煤气报警器.docx

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煤气报警器煤气报警器煤气报警器的设计摘摘要要当今社会上，出现了许多煤气报警器，而这些产品大都是针对煤气的泄漏所做出的相应的报警，即为家庭式煤气报警器。

本课题设计煤气报警采用了AT89S52单片机为报警器的核心部件，对煤气报警器进行控制。

通过NAP-505电化学一氧化碳气体传感器对煤气进行检测，将所得的浓度值与设定浓度值相比较得到偏差。

通过对偏差信号的处理获得控制信号，发生报警信号，并把报警通道显示并储存在DS12887的RAM中，八个单元的煤气浓度对应模拟量利用A/D转换为数字量，并加入了键盘输入控制，从而实现对家用和工业煤气漏气的监控。

整个系统的硬件电路设计合理，性能安全可靠。

关键词：

单片机煤气浓度报警器目录摘摘要要I1前言前言12系统总体设计系统总体设计32.1方案的选择方案的选择32.2系统流程框图系统流程框图33硬件系统设计与传感器选用硬件系统设计与传感器选用43.1主机部分主机部分43.1.1AT89S52单片机43.1.2DS12887实时时钟芯片及其电路63.1.3X5045看门狗定时器及复位电路83.1.4电源电路93.2功能模块部分功能模块部分93.2.1TLC2543的数据采集单元103.2.2HD7279的人机接口电路模块123.2.3数据处理模块153.2.4声光报警模块163.2.5ISP下载电路DIY173.3传感器的选用传感器的选用183.3.1NAP-505型电化学式传感器193.3.2MQ-9半导体气体传感器203.4硬件设计小结硬件设计小结224软件设计软件设计234.1主程序设计主程序设计234.1.1初始化程序和主程序234.1.2中断服务程序274.2功能实现主要子程序功能实现主要子程序284.2.1采集程序284.2.2数据处理模块304.2.3报警记录和报警模块314.2.4人机对话子程序设计314.3小结小结34参考文献参考文献40谢谢辞辞601前言前言随着我国燃气的变革及西气东输工程的进行，煤气或天燃气已成为多数家庭的燃料。

每年，因煤气泄露造成的煤气中毒事故中，因使用热水器不当或产品本身的质量问题造成的一氧化碳中毒事故，全国均有不少事例，有甚者因室内煤气浓度过高，引起煤气爆炸的事故也不少见。

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煤气报警系统。

本设计主要研究并设计一个基于单片机的煤气报警系统，并实现对AD数据的采集和声光的报警控制。

控制系统主要是由MCS-52系列单片机、电源电路、AD数据采集电路、传感器电路、看门狗电路、复位电路、实时时钟电路、LED显示与键盘输入人机接口电路、声光报警电路等部分组成。

单片机通过AD转换8路传感器来得到信号，进行比较处理，并且能够存储各个通道的报警上限和报警时的数据储存，并且在安全值内，轮回显示当前通道的测量值和设定值，在安全值外，产生声光报警，并且轮回显示报警通道的当前值、设定值。

2系统总体设计2.1方案的选择方案的选择方案一，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，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。

该方案有一定的灵活性，但是电路比较复杂，智能性差。

图2-1系统流程框图方案三，通过52系列单片机作为主控单元，并且能够通过传感器把模拟信号通过AD转换为数字信号，并且读取和显示出来。

键盘可以通过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系统流程框图系统流程框图如图2-1所示，该设计是由89s52单片机主要控制单元，由7805稳压芯片提供电源，具备有看门狗芯片X5045和实时时钟芯片DS12887作为主体单元，显示和键盘是由HD7279A控制的，数据采集是由TLC2543进行。

3硬件系统设计与传感器选用硬件系统设计与传感器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89s52单片机、X5045看门狗定时器、实时时钟DS12887和7805电源电路组成。

