单片机课程设计煤气自动检测报警系统资料.docx
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单片机课程设计煤气自动检测报警系统资料
单片机课程设计
——任务说明书
题目：
煤气浓度检测系统
所在院系：
机电汽车工程学院
专业：
机101-4班
学号：
姓名：
完成日期：
2013/6/6
指导教师：
姜风国
烟台大学
摘要
随着时代的发展，煤气已成为人们生活中必不可少的能源了，煤气泄漏事件时有发生，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.为此我们开发研制了智能煤气报警系统.
计算机的普及和信息技术的迅猛发展，人们己不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，智能化被引入家庭，并迅速在世界各地发展起来。
人们对居住环境要求的日见增高，体现在希望住宅不仅更便利、舒适而且更安全。
家庭及住宅小区智能化的定义，在国际上至今尚无一致的般认为，在现代化的城乡住宅小区内综合采用微型计算机、自动控制、通信与网络及智能卡等技术，建立一个由住宅小区综合物业管理中心与安防系统、信息通信服务与管理系统和家庭智能化系统组成的“三合一”住宅小区服务与管理集成系统，最终目的是使每一住户得到满足其要求的最佳方案。
国家建设部规定，目前住宅小区应实现六项智能化要求，其中包括实行安全防范系统自动化监控管理;防盗报警系统应安装红外或微波与煤气泄漏报警器等各种类型报警探测器。
基于此项规定，煤气泄漏自动报警实现智能化势在必行。
本系统主要针对传统煤气检测系统进行技术改进以满足要求，至此本系统具有如下特点．用单片机实现定时控制，电路简单、价格便宜、可靠性好。
采用气敏传感器及防爆型电磁阀．安全可靠，能有效的保证随时接通和断开煤气控制电磁阀：
有煤气泄漏时有语音报警，并通过总线通知管理室．双重保障。
因此本系统也可作为智能家居系统的一个子系统。
课程设计任务书
题目：
煤气、酒精检测
课题的任务和要求
本设计以MCS-51系列单片机为核心，采用常用的电子器件设计，自行设计电源，选用合适的气体传感器，检测气体浓度，数码管显示，当浓度超标的时候报警。
设计步骤
1、根据课题，查阅相关资料
2、画出系统原理框图；
3、画出单元电路图；
4、编写相应部分程序；、
5、撰写说明书
目录
1、前言4
1.1、煤气检测报警器的意义4
1.2、煤气检测报警器的应用4
1.3、煤气泄漏的危害5
2、总体电路设计6
2.1、总体电路的系统框图6
2.2总体电路图工作原理6
3、单元电路及器件的设计与分析8
3.1、单片机AT89C51介绍8
3.2、数模转化ADC0804介绍10
3.3、数码管LED介绍12
3.4、蜂鸣器报警介绍13
4、程序清单15
5、总结20
6、参考文献21
7、主要元件清单22
◆1、前言
1.1、煤气检测报警器的意义
近年来，全国煤气行业发展迅猛，液化气、天然气、煤制气等城市燃气作为清洁能源已在工商业和城镇居民用户中得到广泛应用，特别是随着“西气东输”工程的快速进展，燃气行业发展潜力巨大。
城市燃气的普及与应用无疑对改善城市的环境质量和提高居民的生活质量发挥了巨大的作用。
但是随着燃气的广泛应用，由于燃气泄露所引发的爆炸、中毒和火灾事故也时有发生，这在某种程度上增加了城市的不安全和不稳定因素。
为使燃气更好地造福于民，造福于社会，减少并杜绝各种因燃气泄露而引发的爆炸及火灾事故。
因此本设计意义重大。
1.2、煤气检测报警器的应用
煤气报警器的核心是气体传感器，俗称“电子鼻”。
当气体传感器遇到燃气时，传感器电阻随燃气浓度而变化，随之产生电信号，供煤气报警器后级线路处理。
经过电子线路处理变成浓度成比例变化电压信号，由线性电路加以补偿，使信号线性化，经处理、逻辑分析，输出各种控制信号，即当燃气浓度达到报警设定值时，煤气报警器发出蜂鸣报警信号。
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警器、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，报警器可发出声音报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。
