煤气浓度检测课程设计.docx

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煤气浓度检测课程设计

微型计算机控制技术课程设计

煤气浓度监测与报警系统

组员：

专业：

电气自动化

班级：

1132班

指导老师：

第1章系统概述

随着经济和科学技术的快速发展,人们对生活质量的提高和生活环境的改善越来越重视,液化气、煤气进入家庭的使用为人们带来了方便,也改善了城市的环境,但同时也给人们带来了潜在的危险,其中一氧化碳是最主要的危险源。

一氧化碳是一种无色无味同时这些气体燃料在使用中，若管道和阀门密封不好，它们泄露出去，轻者引起中毒，重者造成火灾，危及人们的生命财产。

由于这些原因，对于气体的检测与控制就变得很重要了，研究各种气体的检测方法与气体传感器也随之成为一个重要课题。

本设计是煤气智能报警系统的研制，主要针对CO气体，主要实现家庭煤气泄漏的检测与报警。

煤气报警系统由硬件和软件两大部分组成。

其中硬件部分包括气体传感器、A/D转换电路、单片机、LED数码显示屏、声光报警单元、光电隔离继电器、电磁阀以及通信模块等。

软件部分主要是数据采集程序、判断显示程序以及报警程序。

气体传感器将气体的成分以及浓度等信息转换成电信号，经过放大电路放大电信号，再进入A/D转换，得到CO浓度的数字量信号，然后经过单片机进行数据处理，得到最终的室内环境CO浓度值，将此数据通过数码管显示并保存，同时根据系统设定的限值参数判断环境浓度是否超标,如果超标，则单片机输出控制信号，通过继电器打开排气扇与关闭电磁阀以及驱动声光报警单元进行报警。

第二章总体方案设计

数据采集模块利用单片机实现气体浓度实时采集、电路状态信号采集及数据预处理；经数据处理子程序、报警子程序输出报警信号，并通过I/O接口输出;输出信号驱动相应的驱动电路，分别控制报警灯、蜂鸣器及切断电路，实现对煤气泄露事故的实时监测及控制。

应用范围：

工业生产和人民生活中的CO检测；

检测对象：

主要是CO；

检测范围：

CO:

0～1000ppm；

检测精度：

CO优于20ppm；

报警浓度：

100ppm～300ppm

响应时间：

≤30ms；

电池电压：

+12V；

工作温度范围：

-20～+70℃；

工作湿度范围：

10～95%RH。

第三章硬件电路设计

系统的硬件电路包括主机单元电路和功能模块电路。

主机单元主要由AT89C51单片机、电源电路组成。

功能模块由传感器、放大电路、A/D转换电路、声光报警电路、光电隔离电路、串行通信电路、数码显示以及排气扇组成。

硬件主电路图

（1）传感器

CO传感器属于气敏传感器，通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。

传感器作为煤气泄露测试装置报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。

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，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。

