(毕业论文)基于单片机的燃气报警器的设计

1、目 录摘要1关键词11前言11.1论文研究目的和意义21.2燃气报警器的国内外现状2 1.3本设计的主要任务21.4方案论证32系统设计42.1硬件设计思路42.2系统框图43各个模块及功能63.1co传感器63.1.1传感器的概述63.1.2co传感器的工作原理73.2温度补偿电路83.2.1电桥式温度补偿电路83.2.2op07低噪声高精度运算放大器93.3a/d转换模块103.3.1adc0809的介绍103.3.2adc0809的工作过程113.3.3adc0809的引脚及其功能123.3.4adc0809芯片的性能特点123.4单片机at89c51133.4.1at89c51简介13

2、3.4.2at89c51的功能特性概述133.4.3管脚说明143.4.4at89c51的主要性能参数163.5光电隔离控制电路163.5.1使用光电控制电路的背景原因163.5.2光电隔离概述163.5.3光电隔离电路工作过程163.5.4光电耦合器183.5.5继电器概述183.6声光报警单元194软件设计204.1软件设计总流程图204.2数据处理214.2.1传感器的非线性信号处理224.2.2数据处理步骤224.3a/d转换控制设计流程234.4光电隔离电路程度设计流程图244.5报警电路的控制程序设计流程图25总结25参考文献26致谢27附录28基于单片机的燃气报警器设计摘 要：本

3、设计是基于单片机的燃气报警器。利用半导体式co气体传感器，将空气中co气体的浓度转换成为模拟电压输出，然后通过adc0809进行a/d转换，将模拟电压信号转换成为数字信号输出，该信号传入单片机at89c51中，进行进一步的处理并与预设的报警值进行比较。当达到报警值的时候，输出报警信号，触发光电隔离电路，控制外接排风扇的开启与煤气阀门的关闭。与此同时，声光报警电路也被触发，进行声光报警，从而，实现煤气报警器控制与报警功能。关键词：单片机； 燃气浓度； 报警器；the design of gas alarm system based on scmabstract:this design is a

4、gas alarm system based on scm. by using the semiconductor-type co gas sensor, the concentration of co gas in air is converted into an analog voltage output, and then throughthe adc0809 a/d converter, the analog voltage signal into a digital signal output. the signals into the at89c51, for further pr

5、ocessing and to compare with the preset alarm value. when it reaches the alarm value, alarm output, optical isolation circuit is triggered to control the external exhaust fan opening and close the gas valve. at the same time, sound and light alarm circuit is triggered for sound and light alarm, in o

6、rder to achieve a certain degree of control and alarm functions by the gas alarm.keywords: scm； gas concentration；alarm；1 前言1.1 论文研究目的及意义随着我国经济与科技的发展，西气东输工程的进行和燃气、天然气的变革，燃气等可燃气已成为大部分中国家庭的燃料，为人们生活质量的提高与生活环境的改善做出巨大贡献。虽然，现在人们已经意识到安全使用燃气的重要性，但是，每年仍旧不断有因燃气泄露而造成的燃气中毒事故发生。全国各地也还有不少因使用热水器等各种家用电气不当或电器产品本身存在质

7、量问题，而造成的一氧化碳中毒事故的事例。甚至，因为室内的燃气浓度过高，而引起燃气爆炸的事故也屡见不鲜。所以，怎样防止燃气中毒与爆炸从而保护人们自身与他人的安全已成为人们的迫切需要。因此，燃气报警器的开发与研究就显得格外重要。1.2 燃气报警器的国内外现状国外对燃气报警器的研究开发从20世纪30年代就开始了，并且发展比较迅速。究其原因，一方面，是因为人们的安全意识增强，在物质生活质量日益提高的基础上，对环境的健康安全程度以及生活的舒适度要求也进一步提高；另一方面，是因为法律法规的不断健全，政府部门积极推动传感器市场的发展。在科技与工艺发展的带动下，传感器生产工艺水平也得到了稳步提升，传感器的集成

8、度不断增大，使其体积也日益小型化，进而促使气体检测仪器的整体体积也越来越小，直接令各种气体检测仪器更加轻巧便携，对于生产、运输、实际应用与市场推广等方面也有极好的效果。而我国，由于时代背景以及科学技术受限等原因，是在70年代初期才开始进行研制开发可燃性气体报警器的。经过不断地研究与开发，我国的可燃性气体报警器发展也比较迅速，如今，可燃气体报警器的生产型号多样而且品种较为齐全，连应用的范围也从原本简单单一的炼油系统扩展到甚至绝大部分危险作业环境也可以适用的报警器。其不同种类的气体报警器的产品数量更是在不断的增加。但是，由于我国技术手段还不够先进，科技仍需进一步提高，目前，我国可燃气体报警器主要还

