完整版燃气泄漏报警与应急系统的设计本科毕业设计.docx
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完整版燃气泄漏报警与应急系统的设计本科毕业设计
摘要
本文设计了一个燃气泄漏报警与应急系统，以MCS-51单片机为核心，利用气敏传感器、检测电路、报警电路，并用LED显示当前环境实时温度。
当环境中泄漏气体浓度超过限制时，系统发出声光报警，同时打开排风扇应急。
当警报解除时，可以复位电路，各个功能正常运作。
本设计共分两部分，硬件系统设计和软件系统设计。
硬件部分利用气敏传感器和温度传感器，对环境中的燃气浓度进行检测，经过单片机系统将处理的数据送LED显示实时温度，声光报警电路由蜂鸣器和发光二极管组成。
软件部分用C语言进行编程，采用模块化设计思想。
该系统通过调试后，能够较好的完成燃气泄露报警和温度显示，并对燃气泄漏进行相应的处理。
关键词:
燃气泄漏；报警；应急；温度检测
Abstract
Thispaperdesignsagasleakalarmandemergencysystem,withMCS-51single-chipmicrocomputerasthecore,anduseofgassensors,detectioncircuit,alarmcircuit,andLEDdisplaythecurrentenvironmentalreal-timetemperature.Whentheconcentrationofgasleakageenvironmentthanlimitwhenacousto-opticalarm,openaplatoonemergency.Whilewarnings,canresetcircuit,eachfunctionnormaloperation.
Thedesignoftwoparts,andsoftwaredesignsystem.Thethought.Thesystemthroughthedebugging,canbetterfinishgasleakalarmandtemperaturedisplay,andgasleakagecorrespondingprocessing.
Keywords:
gasleak,Alarm,Emergency,Temperaturedetection
1绪论
1.1课题研究的背景
随着我国燃气的变革及西气东输工程的进行，煤气或天燃气已成为多数家庭的燃料。
每年，因煤气泄露造成的煤气中毒事故中，因使用热水器不当或产品本身的质量问题，造成的煤气中毒事故，全国均有不少事例。
有甚者，因室内煤气浓度过高，引起煤气爆炸的事故也不少见。
家用煤气有时会因各种原因发生泄漏，煤气的主要成分是甲烷，甲烷是一种可燃性气体，遇到明火会发生燃烧甚至爆炸，所以如果在煤气泄漏时打电话，使用家用电器的话，煤气遇到电火花可能会发生爆炸事故。
人待在煤气泄漏的空间内，甲烷的不完全燃烧可能会生成一氧化碳，人体吸入有毒气体一氧化碳后，一氧化碳将会迅速与血液中的红细胞结合导致人体中毒昏迷，如果长时间吸入泄露的煤气甚至会发生中毒死亡。
一氧化碳中毒属内科急症，如不及时发现及治疗，将会危及生命。
近年来，我国部分地区非职业性一氧化碳中毒事件时有发生。
特别是冬春季高发，据不完全统计，我国2006年因非职业性一氧化碳中毒，造成至少3850人中毒，142人死亡。
2007年3-5月份，南汇区发生了2起非职业性一氧化碳中毒事件。
1.2课题研究的目的
人们面对燃气泄漏而造成的种种事故威胁，就真的没有一个彻底的解决办法吗？
据有关专家介绍，使用燃气报警器是对付燃气无形杀手的重要手段之一。
燃气专家指出，燃气泄漏或废气排放而大量产生的一氧化碳是燃气中毒事件的根源，如采用燃气泄漏报警器就能得到及时的警示。
有关部门经长期测试同样得出结论，燃气报警器防止一氧化碳中毒事故发生的有效率达95%以上。
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。
单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，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国内外研究现状及发展动态
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，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。
有的报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外；有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。
在应用方面，目前最广泛的是可燃性气体气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，从工厂企业到居民家庭，应用十分广泛。
仅以用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，日本早在1980年1月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器法规，1986年5月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。
美国目前已有6个州立法，规定家庭、公寓等都要安装CO报警器。
报警器种类也相当繁多，有用于一般家庭、集体住宅、饮食餐店、医院、学校、工厂的各种气体报警器和系统，有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、遮断连动系统、防止中毒报警防护系统等。
结构型式有袖珍型便携式、手推式、固定式报警等；工业用固定式报警又有壁挂式、台放式、单台监控式、多路巡检式等。
气体检测技术与计算机技术相结合，实现了智能化、多功能化。
美国工业科学公司（ISC）一台携带式气体监控仪可实现4种气体监测，采用了统一的软件，只需要换气体传感器，即可实现对特定气体监测。
美国国际传感器技术（IST）公司应用一种“MegaCas"传感器和微程序控制单元，可检测100种以上毒性气体和可燃性气体，通过其“气体检索”功能扫描，能很快确定是哪一种气体。
可燃气体传感器的发展也成为气体检测系统的代表性标志。
