基于单片机的煤气泄漏及报警系统的设计[高教成教]

1、试题和教育 本科毕业论文本科毕业论文( (设计设计) ) 题目：基于单片机的煤气泄漏及报警系统的设 计 学院： 物理与电子科学学院 班级： 姓名： 指导教师： 职称： 完成日期： 年 月 日 试题和教育 基于单片机的煤气泄漏及报警系统的设计 摘要：随着社会的进步和发展，人们的生活水平也在不断提高，煤气作为一种 必不可少的能源出现在了人们的日常生活中。煤气给人们生活带来方便的同时， 也带来了一定的困扰。煤气泄漏，煤气中毒，煤气罐爆炸等恶性事件时有发生。 所以，为了避免这类事件的发生，作为一种预防的手段，监测空气中煤气的浓度 很有必要。所以利用单片机和传感器技术设计一种可以自动监测空气中煤气浓度

2、达到一定值时报警的系统。 关键词：煤气 浓度检测 传感器 单片机 试题和教育 目录 前言前言 .1 1 1 1 系统设计的背景和目的系统设计的背景和目的.2 2 1.1 系统设计背景 .2 1.2 系统设计目的.2 2 2 系统结构组成和原理系统结构组成和原理 .2 2 2.1 系统结构.2 2.2 系统原理.3 3 3 相关器件以及技术的介绍相关器件以及技术的介绍 .3 3 3.1 单片机介绍.3 3.2 气敏传感器介绍 .4 3.3 A/D 转换 .4 3.4 煤气中毒.5 4 4 系统硬件设计系统硬件设计.5 5 4.1 单片机工作条件 .5 4.2 信号采集和放大电路 .5 4.3 数

3、码管显示电路 .6 4.4 A/D 转换电路 .7 4.5 声音报警电路 .7 5 5 系统软件设计系统软件设计 .7 7 6 6 系统调试与实现系统调试与实现 .8 8 试题和教育 参考文献参考文献 .1212 试题和教育 前言 随着社会的进步和发展，人们的生活水平也在不断提高。近年来，煤气以罐 装和管道的形式进入了寻常百姓人家，但是，由于使用和设备方面的问题，导致 煤气引发的恶性事件时有发生。 城区居民使用管道煤气，管道中一氧化碳浓度为 25%至 30%，如果管道漏气、 开关不紧煤气大量溢出，可造成中毒，严重者甚至引起起火爆炸。2009 年 3 月 17 日，长春市南湖新村中街发生燃气泄漏

4、事故，4 人一氧化碳中毒，其中两人住 院治疗，18 岁的高中生小明（化名）不幸身亡。2009 年 12 月 4 日上午 7 时 45 分左右，上海市公安局 110 接报，虹口区西安路一栋三层老式公房发生居民煤气 中毒事故，上海市公安局、卫生、建设交通等有关部门以及虹口区立即启动应急 抢险预案、赶赴现场进行抢险，现场发现 25 人煤气中毒，已分别送医院救治。 2009 年 9 月 18 日强盛铁合金临时停产检修，要检修东烧结阀盖密封箱体盖板等。 10 时许高炉休风，16 时 25 分后高炉复风，此时烧结平台下阀盖密封箱体内进行 焊接作业的 3 人中毒，1 人焊好盖板爬出人孔时中毒，平台上配合检修

5、者立即去 关煤气阀门，将阀门关闭后自己即晕倒在阀门平台区。此次，造成 4 人死亡，1 人轻微中毒。这类事故时有发生，所以，煤气的安全问题成为一个受人关注的社 会话题。为了避免这类事件的发生，作为一种防御的手段，监测空气中煤气的浓 度很有必要。 本设计基于单片机和气体传感器的技术，是一种智能煤气监控系统，可以对 煤气进行实时的检测、监控。当煤气发生泄漏，室内气体的浓度达到预先设定的 限定值时本系统可以及时报警，并关闭煤气阀门，从而有效的避免了恶性事故的 发生。 试题和教育 1 系统设计的背景和目的 1.1 系统设计背景 在 20 世纪的主要成就中，就有集成电路和电子计算机的发展。在 20 世纪

6、70 年代出现了微型计算机，70 年代中期微型计算机又分支出来一个小小的派系 单片机。继 4 位单片机的出现，又出现了 8 位单片机。MCS-48 系列，尤其是 MCS-51 系列单片机的出现，确立了单片机作为微控制器（MCU）地位。在品种众 多的单片机中，MCS-51 系列单片机是单片机中的主流机型，其结构完整、特殊功 能寄存器规范，指令系统的控制功能。单片机的应用非常广泛，在家用电器领域， 办公自动化领域，商业营销领域，工业自动化，智能仪表与集成智能传感器系统 的控制电路，汽车电子与航空航天电子系统等方面都有应用。 随着现代科学技术发展，传感器与测试技术也有了迅猛的发展，广泛应用于 人类的

