可燃气体自动通断装置毕业设计论文

可燃气体自动通断装置毕业设计论文 西南民族大学电气信息工程学院论文 本 科 生 毕 业 设 计 (论 文) 题目:可燃气体自动通断装置 教学单位 ______电信学院_______ 姓 名 ________________ 学 号 _ ____ 年 级 ______________ 专 业 ______自动化________ 指导教师 ___ 职 称 ___ 年 月日 1 西南民族大学电气信息工程学院论文 摘要 随着国家的西气东输工程的实施，现在越来越多家庭和工厂使用天然气作为能源;包括城市公交出租也采用天然气来代替汽油来降低运营成本。但是天然气一旦泄露在一定的浓度下，非常容易造成火灾或者爆炸事故。威胁用户人身安全，造成经济损失。从安全方面考虑，设计一个低成本和安全可靠的天然气自动通断报警装置是很必要的。 本设计就是针对利用单片机和传感器作为系统主要部分，来进行天然气(烷类气体)的检测，一旦发生气体浓度，可以进行警报和即时处理。 本设计主要采用MQ2可燃气体传感器进行现场检测，将传感器采集信号送到单片机进行信号采集、处理、显示、警报、关闭供气阀门、排风等工作。采用的单片机为STC89C52，可靠性和性价比都很高，一旦现场气体超过设计的警戒阀值，系统就会按照设定，自动进行安全性处理，也能提供警报，供用户和操作人员进行及时有效的处理。该系统具有实时、准确、成本低廉的特点，因此具有很广泛的应用前景。 关键词: 可燃气体 气体传感器 单片机 报警器 2 西南民族大学电气信息工程学院论文 Abstract With the nation's west-east gas transmission project implementation, and now more and morehomes and factories use natural gas as an energy source; including the taxi and bus of city using natural gas instead of gasoline to reduce operating costs. However,once the natural gas leak at a certain concentration, very likely to cause fire orexplosion. Threaten the personal safety of users, resulting in economic losses. From safety into consideration, design a low cost and reliable natural gas to be automatic hige alarm device is very necessary. This design is using single-chip microcomputer and sensor for the main part of a system, to natural gas (Silane kind of gas) testing, once produce gas concentration, alarm and real-time processing.. This design mainly USES the MQ2 flammable gas sensor for the field detection, will send a signal to sensors to collect MCU signal acquisition, processing, display and alarm, close the gas supply and exhaust valves, etc. The single-chip for STC89C52, reliability and performance to price ratio are very high, once the scene gas more than the threat valve design value, the system will according to set, automatic security processing, also can provide alert, for the user and operating personnel timely and effective treatment. The system has a real-time and accurate, and the characteristics of low cost, therefore it has a very broad prospect of application. Keywords: combustible gas;gas sensor;single chip microcomputer; divulging alarm 3 西南民族大学电气信息工程学院论文 第一章:绪论 1.1设计目的和来源..................................................................................................... 1.2设计计划..................................................................................................... 