完整版可燃气体报警系统的设计毕业设计论文Word文档下载推荐.docx
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1.绪论
1.1研究的目的和意义
天然气作为一种新型清洁型高效型能源近年来得到广泛普及成为人民的首选燃料，但是当它给
人民带来方便的同时也带来了安全隐患。
每一栋居民楼被天然气“笼罩”伴之而来的是天然气泄漏引发的爆炸、火灾等事故的发生。
这在某种程度上增加了人民生命财产的不安全和不稳定因素。
为了使天然气更好地服务群众服务社会减少各种因天然气泄漏而引发的爆炸及火灾事故。
各天然气使用单位尤其是居民用户选择一种适当的天然气检测报警器十分重要,因此本设计对室内天然气检测报警系统进行了研究。
为了预防天然气的泄漏切实保障人民安全，人们采取了各种措施。
家用智能天然气检测报警系统是预防天然气泄漏的一种家用的自动检测报警控制系统，也是一种高灵敏度的气体探测器，一般都是应用高灵敏度的气敏元件作气电转换元件并配以电路和声光报警部分组成。
当泄漏的气体达到危险极限值时报警器就会发生鸣响和声光报警[1]。
本设计主要针对传统天然气检测报警系统进行技术改进以满足要求具有如下特点，用单片机实现检测并控制电路，设计简单、价格适中、稳定、增加了超出安全值时自动开启排风扇，而且采用气敏传感器，安全可靠，因此本系统也可作为智能家居系统的一个子系统。
1.2国内外情况及其发展趋势
当前应用最广泛的可燃性气体泄漏报警器与气敏元件传感器已普及应用于气体泄漏检测和监控。
仅用安全保护家用天然气泄漏报警器为例，不少西方发达国家在法律上已经明确规定家庭、公寓、餐厅、医院、学校、工厂的必须按要求安装报警器。
国外可燃性气体泄漏报警器发展很快，是由于人们安全意识很强对环境安全性和生活舒适性要求较高，另一方面是由于燃气泄漏报警器市场的增长受到政府安全法规的推动。
因此，国外燃气报警器技术得到了较快发展。
据有关统计：
美国在1996年—2002年就天然气报警器的年均增长率为27%--30%。
在这些方面，国内方面有待增强。
1.3论文结构
论文主要从技术概述、总体电路设计、硬件电路设计、系统软件设计流程图、制作与调试等几大方面来介绍天然气报警系统的设计和制作过程。
其中方案论证及选择主要从三种可以实现天然气超标报警功能的方案中选择一个成本低、易操作、系统性能较高的方案。
硬件电路设计主要是针对选择的方案进行具体的电路设计。
其中主要设计的电路包括：
单片机最小系统电路，SIM900A模块电路，天然气检测电路，继电器控制电路，声光报警电路等。
系统软件设计则主要是设计单片机进行控制所需要的相关程序，这部分程序采用C语言进行编写。
最后的制作与调试主要是进行硬件仿真与制作，并对硬件进行相关功能的测试，检测是否能达到设计所要实现的功能。
最后对全文进行概括的总结，并提出相关扩展功能，有待进一步完善。
第一章：
绪论，介绍了设计此系统的目的和意义，同时简要介绍了此系统在国内外的情况及其发展的趋势。
第二章：
详细介绍了此系统的硬件设计。
此系统的主要有传感器，单片机最小系统，数码管显示，声光报警及远程报警五个模块组成。
第三章：
介绍了此系统的软件设计。
第四章：
介绍了此系统的装配与调试过程。
第五章：
完成此系统设计后的总结与展望。
2.硬件系统的设计
2.1方案论证及选择
2.1.1方案论证
方案一：
基于蓝牙设计的天然气报警系统
蓝牙技术是一种短距无线通信技术，用于替代数字设备和计算机外设间的电缆连线以及实现数字设备间的无线组网。
首先由单片机通过蓝牙模块接收数据，然后将该数据导入LCD屏进行显示，
同时单片机对天然气值进行分析处理，将天然气值与设定值进行比较，若天然气值大于设定的值即刻启动报警。
方案二：
采用SIM340
SIM340
GSM／GPRS模块应用于WLL，M2M和手持设备的GSM／GPRS模块。
SIM340是小体积即插即用模块中完善的四频GSM／GPRS解决方案使用工业标准界面，使得具备GSM／GPRS
850／900／1800／1900MHz功能的SIM340以小尺寸和低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输。
SIM340的优良性能让它应用于许多方面，例如WLL、M2M、手持设备等等。
四频GSM／GPRS模块，外形尺寸40mm
x33mm
x2.85mm
。
支持用户定制的MMI和键盘／LCD内嵌强大的TCP／IP协议栈。
方案三：
基于SIM900A的天然气报警系统。
基于SIM900A的火灾报警系统原理框图如图2.1所示。
图2.1基于SIM900A的报警系统图
SIMCom推出新款紧凑型产品—SIM900A.它属于双频GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装形式，SIM900A仅适用于中国市场，其性能稳定，外观精巧，性价比高，能满足您的多种需求。
SIM900A采用工业标准接口，工作频率为GSM/GPRS850/900/1800/1900MHz，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。
另外，SIM900A的尺寸大小为24x24x3mm，能适用于M2M应用中的各类设计需求，尤其适用于紧凑型产品设计。
2.1.2方案选择
蓝牙
蓝牙的通讯速率不是很高，而且应用成本很高，普及难度大，并且只适用于进程通讯，无法达到远程的目的。
故排除方案一。
方案二与方案三：
