计算机控制系统课程设计

1、 课程设计名称： 计算机控制系统 题 目： 煤气浓度监测与报警系统 专 业：自动化班 级：自动09-7姓 名：张雷学 号：第 1 章 绪论 1.1课题研究的背景 随着科技的发展，越来越多的可燃性气体作为能源应用于工业生产和人们的日常生活中。气体燃料的应用和普及，伴之而来的是气体泄漏造成的中毒、爆炸、火灾等事故也时有发生。其中由于一氧化碳泄漏造成的中毒死亡事故尤为严重。众所周知，由于CO与血液中的血红素的结合能力是氧的240倍,因此,当它进入人体血液循环系统后,就会大量取代氧而与血红素结合,抑制血液中氧气的释放,从而导致发生头痛、耳鸣、呕吐、血压降低等不同程度的症状发生。如果CO中毒严重,轻者于

2、康复过程中可能会头昏眼花、丧失记忆或引起视觉及神经上的障碍,严重者会导致脑部受损甚至发生死亡。为了减少这类事故的发生，就必须对这些可燃性气体进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测仪表，严密监测环境中可燃性气体的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和家庭生活安全。因此，研究可燃性气体的检测方法与研制可燃性气体报警器就变得尤为关键。家用智能煤气报警器就是为了预防煤气泄漏的一种家用的自动报警器，也是一种高灵敏度的气体探测器，一般都是应用高灵敏度的气敏元件作气电转换元件，并配以电路和声光报警部分组成。当泄漏的气体达到危险极限值时报警器就会发生鸣响和声光报警。1.2 课

3、题研究的目的与意义可燃性气体通常指城市煤气、石油液化气、汽油蒸汽、酒精蒸汽、天然气以及煤矿瓦斯等。这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、苯类以及一氧化碳和氢气等易燃、易爆成分。贮存和使用这些气体的过程中，如违反操作规程和设备密封不好，都有可能发生可燃气体泄漏的现象，进而酿成火灾或爆炸事故，给国家和人民的生命财产造成损失。可燃性气体检测报警装置是能够检测环境中的可燃性气体浓度并具有报警功能的仪器。该报警装置是石油化学工业、有可能发生可燃性气体泄漏的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。可燃性气体报警器属于中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录第46项中规定的物理化学计量器具。建筑设计防火规范(G

4、BJ16-87)第10.3.2条明确规定:“散发可燃气体、可燃蒸汽的甲类厂房和场所，应设置可燃性气体浓度检测报警装置”。2003年12月，国家执行新的可燃性气体探测器标准(GB15322-2003)可燃气体探测器，2004年10月国家颁布可燃气体检测报警器规程JJG693-2004，研究新型、性能稳定、准确监测可燃性气体，并合乎国家相关规定的报警器具有极其重要的意义。目前我国已有许多城市铺设了煤气管道，使用人口约达二亿人，煤气发生基地及中转站也达几千家。如果这些家用燃气和煤气基地及中转站的报警率按10%计算，可燃性气体检测报警器的需求量就达2000万台以上。随着全社会对防火防爆及人身安全的重视

5、程度的提高，这个数字会继续增长。近十年来，农村的沼气使用也得到了极大的发展。到2006年底，全国沼气池数量已达近1300万座，这就为检测沼气（主要成分是甲烷）浓度的仪器提供了市场。可见，可燃性气体报警器具有十分广阔的市场前景。1.3 可燃性气体报警器的国内外现状及发展动态国外从20世纪30年代开始研究及开发气体传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高; 另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。据有关统计，美国1996年一2002年气体传感器年均增长率为27%30% 。随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得气体

6、检测仪器的体积也逐渐变小，提高了气体检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推广。1963年5月，日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，次年12月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体，可以安装在浴室或者采用集中监视。我国在70年代初期开始研制可燃性气体报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色。近年来，在气体选择性和产品稳定性上也有很大进步。燃气报警器可分为民用可燃气体报警器、工业用可燃性气体报

7、警器及有毒有害气体报警器三大系列产品。(1) 民用可燃气体报警器民用可燃气体报警器为居民家庭用的燃气报警器，一般安装在厨房，遇燃气泄漏时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。有的报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外; 有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。(2) 工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器工业用可燃气体报警器及有毒有害气体报警器只是检测探头有差异，而在原理和应用中都很相近。工业用燃气报警器及有毒气体报警器根据检测环境的不同，也可分为检漏仪、控制器和探测器。检漏仪的体积较小，可随身携带或手持，主要应用于燃气管理的查漏与巡检。若有燃气泄漏

