煤氣濃度監(jiān)測與報警系統(tǒng)講解（精編版）

1、計算機控制技術煤氣濃度監(jiān)測與報警系統(tǒng)學號：姓名：日期： 2013.12.03 計算機控制技術目錄第 1 章 緒論. 11.1 選題的背景與意義 . 11.1.1 課題研究的背景 . 11.1.2 課題研究的目的與意義 . 11.1.3 國內外研究的現(xiàn)狀及發(fā)展. 1第 2 章 系統(tǒng)總體設計 . 32.1 方案的選擇 . 32.1.1方案一 . 32.1.2 方案二 . 32.2 系統(tǒng)總體設計 . 32.2.1系統(tǒng)的基本功能 . 32.2.2系統(tǒng)電路設計 . 4第 3 章 硬件設計 . 53.1 硬件選型 . 53.1.1氣敏傳感器的選擇 . 53.1.2單片機的選擇 . 53.2硬件電路設計 .

2、 63.2.1復位電路的設計 . 63.2.2信號采集放大器的設計 . 73.2.3運放電路及 a/d 轉換電路 . 73.2.4執(zhí)行控制電路的設計 . 8計算機控制技術3.2.5聲光報警電路的設計 .9 第 4 章 軟件設計 .錯誤！未定義書簽。4.1 系統(tǒng)流程 . 錯誤！未定義書簽。4.1.1系統(tǒng)總流程圖 . 錯誤！未定義書簽。4.1.2 a/d 轉換子程序流程圖 . 錯誤！未定義書簽。第 5 章 仿真結果 .135.1 仿真測試 .135.1.1 a/d 轉換模塊仿真 .13 5.1.2 顯示模塊測試 .14 5.1.3 煤氣報警系統(tǒng)仿真 .15 結論.16參考文獻 .17附錄 a：硬件

3、電路總圖 .18附錄 b：程序清單 .19計算機控制技術第 1 章 緒論1.1 選題的背景與意義1.1.1 課題研究的背景21 世紀科學技術獲得了飛速的發(fā)展，在其推動下，越來越多的可燃性氣體作為能源應用于工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中。然而，隨著氣體燃料的應用和普及，伴之而來的是氣體泄漏造成的中毒、爆炸、火災等事故，直接威脅著人民的生命和財產(chǎn)安全。為了減少這類事故的發(fā)生， 就必須對這些可燃性氣體進行現(xiàn)場實時檢測，采用先進可靠的安全檢測儀表， 嚴密監(jiān)測環(huán)境中可燃性氣體的濃度，及早發(fā)現(xiàn)事故隱患，采取有效措施，避免事故發(fā)生，才能確保工業(yè)安全和家庭生活安全。而家用智能煤氣報警器就是為了預防煤氣泄漏的一種家

4、用的自動報警器，也是一種高靈敏度的氣體探測器， 能夠準確無誤的檢測出有沒有發(fā)生氣體泄漏情況。當在空氣中含有可燃、危險氣體之時報警器會發(fā)出聲光報警、并及時切斷氣源, 同時還可啟動排氣扇將有毒氣體排出室外。1.1.2 課題研究的目的與意義可燃性氣體檢測報警裝置是能夠檢測環(huán)境中的可燃性氣體濃度并具有報警功能的儀器。 該報警裝置是石油化學工業(yè)、 有可能發(fā)生可燃性氣體泄漏的生產(chǎn)工廠及家庭防火防爆必備的儀器。但是，一般的煤氣報警器功能單一，或是必須手動復位閥門系統(tǒng)， 性能穩(wěn)定性低； 而大型的監(jiān)控系統(tǒng)又價格不菲，需要專門的技術人員來管理，不適合于中小企業(yè)和家庭。所以，為了防止中毒事件的再次發(fā)生， 提出了利用