近年来，由于在工业生产、家庭安全、环境监测和医疗等领域对气体传感器的精度、性能、稳定性方面的要求越来越高，因此对气体传感器的研究和开发也越来越重要。
随着先进科学技术的应用，气体传感器发展的趋势是微型化、智能化和多功能化。
深入研究和把握有机、无机、生物和各种材料的特性及相互作用，理解各类气体传感器的工作原理和作用机理，正确选择各类传感器的敏感材料，灵活运用微机械加工技术、敏感薄膜形成技术、微电子技术、光纤技术等，使传感器性能最优化是气体传感器的发展方向。
国外气体传感器发展很快，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；另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。
因此，国外气体传感器技术得到了较快发展，据有关统计猜测，美国1996年—2002年气体传感器年均增长率为（27～30）％。
目前，气体传感器的发展趋势集中表现为：
一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标。
如日本费加罗公司推出了检测（0.1～10）×10－6硫化氢低功耗气体传感器，美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器，美国FirstAlert公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗CO气体传感器等。
二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。
如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化；还有前已涉及的美国IST公司的具有微处理器的“MegaGas”传感器实现了智能化、多功能化。
气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，国内已有一定的基础。
其现状是：
（1）烧结型气敏元件仍是生产的主流，占总量90％以上；接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力；电化学气体传感器有了试制产品；
（2）在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构；在气敏材料方面SnO2和Fe2O3材料已用于批量生产气敏元件，新研究开发的Al2O3气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料；
（3）低功耗气敏元件（如一氧化碳，甲烷等气敏元件）已从产品研究进入中试；
（4）国内气敏元件传感器产量已超过“九五”初期的400万支。
产量超过20万支的主要厂家有5家，黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司（合资）、北京电子管厂（特种电器厂），其中前四家都超过100万支，据行业协会统计，1998年全国气敏元件总产量已超过600万支。
总的看来，我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大的差距，主要是产品制造技术、产业化及应用等方面的差距，与日本比较仍要落后10年。
1.4本文的内容安排
针对经常发生的煤气泄漏中毒事件，采用煤气、甲烷、乙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，用单片机模块分路控制继电器、发光二极管和蜂鸣器。
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。
气敏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，同时打开排风扇。
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、气体传感器总线的使用方法，同时研究电路设计思路、电路组成，包括控制芯片、气体传感器、单片机、显示电路等的选用和设计，最后给出结构框图、电路原理图。
系统软件设计方面的分析设计包括主机和从机程序设计分析等。
2方案论证
采用单片机技术，实现了控制功能的多样化和智能化，简化了电路，降低了成本，提高了稳定性；传感器损坏报警及方便更换的特点，提高了系统的可靠性，延长了整机的使用寿命；另外，如果利用保留的单片机串口，增设通讯模块和相关程序，此系统还可作为集群监控系统中的下位机和现场执行机。
在应用中，系统运行稳定、可靠、灵敏。
与同类报警系统相比，本系统性价比更高，使用更为方便，因此具有广阔的应用前景。
系统主要由单片机电路、检测电路、报警电路和应急处理电路组成。
系统框图如图2.1所示。
图2.1系统框图
检测电路包括燃气泄漏检测和气敏元件损坏检测两部分，原理电路如图3-9所示。
气敏传感器选用QM型，这是由金属氧化物半导体材料制成的“气——电”转换器件。
当有燃气泄漏时，其表面会发生化学吸附，使本身电阻（图中AA’间的电阻）下降，且燃气浓度越高，电阻下降越多，利用该特性并通过VT1等元件组成的开关电路即可获得“气——电”信号，完成燃气泄漏的检测，调节RP1可设置不同燃气的报警限，C2为延时电容，用于减小传感器初始稳态的影响。
气敏传感器在使用中，其热丝可能烧断，但难以发现，致使用户在毫不知情的情况下继续使用已失效的燃气报警器。
为能及时发现传感器的损坏，本系统特别设计了气敏元件自检电路（由R3～R7、VT2、VT3等组成），元件正常时，R3上有电压信号，如热丝烧断，该信号为0，VT3集电极输出低电平至单片机，点亮黄灯报警，能使用户及时发现。
同时，气敏传感器不直接焊入电路，而是通过七脚电子管座与电路连接，若损坏可方便地从管座中拨出换新，从而解决了更换难的问题。
图2.2检测电路
3系统硬件设计
3.1单片机
目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
下面是单片机的主要发展趋势。
由于CHMOS技术的进入，大大地促进了单片机的CMOS化。
CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。
这也是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的原因。
