室內(nèi)天然氣泄漏報(bào)警裝置

1、西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）第 1 頁(yè) 共 20 頁(yè)摘要隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在家庭做飯燒水已經(jīng)逐漸告別煤逐漸使用清潔的天然氣。天然氣的普及給公共生活帶來(lái)了方便,減少了城市的污染,提高了生活質(zhì)量和效率,但是同時(shí),天然氣也是潛在的“危險(xiǎn)品”,一旦發(fā)生大面積泄漏,處置不及時(shí)就可能引發(fā)大爆炸,給居民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)巨大的威脅。面對(duì)燃?xì)庑孤┒斐傻姆N種事故威脅，我們需要一個(gè)解決辦法。使用天然氣報(bào)警器是對(duì)付燃?xì)鉄o(wú)形殺手的重要手段之一。本論文以半導(dǎo)體氣敏傳感器和單片機(jī)技術(shù)為核心設(shè)計(jì)的氣體報(bào)警器可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警功能，是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便、價(jià)格低廉、智能化的氣體報(bào)警器，具有一定的實(shí)用價(jià)值。其中

2、MQ-2 氣體傳感器對(duì)天然氣的靈敏度高，這種傳感器可檢測(cè)多種含甲烷的氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。經(jīng) AT89C51 單片機(jī)處理，并對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，是否大于或等于某個(gè)預(yù)設(shè)值(也就是報(bào)警限)，如果大于則會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警聲音，反之則為正常狀態(tài)。本文主要討論用氣敏傳感器個(gè)單片機(jī)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)天然氣煤氣泄漏報(bào)警，為我們的生活提供更大的安全保證也為我們的生活提供方便。關(guān)鍵詞：天然氣報(bào)警，氣敏傳感器，單片機(jī)西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）第 2 頁(yè) 共 20 頁(yè)目錄1 緒論.31.1 課題背景及目的.31.2 國(guó)內(nèi)外研究情況及其發(fā)展.31.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容級(jí)研究方法.42 系統(tǒng)方案

3、及模塊設(shè)計(jì).52.1 設(shè)計(jì)思路.52.2 設(shè)計(jì)框圖.52.3 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì).52.3.1 氣體濃度檢測(cè)模塊.52.3.2 主控制模塊.63 硬件電路設(shè)計(jì).103.1 氣體檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì).103.2 單片機(jī)模塊的設(shè)計(jì).113.3 聲光報(bào)警模塊的設(shè)計(jì).124 程序設(shè)計(jì).144.1 主函數(shù)程序設(shè)計(jì)：.145 結(jié)論.166 附錄.17參考文獻(xiàn).20西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）第 3 頁(yè) 共 20 頁(yè)1 緒論1.1 課題背景及目的人的生存離不開(kāi)空氣，人的一生大約有 80%的時(shí)間是在室內(nèi)度過(guò)的，室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的好壞影響著人們的身心健康。室內(nèi)的有害氣體來(lái)源有來(lái)自裝修不當(dāng)造成的甲醛、氨氣、氡氣、苯、放射性物

4、質(zhì)的釋放，而這些氣體在裝修時(shí)加以注意，完全可以減少其排放量，從而不至于影響人的健康狀況。室內(nèi)存在的有害氣體的另一主要來(lái)源為可燃性氣體的泄漏，主要可分為天然氣泄漏、液化氣泄漏和煤氣泄漏。天然氣泄漏的主要成分是甲烷。液化氣泄漏危害也不易小視，液化石油氣是石油產(chǎn)品之一。是由煉廠氣或天然氣(包括油田伴生氣)加壓、降溫、液化得到的一種無(wú)色、揮發(fā)性氣體。由煉廠氣所得的液化石油氣，主要成分為丙烷、丙烯、丁烷、丁烯，同時(shí)含有少量戊烷、戊烯和微量硫化合物雜質(zhì)。由天然氣所得的液化氣的成分基本不含烯烴。液化石油氣主要用作石油化工原料，用于烴類(lèi)裂解制乙烯或蒸氣轉(zhuǎn)化制合成氣，可作為工業(yè)、民用、內(nèi)燃機(jī)燃料。其主要質(zhì)量控制

