可燃气体检测与报警系统设计报告Word下载.docx
《可燃气体检测与报警系统设计报告Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《可燃气体检测与报警系统设计报告Word下载.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
5.2.2传感器工作测试12
5.2.3A/D采集与单片机最小系统电路的调试12
6.3.1气体传感器工作原理13
6.3.2ADC0809工作原理14
6.3.3单片机部分15
附录二：
相关设计程序23
1前言
鉴于家用煤气中毒和矿井中瓦斯爆炸时常发生，造成意外伤害的发生。
这些不必要的伤害都源于有些可燃气体，在无色无味或在浓度较小的气体环境下，很难被人所发现，但可能此时已经构成了安全隐患。
可燃气体报警是一种安全的检测仪器，它只是检测空气中可燃气体的含量，如果可燃气体超出正常的空气含量威胁到人身安全或财产安全的时候，可燃使用煤气或矿井工作中要注意采取并完善安全措施、控制事故隐患。
但是，不可能达到绝对安全，仍然会出现万有一失的情况。
况且有时难免会有人们的疏忽。
因此，事故隐患的检测报警，在家庭、矿井等场所可燃气体检测报警，是非常必要的。
对避免和控制事故具有重要的意义。
气体报警器就会自动报警，提醒人们及早的采取措施，避免事故发生。
由于可燃气体本身的危险性和对人民生产生活造成的巨大危害，因此对可燃气体的检测和报警是一项必要的工作。
可燃气体报警是利用气体传感器技术，将检测到的可燃气体浓度和标准值进行比较，当高过一定浓度值时候进行相应的声光报警，提醒正在作业的人员进行相应的处理，组织人员撤离或对该场所通风排气，避免不安全事故的发生，对现在的家庭、作业场地安全起着非常重要的作用。
基于种种社会想法，笔者所设计一种低成本的可燃性气体报警器设计，能够监控可燃气体的浓度，显示测量结果，并对当前的环境状态做出判断，发出报警信息。
2总体方案设计
2.1方案一：
（采用纯模拟电路）电路输入级为气敏元件，和二极管、三级管构成的电子开关。
再用两个三极管构成互补多谐振荡器，他与继电器和发光二级管组成闪光报警器。
电位器为报警灵敏度调节，可燃气体浓度一定，三极管导通，继电器通断工作，二极管闪烁报警。
2.2方案二：
电路输入级将浓度信号转换成电压信号，并采用多级非门驱动发光二级管报警，气体浓度越大，发光二级管点亮得越多。
2.3方案三：
电路气敏元件采集浓度信号，A/D处理数据，单片机控制电路，LED数据显示，对不同的气体浓度进行声光报警。
2.4方案论证与比较：
方案一结构小巧，采用电位器可以对报警灵敏度进行调节，但是属于纯模拟电路报警，在调节过程中相对比较困难。
方案二采用多级非门驱动LED报警，可对气体浓度进行定量分析，浓度越大点亮的发光二极管越多。
从定性到定量，方案二较方案一从设计上有所提高，但由于只是通过LED发光来报警，不能很好的引起使用者的重视。
方案三采用以单片机为核心的控制电路，对采集的数字信号进行处理和判断，运用一定的算法计算出待检测气体成分及浓度并送到LCD显示器显示出来。
并通过软件控制设定一定的报警阀值，当浓度达到此阀值时有选择的进行声光报警。
但是此电路在设计时即有硬件的设计又有软件的设计，较一二方案更为复杂。
3单元模块设计
3.1电源模块
电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。
线性稳压电源亦称串联调整式稳压电源，其稳压性能好，输出纹波电压很小，但它必须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离，并且调整管的功率损耗较大，致使电源的体积和重量大，效率低。
图3-1-1电源电路
3.2通信部分
图3-2-1通信电路
该电路为PC机与单片机实现串口通讯的典型电路，MZX232芯片为RS-232电平和TTL电平的转换芯片，外围电路只需按芯片PDF资料说明上接上5个电容即可。
3.3LED显示及驱动
图3-3-1数码管驱动电路
该电路为检测的可燃气体浓度显示部分。
采用四位共阴数码管，同时用两个74HC573点亮驱动。
驱动芯片分别有单片机的I/O口P2^6、P2^7控制。
当片选信号为高时，表示该芯片工作有效，可输送入数据。
当片选信号为低时，该芯片将获得的数据锁存。
3.4A/D采集与单片机最小系统
图3.4.1A/D采集与单片机最小系统
ADC0809中D0-D7表示8位数字量输出引脚，IN0-IN7表示8位模拟量输入引脚，START为A/D转换启动信号输入端。
ALE为地址锁存允许信号输入端。
（以上两种信号用于启动A/D转换）EOC表示转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。
OE表示输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。
CLK：
时钟信号输入端（一般为500KHz，这里有74LS74四分频电路产生）
图3-4-2四分频电路
3.5总体功能设计
本设计的可燃气体警报器主要由六个部分组成：
传感器、LED显示器、声光报警器、控制电路、A/D转换和电源模块，传感器部分采用的气体传感器能感知环境中某种气体并将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号。
这种电信号是连续变化的模拟信号需要经过A/D转换将其转化离散的数字信号。
控制电路以单片机为核心，能够对采集的数字信号进行处理和判断，运用一定的算法计算出待检测气体成分及浓度并送到LED显示器显示出来。
