【正文】 ............................. 25 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................ 26 附件一：總體原理圖設(shè)計(jì) .................................................................................... 27 附件二：部分程序源代碼 .................................................................................... 28 3 3 摘要 如今人類生活里面煤氣已成為人們生活中必不可少的能源了，在越來越多的人使用煤氣的同時(shí)，煤氣泄漏引起的事故發(fā)生的頻率也越來越高，從而給人們的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全帶來了很多隱患，所以怎樣防止煤氣中毒與爆炸已成為人們的迫切需要 .當(dāng)今社會(huì)上，出現(xiàn)了許多煤氣報(bào)警器，而這些產(chǎn)品大都是針對(duì)煤氣的泄漏所做 出的相應(yīng)的報(bào)警，即為家庭式煤氣報(bào)警器。隨著社會(huì)的發(fā)展，煤氣報(bào)警器也在發(fā)展。 本課題設(shè)計(jì)的煤氣報(bào)警采用了 STC89C52 單片機(jī)為報(bào)警器的核心部件，對(duì)煤氣報(bào)警器進(jìn)行控制。由一氧化碳?xì)怏w傳感器對(duì)煤氣進(jìn)行檢測，將所得的濃度值與設(shè)定濃度值相比較得到偏差。 整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)合理，性能安全可靠。s life energy, more and more people in the use of gas at the same time, the gas leakage accidents caused by the more and more high frequencies, bring a lot of troubles to people39。s hardware circuit design is reasonable, safe and reliable performance. Key words:Gas alarm。 sensor 5 5 1 緒論 6 6 課題背景 隨著科技的發(fā)展，越來越多的巨大的隱患由于工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活而產(chǎn)生。保衛(wèi)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)，防止火災(zāi)引起燃燒、爆炸等事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及生命安全。因此，研究煤氣的檢測方法與研制煤氣報(bào)警器就成為傳感器技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域的一 個(gè)重要課題。這些氣體主要含有烷類（甲烷）、烴類、烯類、醇類、苯類以及一氧化碳和氫氣等成分，這些氣體易燃、易爆、不易貯存，在使用這些氣體的過程中，如違反操作規(guī)程或者設(shè)備密封不好，都有可能發(fā)生可燃?xì)怏w泄漏事故，進(jìn)而釀成火災(zāi)或爆炸事故，給人民的生命財(cái)產(chǎn)造成損失。使用可燃?xì)鈾z測報(bào)警器是對(duì)付燃?xì)鉄o形殺手的重要且非常有效的手段之一。人們對(duì)居住環(huán)境的要求日見增高，體現(xiàn)在希望住宅不僅更便利、更加舒適而且更安全。單片機(jī)有利于 為現(xiàn)代人工作、科研、生活、提供更好的、更方便、更安全的設(shè)施。所以怎樣防止煤氣中毒與可燃性氣體爆炸已成為人們的迫切 需要。 煤氣檢測 報(bào)警器的國內(nèi)外現(xiàn)狀 7 7 國外從 20世紀(jì) 30年代開始研究及開發(fā)氣體傳感器，發(fā)展非常迅速，其一方面是因?yàn)槿藗儼踩庾R(shí)越來越強(qiáng)，對(duì)環(huán)境安全性和生活舒適性的要求提高；另一方面是因?yàn)閭鞲衅魇袌鲈鲩L受到政府安全法規(guī)的保護(hù)和推動(dòng)，因?yàn)榘l(fā)展智能的傳感器，可以推動(dòng)人們的生活水平的發(fā)展。隨著傳感器生產(chǎn)工藝水平逐步提高，傳感器日益小型化、集成度不斷增大，使得氣體檢測儀器的體積也逐漸變小， 提高了氣體檢測儀器的便攜性，高集成，體積小，功能容易實(shí)現(xiàn)，更加利于生產(chǎn)、運(yùn)輸及市場推廣。 我國于 70 年代初期開始研制可燃性氣體報(bào)警器，生產(chǎn)型號(hào)多樣、品種較齊全，應(yīng)用范圍也由單一的煉油系統(tǒng)擴(kuò)展到幾乎所有危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境的各種類型報(bào)警器，同時(shí)產(chǎn)品數(shù)量也在不斷增加。但是近年來，在氣體選擇性和產(chǎn)品穩(wěn)定性上也有很大進(jìn)步。 針對(duì)當(dāng)前 煤氣 自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)存在的通訊協(xié)議不一致，系統(tǒng)誤報(bào)、漏報(bào)頻繁，智能化程度低，網(wǎng)絡(luò)化程度低、特殊惡劣環(huán)境的 煤氣 探測報(bào)警抗干擾等問題較為突出的現(xiàn)象，提出在符合國家消防規(guī)范的基礎(chǔ)下 采用統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)、開放的通訊協(xié)議 。 