5、單片機系統(tǒng)進行有效地預防對策。單片機能應用在很多領域， 利用它完成的報警系統(tǒng)有很多。使用單片機構成的計算機系統(tǒng)能夠實現(xiàn)準確的采樣煤氣濃度，能夠達到題目的設計要求。1.1.3 國內外研究的現(xiàn)狀及發(fā)展國外煤氣報警器發(fā)展很快， 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)計算機控制技術的推動。我國在70 年代初期開始研制可燃性氣體報警器，生產(chǎn)型號多樣、品種較齊全，應用范圍也由單一的煉油系統(tǒng)擴展到幾乎所有危險作業(yè)環(huán)境的各種類型報警器，產(chǎn)品數(shù)量也在不斷增加。 但主要是在引進國外先進的傳感器技術和先進的生產(chǎn)工藝基礎上，進行研究與開發(fā)形成

6、自己的特色。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， 更加利于生產(chǎn)、運輸及市場推廣。近年來，在氣體選擇性和產(chǎn)品穩(wěn)定性上也有很大進步。計算機控制技術第 2 章 系統(tǒng)總體設計2.1 方案的選擇2.1.1 方案一方案一： 采用 eda 技術和單片機技術 , 系統(tǒng)所有功能的實現(xiàn)均有fpga 來實現(xiàn)，采用 vhdl 語言的自頂向下方式設計。 fpga 與單片機相比，一個非常明顯的優(yōu)勢就在于它的高速性， 這種方式結合了兩者的優(yōu)點， 在按鍵較少的情況下采用獨立式按鍵，由單片機控制，其消抖性能好，且能準確輸出邏輯電平送給f

7、pga ，從而確保系統(tǒng)穩(wěn)定工作。2.1.2 方案二方案二：采用單片機軟件控制技術, 利用 mcs-51內部的定時 / 計數(shù)器進行中斷定時，配合軟件對煤氣進行實時監(jiān)控；從而實現(xiàn)其各項功能。比較上述幾種方案， 方案一雖然電路結構簡單、 工作可靠、 成本低和易于實現(xiàn), 但該系統(tǒng)功能單一 , 軟件控制方案一整個系統(tǒng)設計起來需要很多時間且系統(tǒng)硬件資源昂貴， 需要全方位地利用計算機自動設計、仿真和測試技術及編寫硬件語言；方案二此系統(tǒng)硬件資源簡潔、價格低廉， 系統(tǒng)能將復雜的硬件功能全部采用軟件實現(xiàn)，因此系統(tǒng)控制靈活，能很好地滿足本課題的基本要求及其擴展要求；且能夠使人在定時 / 計數(shù)器的使用、中斷及程序設計

8、方面得到鍛煉與提高，故本次設計采用方案二。2.2 系統(tǒng)總體設計2.2.1 系統(tǒng)的基本功能本系統(tǒng)是針對家庭監(jiān)控的實際要求完成的，實現(xiàn)功能如下：1） 、實現(xiàn)對煤氣泄漏的實時監(jiān)測。2） 、具有超限聲光報警功能。3） 、根據(jù)報警狀態(tài)自動關閉煤氣管道電磁閥并開啟排氣裝置。4） 、故障排除后可自動煤氣管道電磁閥進行供氣。計算機控制技術2.2.2 系統(tǒng)電路設計該電路以 at89s52單片機為核心， 其工作原理是： 當檢測到可燃氣體的濃度增大時 , 氣敏傳感器將煤氣的濃度值轉換成對應的電壓信號，再經(jīng)過信號放大整形、濾波后，送入 a/d 轉換器模擬輸入引腳轉換成相應的數(shù)字量，然后單片機再根據(jù)用戶自己設定的報警濃

9、度值進行比較, 當濃度超過系統(tǒng)設定值的時候, 單片機的 p1.0 端口便輸出一個高電平 , 使得三極管導通 , 驅動蜂鳴器報警同時點亮發(fā)光二極管 , 此時 ,p1.1端口也輸出一個高電平驅動三極管導通, 使得固態(tài)繼電器ssr閉合, 從而啟動執(zhí)行電路 , 即接通排氣扇排掉可燃氣體和關閉煤氣通路。隨著周圍環(huán)境中煤氣濃度的下降， 氣敏傳感器的極間電阻將逐步增大，檢測信號逐漸變小 , 不能驅動后級電路而使其工作， 此時單片機 p0口輸出低電平， 固態(tài)繼電器 ssr斷開，停止聲音報警電路、 關閉排氣扇并打開煤氣通路，系統(tǒng)又進行下一輪的實時監(jiān)控。圖 2-1 系統(tǒng)的總體結構框圖氣敏傳感器放大整形電路a/d轉

