完整版一氧化碳气体检测报警系统毕业设计.docx

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完整版一氧化碳气体检测报警系统毕业设计

河南科技学院新科学院

2013届本科毕业论文（设计）

一氧化碳气体检测报警系统

学生姓名：

所在系别：

电气工程系

所学专业：

电气工程及其自动化

导师姓名：

完成时间：

2013年5月10日

一氧化碳气体检测报警系统

摘要

本论文主要实现一氧化碳气体泄露的检测与报警，系统主要以半导体气体传感器为研究对象，以单片机为核心构成一个具备信号产生、数据处理、模数转换、数据通信、报警电路等功能的完整系统。

该系统的工作原理为：

家庭用电经降压、稳压处理为整个电路供电，传感器将体积浓度转换成电压信号，经过线性放大、A/D转换等一系列处理后，最后送入单片机AT89S51中与标准浓度对比进行检测。

如果浓度超过限定值，报警器就会报警。

这种电路具有实用性强、可靠性高、测量精度高等特点，可广泛应用于工业、医疗卫生、环境监测和日常生活等方面。

关键词：

一氧化碳气体，单片机，报警

Detectionofcombustiongasleakageandwarningsystem

Abstract

Inthispaper,themaingasleakmeasurementandalarmsystemstothesemiconductorgassensorforthestudyinordertoconstituteasingle-chipmicrocomputerasthecorewithdataacquisition,objectcontrol,resultsshowedthatfeaturessuchasdatacommunicationsystemofintegrity.Thesystemworksasfollows:

DCPowerSupplyfortheentirecircuit,sensorswillbeconvertedintoconcentrationvoltagesignals,afteraseriesoflinearprocessing,analogueswitchtotheA/Dconverters,Finally,figuresshowcircuittestingonesandthegasconcentrationbysingle-chipmicrocomputer.Ifconcentrationsexceedthelimit,thealarmwillalarm.Thiscircuitispractical,highreliabilityandhighprecisionmeasurementcanbewidelyusedinindustrial,medicalandhealth,environmentalmonitoringanddailylife,andsoon.

Keywords：

carbonmonoxide,Singlechipmicrocontroller,alarm

1绪论1

1.1论文研究的背景1

1.2论文研究的目的1

1.3国内外研究现状及发展动态1

1.4系统设计的基本内容2

2系统的总体设计3

2.1方案的选择3

2.2系统流程框图3

3硬件系统设计和传感器的选用4

3.1主机单元电路4

3.1.1AT89S51单片机4

3.1.2X5045看门狗定时器6

3.1.3电源电路6

3.2功能模块7

3.2.1数据处理模块7

3.2.2ADC0809的数据采集单元9

3.2.3声光报警单元10

3.2.4排风扇的控制系统与切断阀11

3.3传感器的选用13

3.3.1NAP505型电化学式传感器14

3.3.2MQ-9半导体气体传感器15

3.4硬件设计总结17

4主程序流程图17

5结论18

参考文献20

致谢21

附录I22

附录II23

1绪论

1.1论文研究的背景

随着科技的发展，越来越多的可燃性气体作为能源应用于工业生产和人们的日常生活中。

但是可燃性气体在给我们带来极大便利的同时，也存在巨大隐患。

家用煤气的使用和储存过程中会因各种原因发生泄漏，煤气的主要成分是可燃气甲烷和一氧化碳，遇到明火会发生燃烧甚至爆炸，所以如果在煤气泄漏时打电话，使用家用电器的话，可燃气遇到电火花可能会发生爆炸事故。

人呆在煤气泄漏的空间内，甲烷的不完全燃烧可能会生成一氧化碳，人体吸入有毒气体一氧化碳后，一氧化碳将会迅速与血液中的红细胞结合导致人体中毒昏迷，如果长时间吸入泄露的煤气甚至会发生中毒死亡。

为了减少这类事故的发生，就必须对厨房内一氧化碳等可燃气体进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测报警装置，严密监测环境中这些气体的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和家庭生活安全。

