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基于51单片机煤气报警器本科学位论文

毕业论文

基于51单片机煤气报警器

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基于51单片机煤气报警器

摘要全国燃气行业发展迅猛，液化气、天然气、煤制气等城市燃气作为清洁能源已在工商业和城镇居民用户中得到广泛应用，特别是随着“西气东输”工程的快速进展，燃气行业发展潜力巨大。

但是随着燃气的广泛应用，由于燃气泄漏所引发的爆炸、中毒和火灾事故也时有发生，这在某种程度上增加了城市的不安全和不稳定因素。

为了使燃气更好地造福于民，造福于社会，减少并杜绝各种因燃气泄漏而引发的爆炸及火灾事故，各燃气使用单位及居民用户选择一种适合的室内煤气泄露报警器实为必要之举。

燃气报警器的核心是气体传感器。

当气体传感器遇到燃气时，传感器电阻随燃气浓度而变化，随之产生电信号，供燃气报警器后级线路处理。

经过电子线路处理变成浓度成比例变化的电压信号，由线性电路加以补偿，使信号线性化，经微机处理、逻辑分析，输出各种控制信号，即当燃气浓度达到报警设定值时，燃气报警器发出声光报警信号并可显示燃气浓度或启动外部联运设备。

本文正是通过分析目前燃气报警器的现状，设计制作室内故障监测报警系统，保障人们的生命财产安全。

关键词气体传感器煤气泄漏煤气报警

目录

第一章绪论…………………………………………………………………………1

1.1煤气报警器的现实意义及发展…………………………………………………1

1.1.1研究背景及意义………………………………………………………………1

1.1.2煤气报警器的概述……………………………………………………………2

1.1.3报警器行业的发展……………………………………………………………2

1.1.4煤气报警器研究目标及实现功能……………………………………………4

第2章煤气报警器的设计方案……………………………………………………5

2.1总体设计方案……………………………………………………………………5

2.2方案的系统框图…………………………………………………………………5

第三章系统模块设计………………………………………………………………7

3.1气体浓度检测模块7

3.2主控模块7

3.3设置报警模块12

第4章硬件电路设计与分析………………………………………………………13

4.1系统电源的设计13

4.1.1三端固定式集成稳压器13

4.1.2电源电路的设计14

4.2信号采集放大电路的设计15

4.2.1气敏传感元件特性15

4.2.2信号采集放大电路的设计17

4.3A/D转换电路的设计17

4.3.1ADC0809的介绍17

4.3.2电路具体设计方法20

4.4存储器电路的设计21

4.5显示器电路的设计22

4.5.1显示模块LCD160222

4.5.2显示电路设计23

4.6报警器电路的设计24

4.7键盘电路的设计24

4.7.1键盘的工作原理25

4.7.2键盘的识别25

4.7.3键盘的工作方式26

4.8串口通信电路的设计28

4.8.1RS-232标准29

4.8.2接口信号31

第五章软件设计34

5.1单片机编程34

5.2程序框图和主要程序框图34

第六章　系统调试35

6.1硬件调试35

6.2软件调试36

6.3调试结果36

结论37

致谢38

参考文献39

第一章绪论

1.1煤气报警器的现实意义及发展

1.1.1研究背景及意义

随着我国燃气的变革及西气东输工程的进行，煤气或天然气已成为多数家庭的燃料。

每年因煤气泄漏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。

更有甚者，因室内煤气浓度过高引起煤气爆炸的事故也不少见。

所以，这样防止煤气中毒与爆炸已成为人们迫切需要。

家用燃气报警器更是时下所需，因为它更简捷易用，方便居民生活。

而且，气体报警器的研发对于防止煤矿事故也是至关重要的，据权威部门统计，仅去年煤矿事故死亡人数就高达3786人，同时也造成了巨大的经济损失。

我国特大煤矿事故也是非常严重的，例如2005年12月，河北唐山刘官屯煤矿发生特别重大瓦斯煤尘爆炸事故，造成108名矿工死亡，29人受伤，直接经济损失4800多万元。