8、，便携式可燃气体检漏仪便会发出声光报警，同时数字显示气体浓度，以便及时采取安全措施，防止爆炸等恶性事故的发生。控制器与探测器结合使用，可在防爆现场长期监测气体的浓度。探测器安装在防爆现场，控制器壁挂在值班室等有人值守的地方，二者采用屏蔽电缆线连接。当现场的探测器探测到燃气泄漏之后，通过屏蔽电缆线将信号传到控制器，控制器发出声光报警，同时启动排风装置或关闭电磁阀切断气源，以确保安全。此种仪器广泛应用于液化气站、汽车加油站、锅炉房等工业场所。目前，气体传感器的发展趋势集中表现为：一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标。如日本费

9、加罗公司推出了检测（0.110）×106硫化氢低功耗气体传感器，美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器，美国FirstAlert公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗CO气体传感器等。二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化；还有前已涉及的美国IST公司的具有微处理器的“MegaGas”传感器实现了智能化、多功能化。气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，国内已有一

10、定的基础。其现状是：（1）烧结型气敏元件仍是生产的主流，占总量90以上；接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力；电化学气体传感器有了试制产品；（2）在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构；在气敏材料方面SnO2和Fe2O3材料已用于批量生产气敏元件，新研究开发的Al2O3气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料；（3）低功耗气敏元件（如一氧化碳，甲烷等气敏元件）已从产品研究进入到测试了；（4）国内气敏元件传感器产量已超过“九五”初期的400万支。

11、产量超过20万支的主要厂家有5家，黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司（合资）、北京电子管厂（特种电器厂），其中前四家都超过100万支，据行业协会统计，1998年全国气敏元件总产量已超过600万支。总的看来，我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大的差距，主要是产品制造技术、产业化及应用等方面的差距，与日本比较仍要落后10年。1.4 系统设计基本内容 本设计是煤气智能报警系统的研制，主要针对CO气体，主要实现家庭煤气泄漏的检测与报警。煤气报警系统由硬件和软件两大部分组成。其中硬件部分包括气体传感器、A/D转换电路、看门狗芯片X5045、实时时钟

12、芯片DS12887、单片机、LED数码显示屏、声光报警单元、光电隔离继电器、电磁阀以及RS-232通信模块。软件部分主要是数据采集程序、判断显示程序以及报警程序。气体传感器将气体的成分以及浓度等信息转换成电信号，经过放大电路放大电信号，再进入A/D转换，得到CO浓度的数字量信号，然后经过单片机进行数据处理，得到最终的室内环境CO浓度值，将此数据通过数码管显示并保存，同时根据系统设定的限值参数判断环境浓度是否超标,如果超标，则单片机输出控制信号，通过继电器打开排气扇与关闭电磁阀以及驱动声光报警单元进行报警。为了提高实用性，系统还应该具备与上位机进行串口通信。 第 2章 设计指标 2.1应用范围：

13、工业生产和人民生活中的CO检测 检测对象：CO及他们的混合气体； 检测范围：CO：01000ppm 检测精度：CO优于20ppm； 报警浓度：125ppm300ppm 响应时间：30ms； 电池电压：+5V； 工作温度范围：-20+70； 工作湿度范围：1095%RH 第 3章 测量电路 测量及变换电路的作用是对敏感元件输出的电信号进行放大、变换和处理，并输出标准信号。通常包括放大、非线性补偿、信号转换（如 U/I ,A/D）、显示和标准信号输出等电路。测量原理及电路：MQ-2是一种体电阻控制型的气敏器件，其阻值随被测气体的浓度（成分）而变化。使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(

14、SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃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。气敏器件一般都是在加热条件下工作，但工作温度不宜太高（一般不要超过35），_否则会造成性能衰减，降低气敏灵敏度。器件放置一段时间后，再通电使用时，阻值是先下降，然后又上升，通电大约10分钟后（叫初期稳定时间），才能稳定到与气氛状态相应的阻值。为了避免通电开始时的误报动作，应特别注意要设置十几分钟的延迟电路。器件的响应时间约为10秒，恢复时间约为30秒60秒。使用气敏器件，要避免油浸或油垢污染，更不要将气敏器件长时间放在腐蚀气体中。长时

15、间使用时，要有防止灰尘堵塞不锈钢网的措施。 图1图1是气敏传感器的基本工作电路图，它是一个惠斯登电桥，当空气中某种可燃气体的浓度超过某值时，电桥电路失去平衡，有电压输出，起到检测作用。一般气敏器件很难消除环境温度的影响，通常在电路中加入热敏电阻进行温度补偿。MQ-2参数：洁净空气电压值输出Vo：2.5V响应时间Tx：10s恢复时间Th：30s分辨率s：5第4章 硬件电路设计 系统的硬件电路包括主机单元电路和功能模块电路。主机单元主要由STC89C52单片机 7805电源电路组成。功能模块由传感器、放大电路、A/D转换电路、 声光报警电路、光电隔离电路、串行通信电路,液晶显示屏以及排气扇与电磁阀

