新型煤气泄漏报警装置设计教材

1、基于单片机的煤气泄漏检测报警装置设计摘 要：随着经济和科学技术的快速发展, 人们对生活质量的提高和生活环境的改善越来越重视 ,液化气、煤气进入家庭的使用为人们带来了方便, 也改善了城市的环境 , 但同时也给人们带来了潜在的危险 , 其中一氧化碳是最主要 的危险源。一氧化碳是一种无色无味的气体燃料，若管道和阀门密封不好， 它们泄露出去， 轻者引起中毒， 重者造成火灾， 危及人们的生命财产。所以， 对于气体的检测与控制就变得很重要了， 研究各种气体的检测方法与气体传 感器也随之成为一个重要课题。本论文主要实现管道煤气泄露的测量与报警，系统主要以半导体气体 传感器为研究对象，以单片机为核心构成一个具

2、备数据采集、对象控制、 结果显示、数据通信等功能的完整系统。通过 I/O 接口输出 ; 输出信号驱动 相应的驱动电路，分别控制报警灯、蜂鸣器及切断电路，实现对煤气泄露 事故的实时监测及控制 ; 程序实时监测系统状态。关键词 ： 气体传感器，单片机，数据采集Abstract:With the rapid development of economy and the science technology，people become pay more and more attention to the quality of life and improving the environment ,an

3、d gas into the family the use of convenience for people , but also to improve the urban environment, but also to people with to the potential dangers, including the risk of carbon monoxide is the most important source. If not sealed pipes and valves , they leaked , light caused poisoning , caused by

4、 heavy fire , endangering peoples lives and property . For these reasons ,so it is very important for us to inspect and control these gases well. And it is obviously very important to study on the inspection methods and sensors of all kinds of gases.In this paper, the main gas leak measurement and a

5、larm systems to the semiconductor gas sensor for the study in order to constitute a single-chip microcomputer as the core with data acquisition, object control, results showed that features such as data communication system of integrity. Through the Virtual Lab VIEW control apparatus, and then throu

6、gh computer I / O interface output; output signals drive the corresponding driving circuits, respectively, control the alarm light, buzzer and cut off the circuit, the realization of the gas leak on the real-time monitoring and control; procedures real-time monitoring of system state.Key words: gas

7、sensor， Single chip microcontroller,data acquisition1 论文研究来源、目的和意义1.1 论文研究来源、目的和意义随着科技的发展， 越来越多的可燃性气体作为能源应用于工业生产和人 们的日常生活中。但是可燃性气体在给我们带来极大便利的同时，也存在巨 大隐患。可燃性气体发生泄漏达到爆炸极限后，一旦有火源作用，便会引起 燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至会危及生命安全。为了减少 这类事故的发生，就必须对这些可燃性气体进行现场实时检测，采用先进可 靠的安全检测仪表， 严密监测环境中可燃性气体的浓度， 及早发现事故隐患， 采取有效措施，避免事故发

8、生，才能确保工业安全和家庭生活安全。目前我 国已有许多城市铺设了煤气管道。 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，可燃性气体报警器具有十分广阔的市场 前景。1.2 本论文主要任务本篇论文是煤气泄漏自动检测的研制，主要针对CO气体，主要实现家庭煤气检测的检测与报警。数据采集模块利用单片机实现气体浓度实时采 集、电路状态信号采集及数据预处理；经数据处理子程序、报警子程序输 出报警信号，并通过 I/O 接口输出 ; 输出信号驱动相应的驱动电路，分别控 制报警灯、蜂鸣器及切断电路，实现对煤气泄露事故的实时监测及控制。2 煤气泄漏自动检测总体设计2.1 煤气泄漏测试的功能

9、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气体），通过 LED 显示屏将 CO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，为了提高实用性系统 还应该具备人机交互界面。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、输入键盘、声光报警单RS-232 通信模块元、光电隔离技术和切断阀、2.2 煤气泄漏测试系统框图图 2.1 系统框图具体技术指标如下： 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:0 1000ppm； 检测精度：

10、 CO优于 20ppm； 报警浓度： 100ppm 300ppm 响应时间： 30ms； 电池电压： +12V； 工作温度范围： -20 +70； 工作湿度范围： 10 95%RH。3 煤气泄漏自动检测硬件设计3.1 传感器高分子气体3.1.1 气体传感器介绍 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： 半导体气体传感器、固体电解质气体传感器、接触感 染式气体传感器、电化学式气体传感器、光学式气体传感器、传感器气体传感器应满足的基本条件：能选择性地检测某种单一气体，对共存的其它气体不响应；对被测气体有较高灵敏度，能有效地检测允许范围内气 体浓度；对检测信

