【正文】 ...................................................................................................................... 36 可燃性氣體泄漏報警控制器的設(shè)計 5 1 緒論 引言 燃氣泄漏報警器是非常重要的燃氣安全設(shè)備，由單片機、氣敏感測器、氣體濃度顯示器、報警器組成。 可燃氣體泄漏報警器研究目的和意義 單片機在日用電子產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛，有利于為現(xiàn)代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的設(shè)施。 根據(jù)有關(guān)專家介紹，使用燃氣報警器是對付燃氣泄漏的重要手段之一。 可燃氣體漏報警器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 可燃氣體檢測報警產(chǎn)品是一個系列產(chǎn)品，包括氣體探測設(shè)備、信息傳輸 設(shè)備、報警分析控制器，是物理傳感技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸及管理技術(shù)、智能樓宇等技術(shù)的集成，屬高新技術(shù)。 燃氣報警控制器在國外已經(jīng)發(fā)展成相當成熟的一種產(chǎn)品 :一方面是由于人們安全意識增強，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是由于煤氣報警器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動 。二是增強可靠性，實現(xiàn)元件和應(yīng)用電路集成化，多功能化，發(fā)展 MEMS 技術(shù)，發(fā)展現(xiàn)場適用的變送器和智能型煤氣報警器。以 STC89C52 芯片為中央處理器，對硬件電路進行設(shè)計和改進，完善其功能，系統(tǒng)的硬件電路主要為 A/D 轉(zhuǎn)換電路、 STC89C52 單片機界面電路、聲光報警控制電路、晶振電路、復(fù)位電路、 LCD 顯示電路等； 軟件編制。并根據(jù)電路圖做出實物，實現(xiàn)設(shè)計功能。 圖 1 系統(tǒng)原理方框圖 系統(tǒng)工作原理 本設(shè)計可以檢測空氣中的烷類氣體、一氧化碳等多種可燃性氣體的濃度，采用MQ5 氣敏感測器對可燃性氣體信號進行采集，通過 ADC0804 將采集到的模擬濃度信號進行轉(zhuǎn)換，并且將轉(zhuǎn)換出來的數(shù)字信號送入 STC89C52 單片機，單片機將實時濃度通過 LCD1602 顯示出來；當可燃性氣體濃度大于或等于設(shè)定值（本設(shè)計的報警限為 400ppm）時，單片 機的報警電路的引腳變低電平，相應(yīng)的聲光報警電路就會導(dǎo)通，蜂鳴器響并且二極管發(fā)光，通知操作人員采取措施。當達到預(yù)先設(shè)定的上限報警設(shè)定值時，發(fā)出聲音報警和控制信號，以提示操作人員采取安全對策或自動控制相關(guān)安全裝置。 主機單元電路 主機模塊是由主控芯片 STC89C5復(fù)位電路、晶振電路、電源電路構(gòu)成?？傮w連接如圖 3。 總體來講， STC89C52 具有如下特點： 40 個引腳 ,8K Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲器 ,512 Bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器 （ RAM） ,32 個外部雙向輸入 /輸出 （ I/O） 口 ,一可燃性氣體泄漏報警控制器的設(shè)計 10 個 6 矢量 2 級中斷結(jié)構(gòu) ,3 個 16位 可編程定時器 /計數(shù)器 ,1 個全雙工串行通信口 ,內(nèi)置4KB EEPROM 存儲空間， MAX810 復(fù)位電路，看門狗 （ WDT） 電路 ,片內(nèi)時鐘振蕩器，最高運行頻率為 35MHZ， 6T/12T 可選。