智能煤气检测设计正文.docx

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智能煤气检测设计正文

智能煤气报警装置

摘要：

提出了一个煤气泄露报警装置的设计方案，该检测装置通过传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。

使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出电压，该电压信号经运放跟随比较后通过A/D转换器后将模拟信号转化为数字信号。

最后将数字信号送入STC89C52单片机，经过软件的控制，在数码管上显示相应的浓度值，在电路中设计报警电路，超过设定浓度后报警提示。

关键词：

气体传感器，浓度检测，A/D，STC89C52，数码管，报警

Abstract:

Thispaperpresentsthedesignofagasleakalarmdevice,thedetectiondevicebytheelectricalconductivityofthesensorincreaseswiththeincreaseoftheconcentrationofcombustiblegasesinair.Theuseofasimplecircuitcanbechangesintheconductivityisconvertedtotheoutputvoltagecorrespondingtotheconcentrationofthegas,thevoltagesignalbytheopampfollowercomparingconvertedtodigitalsignalsbyA/Dconverteroftheanalogsignalwill.Finally,thedigitalsignalintotheSTC89C52microcontroller,softwarecontrol,thecorrespondingconcentrationvalueonthedigitaldisplayalarmcircuits,circuitdesignconcentrationexceedsthesetalarm.

Keywords:

gassensorconcentrationdetection,A/D,STC89C52,digitalcontrol,alarm

目录

1前言1

2整体方案设计2

2.1方案论证2

2.2方案比较3

3单元模块设计4

3.1气体传感器模块4

3.1.1MQ-2介绍4

3.1.2传感器模块原理5

3.3单片机模块8

3.3.1STC89C52单片机8

3.3.2复位电路9

3.3.3时钟电路10

3.4显示报警模块10

4软件设计13

5系统技术指标及精度和误差分析14

6结论15

7设计小结16

8参考文献17

附录1：

电路总图18

附录2：

软件代码19

1前言

近年来随着人民生活水平的提高，管道煤气和罐装煤气已深入到寻常百姓家。

但由于使用不当或者设备老化等原因导致的煤气泄漏经常发生。

煤气泄漏事件发生时，将会引发中毒、火灾甚至爆炸事故，严重危害人民的生命和财产安全。

由于气体本身存在的扩散性，发生泄漏之后，在外部风力和内部浓度梯度的作用下，气体会沿地表面扩散，在事故现场形成燃烧爆炸或毒害危险区，扩大危害区域。

目前，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。

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。

所以怎样防止煤气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要。

为此设计出家用煤气泄漏报警控制器

本文针对以往的煤气泄露报警装置的优点和缺点进行取舍，在讨论过去的设计方案的基础上，拟设计一个煤气报警系统，包括各模块硬件电路设计和软件设计。

该系统制系统主要是由MCS-52系列单片机控制电路、电源电路、AD数据采集电路、传感器电路、LED显示与声光报警电路等部分组成。

装置通过气体传感器MQ-2随着气体浓度变化产生相应的电阻变化，再通过外围电路将电阻变化转为电压变化，该电压信号经运放跟随比较后通过A/D转换器后将模拟信号转化为数字信号。

最后将数字信号送入AT89C51单片机，经过软件的控制，在数码管上显示相应的浓度值，在电路中设计报警电路，超过设定浓度后报警提示。

2整体方案设计

本设计的整体思路是：

该检测装置通过传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。

使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出电压，过AD转换器输出显示在数码管上的数字。

由于各类气体检测浓度范围不一，我们以液化气和丙烷为例，例如100pm时显示在数码管上的数字为01。

当10000pm时数码管显示99。

即电压的变化就对应于浓度的变化。

数码管上输出的数字就是对应于所测量的浓度。

2.1方案论证

设计中采用了两个方案，具体的方案见方案一和方案二。

方案一：

利用集成数字电路组成煤气报警系统

利用集成气体传感器电阻值与气体浓度成线性变化的关系，将电阻的变化转换为电压的变化。

经A/D转换器后，送入锁存器锁存，在经译码器输出后，再在数码管上显示，由于74LS373具有锁存功能就能实现三位的浓度显示。

由于电路只是单纯的检测与显示，并没有实际的外围控制功能，比较单一。

图2.1煤气泄露报警装置方案一框图

方案二：

基于单片机的煤气泄露报警装置

见图2.2.该检测装置通过传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。

使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出电压，通过放大电路输出送入A/D转换器A/D转换器输出后进入单片机系统，通过软件的控制，将电压对应于浓度的数值通过查表的方式得出结果。

