煤气泄漏自动检测系统——周涛(加软件)

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1、精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除煤气泄露自动检测系统摘 要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。本论文主要实现管道煤气泄露的测量与报警，系统主要以半导体气体传感器为研究对象，以单

2、片机为核心构成一个具备数据采集、对象控制、结果显示、数据通信等功能的完整系统。通过虚拟仪器Lab VIEW进行控制之后，再通过计算机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;程序实时监测系统状态。关键词：气体传感器，单片机，数据采集，Lab VIEWGAS LEAK DETECTION SYSTEM AUTOMATICALLYABSTRACTWith the rapid development of economy and the science technology， people become pay more and

3、 more attention to the quality of life and improving the environment ,and gas into the family the use of convenience for people , but also to improve the urban environment, but also to people with to the potential dangers, including the risk of carbon monoxide is the most important source. If not se

4、aled pipes and valves , they leaked , light caused poisoning , caused by heavy fire , endangering peoples lives and property . For these reasons ,so it is very important for us to inspect and control these gases well. And it is obviously very important to study on the inspection methods and sensors

5、of all kinds of gases.In this paper, the main gas leak measurement and alarm systems to the semiconductor gas sensor for the study in order to constitute a single-chip microcomputer as the core with data acquisition, object control, results showed that features such as data communication system of i

6、ntegrity. Through the Virtual Lab VIEW control apparatus, and then through computer I / O interface output; output signals drive the corresponding driving circuits, respectively, control the alarm light, buzzer and cut off the circuit, the realization of the gas leak on the real-time monitoring and

7、control; procedures real-time monitoring of system state.KEY WORDS: gas sensor，Single chip microcontroller, data acquisition, Lab VIEW【精品文档】第 36 页目录前言1第1章 绪论21.1论文研究来源、目的和意义21.1.1 论文研究来源21.1.2 论文研究目的和意义21.2可燃性气体报警器的国内外现状31.3本论文主要任务4第2章煤气泄露自动测试总体设计52.1设计要求52.1.1煤气泄露测试的功能52.1.2煤气泄露测试系统框图52.1.2煤气泄露测试的各

8、个功能模块62.2设计原理72.2.1气体传感器介绍72.2.2气体传感器的选定72.3数据处理92.3.1传感器非线性信号处理92.3.2数字滤波处理9第3章煤气泄露自动测试硬件设计113.1温度补偿电路113.1.1 OP07低噪声高精度运算放大器113.1.2温度补偿123.2模/数转换器ADC0809123.2.1 ADC0809的介绍123.2.2引脚功能133.2.3主要特性143.3单片机AT89C51的概述153.3.1 AT89C51简介153.3.2主要性能参数153.3.3管脚说明163.4 声光报警与LED显示193.4.1声光报警单元193.4.2 LED显示203.

9、5排气扇控制系统与切断阀213.5.1光电隔离器213.5.2继电器选择223.5.3光电隔离电路23第4章接口总线254.1 RS-232接口总线25第5章 部分软件程序285.1 部分单片机程序285.1.1主程序285.1.2数据采集程序295.1.3 A/D转换程序30结论31谢 辞32参考文献33附录34外文资料翻译35前言随着科学技术的进步和社会经济的发展，从工农业生产的各个领域到人们家庭生活的各个方面，人们直接或间接接触各种有毒有害气体的机会大大增加，由此而引起的中毒，火灾和爆炸事故屡见不鲜，严重威胁到人们的生命和财产安全，成为一种新的社会公害。因此对环境气体进行检测和分析技术的

10、研究日益受到人们的重视。传统的分析气体组分和浓度的方法是以色谱法为代表的各种化学计量方法，尽管其测量精度很高，但操作手续繁杂，实验周期长，无法对有毒、有害气体进行实时、连续、瞬时检测，而气体传感器则满足这种要求，并且在人们日常生活中对减少气体爆炸、火灾等事故已经发挥着越来越大的作用。目前世界各大强国都把传感器技术列为国家发展的重点技术，国防现代化、工业生产过程自动化、家庭电器化都与传感器的发展休戚相关，今天的传感器技术已渗透到国民经济的各个领域，日益突出它的重要作用。集成化、多功能化、智能化、加工技术微精细化、指标高精度化和性能高稳定、高可靠化已经成为人们开发和研究传感器的重要方向。泄漏检测报

