家用煤气报警器的设计.doc

1、家用煤气报警器设计摘 要：随着经济和科学技术的迅速发展,人们对生活环境的改善和生活质量的提高越来越重视,液化气、煤气等可燃性气体进入家庭的使用为人们带来了很大的方便,也改善了周围城市的环境,但同时由于可燃性气体存在的安全问题也给人们带来了潜在的安全隐患。在无色无味或在浓度较小的气体环境下，很难被人所发现，所以在家庭安装可燃气体检测报警，是非常必要的。对避免和减少事故的发生具有重要的意义。本文介绍了一种基于单片机技术的燃气泄漏报警器。该报警器不仅能及时准确地检测出家用燃气的泄漏，并能发出声光报警。关键字：传感器 煤气报警 单片机 气体检测Design of the coal gas alarm

2、deviceAbstract ：As the economy and the rapid development of science and technology, people living environment to improve and enhance the quality of life more and more attention, liquefied petroleum gas, coal gas and other combustible gas enters the home use brings people great convenience, but also

3、improves the surrounding environment of the city, but at the same time as the combustible gas safety problems to bring potential safety hazards. The colorless and tasteless or in the concentration of the smaller gas environment, it is difficult to be found in the family, so installation of combustib

4、le gas detection and alarm, it is very necessary. To prevent and control accident has important significance. This paper introduces a kind of single chip technology based on gas leakage alarm. The alarm can not only timely and accurate detection of household fuel gas leakage, and can send out sound,

5、 light alarm. Key words：Sensor Single chip microcomputer Gas alarm Gas detection一 、研究背景在现代化科技迅速发展的今天，信息科学技术应用己渗透到人类生活、工作的各个领域，目前家用煤气，液化气、天然气等气体燃料，已广泛应用于家庭、餐馆等，与人们生活息息相关。随着气体燃料应用的普及，伴随而来的是气体泄漏所造成的中毒、爆炸、火灾等安全事故。其中由于一氧化碳泄漏造成安全问题的尤为严重。由于CO与血液中的血红素的结合能力很强,所以,当它进入人体血液循环系统后,就会有大量的CO与血液中的血红素相结合,抑制血液中氧气的释放,从

6、而导致头痛、呕吐、耳鸣等不同程度的中毒症状发生。如果CO中毒严重,轻者在康复过程中可能会出现头昏眼花、丧失记忆、引起视觉及神经上的障碍,严重者可能会导致脑部受损甚至死亡。由于一氧化碳是一种无色无味的气体，即使发生泄露也很难被人所发现。这就对设计安全可靠的煤气报警器提出了迫切的需求。 煤气检测要满足以下几个要求：1.准确可靠地判断泄漏的发生2.准确可靠地判断泄漏程度，能对较小量的泄漏做出判断。3.检测原理简单，便于操作和维护。为了安全可靠的使用燃气，预防一氧化碳泄漏，人们已经采用了各种各样的措施。家用智能煤气报警器就是一种为了预防气体中毒而开发的一种家用报警器，一般都是采用高灵敏度的气敏元件作为

7、气体浓度检测元件，并配以电路和声光报警等部分组成。当泄漏的有毒气体达到危险极值时报警器就会自动发出声光报警提醒人们注意。二、系统方案设计2.1方案选择本系统采用以单片机为核心的控制电路，通过传感器把模拟信号通过A/D信号转换器转换为数字信号，对采集到的数字信号进行调理并与设定值进行比较，当浓度低于危险值时，声光报警电路不工作，当浓度达到危险值时，声光报警电路开始工作，发出声光报警。2.2系统流程框图传感器信号调理AD转换单片机声光报警图2-12.3.单元模块介绍2.3.1传感器的选用为使煤气报警器能够顺利实现其功能，传感器的选择也非常重要，因为传感器是系统的重要组成部分之一，其检测性能的好坏会

