【正文】 ）研究背景及意義 隨著我國燃氣的變革及西氣東輸工程的進行，煤氣或天燃氣已成為多數(shù)家庭的燃料。每年，因煤氣泄露造成的煤氣中毒事故中 ，因使用熱水器不當(dāng)或產(chǎn)品本身的質(zhì)量問題 ,造成的一氧化碳中毒事故，全國均有不少事例 .有甚者 ,因室內(nèi)煤氣濃度過高，引起煤氣爆炸的事故也不少見。所以怎樣防止煤氣中毒與爆炸已成為人們的迫切需要。為此我們開發(fā)研制了智能煤氣報警系統(tǒng)。 計算機的普及和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們己不滿足于傳統(tǒng)的居住環(huán)境，對家庭及住宅小區(qū)提出了更高的要求，智能化被引入家庭，并迅速在世界各地發(fā)展起來。人們對居住環(huán)境要求的日見增高，體現(xiàn)在希望住宅不僅更便利、舒適而且更安全。 家庭及住宅小區(qū)智能化的定義，在國際上至今尚無一致的般認(rèn)為，在現(xiàn)代化的城鄉(xiāng)住宅小區(qū)內(nèi)綜合采用微型計算機、自動控制、通信與網(wǎng)絡(luò)及智能卡等技術(shù)，建立一個由住宅小區(qū)綜合物業(yè)管理中心與安防系統(tǒng)、信息通信服務(wù)與管理系統(tǒng)和家庭智能化系統(tǒng)組成的“三合一”住宅小區(qū)服務(wù)與管理集成系統(tǒng)，最終目的是使每一住戶得到滿足其要求的最佳方案。國家建設(shè)部規(guī)定，目前住宅小區(qū)應(yīng)實現(xiàn)六項智能化要求，其中包括實行安全防范系統(tǒng)自動化監(jiān)控管理 。防盜報警系統(tǒng)應(yīng)安裝紅外或微波與煤氣泄漏報警器等各種類型報警探測器。基于此項規(guī)定，煤氣泄漏自動報警實現(xiàn)智能化勢在必行 1。 在社會信息化進程日益發(fā)展的今天，信息技術(shù)應(yīng)用己滲透到人類生存、 活動的各個領(lǐng)域，在建筑領(lǐng)域，人們的現(xiàn)代生活、工作對居住要求舒適健康、安全可靠、高效便利。這時候氣體燃料的應(yīng)用也越來越廣泛。目前家用煤氣，液化器、天然氣作為氣體燃料，已用與家庭旅館，深入人民的生活之中。氣體燃料的應(yīng)用和普及，伴之而來的是氣體泄漏造成的中毒、爆炸、火災(zāi)等事故也時有發(fā)生。其中由于一氧化碳泄漏中毒死亡尤為嚴(yán)重。眾多周知由于 CO 與血液中的血紅素的結(jié)合能力是氧的 240 倍 ,因此 ,當(dāng)它進入人體血液循環(huán)系統(tǒng)后 ,就會大量取代氧而與血紅素結(jié)合 ,抑制血液中氧氣的釋放 ,從而導(dǎo)致發(fā)生頭痛、耳鳴、嘔吐、血壓降低等不同程度 的癥狀發(fā) 1 姚豐、劉念聰：一種單片機智能煤氣系統(tǒng)的設(shè)計 [J]，天津職業(yè)大學(xué)學(xué)報 2021 年 6 月 第 13 卷 第 13 期。 2 生。如果 CO 中毒嚴(yán)重 ,輕者于康復(fù)過程中可能會頭昏眼花、喪失記憶或引起視覺及神經(jīng)上的障礙 ,嚴(yán)重者會導(dǎo)致腦部受損甚至發(fā)生死亡。這就對煤氣自動報警的器的設(shè)計更加迫切 2。 為了預(yù)防一氧化碳的泄漏，人們采用了各種措施。家用智能煤氣報警器是為了預(yù)防氣體中毒的一種家用的自動報警器，也是一種高靈敏度的氣體探測器，一般都是應(yīng)用高靈敏度的氣敏元件作氣電轉(zhuǎn)換元件，并配以電路和聲光報警部分 組成。當(dāng)泄漏的氣體達到危險極限值時報警器就會發(fā)生鳴響和聲光報警。 測控技術(shù)與儀器儀表技術(shù)已經(jīng)是現(xiàn)在社會不可缺少的重要組件。 從今天進入 信息科技時代來看，儀器儀表是實現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換、存貯和揭示物質(zhì)運動的必備工具，是當(dāng)今普遍稱之為時代標(biāo)志的信息科技的三大支柱（信息獲取及處理、信息傳輸與通信、電子技術(shù)及計算機）的必要手段，也是新技術(shù)革命的一項重要內(nèi)容。 