【正文】 ，危及建筑物和人的生命安全。 室內(nèi)煤氣、天然氣的泄漏嚴(yán)重危害人的生命健康，基于此現(xiàn)實本設(shè)計旨在為家庭用戶設(shè)計一種能 夠同時檢測煤氣和天然氣泄漏的裝置，從而減少因煤氣、天然氣的泄漏造成的事故的發(fā)生概率，進而保證人民的生命健康安全，減少不必要的損失。 本裝置能夠同時監(jiān)測煤氣和天然氣兩種氣體在室內(nèi)空氣中的含量，當(dāng)這兩種氣體達到一定濃度時，該裝置能夠發(fā)出聲光報警信號，提醒用戶煤氣泄漏，采取相應(yīng)的應(yīng)對措施。除此之外，該裝置還具有檢測并顯示室內(nèi)溫度的功能。 現(xiàn)在家用燃氣報警器應(yīng)用十分廣泛，市場上成熟的家用燃氣報警器產(chǎn)品，種類凡多，功能各異。功能上已可實現(xiàn)：傳感器集成化，實現(xiàn)多種氣體類型傳感器互換、傳感器失效檢測報警、電池欠壓提示、開 機自檢等功能。如何選用一款能滿足自身需求、經(jīng)濟實惠、安全可靠，性價比高的燃氣報警器來保障家人的生命已成為千萬家庭需要考慮的問題。 課題研究的主要內(nèi)容 本設(shè)計旨在制作一款對煤氣、天然氣等氣體的泄漏具有高靈敏感知能力，當(dāng)泄漏氣體濃度達到預(yù)設(shè)值時能迅即發(fā)出 聲光報警，并在一定誤差內(nèi)具備溫度實時顯示功能，且具備對聲光報警電路實現(xiàn)手動檢測功能的高可靠、低誤報，高性價比 的家用煤氣、天然氣泄漏報警器。 畢業(yè)設(shè)計用紙 第 5頁 共 30 頁 第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計要求 （ 1） 當(dāng)所檢測的氣體達到預(yù)設(shè)報 警點時，報警器開始報警，報警燈閃亮，蜂鳴器發(fā)出“ B、B、 B?”的報警聲，當(dāng)檢測的氣體的濃度下降到報警點以下時，報警器則停止報警。 （ 2） 指示燈閃爍周期和蜂鳴器報警周期在 2 秒左右。 （ 3） 當(dāng)周圍環(huán)境可燃氣體濃度降到響應(yīng)閾值以下時，處于報警狀態(tài)的探測器將自動恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。 （ 4） 在 4 位 LED數(shù)碼管上對溫度進行實時顯示，分別為百位、十位、個位和小數(shù)點后一位 （ 5） 可實現(xiàn) 對聲光報警電路的手動檢測 （ 6） 傳感器靈敏度可調(diào) （ 7） 測量精度誤差在 ℃以內(nèi)（本設(shè)計最大誤差為 ℃） 任務(wù)分析 為實現(xiàn)儀器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低，智 能化等要求，可采用微處理器 AT89C51 單片機作為核心芯片，充分利用了其高速數(shù)據(jù)處理能力的片內(nèi)外設(shè)，滿足上述要求，同時具備了高可靠、低誤報的特點。 根據(jù)設(shè)計要求、使用環(huán)境、成本等因素，可選用 MQ7 型傳感器。它的靈敏度適中，具有響應(yīng)與恢復(fù)特性好，長期工作穩(wěn)定，不易受環(huán)境影響及抗溫度影響等特點。 在傳感器后續(xù)處理電路中可利用大電容充放電特性來產(chǎn)生一定的延時，使得傳感器有足夠的時間預(yù)熱，以免產(chǎn)生誤報警。 為實現(xiàn)傳感器的高靈敏度及其靈敏度可調(diào)性，滑動變阻器器與電壓比較器 LM138來實現(xiàn)。 可 增加手動檢測功能，當(dāng)按 動按鍵時， 若報警電路正常，則 報警燈 閃亮 ， 蜂鳴器發(fā)出 “B 、 B、 B?” 的報警聲 。 溫度顯示精度誤差要求可通過軟件編程來實現(xiàn)。 系統(tǒng)的方案設(shè)計 該方案使用了 AT89C51 單片機作為控制核心，以氣體傳感器 MQ7 作為氣體檢測元件，檢測室內(nèi)煤氣、天然氣的基本狀態(tài)，并將氣體濃度信號轉(zhuǎn)換為電信號。 通過信號處理電路將有無氣體泄漏兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換成高低電平，并將此電平通過單片機 I/O 接口傳入單片機，通過單片機編程控制由發(fā)光二極管、蜂鳴器等組成的聲光報警電路的工作狀態(tài)。 室溫顯示部分通過 DS18B20 溫度傳感 器，將室內(nèi)溫度值轉(zhuǎn)換為 16 位二進制，通過單片機 I/O 接口傳入單片機，并通過編程在七段數(shù)碼管上顯示出當(dāng)前溫度值。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖 21。 