11、号响应速度快，重复性好；长期工作稳定性好，使用寿命 长，制造成本低，使用与维护方便。3.1.2 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。CO传感器Vh2VCCVss1RL基本测量电路图 3.1 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

12、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 3-1 （ 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=RL VCC/（ 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

13、 3%， 分辨率为 1PPM ，工作温度 -2070，零点漂移为 PPM10 。3.1.3 传感器非线性信号处理在本系统中测量得到的是经传感器和采集电路变换的电压信号, 为了真实地反映被测量的 CO浓度值 , 需要将根据系统特性在测量范围内将环境浓 度与采集电压之间的关系作一个误差尽可能小的标定 , 依据此标定关系 , 将 测量得到的电压信号真实地转化成被测环境的CO 浓度值。本系统采用分段插值法对系统测量值和目标值进行标定的。3.2 传感器输出特性曲线图3.3 传感器加温度补偿所需的加热电压曲线3.1.4 温度补偿电路如图 3-1 所示为温度补偿电路， 着周围环境温度的变化产生明显的漂移 漂

14、移过大会造成测量的不灵敏或过灵敏由于元件的本身特性决定了其阻值会随, 致使测量电路的输出产生零点漂移, 使整机的可靠性下降。 为此 , 我们增加了温度补偿电路, 其中 RT 为热敏电阻,RS 为传感器电阻VC CVout图 3.4 温度补偿电路3.2 模 /数转换器3.2.1 模 /数转换器的介绍 现在市场的模数转换器的种类各种各样，基本有一下几种：积分型（如TLC7135），逐次比较型（如 TLC0831） , 并行比较型/ 串并行比较型（如 TLC5510） , 调制型（如 AD7705） , 电容阵列逐次比较型，压频变换型（如 AD650），逐次逼近型（如 ADC0908， ADC081

15、6）等，综合考虑其性价比及技 术参数，选择 ADC0809较足本系统的设计要求。3.2.2 引脚功能ADC0809芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装。图 3.5 ADC0809 管脚图3.2.3 主要特性8 路 8 位 AD 转换器，即分辨率 8位； 具有转换起停控制端；转换时间为 100 s；单个 5V 电源供电；模拟输入电压范围0 5V ，不需零点和满刻度校准；工作温度范围为 -40 85 摄氏度；低功耗，约 15mW。3.3 单片机3.3.1 单片机的简介AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高 性能 CMOS8位微处理器，俗称单片机。 AT89C

16、51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。 AT89C51 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。3.3.2 主要性能参数与 MCS-51 兼容4K 字节可编程闪烁存储器寿命： 1000 写/ 擦循环数据保留时间： 10 年全静态工作： 0Hz-24Hz三级程序存储器锁定 1288 位内部 RAM 32 可编程 I/O 线两个 16位定时器 / 计数器 5 个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电

17、模式片内振荡器和时钟电路功能特性概述：AT89C51提供以下标准功能： 4K字节 Flash 闪速存储器， 128 字节内部 RAM,32个 I/O 口线，两个 16 位定时器，一个 5 向量两级中断机构，一个全 双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时， AT89C51 可降至 0HZ 的静 辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式，空闲方式停止CPU的工作，但允许 RAM，定时 / 计数器，串行通信中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复 位。3.3.3 管脚说明图 3.6 AT89C51 管脚图3.4 声光报警与 LED 显示

18、3.4.1 声光报警单元 作为煤气泄露测试装置，声光报警部分不可缺少。本设计中的声光报警部分包括蜂鸣器以及红、黄、绿三个LED 报警指示灯。声光报警表现形式如下：( ) 绿色灯点亮表示传感器检测到CO 气体，但没达到下限值，一切正常，此时红色和黄色熄灭，蜂鸣器不发声；(2) 黄色灯点亮表示传感器检测到CO气体浓度超过下限值， 但没有达到报警值，此时红色灯和绿色灯熄灭，蜂鸣器不发声；(3) 红色灯点亮时表示被测得 CO气体含量已经达到报警值， 此时黄色和 绿色灯熄灭，蜂鸣器发出报警，通知用户；声光报警单元与单片机的连接图如下：XTAL2 P2.3XTAL1RXDTXDRSTVSSP1.0P1.1

