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气体报警器设计毕业设计论文说明书
摘要
随着天然气和煤气的大量使用，每一座居民大楼都被天然气所“笼罩”。
天然气的普及给公共生活带来了方便，减少了城市的污染，提高了生活质量和效率，但同时天然气也是潜在的“危险品”一旦发生大面积泄漏，处理不及时就可能引发大爆炸，给居民的生命财产的安全带来巨大的威胁。
我们需要一个解决的办法，使用天然气报警器是对付天燃气这一无形杀手的重要手段之一。
本文以气敏传感器和单片机技术为核心设计的气体报警器，可实现声光报警功能，是一种结构简单、性能稳定、使用方便价格低廉、智能化的气体报警器，具有一定的使用价值。
其中选用MQ-7传感器实现对气体的检测，具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优，而且价格低廉使用寿命长。
其与LM358连接，将气体信号转换为单片机可识别的数字信号，经AT89C51单片机处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个设定值（也就是报警线），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。
同时，该报警器还有温度检测功能。
关键词：
传感器报警器单片机
ABSTRACT
Withthewideuseofnaturalgasandcoal,eacharesidentialtowersweregas“enveloped”.Thepopularityofnaturalgasbroughtconvenienttopubliclife,reducethecity’spollutionandimprovethelifequalityandefficiency.Butatthesametime,naturalgasisalsopotential“dangerous”,onceproducelargeleak,disposalnottimelycouldtrigger,itwillbeabigbangtopeople’slifeandpropertysafety.Facingallkindsofaccidentscausedbythegasleak,weneedasolution.Useofnaturalgasalarmisoneofimportantmeansdealwithgasinvisiblekiller.
Thispapersusingthegassensorsandsinglechipmicrocomputerasthecore.Designcanrealizethegasalarmsound-lightfunction,Itisakindofsimplestructure,stableperformance,easytouse,inexpensiveandintelligentgasalarnanditalsohascertainpracticalvalue.
Amongthem,theMQ-7ofgasdetectionsensorhasahighsensitivity,fastresponse,stronganti-jammingcapabilityetc,andthepriceislow,servicelifelong.LM358connectedwiththegassignal,conventthegassingnaltothedigitalsignalthatmicrocontrollercanidentifyandprocessing.BeprocessedandanalysisbyAT89C51,comparetheresultvaluewhetheriseaqultoorgreaterthanthedefautvalue（thatis,thealarmlimit）,ifitisgreaterthanthedefaultvalue,itwillautomaticallystartalarmcircuitwarmingvoice,conversetyfornormalstate.Atthesametime,thealarmhastemperaturetestingfunction.
Keywords:
sensoralarmSCM
第一章绪论
1.1课题的背景意义及研究现状
人们在经历了“煤烟型污染”和“光化学污染”后，正进入以“室内空气污染”为标志的第三污染时期。
