基于单片机的煤气报警器设计1.docx
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基于单片机的煤气报警器设计1
毕业论文（设计）
基于单片机的煤气报警器设计
学生姓名：
王汉东
指导教师：
妍（讲师）
合作指导教师：
专业名称：
通信工程
所在学院：
信息工程学院
2013年6月
摘要
随着改革开放，与西部大开发战略的深发展。
使得液化石油气、煤气、天然气随着经济水平和科学技术的高速发展已经进入寻常家庭,提高了城市的生活品质，也使得人们对生活质量和生活环境的改善越来越重视。
不过同时也给人们带来了一定的潜在的危险,其中一氧化碳（CO）是最主要的危险源。
一氧化碳进入体后会和血红蛋白相结合，使血液中的含氧量减少，使人缺氧死亡，或者造成财产的损失。
因此研究各种气体的检测方法与报警也随之成为一个重要课题，同时对于煤气气体的检测与控制就变得很重要了。
本课题设计煤气报警采用了AT89C51单片机为报警器的核心部件，对煤气报警器进行控制。
同时选用气体传感器MQ-9同时与ADC0808转换器连接，将模拟信号转换为数字信号使得单片机能处理，经AT89C51单片机处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于设定的气体浓度值，如果是的话则会自动启动报警电路发出报警声音，反之则不会报警。
关键词：
气体传感器，气体泄露报警器，AT89C51单片机
Abstract
TheWest-EastGasliquefiedpetroleumgas,naturalgasastheeconomiclevelandtherapiddevelopmentofscienceandtechnologyintothehomesoffamiliestoimprovethequalityoflifeofthecity,alsomakesitthequalityoflifebroughtgreatconveniencetopeople'slivesandtheimprovementofthelivingenvironmentmoreandmoreattention。
Butalsogaverisetosomepotentiallydangerouscarbonmonoxide（CO）isthemainsourceofdanger.Carbonmonoxideintothebodyandhemoglobincombineddecreaseintheoxygencontentintheblood,makesoxygendeath,ordamageproperty.Therefore,forthedetectionandcontrolofthegasgasbecomesimportanttostudyavarietyofgasdetectionandalarmalsowillbecomeanimportantissue.
DesignofthisprojectwithagasalarmannunciatorAT89C51microcontrollerasthecorecomponentofthegasalarmcontrol.AlsoselectedgassensorMQ-9ADC0808converterisconnectedwithboth,theanalogsignalisconvertedtoadigitalsignalthatthemicrocontrollercanhandle,theAT89C51single-chipprocessing,andanalysisofthedataprocessed,thegasconcentrationisgreaterthanthesetvalue,ifitis,thenitwillautomaticallystartthealarmcircuitalarmsounds,andviceversawillnotalarm.
Keywords：
selectedgassensor,Leakinggasesalarm,AT89C51microcomputer
第一章前言
1.1研究目的和意义
安全问题对于楼房家庭住户是个不能忽视的问题。
为了减少并杜绝各种因燃气而造成的伤害，生产单位以与人民群众应选择一种适合的室煤气泄露报警器实在是一种必不可少的手段。
所以，防止煤气中毒与爆炸是人们一定要正视的问题。
煤气泄漏报警器正以其小巧的体积，高稳定性，高便携性，高检测性，以与低成本打入各个国家的家庭当中。