功能实现系统模块，由AD转换电路、信号处理电路、人机接口电路、传感器和报警电路组成。

图3-1主机模块总连接图3.1主机单元电路主机模块是由AT89s52、X5045、DS12887和电源电路构成。

电源电路提供+5v的稳定电源；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；DS12887存储当前时刻之前发生的10个历史报警记录，包括报警的发生通道、性质和发生时间，可以对时、分、秒、年、月、日进行准备计时，具有掉电数据存储功能，可实现可燃性气体的报警监督功能。

总体连接如图3-1。

3.1.1AT89s52单片机控制器部分采用了AT89s52，AT89s52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用高密度、非易失性存储技术制造，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的AT89s52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89s52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，32个外部双向输入/输出口，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，看门狗电路，片内时钟振荡器。

此外，AT89s52设计和配置了振荡频率可为0Hz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。

图3-289s52各个引脚在本设计中，P0作为实时时钟DS12887的数据传送总线，P2.7作为片选CE的接口用来使能DS12887，ALEP接口用来锁存外接存储器的地址，RD和WR接口分别接实时图3-389s52最小系统时钟的RD和WR，用来读控制和写控制外部存储器的数据，RESET接X5045的RS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89s52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3-3。

3.1.2DS12887芯片DS12887实时钟芯片的特点，可作为IBMAT计算机的时钟和日历；自带晶振及电池；用二进制码或BCD码代表日历和闹钟信息；有12和24小时两种制式；可选夏令时模式；可以应用与NMOTOROLA和INTERL两种总线；数据地址总线可以复用；内建128字节RAM；可编程方波输出；总线兼容中断。

其管脚名称及其分部如图3-4所示。

图3-4DS12887的管脚分布本设计中DS12887的D0到D7引脚接89s52的P0口作为数据和地址的传送通道，片选CE由单片机的P2.7控制信号。

因为要涉及到外部存储设备的写入和读取，所以DS12887的RD和WR两个引脚，直接接89s52的RD和WR两个引脚，可以实现外部存储的通信控制。

而AS引脚自然接到单片机的ALE引脚。

要使得DS12887可以正常的工作，就必须使得RESET置于低电位200ms以上，所以在VCC之间连接一个电阻并在GND之间连接一个电容，这样就可以使得充电时间保持有200ms以上的低电位，并且正常工作接上电源VCC。

其余引脚给于置空处理。

图3-5就是本设计中的电路连接实际情况。

图3-5DS12887与89S52的连接3.1.3X5045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。

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。

X5045的管脚排列如图3-6所示，它共有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，所以电路连接简单。

SI和SO分别图3-6X5045引脚接89s52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89s52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3-7所示。

图3-7设计中X5045的连接图3-8电源连接电路3.1.4电源电路电源采用直流电源变压器输出12V的电压，其电源连接电路如图3-8所示，并由去耦电容、开关、7085稳压器及电源指示灯组成。

直流12V再经过电容滤波，7805集成稳压器稳压成为稳定的+5V电源，用一个发光二极管指示灯指示电源状态。

电路安全稳定可靠，测试电压为+5V，并且在12V和5V电路中引线排针，以供日后使用。

3.2功能模块部分该部分中主要由数据采集模块、人机接口模块、信号处理模块、ISP下载程序模块和声光报警模块。

可以实现89s52单片机的对传感器信号进行采集计算比较，并产生相应的报警措施。

人机对话方面，可以通过键盘和显示来调节各个通道的设置值，并且查看现场测试值。

并且自行进行DIY的ISP程序加载模块，可以对程序进行烧写。

3.2.1TLC2543的数据采集单元的数据采集单元本设计AD转换器选择了TLC2543，该芯片是新型模数转换器，具有l2位的分辨率，使用开关电容逐次逼近技术完成AD转换过程，提供的最大采样率为66KSPS，供电电流仅需1mA。

