可燃气体警报器

I 摘要摘要 家庭使用液化气 燃气等可燃气体作燃料的越来越多 但是这些气体有害 易爆炸 隐患事故多 如气体泄漏时不能及时发现和处理 会给家庭及邻居带 来灾难性危害 本次设计内容包括可燃气体报警电路的结构及其工作原理 此 报警电路以气敏半导体传感器为主要组成部分 气敏半导体传感器检测到可燃 气体时通过电导率的改变来控制多谐振荡器及正反馈振荡器间歇工作 通过报 警电路从而达到报警的目的 随着石油化工行业的发展 易燃 易爆气体的种类和使用范围都随之增加 这些气体在使用过程中一旦发生泄漏 与空气混合后将会引发火灾 由于气体 本身存在的扩散性 发生泄漏之后 在外部风力作用下 可燃气体会沿地表面 迅速扩散 扩大危害区域 一旦发生可燃气体泄漏事故 及时可靠地探测空气 中可燃气体的含量 及时采取有效措施进行补救 采取正确的处置方法 减少 泄漏引发的事故 是避免造成重大财产和人员伤亡的必要条件 该报警器以 AT89C51 单片机为核心 采用高精度敏感元件 MC112 测量瓦 斯浓度值 采用 AD623 新型集成运算放大器 ICL7109 模数转换器 是一种电 路设计新颖 参数测量准确 结构简单 成本低 控制能力强 操作方便的瓦 斯浓度报警器 该报警器具有以下特点 测量范围宽 精度高 可检测的瓦斯浓度为 0 00 2 00 具有设定报警下限值和声 光报警功能 仪器输出为低功耗 工作电压稳定等优点 关键词 可燃气 单片机 报警器 浓度 II Abstract Family use liquefied petroleum gas such as fuel gas of flammable gas but the more harmful gases explosive hidden accidents such as gas leak cannot find and deal with family and neighbors catastrophic damage This design content including flammable gas alarm circuit structure and work principle This alarm circuit with gas sensor as the main component of semiconductor gas sensors detect flammable gas semiconductor when the change control by conductivity more harmonic oscillator and the positive feedback oscillator through the alarming circuit intermittent and alarm With the development of petrochemical industry flammable explosive gas type and scope of use are increased These gases in the course of the event of a leak and air mixture will cause a fire As the gas diffusion inherent nature of the leak the effect of external wind gas experience can spread rapidly along the surface expanding hazard area Once the combustible gas leakage accident occurred timely and reliable detection of combustible gases in air content in time to take effective measures to remedy to take the correct disposal methods to reduce the leakage caused by accident is to avoid a major property and casualty essential This alarm with AT89C51 MQ 412 sensitive components with high precision measuring gas density use TL062 new integrated operational amplifier ADC0809 is a kind of circuit design is novel the parameter measurement accuracy simple structure low cost strong ability to control convenient operation of gas concentration alarm This alarm has the following features wide measuring range high precision and can detect the gas concentration for 0 00 2 00 Has set alarm limit light