基于单片机的多路报警器设计毕业设计.docx

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基于单片机的多路报警器设计毕业设计

本科毕业设计

基于单片机的多路报警器设计

摘要

随着科学技术的日新月异，人类社会取得了很大的进步。

在生活、工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等领域，经常都需要对环境中的温度、湿度、光照强度、气体等环境参数进行检测及控制。

而且随着可燃可爆性气体种类和应用范围的增加，贮气仓库内的气体泄漏、火灾爆炸事故日益增多。

从安全、环保及经济等方面上考虑，研制一种实用的多路报警系统是非常必要的。

基于这个需求，本设计利用传感器对环境中的温湿度以及可燃气体进行检测，当这些参数不符合预定设置的参数值时，就会自动报警。

系统选用MQ_2气体传感器对现场可燃性气体浓度进行检测，选用AM2301温湿度传感器对温度和空气湿度进行检测，采用功能和性价比较高的AVRATmega16单片机作为中央处理单元，对环境参数进行采集处理并产生自动报警。

本设计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，以及空气温湿度，当达到预先设定的上限或下限报警设定值时，发出声音报警信号，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以及温湿度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：

可燃气体温湿度单片机报警器

Multi-wayAlarmBasedonMCU

ZengXiaoling

（CollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China）

Abstract:

Withtheadvancesofscienceandtechnology,humansocietyhasmadegreatprogress.Inlife,industrialandagriculturalproduction,weather,environmentalprotection,defense,research,aerospaceandotherfields,oftenwantodetectandcontroltheenvironmentalparameterssuchastemperature,humidity,lightintensity,gasconcentration.Andwiththeincreaseofkindandrangeofcombustibleandexplosivegas,thenumberofgasleak,fireandexplosionintheairstoragewarehouseincreasing.Bebasedonsecurity,environmentalandeconomicconsiderations,developedapracticalmulti-channelalarmsystemisnecessary.

Baseonthisdemand,thisdesignusesasensortodetecttemperature,humidityandcombustiblegas,whentheseparametersdonotmeetthepre-determinedparametervalues,itwillautomaticallyalarm.UseMQ_2gassensorforcombustiblegasconcentrationdetection,AM2301temperatureandairhumiditysensorfortemperatureandairhumiditytesting,functionalityandcost-effectiveAVRATmega16microcontrollerasacentralprocessingunit,tocollectingandprocessingenvironmentalparametersandalarmautomatically.

Thedesigncandetecttheconcentrationsofavarietyofcombustiblegassuchasn-hexane,aswellastemperatureandhumidity,whentheyreachesthepre-setupperorlowerlimitalarmsettingvalues,itwillsendoutthesoundalarmsignalthatpromptstheoperatortotakesafetymeasuresorautomaticcontrolsafetydevices.Thealarmsystemcanaccuratelydetectcombustiblegasinrealtime,aswellastemperatureandhumidity,andcanreliablyandcorrectlyworkforalongtime.Ithasaverybroadapplicationprospectsandpromotionvalue.

Keywords:

flammablegastemperatureandhumiditysingle-chipmicrocomputeralarm

华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表

1前言

1.1课题研究的背景

随着石油化学工业的发展，易燃、易爆以及有毒等气体的种类和应用范围都有所增加。

液化石油气、天然气、煤气等这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、苯类以及一氧化碳、氢气等成分，都是易燃、易爆、有毒、有害的气体。

它们易流动、易燃烧，在生产、输送、贮存和使用这些气体的过程中，如违反操作规程或者设备密封质量不好，都有可能发生这些可燃气体泄漏的现象。

当与空气混合后的混合物达到一定的浓度时，就是一种极具爆炸性的混合物，遇到火源就会发生剧烈的化合反应，产生大量的热，然后燃起大火，进而酿成火灾或爆炸事故，给国家和人民的生命财产造成损失。

在国内由于燃气泄漏所引发的爆炸、中毒和火灾等事故也经常发生，这在某种程度上增加了城市的不安全和不稳定因素。

为了防止类似的悲剧不断上演，只有利用先进的科学技术。

研制先进的、可靠的安全监测仪表，严密而且实时监测环境中的可燃性气体的浓度，及早发现事故存在的隐患，及时采取有效的措施，将事故消灭在酿成恶果之前，这样才能确保安全生产，居民的人身财产安全也才能有保证。