9、是依赖于国外先进的生产工艺以及传感器技术。值得高兴的是，近年来，我国的可燃气体报警器在产品的稳定性与气体选择性上有了质的飞跃。1.3 本设计的主要任务本设计是对基于单片机的燃气报警器的设计研究，主要目标是实现家庭燃气浓度的检测以及报警。主要经过以下几部分来实现：首先，利用传感器进行co气体浓度的采集并输出相应的电压模拟信号，co气体浓度与输出电压vout呈线性关系，co浓度越高，输出电压vout越高。该信号经过校正作为a/d转换的输入信号传送到数模转换模块，数据转换模块将模拟信号转换为数字信号，然后传送到单片机中，在达到门限值时，通过报警子程序来输出报警信号。并对相应的驱动电路进行驱动，从而分

10、别控制蜂鸣器、报警灯的运行以及切断电路的工作，以实现对家庭燃气浓度是否超标的实时监控。1.4 方案论证co气体传感器是本次设计的关键元件之一，是整个燃气报警器的重要组成部分。燃气报警器种类繁多，设计方案多样，按所使用的传感器可以分为：（1）红外式：利用红外光照射到被测气体上时，不同气体对红外光进行不同的选择吸收的特点来进行测量与报警。它的优点是灵敏度比较高，具有较好的稳定性，有较强的抗交叉气体干扰能力；其缺点是维护较为复杂，价格比较昂贵，通常适合实验室使用。（2）半导体式：利用一些半导体材料（如金属氧化物等），在一定温度条件下，吸附被测气体后，其电阻率发生显著变化这一特点来检测气体中某种气体的

11、含量。其优点是比较灵敏，响应速度很快，使用寿命较长且成本比较低廉；缺点是受温度的影响较大，容易受到环境的干扰，不适宜用来进行精确度要求较高的测量。（3）催化燃烧式：催化燃烧式气体报警器是利用催化燃烧的热效应原理，由检测元件和补偿元件配对构成测量电桥，在一定温度条件下，可燃气体在检测仪元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧，通过内部电阻的变化，进而输出电信号。其优点是输出信号线性好，指数可靠，价格便宜，不会与其他非可燃性气体发生交叉感染；缺点是电流功耗大，不易做成总线连接，缺氧环境下检测值误差较大。（4）电化学式：电化学式传感器是以离子导电为基础制成的。根据其电特性的形成不同,电化学传感器又可

12、以分为：电位式传感器、电量式传感器、电导式传感器、电解式传感器以及极谱式传感器等。电化学式传感器的灵敏度高，准确性好，具有极好的线性度，本身工作不消耗电能，并且气体选择性极为出色，体积小，操作简单，携带方便，可以用于现场检测并且价格比较低廉。缺点是：易受环境温度及湿度的影响。影响半导体气体传感器灵敏度的因素：（1）工作环境对报警器的影响，如存在高热、高温气体，湿度大等；（2）部分化合物对传感器的影响；（3）传感器的安装位置；（4）设备维护是否及时；（5）检测介质对传感器的影响。气体传感器需满足以下基本条件：(1)可以有选择性地检测某种单一气体， 而对共存的其它气体不响应或低响应；(2)对被测气

13、体具有比较高的灵敏度，并且能有效地检测在允许范围内的气体浓度；(3)对检测信号的响应速度比较快，重复性较好；(4)长期工作稳定性好；(6)制造成本低，使用与维护方便；(5)使用寿命长；每种燃气报警器都有其各自的优缺点，考虑到要适用于家庭，实际操作简单易行，以及尽可能降低成本的问题，本设计选择了半导体式气体传感器。半导体式气体传感器灵敏度较高、对co气体的选择性好、成本较低。2 系统设计2.1 硬件设计思路在本设计中，基于单片机的燃气报警装置的主要功能就是能够准确而又快速的检测出被测气体中co气体的含量，并判断其是否超标。当气体浓度达到预定的门限值时，声光报警系统启动以进行报警，并且实现切断阀排

14、气的功能。报警系统由硬件和软件两大部分组成。其中硬件部分由各报警感应器、感应器控制器、主控器等设备组成。软件部分主要是报警系统控制程序。co气体传感器用来检测空气中煤气的浓度，当空气中煤气含量超过允许的标准浓度后，感应器所获得的感应信号均被感应器控制器所接收，再由感应器控制器对各感应信号进行相应识别和处理，并将处理后的感应信号转化为电信号，再通过串口送至主控器，由主控器对其采取相应的警报动作。报警信号加至报警声响电路的控制端后，报警声响电路被触发，发出报警声，同时关闭总气阀。为了实现以上功能，系统应该具备：co气体传感器模块、a/d转换模块、单片机系统模块、光电隔离技术和切断阀模块、声光报警模

