煤气泄漏监测系统设计.docx

1、煤气泄漏监测系统设计南京工程学院课程设计报告 课 程 名 称 检测技术与系统课程设计 院（系、部、中心） 电力工程学院 专 业 电气工程及其自动化 姓 名 班 级 K电气101 起 止 日 期 13.6.313.6.14 指 导 教 师 许大宇 南京工程学院课程设计任务书 课 程 名 称 检测技术与系统课程设计 院（系、部、中心） 电力工程学院 专 业 电气工程及其自动化 姓 名 刘栋 班 级 K电气101 起 止 日 期 13.6.313.6.14 指 导 教 师 许大宇 1课程设计应达到的目的通过对本课程的设计，使学生掌握常见被测量的检测原理、方法和技术，了解国内外对这些工程量进行测控的系

2、统组建原理，通过对检测系统的设计与分析，增强学生理解和运用所学知识来解决实际问题的能力,逐步掌握根据具体测控要求、性能指标设计出先进测控系统的方法和技术。2课程设计题目及要求题目：煤气泄漏监测系统设计要求：（1）系统性能要求：检测范围：400800PPM，超限报警；（2）根据题意，明确被控对象的功能及性能指标；（3）根据系统要求，选择合适的气敏传感器（尽量选择实验室中已有的传感器）；（4）设计传感器测量电路；（5）选择单片机的品种、型号，设计单片机的外围测量电路；（6）计算有关的电路参数，有条件的情况下，根据实验室现有设备进行实验数据的测取，明确测量电路输出与被测非电量的关系；（7）画出系统原

3、理框图（此部分放在说明书的开始）；（8）画出系统电路图，最好用PROTEL画；（9）在说明书中详细说明本系统工作原理。3课程设计任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求(1) 给出设计说明书一份；(2) 有条件的情况下尽量给出必要的实验数据；(3) 在说明书中附上完整的系统电路原理图（手画或用PROTEL画）。4主要参考文献1、 李现明，吴皓编著.自动检测技术.北京：机械工业出版社，20092、 徐仁贵.单片微型计算机应用技术.北京：机械工业出版社.20013、 陈爱弟.Protel99实用培训教程.北京：人民邮电出版社.20005课程设计进度安排起 止 日 期工 作 内

4、 容13年6月3日布置设计任务，熟悉课题，查找资料；13年6月4日结合测控对象，选择合适的传感器，理解传感器性能；13年6月5日设计传感器测量电路，选择合适的单片机，设计其外围电路；13年6月6日设计电路参数，有条件情况下，在实验室进行实验，进一步理解测量电路输入输出关系；13年6月7日继续设计论证电路参数，完善系统设计方案；13年 6月 10日查找资料，理解系统各部分工作原理；13年 6月 11日理清系统说明要点，着手设计说明书的书写；13年 6月 12日书写设计说明书，充分理解系统每一部分作用；13年 6月 13日完善设计说明书，准备设计答辩。13年 6月 14日设计答辩。6成绩考核办法平

5、时表现30%，设计成果40%，答辩表现30%.教研室审查意见：教研室主任签字： 年 月 日院（系、部、中心）意见：主管领导签字： 年 月 日第1章 煤气检测系统设计的基本内容煤气测量系统中，设计一套具有有毒气体检测功能、报警功能、能够判断室内空气中煤气的泄露情况和显示当前室内有毒气体的浓度，用单片机控制报警器是否需要报警。煤气检测系统由硬件和软件两大部分组成。硬件部分主要包括气体传感器电路、放大电路、A D转换电路、 单片机最小系统、单片机控制电路和报警电路和数码管显示电路。气体传感器用来检测室内空气中有毒气体的浓度，当室内空气中有毒气体含量超过允许标准浓度后，气体传感器所获得的感应信号，通过

