燃气泄漏报警与应急系统的设计本科毕业论文.doc

沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 I 摘要摘要 本文设计了一个燃气泄漏报警与应急系统 以 MCS 51 单片机为核心 利用气敏 传感器 检测电路 报警电路 并用 LED 显示当前环境实时温度 当环境中泄漏气 体浓度超过限制时 系统发出声光报警 同时打开排风扇应急 当警报解除时 可 以复位电路 各个功能正常运作 本设计共分两部分 硬件系统设计和软件系统设计 硬件部分利用气敏传感器 和温度传感器 对环境中的燃气浓度进行检测 经过单片机系统将处理的数据送 LED 显示实时温度 声光报警电路由蜂鸣器和发光二极管组成 软件部分用 C 语言 进行编程 采用模块化设计思想 该系统通过调试后 能够较好的完成燃气泄露报 警和温度显示 并对燃气泄漏进行相应的处理 关键词关键词 燃气泄漏 报警 应急 温度检测 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 II Abstract This paper designs a gas leak alarm and emergency system with MCS 51 single chip microcomputer as the core and use of gas sensors detection circuit alarm circuit and LED display the current environmental real time temperature When the concentration of gas leakage environment than limit when acousto optic alarm open a platoon emergency While warnings can reset circuit each function normal operation The design of two parts hardware design and software design system The hardware part USES gas sensors and temperature sensor the gas concentrations of environment through the data processing SCM system will send LED display real time temperature sound light alarm circuit composed by the buzzer and light emitting diodes Software part C language program modular design thought The system through the debugging can better finish gas leak alarm and temperature display and gas leakage corresponding processing Key words gas leak Alarm Emergency Temperature detection 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 III 目目 录录 1 绪论 1 1 1 课题研究的背景 1 1 2 课题研究的目的 1 1 3 国内外研究现状及发展动态 2 1 4 本文的内容安排 4 2 方案论证 5 3 系统硬件设计 7 3 1 单片机 7 3 2 A D 转换器的选择 13 3 2 LED 数码管 16 3 3 18B20 温度传感器 17 3 4 MAXL813L 芯片的介绍 18 3 5 气敏传感器的测量电路的设计 19 3 6 报警电路的设计 21 4 软件设计 22 4 1 主程序设计 22 4 2 显示程序设计 24 5 系统调试 25 5 1 硬件调试及错误分析 25 5 2 软件调试及错误分析 25 5 3 系统联调 25 结 论 27 致 谢 28 参考文献 29 附录 C 语言程序清单 30 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 1 1 1 绪论绪论 1 11 1 课题研究的背景课题研究的背景 随着我国燃气的变革及西气东输工程的进行 煤气或天燃气已成为多数家庭的 燃料 每年 因煤气泄露造成的煤气中毒事故中 因使用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 所以如果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 人待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 人体吸入有毒气体一氧化碳后 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 如果长时间吸入泄露的煤气甚至 会发生中毒死亡 一氧化碳中毒属内科急症 如不及时发现及治疗 将会危及生命 近年来 我国部分地区非职业性一氧化碳中毒事件时有发生 特别是冬春季高发 据不完全统计 我国 2006 年因非职业性一氧化碳中毒 造成至少 3850 人中毒 142 人死亡 2007 年 3 5 月份 南汇区发生了 2 起非职业性一氧化碳中毒事件 1 21 2 课题研究的目的课题研究的目的 人们面对燃气泄漏而造成的种种事故威胁 就真的没有一个彻底的解决办法吗 据有关专家介绍 