基于单片机的煤气泄漏检测与报警系统的设计ly.doc

基于单片机煤气泄漏检测与报警系统设计摘 要：本文简介了一种基于单片机煤气泄漏检测与报警系统，可对煤气浓度进行实 时检测和监控、报警，并且还能实现自动启动和关闭排气装置和煤气管道阀门。具备构造简 单、价格低廉、易于操作等特点。重要阐述了控制系统、信号检测系统、功能执行部件硬 件设计，给出了程序设计办法，并对程序进行了简要分析。核心词：单片机；煤气泄漏；声光报警；气敏传感器Abstract:This paper introduces a novel intelligent gas monitoring and controlling system based on the single-chip computer technology. It can provide us with the following functions：dynamic measurements，monitoring and controlling，and also alarms for the on-the-spot gas concentration. Besides，this system can automatically open and shut off the gas-pipe valve. It is simple in structure，low cost and easy to operate and so on. It briefly introduces the control systems，signal sensing systems，hardware design of the functional components. The process design methodology and a brief analysis of procedures were given.Keywords:single-chip computer；gas leak；sound-light alarm;gas sensor一、概述随着国民经济日益发展，人民生活水平、生活质量不断提高，公寓式客房、高档住 宅社区越来越多，使煤气使用更为普遍。煤气开发运用大大造福于家庭生活，同步也带来了更多爆炸或火灾隐患。由于使用 不当或设备不完善、老化等问题引起煤气泄漏、爆炸事故也在增多，极大地威胁着人们 生命财产安全。依照一氧化碳性质，人体暴露在浓度为 2510-6 一氧化碳中，人即会有 轻度头痛、恶心等中毒症状。若持续两个小时或当一氧化碳浓度为 150010-6 时，一氧化碳- 血红蛋白结合率就会升高，人就会产生昏迷、抽搐等重度中毒症状，给人体导致不可逆 转伤害，直至死亡。虽然人们对煤气泄漏事件有了一定防范意识，但是，煤气泄漏事件导致家庭悲剧时 有发生，不但带来了人员伤亡，并且还导致了严重经济损失。为了保证家庭用气安全， 防止煤气泄漏引起中毒和爆炸事件发生，煤气泄漏检测与报警系统也就应运而生了。煤 气泄漏检测报警系统可以检测室内煤气浓度，当煤气泄漏时产生报警，在减少人员伤亡和经 济损失方面起到至关重要作用。普通煤气报警器功能单一，或是必要手动复位阀门系统，性能稳定性低，而大型监控系统又价格不菲，需专门技术人员来管理，不合用于中小公司和家庭。本文设计了一种基于单片机煤气泄漏与报警系统，具备构造简朴、价格低廉、易于操作等特点，适于家庭 使用。本系统采用单片机作为核心控制部件，气敏传感器作为信息提取部件。实现功能如下： 气敏传感器实时检测室内煤气浓度信号，浓度信号经 A/D 转换后，送入单片机中，单片机 对此信号进行解决后，送入显示电路，实时显示室内煤气浓度，当室内煤气浓度超限（即达 到危险浓度）时，实现声光报警，并关闭气源、启动排气装置，待室内煤气浓度恢复到安全浓度后，停止报警及排气，并打开气源。本设计原理框图如下图 1 所示：检测电路A/D 转 换单片机声光报警驱动电路开/关气源显示电路执行电路启动/关闭排气装置图 1 总体框图整个系统工作原理是运用半导体气敏传感器将煤气浓度变换成模仿电压信号，此电压 信号经放大后送到 A/D 转换器，变换成数字量送入单片机进行数据分析。单片机将数据处 理后，送显示电路显示浓度信息。当空气中煤气浓度达到设定值时，将煤气管道关闭并打 开排气装置，并输出数字信号驱动声光报警。二、煤气泄漏检测与报警系统实现2.1 检测模块实现 本系统采用半导体气敏传感器气体检测部件。