但是现在国内使用的报警控制器，许多产品使用时间过长，产品老化严重，技术指标达不到标准，报警器的性能也不稳定。

有些是保养不当，如电池流水腐蚀仪器，或蓄电池损坏而使报警器不能工作；有些是因使用不当而造成故障，因此不能进行准确、安全的检测和报警。

因此，研制一种新型、性能稳定、实用性强、能准确监测可燃性气体，并且合乎国家相关规定的报警控制器势在必行（张芳，2011）。

当然，在众多环境参数中，温度和湿度也是两个十分重要的物理量，对它们的测量与控制有着十分重要的意义。

随着现代工农业技术的发展，对生产环境温湿度的人为检测与控制能让工农业生产更有效率或质量保证。

而人们对生活环境要求的提高，也使得人们迫切需要检测与控制生活环境中的温度和湿度。

在人类的生活中，温度扮演着极其重要的角色。

无论你生活在什么地方，从事什么样的工作，都无时无刻不在与温度打交道。

自从18世纪工业革命以来，工业的发展与是否能掌握温度有着绝对的联系。

在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、食品、医药等行业，几乎80%的工业部门都必须得考虑温度的因素。

温度对于工业如此重要，因此推进了温度传感器的发展。

而信息科学和微电子技术的飞速发展给控制领域带来了巨大的飞跃，控制技术更加趋向自动化和智能化，为无数的使用者带来了方便。

在控制领域里，温度是一个常见的名词，然而它所带来的技术问题和所起的作用却是非同一般的。

在控制领域中，对温度的控制有着举足轻重的作用。

例如陶瓷的烧烤，只有控制住温度的适度，才能制作出一个完美的艺术品，否则只是一件废品；还有如酿酒的过程，也需要对温度进行控制。

可见，在生活的许许多多的方面都有着对温度进行感知和控制的需要。

而湿度也特别重要。

特别是在一些仓库或者一些生产车间，对湿度的要求非常高，如果湿度不适中，可能会导致所有的贮藏物品或产品不合格，或存在某些安全隐患。

例如在一些无尘车间或洁净室，如果湿度过高可能会导致细菌滋生、产生静电、金属被严重腐蚀等现象，导致无尘车间、洁净室性能严重下降。

所以对空气湿度的检测控制也是很有必要和重要的。

1.2课题研究的目的和意义

随着城市煤气、天然气等相关事业及化学工业的迅速发展，易燃、易爆气体的种类和应用范围在不断增加，这些易燃易爆气体在生产和使用的过程中，一旦发生泄漏将会引起中毒、爆炸、火灾等伤亡惨重事故。

人们在对安全生产的重视程度日益增加的同时，对生产技术手段也进行不断的提高。

研制一种新型、性能稳定、能准确地监测可燃可爆性气体的报警控制器势在必行。

当然，很多时候只是对可燃气体进行检测控制还不够，还有很多因素在影响着生产和生活，例如温度和湿度。

随着社会的发展特别是工业的发展，人民生活的改善，安全问题变得越来越重要。

如今，在许多情况下，都需要对环境的温度进行限定，其中包括人的生活工作环境、仪器设备的工作环境以及动植物的生长环境等。

如果环境温度超过或者低于限制值，必定对所处环境的人或设备造成影响，甚至给个人和社会造成巨大的损失。

因此，在某些特定环境内使用温度报警器来对温度进行实时监控并做到超温报警，而使用单片微型计算机实时控制温度报警系统则是其中的一种重要方式。

本次设计以AVRATmega16芯片为核心，用半导体陶瓷式可燃气体传感器MQ_2来检测环境中可燃可爆气体的浓度，用数字式温湿度传感器AM2301来检测环境中的温度和湿度，结合外部硬件电路实现对可燃性气体以及温湿度进行实时检测，当检测到的参数不符合预定值时则自动报警。

AVRATmega16芯片具有功能强大，性价比高等优点，适合广泛应用于报警装置，而且产品能够大规模生产。

同时，设计出的多路报警器具有操作简单，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。

正是由于可燃性气体报警器对于安全生产的重要性，国内外有许多厂家研制、生产这一产品。

同时也有很多厂家在研制、生产温湿度报警器，可是高可靠性的多路报警器还是比较少比较不成熟。

从实际意义出发，根据现实生活的需要以及运用所学知识，研制一种高可靠性的多路报警器能更好地提高生产和生活的安全可靠性。

1.3可燃气体、温湿度报警器国内外现状

可燃性气体报警器在国外己经发展成为一种相当成熟的产品（Phelanetal，2007）。

日本是最早发明可燃气体报警器的国家，己有50多年的历史。

无论在气体探测器的研制上，还是在报警器的可靠性能上，都处于国际的领先水平。

日本政府和各大生产企业大力推广报警器的使用，使可燃可爆气体泄漏和爆炸等事故的发生率远远低于欧美等发达国家。

其中费加罗FIGARO、理研都是专门研制、生产可燃性气体报警控制器的厂家。

他们生产的产品以采用最先进的气敏传感器、响应速度快、性能可靠、寿命长而著称。

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、品种较为齐全，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的报警器，产品数量也在不断地增加。

主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产制造工艺的基础上，进一步研究与开发，形成自己的特色。

