电气设计自动化论文-火灾可燃气体检测系统的设计

2015届本科生毕业论文本科生毕业论文（设计）题目： 火灾可燃气体检测系统的设计学 院 电子信息学院 学科门类 工科 专 业 电气工程及其自动化 学 号 姓 名 指导教师 助教 2015年 1月 10号摘 要一氧化碳报警器是利用A/D转换原理，将模拟量转换成数字量，并用数字的形式在显示屏上显示出来。数据的精度由A/D转换器决定，本设计用模数转换器ADC0809对模拟信号进行转换，单片机STC89C51为控制核心，来完成对数据运算和处理，最后驱动LCD1602显示屏显示数字信号，并将数值与设定值做比较，以控制声光报警和继电器是否吸和，系统手动设定上下限报警值。本设计的程序由keil软件进行编译和调试，keil中有C编译器，宏汇编，库管理等的完整开发方案，由集成开发环境把他们组合在一起。keil软件和proteus软件一起使用，用Proteus仿真软件所设计的接口电路，通过keil软件进行编译，编译完后会自动生成一个HEX格式的文件，把它加载到Proteus中便可进行仿真。用Proteus软件完成电路分析和模拟仿真。Proteus运行环境为Windows系统，可以进行仿真、分析模拟器件和集成电路，同时具有单片机和SPICE的功能，功能强大，硬件少，形象直观。本页为中文摘要样版关键词：STC89C51 ADC0809 LCD1602AbstractCarbon monoxide alarmis the use of A/DCarbon monoxide nversion,theanalog quantityinto digitalquantityto be measured,anddisplays the measuredresultsin digital form.The accuracy of the datais determined by theA/D Carbon monoxide nverter,the designwith the ADC0809Carbon monoxide nversion of analogsignal,MCU STC89C51 as the Carbon monoxide ntrol Carbon monoxide re,the Carbon monoxide mpletion ofthe task ofdataoperation and processing,finallyto drive LCD1602 displaydigital signal,and thenumerical valuewith the set valueCarbon monoxide mparedtothe Carbon monoxide ntrol,sound and light alarmandrelay isabsorbedand.Manually set thealarmvaluesystem.The design of theprogramCarbon monoxide mpiling and debuggingby keilsoftware,CkeilCarbon monoxide mpiler,macro assembler,Carbon monoxide mplete development programmanagement,by the integrated development environmentand put themtogether.Keilsoftware and Proteus SoftwareCarbon monoxide mbined withProteus simulation software,the interface circuitdesign based onkeil software,will beinCarbon monoxide rporated into theCarbon monoxide mpiler,after the Carbon monoxide mpilerautomatically generates anHEX file,itcan beloaded into the Proteussimulation.The circuitanalysis and simulationis Carbon monoxide mpleted byProteus software.Proteusruns on Windows,simulationandanalysisof analog devices and integratedcircuits,withMCU and SPICEfunction