安全检测设计

可燃性气体检测系统的设计摘要随着可燃性气体种类和应用范围的增加，其使用场所和贮气仓库内的泄漏、火灾爆炸事故日益增多。从安全、环保及经济上考虑，研制一种检测可燃性气体自动报警和自动打开排器装置的一种控制器是非常必要的。本设计对可燃性气体泄漏报警、控制器进行了深入的研究，采用了“探测器+单片机控制电路”设计思路，具有检测误差小，反应速度快等优点。选用MQ2气体传感器对现场可燃性气体浓度进行检测，采用功能和性价比较高的STC89C52单片机作为中央处理单元，对浓度信号进行采集、数据处理、显示、报警及打开排气装置等工作。本设计的可燃性气体报警、控制器可以检测空气中以烷类气体为主的多种可燃性气体的浓度，实时显示浓度值，当达到预先设定的上限报警设定值时，发出声音报警和控制信号，以提示操作人员采取安全对策或自动控制相关安全装置。该报警器可以实时、准确检测可燃性气体，并且可以长时间可靠无误的报警，具有很广泛的应用前景和推广价值。关键词：报警器；可燃性气体；单片机；气体传感器目录1绪论 -6数据处理模块4.3电路仿真单片机煤气报警系统仿真图如图4-7所示，此为浓度检测正常状态；单片机煤气报警系统仿真图如图4-7所示，此为浓度超限报警状态；单片机煤气报警系统仿真图如图4-7所示，此为传感器显示当前的浓度。图4-7家用可燃性气体检测报警器仿真图系统仿真通过电压表的电压输入表示外部传感器输入的电压，并将其进行显示。单片机煤气报警系统仿真图1所示，仿真图中用0-5V的电压表显示当前输入的电压，并代替了传感器。因为传感器在pruteus里找不到MQ-2这个传感器，只能使用输入电压表示当前浓度的变化。仿真图2单片机煤气报警系统仿真图2所示，此模块使用LED数码管进行选择动态显示ACD0809采集的浓度信息。仿真图3单片机煤气报警系统仿真图3所示，此模块用于采集传感器的浓度。5系统调试5.1硬件的调试在单片机开发过程中，从硬件设计到软件设计都需要做到准确无误。可见调试的工作量比较大。调试部分是单片机系统设计中至关重要的部分。调试的成功与否直接关系到整个系统运行的可行性。单片机系统的硬件调试和软件调试是不能分开的，许多硬件错误是在软件调试中被发现和纠正的。但通常是先排除明显的硬件故障以后，再和软件结合起来调试以进一步排除故障。可见硬件的调试是基础，如果硬件调试不通过，软件设计则是无从做起。当硬件设计从布线到焊接安装完成之后，就开始进入硬件调试阶段，调试大体可以分为以下几步。5.1.1排除逻辑故障这类故障往往由于设计和加工制板过程中工艺性错误所造成的。主要包括错线、开路、短路。排除的方法是首先将加工的印制板认真对照原理图，看两者是否一致。应特别注意电源系统检查，以防止电源短路和极性错误，并重点检查系统总线（地址总线、数据总线和控制总线）是否存在相互之间短路或与其它信号线路短路。必要时利用数字万用表的短路测试功能，可以缩短排错时间。5.1.2排除元器件故障造成这类错误的原因有两个：一个是元器件买来时就已坏了；另一个是由于安装错误，造成器件烧坏。可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致。在保证安装无误后，用替换方法排除错误。5.1.3排除电源故障在通电前，一定要检查电源电压的幅值和极性，否则很容易造成集成块损坏。加电后检查各插件上引脚的电位，一般先检查VCC与GND之间电位，若在5V～4.8V之间属正常。若有高压，联机仿真器调试时，将会损坏仿真器等，有时会使应用系统中的集成块发热损坏。5.2联机仿真调试联机仿真必须借助仿真开发装置、示波器、万用表等工具。这些工具是单片机开发的最基本工具。信号线是联络单片机和外部器件的纽带，如果信号线连结错误或时序不对，那么都会造成对外围电路读写错误。52系列单片机的信号线大体分为读、写信号线、片选信号线、时钟信号线、外部程序存贮器读选通信号（PSEN）、地址锁存信号（ALE）、复位信号等几大类。这些信号大多属于脉冲信号，对于脉冲信号借助示波器（这里指通用示波器）用常规方法很难观测到，必须采取一定措施才能观测到。应该利用软件编程的方法来实现。例如对片选信号，运行相关小程序就可以检测出译码片选信号是否正常。执行程序后，就可以利用示波器观察芯片的片选信号引出脚（用示波器扫描时间为1μs／每格档），这时应看到周期为数微秒的负脉冲波形，若看不到则说明译码信号有错误。对于电平类信号，观测起来就比较容易。例如对复位信号观测就可以直接利用示波器，当按下复位键时，可以看到的复位引脚将变为高电平；一旦松开，电平将变低。总而言之，对于脉冲触发类的信号我们要用软件来配合，并要把程序编为死循环，再利用示波器观察；对于电平类触发信号，可以直接用示波器观察。显示器部分调试为了使调试顺利进行，首先将LED显示分离，这样就可以用静态方法先测试LED显示，分别用规定的电平加至控制数码管段和位显示的引脚，看数码管显示是否与理论上一致。不一致，一般为LED显示器接触不良所致，必须找出故障，排除后再检测电路工作是否正常。对应进行编程调试时，分为两个步骤：第一，对其进行初始化（即写入命令控制字，最好定义为输出方式）。第二，将LED结合起来，借助开发机，通过编制程序（最好采用“8”字循环程序）进行调试。若调试通过后，就可以编制应用程序了。5.3软件调试软件调试主要采用keil软件调试编译单片机程序。由于由于STC89C52可以擦写上千次，所以在这个调试过程中，并没有用仿真器来实践，而是直接将程序烧写进单片机来操作。将通过KEIL软件编译通过的单片机程序生成的“.hex”文件用烧录软件通过下载线烧写进单片机中。5.4软、硬件整体调试软、硬件联调是将已经调试通过的软件和硬件结合起来一起进行调试。这部分是单片机制作过程中最重要的调试部分。单一的软件或是硬件的调试通过了并不能验证总的方案的可行性。