毕业设计单片机煤气报警器

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1、目 录摘 要IAbstractII前 言III第1章 绪 论11.1 课题背景11.2 燃气报警器的概述21.3 课题研究的目的及意义21.4 系统设计任务2第2章系统方案设计42.1 设计要求42.2 设计思路42.3 设计方案52.3.1方案一52.3.2 方案二62.3.3方案三62.3.4 方案的确定72.4 系统方案组成72.4.1系统三大部分82.4.2系统框图9第3章系统模块设计103.1 气体浓度检测模块103.2主控模块103.3设置报警模块14第4章硬件电路设计与分析154.1 系统电源的设计154.1.1 三端固定式集成稳压器154.1.2 +5V电源电路的设计164.2

2、 信号采集放大电路的设计174.2.1气敏传感元件特性174.2.2 信号采集放大电路的设计184.3 A/D转换电路的设计194.3.1 ADC08096的介绍194.3.2 电路具体设计方法214.4 存储器电路的设计224.5 显示器电路的设计234.5.1显示模块LCD1602234.5.2 电路设计方法234.6 报警器电路的设计244.7 键盘电路的设计254.7.1 键盘的工作原理254.7.2 键盘的识别方法254.7.3 键盘的工作方式264.8 串口通信电路的设计274.8.1 RS-232标准274.8.2 接口信号229第5章软件设计315.1 单片机编程3315.2

3、程序框图和主要程序32第6章实验调试356.1 硬件调试356.2 软件调试356.3 调试结果35结 论36致 谢37参考文献38附录A39附录B45附录C48附录D48哈尔滨理工大学远东学院学士学位论文煤气报警器摘 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

4、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 煤气泄漏 煤气报警Gas AlarmAbstract The rapid development

5、of the national gas industry, liquefied gas, natural gas, coal gas and other city gas as a clean energy business and urban residents in users has been widely used, and gas industry has great potential. But with the extensive use of gas, due to gas leak caused an explosion, poisoning and fire acciden

6、ts have also occurred to some extent, increased the citys insecurity and instability. In order for gas to better benefit the people, the benefit of the community, to reduce and eliminate all due to gas leak caused the explosion and fire, the gas unit and residential customers use to select a suitabl

7、e indoor gas leak alarm is actually necessary move. Gas sensor is the core of combustible gas. When the gas face gas sensor, the sensor resistance change with gas concentration, the resulting electrical signal for processing of combustible gas line after the class. After dealing with electronic circ

8、uit into a voltage proportional to the concentration change signal to be compensated by the linear circuit, the signal linearization, by computer processing, logical analysis, the output of various control signals, that is, when the gas concentration alarm set value , combustible gas audible alarm s

9、ignal can display gas concentration or start an external transport equipment. It is through this analysis of the current status of combustible gas, indoor design fault monitoring alarm system to protect peoples lives and property.Keywords Gas Leak Gas Alarm前 言当今，单片微型计算机技术迅猛发展，由单片机技术开发的智能化测控设备和产品广泛应用

10、到各个领域，单片机技术产品和设备促进了生产技术水平的提高。而室内故障监测报警系统正是单片机应用系统中的一种。单片机应用系统由硬件和软件组成。硬件是指单片机扩展的存储器、输入输出设备以及各种实现单片机系统控制要求的接口电路和有关的外围电路芯片或部件；软件是指单片机应用系统实现其特定控制功能的各种工作程序和管理程序。只有系统硬件和软件紧密配合、协调一致，才可能组成高性能的单片机应用系统。在单片机应用系统开发的过程中，应不断调整软、硬件，协调地进行软、硬件设计，以提高工作效率。单片机应用系统的开发过程一般包括系统的总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试几个阶段。这几个系统开发阶段并不是相互独立、各自

11、进行的，而应根据开发的实际需要，相互协调，交叉、有机的进行。实现气体浓度检测离不开高性能的气体传感器。从广义上讲，传感器就是能感受外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置；狭义上讲，传感器就是能将外界信息转换成电信号的装置。随着新技术和自动化的发展，传感器的使用数量越来越大，一切现代化仪器、设备几乎都离不开传感器18。在工业生产中，尤其是自动化生产过程中，用各种传感器来检测和控制生产过程中的各个参数，如温度、压力、流量、PH值等，以便使设备工作在最佳状态，产品达到最好的质量。此次设计中所利用到的气体传感器就是要测量烟雾和煤气浓度的动态信号，并且利用数模转换芯片将浓度值转换为数字值，