在現(xiàn)代化建設(shè)中，人們對儀器儀表所能起到的監(jiān)控作用，在技術(shù)上有著高層次的要求，因而儀器儀表工業(yè)是促進國民經(jīng)濟各部門技術(shù)進步，進行技術(shù)改造，提高勞動生產(chǎn)率和社會經(jīng)濟效益，開發(fā)與節(jié)約能源和材料的先導(dǎo)工業(yè)。儀器儀表的裝備水平在很大程度上反映出一個國家的生產(chǎn)力的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)代化水平。 儀器儀 表設(shè)備水平在很大程度上反映出一個國家的生產(chǎn)力發(fā)展水平，當(dāng)前儀器儀表正從自動化向智能化方向發(fā)展，無疑這對于提高生產(chǎn)效率，優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，加速我國現(xiàn)代化建設(shè)有著極其重要的作用。從此可以看出，測控技術(shù)及儀表專業(yè)具有非常美好的未來 3。 在小區(qū)內(nèi)保安室或是礦區(qū)主控室（以下簡稱總臺）安裝好一個控制主機和報警模塊，在小區(qū)的每一個住戶安裝或是礦區(qū)的每一個礦點安裝一個到多個探測頭和報警模塊。這樣就可以同時在發(fā)生意外的時候及時的在總臺和發(fā)生意外的所在點產(chǎn)生聲光報警，及時的疏散意外所在點的人群并告之總臺的控制端?？偱_可以通過顯示模 塊得知哪個點發(fā)生意外，并及時的進行處理和疏導(dǎo)人群。 2 周捷：有毒可燃氣體報警器原理及設(shè)計 [J]，科技信息 2021 年總第 5 期。 3 閆坤：基于 CAN 總線小區(qū)煤氣泄漏報警系統(tǒng)的研究與設(shè)計 [J]，電子測試 2021 年第 5 期。 3 （二）研究內(nèi)容 本設(shè)計主要研究并設(shè)計一個基于單片機的 煤氣報警 系統(tǒng)，并實現(xiàn)對 AD 數(shù)據(jù)的采集和聲光的報警 控制?？刂葡到y(tǒng)主要是由 MCS52 系列單片機、電源電路、 AD 數(shù)據(jù)采集 電路、 傳感器 電路、 看門狗電路、復(fù)位 電路、 實時時鐘 電路、 LED 顯示 與鍵盤輸入人機接口 電路、 聲光報警 電路等部分組成 。 單片機 通過 AD 轉(zhuǎn)換 8 路傳感器來所得到的信號，進行比較處理，并且能夠存儲各個通道的報警上限和報警時的數(shù)據(jù)儲存，并且在安全值內(nèi)，輪回顯示當(dāng)前通道的測量值和設(shè)定值，在安全值外，產(chǎn)生 聲光報警，并且輪回顯示報警通道的當(dāng)前值、設(shè)定值。 二、 系統(tǒng)總體設(shè)計 （一）方案的選擇 方案一，通過傳感器感受到可燃性氣體，降低自身的阻值，來增大電流，并且驅(qū)動蜂鳴器報警。電路簡單、可靠但是靈活性和實用性差。 方案二，可以通過傳感器感知信號多級放大電路，并用電位器調(diào)節(jié)得到固定的電壓值，當(dāng)?shù)玫娇扇夹詺怏w信號時，電阻值立刻變小，放大器的放大倍數(shù)增加，電壓也就隨著增加，驅(qū)動三極管導(dǎo)通報警電路。該方案有一定的靈活性和可執(zhí)性，但是電路比較復(fù)雜，智能性差。 方案三，通過 51 系列單片機作為主控單元，并且能夠通過傳感器把模 擬信號通過 A/D 信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并且讀取和顯示出來。鍵盤可以通過不同的應(yīng)用場合和針對不同氣體做出不同的濃度設(shè)定，并且儲存報警的上限和報警時間，方便查詢和日后的工作調(diào)查。 綜合考慮，由于使用單片機設(shè)計靈活性更強、用途更寬廣，所以本設(shè)計采用方案三。 4 （二）系統(tǒng)流程框圖 如圖 21 所示，該設(shè)計是由 89s52 單片機主要控制單元 4，由 7805 穩(wěn)壓芯片提供電源，具備有看門狗芯片 X5045 和實時時鐘芯片 DS12887 作為主體單元。