使用燃气报警器是对付燃气无形杀手的重要手段之一 燃气专家 指出 燃气泄漏或废气排放而大量产生的一氧化碳是燃气中毒事件的根源 如采用 燃气泄漏报警器就能得到及时的警示 有关部门经长期测试同样得出结论 燃气报 警器防止一氧化碳中毒事故发生的有效率达 95 以上 计算机的普及和信息技术的迅猛发展 人们己不满足于传统的居住环境 对家 庭及住宅小区提出了更高的要求 智能化被引入家庭 并迅速在世界各地发展起来 人们对居住环境要求的日见增高 体现在希望住宅不仅更便利 舒适而且更安全 单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛 煤气泄漏则是人们日常生活中常 常需要测量和控制的一个问题 单片机有利于为现代人工作 科研 生活 提供更 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 2 好的更方便的设施 为了防止中毒事件再次发生 提出利用单片机系统进行有效的 预防对策 所以怎样防止煤气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要 为此我们开发研 制了智能煤气报警系统 1 31 3 国内外研究现状及发展动态国内外研究现状及发展动态 民用可燃气体报警器为居民家庭用的燃气报警器 一般安装在厨房 遇燃气泄 漏时 报警器可发出声光报警 或同时伴有数字显示 同时联动外部设备 有的报 警器可自动开启排风扇 把燃气排出室外 有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀 门 以防燃气继续泄漏 在应用方面 目前最广泛的是可燃性气体气敏元件传感器 已普及应用于气体 泄漏检测和监控 从工厂企业到居民家庭 应用十分广泛 仅以用于安全保护家用 燃气泄漏报警器为例 日本早在 1980 年 1 月开始实行安装城市煤气 液化石油气报 警器法规 1986 年 5 月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针 美国目前 已有 6 个州立法 规定家庭 公寓等都要安装 CO 报警器 报警器种类也相当繁多 有用于一般家庭 集体住宅 饮食餐店 医院 学校 工厂的各种气体报警器和系 统 有单体分离型报警器 外部报警系统 集中监视系统 遮断连动系统 防止中 毒报警防护系统等 结构型式有袖珍型便携式 手推式 固定式报警等 工业用固 定式报警又有壁挂式 台放式 单台监控式 多路巡检式等 气体检测技术与计算 机技术相结合 实现了智能化 多功能化 美国工业科学公司 ISC 一台携带式气 体监控仪可实现 4 种气体监测 采用了统一的软件 只需要换气体传感器 即可实 现对特定气体监测 美国国际传感器技术 IST 公司应用一种 MegaCas 传感器和 微程序控制单元 可检测 100 种以上毒性气体和可燃性气体 通过其 气体检索 功 能扫描 能很快确定是哪一种气体 可燃气体传感器的发展也成为气体检测系统的代表性标志 近年来 由于在工业生产 家庭安全 环境监测和医疗等领域对气体传感器的 精度 性能 稳定性方面的要求越来越高 因此对气体传感器的研究和开发也越来 越重要 随着先进科学技术的应用 气体传感器发展的趋势是微型化 智能化和多 功能化 深入研究和把握有机 无机 生物和各种材料的特性及相互作用 理解各 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 3 类气体传感器的工作原理和作用机理 正确选择各类传感器的敏感材料 灵活运用 微机械加工技术 敏感薄膜形成技术 微电子技术 光纤技术等 使传感器性能最 优化是气体传感器的发展方向 国外气体传感器发展很快 一方面是由于人们安全意识增强 对环境安全性和 生活舒适性要求提高 另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动 因此 国外气体传感器技术得到了较快发展 据有关统计猜测 美国 1996 年 2002 年气体传感器年均增长率为 27 30 目前 气体传感器的发展趋势集中表现为 一是提高灵敏度和工作性能 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 如日本费加罗公司推出了检测 0 1 10 10 6 硫化氢低功耗气体传感 器 美国 IST 提供了寿命达 10 年以上的气体传感器 美国 FirstAlert 公司推出了生 物模拟型 光化反应型 低功耗 CO 气体传感器等 二是增强可靠性 实现元件和 应用电路集成化 多功能化 发展 MEMS 技术 发展现场适用的变送器和智能型传 感器 如美国 GeneralMonitors 公司在传感器中嵌入微处理器 使气体传感器具有控 制校准和监视故障状况功能 实现了智能化 还有前已涉及的美国 IST 公司的具有 微处理器的 MegaGas 传感器实现了智能化 多功能化 气敏元件传感器作为新型敏感元件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 其现状是 1 烧结型气敏元件仍是生产的主流 占总量 90 以上 接触燃绕式气敏元 件已具备了生产基础和能力 电化学气体传感器有了试制产品 2 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 使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏 在结构方面研制了补偿 复合结构 组合差动结构以及集成化阵列结构 在气敏材料方面 SnO2 和 Fe2O3 材 料已用于批量生产气敏元件 新研究开发的 Al2O3 气敏材料 石英晶体和有机半导 体等也开始用于气敏材料 