作用，晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在1.212MHz之间选择。本设计选择了6MHz，电容为1uF，为了减小寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装的与单片机引脚XTAL1和XTAL2靠近。复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。在整个燃气报警系统中，要要进行不同的实验，因而系统要先复位，单片机系统在上电运行时，都需要初始化，其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，单片机本身不能进行复位，如果实现此功能必须配合相应的外部复位电路。单片机的外部复位电路有上电复位和按键均有效的复位两种，我们在涉及单片机复位时选择按键复位。图3-3时钟和复位电路AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XLAT1和XLAT2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路如图所示。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1，C2接在放大器的反馈电路中并构成并联振荡电路。对外接电容C1，C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐电容使用30 pF10pF，而如果使用陶瓷谐振器建议选40 pF10pF。用户可以采用外部时钟。采用时钟的电路如图5右图所示。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。3.2.3外围接口电路的设计3.2.3.1数据采集单元可燃气体经过MC101催化燃烧式传感器检测到2001000ppmCH4将其变成315mV电压信号，有放大电路放大300倍，变成0.93V电压信号，由于单片机需要可别的数字信号，所以将放大后的信号传给A/D转换芯片。放大电路中放大300倍公式： （3-1） （3-2）由此可得： （3-3）图3-4电源电路电路、信号采集及放大电路3.2.3.2 ADC0808介绍ADC0808是一种8位主次逼近式A/D转换器，其内部结构如图8-3所示，其中包括8路模拟量开关、地址锁存与译码、8位A/D转换器和三态输出锁存器。多路开关外接8路模拟量输入端，可对8路05V的输入模拟电压信号分时进行转换，输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到单片机数据总线上。A/D转换器的电路综合功能如下：（1） 分辨率为8位。（2） 最大不可调误差小于1LSB。（3） 单一+5V供电，模拟输入范围为05V。（4） 具有锁存控制的8路模拟开关。（5） 可锁存三态输出，输出与TTL兼容。（6） 功耗为15mW。（7） 不必进行零点和满度调整。（8） 转换速率取决于芯片的时钟频率，时钟频率范围为101280kHz，当时钟为300kHz时，转换速率为128us。ADC0808的引脚图如图所示，下面说明器引脚功能。ININ7 8路模拟量输入端口。D0(28)D7(21) 8位数字量输出端口。START 启动控制器输入端口，加正脉冲后，A/D转换开始ALE 地址锁存控制端口，高电平时把3个地址信号送入地址锁存器，并经译码器得到地址输出，以选择相应的模拟输入通道。EOC 转换结束信号输出端，转换开始后，EOC信号变低，转换结束时，EOC返回高电平。OE 输出允许控制端口，OE端的电平由低变高时，打开三态输出锁存器，将转换结果的数字量送到数据总线上CLK 时钟信号端口。REF(+)和REF(-) 参考电压输入端，一般的，REF(+)与VCC相连，REF(-)与GND相连。ADDAADDC 8路模拟开关的3为地址选通输入端，用以选择对应的输入通道。其对应关系如表3-1所示。表3-1 地址选通输入端ADDCADDBADDA输入通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7VCC 电源电压。GND 地。3.2.4 A/D转换主要技术指标分辨率A/D转换器的分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入的模拟电压变化量。习惯上以输出的二进制位数或BCD码位数表示。例如，分辨率为12 的A/D转换器，表示该转换器的输出数据可以用212个二进制数进行量化。如果用百分数来表示，则分辨率为：量化误差量化误差是由A/D转换器的有限分辨率所引起的误差。在布吉其他误差的情况下，一个分辨率有闲的A/D转换器的阶梯状转移特性曲线与具有无限分辨率的A/D转换器转换特性曲线（直线）之间的最大偏差，称为量化误差。转换精度A/D转换器的转换精度，反应了一个实际A/D转换器在量化值上与理想A/D转换器的差值，可以表示成绝对误差和相对误差。转换速率A/D转换器的转换速率就是能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。而完成一次A/D转换所需要的时间，则是转换速率的倒数。3.2.5单片机与ADC0808接口电路A/D转换器把05V电压信号转换成8位的二进制数输入单片机，电压信号为0V时转换器为00000000（00H），电压信号为5V时转换器为11111111（FFH）在设计仿真中电压大于0.9时启动报警电路报警。ADC0808内部带有三态锁存数据输出缓冲器)，可直接与单片机相连。一个ADC开始转换时，必须加一个启动转换信号，这一启动信号要由单片机提供。通常用WR和地址译码器的输出经一定的逻辑电路进行控制。对于电平启动型ADC，当把符合要求的电平加到启动控制端上时，立即开始转换。在转换过程中，必须保持这一电平，否则会终止转换的进行。因此，在这种启动方式下，单片机的控制信号必须经过锁存器保持一段时间，本设计通过D触发器实现。A/D转换器电路如下图所示图3-6单片机与0808接口电路3.2.6串口转并口芯片74HC1643.2.6.1概述74HC164是高速硅门CMOS器件，与低功耗肖特基性TTL（LSTTL）器件的引脚兼容。74HC164是8位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出，数据通过两个输入端（DSA和DSB）之一串行输入；任意输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接入高电平，一定不要悬空。