传感器管脚与基本测量电路图

（2）放大电路

这里选用的是OP07高精度运算放大器，它具有极低的输入失调电压，极低的失调电压温漂，非常低的输入噪声电压幅度及长期稳定等特点。

可广泛应用于稳定积分、精密绝对值电路、比较器及微弱信号的精确放大，高可靠的精密仪器仪表中。

特点是失调电压为10μv，失调电压温度系数为0.2μv/℃，长期稳定度为0.2μv/月，无需调零，无需外补偿和外接保护元件。

最显著的特点是：

1.该器件具有优异的抗静电能力，静电损伤阈值电压大于4000V（普通OP07的静电损伤阈值电压约为700-1000V）。

2.由于增加了保护电路，改善了器件的抗电浪涌性能。

3.具有更低的输入失调电压，典型值约为几个微伏。

4.两个运算放大器的参数一致性好。

5.采用A型外壳封装（表贴形式）,外形尺寸为10.3mmＸ7.9mm,小于两个单片OP-07运算放大器的体积,节约了安装空间。

6.管脚功能排列标准化,与OPA2277、OP727管脚功能排列相同。

主要应用于电子系统前置放大、误差放大、直流信号放大、直接耦合放大、仪表放大器、双路匹配放大等要求高精度、低漂移、高可靠及抗静电等信号处理的场合。

2.　特点

（1）低的输入噪声电压幅度—0.35μVP-P（0.1Hz～10Hz）

（2）极低的输入失调电压—10μV

（3）极低的输入失调电压温漂—0.2μV/℃

（4）具有长期的稳定性—0.2μV/月

（5）低的输入偏置电流—±1nA

（6）高的共模抑制比—126dB

（7）宽的共模输入电压范围—±14V

（8）宽的电源电压范围—±3V～±22V

（9）可替代725、108A、741、AD510等电路

（3）A/D转换电路

A/D转换采用AD0809逐次逼近式A/D转换器，它具有8个模拟量输入通道。

本设计采用程序查询方式，需要将EOC通过三态门接至系统的一根数据总线上。

CPU查询该总线的位是否为低电平，若为低电平，则再查询它是否为高电平，若是，则表明转换结束，CPU再执行读ADC0809端口的指令即可。

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。

管脚图

（4）声光报警电路

当检测到CO气体在空气中的所占的比例超标时，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。

对蜂鸣器的驱动加入一个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。

原理图：

（5）数码显示

LED显示器的作用是显示煤气的浓度，LED显示器具有耗电少、成本低廉、配置简单灵活、安装方便、耐振动、使用寿命长等优点，本着经济、实用的原则，系统采用LED显示器。

本设计采用共阴极七段数码管显示室内煤气浓度，采用动态显示方法，这种方法中所有数码管共用同一个段码输出口，分时轮流通电，从而大大简化硬件线路，降低成本。

由单片机的P1口向LED数码管送入显示码，由P3.0、P3.1、P3.2用来片选数码管。

当P3.2为“0”时，选通第一片数码管，然后单片机将要显示数送至P1口，则显示出要显示的数字；同样，当第二片数码管被选通后，显示另外数字。

（6）光电隔离电路

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,对输入和输出电路可以进行隔离.因而能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，有响应速度较快、寿命长、体积小耐冲击等好处，使其在强-弱电接口，特别是在微机系统的前向和后向通道中获得广泛应用。

当开关量P2.2输出为高电平时，经反向驱动器7406变为低电平，使发光二极管发光，从而使光敏三极管导通，进而使晶体管8050导通，因而使继电器J的线圈通电，继电器触点闭合，使～220V电源接通，从而打开排气扇，使CO浓度降低。

反之，当P2.2输出低电平时，使S1断开。

图中所示电阻R1为限流电阻，二极管V的作用是保护晶体管8050。

当继电器J吸合时，二极管V截止，不影响电路工作。

继电器释放时，由于继电器线圈存在电感，这时晶体管已经截止，所以会在线圈的两端产生较高的感应电压。

此电压的极性为上负下正，正端连在晶体管的集电极上。

当感应电压与VCC之和大于晶体管8050的集电极反向电压时，晶体管有可能损坏。

加入二极管V后，继电器线圈产生的感应电流从二极管V流过，从而使晶体管8050得到保护。

切断阀控制电路与排气扇装置电路类似，只是将风扇换成切断阀。

（7）串行通信电路

串行通信是指通信的发送方和接收方之间数据信息的传输是在单根数据线，以每次一个二进制位移动的，他的优点是只需一对传输线进行传送信息，因此其成本低，适用于远距离通信，他的缺点是传送速度低，串行通信有异步通行和同步通信两种基本通信方式，同步通信适用于传送速度高的情况，其硬件复杂，而异步通信应用于传送速度在50-19200波特之间，是比较常用的传送方式，在异步通信中，数据是一帧一帧传送的，每一串行帧的数据格式由1位起始位，5-8位数据位，1位奇偶校验位（可省略）和1位停止位4部分组成，在串行通信前，发送方和接收方要约定具体的数据格式和波特率（通信协议）。

串口是本系统与外界通信的唯一通道，通过RS-232串口单片机系统可以和PC机进行通信，可以从PC机下载最新的数据，也可以将检测结果上传至PC机。

由于每一个气体传感器的参数都不完全一样，所以在ＣＯ检测仪出厂之前都要对其进行气体浓度的标定，标定需要在比较严格的特定浓度的ＣO气体环境中进行，如果单个产品进行标定必然会造成效率下降和成本的大幅增长，所以需要将一批成品同时放入标定环境中，通过串口由PC机进行标定，这样既提高了效率又保证了精度和标定过程中的安全性。

