可燃气体泄露报警器)

1、 成绩评定： 传感器技术 课程设计 题 目 可燃气体泄漏报警器 目 录一、设计目的1二、设计任务与要求1 2.1设计任务1 2.1设计要求2三、设计步骤及原理分析2 3.1设计方法2 3.2设计原理及分析3 3.3设计步骤5四、课程设计小结与体会 7五、参考文献8一、设计目的系统以MQK气体传感器和AT89C51 单片机为核心, 设计气体泄漏报警器。实现：1准确测量周围环境中的可燃性气体、有毒有害气体的泄漏；2实现系统各个模块的功能控制；3实现单片机编程语言系统的控制及传感器电路的控制。4研究单片机各接口的作用及功能；5了解MQK气体传感器的具体功能；6实现对基本报警电路的控制。二、设计任务与

2、要求2.1设计任务设计是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，单片机控制电路进行报警，并通过外接排风扇进行程控，以防事故发生。基于AT89C51性价比高的优势，主要运用了AT89C51单片机进行控制。而对与报警器而言至关重要的部分是传感器，由于GS系列气敏元件采用半导体敏感材料，其灵敏度、选择性、稳定性、抗干扰性、响应时间及寿命等主要性能，均达到国内先进水平。用该系列元件组装成易燃易爆和有毒气体泄漏报警器及检测装置，可广泛运用于矿山、油田、化工、国防、医药及家庭，所以在设计中采用的是GS系列传感器。在模数转换这块，利用ADC0

3、809实现模数转换，ADC0809是8位逐次渐进型的A/D转换器，它采用COMS工艺20个引脚双列直插式封装，它有三态琐存器，直接驱动数据总线，与微机相连时不需要附加接口电路。为了方便用户了解浓度信息，好提前准备，还采用了显示环节。显示器显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小。可以提供单独锁存的I/O接口电路很多，这里运用了常用的74LS164 8位移位寄存器串并

4、转换电路。总的来说，设计主要利用了以上的检测模块，A/D转换模块，显示模块，事故处理模块，控制模块五大模块，组成了可燃气体探测报警器。2.2设计要求（1）系统要求设置正常工作状态,除正常工作状态外，电磁阀要求处于关闭状态,以切断煤气通道,防止煤气外泄。（2）在非正常工作状态下，当室内一氧化碳的浓度达到100ppm时系统应启动音乐报警，若2min报警无效，系统应启动排风扇进行通风排气。（3）系统进入正常工作状态后，先启动排风扇进行通风,然后启动电磁阀供给煤气。（4）系统进入正常工作状态，自45min后，每隔10min音乐响起一次，用来提醒用户在工作完毕后,停止供气。（5）在正常工作状态下，当系统

5、检测到一氧化碳的浓度达到300ppm时，应关闭电磁阀，切断煤气通道以防止意外事故的发生。三、设计步骤及原理分析3.1设计方法设计是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，单片机控制电路进行报警，并通过外接排风扇进行程控，以防事故发生。基于AT89C51性价比高的优势，主要运用了AT89C51单片机进行控制。而对与报警器而言至关重要的部分是传感器，由于GS系列气敏元件采用半导体敏感材料，其灵敏度、选择性、稳定性、抗干扰性、响应时间及寿命等主要性能，均达到国内先进水平.用该系列元件组装成易燃易爆和有毒气体泄漏报警器及检测装置，可广泛

6、运用于矿山、油田、化工、国防、医药及家庭，所以在设计中采用的是GS系列传感器。在模数转换这块，利用ADC0809实现模数转换，ADC0809是8位逐次渐进型的A/D转换器，它采用COMS工艺20个引脚双列直插式封装，它有三态琐存器，直接驱动数据总线，与微机相连时不需要附加接口电路。为了方便用户了解浓度信息，好提前准备，还采用了显示环节。显示器显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机