12、实现整个系统的检测与报警功能，实现智能控制。本文的室内故障监测报警系统就是单片机应用系统的一种典型应用，要求能够检测烟雾和煤气浓度，并且在气体浓度超过给定值时能实时报警。由于煤气中毒和火灾是家庭小区以及矿工企业常见事故，给人们生命财产安全带来了极大的危害。为了能减少事故的发生，提醒人们注意，迫切地需要室内故障监测报警系统。随着电子技术与计算机技术的发展，面对各种检测对象和大量的测试点，需要利用数据采集系统将多路被测量值转换成数字量，再经过单片机或微型计算机进行数据处理，实现实时检测。而此时采用单片机来实现室内故障监测报警系统不仅具有采集控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度提高采集点的技术

13、指标，从而大大提高系统的可利用性。此次四路巡回检测系统正是把ADC0809与AT89S51单片机有机的结合起来，也符合了本设计的要求。本人在此次设计中主要担任了系统的硬件电路图的设计、硬件的焊接和调试、软件的设计、以及各个芯片资料查找与整理等工作。设计中超出了任务书所给的任务，提出了本室内故障监测报警系统在网络中的应用方案。III第1章 绪 论1.1 课题背景随着国家经济的提高，现代化、智能化的多功能建筑越来越多，对建筑的防火安全设计要求也愈来愈高。近年来，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

14、进展，燃气行业发展潜力巨大。以“西气东输”工程为开端的大规模天然气利用工程的实施，意味我国城市燃气将大踏步地进入“天然气时代”。我国天然气市场将迎来一个千载难逢的机会，城市燃气需求的主要增长点将体现在天然气上。2000年党中央国务院提出“西部大开发”的重大战略部署，特别是2002年“西气东输”第一期工程正式开工，这无疑为发展西部地区的燃气产业带来历史性的机遇。西气东输工程，在西部优势资源和东部广阔市场之间架起了一座“金桥”，西气东输工程投入使用后，每年供应长江三角洲地区100亿立方米天然气。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

15、，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。“报警早，损失少”进一步说明了及时报警的重要性，在家庭里面也是如此，一旦发生火灾，提早报警，可以及时将火扑灭，以免小火酿成大灾。目前常用的有感烟、感温和可燃气体火灾报警器。像家庭中在使用煤气、液化石油气和天然气等燃料时，安装一个可燃气体报警器，当出现漏气或着火时，报警器能够立即鸣笛报警，告之主人及时采取措施。日本早在1980年1月开始实行安装

16、城市煤气、液化石油气报警器的法规，1986年5月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。美国目前已有7个州11个城市通过立法，规定家庭、公寓等都要安装一氧化碳报警器。随着城市燃气化的扩大，我国已有北京市、辽宁省、黑龙江省、山西省、哈尔滨市、青岛市、大连等省市相继发布燃气安全管理文件，做到政府立法和百姓自身提高安全保护意识有机结合。煤气的主要成分是CO、氢和烷烃、烯烃、芳烃等。煤气有毒是因为其中的CO、芳烃等能与人体中的血红蛋白结合，造成缺氧，使人昏迷不醒甚至死亡，在低浓度下也能使人头晕、恶心及虚脱。一氧化碳（CO）为无色、无味、无臭、无刺激气体，比重0.967，几乎不溶于水，不易被活性炭吸

17、附。当碳物质燃烧不完全时，可产生CO，如人体短时间内吸入较高浓度的CO，或浓度虽低，但吸时间较长，均可造成急性中毒。CO主要来自取暖燃料，CO对人体的损害主要表现在损害血液输送氧气的能力，CO与血红蛋白结合能力超过氧和血红蛋白的结合能力的200-300倍，当CO与血红蛋白结合形成的碳氧血红蛋白含量达到5%时，就会对人体产生慢性损害，达到60%时就会昏迷，达到90%就会死亡。由于发生一氧化碳中毒事件的普遍性和隐蔽性，迫切需要一种能够很好的监控室内一氧化碳浓度的仪器，并且在一氧化碳浓度过高时能够采取相关措施防止火灾的发生，保护人们的生命财产安全。 本文正是通过分析目前燃气报警器的现状，设计制作室内