第二章 的选择和确定 2.1 涡轮流量传感器方案............................................................................ 2.1.1 方案简述............................................................................ 2.1.2 涡轮传感器方案元件及成本............................................................................ 2.2.2 可燃气体传感器方案元件及成本............................................................. 2.3 方案的确定............................................................................ 2.4 制定详细方案............................................................................ 2.5设计主要完成的任务............................................................................ 第三章 硬件电路 3.1 STC89C52最小系统............................................................................ 3.2 气体传感器电路............................................................................ 3.3 1602LCD电路............................................................................ 3.4 声光报警电路............................................................................ 3.6 模数转换电路ADC0809............................................................................ 3.7 独立按键控制电路............................................................................ 第四章 天然气自动通断装置程序设计 4.1 程序编写和调试工具............................................................................ 4.2 系统程序框图............................................................................ 设计结论............................................................................ 致谢............................................................................ 附录 参考文献............................................................................ 4 西南民族大学电气信息工程学院论文 第一章 绪论 1.1设计目的和来源 随着我国燃气的变革及西气东输工程的进行，煤气或天然气已成为多数家庭的燃料。这些气体燃料，比如液化石油气、天然气、煤气等这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、苯类以及一氧化碳、氢等成分，是易燃、易爆、有毒、有害的气体。可燃气体的特点是易流动、易燃烧，在常温下是气体，但是在生产、输送、贮存和使用这些气体的过程中，我们常常采用的是一种高压的方式，使这些气体液化，达到缩小体积的目的，但是如在使用这样的高压设备时违反操作规程或设备密封质量不好，都有可能发生可燃气体泄漏的现象。更危险的是，当可燃气体和空气混合到一定比例的时候，会因为很少的火花就产生剧烈的化合反应，导致火灾甚至爆炸，对人生和财产安全，造成很大的威胁。所以在这些可燃气体达到危险浓度之前，我们需要一个有效的手段，提早发现问题并能自动排除问题，达到保护人身财产安全的目的。 首先是家用，现代社会，生活节奏很快，白天常常家里没有任何人，如果在房主不在的情况下，发生了燃气泄漏或者火灾情况下，将是十分危险的，而天然气自动通断装置，不光能检测出天然气及各种燃气的泄漏，更能自动通过关闭总阀，自动通风，并给出警报。排除危险。保护用户的财产安全。而近些年的因为燃气泄漏造成的事故，越来越多，仅百度搜索“燃气 爆炸”关键词的结果就有430万条，所以，一个低成本安全有效的燃气自动通断装置正是时下之需，方便我们更安全的使用天然气。 在安全生产方面，我们都知道，中国的煤矿事故频发，很多安全事故就是因为瓦斯浓度很高，造成的爆炸，据权威数据，2011年的煤矿死亡人数就有2000人，造成的经济损失，更是无法直接统计，例如2005年9月5日，山西省大同矿业集团公司永定庄煤矿发生特大瓦斯爆炸事故，死亡31人。