7、社会研究和生产中，并起着越来越重要的作用。随着微电子学、微细加工 技术和集成化工艺等方面的发展，将敏感器件与其信号处理电路制作在一块芯片 上，可以实现传感器的集成化和微型化。目前，传感器与计算机的紧密结合，使 传感器不仅具有信号检测的功能，还有记忆、存储、自诊断、自校准、自适应等 功能，从而实现了传感器的智能化。 1.2 系统设计目的 伴随着人民生活水平的提高，煤气的使用已经平民化，而煤气的使用也带来 了一系列问题，正确安全的使用煤气很有必要。虽然人们对于煤气泄漏有一定的 防范意识，但是恶性事件时有发生生，给人民生命和财产带来个巨大的损失。经 过调查发现，一氧化碳报警器可以有效地降低事故的发生

8、率。而计算机的普及使 人们对生活的要求变得更高，所以智能化、人性化成为现代人对生活水平的追求。 所以设计出一个可以智能监控煤气浓度的系统，可以给人民生活带来方便和 安全。本系统的特点： （1）结构电路相对简单，价格便宜； （2）智能系统，实时检测，监控，并及时报警； （3）安全可靠。 试题和教育 本设计使用 MCS-51 单片机可以达到题目的设计要求，可以准确采样煤气浓度。 而且该系列单片机是主流机型，容易学习和操作，性能也相对较好。 2 系统结构组成和原理 2.1 系统结构 系统采用单片机作为核心控制，气敏传感器作为信息提取部件。主要包括： 气体检测及放大整形电路、声光报警电路、数码管显示、

9、及复位电路。 2.2 系统原理 气敏传感器实时监测煤气浓度信号，输出量为模拟信号，浓度信号经 A/D 转 换送入单片机，单片机对信号进行处理送入显示电路，实时显示煤气浓度，当煤 气浓度超出限定值，实现声光报警。 r 图 1 基于单片机的实现 监控系统的工作原理是利用半导体气敏传感器将煤气浓度变换为模拟电压信 号，此电压信号经放大后送到 A/D 转换器，变换成数字量送入单片机进行数据分 析，数据处理后送入显示电路显示煤气浓度信息。当煤气浓度达到限定值，输出 数字信号驱动声光报警。 3 相关器件以及技术的介绍 3.1 单片机介绍 随着大规模集成电路技术的发展，可以将 CPU、RAM、ROM、定时器

10、/计数器以 及输入/输出（I/O）接口电路等计算机的主要部件集成在一块集成电路芯片上。 传感器放大器 串口 A/D 晶振 8 0 5 1 显示 声响 其他 试题和教育 这样组成的芯片级的微型计算机直译为“单片机” 。单片机的应用领域有：家用 电器领域，办公自动化领域，商业营销领域，工业自动化，只能仪表与集成智能 传感器传统的控制电路，汽车电子与航空航天电子系统等领域。单片机在结构上 突破了常规的按逻辑功能划分芯片、由多片构成微型计算机的设计思想，将构成 计算机的许多功能集成在一块晶体芯片上。在众多的单片机中又以 80C51 的结构 具有显著特点，由于 80C51 系列单片机机器兼容机所具有的的

11、一系列优点获得了 广泛应用，被多家单片机厂家选作内核，所以成为了事实上的主流机型。 80C51 采用了 CMOS 技术技术制造而成，集成度高，速度快，功耗低，可以常 规编程，也可以在线编程。本设计采用 AT80C51 如图 2 所示 图 2 AT89C51 3.2 气敏传感器介绍 传感器广泛应用于人类的社会生产和科学实验中，起着越来越重要的作用。 成为国民经济发展和社会进步的一项必不可少的重要技术。传感器的工作原理是 基于各种效应和定律，以半导体材料、陶瓷材料、和有机材料为代表为代表的新 型敏感材料应用于传感器件中，不仅使可测量的参量增多，使力、热、光、磁、 温度、气体、离子等方面的一些参量的

12、测量成为现实，同时也使集成化、小型化 和高性能传感器的出现成为可能。目前，传感器与计算机的紧密结合，使传感器 不仅具有信号检测功能，同时还具有记忆、存储、自诊断、自校准、自适应等功 能，从而实现了传感器的智能化。 传感器的种类繁多，往往同一种被测量可以用不同类型的传感器来测量，而 同一原理的传感器又可测量多种物理量，因此传感器有很多。根据测量对象，本 试题和教育 设计采用气敏传感器，它是一种将检查到的气体成分和浓度转换为点信号的传感 器本设计使用的气敏传感器可以将与煤气浓度有关的信息，转换为电信号。 3.3 A/D 转换 信号是反应消息的物理量，信号是消息的表现形式，由于非电的物理量可以 通过

