基于单片机的燃气泄露检测仪设计.docx

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基于单片机的燃气泄露检测仪设计

基于单片机的燃气泄漏检测仪设计

设计总说明

燃气现已成为人们生活中必不可少的能源，液化气、天然气等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。

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

燃气使用单位及居民用户选择一种适合的燃气报警装置成为必要之举。

基于单片机的燃气泄漏检测仪，是一种适合家庭使用的小型燃气安全防范产品。

能有效避免因燃气泄露而引起的爆炸、火灾、中毒等恶性事故发生，在全世界大部分国家地区广泛应用。

基于单片机的燃气泄漏检测仪是燃气领域的安全卫士，一旦发生燃气泄漏，它能及时提醒用户，避免各类中毒事故的酿成。

在一些发达国家中都大力推广甚至强制安装燃气报警器，如日本东京和大阪、韩国汉城、德国汉堡等城市，目前有80％以上的居民家庭安装各类基于单片机的燃气泄漏检测仪。

同样，在国内一些城市，如北京、成都、哈尔滨等城市，针对燃气中毒事故接二连三地发生，果断采取措施。

据1998年资料显示，每年与液化石油气有关的事故仅发生75起，而城市燃气管道用户发生事故率更低，家用燃气报警器在日本发展30年来,日本政府和生产企业大力推广报警器的使用，使燃气泄漏和爆炸等事故的事故率远远低于欧美等发达国家，基于单片机的燃气泄漏检测仪已成为家庭生活的必需品。

本课题设计一款燃气泄漏检测器，监控燃气灶是否有泄漏现象，并根据燃气泄漏流量大小，当燃气泄漏值超过安全标准时，系统进行报警，显示煤气是否有异常现象，并发出同步信号控制电磁阀切断气源。

本设计以功耗小的单片机为核心器件，通过采集流量脉冲信号输入给单片机，通过软件程序来判断是否在合理的流量范围之内，当超出正常值时，控制单元MCU会给出相应的控制，驱动进行报警信号，同时液晶显示出当前累积流量及每个灶的开关状态。

同时，本设计还会配合DTU、串口通讯模块将信息远传给上位机进行宏观控制,从根本上解决安全使用燃气的问题，有效避免因燃气泄漏造成的火灾、爆炸、窒息、死亡等恶性事故的发生。

为了做到实时监控本设计采用了双电源供电，即电源与电池交替供电，并且在当电池电量不足时，本设计还能够进行欠压报警，当城市停止供电时本设计会自动跳转到电池供电从而是本设计在没电的情况下也能进行监控。