同年9月1日，黑龙江省双鸭山矿务局东保卫煤矿发生瓦斯爆炸事故，14人遇难。

9月5日，山西省大同矿业集团公司永定庄煤矿发生特大瓦斯爆炸事故，死亡31人。

9月27日，贵州省水城矿务局木冲沟煤矿发生特大恶性瓦斯爆炸事故，162人死亡。

这是近40年来最严重的一次煤矿事故。

11月5日，吉林省辽源矿务局西安矿矿办小井发生瓦斯爆炸事故，死亡31人，造成严重经济损失。

11月25日，内蒙古自治区大雁煤业公司二矿采煤工作面发生特大瓦斯爆炸，目前已发现14人死亡，37人下落不明。

由此可见报警器无论是在人们的日常生活中，还是在煤矿等工业生产中都发挥着至关重要的作用，所以实时准确测量周围环境中的可燃性气体，有毒有害气体泄露，对保护人民的身体健康和财产安全有重要意义。

在国民经济的许多领域中，如油田、矿山、化工等企业和家庭中有广泛的应用，也是环境保护的重要项目。

如何开发出稳定可靠、高性能价格比的装置，成为急需解决的课题。

由于要求数字气体报警器具有体积小巧，监控精度高，能长时间稳定工作的特点。

传统的纯硬件报警器已经不能满足这种要求了，可以用单片机设计。

单片机在工业控制和仪器仪表智能化的应用中扮演着极为重要的角色。

其设计出的产品体积小、成本底、运用灵活、易于产品化、抗干扰能力强、适应范围广，在各种恶劣的环境下都能可靠工作。

1.1.2煤气报警器的概述

燃气报警器可分为可燃气体检漏仪（简称“检漏仪”），可燃气体报警控制器（简称“控制器”）、可燃气体探测器（简称“探测器”）、家用可燃气体报警器（简称“报警器”）四大系列产品。

报警器为居民家庭用的燃气报警器，一般安装在厨房，遇燃气泄漏时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。

有的报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外。

有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。

  燃气报警器的核心是气体传感器，俗称“电子鼻”。

当气体传感器遇到燃气时，传感器电阻随燃气浓度而变化，随之产生电信号，供燃气报警器后级线路处理。

经过电子线路处理变成浓度成比例变化的电压信号，由线性电路加以补偿，使信号线性化，经微机处理、逻辑分析，输出各种控制信号，即当燃气浓度达到报警设定值时，燃气报警器发出声光报警信号并可显示燃气浓度或启动外部联运设备（如排风扇、电磁阀）。

1.1.3报警器行业的发展

我国电子信息业在上世纪八十年代第一次腾飞后，随着国民经济信息化进程的加快，之后又进入持续快速发展的新时期。

这个时期电子信息产业的主要特征表现为：

一是正在从单一的制造业转变为物质生产与知识生产，装备制造与系统集成，硬件制造与软件制造，工业生产与信息服务相结合的现代信息产业；二是产业结构，产品结构，企业结构，运行机制，管理模式等方面发生了深刻变化；三是我国信息产业成为国民经济的支柱产业和先导产业，是新世纪的战略产业，为国民经济和社会信息化建设提供主要技术和物质支撑。

报警器技术及其产业的特点是：

基础、应用两头依附；技术、投资两个密集；产品、产业两大分散。

基础、应用两头依附，是指报警器技术的发展依附于敏感机理、敏感材料、工艺设备和计测技术这四块基石。

敏感机理千差万别，敏感材料多种多样，工艺设备各不相同，计测技术大相径庭，没有上述四块基石的支撑，报警器技术难以为继。

应用依附是指报警器技术基本上属于应用技术，其市场开发多依赖于检测装置和自动控制系统的应用，才能真正体现出它的高附加效益并形成现实市场。

也即发展报警器技术要以市场为导向，实行需求牵引。

技术、投资两个密集技术密集是指报警器在研制和制造过程中技术的多样性、边缘性、综合性和技艺性。

它是多种高技术的集合产物。

由于技术密集也自然要求人才密集。

投资密集是指研究开发和生产某一种报警器产品要求一定的投资强度，尤其是在工程化研究以及建立规模经济生产线时，更要求较大的投资。

增加投资和正确的投资方向是提高报警器产业水平的主要条件之一，也是企事业决策者谋求最佳经济效益的重要手段。

产品、产业两大分散，产品结构和产业结构的两大分散是指报警器产品门类品种繁多，生产、研究单位分布在除地方外有12个部委（电子、机械、科学院、航空航天、教委、冶金、船舶、铁道、轻工、化工、煤炭等），其应用渗透到各个产业部门，它的发展既是各产业发展的推动力。