8、影响整个系统的精确度与可靠性，也是体现煤气监测发展的重要标志。随着科学技术的发展，纳米、薄膜等新材料在传感器方面的应用，为气体传感器集成化和智能化提供了非常好的条件。气体传感器将在充分利用微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、传感技术、故障诊断技术、智能技术等多学科综合技术的基础上得到迅速的发展。可燃性气体的危险性主要看它的爆炸极限，爆炸下限数值越小，爆炸下限与上限之间的范围就越大，危险性就越高。同时很多的可燃气体都具有毒性。其中CO的气体毒性是对人体危害是最大的，表2-2明确显示了人体吸入CO多少后的的中毒程度及症状。空气中一氧化碳的浓度吸入时间和中毒症状200ppm2-3小时前头部

9、轻度头痛400ppm1-2前头痛恶心2.5-3后头痛800ppm45 分钟头晕眼花2小时精神失1600ppm20分钟头晕、头痛眼花2小时死亡3200ppm5-10分钟头晕、头痛、眼花30分钟死亡6400ppm1-2分钟头晕、头痛、眼花10-15分钟死亡12800ppm1-3分钟死亡表2-2 CO对人体的有害程度在设计中考虑到由于报警器是应用于家庭的特殊情况，在本设计中主要针对一氧化碳气体进行检测，因此选用了灵敏度高且价格便宜的MQ-7一氧化碳气体传感器。2.3.2 MQ-7半导体气体传感器一、尺寸大小：32mm X22mm X24mm 长*宽*高二、主要芯片：LM393电压比较器、MQ-7气体

10、传感器三、工作电压：DC 3-5V四、主要特点：1、具有信号输出指示；2、双路信号输出：1.模拟量输出；2.TTL电平输出；3、TTL输出有效信号为低电平，可直接与单片机相连； 4、模拟量输出为0+5V电压，浓度越高则电压越高；5、对一氧化碳气体具有很高的灵敏度和优良的选择性；6、使用寿命长且稳定性可靠；7、快速响应恢复特性；五、应用范围：主要应用于家庭的一氧化碳检测装置，适宜用于一氧化碳气体检测，探测一氧化碳浓度范围为10 to 1000ppm；MQ-7在标准测试环境下的灵敏度特性曲线图如图2-4所示：温度：20；相对湿度：65RH；氧气浓度：21；MQ-7的温度特性曲线图如图2-5所示：R

11、o：20，33RH；100ppm 一氧化碳中器件电阻；Rs：不同温度，湿度下100ppm一氧化碳中器件电阻； 图2-4 MQ-7灵敏度特性曲线图 图2-5 MQ-7的温度特性曲线图MQ-7规格参数如下表2-3 A.标准工作条件 表2-3符号参数名称技术条件备注Vc回路电压10VDCVH(H)加热电压（高）5.0V0.2VAC or DCVH(L)加热电压（低）1.5V0.1VAC or DCRL负载电阻可调RH加热电阻313室温TH(H)加热时间（高）601sTH(L)加热时间（低）901sPH加热功耗约350mwB.环境条件符号参数名称技术条件备注Tao使用温度-10 - +50Tas储存温

12、度-20 - +70建议使用范围RH相对湿度小于95RHO2氧气浓度21最小值大于2C灵敏度特性符号参数名称技术条件备注Rs敏感体电阻2-20K在100ppm CO中A浓度斜率小于0.6标准工作时间温度20 2；相对湿度655 Vc:5.0V0.1V VH预热时间不短于48小时MQ-7基本测试回路电路： 此传感器需要加 2 个电压：加热器电压（VH）和回路电压（VC）。这个VH是用于维持敏感素子处于与对象气体相适应的特定温度从而施加在集成上的加热器上。VC则是用来测定与传感器串联的负载电阻RL上两端电压的VRL。因为MQ-7型传感器具有极性，所以VC需要使用直流电源。只要电源可以满足传感器的电

13、性要求，则VC和VH就可以共用同一个电源电路。为了将判定值水平最优化，并使敏感素子的功耗低于15mW的限度值，则需要调节RL的阻值。 MQ-7的管脚连接方式如图2-6所示，1或3接传感器，4或6接传感器，2和5接加热器。 图2-6 检测回路 MQ-7传感器工作原理：传感器的表面电阻Rs，是通过与其相串联的负载电阻RL上的有效电压信号VRL的输出而获得的。两者的关系为RS/RL=(VC-VRL)/VRL。2.3.3 基于ADC0809的数据采集单元1ADC0809的介绍ADC0809是一种采用CMOS单片型逐次逼近式的AD转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型AD转换器