15、块以及数据采集处理模块。2.2 系统框图 co传感器温度补偿运算放大a/d转换单片机参数设置光电隔离接口继电器切断器排气扇图2.2 系统框图fig 2.2 system chart系统整体工作流程介绍：如图2.2所示。首先，由co气体传感器获取室内co浓度的原始信号，经传感器内部作用，改变传感器内部电阻，从而输出该co气体浓度下对应的输出电压，再经过温度补偿电路的校正，得到一个较真实的模拟电压值。经过放大电路的放大，得到一个可以匹配的电压模拟信号，并将信号送入到a/d转换模块，获得相对应的数字量信号，再由单片机对得到的数字量信号进行处理。最后，根据系统事先已经设定好的限值参数与该数字量进行比较

16、判断，以确定co浓度是否超标。若超标，则单片机立即向光电隔离接口输出控制信号，启动光电隔离电路，然后通过继电器打开排气扇，关闭阀门。同时启动预警信号进行声光报警。若未超标，则光电隔离部分与报警系统均处于关闭状态。目标参数如下：检测对象：co气体；应用范围：家庭；检测范围：01000ppm的co气体；工作湿度范围：1095%rh；报警浓度：80ppm电池电压：+12v；工作温度范围：-20+70摄氏度；响应时间：30msppm：浓度单位，表示百万分之一，常用来表示气体/液体浓度；%rh：表示相对湿度的单位名称。3 各个模块及功能3.1 co气体传感器3.1.1 传感器的概述在半导体式传感器中，我

17、选用了motorola生产的一种专门适合家庭使用的应用了全微电子工艺制成的半导体气体传感器，即mgs1100型co气体传感器。其结构最下边是微型si桥底座，其中嵌入一个加热器，再在加热器上面制作一层sno2薄膜。co与sno2薄膜有一定的接触面，并发生反应。这种结构可以使得sno2薄膜对co气体具有较高的敏感性,而且硅膜是热的不良导体，能够减少热传导的损失,从而大大降低了功耗。作为co气体敏感元件，mgs1100具有稳定性好、对co响应的选择性好，灵敏度高等特点。传感器共有4个管脚，其中，2个为加热端（管脚1和3），2个为传感器输出端（管脚2和4）。 一个气体传感器可以是单功能的，也可以是多功

18、能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个完整的气体传感器都必须具备以下条件：(1) 能选择性地检测某种单一气体，而对共存的其它气体不响应或低响应。(2) 对被测气体具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的气体浓度。(3) 制造成本低，使用与维护方便。(4) 长期工作稳定性好。并且使用寿命长。(5) 对检测信号响应速度快，并且重复性好。3.1.2 co气体传感器的工作原理图3.1 mgs1100典型测量电路fig 3.1 mgs1100 the typical measuring circuit本设计中采用串联电阻检测电路，把传感器输出电阻rs与负载电阻r

19、l串联后加到一电压源vc上，rl上的压降为测量的输出电压vout，通过传感器的输出电阻的计算。为了减小湿度的影响，使传感器对co能够具有最佳的敏感特性并且具有较好的稳定性和重现性。使sno2层能够达到预定的最佳温度是非常重要的。在实验前需要给加热器通电，使传感器在高温状态下清除sno2表层的杂质与水分。实验时，将传感器放置在室内，若有co泄漏到空气中，则空气中的co气体会与传感器的sno2薄膜层反应，从而薄膜层变小，导致电阻随co浓度的增大而减小，输出负载电压vrl则逐渐变大，因而，通过测量负载电压就可以反应出被测对象的一氧化碳浓度。mgs1100型一氧化碳气体传感器的特点：测量浓度范围：0-

20、1000ppm；测量精度：3%；分辨率：1ppm；工作温度：-2070；零点漂移：ppm10。3.2 温度补偿电路 此处省略nnnnnnnnnnnn字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩3.2.2 op07低噪声高精度运算放大器本设计选用op07放大器组成一个差分放大电路。op07作为一种低噪声非斩波稳零的高精度双极性运算放大器，具有极低的输入失调电压，因为可以无需额外的调零措施。另外，op07还具有开环增益高以及长期稳定等特点。可以广泛应用于精密绝对值电路、高增益的测量设备、比较器以及微弱信号的精确放大等。 图3.3