5、指標(biāo)為蒸發(fā)殘余物和硫含量等，有時(shí)也控制烯烴含量。液化石油氣是一種易燃物質(zhì)，空氣中含量達(dá)到一定濃度范圍時(shí)，遇明火即爆炸。天然氣主要成分是烷烴，其中甲烷含量在 95%以上。人所賴(lài)以生存的空氣中有大約 20%的氧氣，如果人的生活空間是封閉空間，氧氣稀薄，人會(huì)因氧氣不足，導(dǎo)致窒息、昏迷，有心腦血管疾病的人將會(huì)危及生命。室內(nèi)天然氣泄漏會(huì)使室內(nèi)空氣中的氧氣相對(duì)稀薄，由于天然氣是無(wú)色無(wú)味，人很難察覺(jué)到，尤其當(dāng)人處于睡眠狀態(tài)時(shí)，天然氣的泄漏就更加危險(xiǎn)，甚至?xí)谷酥舷?。天然氣的另一危險(xiǎn)是當(dāng)空氣中的天然氣含量達(dá)到一定含量時(shí)，遇到明火就會(huì)產(chǎn)生爆炸，危及人的生命。1.2 國(guó)內(nèi)外研究情況及其發(fā)展 當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的可燃性

6、氣體泄漏報(bào)警器與氣敏元件傳感器，已普及應(yīng)用于氣體泄漏檢測(cè)和監(jiān)控，僅用于安全保護(hù)家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器為例，不少發(fā)達(dá)西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）第 4 頁(yè) 共 20 頁(yè)國(guó)家已經(jīng)明確規(guī)定家庭、公寓等要求安裝相應(yīng)的報(bào)警器。國(guó)外可燃性氣體泄漏報(bào)警器發(fā)展很快，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；另一方面是由于燃?xì)庑孤﹫?bào)警器市場(chǎng)增長(zhǎng)受到政府安全法規(guī)的推動(dòng)。因此，國(guó)外燃?xì)鈭?bào)警器技術(shù)得到了較快發(fā)展，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)猜測(cè)，美國(guó)在 1996 年2002 年就煤氣報(bào)警器的年均增長(zhǎng)率為 2730。在這些方面，國(guó)內(nèi)應(yīng)該增強(qiáng)安全意識(shí)增強(qiáng)。可燃性氣體泄漏報(bào)警器的發(fā)展趨勢(shì)集中表現(xiàn)為，一是提高靈敏度和工作性能，

7、降低功耗和成本，縮小尺寸，簡(jiǎn)化電路，與應(yīng)用整機(jī)相結(jié)合，這也是燃?xì)庑孤﹫?bào)警器一直追求的目標(biāo)；二是增強(qiáng)可靠性，實(shí)現(xiàn)元件和應(yīng)用電路集成化，多功能化，發(fā)展 MEMS 技術(shù)，發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)適用的變送器和智能型可燃性氣體泄漏氣報(bào)警器。如美國(guó)在燃?xì)庑孤﹫?bào)警器中嵌入微處理器，使燃?xì)庑孤﹫?bào)警器具有控制校準(zhǔn)和監(jiān)視故障狀況功能，實(shí)現(xiàn)了智能化、涉多功能化。1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容級(jí)研究方法本設(shè)計(jì)計(jì)劃按以下思路展開(kāi)研究：（1） 信號(hào)釆集部分為了能準(zhǔn)確釆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，釆用電阻型半導(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。（2）信號(hào)處理部分為了實(shí)現(xiàn)精確控制，釆

