煤气报警系统的设计与实现自动化本科论文.docx
《煤气报警系统的设计与实现自动化本科论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《煤气报警系统的设计与实现自动化本科论文.docx（29页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
煤气报警系统的设计与实现自动化本科论文
毕业设计
煤气报警系统的设计与实现
学生姓名：
xxx学号：
xxx
系部：
自动化
专业：
自动化
指导教师：
xxx（副教授）
二零一六年六月
诚信申明
本人郑重申明：
所呈交的毕业论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
本人签名：
年月日
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：
煤气报警系统的设计与实现
系部：
自动化专业：
自动化学号：
xxx
学生：
xxx指导教师（含职称）：
xxx副教授
1．课题意义及目标
通过完成本毕业设计课题，使学生更好的掌握单片微型集成电路芯片的基本原理，培养学生对电子产品设计能力，使学生在完成基于单片微型集成电路芯片的较小完整系统的同时，培养学生独立自学能力、查找资料能力、分析问题以及解决问题的能力，为学生在毕业后从事相关系统开发及维护工作打好基础。
2．主要任务
（1）根据该题目的要求，阅读与题目相关的中英文文献10-15篇，了解国内外已有的相关系统设计开发方面的资料及研究现状，对现有类似系统进行定性分析，并明确进行该题目设计思路及方案。
通过设计方案比选，确定开发方案，并进行功能模块及元器件的选择及软硬件设计（包括硬件系统电路图、软件流程图等），开发出实物样机；撰写设计报告。
（2）主要功能要求
通过传感器探测泄漏气体的浓度，如果达到危险浓度，报警告知用户有煤气泄漏。
为了防止由于用户打不着灶台火而使煤气泄漏，导致煤气报警器误报警，应用延时函数，对空气中煤气的产生原因进行判断。
完成软件的模拟和硬件电路的搭建。
通过自己分析设计、概括了解科学技术前沿的能力。
该设计要实现的基本功能大致应该分为三个部分：
1）信号采集放大。
2）信号处理控制。
3）系统设置报警。
基本技术参数要求：
静态功耗≤0.5W（加热丝冷态电阻为50Ω±2Ω）；响应时间≤10s；恢复时间≤60s；检测煤气浓度范围：
10～1000ppm
（3）设计指导计划
●定点定时集体指导：
每周一，进展检查、问题解疑。
●随时个别指导：
问题解疑。
●设计要求：
符合规范化要求，即：
由中外文题名、目录、中外文摘要、引言（前言）、正文、结论、谢辞、参考文献和附录组成，中文题名字数一般不超过20个，设计说明书、论文或软件说明书的总字数在1.5~2万汉字
3．参考文献
[1]王猛，姜旭.可燃气体报警器计量检定现状与发展[J].企业标准化，2006：
31-32.
[2]许增才.车载电脑数字收音机及音响功放调控系统设计[D].青岛：
中国海洋大学，2003.
[3]李轩冕，胡勇，贺志容，等.基于93000的单片机最小可测系统设计[J].计算机与数字工程2010，38（9）：
108-110.
[4]赵兵.基于单片机的篮球记分器设计[J].黑龙江科技信息，2014，（23）：
67-67.
[5]郭海丽.基于单片机的数字秒表设计[J].电子元器件应用，2012，14
（1）：
27-29.
[6]吴卫华，眭永兴，刘波，等.磁电式传感器设计性实验研究[J].江苏技术师范学院学报：
自然科学版，2009，15
（2）：
33-37.
[7]夏晓东.金属氧化物半导体纳米材料NO<,2>传感器研究[D].湖南：
湖南大学，2005.
[8]陈传治，马晋毅，左伯莉，等.双声路声表面波毒剂传感器的设计[J].传感器与微系统，2009，28（4）：
91-93.
[9]胡冠山.延迟线型声表面波气敏传感器的研究[D].山东：
山东大学，2005.
[10]刘海江，周晓蕾.燃气汽车适时检测报警器[J].内蒙古大学学报：
自然科学版，2008，39（6）：
720-723.
[11]陈久勋.一氧化碳气体检测报警器的应用及安装位置的选择[J].工业计量，2010，20
（1）：
205-205.
[12]张秀珍.天然气与发生炉煤气使用的比较[J].甘肃冶金，2012，34（3）：
108-109.
[13]张爱军.光谱吸收型光纤气体传感器的研究[D].武汉：
武汉理工大学，2005.
[14]AliAhmadiPeyghan，SirousYourdkhani，AnMaziarNoei.WorkingMechanismofaBC3NanotubeCarbonMonoxideGasSensor[J].CommunicationsinTheoreticalPhysics，2013，（7）:
113-118.