研究內(nèi)容 本設(shè)計(jì)針對(duì)經(jīng)常發(fā)生的煤氣泄漏中毒事件，采用煤氣、甲烷及一氧化碳等氣體傳感器、單片機(jī)、電磁閥和電鈴，設(shè)計(jì)一套有毒氣體檢測、報(bào)警電路，顯示室內(nèi)空氣質(zhì)量，用單片機(jī) 模塊分路控制繼電器、發(fā)光二極管和報(bào)警器。其中硬件部分由各報(bào)警感應(yīng)器、感應(yīng)器控制器、主控器等設(shè)備組成。 CO 氣體傳感器用來檢測空氣中煤氣的濃度，當(dāng)空氣中煤氣含量超過允許的標(biāo)準(zhǔn)濃度后，感應(yīng)器所獲得的感應(yīng)信號(hào)均被感應(yīng)器控制器所接收，再由感應(yīng)器控制器對(duì)各感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)識(shí)別和處理，并將處理后的感應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再通過串口送至主控器，由主控器對(duì)其采取相應(yīng)的警報(bào)動(dòng)作。 本課題在硬件設(shè)計(jì)方面主要研究組成家用煤氣泄漏報(bào)警控制系統(tǒng)的單片機(jī)芯片、 CO 氣體傳感器總線的使用方法，同時(shí)研究電路設(shè)計(jì)思路、電路組成，包括控制芯片、氣體傳感器、單片機(jī)等的選用和設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)主要是由 STC89C52 系列單片機(jī)、 A/D 數(shù)據(jù)采集電路、傳感器電路、看門狗、復(fù)位電路、 LED 顯示、聲光報(bào)警電路等部分組成。 設(shè)計(jì)任務(wù)分析 本篇論文是 煤氣 報(bào)警器的研制： 9 9 (1)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體規(guī)劃和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件電路主要分為數(shù)據(jù)收集、聲音報(bào)警電路、狀態(tài)指示燈電路、數(shù)碼管顯示電路部分。按照軟件實(shí)現(xiàn)的功能，主要分為主程序、初始化子程序、煤氣濃度顯示子程序、報(bào)警子程序、報(bào)警限值設(shè)置子程 序、串口通信子程序。 (4)硬件電路和軟件的綜合調(diào)試。該報(bào)警系統(tǒng)的最基本組成部分應(yīng)包括：信號(hào)采集模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、顯示電路、聲光報(bào)警電路等部分組成。電路總題框圖如圖 1 所示： 10 10 圖 1 總體設(shè)計(jì)框圖 氣體檢測傳感器的介紹 燃?xì)鈭?bào)警器的核心是氣體傳感器，俗稱“電子鼻”。什么叫聲光報(bào)警？燃?xì)庑孤┦故覂?nèi)濃度達(dá)到報(bào)警器濃度后，報(bào)警器的紅色指示燈亮，蜂鳴器發(fā)出“滴 滴 ”的報(bào)警聲，所以叫做聲光報(bào)警。探測頭通過氣體傳感器對(duì)氣體樣品進(jìn)行調(diào)理，通常包括濾除雜質(zhì)和干擾氣體、干燥或 制冷處理儀表顯示部分。氣體傳感器一般被歸為化學(xué)傳感器的一類，盡管這種歸類不一定科學(xué)。 2. 氣體傳感器應(yīng)滿足的基本條件 一個(gè)氣體傳感器可以是單功能的，也可以是多功能的；可以是單一的實(shí)體，也可以是由多個(gè)不同功能傳感器組成的陣列。 (2) 對(duì)被測氣體具有較高的靈敏度，能有效地檢測允許范圍內(nèi)的氣體濃度。 (4) 長期工作穩(wěn)定性好。 (5) 對(duì)檢測信號(hào)響應(yīng)速度快，并且重復(fù)性好。 一氧化碳?xì)怏w傳感器屬于氣敏傳感器，通過 A/D 轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到單片機(jī)， 進(jìn)而由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、濃度處理及報(bào)警控制等相關(guān)工作。本次設(shè)計(jì)采用 MQ9半導(dǎo)體氣體傳感器， MQ9傳感器是裝有活性炭過濾器的傳感器，從而可以消除雜質(zhì)氣體的影響，對(duì)有機(jī)溶劑或其他揮發(fā)性氣體的靈敏度低，而對(duì)氫氣和一氧化碳的靈敏度高，所以非常適合用于檢測人工煤制氣。這個(gè)加熱器電壓（ VH）用于維持敏感素子處于與對(duì)象氣體相適應(yīng)的特定溫度而施加在集成的加熱器上。這種傳感器具有極性，所以 VC 需用直流電源。為了將判定值水平最佳化，并使敏感素子的功耗（ PS）低于 15mW的限度值，需要選擇 RL 的值。二者之間的關(guān)系為： Rs/R 123 456U2VCCR175GNDR141K煤氣 13 13 L = (VcV RL ) / V RL MQ 9 型氣敏元件的敏感層是用非常穩(wěn)定的二氧化錫制成的。 單片機(jī)選型 單片機(jī) 是 煤氣檢測 自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的心臟，用來接收 煤 氣傳感器信 號(hào)并啟動(dòng)報(bào)警裝置顯示和執(zhí)行相應(yīng)的報(bào)警。同時(shí)，在能夠滿足報(bào)警器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的計(jì)算速度及接口功能要求的同類型單片機(jī)中，要考慮選擇價(jià)格低廉且體積輕巧的機(jī)型，在保證了報(bào)警器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎(chǔ)上，能夠不提高成本，縮小體積。 其中， 51 系列單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)錢便宜 ,I/O 口多 ,程序空間大。 