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单片机燃气报警器研究毕业论文
单片机燃气报警器研究毕业论文
摘要I
Abstract...........II
目录.....................................................................III
1绪论1
1.1课题背景1
1.2燃气报警器的概述2
1.3课题研究的目的及意义2
1.4系统设计任务2
2 系统方案设计4
2.1设计要求4
2.2设计思路4
2.3设计方案5
2.3.1方案一6
2.3.2方案二6
2.3.3方案的确定7
2.4系统方案组成7
2.4.1系统三大部分8
2.4.2系统框图9
3 系统模块设计10
3.1气体浓度检测模块10
3.2主控模块10
3.3设置报警模块14
4 硬件电路设计与分析15
4.1系统电源的设计15
4.1.1三端固定式集成稳压器15
4.1.2+5V电源电路的设计16
4.2信号采集放大电路的设计17
4.2.1气敏传感元件特性17
4.2.2信号采集放大电路的设计18
4.3A/D转换电路的设计19
4.3.1ADC0809[6]的介绍19
4.3.2电路具体设计方法21
4.4存储器电路的设计22
4.5显示器电路的设计23
4.5.1显示模块LCD160223
4.5.2电路设计方法23
4.6报警器电路的设计24
4.7键盘电路的设计23
4.7.1键盘的工作原理22
4.7.2键盘的识别方法22
4.7.3键盘的工作方式22
4.8串口通信电路的设计23
4.8.1RS-232标准24
4.8.2接口信号[1]24
5 软件设计25
5.1单片机编程[2]25
5.2程序框图和主要程序24
6 实验调试25
6.1硬件调试25
6.2软件调试25
6.3调试结果27
6.4小结................................................................27
参考文献29
结论30
致谢30
附录131
附录232
绪论
1.1课题背景
煤气的主要成分是CO、氢和烷烃、烯烃、芳烃等。
煤气有毒是因为其中的CO、芳烃等能与人体中的血红蛋白结合，造成缺氧，使人昏迷不醒甚至死亡，在低浓度下也能使人头晕、恶心及虚脱。
一氧化碳（CO）为无色、无味、无臭、无刺激气体，比重0.967，几乎不溶于水，不易被活性炭吸附。
当碳物质燃烧不完全时，可产生CO，如人体短时间吸入较高浓度的CO，或浓度虽低，但吸时间较长，均可造成急性中毒。
CO主要来自取暖燃料，CO对人体的损害主要表现在损害血液输送氧气的能力，CO与血红蛋白结合能力超过氧和血红蛋白的结合能力的200--300倍，当CO与血红蛋白结合形成的碳氧血红蛋白含量达到5%时，就会对人体产生慢性损害，达到60%时就会昏迷，达到90%就会死亡。
由于发生一氧化碳中毒事件的普遍性和隐蔽性，迫切需要一种能够很好的监控室一氧化碳浓度的仪器，并且在一氧化碳浓度过高时能够采取相关措施防止火灾的发生，保护人们的生命财产安全。
本文正是通过分析目前燃气报警器的现状，设计制作室故障监测报警系统，保障人们的生命财产安全。
1.2燃气报警器的概述
首先我们应对国家标准规定的燃气报警器的种类有所了解。
燃气报警器可分为可燃气体检漏仪（简称“检漏仪”），可燃气体报警控制器（简称“控制器”）、可燃气体探测器（简称“探测器”）、家用可燃气体报警器（简称“报警器”）四大系列产品。
报警器为居民家庭用的燃气报警器，一般安装在厨房，遇燃气泄漏时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。
有的报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外。
有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。
燃气报警器的核心是气体传感器，俗称“电子鼻”。