alarm functions harmony Instrument for low power output voltage stability etc Keywords combustible gas MCU Alarm Concentration 目录目录 III 摘要 I Abstract II 第一章 绪论 1 1 1 可燃气的性质 1 1 2 设计目的 1 1 3 可燃气体报警器的工作原理 2 第 2 章 总体设计方案 3 2 1 系统框图 3 2 2 可燃气体探测器主要功能以及技术要求 3 第 3 章 报警器硬件设计 5 3 1 检测电路设计 5 3 1 1 检测电路的作用 5 3 1 2 MQ 412 传感器特点 5 3 1 3 检测故障电路元件 6 3 2 单片机及其外围电路设计 7 3 2 1 AT89C51 介绍 7 3 2 2 管脚说明 8 3 2 3 震荡器介绍 10 3 3A D 转换电路设计 12 3 3 1 ADC0809 主要特性 12 3 3 2 内部结构 13 3 3 3 外部特性 引脚功能 14 3 3 4ADC0809 的工作过程 15 3 3 5 MCS 51 单片机与 ADC0809 的接口 15 3 3 6 A D 转换应用举例 19 3 4 声光报警器 20 3 5 蜂鸣器介绍 21 3 6 电源部分 23 3 7 自检电路 24 3 8 手动按钮控制 25 3 9 继电器 25 3 10 报警器总体框图 26 第 4 章 报警器软件设计 28 4 1 主程序设计 28 4 2 子程序设计 30 4 3 显示程序 33 4 4 A D 转换及数据处理 34 第五章 系统调试 38 5 1 电源调试 38 5 2 电磁阀驱动调试 38 5 3 按钮误动作调试 38 5 4 气敏元件报警调试 39 总结 40 参考文献 41 IV 致 谢 42 1 第一章第一章 绪论绪论 1 1 可燃气的性质 可燃气的性质 易燃易爆气体为可燃气 可燃气分多种 例如 一氧化碳 氧气 油 气 乙炔 甲烷 或乙醇等等都是可燃气 可燃气没有固定的限值 任何气 体都可变成可燃气 当然都需要有氧气的存在的情况下 甲烷是天然气的 主要成分 约占了 87 在标准压力的室温环境中 甲烷无色 无味 在一大 气压力的环境中 甲烷的沸点是 161 C 空气中的瓦斯含量只要超过 5 15 就 十分易燃 甲烷並非毒气 然而 其具有高度的易燃性 和空气混合時也可能 造成爆炸 甲烷同時也是一种窒息剂 在密闭空间内可能会取代氧气 若氧气 被甲烷取代后含量低于 19 5 时可能导致窒息 因此会给我们生活及生产中带 来麻烦和危险 我们应提前检测和预防 1 2 设计目的 设计目的 在人们的工业生产和日常生活中 随着生活水平的提高和经济发展迅猛的 形式下 可燃气应用的范围越来越广泛 然而近几年来 关于可燃气体爆炸 泄漏窒息等事故屡见不鲜 在这些事故中80 是人们的疏忽没有提前检测到造 成的 即使有一定的危险性 但是人们在最近几年乃至几十年内 对可燃气的 需求都会源源不断的 当然人们在工业生产和日常生活中 生命和财产才是重 中之重 可燃气体报警器就是因此而设计的 顾名思义气体报警器就是气体泄 露检测报警仪器 家用燃气报警器能实时监测可燃气体的泄露情况 一旦发生 泄露 即空气中可燃气体达到一定浓度 则报警器立即进行声 光报警 有效 防止事故的发生 满足人们对燃气安全的需要 本设计的任务就是开发一种以 性能 参数稳定的气体传感器为探测器并采用89C51单片机进行控制的可燃气 体探测报警器 当空气中有可燃气体在挥发且气体浓度达到或超过设定值时 探测器即产生与空气中被测气体浓度成线性关系的电压信号 该信号经过处理 后传至控制器并显示气体浓度值 随即发出声 光报警信号 还可以输入相关 控制信号 启动相应控制装置 避免重大事故发生 2 1 3 可燃气体报警器的工作原理 可燃气体报警器的工作原理 报警仪选用半导体陶瓷式可燃气体敏感器件及微控制器为报警器的控制核 心 半导体陶瓷式可燃性气体敏感器件对以烷类气体为主的多种可燃性气体有 良好敏感特性的广谱型半导体敏感器件 该器件灵敏度适中 响应与恢复特性 好 初期恢复特性快 长期工作稳定性 重现性 抗环境气氛影响及抗温湿度 影响等性能均优 系高质量 高可靠性 价钱便宜的气敏器件 广泛地应用于 各种报警装置 传感器送来的可燃性气体浓度对应的微小信号经过放大 送入 微控制器 经A D 转换 浓度比较 线性化数据处理 转化成相应的十进制浓 度值 把实际可燃性气体浓度及各路状态送显 当可燃气体报警器浓度超出设 定的限定值时 发出声光报警并锁定时间 由于气体传感器需要在加热状态下 工作 温度越高 反应越快 响应时间和恢复时间就越快 为提高响应时间 保证传感器准确地 稳定地工作 可燃气体报警器需要向气体传感器持续输出 一个5V 的电压 为了保证其可靠性 在输出5V 的电压的同时 进行故障监测 当传感器加热丝 或电缆线和传感器断线 或接触不良时 进行故障报警 可燃气体报警器主要由探测器与报警控制器构成 探测器的主要作用是将检测到的环 境中的可燃气体浓度转换为电信号 3 第第 2 章章 总体设计方案总体设计方案 2 1 系统框图系统框图 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 其结 构如图 1 所示 当有燃气泄漏时 检测电路产生 气 电 信号送单片机 单片机控制蜂鸣器发出预报警信号 