18、故障监测报警系统，保障人们的生命财产安全。1.2 燃气报警器的概述 首先我们应对国家标准规定的燃气报警器的种类有所了解。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

19、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）。选择一款优质的燃气报警器，首先要选择质量过关的传感器。质量不过关的传感器，一般16个月性能就下降，因而失去报警器的安全性，出现不报警或误报警现象，而一种好的传感器可连续使用十几年，特性也不会有什么变化。但是，报警器中的其它电子元件的寿命都是有限，先进国家也规定燃气报警器的有效期最多为五年。报警器都存在着

20、检测误差，只有误差降低在5%以内这个报警器才符合使用要求。这就要求了煤气传感器性能必须符合这个条件，高精度的传感器是系统的灵魂。气体传感器受湿度、温度的影响较大，在条件需要的时候应该采用温度、湿度补偿来提高测量精度。1.3 课题研究的目的及意义因此设计出性能更加可靠，经济实惠的室内故障监测报警系统已成为市场的需要。目前，现有煤气检测仪器主要是面对工矿企业或公共场所的检测，价格高昂，对家庭也是不适应的。因此，本次设计所面对的是广大居民，其优点在于：（1）成本低廉并能对烟雾和煤气准确报警。（2）该产品无需专业人员操作，只要放在合适位置，通电即可，连续使用、方便简捷。（3）能起到预防煤气中毒的效果，

21、使人们高枕无忧。该产品必须能够有效预防广大农村居民的冬季燃煤取暖一氧化碳中毒事件的发生，同时也能够给城镇居民安全使用煤气提供有力的保障。1.4 系统设计任务 本文利用单片机电路制作室内故障监测报警系统。设计过程中关键的两个部分：系统硬件的设计和控制软件的编写。这也是在设计过程中需要解决的关键的问题。（1）硬件任务单片机室内故障监测报警系统的硬件主要有3大部分，即浓度检测和显示模块、主控模块和设置报警模块。浓度检测模块主要由半导体气体传感器QM-N5组成，它是整个系统中关键的元件；显示部分由LCD1602组成。主控模块由单片机及其相关软件组成，由程序对单片机进行控制。设置报警模块主要由键盘和报警

22、器等组成，这个模块是对报警煤气浓度进行设置和浓度过高的时候进行报警处理。硬件的设计需要单片机、模电及其数电的相关知识。在解决这一问题的过程中，需要查阅大量资料，结合所学知识，向老师获取帮助。（2）软件任务它的软件设计主要包括主程序和中断处理两大部分：主程序要完成I/O口，定时器的初始化及对中断输入的设定，然后延时使传感器进入稳定工作状态，等待定时器的中断；中断处理程序根据具体情况需要有相应的子程序。要对程序进行多次调试，分块编程。对各个子程序块所解决的问题要相当明确。最后在制作完成硬件电路板后要调试出设计要求的功能。第2章系统方案设计设计就是根据题目的要求而对硬件和软件进行规划，并选择最合适的

23、硬件电路和软件程序来达到目的。硬件设计是通过对设计要求的分析，对各种元器件的了解，而得出分立元件与集成块的某些连接方法，以达到设计的功能要求。并且把这些元器件焊接在一块电路板上。它包括对各种元器件的功能和接法的了解，以及对各种元器件的选择和设计方案的选择。软件设计是分析设计的硬件用程序实现其功能，并且调试优化产品功能。2.1 设计要求设计的监测报警系统应实现如下功能：系统能巡回检测四个不同位置的烟雾和煤气浓度，把检测到的信号送单片机处理，处理过的数据送显示器显示和送存储器保存，在烟雾和煤气浓度达到设置值时系统启动报警。2.2 设计思路本设计拟按以下思路展开研究：（1）根据该设计要实现的基本功能

24、，设计大致应该分为信号采集放大，信号处理控制，系统设置报警三个部分。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。信号处理部分是将采集到的模拟信号转换成数字信号，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。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。（2）依据上面所说的思路，得到如下一些基本的结论：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，为使其有效的检测室内气体浓度，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和反相两级放大。信号处理部分为了实现精确

