【正文】 基于單片機(jī)的智能煤氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 1 章 緒 論 課題背景 20 世紀(jì)電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在其推動(dòng)下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，有力地推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)信息化程度的提高，同時(shí)也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能得到進(jìn)一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來(lái)越快。 單片機(jī)已成為電子系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、信息處理、通信聯(lián)絡(luò)和實(shí)施控制的重要器件，其使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實(shí)時(shí)工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。因此，單片機(jī)技術(shù)是電類專業(yè)特別是電子信息類學(xué)生必須具備的基本功。然而 ,目前在國(guó)內(nèi)煤氣泄漏，引起中毒、爆炸時(shí)有發(fā)生，直接威脅著人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，而智能煤氣泄漏監(jiān)控報(bào)警器，能夠準(zhǔn)確無(wú)誤的檢測(cè)出有沒(méi)有發(fā)生氣體泄漏情況。當(dāng)在空氣中含有可燃、危險(xiǎn)氣體之時(shí)報(bào)警器會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警、并及時(shí)切斷氣源 ,同時(shí)還可啟動(dòng)排氣扇將有毒氣體排出室外 ,因此防悲劇于未然的必要性就變的更重要 ,本課題就是在這種趨勢(shì)下而立項(xiàng)的，利用 AT89S52 單片機(jī)設(shè)計(jì)的智能煤氣監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，它是以單元為單位，能完成對(duì)整個(gè)小區(qū)的總體監(jiān)控。 立題的目的和意義 隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，易燃、易爆、有毒氣體的種類和應(yīng)用范圍都得到了增加，這些氣體在生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用過(guò)程中一旦發(fā)生泄漏，將會(huì)引發(fā)中毒、火災(zāi)甚至爆炸事故，嚴(yán)重危害人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。由于氣體本身存在的擴(kuò)散性，發(fā)生泄漏之后，在外部風(fēng)力和內(nèi)部濃度梯度的作用下，氣體會(huì)沿地表面擴(kuò)散，在事故現(xiàn)場(chǎng)形成燃燒爆炸或毒害危險(xiǎn)區(qū)，擴(kuò)大危害區(qū)域。在防止突發(fā)事件中，對(duì)報(bào)警器件有 極大的需求，它們被設(shè)計(jì)用于，對(duì)由于有害或易燃?xì)怏w泄漏造成的中毒、昏迷或火災(zāi)及時(shí)提出警報(bào)。 ? MCS51系列單片機(jī)是控制系統(tǒng)常用的單片機(jī)，應(yīng)用在很多領(lǐng)域，利用它完成的報(bào)警系統(tǒng)有很多。使用 MCS51單片機(jī)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的采樣煤氣濃度，能夠達(dá)到題目的設(shè)計(jì)要求，而且該系列的單片機(jī)相對(duì)于其它型號(hào)的單片機(jī)，更加易于學(xué)習(xí)和掌握，性能也相對(duì)比較好。并且，可以通過(guò)此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，較好的掌握硬件開(kāi)發(fā)的工作流程及步驟，學(xué)會(huì)使用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)程序，提高動(dòng)手能力和實(shí)踐能力 , 為將來(lái)參加實(shí)際工作做好充分的準(zhǔn)備。 煤氣報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)際功能和基本原理 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展 ,人民生活水平的不斷提高 , 使用煤氣的居民越來(lái)越多 ,煤氣安全便應(yīng)運(yùn)而生，煤氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)的出現(xiàn) ,確保了人們?cè)谑褂妹簹鈺r(shí)的安全。