经延时 判断 确认为事故泄漏后 发出 红光报警 同时启动应急处理程序 关闭阀门 切断气源 并开启排风扇排除 室内被污染的空气 若检测到气敏元件损坏 系统关闭阀门并点亮黄色报警灯 提示用户更换气敏传感器 考虑到要实现现场气体浓度显示 超限预警及自动 处理等功能 确定可燃气体报警器的总体框架如图 1 所示 检 测 电 路 报 警 电 路 气敏元件 自检电路 手动控制电路 单 片 机 电 路 声报警电路 光报警电路 气敏元件损坏 光报警电路 阀门开放装置 及驱动电路 应急处理电路 图 1 系统框图 2 2 可燃气体探测器主要功能以及技术要求 可燃气体探测器主要功能以及技术要求 1 对可燃气体进行检测 可燃气体浓度达到报警设定值时 应能报警 4 2 能设定可燃气体浓度报警器 范围在 1 25 LEL 3 探测器的报警动作值与可燃气体浓度报警设定值之差不应超过正负 3 LEL 4 正常工作 绿灯闪烁 蜂鸣器不报警 5 可燃气体浓度范围报警应满足 在报警范围内 实行声和警示灯双重报警 在报警器移到干净空气区 30 秒内应恢复正常显示 6 故障报警 传感器短路 短路时应发出与可燃气体浓度超范围报警有明显区 别的声 光报警 7 声 光设置手动自检功能 8 浓度超限报警时 应能启动输出控制功能 5 第第 3 章章 报警器硬件设计报警器硬件设计 报警器主要芯片选用 ATMEL 公司生产的 AT89C51 AT89C51 是高性能 8 位单 片机 是一个低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含可反复擦写的只读 Flash 程序存储器和 128 B 的随机存取数据存储器 RAM 该器件采用 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 功能强大 A D 转换器选择了 ADC0809 各部分的特性及实现方法将在以下内容详细介绍 3 1 检测电路设计检测电路设计 3 1 1 检测电路的作用检测电路的作用 作为一款有效的安全防护用品 可燃气体报警器的作用不可置疑 甚至相 比灭火器更需要进入家庭 可燃气体报警器的使用从根本上解决了煤气中毒和 煤气爆炸的隐患 成为人们家庭中的 保护神 据上海市消防部门统计 2008 年因为热水器废气中毒及灶具溢熄 橡皮管老化脱落引起的燃气泄露造成中毒 死亡的共计 86 人 占全部燃气中毒死亡人数的 84 而且据消防部门数据显示 上海市 300 万的燃气用户中 安装可燃气报警器和有毒气体报警器的仅占不到 10 因此家庭中安装可燃气体报警器和有毒气体报警器已经刻不容缓 如何预 防 这就要靠一些技术上的手段来实现了 孕育而生了可燃气体报警器和可燃 气监测系统等技术支持 本报警器中的可燃性气体传感器选择太原电子厂的可 燃气体气敏元件 MQ 412 作为本设计的气体传感器 3 1 2 MQ 412 传感器特点传感器特点 可检测天然气 煤气 液化气 氢气等多种可燃性气体 加热电压为 5V 通电电流为 150mA 由 7805 输出直接提供 测量电压选 5V 该传感器具有长期的稳定性 对可燃性气体由较高的灵敏度 良好的抗温 性 良好的重复性 测量范围宽 为 100 10000PPM 对可燃性气体响应时间 10s 从可燃性气体区移到洁净区域恢复时间 30s 加热电压为 5V 测量电压 范围为 5 10V 在洁净空气中的测量电阻大于 50k 测量可燃性气体浓度和测 量端电阻成线性变化 传感器的测量电路图如图所示 Vb 为加热电压 Va 为测 量电压 6 图 2 传感器的测量电路图 3 1 3 检测故障电路元件检测故障电路元件 气敏元件发生短路时 气敏元件检测点直接连到 5V 为高电平 气敏元件 发生断路时 气敏元件输出接近 0V 为低电平 而正常工作及可燃气体浓度超 过浓度设定值的气敏元件输出范围为 0 3 4 0 根据这一设计要求 选择双运放 TL062 作为短路和断路的电压比较器 断路比较器基准电压为 0 5V 短路比较 器基准电压为 4 9V TL062 A 作断路比较器 2 脚为基准电压输入 基准电压由 5V 经电阻分 压提供 取 R20 为 10k R21 为 1 k 则断路电压基准为 5 10 1 0 5V 3 脚为断路检测输入点 TL062 B 作短路比较器 6 脚为基准电压输入 基准电压由 5V 经电阻分 压提供 取 R23 为 1 k R24 为 47 k 则短路电压基准为 5 47 1 47 4 9V 5 脚测输入点 主要器件的选择 电阻 R20 R23 RJ 0 25 1 k 电阻 R21 RJ 0 25 10 k 电阻 R24 RJ 0 25 47 k 双运放 TL062 由电阻 R20 R21 R23 R24 双运放 TL062 够成故障检测电路 如图所示 7 图 3 故障检测电路 3 2 单片机及其外围电路设计单片机及其外围电路设计 由集成运放 7650 输出的电压值就是要智能化处理的信号 将此值送入控制 部分 控制部分的主要器件是 AT89C51 所有的智能化处理都是基于 AT89C51 的控制 此处选用 AT89C51 下面进行详细的说明 3 2 1 AT89C51 介绍介绍 AT89C2051 是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机 单片 机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次 