基于單片機(jī)的煤氣泄漏與報警系統(tǒng)的設(shè)計說明書

可編輯版/可編輯版本科畢業(yè)論文<設(shè)計>題目：基于單片機(jī)的煤氣泄漏及報警系統(tǒng)的設(shè)計學(xué)院：物理與電子科學(xué)學(xué)院班級：姓名：指導(dǎo)教師：職稱：完成日期：年月日基于單片機(jī)的煤氣泄漏及報警系統(tǒng)的設(shè)計摘要：隨著社會的進(jìn)步和發(fā)展,人們的生活水平也在不斷提高,煤氣作為一種必不可少的能源出現(xiàn)在了人們的日常生活中。煤氣給人們生活帶來方便的同時,也帶來了一定的困擾。煤氣泄漏,煤氣中毒,煤氣罐爆炸等惡性事件時有發(fā)生。所以,為了避免這類事件的發(fā)生,作為一種預(yù)防的手段,監(jiān)測空氣中煤氣的濃度很有必要。所以利用單片機(jī)和傳感器技術(shù)設(shè)計一種可以自動監(jiān)測空氣中煤氣濃度達(dá)到一定值時報警的系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：煤氣濃度檢測傳感器單片機(jī)目錄20927前言173951系統(tǒng)設(shè)計的背景和目的2325771.1系統(tǒng)設(shè)計背景2168851.2系統(tǒng)設(shè)計目的2237782系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和原理2168172.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)257392.2系統(tǒng)原理3253363相關(guān)器件以及技術(shù)的介紹3247243.1單片機(jī)介紹3240953.2氣敏傳感器介紹4184603.3A/D轉(zhuǎn)換4109403.4煤氣中毒5317404系統(tǒng)硬件設(shè)計5113234.1單片機(jī)工作條件5103154.2信號采集和放大電路5158404.3數(shù)碼管顯示電路639064.4A/D轉(zhuǎn)換電路757384.5聲音報警電路7148415系統(tǒng)軟件設(shè)計7115686系統(tǒng)調(diào)試與實(shí)現(xiàn)8609參考文獻(xiàn)12前言隨著社會的進(jìn)步和發(fā)展,人們的生活水平也在不斷提高。近年來,煤氣以罐裝和管道的形式進(jìn)入了尋常百姓人家,但是,由于使用和設(shè)備方面的問題,導(dǎo)致煤氣引發(fā)的惡性事件時有發(fā)生。城區(qū)居民使用管道煤氣,管道中一氧化碳濃度為25%至30%,如果管道漏氣、開關(guān)不緊煤氣大量溢出,可造成中毒,嚴(yán)重者甚至引起起火爆炸。20XX3月17日,XX市南湖新村中街發(fā)生燃?xì)庑孤┦鹿?4人一氧化碳中毒,其中兩人住院治療,18歲的高中生小明〔化名不幸身亡。20XX12月4日上午7時45分左右,上海市公安局110接報,虹口區(qū)XX路一棟三層老式公房發(fā)生居民煤氣中毒事故,上海市公安局、衛(wèi)生、建設(shè)交通等有關(guān)部門以及虹口區(qū)立即啟動應(yīng)急搶險預(yù)案、趕赴現(xiàn)場進(jìn)行搶險,現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)25人煤氣中毒,已分別送醫(yī)院救治。20XX9月18日強(qiáng)盛鐵合金臨時停產(chǎn)檢修,要檢修東燒結(jié)閥蓋密封箱體蓋板等。10時許高爐休風(fēng),16時25分后高爐復(fù)風(fēng),此時燒結(jié)平臺下閥蓋密封箱體內(nèi)進(jìn)行焊接作業(yè)的3人中毒,1人焊好蓋板爬出人孔時中毒,平臺上配合檢修者立即去關(guān)煤氣閥門,將閥門關(guān)閉后自己即暈倒在閥門平臺區(qū)。此次,造成4人死亡,1人輕微中毒。這類事故時有發(fā)生,所以,煤氣的安全問題成為一個受人關(guān)注的社會話題。為了避免這類事件的發(fā)生,作為一種防御的手段,監(jiān)測空氣中煤氣的濃度很有必要。本設(shè)計基于單片機(jī)和氣體傳感器的技術(shù),是一種智能煤氣監(jiān)控系統(tǒng),可以對煤氣進(jìn)行實(shí)時的檢測、監(jiān)控。