7、中CPU的开销小。可以提供单独锁存的I/O接口电路很多，这里运用了常用的74LS164 8位移位寄存器串并转换电路。总的来说，设计主要利用了以上的检测模块，A/D转换模块，显示模块，事故处理模块，控制模块五大模块，组成了可燃气体探测报警器。3.2设计原理及分析1. 系统的组成整个报警器由三个部分组成：浓度检测及显示模块。主控模块和报警及事故处理模块。系统的组成框图如图3-4所示。故障处理报警控制浓度显示AT89C51气体浓度检测工作状态设置图3-4 系统组成框图2. 系统各模块的功能（1）气体浓度检测模块系统采用三点单独检测的方法,可用来巡回检测三个不同的房间;也可用来巡回检测同一个房间的不同

8、方位.检测器件选用高温一氧化碳气体传感器(GS-A1),该传感器对一氧化碳具有很高的灵敏度,稳定性和抗湿性良好,加活性碳罩后,可防止乙醇等有机气体的干扰.检测结果经高精度运放器OP07放大后,送入ADC0809模P数转换芯片进行模)数转换,单个传感器检测电路图如图5。 （2）模数转换模块在本设计中，另一重要模块就是A/D模数转换模块。因为模拟信号不能直接送往单片机进行处理，必须进行A/D转换。模数转换的过程有四个阶段，即：采样，保持，量化和编码。本设计利用ADC0809实现模数转换。ADC0809是8位逐次渐进型的A/D转换器，它采用COMS工艺20个引脚双列直插式封装，它有三态琐存器，直接驱

9、动数据总线，与微机相连时不需要附加接口电路。3.显示电路由P0口输入的数据,在单片机内部进行标度变换后,从单片机的串行口输出进行显示.系统的工作状态和气体浓度,采用LED数码管显示,每30秒刷新一次.为了不再扩展IPO口,系统采用串行口的移位功能扩展为4位静态显示电路.第一位为系统工作状态显示,后三位为一氧化碳气体浓度显示.当第一位为“00”时,表示系统工作在三点巡回检测同一个房间状态;为“8”时表示系统工作在三点巡回检测同一个房间正常工作状态;为“1”、“2”、“3”时表示系统工作在单独检测状态,此时后三位显示的数据分别为第1号、第2号、第3号传感器所检测到的一氧化碳气体浓度。浓度显示单位为

10、5ppm.74LS164为串行输入,并行输出寄存器,当P2.0=1且AT89C51的TXD端有输出时,74LS164接收串行数据,更新显示;当P2.0=0时,显示的内容不变。电路图当有可燃性气体泄露时，传感器接触到可燃气，使其电导率上升，电阻下降，使VR1上升，当VR1高于V-时，比较器输出一个大于7 V的电压，从而使蜂鸣器HA发出滴、滴的报警声。4.报警与数据处理模块当气体浓度超过允许值时,该模块动作,发出警报信号并根据不同情况进行事故处理.P2.2端为音乐控制端,P2.3端为电磁阀启动控制端,P2.4为排风扇控制端,均为高电平有效.为防止市电对系统的干扰,P2.3和P2.4端都经过光电耦合

11、管对电磁阀和排风扇进行控制.系统各模块之间的接线图如图6所示.图5 单个传感器电路图5.系统主要器件的介绍（1）GS传感器介绍设计中所用到的气体传感器是GS系列传感器，下面具体介绍一下GS系列气体传感器：GS系列气敏元件采用半导体敏感材料，工艺独特为国内首创，其灵敏度、选择性、稳定性、抗干扰性、响应时间及寿命等主要性能，均达到国内先进水平.用该系列元件组装成易燃易爆和有毒气体泄漏报警器及检测装置，可广泛运用于矿山、油田、化工、国防、医药及家庭.GS系列传感器主要有以下特点：1）灵敏度高、功耗低，输出信号强.2）选择性好、对被检测的气体非常敏感，而对干扰气体则灵敏度很低3）稳定性、可靠性强4）具