在数码管上显示出来。

图2.2煤气泄露报警装置方案二框图

2.2方案比较

上面两个方案都是设计的煤气报警器，本质上都相同，只是实现方法上有些差别。

方案一利用集成数字元件来实现。

方案二采用了基于单片机来实现。

两种方案的主要区别在于：

方案一采用的集成数字电路来实现整个系统，方案简单易于实现，在系统中将检测到的气体浓度通过A/D以及译码器来显示出来，但是缺少报警以及控制电路，电路较简单扩展性较弱。

方案二相对于方案一来说主要区别在于利用了单片机进行控制，同时在信号采集方面加入了信号整形电路，方便A/D采样转换，提高了采样的精准度。

方案二在外围扩展上较方案一丰富，我们可以加入报警以及控制电路，方便我们控制。

综上所述，我们采用方案二。

3单元模块设计

本系统主要实现煤气泄露的气体浓度的检测显示与报警，在整个系统中包含了传感器模块，A/D模块，单片机模块，显示报警模块，电源模块。

3.1气体传感器模块

3.1.1MQ-2介绍

MQ-2/MQ-2S气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。

当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。

使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

MQ-2/MQ-2S气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。

这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。

图3.1.1MQ-2灵敏度特性

图3.1.1是传感器典型的灵敏度特性曲线。

图中纵坐标为传感器的电阻比（Rs/Ro），横坐标为气体浓度。

Rs表示传感器在不同浓度气体中的电阻值Ro表示传感器在1000ppm氢气中的电阻值

图3.1.2MQ-2温/湿度得影响

图3.1.2是传感器典型的温度、湿度特性曲线。

图中纵坐标是传感器的电阻比（Rs/Ro）。

Rs表示在含1000ppm丙烷、不同温/湿度下传感器的电阻值，Ro表示在含1000ppm丙烷、20℃/65%RH环境条件下传感器的电阻值

3.1.2传感器模块原理

如图3.1.3是气体传感器模块的原理图，当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大，集成好的传感器可以直接输出变化的电压值。

电路中由运放组成一个电压比较器，当传感器输出电压大于参考电压时输出一个低电平，同时利用接插件将传感器输出电压传输至单片机I/O口，利用AD进行信号处理，单片机再进行处理。

图3.1.3传感器模块原理图

3.2A/D模块

采集到的模拟好好无法被控制器STC89C52识别，因此需要通过一个转换电路先将其转化成数字信号再送入控制器。

显而易见，ADC0809一方面接收采集来的模拟信号，另一方面负责翻译成单片机所能识别的语言再输送出去，因此，A/D转换电路也就分成两部分进行叙述：

（1）接收模拟信号端

即ADC0809的信号输入端，由于本课题只需要采集一路数据，因此属于单通道数据采集，相对来说比较简单，只需将检测电路采集到的模拟电压信号直接送入IN0端，此时，注意模拟通道地址选择线送入应与所选用的模拟通道相对应，由于本次设计选用0通道，故应将ADDA、ADDB、ADDC设置成000即可。

此外，参考电压Vref要连接+5V，实验中直接接到电源即可。

（2）数字信号输出端

信号转化后送到STC89C52进行识别，因此，ADC0809输出端电路即ADC0809与STC89C52的接口电路。

具体可参见图2-9两芯片的接口电路。

1）ADC0809时钟信号

由于ADC0809片内无时钟，可利用单片机提供的ALE经D触发器2分频后得到。

ALE脚的频率是AT89C51时钟频率的1、6，但要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将丢失一个ALE脉冲。