當(dāng)煤氣發(fā)生泄漏,室內(nèi)氣體的濃度達(dá)到預(yù)先設(shè)定的限定值時本系統(tǒng)可以及時報警,并關(guān)閉煤氣閥門,從而有效的避免了惡性事故的發(fā)生。1系統(tǒng)設(shè)計的背景和目的1.1系統(tǒng)設(shè)計背景在20世紀(jì)的主要成就中,就有集成電路和電子計算機(jī)的發(fā)展。在20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了微型計算機(jī),70年代中期微型計算機(jī)又分支出來一個小小的派系——單片機(jī)。繼4位單片機(jī)的出現(xiàn),又出現(xiàn)了8位單片機(jī)。MCS-48系列,尤其是MCS-51系列單片機(jī)的出現(xiàn),確立了單片機(jī)作為微控制器〔MCU地位。在品種眾多的單片機(jī)中,MCS-51系列單片機(jī)是單片機(jī)中的主流機(jī)型,其結(jié)構(gòu)完整、特殊功能寄存器規(guī)范,指令系統(tǒng)的控制功能。單片機(jī)的應(yīng)用非常廣泛,在家用電器領(lǐng)域,辦公自動化領(lǐng)域,商業(yè)營銷領(lǐng)域,工業(yè)自動化,智能儀表與集成智能傳感器系統(tǒng)的控制電路,汽車電子與航空航天電子系統(tǒng)等方面都有應(yīng)用。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展,傳感器與測試技術(shù)也有了迅猛的發(fā)展,廣泛應(yīng)用于人類的社會研究和生產(chǎn)中,并起著越來越重要的作用。隨著微電子學(xué)、微細(xì)加工技術(shù)和集成化工藝等方面的發(fā)展,將敏感器件與其信號處理電路制作在一塊芯片上,可以實(shí)現(xiàn)傳感器的集成化和微型化。目前,傳感器與計算機(jī)的緊密結(jié)合,使傳感器不僅具有信號檢測的功能,還有記憶、存儲、自診斷、自校準(zhǔn)、自適應(yīng)等功能,從而實(shí)現(xiàn)了傳感器的智能化。1.2系統(tǒng)設(shè)計目的伴隨著人民生活水平的提高,煤氣的使用已經(jīng)平民化,而煤氣的使用也帶來了一系列問題,正確安全的使用煤氣很有必要。雖然人們對于煤氣泄漏有一定的防范意識,但是惡性事件時有發(fā)生生,給人民生命和財產(chǎn)帶來個巨大的損失。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn),一氧化碳報警器可以有效地降低事故的發(fā)生率。而計算機(jī)的普及使人們對生活的要求變得更高,所以智能化、人性化成為現(xiàn)代人對生活水平的追求。所以設(shè)計出一個可以智能監(jiān)控煤氣濃度的系統(tǒng),可以給人民生活帶來方便和安全。本系統(tǒng)的特點(diǎn)：〔1結(jié)構(gòu)電路相對簡單,價格便宜；〔2智能系統(tǒng),實(shí)時檢測,監(jiān)控,并及時報警；〔3安全可靠。本設(shè)計使用MCS-51單片機(jī)可以達(dá)到題目的設(shè)計要求,可以準(zhǔn)確采樣煤氣濃度。而且該系列單片機(jī)是主流機(jī)型,容易學(xué)習(xí)和操作,性能也相對較好。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和原理2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)采用單片機(jī)作為核心控制,氣敏傳感器作為信息提取部件。主要包括：氣體檢測及放大整形電路、聲光報警電路、數(shù)碼管顯示、及復(fù)位電路。2.2系統(tǒng)原理氣敏傳感器實(shí)時監(jiān)測煤氣濃度信號,輸出量為模擬信號,濃度信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī),單片機(jī)對信號進(jìn)行處理送入顯示電路,實(shí)時顯示煤氣濃度,當(dāng)煤氣濃度超出限定值,實(shí)現(xiàn)聲光報警。r傳感器傳感器放大器串口A/D晶振8051顯示聲響其他圖1基于單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理是利用半導(dǎo)體氣敏傳感器將煤氣濃度變換為模擬電壓信號,此電壓信號經(jīng)放大后送到A/D轉(zhuǎn)換器,變換成數(shù)字量送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,數(shù)據(jù)處理后送入顯示電路顯示煤氣濃度信息。