10、換at89s52單片機報警電路執(zhí)行電路電源時鐘電路復位電路計算機控制技術第 3 章 硬件設計3.1 硬件選型3.1.1 氣敏傳感器的選擇co傳感器用于探測空氣中一氧化碳的濃度，它通過一個低通濾波器濾去干擾的部分，在通過放大器送入模數(shù)轉換器進行模數(shù)轉化。這個時候給一氧化碳的濃度設置一個閥值400ppm ，當濃度低于這個值的時候模數(shù)轉化器向單片機發(fā)出的請求不會產(chǎn)生報警， 當超過這個值的時候， 向單片機發(fā)出的中斷請求將會產(chǎn)生報警信號。motorola 一氧化碳 (co)傳感器 mgs1100 是一種新型的專門設計定位于家庭用途的 co氣體檢測器。其結構特點是采用微電子工藝，在微型硅橋結構中嵌入的加熱

11、器上制作一層sno2薄膜對 co氣體在很寬的溫度范圍內都具有敏感性，且由于珪膜減少了熱傳導的熱損失，從而大大降低了功耗。3.1.2 單片機的選擇本設計采用 at89s52單片機實現(xiàn)， at89s52是一種低功耗、 高性能的片內 4 kb快閃可編程 / 擦除只讀存儲器cmos 微控制器， 與 mcs-51微控制器產(chǎn)品系列兼容，使用高密度、非易失存儲技術制造。該單片機內部資源豐富功能強大，集成了內部看門狗、雙數(shù)據(jù)指針、在系統(tǒng)編程（串行下載目標程序）等功能，軟硬件調試方便，對于畢業(yè)設計時間緊、任務多的開發(fā)來說是極為有利的。另外，其本身較大的存儲器使得本系統(tǒng)不需要擴展即能滿足設計要求。at89s52具

12、有如下特點：40 個引腳，芯片封裝： dip，8k bytes 片內程序存儲器， 256 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，5 個中斷優(yōu)先級 2層中斷嵌套中斷， 2 個 16 位可編程定時計數(shù)器 ,2 個全雙工串行通信口，片內時鐘振蕩器。 at89s52單片機引腳圖如 3- 1 所示：計算機控制技術圖 3-1 at89s52 的引腳圖3.2 硬件電路設計3.2.1 復位電路的設計（1）電路原理圖圖 3-2 復位電路原理圖1 2 3 4 5678 9 1112 111119 2439 38 33334 33 333222222222(

13、t2)p1.1 (t2)p1.0 p1.2 p1.3 p1.4 (mosi)p1.5 (miso)p1.6 (sck)p1.7 rst (rxd)p3.0 (txd)p3.1 (into)p3.2 (int1)p3.3 (t0)p3.4 (t1)p3.5 (wr)p3.6 (rd)p3.7 xtal2 xtal1 gnd vcc p0.0(ad0) p0.1(ad1) p0.2(ad2) p0.3(ad3) p0.4(ad4) p0.5(ad5) p0.6(ad6) p0.7(ad7) ea/vpp ale/prog psen p2.7(a15) p2.6(a14) p2.5(a13) p2.

14、4(a12) p2.3(a11) p2.2(a10) p2.1(a9) p2.0(a8) 計算機控制技術（2）復位電路作用：a. 完成單片機的的作用初始化 , 即把系統(tǒng)的 pc值初始化為 0000h ，使單片機從 0000h單元開始執(zhí)行程序。b. 當系統(tǒng)由于程序運行出錯或操作失誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，可以通過復位操作重新啟動單片機。3.2.2 信號采集放大器的設計由于氣體傳感器采集的電信號一般很小，而且存在共模成分， 需要經(jīng)過放大器放大，之后方可進行 a/d轉換。氣體傳感器輸出的信號幅度很小，存在著不同程度的電磁干擾，因此在本設計中，放大器采用儀表放大器ad623 ，對來自傳感器的信號經(jīng)行精度