当气体传感器遇到燃气时，传感器电阻随燃气浓度而变化，随之产生电信号，供燃气报警器后级线路处理。
经过电子线路处理变成浓度成比例变化的电压信号，由线性电路加以补偿，使信号线性化，经微机处理、逻辑分析，输出各种控制信号，即当燃气浓度达到报警设定值时，燃气报警器发出声光报警信号并可显示燃气浓度或启动外部联运设备（如排风扇、电磁阀）。
1.3课题研究的目的及意义
因此设计出性能更加可靠，经济实惠的室故障监测报警系统已成为市场的需要。
目前，现有煤气检测仪器主要是面对工矿企业或公共场所的检测，价格高昂，对家庭也是不适应的。
因此，本次设计所面对的是广大居民。
1.4系统设计容
本文利用单片机电路制作室故障监测报警系统。
设计过程中关键的两个部分：
系统硬件的设计和控制软件的编写。
这也是在设计过程中需要解决的关键的问题。
（1）硬件任务
单片机室故障监测报警系统的硬件主要有3大部分，即浓度检测和显示模块、主控模块和设置报警模块。
浓度检测模块主要由半导体气体传感器QM-N5组成，它是整个系统中关键的元件；显示部分由LCD1602组成。
主控模块由单片机及其相关软件组成，由程序对单片机进行控制。
设置报警模块主要由键盘和报警器等组成，这个模块是对报警煤气浓度进行设置和浓度过高的时候进行报警处理。
硬件的设计需要单片机、模电及其数电的相关知识。
在解决这一问题的过程中，需要查阅大量资料，结合所学知识，向老师获取帮助。
（2）软件任务
它的软件设计主要包括主程序和中断处理两大部分：
主程序要完成I/O口，定时器的初始化及对中断输入的设定，然后延时使传感器进入稳定工作状态，等待定时器的中断；中断处理程序根据具体情况需要有相应的子程序。
要对程序进行多次调试，分块编程。
对各个子程序块所解决的问题要相当明确。
最后在制作完成硬件电路板后要调试出设计要求的功能。
2 系统方案设计
2.1设计要求
设计的监测报警系统应实现如下功能：
系统能巡回检测四个不同位置的烟雾和煤气浓度，把检测到的信号送单片机处理，处理过的数据送显示器显示和送存储器保存，在烟雾和煤气浓度达到设置值时系统启动报警。
2.2设计思路
本设计拟按以下思路展开研究：
（1）根据该设计要实现的基本功能，设计大致应该分为信号采集放大，信号处理控制，系统设置报警三个部分。
①信号采集部分即通过气体传感器检测室气体浓度，将这种变化量转化成电压模拟量的变化，然后通过运放进行必要的放大。
②信号处理部分是将采集到的模拟信号转换成数字信号，送入控制器进行处理，并将处理过的信号送存储器保存和送显示器显示。
③系统设置报警部分是通过预定控制方式并利用蜂鸣器报警实现系统的准确操作。
（2）依据上面所说的思路，得到如下一些基本的结论：
①信号采集部分为了能准确采集到气体浓度的变化应选用半导体气体传感器，为使其有效的检测室气体浓度，采用电阻型半导体气体传感器；而放大部分使用运放进行比例和反相两级放大。
②信号处理部分为了实现精确控制，采用单片机较为合适。
将模拟信号送A/D模块进行模数转换，经过处理后送存储器保存和送显示器显示。
③系统设置报警部分可以考虑采用4×4键盘设置初始值和蜂鸣器报警。
根据对上面设计系统的分析，我们得到该设计思想框图如下图2-1所示：
图2-1设计思想框图
2.3设计方案
2.3.1方案一
采用双传感器[4]，采用相互补偿的方法检测房间气体浓度，将检测的到浓度信号送入A/D芯片中进行模数转换，利用AT89S51单片机控制声音报警以及将气体传感器检测到的浓度值在显示器显示出来。
分析：
此设计方法虽然解决了传感器检测气体浓度时温度和湿度对测量值的影响，但是，在实际制作的过程中，需要利用的核心控制芯片必须最少具有4路8位A/D口，气体和温度敏感信号直接由A/D口采集后，进行一定的算法修正和软件补偿。
由于本课题要求采用四路巡回检测，如果采用本方案那么就需要8个特性相同的半导体气体传感器（4个密封检测气体浓度，另外4个做补偿），为了达到更好的温度修正效果，往往需要传感器厂家的配合，在生产时对传感器进行成对生产，以保证传感器特性的一致性。
