【毕业学位论文】(Word原稿)基于单片机的家用煤气报警器装置-电子信息工程

0 本科毕业设计 题 目： 基于 单片机的家用煤气报 警器装置 学 院： 信息科学技术学院 专 业： 电子信息工程 学 号： 080802324 学生姓名： 杨 程 指导老师： 王晓斐 1 摘要 煤气，如今已经成为人们生活生产应用最广泛的 燃料之一。 不仅工业上常用到煤气，人们的日常生活更是离不开煤气。 人们在使用煤气的时候，安全问题就显得格外重要。那么，如何确保 人们处于安全的环境之中呢？煤气报警器，就为人们的安全加了一把锁。 本设计是基于单片机的家用煤气报警器。利用半导体式 空气中 后通过 行 A/模拟电压信号转换成为数字信号输出，该信号传入单片机 ，进行进一步的处理 并与预设的报警值进行比较。 当达到报警值的时候，输出报警信号，触发光电隔离电路，控制外接排 风扇的开启与煤气阀门的关闭。 与此同 时，声光报警电路也被触发，进行声光报警，从而 ， 实现煤气报警器 控制与报警功能。 2 of in s s is in of it is to in a a to of is a By O O in is an / D a to it is to At is in to a of by as 3 目录 第 1 章 前言 . 5 论文研究目的及意义 . 5 煤气报警器的国内外现状 . 5 本设计的主要任务 . 6 方案论证 . 6 第 2 章 系统设计 . 9 总设计图 . 9 硬件设计思路 . 10 系统框图 . 10 第 3 章 各个模块及功能 . 12 体传感器 . 12 传感器的概述 . 12 体传感 器的工作原理 . 13 温度补偿电路 . 14 温度补偿电路 . 14 噪声高精度运算放大器 . 16 A/D 转换模块 . 17 介绍 . 17 工作过程 . 18 引脚及其功能 . 19 片的性能特点 . 20 片机 . 20 介 . 20 功能特性概述 . 21 管脚说明 . 21 主要性能参数 . 24 光电隔离控制电路 . 24 使用光电隔离电路的背景原因 . 24 光电隔离概述 . 24 光电隔离电路工作过程 . 25 光电耦合器 . 26 继电器概述 . 27 声光报警单元 . 28 第 4 章 软件设计 . 30 软件设计总流程图 . 30 数据处理 . 31 传感器的非线性信号的处理 . 31 数据处理步骤 . 32 A/D 转换控制设计流程 . 33 光电隔离电路程序设计流程图 . 34 报警电路的控制程序设计流程图 . 34 设计结果 . 35 4 仿真效果展示 . 35 实物效果展示 . 37 总结 . 39 致谢 . 40 参考文献 . 41 附录 . 42 1. 工程图纸 . 42 2. 部分程序清单 . 43 主程序： . 43 数据采集程序： . 44 5 第 1 章 前言 论文研究目的及意义 随着我国经济与科技的发展，西气东输工程的进行和煤气、天然气的变革，煤气 等可燃气 已成 为大部分中国 家庭的燃料，为人们生活质量的提高与 生活环境的改善做出巨大贡献。虽然，现在人们已经意识到安全使用煤气的重要性，但是，每年仍旧不断有因煤气泄露而造成的煤气中毒事故发生。全国 各地 也还有不少因使用热水器 等 各种家用 电气 不当或电器 产品本身 存在 质量问题， 而 造成的一氧化碳中毒事故的事例。甚至，因 为 室内 的 煤气浓度过高， 而 引起煤气爆炸的事故也屡见不鲜。所以，怎样防止煤气中毒与爆炸 从而保护人们自身与他人的安全 已成为人们的迫切需要。因此，煤气报警器的开发与研究就显得格外重要。 煤气报警器的国内外现状 国外对煤气报警器的研究开发从 20 世纪 30 年代就开始了 ， 并且发展 比较 迅速。 究 其原因，一方面，是因为人们的安全意识增强， 在物质生活质量日益提高的基础上， 对环境的健康 安全 程度以及 生活的舒适 度 要求 也进一步 提高；另一方面，是因为 法律法规的不断健全，政府部门积极推动传感器市场的发展。 