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3.389c51复位电路-16-

3.489c51译码及外部扩展-17-

3.5电源电路-19-

3.6显示电路-20-

3.7报警电路-22-

结论24

参考文献25

第1章绪论

1.1课题设计背景与意义

随着煤气、液化石油气的用户越来越多，因使用不当而造成的事故时有发生。

譬如煤气炉在烧水或做饭期间，往往因为开水及稀饭外逸继而导致火灾、爆炸事故。

因此，在现有灶具上安装煤气意外报警电路是十分必要的。

又由于石油、化工生产过程具有易爆、易燃的性质，生产装置时常可能泄漏可燃性气体或蒸汽，当这些气体或蒸汽在空气中的浓度达到一定数值时，随时都可能发生爆炸火灾事故，威胁着人身与设备的安全。

为了保证安全生产，严密监测可燃性气体在空气中的浓度，是否能安全生产的必要条件。

在生产现场容易泄漏可燃性气体的地方安装可燃性气体报警器，当空气中的可燃性气体或蒸汽的浓度达到或超过报警设定点时，可燃性气体检测报警器便发出闪光和声响报警信号，以便及早采取必要的应急措施，避免爆炸火灾事故的发生，达到安全生产的目的。

随着科学技术的发展，工业生产规模的扩大，在生产中使用的气体原料和生产过程中产生的气体种类和数量也在增加。

这些气体物质中有些是易燃易爆的，有些是引起人们窒息，中毒的。

煤气作为一种气体能源，在人们生产和生活中已得到越来越广泛的应用。

煤气（主要成分CO）的泄漏将严重地污染环境并可能诱发爆炸及使人中毒等事故的发生。

为了保证生产和生活的安全，防患于未然，就需要对其进行有效的监控。

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。

而且，气体报警器的研发对于防止煤矿事故也是至关重要的，据权威部门统计，仅去年煤矿事故死亡人数就高达3786人，同时也造成了巨大的经济损失，我国特大煤矿事故也是非常严重的。

由此可见报警器无论是在人们的日常生活中，还是在煤矿等工业生产中都发挥着至关重要的作用，所以实时准确测量周围环境中的可燃性气体，有毒有害气体泄露，对保护人民的身体健康和财产安全有重要意义。

泄漏检测技术在管道检测之中的应用得到了很好的发展。

对于管道的泄漏检测要满足以下几个要求:

1.准确可靠地判断泄漏的发生，并能够在较短的时间内判断出泄漏点具体的位置。

2.准确可靠地判断泄漏程度，能对较小量的泄漏做出判断。

3.检测原理简单，易于操作和维护。

1.2煤气检测在国内状况

目前市场上销售的煤气泄漏报警器在功能及线路结构方面不同程度上的存在一些问题，因此煤气泄漏装置的功能和可靠性的加强成了迫切需要解决的问题。

本系统线路简单，价格便宜，易于操作和维修，是一种比较理想的报警装置。

在将来的社会中，随着使用煤气的普及，煤气泄漏报警器会有更大的发展，使用量会有更大的提高，前景比较光明。

随着我国燃气事业的高速发展，燃气安全技术越来越受到重视，传统的安全检测已经不能满足人们对燃气安全生产运行的要求。

以计算机为基础的信息时代，燃气管网也进入了数字化的进程中，城市燃气安全运行管理有了更为先进准确的手段。

本文主要对基于城市燃气管网的特点，目前城市燃气故障（泄漏）检测系统中的存在的问题进行分析，讨论目前存在的问题。

希望能够在一定程度上对检漏系统的设计和改造过程中有一定的帮助。

《城镇燃气设计规范》和《城镇燃气管网抢修和维护技术规程》为主的国家标准构成了城市燃气安全体系的核心。

国家标准中规定了各种燃气设施的安全设计、运行与维护所要达到的要求，这些标准特别是强制性条文使得城市用气安全有了保障。

在规范和规程中的检漏体系，主要是规定了人工巡检的机制，对燃气管网系统的管道及其附件，设备的安全检查。

人工巡检实质上就是间断性的检测，随着检测特点的不同可分为固定式和便携式。

固定式是指将检测设备固定在某点如用户厨房，检测井，阀门井中，对某一空间进行的监测，一旦发生泄漏并达到一定浓度时，便发出报警信号。

便携式是指巡检人员携带检测设备可对燃气管道的各个点进行检测，就有高度的灵活性和灵敏度。

现有的便携式检测设备很多，灵敏度都很高，基于的原理也都不一样。

连续性检测技术使得检测变成了监测，在时间和空间保证了连续性，使得燃气管网处于实时的监控之中。

但连续性检测系统本身存在着一定的缺陷，它的灵敏度和定位精度相对较低，微小泄漏难以察觉，误报率也现对较高。

间断性泄漏检测法敏感性和定位精度有着无可比拟的优越性，误报率也非常低。

如人或狗巡线（嗅觉）、取样分析法、光学检测法，遥感激光法等，通过对管线进行沿线逐步测量发现管道是否存在泄漏和其他故障。

面对处于复杂城市环境，因而对其安全性有更高要求的城市燃气管网，连续性检测和间断性检测，计算机监测和人工巡查，只有运用多种手段才能使得人们对燃气系统安全运行得到可靠保证。

