课程设计（论文）-基于单片机的煤气泄漏检测报警设计.doc

基于单片机的煤气泄漏检测报警器设计设计总说明本设计利用MQ-2烟雾传感器，将置于测试环境中待测煤气浓度转化成模拟电压，再通过ADC0832将模拟电压转化为数字信号，送入单片机AT89C51中进行处理。为了及时检测煤气浓度反馈给用户，将AT89C51外接发光二极管和报警器，当室内煤气浓度小于报警浓度时，发光二极管绿灯亮、报警器不响；当室内煤气浓度大于报警浓度时，发光二极管显示红光，报警器报警。通过设置气体浓度报警值，用单片机控制发光二极管和报警器同时报警。利用单片机控制技术，制作了程控一氧化碳报警器。该仪器对一氧化碳进行实时监控，当一氧化碳的浓度超过允许值时，控制电路进行报警，以防事故的发生。由于所设计的数字气体警报器采用AT89C51，其价格便宜，性能稳定，抑郁产品化。以MQ-2气体传感器和AT89C51单片机为核心，设计气体泄漏报警器，该报警器设计方法简单易行，使用效果良好，下面给出气体泄漏报警器的总设计原理，关键的硬件电路和软件程序设计。关键字：STC89C51单片机，MQ-2传感器，煤气泄漏目录1 绪论11.1设计目的11.2设计内容32 系统设计方案42.1系统组成42.2系统工作原理43系统硬件电路设计63.1 AT89C51单片机最小系统设计63.2其他硬件模块电路设计83.2.1传感器模块电路设计83.2.2报警模块电路设计93.2.4 A/D转换器电路设计103.2.5 整体电路设计124系统软件程序设计134.1主程序设计134.2其他子程序设计144.2.1 延时子程序144.2.2 按键控制子程序144.2.3报警子程序144.2.4 A/D转化模块子程序154.2.5警情检测子程序165 总结18致谢19参考文献20 II 1 绪论1.1设计目的 近年来随着人们生活水平的提高，管道煤气和罐装煤气已经深入到百姓家庭。但是由于使用不当或者设备老化等原因导致的煤气泄漏极大的威胁着人们的生命以及财产安全CO是一种无色、无嗅、无味、无刺激性的气体，几乎不溶于水，当与空气混合达到12580时具有爆炸性。此外，CO通过人体呼吸作用进入血液循环，造成缺氧血症，导致组织缺氧，抑制组织呼吸。它又是煤气中对人体危害最大的有毒气体。目前，管道煤气和罐装煤气早已进入寻常百姓家，但由于使用不当或设备老化等导致的煤气泄漏问题也日趋突出，极大地威胁人们生命财产安全。在实验室进行研究工作及工业现场施工时，也经常出现因有毒气体泄漏而引发的事故，有时甚至危及生命和财产安全。因此，研制有效的，能够用于工业现场和用于家庭环境的有害气体检测装置具有很大的意义，市场应用前景广阔。下面是一氧化碳与健康成年人中毒可能发生的症状50ppm健康成年人在八小时内能承受的最大浓度200ppm2-3小时后轻微头痛，乏力400ppm1-2小时内前额疼痛，3小时后威胁生命800ppm45分钟内眼花、恶心、痉挛；2小时内失去知觉；2-3小时内死亡1600ppm20分钟内头痛、眼花、恶心；一小时内死亡3200ppm5-10分钟内头痛、眼花、恶心；25-30分钟死亡12800ppm1-3分钟死亡根据以上数据，可见煤气泄漏时刻危害着人们的生命，当煤气泄漏不仅可以使人中毒，而且还随时可能发生爆炸的危险，面对煤气泄漏而造成的种种事故威胁，我们需要一个解决办法。使用煤气报警器是对付煤气无形杀手的重要手段之一。煤气专家指出，煤气泄漏或废气排放而大量产生的一氧化碳是煤气中毒事件的根源，如采用煤气泄漏报警器就能得到及时的警示。有关部门经长期测试得出结论，煤气报警器防止煤气泄漏事故发生的有效率达95%以上。所以怎样防止煤气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要。目前，一般的煤气报警器功能单一，性能未定性差，而且大型的监控系统价格不菲，需要专门人员管理，不适合居家使用。家用煤气泄漏的检测与报警是非常重要的煤气安全设备，它是安全使用煤气的最有一道防线。煤气泄漏报警器通过气体传感器探测周围环境中的低浓度可煤气体，将探测新号用模拟量传递给控制电路，当可煤气体浓度超过设定值时，装置的报警灯会发出信号，报警器会发出声音报警。