燃气报警系统总体设计Word下载.docx

1、Keywords: SCM ;Alarm device ;Serial Bus目录第一章绪论 11.1 研究背景 11.2 研究目的 11.3 研究内容 2第二章燃气报警器总体方案设计 42.1 燃气报警系统原理 42.2 燃气报警器设计思路 42.3 燃气报警系统设计 52.4 单片机应用系统设计 52.5 燃气报警器总体方案设计 6第三章燃气报警器硬件系统设计 93.1 89C51单片机介绍 93.2 基于89C51的电子钟的设计 93.3 X5045看门狗定时器 113.4 人机对话设计 11第四章软件系统设计 134.1 程序框图 134.2 主程序编程 144.3 串行总线技术 16

2、第五章系统仿真调试 195.1 Keil集成开发软件介绍 195.2 Keil C51开发环境 205.3 调试过程 20参考文献 23谢辞 24第一章绪论1.1 研究背景燃气报警器是微机控制的安全报警设备，它广泛用于石油、化工、冶金、矿井、油气库、燃气生产工厂等部门，也可以用于饭店、餐饮行业、居民住宅厨房等处。它用来对现场空气中泄漏的可燃气体（如石油挥发气体、天然气、煤制气、液化气等）进行浓度的检测和显示。当空气中所含的可燃气体的百分比浓度值达到某一设定值时，即超过预定的报警点时，该报警器自动发出声光报警信号，提示值班人员采取必要的安全措施。它也可以通过继电器等输出控制信号，以便能够自动开启

3、安全装置（如排风设备、关断阀门等）。该设备可以通过通信口和上位计算机连接，构成功能强大的计算机控制系统。在社会信息化进程日益发展的今天，信息技术应用己渗透到人类生存、活动的各个领域，在建筑领域，人们的现代生活、工作对居住要求舒适健康、安全可靠、高效便利。这时候气体燃料的应用也越来越广泛。目前家用煤气，液化器、天然气作为气体燃料，已用与家庭旅馆，深入人民的生活之中。气体燃料的应用和普及，伴之而来的是气体泄漏造成的中毒、爆炸、火灾等事故也时有发生。其中由于一氧化碳泄漏中毒死亡尤为严重。众多周知由于CO与血液中的血红素的结合能力是氧的240倍,因此,当它进入人体血液循环系统后,就会大量取代氧而与血红

4、素结合,抑制血液中氧气的释放,从而导致发生头痛、耳鸣、呕吐、血压降低等不同程度的症状发生。如果CO中毒严重,轻者于康复过程中可能会头昏眼花、丧失记忆或引起视觉及神经上的障碍,严重者会导致脑部受损甚至发生死亡。这就对燃气自动报警的器的设计更加迫切 。为了预防燃气的泄漏，人们采用了各种措施。家用智能燃气报警器是为了预防气体中毒的一种家用的自动报警器，也是一种高灵敏度的气体探测器，一般都是应用高灵敏度的气敏元件作气电转换元件，并配以电路和声光报警部分组成。当泄漏的气体达到危险极限值时报警器就会发生鸣响和声光报警。1.2 研究目的近年来，随着人们生活水平的提高，可燃气体作为清洁能源已在居民生活中得到广

5、泛的应用，人们面对燃气泄漏而造成的事故威胁，没有一个彻底的解决办法，据有关专家介绍，使用燃气报警器是对付燃气的重要手段之一。燃气泄漏或废气排放而大量产生的一氧化碳是燃气中毒事件的根源，如采用燃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，燃气报警器防止一氧化碳中毒事故发生的有效率达95%以上。单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，有利于为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施。1.3 研究内容本设计中的燃气报警器系统，以单片机89C51为核心，选用了同步串行通信的接口芯片，可以采集最多16路模拟量输入信号，并设置了8个开关量输出通道，对外部设备进行数据采集和超限报警

6、处理。利用低功耗的实时时钟电路DS1307提供实时的日期、时间信息。独立式的按键设计和LED数码管显示器作为人机对话通道。通过RS-485标准的异步串行通信接口和上位机通信，用于多机系统和远距离通信。利用硬件看门狗电路（监视器）X5045，提高系统可靠性。该应用系统功能齐全，性能优越，电路简单实用，可靠性强，不失为一个经典的应用实例。燃气报警器系统的总体设计的方案如下：CPU：89C51单片机主频：11.0592MHz数据采集：16通道模拟量输入 多路选择器：4067（16选1模拟开关电路） A/D转换器：MAX187（12位串行接口A/D转换器）开关量输出：8路开关量输出，可作继电器开关，或