本系统可以对检测的数据和设定的阀值参数进行存储并自备电源。
图3-5-1总体功能框
4软件设计
4.1单片机程序流程图
图4-1-1系统流程图
4.2程序设计
单片机的程序是用C语言编辑的。
系统总体流程图如图4-1-1，系统中A/D读入传感器部分的电信号，并转化成二进制码，并把数据送给单片机处理，单片机运用一定的算法计算出待检测气体成分及浓度并送到LED显示器显示出来，在对浓度与事先设定的浓度阀值进行比较，判断是否需要报警。
浓度大于阀值（2000ppm）,单片机P2.0口置为高电平，二极管导通，发光二极管亮，单片机P2.1口置低，三极管导通，蜂鸣器工作。
浓度小于阀值P2.0置低，二极管截止，P2.1口置高，三极管截止。
4.3A/D、单片机数据传输设计
ADC0809部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。
初始化时，使ST和OE信号全为低电平。
送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上，转换通道为IN0，已在硬件设计中考虑了。
在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。
是否转换完毕，根据EOC信号来判断。
当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就通过P1口输出给单片机了。
5系统调试
5.1测试仪器
序号
类型
型号
1
示波器
YB4324
4
2
万用表
DT9205
5
3
5.2测试方法
5.2.1电源测试
用220v转15v变压器，通过电容的滤波，用数字万用表直流电压20V档测得三端集成稳压器7805的3脚输出端，为5.04v,数据表明正常。
5.2.2传感器工作测试
接通电源后，感受传感器是否发热，微微有热度表明工作正常，用可燃气体逐渐靠近气体传感器，输出电压在0—5V变化，说明传感器工作增长。
5.2.3A/D采集与单片机最小系统电路的调试
为确保电路焊接无误后，接通5V电源，用数字万用表直流电压20V档测量单片机以下管脚的电压。
20脚（VSS）：
0V40脚（VCC）：
5.04V
9脚（RST/VPD）：
0.03V31脚（/EA/VPP）：
5.02V
18脚（XTAL2）：
2.27V19脚（XTAL1）：
2.09V
通过以上数据可以判断出单片机正常工作。
正常接通电源后，用数字示波器检测ADC0809一下管脚的信号波形
6脚（START）7脚（EOC）9脚（OE）10脚（CLOCK）
都呈现不同频率的脉冲，其中10脚的频率为460KHZ（接近500KHZ），说明AD工作正常。
6系统功能、指标参数
6.1概述
该设计中采用半导体气体传感器MQ-5，感应外界可燃气体，其以金属氧化物半导体为基础材料，当被测可燃气体在该部半导体表面吸附后，引起其电学特性（例如电导率）发生变化。
由于电导率的改变产生不同的阻抗，时而产生不同的模拟电压信号。
然后采用8位并行的A/D转换器ADC0809，将时间和幅值都连续的电压模拟量，经过取样、保持、量化和编码等过程，转换为时间、幅值离散的数字量，同时将转换结束的数字量赋给主控芯片——单片机STC89C52。
单片机STC89C52根据外界可燃气体与对应变换电压的函数关系，处理数据.并将得到的对应浓度数据交给LED数码管及时显示。
当检测气体浓度超出设定报警阀值时同时还给出声光报警。
6.2参数指标
检测气体：
液化气、天然气、煤气等可燃气体
探测围：
300-5000ppm
报警浓度：
>
1600ppm
响应时间；
<
10s
工作电压：
AC220V±
10%
功耗：
≤3W
使用温度：
-10℃-50℃
储存温度：
-20℃-70℃
相对湿度：
95%Rh
6.3模块工作原理
6.3.1气体传感器工作原理
气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。
即将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置。
气体传感器的种类很多，大体可分为半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器等。
该设计中采用的是半导体气体传感器MQ-5，以金属氧化物半导体为基础材料。
当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性（例如电导率）发生变化。
目前流行的定性模型是：
原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。
图6-3-1是其结构和外形，MQ-5气敏元件的结构和外形如图3所示（结构A或B）,由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。
封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。
图6-3-1MQ-5的结构和外形
6.3.2ADC0809工作原理
ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。
它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。
由图6-3-2，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。
多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。