在科技与工艺发展的带动下，传感器 生产工艺水平 也得到了稳步提升 ，传感器 的 集成度不断增大 ，使其体积也 日益小型化， 进而促使 气体检测仪器的 整体体积也越来越小 ， 直接令各种气体检测仪器更加轻巧 便携， 对于生产、运输、实际应用与市场推广等方面也有极好的效果 。 而我国 ，由于时代背景以及科学技术受限等原因， 是在 70 年代初期才开始 进行 研制 开发 可燃性气体报警器的。经过不断地研究与开发，我国的可燃性气体报警器 发展也比较迅速，如今，可燃气体报警器的生产型号多样而且 品种较 为 齐全， 连应用的范围也从原本简单 单一的炼油系统扩展到 甚至绝大部分危险作业环境也可以 适用的报警器。 其不同种类的气体报警器的产品数量更是 在不断的增加。但 是，由于我国技术手段还不够先进，科技仍需进一步提高，目前，我国可燃气体报警器 主要还是 依赖于 国外先进的 生产工艺 以及 传感器技术。 值得高兴的是， 近年来，我国 6 的可燃气体报警器在 产品的稳定性与气体选择性上有了质的飞跃 。 目前， 气体报警器 按检测气体划分可分为：可燃气体报警器，有毒气体报警器 以及 复合式气体报警器。通过使用不同 的 传感器来 实现各种 气体报警器 对 不同气体 的检测 ，而复合式气体报警器 技术比较全面， 可以 同时检测可燃和有毒气体。从应用范围上讲， 煤 气报警器又可以分为：家 用 燃气报警器、工业用燃气 报警器 以及有毒有害气体报警器 。家用燃气 报警器是一种 功能比较简单的易安装维护的 居民家庭用的燃气报警器 ， 如果遇到燃气泄漏 的情况 ，报警器可以 自动进行 声光报警， 或者 联动其他外部设备等。有些更 加 智能 化 的报警器甚至可以自动开启排风扇， 或者 关闭燃气 的阀 门 。而工业用燃气报警器 以及 有毒有害气体报警器则只是 在检测探头 部分 有些差异，但其整体在工作原理与实际应用中还 是十分相近的。 再细划分， 根据检测环境的不同， 工业燃气报警器又 可分为检漏仪、控制器和探测器。 本 设计 的主要任务 本 设计 是对基于单片机的煤气报警器的设计研究， 主要目标是 实现家庭煤气浓度的检测以及 报警。 主要经过 以下 几 部分来实现： 首先， 利用传感器进行 体浓度的采集并输出 相应的 电压模拟信号， 体浓度与输出电压 度越高，输出电压 该信号经过校正作为 A/D 转 换的输入信号传送到数模转换模块，数据转换 模块将 模拟 信号 转换为数字信号，然后 传 送 到 单片机中， 在达到门限值 时，通过 报警子程序来输出报警信号。 并 对 相应的驱动电路 进行驱动 ， 从而 分别 控制 蜂鸣器 、报警灯 的运行 以及切断电路 的工作，以实现对家庭煤气浓度是否超标的实时监控 。 方案论证 整个煤气报警器的重要组成部分。煤气报警器种类繁多，设计方案多样，按所使用的传感器 可以分为 ： a 红外式： 利用 红外光照射到被测气体上时， 不同气体对红外光进行 不同的 选择吸收的特点来进行测量与报警 。它的优点是灵敏度 比较高，具有较好的稳定性，有较强的抗交叉气体干扰能力 ；其缺点是维护较为复杂，价格 比较 昂贵， 通常 适合实验室 7 使用。 b 半导体式：利用一些半 导体材料 （如 金属氧化物 等），在一定温度条件下， 吸附 被测气体后，其电阻率 发生 显著变化这一特点 来 检测气体 中某种气体的 含量。其优点是比较 灵敏 ，响应速度很快，使用寿命较长且成本比较低廉；缺点是受温度的影响较大，容易受到环境的干扰，不适宜用来进行精确度要求较高的测量。 c 催化燃烧式 ： 催化燃烧式气体报警器是利用催化燃烧的热效应原理，由检测元件和补偿元件配对构成测量电桥 ，在一定温度条件下，可燃气体在检测仪元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧，通过内部电阻的变化，进而输出电信号。其优点是输出信号线性好，指数可靠，价格便宜，不会与其他非可燃性气体发生交叉感染；缺点是电流功耗大，不易做成总线连接，缺氧环境下检测值误差较大。 d 电化学式： 电化学式传感器是以离子导电为基础制成 的。 