只有将整个系统的软件硬件相结合连接起来进行调试，也就是综合调试。如果调试成功了才能说明此系统的功能实现，系统设计已经成功。采用Keil软件和硬件电路板进行软硬件联合仿真，首先编译单片机程序，然后运行编译的程序，程序检查成功后，再把程序烧入硬件之中。对调试过程中出现的错误要仔细分析，然后不断更正错误，直至达到理想效果为止。在软硬件联调时，根据在程序中设定的阈值，将打火机打火放到气体传感器周围，这样气体传感器就可以采集到相应可燃气体浓度，当浓度超过预设阈值，蜂鸣器就会立即报警，同时吸合继电器。结论本次设计对可燃性气体报警控制器进行了深入的研究，在参考国内外一些资料的基础上，比较合理地选择了系统的设计方案，采用了“探测器+单片机控制电路”设计思路，由于具有操作简单，实用性强，价格便宜，安全性高等特点，所以非常适合贮气仓库，以及家庭等场所使用，具有很高的实用价值。本次设计的可燃性气体报警器由探测器与单片机控制电路两大部分构成。根据设计要求、使用环境、成本等因素，选用MQ-2气体传感器。该传感器是对以烷类气体为主的多种可燃性气体有良好敏感特性的广谱型半导体敏感器件。它的灵敏度适中，响应与恢复特性好，长期工作稳定性、重现性、抗环境气氛影响及抗温湿度影响等性能均优。该仪器采用了高性能STC89C52单片机作为核心电路，充分利用了STC89C52的高速数据处理能力和丰富的片内设置，实现了仪器的小型化和智能化，使仪表具有结构简单、性能稳定、成本低等优点。应用程序用C语言编写，充分利用芯片资源，提高了测量精度和代码执行效率，减小代码容量。对可燃性气体采用滤波、线性化处理等，不但最大限度地排除现场噪声干扰，降低可燃性气体报警器误报概率，而且易于在单片机中实现。此电路具有结构简单，调试方便，线性度好，温漂小等优点。本次设计也存在着一些需要完善的地方，譬如让检测进行网络连接，实行多点同时检测、如何更加智能化的进行报警工作，如何能更好的减少检测误差等问题值得去进一步的研究和探讨。本次设计的可燃性气体报警控制警器灵敏度高，在测量范围内具有较理想的特性，适用于低流速的可燃性气体测量。本课题的工作为便携式仪器的研制和实用化提供了较好的实现方案，为今后该领域的研究提供了很好的参考依据。致谢从课题的选择、理论研究、最终方案的确立到设计的撰写、定稿，都渗透着老师的心血，他兢兢业业的工作作风、科学严谨的治学态度和宽以待人、认真负责的优秀品质必将在今后的学习和工作中时时激励我、督促我。通过这次课程设计，我取得了很大的进步，这与老师在生活上、工作上和学习上给予我的关心和帮助是分不开的，在此我深表谢意。同时向给过我帮助的同学表示由衷地感谢。在此谨向他们表示衷心地感谢!参考文献[1]王元庆.新型传感器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2002:67-69.[2]王幸之等.AT89系列单片机原理与接口[M]．北京：北京航空航天大学，2004:104-106.[3]牛德芳.半导体传感器原理及应用[M].大连：大连理工大学出版社，1993:97-101.[4]厉玉鸣.化工仪表及自动化[M].北京：化学工业出版社，2006:144-147.[5]李永生，杨莉玲.半导体气敏元件的选择性研究[J].传感器技术.2002，(3):1-3.[6]李忠国，陈刚.单片机应用技能实训[M].北京：人民邮电出版社，2006:49-52.[7]阮维国.TGS813型半导体气敏传感器及其在燃气毒气检测中的应用电路[J].现代科学仪器.1998，(3):1-2[8]宋浩，田丰.单片机原理及应用[M].北京：清华大学出版社，2005:133-136.[9]张保卫，尚家封，赵金水.燃气报警器的分类与选择[J].山东消防，2003，(8):1-2[10]罗翼，张宏伟.PIC单片机应用系统开发典型实例[M].北京：中国电力出版社，2005:111-121.[11]郝魁红，王化祥，何永勃.TGS813气敏元件低温特性及其非线性分析[J].电子元件与材料.2004，23(3):1-3.[12]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1998:123-129.[13]堂贤远，刘歧山.传感器原理及应用[M].西安：电子科技大学出版社，2000.39-45.[14]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2001:65-70.[15]蔡可芬，庄牧林.燃气报警器质量分析评估[J].传感器技术.1999，18(4):2-2.[16]潘天红，赵德安，邹小波.气体传感器阵列中的信息融合[J].计算机测量与控制.2003，(10):1-3.[17]CaiKefen.NewProblemsofGasSensors[J].JournalofTransducerTechnology，1990，(6)：1-3.[18]STC89C52DateSheet.[EB/OL]./data/soft/mcu51/2420.html，2006.附录A：硬件电路总图