三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
图6-3-2ADC0809的部逻辑结构
6.3.3单片机部分
STC89C52是由Intel公司生产的MCS-51系列的高性能8位单片机。
特别适用于实时控制、智能仪表、主从结构的多机系统等领域，是工业检测=控制领域中最理想的8位单片机。
其包含一个8位的CPU、128个字节的RAM,21个特殊功能寄存器（SFR）、4个8位并行I/O口、一个全双工的串行口，2个16位的定时器/计时器，4K的ROM作为程序存储器。
高性能、低功耗的89C52，始终频率高达20MHZ,芯片上的EEPROM允许在线（+5v）点擦除、电写入或采取通用的非易失存储编码器对程序存储器重复编程。
此外，MCS-51还支持有软件选择的两种掉电工作方式，非常适用于电池供电或者其他要求低功耗的场合。
6.4气体结果测量计算
图6-4-1MQ-5气敏元件的灵敏度特性
其中X轴表示外界可燃气体的浓度，Y轴表示变化阻与固定电阻的值（Rs/Ro）
Ro：
元件在洁净空气中的电阻值（Ro=14.43K
）
图6-4-1MQ-5的连接电路图
浓度与电压的关系函数:
浓度=（0.7-（10-10*ADdata）/1.4*14.43*ADdata）10^4（ppm）
7结论
通过综合测试，本设计的系统基本能达到设计的预期要求，能够顺利感应到由于调节电位器改变电阻的变化，当电压超过一定值的时候，给出声光报警。
不过由于存在MQ-5传感器的缺失还存在一些缺陷。
（1）数码管显示数据不够稳定，延时时间没有达到最佳，当报警时，数码管显示的数据会随之闪烁。
（2）显示的数据线性性显示不强。
基于单片机可燃气体报警器设计在硬件的选择上留有空间，在增加相关硬件同时，软件部分只需改动很少的部分就可实现其它功能，使系统功能更加完善。
A/D转换器是8通道的，可以扩展其他传感器，如温度和湿度进行监测的传感器。
并且系统可以扩展无线发射模块，将检测的信息及时地发到安全控制中心，在配合其它矿井的安全监控设备更好的确保井下作业的安全。
（3）MQ-5传感器的缺少，使得说明书中的关于传感器部分的简介只能停留在理论上，不能实际去实践，应该有传感器实现的功能现在只能由电位器来进行简单的模拟，设计的实际效果也就欠佳了。
8总结与体会
经过几个星期的不懈努力，本次设计终于达到了预期的效果，通过多电路系统的调试，基本实现了要求，由于MQ-5传感器的缺少，我们只可以通过对电位器电阻的改变来改变电压从而达到声光报警的目的，虽然能够很好的模拟可燃气体检测的报警系统，但是我们只是在软件调试过程中得到了印证，硬件调试不是很顺利效果不明显，不过为了降低人们生活中的危险系数，同时安全需要防患于未然。
我们会对设计逐步改进的。
但是本次设计还是有很多的不足之处，器件的选用虽然不多，但是缺少了核心器件传感器，这样虽然是简化了电路结构，由于我们的知识围所限，只能设计出简单的电路，很多更深入的知识有待于我们今后在学习中好好的领悟、参透。
本次设计是我们小组成员第一次用自己设计的方案来制造实物。
因而在许多方面都还不熟练,比如说对一些元器件的功能还不完全了解，不能熟练运用，因而不能完全地一次性设计好该电路。
不过通过本次的课程设计我们学到了许多的知识，学会了ISIS以及Protel的一些基本使用方法，学会了用Protel画PCB图，学会了软件的调试，对于汇编语言和C语言的理解及应用又有了加强。
同时培养了我们独立思考问题解决问题的能力，加深了我们对数模电、微机、单片机知识的理解，巩固了我们学习的知识，也补充了我们遗漏的知识，有助于我们今后的学习和工作。
课程设计是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，虽然平时课堂已学过，但是并不能熟练的理解和掌握各个元件的功能，例如在实验中所用的画图软件Protel、仿真软件ISIS，虽然比较简单易懂,适合初学者使用,但在用Protel进行PCB画图时遇到了很大困难，不得不向老师和更有经验的同学请教，ISIS存在仿真元件不齐的问题.所以仿真过程中遇到一些找不到元件的问题,这就需要寻找其它相同功能的元器件进行替代。
这次设计最大的遗憾就是传感器的缺少，未能使真的心中所想的方案得以实现。
而通过这次课程设计，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。
并且通过自己动手设计、制造、调试，让我们对各个元件功能印象深刻，也有了更深的认识。
9参考文献
[1] 毅刚．单片机原理及应用．北京．高等教育出版社，2003年8月
[2] 黄继昌．传感器与应用电路设计．.电子科技出版社
[3] 翟明主．单片机编程.．北京．.高等教育出版社
[4] 涵芳,徐爱卿．MCS-51/96系列单片机原理及应用．北京．北京航空航天大学出版社
[5] 何立民．.单片机系统设计.．北京．北京航空航天大学出版社，1993年
[6] 光第．单片机技术．北京．中央广播电视大学出版社，2001年
附录一、相关设计图
附图1电路原理图
附图2PCB图
附图3实物图
附录二、相关设计程序
voidmain（）
{
deng=0;
num=0;
while
（1）
{
ST=0;
delay_2（5）;
ST=1;
delay_2（5）;
while（EOC==0）;
OE=1;
num++;
AD_data=P1;
ADdata+=AD_data;
if（num==20）
{
num=0;
U=ADdata/20;
ADdata=0;
OE=0;
nongdu=U*19;
}
display（）;
//数码管显示
if（nongdu>
2500）
{
didi（）;
}
}
升级会员 