煤气泄漏报警器论文

煤气泄漏报警器论文 摘 要 摘 要 随着社会科学技术的发展带动的经济增长，广大居民对自身的生活质量和生活环境越来越重视，因此天然气、煤气的广泛使用为人们带来了极大的方便，与此同时也带给人们潜在的危险。由于近几年来人们更多地采用更安全的天然气燃料，导致对煤气燃料的疏忽，由煤气导致的家庭煤气中毒与爆炸事件不在少数，因此有一个能及时并准确检查煤气泄漏报警装置十分重要。 本次设计是基于单片机和气体传感器作为可燃性气体泄漏报警器设计的核心器件，配合其他的器件即可实现室内温度显示和报警功能等。设计中单片机作为系统的控制器件，选用气体传感器来实现对可燃性气体的检测。煤气泄漏报警器主要由单片机控制系统电路、温度信号和气体信号的采集及模数转换电路、声光报警电路、数码管显示电路构成。此次设计合理，价格低廉、电路原理简单易懂，具有一定的实用性价值。论文主要针对控制系统电路和其它模块电路之间的接口连接方式以及系统的软件设计进行重点的和讲解。 关键词:煤气泄漏;单片机;气体传感器 I ABSTRACT ABSTRACT With the development of social science and technology driven economic growth， the majority of residents on their own quality of life and living environment seriously more and more，so it is widely used in natural gas，coal gas brings great convenience to people, at the same time alsobring potential danger. In recent years，more and more people using natural gas as fuel formore security，leading to the gas fuel gas caused by negligence， the family of gas poisoningand explosion in the minority，so one can timely and accurately is very important to check the gas leakage alarm device. This designs the core device of gas sensor based on single chip microcomputer and the combustible gas leakage alarm design，cooperate with display and alarm functions. The other devices can achieve the indoor temperature design of MCU as the control device, the gas sensor for detection of combustible gas. The alarm is mainly composed of single chip computer control system circuit， analog temperature signal acquisition and signal conversion circuit and gas, sound and light alarm circuit，digital display circuit composed of a gas leak.The reasonable design, low price，simple circuit, has some practical value. The software design of paper between the control system circuit and other circuit module interface connection mode and system analysis and explanation of the key. Keywords:gas leakage;MCU;gas sensor II 目录 目录 第1章 引言 .....................................................................................................................5 1.1 选题背景 ...........................................................................................................5 1.2 设计课题的目的及意义 ...................................................................................5 1.3 课题的国内外研究现状 .....................................................................................6 1.3.1可燃性气体泄漏报警器种类与结构 ........................................................6 1.3.2国内外情况及其发展趋势 ........................................................................6 第2章 系统概述 .............................................................................................................8 2.1 课题的主要任务 .................................................................................................8 2.2 的选择 .........................................................................................................8 2.3 单片机的选型 ...................................................................................................8 3.1 AT89C52单片机简介 ................................................................................9 2. 2.3.2 单片机引脚功能介绍 .............................................................................10 2.4气体传感器选型 ................................................................................................12 2.4.1 气体传感器的介绍 ...............................................................................12 2.4.2 气体传感器的分类 ...............................................................................13 2.4.3 MQ-2气体传感器 ..................................................................................15 2.5煤气泄漏报警器的工作结构和原理 ................................................................16 2.6系统组成 ............................................................................................................17 第3章 硬件设计 ...........................................................................................................19 3.1 MQ-2气体传感器感应模块..............................................................................19 3.2 DS18B20温度传感器感应模块........................................................................19 3.2.1 DSl8B20简介 ......................................................................................20 3.2.2 DSl8B20具体参数及工作方式 ..........................................................24 3.2.3 18B20接口电路 ..................................................................................25 3.3 AT89C52单片机 ................................................................................................27 3.3.1 AT89C52单片机管脚图 ..........................................................................27 3.3.2 时钟电路 ........................................................................................................27 3.3.3 复位电路 .................................................................................................28 III 目录 3.4 A/D转换模块.....................................................................................................29 3.5 按键控制模块 ...................................................................................................29 3.6 数码管显示模块 ...............................................................................................30 3.8 蜂鸣器报警模块 ...............................................................................................31 第4章 软件设计 ...........................................................................................................32 ........................................32 4.1 系统主程序设计及流程图 ................................ 