1、基于单片机的煤气检测报警系统毕业设计 届 别 2013届 学 号 毕业设计基于单片机的煤气检测报警系统 姓 名 系 别、 专 业 导 师 姓 名、职 称 完 成 时 间 摘要 如今人类生活里面煤气已成为人们生活中必不可少的能源了，在越来越多的人使用煤气的同时，煤气泄漏引起的事故发生的频率也越来越高，从而给人们的人身安全和财产安全带来了很多隐患，所以怎样防止煤气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要.当今社会上，出现了许多煤气报警器，而这些产品大都是针对煤气的泄漏所做出的相应的报警，即为家庭式煤气报警器。随着社会的发展，煤气报警器也在发展。微机控制技术、传感器在工业控制、机电一体化、智能仪表、通信、家用
2、电器等方面得到了广泛应用，显著提高了各种设备的技术水平和自动化程度。本课题设计的煤气报警采用了STC89C52单片机为报警器的核心部件，对煤气报警器进行控制。用单片机实现定时控制，电路简单、价格便宜、可靠性好。由一氧化碳气体传感器对煤气进行检测，将所得的浓度值与设定浓度值相比较得到偏差。通过对偏差信号的处理获得控制信号，去调节煤气出气阀的通断，八个单元的煤气浓度对应模拟量利用A/D转换为数字量，并加入了键盘输入，从而实现对家用煤气漏气的控制。整个系统的硬件电路设计合理，性能安全可靠。关键字：煤气报警器；单片机；传感器 Abstract Now human life inside the gas
3、 has become indispensable to peoples life energy, more and more people in the use of gas at the same time, the gas leakage accidents caused by the more and more high frequencies, bring a lot of troubles to peoples personal safety and property security, so how to prevent gas poisoning and explosion h
4、as become an urgent need people. Nowadays, there are many gas alarm, and these products are mostly made of the gas leakage of the corresponding alarm, it is family gas alarm.With the development of society, but also in the development of gas alarm.Microcomputer control technology, sensor has been wi
5、dely applied in industrial control, mechatronics, intelligent instrumentation, communications, household appliances, significantly improve the technological level of equipment and automation. This topic design of gas alarm adopts STC89C52 MCU as the core components of the alarm, control of the coal
6、gas alarm.To achieve timing control chip, the circuit is simple, cheap, good reliability.The gas is detected by a CO gas sensor, the resulting concentration and concentration values are obtained by comparing the deviation set.We get the control signal through processing the deviation signal, to regu
7、late the gas outlet valve, gas concentration corresponding to eight units of A/D analog conversion to digital quantity, and joined the keyboard input, so as to realize the control of the household gas leak.The systems hardware circuit design is reasonable, safe and reliable performance. Key words:Ga
8、s alarm; MCU; sensor1 绪论1.1 课题背景随着科技的发展，越来越多的巨大的隐患由于工业生产和人们的日常生活而产生。为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。保卫社会主义现代化建设，防止火灾引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至危及生命安全。为了减少这类事故的发生，就必须对煤气进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测仪表，严密监测环境中煤气的浓度，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，研究煤气的检测方法与研制煤气报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。 1.2 设计概述 可燃性气体通常指煤气