25、控制，采用单片机较为合适。将模拟信号送A/D模块进行模数转换，经过处理后送存储器保存和送显示器显示。系统设置报警部分可以考虑采用44键盘设置初始值和蜂鸣器报警。根据对上面设计系统的分析，我们得到该设计思想框图如下图2-1所示：将上述设计思想结合设计要求总结为：单片机电路制作室内故障监测报警系统对室内四个不同位置的烟雾和煤气浓度进行巡回监测；由电阻型半导体气体传感器采集烟雾和煤气的浓度；采集到的信号送入A/D模块完成A/D转换；最后将数据送入单片机进行数据处理；处理过的数据送存储器进行保存以方便调用；处理过的数据经过比较，若超过预先由键盘设定的值则触动报警器报警；由单片机处理过的数据都送显示器或

26、经串口接口调用送电脑进行再处理。信号采集放大信号处理控制系统设置报警图2-1 设计思想框图2.3 设计方案2.3.1方案一采用单个传感器检测房间气体浓度，将检测的到浓度信号送入A/D芯片中进行模数转换，利用AT89S51单片机控制触动蜂鸣器进行声音报警以及将气体传感器检测到的浓度值在液晶显示器上显示出来。分析：此设计虽然简单，但是存在着严重的问题。采用单个传感器检测房间气体浓度是不合适的。气体传感器所测量的值经常会发生变化。在一段短时间内可能很稳定，而在一段较长时间内则可能有缓慢起伏，或呈周期性的脉动变化，甚至出现突变的尖峰。气体传感器主要通过两个基本特性-静态特性和动态特性来反映传感器的这种

27、变动性。 静态特性通常反映在灵敏度上。所谓的灵敏度，是指在静态工作条件下，其单位输入所产生的输出，用S表示。（2-1）动态特性是气体传感器的特有问题，反映气体传感器对随时间变化的输入响应特性。动态特性好的气体传感器，其输出特性曲线随时间变化很小。动态特性的输入与输出关系不是一个常数，而是时间的函数，随时间的变化而变化，因此常用传递函数表征。 （2-2）由此可见，气体传感器的输入和输出关系并非简单的线性或曲线关系，要对气体传感器建立一个准确的温度修正数学模型是很困难的。通常应用时，都忽略气体传感器的动态特性，根据其静态温度响应灵敏度，采取一定的措施对其进行补偿。如通过温度传感器16测出环境的温度

28、，对气体传感器的输出特性曲线进行修正；或者直接对传感器进行硬件补偿。气体传感器特性总是会受到环境温度、湿度的影响而变化，气体报警器要能够有效实现对环境气氛的监控，有效避免误报、漏报，提高测量的准确性，必须对气体传感器进行有效的温、湿度补偿和修正。本设计主要考虑如何有效实现传感器的温度补偿。 传统补偿方式一般有硬件补偿和软件补偿两种。所谓硬件补偿是指直接使用温度传感器在电路中对气体传感器进行补偿，这种方式虽然简单，但只有在温度传感器和气体传感器的温度特性一致时，才能很好地补偿；很难实现宽范围的气体传感器和温度传感器的特性匹配。软件补偿方式通过传感器的温度特性曲线拟合进行算法补偿，这种方式是以一定

29、的特性曲线作为基础，对不同的工作环境和不同传感器的温度特性，用算法处理和查表修正以得到不同的补偿效果。该方式较为复杂，对特性离散的传感器，拟合效果差。为了解决这个问题，提出采用双传感器补偿方式，具体来说就是选用两个特性一致（实际上只能做到非常接近）的气体传感器来实现补偿，把其中一个气体传感器A密封代替温度传感器，对另一气体传感器B进行补偿。这样的补偿方式，不仅能较好地拟合气体传感器的静态温度特性，而且对传感器的动态温度响应也能同步实现补偿23。由于方案一传感器测量精度不高，所以不予采纳。2.3.2 方案二采用双传感器5，采用相互补偿的方法检测房间气体浓度，将检测的到浓度信号送入A/D芯片中进行