4.2 A/D转换模块程序设计..............................................................................33 4.4 显示模块程序设计 ....................................................................................33 第5章 软件调试与仿真 ...............................................................................................35 结论 .................................................................................................................................39 参考文献 .........................................................................................................................40 致谢 .................................................................................................................................41 附录 .................................................................................................................................42 附录一:总体原理图设计 ......................................................................................42 附录二:程序代码 ..................................................................................................43 外文资料 .................................................................................................................59 译文 .................................................................................................................................60 IV 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 第1章 引言 1.1 选题背景 在当今社会发展中，现代科技的发展给人类带来了很大的方便，随着电子信息技术的快速进步，从单片机问世以来，就一直受到人们的关注和重视，随着近几十年人们对单片机的不断开发和利用，使得单片机被广泛应用于各种控制系统中。然而，人生安全问题也越来越受到人们的重视。在现代的多数农村以及城郊结合部地区，煤气罐非常常见。可燃性气体给我们带来的方便不言而喻，但它们对人体的危害也是显而易见的，为了人们生命安全，煤气泄漏报警器的存在是非常重要的。因此设计一款基于单片机的可燃性气体泄漏的报警控制系统来对燃气浓度进行检测，防止因燃气泄漏导致浓度过高而引起的煤气中毒和爆炸事件，为人们提供安全的保障。与此同时也会减少不必要的财产损失。 1.2 设计课题的目的及意义 随着人们生活水平的不断提高，从20世纪70年代末中国的一些城市家庭便开始使用煤气罐作为燃料。直至现在，很多北方地区、农村家庭以及许多家庭旅馆、餐厅仍然在使用煤炉、煤气罐等。每年，全国因煤气泄漏致使的人员伤亡事故仍时常发生。甚者，也有因煤气浓度过高引起爆炸等。 济南1.3煤气大爆炸1995年1月3日17时50分，济南市和平路羊头峪东沟街地下电力电缆沟突然发生大爆炸，造成2.2 km路段的人行道和部分路面不同程度损坏，严重地段的临街建筑物玻璃炸毁，铺路花砖炸裂，快车道上61人受伤，12人死亡，7辆过路车损坏，直接经济损失400余万元。此次大爆炸的原因仍然是煤气泄漏引起的。1995年1月3日17时50分，该街一家玻璃店的煤炉首先引爆了煤气，紧接着煤气管道上方的7条10000 V的高压电缆突然跳闸，产生的电火花再次引爆储存在沟内的煤气而发生连续爆炸。爆炸形成了一条3 km长的丁字形爆炸区。行驶中的车辆被炸翻、砸坏，多处高空电线和电线杆被炸断，马路两侧的部分楼房玻璃被震碎，临街围墙坍塌，商亭支离破碎，平房屋顶掀起，3辆摩托车随着爆炸声飞挂到3 m高的房顶上，铺设人行道的水泥方砖落在60 m以外的 5 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 宿舍院内。这类似的新闻不在少数，由于近几年来人们更多地采用更安全的天然气燃料，导致对煤气燃料的疏忽，由煤气导致的家庭煤气中毒与爆炸事件不在少数，因此有一个能及时并准确检查煤气泄漏报警装置十分重要。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。 1.3 课题的国内外研究现状 1.3.1可燃性气体泄漏报警器种类与结构 煤气泄漏报警器因能检测多种可燃性气体，所以多用于大型公寓、饮食餐店、医院、学校、工厂的各种气体报警器和系统，有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、遮断连动系统、防止中毒报警防护系统等。可燃性气体泄漏报警器可发出声光报警，或伴有数字显示，或联动外部设备。有的可燃性气体泄漏报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外;有的可燃性气体泄漏报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。 1.3.2国内外情况及其发展趋势 当前应用最广泛的可燃性气体泄漏报警器与气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，仅用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，不少发达国家已经明确规定家庭、公寓等要求安装相应的报警器。国外可燃性气体泄漏报警器发展很快，是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高;另一方面是由于燃气泄漏报警器市场增长受到政府安全法规的推动。因此，国外燃气报警器技术得到了较快发展，据有关统计猜测，美国在1996年—2002年就煤气报警器的年均增长率为27,,30,。在这些方面，国内应该增强安全意识增强。可燃性气体泄漏报警器的发展趋势集中表现为，一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是燃气泄漏报警器一直追求的目标;二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展现场适用的变送器和智能型可燃性气体泄漏气报警器。如美国在燃气泄漏报警器中嵌入微处理器，使燃气泄漏报警器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化、涉多功能化。 目前，一般的煤气报警器功能单一，性能未定性差，而且大型的监控系统价格不菲，需要专门人员管理，不适合居家使用。家用煤气泄漏的检测与报警是非 6 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 常重要的煤气安全设备，它是安全使用煤气的最后一道防线。煤气泄漏报警器的探测煤气的传感器主要是有氧化物半导体、催化燃烧型、热线型气体传感器，还有少量其他类型。这些传感器都是通过对周围环境中的煤气的吸附，在传感器表面产生化学反映或者电化学反应，造成传感器的电物理特性的改变。煤气泄漏报警器广泛应用在城市安防、小区、公司、仓库、化工等众多领域。气体传感器检测的气体有，一氧化碳，二氧化碳，甲烷，氢气等可燃或者有毒气体～ 煤气泄漏报警器从功能上可分为仅有泄漏报警功能的报警器和可以指示所探测到气体浓度并且具有报警功能的检测报警器。从使用场所上可分为民用报警器和商用报警器。民用的通常是独立的在住宅中使用的煤气报警器，功能简单。商用的主要使用在煤气运输、储存场所、使用煤气和可能有煤气泄漏的工厂和公共场所。城市煤气规范中规定地下室，半地下室，地上密闭空间的用气房间，建筑的管道井，封闭计量表房等都要安装煤气报警器。建筑和煤气的相关规范和法规也推荐使用民用煤气泄漏报警装置。 工业用固定式气体报警器是由报警控制器和探测器组成，控制器可放置于值班室。主要对各监测点进行监控，探测器安装于气体最容易泄漏的地点。探测器将检测到的气体浓度转换成电信号，通过线缆传输到控制器，浓度越高信号越强，当气体浓度达到或者超过报警点时，报警器发出报警信号，如果是阀门泄漏可启动电磁阀及排气扇等设备自动排除隐患。便携式检测仪为手持式，工作人员可随身携带，方便检测不同地点的气体浓度。家庭用气体检测器价格便宜，使用方便，省空间。 目前，随着传感器生产工艺水平的提高，传感器日益小型化，集成度不断提高，使得气体检测仪器越来越小。能用一种仪器检测多种不同气体是气体检测仪的发展趋势。国外在气体传感器的研究和应用方面达到了很高水平，形成了多系列多品种的产品。相比之下我国的研究和应用比较滞后，特别在产品开发上亟待加强。随着中国在世界加工制造业领域地位的不断提高，国内外技术交流的频繁开展，在传感器制造方面的条件正在成熟，加上政府对可燃性气体安全立法的重视和人们对安全的需要，对气体传感器需求的持续增长，气体传感器的市场正在不断成熟，相信在几年内我国会出现自己知识产权的气体传感器产品。 7 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 第2章 系统概述 2.1 课题的主要任务 1.气体检测，将燃气泄漏状态处理成高低电平信号，将该信号输入到单片机，通过单片机编程控制报警电路的工作状态。 2.温度显示，通过温度传感器，将室内温度转换为16位二进制数，通过单片机I/O接口传入单片机，并通过编程在数码管上显示出当前温度值。 3.要求报警器设计的性能可靠，经济合理。当出现天然气和液化气泄漏时，报警器能及时报警。 2.2 方案的选择 方案一，通过传感器感受到可燃性气体，降低自身的阻值，来增大电流，并且驱动蜂鸣器报警。电路简单、可靠但是灵活性和实用性差。 方案二，可以通过传感器感知信号多级放大电路，并用电位器调节得到固定的电压值，当得到可燃性气体信号时，电阻值立刻变小，放大器的放大倍数增加，电压也就随着增加，驱动三极管导通报警电路。该方案有一定的灵活性和可执性，但是电路比较复杂，智能性差。 方案三，通过单片机作为主控单元，并且能够通过传感器把模拟信号通过A/D信号转换为数字信号，并且读取和显示出来。键盘可以通过不同的应用场合和针对不同气体做出不同的浓度设定，并且储存报警的上限和报警时间，方便查询和日后的工作调查。 