同年的9月27日，贵州省水城矿务局木冲沟煤矿发生特大恶性瓦斯爆炸事故，162人死亡。这些都是血一样的教训。而有效的检测手段，可能就能让这样的恶性事故减少。在很多工厂里，现在也用天然气取代了传统的能源，作为生产用主要能源，以降低生产成本，所以，这些工厂的用气安全形势也很严峻。 由此可见天然气自动通断装置无论是在人们的日常生活中，还是在工厂生产过程中，能实时准确测量周围环境中的天然气体，有毒有害气体泄露，对保护人民的身体健康和财产安全有重要意义。在家庭，工厂，气站等地方，一款性价比高，安全稳定的检测通断装置，就变得十分必要了。 单片机以其稳定，小巧的特点，应用在现代生活的方方面面，因为单片机可以在简单报警的功能下，提供各种更加智能化的功能，所以，采用单片机的设计，对装置的功能多样性，智能化，提供了有力的保障。 5 西南民族大学电气信息工程学院论文 1.2设计计划 毕业设计时间和工作的协调很重点，所以设计计划非常重要，所以我们根据设计要求，指定了分组和设计计划，分工我主要负责硬件电路部分，计划按照时间如下表: 日期:2011-2-29,2011-5-10 周 备注 日期内容说明 期 确定元器件初步选型，在老师指导下，确定出方案 3月 1日--3 初步选型 1 月 8日 选购器件，通过确定的方案，搭建开发平台，进行 3月 9日--3搭建开发板 测试，分模块进行。 2 月15日 模块测试 主要针对硬件的电路部分，进行测试。 3月16日--3让硬件和各模块在开发板上逐一工作。 3 月22日 方案微调 汇总测试方案里的各种问题，然后对方 3月23日--3案进行部分的微调。 4 月29日 微调后方案针对微调后的方案，硬件部分保证工作 3月30日--4硬件部分工正常，功能完整。 5 月 5日 作测试 程序的设计 对前期测试的各个模块工作的程序进 4月 6日--4行功能性的整合和设计，让系统能按照6 月12日 要求工作。进行PCB板的绘制和电路的 焊接。 4月13日--4 7 月19日 6 西南民族大学电气信息工程学院论文 综合调试 对前期硬件和程序综合调试，系统基本 能按照要求工作。主要是程序部分是不 4月20日--4 是能完整工作。 8 月26日 完成最后的测试全部完成，最后电路的整合，完成 4月26日--5电路部分 产品，电路的设计和调整穿插在后期的9 月 3日 4周，需要考虑做PCB板的时间。 论文的完成 根据每周的任务进度，完成毕业设计的 5月 3日--5论文。 10 月10日 7 西南民族大学电气信息工程学院论文 第二章 方案的选择和确定 2.1 涡轮流量传感器方案 2.1.1 方案简述 天然气自动通断装置的传感器方案，是利用涡轮传感器和双金属片构成的传感器系统，采用51系列单片机作为主控芯片，因为涡轮流量传感器的加入，可以测取天然气的实时流量，在天然气使用的实时，可以测出用气量，所以，在功能扩展上，可以有更多的选择。涡轮传感器得到实时的流量信息，如果涡轮传感器有流量，而双金属片因为有受热变形(开关，常闭或者常开)认为燃气泄漏，电磁阀自动闭合，闭合后仍然有流量信息，给出警报。 由于涡轮流量传感器的加入，我们得到的信息有用气量，所以在软件的功能设计上，引入用气量的检测，得到天然气的用气量，甚至通过单片机设置警戒值，来提醒每月用气额度，提醒节约的意识。更加入了网卡芯片，将数据通过上传，实时监测，远程报警，远程抄表。三位一体。 图2.11流量传感器设计的系统框图 2.1.2 涡轮传感器方案元件及成本 方案采用气体涡轮流量传感器作为主传感器，主要元件有MCU 89C52 涡轮传感器、双金属片、EN28J60网卡模块、1602液晶显示模块、电磁气阀，排风扇等 成本方面主要集中在网卡和涡轮气流传感器，涡轮流量传感器主要针对气体的，所以一般这样的传感器专业性强，成品度很高，价位最低的精度不高的，都要在人民币200以上。在网卡模块，因为51系列能稳定驱动的网卡芯片，比较少，也不是很主流，采 8 西南民族大学电气信息工程学院论文 用的都是贴片设计，所以在网卡方面，选取的余地比较小，采用的EN28J60模块算是比较低廉的，大约在30元上下。电磁气阀和排风扇方面，电磁气阀其实大多数采用的就是继电器结构，排风扇开关可以用串联继电器的方式实现单片机对排风扇的控制，所以在设计的过程中，去用5V驱动的继电器加指示灯替代。1602和单片机是必须采用的，所以不纳入成本的考虑范围。 设计的优点是功能全面，可以实现的功能更多，智能化程度更高，但是硬件成本比较高昂，单片机资源也有限，需要扩展，难度也比较高，配套的系统也开发成本也很高。 2.2 可燃气体传感器方案 2.2.1方案简述 方案采用燃气浓度传感器作为传感器用来检测天然气是否泄漏，主控制器仍然一旦泄漏且泄漏浓度超预定阀值，电磁阀闭合，关闭天然气总阀，排风扇自动打开工作，此时单片机仍然监测天然气泄漏浓度，如果浓度依然超过阀值，单片机控制声光电路，发出声音和灯光警报，或者同时通过网卡发出警示(可选)提示人工干预泄漏。按键控制，在平时的使用中，设计有4个按键，分别控制气阀的开关和通风扇的开关。 图2.21 燃气传感器方案系统框图 2.2.2 可燃气体传感器方案元件及成本 采用可燃气体传感器的方案，主要的元件构成，主控制器，STC89C52、可燃气体传感器、1602液晶显示模块、声光报警模块主要由发光设备和蜂鸣器构成。电磁气阀和排风扇方面，电磁气阀其实大多数采用的就是继电器结构，排风扇开关可以用串联继电器的方式实现单片机对排风扇的控制，所以设计仍然采用的是5V继电器和指示灯来替代电磁阀和排风扇。