同时利用各种分析手段对管道进行风险评价，对不同等级的管道运用不同的技术手段以保障其经济适用性。

基于神经网络的管道泄漏检测方法不同于已有的基于管道准确流动模型描述的泄漏检测方法,能够运用自适应能力学习管道的各种工况,对管道运行状况进行分类识别,是一种基于经验的类似于人类的认知过程的方法,该方法还可以应用到管道堵塞、变形等多种故障。

对于运行工况比较复杂的城市燃气管网可以利用这些特点设计检测系统，目前已有单位申请了该种检测方法的发明专利，具有广泛的应用前景。

1.3本系统设计的主要内容

本系统是利用单片机对64个房间进行自动监测，一旦出现煤气泄漏情况，能立即报警，并指示泄漏地点的煤气泄漏自动报警系统。

信号通过传感器电路，转变成数字信号，传送给单片机。

并通过循环检测，查出并同时显示出报警地点。

主要技术参数：

响应时间：

40S

报警音量：

70DB

工作电源：

220VAC50Hz

报警浓度：

0.01%

温度范围：

-10℃～+70℃

第2章方案论证

2.1总体系统方案

系统设计方案如图2-1。

图2-1系统设计方案图

2.2单片机比较

从硬件角度看：

单片机具有小型化的特点，它采用超大规模技术将具有数据处理能力的微处理器（CPU）、存储器（含程序存储器ROM和数据存储器RAM）、输入、输出接口电路（I/O接口）集成在同一块芯片上，一片单片机芯片就具有组成计算机的全部功能。

从软件角度看：

单片机指令系统有精单指令的特点，容易学习。

利用单片机指令编写的源程序短小精悍，使单片机应用产品即体积小又具有智能化。

发展前景：

纵观单片机的发展过程，可以预见单片机的发展有着广泛的前景。

尤其在工业控制、智能仪器仪表、计算机网络和通信领域、家用电器、医用设备等领域中将有着广泛的发展前景。

单片机的各种主要用途如下。

（1）在智能仪器仪表上的应用

（2）在工业控制中的应用

（3）在家用电器中的应用

（4）在计算机网络和通信领域中的应用

（5）单片机在医用设备领域中的应用

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。

单片机应用系统是一个工业测控系统，从这一观点出发，单片机应用于系统工程应满足下列要求：

（1）控制接口，这只在测控接口及测控功能电路配置和要求与测控对象密切相关。

（2）必须适应现场环境要求。

计算机系统及接口电路设计，配置必须考虑到应用系统安放环境要求。

INTEL公司推出的MCS—48系列单片机，被称为第一代单片机。

由于8048硬件结构相对简单，寻址能力也较弱，仅适用于一些简单实时控制场合。

MCS—51系列单片机，称为第二代单片机与8048相比，51系列的硬件结构和指令系统均有很大改进，支持更大存储空间，很强的外部扩展功能，速度提高了2-5倍，可完成布尔运算等。

目前8051已成为第二代工业标准单片机。

近年来，又出现了十六位单片机，即MCS—96系列。

8096，8098是先进的十六位“片上计算机”，芯片内含有12000个发光晶体管，速度快，集成度高，适合于I/O端口密集场合的复杂实时控制，但设计过程较复杂，价格较高。

下面就以上三种单片机的各部分进行比较。

1．三种系列CPU比较

MCS—48：

8位CPU，累加器为算术逻辑运算中心，2级工作寄存器，累加器可以寻址，定时，控制，条件分支测试逻辑，时钟速度1-11MHZ.

