基于单片机的煤气泄漏及报警系统的设计

本科毕业论文(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：完毕日期：年月日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平常生活中。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，作为一种防止的手段，监测空气中煤气的浓度很有必要。所以运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达成一定值时报警的系统。关键词：煤气浓度检测传感器单片机目录20927前言 173951系统设计的背景和目的 2325771.1系统设计背景 2168851.2系统设计目的 2237782系统结构组成和原理 2168172.1系统结构 257392.2系统原理 3253363相关器件以及技术的介绍 3247243.1单片机介绍 3240953.2气敏传感器介绍 4184603.3A/D转换 4109403.4煤气中毒 5317404系统硬件设计 5113234.1单片机工作条件 5103154.2信号采集和放大电路 5158404.3数码管显示电路 639064.4A/D转换电路 757384.5声音报警电路 7148415系统软件设计 7115686系统调试与实现 8609参考文献 12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%，假如管道漏气、开关不紧煤气大量溢出，可导致中毒，严重者甚至引起起火爆炸。2023年3月17日，长春市南湖新村中街发生燃气泄漏事故，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。2023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。2023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。本次，导致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，室内气体的浓度达成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。1系统设计的背景和目的1.1系统设计背景在20世纪的重要成就中，就有集成电路和电子计算机的发展。在20世纪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，特别是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解决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，尚有记忆、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系统设计目的随着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，对的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。通过调查发现，一氧化碳报警器可以有效地减少事故的发生率。而计算机的普及使人们对生活的规定变得更高，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）结构电路相对简朴，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。本设计使用MCS-51单片机可以达成题目的设计规定，可以准确采样煤气浓度。并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。重要涉及：气体检测及放大整形电路、声光报警电路、数码管显示、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，单片机对信号进行解决送入显示电路，实时显示煤气浓度，当煤气浓度超过限定值，实现声光报警。r传感器传感器放大器串口A/D晶振8051显示声响其他图1基于单片机的实现监控系统的工作原理是运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，数据解决后送入显示电路显示煤气浓度信息。当煤气浓度达成限定值，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、定期器/计数器以及输入/输出（I/O）接口电路等计算机的重要部件集成在一块集成电路芯片上。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2AT89C513.2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也许。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。3.3A/D转换信号是反映消息的物理量，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解决，所以必须进行A/D转换.3.4煤气中毒煤气中具有一氧化碳，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，通过肺泡的气体互换，进入血液中形成碳氧血红蛋白，并散布全身，导致中毒。空气中一氧化碳浓度达成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3所示：图3单片机工作条件接线图4.2信号采集和放大电路传感器输出来的信号Vi通过运算放大器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：图4信号采集和放大电路4.3数码管显示电路报警器的浓度显示采用数码管，LED数码管由于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朴一点，但是占用的I/O口较多，合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，电路简朴单编程较复杂，CPU要定期扫描刷新显示。合用于显示位数较多的地方。本系统采用动态显示，共阴型8位动态显示电路如图5：图5共阴型8位动态显示电路4.4A/D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，它结构简朴，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：图6A/D转换电路4.5声音报警电路声音报警电路如下图所示，当煤气的浓度达成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：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，涉及系统主程序和中断服务子程序、误差自动校准子程序等。主程序流程图如下开始开始A/D转换数据解决程序初始化是否超过报警值浓度显示报警锁定，等待复位图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:JNBGSET,S1S1：LCALL,DELAYJBGSET,A1INCSETGMOVA,SETGCJNEA,#10，J0MOVSETG,#0INCSETSMOVA,SETSCJNEA,#10，J1MOVSETS,#0LJMPK2J0：JBGSET,GOLCALLDISPLAYSJMPJ0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:MOVA,SETGCLRP2.0MOVCA,@A+DPTRMOVP0，ALCALLDELAYSETBP2.0以上是对个位的赋值控制，对十位，百位的控制方法同样。系统主程序：#include<reg51.h>#include<intrins.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharsbitadrd=P3^7;//IO口定义sbitadwr=P3^6;sbitcsad=P3^5;sbitwei_g=P2^0;sbitwei_s=P2^1;sbitbjq=P1^3;unsignedcharj,k,adval;voiddelay(unsignedchari) //延时程序{for(j=I;j>0;j--)for(k=125;k>0;k--);}uchartable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};voiddisplay(ucharsh_c,ucharg_c) //显示程序{wei_g=1;wei_s=0;P0=table[g_c];delay(5);wei_g=0;wei_s=1;P0=table[sh_c];delay(5);}voidmain() // 主程序{uchara,A1,A2;while(1){csad=0;//选通ADCSadwr=0; _nop_();adwr=1;csad=1;//关闭ADCSdelay(10);for(a=20;a>0;a--){display(A1,A2);} //送去显示各位。P1=0xff;//读取P1口之前先给其写全1csad=0;//选通ADCSadrd=0;//AD读使能adval=P1; //AD数据读取赋给P1口adrd=1;csad=1;//关闭ADCSadwr=0;adval=adval/0.25;//数据解决if(adval>51)//判断报警浓度大于20%报警{delay(20);if(adval>51)bjq=1;while(1);//报警控制,等待复位}A1=adval/10; //分出十，和个位A2=adval%10;};}当煤气浓度达成单片机内程序所设立的限定值（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。本系统设计电路简朴，稳定性高，容易实现，成本低廉。本系统重要的功能：（1）对空气中煤气浓度的检测;(2)煤气浓度达成一定值时报警。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，2023.10.[2]李晓莹.传感器与测试技术[M].高等教育出版社，2023.1.[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，2023.5.[4]阎石.数字电子技术基础[M].第五版.高等教育出版社，2023.5.[5]膝杰.住宅社区防火、防灾单片机自动监测系统[J].太原城市职业技术学院学报,2023(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,2002,137(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].2023,26(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,2023.[9]Paulf.Lister.Single-chipmicrocomputers[M].McGraw-Hill,2023[10]PaulMuller.CMOSmultichannelsingle-chipreceiversformulti-g