11、警系统被广泛的应用于各个领域，如石油化工企业、石油运输管线、城市自来水地下管线、锅炉炉管、发动机箱体、缸盖等各种领域。泄漏检测技术在管道检测之中的应用得到了很好的发展。对于管道的泄漏检测要满足以下几个要求:1.准确可靠地判断泄漏的发生，并能够在较短的时间内判断出泄漏点具体的位置。2.准确可靠地判断泄漏程度，能对较小量的泄漏做出判断。3.检测原理简单，易于操作和维护。第1章 绪论1.1论文研究来源、目的和意义1.1.1 论文研究来源随着科技的发展，越来越多的可燃性气体作为能源应用于工业生产和人们的日常生活中。但是可燃性气体在给我们带来极大便利的同时，也存在巨大隐患。可燃性气体发生泄漏达到爆炸极限

12、后，一旦有火源作用，便会引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至会危及生命安全。为了减少这类事故的发生，就必须对这些可燃性气体进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测仪表，严密监测环境中可燃性气体的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和家庭生活安全。因此，研究可燃性气体的检测方法与研制可燃性气体报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。1.1.2 论文研究目的和意义可燃性气体通常指城市煤气、石油液化气、汽油蒸汽、酒精蒸汽、天然气以及煤矿瓦斯等1。这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、苯类以及一氧化碳和氢气等成分，易燃、易爆、贮存和使用这些气体的过程中

13、，如违反操作规程和设备密封不好，都有可能发生可燃气体泄漏现象，进而酿成火灾或爆炸事故，给国家和人民的生命财产造成损失。可燃性气体检测报警装置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器。该报警装置是石油化学工业、有可燃性气体泄漏可能的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。可燃性气体报警器属于中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录中第46项，它归类于物理化学计量器具。建筑设计防火规范(GBJ16-87)第10.3.2条明确规定:“散发可燃气体、可燃蒸汽的甲类厂房和场所，应设置可燃性气体浓度检测报警装置”。2003年12月，国家执行新的可燃性气体探测器标准(GB15322-2003)可燃气体

14、探测器，2004年10月国家颁布可燃气体检测报警器规程JJG693-2004，研究新型、性能稳定、准确监测可燃性气体，并合乎国家相关规定的报警器具有极其重要得意义。目前我国已有许多城市铺设了煤气管道，使用人口约达二亿人，煤气发生基地及中转站也达几千家。如果这些家用燃气和煤气基地及中转站的报警率按10%计算，可燃性气体检测报警器的需求量就达2000万台以上。随着全社会对防火防爆及人身安全的重视程度的提高，这个数字会继续增长。近十年来，农村的沼气使用也得到了极大的发展。到2006年底，全国沼气池数量已达近1300万座，这就为检测沼气（主要成分是甲烷）浓度的仪器提供了市场。可见，可燃性气体报警器具有

15、十分广阔的市场前景。1.2可燃性气体报警器的国内外现状国外从20世纪30年代开始研究及开发气体传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。据有关统计，美国1996年2002年气体传感器年均增长率为27%30%。随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得气体检测仪器的体积也逐渐变小，提高了气体检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推广。1963年5月，日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，次年12月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体，可以安装

16、在浴室或者采用集中监视。我国在70年代初期开始研制可燃性气体报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色。近年来，在气体选择性和产品稳定性上也有很大进步。燃气报警器可分为民用可燃气体报警器、工业用可燃性气体报警器、有毒有害气体报警器三大系列产品。(1)民用可燃气体报警器民用可燃气体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，

17、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。(2)工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器只是检测探头有差异，而在原理和应用中都很相近。工业用燃气报警器及有毒气体报警器根据检测环境的不同，也可分为检漏仪、控制器和探测器。检漏仪的体积较小，可随身携带或手持，主要应用于燃气管理的查漏与巡检。若有燃气泄漏，检漏仪便会发出声光报警，同时数字显示气体浓度，以便及时采取安全措施，防止爆炸等恶性事故的发生。控制器与探测器结合使用，可在防爆现场长期监测气体的浓度。探测器安装在防爆现场，控器壁挂在值班室等有人值守的地方，二者采用屏蔽电缆线连