3 低功耗气敏元件 如一氧化碳 甲烷等气敏元件 已从产品研究进入中试 4 国内气敏元件传感器产量已超过 九五 初期的 400 万支 产量超过 20 万 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 4 支的主要厂家有 5 家 黑龙江敏感集团 太原电子厂 云南春光器材厂 天津费加 罗公司 合资 北京电子管厂 特种电器厂 其中前四家都超过 100 万支 据行 业协会统计 1998 年全国气敏元件总产量已超过 600 万支 总的看来 我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展 但与国外先进水 平仍有较大的差距 主要是产品制造技术 产业化及应用等方面的差距 与日本比 较仍要落后 10 年 1 1 4 4 本文的内容安排本文的内容安排 针对经常发生的煤气泄漏中毒事件 采用煤气 甲烷 乙烷及一氧化碳等气体 传感器 单片机 电磁阀和电铃 设计一套有毒气体检测 报警电路 用单片机模 块分路控制继电器 发光二极管和蜂鸣器 报警系统由硬件和软件两大部分组成 其中硬件部分由各报警感应器 感应器 控制器 主控器等设备组成 软件部分主要是报警系统控制程序 气敏传感器用来 检测空气中煤气的浓度 当空气中煤气含量超过允许标准浓度后 感应器所获得的 感应信号均被感应器控制器所接收 再由感应器控制器对各感应信号进行相应识别 和处理 并将处理后的感应信号通过串口送至主控器 由主控器对其采取相应的警 报动作 报警信号加至报警声响电路的控制端后 报警声响电路被触发 发出报警 声 同时打开排风扇 本课题在硬件设计方面主要研究组成家用煤气泄漏报警控制系统的单片机芯片 气体传感器总线的使用方法 同时研究电路设计思路 电路组成 包括控制芯片 气体传感器 单片机 显示电路等的选用和设计 最后给出结构框图 电路原理图 系统软件设计方面的分析设计包括主机和从机程序设计分析等 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 5 2 2 方案论证方案论证 采用单片机技术 实现了控制功能的多样化和智能化 简化了电路 降低了成 本 提高了稳定性 传感器损坏报警及方便更换的特点 提高了系统的可靠性 延 长了整机的使用寿命 另外 如果利用保留的单片机串口 增设通讯模块和相关程 序 此系统还可作为集群监控系统中的下位机和现场执行机 在应用中 系统运行 稳定 可靠 灵敏 与同类报警系统相比 本系统性价比更高 使用更为方便 因 此具有广阔的应用前景 系统主要由单片机电路 检测电路 报警电路和应急处理电路组成 系统框图如图 2 1 所示 单 片 机 检 测 电 路 报 警 电 路 应急处理电路 LED 显示电路 路 D 温度传感器 A D 转换 图 2 1 系统框图 检测电路包括燃气泄漏检测和气敏元件损坏检测两部分 原理电路如图 3 9 所 示 气敏传感器选用 QM 型 这是由金属氧化物半导体材料制成的 气 电 转换 器件 当有燃气泄漏时 其表面会发生化学吸附 使本身电阻 图中 AA 间的电阻 下降 且燃气浓度越高 电阻下降越多 利用该特性并通过 VT1 等元件组成的开关 电路即可获得 气 电 信号 完成燃气泄漏的检测 调节 RP 1 可设置不同燃气 的报警限 C2 为延时电容 用于减小传感器初始稳态的影响 气敏传感器在使用中 其热丝可能烧断 但难以发现 致使用户在毫不知 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 6 情的情况下继续使用已失效的燃气报警器 为能及时发现传感器的损坏 本系统特 别设计了气敏元件自检电路 由 R3 R7 VT2 VT3 等组成 元件正常时 R3 上有 电压信号 如热丝烧断 该信号为 0 VT3 集电极输出低电平至单片机 点亮黄灯报 警 能使用户及时发现 同时 气敏传感器不直接焊入电路 而是通过七脚电子管 座与电路连接 若损坏可方便地从管座中拨出换新 从而解决了更换难的问题 图 2 2 检测电路 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 7 3 3 系统硬件设计系统硬件设计 3 13 1 单片机单片机 目前 单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着 CMOS 化 低 功耗 小体积 大容量 高性能 低价格和外围电路内装化等几个方面发展 下面 是单片机的主要发展趋势 由于 CHMOS 技术的进入 大大地促进了单片机的 CMOS 化 CMOS 芯片除了 低功耗特性之外 还具有功耗的可控性 使单片机可以工作在功耗精细管理状态 这也是今后以 80C51 取代 8051 为标准 MCU 芯片的原因 因为单片机芯片多数是采用 CMOS 金属栅氧化物 半导体工艺生产 CMOS 电路的特点是低功耗 高密度 低速 度 低价格 采用双极型半导体工艺的 TTL 电路速度快 但功耗和芯片面积较大 随着技术和工艺水平的提高 又出现了 HMOS 高密度 高速度 MOS 和 CHMOS 工艺 CHMOS 和 HMOS 工艺的结合 目前生产的 CHMOS 电路已达到 LSTTL 的速度 传输延迟 时间小于 2ns 它的综合优势已在于 TTL 电路 因而 在单片机领域 CMOS 正在逐渐 取代 TTL 电路 低功耗化 单片机的功耗已从 Ma 级 甚至 1uA 以下 使用电压在 3 6V 之间 完全适应电池工作 低功耗化的效应不仅是功耗低 而且带来了产品的 高可靠性 高抗干扰能力以及产品的便携化 低电压化 几乎所有的单片机都有 WAIT STOP 等省电运行方式 允许使用的电压范围越来越宽 一般在 3 6V 范围内 工作 