家用煤气报警器作为煤气气体探测器具有较高的检测准确性，防止因过量泄漏而照成人员与财产的损失，通常有模数转换模块，声光报警模块，LED显示模块，排气扇模块，GSM短信发射模块等构成。
常常根据泄漏的量来驱动是什么光亮，报警器响不响等。
由于要求燃气体报警器具有更小的体积，更高精度的监控，更长时间稳定的工作的特点。
传统的纯硬件报警器已经无法达到人们的期望了，因此常用atmel公司的51系列单片机来实现。
对于常用的燃气泄漏报警器，常常是一单片机为主控模块，LED模块，排风扇模块，声光报警模块为分支模块。
报警器对于在人们的日常居家生活中，尤其在煤矿等工业生产中都发挥着至关重要的安全保护作用，所以实时准确测量周围工作环境中的煤气等可燃性气体，有毒有害气体泄露，对保护人民的人身安全和财产安全有不可或缺重要意义。
1.2国外研究现状
气体检测报警产品属于高新技术是，一个以人民生活为依托的系列产品，包括气体检验测试探针、信息传输与控制功能、报警检测与分析系统，是传感集成分析、非手动管理控制、单片机使用、数据传输和管理等技术的综合技术引用。
对于商用燃气泄漏报警器来说还外国的技术发展较早，而且也更加成熟。
二十世纪六十年代初期，日本开发完成第一台真正意义上的家用燃气泄漏报警器，1964年12月其改良产品问世，经过改良后的报警器可以安装在浴室或者采用中心管控，严防死守科研气体的泄漏。
国煤气报警器的研究起步相对较晚，芯片厂家数量，价格等因素使得国的燃气泄漏报警器已经输在了起跑线上了，但随着时代的发展科技的进步，以与改革开放三十年和党和国家的正确领导，特别是三个代表重要思想的提出以后，国外的燃气泄漏报警器的零件差距不是很大，许多指标已经超越。
但国外仪器依然占领了国大部分市场，成熟的自主研制的煤气报警器产品在国难觅踪迹，只在期刊杂志出现了零散的不够具体科学的文章。
虽然现在市场上也以出现了少量产品。
不过存在的问题是：
人们对于燃气泄漏的防意识不够，生产商对于产品的功能构造的不够完善，还有销售商对于市场的分析过于片面，才造成了当前国货的尴尬局面。
1.3研究容和方法
本设计主要研究并设计以AT8C51单片机为主控模块，LED模块，声光报警模块，为分支模块的燃气泄漏报警器。
其中AT89C51单片机，其价格便宜，易于产品化。
主要针对CO气体，主要实现家庭燃气泄漏的检测与报警。
控制系统主要是由AT89C51单片机、模数转换模块、LED显示模块、声光报警模块等部分组成。
单片机通过ADC0809为主体的模数转换模块所输出的来的信号，来对之后的声光报警模块和LED模块来进行驱动，实现三色LED灯，蜂鸣器的管控，同时达到实现对于燃气泄漏报的监控。
此燃气泄漏报警器可以将气体传感器输出的模拟信号经模数转换模块处理送入主控模块中进行处理，并将测量数值传到LED模块，若气体浓度超过警报值（需自行设定一个，可以是爆点稍低），用主控模块操作红灯报警，并使蜂鸣器鸣响，发出警报，降低危险发生的概率。
并且要达到绿灯点亮表示一切正常，没有一氧化碳泄漏，此时红色和黄色不亮，蜂鸣器正常；当空气中有一氧化碳时，但没有达到报警值，此时黄灯亮，红色灯和绿色灯不亮，蜂鸣器正常；红色灯点亮时表示此时空间当中已经非常危险了，要立即声蜂鸣器响起。
系统以MQ-9气体传感器和AT89C51单片机为核心，设计气体泄漏报警器。
实现：
1.设计电路在无人监控的情况下自己能正常安全稳定运行的准确测量测试房间当中CO泄漏值；
2．实现汇编语言对于单片机的各个模块，并间接的可对于传感电路的控制；
3．了解MQ-9气体传感器的具体功能；
4．实现确保人民的生活安全，为正确表达科技为人民的重要思想。
第二章系统总体概述
2.1天然气报警的设计思路
此设计的燃气泄漏报警器应能检测出空气中一氧化碳的浓度同时可以报警，设备的主要部分应有：
单片机主控模块，LED显示模块，声光报警模块，以与模数转换模块。
首先气敏传感器作为第一部分首先要感知周围空间环境的一氧化碳的浓度，将气体浓度通过模数转换模块转换成为对应的电压信号送入单片机。
在单片机中对数字信号进行分析，检测，对比。
随后将数字信号以10进制数的形式表现在LED显示模块中同时判断气体浓度值，与某个预设值既报警门限进行比较，如果大于则会自动启动报警电路发出报警声音反之则为正常状态。
由于传感器在温度较高时更加准确，故可以考虑增加一个温度补偿电路。
为提高响应时间，保证气体传感器准确地、稳定地工作，报警器需要向气体传感器持续输出一个5V的电压。
为使报警装置更加完善，可以在声音报警基础上，加入光闪报警，变化的光信号可以引起用户注意，弥补嘈杂环境中声音报警的局限。
以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。
