家用安全保护装置-设计说明书

家用安全保护装置的研究与设计设计总说明伴随着社会发展、科技进步，人们生活水平逐步提高。大量现代家用电器和厨房设施的使用,家庭中存在的安全隐患也越来越多，传统的安全防范措施已无法适应现代化社会的需求，于是各种新型智能报警系统应运而生 。本文研究了基于89C51的家用安全装置，对家庭日常生活中发生的烟雾及燃气进行了监测。利用89C51高性能16位单片机设计主控核心，以门磁开关，燃气烟雾传感器，以LED和蜂鸣器为声光信号警示，对传统的安防装置进行了改进，希望改善我们日常生活安防不足的情况。设计先通过Protues软件进行仿真，再通过硬件来实现以上功能。关键词：气体传感器，单片机，烟雾，燃气，报警目录1 绪论1.1 设计说明书研究目的和意义12智能家居的国内外现状1.3 本设计主要任务2 家用安全保护装置总体设计2.1 设计要求2.1.1 烟雾、燃气泄漏检测的功能2.1.2 系统设计框图2.1.3烟雾、燃气泄漏检测的各个功能模块2.2 设计原理2.2.1 气体传感器介绍2.2.2 气体传感器的选定3 硬件设计3.1AT89C51单片机介绍3.1.1 AT89C51简介3.1.2主要性能参数3.1.3AT89C51各引脚说明3.2 ADC0808转换器介绍3.2.1转换器ADC0808构成3.2.2转换器ADC0808工作原理3.3 报警电路3.3.1声报警电路3.3.2 光报警电路3.4 LED数码管显示及按键控制电路4 软件设计4.1 主程序4.2A/D转换程序4.3 外部中断1服务程序4.4 软件调试与仿真4.4.1程序调试步骤4.4.2调试中的问题及解决方法4.4.3运行结果分析5 硬件电路的搭建及调试5.1 硬件电路主要元器件5.2 搭建硬件面包板注意事项5.3 硬件调试1.绪论 1.1 设计说明书研究目的和意义可燃性气体通常指城市煤气、石油液化气、汽油蒸汽、酒精蒸汽、天然气以及煤矿瓦斯等1。这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、苯类以及一氧化碳和氢气等成分，易燃、易爆、贮存和使用这些气体的过程中，如违反操作规程和设备密封不好，都有可能发生可燃气体泄漏现象，进而酿成火灾或爆炸事故，给国家和人民的生命财产造成损失。可燃性气体检测报警装置是能够检测环境中的可燃性气体浓度并具有报警功能的仪器。该报警装置是石油化学工业、有可燃性气体泄漏可能的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。可燃性气体报警器属于中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录中第46项，它归类于物理化学计量器具。建筑设计防火规范(GBJ16-87)第10.3.2条明确规定:“散发可燃气体、可燃蒸汽的甲类厂房和场所，应设置可燃性气体浓度检测报警装置”。2003年12月，国家执行新的可燃性气体探测器标准(GB15322-2003)可燃气体探测器，2004年10月国家颁布可燃气体检测报警器规程JJG693-2004，研究新型、性能稳定、准确监测可燃性气体，并合乎国家相关规定的报警器具有极其重要得意义。目前我国已有许多城市铺设了煤气管道，使用人口约达二亿人，煤气发生基地及中转站也达几千家。如果这些家用燃气和煤气基地及中转站的报警率按10%计算，可燃性气体检测报警器的需求量就达2000万台以上。随着全社会对防火防爆及人身安全的重视程度的提高，这个数字会继续增长。近十年来，农村的沼气使用也得到了极大的发展。到2006年底，全国沼气池数量已达近1300万座，这就为检测沼气（主要成分是甲烷）浓度的仪器提供了市场。可见，可燃性气体报警器具有十分广阔的市场前景。12智能家居的国内外现状自1984年世界上第一幢智能建筑在美国出现后，“智能家居”逐步走入人们的视野。美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居方案。并在美国、德国、新加坡、日本等国得到应用5。我国的智能家居始于20世纪90年代末。1999年，建设部勘察设计司、建设部住宅产业化办公室联合实施全国住宅小区智能化术示范工程，该示范工程的启动，标志着我国智能化住宅小区的建设进入了新的发展阶段5。智能家居进人中国发展已有近十年的时间，随着人们从陌生到熟悉，从误解到理解，智能家居的发展道路可谓非常坎坷。它经过了早期的概念普及期到现在开始进入快速的发展期。目前，国内智能家居行业结构较为复杂，主流智能家居厂家主要由对讲安防类、传统家电类和网络通信类厂家发展而来。