并且主控制芯片采用常规的ADC0809和单片机并不支持，且制作硬件极其复杂，系统整体设计体积过大、功耗高、成本太高。
单单采用此种方法并不能更好的提高测量性能，还需要加以软件补偿。
由于采用此方案制作硬件极其复杂，系统整体设计体积过大、功耗高、成本太高，所以不予采纳。
2.3.2方案二
采用高性能半导体气体传感器[5]，采用四路巡回检测的方法检测房间气体浓度，将检测的到浓度信号送入A/D芯片中进行模--数转换，利用AT89S51单片机控制声音报警、键盘输入、存储器运行，并且将气体传感器检测到的浓度值在LCD显示器上显示出来。
分析：
选用此方法设计电路不仅解决了温度、湿度的影响，并且简化了设计电路，降低了成本，采用此种方法设计主体电路。
具体电路设计将在下文中给出。
提出本次设计采用QM-N5型气体传感器。
现在特将此传感器简单介绍如下：
（1）特点：
QM-N5型气体传感器[6]是以金属氧化物SnO2为主体材料的N型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。
灵敏度较高，稳定性较好，响应和恢复时间短。
用它做成的报警器完全可以达到UL2034标准，不需温、湿度补偿。
（2）工作条件：
工作电压：
5V±0.5V
静态功耗：
≤0.5W（加热丝冷态电阻为50Ω±2Ω）
环境条件：
温度-10℃～+50℃,相对湿度≤95%
初期稳定时间：
≤15分钟
响应时间：
≤10s
检测煤气浓度围：
50～20000ppm
（3）对一氧化碳反应的敏感度[7]：
图2-2系列一氧化碳浓度的条件下RL电压的振荡曲线
高湿高温对传感器的影响：
根据测试结果表明，此传感器可承受96%RH相对湿度、70℃的环境条件，但基电平升高。
2.3.4方案的确定
现今半导体气体传感器技术的不断提高，使得在应用此类传感器时不必采用温度、湿度补偿[8]，极大的简化了电路和降低了成本。
鉴于对以上三个方案的对比分析，方案三最符合设计要求，所以我选择使用方案三来设计本次毕业设计的主体电路。
2.4系统方案组成
本设计属于单片机应用系统。
它是单片机在系统检测方面的应用，是典型的嵌入式系统。
通常将满足海量高速数值计算的计算机称为通用计算机系统；而把面向工控领域对象，嵌入到工控应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。
嵌入式系统一般分为四种:
工控机，通用CPU模块，嵌入式微机处理，单片机。
2.4.1系统三大部分
单片机应用系统的结构分三个层次。
（1）单片机：
通常指应用系统主处理机，即所选择的单片机器件。
（2）单片机系统[9]：
指按照单片机的技术要求和嵌入对象的资源要求而构成的基本系统,如时钟电路、复位电路和扩展存储器等与单片机构成了单片机系统。
（3）单片机应用系统：
指能满足嵌入对象要求的全部电路系统。
在单片机系统的基础上加上面向对象的接口电路，如前向通道、后向通道、人机交互通道（键盘、显小器、打印机等）和串行通信口（RS232）以及应用程序等。
2.4.2系统框图
本系统由三大部分九个不同电路组成，系统总的结构框图如下图2-4所示：
图2-4系统结构框图
1）信号采集部分：
1~4路传感器电路；
2）信号处理部分：
A/D转换电路，2K存储器电路，LCD显示电路，串口通信电路，单片机复位电路；
3）设置报警部分：
4×4键盘电路，报警器电路。
3 系统模块设计
3.1气体浓度检测模块
室故障监测报警系统采用四路巡回检测的方法，检测器件采用QM-N5型气体传感器[6]检测房间气体浓度，检测结果送入模/数芯片ADC0809中进行模数转换。
本设计选用了半导体气体传感器，半导体气体传感器主要使用半导体气敏材料。
自从1962年半导体金属氧化物气体传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快等优点，得到了广泛的应用，目前已成为世界上产量最大、使用最广的传感器之一。
3.2主控模块