另外，本设计还根据国家标准进行了防静电、防雷击、防潮、防抖动方面的考虑使本设计能够高效安全的为消费者所用。

所以本设计有以下功能：

采集功能：

采集灶具火焰热电偶信号、燃气表脉冲信号、报警器输出信号。

报警提示：

有流量异常、电源欠压、浓度报警器等报警信息的声光提示。

电源转换功能：

采用市电供电的泄漏检测仪在市电断电时能自动转换到备用电源（内部电池）当市电恢复时能自动转换到城市供电状态。

无线通信功能：

能够与主站（集中器）无线通信的功能，既能够接收和回复集中器或主站发出的数据采集和参数设置命令。

显示功能：

显示燃气表积累流量，灶具火焰状态、火焰异常等信息。

以下为本论文对本设计的具体陈述。

关键词：

MSP430单片机；燃气；报警；控制

DesignofdetectioninstrumentbasedonMCUgasleakage

Introduction

Gashasbecomethepeopleessentialtolifeenergy,liquefiedpetroleumgas,naturalgasasacleanenergy,suchasinbusinessandiswidelyusedinurbanresidentsusers.Butasthegasiswidelyused,duetogasleakagecausedbyexplosion,fireandpoisoningaccidentsalsohappenfromtimetotome,thistosomeextentincreasetheunsafeandunstablefactorsofthecity.Gasusingtheunitsandresidentstheusertoselectasuitablegasalarmsystembecomenecessary.Gasleakagedetectorbasedonsingle-chipmicrocomputer,isakindofsuitableforfamilyusesmallgassecurityproducts.Caneffectivelyavoidexplosioncausedbygasleaks,fire,poisoningandothermalignantaccidents,hasmostofthecountriesandregionsarewidelyusedallovertheworld.Gasleakagedetectorbasedonsingle-chipmicrocomputeristhesecurityguardsofthegasfield,incaseofgasleakage,itcantimelyremindconsumertoavoidallkindsofleadpoisoningaccident.Insomedevelopedcountriesareheavilypromotedevenmandatorygasalarm,suchasTokyoandOsaka,Seoul,SouthKorea,Hamburg,Germanyandothercities,therearemorethan80%ofthehouseholdstoinstallallkindsofgasleakagedetectorbasedonsingle-chipmicrocomputer.Also,insomedomesticcitiessuchasBeijing,chengdu,Harbinandothercities,accordingtogaspoisoningaccidentsoccurredoneafteranother,takedecisivemeasures,inacoupleofyearsago,willbeinstalledgasleakagealarmsetforthintheformoflocallegislation,andtheresultsofgasaccidentsdeclineddramatically.Accordingto1998datashowthateveryyearonlyaccidentassociatedwithliquefiedpetroleumgas（LPG）since75,thecitygasusershappenaccidentrateislower,andhouseholdgasalarmsystemdevelopmentfor30yearsinJapan,theJapanesegovernmentandenterprisestovigorouslypromotetheuseofalarm,leakageandexplosionaccidentsofgasaccidentrateisfarlowerthanEuropeandtheUnitedStatesandotherdevelopedcountries,gasleakagedetectorbasedonsingle-chipmicrocomputerhasbecomethenecessitiesoffamilylife.

Thistopicdesignagasleakagedetector,monitorifthereisaleakphenomenonkitchenburninggas,gasleakflowandaccordingtothesize,whenthegasleakagevalueexceedsafetystandards,alarmsystem,gasaccordingtowhetherthereisabnormalphenomenon,andthesignalsynchronizationcontrolsolenoidvalvetocutoffthegassource.Thisdesignwithlowconsumptionofthemicrocontrollerasthecoredevice,theflowpulsesignalinputtoMCUthroughgathering,throughthesoftwaretodeterminewhetherornotintherangeofreasonableflow,whenthenormallevel,givesthecorrespondingcontrolunitMCUcontrol,alarmsignaldrive,theLCDshowsthecurrentaccumulatedflowrateatthesametimeandeachfocalswitchstate,atthesametime,thisdesignalsowillcooperatewithDTU,serialportcommunication,farinformationmoduletoPCformacrocontrol,fundamentallysolvetheproblemofsafeuseofgas,effectivelyavoidfireandexplosioncausedbygasleakage,asphyxiaanddeathofmalignantaccidents.

Inordertoachievereal-timemonitoringthedesignadoptsthedoublepowersupply,namelyalternatingpowersupplyandbatterypowersupply,andwhenthebatterypowerisinsufficient,thisdesigncanalsoundervoltagealarm,whenthecitypowersupplythisdesignwillautomaticallyjumptothebatterypowersupplywhichisthedesigninthecaseofnoelectricitycanalsomonitor.Inaddition,thisdesignaccordingtothenationalstandardforanti-static,lightningprotection,moistureproof,jitterconsiderationsmakethisdesigntoefficientandsafeforconsumeruse.

Sothisdesignhasthefollowingfunctions:

Samplingfunction:

ovens,gasflamethermocouplesignaltableoutputpulsesignal,alarmsignal.

Alarmprompt:

thereareabnormaltraffic,powersupplyvoltageandtheconcentrationofthealarmsoundandlightalarminformationsuchastips.

Leakagedetectorpowersupplyconversionfunction:

themainspowersupplycanautomaticallyswitchtothestandbypowersupplywhenmainspower（battery）canautomaticallyswitchtocitypowersupplywhenmainstorestorestate.

Wirelesscommunicationfunction:

beingabletomasterstation（concentrator）wirelesscommunicationfunction,canreceiveandreplytoconcentratororahostofdataacquisitionandparametersettingcommands.

