基于單片機(jī)的煤氣報(bào)警器設(shè)計(jì)1開(kāi)題報(bào)告

1、單片機(jī)控制的氣體傳感器程序設(shè)計(jì) 開(kāi)題報(bào)告班級(jí)（學(xué)號(hào)）：電技xxx1（） 姓名：xx 指導(dǎo)教師：xxx 1、 綜述 1、研究的意義 隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的提高，現(xiàn)代化、智能化的多功能建筑越來(lái)越多，對(duì)建筑的防火安全設(shè)計(jì)要求也愈來(lái)愈高。以“西氣東輸”工程為開(kāi)端的大規(guī)模天然氣利用工程的實(shí)施，意味我國(guó)城市燃?xì)鈱⒋筇げ降剡M(jìn)入“天然氣時(shí)代”。我國(guó)天然氣市場(chǎng)將迎來(lái)一個(gè)千載難逢的機(jī)會(huì)，城市燃?xì)庑枨蟮闹饕鲩L(zhǎng)點(diǎn)將體現(xiàn)在天然氣上。為了使燃?xì)飧玫卦旄Ｓ诿?，造福于社?huì)，減少并杜絕各種因燃?xì)庑孤┒l(fā)的爆炸及火災(zāi)事故，各燃?xì)馐褂脝挝患熬用裼脩暨x擇一種適合的室內(nèi)煤氣泄露報(bào)警器實(shí)為必要之舉。 全國(guó)燃?xì)庑袠I(yè)發(fā)展迅猛，液化氣、天然氣、

2、煤制氣等城市燃?xì)庾鳛榍鍧嵞茉匆言诠ど虡I(yè)和城鎮(zhèn)居民用戶中得到廣泛應(yīng)用，特別是隨著“西氣東輸”工程的快速進(jìn)展，燃?xì)庑袠I(yè)發(fā)展?jié)摿薮蟆５请S著燃?xì)獾膹V泛應(yīng)用，由于燃?xì)庑孤┧l(fā)的爆炸、中毒和火災(zāi)事故也時(shí)有發(fā)生，這在某種程度上增加了城市的不安全和不穩(wěn)定因素。為了使燃?xì)飧玫卦旄Ｓ诿?，造福于社?huì)，減少并杜絕各種因燃?xì)庑孤┒l(fā)的爆炸及火災(zāi)事故，各燃?xì)馐褂脝挝患熬用裼脩暨x擇一種適合的室內(nèi)煤氣泄露報(bào)警器實(shí)為必要之舉。本次設(shè)計(jì)所面對(duì)的是廣大居民，其優(yōu)點(diǎn)在于：（1）成本低廉并能對(duì)煙霧和煤氣準(zhǔn)確報(bào)警。（2）該產(chǎn)品無(wú)需專業(yè)人員操作，只要放在合適位置，通電即可，連續(xù)使用、方便簡(jiǎn)捷。（3）能起到預(yù)防煤氣中毒的效果，使人

3、們高枕無(wú)憂。該產(chǎn)品必須能夠有效預(yù)防廣大農(nóng)村居民的冬季燃煤取暖一氧化碳中毒事件的發(fā)生，同時(shí)也能夠給城鎮(zhèn)居民安全使用煤氣提供有力的保障。 燃?xì)鈭?bào)警器的核心是氣體傳感器。當(dāng)氣體傳感器遇到燃?xì)鈺r(shí)，傳感器電阻隨燃?xì)鉂舛榷兓S之產(chǎn)生電信號(hào)，供燃?xì)鈭?bào)警器后級(jí)線路處理。經(jīng)過(guò)電子線路處理變成濃度成比例變化的電壓信號(hào)，由線性電路加以補(bǔ)償，使信號(hào)線性化，經(jīng)微機(jī)處理、邏輯分析，輸出各種控制信號(hào)，即當(dāng)燃?xì)鉂舛冗_(dá)到報(bào)警設(shè)定值時(shí)，燃?xì)鈭?bào)警器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)并可顯示燃?xì)鉂舛然騿?dòng)外部聯(lián)運(yùn)設(shè)備。本文正是通過(guò)分析目前燃?xì)鈭?bào)警器的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)制作室內(nèi)故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。 2、研究的現(xiàn)狀 近年來(lái)，由于在工業(yè)生

