基于51单片机的煤气检漏仪设计论文设计Word格式文档下载.docx

1、 完全按照毕业设计指导书做，指导毕业答辩。 淘宝交易：zylwcc2005.taobao QQ: III 一、 绪论 （一） 课题背景 近年来，全国煤气行业发展迅猛，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。城市燃气的普及与应用无疑对改善城市的环 境质量和提高居民的生活质量发挥了巨大的作用。但是随着燃气的广泛应用，由于 燃气泄露所引发的爆炸、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 因燃气泄露而引发的爆炸及

2、火灾事故。 煤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，供煤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电压信号，由线性电路加以补偿，使信号线性 化，经处理、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，煤 气报警器发出声光报警信号并启动外部设备（电磁阀或排气扇）工作。 （二） 目的和意义 通过本次设计对电子电路、电子元器件等方面知识有了进一步学习，同时在排 版调试、焊接技术、相关仪器设备的使用技能等方面得到了全面的锻炼和提高。进 一步培养了我独立学习与独立完成工作的能力。是对大学四年所学专业知

3、识的温习 与运用。 通过这次设计培养了我懂得在工程技术工作中必须的全局观和经济观， 同时对计数器、译码器、八选一模拟电子开关、传感器等功能得到了学习，扎实基 础，扩充知识。本次设计题目是八通道煤气泄露巡回检测器，核心电路是传感器电 路，当煤气泄露的浓度为 0.3%时，声光报警电路工作，从而保障了生命、财产的 安全。在老师和同学的指导与帮助下顺利完成了总体电路的设计与调试。同时掌握 设计方案及适用要求。 1 （三） 技术指标 1、数字显示通道数 2、每路检测时间为 2S 3、当检测到煤气泄露时有声光报警 （四）课题方案的设计 采用数字电路进行设计。数字电路调试简单，价格便宜、低功耗、控制功能强

4、及运算速度快等特点。用 LED 数码管来显示译码器所输出的信号。采用了 CD40 系 列中小规模集成芯片。 二、 总体电路设计 本章主要说明总体电路的设计方案，本次设计主要用数字电路来完成总体电路 的设计。数字电路设计简单，易于调试。 （一）电路方框图及工作原理 计数器 译码器 检测地址显示电路 巡回检测时基电路 煤气泄露检测电路（1） 八 选 一 模 拟 电 子 声光报警电路 煤气泄露检测电路（8） 2 开 关 图 2-1 八通道煤气泄露巡回检测器方框图 八通道煤气泄露巡回检测器方框图如图 2-1 所示， 此电路是由八路煤气泄露检 测电路、计数器、译码器、检测地址显示电路、声光报警电路、巡回

5、检测时基电路、 八选一模拟电子开关组成。当某通道煤气泄露检测电路检测到通道内有煤气泄露 时，八选一模拟电子开关相应的开关闭合，驱动声光报警电路工作，从而产生声光 报警。同时巡回检测时基电路工作，启动计数器计数，计数器输出端输出的信号送 给译码器，译码器驱动检测地址显示电路显示巡检的地址号。 （二）整机电路图及工作原理 3 Vcc Vcc Q4 450K Q5 RP 10 CP。 Q6 R1 1M 11 CP IC1 R C1 9 0.1uF CD4060 C2 7 5 4 12 R2 100K 0.1uF 7 1 2 3 4 5 6 8 A0 Vcc 16 A1 Yf 15 Yg 14 A2

6、LT IC2 Ya 13 BI CD4511 Yb 12 LE Yc 11 A3 Yd 10 GND Ye 9 CP。 6 D1 GND Q7 IN4148 D4 f g a b c d e a f e g d b c GND dp Vcc 2.4K R3 9 GND C 10 B Vee 11 A INH 12 IO IC3 IO 13 IO CD4051 IO 14 IO OI 15 IO IO 16 Vcc IO 8 7 6 5 4 3 2 1 GND J D2 R5 9013 2.2k R6 100K R4 1K D3 BG1 黄 C3 100uF 11 4 IC5 IC7 CD401