9、、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（甲烷）、烃类、烯类、醇类、苯类以及一氧化碳和氢气等成分，这些气体易燃、易爆、不易贮存，在使用这些气体的过程中，如违反操作规程或者设备密封不好，都有可能发生可燃气体泄漏事故，进而酿成火灾或爆炸事故，给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。使用可燃气检测报警器是对付燃气无形杀手的重要且非常有效的手段之一。当今社会计算机科学技术的普及和信息技术的迅猛发展，人们己不在满足于传统的居住环境，对家庭及住宅小区提出了更高的要求，智能化被引入人们的生活中，并迅速在世界各
10、地发展起来。人们对居住环境的要求日见增高，体现在希望住宅不仅更便利、更加舒适而且更安全。如今单片机的应用越来越广泛，煤气泄漏则是人们日常生活中常常需要测量和控制的一个问题。单片机有利于为现代人工作、科研、生活、提供更好的、更方便、更安全的设施。为了防止中毒事件再次发生，提出利用单片机系统进行有效的预防对策。所以怎样防止煤气中毒与可燃性气体爆炸已成为人们的迫切需要。为此我们开发研制了智能煤气报警系统。1.3 煤气检测报警器的国内外现状 国外从20世纪30年代开始研究及开发气体传感器，发展非常迅速，其一方面是因为人们安全意识越来越强，对环境安全性和生活舒适性的要求提高；另一方面是因为传感器市场增长
11、受到政府安全法规的保护和推动，因为发展智能的传感器，可以推动人们的生活水平的发展。据有关统计，美国1996年到2002年气体传感器年均增长率为27%至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，高集成，体积小，功能容易实现，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，又于次年12月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气（甲烷）、一氧化碳等气体，可以安装在浴室或者采用集中监视。我国于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
12、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，同时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。但是近年来，在气体选择性和产品稳定性上也有很大进步。1.4 煤气检测报警器的发展趋势面对人类社会经济与技术急速发展的时代，伴随这电子、计算机、通讯和现代控制技术的迅速发展，现代煤气自动报警应用技术发展趋势正在向着全总线制、软件编程、网络化、智能化、多样化、小型化、社区化、蓝牙技术无线化、高灵敏化、综合化等方面发展。针对当前煤气自动报警系统存在的通讯协议不一致，系统误报、漏报频繁，智能化程度低，网络化程度低、特殊恶劣环境的
13、煤气探测报警抗干扰等问题较为突出的现象，提出在符合国家消防规范的基础下采用统一、标准、开放的通讯协议。通过对新技术、新工艺、新材料和新设备的应用研究，对系统方案、设备选型的优化组合，改进煤气泄漏自动报警系统的工作性能、减少维护费用和维护要求，向着高可靠性、高灵敏性、低误报率、系统网络化、技术智能化方向发展，为更好的预防和遏制建筑火灾提供了强有力的保障，从而更好的保护国家和人民的生命、财产安全。1.5 研究内容 本设计针对经常发生的煤气泄漏中毒事件，采用煤气、甲烷及一氧化碳等气体传感器、单片机、电磁阀和电铃，设计一套有毒气体检测、报警电路，显示室内空气质量，用单片机模块分路控制继电器、发光二极管
14、和报警器。报警系统由硬件和软件两大部分组成。其中硬件部分由各报警感应器、感应器控制器、主控器等设备组成。软件部分主要是报警系统控制程序。CO气体传感器用来检测空气中煤气的浓度，当空气中煤气含量超过允许的标准浓度后，感应器所获得的感应信号均被感应器控制器所接收，再由感应器控制器对各感应信号进行相应识别和处理，并将处理后的感应信号转化为电信号，再通过串口送至主控器，由主控器对其采取相应的警报动作。报警信号加至报警声响电路的控制端后，报警声响电路被触发，发出报警声，同时关闭总气阀。本课题在硬件设计方面主要研究组成家用煤气泄漏报警控制系统的单片机芯片、CO气体传感器总线的使用方法，同时研究电路设计思路
15、、电路组成，包括控制芯片、气体传感器、单片机等的选用和设计。本设计主要研究并设计一个基于单片机的煤气报警系统，并实现对A/D数据的采集和声光的报警控制。控制系统主要是由STC89C52系列单片机、A/D数据采集电路、传感器电路、看门狗、复位电路、LED显示、声光报警电路等部分组成。单片机通过A/D转换8路传感器来所得到的信号，进行比较处理，并且能够存储各个通道的报警上限和报警时的数据储存，并且在安全值内，轮回显示当前通道的测量值和设定值，但是在安全值外，则产生声光报警，并且轮回显示报警通道的当前值和设定值。1.6 设计任务分析本篇论文是煤气报警器的研制：(1)对系统进行整体规划和结构设计。(2
16、)以STC89C52单片机为中央处理器，对硬件电路进行设计和改进，使其功能更加完善。系统硬件电路主要分为数据收集、声音报警电路、状态指示灯电路、数码管显示电路部分。 (3)系统的软件编制。按照软件实现的功能，主要分为主程序、初始化子程序、煤气浓度显示子程序、报警子程序、报警限值设置子程序、串口通信子程序。在程序的编写过程中，加入了详细的文字注释，便于后期的改进与维护。 (4)硬件电路和软件的综合调试。 2 总体方案设计 煤气报警器是能够检测环境中的煤气浓度，并具有报警功能的仪器。该报警系统的最基本组成部分应包括：信号采集模数转换电路、单片机控制电路、显示电路、声光报警电路等部分组成。从设计的要
17、求来分析该设计须包含如下结构：煤气检测部分、STC89C52单片机主控部分、报警部分，AD采集四大部分。电路总题框图如图1所示：图1 总体设计框图2.1 气体检测传感器的介绍 燃气报警器的核心是气体传感器，俗称“电子鼻”。这是一个独特的电阻，当“闻”到燃气时，传感器电阻随燃气浓度而变化，燃气达到一定浓度，电阻达到一定水平时，传感器就可以发出声光报警。什么叫声光报警？燃气泄漏使室内浓度达到报警器浓度后，报警器的红色指示灯亮，蜂鸣器发出“滴-滴-”的报警声，所以叫做声光报警。1.气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干