14、、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器以及其它一些外围电路组成。因此，ADC0809可处理8路模拟量的输入，并且具有三态输出能力，既可与各种微处理器连接，也可以单独工作。输入输出兼容TTL。它是一个具有8通道的模拟输入线(IN0IN7)，可在程序控制下对8个通道中任意一个通道进行A/D转换，从而获得8位二进制数字量(D0D7)。 模拟输入部分有8通道多路开关，可由3位地址输入ADDA、ADDB、ADDC的不同组合方式来选通8路模拟输入中的一路，ALE为地址输入锁存允许信号，高电平有效，锁存这三条地址的输入信号。主体部分采用CMOS单片型逐次逼近式的A/D转换电路，由CLK控制内部电路的工作,STAR

15、T为启动脉冲输入端，高电平有效，用以启动ADC0809的内部A/D转换，当转换完成后，输出信号EOC有效，OE为输出允许信号，高电平有效，当A/D转换结束时，此端将会输入一个高电平，打开输出三态缓冲器,输出转换完成的数字量。2引脚功能ADC0809芯片具有28条引脚，采用双列直插式封装方式， 图2-7 ADC0809引脚图引脚图如图2-7所示；下面说明各个引脚功能； IN0IN7：8路模拟量输入端； D0D7：8位数字量输出端；ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路；ALE：地址锁存选通信号，输入高电平有； START： AD转换启动信号，输入高电平有效；

16、EOC： AD转换结束信号，当AD转换结束时，此端输出一个高电平（其转换期间EOC一直为低电平）； OE：数据输出允许信号，输入高电平有效，当AD转换结束时，此端将输入一个高电平，用来打开输出三态门，输出数字量；CLK：时钟脉冲输入端；要求时钟频率不能超过640KHZ；REF（+）、REF（-）：基准电压输入端,决定了输入模拟电压的最大值和最小值。VCC：电源，接5V； GND：接地； 3主要特性 1. 8路8位AD转换器，即分辨率为8位2. 具有转换起停控制端3. 转换时间为100s4. 单个5V电源供电5. 模拟输入电压范围05V，不需要进行零点和满刻度校准6. 工作温度范围为-40857

17、. 低功耗，约为15mWADC0809的工作过程是：当模拟量送至某一输入通道IN后，CPU将标识该通道编码的三位地址信号,数据线或地址线输入到ADDC、ADDB、ADDA引脚上。然后输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。START上升沿将依次逼近寄存器复位。下降沿开始进行 AD转换，之后EOC的输出信号变低，指示转换正在进行,直到AD转换完成，；当EOC变为高电平，表示AD转换结束，结果数据已经存入锁存器中，这个信号可以作为中断申请信号。转换结束后,OE将输入高电平， 可通过执行IN指令，在OE脚上形成一个正脉冲，打开输出三态门，把转换结果的数字量输出到数据总线上。2.3.4单

18、片机的选择单片微型计算机简称为单片机，是典型的嵌入式微控制器。本设计中的采用的主芯片是STC89C52单片机。它是一种高性能、低功耗的CMOS8位微控制器，具有8K的在系统可编程Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统的可编程Flash，使得STC89C52为众多的嵌入式控制系统提供了灵活、有效的解决方案。STC89C52具有以下的标准功能：8k字节的Flash，512字节的RAM，32 位I/O口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外STC89C52还可降至0Hz静态逻辑操作，支

19、持2种软件可选择。 节电模式和空闲模式下，CPU将会停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断等继续工作。在掉电保护模式下，RAM里的的内容被将会被保存，振荡器被冻结，单片机停止一切工作，直到出现下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率为35MHZ，6T/12T可供选择。 芯片引脚如图2-8所示 VCC（40）: 电源；GND（20）: 接地； 图2-8 P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每个P0口都能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚被做为高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口将被作为低8位地址/数据复用。在这种状态下，P0口会具有内部