检测气体浓度时，用恒定电流对气敏传感器进行间接加热，由于其气体浓度等效电阻RS随着气体浓度增长而成非线性减少，需要对 电路进行线性化校正。AD538是美国ADI公司出品实时模仿计算器件，能提供精准模仿 乘、除和幂运算功能。该集成电路有三个输入电压VX，VY，VZ，转换函数为VOUT = VY（VZ/ VX）m可以通过连接特定管脚来实现特定函数。通过外接 12 个电阻可以实现不同 m 值 指数运算，运用芯片上对数比例和输出某些可以直接实现对书比例运算。半导体气敏传感器将煤气浓度转换为模仿电压信号，然后经线性化电路，将浓度与电压成比例。这一与煤气浓度成比例，且经放大后模仿电压信号送入背面 A/D 转换中。这样就完毕了煤气泄漏检测。2.2 控制模块实现 控制某些一方面完毕浓度信息模仿数字转换，然后，将数据进行分析去控制各某些电路工作。1、A/D 转换A/D 转换采用 AD0809 逐次逼近式 A/D 转换器，它具备 8 个模仿量输入通道。本设计 采用程序查询方式，需要将 EOC 通过三态门接至系统一根数据总线上。CPU 查询该总线 位与否为低电平，若为低电平，则再查询它与否为高电平，若是，则表白转换结束，CPU 再执行读 ADC0809 端口指令即可。在设计中仅仅用到一种模仿量输入通道，则只需将模仿量输入通道地址选取线 A、B、C 端接地，选取通道 IN0。P2.1 与 SC 连接，用来控制 A/D 转换启停。P2.2 与 OE 端相连， 用来打开输出锁存器缓冲器，将其中数据放到外部数据线上。P2.0 与 EOC 相连，采用 查询方式，通过 P2.0 接受到数据来判断与否转换结束。2、系统核心控制部件AT89C51 是一种低功耗、高性能 8 位单片机，片内带有一种 4K 字节 Flash 可编程 可擦除只读存储器，它采用了 CMOS 工艺和 ATMEL 公司高密度非易失性存储器（NURAM）技术，并且其输出引脚和指令系统都与 MCS-51 兼容。片内 Flash 存储器允 许在系统内改编程序或用常规非易失性存储器编程器来编程。因而 AT89C51 是一种功能 强、灵活性高且价格合理单片机，它可以便地应用在各种控制领域。通过度析比较，依照 本课题特点，选用 ATMEL 公司 89 系列原则型单片机 AT89C51。咱们将P0 口作为A/D 转换数据输入端，P2.1 和P2.2 控制A/D 转换启停，P2.0 与ADC0809EOC相连，判断A/D转换与否结束。P2.6控制声光报警，P2.7控制执行电路。P1口接数码管显示电路，P3.0、P3.1、P3.2为数码管片选信号输出。I/O口分派如下图2所示：数码管显示电路LED 位选线AT89C51P1P0P3.0P2.0P3.1P3.2P2.1P2.2RESETP2.6A/D 转换后数 字信号输入A/D 转换结束信号ADC0809 启停控制复位电路XTAL1XTAL2P2.7声光报警时钟电路执行电路图2 单片机接口配备2.3 显示、报警与执行电路实现1、显示电路实现LED显示屏具备耗电少、成本低廉、配备简朴灵活、安装以便、耐振动、使用寿命长等 长处，本着经济、实用原则，系统采用LED显示屏。本设计采用共阴极七段数码管显示室 内煤气浓度，采用动态显示办法，这种办法中所有数码管共用同一种段码输出口，分时轮流 通电，从而大大简化硬件线路，减少成本。由单片机P1口向LED数码管送入显示码，由P3.0、P3.1、P3.2用来片选数码管。当P3.2为“0”时，选通第一片数码管，然后单片机将要显示数 送至P1口，则显示出要显示数字；同样，当第二片数码管被选通后，显示此外数字。2、声光报警实现在该设计中，光报警电路采用发光二极管LED（Lighting Emitting Diode）来实现。声音 报警电路是采用蜂鸣器来实现。当单片机检测到煤气泄漏信号后，将通过软件使LED点亮， 同步使蜂鸣器发出报警信号。设计中是由单片机P2.6口完毕声光报警，当报警时，将该 位置位，打开三极管接通电路，使发光二极管发光，蜂鸣器发出报警信号。3、执行电路实现 该某些电路涉及启动排气装置和关闭气源两个某些，关闭气源防止煤气继续泄漏，排气装置排出气体，能彻底解决煤气泄漏问题。单片机完毕控制解决总是以数字信号通过 I/O 口或数据总线送给控制对象，这些数字信号形态重要有开关量、二进制数字量和频率量。这 里是以开关量形态数字信号通过 I/O 口送给控制对象，这些信号须经功率放大后才干用来 驱动被控对象，并且在单片机和功率放大电路之间需使用光电隔离技术。光电耦合器由发光 二极管和光敏晶体管构成，当在发光二极管两端加正向电压时，发光二极管点亮，照射光敏 晶体管使之导通，产生输出信号。