煤气浓度监测与报警系统(共23页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上 煤气浓度监测与报警系统 学号： 姓名： 日期：2013.12.03专心-专注-专业 目录第5章 仿真结果.13 5.1 仿真测试.13 5.1.1 A/D转换模块仿真.13 5.1.2 显示模块测试.14 5.1.3 煤气报警系统仿真.15结论.16参考文献.17附录A：硬件电路总图.18附录B：程序清单.19第1章 绪论1.1 选题的背景与意义1.1.1 课题研究的背景21世纪科学技术获得了飞速的发展，在其推动下，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。然而，随着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，直接威胁

2、着人民的生命和财产安全。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。而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，能够准确无误的检测出有没有发生气体泄漏情况。当在空气中含有可燃、危险气体之时报警器会发出声光报警、并及时切断气源,同时还可启动排气扇将有毒气体排出室外。1.1.2 课题研究的目的与意义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

3、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。但是，一般的煤气报警器功能单一，或是必须手动复位阀门系统，性能稳定性低；而大型的监控系统又价格不菲，需要专门的技术人员来管理，不适合于中小企业和家庭。所以，为了防止中毒事件的再次发生，提出了利用单片机系统进行有效地预防对策。单片机能应用在很多领域，利用它完成的报警系统有很多。使用单片机构成的计算机系统能够实现准确的采样煤气浓度，能够达到题目的设计要求。1.1.3 国内外研究的现状及发展国外煤气报警器发展很快，一方面是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是由于煤气报警器市场增长受到政府安全法规的推动。我

4、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。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，更加利于生产、运输及市场推广。近年来，在气体选择性和产品稳定性上也有很大进步。 第2章 系统总体设计 2.1 方案的选择2.1.1方案一方案一：采用EDA技术和单片机技术,系统所有功能的实现均有FPGA来实现，采用VHDL语

5、言的自顶向下方式设计。FPGA与单片机相比，一个非常明显的优势就在于它的高速性，这种方式结合了两者的优点，在按键较少的情况下采用独立式按键，由单片机控制，其消抖性能好，且能准确输出逻辑电平送给FPGA，从而确保系统稳定工作。2.1.2 方案二方案二：采用单片机软件控制技术,利用MCS-51内部的定时/计数器进行中断定时，配合软件对煤气进行实时监控；从而实现其各项功能。比较上述几种方案，方案一虽然电路结构简单、工作可靠、成本低和易于实现,但该系统功能单一,软件控制方案一整个系统设计起来需要很多时间且系统硬件资源昂贵，需要全方位地利用计算机自动设计、仿真和测试技术及编写硬件语言；方案二此系统硬件资

6、源简洁、价格低廉，系统能将复杂的硬件功能全部采用软件实现，因此系统控制灵活，能很好地满足本课题的基本要求及其扩展要求；且能够使人在定时/计数器的使用、中断及程序设计方面得到锻炼与提高，故本次设计采用方案二。2.2 系统总体设计2.2.1系统的基本功能本系统是针对家庭监控的实际要求完成的，实现功能如下：1）、实现对煤气泄漏的实时监测。2）、具有超限声光报警功能。3）、根据报警状态自动关闭煤气管道电磁阀并开启排气装置。4）、故障排除后可自动煤气管道电磁阀进行供气。2.2.2系统电路设计该电路以AT89S52单片机为核心，其工作原理是：当检测到可燃气体的浓度增大时, 气敏传感器将煤气的浓度值转换成对

7、应的电压信号，再经过信号放大整形、滤波后，送入A/D转换器模拟输入引脚转换成相应的数字量，然后单片机再根据用户自己设定的报警浓度值进行比较,当浓度超过系统设定值的时候,单片机的P1.0端口便输出一个高电平,使得三极管导通,驱动蜂鸣器报警同时点亮发光二极管,此时,P1.1端口也输出一个高电平驱动三极管导通,使得固态继电器SSR闭合,从而启动执行电路, 即接通排气扇排掉可燃气体和关闭煤气通路。随着周围环境中煤气浓度的下降，气敏传感器的极间电阻将逐步增大，检测信号逐渐变小,不能驱动后级电路而使其工作，此时单片机P0口输出低电平，固态继电器SSR断开，停止声音报警电路、关闭排气扇并打开煤气通路，系统又