低电压供电的单片机电源下限已可达 1 2V 目前 0 8V 供电的单片机已经问 世 低噪声与高可靠性 为提高单片机的抗电磁干扰能力 使产品能适应恶劣的工作 环境 满足电磁兼容性方面更高标准的要求 各单片厂家在单片机内部电路中都采 用了新的技术措施 大容量化 以往单片机内的 ROM 为 1KB 4KB RAM 为 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 8 64 128B 但在需要复杂控制的场合 该存储容量是不够的 必须进行外接扩充 为 了适应这种领域的要求 须运用新的工艺 使片内存储器大容量化 目前 单片机 内 ROM 最大可达 64KB RAM 最大为 2KB 高性能化 主要是指进一步改进 CPU 的 性能 加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性 采用精简指令集 RISC 结 构和流水线技术 可以大幅度提高运行速度 现指令速度最高者已达 100MIPS Million Instruction Per Seconds 即兆指令每秒 并加强了位处理功 能 中断和定时控制功能 这类单片机的运算速度比标准的单片机高出 10 倍以上 由于这类单片机有极高的指令速度 就可以用软件模拟其 I O 功能 由此引入了虚 拟外设的新概念 随着半导体集成工艺的不断发展 单片机的集成度将更高 体积将更小 功能 将列强 在单片机家族中 80C51 系列是其中的佼佼者 加之 Intel 公司将其 MCS 51 系列中的 80C51 内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名 IC 制造厂商 如 Philips NEC Atmel AMD 华邦等 这些公司都在保持与 80C51 单片机兼容的基础上改善了 80C51 的许多特性 这样 80C51 就变成有众多制造厂 商支持的 发展出上百品种的大家族 现统称为 80C51 系列 80C51 单片机已成为 单片机发展的主流 专家认为 虽然世界上的 MCU 品种繁多 功能各异 开发装 置也互不兼容 但是客观发展表明 80C51 可能最终形成事实上的标准 MCU 单片机是在一块硅片上集成了微处理器 CPU 存储器 RAM ROM EPROM 和各种 输入 输出接口 定时器 计数器 并行 I O 口 串行口 A D 转换器以及脉冲调制 器 PWM 等 这样一块芯片具有一台计算机的属性 因而被称为单片微型计算机 简 称单片机 单片机广泛应用于仪器仪表 家用电器 医用设备 航空航天 专用设备的智 能化管理及过程控制等领域 此外 单片机在工商 金融 科研 教育 国防航空 航天等领域都有着十分广泛的用途 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 9 图3 1 AT89C51单片机 引脚解析 1 电源引脚 VCC和 VSS 1 VCC 电源端 接 5V 电源 2 VSS 接地端 2 外接晶体引脚 XTAL1 和 XTAL2 1 XTAL1 片内振荡电路的输入端 是外接晶体的一端 2 XTAL2 片内振荡电路的输出端 是外接晶体的另一端 振荡电路它是由晶振和磁片电容元件构成的电路 振荡电路的输入和输出端是 由单片机的外接晶体引脚 XTAL1 和 XTAL2 提供的 振荡电路的作用是能够给 STC89C51 一个时间周期 振荡电路如图 3 2 所示 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 10 图 3 2 振荡电路图 3 控制信号引脚 RST ALE PSEN 和 EA 1 RST VPD RST 是复位信号输入端 高电平有效 在此引脚上出现两个机器 周期以上的高电平将使单片机复位 2 ALE PROG 地址锁存允许信号端 3 PSEN 片外程序存储器选通信号输出端 4 EA VPP 片内 片外程序存储器选择端 编程电压输入端 ALE PSEN 和 EA 三个引脚并没有用到 而 RST 是复位信号输入端 所以用 单片机的这个引脚来做复位电路 复位电路是由按钮 电解电容和电阻构成的 其 作用是保持正常工作 在其死机或者切换锁型时都需要强制复位 如图 3 3 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 11 GND 89C51 RST C R1 R2 VCC 图 3 3 复位电路图 4 输入 输出 I O 引脚 1 P0 口 P0 0 P0 7 作为通用的 I O 口 用来输入 输出数据 输出数据有 锁存功能 当 CPU 访问片外存储器时 提供低 8 位地址和 8 位数据的复用 总线 2 P1 口 P1 0 P1 7 作为通用的 I O 口 用于传送用户的输出 输入数据 在对片内 ROM 编程或校验是输入片内 ROM 的低 8 位地址 3 P2 口 P2 0 P2 7 作为通用的 I O 口 当 89C51 扩展片外存储器时 与 P0 口配合 输出片外存储器的高 8 位地址 共同形成 16 位片外地址总线 4 P3 口 P3 0 P3 7 作为通用的 I O 口 P3 0 RXD 串行数据输入口 P3 1 TXD 串行数据输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 输入 P3 3 INT1 外部中断 1 输入 P3 4 T0 定时器 计数器 0 外部输入 P3 5 T1 定时器 计数器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通信号输出 P3 7 RD 外部数据存储器读选通信号输出 P0口的引脚是作为数码管的段选信号 P0 0 P0 7 