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基于单片机的煤气检漏仪设计论文

石家庄科技信息职业学院

毕业论文

题目：

基于单片机的煤气检漏仪设计

学号：

姓名：

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指导教师：

完成日期：

摘要：

随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段——传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。

传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。

因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。

为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对烟雾传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。

本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一烟雾监控系统。

本论文以电阻式烟雾传感器和单片机技术为核心并与其他电子技术相结合，设计出一种技术水平较好的烟雾报警器。

其中选用MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现烟雾的检测，具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长。

选用的STC12C5410AD单片机，其整合了A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器等资源，具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是目前同类技术中性价比较高的产品。

以STC12C5410AD单片机和MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器为核心设计的烟雾报警器可实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。

是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾报警器。

具有一定的实用价值。

关键词：

烟雾，报警器，STC12C5410，传感器

Abstract:

While“informationage”thearrival,obtainedtheremarkableprogressasthegaininformationmethod--sensortechnology,itsapplicationdomainismoreandmorewidespread,ismoreandmorehightoitsrequest,thedemandismoreandmoreurgent.Thesensortechnologyhasbecomeweighsoneofnationalscienceandtechnologylevelofdevelopmentimportantsymbols.Therefore,understoodandgraspseachkindofsensorthebasicstructure,theprincipleofworkandthecharacteristicisextremelyimportant.

Inordertoenhancetothesensorunderstandingandtheunderstanding,inparticulartothesmogsensorthoroughresearchaswellasitsusageandtheuse,basedonpractical,widespreadandthemodelprinciplehasdesignedthissystem.Thisarticleusedthemonolithicintegratedcircuitunionsensortechnologytodevelophasdesignedthissmogsupervisorysystem.。

Thepresentpapertakeleavestheminorsmogsensorandthemonolithicintegratedcircuittechnologyunifiesasthecoreandwithotherelectronictechnology,designsonekindoftechnicallevelgoodsmogalarmapparatus.Inwhichselectsthe2M007semiconductorresistancetypesmogsensorrealizationsmogtheexamination,hasthesensitivityhigh,responds,theantijammingabilityquicklystrongandsoonthemerits,moreoverthepriceisinexpensive,theservicelifeislong.SelectstheSTC12C5410ADmonolithicintegratedcircuit,itsconformityA/Dtransformed,thehardwaremultiplier,resourcesandsoonhardwarePDMkeyer,hashighspeed,lowmeritsandsoonpowerloss,ultrastrongantijamming,isthepresentsimilartechnologyneutralpricequitehighproduct.

Mayrealizetheacousto-opticstaketheSTC12C5410ADmonolithicintegratedcircuitandthe2M007semiconductorresistancetypegassensorasthecoredesignsmogalarmapparatustoreporttothepolice,thebreakdownfromthediagnosis,thedensitydemonstrated,reportstothepolicelimitstheestablishment,thetimedelayreportstothepoliceandwithfunctionsandsoinpositionmachineserialportcorrespondence.Isonekindofstructuresimple,theperformancestable,theeasytooperate,thepriceinexpensive,theintellectualizedsmogalarmapparatus.Hascertainpracticalvalue.

Keyword:

Smog,Alarmapparatus,STC12C5410,Sensor

目　录

一、绪论1

（一）课题背景1

（二）目的和意义1

（三）技术指标1

（四）课题方案的设计2

二、总体电路设计2

（一）电路方框图及工作原理2

（二）整机电路图及工作原理3

（三）本章小结4

三、单元电路的设计与分析4

（一）计数器5

（二）译码器7

（三）检测地址显示电路8

（四）八选一模拟电子开关——CD40519

（五）巡回检测与报警电路11

（六）继电器原理说明15

（七）本章小结16

四、整机电路的安装与调试16

（一）整机电路的安装……………………………………………………16

（二）元器件检测18

（三）总体电路的调试20

（四）本章小结21

五、结论21

参考文献22

致谢23

一、绪论

（一）课题背景

近年来，全国煤气行业发展迅猛，液化气、天然气、煤制气等城市燃气作为清洁能源已在工商业和城镇居民用户中得到广泛应用，特别是随着“西气东输”工程的快速进展，燃气行业发展潜力巨大。