综合考虑，由于使用单片机设计灵活性更强、用途更宽广，所以本设计采用方案三。 2.3 单片机的选型 单片机是煤气泄漏报警系统的心脏，用来接收可燃性气体浓度信号并启动报警装置显示和执行相应的报警。在单片机实现的控制功能中，需要单片机有较快 8 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 的运算速度，使检测人员和用户在报警器系统正常工作时能够及时地观测到实时的气体浓度等级，并进行相应处理。同时，在能够满足报警器系统设计的计算速度及接口功能要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。 由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机家族的众多成员中，51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的市场，成为国内单片机应用领域中的主流。其中，51系列单片机的优点是价钱便宜，I/O口多，程序空间大。因此，测控系统中，使用51系列单片机是最理想的选择，因此设计采用AT89C52。 2.3.1 AT89C52单片机简介 AT89C52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C52在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。 其主要工作特性是:片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器，可擦写寿命为1000次;片内数据存储器内含256字节的RAM;具有32根可编程I/O口线;具有3个可编程定时器;中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个级优先权的中断结构;串行口是具有一双工的可编程串行通信口;具有一个数据指针DPTR;低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式具有可编程的3级程序锁定位;AT89C52工作电源电压为5(1+0.2)V，且典型值为5V;AT89C52最高工作频率为24MHz。其管脚图2.1如下所示: 9 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 图2-1 AT89C52管脚图 2.3.2 单片机引脚功能介绍 VCC:电源 GND:接地 P0口:P0口是一个8位漏级开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0口端口写“1”时，引脚作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。 在flash编程时，P0口也用来接受指令字节:在程序效验时，输出指令字节。程序效验时，需要外部上拉电阻。 P1口:P1口是一个具有内部上拉电阻的8位是双向I/O口，P1的输出缓冲 10 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑电平。对P1口写“1”时，内部上拉电阻的原因，将输出电流ILL。 在Flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。 P2口:P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲级可 驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑电平。对P2口写“1”时，通过内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流ILL。 在访问外部好曾许存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在Flash编程和校验时，P2口接收低8位地址字节和一些控制信号。 P3口:P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑电平。对P3口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入端口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流ILL。 在Flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。 RST:复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期以高电平将使用单片机复位。 ALE/:当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许)PROG 输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是:每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。 对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。 如有必要，可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条 MOVX 和MOVC指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 禁止位无效。 :程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号，当PSEN 11 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 AT89C52 由外部程序存储器取指令(或数据)时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。 /VPP:外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器(地址为0000HEA —FFFFH)，EA 端必须保持低电平(接地)。需注意的是:如果加密位LB1 被编程，复位时内部会锁存EA端状态。 如EA端为高电平(接Vcc端)，CPU 则执行内部程序存储器中的指令。 Flash存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。 :振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 XTAL1 :振荡器反相放大器的输出端。 XTAL2 2.4气体传感器选型 气体传感器作为煤气泄漏报警器中不可缺少的核心器件，是气体测量装置和控制系统的首要环节。煤气泄漏报警器的信号采集由气体传感器负责。气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置。它能够将气体的种类及其浓度有关的信息转换为电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在的情况有关的信息，从而达到检测、监控、报警的功能。可以说，没有精确可靠的传感器，就没有精确可靠的自动检测、控制和报警系统。 2.4.1 气体传感器的介绍 气体传感器是模拟传感器。它能将空气中的气体浓度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。气体传感器就是通过监测环境中气体的浓度来实现燃气泄漏爆炸事件的。当气体探头碰到某些特定的气体或烟雾，气体探头内部阻值发生变化，产生一个模拟值，从而对其进行控制。气体传感器利用气体敏感元件的电阻受气体(主要是可燃颗粒)浓度影响阻值变化的原理向单片机发送气体浓度相应的模拟信号。 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，使得煤气泄漏传感器的体积也逐渐变小，提高了煤气泄漏传感器的便携性，更加利于生产、运输和市场推广。目前，煤气泄漏传感器广泛应用在城市安防、小区、 12 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 工厂、公司、学校、家庭、别墅、仓库、资源、石油、化工、燃气输配等众多领域。在国内的产品中，无论哪家生产的煤气泄漏传感器，都可以探测到燃气泄漏的发生，都具有比较高的灵敏度，而且在安装中都比较简单。但是，由于各生产的设备不可通用，独立为正，不但不可彼此互相代替，更不可以互相通讯。使得用户面对众多厂家生产的煤气泄漏传感器感到不知所措。而这也正是国内产品市场的一个重大缺陷。 2.4.2 气体传感器的分类 早在上个世纪70年代，气体传感器就已经成为传感器领域一个大系，属于化学传感器一个分支。目前流行于市场气体传感器大约有如下一些种类: 1、催化燃烧式气体传感器 这种传感器是白金电阻表面制备耐高温催化剂层，一定温度下，可燃性气体其表面催化燃烧，燃烧是白金电阻温度升高，电阻变化，变化值是可燃性气体浓度函数。 催化燃烧式气体传感器选择性检测可燃性气体:凡是可以燃烧，都能够检测;凡是不能燃烧，传感器都没有任何响应。当然，“凡是可以燃烧，都能够检测”这一句有很多例外，总来讲，上述选择性是成立。 催化燃烧式气体传感器计量准确，响应快速，寿命较长。传感器输出与环境爆炸危险直接相关，安全检测领域是一类主导位传感器。 缺点:可燃性气体范围内，无选择性。暗火工作，有引燃爆炸危险。大部分元素有机蒸汽对传感器都有中毒作用。 目前这种传感器主要供应商中国、日本、英国(发明国)～目前中国是这种传感器最大用户(煤矿)，也拥有最佳传感器生产技术，尽管不断有各种各样代理商宣传上干扰社会对这种传感器认识，毕竟，催化燃烧式气体传感器主流制造商国内。 2、半导体式气体传感器 它是利用一些金属氧化物半导体材料，一定温度下，电导率环境气体成份变化而变化原理制造。比如，酒精传感器，就是利用二氧化锡高温下遇到酒精气体时，电阻会急剧减小原理制备。 半导体式气体传感器可以有效用于:甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、酒精、甲醛、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙炔、氯乙烯、苯乙烯、丙烯酸等很多气体检测。尤其是，这种传感器成本低廉，适宜于民用气体检测需求。 13 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 下列几种半导体式气体传感器是成功:甲烷(天然气、沼气)、酒精、一氧化碳(城市煤气)、硫化氢、氨气(包括胺类，肼类)。高质量传感器可以满足工业检测需要。 缺点:稳定性较差，受环境影响较大;尤其，每一种传感器选择性都唯一，输出参数能确定，不宜应用于计量准确要求场所。 目前这种传感器主要供应商日本(发明者)，其次是中国，最近有新加入了韩国，其他国家如美国这方面也有相当工作，始终没有汇入主流～中国这个领域投入人力和时间都不亚于日本，多年来国家政策导向以及社会信息闭塞等原因，我国流行于市场半导体式气体传感器性能质量都远逊于日本产品，相信，市场进步，民营资本进一步兴起，中国产半导体式气体传感器达到和超越日本水平已经指日可待～ 3、电化学式气体传感器 相当一部分可燃性、有毒有害气体都有电化学活性，可以被电化学氧化还原。利用这些反应，可以分辨气体成份、检测气体浓度。电化学气体传感器分很多子类: (1)原电池型气体传感器(也称:加伏尼电池型气体传感器，也有称燃料电池型气体传感器，也有称自发电池型气体传感器)，他们原理行同我们用干电池，电池碳锰电极被气体电极替代了。以氧气传感器为例，氧阴极被还原，电子电流表流到阳极，那里铅金属被氧化。电流大小与氧气浓度直接相关。这种传感器可以有效检测氧气、二氧化硫、氯气等。 (2)恒定电位电解池型气体传感器，这种传感器用于检测还原性气体非常有效，它原理与原电池型传感器不一样，它电化学反应是电流强制下发生，是一种真正库仑分析传感器。这种传感器已经成功用于:一氧化碳、硫化氢、氢气、氨气、肼、等气体检测之中，是目前有毒有害气体检测主流传感器。 (3)浓差电池型气体传感器，具有电化学活性气体电化学电池两侧，会自发形成浓差电动势，电动势大小与气体浓度有关，这种传感器成功实例就是汽车用氧气传感器、固体电解质型二氧化碳传感器。 (4)极限电流型气体传感器，有一种测量氧气浓度传感器利用电化池中极限电流与载流子浓度相关原理制备氧(气)浓度传感器，用于汽车氧气检测，和钢水中氧浓度检测。 目前这种传感器主要供应商遍布全世界，主要德国、日本、美国，最近新加入几个欧洲供应商:英国、瑞士等。中国这个领域起步很早，产业化进程效果不 14 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 佳。 4、热导池式气体传感器 每一种气体，都有自己特定热导率，当两个和多个气体热导率差别较大时，可以利用热导元件，分辨其中一个组分含量。这种传感器已经传感器用于氢气检测、二氧化碳检测、高浓度甲烷检测。 这种气体传感器可应用范围较窄，限制因素较多。这是一种老式产品，全世界各都有制造商。产品质量全世界大同小异。 5、磁性氧气传感器 这是磁性氧气分析仪核心，目前也已经实现了“传感器化”进程。它是利用空气中氧气可以被强磁场吸引原理制备。 这种传感器只能用于氧气检测，选择性极好。大气环境中氮氧化物能够产生微小影响，这些干扰气体含量往往很少，磁氧分析技术选择性几乎是唯一～ 6、红外线气体传感器 大部分气体中红外区都有特征吸收峰，检测特征吸收峰位置吸收情况，就可以确定某气体浓度。 这种传感器过去都是大型分析仪器，近些年，以MEMS技术为基础传感器工业发展，这种传感器体积已经由10升，45公斤巨无霸，减小到2毫升(拇指大小)左右。使用无需调制光源红外探测器使仪器完全没有机械运动部件，完全实现免维护化。 红外线气体传感器可以有效分辨气体种类，准确测定气体浓度。 这种传感器成功用于:二氧化碳、甲烷检测。 2.4.3 MQ-2气体传感器 MQ-2半导体传感器是以清洁空气中电导率较低的金属氧化物二氧化锡(SnO2)为主体的N型半导体气敏元件。当传感器所处环境中存在燃气气体时，传感器的电导率随空气中气体浓度的增加而增大。在设计报警器时只有使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。该传感器具备一般半导体气体传感器灵敏度高、电导率变化大、响应和恢复时间短、抗干扰能力强、输出信号大、寿命长和工作稳定等优点，在市面上应用十分广泛。 MQ-2气体传感器适用于烟雾、天然气、煤气、氢气、烷类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气等的检测，对可燃性气体的(CH4、C4H10、H2等)的检测很理想。这种传感器在较宽的浓度范围内对可燃性气体有良好的灵敏度，能够检测多种可燃 15 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 性气体，十分适合应用在家庭的气体泄漏报警器中。是一款便携式气体检测器，非常适合多种应用的低成本传感器。其技术指标表2-1。 表2-1 MQ-2的技术指标 加热电压(Vh) AC或DC 5?0.2V 回路电压(Vc) 最大DC 24V 负载电阴(Rl) 2KΩ 清洁空气中电阻 (Ra) ?2000 KΩ 灵敏度(S=Ra/Rdg) ?4(在1000ppmC4H10中) 响应时间(trec) ?10S 恢复时间(trec) ?30S 元件功耗 ?0.7W 检测范围 50—10000ppm 由于物理量和测量范围的不同，传感器的工作机理和结构就不同。通常气体传感器输出的电信号是模拟信号(已有许多新型传感器采用数字量输出)。当信号的数值符合A/D转换器的输入等级时，可以不用放大器放大;当信号的数值不符合A/D转换器的输入等级时，就需要放大器放大。所以MQ-2气体传感器要想把采集到的气体浓度模拟信号传送给单片机控制器就必须经过将模拟信号经过A/D转换器转化为可以识别的电信号给单片机。 2.5煤气泄漏报警器的工作结构和原理 煤气泄漏报警器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。该报警系统的最基本组成部分应包括:信号采集及模数转换电路、单片机控制电路、字符显示电路、声光报警电路等部分组成。 为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆气体安全性要求，设计的煤气泄漏报警器具有显示报警状态等功能。报警器采用延时的工作方式，煤气泄漏报警器以AT89C52单片机为控制核心，选用MQ-2传感器采集气体浓度信息，配合外围电路构成煤气泄漏报警系统。报警器系统结构如图2.2。 16 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 图2-2 报警器系统结构图 利用气敏元件可以直接测定环境中的甲烷、CO等可燃性气体的浓度，选取并采用了MQ-2气体传感器来测定。A/D转换器可以将气敏元件采集到的模拟信号转换成单片机能识别的数字信号，将数字信号送入单片机进行数据分析与处理，当浓度超过设置的上限值，单片机控制进行报警;且采用DS18B20温度传感器采集室内的温度信号，并通过编程在数码管上显示出当前温度值。本设计选用AT89C52单片机，通过控制外部A/D转换电路进行信号的模数转换，并在浓度超出设定值时，单片机驱动蜂鸣器报警发出响声。 2.6系统组成 本设计以单片机为核心设计的一种数字浓度控制系统，系统整体框图主要由主控制器、单片机复位、气体传感器、温度传感器、上限值调节、时钟振荡、数码管显示、蜂鸣报警器组成。系统框图如图2.4; 17 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 图2-3 系统框图 18 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 第3章 硬件设计 3.1 MQ-2气体传感器感应模块 MQ-2可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，可以探测液化气、丁烷、丙烷、甲烷等。本设计选取了MQ-2作为气体传感器，它将检测到的气体浓度模拟信号通过单片机P1口送入单片机。这个部分的信号采集电路引脚图如图3.1所示: 图3-1 MQ-2信号采集电路引脚图 MQ-2的1、2、3脚接5V直流电源VCC，5脚接地，4、6脚输出模拟信号送入单片机，起到信号采集的作用。 3.2 DS18B20温度传感器感应模块 本设计采用的DS18B20温度传感器，其温度测量范围从-55?到+125?，精度 19 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 为?0.5?，可在1秒钟内把温度变换成数字。它具有独特的单总线接口，仅需要占用一个I/O端口即可以完成与微处理器间的通信，占用微处理器的端口较少, 可节省大量的引线和逻辑电路，为读写以及温度转换带来方便，同时，它可以从数据线本身获得能量，不需要外接电源;它支持3V,5.5V 的电压范围，使系统设计更灵活、方便;其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生;此外，与传统的热敏电阻等测温元件相比，DS18B20能直接读出被测量的温度，并且可以根据实际要求通过简单的编程实现9,12位的数字值读数方式，它可在1秒钟内把温度变换成数字;由DS18B20 组建的温度测量单元体积小，便于携带和安装。它具有负压特性，电源极性接反时，仅仅是不能正常工作，但温度计不会 性能价格比也因发热而烧毁。整体来说DS18B20 的性能是新一代产品中最好的,非常出色，所以我们选择它来作为设计部件。 技术性能描述: ?独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。 ?,+125?，固有测温误差0.5?。 ? 测温范围 ,55 ?支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。 ?工作电源3.0~5.5V ?在使用中不需要任何外围元件 ?测量结果以9~12位数字量方式串行传送 ?不锈钢保护管直径 Φ6 ?适用于DN15~25, DN40~DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温 ?标准安装螺纹 M10X1, M12X1.5, G1/2”任选 ?PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。3.2 DS18B20温度传感器感应模块 3.2.1 DSl8B20简介 DSl8B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司继DSl820之后最新推出的智能 20 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据要求通过简单的编程实现9,l2位的数字直读方式。可以分别存93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DSl8B20读出的信息或写入DSl8B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接DSl8B20供电，而无需额外电源。因而使用DSl8B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度，转换时间，传输距离，本文系统地介绍了基于DS18B20的温度测量控制系统的组成、设计方案、电路原理、程序设计过程。DS18B20多点温度测量系统是以AT89C52单片机作为控制核心，智能温度传感器DS18B20为控制对象，用数码管显示，运用C语言实现系统的各种功能。设计完成了冷库温度的监控和报警等令人满意的效果。DSl8B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如8所示: 图3-2 DSl8B20的内部结构图 DS18B20的内部结构主要有四部分组成:64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如图9所示: 21 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 图3-3 DS18B20的管脚 DS18B20的引脚说明如下: GND :地 DQ :数据I/O VDD :电源 NC :空脚 64位激光ROM开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号共有48位，最后8位是前56位的CRC校本文系统地介绍了基于DS18B20的多点温度测量控制系统的组成、设计方案、电路原理、程序设计以及系统仿真过程。DS18B20冷库温度监控报警系统是以AT89C52单片机作为控制核心，智能温度传感器DS18B20为控制对象，用数码管显示，运用C语言编程实现系统的各种功能。设计完成温度的测量，与上下限温度报警值设置。借助单片机编程软件Keil实现了系统软、硬件的交互联调，并结合数码管、DS18B20和AT89C52单片机最小系统进行了电路焊接和调试，实现了课题设计目的。 DSl8B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除EEPRAM。后者用于存储TH，TL值。数据先写入RAM，经校验后再传给EEPRAM。而配置寄存器为高速暂存器中的第5个字节，他的内容用与确定温度值的数字转换分辨率，DSl8B20 工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。低5位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DSl8B20在工作模式还是在测试模式。