AT89S51引脚图如图3-1所示，下面分别介绍其引脚。
（1）主电源引脚Vss，Vcc，Vss（20脚）:
接地。
Vcc（40脚）:
主电源+5V。
（2）外接晶振引脚XTAL1（19脚），XTAL2（18脚）
XTAL1：
在单片机部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片振荡器。
它采用外部振荡器时，此引脚应接地。
XTAL2：
在片接至振荡器的反相放大器输出端和部时钟发生器输入端。
当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。
图3-1AT89S51引脚功能图
（3）输入/输出引脚P0，P1，P2，P3：
P0.0～P0.7（39～32脚）:
PO是一个8位漏极开路型双向I/O端口。
在访问片外存储器时，它分时提供低8位地址和8位双向数据，故这些I/O线有地址线/数据线之称，简写为AD0～AD7。
在EPROM编程时，从P0输入指令字节，在验证程序时，则输出指令字节（验证时，要外接上拉电阻）。
Pl.0～P1.7（1～8脚）:
Pl是一个带部上拉电阻的8位双向I/O端口。
在EPROM编程和验证程序时，它输入低8位地址。
P2.0～P2.7（21～28脚）:
P2是一个带部上拉电阻的8位双向I/O端口。
在访问片外存储器时，它输出高8位地址，即A8～A15。
在对EPROM编程和验证程序时，它输入高8位地址。
P3.0～P3.7（10～17脚）:
P3是一个带部上拉电阻的8位双向I/O端口。
在整个系统中，这8个引脚还具有专门的第二功能。
（4）控制线（4条）
RST：
AT89S51的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片用时，只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统复位的各项工作，使得部特殊功能寄存器的容均被设成已知状态。
ALE/PROG：
ALE是英文"ADDRESSLATCHENABLE"的缩写，表示允许地址锁存允许信号。
当访问外部存储器时，ALE信号负跳变来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口P0的地址总线（A0-A7）锁存进入锁存器中。
在非访问外部存储器期间，ALE引脚的输出频率是系统工作频率的1/16，因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。
当问外部存储器期间，将以1/12振荡频率输出。
EA/VPP：
该引脚为低电平时，则读取外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。
因此在8031中，EA引脚必须接低电位，因为其部无程序存储器空间。
如果是使用AT89S51或其它部有程序空间的单片机时，此引脚接成高电平使程序运行时访问部程序存储器，当程序指针PC值超过片程序存储器地址（如8051/8751/89C51的PC超过0FFFH）时，将自动转向外部程序存储器继续运行。
PSEN：
此为"ProgramStoreEnable"的缩写。
访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。
在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二次PSEN信号。
在执行片程序存储器指令时，不产生PSEN信号，在访问外部数据时，亦不产生PSEN信号。
以下是单片机的工作方式：
单片机的工作方式包括：
复位方式，程序执行方式，单步执行方式，掉电、节电方式以及EEPROM编程和校验方式。
1）复位方式RST引脚时复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效，高电平的持续时间应该在24个时钟周期以上，若时钟频率为6MHz,则复位信号至少应持续4us以上，才可以使单片机可靠复位。