（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性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，检漏仪便会发出声音报，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。
当在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，控制器发出声音警，确保安全。
此种仪器广泛应用于液化气站、汽车加气站、锅炉房等工业场所。
1.3、煤气泄漏的危害
一氧化碳的浓度与健康成年人中毒的可能症状
50ppm健康成年人在八小时内可以承受的最大浓度
200ppm2-3小时后，轻微头痛、乏力
400ppm1-2小时内前额痛；3小时后威胁生命
800ppm45分钟内，眼花、恶心、痉挛；2小时内失去知觉；2-3小时内死亡
1600ppm20分钟内头痛、眼花、恶心；1小时内死亡
3200ppm5-10分钟内头痛、眼花、恶心；25-30分钟内死亡
6400ppm1-2分钟内头痛、眼花、恶心；10-15分钟死亡
12800ppm1-3分钟内死亡
◆2、总体电路设计
2.1、总体电路的系统框图
2.2总体电路图工作原理
总体电路图如下所示，在本电路图中使用定值电阻R1和电阻器RV3串联分压一模拟气敏传感器的输入模数转换芯片ADC0804后通过DB0..DB7引脚接入主芯片AT89C51中，至此完成数模转换。
经过主芯片AT89C51的控制输出，从P0引脚输出接到LED数码管显示气体PPM数值，其数值以5毫秒每次的频率检测当前数值。
将数码管所得到的数据反馈到主芯片AT89C51的P2.0..P2.3中，当所得到的PPM数值达到300时，警报激发，由蜂鸣器开始发出警报。
◆3、单元电路及器件的设计与分析
3.1、单片机AT89C51介绍
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3.2、数模转化ADC0804介绍
本试验采用的A/D芯片为ADC0804，它是CMOS8位单通道逐次渐近型的模/数转换器，其规格及引脚图如图3所示，根据手册我们可以得到各个引脚的大致功能如下：
/CS：
芯片片选信号，低电平有效，即/CS=0,该芯片才能正常工作，在外接多个ADC0804芯片时，该信号可以作为选择地址使用，通过不同的地址信号使能不同的ADC0804芯片，从而可以实现多个ADC通道的分时复用。
/WR:
启动ADC0804进行ADC采样，该信号低电平有效，即/WR信号由高电平变成低电平时，触发一次ADC转换。
/RD:
低电平有效，即/RD=0时，可以通过数据端口DB0～DB7读出本次的采样结果。
UIN（+）和UIN（-）：
模拟电压输入端，模拟电压输入接UIN（+）端，UIN（-）端接地。
双边输入时UIN（+）、UIN（-）分别接模拟电压信号的正端和负端。
当输入的模拟电压信号存在“零点漂移电压”时，可在UIN（-）接一等值的零点补偿电压，变换时将自动从UIN（+）中减去这一电压。
VREF/2：
参考电压接入引脚，该引脚可外接电压也可悬空，若外界电压，则ADC的参考电压为该外界电压的两倍，如不外接，则Vref与Vcc共用电源电压，此时ADC的参考电压即为电源电压Vcc的值。
CLKR和CLKIN：
外接RC电路产生模数转换器所需的时钟信号，时钟频率CLK=1/1.1RC，一般要求频率范围100KHz～1.28MHz。
AGND和DGND：
分别接模拟地和数字地。
/INT:
中断请求信号输出引脚，该引脚低电平有效，当一次A/D转换完成后，
将引起/INT=0，实际应用时，该引脚应与微处理器的外部中断输入引脚相连（如51单片机的INT0,INT1脚），当产生/INT信号有效时，还需等待/RD=0才能正确读出A/D转换结果，若ADC0804单独使用，则可以将/INT引脚悬空。
DB0~DB7：
输出A/D转换后的8位二进制结果。
3.3、数码管LED介绍
引脚定义:
每一笔划都是对应一个字母表示DP是小数点.