16、器件组成。4.1 主机单元电路 主机模块主要是由STC89C52单片机最小系统，它是系统的核心部分。系统由+5V电源提供，具有掉电数据存储功能。具体主机单元电路界线如下图所示：4.2 电源电路电源采用直流电源变压器输出12V的电压，其电源连接电路如图3.9所示，并由去耦电容、开关、7085稳压器及电源指示灯组成。直流12V再经过电容滤波，7805集成稳压器稳压成为稳定的+5V电源，用一个发光二极管指示灯指示电源状态。电路安全稳定可靠，测试电压为+5V，并且在12V和5V电路中引线排针，以供日后使用。图3.9 电源连接电路4.3功能模块部分该部分主要由传感器、放大电路、A/D转换电路、液晶显示屏

17、、声光报警电路、光电隔离电路、串行通信电路以及排气扇与电磁阀组成。传感器获得被测量对象(室内CO浓度)的原始信号，再进入A/D转换电路，得到被测量对象的数字信号，然后由STC89C52单片机进行数据处理，最终得到室内环境CO浓度值，将此数据送入数码管显示并保存，同时根据设定的限制参数判断环境浓度是否超标，若超标则立即输出控制信号驱动排气扇打开与电磁阀切断，进行报警提示同时与上位机进行串口通信。4.3.1 A/D转换电路 对于温度、压力、流量、p H 、重量、速度、位移、浓度等参数的检测或控制, 常需用传感器将被测参数转变成电量、并继而放大成0+5V的模拟量电压。在微机处理系统中, 需先将现场采

18、集的模拟量转变成对应的数字量才能输入微机处理。5 48/的特点5 48/是以 8位开关电容逐次逼近/转换器为基础而构造的/转换器 ,设计成能通过三态输出与微处理器或外围设备串行接口 。 图中： AIN为模拟输入端； SDO为数字输出； CS为片选端； SCLK为时钟信号； REF+接+5V电源； REF-接地。TCL548的工作过程：煤气传感器获得的模拟信号由AIN输入到转化器中，CPU将模拟信号经过一系列的处理后将之转化为可用于进行检测和控制的数字信号。4.3.2 液晶显示屏 液晶显示屏的作用是显示煤气的浓度，这里选用的是LCD1602液晶· 第1脚：VSS为地电源· 第

19、2脚：VDD接5V正电源· 第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度· 第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。· 第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。· 第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。· 第714

20、脚：D0D7为8位双向数据线。· 第1516脚：空脚4.3.3声光报警电路 作为煤气泄露测试装置，声光报警部分不可缺少，当检测到CO气体在空气中的所占的比例超标时，就应该通过声光方式发出警报，防止由于CO气体含量过高而发生的意外事故。 本设计中的报警设备是由一个蜂鸣器LS1和报警灯D2组成。当煤气浓度超标时，单片机输出电平使蜂鸣器响并且报警灯发光，原理图如下图所示：4.3.4 驱动排风扇 当系统检测到煤气浓度过高时，系统进行光电报警，与此同时驱动排风扇开始工作，使煤气浓度降低到正常水平。如下图所示，排风扇系统由电阻R2，二极管D1和三极管Q1和继电器RL1以及驱动电机组成第5章 软件

21、设计4.1.1 主程序ORG 0000HAJMP MAINORG 0003HLJMP RDORG 000BHLJMP TIM0ORG 0023HLJMP SOUTORG 0100HMAIN: MOV SP, #50HCLR P1.6CLR P1.5CLR P1.7MOV 29H, #00HMOV 28H, #00HMOV 21H, #00HMOV 22H, #64HMOV 23H, #0A0HSJMP KEYSETB IT0SETB EX0SETB ET0SETB ESSETB EAMOV TCON, #90HMOV TMOD, #21HMOV TL0, #A0HMOV TH0, #15HMO

22、V DPTR, #FE00HMOV A, #01HMOVX DPTR, ASETB TR0LCALL DISPLCALL CONTSJMP NEXTRET4.1.2 数据采集程序ORG 0000HLJMP STARTORG 0013HLJMP PINT0START: MOV R0, #50H MOV R2, #08H MOV DPTR, #0FEF8H SETB IT0 SETB EX0 SETB EA MOVX DPTR, APINT0: MOVC A DPTR 中断子程序 MOV R0, A NC DPTR INCR0 DJNE R2, NEXT CLR EX0 SJMP FIN0NEXT: MOVX DPTR, AFIN0: RETI END4.1.3 A/D转换程序 将读数依次放在片外数据存储器A0H-A7H单元。其主程序和中断