气体泄漏报警装置设计讲解.docx
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气体泄漏报警装置设计讲解
信息工程学院本科生课程设计报告
课程名称：
电子综合设计
设计题目：
气体泄漏报警装置设计
系别：
计算机与电子工程系
专业（方向）：
电子信息工程
年级、班：
学生姓名：
学号：
指导教师：
2014年12月20日
气体泄漏报警装置设计
一、【设计目的】
运用所学单片机及现代测控技术知识，设计一个厨房可燃性气体泄漏情况的检测报警装置，当厨房中天然气（
）或液化石油气（
）浓度大于某个数值（例1000ppm）时，用蜂鸣器报警并发出控制信号，启动抽油烟机。
二、【产品性能指标】
（1）分辨率：
8位；
（2）总的不可调误差：
ADC0808为±2LSB,ADC0809为±1LSB；
（3）转换时间：
取决于芯片时钟频率，如CLK=500kHz时，TCONV=128μs；
（4）单一电源:
+5V；
（5）模拟输入电压范围：
单极性0～5V；双极性±5V,±10V（需外加一定电路）；
（6）具有可控三态输出缓存器；
（7）启动转换控制为脉冲式（正脉冲），上升沿使所有内部寄存器清零，下降沿使A/D转换开始；
（8）使用时不需进行零点和满刻度调节。
三、【设计的原理】
1、系统框图
图1系统框图
如图1所示通过QM-2采集可燃性气体浓度，经ADC0808模数转换把数据传输给单片机AT89C51，单片机通过对ADC0808转换来的数据进行处理，当可燃性气体弄到达到设定为报警浓度时，单片机将驱动报警电路，开启蜂鸣器报警，同时驱动排气电路，开启抽油烟机进行排气，单片机通过实时检测，当浓度降至报警浓度一下，单片机发出信号关闭蜂鸣器和抽油烟机。
2、各模块工作原理的分析与介绍
2.1气体浓度检测模块
图2模拟气体浓度检测图
由于在protues中没有QM-2及QM系列气体传感器，所以我们只能用别的器件代替，因为气体浓度传感器QM-2是通过电阻的变化实现对气体感应做出反应，所以我们用一个电位器代替，如图2。
2.2A/D模数转换模块
图3ADC0808A/D模数转换图
因为单片机只能处理数字信号，我们不能直接让单片机处理模拟信号，所以我们要把气体传感器采集来的信号，通过模数转换后才能传给单片机，让单片机处理。
这里我们用的是ADC0808，ADC0808有8个输入通道，这里我们只用了一个IN0，ADC0808通过IN0接收电位器信号，并把信号转换为数字信号从OUT口输出给单片机。
如图3.
2.3报警电路模块
图4报警电路图
如图4为当检测到的可燃性气体浓度高于设定的报警浓度时，系统通过软件响应P3.5驱动报警电路，直到浓度低于设定的报警浓度为止。
2.4排气模块
图5模拟排气模块图
图5是一个模拟排气模块，这里我们用一个马达代替了抽油烟机，同样的当单片机检测到的可燃性气体浓度大于了设定的报警浓度时，单片机通过响应P2.7口驱动马达进行排气动作，直到可燃性气体浓度低于这个报警浓度时，单片机又会响应P2.7口，给一个高电平关闭马达，停止排气。
3、系统软件设计
3.1总体设计思想
总体思路是首先定义相关的硬件接口，然后进行初始化，包括AD控制端和定时器的初始化。
初始化后开始无限循环，以保证24小时全天候的检测甲烷的浓度，及时发现险情并报警。
无限循环中将依次调用AD转换函数、比较判断函数、声音报警函数和显示报警函数。
图6为软件主函数流程图。
AD控制端初始化
定时器初始化
无限循环
调用AD转换函数
调用比较判断函数
调用声音报警函数
调用显示报警函数
循环结束
图6主函数流程图
根据软件设计的基本要求,采取了如下的措施:
1.程序模块化（软件设计中包含有：
主程序模块、显示模块、A/D数据转换子模块、声报警模块、数据转换模块、中断处理模块等）。
2.软件设计采用C51汇编语言，可以保证数据计算的精度。
以下就对一些主要模块进行详细的阐述。
3.2软件模块设计
3.2.1主程序模块
主程序运行流程图如图7所示。
由主程序流程图可以看出，软件要实现的主要功能是实现对传感器信号的数据采集，然后进行数据的计算、分析、送数码管进行显示。
程序开始时，先关闭中断，对系统进行初始化，包括单片机的各寄存器、RAM、定时器装载初值、中断设置及各模块初始化等。
完成初始化后，数码管显示参数为零，单片机等待传感器传入信号及AD转换结束，从而完成当前监测参数的正确显示。
系统初始化
执行主程序
结束
数码管显示参数
声光报警
参数超标
图7主程序流程图
3.2.2AD转换模块
由于定电位电解式气体传感器工作响应时间为10-20秒左右，故进行模数转换前设置AD等待25秒，以保证传感器响应完成并使所测数据准确。