该器件采用 ATMEL 高密度非易失 存储器制造技术制造 与工业标准的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼容 由于将 多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一种高 效微控制器 AT89C2051 是它的一种精简版本 AT89C 单片机为很多嵌入式控制 系统提供了一种灵活性高且价廉的方案 同时 AT89C51 的时钟频率可以为零 即具备可用软件设置的睡眠省电功能 系统的唤醒方式有 RAM 定时 计数器 串行口和外中断口 系统唤醒后即进入继续工作状态 省电模式中 片内 RAM 将被冻结 时钟停止振荡 所有功能停止工作 直至系统被硬件复位方可继续 运 1 AT89C511 AT89C51 的存储器的存储器 一般微型计算机只有一个存储空间 程序存储器和数据存储器统一编址 访问时用统一指令 这种结构称为普林斯顿型结构 AT89C51 单片机的存储器 8 的结构特点是 将程序存储器和数据存储器分开 二者有各自的存储空间和访 问指令 这种结构称为哈佛型结构 AT89C51 单片机内集成有一定容量的程序存储器和数据存储器 并具有较 大的外部存储器扩展能力 程序存储器 ROM 是指 在写入信息后不易改写的 存储器 断电后 期中的信息保留不变 用来存放固定的程序或数据 如系统 监控程序 常数表格等 数据存储器 RAM 是指 CPU 在运行时能随时进行数 据的写入和读出 但在关闭电源时 其所存储的信息将丢失 它用来存放暂时 性的输入输出数据 运放的中间结果或用做堆栈 2 AT89C512 AT89C51 指令系统指令系统 共有指令 111 条 分为如下 5 大类 数据传送类指令 29 算术运算类指令 24 逻辑运算及移位类指令 24 控制转移类指令 17 位操作类指令 17 3 2 2 管脚说明 管脚说明 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 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 当 P1 口的管脚第一次写 1 时 被定义为高阻输入 P0 能够用于外部程序数据 存储器 它可以被定义为数据 地址的第八位 在 FIASH 编程时 P0 口作为原 码输入口 当 FIASH 进行校验时 P0 输出原码 此时 P0 外部必须被拉高 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 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可用作输入 P1 口被外部下拉为低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在 FLASH 编程和校验时 P1 口作为第八位地址接收 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 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且 作为输入 并因此作为输入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由 于内部上拉的缘故 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器 9 进行存取时 P2 口输出地址的高八位 在给出地址 1 时 它利用内部上拉 优势 当对外部八位地址数据存储器进行读写时 P2 口输出其特殊功能寄存器 的内容 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号 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 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作为输入 由于外部下拉为低电平 P3 口将输出电流 ILL 这是由于上拉的 缘故 如图所示 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 RESET 9 RXD 10 TXD 11 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 WR 16 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 EA VP 31 VCC 40 P07 32 P06 33 P05 34 P04 35 P03 36 P02 37 P01 38 P00 39 U3AT89C51 图 4 AT89C51 引脚图 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 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 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 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 