家用煤气泄漏检测器

1、 辽 宁 工 业 大 学单片机原理及接口技术 课程设计（论文）题目： 家用煤气泄漏检测器设计 学 院： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 起止时间： 课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：电气工程及其自动化学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目家用煤气泄漏检测器设计课程设计（论文）任务该检测器实时监测空气中煤气浓度，当煤气浓度超过0.1%报警，传感器可采用数字式或模拟式。当超过阈值时要发出声光报警信号，并设有消音键可以消除声报警，并附加时间、浓度显示功能。设计任务：1. CPU最小系统设计（包括CPU选择，晶振电路，复位电路）2. 传感器选择以及

2、接口电路设计3. 键盘显示电路设计4. 程序流程图设计及程序清单编写技术参数：1检测器的工作电源为AC220V2显示器采用4位LED数码管设计要求：1、分析系统功能，尽可能降低成本，选择合适的单片机、AD转换器、输出电路等；2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图；3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明，详细阐述系统的工作过程，字数应在4000字以上。进度计划第1天 查阅收集资料第2天 总体设计方案的确定第3-4天 CPU最小系统设计第5天 传感器选择及接口电路设计第6天开关量输出接口及报警电路设计第7天 程序流程图设计第8天 软件编写与调试第9天

3、设计说明书完成第10天 答辩指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要煤气作为一种清洁型能源进入家庭得到广泛使用，为人们的生活带来了方便，减少了城市的污染，提高了生活质量和效率，但是同时，也受到了由于设备使用不当或者设备老化而导致的煤气泄漏的巨大威胁，甚至威胁到了人们的生命财产安全。针对这种情况本文设计了一种煤气泄漏监控系统，该系统可以很好的在家用煤气发生泄漏的时候发出警报，使危急情况得到处理。本系统以AT89C51单片机为核心，由MQ-4传感器、单片机AT89C51、模数转换芯片ADC

4、0809完成气体浓度信号的采集显示内容的传输、显示等功能。本文设计的检测器由传感器、数码管显示器、声光报警器、A/D转换等模块组成。软件上采用C语言编程，结构简单运行稳定。该检测系统能够检测煤气浓度，当检测煤气浓度低于设定报警阈值的时候，数码管显示器仅仅显示测得的煤气气体浓度；当检测煤气浓度超出设定报警阈值时给出声光报警。关键词：MQ-4传感器；AT89C51单片机；报警目 录第1章 绪论11.1 家用煤气泄漏检测器概况11.2 本文研究内容1第2章 CPU最小系统设计22.1 家用煤气泄漏检测器总体设计方案22.2 CPU的选择32.3 数据存储器扩展42.4 复位电路设计42.5 时钟电路

5、设计52.6 CPU最小系统图6第3章 家用煤气泄漏检测器输入输出接口电路设计73.1 家用煤气泄漏检测器传感器的选择73.2 家用煤气泄漏检测器检测接口电路设计73.2.1 A/D转换器选择73.2.2 模拟量检测接口电路图73.3 家用煤气泄漏检测器输出接口电路设计83.4 人机对话接口电路设计9第4章 家用煤气泄漏检测器软件设计114.1 软件实现功能综述114.2 流程图设计114.2.1 主程序流程图设计114.2.2 模拟量检测流程图设计124.2.3 家用煤气泄漏检测器流程图设计124.3 程序清单14第5章 系统设计与分析215.1 系统原理图215.2 系统原理综述21第6章

6、 课程设计总结22参考文献23 第1章 绪论1.1家用煤气泄漏检测器概况煤气是一种高效、经济、稳定的生活能源。极大地方便我们的生产生活，但同时也带来了不少的安全隐患。煤气泄漏造成的事故给我们带来了不少的警示，而市场上的煤气检测报警器并不能为我们提供完善的安全保障，为此设计功能更加完善，探测更加精确的家用煤气泄漏检测器，是对付煤气无形杀手的重要手段之一。现在每家每户只要安装煤气管道的几乎都安装有煤气泄漏检测器。对于目前市场上天然气报警存在以下问题：对天然气的检测不敏感或者检测到天然气泄漏并不能及时报警作出相应处理；对于天然气检测过于敏感，正常做饭烧水时难免会有少数天然气溢出，此时报警系统就不停关