只有按照市场需求，不断调整产业结构和产品结构，才能实现报警器产业的全面、协调、持续发展。

在国家的支持下，“八五”以来，我国的报警器技术及其产业取得了长足进步。

在学术交流方面，1989年10月由敏感元器件与报警器分会发起主办的“STC〃89首届全国敏感元件与报警器学术会议”已延续至今，固定每两年召开一次，每逢活动不但国内学者、企业家云集且有不少其它国家的人士参加。

目前，其论值组织机构为：

“全国敏感元件与报警器学术团体联合组织委员会”。

在原电子工业部的努力及敏感元器件与报警器分会的积极组织下，实施的“双加工程”即：

加快力度加快发展，的方针指导下，建立了我国敏感元器件与报警器生产基地。

这三大基地分别为：

“安徽基地”，主要是建立力、光敏规模经济。

“陕西基地”，1990年2月成立了“陕西省敏感技术产业集团公司”主要是建立电压敏、热敏、汽车电子规模经济为主要目标。

“黑龙江基地”主要建立气、湿敏规模经济为主要目标。

多年来，三大基地在发展过程中虽然兴衰不一，历史地看，它对我国敏感元件与报警器行业的建设起到了一定的推动作用。

“九五”期间报警器技术研究国家重点科技攻关项目取得了51个品种86个规格的新产品。

初步建立了敏感元件与报警器产业。

产品已进入到亿万人民的家庭生活中，并已在国民经济各部门和国防建设中得到一定应用。

近年来，在研发主力军的建设方面，主要表现在：

建立了“传感技术国家重点实验室”、“微米/纳米国家重点实验室”、“国家传感技术工程中心”等研究开发基地。

全国已有1688家企事业从事报警器的研制、生产和应用，其中从事MEMS研制生产的已有50多家。

目前全行业正在执行“十五”规划，MEMS等5项新型报警器已列入研究开发的重点；国家计委决定从2002年开始组织实施的新型电子元器件产业化专项中有5项新型敏感元件与报警器已经启动；一些省、市新建立的“报警器产业基地”、“MEMS科技股份有限公司”，呈现出良好的发展态势。

1.1.4煤气报警器研究目标及实现功能

本文所设计的数字气体报警器采用单片机AT89C51，其价格便宜，易于产品化。

本设计能将置于测试环境中的气体传感器输出的模拟电压通过A/D转换器送入单片机AT89C51中进行处理并通过数码管显示，通过设置报警值，当检测到的浓度达到或者超过设定值时，用单片机控制发光二极管发光报警，同时打开喇叭发出声音报警，来达到报警的目的，并通过外接排风扇与电磁阀对其进行程控，以防事故的发生。

而当系统出现故障时，黄色LED亮启，便于用户及时对报警器进行维修。

系统以气体传感器和AT89C51单片机为核心,设计气体泄漏报警器。

实现：

1．准确测量周围环境中的可燃性气体、有毒有害气体的泄漏；

2．实现系统各个模块的功能控制；

3．实现单片机编程语言系统的控制及传感器电路的控制。

4．研究单片机各接口的作用及功能；

5．了解气体传感器的具体功能；

6．实现对基本报警电路的控制。

第二章煤气报警器的设计方案

2.1总体设计方案

设计是利用单片机控制技术，制作了程控一氧化碳报警器。

该仪器对一氧化碳进行实时监控，当一氧化碳的浓度超过允许值时，单片机控制电路进行报警，并通过外接排风扇进行程控，以防事故发生。

基于AT89C51性价比高的优势，主要运用了AT89C51单片机进行控制。

而对与报警器而言至关重要的部分是传感器，由于气敏元件采用半导体敏感材料，其灵敏度、选择性、稳定性、抗干扰性、响应时间及寿命等主要性能，均达到国内先进水平.用该元件组装成易燃易爆和有毒气体泄漏报警器及检测装置，可广泛运用于矿山、油田、化工、国防、医药及家庭，所以在设计中采用的是系列传感器。