它除具有高速的转换器和通用的控制能力外，还具有通用灵活的串行接口。

它被广泛运用于数据采集系统。

TLC2543是l2位开关电容逐次逼近型ADC，每个器件有三个控制输入端：

片选、输入/输出时钟及地址数据输入端。

它还可以通过一个串行的3态输出端与主处理器或其它外围的串行口通讯，输出转换结果。

通过编程器件的DATAINPUT管脚串行输入的8位通道/方式控制字节的高4位，可选择11个模拟输入通道中的任一个。

可用同样的方法选用另外三个测试电压V+、V-、（V+V-）/2,用于转换器的校正或其它用途。

通道方式控制字节的低四位用于选择输出数据的长度、输出数据的顺序和是否需要单极性或双极性格式。

TLC2543的功能特点：

12bit分辨率AD转换器；在工作温度范围内10us转换时间；11个模拟输入通道；3路内置自测试方式；采样率为66kb/s；有转换结束输出；具有单、双极性输出；可编程的MSB或LSB前导；可编程的输出数据长度。

TLC2543引脚介绍如图3-10所示。

图3-10TLC2543的引脚图TLC2543的工作过程分为两个周期与接口时序，分别为I/O周期、转换周期和接口时序。

a）I/O周期I/O周期由外部提供的I/OCLOCK定义，延续8、12或16个时钟周期，决定于选定的输出数据长度。

器件进入I/O周期后同时进行两种操作。

在I/OCLOCK的前8个脉冲的上升沿，以MSB前导方式从DATAINPUT端输入8位数据流到输入寄存器。

其中前4位为模拟通道地址，控制14通道模拟多路器从11个模拟输入和三个内部测电压中选通一路送到采样保持电路，该电路从第4个I/OCLOCK脉冲的下降沿开始对所选信号进行采样，直到最后一个I/OCLOCK脉冲的下降沿。

I/O周期的时钟脉冲个数与输出数据长度同时由输入数据的D3、D2位选择为8、12或16。

当工作于12或16位时，在前8个时钟脉冲之后，DATAINPUT无效。

在DATAOUT端串行输出8、12或16位数据。

当CS保持为低时,第一个数据出现在EOC的上升沿。

若转换由CS控制,则第一个输出数据发生在CS的下降沿。

这个数据串是前一次转换的结果,在第一个输出数据位之后的每个后续位均由后续的I/O时钟下降沿输出。

b）转换周期在I/O周期的最后一个I/OCLOCK下降沿之后，EOC变低，采样值保持不变，转换周期开始，片内转换器对采样值进行逐次逼近式AD转换，其工作由与I/OCLOCK同步的内部时钟控制。