煤气体报警器的探测煤气体的传感器主要是有氧化物半导体、催化燃烧型、热线型气体传感器，还有少量其他类型。这些传感器都是通过对周围环境中的煤气的吸附，在传感器表面产生化学反映或者电化学反应，造成传感器的电物理特性的改变。煤气泄漏报警器广泛应用在城市安防、小区、公司、工厂、学校、仓库、化工等众多领域。按检测气体可分为：可煤气体报警器，有毒气体报警器和复合式气体传感器。气体传感器检测的气体有，一氧化碳，二氧化碳，甲烷，氢气等可燃或者有毒气体。煤气泄漏报警器从功能上可分为仅有泄漏报警功能的报警器和可以指示所探测到气体浓度并且具有报警功能的检测报警器。从使用场所上可分为民用报警器和商用报警器。民用的通常是独立的在住宅中使用的煤气报警器，功能简单。商用的主要使用在煤气运输、储存场所、使用煤气和可能有煤气泄漏的工厂和公共场所。城市煤气规范中规定地下室，半地下室，地上密闭空间的用气房间，建筑的管道井，封闭计量表房等都要安装煤气报警器。建筑和煤气的相关规范和法规也推荐使用民用煤气泄漏报警装置。工业用固定式气体报警器是由报警控制器和探测器组成，控制器可防止于值班室。主要对各监测点进行监控，探测器安装于气体最容易泄漏的地点，其核心部件为内置气体传感器，传感器检测空气中气体的浓度。探测器将检测到的气体浓度转换成电信号，通过线缆传输到控制器，浓度越高信号越强，当气体浓度达到或者超过报警点时，报警器发出报警新号，如果是阀门泄漏可启动电磁阀及排气扇等设备自动排除隐患。便携式检测仪为手持式，工作人员可随身携带，方便检测不同地点的气体浓度。家庭用气体检测器价格便宜，使用方便，省空间。1.2设计内容 本文设计了一种灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜的煤气检测系统，采用气敏传感器，气敏传感器是能够感知环境中某种气体及其浓度的一种敏感器件，它将气体成分、浓度等有关的信息转换成电信号，从而可以进行检测。目前，人们对气敏传感器的测试方法主要停留在用人工手动的方式来操作，开发出一种实用高效的智能化传感器测试装置是极为必要的。而声光信号是信息的又一主要载体，如果在这些测量场合能用声光信号直接报出结果，将给操作人员带来极大方便，本文就介绍一种新型的气敏传感器测试系统，从组成、硬件设计以及程序流程及代码等几方面对其进行了详细的介绍。2 系统设计方案2.1系统组成 煤气泄漏检测报警器系统如图2.1所示，系统以AT89C51单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、声音报警等功能。通过预设气体浓度，MQ-2传感器检测气体浓度，加入超过气体预设浓度，将发出声音和光报警。+5V电源输出控制单片机声、光报警器浓度采样电路图2-1 煤气浓度检测报警控制器系统结构2.2系统工作原理 煤气泄漏检测报警器系统的设计中，单片机是仪表的核心部件。它一方面接受传感器检测到的煤气浓度所对应的模拟电压信号，另一方面要对这一信号进行处理，控制报警、控制电路进行相应操作。与此同时，判断是否收到外部中断请求。在单片机所实现的这些功能中，特别是信号处理部分，需要单片机有较快的运行速度，才能对现场气体浓度做出快速，准确的检测，进行相应的处理。同时考虑选择低价实用的机型，并为制作同一系列的低功耗产品做准备。根据多方面比较，本设计所选用生产的AT89C51系列单片机作为报警器的核心控制器。首先，煤气浓度信号通过MQ-2气体浓度传感器将煤气浓度信号转换成电压信号，经过前置放大电路后，经过A/D转换，输出一个适合单片机接收的电压信号，然后，送入AT89C51中，线性化数据处理后，将电压信号转化成对应的十六进制浓度值。当检测到的可燃性气体浓度超出上限报警设定值时，警报器发出声音和光警报。传感器：此部分完成环境中CO的浓度，MQ-2气体浓度传感器输出电压信号，经过滤波器放大后，送至ADC0832进行模数转换，并将转换值送至计算机。