8、用單片機(jī)較為合適。將模擬信號(hào)送 A/D 模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)處理后送存儲(chǔ)器保存和送顯示器顯示。（3）系統(tǒng)設(shè)置報(bào)警部分可以考慮蜂鳴器報(bào)警。西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）第 5 頁(yè) 共 20 頁(yè)2 系統(tǒng)方案及模塊設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)思路用相應(yīng)的氣體傳感器檢測(cè)室內(nèi)煤氣、天然氣的基本狀態(tài)，并將氣體濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。通過(guò)信號(hào)處理電路將有無(wú)氣體泄漏兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換成高低電平，并將些電平通過(guò)單片機(jī) I/O 接口傳入單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)編程控制報(bào)警電路的工作狀態(tài)。2.2 設(shè)計(jì)框圖如下圖 2.1 所示：51 單片機(jī)聲光報(bào)警排氣裝置 氣體檢測(cè)自動(dòng)關(guān)閉裝置圖 2.1 設(shè)計(jì)思路框圖2.3 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)2.3.1 氣體濃

9、度檢測(cè)模塊傳感器是能把實(shí)測(cè)物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)化為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電信號(hào)輸出的裝置。傳感器主要是由敏感元件、傳感元件組成，有時(shí)也將信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）第 6 頁(yè) 共 20 頁(yè)換電路、輔助電源作為傳感器的組成部分。 敏感元件：敏感元件指能夠靈敏地感受被測(cè)變量并做出響應(yīng)的元件。是傳感器中能直接感受被測(cè)量的部分。傳感元件：又稱(chēng)為轉(zhuǎn)換器，一般情況下，不直接感受被測(cè)量，而是將敏感元件的輸出量轉(zhuǎn)化為電量輸出的元件。傳感器按工作原理可分為：電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、光電式傳感器、壓電式傳感器等。氣敏傳感器原理： 聲表面波器件之波速和頻率會(huì)隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移。氣

10、敏傳感器就是利用這種性能在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，當(dāng)該氣敏薄膜與待測(cè)氣體相互作用（化學(xué)作用或生物作用，或者是物理吸附），使得氣敏薄膜的膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率發(fā)生變化時(shí)，引起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂移；氣體濃度不同，膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率變化程度亦不同，即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過(guò)測(cè)量聲表面波頻率的變化就可以獲得準(zhǔn)確的反應(yīng)氣體濃度的變化值。本次的設(shè)計(jì)采用的MQ-2氣體傳感器，MQ-2氣敏傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃性氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃性氣體濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化

11、轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。MQ-2氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想。這種傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。2.3.2 主控制模塊主控制模塊即單片機(jī)模塊，完成功能是與各個(gè)功能模塊連接，并通過(guò)軟件編程控制各個(gè)功能模塊，完成煤氣、天然氣檢測(cè)報(bào)警及溫度顯示功能。AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。AT89C2051 是一種帶 2K 字

12、節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 1000 次。該器件采用ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）第 7 頁(yè) 共 20 頁(yè)ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，AT89C2051 是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。外形及引腳排列如圖所示 AT89C51 外形及引腳排列。圖 2.2 AT89C51 引腳圖AT89C51 單片機(jī)有 40 個(gè)引

13、腳（如圖 2.2） ，按照引腳功能大致可分為 4 個(gè)種類(lèi)：電源、時(shí)鐘、控制和 I/O 引腳。VCC：電源電壓 GND：地P0 口：P0 口是一組 8 位漏極開(kāi)路雙向 I/O 口，即地址/數(shù)據(jù)總線(xiàn)復(fù)用口。作為輸出口時(shí)，每一個(gè)管腳都能夠驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 電路。當(dāng)“1”被寫(xiě)入 P0 口時(shí)，每個(gè)管腳都能夠作為高阻抗輸入端。P0 口還能夠在訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，轉(zhuǎn)換地址和數(shù)據(jù)總線(xiàn)復(fù)用，并在這時(shí)激活內(nèi)部的上拉電阻。P0 口在閃爍編程時(shí)，P0 口接收指令，在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令，需要接電阻。P1 口：P1 口一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)4 個(gè) TTL