燃气泄漏报警器的关键部分是单片机主控模块和气体传感器模块，因此我们根据周围环境，所检测的气体以与生产成本等诸多方面考虑采用MQ-9行气体传感器和atmel公司的单片机。
系统总体主要是分为：
传感器模块、数模转换模块、LED显示模块、声光报警模块气体传感器模块和模数转换模块这五大模块。
2.2系统的设计要求与基本功能
2.2.1系统的设计要求
一、由于不同地点煤气量有所差异，要求对多个地点同步进行煤气测量
二、测量煤气围可以设定，精度为5ppm
三、预置时显示设定的ppm值
2.2.2系统的基本功能
一、能对煤气值进行检测、保持和控制，超出安全煤气值时进行报警。
二、能根据实际需要对2个不同地点的安全煤气值进行设置。
2.3系统结构框图
本次燃气泄漏报警器系统才用了单片机主控模块，LED显示模块，声光报警模块，气体传感器模块，和模数转换模块。
其设计合理，结构构思巧妙，物尽其用，其结构如以下图所示：
图1.天燃气泄漏报警系统结构框图
其中CO传感器是对于周围环境的燃气浓度值进行检测，是设备的关键的感知部分。
由于气体传感器受环境影响较大，故常常增加一个温度补偿电路，使传感器工作在较高的温度环境中，有利于增加其稳定性。
A/D转换模块是将模拟信号转换为数字信号，供单片机处理信号。
最后，由单片机发出适宜声光信号，来说明当前的状态。
2.4方案的选择
1.主控模块设计方案的论证与比较
方案一：
采用单片机AT89C51芯片
以单片机AT89C51芯片作为系统的控制核心，具有4KB的Flash闪速存储器，128B部RAM，两个16位定时/计数器，32个I/O接口线，一个5向量的两级终端结构，一个全双工串行通信口，片振荡器与时钟电路。
功能强大的单片机AT89C51，是纵多设计师们所青睐的，其常被灵活应用于很多控制领域。
尽管单片机AT89C51在一定程度上符合设计的要求，但由于本次设计要实现的功能比较多，需要较大的程序存储空间，其最大的问题是可能会出现存不足的现象。
为了避免出现存不足，要外接程序存储器，使电路复杂化的现象，建议使用存比单片机AT89C52芯片大的芯片。
方案二：
采用单片机AT89C52芯片
与采用单片机AT89C51芯片相比，采用单片机AT89C52芯片作为系统的控制中心，具有片8KB的可反复擦写的只读程序存储器和256B的RAM，按常规方法编程和在线编程均可以用在单片机AT89C52上，比较方便。
利用其可将通用的微处理器结合Flash存储器在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器，可以避免外扩存的复杂化，很大程度上解决了存不足的问题。
综合考虑设计成本以与实现的功能后，决定采用单片机AT89C51芯片。
2.显示模块的设计方案的论证与比较
常用的显示设备主要有LED显示器和LCD显示器，由于本系统的主控芯片可以直接驱动LED显示器和仅需要显示数字，应选择LED显示器。
从节省单片机部资源的角度来考虑的话，串行输出优于并行输出，故仅考虑串行输出。
方案一：
多位LED数码管动态显示方式
当显示的位数比较多时，采用动态显示比较合理。
在动态显示下，单片机的一个I/O接口接上并联在一起的数码管的8个引脚（a-h），单片机的另一I/O接口接上每个数码管的共阴或共阳端（位选信号端），控制数码管轮流被选中，驱动其轮流显示。
动态显示即依次轮流点亮各位显示器，故同一瞬间只能显示一种字符。
位选口控制具体的显示容，借助人的视觉暂留效果以达到显示不同字符的效果。
为了显示效果稳定，可以使每个数码管显示的数字不断重复，因而要求不断刷新。
如果要达到人类视觉的良好效果，刷新的频率则必须达到一定的程度。
高频率重复刷新，必定占用了单片机的运行时间。
相反，如果单片机无法提供足够的刷新频率，则显示效果不稳定，出现闪烁现象。
另外，由于动态显示不具有直接驱动的功能，动态显示要考虑LED驱动问题。
动态显示是由段和位选信号共同配合而完成的，因而必须同时考虑段和位的驱动能力，需要注意的是段的驱动能力决定位的驱动能力。
总体而言，动态显示相对来说，要综合考虑多方面因素，相对复杂。
方案二：
多位LED数码管静态显示方式
当显示的位数不多时，择优考虑静态显示。
采用静态显示的方式时，最大的优点是LED显示器由接口芯片直接驱动，很小的驱动电流便可换取较高的显示亮度。
串行输出大大节约了单片机的部资源，减少不必要的浪费。
采用74LS164实现串并转换，无需添加其他驱动电路。
LED亮度高，控制容易，电路简单，占用CPU很少的运行时间，不占用太多的接口资源，基本能够满足设计的最正确要求。
由于本设计需要五位显示器，综合以上分析，应选择多位LED数码管静态态显示方式。
3.报警模块的设计与论证