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 10 ALE PROG 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 然而要注意的是 每当用作外部数据存 储器时 将跳过一个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0 此时 ALE 只有在执行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起作用 另外 该引脚被略 微拉高 如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止 置位无效 PSEN 外部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取指期间 每个 机器周期两次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信 号将不出现 EA VPP 当 EA 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 EA 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 3 2 3 震荡器介绍震荡器介绍 XTAL1 和 XTAL2 分别为方向放大器的输入和输出 该方向放大器可以配置 为片内振荡器 如图 5 所示 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用 如采用外部时钟 源驱动器件 XTAL2 应不连 而应如图 6 所示驱动 XTAL1 由于输入至内部时钟 信号要通过一个二分频触发器 因此对外部时钟信号的工作脉冲宽无任何要求 但必须保证脉冲的宽度符合要求 11 图 5 片内振荡器 图 6 片外振荡器 74LS373 是八 D 锁存器 3S 锁存允许输入有回环特性 常应用在地址锁 存及输出口的扩展中 简要说明 SN74LS373 SN74LS374 常用的 8d 锁存器 常用作地址锁存和 i o 输出 可以用 74hc373 代换 74LS373 是低功耗肖特基 TTL8D 锁存器 74H37 3 是高速 CMOS 器件 功能与 74LS373 相同 两者可以互换 74LS373 内有 8 个 相同的 D 型 三态同相 锁存器 由两个控制端 11 脚 G 或 EN 1 脚 OUT CONT OE 控制 当 OE 接地时 若 G 为高电平 74LS373 接收由 PPU 输出的地址信号 如果 G 为低电平 则将地址信号锁存 12 工作原理 工作原理 74LS373 的输出端 O0 O7 可直接与总线相连 当三态允许控制端 OE 为低电平时 O0 O7 为正常逻辑状态 可用来驱动负载或总线 当 OE 为高电平 时 O0 O7 呈高阻态 即不驱动总线 也不为总线的负载 但锁存器内部的逻 辑操作不受影响 当锁存允许端 LE 为高电平时 O 随数据 D 而变 当 LE 为低电平时 O 被锁存在 已建立的数据电平 3 3A D 转换电路设计转换电路设计 A D 转换器 ADC 的作用就是把模拟量转换成数字量 以便于计算机进行 处理 随着超大规模集成电路技术的飞速发展 A D 转换器的新设计思想和制 造技术层出不穷 为了满足各种不同的检测及控制任务的需要 大量结构不同 性能各异的 A D 转换器芯片应运而生 本设计采用 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 3 3 1 ADC0809 主要特性主要特性 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 13 3 3 2 内部结构内部结构 图 7 ADC0809 内部逻辑结构 ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 A D 转换器 内部结构如 图 7 所示 它由 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 14 3 3 3 外部特性 引脚功能 外部特性 引脚功能 图 8 ADC0809 引脚图 ADC0809 芯片有 28 条引脚 采用双列直插式封装 如图所示 下面 说明各引脚功能 IN7 IN0 模拟量输入通道 ALE 地址锁存允许信号 对应 ALE 上跳沿 A B C 地址状 态送入地址锁存器中 START 转换启动信号 START 上升沿时 复位 ADC0809 START 下降 沿时启动芯片 开始进行 A D 转换 在 A D 转换期间 START 应保持 低电平 本信号有时简写为 ST A B C 地址线 通道端口选择线 A 为低地址 C 为高地址 引脚图 中为 ADDA ADDB 和 ADDC 其地址状态与通道对应关系见表 9 1 CLK 时钟信号 ADC0809 的内部没有时钟电路 所需时钟信号由外界提 供 因此有时钟信号引脚 通常使用频率为 500KHz 的时钟信号 15 EOC 转换结束信号 EOC 0 正在进行转换 EOC 1 转换结束 使用中该 状态信号即可作为查询的状态标志 又可作为中断请求信号使用 D7 D0 数据输出线 为三态缓冲输出形式 