18、接。当在现场的探测器探测到燃气泄漏之后，通过屏蔽电缆线将信号传到控制器，控制器发出声光报警，同时启动排风装置或关闭电磁阀切断气源，以确保安全。此种仪器广泛应用于液化气站、汽车加气站、锅炉房等工业场所。1.3本论文主要任务本篇论文是煤气泄漏自动检测的研制，主要针对CO气体，主要实现家庭煤气检测的检测与报警。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；数据传输模块将检测信号传输到计算机;计算机I/O接口为计算机与外部数据连接的硬件支持。当数据进入计算机后，在LabVIEW平台上，经数据处理子程序、报警子程序输出报警信号，并通过计算机I/O接口输出;输出信号驱动相应的驱

19、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。 第2章煤气泄露自动测试总体设计2.1设计要求2.1.1煤气泄露测试的功能在本设计中，煤气泄露测试装置的主要功能就是快速准确的检测被测气体中有害气体的含量（主要是CO气体），通过LED显示屏将CO气体浓度显示出来，当气体浓度达到一定门限值时发出声光报警，为了提高实用性系统还应该具备人机交互界面、与计算机通信端口。为了实现以上功能：系统应该具备气体传感器、数据采集、A/D转换电路、单片机、LED数码显示、输入键盘、声光报警单元、光电隔离技术和切断阀、RS-232通信模块。2.1.2煤气泄露测试系统框图 图2-1系统框图

20、系统工作流程为:由装在室内的CO传感器获得被测量对象(室内CO浓度)原始信号,经过温度补偿和取样放大得到矫正后的可匹配信号，进入A/D转换,得到被测对象的数字量信号,再由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,如果超标立即向光隔离接口输出控制信号,通过继电器打开排气扇, 如果超出下限值，切断阀关闭，并开始进入危险期计时,如果发现环境中一氧化碳浓度长时间处于危险状态,则有可能排气扇未能打开,或者房间发生严重CO泄露事故,此时启动预警信号进行语音报警提示,提示室内人员打开门窗、关闭气源并迅速撤离事故现场。如果系

21、统接有上位机工作的话,可通过通信接口对单片机组成的下位机系统进行参数设置,并可定时地从数据缓冲区中读取以前测量的数据值,进行二次处理加工或存入数据库永久保存。具体技术指标如下：应用范围：工业生产和人民生活中的CO检测；检测对象：CO及他们的混合气体；检测范围：CO:01000ppm；检测精度：CO优于20ppm；报警浓度：100ppm300ppm响应时间：30ms；电池电压：+12V；工作温度范围：-20+70；工作湿度范围：1095%RH。2.1.2煤气泄露测试的各个功能模块在本设计中，煤气泄露测试装置的主要功能就是快速准确的检测被测气体中有害气体的含量（主要是CO气体），通过LED显示屏将

22、CO气体浓度显示出来，当气体浓度达到一定门限值时发出声光报警，为了提高实用性系统还应该具备人机交互界面、与计算机通信端口。为了实现以上功能：系统应该具备气体传感器、数据采集、A/D转换电路、单片机、LED数码显示、声光报警单元、光电隔离技术和切断阀、RS-232通信模块。2.2设计原理2.2.1气体传感器介绍1. 气体传感器是气体与气味检测的关键元件。根据其气敏特性，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。2. 气体传感器应满足的基本条件一个气

23、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，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。2.2.2气体传感器的选定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关键。CO气体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

24、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。由此可见，传感器的选型是非常重要的。由于监控系统最关键的部分在于室内一氧化碳气体浓度的检测,本系统考虑到室内空气中一氧化碳含量的大致范围,结合国家环境空气质量标(GB30951996)规定的一氧化碳分级标准,我们选用了Motorola生产的一种专门用于家庭用途的MGS1100型一氧化碳气体传感器, MGS1100一氧化碳传感器是一种应用全微电子工艺制成的半导体气体传感器，作为CO敏感元件，对CO响应的选择性好，并具有灵敏度高，稳定性好等特点在信号采集的同时加以

25、温度补偿。它是在微型硅桥结构中嵌入的加热器上制作一层SnO2薄膜,这种结构不仅使得SnO2薄膜对CO气体在很宽的温度范围内具有敏感性,而且硅膜减少热传导的热损失,从而大大降低了功耗。图2-2传感器管脚与基本测量电路图其中2、4端为加热器的电源接线端,1、3为传感器输出端,其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22（b）为取得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