14、 電路。對(duì)端口寫(xiě)“1” ，通過(guò)內(nèi)部的電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作為輸入口。因?yàn)閮?nèi)部有電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)輸出一個(gè)電流。閃爍編程時(shí)和程序校驗(yàn)時(shí)，P1 口接收低 8 位地址。P2 口：P2 口是一個(gè)內(nèi)部帶有上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 的輸出緩沖西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）第 8 頁(yè) 共 20 頁(yè)級(jí)可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 電路。對(duì)端口寫(xiě)“1” ，通過(guò)內(nèi)部的電阻把端口拉到高電平，此時(shí)，可作為輸入口。因?yàn)閮?nèi)部有電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。在訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。在訪(fǎng)問(wèn) 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

15、器時(shí)，P2 口線(xiàn)上的內(nèi)容在整個(gè)運(yùn)行期間不變。閃爍編程或校驗(yàn)時(shí)，P2 口接收高位地址和其它控制信號(hào)。P3 口：P3 口是一組帶有內(nèi)部電阻的 8 位雙向 I/O 口，P3 口輸出緩沖故可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 電路。對(duì) P3 口寫(xiě)如“1”時(shí)，它們被內(nèi)部電阻拉到高電平并可作為輸入端時(shí)，被外部拉低的 P3 口將用電阻輸出電流。P3 口除了作為一般的 I/O 口外，更重要的用途是它的第二功能，如下表 3.7所示： 表 2.3 AT89C51 各部分引腳的作用端口引腳第二功能P3.0RXDP3.1TXDP3.2INT0P3.3INT1P3.4T0P3.5T1P3.6WRP3.7RDP3 口還接收一些用于閃爍

16、存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)震蕩器工作時(shí)，RET 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG：當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE 輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。即使不訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ALE 以時(shí)鐘震蕩頻率的 1/16 輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖時(shí)，閃爍存儲(chǔ)器編程時(shí)，這個(gè)引腳還用于輸入編程脈沖。如果必要，可對(duì)特殊寄存器區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）第 9 頁(yè) 共 20 頁(yè)禁止 ALE 操作。這個(gè)位置后只有一條

17、MOVX 和 MOVC 指令 ALE 才會(huì)被應(yīng)用。此外，這個(gè)引腳會(huì)微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置 ALE 無(wú)效。PSEN：程序儲(chǔ)存允許輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng) AT89C51 由外部程序存儲(chǔ)器讀取指令時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 PSEN 信號(hào)不出現(xiàn)。EA/VPP：外部訪(fǎng)問(wèn)允許。欲使中央處理器僅訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器，EA 端必須保持低電平。需要注意的是：如果加密位 LBI 被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存 EA 端狀態(tài)。如 EA 端為高電平，CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。閃爍存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12

18、V 的編程允許電壓 VPP，當(dāng)然這必須是該器件是使用 12V編程電壓 VPP。XTAL1：震蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：震蕩器反相放大器的輸出端。振蕩器特性: 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。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2 應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）第 10 頁(yè) 共 20 頁(yè)3 硬件電路設(shè)計(jì)3.1 氣體檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì) 圖 3.1 傳感器工作原理圖

19、（1）氣體檢測(cè)模塊電路由于 Protues 軟件元件庫(kù)中沒(méi)有 MQ-2 氣體傳感器，由于 MQ-2 氣體傳感器兩信號(hào)輸出端為電阻信號(hào)，當(dāng)沒(méi)有煤氣、天然氣泄漏時(shí)，Rs 的阻值應(yīng)該在20K 左右，此時(shí)該氣體檢測(cè)模塊的輸出端為高電平，此時(shí) LED 發(fā)光。當(dāng)有煤氣、天然氣泄漏時(shí)，Rs 的阻值應(yīng)該在 2K 左右，此時(shí)該氣體檢測(cè)模塊的輸出端為低電平，此時(shí) LED 熄滅。 D21N400120KRV3+_562KR1210KR1420KRV1100KR1310KR1D31N4001Q2NPN3KR151000uC48U4:ALM358圖 3.2 氣體檢測(cè)模塊原理圖 敏感元件 傳感元件 信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換 輔助電