附录B:STC89C52数据手册功能特性描述STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 STC89C52具有以下标准功能；8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，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，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。VCC:电源GND:地P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。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）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。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）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。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）。P3口亦作为STC89C52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号RST:复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当STC89C52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，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。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏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。附录C：主要参考文献及摘要[1]王元庆.新型传感器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2002[摘要]：作为信息获取的重要手段之一，传感器是将电子系统无法处理的外界物理量或者化学量转换为电信号的主要器件[2]王幸之等.AT89系列单片机原理与接口[M]．北京：北京航空航天大学，2004[摘要]：STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。[3]李永生，杨莉玲.半导体气敏元件的选择性研究[J].传感器技术.2002，(3):1-3.[摘要]：可燃性气体传感器是一个气-电变换器，它的作用是把可燃性气体在空气中的含量(即浓度)变成电信号，进而由单片机采集信号、数据处理、浓度显示以便报警控制。传感器作为对可燃性气体的敏感元件，是各种类型(袖珍式、便携式、固定式)仪表的核心之一。因此，传感器的选型是非常重要的。[4]李忠国，陈刚.单片机应用技能实训[M].北京：人民邮电出版社，2006[摘要]：尽管单片机的功能越来越强，内部结构也越来越复杂，但是在一般的控制系统中使用单片机以后，控制系统的硬件结构却是越来越简单。[5]阮维国.TGS813型半导体气敏传感器及其在燃气毒气检测中的应用电路[J].现代科学仪器.1998，(3):1-2[摘要]：MQ-2的半导体气体传感器是由二氧化锡组成的半导体陶瓷式气体传感器。它使用在清洁空气中电导率低的二氧化锡作为气敏材料(在空气中约为104~105KΩ)。当存在检测对象气体时，传感器的电导率随空气中气体浓度增加而增加，使用简单的电路即可将电导率的变化，转化为与该气体浓度相对应的输出信号。与采用接触燃烧式的可燃性气体传感器相比，半导体陶瓷式传感器优点显著，不易出现催化剂中毒的现象。它特别适宜可燃性气体泄漏的早期发现和需要长期使用的、可靠性高的场所。[6]宋浩，田丰.单片机原理及应用[M].北京：清华大学出版社，2005[摘要]：单片微型计算机（简称单片机）是微型计算机的一个很重要的分支，自20世纪70年代问世以来，以其体积小、可靠性高、控制能力强、使用方便、性能价格比高、容易产品化等特点，在智能仪表、机电一体化、实时控制、分布式多机系统、家用电器等各个领域得到了广泛的应用，对各个行业的技术改造和产品的更新换代起着重要的推动作用。[7]张保卫，尚家封，赵金水.燃气报警器的分类与选择[J].山东消防，2003，(8):1-2[摘要]：我国在70年代初期开始研制可燃性气体报警控制器，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，又进行研究与开发，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。[8]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1998[摘要]：A/D转换的过程是首先对输入的模拟电压信号取样，取样结束后进入保持时间，在这段时间内将取样的电压量化为数字量，并按一定的编码形式给出转换结束。然后，再开始下一次的取样。[9]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2001[摘要]：传感器输出信号一般比较微弱，需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电平调整，满足单片机对输入信号的要求。[10]蔡可芬，庄牧林.燃气报警器质量分析评估[J].传感器技术.1999，18(4):2-2[摘要]：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》。在2004年10月国家颁布《可燃气体检测报警器规程JJG693-2004》。一部分不合规定的可燃性气体报警控制器将停止使用。