根据其电特性的形成不同 ,电化学传感器 又 可 以 分为 ： 电位式传感器 、 电量式传感器、 电导式传感器 、电解式传感器 以及 极谱式传感器等 。电化学式传感器的灵敏度高，准确性好，具有极好的线性度，本身工作不消耗电能， 并且气体选择性极为出色，体积小，操作简单，携带方便，可以用于现场检测并且价格比较低廉。缺点是：易受环境温度及湿度的影响。 影响半导体气体传感器灵敏度的因素： 工作环境对报警器的影响，如存在高热、高温气体，湿度大等； 部分化合物对传感器的影响； 传感器的安装位置； 设备维护是否及时； 检测介质对传感器的影响。 气体传感器需 满足以下 基本条件： (1)可以有选择性地检测某种单一气体， 而对共存的其它气体不响应或低响应； (2)对被测气体具有比较高的灵敏度，并且能有效地检测在允许范围内的气体浓度； (3)对检测信号的响应速度比较快，重复性较好； 8 (4)长期工作稳定性好； (6)制造成本低，使用与维护方便 ； (5)使用寿命长； 每种煤气报警器都有其各自的 优缺点， 考虑到 要适用于家庭， 实际操作 简单易行， 以及尽可能降低 成本的问题，本设计 选择了半导体式气体传感器。 半导体式气体传感器灵敏度较高、对 体的 选择性好、成本较低。 9 第 2 章 系统设计 总 设计图 图 总硬件设计图 10 硬件设计思路 在本 设计 中，基于单片机的煤气 报警装置的主要功能就是 能够准确而又快速 的检测 出 被测气体中 体的含量， 并 判断 其 是否超 标。 当气体浓度达到 预定 的 门限值时 ， 声光报警 系统启动以进行报警 ，并 且 实现切断阀排气的功能。为了实现以上功能，系统应 该 具备 ：体 传感器 模块 、 A/D 转换 模块 、单片机系统 模块 、 光电隔离技术和切断阀 模块 、 声光报警模块 以及 数据采集处理 模块 。 系统框图 图 统框图 系统整体工作流程介绍： 如图 首先， 由 原始 信号， 经传感器内部作用，改变传感器内部电阻，从而输出该 体浓度下对应的输出电压， 再 经过温度补 偿电路的校正，得到一个较真实的模拟电压值。 经过放大电路的放大，得到一个 可 以 匹配 的电压模拟 信号， 并 将 信号 送入 到 A/得相对应 的数字量信号， 再 由单片机 对得到的数字量信号进行处理。最后， 根据系统 事先 已 经 设定 好 的限值参数 与该数字量 进行感器 温度补偿 运算放大 A/单片机 参数设置 光电隔离接口 继电器 切断器 排气扇 11 比较 判断 ， 以 确定 度是否超标。 若超标， 则 单片机 立即向光电隔离接口输出控制信号， 启动光电隔离电路， 然后通过继电器打开排气扇， 关闭阀门 。同时启动预警信号进行声光报警。若未超标，则 光电隔离 部分与报警系统 均 处于关闭状态。 目标 参数 如下： 检测对象： 应用范围：家庭； 检测范围： 0 1000 工作湿度范围： 10 95% 报警浓度： 电池电压： +12V； 工作温度范围： +70摄氏度； 响应时间： 30ms 浓度单位，表示百万分之一，常用来表示气体 /液体浓度； %表示相对湿度的单位名称。 12 第 3 章 各个模块及功能 体传感器 传感器的 概述 在半导体 式传感器中， 我 选用了 产的一种专门 适合 家庭 使用 的 应用了全微电子工艺制成的半导体 气体传感器，即 其结构如图 下边是微型 中嵌入一个 加热器 ，再在加热器 上 面 制作一层 膜有一定的接触面，并发生反应。 这种结构 可以 使得 膜对 体具有较高的 敏感性 ,而且硅膜 是热的不良导体， 能够 减少热传导的 损失 ,从而大大降低了功耗。作为 定性好 、 对 敏度高等特点。 图 O 传感器横截面图 传感器的封装外表如图 示。共有 4 个管脚，其中， 2 个为加热端 （管脚 1 和 3，脚 3接地）， 2个为传感器输出端（管脚 2和 4） ，引脚图如图 13 图 装外形图 图 效电路引脚图（顶视图） 体传感器的工作原理 图 型测量电路 14 本设计中采用串联电阻检测电路，把传感器输出电阻 负载电阻 c 上， 如图 示。 