20、的上拉电阻。在进行flash编程时，P0口也会被用来接收指令字节；在程序校验时，需要连接外部上拉电阻，才能输出指令字节。 P1口：P1口是一个8位双向I/O 口，它具有一个内部上拉电阻。P1口输出缓冲器可以驱动4个TTL电平。对P1口写“1”时，端口会被内部上拉电阻拉高，此时P1口可以当做输入口来使用。作为输入口使用时，被外部拉低的引脚会由于P1口有内部上拉电阻的原因，将输出电流IIL。除此之外，P1.0和P1.2分别作为定时器和计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和触发输入（P1.1/T2EX），在flash编程和校验时，P1口会接收低8位地址字节。P2口：P2口也是一个具有内部上拉电阻

21、的8位双向I/O口，P2输出缓冲器可以驱动4个TTL逻辑电平。对P2口写“1”时，端口会被内部上拉电阻拉高，此时P2端口可以作为输入口来使用。作为输入口使用时，被外部拉低的引脚由于存在内部上拉电阻的原因，将输出电流IIL。访问外部程序存储器或者用16位地址读取外部数据存储器时（例如执行MOVX DPTR），P2口会给出高八位地址。在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口将输出P2锁存器内存储的内容。在flash编程和校验时，P2口也可以接收高8位地址字节和某些控制信号。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P3输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 口写“1”时

22、，内部上拉电阻会把端口拉高，此时可以当作输入口来使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流IIL。RST: 复位输入。晶振工作时，RST引脚在持续2个机器周期高电平后将会使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 引脚会输出96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使这个功能无效。DISRTO默认的状态下，复位高电平有效。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是在访问外部程序存储器时，用来锁存低8 位地址的输出脉冲的。在flash编程时，PROG引脚也用来作为编程输入脉冲。在一般情况下，ALE 是以晶振的六分之一固定频率输出脉冲

23、的，可作为外部定时器或者时钟使用。特别强调，在访问外部数据存储器时，ALE脉冲都将会被跳过。地址为8EH的SFR的第0位置 “1”，这一位置 “1”，ALE 仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE 将会被微弱拉高。这个ALE 使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置在微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN:外部程序存储器的选通信号引脚。当STC89C52在外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期内会被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号端。当在从0000H 到FFFFH的外部程序存储器中读取指令时，

24、EA应该接GND。当在执行内部程序指令时，EA必须接VCC。在flash编程过程中，EA接收12伏的VPP电压。XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。程序存储器：如果EA引脚接地的，则程序读取是只从外部存储器开始的。对于STC89C52，如果EA 接VCC，程序读写将先从内部存储器（地址为0000H1FFFH）开始，然后再进行从外部寻址，寻址地址为：2000HFFFFH。数据存储器：STC89C52 有个256 字节的片内数据存储器。高128 字节与具有特殊功能的寄存器重叠。也就是意味着高128字节与具有特殊功能的寄存器拥有相同的地址，而

25、在物理上是分开的。例如：当一条指令在访问高于7FH 的地址时，寻址方式将会决定CPU 会访问高128 字节的RAM 还是具有特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器。定时器2：定时器2是一个16位的定时/计数器，它不仅可以做定时器，也可以做事件计数器。其工作方式是由特殊寄存器T2CON中的C/T2位选择的。定时器2有三种工作模式：捕捉模式、自动重载和波特率发生器。工作模式由T2CON中的相关位进行选择。定时器2 有2 个8位寄存器：TH2和TL2。在定时工作方式中，每个机器周期，TL2 寄存器都会加1。由于一个机器周期由12 个晶振周期构成的，因此，计数频率就是晶振频率的1/12。中

26、断：STC89C52 有6个中断源如表2-9所示：两个外部中断（INT0 和INT1），三个定时中断（定时器0、1、2）和一个串行中断，每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器IE 中的相关中断允许控制位，从而使得中断源有效或者无效。IE还包括一个中断允许总控制位(EA)，它可以一次禁止所有中断。定时器2由寄存器T2CON中的EXF2和TF2的或逻辑触发。在程序进入中断服务后，这些标志位都可以由硬件清0。实际上，中断服务程序必须判定是否由TF2 或EXF2激活中断，标志位也必须用软件清0。符号位地址功能EAIE.7中断总允许控制位。EA=0,中断总禁止；EA=1，各中断由各自的控制位设定-IE