报警模块要实现的是在环境中的燃气浓度值超出初始设置的围时，可以与时作出报警，设计要求不会给整体设计带来太多的负担，又鉴于单片机可直接驱动蜂鸣器，故直接用单片机外接报警信号放大器来放大报警信号，驱动蜂鸣器作出清晰的报警信号。
第三章硬件设计
3.1主控单片机模块
本设计中采用的是ATMEL公司的AT89C51单片机。
图2AT89C51实物图
AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片含128bytes的随机存取数据存储器（RAM）和4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器（ROM），器件采用ATMEL公司的非易失性、高密度的存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片置Flash存储单元和通用8位中央处理器，置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案[1][2][3][4][5]。
AT89C51是一个低功耗高性能单片机，有40个标准引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本[5]。
主要性能：
与MCS-51兼容；4K字节可编程FLASH存储器；使用长度：
1000次以上；数据保留时间：
10年；全静态工作：
0Hz-24MHz；128×8位部RAM；32位可编程输入/输出线；脉冲时钟模块；睡眠模式；可编程串行通道；两个16位定时器/计数器T0、T1；5个中断源：
INT0、INT1、T0、T1、RXD、TXD；三级程序存储器锁定
特性概述：
AT89C51提供以下标准功能：
两个16位定时\计数器，128字节随机存储器（RAM），中断控制结构（可处理5个中断源），片振荡器与时钟电路，4K字节只读存储器，32个多用I/O口线，分别是p0p1p2和p3，一个全双工串行通信口。
一个8位的cpu与指令系统，21个非常用功能寄存器，非片存储电路。
存架构
MCS-51有四种不同类型的存-部RAM，特殊功能寄存器，程序存储器和外部数据存储器。
部RAM（IRAM）位于从地址0到0xFF的地址。
IRAM从0x00到0x7F可以直接访问。
IRAM从0x80到0xFF必须使用R0或R1语句，要访问的地址装入R0或R1间接访问。
128位IRAM地址0x20值为0x2F位寻址。
特殊功能寄存器（SFR）都位于相同的地址空间作为IRAM，0x80〜0xFF的地址处，并直接进行访问，使用相同的指令的下半部分IRAM。
他们不能被通过R0或R1间接访问。
SFR的16位寻址。
程序存储器（PMEM，虽然不太常见的用法比IRAM和XRAM）是64KB只读存储器，在一个单独的地址空间地址0处开始。
这可能是上或片外的，这取决于所使用的芯片上的特定模型。
只读程序存储器，但8051上使用的片上闪存和一些变种的重新编程的存在系统或应用程序提供了一种方法。
除了代码，它是未能存储在程序存储器中的只读数据，MOVCA，DPTR指令访问。
数据是取自指定的地址在16位的特殊功能寄存器DPTR。
外部数据存储器（XRAM）是第三的地址空间中，也开始在地址0。
它也可以是上或片，是什么使得它的“外部”的是，它必须使用MOVX指令（移动外部）访问。
许多变种的8051包括标准的256字节IRAM加在芯片上几KB的XRAM。
管脚说明：
VCC：
+5v。
GND：
接地。
P0口：
可做一般I/O使用，当做输入或输出时应在外部接提升电阻，外部记忆体扩充时，当做数据总线（D0~7）与地址总线（A0~7）。
由ALE结交输出信号时复用。
P1口：
一般I/O使用，內部设有提升电阻。
P2口：
p2是一个8位双向I/O端口部上拉。
端口2输出缓冲器可汇/源四TTL输入。
当1s被写入端口2引脚，它们被拉高上拉，可以用来作为输入信号。
作为输入，端口2pins被外部拉低将源电流（IIL），因为部上拉。
p2发出的高位地址字节在提取从外部程序存储器和访问外部数据存储器，使用16位地址（MOVXDPTR）。
在这种应用中，p2发射1时，使用强大的部上拉。
在访问外部数据存储器，使用8位地址（MOVXRI），p2发出的容P2特殊功能寄存器。
P2口也接收高位地址位和一些控制信号在闪存程序明和核实。
P3口：
端口3是一个8位双向I/O端口部上拉。
3口输出缓冲器可汇/源四TTL输入。
当1s被写入港口3pins，他们拉高由部上拉，并可以作为输入。
作为输入，p3口被外部拉低将源电流（IIL），因为上拉。