26、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。MGS1100型一氧化碳气体传感器的特点：测量浓度范围为0-1000PPM，测量精度为3%，分辨率为1PPM，工作温度-2070，零点漂移为PPM10。2.3数据处理2.3.1传感器非线性信号处理人们使用传感器时总希望传感器的输出量和它所测量的输入量呈线性关系,但由于传感器内部因素和测量误差等原因,传感器的输入输出特性在整个测量范围内往往不是严格的直线关系。在本系统中测量得到的是经传感器和采集电路变换的电压信号,为了真实地反映被测量的CO浓度值,需要将根据系统特性在测量范围内将环境浓度与采集电压之间的关系作一个

27、误差尽可能小的标定,依据此标定关系,将测量得到的电压信号真实地转化成被测环境的CO浓度值。本系统采用的是分段插值法来对系统测量值和目标值进行标定的。2.3.2数字滤波处理数据采集系统在采集数据时,由于各种干扰的存在,使得系统采集到的数据有一定的波动,数据偏离其真实数值。去掉采样数据中的干扰成分除了硬件上采取一些必要的抗干扰技术外,本系统还对输入数据采用了一定的数字滤波处理。先采用奇异值滤波,将采样数据序列中有明显错误(与周围数据发生十分大的跃变)的数据剔除掉;然后再对余下的数据采取中值滤波算法,其主要算法为:开辟n个连续数据存储单元,采集原始数据依次进入排成队列,每来一组新数据时,队列中最早进

28、入的一组数据出列,其它数据逻辑上集体向前移动一位,新数据填补到队列最后端。对队列中的数据按从小到大的顺序排队,取中间值作为本次采样的有效数据。数字滤波的方法有很多种,可以根据不同的测量参数进行选择。下面介绍几种常用得数字滤波法：1. 程序判断滤波2. 中值滤波3. 算术平均值滤波4. 滑动平均滤波5. RC低通数字滤波6. 加权平均值滤波本文采用的是中值滤波法,下面主要介绍中值滤波法：所谓中值滤波是对某一参数连续采样N次(一般N取奇数),然后把N次的采样值从小到大(或从大到小)排队,再取中间值作为本次采样值中值滤波对于去掉偶然因素引起的波动或采样器不稳定而造成的误差所引起的脉动干扰比较有效.若

29、变量变化比较缓慢,则采用中值滤波效果比较好,但对快速变化的参数,如流量,则不宜使用。中值滤波程序设计的实质是:首先把N个采样值从小到大(或从大到小)进行排队,然后再取中间值。N个数据按大小排序的具体做法是两两进行比较,设R0为存放数据区首地址,先将(R0)与(R0)+1)进行比较,若(R0)(R0)+1),则不交换存放位置,否则将两数位置对调。继而再取(R0)+1)与(R0)+2)比较,判断方法同前,直到最大数沉底为止。然后再重新进行比较,把次大值放在N-1位上如此做下去,则可将N个数从小到大顺序排列。第3章煤气泄露自动测试硬件设计3.1温度补偿电路3.1.1 OP07低噪声高精度运算放大器O

30、P07高精度运算放大器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，尤其适应于宇航、军工及要求微型化、高可靠的精密仪器仪表中。特点是失调电压为10v，失调电压温度系数为0.2v/，长期稳定度为0.2v/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

31、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10.3mm7.9mm,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0.35 VP-P (0.1Hz 10Hz)(2) 极低的输入失调电压10 V(3) 极低的输入失调电压温漂0.2 V/ (4) 具有长期的稳定性0.2 V/月(5) 低的输入偏置电流 1n

32、A(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3.1.2温度补偿如图3-1所示为温度补偿电路，由于元件的本身特性决定了其阻值会随着周围环境温度的变化产生明显的漂移,致使测量电路的输出产生零点漂移,漂移过大会造成测量的不灵敏或过灵敏,使整机的可靠性下降。为此,我们增加了温度补偿电路,其中RT为热敏电阻,RS为传感器电阻。图3-1温度补偿电路3.2模/数转换器ADC08093.2.1 ADC0809的介绍ADC0809具有8个通道的模拟输入线(IN0IN7)，可在程序控制下对任意通

33、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。主体部分是采用逐次逼近式的A/D转换电路，由CLK控制的内部电路的工作,START为启动命令，高电平有效，启动ADC0809内部的A/D转换，当转换完成，输出信号EOC有效，OE为输出允许信号，高电平有效，打开输出三态缓冲器,把转换后的结果送DB。ADC0809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DA转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等