顯示和鍵盤是由 HD7279A 控制的，數(shù)據(jù)采集是由 TLC2543 進行。 圖 21 系統(tǒng)流程框圖 三、 硬件系統(tǒng)設(shè)計與傳感器選用 硬件系統(tǒng)的電路包括主機單元的電路和功能實現(xiàn)系統(tǒng)模塊電路。 主機單元主要由 89s52 單片機與 X5045 看門狗定時器、實時時鐘 DS12887 和 7805 電源電路組成。功能實現(xiàn)系統(tǒng)模塊，由 A/D 轉(zhuǎn)換電路、信號處理電路、人機接口電路、傳感器和報警電路組成。 （一） 主機單元單路 主機模塊是由主控芯片 AT89s5 X504 DS12887 芯片和電源電路構(gòu)成。它 4晃陽：單片機 MCS51原理及應(yīng)用開發(fā)教程 [M],清華大學(xué)出版社 ： 376385。 89s52 單片機 +5v 電源 看門狗X5045 實時時鐘DS12887 顯示與鍵盤HD7279A AD 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 TLC2543 信號處理 傳感器 報警電路 5 是儀表的核心部分。電源電路提供 +5v 的穩(wěn)定電源； X5045 防止系統(tǒng)死機，保證程序正常運行，內(nèi)部的 EEPROM 有掉電數(shù)據(jù)存儲功能，用于保存各采集通道的報警上限； DS12887 存儲當(dāng)前時刻之前發(fā)生的 10 個歷史報警記錄，包括報警的發(fā)生通道、性質(zhì)和發(fā)生時間，可以對時、分、秒、年、月、日進行準(zhǔn)備計時，具有掉電數(shù)據(jù)存儲功能，以邊日后實現(xiàn)可燃性氣體的報警監(jiān)督功能。總體連接如圖 31。 圖 31 主機模塊總連接圖 AT89S52 單片機 本設(shè)計中的主芯片采用美國 ATMEL 公司的。 控制器部分采用了美國 ATMEL 公司的 AT89S52 單片機， AT89S52 是一個低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 8k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容 標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元，功能強大的微型計算機的 AT89S52 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案 5。 AT89S52 具有如下特點： 40 個引腳 ,8k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲器 ,256 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM） ,32 5李全釗、遲榮強：單片機原理及接口技術(shù) [M],高等教育出版史 2021 年 6 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口 ,5個中斷優(yōu)先級 2 層中斷嵌套中斷 ,2 個 16位可編程定時計數(shù)器 ,2 個全雙工串行通信口 ,看門狗（ WDT）電路 ,片內(nèi)時鐘振蕩器 ， 主要功能 表 特性 見表 31。 此外 ,AT89S52 設(shè)計和配置了振蕩頻率可為 0Hz 并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下 ,CPU 暫停工作 ,而 RAM 定時計數(shù)器 ,串行口 , 外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作 ,掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存 RAM 