本系統(tǒng)是針對(duì)小區(qū)整體監(jiān)控的實(shí)際要求完成的，實(shí)現(xiàn)的功能如下： ① 實(shí)現(xiàn)對(duì)煤氣泄漏的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 ② 實(shí)時(shí)跟蹤顯示現(xiàn)場(chǎng)煤氣濃度并根據(jù)傳感器老化曲線進(jìn)行誤差修正。 ③ 具有超限聲光報(bào)警功能。 ④ 根據(jù)報(bào)警狀態(tài)自動(dòng)關(guān)閉煤氣管道電磁閥并開(kāi)啟排氣裝置。 ⑤ 故障排除后可自動(dòng)煤氣管道電磁閥進(jìn)行供氣。 其基本原理如下： 系統(tǒng)循環(huán)采樣幾個(gè)單元的 煤氣濃度，煤氣濃度經(jīng)轉(zhuǎn)換電路換算成對(duì)應(yīng)的電壓值，經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換后，得出在 0— 5之間的濃度值，當(dāng)濃度值大于報(bào)警臨界值時(shí)，則出現(xiàn)相應(yīng)的指示。本系統(tǒng)報(bào)警分為兩個(gè)級(jí)別Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)，系統(tǒng)默認(rèn)的Ⅰ級(jí)報(bào)警的煤氣濃度為 2≤Ⅰ＜ 4（每立方米煤氣的濃度），Ⅱ級(jí)報(bào)警的煤氣濃度為Ⅱ≥ 4，而且報(bào)警時(shí)有相應(yīng)的指示：Ⅰ級(jí)為在 LED 七段數(shù)碼管上顯示：“單元號(hào)，濃度，Ⅰ” ,Ⅱ級(jí)為在 LED七段數(shù)碼管上顯示：“單元號(hào)，濃度，Ⅱ”，對(duì)應(yīng)的報(bào)警燈亮，并伴有聲音報(bào)警；沒(méi)有報(bào)警時(shí)， LED 上循環(huán)顯示當(dāng)前各個(gè)單元的煤氣濃度及系統(tǒng)時(shí)鐘。 在系統(tǒng)的開(kāi)始和執(zhí)行過(guò)程 中可以按“ B”鍵來(lái)修改報(bào)警臨界值?？梢酝瑫r(shí)修改Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)，也可以單獨(dú)修改，“ A”鍵為運(yùn)行鍵 ,當(dāng)按下“ A”鍵 , 系統(tǒng)則開(kāi)始運(yùn)行?！?B”鍵是時(shí)鐘鍵，用于時(shí)鐘的設(shè)置與調(diào)整 , “ C”鍵為設(shè)置鍵，當(dāng)按下“ C”后，系統(tǒng)進(jìn)入報(bào)警臨界值的設(shè)置， “ D”、“ E”兩鍵是參量設(shè)置鍵 ,按下“ D”鍵數(shù)字加一，按下“ E”鍵數(shù)字減一，用于煤氣濃度報(bào)警臨界值及時(shí)鐘的調(diào)整與設(shè)置。 第２章 系統(tǒng)方案論證與比較 煤氣報(bào)警系統(tǒng)總體方案 方案一： 采用 NE555 時(shí)基電路設(shè)計(jì) ,本報(bào)警電路采用的傳感器為國(guó)產(chǎn)的 QMN5型氣敏傳感器，它適用于對(duì)可燃性氣體的檢測(cè)、檢漏、監(jiān)控，具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間短、電導(dǎo)率變化很大等優(yōu)點(diǎn)，它的適用范圍：可燃性氣體，如天燃?xì)?、煤氣、液化石油氣、氫氣、一氧化碳、烯烴類等氣體。因此用 QMN5可作為煤氣、可燃?xì)獾鹊臋z測(cè)探頭。當(dāng)有煤氣泄漏時(shí)，用 QMN5作為檢測(cè)探頭為報(bào)警電路工作，發(fā)出報(bào)警聲響并啟動(dòng)排風(fēng)扇系統(tǒng)，報(bào)警電路采用 NE555 組成的可控多諧振蕩器控制。 方案二 : 如圖 21 所示，系統(tǒng)以單片機(jī)為核心 , 其主要包括 以下五個(gè)部分：氣體檢測(cè)及放大整形電路部分、聲光報(bào)警執(zhí)行電路部分、鍵盤(pán)顯示部分、時(shí)鐘及復(fù)位電路部分。該方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單 ,結(jié)構(gòu)合理且能很好的滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。 圖 21 系統(tǒng)組成框圖 比較上述兩種方案，方案一雖然電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低和易于實(shí)現(xiàn) ,但該系統(tǒng)功能單一 ,只適用于家庭用戶使用而不能用于一個(gè)小區(qū)的監(jiān)控；方案二此系統(tǒng)硬件資源簡(jiǎn)潔、價(jià)格低廉，系統(tǒng)能將復(fù)雜的硬件功能全部采用軟件實(shí)現(xiàn)，因此系統(tǒng)控制靈活，能很好地滿足本課題的基本要求及其擴(kuò)展要求；且能夠使人在定時(shí) /計(jì)數(shù)器的使用、中斷及程序設(shè)計(jì)方面得到 鍛煉與提高，故本次設(shè)計(jì)采用方案二。 