[15]JunLi，Xian-LinMeng，Wen-LongSong.IntelligentTemperatureControlSystemDesignBasedonSingle-ChipMicrocomputer[J].JournalofHarbinInstituteofTechnology，2014（3）：
91-94.
[16]XuLei，YeSheng，LuGuilin，etc.IntelligentTrafficControlSystemDesignBasedonSingleChipMicrocomputer[A].Wuhan,China：
Proceedingsofthe2011InternationalConferenceonComputing,InformationandControl[C].2011..
4．进度安排
序号
设计（论文）各阶段名称
起止日期
1
资料搜集、整理、分析；写出开题报告，开题
2015年12月5日-2016年3月2日
2
资料搜集、整理、分析；初步确定总体设计方案
2016年3月3日-2016年3月28日
3
逐步完善总体设计方案；进行初步硬件设计
2016年3月29日-2016年4月15日
4
完善总体设计方案；进行软件设计
2016年4月16日-2016年4月30日
5
编程调试、样机调试
2016年5月1日-2016年5月20日
6
完善、优化样机；撰写设计报告
2016年5月21日-2016年6月15日
审核人：
年月日
煤气报警系统的设计与实现
摘要
煤气作为一种能源，早已经融入千家万户。
由于它的热值很高，燃烧较为彻底，清洁无污染，成为人们生活当中不可或缺的一部分。
然而，煤气是一种危险的气体。
一旦煤气泄漏就可能使人中毒，还可能会引发爆炸。
因此，在煤气能源普及的今天，及时可靠地进行煤气监测报警是很有必要的。
本系统使用STC89C51单片机做核心处理器，ZYMQ-7传感器做检测元件，LM358N做信号放大元件，并利用蜂鸣器和LED进行报警。
本设计的报警器，具有结构简单，不易出错，灵敏度高，安全可靠等优点。
并且可以对高低两种煤气浓度分别进行声报警和光报警。
针对传统报警器可能会对煤气灶意外泄漏的煤气产生误报警，本设计采用延时程序控制单片机输出信号的时间，最大限度地降低误报警的概率。
关键词:
煤气单片机报警LED蜂鸣器
Thedesignandimplementationforcoalgasalarmsystem
Abstract
Asanenergysource,thecoalgashasgoneintomillionsofhomesalready.Itbecomesanindispensablepartofpeople'slifebecauseofitsveryhighcalorificvalue,burningcompletelyquite,cleanandpollution-free.Coalgasplaysaveryimportantroleinourlife.However,itisakindofgaswhichisdangerous.Itmaybepoisoningorbeexplodingifitspillages.So,itisverynecessarythatdocoalgasalarmingtimelyandreliablyinenergywidespreadnowadays.
ThissystemusesSTC89C51ascoreprocessors,andemploysZYMQ-7sensorasdetectingelement.Otherwise,itutilizesLM358Nforthesignalamplifier,andgivesanalarmbyaLEDandabuzzer.Thissystemhasasimplemainbodyandmakesmistakesnever.Itissafeandreliable,alsohasgreatsensitivity,alloftheseareadvantagesofthissystem.Moreover,itgivesanalarmfortwokindsofdifferentconcentrationsofcoalgasesusingLEDorbuzzerrespectively.Talkingaboutthetraditionalalarm,itmightbefalsealarmofcoalgas.Thisdesignusesthetimedelayfunctionforoutputsignalofthetime,forminimizingtheprobabilityoffalsealarm.
