煤氣報警裝置

1、西南科技大學(xué)高等教育自學(xué)考試畢業(yè)論文煤氣報警裝置摘要：煤氣已成為人們生活中必不可少的能源之一，但是煤氣泄漏事故時有生，給人們家庭生活造成很多隱患，如何防止煤氣中毒和爆炸事故的發(fā)生已成為人們迫切需要解決的問題。目前市場上家庭煤氣報警器種類繁多。本設(shè)計是設(shè)計一款家庭煤氣泄漏報警裝置。該裝置將煤氣泄漏程度分為正常、少量、超標(biāo)和危險四個等級，根據(jù)煤氣泄漏的等級自動做出相應(yīng)的處理，經(jīng)過單片機的A/D轉(zhuǎn)換進行數(shù)據(jù)處理，提高檢測精度和可靠性。采取模塊化的設(shè)計思想，該裝置主要劃分為五個部分：煤氣泄漏檢測部分、報警部分、電源部分、人機接口和主控制芯片。針對以上五個部分，本文將詳細(xì)闡述各部分的軟硬件設(shè)計，核心芯片

2、的原理和外圍電路，芯片與芯片之間的連接電路以及程序設(shè)計方法。 本文在最后對整個設(shè)計作出總結(jié)，說明優(yōu)缺點并提出不足之處。關(guān)鍵詞：煤氣泄漏；檢測；報警；MSP430F149單片機西南科技大學(xué)高等教育自學(xué)考試畢業(yè)論文The gas alarm deviceAbstract：Gas has become one of indispensable energy in people's life, but the gas leakage accident to happen from time to tome, have caused people to family life, a lot of

3、 hidden trouble, how to prevent gas poisoning and explosion accidents have become a people is an urgent need to solve the problem. There are many different kinds of household gas alarm on the market at present. This design is to design a household gas leak detection alarm device. The device's ex

4、tent of gas leak can be divided into normal, A small, overweight and dangerous four grades, automatically according to the level of leaking gas makes the corresponding processing, through single chip A/D conversion for data processing, improve the detection accuracy and reliability.Adopt modular des

5、ign thought, the device is mainly divided into five parts: part gas leak detection, alarm, power part, man-machine interface and the main control chip. In view of the above five parts, this paper will detail hardware and software design of each part, the principle of core chips and peripheral circui

6、t, the connection between the chip and chip circuit and program design method.In the final summary of the whole design, this paper shows the advantages and disadvantages and shortcomings are put forward.Key words: gas leakage, detection, alarm , MSP430F149 MCU西南科技大學(xué)高等教育自學(xué)考試畢業(yè)論文 目錄第一章 前言11.1研究的背景和歷史意

7、義11.2 國內(nèi)外研究動態(tài)和現(xiàn)存問題以及研究目標(biāo)11.2.1 國內(nèi)外研究動態(tài)和現(xiàn)存問題11.2.2 研究目標(biāo)31.3 本課題的主要研究內(nèi)容3第二章 煤氣傳感器MQ-7的技術(shù)指標(biāo)的介紹42.1煤氣檢測元件42.1.1 MQ-7氣體傳感器的特點42.1.2 MQ-7氣體傳感器的應(yīng)用42.1.3 MQ-7氣體傳感器的技術(shù)指標(biāo)42.1.4 MQ-7氣體傳感器基本測試電路52.1.5 MQ-7氣體傳感器靈敏度特性62.1.6 MQ-7氣體傳感器溫/濕度的影響62.2 MQ-7傳感器模塊72.2.1 MQ-7傳感器模塊實物72.2.2 MQ-7傳感器模塊接口82.2.3 MQ-7傳感器使用說明82.3 本

8、章小結(jié)8第三章 家庭煤氣報警裝置的總體設(shè)計93.1 家庭煤氣泄漏報警裝置的主原理框圖介紹93.2 家庭煤氣泄漏報警裝置的功能及工作過程103.2.1 家庭煤氣泄漏檢測報警裝置特點和功能103.2.2 家庭煤氣泄漏檢測報警裝置的基本工作過程103.3 氣體傳感器選型103.3.1 氣體傳感器種類113.3.2 傳感器選定123.4 本章小結(jié)12第四章 家庭煤氣報警裝置各功能子模塊設(shè)計134.1 煤氣泄漏檢測部分134.1.1 報警值的設(shè)定134.2輸出控制部分144.3 主控制芯片154.3.1 芯片MSP430F149簡介154.3.1.1規(guī)格：154.3.1.2特點：154.3.2 MSP4