13、各种传感器较容易的转换成电信号，而电信号又容易传输和控制。将模拟信 号转换成数字信号的电路称为模数转换器，简称 A/D 转换器。本设计是检测空气 中的煤气浓度，而模拟信号不能直接送往单片机进行处理，所以必须进行 A/D 转 换. 3.4 煤气中毒 煤气中含有一氧化碳，一氧化碳无色无味，常在意外情况下，特别是在睡眠 中不知不觉侵入呼吸道，通过肺泡的气体交换，进入血液中形成碳氧血红蛋白， 并散布全身，造成中毒。空气中一氧化碳浓度达到 0.02%，人体就会出现中毒症 状,如头晕、头痛、恶心，无力等，严重者甚至死亡。 4 系统硬件设计 4.1 单片机工作条件 AT89C51 单片机工作条件接线图如图

14、3 所示： 123456 A B C D 654321 D C B A T itle N um berR evi sio nSi ze B D ate:14 -F eb -20 12Sh eet of Fi le:E :99 se勇勇勇勇勇勇.dd bD raw n By: P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.2 /N T1 13 P3.1 /IN T 0 12 P3.3 /T 0 14 P3.4 /T 1 15 E A/V P 31 X 1 19 X 2 18 R ES ET 9 P3.6 W R 16 P3.

15、7 RD P0.7 32 P0.6 33 P0.5 34 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 PSE N 29 A LE /P 30 P3.0 /T XD 11 R XD 10 G ND 20 V CC 40 A T8 9C 51 12 M HZ C 1 30 pF C 2 30 pF C 3 10 uF R 11 47 0 R 12 10 K S +5V 图 3 单片机工作条件接线图 4.2 信号采集和放大电路 试题和教育

16、 传感器输出来的信号 Vi 经过运算放大器 LM324 的同相输入端，但是为了保 证引入的是负反馈，输出端电压 Vo 通 R4 接到反相输入端，同时，反相输入端通 过电阻 R3 接到参考电压 V。信号采集和放大电路如图 4 所示： 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date:16-Feb-2012Sheet of File:E:99se勇勇勇MyDesign1MyDesign1.ddbDrawn By: R2 100k R3 10k R4 39k R6 1 U1A LM324 R5 500k U2A LM324 14 2

17、5 NG1 2N007 +9V VCC VCC +9V Vo P16 P11 Vi 图 4 信号采集和放大电路 4.3 数码管显示电路数码管显示电路 报警器的浓度显示采用数码管，LED 数码管因为驱动方式的不同有静态和动 态两种显示方式。静态显示，每一位字段码分别从 I/O 控制口输出，保持不变知 道 CPU 刷新，特点是编程相对比较简单一点，但是占用的 I/O 口较多，适用与显 示位数较少的场合。动态显示，在某一瞬时显示一位，一次循环扫描显示，特点 是占用的 I/O 口较少，电路简单单编程较复杂，CPU 要定时扫描刷新显示。适用 于显示位数较多的地方。 本系统采用动态显示，共阴型 8 位动态

18、显示电路如图 5： 试题和教育 图 5 共阴型 8 位动态显示电路 4.4 A/DA/D 转换电路转换电路 A/D 转换器是能把模拟信号转变为数字信号，我们经常采用的是逐次逼近式 A/D 转换器作为就扣电路，它结构简单，转换速度较高.本设计采用 ADC0804，它 的分辨率为 8 位，属于连续渐进式经放大器放大后的煤气信号 Vo 送人 A/D 转换 电路,最后将信号送人单片机内部。A/D 转换电路如图 6 所示： 123456 A B C D 654321 D C B A Title Num berRevisionSize B Date:20-Feb-2012Sheet of File:C:D

19、ocum ents and SettingsAdm inistrator勇勇11.ddbDrawn By: CS 1 RD 2 WR 3 CLK IN 4 INTR 5 VIN+ 6 VIN- 7 AGND 8 VREF/2 9 DGND 10 PB7(M SB) 11 PB6 12 PB5 13 PB4 14 PB3 15 PB2 16 PB1 17 PB0(LSB) 18 CLK R 19 VCC(VREF) 20 U6 ADC0804 R13 1K R14 1K R15 10K C21 104 VCC VCC Q1 9018 V0 +5V P3.5 P3.6 P3.7 图 6 A/D 转

20、换电路 4.5 声音报警电路声音报警电路 声音报警电路如下图所示，当煤气的浓度达到 8051 单片机内部程序所设定 的值时，报警电路中的喇叭将会发出刺耳的声音，将房屋中的煤气浓度下降到安 全值以下，声音报警将会自动解除报警，等待下一次报警。声音报警电路如图 7 所示： 试题和教育 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date:16-Feb-2012Sheet of File:E:99se勇勇勇MyDesign1MyDesign1.ddbDrawn By: R2 100k R3 10k R4 39k R6 1 U1A LM3