GSM网络信号覆盖面积广、网络接入灵活、无需布线，打破了距离的限制，从而可以实现全国乃至全球漫游监控。
短消息（SMS）利用信令信道传输，直接把要发的信息加上目的地址发送到短消息服务中心，由服务中心再发给终端。
短消息容量有限（每条短信内容最多140个字节），适于传输小流量的数据；
由于建立时间较长，传送过程要受短消息服务中心服务器繁忙程度的影响，因而适于非连续性和实时性要求不太高的传输场合。
短消息传输具有实现简单，通信成本低的优点。
设计此系统的是基于短消息方式，简单、方便使用、价格低廉的实用性系统，因此我们选择SIM900A。
两者功能相似，SIM340在相同技术领域相对SIM900A更胜一筹，但对本系统而言SIM900A性价比更高。
因此，综合考虑成本、易操作性、系统性能等因素，最终选择方案三。
2.2传感器部分的设计
2.2.1传感器的概述
天然气和甲烷传感器的主要分为离子式传感器、光电式传感和气敏式传感器。
（1）离子式传感器：
离子式传感器是一种先进的技术，是一种工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，它的性能远优于由光电式传感器构成的报警器。
（2）光电式传感：
该传感器内部有一个光学迷宫，安装有红外对管，没有天然气和甲烷时红外接收管接收不到红外发射管发射出来的红外光线，当天然气和甲烷进入光学迷宫时，通过折射、反射后，接收管将接收到红外光线，报警电路判断是否超过阈值，超过则发出警报，反之则不然。
（3）气敏式传感器：
该传感器是一种检测特定气体的传感器。
它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器[2]。
半导体气敏元件有N型和P型之分。
N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小，P型阻值随气体浓度的增大而增大。
当温度在200～300℃时半导体气敏元件让空气中的氧吸附在元件表面，当氧负离子吸附在半导体气敏元件表面可以形成氧负离子吸附，氧负离子的减少就会使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。
当遇到空气中可燃气体时，由于可燃气体能够提供给电子，可燃气体中就会有正离子吸附在金属氧化物半导体表面，氧负离子放出电子使可燃气体以正离子的吸附也要放出电子，电阻值下降就是因为半导体电子密度增加。
当气体中可燃气体的浓度减少或可燃性气体不存在了，半导体气敏元件中金属氧化物半导体就能恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。
这就是半导体气敏元件检测可燃气体的基本原理。
此次使用的气敏式传感器选择的具体型号为MQ-5。
该传感器常用于家庭和工厂的气体泄漏装置，适宜于天然气和甲烷的探测。
本设计选用的MQ-5型气体传感器，这种型号的传感器的特点是灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长、价格低廉等优点。
MQ-5气体传感器是SnO2（氧化锡）半导体气敏传感器属于电阻型气敏元件。
它是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化。
若气浓度发生变化，其阻值也将随之变化。
根据这一变化，可以从阻值的变化得出吸附气体的种类和浓度[3]。
2.2.2MQ-5传感器的主要特点
MQ-5的主要特点：
（1）具有信号输出指示。
（2）双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）
（3）TTL输出有效信号为低电平。
（当输出为低电平时信号灯亮，可直接单片机）
（4）模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压值越高。
（5）快速的响应恢复特性。
（6）具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。
（7）适宜于天然气和甲烷的探测。
2.2.3MQ-5传感器的引脚功能及
MQ-5天然气传感器实物图如图2.2所示。
图2.2MQ-5烟雾传感器实物图
MQ-5天然气传感器部分电路如图2.3所示，主要由天然气传感器MQ-5和比较器LM393构成。
图2.3天然气传感器电路图
其引脚表如表2.1所示
表2.1MQ-5天然气传感器引脚功能
引脚
功能
VCC
5V工作电压
GND
外接GND
D0
小板数字开关输出接口（0和1）
A0
小板模拟量输出接口
传感器的电导率是随空气中可燃气体浓度的增大而增大，再使用相应的外围电路就可将电导率的变化转变成与该气体浓度变化相对应的电信号。
一般情况下，传感器输出的信号会比较弱，而且其中还包括了一些避免不了的干扰，对这种信号的放大就需要有很好的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗的放大电路。
当传感器输出的信号经过前置放大电路对其进行的放大、滤波、电平调整后，输出的信号才能满足单片机对输入信号的要求。
天然气传感器是气-电变换器，它属于气敏传感器，它将空气中天然气和甲烷气体的含量（即浓度）转化成对应的电压或者电流信号，传感器作为天然气和甲烷报警器的信号采集部分，是整个系统的核心组成部分之一。
一个天然气和甲烷传感器既可以只实现单个功能，也可以实现多种功能的。