过传感器的输出电阻的计算公式： （ * 可以计算出输出电压 为了 减小湿度 的 影响， 使传感器对 够具有最佳的敏感特性 并 且 具有较好的稳定性和重现性 。 使 能够 达到预定的最佳温度是非常重要的。 在 实验前需要给加热器通电， 使传感器 在高温状态下清除 质与水分 。 实验时，将传感器放置 在 室内 ，若有 漏到空气中，则空气中的 体会与 传感器的 膜 层 反应，从而薄膜层变小，导致 电阻随 增大而减小 ， 输出负载电压 式子中的 则逐渐变大，因而，通过测量负载电压就可以反应出被测对象的一氧化碳浓度 。 图 测量浓度范围： 0 测量精度： 3%； 分辨率： 1 工作温度 ： 70 ； 零点漂移： 0。 温度补偿电路 温度补偿电路 由于传感器电阻 身容易受到温度的影响，若直接使用会产生误差，经过放大器的放 15 大之后，原本很小的误差 就 会被扩大，从而影响最终的结果。所以 ， 在这里 ，本设计 使用了一个对称的电桥温度补偿电路， 室内温度而改变。如图 运用电桥补偿法进行温度补偿。其中， 传感器电阻， 滑动变阻器，并 选取 下面再做介绍） 放大器组成差分放大电路 。 图 电桥式温度补偿电路 电路工作原理： 温度升高时，由于温度的影响，传感器电阻 而负载电阻 s） *感器输出的电压 小了。 即传感器发生零点漂移。为了消除该漂移的影响，在此，本设计采用了电桥式 温度补偿电路。 热敏电阻 升高 ，其电阻变大 。根据电桥式温度补偿电路的原理，当 需调 16 整滑动变阻器 阻值，即可保持 S=L。 滑动变阻器 的电压为 有： 1)*而 输出 电压 ，即保证了传感器在零点输出为 0， 消除 了零点漂移 的问题 。 此后，保持滑动变阻器阻值不变， 传感器电阻 随 体浓度变化而改变，导致输出 电压 动， 电压差 为输入信号， 经放大电路放大 ：00k/100（ ，得到放大后的电压信号 为 A/D 转换的输入信号 。电压增益 本实验中，放大 10倍。 噪声高精度运算放大器 本设计选用 大器组成一个差分放大电路。 为 一种低噪声非斩波稳零的 高精度 双极性 运算放大器 ， 具有极低的输入失调电压， 因为可以无需额外的调零措施。另外，环增益高 以 及长期稳定等特点。可 以 广泛应用 于 精密绝对值电路、 高增益的测量设备、 比较器 以 及微弱信号的精确放大等。 图 图 路图 17 点 ： A/D 转换模块 介绍 片型逐次逼近式 A/由 8路模拟开关、地址锁存与译码器、 8 位开关树型 A/D 转换器、比较器以及逐次逼近寄存器、三态输出锁存器、逻辑控制和定时电路等其它一些电路组成。因此， 处理 8 路模拟量 的 输入， 并 且 具 有三态输出能力，既可 以 与各 种微处理 器相连 接 ， 又 可 以 单独工作。其 输入输出与 。 18 图 部结构框图 模拟输入部分， 有 8个通道的模拟输入线 (可 以 选通 8路模拟开关，允许 8路模拟量输入，共用 A/ 地址锁存信号， 在 高电平时有效 。当 为高电平的时候， 可 以 由 3 位地址输入 不同组合来选择 地址信号来进行 锁存 。经译码后，被选中的通道的模拟量进入转换器进行转换。 为地址输入线，用于选通 体通道的选择表如图 图 通道选择表 主体部分 ， 用 的 是 逐次逼近式的 A/D 转换电路，由 在 高电平 时 ，所有内部寄存器清零； 在 低电平时 ， 开始进行 A/且，在转换期间， 保持低电平。 当转换完成 时 ，输出信号 为高电平 。 转换结束信号） ，高电平有效， 用来 打开输出三态缓冲器 ,把转换后的 数字量送到数据总线上 。 时，输出转换得到的数据； 0E=0时，输出数据线呈现高阻态。 工作过程 首先， 当模拟量送至某一输入通道（ ， 标识该通道编码的三位地址信号经数据线或地址线 分别 输入到 引脚上。然后输入 3 位地址，并 19 使 ， 从而 将地址存入地址锁存器 之 中。 此地址经过译码，选通 8 路模拟输入其中之一到比 较器。 上升沿 ，将逐次逼近寄存器复位，使内部所有寄存器清零； 降沿 时， 启动 A/D 转换， 然 后 出信号变低， 用来 指示转换正在进行 中 。 