7、超限报警控制。看门狗定时器：X5045（带EEPROM、上电复位、降压管理的看门狗定时器电路）。实时时钟RTC：DS1302（带64字节RAM、串行实时时钟电路）。串行通信接口：MAX485，提供RS-485异步串行通信标准接口，和上位机通信。并行I/O接口：8255A并行I/O接口电路显示器： 6位LED显示器和8个发光二极管指示灯，由8255A驱动，动态扫描显示。键盘：4个按键，独立连接的非编码键盘电源：DC+5V、DC+12V软件：程序固化在89C51单片机中，采用汇编语言编程。基于89C51单片机的数据采集系统结构框图如图1.1所示。图1.1 89C51单片机燃气报警器系统功能框图Fi

8、g.1.1 89 C51 gas alarm system function diagram第二章燃气报警器总体方案设计2.1 燃气报警系统原理该数据采集系统是以单片机89C51为核心，可以采集最多16路模拟量输入信号。模拟量信号可以是温度、压力、流量、浓度等物理量经过传感器、变送器变换后输入而来。模拟信号通过同步串行A/D转换器MAX187的转换，量化成为12位精度的数字量，由单片机进行处理。处理的过程可以是数据采集，可以是数据运算和进行控制调节，也可以进行超限报警处理等。为了进行系统控制，系统设置了8个开关量输出通道，控制继电器来对外部设备进行控制或者进行报警处理。系统利用高性能、低功耗的

9、实时时钟（RTC）接口芯片DS1307提供实时的日期、时间信息。单片机系统通过异步串行通信接口和上位机通信，通信标准转换成RS-485通信接口，适于远距离通信，并可以构成多机系统，通信距离可以最远到1000m。作为仪表式的系统，显示器采用了最简单的LED数码管显示，并辅以8个发光二极管作为指示灯。安装了4个按键，可以进行人机对话、人为设置参数和干预系统的操作。为了加强系统的可靠性，面向连续运行和无人值守的环境，电路里增加了硬件看门狗（监视器）芯片X5045，可以在系统故障停机时自动复位，保证系统可靠运行。2.2 燃气报警器设计思路燃气报警系统是能够检测环境中的可燃性气体浓度，并具有报警功能的仪

10、器，仪器的最基本组成部分应包括：气体信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。气体信号采集电路一般由气敏传感器和模拟放大电路组成，将气体信号转化为模拟的电信号。模数转换电路将从燃气检测电路送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。单片机对该数字信号进行处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值（也就是报警限），如果大于则会自动启动报警电路发出报警声音，反之则为正常状态。为使报警装置更加完善，可以在声音报警基础上，加入光闪报警，变化的光信号可以引起用户注意，弥补嘈杂环境中声音报警的局限。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。2.3 燃气报警系统设计根据该

11、设计要实现的基本功能，设计大致应分为信号采集放大，信号处理控制，系统设置报警三个部分。（1）信号采集部分即通过气体传感器检测室内气体浓度，将这种变化量转化成电压模拟量的变化，然后通过运放进行必要的放大。（2）信号处理部分是将采集到的模拟信号量转换成数字信号，送入控制器进行处理，并将处理过的信号送存储器保存和送显示器显示。（3）系统设置报警部分是通过预定控制方式并利用蜂鸣器报警实现系统的准确操作。依据上面所说的的思路，得到如下一些基本的结论：（1）信号采集部分为了能准确采集到气体浓度的变化应选用半导体气体传感器，为使其有效的监测室内气体浓度，采用电阻型半导体气体传感器；而放大部分使用运放进行比例

12、和反相两级放大（2）信号处理部分为了实现精确控制，采集单片机较为合适。将模拟信号送入A/D模块进行模数转换，经过处理后送存储保存和送显示器显示。该单片机应用系统中大量选用了同步串行通信的接口芯片，CPU和接口芯片间采用串行通信，大大简化了硬件电路，减小仪器的体积。该应用系统功能齐全，性能优越，数据采集路数多，精度高，电路简单实用，可靠性强，并能和上位机构成多机系统，是一个实用性很强的应用系统。2.4 单片机应用系统设计一般情况下，单片机应用系统的设计过程主要包括以下几部分：.总体方案的设计.硬件系统设计.软件系统设计.系统仿真调试.运行维护设计过程列出的这5个部分不是孤立的，而是相互关联、相互