7、阀报警严重影响生活效率；存在谎报误报的现象，当空气中存油烟时也会关阀报警所以很多家庭对检测器束之高阁当成摆设，买了并不安装。所以市面上的天然气泄漏检测报警器亟待于改进，从而才能更好地保障我们的生命财产安全，提高我们的生活质量。1.2本文研究内容本论文中的煤气泄漏检测器以单片机为控制核心，硬件电路大体可分为单片机小系统电路、A/D转换电路、声光报警电路、LED显示电路，按键电路等。通过MQ-4型电阻式半导体传感器采集空气中煤气浓度，把探测到空气中的煤气的浓度转换成对应的电压信号，电压信号送入A/D转换器转换成数字信号，转换成的数字信号送入单片机，单片机对数据进行线性化处理，将数字化电压信号转化成

8、为对应的浓度值显示到数码管上，同时判断气体浓度值是否超出报警上限，当检测气体浓度低于设定报警阈值的时候，数码管显示器仅仅显示测得的可燃气体浓度；当检测气体浓度超出设定报警阈值时给出声光报警。 第2章 CPU最小系统设计2.1家用煤气泄漏检测器总体设计方案 考虑煤气浓度是由传感器把非电量转换为电量，传感器输出的是0-5V的电压值且电压值稳定，外部干扰小等。因此，可以直接把传感器输出电压值经过A/D转换器转换得到数据送入单片机进行处理。此外，还需接入LED显示，键盘，报警电路等。系统总体设计框图如下：声光报警电路LED显示单片机按键输入被测环境气敏传感器A/D转换器图2.1煤气检测仪总体框图 由A

9、/D转换器送来的转换信号输入单片机，单片机对数据进行线性化处理，将数字化电压信号转化成为对应的浓度值显示到数码管上，同时判断气体浓度值是否超出报警限，当检测气体浓度低于设定报警阈值的时候，数码管显示器仅仅显示测得的可燃气体浓度；当检测气体浓度超出设定报警阈值时给出声光报警。各模块功能如下：（1）气敏传感器模块：实时采集气体浓度；（2）A/D转换模块：把采集的模拟信号转变成数字信号传送给单片机；（3）声光报警模块：当检测到气体泄漏值超过报警限时，发生报警；（4）显示模块：显示气体浓度和报警上限；（5）键盘模块：通过按动按键实现各类功能。 2.2 CPU的选择根据任务书中的设计及计算要求要求，选择

10、89C51单片机。AT89C51单片机是高性能、低电压CMOS 8位CPU，它的FLASH存储器是4K。AT89C51具有2K字节闪存的ROM，其能够编写程序还能够擦除,可以反复擦除1000次。ATMEL高密度不容易丢失的存储器的制作技艺被运用在AT89C51上,同时可以兼容MCS-51输出管脚和指令集。AT89C51中一起加入8位CPU和闪烁存储器,让其效率更高。AT89C51单片机以它的高敏捷性,价格低廉化为嵌入式控制系统的最佳选择。主要特性如下：(1)4K字节FLASH,可编程；(2)与MCS-51兼容；(3)在0Hz-24MHz下全静态工作；(4)1000次重复写/擦；(5)保留数据长

11、达10年；(6)内部RAM为1288位；(7)可以锁定三级程序存储器；(8)32个可编程I/O口；(9)中断源5个；(10)16位定时/计数器两个；(11)拥有时钟电路与片内振荡器；(12)闲置和掉电模式为低功耗；(13)1个可编程串行通道口。其引脚结构图如图1.2所示： 图2.2 89C51引脚结构图 2.3数据存储器扩展由于89C51单片机片内只有128B的RAM存储器，在实际运用中仅靠这128B的数据存储器是远远不够的，所以需要拓展外部存储器。本设计中所需要的外部数据存储器不大，因此可以选择型号为6116静态RAM。6116是2K8位静态随机存储器，采用CMOS工艺制造，单一+5V电源供

12、电，额定功耗为160mW，典型存取时间为200ns，为24线双列直插式封装。6116与AT89C51的硬件连接如图1.4所示。图2.3 6116与AT89C51的硬件连接图2.4复位电路设计AT89C51初始化动作是复位。AT89C51上电后,首先就是复位,其效果就是让CPU与系统的其他元件还原为一个明确的初始形态,在此基础上就行下一步动作。因此,复位是一个很重要的操作。但是AT89C51自身是不可以来复位的,需要结合外部复位电路才可以完成。本设计采用按键式复位电路，如图2.4所示： 图2.4 按键式复位电路原理图2.5时钟电路设计AT89C51的时钟电路出现脉冲之后掌控指令准确的发生动作。C