21、op07 管脚图 fig 3.3 op07 pinoutop07的特点：(1)极低的输入失调电压： 10uv(2)较低的输入噪声电压幅度： 0.35uvp-p(0.1hz-10hz）(3)极低的输入失调电压温漂： 0.2uv/(4)较低的输入偏置电流： lna(5)较高的共模抑制比： 126db(6)宽的电源电压范围： 3v-18v(7)宽的共模输入电压范围：14v(8)可代替725、108a、741、ad510等电路(9)具有长期的稳定性： 0.2uv/月3.3 a/d转换模块3.3.1 adc0809的介绍adc0809是美国国家半导体公司生产的cmos单片型逐次逼近式a/d转换器，它由8

22、路模拟开关、地址锁存与译码器、8位开关树型a/d转换器、比较器以及逐次逼近寄存器、三态输出锁存器、逻辑控制和定时电路等其它一些电路组成。因此，adc0809可处理8路模拟量的输入，并且具有三态输出能力，既可以与各种微处理器相连接，又可以单独工作。其输入输出与ttl兼容。图3.4 adc0809内部结构框图fig 3.4 adc0809 internal structure diagram模拟输入部分，adc0809具有8个通道的模拟输入线(in0-in7)，可以选通8路模拟开关，允许8路模拟量输入，共用a/d转换器来进行转换。ale为地址锁存信号，在高电平时有效。当ale线为高电平的时候，可以

23、由3位地址输入adda、addb、addc的不同组合来选择地址信号来进行锁存。经译码后，被选中的通道的模拟量进入转换器进行转换。adda,addb,addc均为地址输入线，用于选通in0-in7间的一路模拟量输入。具体通道的选择表如图3.5所示。图3.5 通道选择表fig 3.5 channel selection tablecba通道000in0001in1010in2011in3100in4101in5110in6111in7主体部分，adc0809采用的是逐次逼近式的a/d转换电路，由clk控制内部电路的工作。start为启动命令，在高电平时，所有内部寄存器清零；在低电平时，开始进行a/

24、d转换。并且，在转换期间，start需保持低电平。当转换完成时，输出信号eoc变为高电平。oe为输出允许信号（转换结束信号），高电平有效，用来打开输出三态缓冲器,把转换后的数字量送到数据总线上。oe=1时，输出转换得到的数据；0e=0时，输出数据线呈现高阻态。 3.3.2 adc0809的工作过程 首先，当模拟量送至某一输入通道（in0im7）后，cpu将标识该通道编码的三位地址信号经数据线或地址线分别输入到adda、addb、addc的引脚上。然后输入3位地址，并使ale=1，从而将地址存入地址锁存器之中。此地址经过译码，选通8路模拟输入其中之一到比较器。start于上升沿，将逐次逼近寄存器

25、复位，使内部所有寄存器清零；start于下降沿时，启动 a/d转换，然后eoc输出信号变低，用来指示转换正在进行中。保持start处于低电平，直到a/d转换完成，eoc变为高电平，指示a/d转换结束，转换好的数据已存入锁存器，同时，eo=1这个信号可以用作中断申请。当转换结束时,oe输入高电平（即0e=1），可以通过执行in指令，在输出允许oe脚上形成一个正脉冲，使输出三态门打开，首先送出地址，然后将转换好的数字量输出到数据总线上，来供单片机使用。3.3.3 adc0809的引脚及其功能图3.6 adc0809管脚图fig 3.6 adc0809 pinoutadc0809芯片共有28条引脚，

26、采用双列直插式封装，如图3.6所示。各引脚功能: in0in7： 8路模拟量输入端；d0d7： 8位数字量输出端；ale： 地址锁存选通信号，输入高电平有效；clk：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640khz（一般为500khz）；adda、addb、addc：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路；vcc：电源，接5v；oe：数据输出允许信号，输入高电平有效。当a/d转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量；start： a/d转换启动脉冲输入端，输入高电平的时候有效（即输入一个正脉冲，脉冲上升沿使adc08009复位，下降沿启动a/d转换）； eoc： a/

27、d转换结束信号，转换期间一直为低电平，当a/d转换结束时，此端输出一个高电平；ref（+）、ref（-）：基准电压输入端,它们决定了输入模拟电压的最大值与最小值.；gnd：接地。3.3.4 adc08089芯片的性能特点(1)单个+5v电源供电；(2)具有转换起停控制端；(3)不需零点和满刻度校准；(4)低功耗，约15mv；(5)8路输入通道，8位a/d转换器，即分辨率为8位；(6)微处理器兼容（三态输出）。(7)转换时间为100s(时钟为640khz时)，130s（时钟为500khz时）；(8)工作范围为-40+85摄氏度；(9）模拟输入电压范围为0+5v。3.4 单片机at89c513.4