Keywords：
coalgas,Singlechipmicrocomputer,alarm,LED,buzzer
第1章绪论
1.1煤气检测报警的目的及意义
煤气作为一种能源，早已经融入千家万户。
由于它的热值非常高，燃烧也很彻底，清洁无污染，成为人们生活当中不可或缺的一部分。
但是，煤气在扮演重要角色的同时，也存在一个巨大的弊端。
科学研究表明，煤气是一种对人体有害的气体。
其中的一氧化碳与血红蛋白的亲和程度很高，这使得它成为了一种相当危险的气体。
因为血红蛋白是血浆溶氧的重要物质，所以当人体大量地接触一氧化碳气体时，血液中氧气的位置会被占用。
这时，人体组织结构被破坏，器官功能迅速衰竭，引发新陈代谢障碍疾病，造成人体大脑供氧量的不足而产生中毒现象，于是人体就会出现头晕、恶心等症状，严重的会导致休克甚至死亡。
不仅如此，空气中煤气的浓度在达到其在空气中的爆炸极限时，如果遇到明火或者电火花时就会发生煤气爆炸。
这可能会就此引发一系列更加严重的后果，威胁人民的生命安全和财产安全。
据中国城市燃气协会的不完全统计，在本世纪初期，全国平均发生的煤气中毒事故有近百起，燃气爆炸事故多达上百起。
因此，实时地对家庭厨房进行煤气检测报警，防患于未然是十分有必要的。
要想在发生悲剧之前及时地发现并解决问题，就要从这些事故的起因开始进行分析。
今年3月某日，广西省某小区一户发生煤气爆炸事故。
这起事故的起因是住户在家中关紧了家门和窗户，在灶台可燃气体泄漏时却没有及时发现，之后又打开个人计算机引起煤气爆炸。
今年4月某日，大连市某老居民楼内发生煤气泄漏事故。
这起事故导致了一名耄耋老人遇难。
事故的起因是煤气报警器老化，没有及时报警而延误了人群疏散的黄金时机。
不难发现，这些重大的安全事故引发的原因都有一些极为相似的特点。
人们在使用以煤气为燃料的家用设备时，都没有及时地发现煤气泄漏。
很多情况下，人员中毒事故已经发生很久了，甚至煤气爆炸事故都发生了，在这之后才进行报警补救时已经为时已晚。
非但如此，这类事的突发性非常强，救助难度不是一般的大，危害范围也十分的广泛。
因此，一旦有煤气泄漏事故发生，即使及时地采取了相应的措施，也很难将事故造成的损失降低到最低水平。
所以，要想避免这些祸殃，防患于未然，就需要一种既安全，又可靠，并且还可以及时而又稳定地工作的煤气报警器。
1.2煤气报警器国内外研究状况
伴随着科学技术不断发展的是人们安全意识水平的逐渐提高，这也促使煤气报警器呈现出了迅猛的发展趋势。
它的各种性能，例如安全性能和可靠性能，以及稳定性能都在稳步增强。
如今，各具特色的煤气报警器被广泛应用在日常生活中。
因为人类广泛使用化石燃料类气体的历史并不算久远，所以煤气报警器的研制历史也就比较短暂。
美国在上世纪中后期也才基本完善了煤气报警系统，目前已有十余个州明确规定，民用住宅以及建筑单元内都必须装配煤气报警器。
日本也在上世纪中期才开始着手研究煤气报警系统[1]。
国内煤气报警器的发展较国外的起步稍晚，国产的煤气报警器仅有二三十年的历史，但已有大批煤气报警产品投入市场。
如果将煤气报警器从形态上分类，可以分为便携式和固定式两大类。
便携式报警器的代表是+8.7V直流电压驱动的SK103型报警仪。
它的最大测量浓度是1kppm。
触发报警值为50ppm并有几个百分点的误差。
这种报警器可以随身携带，用于矿区或煤气泄漏场所。
通过有源电子讯响器和灯报警。
固定式报警器的代表是220V交流电压驱动的K500型报警仪。
它的最大测量浓度是1kppm。
采用高低两级报警方式。
这种报警器固定安装在家庭厨房等使用待测气体的场所。
现今，煤气报警器已经渐渐地向智能化和小型化方向发展，并且它的各种性能都在快速地进步。
事实上，煤气报警器要想在各方面取得较大的突破，其对于传感器的性能要求也必须有所提高。
因为对于一个完整的系统来说，它在探测部分以外的环节通常是没有任何机会再加入另外的信息的。
并且，它也几乎无法完全地消除由于传感器自身的缺陷而引起的随机误差。
所以，传感器的性能决定了系统捕捉到的信息的质量。
于是传感器也就自然地成为了整个系统中最为重要的环节。
令人欣喜的是，信息技术与数据分析技术，以及计算机辅助技术在不断取得新的进展，促使着气体传感器的制造技术蓬勃发展。
从检测对象来看，煤气报警器一般检测空气中一氧化碳气体。
这是因为它的化学性质不稳定，容易被检测。