15、放大， 同時抑制共模成分提高信號質量。 ad623的主要特點是：使用一只外接電阻設置增益g ，計算公式為 g=1+100k /r, 其中 g可達 1000，從而給用戶帶來了極大的方便。 其輸入共模范圍很寬， 允許比地電壓低 150mv 的共模電壓。單電源供電（+3.0+12v） 能達到最佳性能。但雙電源供電（+2.5+6.0）也能夠提供優(yōu)良的性能： 低功耗、寬電源范圍和電源限輸出特性非常合適電池供電的應用場所； 可取代分立器件構成的儀表放大器，具有線性度優(yōu)良、 溫度穩(wěn)定性高和體積小、可靠性高等優(yōu)點。3.2.3 運放電路及 a/d轉換電路從一氧化碳傳感器輸出信號為差分信號，該模擬信號需要經(jīng)過運放

16、后送入a/d 轉換器。本系統(tǒng)中運放采用了ad623儀用放大器實現(xiàn)，運放后信號送入a/d轉換器。如圖 3-3 中 ain0-ain10 為模擬輸入端； /cs 為片選端；din為串行數(shù)據(jù)輸入端；dout 為 a/d 轉換結果的三態(tài)串行輸出端；eoc 為轉換結束端； clk為 i/o 時鐘；ref+ 為正基準電壓端； ref-為負基準電壓端； vcc 為電源； gnd 為地。計算機控制技術圖 3-3 tlc2543 引腳圖3.2.4 執(zhí)行控制電路的設計(1) 電路工作原理輸入信號從單片機的p1.1 口接入，當輸入為低電平“0”時，三極管 q1截止，ssr1 、ssr2的輸入端無輸入開啟電壓，各自的

17、輸出端斷開，系統(tǒng)不工作；當輸入為高電平“ 1”時，三極管 q1導通，ssr1 、ssr2 、的輸入端有輸入開啟電壓，各自的輸出端接通， 即打開排氣扇以及關閉煤氣通路，本系統(tǒng)的設計達到了由一個輸入端口控制多個輸出端“通” 、 “斷”的目的。此外，該電路還有保險絲保護電路，以避免通路時通過的電流過大而燒壞器件。（2）電路原理圖ain0ain1 ain2 ain3 ain4 ain5 ain6 ain7 ain8 gnd vcc eoc clk din dout cs ref+ ref- ain10 ain9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 19 18 17 16 15 14 13

18、12 11 計算機控制技術圖 3-4 執(zhí)行電路原理圖3.2.5 聲光報警電路的設計(1) 電路原理圖圖 3-5 報警電路原理圖(2) 電路工作原理當系統(tǒng)檢測到煤氣泄露時， 單片機的 p1.0 端口便輸出一個低電平 , 使得三極管導通 , 驅動蜂鳴器報警同時點亮發(fā)光二極管。改變高電平與低電平出現(xiàn)的頻率，即可以讓蜂鳴器發(fā)出音樂以及讓發(fā)光二極管閃爍，設計更增加報警的警覺效果。計算機控制技術第 4 章 軟件設計4.1 系統(tǒng)流程4.1.1 系統(tǒng)總流程圖主程序說明：程序的一開始首先設定堆棧的棧底地址，然后將 ram 內部清零，單片機初始化，即系統(tǒng)進行復位。由于氣體傳感器一直不停的掃描氣體濃度，a/d 轉換

19、器進行模數(shù)轉換，經(jīng)判斷是否超過界限，若沒有則程序進行循環(huán)，一旦超過界限，將產(chǎn)生中斷，在中斷服務子程序中，p1.0 口變?yōu)楦唠娖?，即接通報警設備電路，同時關閉煤氣管道，打開排風扇。然后進入延時子程序，系統(tǒng)繼續(xù)采集煤氣濃度，等濃度達到允許范圍時p2.0 口變?yōu)楦唠娖剑磾嚅_報警設備電路，同時打來煤氣管道，關閉排風扇，返回主程序。程序流程圖如下圖4-1 所示計算機控制技術圖 4-1 主系統(tǒng)流程圖開始系統(tǒng)初始化a/d 轉換是否超限聲光報警關閉煤氣并啟動排氣扇延時是否超限打開煤氣管閥門關閉排氣扇聲光報警y y n n 返回計算機控制技術4.1.2 a/d轉換子程序流程圖圖 4-2 a/d轉換子程序流程圖