28、.1 at89c51 简介at89c51是一种低电压、高性能的cmos 8位微处理器，俗称单片机。本器件采用了atmel高密度、非易失存储器制造技术制造，与工业标准的mcs-51指令集以及输出管脚相兼容，自带4k字节可闪烁可擦出可编程只读存储器。因为将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在了单个芯片之中，atmel的at89c51是一种高效微控制器。at89c51单片机已为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性较高并且价格低廉的方案。3.4.2 at89c51的功能特性概述3.4.3 at89c51能够提供以下标准功能：（1）4k字节flash闪速存储器；（2）32个i/o口线；（3）128字节内部r

29、am；（4）两个16位定时器；（5）一个全双工串行通信口；（6）片内振荡器；（7）一个5向量两级中断机构；（8）时钟电路。与此同时，at89c51可降至0hz进行静态逻辑操作，并且支持两种软件可选的节电工作模式：掉电方式与空闲方式。掉电方式时，振荡器停止工作并且禁止其它所有部件的工作，但保存ram中的内容，直到下一个硬件复位；空闲方式时，停止cpu的工作，但允许计数器/定时器，串行通信中断系统以及ram保持继续工作。3.4.3 管脚说明图3.12 89c51的引脚排列图fig 3.12 pinout diagram of 89c51管脚介绍：vcc：供电电压,接+5v电源；gnd：接地；p0口

30、：是一个8位漏级开路双向i/o口，每脚可吸收8个ttl门电流（ttl电路中流过的电流，ttl是晶体管-晶体管逻辑电路），即地址/数据总线复用口。当p0口的管脚第一次写入1时，被定义为高阻输入。在访问外部程序存储器或数据存储器时，它可以被定义为数据/地址的低八位。在flash编程时，p0 口作为原码输入口，接收指令字节；当flash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高（即外接上拉电阻）。p1口：是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能驱动4个ttl门电流。p1口管脚写入1时，被内部上拉为高，可用作输入；p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在

31、flash编程和校验时，p1口作为低八位地址接收。p2口：是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p2口的缓冲器可以驱动4个ttl门电流。当p2口被写“1”时，被内部上拉电阻拉到高电平，可以作为输入。并因此，p2口被外部拉低，将输出电流； 当p2口用于16位地址外部数据存储器或者外部程序存储器来存取数据时，p2口用来输出地址的高八位。在给出地址“1”时，p2口利用其内部上拉的优势，当读写外部八位地址数据存储器时，p2口输出它特殊功能寄存器里边的内容。在flash编程和校验时，p2口能够接收高八位地址信号和控制信号。p3口：是8个提供内部上拉电阻的双向i/o口，可以驱动4个ttl门电流。当p3

32、口写入“1”时，被内部上拉为高电平，并且用作输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流（ill）。在flash编程和校验时，p3口能够接收一些控制信号。p3口除了做一般的i/o口线外，还具有更重要的第二功能：如表格3.13所示，表3.13 p3口第二功能表table 3.13 second function table of p3引脚备选功能p3.0rxd(串行输入口）p3.1txd（串行输出口）p3.2int0（外部中断0）p3.3int1（外部中断1）p3.4t0（计时器0外部输入）p3.5t1（计时器1外部输入）p3.6wr（外部数据存储器写选通）p3.7rd（外部数据存储器读选通）x

33、tal1：内部时钟工作电路的输入以及反向振荡放大器的输入。xtal2：来自反向振荡器的输出。ale/prog：在flash编程时，此引脚用来输入编程脉冲；在访问外部存储器时，地址锁存所允许的输出电平用来锁存地址的低位字节。而平时，ale端则以不变的频率输出正脉冲信号，并且频率为振荡器频率的1/6。因此，它可以用作定时或者对外部输出的脉冲。值得注意的是：当用作外部数据存储器时，需要跳过一个ale脉冲。另外，该引脚被略微的拉高，因而如果微处理器在外部执行状态ale则禁止，置位无效。rst：复位输入。当振荡器复位器件时，需保持rst两个机器周期的高电平状态。ea/vpp：外部访问允许。当ea保持低电

34、平时，cpu仅访问外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。需注意的是，加密方式1时， 复位时内部会所存ea端的状态；当/ea端保持高电平时，cpu执行内部程序存储器的指令。在flash编程期间，此引脚用于施加+12v的编程允许电源（vpp）。psen：外部程序存储器的读选通信号。在at89c51由外部程序存储器读取指令时，每个机器周期输出两个脉冲（两次psen有效）；在访问外部数据存储器时，将不出现这两次有效的/psen信号。3.4.4 at89c51的主要性能参数（1）可编程串行通道；（2）低功耗的闲置和掉电模式；（3）4k字节可编程闪烁存储器；（4）寿命：100