而室内存在的有害气体的一大来源为燃气的泄漏，主要可分为煤气泄漏和天然气泄漏两类。
煤气的主要成分为一氧化碳与氢气，一氧化碳中毒亦称为煤气中毒。
一氧化碳是无色、无味的气体，故易于忽略而致中毒。
一氧化碳中毒的原因是因为一氧化碳进入人体之后，和人体血液中的血红蛋白结合，从而出现缺氧，这就是一氧化碳中毒。
常见于家庭居室内通风差的情况下，煤炉产生的煤气或液化气管道漏气中的一氧化碳吸入会导致人的中毒。
同时，煤气中的氢气也属于易燃易爆气体，大量存在于空气中，也同样具有危害。
天然气主要成分是烷烃，其中甲烷含量在95%以上。
人所赖以存货的空气中有大约20%的氧气，如果人的活动空间是封闭空间，氧气稀薄，人会因氧气不足导致窒息、昏迷，有心脑血管疾病的人将会危及生命。
在室内天然气泄漏，会使室内空气中氧气相对稀薄，由于天然气是无色无味的，人很难察觉到，尤其当人处于睡眠状态时，天然气的泄漏就会更加危险，甚至会使人窒息而亡。
天然气的另一个危害是燃烧产生爆炸。
通常空气中含有一定含量的天然气时，遇到明火会立即爆炸，危及建筑物和人的生命安全。
室内煤气、天然气的泄漏严重危害人的生命健康，基于此现实本设计旨在为家庭用户设计一种能够同时检测煤气和天然气泄漏的装置，从而减少因煤气、天然气的泄漏造成的事故的发生概率，进而保证人民的生命健康安全，减少不必要的损失。
本装置能够同时监测煤气和天然气两种气体在室内空气中的含量，当这两种气体达到一定浓度时，该装置能够发出声光报警信号，提醒用户煤气泄漏，采取相应的应对措施。
除此之外，该装置还具有检测并显示室内温度的功能。
现在家用燃气报警器应用十分广泛，市场上成熟的家用燃气报警器产品，种类凡多，功能各异。
功能上已可实现：
传感器集成化，实现多种气体类型传感器互换、传感器失效检测报警、电池欠压提示、开机自检等功能。
如何选用一款能满足自身需求、经济实惠、安全可靠，性价比高的燃气报警器来保障家人的生命已成为千万家庭需要考虑的问题。
1.2课题研究的主要内容
本设计旨在制作一款对煤气、天然气等气体的泄漏具有高灵敏感知能力，当泄漏气体浓度达到预设值时能迅即发出声光报警，并在一定误差内具备温度实时显示功能，且具备对声光报警电路实现手动检测功能的高可靠、低误报，高性价比的家用煤气、天然气泄漏报警器。
第二章系统总体方案设计
2.1系统设计要求
（1）当所检测的气体达到预设报警点时，报警器开始报警，报警灯闪亮，蜂鸣器发出“B、B、B…”的报警声，当检测的气体的浓度下降到报警点以下时，报警器则停止报警。
（2）指示灯闪烁周期和蜂鸣器报警周期在2秒左右。
（3）当周围环境可燃气体浓度降到响应阈值以下时，处于报警状态的探测器将自动恢复到正常工作状态。
（4）在4位LED数码管上对温度进行实时显示，分别为百位、十位、个位和小数点后一位
（5）可实现对声光报警电路的手动检测
（6）传感器灵敏度可调
（7）测量精度误差在0.5℃以内（本设计最大误差为0.0875℃）
2.2任务分析
为实现仪器结构简单，体积小，成本低，智能化等要求，可采用微处理器AT89C51单片机作为核心芯片，充分利用了其高速数据处理能力的片内外设，满足上述要求，同时具备了高可靠、低误报的特点。
根据设计要求、使用环境、成本等因素，可选用MQ-7型传感器。
它的灵敏度适中，具有响应与恢复特性好，长期工作稳定，不易受环境影响及抗温度影响等特点。
在传感器后续处理电路中可利用大电容充放电特性来产生一定的延时，使得传感器有足够的时间预热，以免产生误报警。
为实现传感器的高灵敏度及其灵敏度可调性，滑动变阻器器与电压比较器LM138来实现。
可增加手动检测功能，当按动按键时，若报警电路正常，则报警灯闪亮，蜂鸣器发出“B、B、B…”的报警声。
温度显示精度误差要求可通过软件编程来实现。
2.3系统的方案设计
该方案使用了AT89C51单片机作为控制核心，以气体传感器MQ-7作为气体检测元件，检测室内煤气、天然气的基本状态，并将气体浓度信号转换为电信号。
通过信号处理电路将有无气体泄漏两种状态转换成高低电平，并将此电平通过单片机I/O接口传入单片机，通过单片机编程控制由发光二极管、蜂鸣器等组成的声光报警电路的工作状态。
室温显示部分通过DS18B20温度传感器，将室内温度值转换为16位二进制，通过单片机I/O接口传入单片机，并通过编程在七段数码管上显示出当前温度值。
系统结构图见图2-1。
图2-1系统结构图
（1）气体检测模块：
主要有气体传感器以及LM358组成，其作用是将煤气、天然气的泄漏与否转换为利于单片机识别的高低电平，并将此信号传到单片机；
（2）声光报警模块：
