可燃气体自动排放报警器的设计.docx
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可燃气体自动排放报警器的设计
目 录
摘 要
绪 论
第1章 方案设计1
1.1系统功能要求 1
1.2整体方案 1
1.2.1结构框图 1
1.2.2各结构框图的功能 1
第2章 硬件的设计1
2.1 单片机最小系统1
2.1.1芯片介绍1
2.1.2单片机时钟电路设计3
2.1.3单片机复位电路4
2.2电源电路设计5
2.2.1整流电路6
2.2.2电容滤波电路7
2.3气敏传感器报警电路7
2.3.1气敏传感器工作原理7
2.4指示电路8
2.5报警电路9
2.6继电器工作原理10
2.7整机工作原理10
第3章 软件设计11
3.1 主程序流程图11
3.2中断流程图11
第4章 系统仿真与调试13
4.1常用调试工具13
4.1.1Keil软件13
41.1proteus软件12
4.2 系统调试13
第5章实物制作与调试15
5.1PCB板的制作15
5.2元器件的检测15
5.3电路安装16
5.4制作与调试17
结论19
参考文献20
附录1 整机电路原理图21
附录2 源程序22
附录3 元器件明细表25
摘 要
设计了一种可燃气体报警器，介绍了报警器的工作原理及其软、硬件的设计。
该报警器
以性能、参数稳定的气体传感器为探测器，采用89C51单片机进行控制，能根据可燃气体检测浓度进
行声光报警，并控制相应设备进行工作，实现安全保护。
关键词：
89C51单片机；气体检测；探测报警器
绪论
可燃气体报警器也称气体泄露检测报警仪器。
当工业环境、日常生活环境（如使用天然气的厨房）中可燃性气体发生泄露，可燃气体报警器检测到可燃性气体浓度达到报警器设置的报警值时，可燃气体报警器就会发出声、光报警信号，以提醒采取人员疏散、强制排风、关停设备等安全措施。
且气体报警器可联动相关的联动设备如在工厂生产、储运中发生泄露，可以驱动排风、切断电源、喷淋等系统，防止发生爆炸、火灾、中毒事故，从而保障安全生产。
经常用在化工厂，石油，燃气站，钢铁厂等使用产生气体的场所。
第１章 方案设计
１.1 系统功能要求
它由传感器检测电路、A/D转换部分、单片机、数码管显示部分和声光报警部分等组成。
检测电路把泄漏气体浓度的变化转变成电信号，根据气体浓度和电压信号之间的对应关系，再对该模拟信号进行分析处理，并通过A／D转换变为数字信号输入单片机，最后由单片机驱动LED数码管显示和信号显示灯及蜂鸣器完成报警过程。
１.2 整体方案
１.2.1 结构框图
图1-1 报警器系统框图
１.2.2各结构框图的功能
电源电路：
将220V、50HZ的交流电经降压、整流、滤波、稳压变成电路所需5V和10V直流电压。
检测电路：
检测电路是由气敏传感器MQ-2构成，它利用气体在金属氧化物半导体表面的氧化和还原反应，及时检测到可燃气体。
报警电路：
当气敏元件MQ-2接触到气体时，输出电信号推动扬声器B发出报警声。
LED：
当气敏元件MQ-2接触到气体时，报警器工作，LED灯亮起。
继电器：
扩大控制范围，在信号达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路，达到自动开关的目的。
第２章硬件电路设计
2.1 单片机最小系统
电路最小系统由AT89C51单片机、时钟电路、复位电路组成，它是电路工作的最基本的单元电路，任何单片机基于单片机的设计系统都离不开它。
2.1.1 芯片介绍
单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。
中央处理器：
中央处理器（CPU）是整个单片机的控制核心部件，完成运算和控制功能。
CPU有运算器和控制器组成。
它是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU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。
内部数据存储器（RAM）：
单片机内部共有256个RAM单元，其中有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，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，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。
内部程序存储器（ROM）：
单片机共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。
定时/计数器：
单片机有两个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。
并行输入输出（I/O）口共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。
全双工串行口：
单片机内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。
中断系统：
单片机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。
时钟电路：
单片机内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但单片机需外置振荡电容。
单片机的引脚说明：
单片机采用40Pin封装的双列直接DIP结构，下图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。
其引脚排列如图2-1。
单片机
图2-1 单片机引脚图
控制引脚介绍：
1．ALE:
系统扩展时，P0口是八位数据线和低八位地址先复用引脚，ALE用于把P0口输出的低八位地址锁存起来，以实现低八位地址和数据的隔离。
2．PSEN；低电平有效时，可实现对外部ROM单元的读操作。
3．EA:
当EA信号为低电平时，对ROM的读操作限制在外部程序存储器；而挡EA为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始的，并可延至外部程序存储器。