當(dāng)煤氣濃度達(dá)到限定值,輸出數(shù)字信號驅(qū)動聲光報警。3相關(guān)器件以及技術(shù)的介紹3.1單片機(jī)介紹隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展,可以將CPU、RAM、ROM、定時器/計數(shù)器以及輸入/輸出〔I/O接口電路等計算機(jī)的主要部件集成在一塊集成電路芯片上。這樣組成的芯片級的微型計算機(jī)直譯為"單片機(jī)"。單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域有：家用電器領(lǐng)域,辦公自動化領(lǐng)域,商業(yè)營銷領(lǐng)域,工業(yè)自動化,只能儀表與集成智能傳感器傳統(tǒng)的控制電路,汽車電子與航空航天電子系統(tǒng)等領(lǐng)域。單片機(jī)在結(jié)構(gòu)上突破了常規(guī)的按邏輯功能劃分芯片、由多片構(gòu)成微型計算機(jī)的設(shè)計思想,將構(gòu)成計算機(jī)的許多功能集成在一塊晶體芯片上。在眾多的單片機(jī)中又以80C51的結(jié)構(gòu)具有顯著特點(diǎn),由于80C51系列單片機(jī)機(jī)器兼容機(jī)所具有的的一系列優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛應(yīng)用,被多家單片機(jī)廠家選作內(nèi)核,所以成為了事實(shí)上的主流機(jī)型。80C51采用了CMOS技術(shù)技術(shù)制造而成,集成度高,速度快,功耗低,可以常規(guī)編程,也可以在線編程。本設(shè)計采用AT80C51如圖2所示圖2AT89C513.2氣敏傳感器介紹傳感器廣泛應(yīng)用于人類的社會生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中,起著越來越重要的作用。成為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步的一項必不可少的重要技術(shù)。傳感器的工作原理是基于各種效應(yīng)和定律,以半導(dǎo)體材料、陶瓷材料、和有機(jī)材料為代表為代表的新型敏感材料應(yīng)用于傳感器件中,不僅使可測量的參量增多,使力、熱、光、磁、溫度、氣體、離子等方面的一些參量的測量成為現(xiàn)實(shí),同時也使集成化、小型化和高性能傳感器的出現(xiàn)成為可能。目前,傳感器與計算機(jī)的緊密結(jié)合,使傳感器不僅具有信號檢測功能,同時還具有記憶、存儲、自診斷、自校準(zhǔn)、自適應(yīng)等功能,從而實(shí)現(xiàn)了傳感器的智能化。傳感器的種類繁多,往往同一種被測量可以用不同類型的傳感器來測量,而同一原理的傳感器又可測量多種物理量,因此傳感器有很多。根據(jù)測量對象,本設(shè)計采用氣敏傳感器,它是一種將檢查到的氣體成分和濃度轉(zhuǎn)換為點(diǎn)信號的傳感器本設(shè)計使用的氣敏傳感器可以將與煤氣濃度有關(guān)的信息,轉(zhuǎn)換為電信號。3.3A/D轉(zhuǎn)換信號是反應(yīng)消息的物理量,信號是消息的表現(xiàn)形式,由于非電的物理量可以通過各種傳感器較容易的轉(zhuǎn)換成電信號,而電信號又容易傳輸和控制。將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器,簡稱A/D轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計是檢測空氣中的煤氣濃度,而模擬信號不能直接送往單片機(jī)進(jìn)行處理,所以必須進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換.3.4煤氣中毒煤氣中含有一氧化碳,一氧化碳無色無味,常在意外情況下,特別是在睡眠中不知不覺侵入呼吸道,通過肺泡的氣體交換,進(jìn)入血液中形成碳氧血紅蛋白,并散布全身,造成中毒?？諝庵幸谎趸紳舛冗_(dá)到0.02%,人體就會出現(xiàn)中毒癥狀,如頭暈、頭痛、惡心,無力等,嚴(yán)重者甚至死亡。