一个完整的天然气和甲烷传感器都必须具备：
（a）能够检测某种单一气体，而对共存的其它气体不响应或低响应；
（b）对被测气体具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的气体浓度；
（c）对检测信号响应速度快，重复性好；
（d）长期工作稳定性好，制造成本低，使用与维护方便等条件[4]。
2.2.4OP07精密运算放大器
OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性（双电源供电）运算放大器集成电路。
由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。
OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±
2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。
性能指标：
超低偏移：
150μV最大。
低输入偏置电流：
1.8nA。
低失调电压漂移：
0.5μV/℃。
超稳定。
时间：
2μV/month。
最大高电源电压范围：
±
3V至±
22V。
图2.4OP07芯片
2.2.5信号处理电路
传感器的输出是是一个很小的电压信号。
经由运算放大器的6倍放大，在经过一个相减电路。
之后电压信号进行A/D采样。
相减电路的设计源于对可靠性和适用性的考虑。
不同的环境传感器的输出电压可能不同，但经过一个相减电路，都可以输出一个定值，作为单片机A/D采样的数据。
可以通过调整电位器的旋钮来调节出在当前环境的稳定值。
图2.5信号处理电路
2.2.6正负电源
正电源由外来的稳压5V电源提供。
小功率极性反转电源转换器ICL7660。
ICL7660是Maxim公司生产的小功率极性反转电源转换器。
ICL7660的静态电流典型值为170μA，输入电压范围为1.5-10V，（Intersil公司ICL7660A输入电压范围为1.5-12）工作频率为10kHz只需外接10kHz的小体积电容，只需外接10μF的小体积电容效率高达98％合输出功率可达700mW（以DIP封装为例），符合输出100mA的要求。
（2）内部电路与引脚功能
ICL7660提供DIP、SO，μMAXTO-99等封装形式。
表2.2ICL7660引脚
引脚号
引脚符号
引脚功能
1
N.C
空脚
2
CAP+
储能电容正极
3
接地
4
CAP-
储能电容负极
5
VOUT
负电压输出端
6
LV
输入低压电压控制端，输入电压低于3.5V时，该脚接地，输入电压高于5V时，该脚必须悬空。
7
OSC
工作时钟输入端
8
V+
电源输入端
图2.6负电源模块
2.3单片机最小系统的设计
2.3.1最小系统的设计
单片机最小系统的具体电路图如图2.7所示。
电路主要包括：
单片机、时钟电路、复位电路。
图2.7单片机最小系统电路图
（1）STC15f2k60S2单片机
STC15f2k60S2是一个低功耗，高性能的CMOS8位单片机。
STC15系列增强型8051单片机集成了上电复位电路与高精准R/C振荡器，给单片机芯片加上电源就可跑程序；
集成了大容量的程序存储器、数据存储器以及EEPRM，集成了PWM、SPI等高功能接口部件，可大大地简化单片机应用系统的外围电路，使单片机应用系统的设计更加简捷，系统性能更加高效、可靠。
STC12C5A60S2/PWM
系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D。
针对电机控制，强干扰场合[5]。
STC15系列中STC15F2K60S2单片机使用最为频繁，用户应用程序空间60K，足以满足多数应用此芯片的用户编程。
外部掉电检测电路:
在P4.6口有一个低压门槛比较器，5V单片机为1.33V，误差为±
5%,3.3V
单片机为1.31V，误差为±
3%
共4个16位定时器
，两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器,再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器。
通用全双工异步串行口（UART），由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口
工作温度范围：
-40
~
+85℃（工业级）
/
0
75℃（商业级）
封装：
LQFP-48,
LQFP-44,
PDIP-40,
PLCC-44,
QFN-40I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口,还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口[6]。
（2）复位电路
单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作,复位后PC＝0000H，使单片机从第—个单元取指令。
15系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。
当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。
单片机系统的复位方式有：
手动按钮复位和上电复位。
