郑州工业安全职业学院毕业设计(论文) 模版(2010-6新修订).doc

郑州工业安全职业学院毕业论文（设计）题目： 论文题目 姓 名 系 别 安全工程系 专 业 安全技术管理（五） 班 级 安全技术06-1班 指导教师 年 月 日毕业论文（设计）成绩评定表学生姓名学号班级名称安全技术08-1毕业论文（设计）课题名称指导教师评语（应包括选题是否恰当、是否理论联系实际、论点是否正确、论证是否充分、语言是否通顺、结构是否合理、行文是否规范）：成 绩：指导教师签名： 年 月 日系学术委员会意见（同意给优、良、及格、不及格等次） 系主任签名： 年 月 日燃气泄露报警系统设计摘要：天然气已成为人们生活中必不可少的能源了，燃气泄漏事件时有发生，给人们的人身安全和财产安全带来了很多隐患，所以怎样防止燃气泄露与爆炸已成为人们的迫切需要.为此我们开发研制了智能燃气报警系统.关键词 51单片机 气体传感器 RS485总线目 录一 前 言.4二 燃气报警器的现状.5三 设计原理.7四 传感器选型.8五 单片机选型.9六 A/转换器选型.12七 LED数码管及键盘.13八 重要组成部分电路原理图.14九 软件系统分析.17 总结.26 参考文献.27 附录.一、前 言毕业设计实习调研的目的在于明确毕业设计课题的具体要求，通过查阅资料，了解各种方案的优缺点。同时，结合自己所学的知识，取长补短，提出相应的的实现方案。因此，实习调研时一项非常重要的工作。在实习调研过程中，学生需要完成两项工作。第一，文献资料检索与查询：了解国内外与毕业设计课题相关的先进技术和发展趋势；了解现有常用技术、方案的优缺点；了解与毕业设计课题有关的硬件、软件开发的思路。第二，方案的提出：学生需要认真分析各种技术、方案的优缺点，并通过独立思考，提出自己的实现方案。我的毕业设计题目是“基于MCS-51系列单片机的煤气防漏安全系统设计”。在市面上有很多煤气检测仪，但都是要有人在场的情况下使用，在无人在家时发生煤气泄漏怎么办？我们就需要一个智能煤气泄漏检测报警系统。这个系统不仅能自动关闭电磁阀更能通知值班室的人员进行检测。可以作为智能小区的一个组成部分。在实习调研过程中，我按照调研任务的基本要求，完成了以下工作：首先，分析了现有的防盗产品的设计方法、相关电路、各自的优缺点；其次，分析了煤气泄漏检测系统的基本需求；最后，结合智能小区的发展，增加的小区总体监控的功能，提出了“基于51系列单片机煤气泄漏检测及报警”的设计方案。这些工作对于按时、高质量地完成毕业设计课题具有重要的指导意义。二、煤燃气报警器现状可近年来随着人民生活水平的提高，管道煤气和罐装煤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煤气泄漏极大地威胁着人们的生命财产安全。目前，一般的煤气报警器功能单一，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。家用煤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。三、设计思路及原理基本原理：在不同位置安装气敏传感器检测燃气的浓度和流量，采集实时信号送入A/D转换器，经转换为数字信号后供单片机检索查询，单片机对来自传感器A/D转换后的信号进行软件滤波、分析和计算，并转化为浓度，同时检测键盘控制信号已达到实时监控的目的。当某路燃气泄漏时单片机检测到的数据超过了其设定的报警值输出报警信号驱动声光报警器报警，同时关闭电磁阀切断气源，开启排风扇。 图1. 系统框图 四、传感器选型目前已使用的气体检测方法很多，如：电化学法、光化学法、电学法等。其中电学法中的半导体气敏器件因灵敏度高、响应速度快、输出信号大、寿命长、体积小等优点受到人们的重视。所谓半导体气敏传感器，是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化，借此来检测特定气体的成分和浓度的传感器，可用于工厂和车间的各种有害气体检测、工业装置的废气成分检测和一般家庭的可燃性气体泄漏检测。气敏传感器MQ4。特点及应用：对甲烷，天然气有很高的灵敏度；对乙醇，烟雾的灵敏度很低；快速的响应恢复特性；长期的使用寿命和可靠的稳定性；简单的驱动电路；用于家庭，工业的甲烷，天然气的探测装置。MQ4所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。半导体可燃气体传感器MQ4对甲烷的灵敏度高，对丙烷、丁烷也有较好的灵敏度。