若单片机时钟频率采用6MHZ，则ALE脚的输出频率为1MHZ，再2分频后为500KHZ，恰好符合ADC0809对于时钟频率的要求【2】。

本次设计采用的是6MHZ的晶振，故要从STC89C52的ALE引出信号并将其2分频即可使用，分频器由D触发器接成。

如下图3.2.1接法。

2和5相接，4和6端接低电平，3接由STC89C52送来的时钟信号，从1端就可得到对于信号的2分频了。

图3.2.1D触发器接成的2分频器

2）ADC0809工作过程

众所周知，所有的A/D转换器都必须由外部施加满足要求的控制信号才能启动。

启动方式有脉冲启动和电平启动2种。

ADC0809的启动方式为正脉冲有效，即要启动ADC0809进行一次转换，至于在它的START引脚上施加1正脉冲即可，至于脉冲的宽度，读写脉冲就可满足要求。

正脉冲的上升沿将所有的寄存器清0，下降沿开始转换。

虽然ADC0809有8通道的模拟量信号进行分时转换，某一时刻只能转换其中的一个模拟量。

这样在启动转换的同时还要进行通道选择。

ADC0809设置了3根模拟量通道地址信号线ADDA、ADDB、ADDC，用以编码来选择8个模拟量输入通道，并且还设置了1根地址锁存允许信号ALE，当ALE变高时，锁存由ADDA、ADDB、ADDC编码所确定的通道号，将该通道的模拟量接入A/D转换器进行转换。

依据这样的特性，我们将START信号和ALE信号连在一起，并用

信号进行控制。

在发启动控制信号的同时，将通道号送给ADC0809的通道选择输入端ADDA、ADDB、ADDC，这样，它将可以根据用户选择的通道号进行译码选择IN0～IN7中的一个输入作为转换对象，同时启动该次转换。

ADC0809报告转换是否结束的信号是EOC，在转换过程中为低电平，其余时间为高电平。

在查询方式中，由CPU读取该信号，判断转换是否结束，是否有转换结果可以读出。

ADC0809的数据输出结构是内部有可控的三态输出缓冲器，所以它的数字量输出信号线可以与系统的数据总线直接相连。

内部的三态缓冲器由OE控制，当OE为高电平时，三态缓冲器打开，将转换结果送出；当OE为低电平时，三态缓冲器处于阻断状态，内部数据对外部的数据总线没有影响。

因此，在实际应用中，如果转换结束，要读取转换结果，则只要在OE引脚上加一个正脉冲，ADC0809就会将转换结果送到数据总线上。

下图3.2.2为A/D转换时序图【7】。

图3.2.2ADC0809的读、写、启动以及A/D转换时序图

3）数字信号输出

将ADC0809输出端LSB～MSB与AT89C51输入端高位低位相对应即可。

图3.2.2AD转换原理图

3.3单片机模块

3.3.1STC89C52单片机

STC89C52单片机具有PDIP，TQFP和PLCC三种封装形式。

设计中采用的是PDIP封装，其引脚排列如图3.5所示。

STC89C52单片机有40个引脚，具有如下特性：

片内程序存储器含有4KB的Flash存储器，允许在线编程，擦写周期可达1000次；片内数据存储器内含128字节的RAM；I/O口具有32根可编程I/O线；具有两个16位I/O线；中断系统具有6个中断源、5个终端矢量、2个中断优先级的中断结构；串行口是一个全双工的串行通信口；具有两个数据指针DPTR0和DPTR1；低功耗节电模式有节电模式和掉电模式；包含3级程序锁定位；STC89C52的电源电压为4.0-5.5V，STC89C52的电源电压为2.7-4.0V；振荡器频率0-33MHz（STC89C52）；具有片内看门狗定时器；灵活的在线片内编程模式（字节和页编程模式）；具有断电标志模式POF。

STC89C52引脚功能如下：

--P0口——8位、开漏极、双向I/O口。

--P1口——8位、双向I/O口、内部含有行拉电阻。

--P2口——8位、双向I/O口、内部含有行拉电阻。

--P3口——8位、双向I/O口、内部含有行拉电阻。

P3口除了通用I/O功能外，还有替代功能。

图3.3.1STC89C52单片机引脚图

3.3.2复位电路

（1）电路原理图

图3.3.2复位电路原理图

（2）复位电路：

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）电路复位方式

单片机系统的复位方式结构如图3.3.2所示，按键手动复位又分按键电平复位和按键脉冲复位,电平复位将复位端通过电阻与Vcc相连,按键脉冲复位是利用RC分电路产生正脉冲来达到复位的。