13、PU掌控信号掌控指令发生动作的时间顺序为AT89C51的时序。AT89C51内部电路要按时序进行运行须在时钟信号下才可以,可以保证各个部件同步运行。外部时钟与内部时钟为AT89C51时钟的两类形式。运用外面的振荡脉冲连接到XTAL1或者XTAL2是外部时钟的形式。HMOS与CHMOS单片机的外面的时钟信息接进去的形式是相异的。RXD接地,TXD接入外部振荡器。外部振荡信号选择频率低于12MHz的信号因为它没有特别的条件,仅仅保证脉冲宽度。片内发生器出现两相时钟P1与P2,提供给AT89C51应用。这里选用内部方式的时钟电路。其中C1、C2值为30pF,晶振频率为12MHz。时钟电路如图2.5。

14、 图2.5 内部时钟振荡电路2.6 CPU最小系统图AT89C51单片机的最小系统由起振电路、复位电路、AT89C51芯片组成。单片机接+5V电源；晶体振荡器频率为12MHz（11.0592MHz），晶振的两个引脚分别连接在单片机的XTAL1和XTAL2端，晶振的两端再分别连接一个30pF电容后接地；复位电路经电源正极（+5V）接10uF电容后接10k欧姆电阻接地，单片机复位端RST接在电容和电阻之间。由上述四节中的图，可以画出CPU最小系统总图，如图1.5所示。 图2.6 CPU最小系统图第3章 家用煤气泄漏检测器输入输出接口电路设计3.1家用煤气泄漏检测器传感器的选择本系统直接测量的室内的

15、煤气浓度，故采用气敏传感器。考虑到周围空气中的气体成分可能影响传感器测量的准确性，所以传感器只能对煤气敏感，对其他气体不敏感，而在对液化气、丙烷、天然气、氢气以及其它可燃蒸汽检测中MQ-4气敏传感器的灵敏度较高。SnO2是MQ-4气体传感器所应用的原料，其在干净空气中的导电率是十分低的。随着煤气浓度的增加，传感器的电导率也随之增加。电导率的变化通过分压电路的转换输出的电压信号和煤气浓度相浓度照应。传感器的标准回路有两部分组成。其一为加热回路，其二为信号输出回路，它可以准确反映传感器表面电阻值的变化。传感器的表面电阻RS的变化，是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号VRL输出面获得的。负载

16、电阻RL可调为0.5-200K。加热电压Uh为5v。 3.2家用煤气泄漏检测器检测接口电路设计3.2.1 A/D转换器选择本设计是将煤气的变化量转化为电压信号，在单片机应用系统中，被测量对象的有关变化量，如温度、压力、流量、速度等非电物理量，须经传感器转换成连续变化的模拟电信号（电压或电流），这些模拟电信号必须转换成数字量后才能在单片机中用软件进行处理。实现模拟量转换成数字量的器件称为A/D转换器（ADC）。本设计中，选用ADC0809转换器，ADC0809是一种逐次比较式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器，工作电源+5V，转换时间为100s。模拟量检测接口电路图由MQ-4气体传感器收

17、集的电信号连接模数转换芯片ADC0809的IN0端口；VREF(+)接5V电压； CLOCK接单片机ALE端口；OUT0-OUT7分别连接单片机的P0.7-P0.0端口；用作用是收集转化为的数字信号；详细的电路衔接方法如图3.1所示。 图3.1 检测接口电路图3.3声光报警电路设计采集到的数字信号经过单片机计算后，如果天然气浓度达到报警器设置的临界点时，单片机将控制蜂鸣器报警，报警电路采用声光报警器。由扬声器B，普通红色发光三极管等组成。AT89C51的P3.5引脚经电阻接到发光三极管N端，当输出为低电平时，三极管将闪烁发光。达到声光同时报警的效果。通过复位停止报警。如图3.3所示。 图3.2