由蜂鸣器和LED构成,其作用是当检测到有煤气、天然气泄漏时，发出声光报警信号，提醒用户有煤气、天然气泄漏，采取相应措施；
（3）温度检测模块：
由DS18B20温度传感器构成，DS18B20将检测到的温度值转换为二进制数，并传到单片机进行处理；
（4）温度显示模块：
主要由74LS245和4位七段数码管组成，其作用是显示当前温度值；
（5）主控模块：
即单片机AT89C51，其作用是根据气体检测模块输出的高低电平，控制声光报警模块的工作状态，并完成温度的采集及显示功能；
（6）软件部分：
软件部分主要通过软件编程控制主控模块，根据气体检测模块检测到煤气、天然气的状态，控制声光报警模块是否发出声光报警信号，从而完成煤气、天然气检测报警功能。
同时通过编程控制主控模块对温度采集模块进行数据采集，并通过温度显示模块显示当前温度值。
将系统拆分成以上的这些基本功能模块后，再根据各个模块所要完成的功能分别去设计，也就是按照“逐步求精”的思想去设计本系统。
第三章系统硬件设计
按照设计要求，系统硬件可以分为以下几个基本功能模块：
a.主控模块
b.气体检测模块
c.声光报警模块
d.温度检测模块
e.温度显示模块
系统总电路图如附录A所示，当没有煤气、天然气泄漏时OUT1端为高电平，此时单片机控制OUT3端无输出信号，继续检测OUT1端的状态；当煤气、天然气泄漏时，OUT1端由高电平变成低电平，此时单片机控制端OUT3端输出方波信号，驱动报警电路发出声光报警信号。
通过单片机编程对DS18B20检测的温度进行采集，此温度值由16位二进制数表示，通过编程对此16位二进制数进行处理，并通过4位七段数码管加以显示。
3.1主控模块设计
3.1.1单片机的选择
本设计中选用的单片机为AT89C51。
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内具有4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器和128bytes的随机数据存储器，器件使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元，功能强大的AT89C51单片机可灵活应用于各种控制领域。
图3-1AT89C51的引脚排列
主要性能指标参数：
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程FLASH存储器
·寿命：
1000写/擦循环
·数据保留时间：
10年
·全静态工作：
0Hz-24MHz
·三级程序存储器锁定
·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
AT89C51的引脚排列如上图图3-1所示
3.1.2.单片机控制电路
单片机模块即主控模块，完成功能是与各个功能模块连接，并通过软件编程控制各个模块功能，完成煤气、天然气检测报警及温度显示功能。
如图3-2所示，利用P1.0作为温度传感器输入位，利用P1.3控制报警灯点亮和蜂鸣器报警，P2.0～P2.7控制七段数码管，P3.1～P3.4控制4位数码管显示。
图3-2主控模块原理图
3.1.3气体检测模块
传感器是能把被测物理量或化学量转化为与之有确定对应关系的电信号的输出装置。
传感器主要由敏感元件、传感元件组成，有时也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分如图3-3
图3-3传感器工作原理图
敏感元件：
直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他量的元件。
传感元件：
又称转换器，一般情况下，不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转化为电量输出的元件。
传感器按工作原理可分为：
电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、光电式传感器、压电式传感器等。
1.气体传感器的选择
在这个设计中选择煤气、天然气气体传感器属于电阻式传感器，传感器型号为MQ-7。
MQ-7能够同时检测煤气、天然气两种气体，与分别用两种气体传感器检测相比，明显减少设计成本。
MQ-7型气敏元件的结构和外形及其引脚结构电路连接如图所示。
在图所示中（结构A或B），由微型Al203陶瓷管、SnO2敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。
填充活性炭的过滤腔体，进一步减弱了氮氧化物、烷类等气体的干扰。