19、INT0P1.2P1.3WRP2.0AT8 9C51ELP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.7P2.6P2.5P2.4P2.2图 3.7 声光报警电路3.4.2 LED 显示LED 数码显示器是一种由 LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它 使用了 8 个 LED发光二极管， 其中 7 个用于显示字符， 1 个用于显示小数点， 故称之为 7 段发光二极管数码显示器。本设计通过观察 LED数码显示器显示 CO浓度值， 判断 CO浓度值是否超 过上限值，如果超过，自动报警，同时打开排气扇，使CO浓度降低。如果超过下限值，切断阀闭合，以便达到正常状态。3.5 排

20、气扇控制系统与切断3.5.1 光电隔离器在开关量控制中， 最常用的器件是光电隔离器。 光电隔离器的种类繁多， 常用的有发光二极管 / 光敏三极管，发光二极管 / 光敏复合晶体管，发光二极 管 / 光敏电阻，以及发光二极管 / 光触可控硅等。光电隔离器有 GaAs 红外线二极管和光敏三极管组成。当发光二极管正向电流通过时，即产生人眼看不见的红外光，其光谱范围为7001000nm。光敏三极管接收光照以后便导通。而当该电流撤去时，发光二极管熄灭，三 极管随即截止。利用这种特性即可达到开关控制的目的。3.5.2 光电隔离电路XTAL2P2.3XTAL1RXDP2.2TXDP2.7P2.6RSTP2.5

21、P2.4VSSP1.0P1.1INT0P1.2P1.3WRP0.0P0.1P2.0P0.2P0.3P0.4AT89C51P0.5RD LEP0.6AP0.7VCC图 3.8 光电隔离技术电路93.6 接口总线图 3.8 MAX232 接口的硬件接口电路本设计中系统采用11.0592MHz 晶振， 波特率采用 1200b/s, 通过 RS-232串口单片机系统可以和PC机进行通信4 软件部分设计4.1 软件部分的设计图 4.1 软件流程图10ORG 00HJMPSTARTORG03HJMPINTOORG0BHJMPITOPORG 0100HSTART: MOV IE,#10000001BMOV

22、IP,#00000001BMOV TCON,#00000000BMOV SCON,#00000000BMOV SP,#60HMOV TMOD,#01HCALL PT0M0HERE:AJMP HEREPT0M0:MOV TL0,#0CHMOV TH0,#0FEHSETB TR0SETB ET0SETB EA;INT0 中断使能;INT0 中断优先; 设置 INT0 为电平触发; 串行口发送 ,接收标志位请 0;设堆栈指针; 设置 T0 为方式 1;自身跳转;T0 中断服务程序， T0 重新置 初值;启动 T0; 允许 T0 中断;CPU 开中断RET11如图所示，整个报警器程序上分成中断取值转换

23、、调零、报警、显示4.2 主程序整个程序一共使用了两个中断 ,一个外部中断即 INT0 中断 , 一个定时 / 计 数器中断即 IT0 中断 .这两个中断各有其作用 ,INT0 中断是用来判断 A/D 转换 器 ADC0809 对模拟信号的转换是否完成 , 当 A/D 转换结束后 ,ADC0809 发出 结束 EOC（高电平 ）信号 ,该信号可供单片机查询 ,也可反相后作为向单片机发 出中断信号 ,而本设计正是用的这个方法 ,使得程序进入中断取值程序 .而程 序中所用到的 IT0 中断 ,是为产生一个周期为 2S 的方波而设计的 ,其作用是为 看门狗产生喂狗子信号 .具体程序如下：;主程序入口

24、地址; 外中断 INTO 入口定时器 0 中断入口ITOP:MOV TL0,#0CH;T0 中断服务程序， T0 置初值MOV TH0,0FEHCPL P1.0;P1.0 状态取反RETIACALL LED; 调用 LED 自检子程序MOV 33H,#00H; 设置中断完成标志为 0MOV DPTR,#0FEFFH;ADC0809 的端口地址MOVX DPTR,A;使 BUS 为高阻抗 ,令 ADC0809开始转换WAIT:MOV A,33H;等待 A/D 转换完成信号JNZ INTOKJMP WAIT; 未完成则跳回等待INTOK:MOV A,32H;将最新的浓度值存入累加器 中 ,（ 若