因此，研究可燃性气体的检测方法与研制可燃性气体报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。

据不完全统计，我国2010年因非职业性一氧化碳中毒，造成至少3850人中毒，142人死亡。

2012年3-5月份，柳州地区发生了2起非职业性一氧化碳中毒事件。

1.2论文研究的目的

人们面对燃气泄漏而造成的种种事故威胁，就真的没有一个彻底的解决办法吗？

据有关专家介绍，使用燃气报警器是对付燃气无形杀手的重要手段之一。

燃气专家指出，燃气泄漏或废气排放而大量产生的一氧化碳是煤气中毒响应的根源，如果采用煤气泄漏报警器就能得到及时的警示。

有关部门经长期测试同样得出结论，煤气报警器防止一氧化碳中毒事故发生的有效率达95%以上。

计算机的普及和信息技术的迅猛发展，人们己不满足于传统的居住环境，对家庭及住宅小区提出了更高的要求，智能化被引入家庭，并迅速在世界各地发展起来。

人们对居住环境要求的日见增高，体现在希望住宅不仅更便利、舒适而且更安全。

单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，煤气泄漏则是人们日常生活中常常需要测量和控制的一个问题。

单片机有利于为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施。

为了防止中毒事件再次发生，提出利用单片机系统进行有效的预防对策。

所以怎样防止煤气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要。

为此我们开发研制了智能一氧化碳气体检测报警系统。

1.3国内外研究现状及发展动态

在应用方面，目前最广泛的是一氧化碳、甲烷等可燃性气体气敏元件传感器，而且已经普及应用于气体泄漏检测和监控，从工厂企业到居民家庭，应用十分广泛。

仅以用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，日本早在1980年1月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器法规，1986年5月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。

美国目前已有6个州立法，规定家庭、公寓等都要安装一氧化碳气体报警器。

报警器种类也相当繁多，有用于一般家庭、集体住宅、饮食餐店、医院、学校、工厂的各种气体报警器和系统，有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、遮断连动系统、防止中毒报警防护系统等。

结构型式有袖珍型便携式、手推式、固定式报警等；工业用固定式报警又有壁挂式、台放式、单台监控式、多路巡检式等。

气体检测技术与计算机技术相结合，实现了智能化、多功能化。

美国工业科学公司（ISC）一台携带式气体监控仪可实现4种气体监测，采用了统一的软件，只需要换气体传感器，即可实现对特定气体监测。

美国国际传感器技术（IST）公司应用一种“MegaCas"传感器和微程序控制单元，可检测100种以上毒性气体和可燃性气体，通过其“气体检索”功能扫描，能很快确定是哪一种气体。

一氧化碳气体传感器的发展也成为气体检测系统的代表性标志。

目前，国外气体传感器的发展趋势集中表现为：

一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标。

如美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器，美国FirstAlert公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗CO气体传感器等。

二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展现场适用的变送器和智能型传感器。

如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化。

国内气体传感器的发展趋势集中表现为：

烧结型气敏元件仍是生产的主流，占总量90％以上，接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能，电化学气体传感器有了试制产品；在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构；在气敏材料方面SnO2和Fe2O3材料已用于批量生产气敏元件，新研究开发的Al2O3气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料；低功耗气敏元件（如一氧化碳，甲烷等气敏元件）已从产品研究进入中试。

总的看来，我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大的差距。

1.4系统设计的基本内容

本篇论文是关于一氧化碳气体泄漏自动检测报警系统的研制，主要针对一氧化碳气体，以实现一氧化碳气体气的检测与报警。

报警系统由硬件和软件两大部分组成。

其中硬件部分由各报警感应器、感应器控制器、主控器等设备组成。

软件部分主要是报警系统控制程序。

气敏传感器用来检测空气中煤气的浓度，当空气中煤气含量超过允许标准浓度后，感应器所获得的感应信号均被感应器控制器所接收，再由感应器控制器对各感应信号进行相应识别和处理，并将处理后的感应信号通过串口送至主控器，由主控器对其采取相应的警报动作。