在模数转换这块，利用ADC0809实现模数转换，ADC0809是8位逐次渐进型的A/D转换器，它采用COMS工艺20个引脚双列直插式封装，它有三态琐存器，直接驱动数据总线，与微机相连时不需要附加接口电路。

为了方便用户了解浓度信息，好提前准备，还采用了显示环节。

显示器显示常用两种方法：

静态显示和动态扫描显示。

所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。

这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小。

可以提供单独锁存的I/O接口电路很多，这里运用了常用的74LS1648位移位寄存器串并转换电路。

总的来说，设计主要利用了以上的检测部分，信号采集部分信号处理部分设置报警部分，组成了可燃气体探测报警器。

2.2方案的系统框图

本系统由三大部分九个不同电路组成，系统总的结构框图如下图2-4所示：

1）信号采集部分：

1~4路传感器电路；

2）信号处理部分：

A/D转换电路，2K存储器电路，LCD显示电路，串口通信电路，单片机复位电路；

3）设置报警部分：

4×4键盘电路，报警器电路。

图2-2系统结构框图

第三章系统模块设计

3.1气体浓度检测模块

室内故障监测报警系统采用四路巡回检测的方法，检测器件采用QM-N5型气体传感器[6]检测房间气体浓度，检测结果送入模/数芯片ADC0809中进行模数转换。

　　　本设计选用了半导体气体传感器，半导体气体传感器主要使用半导体气敏材料。

自从1962年半导体金属氧化物气体传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快等优点，得到了广泛的应用，目前已成为世界上产量最大、使用最广的传感器之一。

3.2主控模块

AT89S51引脚图如图3-1所示，下面分别介绍其引脚。

（1）主电源引脚Vss，Vcc，Vss（20脚）:

接地。

Vcc（40脚）:

主电源+5V。

（2）外接晶振引脚XTAL1（19脚），XTAL2（18脚）

XTAL1：

在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。

它采用外部振荡器时，此引脚应接地。

XTAL2：

在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。

当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。

图3-1AT89S51引脚功能图

（3）输入/输出引脚P0，P1，P2，P3：

P0.0～P0.7（39～32脚）:

PO是一个8位漏极开路型双向I/O端口。

在访问片外存储器时，它分时提供低8位地址和8位双向数据，故这些I/O线有地址线/数据线之称，简写为AD0～AD7。

在EPROM编程时，从P0输入指令字节，在验证程序时，则输出指令字节（验证时，要外接上拉电阻）。

Pl.0～P1.7（1～8脚）:

Pl是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。

在EPROM编程和验证程序时，它输入低8位地址。

P2.0～P2.7（21～28脚）:

P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。

在访问片外存储器时，它输出高8位地址，即A8～A15。

在对EPROM编程和验证程序时，它输入高8位地址。

P3.0～P3.7（10～17脚）:

P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。

在整个系统中，这8个引脚还具有专门的第二功能。

（4）控制线（4条）

RST：

AT89S51的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片用时，只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。

ALE/PROG：

ALE是英文"ADDRESSLATCHENABLE"的缩写，表示允许地址锁存允许信号。

当访问外部存储器时，ALE信号负跳变来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口P0的地址总线（A0-A7）锁存进入锁存器中。

在非访问外部存储器期间，ALE引脚的输出频率是系统工作频率的1/16，因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。

当问外部存储器期间，将以1/12振荡频率输出。

EA/VPP：

该引脚为低电平时，则读取外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。

因此在8031中，EA引脚必须接低电位，因为其内部无程序存储器空间。

如果是使用AT89S51或其它内部有程序空间的单片机时，此引脚接成高电平使程序运行时访问内部程序存储器，当程序指针PC值超过片内程序存储器地址（如8051/8751/89C51的PC超过0FFFH）时，将自动转向外部程序存储器继续运行。