18、扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分。 气体传感器也是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被观察人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置。气体传感器一般被归为化学传感器的一类，尽管这种归类不一定科学。 “气体传感器”包括：热导式气体传感器、半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、红外线气体传感器等。 2. 气体传感器应满足的基本条件 一个气体传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个完整的气体传感器都必须具备以下条件：(1) 能选择性地检测某种单一气体，而对共存的其它气体不响应或低响应。(2) 对被测气体具
19、有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的气体浓度。(3) 制造成本低，使用与维护方便。(4) 长期工作稳定性好。并且使用寿命长。(5) 对检测信号响应速度快，并且重复性好。3.气体传感器的选定气体传感器是本系统检测的起点，也是系统的核心和重点，选择合适的传感器理所当然的成为决定这次设计系统成功的关键。一氧化碳气体传感器属于气敏传感器，通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等相关工作。传感器作为煤气泄露测试装置报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。本次设计采用MQ-9半导体气体传感器，MQ-9传感器是装有活性炭过滤器的传感器，从
20、而可以消除杂质气体的影响，对有机溶剂或其他挥发性气体的灵敏度低，而对氢气和一氧化碳的灵敏度高，所以非常适合用于检测人工煤制气。 图2 灵敏度特性 纵坐标以传感器电阻比（Rs/Ro）表示Rs，Ro的定义如下： Rs 不同浓度气体中的电阻值 ,Ro 1000ppm一氧化碳中的电阻值 基本测试回路： 此传感器需要施加 2 个电压：加热器电压（VH）和回路电压（VC）。这个加热器电压（VH）用于维持敏感素子处于与对象气体相适应的特定温度而施加在集成的加热器上。VC则是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的两端电压（VRL）。这种传感器具有极性，所以VC需用直流电源。只要能满足传感器的电性要求，回路
21、电压VC和VH可以共用同一个电源电路。为了将判定值水平最佳化，并使敏感素子的功耗（PS）低于15mW的限度值，需要选择RL的值。 MQ-9的管脚连接如图3所示： 1或3接传感器，4或6接传感器，2 和5接加热器 图3 MQ-9的管脚连接MQ-9传感器的工作原理是它的表面电阻 Rs ，是通过与其串联的负载电阻 RL 上的有效电压信VRL 输出而获得的。二者之间的关系为：Rs/R L = (Vc-V RL ) / V RLMQ- 9 型气敏元件的敏感层是用非常稳定的二氧化锡制成的。因此，它具有优秀的长 期稳定性，在正常使用条件下，其使用寿命可达 5 年，所以被广泛运用。2.2 单片机选型单片机是煤
22、气检测自动报警系统的心脏，用来接收煤气传感器信号并启动报警装置显示和执行相应的报警。在单片机实现的控制功能中，需要单片机有较快的运算速度，使检测人员和用户在报警器系统正常工作时能够及时地观测到实时的煤气浓度等级，并进行相应处理。同时，在能够满足报警器系统设计的计算速度及接口功能要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机家族的众多成员中，MCS系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能
23、价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。其中，51系列单片机的优点是价钱便宜,I/O口多,程序空间大。因此，测控系统中，使用51系列单片机是最理想的选择，因此设计采用STC89C52。2.2.1 STC89C52单片机简介 STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K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允许程序存储器在线可编程，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
24、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。这一模块以单片机为中心把程序代码烧进去然后外围接上复位电路、振荡电路、键盘控制、LED显示电路、报警电路等子模
25、块。2.2.2 单片机的引脚功能描述 下面对STC89C52各引脚的功能进行较为详细的介绍：1)电源引脚Vcc和Vss Vcc(40脚)：电源端为+5V Vss(20脚)：接地端。 2)时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL2(18脚)：接外部晶体和微调电容的一端。在单片机内部它是振荡电路反向放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时针电路时，该引脚输入外时钟脉冲。要检查89C52的振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。 XTAL1(19脚)：接外部晶体和微调电容的另一端。在片内，它是振荡电路反向放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚必