城市燃气的普及与应用无疑对改善城市的环境质量和提高居民的生活质量发挥了巨大的作用。

但是随着燃气的广泛应用，由于燃气泄露所引发的爆炸、中毒和火灾事故也时有发生，这在某种程度上增加了城市的不安全和不稳定因素。

为使燃气更好地造福于民，造福于社会，减少并杜绝各种因燃气泄露而引发的爆炸及火灾事故。

煤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，供煤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电压信号，由线性电路加以补偿，使信号线性化，经处理、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，煤气报警器发出声光报警信号并启动外部设备（电磁阀或排气扇）工作。

（二）目的和意义

通过本次设计对电子电路、电子元器件等方面知识有了进一步学习，同时在排版调试、焊接技术、相关仪器设备的使用技能等方面得到了全面的锻炼和提高。

进一步培养了我独立学习与独立完成工作的能力。

是对大学四年所学专业知识的温习与运用。

通过这次设计培养了我懂得在工程技术工作中必须的全局观和经济观，同时对计数器、译码器、八选一模拟电子开关、传感器等功能得到了学习，扎实基础，扩充知识。

本次设计题目是八通道煤气泄露巡回检测器，核心电路是传感器电路，当煤气泄露的浓度为0.3%时，声光报警电路工作，从而保障了生命、财产的安全。

在老师和同学的指导与帮助下顺利完成了总体电路的设计与调试。

同时掌握设计方案及适用要求。

（三）技术指标

1、数字显示通道数

2、每路检测时间为2S

3、当检测到煤气泄露时有声光报警

（四）课题方案的设计

采用数字电路进行设计。

数字电路调试简单，价格便宜、低功耗、控制功能强及运算速度快等特点。

用LED数码管来显示译码器所输出的信号。

采用了CD40系列中小规模集成芯片。

二、总体电路设计

本章主要说明总体电路的设计方案，本次设计主要用数字电路来完成总体电路的设计。

数字电路设计简单，易于调试。

（一）电路方框图及工作原理

图2-1八通道煤气泄露巡回检测器方框图

八通道煤气泄露巡回检测器方框图如图2-1所示，此电路是由八路煤气泄露检测电路、计数器、译码器、检测地址显示电路、声光报警电路、巡回检测时基电路、八选一模拟电子开关组成。

当某通道煤气泄露检测电路检测到通道内有煤气泄露时，八选一模拟电子开关相应的开关闭合，驱动声光报警电路工作，从而产生声光报警。

同时巡回检测时基电路工作，启动计数器计数，计数器输出端输出的信号送给译码器，译码器驱动检测地址显示电路显示巡检的地址号。

（二）整机电路图及工作原理

图2-2八通道煤气泄露巡回检测器电路原理图

八通道煤气泄露巡回检测器自动巡回检测八路地址。

如图2-2所示，集成电路IC1、IC2、IC3是计数、地址号显示、巡检部分的关键器件。

C2和R2是IC1的清零电路，RP、R1、C1和IC1的内部电路组成振荡器，调节RP能改变振荡频率，从而改变巡回检测速度。

从IC1的Q4、Q5、Q6输出的信号一路送给IC3，另一路送BCD—7段锁存/译码/显示驱动器IC2，驱动七段共阴LED数码管，显示巡检的地址号。

另外从Q7输出的信号通过二极管D1送至IC1的清零端R，使IC1重新清零计数，达到周而复始巡回检测的目的。

IC3是八选一电子模拟开关，由IC1输出的二进制信号控制电子开关实现八选一，当IC1输出“000”时，开关接通第一路煤气泄露检测电路，地址显示为“0”，当IC1输出“001”时，开关接通第二路煤气泄露检测电路，地址显示为“1”，其余依次类推。