7、1 8 12 10 IC6 GND QM-N10 Vcc RP2 0.1uF D5 2.2K R10 13 C5 R8 470K 9 R9 3.6M 2M IC4 RP1 10K 35 6 9013 47 BG2 C4 D6 红 蜂 分 蜂 R11 D7 绿 R7 270 330 图 2-2 八通道煤气泄露巡回检测器电路原理图 八通道煤气泄露巡回检测器自动巡回检测八路地址。如图 2-2 所示，集成电路 IC1、IC2、IC3 是计数、地址号显示、巡检部分的关键器件。C2 和 R2 是 IC1 的 清零电路，RP、R1、C1 和 IC1 的内部电路组成振荡器，调节 RP 能改变振荡频率， 从而改

8、变巡回检测速度。从 IC1 的 Q4、Q5、Q6 输出的信号一路送给 IC3，另一 路送 BCD7 段锁存译码显示驱动器 IC2，驱动七段共阴 LED 数码管，显示巡 检的地址号。另外从 Q7 输出的信号通过二极管 D1 送至 IC1 的清零端 R，使 IC1 重新清零计数， 达到周而复始巡回检测的目的。 IC3 是八选一电子模拟开关， IC1 由 输出的二进制信号控制电子开关实现八选一，当 IC1 输出“000”时，开关接通第 一路煤气泄露检测电路，地址显示为“0”，当 IC1 输出“001”时，开关接通第 4 二路煤气泄露检测电路，地址显示为“1”，其余依次类推。煤气泄露检测电路和 声光报

9、警电路主要是由气敏传感器、蜂鸣器和一片具有四个二输入与非门 CMOS 电 路组成。IC4、RP2、D5、C4 组成开机延时电路，设计开机延时电路以免引起开机 初期时的误报警。RP1、QM-N10 组成报警点设定电路。QM-N10 气敏半导体传感 器在洁净空气中的阻值大约有几十千欧，接触到有害气体时，电导率增大，电阻值 急剧下降， 下降幅度与瓦斯浓度在 0.5%以下成正比。 QM-N10 置于浓度为 0.3% 将 的煤气气样中，调整 RP1 使 IC4 输出（脚）端由高电平转换为低电平，末级声光 报警电路发出声光报警。IC6、IC7、R8、R9、C5 组成门控振荡器。当煤气泄露 达到报警点时，I

10、C5 输出（脚）端由低电平变为高电平，IC5 输出（脚）端的 高电平送给 CD4051 的输入端，CD4051 的输出（脚）端输出的信号使门控振荡 器振荡，驱动由 BG2、D6、D7、R7、R11、蜂鸣器组成声光报警电路工作；同时 IC5 反相后脚输出为高电平通过 D4、 R6、 驱动 BG1 导通 J 吸合， 启动抽气扇 （即 黄色发光二极管）工作，当泄露的煤气浓度低于报警点时，声光报警电路停止工作， R4、D3 组成的抽气扇延迟电路，电路延时 10 秒后，J 释放，抽气扇停止工作3。 （三）本章小结 本章主要介绍了电路的组成、工作原理及整机原理图。整机电路主要由显示电 路、检测电路、报警电

11、路及排气电路四大部分组成。 三、单元电路的设计与分析 本章按照电路结构和工作特点讲解计数器、译码器、显示器、八选一模拟电子 开关、传感器及报警器，再介绍半导体二极管的伏安特性、继电器。 （一）计数器 计数器是由十四位二进制串行计数器分频器CD4060 构成，下面主要介 绍 CD4060 工作原理。 5 CD4060 由两部分组成： 级分频器和振荡器组成。 14 分频器是由 T 型触发器组 振荡器由外接电阻和电容构成 RC 振荡器电路， 也可 成的 14 位二进制串行计数器。 以通过外接晶体构成高精度的晶体振荡器。CD4060 在时钟脉冲下降沿作用下作增 CD4060 有 14 级计数级， 但只

12、有 Q4-Q10， 量计数。 所有输入端和输出端都有缓冲级。 Q12-Q14 共 10 个引出端，而 Q1，Q2，Q3 和 Q11 等 4 个端头均不引出。图 3-1 为 CD4060 引脚图1： Q12 Q13 Q14 Q6 Q5 Q7 Q4 GND 1 16 2 15 3 14 4 13 CD4060 5 12 6 11 7 10 8 9 Vcc Q10 Q8 Q9 Cr CP1 CP。 图 3-1 CD4060 引脚排列图 CD4060 各引脚功能： Q4Q10：输出端 Q12Q14：输出端 Cr：清零端 CP0、 CP。、CP1：脉冲输入端 Vcc：电源 GND：地 1、典型的 RC