报警信号加至报警声响电路的控制端后，报警声响电路被触发，发出报警声，同时关闭总气阀或者启动排风扇使空气对流。

本课题在硬件设计方面主要研究组成家用一氧化碳气体泄漏报警控制系统的单片机芯片、气体传感器的使用方法，同时研究电路设计思路、电路组成，包括控制芯片、气体传感器、单片机等的器件选用和设计，最后给出结构框图、电路原理图。

2系统的总体设计

2.1方案的选择

方案一，通过传感器感受到可燃性气体，降低自身的阻值，来增大电流，并且驱动蜂鸣器报警。

电路简单、可靠但是灵活性和实用性差。

方案二，可以通过传感器感知信号多级放大电路，并用电位器调节得到固定的电压值，当得到可燃性气体信号时，电阻值立刻变小，放大器的放大倍数增加，电压也就随着增加，驱动三极管导通报警电路。

方案三，通过51系列单片机作为主控单元，并且能够通过传感器经数据采集后把模拟信号通过A/D信号转换为数字信号，然后经过单片机处理控制报警功能电路。

同时还可以在不同的应用场合和针对不同气体做出不同的浓度设定，并且储存报警的上限和报警时间，方便查询和日后的工作调查。

综合考虑，由于使用单片机设计灵活性更强、用途更宽广，所以本设计采用方案三。

2.2系统流程框图

如图2-1所示，该设计是由AT89C51单片机主要控制单元，具备看门狗芯片和时钟芯片作为主题单元。

采集的数据经过信号处理和A/D转换送入单片机。

图2-1系统流程框图

3硬件系统设计和传感器的选用

硬件系统的电路包括主机单元的电路和功能实现系统模块电路。

主机单元主要由AT89C51单片机与X5045看门狗定时器和7805电源电路组成。

功能实现系统模块，由传感器、信号处理电路、A/D转换电路和报警电路组成。

3.1主机单元电路

主机模块是由主控芯片AT89S51、X5045和电源电路构成，它是报警器的核心部分。

电源电路提供+5V的稳定直流电压；X5045防止系统死机，保证程序正常运行，内部的EEPROM有掉电数据存储功能，用于保存各采集通道的报警上限。

3.1.1AT89C51单片机

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51具有如下特点：

40个引脚,8kBytesFlash片内程序存储器,256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器，主要功能表特性见表3-1。

此外，AT89C51设计和配置了振荡频率可为0Hz-24MHz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器,串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

表3-1主要功能表特性

兼容MCS-51指令系统

4K字节可编程闪烁存储器

32个双向I/O口

4.5-5.5V工作电压

两个16位定时器/计数器

全静态工作：

0Hz-24MHz

全双工UART串行通道

128*8位内部RAM

5个中断源

寿命：

1000写/擦循环

低功耗的闲置和掉电模式

三级程序存储器锁定

看门狗（WDT）电路

软件设置空闲和省电功能

数据保留时间：

10年

双数据寄存器指针

在本设计中，P1口作为看门狗X4050芯片的数据传送总线；RESET接X5045的RET接口受其看门狗监督，P1.3和P1.4两个接口用来接X5045的数据输入和数据输出；P1.1和P1.2接X5045的片选接口和时钟接口。