根据实际情况选择如图2.3所示的电路，该电路在最简单的复位电路下增加了手动复位按键，按键按下，复位下拉电阻R上的电压接近电源电压，即RST为高电平，可以保证RST高电平有效时间大于10ms，CPU能够可靠复位。
增加手动复位按键是为了避免死机时无法可靠复位。
（3）时钟电路
外部时钟方式。
外部时钟方式片内高增益反相放大器通过XTAL1和XTAL2外接作为反馈元件的晶体与电容组成的并联谐振回路，构成一个自激振荡器向内部时钟电路提供振荡时钟。
振荡器的频率主要取决于晶体的振荡频率，晶体选择12.000MHz；
电容的值则有微调作用，通常取47pF左右的瓷片电容[7]。
2.3.2ADC采样
STC15系列单片机的ADC是逐次比较型ADC。
逐次比较型ADC由一个比较器和D/A转换器构通过逐次比较逻辑，从最高位（MSB）开始，顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。
逐次比较型A/D转换器具有速度高，功耗低等优点。
STC15系列单片机ADC（A/D转换器）的结构如图2.8所示。
图2.8STC15系列单片机ADC结构
从上图可以看出，通过模拟多路开关，将通过ADC0~7的模拟量输入送给比较器。
用数/模转换器（DAC）转换的模拟量与输入的模拟量通过比较器进行比较将比较结果保存到逐次比较寄存器。
并通过逐次比较寄存器输出转换结果。
A/D转换结束后，最终的转换结果保存到ADC转换结果寄存器ADC_RES和ADC_RESL。
同时，置位ADC控制寄存器ADC_CONTR中的A/D转换结束标志位ADC_FLAG,以供程序查询或发出中断申请。
模拟通道的选择控制由ADC控制寄存器ADC_CONTR中的CHS2~CHS0确定。
ADC的转换速度由ADC控制寄存器中的SPEED1,SPEED0确定。
在使用ADC之前应先给ADC上电也就是置位ADC控制寄存器中的ADC_POWER位[8]。
计算公式如下：
当ADRJ=0时，如果取8位结果，按下面公式计算：
8-bitA/DConversionResult:
（ADC_RES[7:
0]）=256x
当ADRJ=1时，如果取10位结果，则按下面公式计算：
10-bitA/DConversionResult:
（ADC_RES[1:
0],ADC_RESL[7:
0]）=1024x
本次设计采用10位结果。
ADC的相关寄存器如下图：
图2.9ADC的相关寄存器
本次设计采用单片机内部A/D模块，直接采样输出的模拟电压。
2.4数码管显示电路的设计
2.4.1器件概述
LED数码管（LEDSegmentDisplays）由发光二极管多个封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。
实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。
这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。
74HC164、74HCT164是高速硅门CMOS器件，与低功耗肖特基型TTL（LSTTL）器件的引脚兼容。
74HC164、74HCT164是8位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。
数据通过两个输入端（DSA或DSB）之一串行输入；
任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。
两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空[9]。
图2.1074HC164图2.11数码管
表2.374HC164芯片说明
符号
说明
DSA
数据输入
DSB
Q0~Q3
3~6
输出
地（0V）
CP
时钟输入（低电平到高电平边沿触发）
/M/R
9
中央复位输入（低电平有效）
Q4~Q7
10~13
14
正电源
2.4.2显示电路设计
74HC164时钟（CP）每次由低变高时，数据右移一位，输入到Q0，Q0是两个数据输入端（DSA和DSB）的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。
主复位（MR）输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，同时非同步地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。
将1个字节的8个数据位，在8个时钟信号的作用下，逐个送入移位寄存器74HC164，就能够将同步串行传输方式的数据格式转换为并行数据格式。
在这个逐个送入的过程中，移位寄存器74HC164的8个并行输出管脚的状态处于不断地变化中，但是如果这个传送过程很快，眼睛实际是分辨不出数码管对应的变化。
如果在完成1个字节的8个数据位传送以后，不再有时钟信号到来，移位寄存器74HC164的并行输出管脚的状态将保持不变，数码管就处于稳定地显示状态。
微控制器芯片与数码管之间采用串行同步数据传送方式节省了输入/输出管脚资源，采用74HC164锁存数据将实现数码管的静态显示，不再需要微控制器对其进行进一步的管理，这时能够使用微控制器完成其它任务。
表2.474HC164
工作模式
输入
Q0
Q1至Q7
复位（清除）
L
X
L:
L至L
移位
H
↑
l
qo至q6
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