复位以后，部各寄存器进入下列状态:
PC0000H
ACC00H
PSW00H
SP07H
DPTR0000H
P0～P3FFH
IP**000000B
IE0*000000B
TMOD00H
TCON00H
TL000H
TH000H
TL100H
TH100H
SCON00H
SBUF不定
PCON0***0000B
复位后，程序计数器PC[15]的值是0000H说明：
AT89S51单片机的程序起始位置是在存的0000H，也就是说程序的第一条指令必须存入存的0000H单元，程序才可能在复位后，直接运行。
只要Vcc上升时间不超过1ms，通过在Vcc和RST引脚之间一个10uF电容，RST和Vss引脚（即地）之间加一个10kΩ的电阻，就可以实现自动上电复位，即打开电源就可以自动复位。
也可以进行手动复位，在Vcc和RST引脚之间接一个按键，即可以实现手动复位。
复位电路可以参考图3-2：
图3-2单片机复位电路
2）程序执行方式程序执行方式是单片机的基本工作方式。
所执行的程序可以放在部ROM、外部ROM或者同时放在外ROM中。
若程序全部放在外部ROM中（如对8031），则应使EA=0；否则，可令EA=1。
由于复位后PC=0000H,所以程序的执行总是从地址0000H开始的。
但真正的程序一般不可能从0000H开始存放，因此，需要在0000H单元开始存放一条转移指令，从而使程序跳转到真正的程序入口地址。
3）单步执行方式单步执行方式是使程序的执行处在外加脉冲（通常用一个按键产生）的控制下，一条指令一条指令地执行，即按一次键，执行一条指令。
序返回至少要在执行一条指令后才能重新进入中断。
将外加脉冲加到INT0输入，平时为低电平。
通过编程规定INT0信号是低电平有效，因此不来脉冲时总是处于响应中断的状态。
在中断服务程序中要安排这样的指令：
JNBP3.2；若INT0=0，不往下执行
JBP3.2；若INT0=1，不往下执行
RETI；返回主程序执行一条指令
4）掉电和节电方式在掉电方式下，单片机的耗电降至最小。
当电源恢复时，VPD应该保持足够长的时间（约10ms），以保证振荡器的起振和达到稳定，然后重新开始正常工作。
在掉电方式下，CPU暂时不工作，但也随时准备恢复工作。
3.3设置报警模块
此模块主要由键盘、报警器[11]组成（相关的电路设计下一章将会有详细的介绍）。
气体浓度经过键盘设置后送单片机记录，在采集到的气体浓度过大，超过安全值时单片机驱动蜂鸣器工作，提供报警服务。
4 硬件电路设计与分析
每一个设计都要以一定的知识为基础，知识的多少在一定程度上决定了设计出来的东西的好坏程度。
这些知识包括硬件知识和软件知识。
硬件知识用来设计硬件电路，以实现信号的采集、放大、转换和显示等功能。
软件知识用来设计芯片处理数据的先后顺序，数据的获得途径以及对数据做怎样的处理和显示功能等等。
当然，在硬件电路里一些芯片是必不可少的，软件设计也需要对芯片进行编程序。
本章将介绍本次设计用到的一些基本知识和主要芯片。
电路的设计都在建立在理论的基础上。
理论依据的成立与否在很大程度上决定了电路设计的成功，也整个系统能否实现的根本。
为此，本章将着重介绍硬件电路的设计以及分析。
4.1系统电源的设计
直流稳压电源主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路所组成，以前电子设备中的稳压器大都由分立元器件构成，现在研制成功了各种集成稳压器。
下面简单介绍本设计使用到的电源器件：
三端固定式集成稳压器。
4.1.1三端固定式集成稳压器
三端固定式集成稳压器有78XX/79XX系列，它是固定输出电压式稳压器，片有过流保护和过热保护功能，外接两只电容就可以简单构成稳压电路，如图4-1所示。
当输入电压Vi、输出电流Io或温度变化时，输出电压Vo可保持不变；另外当输出短路，可使输出电流Io现在为一定值；若集成稳压器过热，则稳压器停止工作，也避免稳压器遭到损坏。