in a body,powerful,less hardware,the advantages of visual image.Key Words：STC89C5 ADC0809 LCD1602II目 录第1章 绪论11.1 课题研究的目的意义11.2 国内外研究现状21.2.1 一氧化碳检测的现状21.2.2 我国一氧化碳检测的发展21.2.3 各国一氧化碳检测的发展21.3 一氧化碳传感器31.3.1 本设计采用MQ-7气体传感器3 第2章 总体设计方案52.1系统的功能要求52.2 系统的技术要求52.3 系统的组成及方案设计5第3章 系统的硬件设计73.1 主控电路83.2 一氧化碳气体检测电路的设计113.2.1 MQ-7介绍113.2.2 ADC0809介绍133.3 液晶显示电路设计143.4 声光报警提示电路163.4.1 灯光提示电路163.4.2 声音报警电路173.5 负载控制电路183.6 按键电路18 第4章 系统的软件设计204.1 Keil软件介绍204.2 Protel99SE软件介绍204.3 Proteus软件介绍214.4 主程序流程图22第5章 结论与展望23 5.1 结论235.2 展望23参考文献25致 谢26III第1章 绪论1.1 课题研究的目的意义一氧化碳是有毒气体，易燃易爆，室温下没有味道和颜色、不易溶于水。由于相对密度比空气略低，所以很容易扩散。当一氧化碳在空气中扩散时，人们会慢性中毒，并且没有意识到自己中毒了，因此一氧化碳对人们有很大的危害性。空气中的一氧化碳达到一定浓度值，会威胁人的生命安全。在高浓度的一氧化碳中人在很短的时间就会窒息死亡。在工业安全生产上一氧化碳也是个重要问题，煤井下可能会发生瓦斯爆炸的原因之一就是一氧化碳。化工生产中可能会产生一氧化碳。在钢铁冶金工业生产时也会有一氧化碳产生。在早期的火灾预测中，主要检测的气体就有一氧化碳，那时候的火灾探测器通过物理特性来发现火灾，但一般在火灾发生后才会有物理特性，不适合火灾早期预测。同时易受环境等因素的影响，产生误测，可靠性低。近年来，随着科技进步，气体传感技术日益成熟。随着人居住和工作环境的改善，人们每天在室内的活动时间以占百分之八十以上，因此人们开始关心室内空气质量，在城市里，液化气，煤气进入家庭，为人们的生活提供了方便，但同时也给人们带来了潜在的危险，最主要的危险就是一氧化碳。在餐厅空气检测中，一氧化碳也是一项重量检测指标，在食物加工中也有可能产生一氧化碳，它直接影响人们的身体健康。为了能及时发现事故隐患、提前采取有效措施，需要在需要的地方装设可燃气体检测器，实现对一氧化碳的全面监控。因此在工业安全生产、环境保护、环境监测、日常生活、等领域需要监测一氧化碳浓度。目前随着城市煤气、天然气使用的迅速发展，城市鼓励发展液化气小区以及城市加油站越来越多，这些因素可能发生更多的一氧化碳事故，因此一氧化碳的检测越来越重要。在天然体的生产、运输、储存和使用过程中，违规操作或设备密封质量不好，都可能发生泄露，造成成火灾或爆炸，给国家和人民的生命财产造成损失。 因此需要在这些场合准确的测出一氧化碳浓度，对火灾预测，防止一氧化碳中毒保障工业生产安全等具有重大意义。1.2 国内外研究现状1.2.1 一氧化碳检测的现状目前的一氧化碳传感器主要采用电化学原电池传感器。它是20世纪70年代中期，利用三电极控制电位原理检测一氧化碳敏感元件专利产品是由美国Enterqertics Science 公司发表。按敏感元件电解质性质的不同，它主要分为固体电解质电解质一氧化碳敏感元件、液体电解质一氧化碳敏感元件和胶体电解质一氧化碳敏感元件。从分析方法上分，主要有：色谱法、光学吸收法、电化学法、电气法等。1.2.2 我国一氧化碳检测的发展在二十世纪五十年代我国煤炭行业采用气体检测管检测一氧化碳的浓度。气体管在1919年被美国哈弗大学研制出。我国早期对西德产品进行引进并仿制，国内产品由于敏感元件受国内材料限制及加工技术水平的限制，研制的元件测量范围小，合格率低、使用寿命短、密封性差，我国研制的产品性能与世界先进水平还存在较大的差距。目前，国内北京、济南、惠州已有几家工厂生产一氧化碳气体报警器，但因为敏感元件的关键材料由国外进口，价格较高。仍然存在技术不过关，使用寿命短等问题。目前一些长寿命检测报警仪仍要从国外进口。目前，在我国只有少量的一氧化碳检测仪使用于现场，特别是在煤矿行业更为落后，大部分煤矿里都是工人在井下采样，然后带到地面进行分析化验，有的还采用检测管检测的方法。井下缺少对一氧化碳的监测仪器，使得井下工作的工人安全得不到保障，难以对井下工作进一步发展。也很难满足煤矿井下一些危险区需要有高浓度的一氧化碳监测的需要。