30、模数转换，利用AT89S51单片机控制声音报警以及将气体传感器检测到的浓度值在显示器显示出来。分析：此设计方法虽然解决了传感器检测气体浓度时温度和湿度对测量值的影响，但是，在实际制作的过程中，需要利用的核心控制芯片必须最少具有4路8位A/D口，气体和温度敏感信号直接由A/D口采集后，进行一定的算法修正和软件补偿。由于本课题要求采用四路巡回检测，如果采用本方案那么就需要8个特性相同的半导体气体传感器（4个密封检测气体浓度，另外4个做补偿），为了达到更好的温度修正效果，往往需要传感器厂家的配合，在生产时对传感器进行成对生产，以保证传感器特性的一致性。并且主控制芯片采用常规的ADC0809和单片机并

31、不支持，且制作硬件极其复杂，系统整体设计体积过大、功耗高、成本太高。单单采用此种方法并不能更好的提高测量性能，还需要加以软件补偿。由于采用此方案制作硬件极其复杂，系统整体设计体积过大、功耗高、成本太高，所以不予采纳。2.3.3方案三采用高性能半导体气体传感器7，采用四路巡回检测的方法检测房间气体浓度，将检测的到浓度信号送入A/D芯片中进行模-数转换，利用AT89S51单片机控制声音报警、键盘输入、存储器运行，并且将气体传感器检测到的浓度值在LCD显示器上显示出来。分析：选用此方法设计电路不仅解决了温度、湿度的影响，并且简化了设计电路，降低了成本，采用此种方法设计主体电路。具体电路设计将在下文中

32、给出。通过搜集信息，提出本次设计采用QM-N5型气体传感器。现在特将此传感器简单介绍如下：(1) 特点：QM-N5型气体传感器8是以金属氧化物SnO2为主体材料的N型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。适用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、烯类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气、烟雾等的检测，属于N型半导体元件。灵敏度较高，稳定性较好，响应和恢复时间短。用它做成的报警器完全可以达到UL2034标准，不需温、湿度补偿。(2) 工作条件：工作电压：5V 0.5V静态功耗：0.5W(加热丝冷态电阻为50 2)环境条件：温度-10+50,相对湿度95%初期稳定时间：15

33、分钟响应时间：10s恢复时间：60s检测煤气浓度范围：5020000ppm(3)对一氧化碳反应的敏感度14： 图2-2 系列一氧化碳浓度的条件下RL电压的振荡曲线。高湿高温对传感器的影响：根据测试结果表明，此传感器可承受96%RH相对湿度、70的环境条件，但基电平升高。2.3.4 方案的确定 现今半导体气体传感器技术的不断提高，使得在应用此类传感器时不必采用温度、湿度补偿7，极大的简化了电路和降低了成本。鉴于对以上三个方案的对比分析，方案三最符合设计要求，所以我选择使用方案三来设计本次毕业设计的主体电路。2.4 系统方案组成本设计属于单片机应用系统。它是单片机在系统检测方面的应用，是典型的嵌入

34、式系统。通常将满足海量高速数值计算的计算机称为通用计算机系统；而把面向工控领域对象，嵌入到工控应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。嵌入式系统一般分为四种:工控机，通用CPU模块，嵌入式微机处理，单片机。嵌入式系统具有以下特点：(1)面对控制对象。如传感信号输入、人机交互操作,伺服驱动等。(2)嵌入到工控应用系统中的结构形态。(3)能在工业现场环境中可靠运行的品质。 (4)突出控制功能。如对外部信息的捕捉、对控制对象实时控制和有突出控制功能的指令系统(I/O控制、位操作和转移指令等)。单片机有惟一的专门为嵌入式应用系统设计的体系结构与指令系统，最能满足嵌入式

35、应用要求。单片机是完全按嵌入式系统要求设计的单芯片形态应用系统，能满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行及非凡的控制品质等要求，是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。2.4.1系统三大部分单片机应用系统的结构分三个层次。 (1)单片机：通常指应用系统主处理机，即所选择的单片机器件。(2)单片机系统10：指按照单片机的技术要求和嵌入对象的资源要求而构成的基本系统,如时钟电路、复位电路和扩展存储器等与单片机构成了单片机系统。(3)单片机应用系统：指能满足嵌入对象要求的全部电路系统。在单片机系统的基础上加上面向对象的接口电路，如前向通道、后向通道、人机交互通道(键盘、显小器、打印机等