从工艺角度方面来看，传感器的敏感元件可以是电解质或者氧化物半导，还有金属栅气敏元件等。
这些传感器分别适合在各种不同的场合下使用，为增大煤气报警器的应用范围提供了支持。
从检测原理的分类来看可谓是包罗万象。
采用红外吸收原理制造的器件虽然抗干扰能力强，灵敏度也极佳，但是其造价十分昂贵，一般应用在大型工业生产中。
采用导热原理制造的敏感元件具有良好的重复性，元件工作稳定而可靠，但是响应速度较慢，同时需要接入复杂的桥式电路。
采用催化燃烧原理及半导原理制造的传感器，不仅拥有良好的灵敏度和优秀的可靠性能，还有较低的制作成本，因而受到众多普通家庭的青睐。
正是由于这些技术的支持，使煤气报警器向智能化和微型化的方向发展提供了可能，并且其安全性、可靠性和稳定性越来越高，使用寿命也越来越长。
当今较为先进的气体传感器已经具有如下多种优点：
（1）安全性能出众；
（2）可靠性能良好；
（3）能够同时测量多种互不相干的参变量；
（4）完美而准确地反映被测量的客观水平；
（5）体型小；
（6）质量轻；
（7）工作稳定平缓；
（8）反应速度快；
（9）灵敏度优良；
（10）制造成本低廉等。
这些传感器的升级为煤气报警器在技术水平上的发展提供了不可替代的支持。
1.3本课题的设计任务
本课题的设计任务内容如下：
（1）明确本课题的设计目的；
（2）确定开发方案；
（3）进行功能模块和元器件的选择；
（4）设计并绘制硬件系统电路图；
（5）设计并绘制软件流程图；
（6）编写各个模块的程序以及主程序；
（7）实现虚拟仿真；
（8）开发实物模型；
（9）撰写设计论文。
第2章煤气报警器的方案设计
2.1煤气报警器设计要求
煤气报警器的气体传感器能够检测空气中煤气的浓度。
当空气中煤气的浓度高于300ppm时，单片微型集成电路芯片驱动LED使其发光报警。
而当空气中煤气的浓度高于700ppm时，核心器件单片微型集成电路芯片驱动有源电子讯响器使其发声报警。
2.2煤气报警器整体设计方案选择
方案一：
由检测环节和报警环节两个部分组成煤气报警系统。
它由外接电源供电，结构简单，不易出错，可以及时地完成对空气中煤气的检测和报警任务。
方案二：
由检测环节、信号处理环节和报警环节三个部分组成煤气报警系统。
虽然它的结构比方案一中的煤气报警系统复杂，但是可以通过对单片机编写程序，对空气中煤气存在的原因进行判断，使报警更加可靠。
因为当用户正常使用煤气灶的时候，煤气燃烧可能不够彻底，这会使空气中存在一定浓度的煤气。
不仅如此，在用户点燃煤气灶的时候，还有可能多次打不着灶台火而使少量煤气扩散。
这些都会增加空气中的煤气含量。
比较上述两种方案，在方案一中的煤气报警系统，由于其结构单一，可能会因为以上情况触发煤气报警电路而发生误报警现象。
这种是一个很致命的缺点，因为它会影响煤气报警器的实际使用效果。
方案二中的煤气报警系统，可以利用单片机对检测信号进行处理，通过编写程序，使核心处理器单片微型集成电路芯片获得一个5s左右的延时，用来判断空气中存在煤气的原因，进而防止误报警发生。
此外，因为系统利用单片机对检测信号进行了处理，就可以对不同浓度的煤气分别用LED和电子讯响器进行报警，较好地完成设计任务。
因此在本设计中，煤气报警器选用方案二进行设计。
空气中煤气浓度的信号采集由气体传感器完成，通过电路设计将其转换为可以被单片微型集成电路芯片识别和利用的数字信号。
编写单片微型集成电路芯片的延时程序，向报警电路输出相应的报警信号。
煤气报警系统的设计方案图如2.1所示：
图2.1煤气报警系统方案设计
2.3煤气报警器的结构与工作原理
2.3.1煤气报警器的结构
在本设计中，煤气报警器检测环节的核心是气体传感器，它可以实时地检测环境中待测气体的浓度。
当环境中待测气体的浓度增加时，其电阻阻值就会降低。
而当环境中待测气体的浓度降低时，其电阻阻值反而会增加。
所以，气体传感器可以将空气中煤气浓度的变化转换为电阻值的变化。
检测信号的传送放大环节主要以LM358N运算放大电路为核心。
通过设计传感器电路，设置并比较正反向输入端的输入电压，输出不同的电压值。
因此，它可以将传感器电阻值的变化转化为电压的变化。
信号处理环节的主体是单片微型集成电路芯片。
它可以通过编写好的程序，比较自身输入端接收电平的高低，判断空气中煤气的浓度是否超标，并且利用延时函数判断煤气存在的原因。