PSEN：

此为"ProgramStoreEnable"的缩写。

访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。

在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二次PSEN信号。

在执行片内程序存储器指令时，不产生PSEN信号，在访问外部数据时，亦不产生PSEN信号。

以下是单片机的工作方式：

单片机的工作方式包括：

复位方式，程序执行方式，单步执行方式，掉电、节电方式以及EEPROM编程和校验方式。

1）复位方式RST引脚时复位信号的输入端。

复位信号是高电平有效，高电平的持续时间应该在24个时钟周期以上，若时钟频率为6MHz,则复位信号至少应持续4us以上，才可以使单片机可靠复位。

复位以后，内部各寄存器进入下列状态:

PC0000H

ACC00H

PSW00H

SP07H

DPTR0000H

P0～P3FFH

IP**000000B

IE0*000000B

TMOD00H

TCON00H

TL000H

TH000H

TL100H

TH100H

SCON00H

SBUF不定

PCON0***0000B

复位后，程序计数器PC的值是0000H说明：

AT89S51单片机的程序起始位置是在内存的0000H，也就是说程序的第一条指令必须存入内存的0000H单元，程序才可能在复位后，直接运行。

只要VCC上升时间不超过1ms，通过在VCC和RST引脚之间一个10uF电容，RST和VSS（即地）之间加一个10kΩ的电阻，就可以实现自动上电复位，即打开电源就可以自动复位。

也可以进行手动复位，VCC和RST引脚之间接一个按键，即可以实现手动复位。

复位电路可以参考图3-2：

图3-2单片机复位电路

2）程序执行方式程序执行方式是单片机的基本工作方式。

所执行的程序可以放在内部ROM、外部ROM或者同时放在内外ROM中。

若程序全部放在外部ROM中（如对8031），则应使EA=0；否则，可令EA=1。

由于复位后PC=0000H,所以程序的执行总是从地址0000H开始的。

但真正的程序一般不可能从0000H开始存放，因此，需要在0000H单元开始存放一条转移指令，从而使程序跳转到真正的程序入口地址。

3）单步执行方式单步执行方式是使程序的执行处在外加脉冲（通常用一个按键产生）的控制下，一条指令一条指令地执行，即按一次键，执行一条指令。

序返回至少要在执行一条指令后才能重新进入中断。

将外加脉冲加到INT0输入，平时为低电平。

通过编程规定INT0信号是低电平有效，因此不来脉冲时总是处于响应中断的状态。

在中断服务程序中要安排这样的指令：

JNBP3.2；若INT0=0，不往下执行

JBP3.2；若INT0=1，不往下执行

RETI；返回主程序执行一条指令

4）掉电和节电方式在掉电方式下，单片机的耗电降至最小。

当电源恢复时，VPD应该保持足够长的时间（约10ms），以保证振荡器的起振和达到稳定，然后重新开始正常工作。

在掉电方式下，CPU暂时不工作，但也随时准备恢复工作。

3.3设置报警模块

此模块主要由键盘、报警器[11]组成（相关的电路设计下一章将会有详细的介绍）。

气体浓度经过键盘设置后送单片机记录，在采集到的气体浓度过大，超过安全值时单片机驱动蜂鸣器工作，提供报警服务。

第四章硬件电路设计与分析

4.1系统电源的设计

直流稳压电源主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路所组成，以前电子设备中的稳压器大都由分立元器件构成，现在研制成功了各种集成稳压器。

下面简单介绍本设计使用到的电源器件：

三端固定式集成稳压器。

4.1.1三端固定式集成稳压器

三端固定式集成稳压器有78XX/79XX系列，它是固定输出电压式稳压器，片内有过流保护和过热保护功能，外接两只电容就可以简单构成稳压电路，如图4-1所示。

当输入电压Vi、输出电流Io或温度变化时，输出电压Vo可保持不变；另外当输出短路，可使输出电流Io现在为一定值；若集成稳压器过热，则稳压器停止工作，也避免稳压器遭到损坏。

图中C1用以抑制过电压，抵消因输入线过长产生的电感效应并消除自激振荡；C2用以改善负载的瞬态响应，即瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大的波动。

C1，C2一般选用涤纶电容，容量为0.1μF或者几个μF。

安装时，两电容应直接与三端集成稳压器的引脚根部相连。

78XX系列为正电压输出，79XX为负电压输出，各自有100mA、500mA和1.5A三个系列。

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