9、30F14單片機外圍電路16西南科技大學(xué)高等教育自學(xué)考試畢業(yè)論文4.3.2.1外圍電路說明：164.4供電電路174.5 人機接口電路184.6 溫度檢測電路184.6.1 DS18B20溫度轉(zhuǎn)換器件簡介184.6.2 DS18B20溫度轉(zhuǎn)換器的引腳定義194.6.3 DS18B20溫度轉(zhuǎn)換電路19第五章 家庭煤氣報警裝置的軟件設(shè)計215.1 編程工具語言工具215.2 主程序的設(shè)計215.2.1 主系統(tǒng)初始化程序225.2.2 DS18B20初始化程序235.2.3 12864液晶顯示初始化程序29第六章 煤氣報警裝置的硬件制作和調(diào)試356.1 家庭煤氣報警裝置的硬件制作356.1.1電路板

10、制作注意事項：356.1.1.1安裝步驟366.1.1.2錫焊要求366.1.1.3故障排除366.2 家庭煤氣報警裝置的軟件調(diào)試366.3 家庭煤氣報警裝置的硬件調(diào)試376.4 家庭煤氣報警裝置安裝注意事項37第七章 結(jié)論387.1 工作小結(jié)38致謝39參考文獻(xiàn)40附錄一（總原理圖）41附錄二（調(diào)試、測試圖）42西南科技大學(xué)高等教育自學(xué)考試畢業(yè)論文第一章 前言 1.1研究的背景和歷史意義隨著人們生活水平的提高和科學(xué)技術(shù)的進步，傳統(tǒng)的鉆木取火已經(jīng)被取代，煤氣和液化石油氣已經(jīng)成為我國城鎮(zhèn)居民的主要燃料之一?，F(xiàn)如今，煤氣在公寓、賓館、住宅小區(qū)廣泛使用，在煤氣給人們生活帶來了極大方便的同時，由于人們

11、操作不當(dāng)和設(shè)備老化等各種原因引起的煤氣泄露事故嚴(yán)重地威脅著人們的生命財產(chǎn)安全。城市管道煤氣主要成分為一氧化碳（無色無味有毒，分子式CO，分子量28）是一種可燃性氣體，當(dāng)泄漏濃度超過爆炸下限時，如果撥打電話或使用家用電器，煤氣遇到電火花可能發(fā)生火災(zāi)甚至爆炸事故。人體暴露在濃度為25×106的一氧化碳中即會有中毒的危險，一氧化碳中毒的后果很嚴(yán)重，輕則頭暈、頭痛耳鳴眼花、四肢無力；重則者惡心、嘔吐、煩悶，并且神經(jīng)受到麻痹而不動彈；更甚者昏迷、驚厥、大小便失常、呼吸困難等，當(dāng)血液中一氧化碳血紅蛋白的濃度達(dá)到70%80%時，人就會迅速死亡。近年來，煤氣泄漏造成的事故真是讓人談虎色變，煤氣燃燒后

12、所產(chǎn)生的一氧化碳?xì)怏w是致人死亡的罪魁禍?zhǔn)?。?jù)統(tǒng)計，在過去的10年間，每年由煤氣泄漏所引發(fā)的火災(zāi)事故呈逐年上升的趨勢。2006年我國因發(fā)生一氧化碳中毒事件，造成至少3850人中毒，142人死亡。2009年1月11日，南京一家庭因熱水器煤氣泄漏，家中5口同時中毒死亡。2010年7月29日，南京因煤氣事故泄漏發(fā)生火災(zāi)，事發(fā)地方圓100米內(nèi)的房屋全部倒塌，造成2人死亡，200多人受傷。一旦發(fā)生煤氣泄漏的時候，及時可靠地探測煤氣泄漏的情況，并采取有效措施進行補救，使用正確的處置方法，減少泄漏引發(fā)的事故，是避免造成重大財產(chǎn)和人員傷亡的必要條件。 據(jù)統(tǒng)計，日本在1970年一共發(fā)生大約800起煤氣泄漏引起的事

13、故，隨著家用煤氣泄漏報警器的研制、開發(fā)和銷售迅速地發(fā)展，1998年由煤氣泄漏引起的事故僅75起。相關(guān)部門長期測試得出結(jié)論，燃?xì)鈭缶魇欠乐姑簹庵卸竞捅ㄊ鹿拾l(fā)生有力武器，因此正確安裝使用家庭煤氣報警裝置對預(yù)防煤氣泄漏引起的事故起到重大作用。鑒于以上所述，設(shè)計一款家庭型煤氣泄漏報警裝置，是很有必要的。它具有完整的檢測電路、報警電路以及自動處理設(shè)備。該裝置對提高家庭煤氣使用的安全可靠性，具有重大意義。1.2 國內(nèi)外研究動態(tài)和現(xiàn)存問題以及研究目標(biāo) 1.2.1 國內(nèi)外研究動態(tài)和現(xiàn)存問題 煤氣報警控制器在國外已成為一種相當(dāng)成熟的產(chǎn)品，歷史上最早發(fā)明煤氣報警器的國家是日本，現(xiàn)有50多年的歷史。無論是在氣敏