之后再通过控制程序输出相应的信号给由LED和有源电子讯响器为主体组成报警环节，使其做相应动作以达到报警目的。
2.3.2煤气报警器的工作原理
在本设计中有两个气体传感器，均可检测空气中煤气的浓度。
但是他们的电路各不相同，可以完成分级报警的要求。
本设计硬件电路的具体连接方式如图2.2所示：
图2.2煤气报警器硬件电路图
图中，单片机的P0.4口和P0.5口分别接收两个传感器电路的输出信号，P1.2口和P1.4口分别输出LDE和电子讯响器报警信号。
当空气中煤气的浓度低于300ppm时，两个气体传感器阻值的变化均不大。
因此，气体传感器所在各自电路中的LM358N比较器的A端电压均大于B端电压，信号输出端输出低电平。
单片微型集成电路芯片的P0.4口和P0.5口接收低电平，P1.2口和P1.4口输出低电平不会触发报警电路。
当空气中煤气的浓度高于300ppm而低于700ppm时，两个气体传感器的阻值均会降低。
但由只有气体传感器A阻值降低的变化会使其所在电路中的LM358N比较器的A端电压小于B端电压而输出高电平。
这时，单片微型集成电路芯片P0.4口接收高电平，其内部的程序会作一个5s左右的延时，这时会出现两种情况：
如果在5s的延时之后，P0.4口接收到了低电平，说明传感器电路是由于意外泄漏而存在的。
这时P1.2口输出的是低电平，不会触发LED发光报警。
如果在5s的延时之后，P0.4口依然接收到了高电平，说明有煤气泄漏。
这时P1.2口输出高电平触发LED发光报警。
P1.4口输出低电平不会触发有源电子讯响器发声报警。
当空气中煤气的浓度高于700ppm时，两个气体传感器的阻值均会降低。
两个LM358N比较器的A端电压均小于B端电压而输出高电平，使单片微型集成电路芯片的P1.1口和P1.2口均接收高电平。
这时，因为空气中煤气的浓度已经足以触发较高浓度的传感器检测电路，所以并不需要利用延时函数判断空气中煤气的存在是否为意外泄漏，而应该立即使P1.2口输出高电平触发LED发光报警，P1.4口输出高电平触发有源电子讯响器发声报警。
第3章煤气报警系统硬件部分的设计
硬件设计就是在总体方案的指导下，对构成单片机应用系统的功能部分进行具体设计，确定系统中所使用的元器件，设计系统的原理图，以及实物模型的组装[2]。
3.1煤气报警系统的核心STC89C51单片微型集成电路芯片
3.1.1STC89C51单片机的发展
STC85C51系列单片机的前身是Intel公司发行的MCS-48单片机，它是8位单片机的始祖，在此之后研发出的STC89C51型单片微型集成电路芯片，集体积小、功耗低、功能全和可反复擦写程序等优点于一身，在工业领域一枝独秀。
3.1.2STC89C51单片微型集成电路芯片的结构组成
STC89C51单片微型集成电路芯片的结构如下：
（1）一个8位的中央处理器CPU。
（2）一个4K字节的ROM程序存储器。
（3）一个时钟电路。
（4）32条可编程的输入/输出接口单路。
（5）两个16位定时器/计数器。
（6）一个可编程全双工串行口。
（7）5个中断源。
（8）两个优先级嵌中断结构。
3.1.3STC89C51单片微型集成电路芯片的引脚
STC89C51单片微型集成电路芯片的端口按功能分类包括I/O端口、控制端口、电源与晶振引脚。
I/O端口即输入/输出引脚，包括P0、P1、P2和P3四个8位双向I/O端口。
控制引脚包括复位端RST、外部程序存储器的取指使能端PSEN（非）、外部访问允许端EA（非）/VPP和对外输出的时钟端ALE（非）/PORG；电源和晶振引脚包括Vcc、GND和接外部晶振的双引脚XTAL1和XTAL2。
3.2单片微型集成电路芯片最小应用系统电路的连接
最小应用系统是指能够维持单片机运行的最低配置系统，一般最小应用系统需要具备时钟电路、复位电路和电源电路[3]。
时钟电路由晶体振荡器、晶震控制芯片和电容组成。
它是用来为单片机提供运行时钟，使单片机程序按时间顺序执行的电路[4]。
STC89C51单片微型集成电路芯片在启动时需要使CPU及系统各部件复位至初始状态，防止由于外界干扰或者其他因素造成系统工作混乱。
这就需要用复位电路确保单片微型集成电路芯片应用系统从初始状态开始工作。
在单片微型集成电路芯片应用系统处于正常的工作状态时，如果单片微型集成电路芯片内部的触发器接收到一个维持2个机械周期（大约2μs）的高电平，CPU就可响应并将系统复位[5]。
本
升级会员 