25、A/D 未工作 ,则 A=0）JNZ L1MOV A,30HJMP L2L1:MOV 30H,31HMOV A,31H;将新浓度载入累加器L2:CALL BCD; 调用 BCD 码调整程序CALL DISP;显示当前浓度CALL ADZERO;调用零点调整子程序CALL ALARM;调用判断报警程序CALL BCDCALL DISP;调用显示子程序CLR A;清除累加器值JMP START;返回在主程序通过对 33H 中数值的判断断定 A/D 是否转换完成，当 33H 中为 1 时，转换完成，程序调用调零、报警、显示模块对输入数据进行处理。4.3 调零子程序由于未知问题， 可能造成送入单片机中

26、显示的模拟电压量与真实电压存12在区别，这种误差可以通过在中断处理中对 A/D 转换的数值加上一个调整 值来解决。这样，我们就能根据实际情况来对报警器输出的数值进行控制， 使其记数更加精确，使用更方便。我们可以利用对端口的电平高低来判断是 否需要进行调零处理 ,故可将按键开关接于端口 P2.2. 若开关按下 ,则说明有 调零需要 ,于是进入调零处理程序 ; 若开关没有按下 ,则说明没有调零需要 ,系 统进入下一步 .通过设置一个按键 , 既可保证程序顺利进行 ,又方便用户使用 . 具体程序如下 :ADZERO: CALL DELAYJB P2.2,JMP1 ; 判断调零按钮是否按下，没按则跳J

27、MP1JMP1: RET 通过对 调零模式中程序如下：LOOP1: CALL DELAY JNB P2.2,$ MOV A,40H CLR CSUBB A,#01H JNC LOOP2 MOV A,#05HLOOP2: MOV 40H,A MOV A,R3 JZ XEND DEC AXEND1 :MOV 30H,AMOV 31H,A CALL BCD CALL DISPJMP LOOPXEND: MOV A,#63HP2.2 位的判断来分辨是否有调零请求，若有则跳入调零模式，;消除抖动延时;将调零预设值 40H 送入;清除进位标志; 调零值减 1; 未借位则跳 LOOP2; 有借位则重设调零值

28、为 5;将调零值送回 40H 保存; 将当前浓度值送入 A; 当前浓度值减 1（响应调整变化）;送回 30H 保存;送回 31H 保存; 调用 BCD 码调整;调用显示子程序JMP XEND113进入调零模式后，若有按键则， LED 数码管示数响应按键变化。若 3 秒无任何按键，则退出调零模式返回主程序。4.4 显示子程序因为通过 A/D 转换进入单片机8051 的浓度值以十六进制存在，为了让LED显示需要转换为 BCD 码，其BCD 码转换程序如下：BCD: MOV 55H,#00H; 存放 BCD 转换中的百位数MOV 56H,#00H;存放 BCD 转换中的十位数CLR C; 清除进位标

29、志为下面的 SUBB 准备MOV R2,#00H; 清除 R2CHAN: SUBB A,#64H; 减 100JC CHAN1;不能减，转INC R1;百位值JMP CHAN;循环判断百位CHAN1: ADD A,#64H;还原百位数CLR C; 清除进位标志为下面的 SUBB 准备CHAN2: SUBB A,#0AH; 减 10JC CHAN3;不够减，跳INC R2;够减十位加 1JMP CHAN2;重复减 10CHAN3: ADD A,#0AH;还原十位数MOV 60H,R2;把十位数放 60H 中MOV 61H,ARET; 把个位数放 61H 中这样把转换成的 BCD 码，个位存于 6

30、1H 中，十位存入 60H 中，再编写 显示模块如下：DISP: MOV R7,#03HMOV R0,#60HLED1: MOV A,R0MOV DPTR,#TABLELED2: MOVC A,A+DPTRMOV SBUF,A14JNB TI,$CLR TIINC R0DJNZ R7,LED1RET将数值送入到 LED 显示由于本设计采用的是机械按键，与地线想连，按键按下，输入为低电 平，释放按键则输入为高电平。实际上，机械式按键的落片存在着轻微的弹 跳现象其时间由操作员按键的动作所确定，为了确保 CPU 对按键的一次闭 合仅做一次处理，必须去除抖动，一般通过调用子程序延时来解决，在键的 稳定闭合或释放时才读出键的状态，具体程序如下：DELAY:MOVR 5,#60设定 30 毫秒D1:MOV R6,#248 ; 设定 0.5 毫秒DJNZ R6,$DJNZ R5,D1RET因为石英晶体为 12MHZ ，一个机器周期为 1 微秒，这样如上程序可达 到延时 30 毫秒的目的。4.5 报警子程序本设计采用了声光报警 ,当探测器探测的浓度超过报