p3编程和校验接收一些控制信号。
p3也可以用不同的特殊功能的AT89S51所示。
管脚备选功能
P3.0RXD串行通信输入端
P3.1TXD串行通信输出端
P3.2/INT0外部中断0的输入端
P3.3/INT1外部中断1的输入端
P3.4T0计时器0的脉冲输入端
P3.5T1计时器1的脉冲输入端
P3.6/WR片外数据存储器“写控制”信号输出端
P3.7/RD外部数据存储器“读控制”信号输入端
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
该引脚上出现两个机器周期高，而振荡器运行复位设备。
该引脚驱动高看门狗超时后的98个振荡器周期。
在默认状态下，复位高输出功能位已启用。
ALE/PROG：
地址锁存使能（ALE）是一个输出脉冲锁存地址低字节访问外部存储器。
该引脚也是在闪存编程脉冲输入（PROG）编程。
在正常操作中，ALE是在一个恒定的速率1/6振荡器的频率发射并可能用于外部定时或定时的目的。
但是，请注意，一个ALE脉冲被跳过每次访问外部数据存储器。
如果需要，可以禁止ALE操作通过设置位0SFR位置8EH。
随着位设置，ALE是活跃仅在MOVX或MOVC指令。
否则，该引脚微弱拉高。
设置的ALE禁止位微控制器有没有效果，如果是在外部执行模式。
/PSEN：
片外程序存储器的选通，当单片机需要从片外ROM读取容时，此段将输出低电平，已控制片外ROM进行输出。
/EA/VPP：
外部访问启用。
EA必须绑到GND为了使设备来代码从0000H开始上升到FFFFH的外部程序存储器位置。
但是请注意，如果锁定位1编程，EA将在部上reset.EA锁存应绑VCC部程序执行。
该引脚还收到12伏的编程使能在闪存编程电压（VPP）。
XTAL1输入到反相振荡放大器和输入到部时钟工作电路。
XTAL2从反相振荡放大器的输出
振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片振荡器。
石晶振荡和瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
单片机管脚图
图3.AT89C51管脚图
单片机的中断与复位
中断的概念
当CPU正在处理一个事件，当事件发生时，外面快的CPU来处理请求，使CPU暂停当前的工作，转去处理事件。
中断服务处理了事件，然后再返回到原来的地方继续中止原来的工作，这样的过程被称为一个中断。
89C51的中断系统
AT89S51总共有5个中断向量：
两个外部中断（INT0和INT1），两个定时器中断（定时器0和1），和串口中断。
这些中断源可以单独启用或禁用通过设置或清除位在特殊功能寄存器IE。
IE浏览器中还包含了一个全局禁止位，例如EA，禁用所有中断一次。
请注意，IE.6和IE.5位的位置是未实现的。
用户软件不应该写1s这些位的位置，因为他们可能会在未来AT89产品中使用。
定时器0和定时器1旗帜，TF0和TF1，定于S5P2其中定时器周期溢出。
的值在下一个周期中的电路，然后由调查。
（1）部中断源：
TF1：
当T1计数产生溢出时，由硬件置位TF1，定时器T1的溢出中断标记,。
当CPU响应中断后，再由硬件将TF1清0。
TF0：
与TF1类似。
TI、RI：
串行口发送、接收中断。
（2）中断源：
外部中断请求源：
即外中断0和1，通过INT0、INT1单片机上有两个引脚的经由外部引脚引入的也就是P3.2、P3.3这两个引脚。
外部中断与部TCON中有四位有关。
IT1：
INT1触发方式控制位，IT1=0，INT1为低电平触发，IT1=1，INT1为负跳变触发。
IE1：
INT1中断请求标志位。
当有外部的中断请求时，这位就会由0跳变成1，在CPU响应中断后，由硬件将IE1清0。
IT0、IE0的用途和IT1、IE1相同。
（3）中断寄存器IE
中断的允许或禁止是由片可进行位寻址的8位中断允许寄存器IE来控制的。
有EX0EX1ESET0ET1EA等
其中EA是总开关，如果它等于0，则所有中断都不允许。
ES－串行口中断允许
ET0－定时器0中断允许，EX0－外中断0中断允许。
ET1－定时器1中断允许，EX1－外中断1中断允许。
（4）中断服务入口与自然优先级
外中断0：
0003H；定时器0：
000BH；外中断1：
0013H；定时器1：
001BH
串口：
0023H
器有限与顺序为由高到低。
通过IP来确定优先级的高低，若对应的中断为低优先级则将IP设置为0，同理若是高优先级则将IP设置为1。
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