端口分别定义为 Aa Ab Ac Adp Ae Ag Af Ad的码段 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 12 89C51有40个引脚 如图3 4所示 图3 4 单片机引脚图 单片机的内部结构框图如图3 5所示 图3 5 单片机的基本组成框图 1 中央处理器 CPU 中央处理器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 中央处理器负责控制 指挥和调度整个单元系统协调的工作 完 中断控制器 只读存储器 ROM 随机存取存储器 RAM 中央处理器 CPU 振荡电路 输入输出口 I O 串行通信口 UART 定时 计数器 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 13 成运算和控制输入输出功能等操作 2 随机存取存储器 RAM 89C51内部有1280字节8位用户数据存储单元和1280字节专用寄存器单元 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 3 只读存储器 ROM 89C516RD 共有8个ROM存储器 用于存放用户程序 原始数据或表格 4 定时 计数器 89C51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 5 输入输出 I O 端口 89C51共有4组8位I O口 P0 P1 P2和P3 用于对外部数据的传输 6 中断控制器 89C51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 7 振荡电路 振荡电路给出的时钟信号 使得由一大堆数字电路构成的单片机各个部件能够 协同工作 并最终实现需要的功能 89C51 内置最高频率达 12MHz 的时钟电路 用于产生整个单片机运行的脉冲时 序 但需外置磁片电容 3 23 2 A DA D转换器的选择转换器的选择 温度控制系统的 A D 转换器选用 ADC0809 八位逐次逼近式 A D 转换器 ADC0809 是采样分辨率为 8 位的 以逐次逼近原理进行模 数转换的器件 其内部 有一个 8 通道多路开关 它可以根据地址码锁存译码后的信号 只选通 8 路模拟输 入信号中的一个进行 A D 转换 1 ADC0809 的主要特性 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 14 1 8 路输入通道 8 位 A D 转换器 即分辨率为 8 位 2 具有转换起停控制端 3 转换时间为 100 s 4 单个 5V 电源供电 5 模拟输入电压范围 0 5V 不需零点和满刻度校准 6 工作温度范围为 40 85 摄氏度 7 低功耗 约 15mW 2 ADC0809 的内部结构 ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 A D 转换器 内部结构是由 8 路模拟开关 地址锁存与译码器 比较器 8 位开关树型 D A 转换器 逐次逼近 3 ADC0809 的外部特性及引脚功能 ADC0809 芯片有 28 条引脚 采用双列直插式封装 下面说明各引脚功能 IN0 IN7 8 路模拟量输入端 2 1 2 8 8 位数字量输出端 ADDA ADDB ADDC 3 位地址输入线 用于选通 8 路模拟输入中的一路 ALE 地址 锁存允许信号 输入 高电平有效 START A D 转换启动脉冲输入端 输入一个 正脉冲 至少 100ns 宽 使其启动 脉冲上升沿使 0809 复位 下降沿启动 A D 转 换 EOC A D 转换结束信号 输出 当 A D 转换结束时 此端输出一个高电平 转换期间一直为低电平 OE 数据输出允许信号 输入 高电平有效 当 A D 转换结束时 此端输入一个高电平 才能打开输出三态门 输出数字量 CLK 时 钟脉冲输入端 要求时钟频率不高于 640KHZ REF REF 基准电压 Vcc 电源 单一 5V GND 地 ADC0809 的引脚图如图 3 6 所示 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 15 图 3 6 ADC0809 的引脚图 4 ADC0809 的工作过程 首先输入 3 位地址 并使 ALE 1 将地址存入地址锁存器中 此地址经译码选 通 8 路模拟输入之一到比较器 START 上升沿将逐次逼近寄存器复位 下降沿启动 A D 转换 之后 EOC 输出信号变低 指示转换正在进行 直到 A D 转换完成 EOC 变为高电平 指示 A D 转换结束 结果数据已存入锁存器 这个信号可用作中断 申请 当 OE 输入高电平 时 输出三态门打开 转换结果的数字量输出到数据总线 上 因为 ADC0809 具有较经济的价格 所以这里的数据采集电路选择 ADC0809 在 采集电路中 只要将放大滤波电路的输出端接入 0809 的某一通道 在这里选择 0 通道 即将 0809 的地址输入线 A B C 送入低电平 即可选通 0 通道 另外需要说 明的是由于 ADC0809 片内无时钟 可利用单片机 89C51 提供的地址锁存允许信号 ALE 经 D 触发器二分频得到 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 16 图 3 7 ADC0809 与单片机接口电路 ADC0809 的通道选择如表 3 1 表 3 1 ADC0809 通道选择 CBA 被选择的通道 000IN0 001IN1 010IN2 011IN3 100IN4 101IN5 110IN6 111IN7 