计算机：进行数据处理，将收到的数据与设定值进行比较，若检测值大于设定值，则由计算机发出控制命令，进行报警和控制。报警：该部分包括声光报警。声光报警部分有发光二极管和蜂鸣器组成，报警时二极管亮、蜂鸣器响。电源：由220V电压经过整流后提供+5V直流电，向单片机供电。3系统硬件电路设计3.1 AT89C51单片机最小系统设计 所谓最小系统是指能进行正常工作的最简单电路。包括电源电路，时钟电路，复位电路，三者缺一不可。3.1.1 电源电路单片机的电源电路顾名思义是给单片机供电的。如下图3.1所示，图中包含插口，开关，电阻和发光二极管。因为本设计是直接通过USB接口提供5伏的电源所以不需要整流桥电路。各部分的作用：插口接口接直流电源，电压5伏电阻R3：1K限流作用。发光二极管D3：指示灯作用。图3-1 电源电路3.1.2 复位电路复位操作完成单片机片内的初始化，是单片机从一种确定的状态开始运行。当单片机的复位引脚RST出现5ms以上的高电平时，单片机就完成了复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态，而无法执行程序。因此要求单片机复位后能脱离复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。开关复位要求在电源接通的情况下，在单片机运行期间，如果发生死机，用按钮开关操作使单片机复位。常用的是上电且开关操作，如图3.2所示。上电后，由于电容充电，使RST持续一段高电平时间。但单片机已经运行之中时，按下复位键也能使RST持续一段时间的高电平，从而实现上电且开关复位的操作。通常选用C=10-30F,R=10K。图3-2 复位电路3.1.3时钟电路单片机时钟电路如图3.3所示。单片机的时钟电路信号通常用两张电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。本设计选用的是内部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益的反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器，并产生振荡时钟脉冲，晶振通常选用6MHZ，12MHZ和24MHZ，本设计选用的是12MHZ的晶振。如下图3.3，图中电容器C1和C2起稳定振荡频率快速起振的作用，一般选用530pF本设计选用30pF。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路使用较多。图3-3 Proteus实现时钟电路3.2其他硬件模块电路设计 3.2.1传感器模块电路设计 半导体气敏传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器以及用单晶半导体器件制作的气体传感器，它具有灵敏度高，响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。半导体气体传感器的性能主要看其灵敏度、选择性(抗干扰性)和稳定性(使用寿命)。MQ-2/MQ-2S气敏传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃性气体时，传感器的电导率随空气中可燃性气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。图3-4 MQ-2结构图传感器电路的连接：图3-5 Proteus中MQ-2的实现由于Proteus中没有MQ-2传感器，我们用滑动变阻器电源和接地组合代替MQ-2烟雾传感器，得到输出的模拟信号与A/D转换器的CH0口相接。3.2.2报警模块电路设计 当煤气浓度超过限定值时，扬声器发出鸣叫报警。声音报警控制电路如图所示，它由三极管、扬声器构成。当实际检测浓度低于设定浓度时，三极管不导通，扬声器不工作；当实际检测浓度超过设定浓度时，通过P2.2与单片机的连接从而引起电平的变化，P2.2为低电平，三极管导通，扬声器发出警报声音。