近年来，在气体选择性和产品稳定性上也取得很大进步。

工业上的可燃性气体报警控制器一般分为可燃性气体检漏仪（简称“检漏仪”）、可燃性气体报警控制器（简称“控制器”）、可燃性气体探测器（简称“探测器”）三大系列产品。

检漏仪的体积较小，可随身携带或手持，采用碱性电池或可充电电池供电，一般可以连续工作近12小时。

该仪器主要应用于燃气管道的查漏与巡线。

如果有燃气泄漏，检漏仪就会发出声光报警，同时显示气体浓度，以便监控人员及时采取安全措施，防止爆炸等恶性事故的发生。

探测器一般都与控制器配合使用，这是在工业装置上和生产过程中使用最多的检测仪器，可在防爆现场长期稳定地监测可燃气体的浓度。

这种仪器大都使用于油库、液化气站和煤气站等易燃易爆的危险场所。

探测器安装在防爆现场，而控制器则安置在值班室等有人值守的地方，二者之间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，在很短时间内通过屏蔽电缆线将信号传送到控制器，接收到信号后控制器发出声光报警，同时自动启动排风装置或关闭电磁阀切断气源，以确保安全（张路，2008）。

温度检测报警系统的核心设备是温度传感器。

温度传感器的发展算是经历了以下的3个阶段：

（1）传统的分立式温度传感器，含敏感元件，主要是能够进行非电量和电量之间的转换。

（2）模拟式集成温度传感器/控制器。

（3）数字式智能温度传感器。

目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展（Millsetal，2011）。

数字式温度传感器也称智能温度传感器，是在20世纪90年代中期问世。

它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。

如今，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。

智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器型号处理器、信号处理器、存储器和接口电路。

有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取储存器（RAM）和只读存储器（ROM）。

数字式温度传感器能传输出温度数据及相关的温度控制量，能适配各种微控制器（MCU），并且可以通过软件来实现测试功能，即智能化水平取决于软件的开发水平。

进入21世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。

而在湿度检测报警方面，虽然在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。

但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。

用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科学技术发展的需要。

这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素（大气压强、温度）的影响。

此外，湿度的标准也是一个难题。

国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。

近年来，国内外在湿度传感器的研发领域取得了很大的进步。

湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度检测控制系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。

总而言之，温湿度传感器的应用很广泛，其性能会直接影响到温湿度测量系统的准确度和可靠性。

由于技术和成本原因，几年前大多使用传统的温湿度传感器，即模拟式传感器，尤其是要求可靠的湿度测量仍然停留于干、湿球测量法。

这种方法不仅使用麻烦,而且往往受到应用场合的限制（黄军辉等，2006）。

目前国内外对可燃气体报警器、温度报警器、湿度报警器的研究可以说是已经进入一个比较成熟的阶段。

可是能够结合多个方面，多路检测报警、实用性强，而且能够广泛应用的多路报警器的研制还不是很成熟，重大危险事故还是时有发生，所以这一方面的研究还是值得我们探讨。

2系统功能及方案设计

2.1系统方案比较

方案一：

采用AT89S51单片机作为中央处理单元（郭天祥，2009），同时选用FIGARO费加罗催化燃烧式可燃气体传感器模块FCM6812对现场可燃性气体浓度进行检测采集，选用湿度传感器模块HR202对空气湿度进行检测，利用数字温度传感器模块DS18B20对空气温度进行检测，单片机处理单元读取可燃气体传感器以及温湿度传感器所采集到的温度和湿度值，然后对采集到的数据进行处理分析并实现自动报警。

报警器用发光二极管分别表示（徐百汇等，2008）。

方案二：

采用功能和性价比较高的AVRATmega16单片机作为中央处理单元，选用MQ_2气体传感器对现场可燃性气体浓度进行检测采集，MQ_2气体传感器具有双路信号输出，即模拟量输出及TTL电平输出，可以采集到气体浓度的真实值，或者直接输出高低电平，也就是当测量浓度大于设定浓度时，TTL输出低电平，在这里我们直接检测测量浓度是否大于设定浓度，同时选用AM2301温湿度传感器对温度和空气湿度进行检测，即采集出温度和湿度的实际值，单片机处理单元读取温湿度传感器所采集到的温度和湿度值，并接受气体传感器发送的高低电平，然后对采集到的数据进行处理分析并实现自动报警。

报警器用发光二极管分别表示，同时用蜂鸣器发出声音警报，以提醒监控人员。

方案二中用到的AVR单片机是Atmel公司的产品，片内资源丰富，接口也比AT89S51单片机更强大，功耗也比较低，带AD转换的产品多。

另外AVR单片机还有一个好处，就是能支持ISP下载程序；方案一中可燃气体传感器用的是FIGARO品牌的催化燃烧式可燃气体传感器TGS6812，该传感器采用催化原理，可以检测甲烷，液化石油气，酒精干扰小，线形输出，精密尺寸做工，但是这种传感器模块很贵，而MQ_2气体传感器对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度、具有长期的使用寿命和可靠的稳定性、快速的响应恢复特性等优点，性价比高；方案二中使用AM2301温湿度传感器代替方案一中的湿度传感器模块HR202和温度传感器模块DS18B20，电路简单、使用方便，而且有较高灵敏度；方案二中报警器模块增加了蜂鸣器，能够更好地提醒监控该人员，以防产生不必要的损失。