如表3-1所示。在DSl8B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动，Rl和R0决定温度转换精度位数。 22 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 TM R1 R0 1 1 1 1 1 表3-1 字节各位的定义 由表3-2可见，设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。因此，在实际应用中要在分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存存储器除了配置寄存器外，还有其他8个字节组成，其分配如表3所示。其中温度信息(第l，2字节)，TH和TL值第3，4节，第6,8字节，表现为全逻辑1;第9字节读出的是前面所有的8字节的CRC码，可用来保证通信正确。 R1 R0 分辨率 温度最大转换时间 /ms 0 0 9 93.75 0 1 10 187.5 1 0 11 275.00 1 1 12 750.00 表3-2 数据分辨率和转换时间 当DSl8B20接收到温度转换命令后，开始启动转换，如表3-3所示。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展到二进制补码形式储存在高速暂存存储器的第l，2字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前面，高位在后，数据以0.0625?,LSB形式表示。对应的温度计算:当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制;当S=1时，先将补码变换为原码，再计算十进制值。 温度低位 温度高位 TH TL 配置 保留 保留 保留 8位CRC 表3-3 码制转换 在DSl8B20完成温度变换之后，温度值与贮存TH和TL内的触发值相比较因为这些寄存器仅仅是8位，所以0.5?位在比较时被忽略。TH或TL的最高有较位直接对应于l6位温度奇存器的符号位。如果温度测量的结果高于TH或低于TL，那么器件内告警标志将置位。每次温度测量更新此标志。只要告警标志置位，DSl8B20将对告警搜索命令做出响应。这允许并联连接许多DSl8B20，同时进行温度测量。如果某处温度超过极限，那么可以识别出正在告警的器件并立即将其读 23 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 出而不必读出非告警的器件。 3.2.2 DSl8B20具体参数及工作方式 温度 输入(2进制) 输出(16进制) +125? 0000 0111 1101 0000 07D0H +85? 0000 0101 0101 0000 0550H +25.0625? 0000 0001 1001 0001 0191H +10.125? 0000 0000 1010 0010 00A2H +0.5? 0000 0000 0000 1000 0008H 0? 0000 0000 0000 0000 0000H -0.5? 1111 1111 1111 1000 FFF8H -10.125? 1111 1111 0101 1110 FF5EH -25.0625? 1111 1111 0101 1110 EE6FH -55? 1110 1110 0110 1111 FE90H 表3-4 部分温度转换值 参数特性: (1)独特的单线接口只需l个接口引脚即可通信 (2)多点综合测温能力使分布式温度检测应用得以简化 (3)不需要外部元件 (4)可用数据线供电 (5)需备份电源 (6)测量范围从-55?至+125?增量值为0.5? (7)以9位数字值方式读出温度 (8)在1秒(典型值)内把温度变换为数字 (9)用户可定义的非易失性的温度告警设置 (10)告警搜索命令识别和寻址温度在编定的极限之外的器件温度告警情况 (11)应用范围包括恒温控制工业系统消费类产品温度计或任何热敏系统 极限参数: (1)任何引脚相对于地的电压-0.5V至+7.0V 24 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 (2)运用温度-55?至+125? (3)贮存温度-55。C至+125? (4)焊接温度260?/l0秒 3.2.3 18B20接口电路 图3-4 温度传感器接口电路图 (2) DS18B20控制方法 DS18B20有六条控制命令: 温度转换 44H 启动DS18B20进行温度转换 读暂存器 BEH 读暂存器9个字节内容 写暂存器 4EH 将数据写入暂存器的TH、TL字节 复制暂存器 48H 把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中 重新调E2RAM B8H 把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节 读电源供电方式 B4H 启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU (3) DS18B20供电方式 DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图3.1所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个三极管来完成对总线的上拉。本设计采用电源供电方式， P2.3口接单线总线为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个上拉电阻和STC89C52的P2.3来完成对总线的上拉。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10 μs。采用 25 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 寄生电源供电方式是VDD和GND端均接地。由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三状态的。主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤: , 初始化。 , ROM操作指令。 , 存储器操作指令。 DSl8B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除EEPRAM。后者用于存储TH，TL值。数据先写入RAM，经校验后再传给EEPRAM。而配置寄存器为高速暂存器中的第5个字节，他的内容用与确定温度值的数字转换分辨率，DSl8B20 工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。低5位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DSl8B20在工作模式还是在测试模式。如表1所示。在DSl8B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动，Rl和R0决定温度转换精度位数。本设计采用的DS18B20温度传感器，其温度测量范围从-55?到+125?，精度为?0.5?，可在1秒钟内把温度变换成数字。它具有独特的单总线接口，仅需要占用一个I/O端口即可以完成与微处理器间的通信，占用微处理器的端口较少, 可节省大量的引线和逻辑电路，为读写以及温度转换带来方便，同时，它可以从数据线本身获得能量，不需要外接电源;它支持3V,5.5V 的电压范围，使系统设计更灵活、方便;其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生;此外，与传统的热敏电阻等测温元件相比，DS18B20能直接读出被测量的温度，并且可以根据实际要求通过简单的编程实现9,12位的数字值读数方式，它可在1秒钟内把温度变换成数字;由DS18B20 组建的温度测量单元体积小，便于携带和安装。它具有负压特性，电源极性接反时，仅仅是不能正常工作，但温度计不会因发热而烧毁。整体来说DS18B20 的性能是新一代产品中最好的，性能价格比也非常出色，所以我们选择它来作为设计部件。 技术性能描述: ?独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。 ? 测温范围 ,55?,+125?，固有测温误差0.5?。 ?支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。 26 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 ?工作电源3.0~5.5V ?在使用中不需要任何外围元件 ?测量结果以9~12位数字量方式串行传送 ?适用于DN15~25，DN40~DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温 ?标准安装螺纹M10X1， M12X1.5，G1/2任选 ?PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。 3.3 AT89C52单片机 3.3.1 AT89C52单片机管脚图 图3-5 引脚图 3.3.2 时钟电路 时钟电路好比是单片机工作系统的心脏，它控制着单片机的工作节奏。几乎 27 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 所有数字系统处理信号都按节拍一步一步地进行，系统各部分也按节拍做，要使电路各部分统一节拍就需要一个时钟信号，产生时钟信号的电路就是时钟电路。单片机中XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出，本设计中选用的是石英晶振匹配电容，接入单片机的XTAL1和XTAL2两只引脚，构成时钟电路的输入。时钟电路如图3.6所示: 图3-6 时钟电路 3.3.3 复位电路 电路，就是利用它把电路恢复到起始状态，它是用来确定单片机工作的复位 起始状态，完成单片机的启动过程。单片机接通电源或者在运行过程中出现跑飞现象，我们就可以通过复位电路进行复位，将单片机运作回复到初始状态。电路中选用了10uF的电解电容，一个10K的电阻和按键，构成按键复位电路。其中电解电容和按键并联之后与10K电阻串联，复位电路图如图3.7所示: 图3-7 复位电路图 28 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 3.4 A/D转换模块 ADC0832 为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。 ADC0832具有以下特点: ? 8位分辨率; ? 双通道A/D转换; ? 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容; ? 5V电源供电时输入电压在0~5V之间; ? 工作频率为250KHZ，转换时间为32μS; ? 一般功耗仅为15mW; ? 8P、14P—DIP(双列直插)、PICC多种封装; ? 商用级芯片温宽为0?—+70? ，工业级芯片温宽为?40?—+85? ; 3.5 按键控制模块 本部分采用三个按键，分别是设置确定键、加键、减键，接入单片机的P3口，引脚分别为15脚、16脚、17脚。这样一来，可以设置报警浓度的上限值，通过加键、减键来进行修改，按设置确认键确认上限值。当检测到的CH4气体浓度超过设置的这个上限值，就会触发报警系统。按键控制电路如图3.8所示: 29 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 图3-8按键控制电路 3.6 数码管显示模块 显示模块是由四位共阳LED数码管构成的。