13、振荡器电路 CD4060 内部构成的 RC 振荡器与用小规模门电路构成的 RC 振荡器的电路是一 样的。只要改变 R、C 的值，可得到不同振荡频率（如图 3-2 所示）。振荡频率与 RC 之间有以下近似关系： 1 f 2.2 RC （3-1） 本次设计要求每路检测时间 T=2S，即 CD4060 的脚输出的脉冲宽度为 2S， 6 由 1 f= T 得，f=0.5Hz，已知 C=0.1uF，由公式（3-1）计算得，R1M。 11 Rs 10 R C 9 14级 分 分 分 图 3-2 CD4060 中的 RC 振荡器 电阻 RS 是为了改善振荡器的稳定性，减少由器件参数的差异而引起振荡周期 的变

14、化。 的值应尽量大于 R。 RS 虽然 RS 的值在很宽的范围内都能起振， 但当 RS=10R 时，即使电源电压有所调整，振荡周期的变化也将大为减小。CD4060 最小可得到 16 分频，最大可得到 16384 分频2。 2、典型的晶体振荡器 用 CD4060 内部的门电路构成的晶体振荡器与用小规模门电路构成的晶体振荡 的电路是一样的（如图 3-3 所示）。图中电阻 RF 是一个反馈电阻，使本来工作在 开关状态的与非门工作在电压传输特性过渡区，RF 的值可在几兆到几十兆欧之间 选取，通常选取 22 兆欧。石英晶体与电容组成反馈网络，晶体工作在并联揩振状 态，呈感性。反馈是通过输出端电容和输入端

15、电容的分压来进行的。调节可变电容 CT 的值，即可将振荡器调整到一个精确值。由于石英晶体具有负温度系数，而电 容具有正温度系数，可以相互抵消，使振荡频率稳定、准确。 14级 分 分 分 11 RF 10 CT 图 3-3 CD4060 中的晶体振荡器 （二）译码器 7 译码器主要由 BCD-锁存7 段译码驱动器CD4511 构成，本节主要介绍 CD4511 工作原理。 CD4511 是 BCD-7 段锁存译码驱动器，是一个用于驱动共阴极 LED（数码管） 显示器的 BCD 码七段译码器，具有 BCD 转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱 动功能的 CMOS 电路能提供较大的拉电流。 可直接驱动

16、LED 数码显示器。 其中 ABCD 为 8421BCD 码输入，A 为最低位。 LT 为灯测试端，当加高电平时，显示器正常显 示数字，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示 器是否有故障。 BI 为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， BI 端 加高电平。另外 CD4511 有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数 9（1001） 时,显示字形也自动消隐。 为锁存控制端高电平时锁存， LE 低电平时传输数据。 Ya Yg 是 7 段输出， 可驱动共阴极数码管。 3-4 为 CD4511 引脚图， 3-1 为 CD4511 图 表 真值表。 A B LT

17、 BI LE C D GND 1 16 2 15 3 14 4 13 CD4511 5 12 6 11 7 10 8 9 Vcc Yf Yg Ya Yb Yc Yd Ye 图 3-4 CD4511 引脚排列图 CD4511 各引脚功能： A、B、C、D：8421BCD 码输入端 LE：数据锁定控制端 Vcc：电源电压 GND：地 YaYg：数据输出端 LT ：测试输入端 8 BI ：消隐输入控制端 表 3-1 CD4511 真值表 LE 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 BI 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 输入 LT

18、D 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 C 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 A Ya 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 Yb 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 Yc 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 输出 Yd Ye 1

19、1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 锁存 Yf 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 Yg 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 显示 8 消隐 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 消隐 消隐 消隐 消隐 消隐 消隐 锁存 （三） 检测地址显示电路 显示电路选用的是共阴 LED 数码显示器。 1、显示器原理（数码管） 数码管是数码显示器俗称。常用数码显示器有半导体数码管、荧光数码管、辉 光数码管和液晶显示器等。 本设计所

20、选用的是半导体数码管作为显示器，半导体数码管是用发光二极管 组成的字形来显示数字， 七个条形发光二极管排列成七段组成的字形， （简称 LED） 便构成半导体数码管。半导体数码管分为共阳极和共阴极两种类型。共阳极数码管 的七个发光二极管的阳极接在一起，而七个阴极则是独立的。共阴极数码管与共阳 极相反，七个发光二极管的阴极接在一起，而阳极是独立的。 当共阳极数码管的某一阴极接低电平时，相应的二极管发光，可根据字形使某 几段二极管发光，所以共阳极数码管需要输出低电平有效的译码器去驱动。共阴极 数码管则需输出高电平有效的译码器去驱动。 2. LED 数码显示器的连接方法 （1）共阳极接法。把发光二极管