封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，两个用于提供加热电流。
对一氧化碳具有很高的灵敏度和良好的选择性，具有长期的使用寿命和可靠的稳定性，应用于家庭、环境的一氧化碳探测装置。
适宜于一氧化碳、煤气等的探测。
一氧化碳传感器的MQ-7的标准工作条件、环境条件、灵敏度特性表见附录B所示
3-4MQ-7结构外形及引脚
表3-1结构及引脚说明表
部件
材料
1
气体敏感层
二氧化碳
2
电极
金（Au）
3
测量电极引线
铂（Pt）
4
加热器
镍铬合金（Ni-Cr）
5
陶瓷管
三氧化二铝
6
过滤层
活性炭颗粒
7
卡环
镀镍铜材（Ni-Cr）
8
基座
塑料或尼龙
9
针状管脚
镀镍铜材（Ni-Cu）
图3-5MQ-7引脚电路连接
MQ-7工作原理：
传感器的表面电阻为RS,对被测信号（一氧化碳）浓度的测量是通过RS与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号VRL而获得的。
两者之间的关系为：
RS/RL=（VC-VRL）/VRL。
MQ-7型气敏元件的敏感是用非常稳定的二氧化锡制成的，因此，它具有优秀的长期稳定性，在正常使用条件下，其使用寿命可达5年。
一氧化碳传感器MQ-7灵敏度调整
MQ-7型气敏元件对不同种类、不同浓度的气体有不同的电阻值。
因此，在使用此类型气敏器件时，灵敏度的调整是很重要的。
当精确测量时:
报警点的设定应考虑温、湿度的影响。
灵敏度的调整程序：
（1）将传感器连接在应用回路中；
（2）接通电源，通电老化48h以上；
（3）调整负载电阻RL至获得对应于某一个一氧化碳浓度时所需要的信号值。
2.气体传感器输出处理电路设计
如图3-6所示RV1用来模拟传感器的阻值变化，RV2用来调节传感器的灵敏度，大电容C4用来产生一定的延时，使得传感器有足够的时间预热，以免产生误报警。
LM358及其外围电路完成比较器的功能，当CO浓度上升后，其阻值变小，导致晶体管基极电压上升，晶体管导通后LM358的反相输入端电压大于同相输入端电压，此时，LM358输出为0，该信号输入到单片机作为报警触发信号。
图3-6气体检测模块原理图
3.3声光报警模块
1.声光报警模块电路
如图3-7所示，OUT3与单片机P1.3引脚相接，当检测到煤气、天然气泄漏时通过单片机编程控制P1.3输出方波信号，此时LEDD4闪烁，并且蜂鸣器以相同的频率发出声音，产生声光报警信号，提醒用户煤气天然气泄漏，采取相应的措施。
图3-7声光报警原理图
3.4温度检测模块
温度传感器DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。
转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在第1、2字节。
单片机可以通过单线接口读到该数据,读取时低位在前,高位在后,数据格式以0.0625℃/LSB形式表示。
温度寄存器格式如下图3-8所示。
bit7bit0
23
22
21
20
2-1
2-2
2-3
2-4
LSByte
bit15bit8
S
S
S
S
S
26
25
24
MSByte
图3-8温度寄存器格式
这是16位转换后得到的16位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前五位是符号位，如果测得的温度值大于0，这五位为0，只要将测到的数据乘以0.0625即可得到实际的温度；如果温度小于0，这五位为1，测到的温度值需取反加1再乘以0.0625即可得到实际温度。
下表是部分温度值对应的二进制温度表示数据。
表3-2部分温度值表
实际温度
二进制表示（补码）
十六进制表示
+125
00000111
11010000
07D0H
+25.0625
00000001
10010001
0191H
+0.5
00000000
00001000
0008H
0
00000000
00000000
0000H
-0.5
11111111
11111000
FFF8H
-25.0625
11111110
01101111
FE6FH
-55
11111100
10010000
FC90H
1.DS18B20典型工作时序
DS18B20在编程时有严格的时序要求，因此在编程过程中要多加注意，以下为DS18B20典型工作时序简介。
（1）复位时序。
使用DS18B20时，首先需将其复位，然后才能执行其他命令。