4系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1單片機(jī)工作條件AT89C51單片機(jī)工作條件接線圖如圖3所示：圖3單片機(jī)工作條件接線圖4.2信號采集和放大電路傳感器輸出來的信號Vi經(jīng)過運(yùn)算放大器LM324的同相輸入端,但是為了保證引入的是負(fù)反饋,輸出端電壓Vo通R4接到反相輸入端,同時,反相輸入端通過電阻R3接到參考電壓V。信號采集和放大電路如圖4所示：圖4信號采集和放大電路4.3數(shù)碼管顯示電路報警器的濃度顯示采用數(shù)碼管,LED數(shù)碼管因?yàn)轵?qū)動方式的不同有靜態(tài)和動態(tài)兩種顯示方式。靜態(tài)顯示,每一位字段碼分別從I/O控制口輸出,保持不變知道CPU刷新,特點(diǎn)是編程相對比較簡單一點(diǎn),但是占用的I/O口較多,適用與顯示位數(shù)較少的場合。動態(tài)顯示,在某一瞬時顯示一位,一次循環(huán)掃描顯示,特點(diǎn)是占用的I/O口較少,電路簡單單編程較復(fù)雜,CPU要定時掃描刷新顯示。適用于顯示位數(shù)較多的地方。本系統(tǒng)采用動態(tài)顯示,共陰型8位動態(tài)顯示電路如圖5：圖5共陰型8位動態(tài)顯示電路4.4A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換器是能把模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號,我們經(jīng)常采用的是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器作為就扣電路,它結(jié)構(gòu)簡單,轉(zhuǎn)換速度較高.本設(shè)計采用ADC0804,它的分辨率為8位,屬于連續(xù)漸進(jìn)式經(jīng)放大器放大后的煤氣信號Vo送人A/D轉(zhuǎn)換電路,最后將信號送人單片機(jī)內(nèi)部。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖6所示：圖6A/D轉(zhuǎn)換電路4.5聲音報警電路聲音報警電路如下圖所示,當(dāng)煤氣的濃度達(dá)到8051單片機(jī)內(nèi)部程序所設(shè)定的值時,報警電路中的喇叭將會發(fā)出刺耳的聲音,將房屋中的煤氣濃度下降到安全值以下,聲音報警將會自動解除報警,等待下一次報警。聲音報警電路如圖7所示：圖7聲音報警電路5系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件采用MCS51匯編語言編制,包括系統(tǒng)主程序和中斷服務(wù)子程序、誤差自動校準(zhǔn)子程序等。主程序流程圖如下開始開始A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理程序初始化是否超過報警值濃度顯示報警鎖定,等待復(fù)位圖8主程序流程圖6系統(tǒng)調(diào)試與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同調(diào)試仿真階段,理論上是用A/D轉(zhuǎn)換器把氣敏傳感器檢測到的電信號輸送入單片機(jī),現(xiàn)在用按鍵電路來代替。按鍵電路可以設(shè)定數(shù)值來代表需要的煤氣濃度。數(shù)碼管顯示采用動態(tài)顯示方式,結(jié)合按鍵電路的輸入,在數(shù)碼管上顯示需要的煤氣濃度數(shù)值。實(shí)現(xiàn)電路如圖9圖9系統(tǒng)總電路分別對P1.0、P1.1、P1.2端口編程,實(shí)現(xiàn)分別控制數(shù)碼管的個位、十位、百位的+1操作,關(guān)鍵程序：GO:JNBGSET,S1S1：LCALL,DELAYJBGSET,A1INCSETGMOVA,SETGCJNEA,#10,J0MOVSETG,#0INCSETSMOVA,SETSCJNEA,#10,J1MOVSETS,#0LJMPK2J0：JBGSET,GOLCALLDISPLAYSJMPJ0以上程序是對個位數(shù)字的控制,十位,百位也是同樣的方法。關(guān)鍵顯示子程序：DISPLAY:MOVA,SETGCLRP2.0MOVCA,@A+DPTRMOVP0,ALCALLDELAYSETBP2.0以上是對個位的賦值控制,對十位,百位的控制方法一樣。