34、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。3.2.2引脚功能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。 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

35、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。图3-2 ADC0809管脚图3.2.3主要特性 1. 8路8位AD转换器，即分辨率8位2. 具有转换起停控制端3. 转换时间为100s4. 单个5V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15mWADC0809的工作过程是：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

36、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，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。3.3单片机AT89C51的概述3.3.1 AT89C51简介AT89C51是一种带4K字节

37、闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方

38、案。3.3.2主要性能参数与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定1288位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 功能特性概述：AT89C51提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM,32个I/O口线，两个16位定时器，一个5向量两级中断机构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0HZ的静辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式，空闲方式停止CPU的工作

39、，但允许RAM，定时/计数器，串行通信中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。3.3.3管脚说明VCC：供电电压,接+5V电源正端。VSS：接地, 接+5V电源地端。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4

40、TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄

41、存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。P3口除了做一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能表3-1 P3口第二功能引脚备选功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD（串行输入口）TXD（串行输出口）/INT0（外部中断0）/INT1（外部中断1）T0（记时器0

42、外部输入）T1（记时器1外部输入）/WR（外部数据存储器写选通）/RD（外部数据存储器读选通）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。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外

43、，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。图3-3 AT89C51管脚图/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：

44、来自反向振荡器的输出。时钟振荡器：AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端，这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷振荡器一起构成自激振荡器。用户还可以采用外部时钟，在这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.4 声光报警与LED显示3.4.1声光报警单元作为煤气泄露测试装置，声光报警部分不可缺少，当检测到CO气体在空气中的所占的比例超标时，就应该通过声光方式发出警报

45、，防止由于CO气体含量过高而发生的意外事故。本设计中的声光报警部分包括蜂鸣器以及红、黄、绿三个LED报警指示灯。声光报警表现形式如下：()绿色灯点亮表示传感器检测到CO气体，但没达到下限值，一切正常，此时红色和黄色熄灭，蜂鸣器不发声；(2)黄色灯点亮表示传感器检测到CO气体浓度超过下限值，但没有达到报警值，此时红色灯和绿色灯熄灭，蜂鸣器不发声；(3)红色灯点亮时表示被测得CO气体含量已经达到报警值，此时黄色和绿色灯熄灭，蜂鸣器发出报警，通知用户；单片机本身I/O的驱动能力不是很高，所以对蜂鸣器的驱动需要加入一个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

46、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。声光报警单元与单片机的连接图如下：图3-4声光报警电路3.4.2 LED显示LED数码显示器是一种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了8个LED发光二极管，其中7个用于显示字符，1个用于显示小数点，故称之为7段发光二极管数码显示器。驱动LED的时候，应该分二种情况比如用共阳接法和共阴接法，共阳的时候LED正端接正电源，负端通过一个限流电阻接P口，这时不用接上拉电阻，只要这个限流电阻取合适就可以了发光管亮的时候电流就是从电源正LED限流电阻P口，P口为低电位发光管灭的时候没有电流流过，P口为高电位或高阻状态共阴接法，

47、LED负端接地，正端直接P口，这时候要接上拉电阻，这个上拉电阻是提供LED发光用的，发光管亮的时候电流是从电源正上拉电阻LED 地。这时上拉电阻也是限流用的。P口为高电位或高阻状态发光管暗的时候电流是从电源正上拉电阻P口，这时LED无电流流过，P口为低电位，限流电阻上流过电流全部从P口流入。 要从单片机的输出驱动能力开始讲起。单片机输出驱动分为高电平驱动和低电平驱动两种方式，所谓高电平驱动，就是端口输出高电平时的驱动能力，所谓低电平驱动，就是端口输出低电平时的驱动能力，当单片机输出高电平时，其驱动能力实际上是靠端口的上拉电阻来驱动的，实际测试表明，51单片机的上拉电阻的阻值在 330K左右，也

48、就是说如果靠高电平驱动，本质上就是靠330K的上拉电阻来提供电流的，当然该电流是非常小的，小的甚至连发光二极管也难以点亮，如果要保证LED正常发光，必须要外接一个1K左右的上拉电阻，如果是一个led还好，要是10个、20个led的话，就要接10个、20个1K的上拉电阻，接电阻的本身是可以的，问题是接了上拉电阻以后，每当端口变为低电平0的时候，那么就有10个、20个上拉电阻被无用的导通，假设每个电阻的电流为5mA计算，20个电阻就是100mA，这将造成电源效率的严重下降，导致发热，纹波增大，以至于造成单片机工作不稳，因此很少有采用高电平直接驱动led的，高电平驱动led 实际上就是共阴。低电平驱