4．RST:
当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。
5．XTAL和1XTAL2：
外接晶振引线端。
并行I/O端口介绍：
P0端口［P0.0-P0.7］P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口，端口置1（对端口写1）时作高阻抗输入端。
作为输出口时能驱动8个TTL。
P1端口［P1.0－P1.7］P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。
输出时可驱动4个TTL。
端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。
对内部Flash程序存储器编程时，接收低8位地址信息。
P2端口［P2.0－P2.7］P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。
输出时可驱动4个TTL。
端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。
对内部Flash程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息。
在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。
而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。
P3端口［P3.0－P3.7］P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。
输出时可驱动4个TTL。
端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。
除此之外P3端口还用于一些专门功能，具体请看下表2-1。
图2-1P3引脚的第二功能说明
P3引脚
兼用功能
P3.0
串行通讯输入（RXD）
P3.1
串行通讯输出（TXD）
P3.2
外部中断0申请（INT0）
P3.3
外部中断1申请（INT1）
P3.4
定时器/计数器0的外部输入（T0）
P3.5
定时器/计数器1的外部输入（T1）
P3.6
外部数据存储器写选通WR
P3.7
外部数据存储器写选通RD
2.1.2 单片机时钟电路设计
单片机是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格的按时序进行工作。
时钟电路用于产生单片机的工作的所修要的时钟信号。
时钟可以由内部方式或外部方式产生。
89C52内部方式时钟电
路，是在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，就能构成自激振荡电路。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路。
电容器C1和C2主要起频率微调作用，电容值可选取为30pF左右或40pF左右。
89C52外部方式时钟电路是XTAL1接外部振荡器，XTAL2悬空。
对外部振荡信号无特殊要求，只
图2-2 时钟电路
要保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。
而此设计采用石英晶体内部时钟电路。
如图2-2所示。
XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。
内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。
晶振的频率可以在1MHz-12MHz内选择。
电容取30pF左右。
系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。
AT89C52单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。
引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
这个放大器
与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。
外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。
对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。
因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为30pF。
2.1.3 单片机复位电路设计
复位是使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的初始状态。
单片机的工作就是从复位开始的，当在单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态）。
实际应用中，复位操作有两种基本的形式：
一种是上电复位，另一种是按键复位。
由于本次设计采用的是按键复位，所以这里只介绍按键复位，如图2-1-3所示。
按键复位要求按下按键后，单片机实现复位操作。
常用的按键复位如图所示。
按下按键瞬间
RST引脚获得高电平，随着电容C1的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。
RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。
该电路典型的电阻和电容参数为：
晶振为12MHz时，C1为10uF，R1为8.2kΩ，晶振为6MHz时，C1为22uF，R1为1kΩ。
图2-3 按键复位电路
单片机的复位操作使单片机进入初始化状态。
初始化后，程序计数器PC=0000H所以程序从0000H地址单元开始执行。