煤气泄露检测电路和声光报警电路主要是由气敏传感器、蜂鸣器和一片具有四个二输入与非门CMOS电路组成。

IC4、RP2、D5、C4组成开机延时电路，设计开机延时电路以免引起开机初期时的误报警。

RP1、QM-N10组成报警点设定电路。

QM-N10气敏半导体传感器在洁净空气中的阻值大约有几十千欧，接触到有害气体时，电导率增大，电阻值急剧下降，下降幅度与瓦斯浓度在0.5%以下成正比。

将QM-N10置于浓度为0.3%的煤气气样中，调整RP1使IC4输出（③脚）端由高电平转换为低电平，末级声光报警电路发出声光报警。

IC6、IC7、R8、R9、C5组成门控振荡器。

当煤气泄露达到报警点时，IC5输出（④脚）端由低电平变为高电平，IC5输出（④脚）端的高电平送给CD4051的输入端，CD4051的输出（③脚）端输出的信号使门控振荡器振荡，驱动由BG2、D6、D7、R7、R11、蜂鸣器组成声光报警电路工作；同时IC5反相后④脚输出为高电平通过D4、R6、驱动BG1导通J吸合，启动抽气扇（即黄色发光二极管）工作，当泄露的煤气浓度低于报警点时，声光报警电路停止工作，R4、D3组成的抽气扇延迟电路，电路延时10秒后，J释放，抽气扇停止工作[3]。

（三）本章小结

本章主要介绍了电路的组成、工作原理及整机原理图。

整机电路主要由显示电路、检测电路、报警电路及排气电路四大部分组成。

三、单元电路的设计与分析

本章按照电路结构和工作特点讲解计数器、译码器、显示器、八选一模拟电子开关、传感器及报警器，再介绍半导体二极管的伏安特性、继电器。

（一）计数器

计数器是由十四位二进制串行计数器/分频器——CD4060构成，下面主要介绍CD4060工作原理。

CD4060由两部分组成：

14级分频器和振荡器组成。

分频器是由T型触发器组成的14位二进制串行计数器。

振荡器由外接电阻和电容构成RC振荡器电路，也可以通过外接晶体构成高精度的晶体振荡器。

CD4060在时钟脉冲下降沿作用下作增量计数。

所有输入端和输出端都有缓冲级。

CD4060有14级计数级，但只有Q4-Q10，Q12-Q14共10个引出端，而Q1，Q2，Q3和Q11等4个端头均不引出。

图3-1为CD4060引脚图[1]：

图3-1CD4060引脚排列图

CD4060各引脚功能：

Q4～Q10：

输出端

Q12～Q14：

输出端

Cr：

清零端

CP0、

、CP1：

脉冲输入端

Vcc：

电源

GND：

地

1、典型的RC振荡器电路

CD4060内部构成的RC振荡器与用小规模门电路构成的RC振荡器的电路是一样的。

只要改变R、C的值，可得到不同振荡频率（如图3-2所示）。

振荡频率与RC之间有以下近似关系：

f≈

（3-1）

本次设计要求每路检测时间T=2S，即CD4060的⑦脚输出的脉冲宽度为2S，由f=

得，f=0.5Hz，已知C=0.1uF，由公式（3-1）计算得，R≈1M。

图3-2CD4060中的RC振荡器

电阻RS是为了改善振荡器的稳定性，减少由器件参数的差异而引起振荡周期的变化。

RS的值应尽量大于R。

虽然RS的值在很宽的范围内都能起振，但当RS=10R时，即使电源电压有所调整，振荡周期的变化也将大为减小。

CD4060最小可得到16分频，最大可得到16384分频[2]。

2、典型的晶体振荡器

用CD4060内部的门电路构成的晶体振荡器与用小规模门电路构成的晶体振荡的电路是一样的（如图3-3所示）。

图中电阻RF是一个反馈电阻，使本来工作在开关状态的与非门工作在电压传输特性过渡区，RF的值可在几兆到几十兆欧之间选取，通常选取22兆欧。

石英晶体与电容组成反馈网络，晶体工作在并联揩振状态，呈感性。

反馈是通过输出端电容和输入端电容的分压来进行的。

调节可变电容CT的值，即可将振荡器调整到一个精确值。

由于石英晶体具有负温度系数，而电容具有正温度系数，可以相互抵消，使振荡频率稳定、准确。

图3-3CD4060中的晶体振荡器

（二）译码器

译码器主要由BCD-锁存/7段译码/驱动器——CD4511构成，本节主要介绍CD4511工作原理。

CD4511是BCD-7段锁存译码驱动器，是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段译码器，具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。