6、放大处理以后，再经过单片机的处理，控制报警电路发出报警处理。软件部分主要包括AD的采样程序、数据处理、报警程序和显示程序。煤气检测系统设计在硬件设计方面，主要研究组成家用煤气泄漏报警控制系统的单片机芯片、气体传感器的使用方法，同时研究电路设计思路、电路组成，包括气体传感器、放大电路、单片机、声光报警电路和显示电路的设计，给出系统的整体结构框图、仿真电路图和整体电路原理图。1.1 煤气检测系统的主要任务本论文是煤气检测系统设计的研制，主要完成：(1) 对煤气检测整个系统进行了整体规划；(2) 对煤气检测系统进行硬件设计和软件流程设计，分为主程序设计，A/D转换控制程序的设计，数据处理，浓度显示程

7、序设计、声光报警子程序设计等；(3) 软件的调试，功能仿真；(4) 画出煤气检测系统的电路原理图。1.2 煤气检测系统的设计要求由于煤气检测系统主要包括气体传感器电路、放大电路、A D转换电路、单片机最小系统、声关报警电路和数码管显示电路等部分。本论文要求做以下设计：(1) 气体传感器对煤气是否泄漏进行检测；(2) 放大电路对检测出微弱的电压信号进行一定的放大处理；(3) A/D转换程序设计，A/D转换器能够时刻的对放大的电压信号进行采集；(4) 根据有毒气体浓度与采集的电压信号的关系进行数据转换处理；(5) 显示程序的设计，用4位数码管显示所测得的煤气浓度值。(6)声关报警控制程序设计，根据

8、气体浓度进行相应的处理.第2章 煤气检测系统设计的硬件设计2.1 基于单片机实现微处理器的出现极大地促进了生产力的发展，提高了人们生活的质量，实现了工业的现代化和自动化。基于8位和16位单片机的嵌入式设备(如仪器仪表、数据采集和显示、过程控制、工业自动化等)的实时应用、测控系统正在走向网络智能化。这就要求企业从现场控制层到管理层能实现全方位的无缝信息集成，实现远程维护、智能诊断以及远程管理功能，提供一个开放的基础构架，并具有高可靠性、分散控制、集中监视和管理的功能。针对目前微型处理器的处理芯片的不同，本设计是基于AT80C51单片机实现煤气检测系统的设计。基于AT89C52单片机实现的煤气检测

9、系统的具体方案如图2-1所示。该方案主要包括了可燃气体传感器、A/D转换器、AT89C52单片机控制电路、声光报警电路以及数码管显示电路。气体传感器输出为模拟量，很微弱需要进行放大电路的处理，单片机处理的是数字信号，需要利用A/D转换器，将模拟量转换成数字量送给AT89C52单片机进行数据的处理；声光报警电路里使用蜂鸣器作为报警用，同时还用LED灯进行相应的指示，以便于提醒注意；单片机的最小系统是AT89C52单片机工作的前提条件；显示电路采用了4位集成的数码管进行显示，由AT89C52单片机进行控制实现显示。单片机AT89C524位数码管显示报警和指示灯A/D放大器气体传感器单片机最小系统图

10、2-1 基于AT89C52的单片机的煤气检测系统组成框图在煤气检测系统组成框图2-1中所示，系统以单片机AT89C52为控制的核心，配合外围电路共同完成信号采集、浓度的显示、声光报警电路的功能设计等。其中传感器采用的是M-5，该传感器外形小，气体响应快，性能稳定，低功耗，常适用于泄漏监测器。放大电路采用的是LM324运放进行放大微弱的信号。A/D转换器采用的是ADC0808，它是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件，具有功耗低，性能稳定的特点。数码管使用4位集成的共阴数码管。2.2 系统硬件电路的总体设计系统硬件电路的总体设计主要包括了气体传感器电路设计、放大电路设计、A/D转

11、换器电路设计、单片机的最小系统、声光报警电路设计、数码管显示电路的设计和电源电路的设计等。2.2.1 气体传感器电路设计气体传感器可以分为六大类：(1) 半导体气体传感器。(2) 固体电解质气体传感器。(3) 接触感染式气体传感器。(4) 电化学式气体传感器。(5) 光学式气体传感器。(6) 高分子气体传感器。气体传感器应满足的基本条件一个气体传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个完整的气体传感器都必须具备以下条件：(1) 能选择性地检测某种单一气体，而对共存的其它气体不响应或低响应。(2) 对被测气体具有较高的灵敏度，