畢業(yè)設(shè)計用紙 第 6頁 共 30 頁 圖 21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 (1)氣體檢測模塊：主要有氣體傳感器以及 LM358 組成，其作用是將煤氣、天然氣的泄漏與否轉(zhuǎn)換為利于單片機識別的高低電平，并將此信號傳到單片機 ； (2)聲光報警模塊：由蜂鳴器和 LED 構(gòu)成 ,其作用是當(dāng)檢測到有煤氣、天然氣泄漏時，發(fā)出聲光 報警信號，提醒用戶有煤氣、天然氣泄漏，采取相應(yīng)措施； (3)溫度檢測模塊：由 DS18B20 溫度傳感器構(gòu)成， DS18B20 將檢測到的溫度值轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)，并傳到單片機進行處理； (4)溫度顯示模塊：主要由 74LS245 和 4 位七段數(shù)碼管組成，其作用是顯示當(dāng)前溫度值； (5)主控模塊：即單片機 AT89C51，其作用是根據(jù)氣體檢測模塊輸出的高低電平，控制聲光報警模塊的工作狀態(tài)，并完成溫度的采集及顯示功能 ； (6)軟件部分：軟件部分主要通過軟件編程控制主控模塊，根據(jù)氣體檢測模塊檢測到煤氣、天然氣的狀態(tài)，控制聲光報警模 塊是否發(fā)出聲光報警信號，從而完成煤氣、天然氣檢測報警功能。同時通過編程控制主控模塊對溫度采集模塊進行數(shù)據(jù)采集，并通過溫度顯示模塊顯示當(dāng)前溫度值。 將系統(tǒng)拆分成以上的這些基本功能模塊后，再根據(jù)各個模塊所要完成的功能分別去設(shè)計，也就是按照“逐步求精”的思想去設(shè)計本系統(tǒng) 。 單片機 AT89C51主控模塊 氣體檢 測 聲光報警 溫度檢測 4 位七段數(shù) 碼 管溫 度 顯示模塊 畢業(yè)設(shè)計用紙 第 7頁 共 30 頁 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 按照設(shè)計要求，系統(tǒng)硬件可以分為以下幾個基本功能模塊： 顯示模塊 系統(tǒng)總電路圖如 附 錄 A 所示，當(dāng)沒有煤氣、天然氣泄漏時 OUT1 端為高電平，此時單 片機控制 OUT3 端無輸出信號，繼續(xù)檢測 OUT1 端的狀態(tài)；當(dāng)煤氣、天然氣泄漏時，OUT1 端由高電平變 成 低電平，此時單片機控制端 OUT3 端輸出方波信號，驅(qū)動報警電路發(fā)出聲光報警信號。通過單片機編程對 DS18B20 檢測的溫度進行采集，此溫度值由16位二進制數(shù)表示，通過編程對此 16 位二進制數(shù)進行處理，并通過 4 位七段數(shù)碼管加以顯示。 主控模塊設(shè)計 單片機的選擇 本設(shè)計中選用的單片機為 AT89C51。 AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)具有 4K bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器和 128 bytes 的隨機數(shù)據(jù)存儲器，器件使用 ATMEL 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 FLASH 存儲單元，功能強大的 AT89C51 單片機可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域 。 圖 31 AT89C51 的引腳排列 畢業(yè)設(shè)計用紙 第 8頁 共 30 頁 主要性能指標(biāo)參數(shù) ： 與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可編程 FLASH 存儲器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間： 10 年 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz 三級程序存 儲器鎖定 128 8 位內(nèi)部 RAM 32 可編程 I/O 線 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 5 個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 AT89C51 的引腳排列如 上 圖圖 31 所示 . 單片機控制電路 單片機模塊即主控模塊，完成功能是與各個功能模塊連接，并通過軟件編程控制各個模塊功能，完成煤氣、天然氣檢測報警及溫度顯示功能。 如圖 32 所示，利用 作為溫度傳感器輸入位，利用 控制報警燈點亮和蜂鳴器報警， ～ 控制七段數(shù)碼管， ～ 控制 4 位數(shù)碼管顯示。 圖 32 主控模塊原理圖 畢業(yè)設(shè)計用紙 第 9頁 共 30 頁 氣體檢測模塊 傳感器是能把被測物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)化為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的電信號的輸出裝置。