单片机启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM的内容。
特殊功能寄存器复位后状态使确定的。
P0～P3为FFH，SP为07H，SBUF不定，IP、IE和PCON的有效值为0，其余的特殊功能寄存器的状态均为00H。
2.2 电源电路设计
交流市电都是220V、50HZ的交流电，这就需要电源电路将交流220V电压变成直流电压。
电源电路由降压、整流、滤波、稳压构成，直流电源的组成框图和原理图
如图：
图2-3直流电源组成框图
图2-4直流电源原理图
2.2.1整流电路
桥式整流电路的工作原理可分析如下，在u2的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管VD1流向RL，再由二极管VD3流回变压器，所以VD1、VD3正向导通，VD2、VD4反偏截止；在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压，其电流通路可用图中虚线箭头表示，在u2的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管VD2流向RL，再由二极管VD4流回变压器，所以VD1、VD3反偏截止，VD2、VD4正向导通，电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同，其电流通路如图）中虚线箭头所示。
根据上述分析，可得桥式整流电路的工作波形如图所示，通过负载RL的电流IL以及电压UL波形都是单方向的全波脉动波形。
桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。
图2-5桥式整流电路
2.2.2电容滤波电路
电容滤波电路简单，输出电压平均值高，适用于负载电流较小且其变化也较小的场合。
电容滤波电路，滤波电容容量大，因此一般采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正、负极。
电容滤波电路利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平滑。
1．滤波原理
当u2为正半周uC＜u2时，二极管V1和V3管导通，V2和V4管截止，电流一路流经负载电阻RL，另一路对电容C充电。
当uC＞u2，导致V1和V3管反向偏置而截止，电容通过负载电阻RL放电，uC按指数规律缓慢下降。
图2-6单相桥式整流电容滤波及稳态时的波形
2.3气敏传感器报警电路
2.3.1气敏传感器工作原理
MQ-2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2-3气敏传感器
引脚功能：
1
VCC
5V工作电压
2
GND
外接GND
3
DO
小板数字开关输出接口（0和1）
4
AO
小板模拟量输出接口
2.4 指示电路
指示部分可由液晶显示屏、发光二极管等组成，考虑到成本和适用等问题，在此我们选用发光二极管作为本次设计地显示器件，发光二极管具有工作电流低、发光响应快、体积小、耐振动、耐冲击、驱动电路简单，适用于和集成电路配合等优点。
当P1.2输出为高电平时，此时二极管LED1亮，指示报警器处于正常工作状态；当P1.3为高电平时，二极管LED2亮，指示处于报警状态；如图所示。
图2-4 指示电路
2.5 报警电路
报警电路实现的功能是：
当有可燃气体时，指示灯亮扬声器开始发声报警，提示人们不能有易燃气体了，防止出现危害。
工作原理是：
当用户按下按键D时，P2.0将电流送至二极管D5和三极管Q1，二极管变亮扬声器开始报警。
当用户按下断开D时，此时二极管D5变灭并且扬声器停止工作。
如图所示。
不过由于元器件扬声器未购买，以至于该部分电路缺失，但不影响最终实验结果。
该部分的提示功能由发光二极管代替。
图2-5报警电路
2.6继电器工作原理
图2-6继电器
继电器利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器是电能传递或作为信号传输的重要元件。
1．继电器--静止的电磁装置。
2．继电器--可将一种电压的交流电能变换为同频率的另一种电压的交流电能。
3．继电器--主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组。
2.7 整机电路工作原理
为了检测可燃气体我们设计了基于单片机的检测系统，更加快速的来报警，在生活中起到了非常重要的作用。
整个报警器系统原理是：
启动装置，当有可燃气体时，LED点亮；当可燃气体达到一定浓度时，蜂鸣器响起，提示预警，当气体排出时，LED灭。
当气体持续释放时，达到一定浓度时，继电器关闭阀门，确保安全。
第3章 软件设计
程序是使单片机系统按预定的操作方式运行，它是单片机系统程序的框架。
系统上电后，对系统进行初始化。
初始化程序主要完成对单片机内专用寄存器的设定，单片机工作方式及各端口的工作状态的规定。
因此，软件是本系统的灵魂。
软件采用模块化设计方法，不仅易于编程和调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性。
3.1 主程序流程图
主程序的功能是检测气体并报警。
如图所示主程序的流程图。
是
是
是
3.2 中断流程图
在实时控制中，现场的各种参数、信息的变化是随机的。
这些外界变量可根据要求随时向CPU发出中断申请，请求CPU及时处理，如中断条件满足，CPU马上就会响应，转去执行相应的处理程序，从而实现实时控制。
如图所示中断流程图。
图3-2定时器中断流程图
第4章 系统仿真与调试
调试是一个必不可少的环节，它将会验证你的成果，是否实现了所要完成的功能。
系统调试仿真时首先要在使用Keil编译器，把所写的程序进行编译，同时在仿真器里设置生成“．HEX”文件，编译无错误时还要进行Proteus仿真，查看功能是否能够实现。
下面就将仿真将会用到的软件进行简单的介绍，并对仿真过程予以简介。
4.1 常用调试工具
4.1.1 Keil软件
Keil软件是集成调试环境，集成了编缉器、编译器、调试器，支持软件模拟，支持项目管理功能强大的观察窗口，支持所有的数据类型。