可以和单片机的数据线直 接相连 D0为最低位 D7为最高 OE 输出允许信号 用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的 数据 OE 0 输出数据线呈高阻 OE 1 输出转换得到的数据 Vcc 5V 电源 Vref 参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较 作为逐次逼 近的基准 其典型值为 5V Vref 5V Vref 5V 3 3 4ADC0809 的工作过程的工作过程 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 3 3 5 MCS 51 单片机与单片机与 ADC0809 的接口的接口 ADC0809 与 MCS 51 单片机的连接如图 9 所示 电路连接主要涉及两个问题 一是 8 路模拟信号通道的选择 二是 A D 转换完成后转换数据的传送 16 1 8 路模拟通道选择路模拟通道选择 图 9 ADC0809 与 MCS 51 的连接 如图 10 所示模拟通道选择信号 A B C 分别接最低三位地址 A0 A1 A2即 P0 0 P0 1 P0 2 而地址锁存允许信号 ALE 由 P2 0控制 则 8 路模拟 通道的地址为 0FEF8H 0FEFFH 此外 通道地址选择以作写选通信号 这一 部分电路连接如图 11 所示 17 图 10 ADC0809 的部分信号连接 图 11 信号的时间配合 从图中可以看到 把 ALE 信号与 START 信号接在一起了 这样连接使得 在信号的前沿写入 锁存 通道地址 紧接着在其后沿就启动转换 图 9 19 是 有关信号的时间配合示意图 启动 A D 转换只需要一条 MOVX 指令 在此之前 要将 P2 0清零并将最 低三位与所选择的通道好像对应的口地址送入数据指针 DPTR 中 例如要选择 IN0通道时 可采用如下两条指令 即可启动 A D 转换 MOV DPTR FE00H 送入 0809 的口地址 MOVX DPTR A 启动 A D 转换 IN0 注意 此处的 A 与 A D 转换无关 可为任意值 18 2 2 转换数据的传送转换数据的传送 A D 转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理 数据传送的关 键问题是如何确认 A D 转换的完成 因为只有确认完成后 才能进行传送 为 此可采用下述三种方式 1 定时传送方式 对于一种 A D 转换其来说 转换时间作为一项技术指标是已知的和固 定的 例如 ADC0809 转换时间为 128 s 相当于 6MHz 的 MCS 51 单片机共 64 个机器周期 可据此设计一个延时子程序 A D 转换启动后即调用此子程序 延迟时间一到 转换肯定已经完成了 接着就可进行数据传送 2 查询方式 A D 转换芯片由表明转换完成的状态信号 例如 ADC0809 的 EOC 端 因此可以用查询方式 测试 EOC 的状态 即可却只转换是否完成 并接着进行 数据传送 3 中断方式 把表明转换完成的状态信号 EOC 作为中断请求信号 以中断方式 进行数据传送 不管使用上述那种方式 只要一旦确定转换完成 即可通过指令进行数据 传送 首先送出口地址并以信号有效时 OE 信号即有效 把转换数据送上 数据总线 供单片机接受 不管使用上述那种方式 只要一旦确认转换结束 便可通过指令进行数据 传送 所用的指令为 MOVX 读指令 仍以图 9 17 所示为例 则有 MOV DPTR FE00H MOVX A DPTR 该指令在送出有效口地址的同时 发出有效信号 使 0809 的输出允 许信号 OE 有 效 从而打开三态门输出 是转换后的数据通过数据总线送入 A 累加器中 这里需要说明的示 ADC0809 的三个地址端 A B C 即可如前所 述与地址线相连 也可与数据线相连 例如与 D0 D2相连 这是启动 A D 转 换的指令与上述类似 只不过 A 的内容不能为任意数 而必须和所选输入通道 号 IN0 IN7相一致 例如当 A B C 分别与 D0 D1 D2相连时 启动 IN7的 A D 转换指令如下 MOV DPTR FE00H 送入 0809 的口地址 MOV A 07H D2D1D0 111 选择 IN7 通道 MOVX DPTR A 启动 A D 转换 19 3 3 6 A D 转换应用举例转换应用举例 设有一个 8 路模拟量输入的巡回监测系统 采样数据依次存放在外部 RAM 0A0H 0A7H 单元中 按图 9 10 所示的接口电路 ADC0809 的 8 个通道地址为 0F EF8H 0FEFFH 其数据采样的初始化程序和中断服务程序 假定只采样一次 如 下 1 1 初始化程序 初始化程序 MOV R0 0A0H 数据存储区首地址 MOV R2 08H 8 路计数器 SETB IT1 边沿触发方式 SETB EA 中断允许 SETB EX1 允许外部中断 1 中断 MOV DPTR 0FEF8H D A 转换器地址 LOOP MOVX DPTR A 启动 A D 转换 CJNE R2 0 HERE 等待中断 CLR EX1 8 通道采样结束 禁止外 部中断 1 HERE SJMP 落入陷阱 2 2 中断服务程序 中断服务程序 MOVX A DPTR 数据采样 MOVX R0 A 保存数据 ADINT INC DPTR 