因此开发出适应矿井检测的一氧化碳检测仪也具有很重要的意义。1.2.3 各国一氧化碳检测的发展当前市场上使用的一氧化碳传感器主要有三种类型。它们分别是：电化学固体高分子电解质型、电化学固体电解质型和金属氧化物半导体型。自二十世纪70年代中期，电化学一氧化碳传感器被发明出来，因为其结构简单、灵敏度高、使用维护方便等特点，受到国内外煤矿的青睐。大多数外国电化学式一氧化碳传感器采用液体酸性电解质，铂黑催化电极，利用恒电位电解法的原理，对一氧化碳的浓度进行检测。近年来，美国，德国，日本等发达国家对一氧化碳传感器的研究发展较快。其中具有代表性的产品有：日本研制的一氧化碳-7型，一氧化碳-82型电化学一氧化碳传感器；美国的LD-145型电化学一氧化碳传感器；中美合资MSA研制的Mini一氧化碳型电化学一氧化碳传感器。现在一氧化碳检测仪正朝着微小型化、多功能化、集成化、智能化和网络嵌入式互联网化等方向发展。同时要求系统长期工作稳定性、易使用和维修性等方面不断提高。1.3 一氧化碳传感器1.3.1 本设计采用MQ-7气体传感器特点：灵敏度高和选择多样性。使用寿命长和稳定性可靠。应用：家庭、矿井的一氧化碳探测装置。适用于煤气、一氧化碳等的探测。规格：A. 标准工作条件B. 环境条件C. 灵敏度特性MQ-7气敏元件由氧化锡敏感层、三氧化二铝陶瓷管、测量电极和加热器构成，加热器提供工作条件。填充活性炭的过滤腔体，减小其他气体的干扰。封装好的气敏元件共有六只针状管脚，两个管脚用来提供加热电流，四个管脚用于信号取出。第2章 总体设计方案本设计主要是实现对一氧化碳浓度的监测，及当一氧化碳浓度超过上下限时会自动报警和控制，以下是本次设计的系统功能要求、技术要求和实现方案的总体阐述。2.1系统的功能要求本设计主要有以下几项功能：(1)时时监测环境中一氧化碳的浓度值；(2)灯光报警功能：当环境一氧化碳浓度过大时，报警器要进行灯光报警，同时继电器吸和，控制排气扇工作，降低环境一氧化碳浓度值。2.2 系统的技术要求在了解这个系统的工作原理以及功能之后，我们就可以基本确定系统的技术要求。具体指标和参数如下:(1)体积小：使用和更换方便；(2)功耗低：可用5v电源供电。(3)可靠性高:多指示灯，指示不同的状态，减少其他干扰的影响。2.3 系统的组成及方案设计本设计主要由单片机、负载驱动电路、灯光报警电路、一氧化碳气体传感器电路、控制程序和编解码程序等构成。系统的组成结构如下：AD 一氧化碳气体浓度采集模块声光报警提示模块负载控制模块液晶显示模块按键模块晶振电路单片机复位电路图2-13 系统的硬件设计总体电路图3-1如图3-1所示，上面的图为protel99se所画，下面的图为proteus仿真所画。实时显示当前的一氧化碳浓度值，共有1个报警值（可以手动对按键设定），默认开机时报警值是25，当一氧化碳浓度值小于25时，绿灯闪烁，继电器断开，当一氧化碳浓度值大于25时，红灯闪烁，继电器吸和，电风扇工作模拟排气。3.1 主控电路单片机STC89C51具有低功耗、高性能等诸多优点。51单片机主要功能如表1所示，封装如图3-2所示。表1：STC89C51主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系统4K可反复擦写Flash ROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM2个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗和掉电模式睡眠和唤醒功能STC89C51引脚介绍 主电源引脚VCC：电源输入，5V电源GND：接地线外接晶振引脚（2根）XTAL1：振荡电路的输入端XTAL2：振荡电路的输出端控制引脚RST/VPP：复位引脚。ALE/PROG：地址锁存允许信号PSEN：外部存储器读选通信号EA/VPP：程序存储器的内外部选通。可编程输入/输出引脚STC89C51单片机有4组8位的可编程I/O口，每个口有8根引脚，共32根。 图3-2 STC89C51 封装图最小系统包括单片机及电源、时钟、复位等部件，能使单片机正常的运行。单片机STC89C51片内有ROM/EPROM，因此用单片机STC89C51构成的最小系统简单可靠。用STC89C51构成最小系统时，只需将单片机接上复位电路和时钟电路便可，结构图如3-3所示。时钟电路复位电路STC89C51单片机I/O口图3-3单片机最小系统原理框图(1) 时钟电路单片机STC89C51的时钟信号分为两种方式：内部时钟方式和外部时钟方式。内部时钟方式如图3-4所示。图3-4 内部时钟电路(2) 复位电路单片机STC89C51的RST引脚接高电平并保持两个机器周期时，单片机就执行复位操作。