终上所述，本设计采用方案二。

2.2系统整体方案设计

本系统整体方案框图如图1所示。

本系统利用传感器对环境中的温湿度以及可燃气体进行检测，当这些参数不符合预定设置的参数值时，就会自动报警。

选用MQ_2气体传感器对现场可燃性气体浓度进行检测采集，MQ_2气体传感器具有双路信号输出即模拟量输出及TTL电平输出，可以采集到气体浓度的真实值，或者直接输出高低电平，也就是当测量浓度大于设定浓度时，TTL输出低电平，在这里直接检测测量浓度是否大于设定浓度，同时选用AM2301温湿度传感器对温度和空气湿度进行检测，即采集出温度和湿度的实际值，采用功能和性价比较高的AVRATmega16单片机作为中央处理单元，读取温湿度传感器所采集到的温度和湿度值，并接受气体传感器发送的高低电平，然后对采集到的数据进行处理分析并实现自动报警。

本设计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，以及空气温湿度，当达到预先设定的上限或下限报警设定值时，发出声音报警和信号，实现多路报警功能，以提示操作人员采取安全对策或自动控制相关安全装置。

图1系统整体方案框图

2.3系统功能介绍

系统所实现的功能如下：

环境参数信息的采集。

本系统可以检测空气中以烷类气体为主的多种可燃可爆性气体的浓度，以及环境温度和空气湿度。

利用传感器对环境中的温度和湿度以及可燃可爆性气体进行检测。

选用具有双路信号输出，即模拟量输出及TTL电平输出，而且TTL电平输出的灵敏度可调的MQ_2气体传感器对现场可燃性气体的浓度进行检测，同时选用应用了专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性的AM2301温湿度传感器对环境温度和空气中的湿度进行检测。

传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，能同时对温度和湿度进行检测，采集出温湿度的当前值。

对采集到的信息进行自动处理并分析。

采用功能和性价比较高的AVRATmega16单片机作为中央处理单元，对环境参数进行采集处理，并不断分析、处理所采集的环境参数信息，将采集到的环境参数值与预先设置的理想值进行比较从而为报警提供数据依据。

自动报警。

当环境参数值达到预先设定的上限或下限报警设定值时，将会发出声音报警和信号灯指示。

声音警报采用了有源蜂鸣器，而信号灯采用发光二极管，当环境参数值不在期望值当中时蜂鸣器发出鸣声，同时相应的发光二极管发光，以提示监控人员采取安全对策或使自动控制相关安全装置做出相关反应。

该报警器可以实时、准确地检测可燃性气体以及温湿度并且可以长时间可靠无误地报警。

3报警系统硬件设计

3.1单片机原理

3.1.1单片机原理概述

单片机（single-chipmicrocomputer）又称为“微控制器MCU”,也就是把微型计算机的主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的单芯片微型计算机。

由于单片机的高度集成化，缩短了系统内的信号传送距离，优化了结构的配置，大大提高了系统的运行速度以及可靠性。

同时它的指令系统又非常适合工业控制的要求，所以单片机在工业过程及设备控制中得到了广泛的应用（王卫星，2009）。

单片机的典型结构图如图2所示。

图2单片机典型结构图

3.1.2ATmega16单片机的介绍

本系统设计中所选用的单片机是ATmega16单片机。

ATmega16单片机作为硬件部分的主控芯片，具有功能强大、性价比较高等特点。

其引脚如图3所示。

图3ATmega16引脚图

ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。

AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。

所有的寄存器都直接与算逻单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。

这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。

ATmega16有如下特点:

16字节的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWW），512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器（T/C）,片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装）的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。

工作于空闲模式时CPU停止工作，而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作（周润景等，2007）。

3.2电路系统设计

3.2.1单片机最小系统

单片机应用系统根据系统扩展和系统配置状况的不同，可以分为最小应用系统、最小功耗系统和典型应用系统。

单片机在进行实时控制和实时数据处理时，需要与外界进行信息交换。

人们需要通过人机对话，了解系统的工作情况从而进行控制。

单片机芯片与其它CPU相比较，功能虽然要强得多，但因为芯片结构、引脚数目的限制，片内ROM、RAM、I/O口等不能很多，所以在构成实际的应用系统时需要对I/O口和存储器加以扩展，以适应不同的工作需求。

图4单片机最小系统

本设计所需要的是最