树状结构显示，一目了然，支持ASM（汇编）、C语言，多语言多模块源程序混合调试，在线直接修改、编译、调试源程序，错误指令定位。
功能很强大。
用于对程序的调试和编辑。
Keil软件调试情况如图所示。
图4.1 Keil软件界面
4.1.2 Proteus软件
系统仿真还用到了Proteus软件，可通过仿真可以完全显示出所设计系统的功能，对于程序的调试等有很大的帮助。
首先要新建一个文档是DNS型的找出需要的器件，可以使用搜索功能。
接着把各个器件放到合适的位置都要放到框内。
然后根据自己的设计要求连线。
把所有的元件都连接好，做出完整的电路图仿真如图所示。
图4.2系统仿真
4.2 系统调试
单片机应用系统的调试包括硬件和软件两部分，但是他们并不能完全分开。
一般的方法是排除明显的硬件故障，再进行综合调试，排除可能的软/硬件故障。
软件程序的调试一般可以将重点放在分模块调试上，统调是最后一环。
软件调试可以采取离线调试和在线调试两种方式。
前者不需要硬件仿真器，可借助于软件仿真器即可；后者一般需要仿真系统的支持。
本次课题，Keil软件来调试程序，通过各个模块程序的单步或跟踪调试，最后统调程序。
第5章 实物制作与调试
按照仿真图把所有元器件准备完毕后开始实物制作，制作流程分为元器件检测、安装、焊接。
5.1 PCB板的制作
PCB板的制作一般包括印制底图图样描绘、底图掩膜层制作和蚀刻加工等三个环节。
首先根据方案，采用电子设计自动化软件中的AltiumDesigner6.8进行印制电路板底图图样的设计。
在软件环境下绘制好底图后，可用喷墨式或激光打印机将PCB板的设计图样打印出来，然后进行制作。
PCB板的制作一般分制作印制电路板、清洗与打孔和检修三个环节。
如图所示。
图5-1 PCB制作图
5.2元器件的检测
电阻检测：
将两表笔（不分正负）分别与电阻的两端引脚相接即可测出实际电阻值。
电容检测：
将万用表红表笔接负极，黑表笔接正极，在刚接触的瞬间，万用表指针即向右偏转较大偏度（对于同一电阻挡，容量越大，摆幅越大），接着逐渐向左回转，直到停在某一位置。
此时的阻值便是电解电容的正向漏电阻，此值略大于反向漏电阻。
在测试中，若正向、反向均无充电的现象，即表针不动，则说明容量消失或内部断路；如果所测阻值很小或为零，说明电容漏电大或已击穿损坏，不能再使用。
二极管的检测：
将万用表置于R×100档或R×1k档，两表笔分别接二极管的两个电极，测出一个结果后，对调两表笔，再测出一个结果。
两次测量的结果中，有一次测量出的阻值较大（为反向电阻），一次测量出的阻值较小（为正向电阻）。
在阻值较小的一次测量中，黑表笔接的是二极管的正极，红表笔接的是二极管的负极3．打孔：
对清洗好的印制电路板，需要在焊盘和固定位置钻孔后，才能进行安装。
5.3电路安装
1.为了提高电路的可靠性，首选应对元器件进行检查。
应注意变压器的检测应分为静态检测和动态检测。
2.为了便于焊接，应将要焊接的元器件进行刮脚，焊盘应用砂纸砂光滑以便于焊接。
3.插入元器件，将烙铁头放在被焊件的焊盘上，使焊点温度升高（有利于焊接）。
如果烙铁头上有锡，则会使烙铁头上温度很快传递到焊接点上。
4.用焊锡丝接触到焊接处，熔化适量的焊料。
焊锡丝应从烙铁头侧面加入，而不是直接加在烙铁头上。
5.从焊锡丝开始熔化数3秒后，先移开焊锡丝，再移开电烙铁。
6.焊点冷却后，用斜口钳子将元器件的管脚剪掉，剪去管脚的长度应尽可能的要短。
7.焊接完成后检查看是否有错焊、漏焊、线路的走线下、是否正确。
注事事项：
移开烙铁头的时间、方向和速度，决定着焊接点的焊接质量，正确的方法是先慢后快，烙铁头移开沿45°角方向移动，及时清理烙铁头。
5.4制作与调试
经过前面的一系列工作之后，最后就是装配与调试，按照整机电路图，搭接实物电路，然后进行安装、焊接、调试。
最后组装完成出如图所示的实物电路。
测试数据表：
气体浓度100%LEL
仪器响应值（mA）
标准值（mA）
误差（%）
5
5.13
4.80
6.8
10
5.69
5.40
6.4
20
7.45
6.20
6.6
30
8.91
7.5
2.2
结 论
传感器在科学技术领域、工农业生产及日常生活发挥着越来越重要的作用。
人类社会对传感器提出越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力，而现代科学技术的突飞猛进则为其发展提供了坚强后盾。
本次设计中在搜集资料的过程中，我去学校的图书馆，上网搜集等各种方式方法，尽量使我的资料完整、精确、数量多，通过这次设计我掌握了一些筛选资料的方法。
有些知识不懂,于是，我与同学、朋友交流，加强学习，阅读更多的相关书籍，并且对资料进一步收集与完善。
经过这些方法使我收获不小。
本次设计对我来说既有综合性又有探索性。
使我侧重于某些理论知识的灵活运用，例如完成特定功能的可燃气体报警器的设计、调试等。
这对于提高我的素质和科学实验能力非常有益。
这次毕业设计我遇到最大的问题就是在实物的制作上，当我在仿真软件上把我电路仿真出来时，所有的元器件我就照着仿真电路上买但是仿真和实物有差别所以把实物焊接出来时电路出现问题，但是最后我经过老师和同学的交流所有的问题都解决了。
在这过程中我也学到了很多，遇到困难我们要冷静的思考找出问题所在然后再来一个一个的解决。
在这里我再一次谢谢各位老师对我的帮助。
总之，知识必须通过应用才能实现其价值！
在整个毕业设计过程中使我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。
而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功的喜悦。
虽然这个设计还不是很完善，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。
参考文献
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清华大学出版社，2005.6
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电子工业出版社，2007
附录1 整机电路原理图
附录2
升级会员 