由于开关量输入、输出通道是干扰窜入渠道，要切断这 条渠道就要去掉被控对象与输入、输出通道之间公共地线，实现彼此电隔离以抑制干扰脉 冲。电磁阀是工业过程控制系统惯用开关，以实现对系统介质遥控或程控，是以电磁力 转化为机械力来实现开关目，由于电磁阀具备体积小、重量轻、操作容易、维护以便等 长处，应用已日趋广泛。本设计执行电路工作电压是交流 220V，因此一方面采用光电隔 离，然后使继电器动作，驱动电磁阀工作，完毕煤气管道开关和排气装置开关。系统总体电路图如下图 3 所示：D0 1D1 2D2 3D3 4D4 5D5 6D6 7D7 81011121314151617393837363534333217141581819202126P10P11P12P13P14P15P16P17P00P01P02P03P04P05P06P07D0D1D2D3D4D5D6D7IN-0+Ucc27IN-1DPYa28IN-2R3215c f g bREF-03118de e cIN-3Rp1 10Kd2217f g dpIN-4ADC0809IN-5IN-6dp21222324252627287P30P31P32P33P34P35P36P37P20P21P22P23P24P25P26P27EOC3315252423ADD-A ADD-B ADD-CAT89C514414AD53855U+ 613IN-72269OP77ALE SC OE1212ref(+)U-+Ucc31711EA/VP10167805CLKref(-)19188Rp210X1X22930PSEN ALE/P9RESET1F5K1F26CDQ35CLKQR620KR530.1K+5V+5V+12VR4IKLEDRR排气装置R电磁阀BUZZERVV交流220VK+5V1a b2a b3a bD01D12D23D34D45D56D67D78D01D12D23D34D45D56D67D78D01DPYaDPYaD12D23D34c f g bc f g bde e cdD45e e cdD56 dp D67D78df g dpf g dpdp30pF30pF+5VRs图 3 系统总体硬件电路图三、软件设计系统软件采用汇编语言编制，涉及系统主程序、A/D转换子程序和显示子程序等。 系统主程序功能是完毕系统初始化、信号采集及解决、浓度信息显示、浓度超限报警、阀门关闭和启动排气装置等，依照系统工作特点，程序采用构造化软件设计办法。A/D转换子程序完毕对A/D转换器查询，一方面启动A/D转换器，然后通过查询方式， 检测与否A/D转换结束，如果没有结束，则延时后再次查询，等待转换结束，如果转换结束， 则将数据存入数据单元。显示子程序完毕浓度信号显示，一方面将从A/D转换器中得到二进制转换数据转换成要显示十进制数据，然后控制显示电路，选通相应数码管，完毕动态显示。四、结束语本文设计煤气泄漏检测与报警系统，也可作为家庭智能化系统里一某些，为保护 人们生命财产安全起着重要作用。结合了单片机、检测、工控等知识，总来说，本设计 已经在原理上实现了规定功能。在智能控制方面，选用了技术成熟ATMEL公司推出 AT89C51单片机作为主控单元，最大限度将其具备资源应用到设计中，既体现了单片机 系统应用灵活性，又实现功能多样智能控制。半导体气敏传感器作为煤气泄漏检测部 件，具备很高敏捷度，使用以便、费用低。在系统硬件设计上，充分借鉴了已有、经 典电路设计，并做了恰当修改；软件设计上，编程尽量模块化；为了减少功耗，在选 用器件时尽量采用低功耗元件。参照资料1康华光.电子技术基本.模仿某些.北京:高等教诲出版社,2余发山.单片机原理及应用技术.徐州:中华人民共和国矿业大学出版社,3何立民.单片机实验与实践教程.北京:北京航空航天大学出版社,4戴佳,苗龙,陈斌.51单片机应用系统开发典型实例.北京:中华人民共和国电力出版社,5 关德兴,冯文全.单片机外围器件实用手册.电源器件分册.北京:北京航空航天大学出 版社,19986常健生.检测与转换技术.北京:机械工业出版社，7何希才.传感器及其应用.北京:国防工业出版社,8曾建唐.电工电子基本实践教程实习课程设计.北京:机械工业出版社，9刘修文.实用电子电路设计制作 300 例.北京:中华人民共和国电力出版社,10 杨邦文.实用电子小制作 150 例.北京:人民邮电出版社,199511 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