35、0写/擦循环；（5）数据保留时间：10年；（6）两个16位定时器/计数器；（7）1288位内部ram；（8）32可编程i/o线；（9）全静态工作：0hz-24hz；（10）5个中断源；3.5 光电隔离控制电路3.5.1 使用光电隔离电路的背景原因 在本设计中，由于电路的连接和芯片本身的运行会造成许多不小的误差，而这些误差可以影响到数据的传输，进而影响所连接的器件的响应，以致影响到最终的结果。有时这些瞬变脉冲甚至能伤害到互联的设备。因此，为了克服以上缺陷，本设计在控制排气系统与切断阀门这一模块中采用了光电隔离技术。3.5.2 光电隔离概述光电隔离电路的作用是指，在电隔离的情况下，以光作为媒介来传

36、送信号，从而能够对输入和输出电路进行隔离，因此，光电隔离电路具有有效抑制系统噪声的功能，并且可以消除接地回路的干扰，有体积小、耐冲击、寿命长且响应速度快等好处。因而能够广泛应用于强-弱电接口处，特别是在微机系统的后向与前向通道中。3.5.3 光电隔离电路工作过程如图3.14所示。图3.14 光电隔离电路fig 3.14 the photoelectric isolation circuit现以p2.3口所接电路为例，介绍下光电隔离电路的工作过程：如果，开关量p2.3的输出为高电平，经过反向驱动器7406之后，变为低电平，促使发光二极管导通发光，从而激发对应的光敏三极管导通，然后使晶体管8050

37、导通，d1截止，继电器导通，因而使继电器k1的线圈通电，继电器绕组吸合，从而继电器的触点完成规定动作，这样就使220v电源接通，从而关闭阀门。反之，p2.3输出的是低电平的话，经反相器反向变为高电平，发光二级管不导通，继电器k1处于释放状态，开关保持断开，阀门维持原状。图中电阻r12，r14均为限流电阻。二极管d1、d2的作用是保护晶体管8050，具体过程为：继电器k吸合，此时二极管d截止，电路正常工作。继电器释放电流的时候，因继电器线圈存在着电感，而此时晶体管d已经截止了，因而会在线圈的两端产生一个较高的上负下正的感应电压，而正端就连接在晶体管的集电极上。该感应电压与vcc的和有时有可能过大

38、，若比晶体管8050的集电极反向电压大，那么，晶体管就有可能损坏。但加入一个二极管d后，继电器线圈产生的感应电流就可以通过二极管d流出了，因而二极管d能起到保护晶体管8050的作用。排气扇装置电路与切断阀控制电路相类似，只是把切断阀换成排气扇就可以了，原理基本相似。电路图即为图3.14下半部分所示，由p2.2接出。3.5.4 光电耦合器光电耦合器也称光耦合器，多用于开关控制电路中。光电隔离器的工作原理与光电隔离电路相同，都是以光为媒介传输电信号，从而达到对输入、输出信号的隔离作用。 光电耦合器包括两部分：发光源以及受光器。具体的构造就是把发光源与受光器组装到同一个密闭的壳体内，壳内用透明绝缘体

39、隔离。其中，发光源的引脚作为输入端，而受光器的引脚作为输出端。光电耦合器的分类：（1）按通道：单通道、双通道以及多通道光电耦合器；（2）按光路径：内光路光电耦合器、外光路光电耦合器；（3）按封装形式：同轴型、扁平封装型、双列直插型、贴片封装型、to封装型、光纤传输型；（4）按传输信号：线性光电耦合器、数字型光电耦合器；（5）按速度：高速光电耦合器、低速光电耦合器；（6）按工作电压：高电源电压型光电耦合器、低电源电压型光电耦合器；（7）输出形式：npn三极管输出型、光敏器件输出型、功率输出型、达林顿三极管输出型、逻辑门电路输出型、光开关输出型、低导通输出型；（8）按隔离特性：高压隔离光电耦合器、

40、普通隔离光电耦合器。3.5.5 继电器概述继电器是电气控制中常用的控制器件。实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。一般由通电线圈和触点构成。当线圈通电时，由于磁场的作用，使开关触点闭合（或打开）。当线圈不通电时，则开关触点断开（或闭合）。一般线圈可以用直流低电压控制；而触点输出部分可以直接与220v连接；有时继电器也可以与低电器配合使用。作为光电隔离最重要的部分之一，继电器起到了自动化控制的作用。本设计采用的是12v的电磁继电器。继电器是一种电控制器件。其具有控制系统（也称输入回路）与被控制系统（也称输出回路）之间的一种互动关系。通常继电器应用到自动化的控制电路之中。继电器实际上

