一氧化碳报警器设计

1、 一氧化碳报警器的设计【摘要】一氧化碳（CO）是人们日常生活生产中常见的一种无色无味有毒气体，不易被人们发现，当人处于CO气体之中是十分危险的，甚至威胁到生命安全。而经常产生于煤炭等碳素的燃料的燃烧不充分，危害最大的就是一氧化碳中毒。因此，从安全、环保及经济上考虑，研制一种检测可燃性气体自动报警和自动打开排器装置的一种控制器是非常必要的。由于本设计需要用到CO传感器，所以在满足基本要求的基础上，电路的设计还要考虑到传感器电路部分需要具有良好的温度、湿度稳定性。本设计是对空间的CO浓度进行报警、控制其他器件进行工作。采用了“探测器+单片机控制电路”设计思路，该方案具有检测误差小，反应速度快等优点

2、。选用一种十分稳定的CO传感器MQ7，对一定空间的一氧化碳浓度进行检测，采用功能和性价比较高的STC89C52单片机作为中央处理单元，对浓度信号进行采集、数据处理、显示、报警及打开排气装置等工作。也就是说报警器对CO进行实时控制，当一氧化碳的浓度超过允许值时，控制电路进行报警。【关键词】一氧化碳 ； 报警器 ； 单片机 ； 电化学（气敏）传感器 目录前言41.绪论51.1 课题研究背景51.2 课题研究的目的及意义61.3 一氧化碳报警器的概述61.4 设计的主要任务72.方案设计82.1设计要求82.2 初始化方案82.2.1 总体方案的选择92.2.2 MQ-7气体传感器92.3系统的组成

3、133.报警控制器的硬件设计143.1 CO报警器的设计143.1.1报警器的总体结构153.1.2 主控电路原理153.2 STC89C52系列单片机系统结构特点163.3 一氧化碳报警器电路设计163.3.1 A/D转换电路163.3.2 电源电路183.3.3 声音报警电路193.3.4ADC0809与单片机连接193.3.5传感器的电路204.报警器的软件设计204.1 STC89C52单片机调试及开发工具204.2 CO气体报警控制器软件流程及设计214.3单片机编程214.4 电路仿真215 系统调试245.1 硬件的调试245.1.1 排除逻辑故障245.1.2 排除元器件故障2

4、45.1.3 排除电源故障245.2软件调试245.3软、硬件整体调试256.结束语257.参考文献278.附录28附录A：硬件电路总图28附录B：程序的相关代码28 前言 当今，单片机微型计算机技术发展迅猛，基于单片机开发的智能化监测控制设备和产品都广泛的应用到各个领域，促进了生产技术水平的提高。单片机智能控制电路具有延展性好，反应快，高集成，准确性高等优点，有利于实现对特定情况的快速控制。此次的一氧化碳报警器检测系统正是单片机应用系统中的一种。单片机应用系统由硬件和软件组成。硬件是指单片机扩展的存储器、输入/输出设备以及各种实现单片机系统控制要求的接口电路和有关的外围电路芯片或部件；软件是

5、指单片机应用系统实现其特定控制功能的各种工作程序和管理程序。只有系统硬件和软件紧密配合、协调一致，才可能组成高性能的单片机应用系统。在单片机应用系统的开发过程一般包括系统的总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试几个阶段。这几个系统开发阶段并不是相互独立、各自进行的，而应根据开发的实际需要，相互协调、交叉，有机的进行。 实现气体浓度监测离不开高性能的气体传感器。狭义上讲，传感器就是能将外界信息转换成电信号的装置。随着新技术和自动化的发展，传感器的使用数量越来越大，一切现代仪器、设备几乎都离不开传感器。此次设计中所利用到的气体传感器就是要测量一氧化碳气体浓度的动态信息，并且利用模数转换芯片将浓度值

6、转换为数字值，实现整个系统的检测与报警功能。其中我们设计的方案是通过传感器输出的电压值来表示一氧化碳相应的浓度值。，不过该设计中并没有将这个浓度值显示出来，只要求在气体浓度超过给定值时候报警。 由于一氧化碳中毒是家庭小区以及矿工企业常见事故，给人们生命财产带来了极大的危害。为了能减少事故的发生，迫切需要一氧化碳报警装置。 随着电子技术与计算机技术的发展，面对各种检查对象和大量的测试点，需要利用数据采集系统将多路被测量转换成数字量，再经过单片机或微型计算机进行数据处理，实现实时测控。而此时采用单片机来实现一氧化碳报警不仅具有采集控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度提高采集点的技术指标，从而

7、大大提高系统的可利用性。此次的设计正是把ADC0809与STC89C52单片机有机的结合起来，实现了数据采集系统，也符合了本设计的要求。1.绪论1.1 课题研究背景随着国家经济的提高，现代化、智能化的多功能建筑越来越多，对建筑的防火安全设计要求也越来越高。近年来，全国燃气行业发展迅猛，液化气、天然气、煤制气等城市燃气作为清洁能源已在工商业和城镇居民用户中得到广泛应用，特别是随着“西气东输”工程的快速进展，燃气行业发展潜力巨大。以“西气东输工程”为开端的大规模天然气利用工程的实施，意味我国城市燃气将大踏步的进入“天然气时代”。西气东输工程，在西部优势资源和东部广阔市场之间建立起了一座“金桥”，西