主机AT89C51完成对监控系统的数据采集过程、采集方式和报警过程的控制。

其最简单的连接图如图3-1所示。

图3-1AT89S51最小系统

3.1.2X5045看门狗定时器

X5045的特点是一种集看门狗、电压监控和串行EEPROM三种功能于一身的可编程电路。

这种组合设计减少了电路对电路板空间的需求。

X5045中的看门狗对系统提供了保护功能。

当系统发生故障而超过设置时间时，电路中的看门狗将通过RESET信号向CPU作出反应。

X5045提供了三个时间值供用户选择使用。

它所具有的电压监控功能还可以保护系统免受低电压的影响，当电源电压降到允许范围以下时，系统将复位，直到电源电压返回到稳定值为止。

X5045的存储器与CPU可通过串行通信方式接口，共有4096个位，可以按512x8个字节来放置数据。

可以存放512个字节，可擦写100万次以上并且存储100年。

X5045共有8个引脚，各引脚的功能如下：

CS：

电路选择端，低电平有效SO：

串行数据输出端；SI：

串行数据输入端；SCK：

串行时钟输入端；WP：

写保护输入端，低电平有效；RESET：

复位输出端；VCC：

电源端；VSS：

接地端。

本设计中由于X5045是利用SPI通信协议的，所以电路连接十分简单。

SI和SO分别接AT89C51的P1.3和P1.4用作数据的传输使用。

而CS和SCK分别接单片机的P1.1和P1.2用作控制端口使用。

而WP和VCC是直接接电源，RS上拉10K电阻接电源，并且接上AT89C51的RESET引脚，用作控制单片机复位信号使用，并且上电复位。

设计中所用到的电路图如图3-2所示。

图3-2设计中X5045的连接

3.1.3电源电路

220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路D1～D4和滤波电容C1的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压（该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化）。

此直流电压经过LM7805的稳压和C3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。

本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。

三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。

图3-3电源连接电路

图3-5中各电容的作用：

C1为整流滤波电容，它把整流后的脉动波形滤波为脉动纹波很小的直流电压，它的容量与负载有关，一般说，负载越重，C1的值要求越大，具体计算此处从略；C2为LM7805稳压集成电路所要求的，尤其当LM7805与整流电路的滤波电容（此处为C1）不是紧紧连接的情况更是必不可少的，它用于稳定LM7805内部放大器的工作状态，它的数值生为产厂家规定值，不得小于0.33微法，它的连接必须尽可能紧连LM7805的1脚和2脚；C3也为LM7805稳压集成电路所要求的，它用于稳定LM7805内部放大器的工作状态，同时改善电压调整的过渡响应。

它的数值为生产厂家规定值，不得小于0.1微法，它的连接必须尽可能紧连LM7805的3脚和3脚；C4为负载电路退耦电容，它对负载提供一个端距离的本地回路，其数值与负载工作方式有关。

3.2功能模块

该部分中主要由数据采集模块、信号处理模块、事故处理模块和声光报警模块。

可以实现AT89S51单片机的对传感器信号进行采集计算比较，并产生相应的报警和排风措施。

3.2.1数据处理模块

在许多需要用A/D转换和数字采集的单片机系统中，多数情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。