4、產(chǎn)、家庭安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)和醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)怏w傳感器的精度、性能、穩(wěn)定性方面的要求越來(lái)越高，因此對(duì)氣體傳感器的研究和開(kāi)發(fā)也越來(lái)越重要。隨著先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，氣體傳感器發(fā)展的趨勢(shì)是微型化、智能化和多功能化。深入研究和把握有機(jī)、無(wú)機(jī)、生物和各種材料的特性及相互作用，理解各類氣體傳感器的工作原理和作用機(jī)理，正確選擇各類傳感器的敏感材料，靈活運(yùn)用微機(jī)械加工技術(shù)、敏感薄膜形成技術(shù)、微電子技術(shù)、光纖技術(shù)等，使傳感器性能最優(yōu)化是氣體傳感器的發(fā)展方向。國(guó)外氣體傳感器發(fā)展很快，一方面是由于人們安全意識(shí)增強(qiáng)，對(duì)環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是由于傳感器市場(chǎng)增長(zhǎng)受到政府安全法規(guī)的推動(dòng)。因此，國(guó)外氣體傳感器技術(shù)

5、得到了較快發(fā)展，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)猜測(cè)，美國(guó)1996年2002年氣體傳感器年均增長(zhǎng)率為（2730）。 3、已有成果 氣敏元件傳感器作為新型敏感元件傳感器在國(guó)家列為重點(diǎn)支持發(fā)展的情況下，國(guó)內(nèi)已有一定的基礎(chǔ)。其成果為：（1）燒結(jié)型氣敏元件仍是生產(chǎn)的主流，占總量90以上；接觸燃繞式氣敏元件已具備了生產(chǎn)基礎(chǔ)和能力；電化學(xué)氣體傳感器有了試制產(chǎn)品；（2）在工藝方面引入了表面摻雜、表面覆膜以及制作表面催化反應(yīng)層和修隔離層等工藝，使燒結(jié)型元件由廣譜性氣敏發(fā)展成選擇性氣敏；在結(jié)構(gòu)方面研制了補(bǔ)償復(fù)合結(jié)構(gòu)、組合差動(dòng)結(jié)構(gòu)以及集成化陣列結(jié)構(gòu)；在氣敏材料方面SnO2和Fe2O3材料已用于批量生產(chǎn)氣敏元件，新研究開(kāi)發(fā)的Al2O3氣

6、敏材料、石英晶體和有機(jī)半導(dǎo)體等也開(kāi)始用于氣敏材料；（3）低功耗氣敏元件（如一氧化碳，甲烷等氣敏元件）已從產(chǎn)品研究進(jìn)入中試；（4）國(guó)內(nèi)氣敏元件傳感器產(chǎn)量已超過(guò)“九五”初期的400萬(wàn)支。產(chǎn)量超過(guò)20萬(wàn)支的主要廠家有5家，黑龍江敏感集團(tuán)、太原電子廠、云南春光器材廠、天津費(fèi)加羅公司（合資）、北京電子管廠（特種電器廠），其中前四家都超過(guò)100萬(wàn)支，據(jù)行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，1998年全國(guó)氣敏元件總產(chǎn)量已超過(guò)600萬(wàn)支?？偟目磥?lái)，我國(guó)氣敏元件傳感器及其應(yīng)用技術(shù)有了較快進(jìn)展，但與國(guó)外先進(jìn)水平仍有較大的差距，主要是產(chǎn)品制造技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用等方面的差距。2、 研究?jī)?nèi)容 （1）根據(jù)該設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的基本功能，設(shè)計(jì)大致應(yīng)該分為