内部的4个数码管公用a~dp这8根数据线，因为里面有4个数码管，所以它有4个公共端，加上a~dp共有12个引脚。a~dp这8根数据线串联上拉电阻后正好接到单片机P0口，公共端接三极管实现动态扫描，将单片机处理好的信号输出显示到数码管屏幕上。显示模块电路 9所示: 如图3. 图3-9显示模块电路 30 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 3.8 蜂鸣器报警模块 蜂鸣器通过三极管基极串联一个1k的电阻与单片机P2.0端口相连接，从而达到控制蜂鸣器报警的效果。报警电路如图3.10所示: 图3-10蜂鸣报警器电路图 31 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 第4章 软件设计 4.1 系统主程序设计及流程图 本系统的大致流程是从MQ-2和单片机的初始化开始的，然后判断处理后的数字浓度信号是否超过上限值，若没超过，数码管显示数据;若超过了，控制报警器报警，并且数码管显示的数据开始闪烁。流程图如图4.1所示: 表4-1流程图 在整个报警系统工作中，气体浓度信息经ADC0832转换处理后，由单片机进行分析处理，判断系统是否启动报警。主程序还包括LED八段式数码管温度字符 32 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 显示功能、手动报警功能、报警浓度、温度设定功能，中断子程序等，使报警器功能更加完善，给用户带来便利。 4.2 A/D转换模块程序设计 在A/D转换模块程序设计中，需要考化虑到的有ADC相应寄存器及端口定义、A/D转换是否完成、获取A/D转换后的值、初始ADC特殊功能寄存器等，其流程图如图4.2所示: 图4.2 A/D转换流程图 4.4 显示模块程序设计 显示模块采用的是动态扫描的方法。段选码是通过上拉排阻从单片机P0口获取的，位选是受单片机P2.1~P2.1端口数据控制。设计流程图如图4.4所示: 33 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 34 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 第5章 软件调试与仿真 ProteusISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是: (1)实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能;有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。 (2)支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有:68000系列、51系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。 (3)提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能;同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。 (4)具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。本章介绍Proteus ISIS软件的工作环境和一些基本操作。 图5-1 ISIS 7 Professional进入界面图 进入Proteus ISIS:双击桌面上的ISIS 7 Professional图标或者单击屏幕左下方 35 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 的“开始”?“程序”?“ISIS 7 Professional”?“ISIS 7 Professional”，出现如图5-2所示屏幕，表明进入Proteus ISIS集成环境。工作界面:Proteus ISIS的工作界面是一种标准的Windows界面，如图5-2所示。包括:标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。 图5-2 工作界面 完成了本系统的硬件设计和软件设计后，我将对其进行总体调试并且仿真运行，使用的是proteus软件来完成整个仿真过程。通过气体传感器和温度传感器采集的信号通过AD转换，再将数据传输到单片机处理后，交给数码管显示，其仿真图如图5-3所示。当硬件设计和软件设计都完成的时候就可以看到虚拟的基于单片机的煤气泄漏报警器的电路运行，以下为仿真效果: 36 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 37 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 5.1调试注意事项: 在通电测试前，首先按照电路原理图认真核对，看是否有漏焊、虚焊、错接、短路的地方。 5.2焊接中出现的问题: (1)引脚焊倒了 (2)发光二极管LED接反了 (3)电路出现短路地方 5.3调试中出现的问题及处理方法: (1)第一次调试时，电路没有反应，通过检查电路，发现引脚焊错了，后来又重新焊了。 (2)第二次调试时，二极管不亮，设计失败。开始根据电路原理图进行检查，看看是否有漏焊、短接虚焊等常见的错误，发现很多地方有不正确，便把短接、漏焊的地方改正，又反复核对。 38 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 结论 本文介绍了基于51单片机的模拟家庭煤气泄漏报警器的设计，文中对整个设计的设计背景、目的及意义等都有一个比较系统的叙述，此外，将整个设计的系统组成、硬件设计、软件流程等都一一进行了讲解与分析。本次设计是一个比较简单的单片机小系统，实现煤气泄漏报警功能。本设计选用CH4针对性地进行试验，当系统检测到空气中的浓度超过我们手动设置的上限值时，单片机就会控制蜂鸣器报警发出尖锐的响声，并且控制数码管闪烁报警，能实现基本功能。 我比较喜欢本设计，其一是因为它比较简单方便，价格合宜，能适用于很多普通家庭，虽然设计上还有很多不足，跟市面上的先进设计无法媲美，但却是一个很有意义的设计。本设计如果将气体传感器部分换做其他气敏元件，它也可以广泛应用到其他生活甚至工业方面，实用性比较强。单片机系统的发展迅速勇猛，我相信在未来它会融入到我们身边的～ 39 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 参考文献 [1] 李广弟，朱月秀，王秀山(单片机基础，第2版(修订版)，北京航空航天大学出版社，2001年，1-221( [2] 梅丽凤，王艳秋，汪毓铎等(单片机原理及接口技术，第1版，清华大学出版社 北京交通大学出版社，2004年，244-248( [3] 吴景狄(单片机的总线与口线，电子世界，2001年，第1期，32-33( [4] 公茂法，马宝甫，孙晨(单片机人机接口实例集，第1版，北京航空航天大学出版社，1998年，63-119，155-168( [5] 陈宝江，翟勇，张幽彤等(MCS单片机应用系统实用指南，第1版，机械工业出版社，1998年，345-348( [6] 胡汉才(单片机原理及其接口技术，第2版，清华大学出版社，2004年，126-166( [7] 赵性初(单片机微型计算机原理与接口技术，第1版，华中理工大学出版社，1993年，136-138( [8] 吴金戌，沈庆阳，郭庭吉(8051单片机实践与应用，第1版，清华大学出版社，2001年，163-166( [9] 谭博学，苗汇静，唐诗等(集及成电路原理应用，第1版，电子工业出版社，2003年，206-222( [10] 黄智伟，王彦，陈文光等(全国大学生电子设计竞赛训练教程，第1版，电子工业出版社，2004年，73-80( [11] 中国科技信息研究所与美国国际数据集团合办.电源用元器件技术及发展趋势，电子产品世界，2003年，期号:5下半月，42-44. 40 致谢 致谢 在完成本设计的写作过程中，我十分感谢我的指导老师。从选题到完成设计，老师一直都是很悉心的给我讲解着在设计中遇到的各种问题，循循善诱，严格把关，帮助我开拓设计思路，并不断地鼓舞着我，使我感到信心倍增，让我非常积极地投入到设计中，不断地完成设计中的一个个部分。在此，再次感谢老师在设计上不断地给与我帮助，让我在大学里的最后一次的学习过程中，充分感受到了自己对学习的兴趣和热情，使我能够圆满地完成自己的毕业设计。 回想大学四年的时光，仿佛尽在昨天。最后，我还要感谢在我大学四年的学习期间给我极大关心和支持的家人、各位老师以及我的同学和朋友。是你们在生活和学习上不断给与我支持、帮助和无微不至的关怀，是你们不断地给与了我信心，让我在人生中一次次坚强地走下去。 41 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 附录 附录一:总体原理图设计 42 附录 附录二:程序代码 #include //调用单片机头文件 #define uchar unsigned char //无符号字符型 宏定义 变量范围0~255 #define uint unsigned int //无符号整型 宏定义 变量范围0~65535 #include #include "eeprom52.h" //数码管段选定义 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 uchar code smg_du[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90, 0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xff}; //断码 //数码管位选定义 uchar code smg_we[]={0x7f,0xbf,0xdf,0xef}; uchar dis_smg[8] = {0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8}; sbit CS=P3^2; //CS定义为P3口的第2位脚，连接ADC0832CS脚 PCB sbit SCL=P3^3; //SCL定义为P3口的第3位脚，连接ADC0832SCL脚 sbit DO=P3^4; //DO定义为P3口的第4位脚，连接ADC0832DO脚 sbit dq = P3^5; //18b20 IO口的定义 sbit beep = P3^6; //蜂鸣器IO口定义 uint temperature,s_temp ; //温度的变量 uchar dengji,s_dengji; //气体等级 uchar shoudong; //手动报警键 bit flag_300ms = 1; uchar key_can; //按键值的变量 uchar menu_1; //菜单设计的变量 43 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 /***********************1ms延时函数*****************************/ void delay_1ms(uint q) { uint i,j; for(i=0;i>= 1; } } /*************读取18b20内的数据***************/ uchar read_18b20() { uchar i,value; for(i=0;i<8;i++) { dq = 0; //把总线拿低读时间隙开始 value >>= 1; //读数据是低位开始 dq = 1; //释放总线 if(dq == 1) //开始读写数据 value |= 0x80; delay_uint(5); //60us 读一个时间隙最少要保持60us的时间 } return value; //返回数据 } /*************读取温度的值 读出来的是小数***************/ uint read_temp() { uint value; uchar low; //在读取温度的时候如果中断的太频繁了，就应该把中断给关了，否则会影响 46 附录 到18b20的时序 init_18b20(); //初始化18b20 write_18b20(0xcc); //跳过64位ROM write_18b20(0x44); //启动一次温度转换命令 delay_uint(100); //1000us init_18b20(); //初始化18b20 write_18b20(0xcc); //跳过64位ROM write_18b20(0xbe); //发出读取暂存器命令 EA = 0; low = read_18b20(); //读温度低字节 value = read_18b20(); //读温度高字节 EA = 1; value <<= 8; //把温度的高位左移8位 value |= low; //把读出的温度低位放到value的低八位中 value *= 0.0625; //转换到温度值 return value; //返回读出的温度 } /***********读数模转换数据 ********************************************************/ //请先了解ADC0832模数转换的串行