36、)和串行通信口(RS232)以及应用程序等。单片机应用系统三个层次的关系如图2-3:以此理解，单片机室内故障监测报警系统同样具有单片机应用系统的三个层次。其中以AT89S51单片机为核心构成单片机系统。在此系统中，检测信号进入单片机进行运算处理，控制外围电路。为了更好的理清设计思路，将整个系统细分为三部分加以设计说明。整个监测报警系统由三个部分组成，分为三大模块：浓度检测模块、主控模块和设置及报警模块。在本次设计中，使用的核心器件是单片机9和QM-N5型气体传感器。为了保证整个系统可靠的运行，设计中必须明确三大部分的实际联系：以单片机为中心，其他各大模块一一展开。其中，浓度检测及显示模块所实现

37、的功能是将房间中的烟雾和煤气浓度值转换成为单片机能够处理的数字信号，并且将浓度值显示出来；主控模块以单片机为主，对其他模块的运行进行控制；设置及报警模块是此系统的外围电路，它的功能实现形式最人性化，体现了智能控制，通过键盘设置报警浓度值，在检测到烟雾和煤气浓度超过设定值时会启动蜂鸣器报警。单片机系统单片机单片机应用系统人机交互通道应用程序串行通信口后向通道前向通道图2-3 单片机应用系统三个层次的关系2.4.2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：一路传感器ADC0809二路传感器 单片机AT89S51三路传感器四路传感器2K存储器报警器44键盘串口通信L

38、CD 5V电源图2-4 系统结构框图1） 信号采集部分：14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：44键盘电路，报警器电路。第3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18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。目前，气敏材料的发展使得气体传感器的灵敏度高、性能稳定、结构简单、体积小、价格便宜，并提高了传感器的选择性和敏感性。现有的燃气报警器，多采用氧化锡加贵金属催化剂气敏元件，但选择性差，并且因

39、催化剂中毒而影响报警的准确性。半导体气敏材料对气体的敏感性与温度有关。常温下敏感度较低，随着温度的升高，敏感度增加，在一定温度下达到峰值。由于这些气敏材料在需要在较高温度下(一般大于100)达到敏感度最好，这不仅要消耗额外的加热功率，还会引发火灾。 气体传感器的发展解决了这一问题。将气体传感器安装在易燃、易爆、有毒有害气体的生产、储运、使用等场所中，及时检测气体含量，及早发现泄漏事故。并将气体传感器与保护系统联动，使保护系统在气体到达爆炸极限前动作，将事故损失控制在最低。同时，气体传感器的小型化和价格的降低，使之进入家庭成为可能。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

40、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。按照检测气敏特征量方式不同分为电阻式和非电阻式两种。 电阻式半导体气体传感器是通过检测气敏元件随气体含量的变化情况而工作的。主要使用金属氧化物陶瓷气敏材料。随着近年来复合金属氧化物、混合金属氧化物等新型材料的研究和开发，大大提高了这种气体传感器的特性和应用范围。例如：WO3气体传感器可检测NH3的浓度范围为5ppm50ppm,ZnO-CuO气体传感器对200ppm的CO非常敏感。 非电阻式半导体气体传感器是利用气敏元件的电流或电压随气体含量而

41、变化的原理工作的。主要有CMOS二极管式和结型二极管式，以及场效应管式气体传感器。检测气体大多为氢气、硅烷等可燃气体。鉴于上述选择要点，本文中用到的烟雾和煤气传感器必须具备测量效果好、功耗小、动态特性良好和体积小、重量轻、价格低廉几个主要特征。为此我们选择QM-N5气体传感器。它完全符合上述条件，并且最为主要的特点是此传感器精度高，无需温度补偿。这样不仅简化了电路，而且还降低了成本，实为良好的选择。3.2主控模块系统选用单片机控制，采用AT89S51单片机。它的主要功能即是和ADC0809芯片一起共同接收检测信号，又可以通过对数字信号的处理来控制外围电路以及显示电路。采集信号经过ADC0809

42、处理后送单片机进行数据处理，处理后的信息将通过单片机控制，在LCD显示器上显示出来，并且送存储器。下面来详细介绍一下AT89S51单片机：AT89S51是一种带4K字节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。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。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AT89S51是一种高效微控制器。AT89S系列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案。所以本设计我们选择AT89S