也有专业从事智能家居生产的厂家。各类厂家结合自家特色推出的智能家居产品在功能上各有侧重点。专业智能家居生产厂家对控制功能单一的智能家居产品进行功能组合，把发展的主要目标放在智能控制系统的研发上。对传统家电类企业在其家电产品中置人通信接口，使其成为网络家电，此类智能家居产品的推广受到家电品牌选择的限制。网络通信类厂家侧重在数码产品和信息家电产品中植入某些智能家居控制功能。智能家居的出现对传统的安防装置进行了改进，改善了我们日常生活安防不足的情况。1.3 本设计主要任务本文主要是基于89C51单片机的家用安全装置，对家庭日常生活中发生的烟雾及燃气进行了监测。利用89C51高性能16位单片机设计主控核心，以门磁开关，燃起烟雾传感器为监测器，以LED和蜂鸣器为声光信号警示，以达到监测的目的，避免不必要的事故发生。2 家用安全保护装置总体设计2.1 设计要求2.1.1 烟雾、燃气泄漏检测的功能在本设计中，烟雾及其燃气泄露测试装置的主要功能就是快速准确的检测被测气体中有害气体的含量（主要是CO气体和甲烷气体），通过LED显示屏将CO等气体浓度显示出来，当气体浓度达到一定门限值时发出声光报警。为了实现以上功能：系统应该具备气体传感器、数据采集、A/D转换电路、单片机、LED数码显示、声光报警单元。2.1.2 系统设计框图传感器时钟电路AT89C51复位电路声光报警驱动电路LED显示A/D转换图2-1 系统框图系统工作流程为:由装在室内的CO传感器和QM-N5传感器获得被测量对象(室内CO甲烷浓度)原始信号,经过温度补偿和取样放大得到矫正后的可匹配信号，进入A/D转换,得到被测对象的数字量信号,再由单片机进行数据处理,得到最终的室内环境CO及甲烷浓度值（本次设计中我利用可变电阻模拟烟雾燃气传感器），将此数据通过数码管显示并保存,同时根据系统设定的限值参数判断环境浓度是否超标,如果超标立即启动预警信号进行声光报警提示,提示室内人员打开门窗、关闭气源并迅速撤离事故现场。CO具体技术指标如下：应用范围：工业生产和人民生活中的CO检测；检测对象：CO及他们的混合气体；检测范围：CO:01000ppm；检测精度：CO优于20ppm；报警浓度：100ppm300ppm响应时间：30ms；电池电压：+12V；工作温度范围：-20+70；工作湿度范围：1095%RH。QM-N5传感器适用范围：用于检测CH4、C4H10、H2等技术指标：加热电压（Vh）AC或DC 50.2V 响应时间(trec) 10S回路电压（Vc）最大DC 24V恢复时间(trec) 30S负载电阴（Rl）2K元件功耗0.7W检测范围5010000ppm灵敏度（S=Ra/Rdg）4(在1000ppmC4H10中)2.1.3烟雾、燃气泄漏检测的各个功能模块在本设计中，煤气泄露测试装置的主要功能就是快速准确的检测被测气体中有害气体的含量（主要是CO甲烷气体），通过LED显示屏将CO甲烷气体浓度显示出来，当气体浓度达到一定门限值时发出声光报警，在我的设计中我采用可变电阻模拟了传感器，在检测过程中通过检测可变电阻两端的电压来实现，为了实现以上功能：系统应该具备气体传感器、数据采集、A/D转换电路、单片机、LED数码显示、声光报警单元。2.2 设计原理2.2.1 气体传感器介绍1. 气体传感器是气体与气味检测的关键元件。根据其气敏特性，气体传感器可以分为六大类：(1) 半导体气体传感器。(2) 固体电解质气体传感器。(3) 接触感染式气体传感器。(4) 电化学式气体传感器。(5) 光学式气体传感器。(6) 高分子气体传感器。2. 气体传感器应满足的基本条件一个气体传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个完整的气体传感器都必须具备以下条件：(1) 能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) 对检测信号响应速度快，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。2.2.2气体传感器的选定气体传感器是本系统检测的起点也是系统的核心和重点，选择合适的传感器成为决定系统成功的关键。CO气体传感器和QM-N5传感器属于气敏传感器，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、浓度处理及报警控制等工作。传感器作为煤气泄露测试装置报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。