复位时，主机将数据线激发为低电平并保持480-960μs，然后释放数据线，再由上拉电阻将数据线拉升15-60μs，然后再由DS18B20发出响应信号，以将数据线激发成低电平60-240μs，这样，就完成了复位操作。
图3-9DS18B20复位时序图
（2）写时序。
在主机对DS18B20写数据（主机对DS18B20发送各种命令）时，现将数据线激发为低电平，该低电平应大于1μs。
然后根据写“0或写“1”来使数据线变高或继续为低。
DS18B20将在数据线变成低电平后15-60μs对数据线进行采样。
要求写入DS18B20的数据持续时间应大于60μs而小于120μs，两次写数据之间的时间间隔应大于1μs。
图3-10写时序图
（3）读时序。
当主机从DS18B20读数据时，主机先向数据线激发出低电平，然后释放，以使数据线再升为高电平。
DS18B20在数据线从高电平变为低电平的15μs内将数据送到数据线上。
主机可在15μs后读取数据线以获得数据。
图3-11读时序图
选用DS18B20温度传感器。
DS18B20可以把温度直接转化为串行数字信号，使用中不需要附加电路，但与主机通信有严格的时序要求。
温度检测模块原理图如下图2-11所示，DS18B20选用默认的12位精确的分辨率，此时输出端DQ输出的温度值为16位二进制补码的表达形式，DS18B20输出端DQ与单片机引脚P1.0相接，将数据传入单片机进行处理。
图3-12温度检测模块原理图
3.5温度显示模块
3.5.1LED驱动芯片选择
驱动模块选择，实验中测得74LS245输出高电平为3.8V,而74HC245输出高电平为5V。
由于74HC245与74LS245相比价格较贵，而74LS245输出3.8V高电平足以驱动七段数码管，因此设计中选用74LS245。
限流电阻阻值计算，由于七段数码管工作电压为2V,而74LS245输出高电平3.8V，因此限流电阻两端电压为1.8v。
而七段数码管每位正常工作的电流为2mA,而4位七段数码管的每一个相同段位又是并联的形式连接的，为了保证每位亮度相同，
因此每位段位电流应该为2Ma*4=8mA，即流过限流电阻的电流为8mA。
因此限流电阻的阻值=1.8V/8mA=225Ω，实际设计中采用220Ω的电阻作为限流电阻。
如图3-14所示，电路采用4位七段共阴LED数码管显示实时温度值，采用74LS245增加I/O口的驱动能力。
74LS245用来驱动LED或者其他的设备，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据，74LS245引脚图如3-13所示。
（1）74LS245还具有双向三态功能，即可以输出，也可以输入数据。
（2）当8951单片机的P0口总线负载达到或超过PO最大负载能力时必须接入74LS245等总线驱动器。
（3）当片选端/CE低电平有效时，DIR=“0”，信号由B向A传输（接收）；
（4）DIR=“1”，信号由A向B传输（发送）；当片选端/CE为高电平时A、B均为高阻状态。
图3-1374LS245引脚图
（5）由于P2口始终输出地址的高8位，接口时74LS245的三态控制端/1G和/2G接地，P2口与驱动器输入线对应相连。
P0口与74LS245输入端相连，/E端接地，保证数据线畅通。
8051的/BD和/PSEN有效时，74LS245输入（Di至P0.i）其他时间处于输出（P0.i至Di）。
图3-14LED显示电路
3.5.2温度显示模块电路设计
如图3-14所示，74LS245的使能端和方向控制端同时接地，此时74LS245的工作状态为数据由B向A传送。
七段数码管段选位通过限流电阻接到74LS245的A总线，74LS245的B总线接单片机的P2口。
由于室内温度不会超过100℃，因此显示时百位不加以显示。
而北方有些地区冬天是较冷，室内温度有可能达到0℃以下，因此显示符号位。
因此用4位七段数码管显示温度，4位分别显示符号位、十位、个位、一位小数位。
数码管的4位位选位接晶体管集电极，4个晶体管的基集B1-B4分别接单片机的P3.1-P3.4口。
图3-15温度显示模块原理图
第四章系统软件设计
4.1主程序设计:
程序开始时，DS18B20初始化，发温度转换器命令，读温度值并存储然后进行数据处理，显示，如果检测到P1.0为0则对P1.3定时取反产生方波,否则重新开始循环。
汇编语言程序源代码（见附录C）。
开始
DS18B20初始化
发温度转换命令
读温度值并存储
数据处理
显示
检测P
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