A、静态显示驱动：
静态驱动也称直流驱动。
静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O埠进行驱动，或者使用如BCD码二-十进位*器*进行驱动。
静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O埠多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8=40根I/O口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O口才32个呢。
故实际应用时必须增加*驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。
B、动态显示驱动：
数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。
透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。
每位元数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O口，而且功耗更低。
3.4、蜂鸣器报警介绍
声光报警单元与单片机的连接图如上：
单片机本身I/O的驱动能力不是很高，所以对蜂鸣器的驱动需要加入一个PNP三极管，这样能够使蜂鸣器的声音更加响亮，起到更好的报警作用。
三极管基极的电路保证了只有在单片机输出低电平时，蜂鸣器才会发声，避免了误报警的发生。
◆4、程序清单
#include//包含51单片机寄存器定义的头文件
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
#definead1_7P1//AD数据口
sbitadcs=P3^1;//芯片选择信号,控制芯片的启动和结果读取,低电平有效
sbitadrd=P3^7;//读数据控制,低电平有效
sbitadwr=P3^6;//AD转换起动控制,上升沿有效
sbitwain=P3^0;
unsignedcharcodeDisp_Tab[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,
0x66,0x6d,0x7d,0x07,
0x7f,0x6f,0x00,0x40};//数字0~9的段码
unsignedcharcodedispbit[4]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7};//数码管位选控制变量
unsignedchara[4]={10,10,10,10};
uintm=1;
//50us延时子程序/////////////////
voiddelay_50us（uintt）
{ucharj;
for（;t>0;t--）
for（j=19;j>0;j--）;
}
voiddisplay（）
{
P0=Disp_Tab[a[0]];P2=dispbit[3];delay_50us
（1）;P2=0xff;//每个数码管按负值、打开、关闭的顺序
P0=Disp_Tab[a[1]];P2=dispbit[2];delay_50us
（1）;P2=0xff;
P0=Disp_Tab[a[2]];P2=dispbit[1];delay_50us
（1）;P2=0xff;
P0=Disp_Tab[a[3]];P2=dispbit[0];delay_50us
（1）;P2=0xff;
}
//启动AD转换子程序//////////////////////////////////////////////////////////
voidstart_adc0804（void）
{adcs=0;//允许进行A/D转换
adwr=0;
delay_50us
（2）;
adwr=1;//WR由低变高时,AD开始转换
adcs=1;//停止AD转换
delay_50us（10）;
}
//读A/D数据子程序///////////////////////////////////////
ucharread_ad（）
{uintad_data;
ad1_7=0xff;
adcs=0;//允许读
adrd=0;//读取转换数据结果数据结果
delay_50us（5）;
ad_data=ad1_7;//把数据存到ad_data中
adrd=1;
adcs=1;//停止A/D读取
return（ad_data）;
}
//说明:
当输入电压为5V时,A/D输出为FFH,即输入电压=AD数据*（5/255）=AD数据/（255/5）=AD数据/51
main（）
{wain=0;
EA=1;//开总中断
ET0=1;//定时器T0中断允许
TMOD=0x01;//使用定时器T0的模式1
TH0=（65536-500）/256;//定时器T0的高8位赋初值
TL0=（65536-500）%256;//定时器T0的低8为赋初值
TR0=1;//启动定时器T0
while
（1）{
display（）;
}
}
voidtime0_interserve（void）interrupt1using1
{
uintc;
TR0=0;//关闭定时器T0
start_adc0804（）;
c=read_ad（）*（1000/255）;
if（c>=300）
{
wain=1;
}
else{
wain=0;
}
a[0]=c%10;
a[1]=c/10%10;
a[2]=c/100%10;
a[3]=c/1000%10;
TH0=（65536-500）/256;//定时器T0的高8位赋初值
TL0=（65536-500）%256;//定时器T0的低位赋初值
TR0=1;//开启定时器T0
}
◆5、总结
新型单片机智能煤气监控系统的设计，是结合了计算机、工控、机械、检测等相关学科的技术而实现。
在智能控制方面，采用了单片机AT89C51作为系统控制核心，最大限度的将其具备的资源应用到设计中，既体现了单片机小系统的应用的灵活性，又实现功能多样的智能控制。
由于采用了单片机技术为主导的智能化管理，通过和执行机构组成的二级监控体系，可实现对煤气浓度的动态监控，通过误差自动校正功能提高了系统的测量精度，运行稳定可靠，灵敏度高，具有非常重要的市场应用价值。
在实际使用中，不同的应用场合有着不同的报警浓度下限。
因此，为了提高系统的灵敏度和准确度，考虑到温度、环境和电源电压的影响，开始报警浓度也应有一定的变化范围。
出厂前按标准条件调整好，以确保环境条件变化时，也不致发生误报和漏报。
此外，也可根据实际应用的情况对本系统进行改造，以满足不同的应用需求。
根据实习调研工作的基本要求，我认真完成了这项工作。
通过这次调研，我掌握了现在常见煤气检测的基本原理、典型电路。
同时还分析了各种煤气报警器的优缺点。
当然，调研报告中只是大概描述了该方案的总体设计思路，以及各模块需要完成的基本功能。
至于各模块究竟如何具体实现，以及如何继续完善方案，需要进一步的思考、探索。
因此，以后的工作重要而艰巨。
我也知道了如何一步一步的完成自己的课程设计工作。
总之，这是一个有意义的工作，对我的毕业设计工作具有重要的指导意义。
◆6、参考文献
【1】王贵平，《新编单片机原理及应用》，机械工业出版社
【2】胡汉才，《单片机原理及系统设计》，
清华大学出版社
【3】电子件资料
【4】XX百科
【5】万方数据
◆7、主要元件清单
74EG-MPX4-CA-BLUELED数码管
AT89C51
ADC0804
BUZZER蜂鸣器
BUTTON按钮
CRYSTAL晶振
RESPACK-8上拉电阻
PNP三极管
POT-HG电位
RES各阻值电阻
CAP各值电
升级会员 