指向下一模拟通道 20 INC R0 指向数据存储区下一单元 DEC R2 通道数 1 MOVX DPTR A 启动下一次转换 RETI 3 4 声光报警器声光报警器 单片机 AT89C2051 的 P1 口 P3 口低电平时的吸收电流可达 20mA 不需要 外接驱动电路 可直接驱动发光二极管 所以选用 LED 双色 红 绿 共阳极 发光二极管 BT311057 经限流电阻直接连到单片机引脚 LED Light Emitting Diode 发光二极管 是一种固态的半导体器件 它可以直接把 电转化为光 LED 的心脏是一个半导体的晶片 晶片的一端附在一个支架上 一端是负极 另一端连接电源的正极 使整个晶片被环氧树脂封装起来 半导体晶片由两部分组成 一部分是P 型半导体 在它里面空穴占主导地 位 另一端是 N 型半导体 在这边主要是电子 但这两种半导体连接起来的 时候 它们之间就形成一个 P N 结 当电流通过导线作用于这个晶片的 时候 电子就会被推向 P 区 在 P 区里电子跟空穴复合 然后就会以光子的 形式发出能量 这就是 LED 发光的原理 而光的波长也就是光的颜色 是由 形成 P N 结的材料决定的 LED 显示器采用发光二极管显示字段 如图 12 所示 单片机系统经常用的 是八段显示器 即 LED 显示器中有 8 个发光二极管 代表 a b c d e f g 七个字段和一全小数点 dp 它有共阴和共阳两种 结构 我们采用的是共阳极 即 LED 显示器的发光二极管正极相连 当二极管 的负极为低电平时 发光二极管被点亮 21 a 共阴极 b 共阳极 图 12 LED 显示器 3 5 蜂鸣器介绍蜂鸣器介绍 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器 蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和 电磁式蜂鸣器两种类型 电磁式蜂鸣器由振荡器 电磁线圈 磁铁 振动膜片 及外壳等组成 接通电源后 振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈 使电 磁线圈产生磁场 振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下 周期性地振动发 声 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器 压电蜂鸣片 阻抗匹配器及共鸣箱 外 壳等组成 多谐振荡器由晶体管或集成电路构成 当接通电源后 1 5 15V 直 流工作电压 多谐振荡器起振 输出 1 5 2 5kHZ 的音频信号 阻抗匹配器推 动压电蜂鸣片发声 见下图 22 图 13 蜂鸣器电路图 蜂鸣器用来作为报警指示 选用直流型 FM12 5V 型号 蜂鸣器工作电压为 5V 工作电流在 20mA 以上 单片机的驱动电流不够 不能直接驱动 必须外 接功率驱动 因此 选用 PNP 型三极管 9012 作为蜂鸣器的功率驱动 与基极相 连的电阻取 2k 保证三极管工作在饱和状态 声光报警电路如图13所示 工作指示灯为绿灯闪烁 其工作状态的控制由 P1 1来完成 通过软件的设置 从P1 1输出一方波来控制三极管VT1的通断 从 而控制工作指示灯的闪烁 当泄漏气体的浓度达到某一值时 由软件将P1 3置 1 此时三极管VT3导通 绿色报警灯灭 同时蜂鸣器发出报警声 红灯亮蜂鸣 器响表示断路 黄灯亮蜂鸣器响表示短路 23 图 13 声光报警电路 由于对发光颜色有不同要求 所以选择 LED 双色共阳极发光二极管作为光 源 绿色指示灯点亮 表明智能可燃气体探测控制器正常工作 当检测到可燃气体浓度大于浓度设定值时 单片机对应引脚输出低电平 绿灯灭 报警 当气敏元件发生短路或断路故障时 单片机对应引脚全部输出低电平 黄 灯或红灯常亮 发出有明显区别的声光报警 如下图 声 光工作状态表声 光工作状态表 类型指示灯继电器蜂鸣器 正常工作绿灯亮不动作不报警 短路故障黄灯常亮不动作报警 浓度超限绿灯灭动作报警 断路故障红灯常亮不动作报警 图 14 声光工作状态图表 3 6 电源部分电源部分 本设计是在传统的可燃气体报警器基础上进行技术革新的 因此采用原 有的开关电源 本设计单片机部分负载电流约 100mA 气敏元件负载电流约 150mA 开关 电源供电 经整流滤波后 LM7805 输入电压为 8V 输出为 5V 支流电压 24 考虑余量 设总的工作电流为 300mA 则总的功率约为 3W LM7805 的功耗 为 300mA 3V 1 W 因此 LM7805 必须加散热器 开关电源的稳压原理均采 用脉冲调宽式的稳压方式 开关电源效率高 电压适应范围宽本设计电路中 加入了开关回路 电感 压敏电阻等以提高电源的抗干扰能力 即通过自 动改变开关功率管的关闭和导通时间的比例 或通过改变振荡器输出脉冲的 占空比来达到稳压的目的 本设计采用了原设计中成熟的开关电源电路 电 路中加入了吸收电路 电感 压敏电阻 等以提高电源的抗干扰和耐冲击性 能 整流二极管流过的电流约 0 3mA 直流电压约 300V 工作频率大约 50KHz 所以选用市场上通用的 IN4007 整流二极管 LM7805 等器件 考虑 功耗 R3 R4 R6 R7 选用 0 5W 的电阻 其余电阻选用 0 25W C19 C20 电容 CBB 400 100N I 见下图 