时钟（CP）每次有低变高时，数据右移一位，输入到Q0，Q0是两个数据输入端（DSA或DSB）的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。主复位（MR）输入端上的一个低电平将使其他所有端都无效，同时非同步地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。74HC13.2.6.2特性门控串行数据收入异步中央复位符合JEDEC标准no.7A静电放电（ESD）保护：HBM EIA/JESD22-A114-B 超过 2000 V MM EIA/JESD22-A115-A 超过 200 V 。 多种封装形式 额定从-40 C至+85 C和-40 C至+125 C。3.2.6.3极限参数直流电压VDD：-0.5v7v输入嵌位电流：-20MA20MA输出嵌位电流：-20MA20MA连续输出电流：-25MA25MA通过VCC或GND电流：-50MA50MA引脚焊接温度：+265度3.2.6.4引脚说明表3-2引脚说明符号引脚说明DSA1数据输入DSB2数据输入Q0Q336输出GND7地（0v）CP8时钟输入（低电平到高电平边沿触发）MR9中央复位输入（低电平有效）Q4Q71013输出VCC14正电源3.2.6.5功能H=HIGH（高）电平h=先于低-至-高时钟越变一个建立时间（set-up time）的HIGH（高）电平L=LOW（低）电平L=先于低-至-高时钟越变一个建立时间（set-up time）的LOW（低）电平Q=小写字母代表先于低-至-高时钟越变一个建立时间的参考输入（referenced input）的状态=低-至-高时钟越变3.2.7数码管显示本设计的显示电路是由LED八段数码管实现的，为了可以更加精确的实现所测可燃气浓度，此显示电路采用由四个数码管组成的动态显示电路。本次设计利用74HC164反相器作为数码管的段驱动电路，7407反相器作为为驱动电路。图3-8数码管显示图3.2.8声音灯光报警电路声光报警电路如图所示。报警装置采用蜂鸣器较一般的蜂鸣器体积大，声音响亮，对于家用燃气报警器非常实用，能够有效的引起人们的警觉意识，单片机AT89C51通过8个引脚（P1.0P1.7）驱动DAC0808达到控制三极管导通，蜂鸣器报警。红灯不亮表示正常状态，表示环境中的可燃气浓度处于极低状态，当气体传感器检测的浓度信号达到所限定值的要求时，红灯开始闪亮，提醒用户尽快采取安全方法措施。当可燃气浓度超过报警所要求的预设值时，报警器发出声音，红灯闪亮，并且随着燃气浓度的增加灯光闪亮频率加快，用户能及时撤离现场。图3-9 声音灯光报警电路3.3总电路设计应设计要求，本设计通过AT89C551单片机实现，AT89C551单片机的主控电路包括：时钟电路、复位电路。传感器在本设计中实现了把非电量的气体浓度信号转换成电压信号，21世纪，电子技术更新换代非常快，随着电子计算机技术的飞速发展，只能检测，自动控制彰显出了它的优势，通常接触的设备只能解决电信号，所以，需要将被测非电量的信号由传感器转换成电信号。本设计气体浓度信号采集是首要任务，传感器也就在自动控制担任首要的角色，如果传感器不能精确的对原始信号进行采集和转换，所有的自动检测和自动控制系统也就失去了它的意义，传感器的发展关乎着现代科学技术发展的命脉，所以要慎重的选用传感器，本设计中，我们选择的MC101型气体传感器接在放大器的输入接口。将单片机与外围接口电路，AT89C51与74HC164芯片相连的串口转并口数码管显示电路、AT89C51与ADC0808实现A/D转换的电路、AT89C51与声光报警电路。就得到了以AT89C51为核心的气体报警电路总电路图。当气体浓度达到200ppm时，催化式气体传感器产生模拟电压，ADC0808将传感器产生的模拟信号，转化成AT89C51单片机所能识别的数字量电压量，由AT89C51单片机控制驱动声光报警电路。综上所述，总电路图如图所示：图3-10燃气报警系统总电路图第四章 燃气泄漏报警系统的软件部分设计4.1软件设计重要性 软件开发阶段包括软件的设计、程序编码、软件测试，占据软件项目开发总成本的绝大部分，是软件开发质量的关键环节。 软件设计是开发阶段最重要的步骤，它包括总体设计和详细设计，是将需求转化为软件产品的唯一途径。 软件设计作出的决策，最终影响软件实现的成败。 设计是软件工程和软件维护的基础。4.2主程序设计流程图主程序流程图如图所示，系统先进行初始化，数据采集的功能：传感器采集气体浓度信号，信号经放大电路，经过A/D转换成AT89C51单片机可识别的数字量。在单片机内部实现将浓度值与预先设定好的报警值比较，判断是否报警，分200ppm，1000ppm两个浓度等级报警，完善报警功能，使用户更加便利。否是是不报警一级报警结束开始初始化工作方式调用A/D转换子程序调用浓度转换子程序调用显示子程序是否200是否1000结束二级报警结束图4-1 主程序流程图4.2.1主程序的编程#include#include#define MIN 46/200ppm对应的数字量#define MAX 225/1000ppm对应的数字量sbit V0=P20;sbit V1=P21;sbit V2=P22;sbit V3=P23;sbit START=P36;sbit EOC=P32;sbit ALE=P27;sbit OE=P37;int A1,A2,A3,A4; float x,y,v;void delays(int a);/延时程序while(a-);float get_ADC0808()/计算ADC输入电压int getdata;ALE=1;START=1;ALE=0;START=0;delays(10);ALE=1;START=1;While(EOC!=0);OE=0;delays(10);OE=1;getdata=P0;v=5/255*getdata;return(v);DONGDU()/浓度转换int flag；y= get_ADC0808();x=y*2000/9;/浓度计算公式单位ppmA4=x%10；flag=x/10;A3=falg%10;flag=flag/100;A2=flag%10;flag=flag/1000;A1=flag;display()/显示程序SBUF=A1;while(TI!=1); V1=0; delay (10);V1=1;SBUF=A2;while(TI!=1); V2=0; delay (10);V2=1;SBUF=A3;while(TI!=1); V3=0; delay (10);V2