12、能有效地检测允许范围内的气体浓度。(3) 对检测信号响应速度快，重复性好。(4) 长期工作稳定性好。(5) 使用寿命长。(6) 制造成本低，使用与维护方便。气体传感器的分类和基本条件为选择哪种气体传感器提供了参考的依据。气体传感器是气体与气味检测的关键元件。我们选择的气体传感器是MQ-5 MQ-5特点* 对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度* 对乙醇，烟雾几乎不响应 * 快速的响应恢复特性 * 长期的使用寿命和可靠的稳定性 * 简单的测试电路 MQ-5型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。我们建议您用1000ppm异丁烷或

13、氢气校准传感器。当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。图2-2气体传感器管脚与基本测量电路图如图2-2里，其中2、4端为加热器的电源接线端,1、3为传感器输出端,气体传感器工作原理是把传感器置于CO气体环中,SnO2薄膜层的电阻会随着CO浓度的变化而变化,CO浓度越大,SnO2薄膜层阻值越小。图2-2为取得气体传感器输出信号的基本电路图,Vh为加热电压,传感器电阻RS与负载电阻RL串联接到工作电压VCC两端, 由此可得关系:VRL=RLVCC/（RL+RS）传感器阻值RS随着CO浓度的增大而减小时,输出负载电压VRL逐渐变大,所以通过测量负载电压即可反应出被测对象的CO浓度。一氧化碳达

14、到一定浓度以后，会引起中毒的可能症状50ppm 健康成年人在八小时内可以承受的最大浓度200ppm 2-3小时后，轻微头痛、乏力400ppm 1-2小时内前额痛；3小时后威胁生命800ppm 45分钟内，眼花、恶心、痉挛；2小时内失去知觉；1000ppm 1小时内死亡1200ppm 45分钟可能导致死亡我们从上面的数据可以看出来，随着一氧化碳的浓度的升高，CO对我们的身体的健康就会造成更大的伤害，所以，我将CO浓度与报警控制处理方式，进行了划定，为编程参考作为依据。表2-1 CO浓度与控制处理CO浓度（ppm）控制处理方式说明400正常情况处理指示灯亮绿色400一般报警小喇叭报警800严重报警

15、指示灯亮红色且小喇叭报警 一氧化碳的浓度在400ppm范围以内，我们就按照正常情况处理，即不需要报警处理； 当一氧化碳的浓度大于等于400ppm以后，我们就按照一般报警情况处理，目的是为了开始进行报警提示，以便于提醒人们的注意；当一氧化碳的浓度达到800ppm值以后，我们就必须的进行严重的报警处理。CO气体传感器属于气敏传感器，通过放大处理后，再经过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，经过单片机完成数据处理及报警控制，最后送给数码管显示。气体传感器作为煤气泄露测试装置报警器的信号采集部分。由此可见，气体传感器是本系统检测的起点也是系统的核心和重点，选择合适的传感器成为决定系统成功的

16、关键。2.2.2 放大电路的设计由于气体传感器采集的电信号一般很小，而且存在共模成分，需要经过放大电路放大，之后方可进行A/D转换。气体传感器输出的信号幅度很小，存在着不同程度的电磁干扰，因此在本设计中，放大电路采用LM324放大器进行放大，对来自传感器的信号经行精密放大，同时抑制共模成分提高信号质量。LM324系列器件为四运算放大器，LM324的引脚排列见图2-3所示。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器，可用图2-3所示的

17、符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。图2-3LM324的引脚放大电路设计中，我们采用一个增益可调的同向放大电路，计算公式为AV=1+Rf/R2，其中Rf=200k(可调的)，R2取10K,AV最大可达21，从而给调试带来了极大方便。它可以构成仪表的放大器，具有线性度优良、温度稳定性高和体积小、可靠性高等优点。图2-4 气体传感器的放大电路设计由LM324构成

18、的气体传感器的放大电路如图2-4所示。在图中接口J3为气体传感器的电源接口，气体传感器与电阻RV构成串联型分压式电路，直流电压+5V经过稳压处理以后，电压比较稳定，给MQ-5提供供电电压和加热电压；LM324构成增益可调的放大电路，放大电路的输出端1管脚接入ADC0808的IN0引脚。2.2.3 A/D转换电路设计ADC0808芯片有28条引脚，如图2-5 ADC0808管脚图所示，采用双列直插式封装，下面说明各引脚功能。IN0IN7：8路模拟量输入端。D0D7：8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