系統(tǒng)主程序：#include<reg51.h>#include<intrins.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharsbitadrd=P3^7;//IO口定義sbitadwr=P3^6;sbitcsad=P3^5;sbitwei_g=P2^0;sbitwei_s=P2^1;sbitbjq=P1^3;unsignedcharj,k,adval;voiddelay<unsignedchari> //延時程序{for<j=I;j>0;j-->for<k=125;k>0;k-->;}uchartable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};voiddisplay<ucharsh_c,ucharg_c> //顯示程序{wei_g=1;wei_s=0;P0=table[g_c];delay<5>;wei_g=0;wei_s=1;P0=table[sh_c];delay<5>;}voidmain<> // 主程序{uchara,A1,A2;while<1>{csad=0;//選通ADCSadwr=0; _nop_<>;adwr=1;csad=1;//關(guān)閉ADCSdelay<10>;for<a=20;a>0;a-->{display<A1,A2>;} //送去顯示各位。P1=0xff;//讀取P1口之前先給其寫全1csad=0;//選通ADCSadrd=0;//AD讀使能adval=P1; //AD數(shù)據(jù)讀取賦給P1口adrd=1;csad=1;//關(guān)閉ADCSadwr=0;adval=adval/0.25;//數(shù)據(jù)處理if<adval>51>//判斷報警濃度大于20%報警{delay<20>;if<adval>51>bjq=1;while<1>;//報警控制,等待復(fù)位}A1=adval/10; //分出十,和個位A2=adval%10;};}當(dāng)煤氣濃度達(dá)到單片機(jī)內(nèi)程序所設(shè)置的限定值〔20%時,聲音系統(tǒng)中的喇叭會發(fā)出警報的聲音；當(dāng)煤氣濃度下降到限定值一下時,聲音系統(tǒng)停止報警,等待下一次報警程序的執(zhí)行。結(jié)論：基于單片機(jī)的煤氣泄漏及報警系統(tǒng)的設(shè)計,采用單片機(jī)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的多樣化和智能化。本系統(tǒng)設(shè)計電路簡單,穩(wěn)定性高,容易實(shí)現(xiàn),成本低廉。本系統(tǒng)主要的功能：〔1對空氣中煤氣濃度的檢測;<2>煤氣濃度達(dá)到一定值時報警。參考文獻(xiàn)[1]何立民.單片機(jī)中級教程——原理與應(yīng)用.第二版[M].北京:航空航天大學(xué)出版社,2006.10.[2]李曉瑩.傳感器與測試技術(shù)[M].高等教育出版社,2005.1.[3]童詩白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].第四版.高等教育出版社,2006.5.[4]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].第五版.高等教育出版社,2006.5.[5]膝杰.住宅小區(qū)防火、防災(zāi)單片機(jī)自動監(jiān)測系統(tǒng)[J].XX城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2005<4>:160-l61.[6]畢宏彥,鄭鐵.防盜防火監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2002,137<6>:10一12.[7]吳英才等.住宅防盜防火多媒體集中監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計.上海理工大學(xué)學(xué)報[J].2004,26<4>:176-179.[8]邊海龍,賈少華.USB2.0設(shè)備的設(shè)計與開發(fā)[M].北京:人民郵電出版社,2004.[9]Paulf.Lister.Single-chipmicrocomputers[M].McGraw-Hill,2004[10]PaulMuller.CMOSmultichann