因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。
CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。
采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。
随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。
CHMOS和HMOS工艺的结合。
目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL电路。
因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。
低功耗化，单片机的功耗已从Ma级，甚至1uA以下；使用电压在3~6V之间，完全适应电池工作。
低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。
低电压化，几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。
允许使用的电压范围越来越宽，一般在3~6V范围内工作。
低电压供电的单片机电源下限已可达1~2V。
目前0.8V供电的单片机已经问世。
低噪声与高可靠性为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。
大容量化，以往单片机内的ROM为1KB~4KB，RAM为64~128B。
但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。
为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。
目前，单片机内ROM最大可达64KB，RAM最大为2KB。
高性能化，主要是指进一步改进CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。
采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。
现指令速度最高者已达100MIPS（MillionInstructionPerSeconds，即兆指令每秒），并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。
这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。
由于这类单片机有极高的指令速度，就可以用软件模拟其IO功能，由此引入了虚拟外设的新概念。
随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。
在单片机家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Int司将其MCS–51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。
这样，80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51系列。
80C51单片机已成为单片机发展的主流。
专家认为，虽然世界上的MCU品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80C51可能最终形成事实上的标准MCU。
单片机是在一块硅片上集成了微处理器（CPU），存储器（RAM,ROM,EPROM）和各种输入、输出接口（定时器计数器，并行IO口，串行口，AD转换器以及脉冲调制器PWM等），这样一块芯片具有一台计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。
此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
图3.1AT89C51单片机
引脚解析
1．电源引脚VCC和VSS
1）VCC：
电源端，接+5V电源。
2）VSS：
接地端。
2．外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
1）XTAL1片内振荡电路的输入端，是外接晶体的一端。
2）XTAL2片内振荡电路的输出端，是外接晶体的另一端。
振荡电路它是由晶振和磁片电容元件构成的电路，振荡电路的输入和输出端是由单片机的外接晶体引脚XTAL1和XTAL2提供的，振荡电路的作用是能够给STC89C51一个时间周期。
振荡电路如图3.2所示。
图3.2振荡电路图
3．控制信号引脚RST、ALE、PSEN和EA
1）RSTVPD：
RST是复位信号输入端，高电平有效，在此引脚上出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。
2）ALEPROG：
地址锁存允许信号端。
3）PSEN：
片外程序存储器选通信号输出端。
4）EAVPP：
片内、片外程序存储器选择端编程电压输入端。
ALE、PSEN和EA三个引脚并没有用到，而RST是复位信号输入端，所以用单片机的这个引脚来做复位电路，复位电路是由按钮、电解电容和电阻构成的。
其作用是保持正常工作，在其死机或者切换锁型时都需要强制复位。
如图3.3
图3.3复位电路图
4．输入输出（IO）引脚
1）P0口（P0.0—P0.7）：
作为通用的IO口，用来输入输出数据，输出数据有锁存功能。
当CPU访问片外存储器时，提供低8位地址和8位数据的复用总线。
2）P1口（P1.0—P1.7）：
作为通用的IO口，用于传送用户的输出输入数据。
在对片内ROM编程或校验是输入片内ROM的低8位地址。
3）P2口（P2.0—P2.7）：
作为通用的IO口。
当89C51扩展片外存储器时，与P0口配合，输出片外存储器的高8位地址，共同形成16位片外地址总线。
4）P3口（P3.0—P3.7）：
作为通用的IO口，
P3.0RXD（串行数据输入口）
P3.1TXD（串行数据输出口）
P3.2INT0（外部中断0输入）
P3.3INT1（外部中断1输入）
P3.4T0（定时器计数器0外部输入）
P3.5T1（定时器计数器1外部输入）
P3.6WR（外部数据存储器写选通信号输出）
P3.7RD（外部数据存储器读选通信号输出）