在按键脉冲复位两种简单的复位电路中，干扰易串入复位端，在大多数情况下，不会造成单片机的错误复位，但会引起内部寄存器错误复位，这里可在复位端引脚上接一个去藕电容。

需说明的是，如复位电路中R、C的的值选择不当，使复位时间过长，单片机将处于循环复位状态。

3.3.3时钟电路

89C51片内有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。

反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，分别为89C51的19和18管脚。

在XTAL1和XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容就构成了稳定的自激振荡器，如下图3.3.3.电容C1和C2通常都取30pF左右，对振动频率有微调作用。

振动频率范围是1.2～12MHZ。

。

图3.3.3振荡电路

3.4显示报警模块

本系统中单片机将采集到的电压值转换为对应的浓度值显示到数码管中，通过单片机的I/O口对数码管进行位选来选通其中的数码管亮，通过74HC573来驱动数码管显示相应数值。

单片机通过I/O口来输出数据，数码管将浓度值显示出来。

图3.4.1数码管显示电路（改成三极管驱动）

报警由蜂鸣器和发光二极管组成。

报警电路原理图见图3.4.2。

当空气中检测到煤气泄露并超过预报警报限时，单片机通过传感器模块的浓度检测端口检测到低电平，单片机P2.0口输出一定周期的高低电平，三极管被导通，蜂鸣器工作，进行声音报警，并且LED灯闪烁。

图3.4.2报警电路

3.5电源模块

电源电路主要是为系统提供电源，因为STC89C52是5V，故整个系统用5V，用一个LM7805稳压产生一个5V电压。

外接6~8V直流电压输入，通过二极管整流，电容C滤波后送入LM7805稳压，一路送入蜂鸣器提供驱动特别是在模拟电源和数字电源之间一定要分开，要不然会对电路产生影响。

特别是信号类的电路，模拟地和数字地如果不分开会对信号造成干扰。

图3.5.1电源电路

用LM7805系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，可以稳定输出5.0v，最大输出电流1.5A，其压差在0.4V，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

该系列集成稳压IC型号中的lm78或lm79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如lm7806表示输出电压为正6V，lm7909表示输出电压为负9V.

4软件设计

程序设计：

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，单片机将采集到的电压转换为对应的浓度值显示出来。

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，P2.0口变为高电平，即接通报警设备电路，。

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。

5系统技术指标及精度和误差分析

本系统是检测煤气泄漏的浓度以及报警，技术指标要求系统能够检测和显示气体浓度，能够在超过预设浓度值后报警提示。

误差分析：

由于传感器自身原因，会存在一定的误差。

系统中我们采用的A/D是ADC0809其分辨力和精度都比较低，在数据的采集方面存在着一定的误差。

当煤气浓度达到100pm时显示在数码管上的数字为01。

当10000pm时数码管显示99。

即电压的变化就对应于浓度的变化。

故误差在0.5%之内，符合标准

6结论

本文利用单片机结合现代传感器技术而开发设计了这一气体浓度监控系统,经过理论分析还有实验验证，该气体浓度监控系统具有成本低、技术成熟、功能完善、灵活性高、可靠性好、抗干扰能力强、实时性高并且同时示警等优点，系统整体结构简单、容易实现、实用方便，符合安全系统的设计要求。

因此，如果该系统能够投产并投入实际使用中必定能产生相当大的社会经济效益。

本设计系统主要包括气敏传感器检测模块，A/D转换模块，单片机模块。

文中对每个部分功能、实现的过程作了详细介绍。

整个系统的核心是进行浓度的实时监控，各项功能的实现满足了课题所有要求。

通过对气敏传感器及接口电路的分析，了解了接口电路是如何巧妙地将气敏传感器的信号转变为不同的电信号并通过A/D转换后送入计算机中进行处理。

另外，本系统的气体浓度监控装置设置可变电阻器，使整个装置的监控灵敏度为可调节的，从而可充分满足用户的监控要求，而且这种调节是非常简单的。

本设计应用性比较强，设计系统可以作为气体浓度监控系统，如果稍微改装可以做烟雾检测系统、实验室有毒气体监控系统等等。

此外，该系统中存在一定的不足，那就是系统没有采用间歇工作方式，如果系统采用间歇工作方式，在将其工作时间和停止时间设定为工作时间短而停止时间长，既可充分满足及时监控环境中的气体浓度，又可使其中所用的气敏传感器有足够的间歇周期，从而可大大延长该传感器的使用寿命，有利于保证整个装置工作的可靠性。