12、有抗高温、抗高湿性能5）元件不含任何贵金属催化剂，具有抗中毒及抗饱和性能.但由于气体传感器是使用半导体材料来制作，不可避免的是有温度漂移问题，如何处理好气体传感器温度补偿问题是报警器设计的关键（图3-1、图 3-2）.以前的一般做法是把报警器的报警阀值电压作补偿，这样的电路会简单一些，但温度补偿的效果不太理想，主要是在低温环境里，气体传感器的表面温度降低导致气体传感器的性能变差，解决的方法是在低温环境里提高气体传感器的加热功率，使气体传感器的表面温度维持相对恒定，达到使气体传感器稳定工作的目的。3.3设计步骤本设计的主要功能实现在于程序的编写，流程图如图4-1： 图4-1 软件流程图如图所示，

13、整个报警器程序上分成中断取值转换、调零、报警、显示四大模块。1.主程序整个程序一共使用了两个中断,一个外部中断即INT0中断,一个定时/计数器中断即IT0中断.这两个中断各有其作用,INT0中断是用来判断A/D转换器ADC0809对模拟信号的转换是否完成,当A/D转换结束后,ADC0809发出结束EOC(高电平)信号,该信号可供单片机查询,也可反相后作为向单片机发出中断信号,而本设计正是用的这个方法,使得程序进入中断取值程序.而程序中所用到的IT0中断,是为产生一个周期为2S的方波而设计的,其作用是为看门狗产生喂狗子信号.具体程序如下： 2.调零子程序由于未知问题，可能造成送入单片机中显示的模

14、拟电压量与真实电压存在区别，这种误差可以通过在中断处理中对A/D转换的数值加上一个调整值来解决。这样，我们就能根据实际情况来对报警器输出的数值进行控制，使其记数更加精确，使用更方便。我们可以利用对端口的电平高低来判断是否需要进行调零处理,故可将按键开关接于端口P2.2.若开关按下,则说明有调零需要,于是进入调零处理程序;若开关没有按下,则说明没有调零需要,系统进入下一步.通过设置一个按键,既可保证程序顺利进行,又方便用户使用3.显示子程序因为通过A/D转换进入单片机8051的浓度值以十六进制存在，为了让LED显示需要转换为BCD码，4.报警子程序本设计采用了声光报警,当探测器探测的浓度超过报警

15、设定值时就会同时产生音乐报警和灯光报警,此时红灯亮启,喇叭发出音乐,而正常时,喇叭关闭,红灯关闭,而显示正常的绿色LED亮启,本设计为了安全起见,还设置了事故处理装置,即出现危险使,探测器除了报警外,还会使排气扇的阀门打开,对室内进行排气,以免产生气体爆炸或是中毒5.中断取值子程序从硬件电路图可以看出，A/D0809的INTR端通过反相器与单片机的外部中断INT0相连，由A/D0809的管脚功能可知，当A/D开始转换送入的模拟电压时，INTR端为低电平，转换完成后，INTR端变成高电平，通过反相器变成低电平使单片机89C51产生外部中断，进入中断处理程序：6.程序的调试程序输入完后就进入调试阶

16、段。调试时采用逐个调试的方法，即先调试其中每个子程序，确保无误后再对整个程序进行整体调试，直到程序顺利运行，达到设计目的。事实证明了调试过程是极其缓慢与艰苦的，在软件调试过程中，由于对中断操作的处理不当，使我很长时间一直停滞不前，通过对自己耐心极限的挑战，最终发现了问题，我相信这是对自己独立工作能力的一个很好的锻炼，一次难得的经历。四、课程设计小结与体会通过这次课程设计，使我对理论和实践之间的相互关系有了更清楚的认识，理论是实践的基础，扎实的理论知识是做好工作的前提条件。完成这个软硬结合的综合性设计，不仅使我巩固了三年来所学的专业知识，而且还学到了不少新的知识，特别是强化了自己充分利用图书馆资源，独立思考问题、解决问题的能力。通过这次设计，我深深地体会到搞技术是一件非常严谨的事情。从中我得到了不少宝贵的经验和教训，我相信这些会让我在今后的工作中取得更好的成绩打下坚实的基础。通过准备这次设计，我全面的复习了汇编语言和MCS-51单片机，用到了电