掉電模式下能凍結(jié)振蕩器而保存 RAM 的數(shù)據(jù) ,停止芯片其他功能直至下一個外中斷啟動或硬件復(fù)位。 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) 8k可反復(fù)擦寫 (1000次 )ISP Flash ROM 32 位 I/O 口 線 3 個 16 位可編程定時 /計數(shù)器 時鐘頻率 035MHZ 2 個外部中斷源 512x8bit 內(nèi)部 RAM 全雙工 UART 串行中斷口線 內(nèi)置 4KB EEPROM 存儲空間 中斷喚醒省電模式 低功耗空閑和省電模式 看門狗 （ WDT） 電路 軟件設(shè)置空閑和省電功能 MAX810 復(fù)位電路 1 個 6 矢量 2 級中斷結(jié)構(gòu) 靈活的 ISP 字節(jié)和分頁編程 雙數(shù)據(jù)寄存器指針 可燃性氣體泄漏報警控制器的設(shè)計 11 圖 5 STC89S52 最小系統(tǒng) 晶振電路及復(fù)位電路 晶振電路是單片機工作的主時鐘 電路 ， 單片機所有的工作都是在由晶振產(chǎn)生的節(jié)拍的控制下工作的 ，它由晶振和兩個諧振電容組成。 圖 6 晶振電路 復(fù)位電路采用了外部復(fù)位電路的手動按鈕復(fù)位，設(shè)置了一個按鍵，按下再彈起就給單片機復(fù)位引腳 RST 施加一個 +5V的脈沖，在這個脈沖時 間內(nèi)單片機就完成了復(fù)位。電路安全穩(wěn)定可靠，測試電壓為 +5V，并且在 12V和 5V電路中引線排針，以供日后使用。本設(shè)計能實現(xiàn)對可燃性氣體的實時檢測，并顯示在 LCD 上，若實際氣體濃度值超過設(shè)定值 ，單片機通過控制電路執(zhí)行聲光報警。該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當與 微處理器 連接時，轉(zhuǎn)換電路的輸出可以直接連接在 CPU數(shù)據(jù)總 線上，無須附加邏輯界面電路 。該信號常作為向微機系統(tǒng)發(fā)出的中斷請求信號 ； CLKIN 為 外電路提供時鐘脈沖輸入 ； CLKR 是內(nèi)部時鐘發(fā)生器外接電阻端，與 CLKIN 端配合可由芯片自身產(chǎn)生時鐘脈沖，其頻率為 1/； D0~D7 為 A/D 轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)輸出端，該輸出端具有三態(tài)特性，與微機總線相接 ； VIN(+) /VIN()為 ADC0804 的兩模擬信號輸 入 端，用以接受單極性、雙極性和差摸輸入信號 ； AGND、 DGND 分別為模擬接地端、數(shù)字接地端。 ADC0804 引腳介紹如圖 9 所示。 根據(jù)芯片的規(guī)范和要求，本設(shè)計中 ADC0804 的 CS 接在 89C52 的 腳，作為片選使用。 CLKIN、CLKR 和 VIN()外接 R5(10KΩ)、 C4(56PF)RC 振蕩電路產(chǎn)生時鐘脈沖， VIN()還接GND， 20 號引腳接 +5V 電源。它 能夠同時顯示 16x02 即 32 個字符 ， 內(nèi)容為 16X2,即可以顯示兩行，每行 16 個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字） 。 其各引腳如表 2所示： 表 2 LCD1602 引腳定義 引腳號 引腳名 電平 輸入 /輸出 作用 1 Vss 電源地 2 Vcc 電源（ +5V） 3 Vee 對比調(diào)整電壓 4 RS 0/1 輸入 0=輸入指令 1=輸入數(shù)據(jù) 5 R/W 0/1 輸入 0=向 LCD寫入指令或數(shù)據(jù) 可燃性氣體泄漏報警控制器的設(shè)計 15 資料 來源：徐瑋 ,《 51 單片機綜合學(xué)習(xí)系統(tǒng) 1602 字符型液晶顯示篇》 [J].