MCS—51：

8位CPU，累加器为算术逻辑运算中心，4级工作寄存器，B寄存器，具有寻址64KB数据存储器的位，DPTR寄存器定时，控制逻辑，时钟速度1-12MHZ。

MCS—96：

16位CPU相当于一个“累加器”，内部寄存器阵列可进位操作，硬件实现乘除法，检测软硬件故障的定时器，定时与控制逻辑，时钟速率为1-12MHZ。

2．三种系列I/O端口及中断比较

2个8位并行口，1个位定时器/计数器，2路8位A/D转换器。

单级中断，两个中断器。

MCS—51：

4个8位并行口，1个全双工串行口，2个16位定时器/计数器。

它是二级中断，5个中断源。

5个8位并行口，1个全双工串行口，2个16位定时器/计数器，8路十位A/D转换器。

它是可编程级中断逻辑，20个中断源。

89C51是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用ATMEL公司可靠的CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。

它结合了CMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于89C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。

89C51内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出（I/O）口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。

此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。

在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。

掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。

89C51有PDIP（40pin）和PLCC（44pin）两种封装形式。

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8个TTL门电流。

当P0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4个TTL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口作为AT89C51的一些特殊功能口，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（计时器0外部输入），P3.5T1（计时器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）　　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/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。

外接石英晶体或者陶瓷谐振器以及电容C1、C2接在放大器的反馈回路（AT89C52内部有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大电路，XTAL1、XTAL2分别是该放大器的输入和输出端）中构成并联振荡电路。

为了使装置能够被外部时钟信号激活，XATL1应该有效，而XTAL2应该被悬空。

由于输入到内部的时钟信号电路通过了一个二分频的信号，外部信号的工作周期比没有别的要求，但是最大值和最小值的大小可以在数据表上观察出来。

当正常工作时，外部振荡器可以计算出XTAL1上的电容，最大可达到100pF。

这是由于振荡器电容和反馈电容之间的相互作用。

当外部信号是标准高电平或者低电平时，电容不会超过20pF。

用户的软件都可以调用空置模式。

当单片机出于这种模式，耗能就会自然降低。

特殊功能端和板子上的随机存储器在空置状态保持各自的电平。

但是处理器阻止装置执行指令。

空置模式会被激活如果端口处于复位状态或者中断系统有效。

根据上述，MCS—51系列单片机在I/O端口功能、种类、数量及系统扩展和CPU处理上都有较高的性能。

MCS—51系列可行性好，易扩展，控制功能强，可谓是性能价格比最佳的八位单片机，特别适合我国国情。

因此，本设计采用MCS—51系列单片机，根据设计要求，选取MCS—51系列的89c51作为实际的单片机控制。

2.3传感器选择

当泄漏的可燃性气体在空气中的浓度达到一定数值时，随时都可能发生爆炸火灾事故，威胁着人身与设备的安全。

为了保证安全生产，严密监测可燃性气体在空气中的浓度。

在生产现场容易泄漏可燃气体的地方安装可燃性气体报警器，当空气中的可燃性气体浓度达到允许超过报警设定点时，可燃性气体检测报警器便发出闪光和声响报警信号，以便及早采取必要的应急措施，避免爆炸火灾事故的发生。

1．可燃性气体检测器的选用

可燃性气体检测器技术近年来发展很快，生产的厂家也很多，但其工作原理大致可分为催化燃烧法和半导体气敏元件法两种方式、每种方式又从使用型式分为固定式和．便携式，从采样形式分为泵吸式和扩散式。

2.半导体气敏元件检测原理

半导体气敏元件有氧化锡半导体和氧化锌半导体两种类型，检测电路见图2-2。

加热电源B输出U0BA

Us输出Uo加热电源Us

（a）氧化锡半导体式（b）氧化锌半导体式

图2-2半导体气敏元件检测原理图

在这两种电路中，以恒定的直流电源通过铂丝加热器进行加热，当空气中无可燃气体存在时，氧化锡半导体A、B极间和氧化锌半导体源极B与加热铂丝间呈高阻状态，此对无信号输出，当空气中有可燃性气体存在着吸附在金属氧化物烧结体上引起电导率的变化，半导体器件阻值变小，从而将可燃气体浓度转变为电信号输出。

从有关资料及使用情况分析，催化燃烧式检测器全量程灵敏度高，精度较高，响应时间快，示值的重复性及线性好，但它受硫化物，氯化物气体污染后失效。

半导体气敏式检测报警器，虽然综合性能均低于催化燃烧式检测器，但它能适用子含有少量硫化物、氯化物气体的场合，对微量泄漏较为敏感，仅需了解可燃气体是否存在，对其变化趋势的了解要求不高的场合较为适应。