41、是一种能够利用弱电流、低电压电路去控制强电流、高电压电路运作的“自动开关”。因而，它在电路中常常起着转换电路、保护电路或器件安全以及自动调节等作用。继电器的工作原理：当在继电器线圈两端加上一定的电压时，线圈中会流过一定的电流，进而产生电磁效应。此时，衔铁会在电磁力的吸引作用下克服掉返回弹簧的拉力，被吸向铁芯，因而带动衔铁的动触点和静触点吸合（即如图上的3点与5点吸合）。线圈断电时，电磁吸力随之消失，衔铁则在弹簧的反作用力的作用下返回到原来的位置，从而使得动触点跟原来的静触点释放。如此反复，便可以实现控制电路的导通或者切断的目标。继电器的分类：（1）光继电器： 是一种ad/dc并用的半导体式的继

42、电器的，发光器与受光器一体化的器件。信号是通过光信号传输的，但是输入侧与输出侧电气性绝缘。优点是微小电流驱动信号、无接点、寿命半永久性、光传输、超小型；（2）固态继电器：是一种2个接线端输入，另2个接线端输出的四端口器件。中间部分采用隔离器实现输入与输出隔离的。固态继电器是一种两个接线端为输入端，另两个接线端为输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型。按开关型式可分为常开型和常闭型。按隔离型式可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型，以光电隔离型为最多。（3）电磁继电器：是一种由线圈、铁芯、触点簧片、衔铁等组成的继电器。通过在线圈的两端

43、加上电压，是线圈充电，进而产生电磁效应，因而衔铁可以再电磁力的作用下吸合铁芯，最后带动触点吸合。其优点是可以远距离控制。本设计中采用的就是电磁继电器。因其具有可以实现自动控制，响应速度较快，受外界干扰小，价格低廉，使用寿命长等优点。实现自动控制，利用低电压来控制高电压；（4）热敏干簧继电器：是一种通过用热敏磁性材料来检测并且控制温度的新型热敏开关。热敏干簧继电器并不使用线圈励磁，而是通过感温磁环的温控特性决定是否产生恒磁环，进而驱动控制开关。（5）时间继电器：是一种通过利用机械原理或者电磁原理来实现延时控制的控制电器。下面对固态继电器作一下详细介绍：固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型

44、。按开关型式可分为常开型和常闭型。按隔离型式可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型，以光电隔离型为最多。多数产品具有零电压导通，零电流关断，与逻辑电路兼容（ttl、dtl、htl）切换速度快、无噪音、耐腐蚀、寿命长、体积小、抗干扰，能以微小的控制信号直接驱动大电流负载等。由于固态继电器的内在特点，自问世以来以进入电磁继电器的大多数领域，在少数领域以完全取而代之。3.6 声光报警单元声光报警，又称声光警号，是一种通过声音与各种光来向人们发送出警示信号的报警信号装置。作为一个合格的燃气报警器，自然要起到报警作用，而声光报警则是一种既安全又明显的报警方式。在这里，本设计选择了一种比较简单的声光报警方

45、式，如图3.17所示。图3.15 声光报警电路fig 3.15 acousto-optic alarm circuit 本设计选择了2个报警灯，分别是黄色以及红色。当空气中没有较高浓度的co溢出到空气中时，即空气中的co含量未超过最低限制值时，两盏灯均不亮，表示空气环境正常，没有发生燃气泄漏；当发生燃气泄漏时，经过信号的采集与处理后，得到报警信号，此时黄灯与红灯交替闪亮，并且，单片机输出低电平，使三极管8550导通，从而激发蜂鸣器发声报警。4 软件设计4.1 软件设计总流程图开始程序初始化启动a/d转换，采集数据数字滤波判断是否超过报警值进入报警处理子程序数据处理yn图4.1 主程序设计流程图

46、fig 4.1 the main program design flow chart如图4.1所示，传感器检测到co气体浓度并以电压信号的形式传送到adc0809来进行a/d转换。adc0809将转换好的数字信号传送给单片机at89c51进行数字滤波与数据处理，然后将该数据与预定的报警值相比较，判断是否报警。最后，若需要进行报警，则进入报警子程序，启动报警器；若无需报警，则输出信号使adc0809初始化，重复上述工作，继续检测。4.2 数据处理4.2.1 传感器的非线性信号的处理在人们使用传感器时，希望传感器的输出量与其所测量的输入量能够呈现线性关系，但是，由于传感器的测量误差与内部因素等各种