转换完成后EOC变高，转换结果锁存在输出数据寄存器中，待下一个I/O周期输出。

I/O周期和转换周期交替进行，从而可减小外部的数字噪声对转换精度的影响。

c）接口时序可以用四种传输方法使TLC2543得到全12位分辩率，每次转换和数据传递可以使用12或16个时钟周期。

一个片选脉冲要插到每次转换的开始处，或是在转换时序的开始处，变化一次后保持为，直到时序结束。

根据芯片的规范和要求，本设计中89S52的P2.0接上TLC2543的I/OCLOCK用于在SPI通信中做模拟CLOCK用。

TLC2543的CS接在P2.3脚，作为片选使用。

P2.1和P2.2分别接上输入ADIN和输出DOUT引脚。

Vcc借+5v电源，GND接地，各路模拟接通道接数据处理后的信号。

而REF+接+5v基准电压，REF-因传感器不同，则有可能接GND也可以接+1v基准电压。

当使用TLC2543这种12位A/D器件时，每个模拟IC的电源端必须用一个0.1F的陶瓷电容连接到地，用作去耦电容。

对模拟器件和数字器件，电源的地线回路必须分开，以防止数字部分的噪声电流通过模拟地回路引入，产生噪声电压，从而对模拟信号产生干扰。

使用TLC2543时一定要注意电路板的布线，电路板的布线要确保数字信号和模拟信号隔开，模拟线和数字线特别是时钟信号线不能互相平行总体设计如图3-11。

而在基准电压方面，为了适应不同传感器的要求，利用LM336-5.0经过电阻调节和分压，得到+5v和+1v的基准电压，如图3-12所示。

这样可以灵活的处理各方面的数据而且可以达到基准电压的稳定性，不会收到电源电压的干扰。

图3-11TLC2543的总体设计图3-12基准电压的设计3.2.2HD7279的人机接口电路模块的人机接口电路模块HD7279A的特点是一片具有串行接口的，可同时驱动8位共阴极数码管的智能显示驱动芯片。

该芯片可连接多达64个键的键盘矩阵，并含有去抖动电路。

HD7279A芯片内部有译码器，可以直接接受16进制码，并且具有2种译码方式和多种控制指令。

串行接口，无需外围元件可直接驱动LED；各个独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性；循环左移和右移指令；具有段寻址指令，方便控制独立led；64键盘控制器，内含去抖动电路。

HD7279的引脚介绍如图3-13所示。

图3-13HD7279A引脚HD7279的指令通信是采用串行方式与微处理器通讯,串行数据从DATA引脚送入芯片,并由CLK端同步。

当片选端CS信号变为低电平后,DATA引脚上的数据在CLK引脚的上升沿被写入HD7279A的缓冲寄存器。

电路接法和注意事项是比较关心的部分。

HD7279A应连接共阴式数码管，无需用到的键盘和数码管可以不连接。

如果使用了键盘，则要在电路中的100k下拉电阻均不可以省。

实际中下拉电阻和位选电阻应该遵循一定的比例，下拉电阻应该大于位选电阻的5倍而小于50倍。

下拉电阻为10K-100k，位选电阻为1K-10K。

下拉电阻尽可能的小，可以提高键盘的抗干扰能力。

因为采用循环扫描工作方式，采用亮度高的数码管可以解决亮度不够问题。

HD7279A需要一个外接的RC震荡电路，经典值是R=1.5k，C=15PF，并且尽量靠近芯片，使之电路连线最短。

复位RESET可以直接与正电源连接，需要较高可靠性时可以接一个外部的复位电路，或是有MCYU控制。

在上电后大约经过12-25ms的时间才会进入正常工作状态。

上电后所有的显示位为显示和不闪烁。

当有按键按下，KEY引脚输出变低电平，此时接到读键盘指令时，将输出键盘代码。

因为芯片直接驱动LED显示，电流较大，且为动态扫描，如果该部分电路的电源线较细较长，可能会有电源噪声干扰，所以在HD7279A的正负电源端并上去耦电容，提高电路的抗干扰能力。

图3-14HD7279A的总体连接本设计中总体连接如图3-14采用经典的连接方法，电路安全可靠，抗干扰能力强。

其中89s52的P1.5连接CS做片选使用，P1.6连接CLK做模拟时钟使用，P1.7接DATA做数据传输使用。

Key接单片机的中断INT1，作为键盘中断程序入口控制。

接法如图3-15。

图3-15HD7279A与89S52的连接3.2.3数据处理模块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，所以本设计中采用不同的方法作为信号处理。

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AD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。

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3-18差动放大器结构图推导过程：

I=Vo=（R8+R7+R8）I=（1+）Vi，则Avf=1+图3-19LM358引脚LM358（图3-19）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。