保持于低电平， 直到 A/D 转换完成 ， 为高电平，指示 A/D 转换结束， 转换好的数据已存入锁存器， 同时， 这个信号可 以 用作中断申请。 当 转换结束 时 ,即 0E=1） ，可 以 通过执行 令，在输出允许 上形成一个正脉冲， 使 输出三态门打开， 首先送出地址，然后 将 转换 好 的数字量输出到数据总线上 ， 来 供单片机使用 。 引脚 及其 功能 图 脚图 有 28条引脚，采用双列直插式封装， 如图 各引脚功能 : 8路模拟量输入端 ； 8位数字量输出端 ； 地址锁存选通信号，输入高电平有效 ； 钟脉冲输入端。要 求时钟频率不高于 640般为 500 3位地址输入线，用于选通 8路模拟输入中的一路 ； 源，接 5V； 据输出允许信号，输入高电平有效。当 A/端输入一个高电平， 20 才能打开输出 三态门，输出数字量； A/冲输入端 ，输入高电平 的时候 有效 （即输入一个正脉冲，脉冲上升沿使 降沿启动 A/； A/转换期间一直为低电平 ， 当 A/端输出一个高电平； +）、 -）：基准电压输入端 ,它们决定了输入模拟电压的最大值 与 最小值 .； 地。 片的性能特点 单个 +5 具有转换起停控制端； 不需零点和满刻度校准； 低功耗，约 15 8路输入通道， 8位 A/分辨率为 8位 ； 微处理器兼容（三态输出）。 转换时间为 100 s(时钟为 640， 130 s（时钟为 500） ； 工作范围为 +85摄氏度； 模拟输入电压范围为 0 +5V。 片机 介 电压、 高性能 的 位微处理器，俗称单片机。 本 器件采用 了 非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 及 输出管脚相兼容 ，自带 4K 字节可闪烁可擦出可编程只读存储器 。 因为 将多功能 8 位 闪烁存储器组合在 了 单个芯片 之 中， 一种高效微控制器。 片机 已 为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性 较 高 并 且 价格低廉 的方案。 21 功能特性概述 提供以下标准功能： 4 32个 I/ 128字节内部 两个 16位定时器； 一个全双工串行通信口； 片内振荡器 ； 一个 5向量两级中断机构 ； 时钟电路。 与此 同时， 降至 0行静态逻辑 操作，并 且支持两种软件可选的节电工作模式：掉电方式与空闲方式。 掉电方式时 ， 振荡器停止工作并且禁止其它所有部件的工作，但 保存 到下一个硬件复位 ； 空闲方式 时 ， 停止 允许 计数器 /定时器 ， 串行通信中断系统 以及 续工作 。 管脚说明 管脚图 如图 22 图 89引脚排列图 管脚介绍： 电电压 ,接 +5 地 ； 是 一个 8位漏级开路双向 I/脚可吸收 8个 晶体管 ，即地址 /数据总线复用口 。当 的管脚第一次写 入 1时，被定义为高阻输入。 在访问外部程序存储器或数据存储器时， 它可以被定义为数据 /地址的 低 八位。在 作为原码输入口， 接收指令字节； 当 时 即 外 接上拉电阻） 。 ：是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 缓冲器能 驱动 4 个 电流。 时 ，被内部上拉为高，可用作输入 ； 输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 程和校验时， 八位地址接收。 是 一个内部 提供 上拉电阻的 8位双向 I/ 缓冲器可 以 驱动 4个 当 1”时，被内部上拉电阻拉到高电平，可以 作为输入。并因此 ， 外部拉低，将输出电流； 当 用于 16 位地址外部数据存储器 或者外部程序存储器来 存取 数据 时， 用来 输出地址的高八位。在给出地址“ 1”时， 用 其 内部上拉 的优势，当读写 外部八位地址数据存储器时， 殊功能寄存器 里边 的内容。在 收高八位地址信号和控制信号。 ：是 8 个 提供 内部上拉电阻的双向 I/O 口，可 以驱动 4 个 电流。当 写入“ 1”时， 被内部上拉为高电平，并 且 用作输入 ，