7设计小结

两周的课程设计就这样结束了，带给我们的有迷茫，有忙碌，有疲惫，有欣喜，但是对于我们每个认真参与其中的人来说都收获颇多。

本设计提出了一个煤气泄露报警装置的设计方案，该检测装置通过传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。

使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出电压，该电压信号经运放跟随比较后通过A/D转换器后将模拟信号转化为数字信号。

最后将数字信号送入AT89C51单片机，经过软件的控制，在数码管上显示相应的浓度值，在电路中设计报警电路，超过设定浓度后报警提示。

本设计通过EDA、数电以及模电几方面知识的结合。

在整个设计和制作的过程中，我遇到了各种难题,通过查阅资料,问题一步步地得到了解决,同时我也深刻体会到了所学理论知识的重要性,以及理论知识与实际操作相结合的重要性。

经过两周的课程设计和学习，更深入的了解到现代测试技术的相关内容，通过课程设计对电子设计的相关知识更加的了解，对软件操作界面的不熟悉到现在的基本熟练掌握，我收获到的不仅仅是类似protel99se这样的软件的熟练使用，更重要的则是这两周对我思考、分析、设计、修正等等能力的锻炼，从而真正领略到了数字电路的无穷魅力所在！

今后我们要学会将学过的相关知识联系起来，理论联系实际，让自己有更大的进步！

通过EDA的模拟编译、适配、仿真，可以大大的缩短设计周期。

EDA仿真测试技术只需要通过计算机软件就能对所设计的电子系统从不同层次的系统性能特点完成一系列准确的测试与仿真操作，在完成实际系统的安装后，还能对系统的目标器件进行边界扫描测试，嵌入式逻辑分析仪的应用，这一切都极大的提高了大规模电子系统设计的自动化程度。

8参考文献

[1]万福君、潘松峰.单片微机原理系统设计与应用（第二版）[M].合肥：

中国科学技术大学出版社，2001.

[2]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京：

清华大学出版社，2004.

[3]蔡美琴、张为民.MCS-51系列单片机系统及其应用（第二版）[M].北京：

高等教育出版社，2004.

[4]杨振江、杜铁军.流行单片机实用子程序及应用实例[M].西安电子科技大学出版社，2002.

[5]张培仁.基于C语言编程MCS-51单片机原理与应用[M].北京：

清华大学出版社，2003.

[6]李群林.基于多路传感器的温湿度检测系统[J].中国仪器仪表，2006（11），38—40

[7]孙环.基于SHT11单片集成传感器温湿度检测模块设计[J].国外电子测量技术，2006（6），43—48

[8]沙占友.集成化智能传感器原理与应用[M].北京:

电子工业出版社,2004:

119-127.

[9]孟臣、李敏、李爱传.I2C总线数字式温湿度传感器SHT11及其在单片机系统的应用[J].国外电子元器件,2004（3）:

50-54

[10]刘迎春、叶湘滨.现代新型传感器原理与应用[M].北京：

国防工业出版社，1998.

[11]何希才.传感器及其应用电路[M].北京：

电子工业出版社，2001.

[12]沙占友.智能化集成温度传感器原理与应用[M].北京：

机械工业出版社，2002.

[13]赵继文.传感器与应用电路设计[M].北京：

科学出版社，2002.

[14]丁镇生.传感器及传感技术应用[M].北京：

电子工业出版社，1998.

[15]张洪润、刘秀英、张亚凡等.单片机应用设计200例[M]．北京：

航空航天大学出版社，2006.

[16]NordicVLSIASA.nRF24E1andnRF24E2RFlayouts[P].ApplicationNote,ordercode:

200503-nAN24-0.2003.

附录1：

电路总图

附录2：

软件代码

#include

#defineuncharunsignedchar

#defineuintunsignedint

ucharTem1,Te