電子制作 ,2021， (01) 它有以下特性： +5V 電壓 ； 對比度可調(diào) ； 含復(fù)位電 路； 提供各種控制命令 ,如：清屏、字符閃爍、游標閃爍、顯示移位等多種功能 ； 有 80 字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲器 DDRAM；建有 192 個 5X7 點陣的字型的字符發(fā)生器 CGROM； 8 個可由用戶自定義的 5X7 的字符發(fā)生器 CGRAM。 圖 11 LCD1602 總體連接圖 聲光報警模塊 聲光報警功能用聲音和燈光報警實現(xiàn)的，本設(shè)計的聲光報警 模塊主要由一個有源 1=從 LCD讀取信息 6 EN 1,1 0 輸入 使能信號， 1為讀取信息 1 0（下降沿）執(zhí)行指令 7 DB0 0/1 輸入 /輸出 數(shù)據(jù)總線 Line0 8 DB1 0/1 輸入 /輸出 數(shù)據(jù)總線 Line1 9 DB2 0/1 輸入 /輸出 數(shù)據(jù)總線 Line2 10 DB3 0/1 輸入 /輸出 數(shù)據(jù)總線 Line3 11 DB4 0/1 輸入 /輸出 數(shù)據(jù)總線 Line4 12 DB5 0/1 輸入 /輸出 數(shù)據(jù)總線 Line5 13 DB6 0/1 數(shù)據(jù)總線 Line6 14 DB7 0/1 數(shù)據(jù)總線 Line7 15 A +Vcc LCD背光電源正極 16 K 接地 LCD背光電源負極 可燃性氣體泄漏報警控制器的設(shè)計 16 蜂鳴器、兩個發(fā)光二極管來實現(xiàn)。其電路設(shè)計如圖 12 所示。 表 3 典型可燃氣體的主要特性 氣體名稱 化學(xué)式 爆炸界限 /Vol% 容許濃度 /ppm 比重（空氣 =1） 碳化氫及其派生物 甲烷 CH4 丙 烷 C3H8 1000 丁烷 C4H8 汽 油 氣 500 乙炔 C2H2 甲醇 CH3OH 200 醇 乙醇 C2H5OH 1000 醚 乙醚 C2H5O 無機氣 體 一氧化碳 CO 50 氫 H2 其中 CO 的氣體毒性是對人體有非常大的傷害 ，見表 4。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。這種傳感器可檢測多種可燃氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。圖中縱坐標為傳感器的電阻比（ Rs/Ro），橫坐標為氣體濃度。該傳感器需要施加 2 個電壓：加熱器電壓（ VH）和測試電壓（ VC）。在滿足傳感器電性能要求的前提下， VC和 VH可以共享同一個電源電路。二者之間的關(guān)系為： Rs/R L=(VCV RL)/VRL。 可燃性氣體泄漏報警控制器的設(shè)計 19 MQ5 氣體傳感器規(guī)格 準工作條件 表 5 符號 參數(shù)名稱 技術(shù)條件 備注 VC 回路電壓 ≤24V DC VH 加熱電壓 177。 符號 參數(shù)名稱 技術(shù)條件 備注 Rs 敏感體表面電阻 2KΩ20KΩ (2021ppm C3 H8) 烷，氫氣 適用范圍： 30010000ppm 甲烷，丙烷，丁 烷，氫氣 α (R1000ppm/ R500ppm H2) 濃度斜率 ≤ 標準 工作條件 預(yù)熱時間 溫度： 20℃ 177。不少于 48 小時 可燃性氣體泄漏報警控制器的設(shè)計 20 4 軟件設(shè)計 關(guān)于單片機 MCS51 的編程目前比較多用的是匯編和 C語言。與匯編語言相比， C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，所以我采用 C 語言編寫程序。在程序的編寫過程中，加入了文字注釋，以便于后期的改進與維護。主程序還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換程序、顯示子程序， T0 中斷子程序等，以完善報警器的功能，給檢測人員帶來方便。流程圖如圖 17 所示。