可直接驱动LED数码显示器。

其中ABCD为8421BCD码输入，A为最低位。

为灯测试端，当加高电平时，显示器正常显示数字，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。

为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时，

端加高电平。

另外CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9（1001）时,显示字形也自动消隐。

LE为锁存控制端高电平时锁存，低电平时传输数据。

Ya～Yg是7段输出，可驱动共阴极数码管。

图3-4为CD4511引脚图，表3-1为CD4511真值表。

图3-4CD4511引脚排列图

CD4511各引脚功能：

A、B、C、D：

8421BCD码输入端

LE：

数据锁定控制端

Vcc：

电源电压

GND：

地

Ya～Yg：

数据输出端

：

测试输入端

：

消隐输入控制端

表3-1CD4511真值表

输入

输出

显示

消隐

锁存

（三）检测地址显示电路

显示电路选用的是共阴LED数码显示器。

1、显示器原理（数码管）

数码管是数码显示器俗称。

常用数码显示器有半导体数码管、荧光数码管、辉光数码管和液晶显示器等。

本设计所选用的是半导体数码管作为显示器，半导体数码管是用发光二极管（简称LED）组成的字形来显示数字，七个条形发光二极管排列成七段组成的字形，便构成半导体数码管。

半导体数码管分为共阳极和共阴极两种类型。

共阳极数码管的七个发光二极管的阳极接在一起，而七个阴极则是独立的。

共阴极数码管与共阳极相反，七个发光二极管的阴极接在一起，而阳极是独立的。

当共阳极数码管的某一阴极接低电平时，相应的二极管发光，可根据字形使某几段二极管发光，所以共阳极数码管需要输出低电平有效的译码器去驱动。

共阴极数码管则需输出高电平有效的译码器去驱动。

2.LED数码显示器的连接方法

（1）共阳极接法。

把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管阴极通过电阻与输入端相连。

当阴极端输入低电平时，该段发光二极管就导通点亮，而输入高电平时则不点亮。

（2）共阴极接法。

把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。

每个发光二极管阳极通过电阻与输入端相连。

当阳极端输入高电平时，该段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时则不点亮。

在本设计中所采用的是共阴极LED数码显示器，其引脚排列如图3-5所示：

图3-5数码显示器引脚排列图

（四）八选一模拟电子开关——CD4051

CD4051相当于一个单刀八掷开关，有三个二进制控制输入端。

开关接通哪一路，由输入3位地址码A、B、C来决定。

“INH”是禁止端，当“INH”=1时，各通道均不接通。

此外，CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关。

图3-6为CD4051引脚图，表3-2为CD4051真值表。

图3-6CD4051引脚排列图

CD4051各引脚功能：

I/O0～I/O7：

独立I/O端

O/I：

公共O/I端

INH：

禁止输入端

A、B、C：

二进制控制输入端

Vee：

电源电压

GND：

地

Vcc：

电源电压

表3-2CD4051真值表

输入状态

接通通道

INH

均不接通

（五）巡回检测与报警电路

巡回检测与报警电路主要由CMOS二输入与非门、气敏传感器、蜂鸣器、半导体二极管、三极管、电阻等组成。

1、CMOS与非门工作原理

（1）电路组成与符号

本次设计中用到的是CMOS与非门为二输入。

图3-7为CMOS二输入与非门电路组成与符号图。

在图3-7（a）中，两个P沟道增强型MOS管TP1、TP2并联，两个N沟道增强型MOS管TN1、TN2串联，TP2、TN2的栅极连接起来成为输入端A，TP1、TN1的栅极连接起来是输入端B。

（a）电路（b）符号

图3-7CMOS与非门电路组成与符号图

（2）工作原理

在图3-7（a）所示电路中，uA、uB只要有一个为低电平0V，TN1、TN2中就总有一个截止，TP1、TP2中就总有一个导通，因此uY一定为高电平5V；只有当uA、uB同时为高电平5V时，TN1、TN2才会都导通，TP1、TP2才会都截止，uY才会为低电平0V。

综上所述，可得如表3-3所示电平关系表。

如果用A、B、Y分别表示uA、uB、uY,且采用正逻辑，则可得如表3-4所示真值表。

表3-3与非门电平关系表

uA/VuB/V

uY/V

表3-4与非门逻辑真值表

2、传感器原理说明

本次设计所用传感器是QM-N10型气敏传感器，此元件采用陶瓷半导体工艺，形成了优良的陶瓷烧结体，使元件具有稳定的RO电阻，保证了长期工作

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