手动按键复位有脉冲方式和电平方式两种。把RST端与电源Vcc接通就是电平复位。图3-5 复位电路（3） 单片机STC89C51中断技术概述中断技术用于控制与实时监测，它要求单片机能够及时响应中断请求，并快速做出响应、及时处理。图3-6为整个中断响应和处理过程。图3-6 中断响应和处理过程图3-6 中断过程若单片机中没有中断系统，单片机可能会浪费大量时间在查询是否有服务请求上。采用中断技术完全消除了等待现象，提高了单片机的工作效率。3.2 一氧化碳气体检测电路的设计图3-7 MQ-7电路如图3-7所示，这个电路分为两部分，一氧化碳传感器检测一氧化碳浓度，然后将电压信号给ADC0809，模数转换电路将转换出的数字信号给单片机，单片机再读取相应的数值和处理。3.2.1 MQ-7介绍MQ-7型气体传感器用在一氧化碳为主要成分的气体检测，并且它的抗干扰能力强。MQ-7型气敏元件具有以下特点：(1) 采用烧结半导体，具有稳定的R 阻值，因此在长期工作下有良好的稳定性。(2) 单电源供电，功耗小。(3) 有极高的灵敏度。电路如右图所示：器件的主要参数如下:响应时间：Tr10s恢复时间：Tn60s加热电压：V=5+0.2V加热功率：:约0.7W抗干扰能力：强下图为MQ-7元件外形结构图MQ-7型元件外形结构图下图是MQ-7气体浓度测试特性曲线，在丁烷浓度0.8%以下有很高的灵敏度。上图是MQ-7型元件通电时间特性曲线。从图中得，通电后60s后，元件进入稳定状态，可以进行测量。MQ-7的特点和工作参数如下：特点： 广泛的探测范围 高灵敏度快速响应恢复 优异的稳定性长寿命 简单的驱动电路 3.2.2 ADC0809介绍ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图所示。ADC0809由8路模拟量输入端、8位数字量输出端、3位地址输入线、地址锁存允许信号、 A/D转换启动脉冲输入端、A/D转换结束信号、时钟脉冲输入端、基准电压、电源和地线组成。转换数据的传送方式有以下3种：（1）定时传送方式在A/D转换器中，转换时间是固定的和已知的（2）查询方式A/D转换器中有表明转换完成的信号（3）中断方式A/D转换器中把转换完成的状态信号当做中断请求信号，用中断方式进行数据传送。不管使用哪种传送方式，只要确定转换结束，便进行数据传送。首先送出口地址信号有效时，把转换数据送到数据总线，让单片机读取。3.3 液晶显示电路设计 图3-8 液晶显示电路设计液晶显示器LCD1602是工业字符型液晶，可以同时显示32个字符。平时生活中，我们经常看到液晶显示器。液晶显示模块在很多电子产品被使用，如万用表、计算器、电子表等，显示的主要是数字、图形等。在单片机中，一般的输出方式有三种：发光管、液晶显示器、LED数码管。发光管和数码管都比较常用，硬软件都比较简单。在单片机中用晶液显示器有下面几个优点：液晶显示器显示质量高且不会闪烁。 和单片机的接口简单可靠，操作方便。 在重量上比传统显示器要轻很多，体积小。 液晶显示器的功耗少，省电。 （1）引脚说明：第1脚：VSS为地电源。 第2脚：VDD接5V正电源。 第3脚：VL是对比度调整端。 第4脚：RS为寄存器选择。第5脚：R/W为读写信号线。第6脚：E端为使能端。第714脚：8位双向数据线。 第15脚：背光源正极。 第16脚：背光源负极。（2）LCD1602的标准字库表及RAM地址映射LCD1602的操作和屏幕显示都通过指令编程来完成指令1：清显示。指令2：光标复位 。指令3：光标和显示模式设置 I/D。指令4：显示开关控制。指令5：光标或显示移位 S/C 。指令6：功能设置命令 DL。指令7：字符发生器RAM地址设置 。指令8：DDRAM地址设置 。指令9：读出忙信号和光标地址。 指令10：写数据 。指令11：读数据 。1602 内部显示地址如图3-6所示： 图3-6 1602内部显示地址液晶显示是通过控制电压对显示区域进行控制，有电就会显示，没电就不显示，这样就可以按照要求显示出不同的图形。液晶显示器因体积小、质量轻、色彩丰富，可以在大规模集成电路直接驱动等优点，在数字像机、电脑、移动通信等领域被广泛的应用。3.4 声光报警提示电路3.4.1 灯光提示电路图3-10灯光提示电路图3-10灯光提示电路发光二极管是可以将电能转化为光能的半导体器件。LED具有寿命长、辐射低、光效高与功耗低等优点，被称为是二十一世纪最有发展前景的照明光源。 本设计用不同颜色的LED指示不同的一氧化碳浓度报警。3.4.2 声音报警电路图3-11声音报警电路蜂鸣器是一种电子讯响器，它采用直流电压供电，在各种电子产品中作发声器件。 