灯光报警控制电路如图所示，灯光报警电路由R1、LED1（红色）组成，电阻R1起限流作用。当煤气浓度小于浓度设定值时，单片机对应引脚P20输出高电位，无灯光报警；当检测煤气浓度大于浓度设定值时，单片机对应引脚P20为低电平，进行相对应的灯光报警。绿灯闪烁时表示当前处于初始化状态，报警初始化完成后，绿灯不停的进行灯光闪烁表示当前工作正常。图3-6 Proteus中报警电路的实现3.2.4 A/D转换器电路设计ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05V之间。芯片转换时间仅为32S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。在设计中仅仅用到一个模拟量输入通道，则只需将模拟量输入通道地址线CH0与MQ-2传感器输出相连。P1.0与SC连接，用来控制A/D转换的启停。P1.2与DO/DI相接，DI进行数据信号输入之后利用数据输出DO进行转化数据的读取。图3-7 Proteus实现A/D转换电路3.2.5 整体电路设计图3-8 Proteus实现整体电路4系统软件程序设计4.1主程序设计 AT89C51单片机对传感器检测的气体浓度信号进行A/D转换，将浓度值与报警限设定值相比较，判断是否报警。程序流程图如下：开始系统初始化采集传感电压报警A/D转化器转化电压判断浓度是否超标是否图4-1 主程序流程图4.2其他子程序设计 在主程序中调用各个子程序，子程序由延时子程序，按键控制子程序，报警子程序，将模拟信号转化成数字信号子程序，警情监测子程序构成，下面就为大家分别介绍各个子程序。4.2.1 延时子程序void delay1ms()unsigned char i,j;for(i=0;i10;i+) for(j=0;j33;j+);void delaynms(unsigned char n)unsigned char i;for(i=0;in;i+) delay1ms();4.2.2 按键控制子程序void key() if(K1=0)delaynms(5); if(k1=0) while(!K1); flag+; if(flag=2) flag=0; 4.2.3报警子程序 void baojing() if(flag=1|flag1=1)LED2=1;LED1=0;BEEP=0;BEEP=1;if(flag=0&flag1=0)LED2=0;LED1=1;BEEP=1; 4.2.4 A/D转化模块子程序unsigned int A_D() unsigned char i;dat; CS=1; CLK=0; CS=0; DIO=1; CLK=1; CLK=0; DIO=1; CLK=1; CLK=0; DIO=0; CLK=1; CLK=0; DIO=1; CLK=1; for(i=0;i8;i+) CLK=1; CLK=0; dat=100) else voidmain(void) LED2=1;LED1=1;BEEF=1; while(1) jq(); key(); baojing();5 总结气体检测报警器可保障生产与生活的安全，避免火灾和爆炸事故以及煤气中毒的发生，它是防火、防爆和安全生产所必备的仪器，具有广阔的市场空间与发展前景。本论文在对气体传感器和报警技术进行深入研究的基础上，全面比较国内外同类产品的技术特点，合理地确定系统的设计方案。并对仪器的整体设计和各个组成部分进行了详细的分析和设计。本论文设计的气体报警器由气体信号采集电路与AT89C51单片机控制电路两大部分构成。根据设计要求、使用环境、成本等因素，选用MQ-2型半导体电阻式气体传感器。该传感器是对以烷类气体为主的多种气体有良好敏感特性的广谱型半导体敏感器件。它的灵敏度适中，具有响应与恢复特性好，长期工作稳定性、重现性、不易受环境影响及抗温湿度影响等优点。在系统单片机控制电路的设计上，采用了AT89C51单片机作为核心芯片，充分利用了其高速数据处理能力和丰富的片内外设，实现了仪器的小型化和智能化。使仪器具有结构简单、性能稳定、体积小、成本低等优点。由于