由此可见，传感器的选型是非常重要的。由于监控系统最关键的部分在于室内一氧化碳气体浓度的检测,本系统考虑到室内空气中一氧化碳含量的大致范围,结合国家环境空气质量标(GB30951996)规定的一氧化碳分级标准,我们选用了Motorola生产的一种专门用于家庭用途的MGS1100型一氧化碳气体传感器, MGS1100一氧化碳传感器是一种应用全微电子工艺制成的半导体气体传感器，作为CO敏感元件，对CO响应的选择性好，并具有灵敏度高，稳定性好等特点在信号采集的同时加以温度补偿。它是在微型硅桥结构中嵌入的加热器上制作一层SnO2薄膜,这种结构不仅使得SnO2薄膜对CO气体在很宽的温度范围内具有敏感性,而且硅膜减少热传导的热损失,从而大大降低了功耗。最终设计采用可变电阻模拟上述所用传感器，通过改变阻值得到不同的电压来实现本次设计的功能。图2-2传感器管脚与基本测量电路图其中2、4端为加热器的电源接线端,1、3为传感器输出端,其工作原理是把传感器置于CO气体环中,SnO2薄膜层的电阻会随着CO浓度的变化而变化,CO浓度越大,SnO2薄膜层阻值越小。图22（b）为取得传感器输出信号的基本电路图,Vh为加热电压,传感器电阻RS与负载电阻RL串联接到工作电压VCC两端, 由此可得关系:VRL=RLVCC/（RL+RS）传感器阻值RS随着CO浓度的增大而减小时,输出负载电压VRL逐渐变大,所以通过测量负载电压即可反应出被测对象的CO浓度。MGS1100型一氧化碳气体传感器的特点：测量浓度范围为0-1000PPM，测量精度为3%，分辨率为1PPM，工作温度-2070，零点漂移为PPMStart/stop Debug Session”图标，进入程序调试环境。按“F5”键，顺序运行程序。调出Priteus ISIS 界面，.4.2运行结果分析调节滑动变阻器，使其相应阻值发生变化，例如图中此时的电阻占比为92%。由ADC0808通过28号引脚采集滑动变阻器两端电压值的电信号转换成8位二进制数通过引脚OUT1-OUT8输出给单片机P2口，此时将此信号传输给P2.0-P2.7，在时钟信号的作用下，LED循环显示转换结果为此时可变电阻两端的电压值和当前哪一路的信息。满足4位数码管的前三位显示A/D转换后的电压值，后一位显示通道数，所以程序和设计的软件符合设计的要求。5 硬件电路的搭建及调试5.1 硬件电路主要元器件表5-1主要元器件清单序 号名 称型 号数 量1单片机AT89S5112瓷片电容33pF23瓷片电容10414按键15晶振12M16三极管NPN47三极管PNP18电阻10K19可变电阻1K210排阻1K111电解电容10uF112蜂鸣器113二极管114转换器ADC0808115定时器NE555116LED四位8段数码管15.2 搭建硬件面包板注意事项(1).明确面模板上所插引脚开通与关断，竖直方向为开通，但是就两层格子的模块则恰好相反，横向为开通方向。(2).为了分布各器件的最佳布置，应该先对器件在整个面模板上进行整体布局，以便达到各器件合理分布的良好视觉效果，然后再根据电路原理图将导线连接到相应的引脚。(3).各芯片正常工作需要给每个芯片加电源，本次实验所加电压为+5V，一般芯片最左下角的引脚接电源，而芯片最左上角接地。但是需要特别强调的是AD0808转换器则不同，需要在引脚11号和引脚13号分别接电源和接地。建议参考芯片引脚正确连接各引脚。(4).原理图中AD0808转换器的时钟信号是外输入的，本次模拟所用的是TMDM-1型数电模电试验箱所提供的频率发生器，注意当所给的信号频率越低采集信号转换的速度越慢，经过试验得出频率在500HZ以上转换速度较为明显。5.3 硬件调试接通所选的+5V电源以及外加频率发生器，如果发现LED与发光二极管没有显示，仔细对照原理图与芯片引脚，比较对照各引脚直到故障排除。值得提出的是当反复检查引脚没有错误时，是否芯片与面模板接触完好。当改变滑动变阻器的阻值后显示也应随之改变。由调试结果可看到4位数码管的前三位显示A/D转换后的电压值，后一位显示通道数，所以程序和设计的软件符合设计的要求。6 毕业设计的收获及心得通过近三个多月的毕业设计，让我对自己以前所学的知识有了很好的回顾同时对以前没有能懂得知识也一一破解。在电路分析上也有很大的提高。使对集成芯片的管脚和工作原理更加牢固。通过本次课程设计，又使我学到了许多书本上无法学到的知识，也深刻体会到单片机技术应用领域的广泛，不仅使我对学过的单片机知识有了很多的巩固，同时也对单片机这一门课程产生了更大的兴趣。