8、气东输工程投入使用后，每年供应长江三角洲地区大量生产生活所必须的天然气。城市燃气的普及与应用无疑对改善城市的环境质量和提高具名的生活质量发挥了巨大的作用。但是随着燃气的广泛使用，由于燃气泄漏所引发的爆炸、中毒和火灾事故也时有发生，这在某种程度上增加了城市的不安全和不稳定因素。为了使燃气更好地造福于民，造福于社会 ，减少并杜绝各种因燃气泄漏而引发的爆炸及火灾事故，各燃气使用单位及居民用户选择一种适合的气体报警器实为必要之举。及时报警是非常重要的，在在公共场所或家庭里都一样。一旦发生火灾，提早报警，可以及时将火扑灭，以免小火酿成大火灾，这相当于尽最大的努力保护我们的生命财产。目前常用的有感烟、感温

9、和可燃气体火灾报警器。像家庭中使用煤气、液化石油气和天然气等燃料时，安装一个可燃气体报警器，但出现漏气或者着火时，报警器能够立即鸣笛报警，告之主人及时采取措施。一氧化碳（CO）为无色、无味、无刺激性气体，几乎不溶于水，不易被活性炭吸附。当碳物质燃烧不完全时，可产生CO，如人体短时间内吸收较高浓度的C0，或浓度虽低，但吸时间较长，均可造成急性中毒。CO与血红蛋白结合能力超过氧和血红蛋白的结合能力的200-300倍，当CO与血红蛋白结合形成的碳氧血红蛋白含量达到5%时，就会对人体产生慢性损害，达到60%时就会昏迷，达到90%就会死亡。由于发生一氧化碳中毒事件的普遍性和隐蔽性，迫切需要一种能够很好的

10、监控室内一氧化碳浓度的仪器，并且在一氧化碳浓度过高时能够报警提高人们注意力，保护人们生命财产安全。另外，一氧化碳还可以燃烧，但一定的空间内充斥了足够量的CO时，还必须避免火光的产生。本文正是通过分析目前的气体报警器的现状，设计制作的一氧化碳报警器，保障人们的生命财产安全。1.2 课题研究的目的及意义设计出性能更加可靠，经济实惠的一氧化碳报警器。目前，现有一氧化碳检测仪器主要是面对工矿企业或者公共场所的检测，价格高昂，对家庭也不适用。因此，本次设计所面对的广大居民，其优点在于：（1）成本低廉并能对一氧化碳准确报警（2）该产品无需专业人员操作，只要放在合适位置，通电即可，连续使用、方便简捷。（3）

11、能起到预防一氧化碳中毒的效果，使人们高枕无忧。该产品必须能够有效预防广大农村居民冬季燃煤取暖一氧化碳中毒事件发生，同时也能够给城镇居民安全使用天然气提供有力的保障。1.3 一氧化碳报警器的概述 一氧化碳报警器是属于燃气报警器中的一种。燃气报警器可分为可燃气体泄漏仪（简称“检漏仪”），可燃气体报警控制器（简称“控制器”）、可燃气体探测器（简称“探测器”）、家用可燃气体报警器（简称“报警器”）四大系列产品。报警器为居民家庭用的燃气报警器，一般安装在厨房或厕所，遇燃气泄漏时，报警器可发出声光报警，以提醒居民。 燃气报警器的核心是气体传感器，俗称“电子鼻”。当气体传感器遇到匹配气体时，传感器电阻随燃气

12、浓度而变化，随之产生电信号，然后将电信号传输到报警器后继线路进行处理。经过电子路线处理变成浓度成比例变化的电压信号，由线性电路加以补偿，使信号线性化，经微机处理、逻辑分析，输出各种控制信号，即当燃气浓度达到报警设定值时，气体报警器发出声光报警信号。本文中的一氧化碳报警器起基本工作原理也差不多。1.4 设计的主要任务本文利用单片机电路制作一氧化碳报警器。设计过程中最关键的两个部分：硬件的设计和控制软件的程序编写。这也是在设计过程中需要解决的最关键的问题。(1) 对单片机报警器系统进行整体的规划和结构的设计。(2) 以STC89C52单片机为中央处理器，对硬件电路进行设计和改进，使其功能更加完善。

13、系统硬件电路主要分为A/D转换电路、STC89C52单片机接口电路、声音报警控制电路、三部分。硬件的设计需要单片机、模电及其数电的相关知识。在解决这一问题的过程中，需要查阅大量资料，结合所学知识，向老师获取帮助。(3) 系统的软件编制。在程序的编写过程中，将数据采集转换后经由单片机和已知数据进行比较。需要对程序进行多次调试，以获取最佳数值。最后根据需要调试出来实际电路即可。2.方案设计设计就是根据题目的要求而对软硬件进行规划，并选择最佳的硬件电路和软件程序来达到预期的目的。硬件设计是通过对设计要求的分析，对各种元器件的了解，而得出分立元件与集成块的某些连接方法，已达到设计的功能要求。并且把这些