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 17 3 23 2 LEDLED数码管数码管 LED Light Emiting Diode 数码管是由发光二极管构成的 常用的LED显示器 有8段和 米 字段之分 这种显示器有共阴极和共阳极两种 本设计中所应用的是共 阳极LED数码管的发光二极管的阳极连接在一起 通常此公共阳极接正电压 当某个 发光二极管的阴极接低电平时 发光二极管被点亮 相应的段被显示 0 x28 0 xF9 0 x4C 0 x58 0 x99 0 x1A 0 x0A 0 xF8 0 x08 0 x18 是共阳极 0 9 的码 段 动态扫描是将各个LED数码管的起端字线并联使用 而每个数码管的公共端分别通 过驱动器接I O的一个口线 当轮流选通每个数码管的公共极时 则数码管将轮流显示 有关字符 动态扫描显示在智能化仪器中应用很广 驱动器4511的A B C D四位分别接单片机P0口的低四位和高四位 输入BCD码 4511就可以直接转换为段码 以驱动LED显示数值 显示的电路图如图3 8所示 图3 8 LED的显示电路 数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一 动态驱动 是将所有数码管的 8 个显示笔划 a b c d e f g dp 的同名端连在一起 另外为每 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 18 个数码管的公共极 COM 增加位元选通控制电路 位元选通由各自独立的 I O 线控制 当单片机输出字形码时 所有数码管都接收到相同的字形码 但究竟是那个数码管 会显示出字形 取决于单片机对位元选通 COM 端电路的控制 所以我们只要将需要 显示的数码管的选通控制打开 该位元就显示出字形 没有选通的数码管就不会亮 透过分时轮流控制各个 LED 数码管的 COM 端 就使各个数码管轮流受控显示 这就是动态驱动 在轮流显示过程中 每位元数码管的点亮时间为 1 2ms 由于人 的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应 尽管实际上各位数码管并非同时点亮 但只要扫描的速度足够快 给人的印象就是一组稳定的显示资料 不会有闪烁感 动态显示的效果和静态显示是一样的 能够节省大量的 I O 埠 而且功耗更低 3 33 3 18B2018B20温度传感器温度传感器 图 3 9 18B20 温度传感器 图 3 9 18B20 引脚 1 特性 独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯 简单的多点分布应用 可通过数据线供电 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 19 零待机功耗 测温范围 55 125 以 0 5 递增 华氏器件 67 2570F 以 0 90F 递增 温度以 9 位数字量读出 温度数字量转换时间 200ms 典型值 用户可定义的非易失性温度报警设置 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度 温度报警条件 的器件 应用包括温度控制 工业系统 消费品 温度计或任何热感测系统 3 43 4 MAXL813LMAXL813L芯片的介绍芯片的介绍 1 上电 掉电以及供电电压下降情况下的复位输出 复位脉冲宽度典型值 200ms 2 独立的看门狗输出 如果看门狗输入在 1 6 内未被触发 其输出将由高电 平变为低电平 3 1 25V 门限值检测器 用于电源故障报警 电池低电压检测 4 低电平有效的手动复位输入 表 3 2 引脚介绍 引脚名称引脚功能 MR当该段输入低电平保持 140ms 以上 MAX813 就输出复位信 号 该输入端的最小输入脉宽要求可以有效的消除开关的 抖动 VCC 工作电源 接 5V 电压 GND 电源接地端 PFI 当该输入端电压小于 1 25V 时 PFO 引脚的输出电压由高 电平变为低电平 PFO 电源正常时 输出高电平 当电源电压变低或掉电时 输 出由高电平变为低电平 WDI 程序正常运行时 必须在 1 6s 的时间间隔内向该输入端 发出一个脉冲信号 以清除芯片内部的看门狗定时器 若 超过 1 6s 该输入端收不到脉冲信号 则内部定时器溢出 WDO 由高电平变为低电平 RESET 上电时 自动产生 200ms 的复位脉冲 手动复位端输入低 电平时 该端也产生复位信号输出 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 20 WDO 正常工作时 输出保持高电平 看门狗输出时 该端输出 信号由高电平变为低电平 工业环境中的干扰大多是以窄脉冲的形式出现 而最终造成微机系统故障的多 数现象为 死机 究其原因是CPU在执行某条指令时 受干扰的冲击 使它的操作 码或地址码发生改变 致使该条指令出错 这时 CPU执行随机拼写的指令 甚至将 操作数作为操作码执行 导致程序 跑飞 或进入 死循环 为使这种 跑飞 或 进入 死循环 的程序自动恢复 重新正常工作 一种有效的办法是采用硬件 看 门狗 技术 用看门狗程序的运行 若程序发生 死机 则看门狗产生复位信号 引导单片机程序重新进入正常运行 3 53 5气敏传感器的测量电路的设计气敏传感器的测量电路的设计 报警器电路是由电源电路 传感器电路 压控振荡器电路及报警电路等组成 220V 市电经电源变压器 T1 降压至 5 5V 左右 不用整流 滤波直接作为气敏半导体 传感器 QM N10 的加热电压 控制电路的供电则是由 U 全桥整流 C1 滤波后供给的 QM N10 