STC89C52 單片機(jī)簡介 STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 可編程Flash 存儲(chǔ)器。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在線可編程，亦適于常規(guī)編程器。 STC89C52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一 14 14 個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。這一模塊以單片機(jī)為中心把程序代碼燒進(jìn)去然后外圍接上復(fù)位電路、振蕩電路、鍵盤控制、 LED 顯示電路、報(bào)警電路等子模塊。 2)時(shí) 鐘電路引腳 XTAL1 和 XTAL2 XTAL2(18 腳 )：接外部晶體和微調(diào)電容的一端。若需采用外部時(shí)針電路時(shí)，該引腳輸入外時(shí)鐘脈沖。 XTAL1(19 腳 )：接外部晶體和微調(diào)電容的另一端。在采用外部時(shí)鐘時(shí)，該引腳必須接地。 RST(9腳 )： RST 是復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。 ALE/PROG（ 30 引腳）：地址鎖存允許信號(hào)端。此頻率為振蕩器頻率 fosc的 1/6，當(dāng) CPU 訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 輸出信號(hào)作為鎖存低 8 位地址的控制信號(hào)。平時(shí)不訪問片外存儲(chǔ)時(shí)， ALE 端也以 1/6 的振蕩頻率固定輸出正脈沖，因而 ALE 信 號(hào)可以用作對(duì)外輸出時(shí)鐘或定時(shí)信號(hào)。 ALE 的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力為 8 個(gè) LS 型 TTL（低功耗高速 TTL）。此引腳接 ERROM的 OE 端。 CPU 在從外部 ERROM/ROM 取指令期間，每個(gè)周期 PSEN 兩次有效。要檢查一個(gè) STC89C52 小系統(tǒng)上電后 CPU 能否正常到 ERROM/ROM 中讀取指令碼，也可用于示波器看 PSEN端有無脈沖輸出。 EA/VPP（ 31 腳）：外部程序存儲(chǔ)器地址允許輸入端 /固化編程電壓輸入端。但在 PC（程序計(jì)數(shù)器）的值超過 OFFFH（對(duì) 8751/8051為 4k）時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外存儲(chǔ)器的程序。對(duì)于無芯片內(nèi)的 ROM的 8031或 8032，須外擴(kuò) ERROM，此時(shí)必須將 EA 引腳接地。 4)I/O（輸入 /輸出端口， P0， P1， P2， P3） P0 口： P0口是一個(gè)漏極開路的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 端口。 P2 口：即可以做地址總線輸出地址高 8位，也可以做普通 I/O 用，（此時(shí)為準(zhǔn)雙向口）。見表 2。 12345678RST9(RXD)10(TXD)11(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)15(WR)16(RD)17XTAL218XTAL119GND202122232425262728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP313233343536373839VCC40U1U1Y112MC2 C3 VCCGNDR1510KC1 10uFVCC1234J1VCCS1P10P11P12P13P14P15P16P17P20P21P22P34P35P36P23P24P25P26P27P32P33 圖 4 信號(hào)處理模塊 單片機(jī)最小系統(tǒng)包括單片機(jī)、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路構(gòu)成。連接方式為單片機(jī)中的 40 腳 VCC 接正極 5V，而 20 腳 VSS接電源地端。單片機(jī)接通電源時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，完成單片機(jī)啟動(dòng)確定單片機(jī)起始工作狀態(tài)。一般有上電自動(dòng)復(fù)位和外部按鍵手動(dòng)復(fù)位，單片機(jī)在時(shí)鐘電路工作以后，在 RESET 端持續(xù)給出 2 個(gè)機(jī)器 17 17 周期的高電平時(shí)就可以完成復(fù)位操作。 時(shí)鐘電路好比單片機(jī)的心臟，它控制著單片機(jī)的工作節(jié)奏。 XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出，該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。因?yàn)橐粋€(gè)機(jī)器周期 含有 6 個(gè)狀態(tài)周期，而每個(gè)狀態(tài)周期為 2個(gè)振蕩周期，所以一個(gè)機(jī)器周期共有 12 個(gè)振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為 12MHZ，一個(gè)振蕩周期為 1/12us。一般 STC 單片機(jī)資源比其他單片機(jī)要多，而且執(zhí)行速度快； STC 系列單片機(jī)使用串口對(duì)單片機(jī)進(jìn)行燒寫 ,下載程序較為方便； STC89C52 單片機(jī)內(nèi)部集成了看門狗電路；且具有很強(qiáng)抗干擾能力。 18 1