7、信號(hào)采集放大，信號(hào)處理控制，系統(tǒng)設(shè)置報(bào)警三個(gè)部分。 信號(hào)采集部分即通過(guò)氣體傳感器檢測(cè)室內(nèi)氣體濃度，將這種變化量轉(zhuǎn)化成電壓模擬量的變化，然后通過(guò)運(yùn)放進(jìn)行必要的放大。 信號(hào)處理部分是將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送入控制器進(jìn)行處理，并將處理過(guò)的信號(hào)送存儲(chǔ)器保存和送顯示器顯示。系統(tǒng)設(shè)置報(bào)警部分是通過(guò)預(yù)定控制方式并利用蜂鳴器報(bào)警實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確操作。 （2）依據(jù)上面所說(shuō)的思路，得到如下一些基本的結(jié)論： 信號(hào)采集部分為了能準(zhǔn)確采集到氣體濃度的變化應(yīng)選用半導(dǎo)體氣體傳感器，為使其有效的檢測(cè)室內(nèi)氣體濃度，采用電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器；而放大部分使用運(yùn)放進(jìn)行比例和反相兩級(jí)放大。 信號(hào)處理部分為了實(shí)現(xiàn)精確控制，采

8、用單片機(jī)較為合適。將模擬信號(hào)送A/D模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)處理后送存儲(chǔ)器保存和送顯示器顯示。 系統(tǒng)設(shè)置報(bào)警部分可以考慮采用4×4鍵盤設(shè)置初始值和蜂鳴器報(bào)警。傳感器程序節(jié)點(diǎn)一般由處理器單元、無(wú)線傳輸單元、傳感器單元和電源模塊單元4部分組成,來(lái)完成溫度采集的功能。如圖1所示： 傳感單元 電 源 單 元 通信單元 處理單元 圖1l 傳感器單元 傳感器種類很多，可以檢測(cè)溫度、濕度、光照等物理量，將這些環(huán)境變量轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒y(cè)量的信號(hào)。l 無(wú)線通信單元 可以利用的傳輸媒體有空氣、紅外、激光、超聲波等，常用的無(wú)線通信技術(shù)有：zigbee、Bluetooth、RFID等，通過(guò)這種設(shè)備完成與主機(jī)間數(shù)據(jù)的

9、交換。l 處理器單元 處理單元是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心，和其他單元一起完成數(shù)據(jù)的采集、處理和收發(fā)。l 電源單元 節(jié)點(diǎn)功能穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)，電源單元也起著重要作用。電源電路的作用就是穩(wěn)定的為各個(gè)芯片提供用電，保證他們模塊的正常工作3、 實(shí)現(xiàn)方法及預(yù)期目標(biāo) 1、實(shí)施的初步方案 按照模塊的形式，分部的進(jìn)行分析，依照每個(gè)模塊需要實(shí)現(xiàn)的功能，來(lái)選擇性價(jià)比最合適的器件。例如： 傳感器單元：考慮到整個(gè)節(jié)點(diǎn)由電池來(lái)供電，必須選擇體積小、低功耗、外圍電路簡(jiǎn)單的傳感器。 無(wú)線通信單元：對(duì)ZigBee和普通的射頻做綜合性的分析，ZigBee是基于其標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的模塊連接和數(shù)據(jù)收發(fā)都要遵循這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，使用起來(lái)簡(jiǎn)單方便，成本會(huì)高一些

10、，但是不那么靈活；一般的RF模塊是沒(méi)有協(xié)議的,需要自己控制模塊連接及數(shù)據(jù)收發(fā)的整個(gè)過(guò)程。要權(quán)衡兩種想法的利弊，進(jìn)行選擇。 處理器單元：從處理器的角度看，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基本可以分為兩類：一類采用以ARM處理器為代表的高端處理器。這種節(jié)點(diǎn)的能量消耗比較大，處理能力比較強(qiáng)。另一類是以采用普通單片機(jī)為代表的節(jié)點(diǎn)。這種節(jié)點(diǎn)的處理能力比較弱，能量消耗比較小。電源單元：電池的種類很多，按能否充電，電池可分為可充電電池和不可充電電池；根據(jù)電極材料，電池可以分為鎳鋅電池、銀鋅電池和鋰電池、鋰聚合物電池等。一般不可充電電池比可充電電池能量密度高，如果沒(méi)有能量來(lái)補(bǔ)給來(lái)源，則應(yīng)選擇不可充電電池。而充電電池，成本本