半导体可燃气体传感器MQ-4这种传感器可检测多种可燃性气体，特别是天然气，是一款适合多种应用的低成本传感器。标准工作条件：回路电压（Vc） 15V 加热电压(Vh) 0.50.2V 负载电阻（Rl) 可调加热电阻（Rh） 313 加热功耗（Ph) 900Mw 使用温度 -10-50 储存温度 -20-70 相对湿度 95%Rh 氧气浓度 21%(标准条件)五、单片机选型 社会上广泛使用的单片机为8051系列，它是一个功能很强的单片微型计算机，但由于它的片内为掩膜ROM，内部程序不能改写，不便于实验和开发。所以在本设计中，我们选用AT89C51芯片。它是一个低电压，高性能CMOS的8位单片机，片内含4k字节的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128字节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MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，具有很高的性价比。AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。其性能特点如表1所示。 兼容MCS51指令系统 片内振荡器和时钟电路 存储器可循环写入/擦除1000次 存储数据保留时间：10年 宽工作电压范围：VCC可为2.76V 全静态操作0-24MHz 32条可编程I/O线 128*8位内部RAM 两个16位可编程定时/计数器 程序存储器具有3级加密保护 空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容 片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器（Flash Memory） 共5个中断源和2个优先级 我们使用的单片机是ATMAL公司生产的AT89C51单片机。其管脚如图4所示。 AT89C51各个引脚功能做以说明:VCC供电电压。GND接地。I/O口P0、P1、P2、P3除具有相同的一些性能和用途之外，P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。其中，P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 （外部中断0）P3.3 （外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 （外部数据存储器写选通）P3.7 （外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。：外部程序存储器的选通信号。：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。六、A/D转换电路选型在单片机检测和控制系统中，A/D转换接口是模拟通道中的主要环节。只有合理选择A/D转换器和其它外围器件，才能实现与单片机的正确连接及程序的有效性。A/D转换器是一种能把输入模拟电压或电流变成与其成正比的数字量的电路芯片，即能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。模/数（A/D）转换电路的种类很多，选择A/D转换器件主要是从速度、精度、价格以及与单片机的接口问题上考虑。ADC0809芯片是一种8路模拟输入逐次逼近式A/D转换器芯片, 由于价格适中, 与单片机的接口、软件操作均比较简单, 目前在8位单片机系统中有着广泛的使用。 图2. ADC0809内部逻辑结构如图2为ADC0809内部逻辑结构。ADC0809采用28引脚双列直插式封装，由8路模拟开头、地址锁存与译码器、比较器、256电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存器SAR、控制电路和三态输出锁存缓冲器组成。七、LED数码管显示及键盘输入1） LED数码管显示 单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器（LED），液晶显示器（LCD）。其中，LED显示由于价廉，配置灵活，与单片机接口方便等优点受到普遍应用。而LCD虽可进行图形显示，但接口复杂，成本也较高。在本设计中，只是为了显示气体浓度和通道号，所以选用LED数码管显示。2） 键盘输入选择在微机应用系统中，为了输入数据、查询和控制系统的工作状态，一般都设置有键盘。