Keywords:

MCU;gas;alarm;solenoidvalve;draftfan

1绪论

1.1课题背景及研究意义

近年来，随着生活水平的增高，全国煤气行业发展迅猛，煤气，液化气，天然气等能源已在千家万户得到了广泛的应用。

燃气的普及与应用无疑对改善环境质量和提高人们的生活质量发挥了巨大的作用。

然而，由于使用不当或者设备老化等原因导致的燃气泄漏引发的中毒、爆炸、火灾，时有发生，直接威胁着人们的生命安全和财产安全，及时发现可燃气体的泄漏将是安全使用可燃气体的一个重要方面。

然而，一般的煤气报警器功能单一，性能稳定性差，不能很好的满足人民生活的需要，并且还会引起火灾、爆炸等灾难。

而大型的监控系统价格昂贵，需专门的技术人员管理，不适合家用。

因此，为了既能满足人民安全的需要又能满足消费需要，需要设计一款集以上两点为一身的燃气泄漏检测仪。

本燃气泄漏检测系统以单片机为核心，当燃气灶输出燃气流量超出标准，程序会判断流量是否异常，若异常检测仪将进行报警并给出相应动作并自动关闭阀门，保证了燃气使用的安全。

1.2主要研究内容及结构安排

为了能在低功耗的情况下保证家用燃气的安全，将危险防患于未然，本论文主要以低功耗的MSP430系列单片机为核心，通过检测流过燃气灶中燃气的流量大小来判断流量是否正常从而判断燃气是否泄漏，若发生泄漏本设计将自动进行泄漏报警，并关闭阀门，从而保证家庭用气的安全性。

本设计以低功耗的MSP30系列单片机为控制核心，配合采集模块、串口传输模块、LCD显示屏模块并通过软件编程来控制不正常流量下的设备反应，增强了电路的实时监控性，很好地满足了实际要求。

在本论文中首先在第一章中主要叙述了本设计的研究背景及意义、结构安排，概括的叙述了本论文的结构和研究顺序，第二章主要对本设计所采用的方法进行了比较论证，选定了方法，列出了本设计的系统框图。

本论文第三章主要阐述了本设计所选系列单片机的发展历程、特点、及最小单片机系统和各个模块的硬件设计及与应用电路，具体的叙述了，采集模块、双电源模块、串口通信模块、核心控制模块、及LCD显示模块的设计方法。

第四章主要讲述了本设计的软件部分包括程序流程图，及软件的与调试等。

第五章主要叙述了硬件的安装与调试，详细介绍了在绘制电路板时、调试电路板时所需要的注意的问题。

第六章是本论文的结论部分，主要叙述了设计本论文的一些心得体会，最后是附录与参考文献阐述了本设计的一些附属资料。

2燃气泄漏检测仪系统构成框图

2.1系统构成框图

2.1.1系统构成方案及论证

为了更好地满足设计需要，本设计介绍了两种设计方案：

方案一：

选用一般性能的普通51系列单片机，配合看门狗电路、A/D转换电路，液晶显示屏驱动电路等附属电路完成设计。

89C51单片机是8位单片机。

其指令是采用的被称为“CISC”的复杂指令集，共具有111条指令。

89C51系列单片机由于其内部总线是8位的，其内部功能模块基本上都是8位的虽然经过各种努力其内部功能模块有了显著增加，但是受其结构本身的限制很大，尤其模拟功能部件的增加更显困难。

在开发工具上面，对于89C51来说，由于它是最早进入中国的单片机，人们对它在熟悉不过了，再加上我国各方人士的努力，创造了不少适合我们使用的开发工具。

但是如何实现在线编程还是一个很大的问题。

89C51系列单片机本身的电源电压是5伏，有两种低功耗方式：

待机方式和掉电方式。

正常情况下消耗的电流为24mA，在掉电状态下，其耗电电流仍为3mA，即使在掉电方式下，电源电压可以下降到2V，但是为了保存内部RAM中的数据，还需要提供约50uA的电流。

方案二：

采用低功耗的MSP430单片机，利用其功耗小功能强大的特点，内含A/D转换部分，及外围电路达到设计要求。

MSP430单片机是16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，只有简洁的27条指令，大量的指令则是模拟指令，众多的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算。

这些内核指令均为单周期指令，功能强，运行的速度快。

MSP430系列其基本架构是16位的，同时在其内部的数据总线经过转换还存在8位的总线，在加上本身就是混合型的结构，因而对它这样的开放型的架构来说，无论扩展8位的功能模块，还是16位的功能模块，即使扩展模/数转换或数/模转换这类的功能模块也是很方便的。