在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅了大量的设计资料了。为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料是十方必要的，同时是必不可少的。其次，我学会了在网络中查找有关的各硬件的资源，为本次课程设计提供一定的资料。这次设计使我认识到怎样把所学的知识连贯起来，分析需要将产品有充足的了解，需要有足够的耐心。当你遇到困难时要敢于克服。在认真、持之以恒的态度下一定能取得设计成功。通过本次设计我还熟悉掌握了Proteus和klieC软件。总之，这次毕业设计让我受益匪浅。这对我将来工作一定带来很大帮助。致谢在这次设计过程中，我得到了组里各位老师的支持和帮助，特别是张晓群和稽启春老师，更是在毕业论文设计的整个过程中，认真指出我设计的不足之处，耐心指导我如何完善，还帮助我解决我不懂的地方，使我们少走了很多弯路。在此，诚心感谢我的指导老师成老师！没有你们的指导也不会有今天的我，再次真诚的感谢我的指导老师，在本次设计中您给我的良言我会谨记在心，您给我的不仅是单独的知识，您还教会了我在生活中的一些细节，给我传达了谨慎、认真、仔细做事的精神，老师您辛苦了！在此还要感谢所有在我学习遇到困难时帮助我的老师们和我们组的同学，和他们一起设计，相互鼓励，共同面对困难，共同解决困难，这才使得我能够顺利完成学业。附录图1系统原理图源程序：#include /系统宏定义#define ucharunsigned char#define uint unsigned int #define LConP1#define DataP0#define SWITCH_KEY 1#define NO_KEY0#define DOWN0#define UP/0808管脚定义#define DataPortP2/0808的数据输出口,注意引脚接线。sbit ADDA=P33;/输入选择口sbit start=P30; / AD开始信号，与ALE 连接在一起用sbit eoc=P32;sbit oe=P31;uchar X2;/端口引脚定义sbit Speaker=P35;sbit ClockPin=P17;sbitSysLed=P36;sbit SwitchKey=P34;/数码管软件译码unsigned char const s=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;/数码管软件译码unsigned char code seg=1,2,4,8;/数码管片选信号/系统变量定义static uchar index,sam_index;/当前采样通道static uchar SpeakState;/扬声器状态uint AlarmLimit2;/报警输入值，在初始化函数中配置uchar SampleValue2;/采样获取值，AD的采样值uchar ShowControl;/显示的采样通道uchar RefFlag;/数码显示更新标识/外部引用函数extern uchar ad_search(uchar k);extern void StartTran(uchar ID);extern uchar GetSampleValue(void);extern uchar ADC0808(unsigned char id);extern uchar GetSampleNowait(uchar *val);void delayl(uint n)uint i,j;for(i=n;i0;i-)for(j=114;j0;j-);void delays(unsigned int cnt) while(-cnt);uchar ad_tr(void)/AD 模拟量转换成数字量函数uchar val;oe=0;start=0;delayl(1);start=1;delayl(1);start=0;/开始转换delayl(1);while(!eoc);/等待转换结束oe=1;delayl(1);DataPort = 0xff;val=DataPort;/读入转换的数字量oe=0;return val;uchar ad_search(uchar k)/IN0,IN1,IN2模拟量的分时转换if (k1) return 0;switch(k) case 0:ADDA=0;delayl(5);X0=ad_tr();return X0 ;break;case 1:ADDA=1;delayl(5);X1=ad_tr();return X1 ;break;/case 2:ADDA=0;ADDB=1;ADDC=0;ad_tr();IN2=val;i=0;break;default:k=0;break;void StartTran(uchar ID)oe=0;ADDA = ID;delays(4);start=0;delays(2);start=1;delays(2);start=0;/开始转换delays(2);/获取采样的值 uchar GetSampleValue(void) uchar val; while(!eoc); oe=1; delayl(2); val=P1; oe=0;return val;uchar ADC0808(unsigned char id)/0808的转换 unsigned char val; if(id = 0) ADDA = 0;elseADDA = 1; start=1;/开始 来一个脉冲 start=0; while(eoc=0); oe=1;/允许输出 val = DataPort;/到0808 oe=0; return val; /功能 : 将整数转化成字符串输入 : value 需要转化的整数uchar BufTemp4;/数码管需要显示的值就在这里取的void IntToChar(uint value)if(value999)BufTemp0=9;BufTemp1=9;BufTemp2=9;BufTemp0 = value/100;value = value%100;BufTemp1 = value/10;BufTemp2 = value%10;BufTemp3= ShowControl; /打开扬声器输出，扬声器输出靠PWM脉冲驱动，脉冲由定时器1产生void OpenSpeaker(void)if(SpeakState = 0)SpeakState =1;elsereturn; TMOD |= 0x11; ET1=1; TR1 = 1;/关闭扬声器输出void ClosedSpeaker(void) SpeakState = 0; ET1=0; TR1 = 0;/定时器1中断函数void Timer1() interrupt 3 TR1=0; Speaker=Speaker; TH1= 0xF2; TL1= 0xDA; TR1=1;/初始化系统变量void InitSystem(void)AlarmLimit0 = 321;/电压值3.21V,输入321AlarmLimit1 = 250;ShowControl = 0;SampleValue0 = 0;SampleValue1 = 0;sam_index = 0;index = 0;RefFlag = 0;/转化成采样值AlarmLimit0 = (unsigned long)AlarmLimit0*51/100;AlarmLimit1 = (unsigned long)AlarmLimit1*51/100;EA = 1;/按键扫描uchar scan_key()SwitchKey = 1;if(SwitchKey = DOWN )delays(35);/去抖if(SwitchKey = DOWN )while(SwitchKey = DOWN);returnSWITCH_KEY;return NO_KEY;/定时器0的初始化函数void InitTimer0(void)/30msTMOD |= 0x11;ET0 = 1;TH0 = 0x94;TL0 = 0x00;TR0 = 1;/定时器0的中断响应函数，定时器0实现数码管定时刷新，定时时长是10ms，实现ADC定时采样，采样采用查询方式。void Timer0_isr(void) interrupt 1 using 1static uint temp;TR0 = 0;TH0 = 0xdc;/TL0 = 0x00;/ temp = ad_search(sam_index);temp = ADC0808(sam_index);SampleValuesam_index= temp;sam_index = (sam_index = 0 )?1:0;RefFlag = 1;#if 0if(GetSampleNowait(&SampleValuesam_index) = 1)/转化成功/SampleValuesam_index = SampleValuesam_index*500/255;sam_index = (sam_index = 0 )?1:0;RefFlag = 1;StartTran(sam_index);