18、 声光报警电路 3.4人机对话接口电路设计LED显示有静态显示和动态显示两种显示方式。本设计使用并行输入硬件译码静态显示电路，静态显示电路中，各位可独立显示，只要在该位的段码线上保持段码电平，该位就能保持相应的显示字符。电路中采用了锁存译码器将P1口低4位输出的BCD码译成七段字型码，利用P1口高四位做为各锁存译码器的所存信号，实现稳定显示。LED使用的是共阴极7段数码管。数码管显示电路如图3.3。本次设计电路中加入4个按键，用于人为报警和设置报警的上限值。按键分别接单片机P2.0、P2.1、P2.2、P2.3端。S1是数字键加，S2是数字键减，S3是确认键，S4是模拟报警键，当按下S4时蜂鸣

19、器报警，LED亮；再次按下S4用来取消报警。具体接线见图3.3。图3.3 LED显示电路图3.4 按键电路第4章 家用煤气泄漏检测器软件设计4.1软件实现功能综述软件设计包含A/D采样程序、数据处理程序、数码管显示程序、按键扫描程序、系统报警程序。当传感器将采集的煤气信号由ADC0809转化成电压信号后，由软件将信号进行分析处理，最后由LED显示电路输出结果。4.2流程图设计主程序流程图设计 开始初始化 天然气浓度采集 AD转换采集数据 设定值 声光报警 报警子程序 结束数码管显示 N Y Y 图4.1 程序设计流程图单片机对A/D转换器传送的气体浓度信号进行处理，将浓度值与报警限设定值相比较

20、，判断是否报警。对采集的数字信号进行处理和判断，计算出待检测气体成分及浓度并送到数码管显示器显示出来。当检测气体浓度低于设定报警阀值的时候，数码管显示器仅仅显示测得的可燃气体浓度；当检测气体浓度超出设定报警阀值时给出声光报警。主程序流程图如图4.1所示 模拟量检测流程图设计ADC0809初始化后，把0通道输入的0-5V的模拟信号转换为对应的数字量00H-FFH，然后将对应数值存储到内存单元。程序框图如图4.2启动ADC0809通道，并延时100s读出A/D转换结果结果存入内存单元开始返回转换完？NY 图4.2 模拟量检测流程图声光报警电路流程图设计系统由软件设定阈值，阈值的千位放入50H中，百

21、位和十位放入5lH，个位放人52H中。报警电路分为蜂鸣器报警电路和发光报警电路组成。当输入端P3.5为低电平时，有电流通过蜂鸣器，蜂鸣器发出声音报警。而当输入端为高电平时不报警。流程图如图4.3所示。A/D转换数据放入40H、4lH、42H单元，并进行十进制转换。40H和50H分别存放的是处理后的测量值与阈值的千位的压缩BCD码，41H和51H分别存放的是处理后的测量值与阈值的百位、十位压缩的BCD码，42H和52H分别存放的是处理后的测量值与阈值的个位的压缩BCD码。NYN41H中存放较大的BCD码开始40H中存放较大的BCD码与阈值相等41H中存放较大的BCD码与阈值相等返回报警YNYNY

22、YN 图4.3 声光报警电路流程图4.3程序清单 C程序：#include #include #include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int #define ulong unsigned long#define K_MG_MV 120/66 unsigned char code dispcode0=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0, 0x99,0x92,0x82,0xf8, 0x80,0x90;/显示段码值09,不包含DP点uchar code table1=0x40,0x79,0x24,0x3

23、0, 0x19,0x12,0x02,0x78, 0x00,0x10;/显示段码值09,包含DP点uchar code table3=0x89,0xC7;sbit LED0=P14;/定义第0个数码管sbit LED1=P15;/定义第1个数码管sbit LED2=P16;/定义第2个数码管sbit LED3=P17;/定义第3个数码管sbit alarm=P35;/蜂鸣器接口sbit key_up=P20;/数字键加+sbit key_down=P21;/数字键减-sbit key_ok=P22;/确认键sbit key_manual=P23/模拟手动报警和解除报警按键bit SetUpFla

24、g=0;bit set_manual=0;uchar key_manual_num=0;ulong gas_uplimit=150;/*定义变量*/unsigned char data1;unsigned char count;unsigned char cycle;unsigned long data2;longValue,num=0;uchartemp,getdata;uchar jian,bai,shi,ge;uchar time_ms1; /微秒显示函数void Delayus(uchar i) while(-i); /毫秒显示函数 void delay1ms(uint z)uint