13、依靠、互相制约的，设计过程的流程图如图2.1所示。图2.1 单片机应用系统设计过程的流程Fig. 2.1 Microcomputer application system design process flow2.5 燃气报警器总体方案设计应用系统总体方案的设计是非常重要的环节，总体方案的优劣直接影响后续工作的进行。因此，对于设计过程前期的这些工作不能掉以轻心，项目不可仓促上马，要尽可能把总体设计的工作作细，作好。首先要根据市场需求，进行分析，提出本项目的任务。要对项目的可行性进行调研和分析，最好能提出可行性报告，作为开题的依据。据此，才可能由有关领导对设计方案作出决策，或者作为和用户签定技术

14、合同的基础。熟悉和了解控制对象，确定合理、可行的技术指标。单片机作为控制核心，它所控制的对象是各种各样的，所实现的控制要求也不尽相同。有些控制对象是一个生产过程，有些控制典型是一个具体设备，如仪器仪表、家用电器；有些控制对象是数据采集系统，有些控制对象是安全报警系统等。无论哪种应用系统，作为设计者都要对被控对象的工作过程和现场的要求进行深入的调研和分析，了解系统的控制要求，如输入/输出信号的种类和数量、数据处理的数学模型、该系统的应用环境等。在调研的过程中，不仅了解应用的要求，而且要尽可能多地了解国内外同类产品的资料，加以分析对比，对要设计的系统有一个合理的定位。在充分调研分析的基础上，还要综

15、合考虑应用系统的可靠性、可维护性、产品的功耗、成本、经济效益等诸方面因素，提出一个合理、可行的技术指标。在方案和技术指标基本确定的前提下，确定系统功能的具体实现形式。单片机是系统的核心，首先完成的是单片机的选型。近年来单片机的发展非常快，体现在以下几个方面：1. 运行速度的提高。单片机技术的发展不仅是主频提高，而且一条指令的执行周期也发展到单机器周期，使得数据处理的能力得到极大的提升。2. 存储技术的发展。特别是单片机片内程序存储器包括MROM、EPROM、EEPROM和Flash Memory多种形式，ROM和RAM的存储容量越来越大，使得程序可以完全固化在单片机芯片中。3. I/O接口的多

16、样化。很多I/O的功能已被大量集成在单片机芯片里，包括模拟量输入、开关量输入、模拟量输出、开关量输出、继电器控制信号输出、液晶显示器输出接口等。单片机也集成了各种标准数字通信接口，如SPI、I2C、单总线、CAN总线、USB总线等接口，也包括有RS-232C、RS-422、RS-485等总线接口。4. 单片机产品的系列化。生产厂家现在推出的单片机产品已经不再像初期那样，产品型号单一，而是产品系列化。在单片机的核心功能不变的基础上，集成不同形式、不同容量的存储器，集成不同形式、不同数量、不同精度要求的I/O接口，和面向不同环境应用（台式、仪表、便携式、低功耗等）的产品。基于这些原因，再加上成本价

17、格、产品来源、开发手段、开发经验等的综合考量，设计者完全可以在众多的单片机产品中选择出一款适合该项目，能迅速开发出性能价格比高的应用系统来的单片机。进行软件、硬件功能的划分，是总体设计中重要的工作。划分的合理与否，将直接影响后续的设计和开发过程。在系统功能指标确定以后，确定它的具体实现方法，哪些功能由硬件模块实现，哪些功能由软件程序完成。硬件模块包括微处理器、存储器、ASIC、DSP、FPGA、I/O接口部件，以及传感器、电源设备、机箱等；软件模块包括操作系统、监控程序、设备驱动程序、应用程序等；以及两者之间联系的载体，如总线、固化器件、数据通道等。这个划分的过程是一个复杂的过程，可能会反复修