單元電路的方案論證與比較 單片機(jī)的選擇 本設(shè)計(jì)采用 AT89S52 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)， AT89S52 是一種低功耗、高性能的片內(nèi)4kB 快閃可編程 /擦除只讀存儲(chǔ)器 CMOS 微控制器，與 MCS51 微控制器產(chǎn)品系列兼容，使用高密度、非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造，存儲(chǔ)器可循環(huán)寫(xiě)入 /擦除 1000 次。該單片機(jī)內(nèi)部資源豐富功能強(qiáng)大，集成了內(nèi)部看門(mén)狗、雙數(shù)據(jù)指針、在系統(tǒng)編程（串行下載目標(biāo)程序）等功能，軟硬件調(diào)試方便，對(duì)于畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間緊、任務(wù)多的開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)是極為有利的。另外，其本身較大的存儲(chǔ)器 使得本系統(tǒng)不需要擴(kuò)展即能滿足設(shè)計(jì)要求，其具體功能極其使用方法將在第 3 章詳細(xì)介紹。 電源部分 系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)主要是指 3 個(gè)方面的指標(biāo)：一是如何降低電源的功耗；二是如何設(shè)計(jì)外圍電路和單片機(jī)對(duì)不同電源電壓的需要，即電源分配方案的選擇；三是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的管理和控制。目前，直流穩(wěn)壓電源的制作方案較多，而且可供選擇的余地較大，我們本著簡(jiǎn)單、實(shí)用、安全、可靠的原則，著重從以下兩個(gè)方案中進(jìn)行了選擇： 方案一：采用計(jì)算機(jī) USB 電源供電，優(yōu)點(diǎn)是不需要任何硬件、工作效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)；缺點(diǎn)是使用不方便且只能提供單一的 +5V 電源。 方案二：采用整流二極管、電阻、電容及集成三端穩(wěn)壓芯片構(gòu)成的電源，優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓紋波系數(shù)較小、工作穩(wěn)定；缺點(diǎn)是效率較低、體積稍大。結(jié)合本系統(tǒng)使用實(shí)際情況，我們選用了第二套方案。 模擬信號(hào)與 A/D 轉(zhuǎn)換部分 被測(cè)信號(hào)為一路由 QMN5氣敏傳感器測(cè)得的代表煤氣濃度的電壓信號(hào)，經(jīng)放大濾波后輸出在 05V 范圍內(nèi)，對(duì)于 A/D 轉(zhuǎn)換的選擇有以下兩種方案： 方案一：采用帶多路模擬開(kāi)關(guān)功能的芯片 ADC0809,分辨率為 8位，精度稍低，但控制方便且價(jià)格便宜。 方案二：采用芯片 AD574 和多路模擬開(kāi)關(guān) CC4051,CC4051 完成多路煤氣濃度的切換功能， AD574 進(jìn)行模擬數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，分辨率為 12位，精度較高，但控制很麻煩且硬件資源較貴。比較兩種方案綜合考慮還是選擇第一種方案。 鍵盤(pán)部分 鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)有以下兩種方案： 方案一：直接使用單片機(jī)的 I/O 口作為鍵盤(pán)行線和列線選擇按鍵，這樣的好處是電路比較簡(jiǎn)單，但是當(dāng)需要按鍵消抖和處理多個(gè)按鍵同時(shí)按下時(shí)，軟件部分顯得比較笨重，比較繁瑣，時(shí)間較慢且大大增加了單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。 方案二：采用專用的鍵盤(pán)顯示器接口芯片 Intel8279， Intel8279 對(duì)鍵盤(pán)部分提供一種掃描工作方式，能對(duì) 64個(gè)按鍵鍵盤(pán)陣列不斷掃描，自動(dòng)消抖，自動(dòng)識(shí)別出閉合的按鍵并得到鍵號(hào)，能對(duì)雙鍵或 N 鍵同時(shí)按下進(jìn)行處理且能大大減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。綜上所述，選擇第二種方案。 顯示部分 顯示器的設(shè)計(jì)有以下兩種方案： 方案一：用 LED 數(shù)碼管顯示系統(tǒng)時(shí)鐘、煤氣濃度及小區(qū)號(hào)，本系統(tǒng)中只需要 6 只 LED 數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示即可以顯示煤氣濃度和時(shí)間。優(yōu)點(diǎn)是接口簡(jiǎn)單、易于控