8、进行下一轮的实时监控。复位电路时钟电路电源气敏传感器放大整形电路A/D转换AT89S52单片机执行电路报警电路 图2-1系统的总体结构框图 第3章 硬件设计3.1 硬件选型3.1.1气敏传感器的选择CO传感器用于探测空气中一氧化碳的浓度，它通过一个低通滤波器滤去干扰的部分，在通过放大器送入模数转换器进行模数转化。这个时候给一氧化碳的浓度设置一个阀值400ppm，当浓度低于这个值的时候模数转化器向单片机发出的请求不会产生报警，当超过这个值的时候，向单片机发出的中断请求将会产生报警信号。Motorola一氧化碳(CO)传感器MGS1100是一种新型的专门设计定位于家庭用途的CO气体检测器。其结构特

9、点是采用微电子工艺，在微型硅桥结构中嵌入的加热器上制作一层SnO2薄膜对CO气体在很宽的温度范围内都具有敏感性，且由于珪膜减少了热传导的热损失，从而大大降低了功耗。3.1.2单片机的选择本设计采用AT89S52单片机实现， AT89S52是一种低功耗、高性能的片内4 kB快闪可编程/擦除只读存储器CMOS微控制器，与MCS-51微控制器产品系列兼容，使用高密度、非易失存储技术制造。该单片机内部资源丰富功能强大，集成了内部看门狗、双数据指针、在系统编程（串行下载目标程序）等功能，软硬件调试方便，对于毕业设计时间紧、任务多的开发来说是极为有利的。另外，其本身较大的存储器使得本系统不需要扩展即能满足

10、设计要求。AT89S52具有如下特点：40个引脚，芯片封装：DIP，8k Bytes片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，片内时钟振荡器。AT89S52单片机引脚图如3-1所示：12345678910111214151661719204039383736353433323130292827262524232221(T2)P1.1(T2)P1.0P1.2P1.3P1.4(MOSI)P1.5(MISO)P1.6(SCK)P1.7RST(RXD)P3.0

11、(TXD)P3.1(INTO)P3.2(INT1)P3.3(T0)P3.4(T1)P3.5(WR)P3.6(RD)P3.7XTAL2XTAL1GNDVCCP0.0(AD0)P0.1(AD1)P0.2(AD2)P0.3(AD3)P0.4(AD4)P0.5(AD5)P0.6(AD6)P0.7(AD7)EA/VPPALE/PROGPSENP2.7(A15)P2.6(A14)P2.5(A13)P2.4(A12)P2.3(A11)P2.2(A10)P2.1(A9)P2.0(A8) 图3-1 AT89S52的引脚图3.2硬件电路设计3.2.1复位电路的设计（1）电路原理图 图3-2 复位电路原理图（2）复

12、位电路作用：a.完成单片机的的作用初始化,即把系统的PC值初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。b.当系统由于程序运行出错或操作失误使系统处于死锁状态时，可以通过复位操作重新启动单片机。3.2.2信号采集放大器的设计由于气体传感器采集的电信号一般很小，而且存在共模成分，需要经过放大器放大，之后方可进行A/D转换。气体传感器输出的信号幅度很小，存在着不同程度的电磁干扰，因此在本设计中，放大器采用仪表放大器AD623，对来自传感器的信号经行精度放大，同时抑制共模成分提高信号质量。AD623的主要特点是：使用一只外接电阻设置增益G，计算公式为G=1+100k/R,其中G可达100

13、0，从而给用户带来了极大的方便。其输入共模范围很宽，允许比地电压低150mV的共模电压。单电源供电（+3.0+12V）能达到最佳性能。但双电源供电（+2.5+6.0）也能够提供优良的性能：低功耗、宽电源范围和电源限输出特性非常合适电池供电的应用场所；可取代分立器件构成的仪表放大器，具有线性度优良、温度稳定性高和体积小、可靠性高等优点。3.2.3运放电路及A/D转换电路从一氧化碳传感器输出信号为差分信号，该模拟信号需要经过运放后送入A/D转换器。本系统中运放采用了AD623仪用放大器实现，运放后信号送入A/D转换器。如图3-3中AIN0-AIN10为模拟输入端；/CS为片选端；DIN为串行数据输

14、入端；DOUT为A/D转换结果的三态串行输出端；EOC为转换结束端；CLK为I/O时钟；REF+为正基准电压端；REF-为负基准电压端；VCC为电源；GND为地。AIN0AIN1AIN2AIN3AIN4AIN5AIN6AIN7AIN8GNDVccEOCCLKDINDOUTCSREF+REF-AIN10AIN91234567891020191817161514131211 图3-3 TLC2543引脚图3.2.4执行控制电路的设计(1) 电路工作原理输入信号从单片机的P1.1口接入，当输入为低电平“0”时，三极管Q1截止，SSR1、SSR2的输入端无输入开启电压，各自的输出端断开，系统不工作；当