43、51单片机作为控制器的核心芯片。下面来介绍AT89S51单片机13的引脚定义及功能：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，VccVss(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3-1 AT89S51引脚功能图（3）输入/输出引脚P0，P1，P2，P3：P

44、0.0P0.7(3932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AD0AD7。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.0P1.7(18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。P2.0P2.7(2128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A8A15。在对EPROM编程和验证程序时，它输入高8位地址。P3.0P3.7(1

45、017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，在此，对P3口相应引脚用于控制信号时的情况如表3-1所示：表3-1 P3口的引脚功能引脚信号控制信号说明P3.0RXD串行数据输入P3.1TXD串行数据输出P3.2INT0外部中断0P3.3INT1外部中断1P3.4T0定时器0输入P3.5T1定时器1输入P3.6WR写存储器信号P3.7RD读存储器信号（4）控制线（4条）RST：AT89S51的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片又时，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

46、，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ADDRESS LATCH ENABLE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

47、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Program Store Enable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

48、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:PC 0000HACC 00HPSW 00HSP 07HDPTR 0000HP0P3 FFHIP *000000BIE 0*000000BTMOD 00HTCON 00HTL0 00HTH0 00HTL1 00HTH1 00HSCON 00HSBUF 不定PCON 0*0000B复位后，程序计数器PC15的值是0000H

49、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引脚（即地）之间加一个10k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，在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（

50、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4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：JNB P3

51、.2；若INT0=0，不往下执行JB P3.2；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。因此，内部时钟并不停止工作，只是去CPU的路径被门电路切断，但仍然供应中断电路、定时器和串行口。CPU的状态被完整地保持起来，如PC,SP,PSW,ACC等都保持节电前地状态，各I/O口也保持节电前地逻辑值，ALE和PSEN均进入无效状态。3.3设置报警模块此模块主要由键盘

52、、报警器5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。模块的结构框图如下图3-3所示： 报警器 P3.3 单片机 INT0 P2口图3-3 设置报警模块的结构框图至此，本系统三大模块功能和设计思路已经确立，下文将介绍整个系统的详细设计过程，并且给出设计电路。第4章硬件电路设计与分析每一个设计都要以一定的知识为基础，知识的多少在一定程度上决定了设计出来的东西的好坏程度。这些知识包括硬件知识和软件知识。硬件知识用来设计硬件电路，以实现信号的采集、放大、转换和显示等功能。软件知识用来设计芯片

53、处理数据的先后顺序，数据的获得途径以及对数据做怎样的处理和显示功能等等。当然，在硬件电路里一些芯片是必不可少的，软件设计也需要对芯片进行编程序。本章将介绍本次设计用到的一些基本知识和主要芯片。电路的设计都在建立在理论的基础上。理论依据的成立与否在很大程度上决定了电路设计的成功，也整个系统能否实现的根本。为此，本章将着重介绍硬件电路的设计以及分析。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

54、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 0.1 F 或者几个 F。安装时，两电容应直接与三端集成稳压器的引脚根部相连。 Vi 1 3

55、 Vo Vin Vout GND C1 C2 2图4-1 三端固定式集成稳压器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。78XX系列和79XX系列的管脚配置不同，在接线的时候要特别注意。如上图所示，三端稳压器的三端是输入端Vi、输出端VO和公共端COM，使用公共端通常接地。它的内部有效电路由调整管、保护电路、控制电路和误差放大器等组成，Vo-COM间电压与基准电压进行比较，工作时经常保持一致，当输入电压Vi或输出电流Io变化时，使输出Vo保持稳定。三端稳压器11为了使电路能稳定工作，在输入端和输出端分别接入电容。输入端稳定电容是当稳压器输入

56、阻抗降低时，防止发生震荡，可采用0.11uF的陶瓷电容,在应用中一般要在输入端前加一个电解电容，即平滑电容。当平滑电容距离稳压器很近时，可以省掉陶瓷电容。输出端电容也是稳定电容，对于降低输出纹波、输出噪声及负载电流变化的影响有很好的效果，采用0.11uF的陶瓷电容就可以了。三端集成稳压器的功耗几乎全部变成热，使稳压器的温度升高，若发热量小，可以依靠稳压器的封装进行自然散热，当发热量较大时，必须安装适当的散热器。对于三端稳压器，限制输入电压和输出电流。另外，稳压器内部有输出短路的保护功能，即过电流保护电路，限制输出电流不会很大；过热保护电路，过热时切断输出使内部电路不会过热。此外还有很多品种的稳