14、元器件焊接在一块电路板上。它包括对各种元器件的功能和接发；了解，以及对各种元器件的选择和设计方案的选择。软件设计是分析设计的硬件用程序实现其功能，前提是将正确的相关程序烧录到单片机上，已达到硬件实现功能的要求，并且调试优化产品功能。2.1设计要求CO报警器应实现如下功能:报警器需在一氧化碳浓度达到100ppm时启动报警。具体实现如下功能：（1）系统要求设置正常工作状态除正常工作状态外,LED红灯处于熄灭状态，蜂鸣器处于关闭状态。 （2）在正常工作状态下，绿灯应长亮。当室内一氧化碳浓度达到100ppm时系统应启动蜂鸣器报警，红灯闪烁。2.2 初始化方案本设计研究的思路：（1） 根据该设计要实现的

15、基本功能，设计大概应该分为信号接收，信号处理，信号控制和信号响应四个部分。 A.信号采集接收部分即通过一氧化碳检测房间气体浓度，并将这种变化量转换成电压或者电流等模拟量的变化。为了能准且采集到气体浓度的变化应选用传感器敏感器件，为使其有效部分的检测房间中气体浓度，必须选用高温一氧化碳传感器。 B.信号处理部分是将接收部分得到的电压或电流等变化进行必要放大，为后一部分信号控制提供准备。这一部分应该根据实际情况选用电荷放大，或比较器等装置，这部分电路将包含在传感器接口电路中。 C.信号控制部分是通过预设定控制方式等实现对设计要求的准确操作。主要是通过已编程的单片机芯片。 D.信号响应是通过事故处理

16、部分实现控制部分的要求。用简单的蜂鸣器和LED灯即可。 根据对上面设计系统的分析，我们得到该设计思想框图如下图2.1所示：信 号响 应装 置信 号控 制装 置信 号处 理装 置信 号接 收装 置 图 2.1 设计思想框图2.2.1 总体方案的选择鉴于此系统所要实现的功能，提出方案进行分析。首先，这个方案是利用一个一氧化碳气敏传感器对空间的气体浓度进行检测，将检测到的浓度结果经过放大器或比较电路后，实现对检测信号的处理，再将结果输入A/C芯片后进行模数转换，最后通过写有程序的单片机STC89C52对电路进行智能调控，实现声光报警。此设计十分简单，也十分实用。虽然对房间气体浓度的采集不是很精确，但

17、报警方面已经十分符合生活必须的。 这个设计所用到的主控芯片是采用常规的ADC0809和STC89C52。基于本方案所需的成本比较低，又能达到比较准确的测量，单片机的兼容性和性价比都很高，因此这个方案是必然之选。通过对资料的收集，本设计将采用的传感器是MQ-7气体传感器，对一氧化碳的灵敏度高，这种传感器可检测多种含一氧化碳的气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。2.2.2 MQ-7气体传感器特点：* 对一氧化碳有很高的灵敏度和良好的选择性 * 具有长期的使用寿命和可靠的稳定性应用用于家庭、环境的一氧化碳探测装置，适宜于一氧化碳、煤气等的探测规格A. 标准的工作条件：B. 环境条件：C. 灵敏度

18、特性：D.结构、外形、测试电路MQ-7气敏传感器的结构如下图1所示（结构A或B），由微型三氧化二铝陶瓷管、二氧化锡敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。填充活性炭的过滤腔体，进一步减弱了氮氧化物、烷类等气体的干扰。封装好的气敏元件有六只管脚，其中4个用于信号的取出，2个用于提供加热电流。基本测试回路图：基本测试回路图E.灵敏度特性曲线： MQ-7型气敏元件灵敏度特性曲线图上图中给出了MQ-7型气敏传感器的灵敏度特性，其中温度是20摄氏度，相对湿度为65%，氧气浓度为21%，RL=10k；Rs为旗舰在不同气体不同浓度下的电阻值

19、；Ro为器件在洁净空气中的电阻值。MQ-7工作原理：传感器的表面电阻Rs是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号VRL输出而获得的。二者之间的关系为： 图2-1为负载测试曲线图，是利用测试回路测得在传感器由洁净空气转移至一氧化碳或甲烷气氛中时，RL上的信号输出变化情况，输出信号的测定是在一个完整的加热周期或在两个完整的加热周期内测得。图2-1负载测试曲线图灵敏度调整：MQ-7气敏传感器对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使用此类传感器时，灵敏度的调整是很重要的，我们利用了200ppmCO校正传感器。当精确测量时，报警点的设定考虑温度和湿度的影响。灵敏度的调整程序：a.将传感器链接到应用回路中。b.接通电源，通电老化48小时以上。c.调整负载电阻RL直至获得对应于某一个一氧化碳浓度时所需要的信号值。2.3系统的组成本设计属于单片机应用系统，一共包括三个层次。其中以STC89C52单片机为核心构成单片机系统。在此系统中，检测信号进入单片机进行运算处理。为了更好的理清设计思路，将整个系统细分为三部分加以设计说明。整个报警器由三个部分组成，分为三