19、效。 START： AD转换启动信号，输入高电平有效。 EOC： AD转换结束信号，当AD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AD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最小值. VCC：电源，接5V。GND：接地。图2-5 ADC0808管脚图ADC0808芯片主要特性:1. 8路8位AD转换器，即分辨率8位,N=82. 具有转换起停控制端3. 转换时间为100s4. 单个5V

20、电源供电5. 模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准6. 工作温度范围为-4085摄氏度7. 低功耗，约15mWADC0808芯片的几个重要技术指标：1、转换速度转换速度是指完成一次A/D转换所需时间的倒数，是一个很重要的指标。A/D转换器型号不同，转换速度差别很大。通常，8位逐次比较式ADC的转换时间为100us左右。由于本系统的控制时间允许，可选8位逐次比较式A/D转换器ADC0808。2、ADC位数的选择A/D转换器的位数决定着信号采集的精度和分辨率。对于该8个通道的输入信号，8位A/D转换器，精度：=0.39%.分辨率 ：=0.0195323V20mv(输入为05V时)量化误差：

21、Q=10mv说明：VrefA/D转换器的参考电压，即为基准电压，选取Vref=5V； ADC的二进制位数，N=8；ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式AD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AD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，ADC0808内部结构如图2-6所示。图2-6 ADC0808内部结构图ADC0808具有8个通道的模拟输入线(IN0IN7)，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。可在程序控制下对任意通道进行A/D转换，获得8位二进制数字量(D7D0)。模拟输入部分有8路多路开关，可由3位

22、地址输入ADDA、ADDB、ADDC的不同组合来选择，ALE为地址锁存信号，高电平有效，锁存这三条地址输入信号。具体的通道选择如表2-2所示：表2-2 模拟通道选择本设计是使用通道IN0，所以，将ADC0808的C、B和A管脚都接地，即为选通模拟输入线IN0。ADC0808的工作过程图2-7ADC0808的工作时序图如图2-7所示，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AD转换，之后EOC输出信号变低

23、，指示转换正在进行。直到AD转换完成，转换开始,EOC变为高电平，指示AD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。如图2-8所示，A/D转换电路设计中，其中ADC0808的ALE和START端一起连接AT89C52的P1.3口。EOC经过一个反相器连接P3.2口，OE（ENABLE）连接P1.4口。ADDA,ADDB,ADDC连接在一起接GND，相当于选通通道IN0。传感器通过放大以后，再经过通道IN0，将信

24、号传送给ADC0808，通过A/D转换以后，送给单片机进行相应的处理。图2-8 A/D转换电路设计2.2.4 单片机的最小系统设计单片机的最小系统主要包括：晶振电路、复位电路、电源电路等。(1) 晶振电路，即为时钟振荡器，如图2-9所示。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。图2-9 时钟振荡器(2) RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。复位电路如图图2-10所示。图2-10复位电路复位电路和电源及振荡电路是C51单片机工作的最小系统。具体电路图如图2-11所示。图2-11时钟和复位电路2.2.5

25、声光报警电路设计图2-12声光报警电路设计声光报警电路设计的电路图如图2-13所示。声光报警电路设计与单片机的连接和控制关系如表2-3所示: 表2-3 声光报警电路设计与单片机的连接和控制关系表与单片机的连接关系给高电平给低电平D1(LED_RED)连接P1.5不报警，灭报警亮红灯D2(LED_GREEN)连接P1.6不报警，灭不报警亮绿灯Q1(SPEAKER)连接P1.7报警，报警声不报警不响单片机AT89C52的P1.7接晶体管基极输入端，当单片机AT89C52的P1.7置1时，三极管Q1导通，蜂鸣器两端处于高电平状态，使蜂鸣器鸣叫，处于一般报警状态。当P1.7输出低电平0时，三极管截至，