25、x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-);void ad(void) /ad采样函数 uchar temp_=0x00;/转化初始化 ST=0;/开始转换 ST=1; ST=0; while(EOC=0)/外部中断等待AD转换结束 OE=1;/读取转换的AD值temp_=Data_ADC0809;OE=0;return temp_;void cal() /计算把采样到的值转换成实际电压值 Value=data1*1.0/256*500; Value=Value*K_MG_MV; Value=Value-5; if(Value=gas_uplimit)/判断可燃气体的

26、浓度是否超出设定范围，如超出LED亮并报警。 alarm=0; else alarm=1; void SysInit_two(void)/初始化定时器T0 TMOD=0x01; /定时器工作在方式1ET0=1; EA=1;TH0=(65536-50000)/256; /对TH0 TL0赋值TL0=(65536-50000)%256; /使定时器0.05秒中断一次TR0=1; /开始计时/*- 主函数-*/void main() SysInit_two();/初始化定时器T0 while(1) Key_set_scan(); manual_simulate(); if(SetUpFlag=1)

27、display_set(gas_uplimit); else display_temp(Value); /调用显示函数 if(set_manual=0)Alarm_Limit(); void Timer0(void) interrupt 1 /定时器T0中断函数TH0=(65536-50000)/256; /对TH0 TL0赋值TL0=(65536-50000)%256; /重装计数初值time_ms1+;/每50ms加1 if(time_ms1=10) time_ms1=0; ad(); cal();第5章 系统设计与分析5.1系统原理图硬件电路分为单片机小系统电路、A/D转换电路、声光报警

28、电路、LED显示电路，按键电路。总电路图见图5.1。 图5.1 总体电路图5.2系统原理综述本设计为利用MQ4气敏传感器测量空气中煤气浓度并转换为电压信号，经A/D转换器转换成数字信号后传给AT89C51单片机系统，由单片机及其相应外围电路进行信号的处理，显示煤气浓度值以及超阈值声光报警。程序采用模块化设计思想，各个子程序的功能相对独立，便于调试和修改。而硬件电路又大体可分为单片机小系统电路、A/D转换电路、声光报警电路、LED显示电路，按键电路。当泄漏的煤气的浓度超过0.1%时，检测仪就会发生警报，防止事故的发生。第6章 课程设计总结本文设计的家用煤气泄露检测器可快速检测工作环境中可燃气体浓

29、度。采用嵌入式微控制技术，可靠性高，具有清晰的LED显示屏，声光报警提示，保证在非常不利的工作环境下也可以检测危险气体并及时提醒预防。本文中家用煤气泄露检测装置特点如下： 1.传感器校正精度高，提高了报警准确性。 2.显示值放大倍数可以设置，重启恢复正常。 3.整机体积小,重量轻，宽量程，维护方便。此次设计运用了单片机技术、传感器技术、信号分析与处理技术，使煤气泄漏检测装置系统数字化，智能化，微型化。煤气泄漏检测是一项十分重要且有意义的工作，尽管本文实现了检测器基本要求，但在检测精度，检测系统等方面仍可进一步改进，也仍然存在一些不足需要进一步改进，如：关于零点漂移的抑制问题应进一步研究；关于报

30、警器报警闭值确定问题还需研究以提高检测的可靠性。 参考文献1 张毅刚.单片机原理及接口技术（C51编程）第2版.人民邮电出版社,2016.62 贺茂乾.变压器瓦斯保护原因分析及应对措施.电力技术,2014.10：184-1853 杨帅. 基于AVR的变压器气体继电器检测系统的研究与实现长沙理工大学,20114高凌云，谌海云，林立凭基于89C52的煤气泄露监测与报警系统设计J中国仪器仪表，2012，12(11)：70-72.5秦龙主编MSP430单片机常用模块与综合系统实例精讲M北京：电子工业出版社，2010.6王守中读就通51单片机开发M北京：电子工业出版社，2011.7姜志海，刘连鑫，王蕾单片机微型计算机原理及应用M北京：电子工业出版社，2011.8洪志刚，杜维玲，井娥林单片机应用系统设计M北京：机械工业出版社，2011.9 张仪和，陈敌北，谢亮例说8051M北京：人民邮电出版社，2010.10张志