21、的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳 极接+5V，每个发光二极管阴极通过电阻与输入端相连。当阴极端输入低电平时， 该段发光二极管就导通点亮，而输入高电平时则不点亮。 （2）共阴极接法。把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴 极接地。每个发光二极管阳极通过电阻与输入端相连。当阳极端输入高电平时，该 段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时则不点亮。在本设计中所采用的是共阴 极 LED 数码显示器，其引脚排列如图 3-5 所示： GND g f a b +Vcc 10 9 8 7 6 a R f g b a b c d e f g c d h 12345 e d c h GND e

22、 图 3-5 数码显示器引脚排列图 （四）八选一模拟电子开关CD4051 八选一模拟电子开关CD4051 CD4051 相当于一个单刀八掷开关，有三个二进制控制输入端。开关接通哪一 路，由输入 3 位地址码 A、B、C 来决定。“INH”是禁止端，当“INH”=1 时， 各通道均不接通。此外，CD4051 还设有另外一个电源端 VEE，以作为电平位移时 使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的 CMOS 电路所提供的数字信号能 直接控制这种多路开关。图 3-6 为 CD4051 引脚图，表 3-2 为 CD4051 真值表。 IO4 IO6 OI IO7 IO5 INH Vee GND V

23、cc IO2 IO1 IO0 IO3 A B C 1 16 2 15 3 14 4 CD4051 13 5 12 6 11 7 10 8 9 图 3-6 CD4051 引脚排列图 CD4051 各引脚功能： IO0IO7：独立 IO 端 OI：公共 OI 端 INH：禁止输入端 A、B、C：二进制控制输入端 Vee：地 Vcc：电源电压 表 3-2 CD4051 真值表 输入状态 INH 0 0 0 0 0 0 0 1 1 C 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 A 0 1 0 0 0 1 0 1 接通通道 0 1 2 3 4 5 6 7 均不接通 （五） 巡回

24、检测与报警电路 巡回检测与报警电路主要由 CMOS 二输入与非门、气敏传感器、蜂鸣器、半导 体二极管、三极管、电阻等组成。 1、 CMOS 与非门工作原理 （1）电路组成与符号 本次设计中用到的是 CMOS 与非门为二输入。图 3-7 为 CMOS 二输入与非门电 路组成与符号图。在图 3-7（a）中，两个 P 沟道增强型 MOS 管 TP1、TP2 并联， 两个 N 沟道增强型 MOS 管 TN1、TN2 串联，TP2、TN2 的栅极连接起来成为输入端 A，TP1、TN1 的栅极连接起来是输入端 B。 +Vdd +5V A TP2 TP1 Y TN1 B TN2 Vss uA uB uY A

25、 B & Y= A .B Y （a）电路 （b）符号 图 3-7 CMOS 与非门电路组成与符号图 （2）工作原理 在图 3-7（a）所示电路中，uA、uB 只要有一个为低电平 0V，TN1、TN2 中 就总有一个截止，TP1、TP2 中就总有一个导通，因此 uY 一定为高电平 5V；只有 当 uA、uB 同时为高电平 5V 时，TN1、TN2 才会都导通，TP1、TP2 才会都截止， uY 才会为低电平 0V。综上所述，可得如表 3-3 所示电平关系表。如果用 A、B、Y 分别表示 uA、uB、uY,且采用正逻辑，则可得如表 3-4 所示真值表。 表 3-3 与非门电平关系表 uAV 0 0 5 5 uBV 0 5 0 5 uYV 5 5 5 0 表 3-4 与非门逻辑真值表 12 A 0 0 1 1 2、 传感器原理说明 B 0 1 0 1 Y 1 1 1 0 （千 ） 千 60 50 40 Vf=4.5V 30 Vf=5V 20 Vf=5.5V 10 （煤 ） 煤 0 1 2 3 4 5%Vol 千 千 80 60 40 20 0 60 秒 120 t 图 3-8 QM-N10 典型特性曲线图 性曲线图 图 3-9