第四章器件的选择

4.1一氧化碳气体传感器

原理：

在三电极电化学气体传感器中，其输出端所反应出的是参比电极和工作电极之间的电位变化,由于参比电极不参与氧化或还原反应，因此它可以使极间的电位维持恒定（即恒电位），此时电位的变化就同一氧化碳浓度的变化直接有关。

当气体传感器产生输出电流时，其大小与气体的浓度成正比。

通过电极引出线用外部电路测量传感器输出电流的大小，便可检测出一氧化碳的浓度，并且有很宽的线性测量范围。

这样，在气体传感器上外接信号采集电路和相应的转换和输出电路，就能够对一氧化碳气体实现检测和监控。

功能：

选择性地与待测物发生作用，把所测得的化学参数转化成传导系统可以产生响应的信号。

使用方法：

一氧化碳气体传感器与报警器配套使用，是报警器中的核心检测元件，与相应的控制装置一同构成了环境检测或监测报警系统。

4.2ADC0809

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。

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。

4.3光电隔离模块

原理：

主要由三部分组成：

光的发射、光的接收及信号放大。

输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。

这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。

功能：

1、信号隔离：

其目的在于从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使测控装置与现场仅保持信号联系，而不直接发生电的联系。

隔离的实质是把引进的干扰通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。

测控装置与现场信号之间、弱电和强电之间，常用的隔离方式有光电隔离、继电器隔离、变压器隔离、隔离放大器等。

另外，在布线上也应该注意隔离。

2、光电耦合器：

将发光元件和受光元件组合在一起，通过电-光-电这种转换，利用“光”这一环节完成隔离功能，使输入和输出在电气上是完全隔离的。

根据受光元件的不同可分为晶体管输出型和晶闸管输出型两类。

3、固态继电器：

固态继电器按使用场合可以分为交流型（AC-SSR）和直流型（DC-SSR）两类，它们分别在交流或直流电源上做负载的开关，不能混用。

4、隔离放大器：

为完成地线隔离，将放大器加上静电和电磁屏蔽浮置起来，这种放大器叫隔离放大器，或叫隔离器，其输入和输出电路与电源没有直接的电路耦合关系。

常用的隔离放大器有AnalogDevices公司的AD277J、AD202、AD204、AD289、AD290、AD210、AD281等

5、线性光电隔离放大器：

利用发光二极管的光反向送回输入端，正向送至输出端，从而提高了放大器的精度和线性度。

放大器的输入端和输出端是用光隔离的，所以不存在电气连接。

常见的线性光电隔离放大器有Burr-Brown公司的ISO100、3650和3652。

第五章软件设计

主程序流程图：

整个程序一共使用了两个中断,一个外部中断即INT0中断,一个定时/计数器中断即IT0中断.这两个中断各有其作用,INT0中断是用来判断A/D转换器ADC0809对模拟信号的转换是否完成,当A/D转换结束后,ADC0809发出结束EOC（高电平）信号,该信号可供单片机查询,也可反相后作为向单片机发出中断信号。

数据处理：

该片主要是对所得到的数据进行转化并且比较，程序和设计也是比较简单。

其中转换的段中是利用ADC0809设置8位的分辨率。

但是我们的传感器的测试浓度是0到1000ppm，则可以把得到的数先是转化为十六进制数，再强制转化为10进制数除以4并娶其商，作为浓度的比较值和显示值，存在浓度转换值PPM[]中。

如果发生所采集的浓度要大于或等于存储在对应通道的值，调用报警子程序。

A/D转换子程序完成对A/D转换器的查询，首先启动A/D转换器，然后通过查询方式，检测是否A/D转换结束，如果没有结束，则延时后再次查询，等待转换结束，如果转换结束，则将数据存入数据单元。

显示子程序完成浓度信号的显示，首先将从A/D转换器中得到的二进制转换数据转换成要显示的十进制数据，然后控制显示电路，选通相应的数码管，完成动态显示。

第六章总结与体会

本文设计的煤气泄漏检测与报警系统，结合了单片机、检测等知识，总的来说，本设计已经在原理上实现了要求的功能。

在智能控制方面，选用了AT89C51单片机作为主控单元。

这次的设计，借鉴网络上的很多资料，并做了适当的修改。

这次课程设计加深了我们的团队合作、查找资料的能力。

加深上课学习的知识。

通过这次设计我们充分认识到自己知识的贫乏，需要学习的东西还很多，充分激发自己的求知欲望。

这是一次宝贵的经验，使我们终生难忘。