26、须接地。 3)控制信号脚 RST ALE PSEN 和EA。 RST(9脚)：RST是复位信号输入端，高电平有效。在此输入端保持两个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时，就可以完成复位操作。 ALE/PROG（30引脚）：地址锁存允许信号端。当STC89C52上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号。此频率为振荡器频率fosc的1/6，当CPU访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。在CPU访问片外数据存储时，每取值一次（一个机器周期）会丢失一个脉冲。平时不访问片外存储时，ALE端也以1/6的振荡频率固定输出正脉冲，因而ALE信号可以用作对外输出时钟或定时信号
27、。如果你想看一下STC89C52芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出，如有脉冲信号输出，则STC89C52基本上是好的。ALE的负载驱动能力为8个LS型TTL（低功耗高速TTL）。 PSEN（29脚）；程序存储允许输出信号引脚，在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。此引脚接ERROM的OE端。PSEN端有效，即允许读出ERROM/ROM中的指令码。CPU在从外部ERROM/ROM取指令期间，每个周期PSEN两次有效。不过，在访问片外RAM时，要少产生两次PSEN负脉冲信号。要检查一个STC89C52小系统上电后CPU能否正常到ERROM/ROM中
28、读取指令码，也可用于示波器看PSEN端有无脉冲输出。如有，说明基本上工作正常。 EA/VPP（31脚）：外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。当EA引脚接高电平时，CPU只访问片内ERROM/ROM并执行内部程序存储器中的指令。但在PC（程序计数器）的值超过OFFFH（对8751/8051为4k）时，将自动转向执行片外存储器的程序。当出入信号EA引脚接低电平（接地）时，CPU只访问外部ERROM/ROM并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。对于无芯片内的ROM的8031或8032，须外扩ERROM，此时必须将EA引脚接地。如果使用有片内ROM的AT89C52，外
29、扩ERROM也是可以的，但也要使EA接地。4)I/O（输入/输出端口，P0，P1，P2，P3）P0口：P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口。P1口：8位准双向I/O端口。P2口：即可以做地址总线输出地址高8位，也可以做普通I/O用，（此时为准双向口）。P3口：双功能口，即可以做普通I/O口用（此时为准向口，也可以按每位定义实现第二功能操作）。见表2。表2 P3口的第二功能表引脚第二功能P3.0RXD （串行输入口）P3.1TXD （串行输出口）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（定时器0外部中断）P3.5T1（定时器1外部中断）P3.6WR（外部存储
30、器写选通）P3.7RD（外部存储器读写通）3 系统的硬件电路 3.1 单片机最小系统 要使单片机工作起来最基本的电路构成为单片机最小系统如图4示。 图4 信号处理模块 单片机最小系统包括单片机、复位电路、时钟电路构成。STC89C52 单片机的工作电压范围：4V-5.5V,所以通常给单片机外界5V直流电源。连接方式为单片机中的40脚VCC接正极5V，而20脚VSS接电源地端。复位电路就是确定单片机的工作起始状态，完成单片机的启动过程。单片机接通电源时产生复位信号，完成单片机启动确定单片机起始工作状态。当单片机系统在运行中，受到外界环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执
31、行。一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路工作以后，在RESET端持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。本设计采用的是外部手动按键复位电路，需要接上上拉电阻来提高输出高电平的值。 时钟电路好比单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。时钟电路就是振荡电路，是向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行速度。XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出，该反向放大器可以配置为片内振荡器。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡
32、频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us。 3.2 单片机的时钟电路与复位电路设计 本系统采用STC系统列单片机，相比其他系列单片机具有很多优点。一般STC单片机资源比其他单片机要多，而且执行速度快；STC系列单片机使用串口对单片机进行烧写,下载程序较为方便；STC89C52单片机内部集成了看门狗电路；且具有很强抗干扰能力。本系统采用内部方式的时钟电路和加电自复位的复位电路，如下图5图6所示：图5 时钟电路 图6 复位电路由于单片机P0口内部不含上拉电阻，为高阻态，不能正常地输出高/低电平，因而该组I/O口在使用时必须外接上拉电阻。3.3 煤气检测AD采集电路 煤气检测采用MQ-9传感器。经过ADC0832采集后就可以得到各种烟雾浓度下的电压值。从而设定出理想的烟雾强度报警值。电路如图6所示