21、24 R5 500k U2A LM324 14 25 NG1 2N007 +9V VCC VCC +9V Vo P16 P11 Vi 图 7 声音报警电路 5 系统软件设计 系统软件采用 MCS51 汇编语言编制，包括系统主程序和中断服务子程序、误 差自动校准子程序等。主程序流程图如下 试题和教育 图 8 主程序流程图 6 系统调试与实现 系统同调试仿真阶段，理论上是用 A/D 转换器把气敏传感器检测到的电信号 输送入单片机，现在用按键电路来代替。按键电路可以设定数值来代表需要的煤 气浓度。数码管显示采用动态显示方式，结合按键电路的输入，在数码管上显示 需要的煤气浓度数值。实现电路如图 9 开

22、始 A/D 转换 数据处理 程序初始化 是否超过报 警值 浓度显示 报警锁定， 等待复位 试题和教育 图 9 系统总电路 分别对 P1.0、P1.1、P1.2 端口编程，实现分别控制数码管的个位、十位、 百位的+1 操作，关键程序： GO:JNB GSET,S1 S1：LCALL,DELAY JB GSET,A1 INC SETG MOV A,SETG CJNE A,#10，J0 MOV SETG,#0 INC SETS MOV A,SETS CJNE A,#10，J1 MOV SETS,#0 LJMP K2 试题和教育 J0：JB GSET,GO LCALL DISPLAY SJMP J0

23、以上程序是对个位数字的控制，十位，百位也是同样的方法。 关键显示子程序： DISPLAY:MOV A,SETG CLR P2.0 MOVC A,A+DPTR MOV P0，A LCALL DELAY SETB P2.0 以上是对个位的赋值控制，对十位，百位的控制方法一样。 系统主程序： #include #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char sbit adrd=P37; /IO口定义 sbit adwr=P36; sbit csad=P35; sbit wei_g=P20; sbit wei_s=P21;

24、sbit bjq=P13; unsigned char j,k,adval; void delay(unsigned char i)/延时程序 for(j=I;j0;j-) for(k=125;k0;k-); 试题和教育 uchar table=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66, 0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f; void display(uchar sh_c,uchar g_c)/显示程序 wei_g=1; wei_s=0; P0=tableg_c; delay(5); wei_g=0; wei_s=1; P0=tablesh_c; de

25、lay(5); void main()/ 主程序 uchar a,A1,A2; while(1) csad=0; /选通ADCS adwr=0; _nop_(); adwr=1; csad=1; /关闭ADCS delay(10); for(a=20;a0;a-) display(A1,A2); /送去显示各位。 P1=0 xff; /读取P1口之前先给其写全1 试题和教育 csad=0; /选通ADCS adrd=0; /AD读使能 adval=P1;/AD数据读取赋给P1口 adrd=1; csad=1; /关闭ADCS adwr=0; adval=adval/0.25; /数据处理 if

26、(adval51) /判断报警浓度大于20%报警 delay(20); if(adval51) bjq=1; while(1) ; /报警控制,等待复位 A1=adval/10;/分出十，和个位 A2=adval%10; ; 当煤气浓度达到单片机内程序所设置的限定值（20%）时，声音系统中的喇 叭会发出警报的声音；当煤气浓度下降到限定值一下时，声音系统停止报警，等 待下一次报警程序的执行。 结论：基于单片机的煤气泄漏及报警系统的设计，采用单片机技术，实现了 系统的多样化和智能化。本系统设计电路简单，稳定性高，容易实现，成本低廉。 本系统主要的功能：（1）对空气中煤气浓度的检测;(2)煤气浓度达

27、到一定值时 报警。 参考文献 1何立民.单片机中级教程原理与应用.第二版M.北京:航空航天大学出版社， 试题和教育 2006.10. 2李晓莹.传感器与测试技术M.高等教育出版社，2005.1. 3童诗白，华成英.模拟电子技术基础M.第四版.高等教育出版社，2006.5. 4阎石.数字电子技术基础M.第五版.高等教育出版社，2006.5. 5膝杰.住宅小区防火、防灾单片机自动监测系统J. 太原城市职业技术学院学报, 2005 (4) : 160 -l61. 6毕宏彦, 郑铁. 防盗防火监控系统设计研究J.现代电子技术, 2 002 , 137 (6 ): 10 一12. 7吴英才等.住宅防盗防火多媒体集中监控系统的设计. 上海理工大学学报J.2004, 26 (4):176-179. 8边海龙, 贾少华.USB2. 0 设备的设计与开发M.北京:人民邮电出版社, 2004. 9Paulf.Lister.Single-chip microcomputersM.McGraw