在本设计中，要实现单片机的控制，大都选用非编码键盘，提供开关功能，而由软件编程来实现具体操作。非编码键盘又分为矩阵式和独立式，因为要使用8路按键，键盘数量不是太多，且独立式键盘电路配置灵活，软件结构简单，采用查询方式来识别键盘的位置，所以我们选择独立连接式键盘。本文采用了八个键盘进行输入。独立连接式键盘是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一根I/O口线，每根I/O口线上的按键工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。通常按键输入都采用低电平有效。上拉电阻保证了按键断开，确保I/O口为高电平。八、各部分电路原理图1.报警电路：2AT89C51与ADC0809的接口电路A/D转换器：采用ADC0809芯片，是8位逐次逼近式A/D转换器，转换速度快，可接受8路模拟量输入号，在程序控制下对任意通道进行A/D转换，得到8位的二进制数字量。如图所示，为ADC0809与AT89C51的接口电路。图中，ADC0809作为一个外部扩展并行I/O口。由+5V电源供电，和联合控制启动转换信号端（START）和ALE端，低三位地址线加到ADC0809和ADDA、ADDB、ADDC端。 ADC0809与AT89C51接口电路由于ADC0809片内无时钟，可利用单片机提供的地址锁存信号ALE经D触发器二分频后获得。 由于ADC0809具有输出三态锁存器，故其8位数据输出线可直接与单片机数据总线相连。单片机的低8位地址信号在ALE作用下，锁存在74LS373中。74LS373输出的低3位分别加到ADC0809的通道选择端A、B、C，作为通道编码。将单片机的P2.7作为片选信号，经74LS139（译码器）与进行或非操作得到一个正脉冲加到ADC0809的ALE和START引脚上。由于ALE和START连接在一起，因此ADC0809在锁存器地址的同时也启动转换。在读取转换结果时，用单片机的读信号和P2.7引脚经非门后产生的正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。显然，上述操作时，P2.7应为低电平。3稳压电源 稳压电源原理图由于从电源出来的电压都是220V的交流电，所以我们要把它整流成+5V的直流电，以供系统应用。整流是把交流电变换成直流电的过程。它的基本原理是利用二极管的单项导电特性，输出的交流分量越小越好，实验证明：桥式整流比半波整流的所输出的交流分量要小的多。整流之后，虽然可以得到单向脉动的直流电，但脉动较大，必须进行滤波才能得到较平滑的直流电。经过电容的滤波作用，其输出电压变得比较平滑，脉动大大减少，而输出直流电压比未加电容滤波时还高。得到稳定度较高的电源，必须在整流电源的输出端加上稳压器，形成常用的直流稳压电源。九、软件系统分析 ORG 0000HAJMP MAINORG 2000HMAIN：MOV DPTR，#4FFFH；送控制口地址MOVA，#89H ；8255A口、B口方式0输出，C口输出MOVX DPTR，AMOV， 28H，#0DH；字符“D”送入28HDJP：MOV DPTR，#4FFEH；8255C口地址MOVX A，DPTR；读键盘状态值MOV R0，A；保存键盘状态值LCALL D10ms；延时10ms消抖MOVX A，DPTR；再读键盘状态CJNE A，R0，DODO；两次结果不同，说明抖动，转DODOCJNE A，#0FEH，KEY2；K1键未按下，转KEY-2LJMPKEY1；K1键按下，转KEY1处理KEY-2：CJNE A，#0FDH，KEY-3；K2键未按下，转KEY-3LJMP KEY2；K2键按下，转KEY2处理KEY-3：CJNE A，#0FBH，KEY-4；K3键未按下，转KEY-4 LJMP KEY3 ；K3键按下，转KEY3处理KEY-4：CJNE A，#0F7H，KEY-5；K4键未按下，转KEY-5 LJMP KEY4 ；K4键按下，转KEY4处理KEY-5：CJNE A，#0EFH，KEY-6；K5键未按下，转KEY-6 LJMP KEY5 ；K5键按下，转KEY5处理KEY-6：CJNE A，#0DFH，KEY-7；K6键未按下，转KEY-7 LJMP KEY6 ；K6键按下，转KEY6处理KEY-7：CJNE A，#0BFH，KEY-8；K7键未按下，转KEY-8 LJMP KEY7 ；K7键按下，转KEY7处理KEY-8：CJNE A，#7FH，DODO；K8键未按下，转DODO LJMP KEY8 ；K8键按下，转KEY8处理DODO： RET；重复或无键按下，返回延时10ms子程序D10ms：MOV R7，#0AHDL： MOV R6，#0F9HDL1： DJNZ R6，DL1DJNZ R7，DLRET键处理子程序KEY1： MOV DPTR，#2FF0H；指向IN0地址MOV 29H，#00H；字符“0”送入29HLCALL AD；调AD转换及计算程序LCALLBCD；调BCD码子程序LCALLDISP；调显示子程序LCALLD0.5s；调0.5s延时子程序RETKEY2： MOV DPTR，#2FF1H；指向IN1地址MOV 29H，#01H；字符“1”送入29HLCALL AD；调AD转换及计算程序LCALLBCD；调BCD码子程序LCALLDISP；调显示子程序LCALLD0.5s；调0.5s延时子程序RETKEY3： MOV DPTR，#2FF2H；指向IN2地址MOV 29H，#02H；字符“2”送入29HLCALL AD；调AD转换及计算程序LCALLBCD；调BCD码子程序LCALLDISP；调显示子程序LCALLD0.5s；调0.5s延时子程序RETKEY4： MOV DPTR，#2FF3H；指向IN3地址MOV 29H，#03H；字符“3”送入29HLCALL AD；调AD转换及计算程序LCALLBCD；调BCD码子程序LCALLDISP；调显示子程序LCALLD0.5s；调0.5s延时子程序RETKEY5： MOV DPTR，#2FF4H；指向IN4地址MOV 29H，#04H；字符“4”送入29HLCALL AD；调AD转换及计算程序LCALLBCD；调BCD码子程序LCALLDISP；调显示子程序LCALLD0.5s；调0.5s延时子程序RETKEY6： MOV DPTR，#2FF5H；指向IN5地址MOV 29H，#05H；字符“5”送入29HLCALL AD；调AD转换及计算程序LCALLBCD；调BCD码子程序LCALLDISP；调显示子程序LCALLD0.5s；调0.5s延时子程序RETKEY7： MOV DPTR，#2FF6H；指向IN6地址MOV 29H，#06H；字符“6”送入29HLCALL AD；调AD转换及计算程序LCALLBCD；调BCD码子程序LCALLDISP；调显示子程序LCALLD0.5s；调0.5s延时子程序RETKEY8： MOV DPTR，#2FF7H；指向IN7地址MOV 29H，#07H；字符“7”送入29HLCALL AD；调AD转换及计算程序LCALLBCD；调BCD码子程序LCALLDISP；调显示子程序LCALLD0.5s；调0.5s延时子程序RET数据采集与计算程序燃气浓度采集通过P1.0脚查询ADC0809的EOC输出判定模数转换是否完成，当EOC=1时A/D转换完毕。当浓度值超出100D（这里浓度按万分数显示），数码管全部显示FF标志，并且调用声光报警及启动应急系统。AB： MOVXDPTR，A；启动A/D转换LP1： JNB P1.0，LP1；等待A/D转换完毕MOVX A，DPTR；A中为VDCOMP： MOV B，#XXH；扩大256倍的K值送至BMULAB；256KVD，B中为KVDMOV A，#YYH；DD值送ACLRCSUBBA，B；DD-KVDCJNE A，#100，COMP1COMP1：JC COMPCOMP3：MOV 2AH，#0FHMOV 2BH，#0FHLCALL SGFPCOMP2：RET燃气浓度转换为BCD码子程序 计算出的燃气浓度值是以十六进制形式存在，为了LED显示需转换为BCD码。由于有效浓度值不超过100D，其格式为D、通道号（1位）、浓度值（2位）。BCD： MOVR1，#00HCLRCCHAN：SUBBA，#0AH；减10JCCHAN1；不够减转移INCR1；够减，十位加1SJMPCHAN；重复减10CHAN1：ADD A，#0AHMOV 2AH，R1；BCD码十位显示缓冲区MOV 2BH，A；BCD码个位显示缓冲区显示子程序：段控口地址为4FFCH，位控口地址为4FFDHDISP： MOV R4，#250；置显示延时值DISP1：MOV R0，#28H；指向显示缓冲首地址MOVR1，#10；指向显示器最左边第一位MOV R3，#4；一个轮回显示4位DISP2：MOV DPTR，#4FFDH；位控口地址MOVA，R1MOVXDPTR，A；输出位控码MOV A，R0；取出显示数据MOV DPTR，DSEG；字型码地址MOVCA，A+DPTR；查表，字型码送至AMOV DPTR，4FFCH；段控口地址MOV