蜂鸣器主要分为两种，一种是压电式蜂鸣器，另一种是电磁式蜂鸣器。蜂鸣器驱动电路有以下几部分组成：三极管、蜂鸣器、限流电阻。 3.5 负载控制电路图3-12继电器控制负载电路电路中继电器由三极管驱动，当超过设定阀值时，单片机会从高电平变成低电平，三极管导通从而继电器衔铁吸合，继电器起开关的作用，可以作为驱动负载。3.6 按键电路读取按键用按键接低的方法，单片机初始时为高电平，当按键被按下时，会产生一个低电平，单片机就对这个信号进行处理。单片机键盘有2种，分别为独立键盘和矩阵式键盘，独立键盘简单且系统稳定；而矩阵式键盘式接法复杂，但占用的I/O口少。结合实际要求，本设计选用独立式键盘接法。键盘的去抖动在单片机对键盘处理中是一个重要的过程，抖动是指机械的抖动，当键盘在按下时会产生不稳定的电平现象，这并不是我们人力所能避免的。去抖动有2种方法：硬件去抖动和软件去抖动。结合实际情况，本设计采用软件去抖动。硬件电路如图3.12所示：图3-13 按键电路4 系统的软件设计4.1 Keil软件介绍Keil 是由美国Keil Software公司出品的一种软件开发系统，Keil软件是目前最广泛使用的开发51系列单片机软件，同时支持C语言和汇编语言。keil软件可进行编译和调试，keil中有C编译器，宏汇编，库管理等的完整开发方案，由集成开发环境把他们组合在一起。 Keil软件界面如下图4-1 图4-1 Keil软件界面4.2 Protel99SE软件介绍Protel99SE是PORTEL公司在90年代初推出的EDA软件。Protel99SE的操作系统为Windows9X/2000/NT操作系统。Protel99SE软件主要功能如下：（1） 原理图设计系统（2） 印刷电路板设计系统（3） 自动布线系统（4） PCB信号完整性分析（5） 电路仿真系统（6） 可编程逻辑器件设计系统 如图4-2为 Protel99SE软件界面图4-2 Prtel99SE软件界面4.3 Proteus软件介绍Proteus是由英国Lab公司发行的EDA软件，它不仅能仿真，还能仿真单片机及外围器件。Proteus软件有其他EDA软件的原路布图、PCB自动或人工布线和SPICE电路仿真功能。还具有互动的电路仿真和仿真处理器及外围电路功能。其仿真效果图如下图所示：4.4 主程序流程图开始初始化读取AD转换浓度值判断当前浓度范围判断按键是否按下执行相应的指示控制设置相应参数显示设置数值结束Y第5章 结论与展望5.1 结论这次做的毕业设计是我在大学四年学习阶段一次非常珍贵的经历，不再是只学习理论上的知识，而且结合理论做出实物。通过这次对火灾可燃气体检测系统的设计，我不再只会看着书本学习知识，还能与实际设计相结合，这大大的锻炼了我的综合能力。同时也提高了我查阅资料，学习专业知识的能力。这次我做的毕业设计内容并不算多。但我的收获却很多。首先对这次设计的总体方案，我从难到易想了几种方案，最初想用C语音来设计，但随着设计深入，不断的查阅资料，学习新知识，我了解到用汇编会更好些，采取模块化的结构，用主程序调用LED显示程序，A/D采样程序，结果储存程序等程序来实现整个设计。在和老师交流时，老师也给出了建议和一些修改方案，使我认识到新的设计不应该只考虑技术先进，经济因素也不能忽略，如果发明成本过高，不能大大节省成本，也就不会被大众接受。本设计采用STC89C51单片机为主芯片，ADC0809为模数转换器，LED1602为显示模块，为了实现四位数码管显示数据，我在显示部分增加了BCD码转化程序，将十六进制数转化为十进制。设计中利用Proteus仿真来调试。总的来说，这次设计的电路简单、成本低、系统稳定性好、精度较高，基本满足设计要求。5.2 展望这次设计对我的综合能力有很大的提高，虽然提升有限但很全面。通过这毕业设计，我积累了很多宝贵经验，学会用知识武装自己，提高了我的学习能力、沟通能力和应变能力。这次设计的完成让我对自己充满信心，充分了解到我的专业知识，让我充分了解了我的专业知识。由于我的能力有限，这次设计难免有不足的地方，可正是这些不足让我有动力去学习了解更多的知识，去不断地完善自己，以便下次能作出更加好的设计。因为人们了解不足，所以人们才会不断的发展和创新，我相信随着研究深入，一氧化碳检测的技术也一定会日益成熟，更上一层楼，定会使气体检测技术更加完善。参考文献1 李华MCS-51系列单片机实用接口技术M北京：北京航空航天大学出版社,19932 瞿生辉,冯毛官单片机原理与应用M西安：西安电子科技大学出版社,19893 高伟. AT89单片机原理及应用M国防工业出版社,2008.4 何立民. 单片机高级教程M 第1版北京：北京航空航天大学出版社,2001.5 夏