3.2.4声光报警模块声光报警模块当发生报警事件时，除了报警显示外，还要有声光报警功能。

用声音或是灯光报警时，连续的声响或常亮的灯光往往不易被人们的警觉，只有断续的声音或闪烁的灯光才能取得最佳的报警效果。

就利用时钟翻转P3.5和P1.0来转换电平，产生短促的报警声音或闪烁灯光。

图3-20声光报警电路3.2.5ISP下载电路下载电路DIY利用74HC373N芯片进行下载模块的设计，并有25PIN的串口进行与电脑通信。

在靠近芯片和电源的地方，5V和GND之间加焊几片0.1F的滤波电容，不然会有数据错误甚至不能下载的问题。

ISP下载线的引线不要太长，不然抗干扰能力差，一般小于20厘米。

如果想延长距离可以买一条公对母的并口延长线，在电脑的一端将并口扩展出来。

我们考虑成本，则采用最节省的6PIN连接线，接线方法可以自由定义，只要有电源和4条数据线就可以了。

具体连接如下图3-21。

串口的1、15、16、17引脚分别连接74HC373的OE、1Q、4D、LE，74HC373的0D、2D引脚接上拉电阻2.2K接到电源+5V，并且接100欧电阻接到串口的第2和第5引脚。

而0Q和4Q分别直接接到89s52的P1.5和RST引脚，而1D和2Q引脚分别接上电阻100欧串联到P1.6和P1.7引脚。

电源Vcc接+5V，GND接地。

图3-21ISP下载模块电路3.3传感器的选用传感器的选用对于煤气报警器的实现，感应器的选择也相当的重要，是系统重要的组成部分之一，其性能对于系统的精确度和实现范围有着相当大的影响，也是体现煤气监控发展现状的标志。

可燃气体的危险性主要视其爆炸极限，爆炸下限数值越小、爆炸下限与上限之间的范围越大，越危险。

有许多可燃气体同时具有毒性。

在设计中考虑到的是家庭的情况，是特别对于一氧化碳会中毒，所以选用了MQ-9比较适中而且价格比较便宜。

而工业级别的传感器选择了NAP-505型电化学一氧化碳气体传感器，精确度高而且稳定，适合工业上使用。

3.3.1NAP-505型电化学式传感器型电化学式传感器

（1）传感器基本结构：

气体传感器由工作电极、对电极、参比电极、电解质、液体保持材料、过滤干扰气体物质、贵金属引线、接线柱等组成，使用的典型电极材料包括铂、金、银、铑、碳、钌、钯等，传感器信号通过引线传导到外部电路，通过放大等处理进行显示，如图3-22所示。

为了提高对被测气体的选择性，通常在传感器通气孔位置设置过滤剂，以消除干扰气体造成的不准确信号。

图3-22电化学气体传感器典型构造

（2）电化学气体传感器优点：

1）对于气体的浓度能够线形输出信号重现性好2）对被测气体具有良好选择性，不受温湿度的影响3）空气中的输出值漂移小，可以获得稳定的输出信号4）功耗低，电池即可驱动器工作5）体积小，重量轻，作为便携式仪器首选6）本质安全结构，机械性能稳定（3）电化学一氧化碳气体传感器基本特点：

本质特征：

NAP-505型电化学一氧化碳气体传感器属工业级别产品，通过成熟的电极制备处理技术及传感器结构设计，使其具有长寿命、高灵敏度、液体密闭性良好等技术特点。

传感器与外部电路连接部位通过接插元件完成，利于传感器与电子线路的兼容与互换。

产品组装工艺简化，有利的降低了产品成本。

用途：

工厂一氧化碳浓度检测仪器；气体计量器具；空气质量监测器；气体变送器；便携式仪器配套元件等等。

NAP-505的工作及保存条件：

工作温度-2050工作湿度1590%RH保存环境温度020工作气压1atm10%保存期限6个月以内密闭容器检知对象气体一氧化碳测定范围01000ppm输出电流4010nAppm重复性误差2%响应时间（t90）30秒基准线位移（-2050）100ppm图3-23灵敏度特性曲线图3-24应答特性3.3.2MQ-9半导体气体传感器半导体气体传感器MQ-9传感器因装有活性炭过滤器，消除了杂质气体的影响，对有机溶剂或其他挥发性气体的灵敏度低，而对氢气和一氧化碳的灵敏度高，非常适合用于检测人工煤制气。

在这里我们主要他对对氢气的检测功能能。

下图是典型的灵