的數(shù)據(jù) ,停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該芯片還具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式 ,以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 表 31 主要功能 表 特性： 兼容 MCS51指令系統(tǒng) 8k 可反復(fù)擦寫 (1000 次） ISP Flash ROM 32 個雙向 I/O 口 工作電壓 3 個 16 位可編程定時 /計數(shù) 器 時鐘頻率 033MHz 全雙工 UART 串行中斷口線 256x8bit 內(nèi)部 RAM 2 個外部中斷源 低功耗空閑和省電模式 中斷喚醒省電模式 3級加密位 看門狗（ WDT）電路 軟件設(shè)置空閑和省電功能 靈活的 ISP 字節(jié)和分頁編程 雙數(shù)據(jù)寄存器指針 圖 32 89s52 各個引腳 7 在本設(shè)計中， P0 作為實時時鐘 DS12887 的數(shù)據(jù)傳送總線； 作為片選 CE 的接口用來使能 DS12887， ALEP 接口用來鎖存外接存儲器的地址， RD 和 WR 接口分別接實時時鐘的 RD 和 WR，用來讀控制和寫控制外部存儲 器的數(shù)據(jù)， RESET 接 X5045的 RS 接口受其看門狗監(jiān)督， 和 兩個接口用來接 X5045 的數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出； 和 接 X5045 的片選接口和時鐘接口。主機 89s52 完成對監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過程、采集方式和報警過程的控制。其最簡單的連接圖如圖 33。 圖 33 89s52 最小系統(tǒng) DS12887 實時時鐘芯片及其電路 DS12887 實時鐘芯片的特點，可作為 IBM AT 計算機的時鐘和日歷；與MC146818B 和 DS12887 的管腳兼容；在沒有外部電源的情況下可工作 10 年；自帶晶振及電池；可計算到 2100 年前的秒、分、小時、星期、日期、月、年七種日歷信息并帶閏年補償；用二進制碼或 BCD 碼代表日歷和鬧鐘信息；有 12 和 24 小時兩種制式， 12 小時有 AM 和 PM 提示；可選夏令時模式；可以應(yīng)用與 NMOTOROLA和 INTERL 兩種總線；數(shù)據(jù) /地址總線可以復(fù)用；內(nèi)建 128 字節(jié) RAM（ 14 字節(jié)時鐘控制寄存器， 114 字節(jié)通用 RAM）；可編程方波輸出；總線兼容中斷（ /IRQ）；三種可編程中斷。其管腳名稱及其分部如圖 34 所示。 8 圖 34 DS12887 的管腳分布 AD0AD7 是雙 向地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用總線； NC 是空腳； MOT 總線類型選擇，接地或不接時，選擇 INTEL 總線時序，接 Vcc 是選用 MOTOROLA 總線時序； CS 是片選，當(dāng)Vcc 低于 時， DS12887 從內(nèi)部禁止對外部 CS 的操作，此時時鐘和 RAM 都被保護起來； AS 是地址鎖存 ALE； R/W 在 INTERL 總線下做 /WR， DS 在 INTEL 總線下做 /RD；RESET 是復(fù)位信號，系統(tǒng)上電復(fù)位腳要保持低電平 200MS 以上才可以正常工作； IRQ是中斷請求輸出，有中斷請求為低電位，無就為高電位，外接必須接上拉電阻； SQW是方波輸出；當(dāng) Vcc 低于 是沒有任何作用； VC 為 +5V 電源， GND 是電源地。其 DS12887 芯片地址分部如圖 35所示。 圖 35 DS12887 的地址分部 所有地址包括 114 字節(jié)通用 Ram、 10 字節(jié)用于記錄時間、日歷、鬧鐘的 RAM以及字節(jié)的控制、狀態(tài) RAM。所有字節(jié)都可以在除以