可选EN28J60网络模块，提供浓度信息和危险状态的远程传输。 成本非常低廉，可燃气体传感器选型丰富，价格便宜，模电转换芯片选型也很丰富， 9 西南民族大学电气信息工程学院论文 价格也比较低。优点简单稳定，但在功能性上，相比方案一，简单很多。 2.3 方案的确定 综合成本和研发的时间精力综合考虑，最后选择粗略的方案是方案二，采用的是可燃气体传感器作为判断的主传感器。方案一中，用89C52作为主控，系统资源很吃紧，网络模块的协议精简后(仅采用UDP协议)2K的内存就需要扩展，RAM空间也比较小，虽然没完全放弃，但不作为主要的部分。第二就是成本，涡轮气体传感器成本很高昂，大多是设计的商业型传感器一般用于工业控制领域，通过改装用户原有燃气表，虽然在设计上可行现实又不可行(用户或者第三方无法私自改动计费系统)，设计本来要满足的是家用，一旦加入涡轮传感器之后，成本是方案二的数倍，一般的家庭不会承担这样的费用，而作为安全性为主要目的的设计，如果因为成本问题，使推广上打折扣的话，是非常不明智的。而采用方案二的设计，大体功能性上，基本功能都能实现。也由于第一种方案要实现的功能很多，比如流量总计数，在开发时间和能力上，相对难度较大。所以综合考虑之后，放弃方案一，采用方案二---用燃气传感器作为主传感器。 2.4 制定详细方案 首先是燃气传感器的选型，燃气传感器的种类很多，针对不同气体的，不同场合各种精度的型号和生产厂商，更是数不胜数。气体从原理上可以分为三大类: (1) 利用物理化学性质的气体传感器:如半导体、催化燃烧等。 (2) 利用物理性质的气体传感器:如热导、光干涉、红外吸收等。 (3) 利用电化学性质的气体传感器:如电流型、电势型等。 【1】一般工业气体传感器分类: 1.半导体传感器 这种类型的传感器在气体传感器中约占60%，根据其机理分为电导型和非电导型，电导型中又分为表面型和容积控制型，表1示出各种半导体传感器。 (1)SnO半导体是典型的表面型气敏元件，其传感原理是SnO2为n型半导体材2 料。当施加电压时，半导体材科温度升高，被吸附的氧接受了半导体中的电子形成了O-或O-原性气体H、CO、CH存在时，使半导体表面电阻下降，电导上升，2224 电导变化与气体浓度成比倒。NiO为P型半导体，氧化性气体使电导下降，对O2敏感。ZnO半导体传感器也属于此种类型。 半导体气体传感器 a.电导型的传感器元件分为表面敏感型和容积控制型，表面敏感型传感为SnO+Pd、ZnO十Pt、AgO、V0、金属酞青、P—SnO。 2252 表面敏感型气体传感器可检测气体为各种可燃性气体C0、NO2氟利昂。。传感材料Pt—SnO的气体传感器可检测气体为可燃性气体CO、H2、CH4。 2 b.容积控制型传感材料为FeO、la-SSrxCOO和TiO、CoO-MgO—SnO体传感281822 10 西南民族大学电气信息工程学院论文 器可检测气体为各种可燃性气体C0、NO氟利昂。。传感材料Pt—SnO容积控制型22半导体气体传感器可检测气体为液化石油气、酒精、空燃比控制、燃烧炉气尾气。 (2)容积控制型的是晶格缺陷变化导致电孕率变化，电导变化与气体浓度成比例关系。FeO、TiO属于此种，对可燃性气体敏感。 282 (3)热线性传感器，是利用热导率变化的半导体传感器，又称热线性半导体传感器，是在Pt丝线圈上涂敷SnO层，Pt丝除起加热作用外，还有检测温度变化2 的功能。施加电压半导体变热，表面吸氧，使自由电子浓度下降，可燃性气体存在时，由于燃烧耗掉氧自由电子浓度增大，导热率随自由电子浓度增加而增大，散热率相应增高，使Pt丝温度下降，阻值减小，Pt丝阻值变化与气体浓度为线性关系。这种传感器体积小、稳定、抗毒，可检测低浓度气体，在可燃气体检测中有重要作用。 (4)非电导型的FET场效应晶体管气体传感器，Pd—FET(场效应晶体管传感器，利用Pd吸收Hz并扩散达到半导体si和Pd的界面，减少Pd的功函，这种对H、2CO敏感。非电导型FET场效应晶体管气体传感器体积小，便于集成化，多功能，是具有发展前途的气体传感器。 2.固体电解质气体传感器 这种传感器元件为离子对固体电解质隔膜传导，称为电化学池，分为阳离子传导和阴离子传导，是选择性强的传感器，研究较多达到实用化的是氧化锆固体电解质传感器，其机理是利用隔膜两侧两个电池之间的电位差等于浓差电池的电势。稳定的氧化铬固体电解质传感器已成功地应用于钢水中氧的测定和发动机空燃比成分测量等。 为弥补固体电解质导电的不足，近几年来在固态电解质上燕镀一层气体敏膜，把围周环境中存在的气体分子数量和介质中可移动的粒子数量联系起来。 3.接触燃烧式传感器 接触燃烧式传感器适用于可燃性气H、CO、CH的检测。可燃气体接触表面催24 化剂Pt、Pd时燃烧、破热，燃烧热与气体浓富有关。这类传感器的应用面广、体积小、结构简单、稳定性好，缺点是选择性差。 4(电化学传感器 电化学方式的气体传感器常用的有两种 (1)恒电位电解式传感器 是将被测气体在特定电场下电离，由流经的电解电流测出气体浓度，这种传感器灵敏度高，改变电位可选择的检洌气体，对毒性气体检测有重要作用。 (2)原电池式气体传感器 在KOH电解质溶液中，Pt—Pb或Ag—Pb电极构成电池，已成功用于检测O，其2灵敏度高，缺点是透水逸散吸潮，电极易中毒。 11 西南民族大学电气信息工程学院论文 5(光学气体传感嚣 (1)直接吸收式气体传感器 红外线气体传感器是典型的吸收式光学气体传感器，是根据气体分别具有各自固有的光谱吸收谱检测气体成分，非分散红外吸收光谱对SO、CO、CO、NO等22气体具有较高的灵敏度。 