图中C1用以抑制过电压，抵消因输入线过长产生的电感效应并消除自激振荡；C2用以改善负载的瞬态响应，即瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大的波动。
C1，C2一般选用涤纶电容，容量为0.1μF或者几个μF。
安装时，两电容应直接与三端集成稳压器的引脚根部相连。
78XX系列为正电压输出，79XX为负电压输出，各自有100mA、500mA和1.5A三个系列。
78XX系列和79XX系列的管脚配置不同，在接线的时候要特别注意。
如上图所示，三端稳压器的三端是输入端Vi、输出端VO和公共端COM，使用公共端通常接地。
它的部有效电路由调整管、保护电路、控制电路和误差放大器等组成，Vo-COM间电压与基准电压进行比较，工作时经常保持一致，当输入电压Vi或输出电流Io变化时，使输出Vo保持稳定。
三端稳压器[12]为了使电路能稳定工作，在输入端和输出端分别接入电容。
输入端稳定电容是当稳压器输入阻抗降低时，防止发生震荡，可采用0.1～1uF的陶瓷电容,在应用中一般要在输入端前加一个电解电容，即平滑电容。
当平滑电容距离稳压器很近时，可以省掉陶瓷电容。
输出端电容也是稳定电容，对于降低输出纹波、输出噪声及负载电流变化的影响有很好的效果，采用0.1～1uF的陶瓷电容就可以了。
4.1.2电源电路的设计
根据以上所介绍的参数，本系统所用+5V电源采用7805稳压管，将由变压器送出来的9V交流电压变成5V直流电压。
本电路使用整流全桥对9V交流电压进行整流，然后经过滤波电路送入7805稳压管，从而得到稳定的+5V直流电压。
电路图如图4-2所示：
本电路工作时，先将插头接到220V市电上，由开关接通电源，此时，红色发光二极管工作显示电源接通状态。
图4-2系统+5V电源电路设计
4.2信号采集放大电路的设计
4.2.1气敏传感元件特性
（1）灵敏度特性
气敏元件的灵敏度特性,是表征气敏器件对检测气体敏感程度的指标.半导体气敏元件对多种可燃性气体和液体蒸汽都有敏感性能,其灵敏度视气体和液体蒸汽不同而有所不同.器件灵敏度虽各有差异,但它们都遵循共同规律,即气敏元件阻值与检测气体浓度成对数关系变化：
logRc=m.logC+n（4-1）
式中n与气体检测灵敏度有关，除了随材料和气体种类不同而变化外，还会由于测量温度和添加剂的不同而发生大幅度变化。
m为气体的分离度，随气体浓度变化而变化。
（2）温湿度特性
半导体气敏元件敏感原理是基于敏感体表面的吸附反应,所以易受环境温度、湿度影响.由于气敏器件与环境温湿度有一定依赖关系,所以在需要较高精度和可靠性的应用中,在电路中要加入温湿度补偿.湿度传感器的昂贵价格限制了湿度补偿的采用，一般仅作温度补偿即可取得较好效果。
（3）加热特性
半导体气敏元件需要在加热状态下工作,加热温度影响器件的性能,加热功率变化,元件电阻及灵敏度也相应的有所变化，所以传感器的工作电源应使用稳压电源。
（4）初期恢复特性:
气敏元件在不通电状态下存放后,再通电时并不能立即投入正常工作,其电阻值会有一段急剧变化过程,而后趋于稳定.元件由通电至趋于稳定的时间称为初期恢复时间。
初期恢复时间与元件种类、存放时间和存放环境状态有关；一般不通电存放时间长,初期恢复时间亦长，但一般都在5分钟以。
由于这种影响使得气体检漏仪或报警器在通电初期即使没有检测气体,也会触发报警,即所谓通电初期误动作.为此,在设计报警器电路时,可采取适当措施,设法消除这种误动作现象或避免这种影响.
（5）长期工作稳定性
半导体气敏元件的敏感层是用非常稳定的金属氧化物制成的，因此它具有优秀的长期稳定性，在正常使用条件下，其使用寿命可达3年以上。
4.2.2信号采集放大电路的设计
根据QM-N5的性能参数以及以上所述参数，可知将信号采集放大的关键是将QM-N5的可变阻值转变为电压输出。
因此本设计使用了LM358运算放大器。
信号采集放大电路如下图4
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