57、压器内有使输出晶体管不超过安全工作区的保护电路。因此过负载时稳压器也不会遭到损坏。为了使集成稳压器能正常工作，输入电压Vi必须比输出电压Vo要高Vdrop, Vdrop为电压降，它随稳压器品种与工作条件不同而异，78XX系列为23V。另外输入Vi的上限由各品种规定，对于低输入电压品种其上限电压30V，高输入电压品种40V。为了提高Vo的稳定性，输入Vi要采用低纹波电源。三端稳压器有规定的额定电流，输出Io的下限没有特地限制，但Io的电流很小时，精度会降低，Io在15mA时输出精度得到保证。三端稳压器的输出电流最大为1.5A（78TXX/79TXX可到3A），实际需要输出电流超过1.5A或3A时

58、，可采用外接功率晶体管扩大电流。三端稳压器的输出电压的精度包括内部基准电压的精度，以及对于输入与负载变动的稳定性。基准电压的精度大致可以分为2%、4%、8%几类。最早的精度是8%，高精度为4%；最新的标准精度是4%，高精度为2%。另外三端稳压器的工作速度不太高，对输入电压或负载电流急剧变化的响应比较慢。特别是对高速负载的电流开关，稳压器没有很好的抑制效果，在稳压器输入和输出端需要接电容使稳压器稳定。4.1.2 +5V电源电路的设计根据以上所介绍的参数，本系统所用+5V电源采用7805稳压管，将由变压器送出来的9V交流电压变成5V直流电压。本电路使用整流全桥对9V交流电压进行整流，然后经过滤波电

59、路送入7805稳压管，从而得到稳定的+5V直流电压。电路图如图4-2所示：本电路工作时，先将插头接到220V市电上，由开关接通电源，此时，红色发光二极管工作显示电源接通状态。图4-2 系统+5V电源电路设计4.2 信号采集放大电路的设计4.2.1气敏传感元件特性(1)灵敏度特性气敏元件的灵敏度特性,是表征气敏器件对检测气体敏感程度的指标.半导体气敏元件对多种可燃性气体和液体蒸汽都有敏感性能,其灵敏度视气体和液体蒸汽不同而有所不同.器件灵敏度虽各有差异,但它们都遵循共同规律,即气敏元件阻值与检测气体浓度成对数关系变化：logRc=m.logC+n （4-1） 式中n与气体检测灵敏度有关，除了随材

60、料和气体种类不同而变化外，还会由于测量温度和添加剂的不同而发生大幅度变化。m为气体的分离度，随气体浓度变化而变化，对可燃性气体，。在这里m=，n=4。 (2)温湿度特性半导体气敏元件敏感原理是基于敏感体表面的吸附反应,所以易受环境温度、湿度影响.由于气敏器件与环境温湿度有一定依赖关系,所以在需要较高精度和可靠性的应用中,在电路中要加入温湿度补偿.湿度传感器的昂贵价格限制了湿度补偿的采用，一般仅作温度补偿即可取得较好效果。(3)加热特性半导体气敏元件需要在加热状态下工作,加热温度影响器件的性能,加热功率变化,元件电阻及灵敏度也相应的有所变化，所以传感器的工作电源应使用稳压电源。(4)初期恢复特性:气敏元件在不通电状态下存放后,再通电时并不能立即投入正常工作,其电阻值会有一段急剧变化过程,而后趋于稳定.元件由通电至趋于稳定的时间称为初期恢复时间。初期恢复时间与元件种类、存放时间和存放环境状态有关；一般不通电存放时间长,初期恢复时间亦长，但一般都在5分钟以内。由于这种影响使得气体检漏仪或报警器在通电初期即使没有检测气体,也会触发报警,即所谓通电初期误动作.为此,在设计报警器电路时,可采取适当措施,设法消除这种误动作现象或避免这种影响