47、干扰因素的存在，在整个测量范围内，传感器的输入-输出特性常常并不是严格的直线关系。本设计中是通过传感器与采集电路变换的而测得的电压信号，而为了能够更为真实的反应出co浓度值，我选用了分段插值法来反应co浓度与输出电压之间的关系。传感器电阻随co浓度的升高而减小，进而传感器电阻rs分压变小，rl负载上的输出电压变大。本设计选用的负载电阻大小为2.5k，分区间线性化对应直线的关系，用x表示气体浓度值，y表示输出电压值：开始确定某些区间对应的线性函数读取电压值y确定y所在电压区间把电压值y带入相应的区间函数，求出对应的浓度值与门值电压比较图4.2 数据处理流程图fig 4.2 the date pr

48、ocessing flow chart4.2.2 数据处理步骤 如图4.2所示，首先，根据传感器测得的电压信号，确定该电压所在区间，找到电压与气体浓度相对应的比例关系，然后读取电压值，并将该电压值代入到区间内的比例关系式中，计算得出相应的浓度值，与预定的门值进行比较，以此判断是否进行报警。国际标准要求75ppm时在60180分钟内报警，国内要求超过150ppm时报警，由于co气体对人体影响很大，而本设计主要为了实现及时报警与控制的目的，并且考虑到传感器的测量范围，决定在co浓度达到80ppm时进行报警，即门值电压设定为3.3608v。4.3 a/d转换控制设计流程开始启动a/d转换器产生中断，

49、读取数据判断一次a/d转换是否结束结束ny图4.3 a/d转换控制程序流程图fig 4.3 conversion control program flow chart of a/d如上图4.3，当模拟量送至adc0809输入通道in0以后，通过单片机控制，ale置1，地址被所存在地址锁存器中。start获得一个脉冲，上升沿时使寄存器复位，下降沿时启动a/d转换。此时，eoc输出低电平，表示adc0809正在转换。start与eoc均保持低电平，直至adc0809完成转换。然后进行一次a/d转换是否完成判断，若完成，eoc输出高电平，作为中断请求信号，通过反相器，传送到at89c51的int0端

50、。最后，由单片机使adc0809的oe端输入高电平，打开三态门，将转换好的数字量输出到数据总线上；若未完成，则在进行判断后继续进行a/d转换。4.4 光电隔离电路程序设计流程图开始读取气体浓度值是否大于报警值返回监控状态开启排气扇、关闭阀门yn图4.4 光电隔离电路程序设计流程图fig 4.4 photoelectric isolation circuit and flow chart of program design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700nm1000nm。光敏三极管接收光照以后便导通。而当该

51、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。由于该器件是通过电光电的转换来实现对输出设备进行控制的，彼此之间没有电器连接，因而起到隔离作用,电信号传输具有单向性特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。隔离电压与光电隔离的结构形式有关。双列直插式塑料封装形式的隔离电压一般为2500v左右；陶瓷封装形式的隔离电压一般为500010000v。不同型号的光电隔离器输入电流也不同，一般为10ma左右。其输出电流的大小将决定控制输出外设的能力一般为10ma左右。其输出电流的大小将决定控制输出外设的能力。4.5 报警电路的控制程序设计流程图报警电路的控制程序设计流程如

52、图4.5所示。图4.5 报警子程序流程图fig 4.5 alarm subroutine flow chart读取可燃气体的浓度值之后，与门值比较，判断其值是否大于预定的报警值。若超过，则启动报警装置；若没超过，则返回监控状态。总结社会在进步，知识不断的源至于生活，且不断的改变生活，当今社会煤气已经走进了人们的生活，人们开始使用煤气来方便自己的生活，但是煤气引发的煤气中毒事件日益增加，人们的生活在一定程度上得到了方便，但是生命财产安全也不应该忽视。这次毕业论文设计，让我学习到了很多，一方面提高了思考能力与自我的动手能力，培养了自己严谨认真、注重实践的科学态度，锻炼了自己从失败中总结教训，积累经验的科学心态。另一方面这次毕业论文设计让我发现了在做学习、工作中自己的许多不足，更深的认识到了知识的重要性，体会出只有不断的充实自己，不断的挑战自己，才能在今后的工作生活中获得更多的收获。作为保护人们日常使用燃气安全的报警设施，燃气报警器已然成为了大多数家庭不可缺少的家用报警装置。市场上的燃气报警器种类繁多，原理功能各式各样，可谓“争奇斗艳”。本设计采用了基于单片机的燃气报警设计方案，运用传感器技术、单片机技术、信号分析与处理技术等，实现燃气报警器自动采集、分析数据并在co气体浓度超标时自动关闭阀门、开启排风扇，同时触发声光报警的功能。本设计可以得到以下几个方面的结论：（