图 15 LM7805 电路图 3 7 自检电路自检电路 自检电路通过按钮触点的闭合和松开来实现的 按钮选用不互锁的 KA8 型 25 号 按钮常开触点一端接电源 5V 另一端连到单片机输入端并通过电阻接地 电阻值取 100 电阻两端并联电容以保证开关信号输入的稳定 因此按钮按 下时接 5V 松开时接低电平 单片机通过对应端的电平变化可检测自检电路的 按键变化 通过程序实现自检功能 3 8 手动按钮控制 手动按钮控制 在可燃气体浓度测量正常范围内 按一下 自检可燃气体浓度超范围故障 发出声 光报警 关闭起源阀门 再按一下 自检恢复正常绿灯闪烁 长时间 按住 3 秒钟 自检发光二极管和蜂鸣器处于工作状态 不关闭起源阀门 正常 显示 绿灯闪烁 计时 5 秒 可燃气体浓度超范围发出声光报警 计时 5 秒 气敏元件短路和断路故障发出声 光报警 计时 5 秒 3 9 继电器 继电器 继电器是感性元件 驱动电流较大 单片机不能直接驱动 必须经过电路 的转换 继电器选用 SRS 05DC SL 型号 用直流 5V 供电 三极管选用常用的 PNP 型 9012 NPN 型 9013 作为继电器的功率开关 继电器的常开触电一端接 7805 稳压电源的输入端 8V 另一端接电磁阀 单片机对应引脚输出低电平 三极管 V3 V4 导通 继电器常开触点吸合 供给外界电磁阀直流 8V 电压 接着 电磁阀动作 电磁阀常开触点闭合 关 闭气源 二极管 D6 选用 IN4007 型号 在电路中起续流作用 保护三极管不被 继电器反电势击穿 电磁阀是感性元件 驱动电流较大 电磁阀选用 ExiBIIBT3 型号 采用直 流 8V 电压供电 D11 选用 IN4007 型号 在电路中起续流作用 继电器控制电路如图所示 由 V3 V4 D6 R11 R13 和继电器组成 当检 测到可燃气体浓度大于浓度设定值时 单片机对应引脚输出低电平 三极管 V3 V4 导通 继电器吸合 1 3 脚连通 8V 电压加到电磁阀两端 电磁阀动 作 关闭气源 二极管 D6 起续流作用 保护三极管不被继电器反电势击穿 二 极管 D11 起续流作用 见下图 26 图 16 继电器控制电路 3 10 报警器总体框图报警器总体框图 可燃气体报警器总体连接图如下图所示 27 图 17 可燃气体报警器总电路图 28 第第 4 章章 报警器软件设计报警器软件设计 该报警器的单片机汇编程序采用伟福公司生产的伟福 G6 仿真器完成开发 设计 全部采用汇编语言编写 根据设计功能要求 采用模块化结构程序设计 方法将软件划分成若干个功能相对独立的模块 为每一个模块设计算法和程序 流程 然后由流程图编制程序 并将各个模块程序调试成功后 再连接在一起 进行总调试 软件设计要求 1 气敏元件开始工作时 在没有遇到可燃性气体时 其电阻值也会增加 经过 5min 左右 其电阻值下降到一个稳定值 这时才可以使用 所以 程序有 一个预热过程 预热时间为 5min 2 按钮检测中采用软件延时方法执行按键的去抖动 3 电磁阀的驱动电压取之于开关变压器二次侧整流的输出 采用脉冲驱动 方式 脉冲时间为 20ms 4 正常工作绿灯闪烁时间定义如下 秒循环显示 1 秒钟内 绿灯点亮 600ms 熄灭 400ms 5 可燃气体浓度超限 红灯常亮 秒循环显示 1 秒钟内 蜂鸣器报警 750ms 不报警 250ms 6 故障报警 黄灯常亮 200ms 循环 200ms 内蜂鸣器报警 100ms 不报 警 100ms 4 1 主程序设计主程序设计 报警器上电后 开始初始化 对单片机内部寄存器初始化 中断初始化 定时器初始化 串口初始化 完成初始化后 单片机进入主程序 如有中断 则转去执行中断程序 主程序 ORG 0000H AJMP MAIN ORG OO23H AJMP SERVER ORG 4000H MAIN MOV 40H 07H MOV 41H 0BH 29 MOV 42H 0DH MOV 43H 0EH MOV 44H 4EH MOV 45H 27H MOV 46H 47H MOV 47H 87H MOV 48H 2BH MOV 49H 4BH MOV 4AH 8BH MOV 4BH 2DH MOV 4CH 4DH MOV 4DH 8DH MOV 4EH 2EH MOV 4FH 8EH MOV 60H 00H MAIN0 MOV SP 68H MOV R0 61H ML0 MOV A 00H MOV R0 A INA R0 CJNE R0 65H ML0 ML1 MOV R0 64H MOV R3 00H ML2 ACALL KEYI ACALL ADC ACALL BCDT ACALL DISPLAY AJMP ML2 主程序流程图如图 18 所示 单片机各接口的工作方式 寄存器进行初始化 启动电源开关 传感器的电压反馈信号和单片机的调整和控制以及开关电源电 路组成闭环反馈回路 程序的另一分支再执行报警器上电延时 以避开传感器的上电脉冲带来的 误报警 气体传感器信号处理主要采取数字平滑滤波 以去除不合格的数值或 干扰 将气体传感器的信号处理后以电压输出和转换为气体浓度输出 报警器 30 组成网络报警系统 可以扩充气体泄漏报警器的使用范围和领域 如果环境中 存在气体泄漏达到报警浓度时 气体传感器的输出将会超过报警门限设定值 单片机执行报警程序 有醒目标志显示 并有报警声响发出 图 18 软件设计流程图 4 2 子程序设计子程序设计 1 整个程序延时