P0口的引脚是作为数码管的段选信号，P0.0—P0.7端口分别定义为Aa、Ab、Ac、Adp、Ae、Ag、Af、Ad的码段。
89C51有40个引脚，如图3.4所示：
图3.4单片机引脚图
单片机的内部结构框图如图3.5所示：
图3.5单片机的基本组成框图
1．中央处理器（CPU）
中央处理器是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码。
中央处理器负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。
2．随机存取存储器（RAM）
89C51内部有1280字节8位用户数据存储单元和1280字节专用寄存器单元，它们是统一编址的。
专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据。
3．只读存储器（ROM）：
89C516RD+共有8个ROM存储器，用于存放用户程序，原始数据或表格。
4．定时计数器
89C51有两个16位的可编程定时计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。
5．输入输出（IO）端口
89C51共有4组8位IO口（P0、P1、P2和P3），用于对外部数据的传输。
6．中断控制器
89C51具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。
7．振荡电路：
振荡电路给出的时钟信号，使得由一大堆数字电路构成的单片机各个部件能够协同工作，并最终实现需要的功能。
89C51内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但需外置磁片电容。
3.2AD转换器的选择
温度控制系统的AD转换器选用ADC0809八位逐次逼近式AD转换器，ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。
其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行AD转换。
1．ADC0809的主要特性
1）8路输入通道，8位AD转换器，即分辨率为8位。
2）具有转换起停控制端。
3）转换时间为100μs。
4）单个＋5V电源供电。
5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。
6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度。
7）低功耗，约15mW。
2．ADC0809的内部结构
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，内部结构是由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型DA转换器、逐次逼近。
3．ADC0809的外部特性及引脚功能
ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装。
下面说明各引脚功能:
IN0～IN7：
8路模拟量输入端。
2-1～2-8：
8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC：
3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。
ALE：
地址锁存允许信号，输入，高电平有效。
START：
AD转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动AD转换）。
EOC：
AD转换结束信号，输出，当AD转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。
OE：
数据输出允许信号，输入，高电平有效。
当AD转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。
CLK：
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHZ。
REF（+）、REF（-）：
基准电压。
Vcc：
电源，单一＋5V。
GND：
地。
ADC0809的引脚图如图3.6所示。
图3.6ADC0809的引脚图
4.ADC0809的工作过程
首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。
直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。
当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。
因为ADC0809具有较经济的价格，所以这里的数据采集电路选择ADC0809。
在采集电路中，只要将放大滤波电路的输出端接入0809的某一通道，在这里选择0通道，即将0809的地址输入线A,B,C送入低电平，即可选通0通道。
另外需要说明的是由于ADC0809片内无时钟，可利用单片机89C51提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频得到。
图3.7ADC0809与单片机接口电路
ADC0809的通道选择如表3.1：
表3-1ADC0809通道选择
C
B
A
被选择的通道
0
0
0
IN0
0
0
1
IN1
0
1
0
IN2
0
1
1
IN3
1
0
0
IN4
1
0
1
IN5
1
1
0
IN6
1
1
1
IN7
3.2LED数码管
LED（LightEmitingDiode）数码管是由发光二极管构成的。
常用的LED显示器有8段和“米”字段之分。
这种显示器有共阴极和共阳极两种。
本设计中所应用的是共阳极LED数码管的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。
（0x28,0xF9,0x4C,0x58,0x99,0x1A,0x0A,0xF8,0x08,0x18）是共阳极（0—9）的码段。
动态扫描是将各个LED数码管的起端字线并联使用,而每个数码管的公共端分别通过
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