另外紫外吸收、非分散紫外线吸收、相关分光、二次导数、自调制光吸收法对NO、NOSO、CH(CH)等气体具有较高的灵敏度。 224 (2)光反应气体传感器 是利用气体反应产生色变引起光强度吸收等光学特性改变，传感元件是理想的，但是气体光感变化受到限制，传感器的自由度小。 (3)气体光学特性的新传感器 光导纤维温度传感器为这种类型，在光纤顶端涂敷触媒与气体反应、发热。温度改变，导致光纤温度改变。利用光纤测温已达到实用化程度，检测气体也是成功的。 此外，利用其它物理量变化测量气体成分的传感器在不断开发，如声表面波传感器检测SO、NO、HS、NH、H等气体也有较高的灵敏度。 22232 在我们方案才用到的是利用物理化学性质进行检测的MQ-2可燃气体传感器，对一氧化碳、甲烷，液化石油气具有很高的灵敏度和良好的选择性。具有长期的使用寿命和可靠的稳定性，驱动电路简单，较大的电信号输出。应用于家庭和生产环境下的一氧化碳探测装置，适宜于一氧化碳、煤气，液化石油气等的探测。我们用来检测天然气，工作很稳定。 在天然气自动通断装置的设计中，单片机是仪表的核心部件。它一方面接收传感器检测到的可燃性气体浓度所对应的模拟电压信号，另一方面要对这一信号进行处理，控制报警、控制电路进行相应操作，与此同时判断是否收到外部中断请求。在单片机所实现的这些功能中，特别是信号处理部分，需要单片机有较快的运行速度，才能对现场气体浓度做出快速、准确的检测，进行相应的处理。同时考虑选择低价实用的机型，并为制同一系列的低功耗产品做准备。根据多方面的比较，本设计选用生产的STC89C52系列单片机作为报警器的核心控制器。 首先，可燃性气体浓度信号通过MQ-2气体传感器将可燃性气体浓度信号转换成电压信号，经过前置放大电路后，经过A/D转换，输出一个适合单片机接收的电压信号，然后，送入STC89C52中，线性化数据处理后，将电压信号运算成对应的数值，通过LCD1602显示。当检测到的可燃性气体浓度超出上限报警设定值时，系统首先进行自动处理，排除险情，具体是控制电磁阀，关闭电磁阀，即天然气总阀，然后开启排风扇，监测浓度，如果浓度在自动控制作用下，有效下降到安全范围内，单片机不做报警处理，仅作显示提示。当单片机自动处理过后，天然气浓度仍然无法有效控制，单片机即做报警处理，提醒人工干预。直到 12 西南民族大学电气信息工程学院论文 手动关闭警报。 在日常使用过程中，单片机的按键可以手动控制电磁阀的通断和排气扇的开关，应用在正常用气和排气通风的场合。 2.5设计主要完成的任务 本设计是以单片机为主控制器的天然气及其他烷类气体检测控制处理报警的装置，设计主要完成以下任务: (一)对单片机系统进行方案的认证，系统的整体规划和结构设计。 (二)以STC89C52作为主控制器，进行硬件电路的设计和改进，完善功能，主要电路分为，传感器电路、A/D转换电路、单片机接口电路、声光报警电路、1602显示电路、EN28J60网络模块、气阀通风扇控制电路七个部分。 (三)程序的编写，分模块的编写程序，绘制主程序和子程序的流程图，加入详细的文字注释，便于调试和后期功能的删增。 (四)按照设计要求，完成硬件电路，烧录程序，实现设计功能。 13 西南民族大学电气信息工程学院论文 第三章 硬件电路 3.1 STC89C52最小系统 在系统可编程STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K Flash 存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众【1】多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C52具有以下功能:8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件 、定时器/计数器、串口、可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM 中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。其引脚电路如图3.11所示，STC89C52主要性能有以下几点: (1) 与MCS-51单片机产品兼容，方便移植程序 (2) ROM是MCS-51系列2倍，8K可编程系统空间 (3) 1000次擦写周期 (4) 全静态操作:0Hz,33Hz (5) 三级加密程序存储器，有效保证程序的安全 (6) 4组，8位共32个可编程I/O口线 (7) 三个16位定时器/计数器 (8) 八个中断源全双工UART串行通道 (9) 低功耗空闲和掉电模式，掉电后中断可唤醒 (10) 看门狗定时器 (11) 双数据指针 89C52单片机接口说明: VCC:供电电压。 GND:接地。 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 14 西南民族大学电气信息工程学院论文 出4TTL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口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示: P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 /INT0(外部中断0) ) P3.3 /INT1(外部中断1 P3.4 T0(记时器0外部输入) P3.5 T1(记时器1外部输入) P3.6 /WR(外部数据存储器写选通) P3.7 /RD(外部数据存储器读选通) P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 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，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。 