11、來(lái)就比較高。這些種類都是電源電路可原則的方案。 2、重點(diǎn)： 采用高性能半導(dǎo)體氣體傳感器7，采用四路巡回檢測(cè)的方法檢測(cè)房間氣體濃度，將檢測(cè)的到濃度信號(hào)送入A/D芯片中進(jìn)行模-數(shù)轉(zhuǎn)換，利用AT89S51單片機(jī)控制聲音報(bào)警、鍵盤輸入、存儲(chǔ)器運(yùn)行，并且將氣體傳感器檢測(cè)到的濃度值在LCD顯示器上顯示出來(lái)。分析：選用此方法設(shè)計(jì)電路不僅解決了溫度、濕度的影響，并且簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)電路，降低了成本，采用此種方法設(shè)計(jì)主體電路。具體電路設(shè)計(jì)將在下文中給出。 通過(guò)搜集信息，提出本次設(shè)計(jì)采用QM-N5型氣體傳感器。現(xiàn)在特將此傳感器簡(jiǎn)單介紹如下：(1) 特點(diǎn)：QM-N5型氣體傳感器8是以金屬氧化物SnO2為主體材料的N型半導(dǎo)

12、體氣敏元件，當(dāng)元件接觸還原性氣體時(shí)，其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升高。適用于天然氣、煤氣、氫氣、烷類氣體、烯類氣體、汽油、煤油、乙炔、氨氣、煙霧等的檢測(cè)，屬于N型半導(dǎo)體元件。靈敏度較高，穩(wěn)定性較好，響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間短。用它做成的報(bào)警器完全可以達(dá)到UL2034標(biāo)準(zhǔn)，不需溫、濕度補(bǔ)償。(2) 工作條件：工作電壓：5V ± 0.5V靜態(tài)功耗：0.5W(加熱絲冷態(tài)電阻為50 ± 2)環(huán)境條件：溫度-10+50,相對(duì)濕度95%初期穩(wěn)定時(shí)間：15分鐘響應(yīng)時(shí)間：10s恢復(fù)時(shí)間：60s檢測(cè)煤氣濃度范圍：5020000ppm(3) 對(duì)一氧化碳反應(yīng)的敏感度14： 圖 系列一氧化碳濃度的條件下R

13、L電壓的振蕩曲線。高濕高溫對(duì)傳感器的影響：根據(jù)測(cè)試結(jié)果表明，此傳感器可承受96%RH相對(duì)濕度、70的環(huán)境條件，但基電平升高。4、 對(duì)進(jìn)度的具體安排（如圖2）周次內(nèi)容第1-2周調(diào)研，查閱文獻(xiàn)資料，明確總體設(shè)計(jì)思路第3-4周開(kāi)題報(bào)告及開(kāi)題答辯第5-7周概要設(shè)計(jì)，描述軟硬件件結(jié)構(gòu)與功能模塊劃分第8-9周詳細(xì)設(shè)計(jì)，詳細(xì)描述各模塊功能的實(shí)現(xiàn)方法流程圖，形成詳細(xì)設(shè)計(jì)報(bào)告、英文文獻(xiàn)翻譯準(zhǔn)備第10周中期檢查第11-12周軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試第13周軟硬件結(jié)合調(diào)試、文獻(xiàn)翻譯第14-15周撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，準(zhǔn)備答辯第16周畢設(shè)論文答辯 圖2 5、 參考文獻(xiàn) 1 祁偉，楊亭編著.單片機(jī)C51程序設(shè)計(jì)教程與實(shí)驗(yàn)M北京：北京航天航空大學(xué)出版社，20062 陳小忠，黃寧，趙小俠編著單片機(jī)接口技術(shù)實(shí)用子程序M北京：人民郵電出版社，20053 尹勇，王洪成編著.單片機(jī)接口技術(shù)與應(yīng)用M北京：北京航天航空大學(xué)出版社,20044 陳正義編著. 單片機(jī)控制實(shí)習(xí)M. 北京：人民郵電出版社，2006.5 陳嶺麗， 馮志華主編. 檢測(cè)技術(shù)和系統(tǒng)M. 北京：清華大學(xué)出版社，2005.6 何希才，薛永毅編著. 傳感器及其應(yīng)用實(shí)例M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.7 甘露，陳三寶，薛志華. 基