20、源西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）第 11 頁(yè) 共 20 頁(yè) （2）氣體檢測(cè)模塊調(diào)試按照電路圖在面板上搭接氣體檢測(cè)模塊電路，該模塊輸出通過(guò) 100K 限流電阻接 LED 正端，該 LED 負(fù)責(zé)拼接接地。當(dāng) MQ-2 傳感器端不加氣體時(shí)，此時(shí) LED 點(diǎn)亮，說(shuō)明此時(shí)輸出為高電平；當(dāng) MQ-2 傳感器端加氣體時(shí)，此時(shí) LED熄滅，說(shuō)明此時(shí)輸出為低電平。剛上電時(shí)就在 MQ-2 端加氣體，此時(shí) LED 不熄滅，原因是 RC 延時(shí)電路起作用，防止誤報(bào)現(xiàn)象的發(fā)生；在 1min 左右之后，在MQ-2 傳感器端加氣體，此時(shí) LED 熄滅，開(kāi)機(jī)延遲時(shí)間約為 1min，該調(diào)試結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。3.2 單片機(jī)模塊的

21、設(shè)計(jì)單片機(jī)模塊，完成功能是與各個(gè)功能模塊連接，并通過(guò)軟件編程控制各個(gè)功能模塊，完成煤氣、天然氣檢測(cè)報(bào)警及溫度顯示功能。P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427P2.7/A1528P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL1

22、19XTAL218RST9PSEN29ALE30EA31P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78U1AT89C5130pC112X1振振30pC222uC31KR2OUT1OUT2OUT3A0A1A2A3A4A5A6A7B1B2B3B4圖 3.3 主控制模塊原理圖西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）第 12 頁(yè) 共 20 頁(yè)3.3 聲光報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)光報(bào)警電路圖如圖所示。單片機(jī) AT89C51 的 1 腳(P1.0)控制輸出的狀態(tài)指示燈。紅燈不亮表示正常狀態(tài)，環(huán)境中可燃?xì)怏w濃度極低。紅燈閃亮表示環(huán)境中可燃煙霧濃度超過(guò)報(bào)警限值，提醒用戶(hù)盡快采取相應(yīng)安全措施。當(dāng)

23、煙霧濃度超過(guò)報(bào)警限，報(bào)警器發(fā)出鳴叫，用戶(hù)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，可進(jìn)行操作停止報(bào)警器鳴叫。若過(guò)一點(diǎn)時(shí)間濃度仍超出報(bào)警限，報(bào)警器會(huì)再次鳴叫提醒用戶(hù)。由前面的我們提到在 protues 中沒(méi)有氣敏傳感器的元器件，故在此次的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中我們采用的是阻值范圍在 220k 歐的電阻進(jìn)行替代，當(dāng)沒(méi)有煤氣，天然氣泄漏時(shí)，此時(shí)的電阻值應(yīng)該在 20k 歐，此時(shí)檢測(cè)出模塊的輸出端為高電平，此時(shí)的 LED 發(fā)光。 當(dāng)有煤氣，天然氣泄漏時(shí)，此時(shí)的阻值應(yīng)該在 2k 歐，此時(shí)應(yīng)該檢測(cè)出模塊的輸出端為低電平，此時(shí)的 LED 燈熄滅。3.3.1 聲光報(bào)警電路如圖所示，OUT3 與單片機(jī) P1.3 引腳相接，當(dāng)檢測(cè)到有煤氣、天然氣泄漏時(shí)通過(guò)單

24、片機(jī)編程控制 P1.3 輸出方波信號(hào)，此時(shí) LED D1 閃爍，并且蜂鳴器以相同的頻率發(fā)出聲音，產(chǎn)生霞光報(bào)警信號(hào)，提醒用戶(hù)煤氣、天然氣泄漏，采取相應(yīng)的措施。Q6NPNLED1LED_YELLOW100R242KR11LS?Buzzer100R25D11N4001西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）第 13 頁(yè) 共 20 頁(yè) 圖 3.4 聲光報(bào)警原理圖3.3.2 聲光報(bào)警模塊的調(diào)試聲音報(bào)警電路圖如圖所示。報(bào)警裝置采用蜂鳴器較一般的蜂鳴器體積大，聲音響亮，適用于家用燃?xì)鈭?bào)警器的報(bào)警聲音源。當(dāng)單片機(jī) AT89C51 的 8 腳(P3.7)置 1 時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警。燈光報(bào)警由于在 PROTUES