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)。 15 西南民族大学电气信息工程学院论文 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3.11STC89C52接口图 单片机工作，和我们的设计方案，单片机是主控制器，所以，第一步就是搭建单片机为核心的最小系统模块，其电路原理图如图3.12 16 西南民族大学电气信息工程学院论文 图3.12 89C52最小系统 其中单片机的18和19接脚接出的为晶振电路，晶振选用11.29M，电容选用33p的瓷片电容。RESET接出单片机复位电路，选用10uf的电解电容。正是由上述的最小系统构成整个设计的主控制器，设计的其他部分，也是在主控制器的基础上，进行的扩展。 3.2 气体传感器电路 气体传感器部分次用MQ-2作为传感器。MQ-2/MQ-2S气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，2 传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。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。如图3.21是MQ-2传感器内部电路。 图3.21 MQ-2传感器内部电路 MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。 图3.22是传感器典型的灵敏度特性曲线。 17 西南民族大学电气信息工程学院论文 图中纵坐标为传感器的电阻比(Rs/Ro)，横坐标为气体浓度。 Rs 表示传感器在不同浓度气体中的电阻值 Ro 表示传感器在1000ppm 氢气中的电阻值 图3.22 MQ-2在不同气体浓度下电阻值曲线 可见在比较稳定的环境下，MQ-2的电阻曲线基本是线性的，这样对浓度计算非常方便。 敏感体功耗(Ps)值可用下式计算: 传感器电阻(Rs)，可用下式计算: 22Ps=Vc×Rs/(Rs+R) Rs=(Vc/V-1)×RLRLL 气敏元件发生短路时，气敏元件检测点直接连到+5V，为高电平。气敏元件发生断路时，气敏元件输出接近0V，为低电平，而正常工作及可燃气体浓度超过浓度设定值的气敏元件输出范围为0.3~4.0.根据这一设计要求，选择双运放TL062作为短路和断路的电压比较器。断路比较器基准电压为0.5V，短路比较器基准电压为4.9V。 因为设计的时候，考虑是否加入AD0809所以在设计的时候，采用了模拟和数字双输出的设计，方便日后系统的精简或者功能的增加，系统原理图如图3.21，这样的设计有如下优点: 1、具有信号输出指示。 2、双路信号输出(模拟量输出及TTL电平输出) 3、TTL输出有效信号为低电平。(当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机) 4、模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压越高。 5、对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度。 18 西南民族大学电气信息工程学院论文 6、具有长期的使用寿命和可靠的稳定性 7、快速的响应恢复特性 图3.21 其中R1是限流电阻，5.1Ω，Rp是103电位器，R2是1K的电阻，R3是4700Ω的电阻，采用LM393作为电压比较器，在浓度范围内，输出高电平，LED不亮起，超过设计的浓度阀值，LM393输出低电平，LED发光，单片机也能接收到低电平。 而在AOUT输出的是模拟信号，方便接出到模数转换芯片，得到具体的浓度值。 3.3 1602LCD电路 1602字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式 LCD，1602是一个16x2行显示的液晶模块。它由16个接脚完成功能，具体的【】2功能接脚如表格3.31 引脚编号 符号 功能说明 引脚编号 符号 功能说明 1 VSS 电源接地脚 9 D2 数据I/O 2 VDD 电源正极脚 10 D3 数据I/O 3 VL 液晶显示偏压信号 11 D4 数据I/O 4 RS 数据/命令选择端 12 D5 数据I/O 5 R/W 读/写选择端 13 D6 数据I/O 6 E 使能信号端 14 D7 数据I/O 7 D0 数据I/O 15 BLA 背光电源正极 8 D1 数据I/O 16 BLK 背光电源负极 表格3.3 19 西南民族大学电气信息工程学院论文 1602液晶模块在使用显示的时候，内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有:阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是 01000001B(41H)，显示时模块把地址 41H 中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。 