27、.6预留ET2IE.5定时器2中断允许控制位ESIE.4串行口中断允许控制位ET1IE.3定时器1中断允许控制位EX1IE.2外部中断1允许控制位ET0IE.1定时器0中断允许控制位EX0IE.0外部中断1允许控制位表2-9 中断控制寄存器2.3.5 复位电路及晶振电路本设计中的单片机最小系统采用按键手动复位方式，采用基本复位电路，电路图如图2-10所示。时钟信号采用外部时钟方式，晶振电路如图2-11所示。单片机工作时，从取指令，译码到进行微操作，都必须在时钟信号的控制下才能有序地进行，时钟电路就是为单片机工作提供基本时钟的。单片机的时钟信号通常有两种产生方式：内/外部时钟方式。在本设计中，采

28、用外部时钟方式，在单片机XTAL1和XTAL2引脚上连接一个晶振和两个稳频电容，可以与单片机片内的电路构成一个稳定的时钟信号自激振荡器。 图2-10单片机复位电路 图2-11单片机晶振电路2.3.6 声光报警模块作为煤气泄露检测装置，声光报警部分不可缺少，当检测到空气中CO的浓度所占比例超标时，就应该通过声光方式发出警报，提醒人们注意。防止由于CO气体含量超标而发生的意外事故。本设计中的声光报警部分包括蜂鸣器以及红、黄、绿三个LED报警指示灯。声光报警表现形式如下：(1)绿色灯点亮时表示传感器检测到CO气体，但没达到危险下限值，系统工作正常，此时红色和黄色灯熄灭，蜂鸣器不发声；(2)黄色灯点亮

29、时表示传感器检测到CO气体浓度超过下限值，但没有达到报警值，此时红色灯和绿色灯熄灭，蜂鸣器不发声；(3)红色灯点亮时表示被测得CO气体含量已经达到报警值，此时黄色和绿色灯熄灭，蜂鸣器发出报警，通知用户；由于单片机本身I/O口驱动能力有限，所以对蜂鸣器的驱动需要外加一个PNP三极管，这样能够使蜂鸣器的报警声音更加响亮，起到更好的警示作用。三极管基的极电路保证了只有在单片机输出低电平的情况下，蜂鸣器才会发声，避免 图2-12 声光报警模块出现错误报警。声光报警电路图如图2-12所示。 2.3.7系统整体电路三.系统程序设计3.1程序设计流程图开始系统初始化启动AD转换转换是否完成延时等待N单片机读

30、取数据Y函数转换判断浓度是否大于设定阀值LED 显示NY声光报警四结论本文综合运用了单片机技术、通信技术、传感器技术、信号分析及处理技术，使煤气泄露自动报警系统数字化、智能化、微型化。通过分析本文设计，得出如下结论:(l)在系统硬件设计中，以集成A/D转换等多种功能的STC89C52单片机为主要核心，用MQ-7传感器作为气体探测模块，使得硬件结构变得简单，实现了一氧化碳气体检测的数字化，为实现智能化奠定了良好的基础，进一步提高了煤气中一氧化碳气体检测的可靠性。(2)为了解决传感器的非线性问题，采用线性内插值的计算方法对传感器进行非线性校正，校正精度高，运行速度快，提高了报警的准确性。煤气泄露检

31、测是一项十分重要且有意义的工作，尽管本设计取得了一些成果，但在系统检测精度、系统的可靠性等方面，仍存在着一些不足，需要进一步的研究改进。(1)关于系统的检测精度问题，需要进一步改进。(2)关于报警器报警闭值的确定问题，需要研究一种新的闭值计算方法，以提高检测系统的可靠性。参考文献1潘新民编.微型计算机控制技术.电子工业出版社.2011.01.2刘迎春编.传感器原理设计及应用.哈尔滨工业大学出社.2004.02.3马斌编.单片机原理及应用.人民邮电出版社.2009.10.4王永山编.微型计算机原理与应用.西安电子科技大学出版社1999.12.5 王煜东编.传感器及应用.机械工业出版社.2003.11.6谢剑英编.微型计算机控制技术.国防工业出版社.2007.06.7肖忠祥编.数据采集原理.西北工业大学出版社.2003.04.8 刘靖编.单片