49、动就不同了，端口为低电平0时，端口内部的开关管导通，可以驱动高达30多毫安的驱动电流，可以直接驱动led等负载，当端口为低电平0时，尽管内部的上拉电阻也是消耗电流的，但是由于内部的上拉电阻很大，有330K，因此消耗电流极小，基本上不会影响电源效率，不会造成无用功的大量消耗，因此51单片机是不能用高电平直接驱动led的，只能用地电平直接驱动led，即只能用共阳数码管，而不能直接用共阴数码管本设计通过观察LED数码显示器显示CO浓度值，判断CO浓度值是否超过上限值，如果超过，自动报警，同时打开排气扇，使CO浓度降低。如果超过下限值，切断阀闭合，以便达到正常状态。3.5排气扇控制系统与切断阀3.5.

50、1光电隔离器在开关量控制中，最常用的器件是光电隔离器。光电隔离器的种类繁多，常用的有发光二极管/光敏三极管，发光二极管/光敏复合晶体管，发光二极管/光敏电阻，以及发光二极管/光触可控硅等。光电隔离器有GaAs红外线二极管和光敏三极管组成。当发光二极管正向电流通过时，即产生人眼看不见的红外光，其光谱范围为7001000nm。光敏三极管接收光照以后便导通。而当该电流撤去时，发光二极管熄灭，三极管随即截止。利用这种特性即可达到开关控制的目的。由于该器件是通过电光电的转换来实现对输出设备进行控制的，彼此之间没有电器连接，因而起到隔离作用。隔离电压与光电隔离的结构形式有关。双列直插式塑料封装形式的隔离电

51、压一般为2500v左右；陶瓷封装形式的隔离电压一般为500010000v。不同型号的光电隔离器输入电流也不同，般为10mA左右。其 输出电流的大小将决定控制输出外设的能力一般为10mA左右。其 输出电流的大小将决定控制输出外设的能力。3.5.2继电器选择继电器是电气控制中常用的控制器件。一般由通电线圈和触点构成。当线圈通电时，由于磁场的作用，使开关触点闭合（或打开）。当线圈不通电时，则开关触点断开（或闭合）。一般线圈可以用直流低电压控制；而触点输出部分可以直接与220V连接；有时继电器也可以与低电器配合使用。继电器有电磁继电器，干簧管继电器，固态继电器（半导体继电器）等1. 电磁继电器2. 热

52、敏干簧继电器3. 固态继电器（SSR）本次设计采用固态继电器下面对固态继电器作一下详细介绍：固态继电器是一种两个接线端为输入端，另两个接线端为输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。 固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型。按开关型式可分为常开型和常闭型。按隔离型式可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型，以光电隔离型为最多。(1) 固态继电器（SSR）是一种全电子电路组合的元件，它依靠半导体器件和电子元件的电磁和光特性来完成其隔离和继电切换功能。固态继电器与传统的电磁继电器相比，是一种没有机械，不含运动零部件的继电器，但具有与电磁继电器本质上相同的功能。(2) 固态继电器

53、的分类：按工作性质分有直流输入-交流输出型，直流输入-直流输出型，交流输入-交流输出型，交流输入-直流输出型，按安装方式有装置式（面板安装），线路板安装型。按元件分有普通型和增强型。 (3) 固态继电器优缺点：优点：多数产品具有零电压导通，零电流关断，与逻辑电路兼容（TTL、DTL、HTL）切换速度快、无噪音、耐腐蚀、抗干扰、寿命长、体积小，能以微小的控制信号直接驱动大电流负载等。 缺点：存在通态压降，需要散热措施，有输出漏电流，交直流不能通用，触点组数少，成本高。(4) 固态继电器应用领域： 由于固态继电器的内在特点，自问世以来以进入电磁继电器的大多数领域，在少数领域以完全取而代之。(5)

54、基于上述介绍，固态继电器不是直接接温度控制器，温控器仅是一个传感元件，相应的还得有电源和其它辅助电路。虽然继电器本身有一定的隔离作用，这里还是采用光电隔离器进行隔离。3.5.3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。图3-5光电隔离技术电路如图3-5所示，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