协议

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，再来读本函数，主要是对应时序图来理解，本函 数是模拟0832的串行协议进行的 unsigned char ad0832read(bit SGL,bit ODD) { unsigned char i=0,value=0,value1=0; SCL=0; DO=1; 47 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 CS=0; //开始 SCL=1; //第一个上升沿 SCL=0; DO=SGL; SCL=1; //第二个上升沿 SCL=0; DO=ODD; SCL=1; //第三个上升沿 SCL=0; //第三个下降沿 DO=1; for(i=0;i<8;i++) { SCL=1; SCL=0; //开始从第四个下降沿接收数据 value<<=1; if(DO) value++; } for(i=0;i<8;i++) { //接收校验数据 value1>>=1; if(DO) value1+=0x80; SCL=1; SCL=0; } CS=1; SCL=1; if(value==value1) //与校验数据比较，正确就返回数据，否则返回0 return value; return 0; } 48 附录 /***********************数码显示函数*****************************/ void display() { uchar i; P1 = 0xff; //消隐 P2 = smg_we[i]; //位选 P1 = dis_smg[i]; //段选 i ++; if(i >= 4) //4位数码管显示 i = 0; } /*************定时器0初始化程序***************/ void time_init() { EA = 1; //开总中断 TMOD = 0X01; //定时器0、定时器1工作方式1 ET0 = 1; //开定时器0中断 TR0 = 1; //允许定时器0定时 } /********************独立按键程序*****************/ uchar key_can; //按键值 void key() //独立按键程序 { static uchar key_new; key_can = 20; //按键值还原 P2 |= 0x0f; 49 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 if((P2 & 0x0f) != 0x0f) //按键按下 { delay_1ms(1); //按键消抖动 if(((P2 & 0x0f) != 0x0f) && (key_new == 1)) { //确认是按键按下 key_new = 0; switch(P2 & 0x0f) { case 0x0e: key_can = 4; break; //得到k1键值 case 0x0d: key_can = 3; break; //得到k2键值 case 0x0b: key_can = 2; break; //得到k3键值 case 0x07: key_can = 1; break; //得到k4键值 } } } else //按键松开 key_new = 1; } /****************按键处理数码管显示函数***************/ void key_with() { if(key_can == 4) //紧急报警键 手动报警 { if(menu_1 == 0) shoudong = 1; } if(key_can == 1) //设置键 { menu_1 ++; if(menu_1 >= 3) { 50 附录 menu_1 = 0; } } if(menu_1 == 0) { if((key_can == 2) || (key_can == 3)) shoudong = 0; //取消手动报警 } if(menu_1 == 1) //设置高温报警 { if(key_can == 2) { s_temp ++ ; //高温报警值加1 if(s_temp > 99) s_temp = 99; } if(key_can == 3) { s_temp -- ; //高温报警值减1 if(s_temp <= 10) s_temp = 10 ; } dis_smg[0] = smg_du[s_temp % 10]; //取个位显示 dis_smg[1] = smg_du[s_temp / 10 % 10]; //取十位显示 dis_smg[2] = 0xbf; dis_smg[3] = smg_du[10];//显示A write_eeprom(); //保存数据 } if(menu_1 == 2) //设置气体报警 { if(key_can == 2) { 51 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 s_dengji ++ ; //气体报警值加1 if(s_dengji >= 9) s_dengji = 9; } if(key_can == 3) { s_dengji --; //气体报警值减1 if(s_dengji <= 1) s_dengji = 1; } dis_smg[0] = smg_du[s_dengji % 10]; //取个位显示 dis_smg[1] = 0xbf ; dis_smg[2] = 0xbf; dis_smg[3] = smg_du[11];//显示B write_eeprom(); //保存数据 } } /****************报警函数***************/ void clock_h_l() { static uchar value; if((dengji >= s_dengji) || (temperature >= s_temp) || (shoudong == 1)) //报警 { value ++; if(value >= 2) { value = 10; beep = ~beep; //蜂鸣器报警 } }else { 52 附录 if((dengji < s_dengji) && (temperature < s_temp) && (shoudong == 0)) //取消报警 { value = 0; beep = 1; //取消报警 } } } /***************主函数*****************/ void main() { beep = 0; //开机蜂鸣器叫一声 delay_1ms(200); P0 = P1 = P2 = P3 = 0xff; //初始化IO口为高电平 temperature = read_temp(); //读取温度值 init_eeprom(); //开始初始化保存的数据 delay_1ms(650); temperature = read_temp(); //读取温度值 time_init(); //初始化定时器 while(1) { key(); //独立按键程序 if(key_can < 10) { key_with(); //按键按下要执行的程序 } if(flag_300ms == 1) { flag_300ms = 0; clock_h_l(); temperature = read_temp(); //读取温度值 dengji = ad0832read(1,0); 53 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 dengji = dengji * 10 / 250; if(menu_1 == 0) { if(temperature >= 99) temperature = 99; dis_smg[3]=smg_du[dengji]; //显示气体报警等级 dis_smg[2]= 0xbf; // - dis_smg[1]=smg_du[temperature/10%10]; //十位 dis_smg[0]=smg_du[temperature%10]; //个位ADC0832为8位ADC，数值为0~255，我们 将其分开放入l_tmpdate数组中显示 } } delay_1ms(1); } } /*************定时器0中断服务程序***************/ void time0_int() interrupt 1 { static uchar value; TH0 = 0xf8; TL0 = 0x30; // 2ms value ++; display(); //数码管显示函数 if(value % 150 == 0) { flag_300ms = 1; //300ms value = 0; } } 54 附录 #ifndef _EEPROM52_H_ #define _EEPROM52_H_ uchar a_a; /********STC89C51扇区分布******* 第一扇区:1000H--11FF 第二扇区:1200H--13FF 第三扇区:1400H--15FF 第四扇区:1600H--17FF 第五扇区:1800H--19FF 第六扇区:1A00H--1BFF 第七扇区:1C00H--1DFF 第八扇区:1E00H--1FFF *****************/ /********STC89C52扇区分布******* 第一扇区:2000H--21FF 第二扇区:2200H--23FF 第三扇区:2400H--25FF 第四扇区:2600H--27FF 第五扇区:2800H--29FF 第六扇区:2A00H--2BFF 第七扇区:2C00H--2DFF 第八扇区:2E00H--2FFF *****************/ #define RdCommand 0x01 //定义ISP的操作命令 #define PrgCommand 0x02 #define EraseCommand 0x03 #define Error 1 #define Ok 0 55 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 #define WaitTime 0x01 //定义CPU的等待时间 sfr ISP_DATA=0xe2; //寄存器申明 sfr ISP_ADDRH=0xe3; sfr ISP_ADDRL=0xe4; sfr ISP_CMD=0xe5; sfr ISP_TRIG=0xe6; sfr ISP_CONTR=0xe7; /* ================ 打开 ISP,IAP 功能 ================= */ void ISP_IAP_enable(void) { EA = 0; /* 关中断 */ ISP_CONTR = ISP_CONTR & 0x18; /* 0001,1000 */ ISP_CONTR = ISP_CONTR | WaitTime; /* 写入硬件延时 */ ISP_CONTR = ISP_CONTR | 0x80; /* ISPEN=1 */ } /* =============== 关闭 ISP,IAP 功能 ================== */ void ISP_IAP_disable(void) { ISP_CONTR = ISP_CONTR & 0x7f; /* ISPEN = 0 */ ISP_TRIG = 0x00; EA = 1; /* 开中断 */ } /* ================ 公用的触发代码 ==================== */ void ISPgoon(void) { ISP_IAP_enable(); /* 打开 ISP,IAP 功能 */ ISP_TRIG = 0x46; /* 触发ISP_IAP命令字节1 */ ISP_TRIG = 0xb9; /* 触发ISP_IAP命令字节2 */ _nop_(); } /* ==================== 字节读 ======================== */ 56 附录 unsigned char byte_read(unsigned int byte_addr) { EA = 0; ISP_ADDRH = (unsigned char)(byte_addr >> 8);/* 地址赋值 */ ISP_ADDRL = (unsigned char)(byte_addr & 0x00ff); ISP_CMD = ISP_CMD & 0xf8; /* 清除低3位 */ ISP_CMD = ISP_CMD | RdCommand; /* 写入读命令 */ ISPgoon(); /* 触发执行 */ ISP_IAP_disable(); /* 关闭ISP,IAP功能 */ EA = 1; return (ISP_DATA); /* 返回读到的数据 */ } /* ================== 扇区擦除 ======================== */ void SectorErase(unsigned int sector_addr) { unsigned int iSectorAddr; iSectorAddr = (sector_addr & 0xfe00); /* 取扇区地址 */ ISP_ADDRH = (unsigned char)(iSectorAddr >> 8); ISP_ADDRL = 0x00; ISP_CMD = ISP_CMD & 0xf8; /* 清空低3位 */ ISP_CMD = ISP_CMD | EraseCommand; /* 擦除命令3 */ ISPgoon(); /* 触发执行 */ ISP_IAP_disable(); /* 关闭ISP,IAP功能 */ } /* ==================== 字节写 ======================== */ void byte_write(unsigned int byte_addr, unsigned char original_data) { EA = 0; // SectorErase(byte_addr); ISP_ADDRH = (unsigned char)(byte_addr >> 8); /* 取地址 */ ISP_ADDRL = (unsigned char)(byte_addr & 0x00ff); ISP_CMD = ISP_CMD & 0xf8; /* 清低3位 */ 57 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 ISP_CMD = ISP_CMD | PrgCommand; /* 写命令2 */ ISP_DATA = original_data; /* 写入数据准备 */ ISPgoon(); /* 触发执行 */ ISP_IAP_disable(); /* 关闭IAP功能 */ EA =1; } #endif 58 译文 外文资料原文 Combustible gas alarm Combustible gas alarm to prevent gas leakage as a powerful weapon, it has, however, docs not seem to have attracted the attention it deserves. This security and household fire extinguishers can be placed on a par, or even more than the fire extinguisher into the family of the little things that most families do not see it as one thing, do not even know there can be such a fundamental solution to gas poisoning and gas explosion, "the protection of God" exists. Shanghai as an example, last year, due to poisoning and cooking gas water heater overflow out, piece of rubber hose off the aging caused by gas leakage and poisoning caused by a total of 86 deaths, accounting for all the gas data of accidents were 84%. However, according to an authoritative department to another survey released shows that in Shanghai, about three million gas users, the installation of domestic gas leakage alarm of less than 10%. In their daily lives, whether it is gas poisoning or gas explosion, because of gas leak into the sky. Home life，no one is inseparable from the use of gas, no matter what you do more preventive measures, but a hundred secret inevitably very careful, not to mention of any fire safety measures arc not taken on even more dangerous family. Therefore it is necessary to prepare a Combustible gas at home at any time for the owner guardian of the gas appliances, a gas alert to this invisible killer slipped quietly out to help the owner of the elimination of family problems in the bud, the domestic security of the good housekeeper, so that family members with the use of gas, the use of hearts at ease. For example, there arc many families of fire gas explosion, do not know in the room full of gasat home at any time for the owner guardian of the gas appliances, a gas alert to this invisible killer slipped quietly out to help the owner of the elimination of family problems in the bud, the domestic security of the good housekeeper, so that family members with the use of gas, the use of hearts at ease. For example, there arc many families of fire gas explosion, do not know in the room full of gas leaking out, the blind use of electrical switches and tragedy in an instant if there is an alarm, a tragedy like this ,can be greatly avoided. Combustible gas alarm into the family, will become a good home security to help, this is an indisputable fact. Combustible gas alarm, simple hardware, low cost, control precision, convenience and versatility, etc. It can be widely used in the occasions, and there is a certain practical value. Detection of gas: natural gas, liquefied petroleum gas, city gas (H2). 59 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 译文 燃气报警器 燃气报警器作为预防燃气泄漏的有力武器，它的出现却似乎并没有引起人们应有的注意。这个在安全防护上可以和家用灭火器相提并论、甚至比灭火器更需要进入家庭的小东西，大多数家庭根本没有把它当一回事，甚至不知道还有这样一个可以从根本上解决煤气中毒和煤气爆炸的"保护神〃存在。以上海为例，去年冈热水器废气中毐及灶具溢熄、橡皮管老化脱落 引起的燃气泄漏和造成中毐死亡的共86人，占全部燃气事故死亡人数据的84%。但据权威部门公布的另一项调查表明，在上海市300万左右的燃气用户中，安装家用燃气泄漏报鳘器的不足 10%。 在日常生活中，无论是煤气中毒还是煤气爆炸事故，都因煤气泄漏而起。居家过日子，谁都离不开使用煤气，无论你的预防措施做得多好，但百密难免一疏，更何况对消防安全不釆取任何措施的家庭就更加危险。闪此很有必要在家里准备一个燃气报警器，随时替主人守护着燃气用具，时刻警惕着燃气这个无形杀手悄悄溜出来，帮助主人将家庭隐患消灭在萌芽之际，成为家庭安全的好管家，让家人使用燃气只时，用得安心放心。例如有很多的家庭煤气爆炸火灾，都是在不知道房间里充满了泄露出来的煤气，盲目动用电器开关而在瞬间发生的悲剧，如果有一个报警器，类似这样的悲剧就可以大大避免。燃气报警器进入家庭，将成为家庭安全的好帮手，这是不争的事实。 煤气泄漏报警器硬件设施简单，成本低，控制精度高，便利性和多功能性等，有可广泛的场合使用的优点，且有一定的实用价值。 检测气体:天然气、液化气、城市煤气(H)。 2 60