3.两种使用形式的应用情况

一般来说，便携式可燃气体检测报警仪适应于以下情况：

（1）要求对可燃气浓度定时检测的场所；

（2）临时处理可燃气体的场合检查容器内是否有残留气体；

（3）阀门、法兰等处的微量泄漏；

（4）在有可燃气体泄漏或滞留的场所临时作业时；

（5）固定式可燃气体检测报警仪表因故短期停用的气体爆炸危险环境。

除此之外，所有需要连续监视是否有可燃气体泄漏及存在的场合，需重点监视的场合等都应使用固定式可燃气体检测报警器。

4．两种采样型式的应用

生产现场较多采用扩散式检测器，它适用于区域监测，一般性的重点监测；

泵吸引式检测器则用于泄漏点不易接近的场合，微量泄漏监测，特殊重点监测等场合。

因此，在设计使用可燃气体检测报警系统时，应根据气体条件及检测报警要求决定采用催化燃烧式还是半导体气敏元件式检测器，然后根据检测对象及环境，是否需要配备便携式仪表，最后根据区域要求及测点条件等因素决定各处检测器采样样式，因此达到合理有效地选用可燃气体检测报警仪。

5．可燃气体检测器的安装要求

在设计中对无可燃性气体或蒸汽存在的场合、安装多少数量的检测器、怎样安装测器等，是设计人员非常关心的问题，但由于尚无一般规则可供遵循，只能依据产品说明书的要求，凭经验行事。

通过对可燃气体检测报警系统的设计和查阅资料认为：

一般来讲，检测器的安装需统盘考虑可燃性气体的性质、周围空气的流动性，建筑结构，整体布局，泄漏点及经济性等几个方面。

一般在设计时必须考虑到：

（1）在空气不流通的环境，检测器应安－置在可能存在泄漏气体的死角。

（2）可燃性气体比重小干1时，检测器应安装在泄漏点的上方气体易积处，距屋顶大于100rnm；

比重大于1时，检测器应安装在泄漏点下方，一般距离地面500mm的高度。

考虑到检测器维修及标定的方便，一般要求检测器周围需30公分的空间。

（3）在空气流通的场合，其位置应考虑到风向的影响，使检测器总是位于泄漏气体的下风侧。

（4）设置在建筑物内的压缩机、泵，反应器、贮罐，容易引起泄漏的高压气体设备及易积聚气体的地方，在这些设备群的周围按每10m安装一个检测器考虑。

（5）设置在建筑物外的（4）条所述的高压气体设备，这些设备接近其它构筑物，墙壁或设置在坑内，在这些设备群的周围可按每20m安装一个检测器考虑。

（6）在有加热炉等火源的生产设施周围、气体易滞留的地方，可按每20m装一个检测器考虑。

（7）可燃性气体或液体的罐装口，在其周围需要安装二个以上的检测器。

（8）仪表控制室内设置一个以上的检测器。

（9）当检测器采取距阵均布时，各检测器之间的距离一般情况可按15m间隔考虑，并视装置区设备的安装密度与生产过程产生爆炸的危险程度作相应的增减。

6.可燃气体报警仪报警值的设定

可燃气体检测报警器的表面刻度通常用可燃气体或蒸汽最终爆炸极限浓度（LEL）的百分值来标示，标示范围为0～100%LEL。

在实际使用中，需要设定报警刻度值，对于每个报警回路只具有一个报警设定点时，通常设定为20％—30％LEL，对于具有二个报警设定点的报警器，一般将第一报警点设定在20％LEL，第二报警点设置在40％LEL。

当然使用者可根据现场的需要对报警设定值作适当的调整，但是报警设定值不得超过60%LEL，以便当仪表报警时，能有一定的时间进行紧急处理，避免事故的发生。

2.4整体方案确定

设计是利用单片机控制技术，制作了程控一氧化碳报警器。

该仪器对一氧化碳进行实时监控，当一氧化碳的浓度超过允许值时，单片机控制电路进行报警，并通过外接排风扇进行程控，以防事故发生。

基于AT89C51性价比高的优势，主要运用了AT89C51单片机进行控制。

而对与报警器而言至关重要的部分是传感器，由于GS系列气敏元件采用半导体敏感材料，其灵敏度、选择性、稳定性、抗干扰性、响应时间及寿命等主要性能，均达到国内先进水平.用该系列元件组装成易燃易爆和有毒气体泄漏报警器及检测装置，可广泛运用于矿山、油田、化工、国防、医药及家庭，所以在设计中采用的是GS系列传感器。

在模数转换这块，利用ADC0809实现模数转换，ADC0809是8位逐次渐进型的A/D转换器，它采用COMS工艺20个引脚双列直插式封装，它有三态琐存器，直接驱动数据总线，与微机相连时不需要附加接口电路。

为了方便用户了解浓度信息，好提前准备，还采用了显示环节。

显示器显示常用两种方法：

静态显示和动态扫描显示。

所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。

这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小。

可以提供单独锁存的I/O接口电路很多，这里