25、 中無(wú)法進(jìn)行聲音的仿真，所以此次的設(shè)計(jì)我們采用LED 二極管進(jìn)行顯示。 當(dāng)無(wú)煤氣，天然氣泄漏的時(shí)候此時(shí)的 LED 即 P1.3 為高電平 5V，此時(shí)的 LED 管不發(fā)光。當(dāng)有煤氣，天然氣泄漏的時(shí)候此時(shí)的 LED 為低電平 0V，通過(guò)模擬示波器我們可以得到的是 LED 管腳輸出為方波波形，此時(shí)的 LED 每 2S 亮滅一次。將編輯好的程序通過(guò)單片機(jī)下載器下載到單片機(jī)中，將單片機(jī)插入面包板，20 腳、40 腳分別接地和 5V 電源。蜂鳴器與 LED 串聯(lián)，負(fù)端接到 P1.3 口，正端接 5V 電源。當(dāng) P1.1 口接 5V 電源時(shí)，LED 熄滅，蜂鳴器不報(bào)警；當(dāng) P1.1 口接地時(shí)，LED 閃爍，

26、同時(shí)蜂鳴器以相同頻率發(fā)聲報(bào)警。此時(shí)用示波器測(cè)得 P1.3口波形為周期為 1.2s 的方波信號(hào)，與理論值之間存在一定的誤差。設(shè)計(jì)中對(duì)方波信號(hào)的要求不是很高，因?yàn)榉讲ㄐ盘?hào)的周期只影響報(bào)警的頻率，并不影響報(bào)警功能，因此不需要對(duì)其進(jìn)行修改。西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）第 14 頁(yè) 共 20 頁(yè)4 程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)可以用匯編語(yǔ)言編程序，也可以用匯編語(yǔ)言編程序。主要編程序來(lái)控制定時(shí)、計(jì)時(shí)中斷、和輸出等。匯編語(yǔ)言的特點(diǎn)1機(jī)器相關(guān)性。這是一種面向機(jī)器的低級(jí)語(yǔ)言，通常是為特定的計(jì)算機(jī)或系列計(jì)算機(jī)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的。因?yàn)槭菣C(jī)器指令的符號(hào)化表示，故不同的機(jī)器就有不同的匯編語(yǔ)言。使用匯編語(yǔ)言能面向機(jī)器并較好地發(fā)揮機(jī)器的特性

27、，得到質(zhì)量較高的程序。2高速度和高效率 。匯編語(yǔ)言保持了機(jī)器語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)，具有直接和簡(jiǎn)捷的特點(diǎn)，可有效地訪(fǎng)問(wèn)、控制計(jì)算機(jī)的各種硬件設(shè)備， 如存儲(chǔ)器、CPU、I/O 端口等，且占用內(nèi)存少，執(zhí)行速度快，是高效的 。3編寫(xiě)和調(diào)試的復(fù)雜性。由于是直接控制硬件，且簡(jiǎn)單的任務(wù)也需要很多匯編語(yǔ)言語(yǔ)句，因此在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)必須面面俱到，需要考慮到一切可能的問(wèn)題，合理調(diào)配和使用各種軟、硬件資源。這樣，就不可避免地加重了程序員的負(fù)擔(dān)。與此相同，在程序調(diào)試時(shí)，一旦程序的運(yùn)行出了問(wèn)題，就很難發(fā)現(xiàn)。軟件部分是用來(lái)配合硬件電路，控制后面電路的響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)預(yù)定功能。其主要由兩部分功能組成：一部分是是對(duì)傳感器接受到的信號(hào)進(jìn)