气敏半导体传感器在洁净空气中的阻值大约有几十 k 接触到有害气体时 电导率增大 电阻值急剧下降 下降幅度与瓦斯浓度在 0 5 以下成正比 由与非门 IC1A IC1B 构成一个门控电路 IC1C IC1D 组成一个多谐振荡器 当 QM N10 气敏 传感器未敏感到有害气体时 由于电导率极小 IC1A 脚处于低电位 IC1A 的 脚 处于高电位 故 IC1A 的 脚为高电位 经 IC1B 反相后其 脚为低电位 多谐振荡 器不起振 三极管 VT2 处于截止状态 故报警电路不发声 一旦 QM N10 敏感到有 害气体时 其电导率增大 阻值急剧下降 在电阻 R2 R3 上的压降使 IC1A 的 脚 处于高电位 此时 IC1A 的 脚变为低电平 经 IC1B 反相后变为高电平 多谐振荡 器起振工作 三极管 VT2 周期地导通与截止 于是由 VT1 T2 C4 HTD 等构成的正 反馈振荡器间歇工作 发出报警声 与此同时 发光二极管 LED1 闪烁 从而达到有 害气体泄漏告警的目的 报警器电路如图 3 10 所示 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 21 图 3 10 报警器电路 QM N10 是一种高灵敏度 高稳定性的有害气体传感器 其主要技术参数如下 响应时间 10s 恢复时间 60s 加热电压 5V 0 5V 加热功率 0 5W 加热丝冷态电阻为 50 2 抗干扰能力 丁烷报警浓度设在 0 3 时在下述条件下不会误报警 温度为 10 50 湿度为 95 RH T1 采用 3 5W 5 5V 电源变压器 T2 采用 8 1 的半导体收音机输出变压器 倒过来用即可 HTD 采用 27mm 的压电陶瓷片 要求加装共振助声腔 由于 QM N10 气敏半导体传感器在开机时 约有 10 分钟的预热期 在这个时间 内易产生不稳定因素 导致误报 因此在电路的设计上有一个开机延时电路 它由 R4 C2 构成 调整 R4 使延时时间在 10 分钟左右即可 电阻 R2 R3 的阻值决定了 电路的报警起控点 将气敏传感器置于浓度为 0 3 的丁烷气样中 调整 R3 的阻值 使电路处于报警临界点即可 最后可实地试验 调整 R3 至所要求的报警浓度点时报 警 3 6 报警电路的设计报警电路的设计 当燃气泄漏浓度超过预置数值时 超载监测系统将会发出声光报警 本课题采 用蜂鸣器作为声报警的发生元件 采用红色发光二极管作为光报警的发生元件 其 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 22 具体的电路图如图 3 11 所示 图 3 11 蜂鸣器报警电路 当超载现象发生时 由单片机向 P1 0 口发出高电平指令 经反 7406 后 驱动 蜂鸣器工作 发出蜂鸣声 在 P1 1 为高电平时 发光二极管发光 当 P1 1 口为低电 平时 发光二极管不发光 不进行光报警 通过单片机向 P1 1 口发出高低电平交替 产生的方波信号 来实现光报警的闪烁功能 4 4 软件设计软件设计 4 14 1 主程序设计主程序设计 程序主要由主程序 外部中断0和外部中断1服务程序组成 主程序对系统状态 初始化时将两个外部中断都设置为下降沿触发方式 开外部中断后再进入对手动按 键的检测 SD1闭合时开排气扇 断开时关排气扇 主程序设计成一死循环结构 处 于随时可以响应中断的状态 程序流程图如图4 1所示 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 23 图4 1 程序流程图 当传感器检测到燃气泄漏时 外部中断1有中断请求信号 其服务程序发出声报 警控制信号 调用延时程序后 再检测P3 3的电平 如变为高电平 说明刚有的信 号是某些干扰或短时可控泄漏 如燃气灶点火时可能产生的瞬时泄漏 引起的 则 关声报警后返回 如仍为低电平 则判为事故泄漏 须进行应急处理 即刻发出红 光报警 打开排气扇排污 此时若房主不在 系统则进入省电等待状态 即 再次 检测P3 3 若为高电平 说明泄漏燃气已排尽 系统关闭声报警和排气扇 报警红 灯仍点亮 等待房主回后及时检查处理 中断程序流程如图4 2所示 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 24 图 4 2 中断服务流程图 4 24 2 显示程序设计显示程序设计 在显示方式上采用的是动态显示 微处理器定时地对各个数码管进行扫描 数 码管分时轮流工作 每次只能使一个数码管显示 但由于人的视觉暂留现象 仍感 觉所有的数码管都在同时显示 此种显示的优点是使用硬件少 每位显示器不需要 有各自的锁存器 译码器 占用 I O 口少 缺点是占用机时长 只要不执行显示程 序 就立刻停止显示 LED 显示器采用共阴极法 接口直接连接单片机 其中 P0 0 P0 3 口用于输出段码 P3 0 P3 7 口用于输出位选码 工作时 先取出一位要显示的 数 十六进制数 利用软件译码的方法求出待显示的数对应的段码 直接送至数码 管 于是选中的数码管点亮 若将各位从左至右依次进行显示 每位数码管显示 中断 1 检测入口低电平 为低电 平 红光报警 开排气 扇 检测入口低电平 为低电 平 关声音报警 关排气扇 关声音报警 开始 Y N N Y 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 25 显示完最后一位后 再重复上述过程 则可得到连续的显示结果 完成上述显示任 务的子程序流流程图如图 4 3 所示 图 4 3 显示程序流程图 5 5 系统调试系统调试 在基于硬件 软件的设计完成之后就要进行调试阶段 一个题目设计的好坏与否 关键在于调试 也只有通过调试才能发现和解决问题 以及进一步完善课题 通常 的项目开发 