18、改，不断地完善和不断迭代。而且，由于硬件模块的可编程性和软件固化技术的发展，软件、硬件的界限已经不十分严格，具有一定的互换性。例如，系统的的定时，可以由片内外的硬件定时器来实现，也可以通过软件程序、中断服务来实现。再如，系统数据处理可以用硬件运算电路或DSP来实现，也可以通过编写运算程序来实现。在系统中，硬件负担任务多，可以提高运行速度，减少程序设计工作量，加快开发周期，但是也会增加系统的成本和复杂程度。反之，软件代替硬件的某些功能，可以减少成本，简化硬件结构，增加程序设计的难度和工作量。在设计过程中，必须根据具体情况，结合系统造价、开发周期等的要求综合考虑，进行平衡，尽可能合理地划分出硬件和

19、软件两部分的功能要求。在以上论证、分析的基础上，确定总体方案，拟定出设计任务书。特别是团队工作时，要按照软件工程的思想，将整个系统分解为若干子系统，分别列出子系统的任务书，以及软件、硬件及它们之间的接口标准、技术要求，这样会最大效率地完成系统的设计。第三章燃气报警器硬件系统设计3.1 89C51单片机介绍单片计算机简称单片机，又称微控制器（MCU）。它在一块半导体芯片上集成了微处理器、一定容量的存储器、输入/输出接口、定时器/计数器等电路，构成了较完整的数字处理系统。单片机体积小、可靠性高、控制功能强、广泛应用于工业控制、仪表控制、网络通信、汽车电子、智能家居、家用电器以及日常生活等各个领域。

20、如今，可以说是无处不在，无时不在。 89C51单片机是在Intel公司的8051基础上发展的8位单片机。它的内部除了一个8为的微处理器外，片内还包含128个字节的数据存储器、21个特殊功能寄存器（SFR）和4KB的Flash程序存储器；它可以寻址片内外统一编址的64KB的RAM；片内有4个8位并行I/O接口（UART）和两个16位的定时器/计数器；有很强的中断处理和位操作功能。3.2 基于89C51的电子钟的设计为了深入了解单片机应用系统设计的过程，设计一个基于89C51单片机控制的电子钟的实例。时间的概念对每个人来说都是非常重要的，计时的时钟（钟表）在日常生活中经常见到，是人们工作、学习、起

21、居不可缺少的用具。利用电子元器件数字实时显示“时：分：秒”信息，就是这里介绍的电子钟（电子表）。电子钟的实现有多种方法，一种是采用专用集成电路，目前市场上销售的电子手表、电子挂钟等多数是这种，它的优点是集成度高、应用方便、价格低廉。但是在单片机应用系统中，往往也需要实时的时间信息，例如数据采集的具体时间、历史记录的日期时间等，这就需要在单片机应用系统中，设计出一个实时的电子钟，提供当前的“时：秒”以及“年：月：日“的信息。本设计是单片机片外扩展专用的实时时钟接口芯片（RTC），通过读取RTC的信息达到计时效果。RTC（实时时钟接口芯片）DS1302。DS1302是Dallas公司推出的一款高性

22、能、低功耗的实时时钟接口芯片。该电路采用同步串行通信，简单的三线接口，简化了和微处理器之间的通信。低功耗、小封装，大大减少了整机的体积。DS1302的内部结构如图3.1所示。它主要由移位寄存器、控制逻辑、振荡器、实时时钟以及RAM组成。图3.1 DS1302内部结构Fig.3.1 DS1302 internal structure双列直插DIP封装的DS1302的引脚如图3.2所示。其中： Vcc2 （1脚）：外接备用电源，如电池。工作电压为2.5V5.5V。 Vcc1 （8脚）：接主电源。 GND （4脚）：接地。 X1、X2 （2、3脚）：外接32.768KHz晶振。 RST （5脚）：复

23、位输入端。 I/O （6脚）：串行数据输入/输出端。 SCLK （7脚）：串行时钟输入端。图3.2 DS1302引脚图Fig.3.2 DS1302 pin figure其中，电源引脚有两个，Vcc1在单电源与电池供电的系统中提供电池备份。Vcc2在双电源系统中提供主电源。在双电源系统方式中， VCC1连接到备份电源，以便在没有主电源的情况下，也能保存时间信息和数据。DS1302由这两者之间电压较高者供电，当Vcc2大于Vcc1的+0.2V时，由Vcc2给DS1302供电；当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。3.3 X5045看门狗定时器X5045的特点是一种集看门狗、电压监控

24、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512 x 8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。图3.3 X5045引脚图Fig.3.3 DS1302 pin figureX5045的管脚排列如图3.3 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