本设计所用的芯片为ADC0808，根据所需的要求，AD的工作流程如图8所示，首先AD先等待25秒以使得传感器完全响应完毕，然后AD开始工作，当转换完成后向单片机发出一个中断信号告诉单片机可以读取数据，单片机响应中断，从PB口读取转换完毕后的8位二进制数据，再进一步进行处理。
对气体传感器分段选择多个测试点尽享精确测试。
系统上电后，对单片机、ADC0808进行初始化，开单片机总中断，外部中断0，AD转换结束后，进入中断子程序读取转换结果存放在全局变量中，然后进行数据分析、计算与处理，以便以后单片机进行数据LCD的显示处理。
开始
循环四次
写地址
地址锁存并清零ADC0808
等待一段时间开始转换
等待转换完成
输出数据
数据处理
循环结束
图8AD转换流程图
3.2.3比较判断函数
如图9比较判断函数是将AD转换得到的数据与门限值比较，根据比较结果设置报警数组的对应位。
是否超限
对应位置零
是否
对应位置一
结束
图9时钟程序流程图
3.2.4显示报警函数
如图10显示报警函数根据报警数组控制相应数码管显示报警传感器号码。
开始
结束
图10显示报警函数流
3.2.5液晶显示模块
本设计所用的显示器件为四位数码管，满足显示要求。
数码管与单片机是并口通信，由单片机的P3.3、P3.4、P3.5引脚来控制数据命令功能，单片机P2口传输数据到数码管进行显示。
工作流程如图11。
1602初始化
送显示命令
指向数据地址
送显示数据
显示数据
返回
图11液晶显示模块工作流程图
3.2.6声光报警模块
声音报警采用的是蜂鸣器，光报警是通过6个发光二极管来显示，3个绿色和三个红色的，当毒气含量没超标时显示绿色，超标时显示红色并启动蜂鸣器，报警子程序执行之前，设定的报警阈值存放在两个变量中，传感器输入AD转换值后，调用比较程序，小于阈值则执行显示程序，若大于阈值进行声光报警。
图12是声光报警流程图。
入口
报警位置
红灯亮并启动蜂鸣器
绿灯亮
返回
图12声光报警流程图
四、【仿真与仿真结果分析】
4.1仿真软件简介
Proteus软件由ISIS和ARES两部分构成，其中ISIS是一款便捷的电子系统原理设计和仿真平台软件，ARES是一款高级的PCB布线编辑软件。
Proteus具有和其他EDA工具一样的原理图编辑、印刷电路板（PCB）设计及电路仿真功能，最大的特色是其电路仿真的交互化和可视化，通过Proteus软件的VSM（虚拟仿真模式），用户可以对模拟电路、数字电路、模数混合电路、单片机及外围元器件等电子线路进行系统仿真。
13图 即为Proteus的工作窗口。
图13Proteus的工作窗口
4.2仿真测试
对系统电路进行绘图仿真，主要测试一下几点：
（1）无可然气体泄漏时系统工作是否正常；
（2）可燃气体超标是系统工作是否正常。
图14低于设定报警浓度时的仿真
在此设计中，我们把“报警浓度”设为了3.3，图14浓度为2.55低于设定的报警浓度，没有达到报警跟排气的要求，所以从图中可以看出，马达跟蜂鸣器都没有工作。
图15高于设定报警浓度时的仿真
从图15中可以看出来，马达跟蜂鸣器都已经开启了，再看此时的浓度为4.40，大于设定的报警浓度，所以单片机驱动了报警电路和排气模块。
五、【元器件清单】
如下表1为本实验所需元器件清单。
表1元器件清单
名称
型号
数量
单片机
AT89C51
1
传感器
MQ-2
1
模/数转换芯片
ADC0808
1
蜂鸣器
5V
1
抽油烟机
220V
1
电阻R1
0.05K
1
电阻R2
1K
1
显示屏
LED
1
导线
若干
二极管
红
3
二极管
绿
3
六、【总结及改进思路】
通过此次设计，了解进行一项相对比较大型的科技设计所必不可少的几个阶段。
课程能够从理论设计和工程实践相结合、巩固基础知识与培养创新意识相结合、个人作用和集体协作相结合等方面全面的培养学生的全面素质。
我经过这次系统的课程设计，熟悉了对一项课题进行研究、设计和实验的详细过程。
这些在我们在将来的工作和学习当中都会有很大的帮助。
同时学会了怎样查阅资料和利用工具书。
平时课堂上所学习的知识大多比较陈旧，作为电子类专业的学生，由于专业特点自己更要积极查阅当前的最新电子资料。
当你在设计过程中需要用一些不曾学过的东西时，就要去有针对性地查找资料，然后加以吸收利用，以提高自己的应用能力，而且还能增长自己见识，补充最新的专业知识。
其次对硬件知识有了一个系统的掌握与提高；这些都极大的提高我的动手能力和实践能力。
加深了对课本知识的认识理解，对电路设计方法和实际电路连接也有了一定的初步认识。
也对数字电子技术有了更深的认识，同时在此次设计中也出现了许多的问题，比如对编程软件和仿真软件的使用，同时对于专业知识的理解不够透彻，需要进一步加强学习。
在此次实验中没有加入手动的设计，由于能力和时间的关系，在这次实验中没能完成，不过已经有了初步的想法，在今后希望通过自己的努力能更加完善这次实验。
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