这也就是为什么MSP430系列产品和其中功能部件迅速增加的原因。

对于MSP430系列而言，由于引进了Flash型程序存储器和JTAG技术，不仅使开发工具变得简便，而且价格也相对低廉，并且还可以实现在线编程。

MSP430系列单片机在低功耗方而的优越之处，则是89C5l系列不可比拟的。

正因为如此，MSP430更适合应用于使用电池供电的仪器、仪表类产品中。

综上所述，从性能上考虑MSP430单片机拥有较多的引脚，单片机本身具有较强的处理能力，方便了电路设计，它采用精简指令集结构，在8MHZ时指令速度可达8MIPS。

另外MSP430F5529采用了16位多功能硬件乘法器等先进的体系结构，大大增强了其数据处理和运算能力，能够做到跟踪监控能力，所以本设计采用方案二，用MSP430系列单片机做核心电路。

2.1.2系统构成框图

本设计以单片机为核心，主要是通过采集燃气灶输出的脉冲流量的大小通过与设定值进行比较来判断是否泄漏，并配合以液晶显示模块显示当前状态，配合串口通信模块将数据传送给上位机，使燃气安全的为家庭消费者所用其系统构成框图如下图2-1所示:

图2-1系统构成框图

3燃气泄漏检测仪硬件设计

3.1MCU核心模块设计

为了更好地满足设计要求，通过89C51系列单片机与MSP430系列单片机的论证与比较，本设计采用的是MSP430系列单片机为本设计的MCU核心模块。

3.1.1MSP430系列单片机发展历程

MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（MixedSignalProcessor），称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。

MSP430系列的部分产品具有Flash存储器，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点。

TI公司推出具有Flash型存储器及JTAG 边界扫描技术的廉价开发工具MSP-FET430X110，将国际上先进的JTAG技术和Flash在线编程技术引入MSP430。

这种以Flash技术与FET开发工具组合的开发方式，具有方便、廉价、实用等优点，给用户提供了一个较为理想的样机开发方式。

3.1.2MSP430系列单片机的应用领域

MSP430型系列是一款超低功耗类型的微控制器，特别适合于手持设备和安全领域的应用。

MSP430虽属微控制器，但在众多单片机系列中有独特的优势。

该MSP430系列将大量的外围模块整合到片内，也适合于设计片上系统，具有丰富的不同型号的器件可供选择，给设计者带来很大的灵活性。

其原因就在于它是一个16位的精简指令构架，有大量的工作寄存器和数据存储器，其RAM单元也可以实现运算。

在运算速度方面，MSP430系列单片机能在8HHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。

16位数据宽度，125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法。

2004年10月又推出了MSP430F2XX系列新款单片机，该款新品可实现前代产品两倍的处力性能而待机功耗仅为前代品一半。

同其它单片机相比，MSP430系列可以大大延长电池的使用寿命。

lus-6uS的启动时间可以使启动更加迅速。

ESD保护，抗干扰力强；低电压供电；多达64KB寻址空间，包含ROM、RAM、闪存RAM和外围模块；外部中断引脚；I／0口具有中断能力；外围模块地址为存储器分配；全部寄存器不占用RAM空间，均在模块内；定时器中断可用于事件计数、时序发生、PWM等；看门狗功能；A／D转换器（10位、12位、16位或更高精度）并且支持C语言和汇编语言。

3.1.3单片机最小系统介绍

单片机最小系统是由保证处理器可靠工作所必须的基本电路组成，主要包括电源电路、时钟电路、复位电路、通信接口电路、数据存储电路，其硬件框图如图3-1所示。

MSP430

电源

电路

通信接

口电路

晶振

电路

复位

电路

数据存

储电路

图3-1单片机最小系统框图

（1）时钟电路

在时钟电路中，低速晶体振荡器（LFXTl）满足了低功耗及使用32．768kHz晶振的要求。

LFXTl振荡器默认工作在低频模式，即32．768kHz，也可以通过外接450kHz～8MHz的高速晶体振荡器或陶瓷谐振器工作在高频模式，在本电路中我们使用低频模式，晶振外接2个22pF的电容经过XIN和XOUT连接到MCU。

高速晶振也称为第二振荡器XT2，它为MSP430工作在高频模式时提供时钟，XT2最高可达8MHz。

在系统中XT2采用4MHz的晶体，XT2外接2个30pF的电容经过XT2IN和XT2OUT连接到MCU，如下图3-2所示。

（2）复位电路：

复位电路是单片机系统中不可缺少的部分，其好坏影响整个单片机应用系统的可靠性。

同时，复位电路非常容易受到外部噪声干扰，因此，复位电路的设计首先要求保证整个应用系统的可靠性，其次是具有抗干扰能力。

复位电路的基本功能是：

系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。

为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。

图3-2时钟电路图

MSP430的复位电路包括一个上电复位