傳感器主要由敏感元件、傳感元件組成，有時也將信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路、輔助電源作為傳感器的組成部分如圖 33 圖 33 傳感器工作原理圖 敏感元件：直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的其他量的元件。 傳感元件：又稱轉(zhuǎn)換器，一般情況下，不直接感受被測量，而是將敏感元件的輸出量轉(zhuǎn)化為電量輸出的元件。 傳感器按工作原理可分為：電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、光電式傳感器、壓電式傳感器等。 在這個設(shè)計中選擇煤氣、天然氣氣體傳感器屬于電阻式傳感器，傳感器型號為MQ7。 MQ7 能夠同時檢測煤氣、天然氣兩種氣體，與分別用兩種氣體傳感器檢測 相比，明顯減少設(shè)計成本。 MQ7 型氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形及其引腳結(jié)構(gòu)電路連接如圖所示。在圖所示中（結(jié)構(gòu) A 或 B），由微型 Al203 陶瓷管、 SnO2 敏感層、測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。填充活性炭的過濾腔體，進一步減弱了氮氧化物、烷類等氣體的干擾。封裝好的氣敏元件有 6 只針狀管腳，其中 4 個用于信號取出，兩個用于提供加熱電流。對一氧化碳具有很高的靈敏度和良好的選擇性，具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性，應(yīng)用于家庭、環(huán)境的一氧化碳探測裝置。適 宜于一氧化碳、煤氣等的探測。一氧化碳傳感器的 MQ7 的標(biāo)準(zhǔn)工作條件、環(huán)境條件、靈敏度特性表 見附錄 B 所示 被測量 電量 敏感元件 傳感元件 信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換 輔助電源 畢業(yè)設(shè)計用紙 第 10頁 共 30 頁 34 MQ7 結(jié)構(gòu)外形及引腳 表 31 結(jié)構(gòu)及引腳說明表 部 件 材 料 1 氣體敏感層 二氧化碳 2 電極 金（ Au） 3 測量電極引線 鉑（ Pt） 4 加熱器 鎳鉻合金（ NiCr） 5 陶瓷管 三氧化二鋁 6 過濾層 活性炭顆粒 7 卡環(huán) 鍍鎳銅材（ NiCr） 8 基座 塑料或尼龍 9 針狀管腳 鍍鎳銅材（ NiCu） 圖 35 MQ7 引腳電路連接 MQ7 工作原理 ： 傳感器的表面電阻為 RS,對被測信號（一氧化碳）濃度的測量是通過 RS 與其串聯(lián)的負(fù)載電阻 RL 上的有效電壓信號 VRL 而獲得的。兩者之間的關(guān)系 畢業(yè)設(shè)計用紙 第 11頁 共 30 頁 為： RS/RL=(VCVRL)/VRL。 MQ7 型氣敏元件的敏感是用非常穩(wěn)定的二氧化錫制成的，因此，它具有優(yōu)秀的長期穩(wěn)定性，在正常使用條件下，其使用壽命可達 5 年。 一氧化碳傳感器 MQ7 靈敏度調(diào)整 MQ7 型氣敏元件對不同種類、不同 濃度的氣體有不同的電阻值。因此，在使用此類型氣敏器件時，靈敏度的調(diào)整是很重要的。 當(dāng)精確測量時 :報警點的設(shè)定應(yīng)考慮溫、濕度的影響。 靈敏度的調(diào)整程序： (1）將傳感器連接在應(yīng)用回路中； (2）接通電源，通電老化 48h 以上； (3）調(diào)整負(fù)載電阻 RL至獲得對應(yīng)于某一個一氧化碳濃度時所需要的信號值。 2. 氣體 傳感器輸出處理 電路設(shè)計 如圖 36 所示 RV1 用來模擬傳感器的阻值變化， RV2 用來調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度，大電容 C4 用來產(chǎn)生一定的延時，使得傳感器有足夠的時間預(yù)熱，以免產(chǎn)生誤報警。 LM358 及 其外圍電路完成比較器的功能，當(dāng) CO 濃度上升后，其阻值變小，導(dǎo)致晶體管基極電壓上升，晶體管導(dǎo)通后 LM358 的反相輸入端電壓大于同相輸入端電壓，此時， LM358 輸出為 0，該信號輸入到單片機作為報警觸發(fā)信號。 圖 36 氣體檢測模塊原理圖 畢業(yè)設(shè)計用紙 第 12頁 共 30 頁 聲光報警模塊 1. 聲光報警模塊電路 如圖 37 所示， OUT3 與單片機 引腳相接，當(dāng)檢測到煤氣、天然氣泄漏時通過單片機編程控制 輸出方波信號，此時 LED D4 閃爍，并且蜂鳴器以相同的頻率發(fā)出聲音，產(chǎn)生聲光報警信號，提醒用戶煤氣天然氣泄漏，采取相應(yīng)的措施 。