我们在使用的过程中，主要取其英文字母和数字的显示，完成功能。 电路部分，采用单片机的P0口整组作为1602的数据I/O口，RS、VL、E这三个分别接在单片机的P2.5、P2.6、P2.7三个接口完成对数据选择，读写，使能的控制。电路原理图如图3.32 其中VEE端采用的是103电位器，方便对液晶的亮度进行调节，可变电位器的好处是，可以在电路负载可变的前提下，得到1602清晰的显示。 3.4 声光报警电路 根据研究表明，人眼对于持续的一种状态并不敏感，所以，在声光报警电路的设计上，我们采用了双灯双色的设计。声光报警电路由2部分构成，一部分是由2个发光二极管组成的灯光报警电路. 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外 20 西南民族大学电气信息工程学院论文 壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。另一部分是由蜂鸣器组成的声音报警电路，如图3.42。 灯光报警如图3.41 图3.41 声音报警如图3.42 图3.42 声光报警电路在系统发生危险，且系统尝试解决若干次，排风，关闭电磁阀仍然燃气浓度很高的情况下，才发生警报，灯光电路持续闪烁，声音报警电路响起。蜂鸣器的三极管，因为单片机直接驱动，电流过小，所以采用9012三极管做成开关电路，单片机置低电平时，蜂鸣器持续工作。 3.5 排气及气阀电路 由于现在的气阀结构摒弃了原来的电机式，继电器结构的气阀很多，排气扇也可以通过串联继电器作为控制开关，所以设计上采用两个继电器和4个指示灯作为替代的设计。 首先是继电器，单片机的输出电流很小，同样也不足以驱动继电器，所以， 21 西南民族大学电气信息工程学院论文 我们需要一个三极管作为开关。三极管采用8050并加入二极管消除感应电动势的影响，单个继电器电路原理图如图3.51 图3.51 继电器指示模块 继电器模块共2个，原理图都一样，其中常开为红色，对于气阀来说，红色指示为关闭状态，绿色为气阀开启。而通风扇不需要常开触点，所以，绿色为工作。分别接入单片机2个I/O口。 3.6 模数转换电路ADC0809 )的作用就是把模拟量转换成数字量，以便于计算机进行A/D转换器(ADC 处理。随着超大规模集成电路技术的飞速发展，A/D转换器的新设计思想和制造技术层出不穷。为了满足各种不同的检测及控制任务的需要，大量结构不同、性能各异的A/D转换器芯片应运而生。 本设计采用ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。 (1)8路输入通道，8位A,D转换器，即分辨率为8位。 (2)具有转换起停控制端。 (3)转换时间为100μs (4)单个，5V电源供电 22 西南民族大学电气信息工程学院论文 (5)模拟输入电压范围0,，5V，不需零点和满刻度校准。 (6)工作温度范围为-40,，85摄氏度 (7)低功耗，约15mW。 ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，其引脚排列见图3.61 图3.61 ADC0809引脚排列 【3】对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下表: 引脚引脚符号 引脚功能说明 引脚引脚符号 引脚功能说明 编号 编号 -61 IN3 模拟输入接口3 15 2 数字量输出端6 2 IN4 模拟输入接口4 16 VREF- 基准电压- -83 IN5 模拟输入接口5 17 2 数字量输出端8 -44 IN6 模拟输入接口6 18 2 数字量输出端4 -35 IN7 模拟输入接口7 19 2 数字量输出端3 -26 START 启动信号，高电平20 2 数字量输出端2 有效 23 西南民族大学电气信息工程学院论文 -17 EDC 21 2 数字量输出端1 -58 2 数字量输出端5 22 ALE 地址锁存允许信号 9 OUTPUT-E 输出允许信号 23 ADD C 地址线，选取某一路 模拟信号 10 CLOCK 时钟脉冲接入端 24 ADD B 地址线，选取某一路 模拟信号 11 VCC 电源端，5V 25 ADD A 地址线，选取某一路 模拟信号 12 VREF+ 基准电压+ 26 IN0 模拟输入接口0 13 GND 接地端 27 IN1 模拟输入接口1 -714 2 数字量输出端7 28 IN2 模拟输入接口2 ADC0809如图3.62，IN0接传感器，采集传感器输出的信号电压信号，经过测试，当采集的电压超过1.9V时，即表示浓度超过约40%时，(设计提前，留有时间给电磁阀和排风扇的工作时间)作为系统的阀值，一旦超过此阀值，系统将开启排风扇和关闭电磁阀，以处理险情，如在一定处理时间过后，系统仍检测到浓度大于40%，系统将发出警报信息。提醒人工干预。 24 西南民族大学电气信息工程学院论文 图3.62 ADC0809 原理电路 由于我们采用的模拟信号输入是固定的IN0输入，所以，在ADD-A、ADD-B、ADD-C三个接口全部接地，低电平，即选择IN0工作，这样可以省去单片机的I/O口也能在程序上省去置低电平的代码。 3.7 独立按键控制电路 独立按键控制电路的加入，主要是针对气阀和排风扇工作设计的。因为气阀是电磁阀，在系统中控制天然气管道的开关，电磁阀可以替代传统的总阀。实现用单片机控制电磁阀来控制开关，需要使用天然气时打开气阀，排风扇也是一样。可以用于平时的厨房或者密闭空间的换气通风。所以独立按键的控制是非常必要的。 