15、输入为高电平“1”时，三极管Q1导通，SSR1、SSR2、的输入端有输入开启电压，各自的输出端接通，即打开排气扇以及关闭煤气通路，本系统的设计达到了由一个输入端口控制多个输出端“通”、“断”的目的。此外，该电路还有保险丝保护电路，以避免通路时通过的电流过大而烧坏器件。 （2）电路原理图图3-4 执行电路原理图3.2.5声光报警电路的设计(1) 电路原理图图3-5报警电路原理图(2) 电路工作原理当系统检测到煤气泄露时，单片机的P1.0端口便输出一个低电平,使得三极管导通,驱动蜂鸣器报警同时点亮发光二极管。改变高电平与低电平出现的频率，即可以让蜂鸣器发出音乐以及让发光二极管闪烁，设计更增加报警的

16、警觉效果。 第4章 软件设计4.1 系统流程4.1.1系统总流程图主程序说明：程序的一开始首先设定堆栈的栈底地址，然后将RAM内部清零，单片机初始化，即系统进行复位。由于气体传感器一直不停的扫描气体浓度，A/D转换器进行模数转换，经判断是否超过界限，若没有则程序进行循环，一旦超过界限，将产生中断，在中断服务子程序中，P1.0口变为高电平，即接通报警设备电路，同时关闭煤气管道，打开排风扇。然后进入延时子程序， 系统继续采集煤气浓度，等浓度达到允许范围时P2.0口变为高电平，即断开报警设备电路，同时打来煤气管道，关闭排风扇，返回主程序。程序流程图如下图4-1所示开始系统初始化A/D转换是否超限声光

17、报警关闭煤气并启动排气扇延时是否超限打开煤气管阀门关闭排气扇声光报警YYNN返回 图4-1 主系统流程图4.1.2 A/D转换子程序流程图入口初始化启动A/D转换延时报警/控制子程序A/D转换是否完成NY返回 图4-2 A/D转换子程序流程图 第五章 仿真结果5.1仿真测试此次仿真的目的是验证各个模块的控制程序的正确与否，同时判断电路连接的正确性。5.1.1 A/D转换模块仿真 图5-1 A/D转换模块测试仿真图A/D转换模块测试仿真图如图5-1所示。传感器在电压下产生一个电压信号送给ACD0809，电压信号经过模数转换以后，送给了单片机。5.1.2 显示模块测试 图5-2 显示模块测试仿真图

18、显示模块测试仿真图如图5-2 所示。该模块测试主要是用来验证软件程序正确与否，由图中显示的数据来看，程序是正确的。同时验证了AT89S52,ACD0809的软件编译程序也是正确的，它们都能控制相关的硬件正常工作。5.1.3 煤气报警系统仿真 图5-3 单片机煤气报警系统仿真图 单片机煤气报警系统仿真图如图5-3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。使用LED数码管进行选择动态显示ACD0809采集的浓度信息。 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，

19、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AT89S52单片机作为核心电路，充分利用了AT89S52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。对可燃

20、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。 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

21、，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):1-28宋浩，田丰.单片机原理及应用M.北京：

22、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):1-210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.

23、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. 附录A：硬件电路总图 附录B：程序清单ORG 0000HLJMP MAINORG 0003HLJMP ALARMOMAIN: MOV SP,#40H ；设置堆栈的入口地址 MOV A,30H CJNE A,#0AAH,NRAM MOV A,31H CJNE A,#55H,NRAMNRANM: MOV R0,#7FH NRAM1: MOV R0,#00H CJNZ R0,NRAM1 MOV 30H,#0AAH MOV 31H,#55H MOV A,#90H MOVX DPTR,A ACALL DELAYCYCLE: ；标志位初始化 CLR 7FH ；中断标志位 CLR 7EH ；报警标志位 SETB EA SETB EX0HALTI: JNB 7FH, HALT1 等待中断出现 ANL P2,#0FBH AJMP ALAMRMODELAY :MOV R7,#200 ；1s 延时程序 LP0:MOV R6,#255 ；1s LP1:DJNZ R6,LP1 ；(2255) s DJNZ R7,LP0 ；(2255+1+2)200+1=s ALAMRMO: CLR EX0 CLR IE0 SETB 7FH ；中断标志位置位 SETB 7EH ；煤气报警标志位置位 RETI