调试过程约占整个开发过程的1 3左右 5 15 1 硬件调试及错误分析硬件调试及错误分析 结合系统软件测试 利用硬件平台进行功能性检测 即验证系统软硬件综合测试 正常 主要包括了温度传感器电路 气体传感器电路等功能的正常 并实现各部分 功能的综合测试 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 26 该综合测试主要在系统调试正常的情况下 验证气体综合测试情况 首先对某 一环境下的气体进行检测 通过一些特殊手段 改变环境的气体泄漏含量 当泄漏 气体含量指标达到一定限制值时 报警电路是否可以正常报警 5 25 2 软件调试及错误分析软件调试及错误分析 至于在 C 语言里的错误就稍微多一些 不过都是些小错误 只要熟悉了 C 语言 的编程特点应该不会有什么大问题 出现的错误有 1 在子函数调用其它函数时出错 所以在开始的时候定义了函数的声明 其 作用就是方便于子函数可以调用其它函数在不做任何说明的情况下 2 定义变量时把测试次数变量 unsigned long data number 定义为全局变 量 方便了以后在每个函数里再定义了 3 对一些符号和语句的意义和概念模糊不清了 是整除 是求余 在本程序中最主要的是循环 for j 0 j times j while 1 等 还有 象 if else 条件语句的理解 5 35 3 系统联调系统联调 系统联调是调试过程的最后一步也是最关键的一步 因为单独的软件调试 硬 件调试成功并不代表联调就能成功 这还牵涉到系统 部件之间的兼容问题 只有 解决好了这个问题 调试才算是完成了 把硬件线路 串口 自编程序 上下位机依次连好后 运行程序进行调试 这 一过程出现的问题比较多 也比较难解决 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 27 结结 论论 本文从整体到部分详细介绍了家用煤气泄露报警控制器的设计 通过查阅大量 资料 对硬件电路的实现方案进行了分析对比 并最终选择了基于 AT89C51 单片机 的实现方案 在比较重要的部分进行了详细的论述 并且给出了程序及说明 其可 靠性和稳定性都达到了很好的效果 本系统基本实现了燃气泄漏报警与应急处理 对当前的环境温度也能很好的检 测 本课题实用性强 综合应用了数字电路 模拟电路 传感器技术 单片机通信 与控制技术等电子信息工程大学本科教育的主要基础知识 具有较高的技术含量 在现代电子科技的高速发展过程中 微型化 集成化 高密度化以及设备的高 精度化已经成为一种长期的趋势 这就要求我们力求使用更精确的设备 本设计中 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 28 使用的芯片只是当前电子科技发展的一般产物 随着科技的不断发展 更高密度 更高精度的芯片将会取代现有的产品 所以我们还要不断的学习 不断的丰富和更 新我们的产品 提出更高的要求 致致 谢谢 通过本次毕业设计 我不仅系统的学习了 4 年的基础与专业知识 提高了思考 能力与自我的动手能力 培养了自己严谨认真 注重实践的科学态度 锻炼了自己 从失败中总结教训 积累经验的科学心态 而且发现了在做工作中自己的许多不足 认识到了知识的重要性 体会出只有不断的充实自己 不断的挑战自己 才能在今 后的工作生活中获得更多的收获 四年的本科学习和课题研究期间 老师们给予我许多悉心的指导和帮助 教给 我知识和为人处世的道理 在这里非常感谢王艳辉老师在设计中给我的建议 支持 和帮助 诚挚感谢王艳辉老师在我写论文期间对我的引导和启发 在整个论文的选 题 理论研究 需求分析 总体设计 详细设计的过程中 自始至终得到了导师王 艳辉老师的悉心指导和深切关怀 感谢导师王艳辉老师对我论文不厌其烦的精心修 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 29 改 多次耐心地审阅了论文全稿 提出了许多宝贵的意见 还有一直在身边支持的 同学 在我遇到问题时 他们都尽心为我解答 如果遇到我们都不熟悉的问题 他 们都和我一起动手解决 由于老师的支持和同学的各方配合使我的课题能顺利的完 成 在此 我向他们致以最诚挚的谢意 参考文献参考文献 1 戢卫平 胡耀辉 朱朝华 叶 祥 扬 帆等 单片机系统开发实例经典 冶金工业出版社 2006 4 2 徐 玮 徐富军 沈建良 C51 单片机高效入门 机械工业出版社 2007 1 3 凌玉华 单片机原理及应用系统设计 中南大学出版社 2006 5 4 姚金生 郑小利等 元器件 电子工业出版社 2004 10 6 孙燕 刘爱民 protel99 设计与实例 机械工业出版社 2000 7 刘保延 等 步进电机及其驱动控制系统 M 哈尔滨 哈尔滨工业大学出 版社 1997 8 赵亮 侯国锐 单片机 C 语言编程与实例 北京人民邮电出版社 2003 9 周兴华 手把手教你学单片机 M 北京航空航天大学出版社 2005 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 30 10 谭浩强 C 程序设计 M 清华大学出版社 1991 11 沈庆阳 郭庭吉 8051 单片机实践与应用 M 清华大学出版社 2002 附录附录 C C语言程序清单语言程序清单 头文件包含 include 宏定义 define CLOSE 1 define OPEN 0 define uchar unsigned char 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计 论文 31 define uint unsigned int 单片机端口位定义 sbit OUT LED P2 0 报警灯 sbit