本设计中涉及到多个传感器，而且每个传感器的输出信号不一，有些是输出电压信号，有些是输出电流信号（工业用），所以本设计中采用不同的方法作为信号处理。

图3-4所示工业处理模式。

工业模式所输出的是4-20mA，可通过精密电阻250欧变成1-5v的电压信号，再经过阻容滤波的电压信号传给A/D转换芯片。

这就需要两个基准电压，+5v和+1v。

而本设计的NAP-505是输出0-50uA，则可通过精密电阻100k来解决。

图3-4工业处理模式

电压信号输出时，需要采用放大器，才能够正常给A/D芯片使用。

本设计采用的是LM358放大器。

仪表仪器放大器的选型很多，我们这里介绍一种用途非常广泛的仪表放大器，就是典型的差动放大器。

它只需高精度LM358和几只电阻器，即可构成性能优越的仪表用放大器。

广泛应用于工业自动控制、仪器仪表、电气测量等数字采集的系统中。

本设计中差动放大电路结构图如下：

图3-5差动放大器结构图

推导过程：

则：

图3-6LM358引脚

LM358（图3-6）内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。

它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

3.2.2ADC0809的数据采集单元

ADC0809具有8个通道的模拟输入线（IN0～IN7），可在程序控制下对任意通道进行A/D转换，获得8位二进制数字量（D7～D0）。

模拟输入部分有8路多路开关，可由3位地址输入ADDA、ADDB、ADDC的不同组合来选择，ALE为地址锁存信号，高电平有效，锁存这三条地址输入信号。

主体部分是采用逐次逼近式的A/D转换电路，由CLK控制的内部电路的工作,START为启动命令，高电平有效，启动ADC0809内部的A/D转换，当转换完成，输出信号EOC有效，OE为输出允许信号，高电平有效，打开输出三态缓冲器,把转换后的结果送DB。

ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D／A转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。

因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。

输入输出与TTL兼容。

引脚功能：

ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，下面说明各引脚功能。

IN0～IN7：

8路模拟量输入端。

D0～D7：

8位数字量输出端。

ADDA、ADDB、ADDC：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。

ALE：

地址锁存选通信号，输入高电平有效。

START：

A／D转换启动信号，输入高电平有效。

EOC：

A／D转换结束信号，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

OE：

数据输出允许信号，输入高电平有效。

当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

CLK：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ。

REF（+）、REF（-）：

基准电压输入端,它们决定了输入模拟电压的最大值和最小值.

VCC：

电源，接＋5V。

GND：

接地。

主要特性：

1.8路8位A／D转换器，即分辨率8位

2.具有转换起停控制端

3.转换时间为100μs

4.单个＋5V电源供电

5.模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准

6.工作温度范围为-40～＋85摄氏度

7.低功耗，约15mW

ADC0809的工作过程是：

当模拟量送至某一输入通道IN0后，CPU将标识该通道编码的三位地址信号经数据线或地址线输入到ADDC、ADDB、ADDA引脚上。

然后输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。

START上升沿将逐次逼近寄存器复位。

下降沿启动A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。

直到A／D转换完成，转换开始,EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。

转换结束,OE输入高电平，EOC可作为中断请求信号,转换结束后，可通过执行IN指令，设法在输出允许OE脚上形成一个正脉冲，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

如图3-7ADC0809的总体设计

3.2.3声光报警单元

作为煤气泄露测试装置，声光报警部分不可缺少，当检测到CO气体在空气中的所占的比例超标时，就应该通过声光方式发出警报，防止由于CO气体含量过高而发生的意外事故。

本设计中的声光报警部分包括蜂鸣器以及红、黄两个LED报警指示灯。

声光报警表现形式如下：

（1）绿灯点亮表示空气中CO气体浓度正常，此时红灯和黄灯熄灭，排风扇和蜂鸣器不工作。

（2）红灯点亮表示传感器检测到CO气浓度体达到下限值，此时绿灯和黄灯熄灭，蜂鸣器发出报警声；

（3）黄灯点亮表示传感器检测到CO气体浓度30秒内变化速率超过下限值此时绿灯和红灯熄灭，蜂鸣器发出报警声；

（4）红灯和黄等同时点亮表示传感器检测到CO气体浓度达到下限值同时30秒内变化速率也超过下限值，此时绿灯熄灭，蜂鸣器发出报警声。

单片机本身I/O的驱动能力不是很高，所以对蜂鸣器的驱动需要加入一个PNP三极管，这样能够使蜂鸣器的声音更加响亮，起到更好的报警作用。

三极管基极的电路保证了只有在单片机输出低电平时，蜂鸣器才会发声，避免了误报警的发生。

如图3-8所示。

图3-8声光报警

3.2.4排风扇的控制系统与切断阀

在开关量控制中，最常用的器件是光电隔离器。

光电隔离器的种类繁多，常用的有发光二极管/光敏三极管，发光二极管/光敏复合晶体管，发光二极管/光敏电阻，以及发光二极管/光触可控硅等。

光电隔离器有GaAs红外线二极管和光敏三极管组成。

光电隔离电路的作用是在电隔离的情况下,以光为煤介传送信号