28、行處理：另一部分是實(shí)行中斷處 理，控制設(shè)置報(bào)警模塊。兩部分信號(hào)的處理都是釆用査詢(xún)方式。本系統(tǒng)釆用網(wǎng)路巡回檢測(cè)， 輪換選擇 4 個(gè)傳感器工作，并且在顯示器上輪流顯示工作傳感器所檢測(cè)到的濃度值。當(dāng)檢 測(cè)到的濃度小于設(shè)定值時(shí)，等待定時(shí)器中斷：當(dāng)檢測(cè)到的濃度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，執(zhí)行中斷程 序進(jìn)行報(bào)警處理，顯示濃度。4.1 主函數(shù)程序設(shè)計(jì)：程序開(kāi)始，定時(shí)器初始化，檢測(cè)空氣中天然氣的濃度是否達(dá)到報(bào)警值，如西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）第 15 頁(yè) 共 20 頁(yè)果達(dá)到報(bào)警值，調(diào)用報(bào)警子程序，報(bào)警。如果沒(méi)有達(dá)到報(bào)警值，則 LED 置 1，處于熄滅狀態(tài)，返回檢測(cè)，重新循環(huán)。開(kāi)始定時(shí)器初始化是否達(dá)到報(bào)警值關(guān)中斷LED

29、 置 1調(diào)用報(bào)警程序NY圖 4-1 主程序流程圖讀取溫度值西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）第 16 頁(yè) 共 20 頁(yè)5 結(jié)論氣體檢測(cè)報(bào)警器可保障生產(chǎn)與生活的安全，避免火災(zāi)和爆炸事故以及煤氣中毒的發(fā)生，它是防火、防爆和安全生產(chǎn)所必備的儀器，具有廣闊的市場(chǎng)空間與發(fā)展前景。 本論文在對(duì)氣體傳感器和報(bào)警技術(shù)進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，全面比較國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)，合理地確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。并對(duì)儀器的整體設(shè)計(jì)和各個(gè)組成部分進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)。 本論文設(shè)計(jì)的氣體報(bào)警器由氣體信號(hào)采集電路與單片機(jī)控制電路兩大部分構(gòu)成。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求、使用環(huán)境、成本等因素，選用 MQ-2 型半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器。該傳感器是

30、對(duì)以烷類(lèi)氣體為主的多種氣體有良好敏感特性的廣譜型半導(dǎo)體敏感器件。它的靈敏度適中，具有響應(yīng)與恢復(fù)特性好，長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性、重現(xiàn)性、不易受環(huán)境影響及抗溫濕度影響等優(yōu)點(diǎn)。 在系統(tǒng)單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)上，采用了 AT89C51 單片機(jī)作為核心芯片，充分利用了其高速數(shù)據(jù)處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)，實(shí)現(xiàn)了儀器的小型化和智能化。使儀器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。由于氣體傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反應(yīng)越快，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間就越快。為提高響應(yīng)時(shí)間，保證傳感器準(zhǔn)確地、穩(wěn)定地工作，需要向氣體傳感器持續(xù)供給 5V 的加熱電壓。 氣體報(bào)警器能實(shí)時(shí)范圍檢測(cè)工作，當(dāng)煙霧的濃度達(dá)到設(shè)定的濃度時(shí)，發(fā)

31、出聲光報(bào)警。報(bào)警器還可以與上位機(jī)(PC)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)傳輸煙霧濃度檢測(cè)數(shù)據(jù)，由上位機(jī)記錄保存，也可以利用上位機(jī)完成實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制等功能。 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）第 17 頁(yè) 共 20 頁(yè)6附錄主程序：ORG 0000HAJMP MAINORG 0003HLJMP RDORG 000BHLJMP TIMOORG 0023HLJMP SOUTORG 0100HMAIN : MOV SP,#50HCLR P1,6CLR P1,5CLR P1,7MOV 29H,#00HMOV 28H,#00HMOV 21H,#00HMOV 22H,#64HMOV 23H,#0A0HSJMP KEYSETB IT0SETB EX0SETB ET0SETB ESSETB EA