附录D：程序清单主程序：#include<stdio.h>#include<reg52.h>#include<intrins.h>#include<system.h>ucharStatus_Flag;#defineset_timer TH1=0xb1;TL1=0xdf;ucharalarm_num;uintdis_buff[4];ucharkeytime=0;uinttemp1;uinttemp11;uinttemp21;sbitST=P3^0;sbitOE=P3^1;sbitEOC=P3^2;sbitCLK=P3^3;ucharAD_DATA[2];//保存IN0和IN1经AD转换后的数据ucharcodeled_7[21]={0x80,0xe5,0x0c,0x24,0x61,0x22,0x02,0xe4,0x00,0x60,0xff,// 有点 012 34 56789灭 0x90,0xf5,0x1c,0x34,0x71,0x32,0x12,0xf4,0x10,0x70};// 无点 012 34 56789unsignedcharcodetab[]={0x00,0x08,0x01,0x09,0x02,0x0a,0x03,0x0b,0x04,0x0c,0x05,0x06,0x07,0x0d,0x0e};ucharcodeditab[16]={0,1,1,2,3,3,4,4,5,6,6,7,8,8,9,9};uintalarm_data=30;ucharSetSelect=0;ucharalarm_flag=1;uchardataHaveKey=0;ucharchushi;uchardataNewKey[3]={0xff,0xff,0xff};ucharcodeKeyTable[16]={0x00,0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf};// 12 34 5sbitP3_3=P1^5;sbitP3_1=P1^4;#definedigit_1_onP3_1=0;#definedigit_1_offP3_1=1;#definedigit_2_onP3_3=0;#definedigit_2_offP3_3=1;uchartimer_20ms;ucharwork_flag;ucharseconds;uchartime_20ms;uchartime_20ms_1;ucharwork_flag_1=1;//开机检测标志ucharwork_lamp_flag;/*主程序*/voidmain(){ /*TMOD=0x01;TH0=0xDC;TL0=0xB0;EA=1;ET0=1;TR0=1; TR1=1; ES =1; ET1=1;*/ TMOD=0x12;//定时器0和定时器2初始设置TH0=0xDC;TL0=0xB0;EA=1;ET0=1;TR0=1;TR1=1;// ES =1; ET1=1;init();//AD模数转换器进行初始化while(1){ AD();//ad数据采集 if(alarm_flag==1) { if(alarm1==0) { alarm_num=1; // alarm_lamp1=0; BuzzerOn;//打开蜂鸣器 Alarmon; //打开报警灯 } /*if(alarm2==1) { alarm_lamp1=0; }*/ } if(alarm_flag==0) { alarm_lamp1=1; BuzzerOff; Alarmoff; BuzzerOff; Alarmoff; } if(alarm1==1) { alarm_num=0; work_flag=1;//报警状态消失后计时开始 } if(alarm2==0) { alarm_lamp1=0; } if(alarm2==1&&alarm3==1) { alarm_lamp1=1; } if(alarm3==0) { alarm_lamp1=0; } disbuffer();//将显示数据发送至缓冲区 display();//动态扫描 start();//上电初始化工作，黄灯闪烁 if(timer_20ms>=50) { seconds++; timer_20ms=0; } if(seconds>200)//当时间大于60秒时，关闭报警 { work_flag=0; BuzzerOff; Alarmoff; BuzzerOff; Alarmoff; seconds=0; } if(time_20ms<50&&work_flag_1==0)//绿灯闪烁 { work=1; } if(time_20ms>=50&&work_flag_1==0)////绿灯闪烁 { work=0; }}}//双变量延时/*voidDelay(unsignedx,unsignedy){inti,j;for(i=0;i<x;i++)for(j=0;j<y;j++);}*///*****************延时**************//voiddelay_ms(uchari){ ucharj; for(;i>0;i--) { for(j=0;j<=120;j++) {;} }}voidstart(void){ if(time_20ms_1<50) { alarm_lamp1=1; } if(time_20ms_1>50&&time_20ms_1<100) { alarm_lamp1=0; } if(time_20ms_1>100&&time_20ms_1<150) { alarm_lamp1=1; } if(time_20ms_1>150&&time_20ms_1<200) { alarm_lamp1=0; } if(time_20ms_1>150) { alarm_lamp1=1; time_20ms_1=0; work_lamp_flag++; } if(work_lamp_flag>=10) { work_flag_1=0; time_20ms_1=0; }}//*****************时间显