独立按键一共4个，分2组，分别控制电磁阀的开/关;排气扇的开/关，没有采用矩阵结构，所以共占单片机的P3.5~P3.7共4个接口。按键一端接地，另一端到单片机，程序延时去除抖动之后，低电平为按键按下。进行相应的处理。 电路如图3.71 25 西南民族大学电气信息工程学院论文 图3.71 按键电路与单片机接口 第四章 天然气自动通断装置程序设计 4.1 程序编写和调试工具 在天然气自动通断装置设计中，软件要解决的主要问题是检测传感器送来的可燃性气体浓度信号，进行线性化处理，然后用LCD1602进行显示，若浓度值超出限定值，首先启动排气装置和关闭总阀，如果排风和关闭无法使浓度降低，系统就给出警报信息，提醒人工干预。程序主要分为分为主程序、中断子程序、线性化处理子程序、十六进制转化十进制子程序，液晶显示、键扫描子程序、报警和控制继电器七个部分。在程序的编写过程中，加入了详细的文字注释，以便于后期的改进与维护。 而在STC89C51的开发往往借助于开发系统工具，STC89C52系列单片机的调试、开发工具由硬件和软件两部分组成，硬件只需一台PC机、目标板和keil开发工具。 (1) 程序编写 26 西南民族大学电气信息工程学院论文 当用户将根据硬件和功能，用keil编写C语言程序源程序。经keil软件语法检查无误并生成HEX文件。 (2) 程序烧写 生成的HEX代码通过串口烧写进程序的烧写是通过单片机烧写程序，将keil STC89C52的ROM中。 (3) 现场观察与修改 (4) 根据程序在单片机中的工作状况，现场进行程序的修改，重新编译生产目标代码，重新烧写。 4.2 系统程序框图 系统工作总框图，如图4.21 MQ-2燃气传感器配合ADC0809工作，MQ-2需要预热，先延时预热，ADC0809需要初始化，先对系统的所有部分进行初始化，初始化后，检测键盘，键盘按下，中断响应键盘，检测后，单片机对数据进行处理， 1602显示，超过阀值，自动处理，处理过后如果仍然在阀值之处理后，送入LCD 外，警报系统工作，提醒人工干预。主程序还包括显示子程序，T0中断子程序等，子程序的结构更加易于调试。完善报警器的功能，给检测人员带来方便。 27 西南民族大学电气信息工程学院论文 图4.21 系统总框图 第五章 系统调试 程序输入完后就进入调试阶段。调试时采用逐个调试的方法，即先调试其中每个子程序，确保无误后再对整个程序进行整体调试，直到程序顺利运行，达到设计目的。 5.1电源部分 我们的设计采用的是分模块的万能板，在接线用的杜邦线偏多，所以在设计的时候，一旦设计负载比较大，表现为单片机有比较大的压降，所以电源部分，除了指示灯以外，采用的多路供电和大电流电源，保证单片机的供电和工作。 5.2按钮误动作调试 程序运行中，有时会发生按钮误动作现象。因为按键是电平判定，对于系统来说，一个周期的时间非常短，所以，在程序中加入延时，去除按键抖动，能有效的防止按键的误操作。 28 西南民族大学电气信息工程学院论文 5.3MQ-2元件报警调试 气敏元件在故障报警解除后发生浓度超限报警。解决方法如下:由于单片机为顺序检测，气敏元件在短路故障报警解除后，此电压依然高于浓度超限设定值，必然会引起浓度报警，解决办法是，在人工干预后，在通风后，复位系统即可。 设计结论 天然气自动通断装置我负责的硬件部分，至此已经全部完成和模块测试完成了设计要求且正常工作。剩下的软件和调试部分，也将由我的组员们一起去完成。 通过这次毕业设计，使我对理论和实践之间的相互关系有了更清楚的认识，理论是实践的基础，扎实的理论知识是做好工作的前提条件。 完成这个软硬结合的综合性设计，不仅使我巩固了四年来所学的专业知识，而且还学到了不少新的知识，特别是强化了自己去利用网络和图书资源，独立思考问题、解决问题的能力。 我是做硬件部分的，硬件的设计过程中，规划是非常重要的，设计的原理图早已完成，在制作PCB板的过程中，各种问题还是非常多，因为用的万能板，对规划的提出了很高的要求，怎样在有限的万能板上，放置元件，布线能够清晰，明了，没有事先的规划直接动手非 技术是一件非常严谨的事情。不常容易造成失败。失败就只能重头再来。我深深地体会到做 光要有知识，也要有方法和步骤，这才是我们四年工科学习，得到最多的。遇到问题，怎么去入手，怎么样去规划，然后一点点到全面去完成和解决。从中我得到了不少宝贵的经验和教训，我相信这些会让我在今后的工作中取得更好的成绩打下坚实的基础。 29 西南民族大学电气信息工程学院论文 通过准备这次设计，基本用到了protel和模电数电的知识，在工作前夕更加深入了解一个团队的设计工作是怎样去实现的，为我以后的工作带来极大的方便。同时通过这次设计我充分认识到自己知识的贫乏，需要学习的东西还很多，充分激发自己的求知欲望。这是一次宝贵的经验，必将使我终生难忘。 30 西南民族大学电气信息工程学院论文 致谢 设计过程中，老师认真负责，每周都要求我们操作，写工作总结，这样专业的方式，让我在论文写作过程中，非常轻松。在导师的这样严谨的设计态度的指导下，完成的设计的硬件部分和论文的写作。就是这样的设计方法，我相信，以后在工作中，也能让我在条理分明的完成各种任务。感谢老师～ 31 西南民族大学电气信息工程学院论文 参考文献 【1】王幸之等.AT89系列单片机原理与接口[M](北京:北京航空航天大学，2004:104-106. 【2】长沙太阳人电子有限公司.SMC1602A 使用说明书 长沙:长沙太阳人电子有限公司 【3】美国国家半导体公司.ADC0809使用说明书 National Semiconductor 32 西南民族大学电气信息工程学院论文 附录: 33