55、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

56、是将风扇换成切断阀，原理相似。第4章接口总线4.1 RS-232接口总线RS-232C是美国电子工业协会(EIA)正式公布的，在异步串行通信中应用最广的标准总线。该标准适用于DICE和DTE间的串行二进制通信，最高数据传送速率可达19.2Kbps，最长传送电缆可达15米。RS-232C标准定义了25根引线，对于一般的双向通信，只需使用串行输入RXD，串行输出TXD和地线GND。RS-232C标准的电平采用负逻辑，规定+3+15V之间的任意电平为逻辑“0”电平，-3-15V之间的任意电平为逻辑“1”电平，与TTL和CMOS电平是不同的。在接口电路和计算机接口芯片中大都为TTL或CMOS电平，所以

57、在通信时，必须进行电平转换，以便与RS-232C标准的电平匹配，MAX232芯片可以完成电平转换这一工作。RS232C是一种电压型总线标准，可用于设计计算机接口与终端或外设之间的连接，以不同的极性的电压表示逻辑值。该系统实现串口通信模块主要是与上位机进行通信。单片机系统将保存在RAM中的数据送到上位机进行处理，从而减轻单片机系统的负担。由于单片机与上位机进行通信时接口电平不同，因此需要进行接口转化，这里采用MAX232芯片来实现接口电平的转化。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

58、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）。现选用其中一路发送/接收。R1out接AT89C51的RXD，T1in接AT89C51的TXD，T1out接PC机的RD，R1in接PC机的TD。因为MAX232具有驱动能力，所以不需要外加驱动电路。

59、MAXIM公司的MAX232/MAX232A接收/发送器是MAXIM公司特别为满足EIA/TEA2232E的标准而设计的，他们在EIA/TIA2232E标准串行通信接口中日益得到广泛的应用，他们具有功耗低、工作电源为单电源、外接电容仅为0.1F或1F，采用双列直插封装形式、接收器输出为三态TTL/CMOS等优越性，为双组RS-232接收发送器，工作电源为+5V，波特率高，其价格低，可在一般需要串行通信的系统中使用，MAX232外围需要4个电解电容，是内部电源转换所需电容，其取值均为1F/25V宜选用钽电容并且应尽量靠近芯片。图4-1 MAX232接口的硬件接口电路本设计中系统采用11.0592

60、MHz晶振，波特率采用1200b/s。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O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5章 部分软件程序5.1 部分单片机程序 本设计中包括主程序，数据采集程序，判断显示程序，报警程序，二进制转换

61、成十进制数程序和串口通信程序。5.1.1主程序ORG 0000HAJMP MAINORG 0003HLJMP RDORG 000BHLJMP TIM0ORG 0023HLJMP SOUTORG 0100HMAIN:MOV SP,#50HCLR P1.6CLR P1.5CLR P1.7MOV 29H,#00HMOV 28H,#00HMOV 21H,#00HMOV 22H,#64HMOV 23H,#0A0HSJMP KEYSETB IT0SETB EX0SETB ET0SETB ESSETB EAMOV TCON,#90HMOV TMOD,#21HMOV TL0,#A0HMOV TH0,#15HM

62、OV DPTR,#FE00HMOV A,#01HMOVX DPTR,ASETB TR0LCALL DISPLCALL CONTSJMP NEXTRET5.1.2数据采集程序ORG 0000HLJMP STARTORG 0013HLJMP PINT0START:MOV R0,#50H MOV R2,#08H MOV DPTR,#0FEF8H SETB IT0 SETB EX0 SETB EA MOVX DPTR,APINT0:MOVC A DPTR 中断子程序 MOV R0,A NC DPTR INCR0 DJNE R2,NEXT CLR EX0 SJMP FIN0NEXT: MOVX DPTR,AFIN0: RETI END5.1.3 A/D转换程序将读数依次放在片外数据存储器A0H-A7H单元。其主要程序和中断服务程序如下： 主程序：MAIN: MOV R0,#OA0H ;数据暂存区首地址 MOV R2,#08H ;8路计数初值 SETBI IT1 ;脉冲触发方式 SETB EA ;开中断 SETB EX1 MOV DPTR,#7FFBH ;指向0809首地址 MOVX DPTR,A ;启动A/D转换HERE: SJMP HERE ;等待中断中断服务程序： MOV