20、入口初始化啟動 a/d 轉換延時報警/控制子程序a/d 轉換是否完成n y 返回計算機控制技術第五章仿真結果5.1 仿真測試此次仿真的目的是驗證各個模塊的控制程序的正確與否，同時判斷電路連接的正確性。5.1.1 a/d轉換模塊仿真圖5-1 a/d 轉換模塊測試仿真圖a/d轉換模塊測試仿真圖如圖 5-1所示。傳感器在電壓下產(chǎn)生一個電壓信號送給acd0809 ，電壓信號經(jīng)過模數(shù)轉換以后，送給了單片機。計算機控制技術5.1.2 顯示模塊測試圖5-2 顯示模塊測試仿真圖顯示模塊測試仿真圖如圖 5-2 所示。 該模塊測試主要是用來驗證軟件程序正確與否，由圖中顯示的數(shù)據(jù)來看，程序是正確的。同時驗證了at8

21、9s52,acd0809的軟件編譯程序也是正確的，它們都能控制相關的硬件正常工作。計算機控制技術5.1.3 煤氣報警系統(tǒng)仿真圖 5-3 單片機煤氣報警系統(tǒng)仿真圖單片機煤氣報警系統(tǒng)仿真圖如圖5-3 所示，仿真圖中用0-5v 的電壓表顯示當前輸入的電壓，并代替了傳感器。使用led數(shù)碼管進行選擇動態(tài)顯示acd0809采集的濃度信息。計算機控制技術結論本次設計對可燃性氣體報警控制器進行了深入的研究，在參考國內外一些資料的基礎上，比較合理地選擇了系統(tǒng)的設計方案，采用了“探測器+單片機控制電路”設計思路，由于具有操作簡單，實用性強，價格便宜，安全性高等特點，所以非常適合貯氣倉庫，以及家庭等場所使用，具有很

22、高的實用價值。本次設計的可燃性氣體報警器由探測器與單片機控制電路兩大部分構成。根據(jù)設計要求、使用環(huán)境、成本等因素，選用氣體傳感器。該傳感器是對以烷類氣體為主的多種可燃性氣體有良好敏感特性的廣譜型半導體敏感器件。它的靈敏度適中，響應與恢復特性好，長期工作穩(wěn)定性、重現(xiàn)性、抗環(huán)境氣氛影響及抗溫濕度影響等性能均優(yōu)。 該儀器采用了高性能at89s52單片機作為核心電路， 充分利用了 at89s52的高速數(shù)據(jù)處理能力和豐富的片內設置，實現(xiàn)了儀器的小型化和智能化，使儀表具有結構簡單、 性能穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點。 對可燃性氣體采用濾波、線性化處理等， 不但最大限度地排除現(xiàn)場噪聲干擾，降低可燃性氣體報警器誤報概率

23、，而且易于在單片機中實現(xiàn)。此電路具有結構簡單，調試方便，線性度好，溫漂小等優(yōu)點。本次設計也存在著一些需要完善的地方，譬如讓檢測進行網(wǎng)絡連接， 實行多點同時檢測、 如何更加智能化的進行報警工作，如何能更好的減少檢測誤差等問題值得去進一步的研究和探討。本次設計的可燃性氣體報警控制警器靈敏度高，在測量范圍內具有較理想的特性，適用于低流速的可燃性氣體測量。本課題的工作為便攜式儀器的研制和實用化提供了較好的實現(xiàn)方案，為今后該領域的研究提供了很好的參考依據(jù)。計算機控制技術參考文獻1 王元慶 . 新型傳感器原理及應用 m. 北京： 機械工業(yè)出版社，2002:67-69. 2 王幸之等 .at89 系列單片機

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