26、蜂鸣器不发声。P1.6控制LED_GREEN的亮灭情况，正常情况下，点亮LED_GREEN，作为指示功能，表明处于正常正常情况。P1.5控制LED_RED的亮灭情况，严重报警的时候点亮LED_RED，并且蜂鸣器发声，表明处于严重报警情况。报警和指示灯的作用就是为了提醒人们的注意。2.2.6 数码管显示电路设计2-13 数码管显示电路显示用集成的4位数码管，七段码与P0口直接相连，用于输出P0口的数据给数码管；P0口上拉100的电阻，为了增加驱动能力；位选用P1.0P1.2通过74LS138译码器进行位选，指定所选的具体的一位。具体的逻辑关系如下表2-4所示：表2-4 位选表74LS1384位集

27、成数码管CBA译中选中对应的000Y0第一位（仟）001Y1第二位（百）010Y2第三位（十）011Y3第四位（个）第3章 煤气检测系统的软件设计本论文中，软件解决的主要问题是检测气体传感器的有毒气体浓度信号，然后对信号进行放大、A/D 转换，数据处理，浓度显示，以及警报处理。3.1 主程序设计流程图程序初始化启动A/D转换，采集数据单片机处理和控制是否超过报警值执行报警处理浓度显示开始 Y N图3-1主程序设计流程图主程序设计流程图如图3-1所示，ADC0808对传感器检测的信号经过放大后的信号，进行A/D转换,单片机对转换后的信号进行数据处理后，将浓度值与报警值相比较，判断是否报警。同时送

28、入数码管显示气体浓度值。3.2 A/D转换控制程序设计流程图图3-2 A/D转换控制程序设计程序流程图A/D转换控制程序设计程序流程图如图3-2所示。在硬件电路中START，ALE这两个信号端连接在一起，并与P1.3相连接，这时通过软件输入一个正脉冲信号，便立即启动模数转换。当EOC由低电平变成高电平时，经过一个反相器送给P3.2口一个脉冲，来启动外部中断INT0，同时给OE端一个高电平，读取数据。3.3 显示子程序的设计流程图图3-3显示子程序流程图显示子程序流程图如图3-3所示。单片机读取要显示的数据后，通过相应的计算，计算出要显示的数据的最高位，第二位，第三位和第四位。然后通过相应的片选

29、信号，在各个数码管上显示对应的数据。3.4 报警子程序的设计流程图图3-4报警子程序的设计流程图报警电路控制程序设计流程图如图3-4所示。读取可燃气体浓度值后，判断是否大于设定的报警值。当超过报警值时，启动报警器报警。第4章 系统的功能仿真4.1 仿真软件介绍Proteus(海神)的ISIS是一款Labcenter出品的电路分析实物仿真系统，可仿真各种电路和IC，并支持单片机，元件库齐全，使用方便，是不可多得的专业的单片机软件仿真系统。因此，本次设计仿真采用Proteus软件。4.2 煤气检测系统的模块仿真在模块仿真测试中，连接电压的滑动变阻器输出一个电压信号，经过ADC0808，单片机处理，

30、在数码管显示滑动变阻器两端的电压值。此次仿真的目的是验证各个模块的控制程序的正确与否，同时判断电路连接的正确性。4.2.1 A/D转换模块测试A/D转换模块测试仿真图如图4-1所示。用滑动电阻代替了传感器。滑动电阻在电压下产生一个电压信号送给ADC0808，电压信号经过模数转换以后，送给了单片机。图4-1 A/D转换模块测试仿真图4.2.2 显示模块测试图4-2显示模块测试仿真图显示模块测试仿真图，如图4-2所示。AT89C52通过P1.0、P1.1、P1.2控制74LS138进行译码译中相应的某一位，即进行位选功能。P2口把接收到的电压数据值在单片机里进行处理，最后，通过P0口将数据送给数码管上面进行相应的显示数据。现在，为了验证显示模块程序是否正确，这里就直接显示电压值，对AD转换过来的电压值就没有处理，直接将电压值通过P0口将数据送给数码管上面进行相应的显示数据；通过，数码管显示的电压和模拟的电压比较，看是否正确，通过多次仿真和调试，最后显示模块测试仿真图结果如图图5-2所示。该显示模块测试主要是用来验证AT89C52,74LS138