14、元件上的研制，還是在煤氣報警器的檢測性能上，日本都走在國際的前端。由于日本政府和生產(chǎn)企業(yè)大力推廣煤氣泄漏報警器的使用，當(dāng)?shù)孛簹庑孤┖捅ㄊ鹿事蔬h(yuǎn)遠(yuǎn)低于歐美等發(fā)達(dá)國家。家庭應(yīng)用方面，早在1980年1月日本就制定出了公寓、賓館和住宅小區(qū)必須安裝煤氣、液化石油氣泄漏報警器的法規(guī)，1986年5月又確定了安全器具普及和促進的基本方針。美國目前也在16個州立法，規(guī)定家庭和公寓都要安裝煤氣泄漏報警器。 我國最早在70年代初期開始對于濕敏、溫度、紅外等各類傳感器研究，并取得了很大的成就，對煤氣報警器及其相應(yīng)的氣敏傳感器的研究近十年才開始。目前我國煤氣泄漏報警器的型號多樣、品種較齊全，產(chǎn)品數(shù)量也在不斷增加。近年

15、來，在氣體選擇和產(chǎn)品穩(wěn)定性上也有很大進步。但是主要是基于引進國外的先進的傳感技術(shù)和生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，進行研究與開發(fā)的，無法形成自己的特色。煤氣報警器按運用場合主要可分為兩類：工業(yè)用煤氣報警器和家用煤氣報警器。工業(yè)用煤氣報警器又可分為固定式和便攜式，固定式煤氣報警器由探測器和控制器兩部分大組成，主要用于鍋爐房、汽車加氣站和液化氣站等工業(yè)場所；便攜式煤氣報警器又叫檢漏儀，它體積小、便于手持或隨身攜帶，主要用于煤氣管理者巡線和查漏。家用煤氣泄漏報警器是一種適合家庭使用的小型燃?xì)獍踩婪懂a(chǎn)品，主要是安裝在廚房，用于煤氣泄漏檢測，它的發(fā)展與微電子技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，主要可分為三代： 第一代主要由純分離元器

16、件組成，特點是電路組成復(fù)雜，功能單一，可靠性較差，體積較大。 第二代主要由集成芯片和分離元器件組成，特點是電路組成比較復(fù)雜，但可以實現(xiàn)多種功能，可靠性比第一代高。 第三代以單片機為核心，外加其它典型外圍集成芯片和分離元器件，特點是電路組成比較復(fù)雜，但功能齊全、可靠性高、具備一定的智能化功能。 現(xiàn)在市場上主要以第三代為主，前兩代由于功能單一的原因已經(jīng)基本上被淘汰。第三代煤氣報警器可分為兩類，一類是運用于單個家庭應(yīng)用的獨立報警器，另一類運用于小區(qū)聯(lián)防報警的聯(lián)網(wǎng)報警系統(tǒng)。這兩類雖然已經(jīng)是相當(dāng)成熟的產(chǎn)品，但仍存在一些問題： （1）報警器的誤報率高，不能準(zhǔn)確的檢測煤氣泄露情況。報警系統(tǒng)誤報、漏報現(xiàn)象也是

17、目前家庭煤氣報警器行業(yè)主要存在的問題，主要原因是檢測氣體傳感器的靈敏度、準(zhǔn)確性不夠，因此選擇一款合適的氣體傳感器對報警器至關(guān)重要。 （2）缺少氣敏傳感器的自檢裝置。目前市場上很多煤氣泄漏報警器不具有氣敏傳感器的自檢裝置，氣敏傳感器損壞，仍然繼續(xù)使用，造成誤報。 （3）對泄漏的煤氣處理方式單一、可靠性差。目前的家庭煤氣泄漏報警裝置對煤氣處理的功能比較單一，有的只有報警并沒有處理措施；有的只有自動開啟排風(fēng)扇；有的只能自動關(guān)閉煤氣閥門等方式。對于煤氣泄漏，如果用戶無法處理泄漏事故：如室內(nèi)無人；或是室內(nèi)的人由于中毒暈倒；亦或是維修人員到達(dá)出事地點還需要一段時間，不能得到及時有效的處理，這些都是非常危險

18、的。 （4）小區(qū)聯(lián)網(wǎng)報警系統(tǒng)雖技術(shù)先進，但價格昂貴并且須要設(shè)專用機房和專人管理，因此應(yīng)用范圍有局限，只能適用于那些物業(yè)管理水準(zhǔn)較高的住宅區(qū)或單位。 （5）報警方式上不能及時通知戶主。當(dāng)戶主不在家時，難以通知戶主家里煤氣泄漏而避免嚴(yán)重事故發(fā)生。 （6）電磁閥門安裝拆動較為麻煩。有的產(chǎn)品是利用煤氣管道專用電磁閥控制氣源，其安裝需要拆動原管路并報請煤氣公司，煤氣公司派專人進行處理，十分麻煩，因此也難為廣大用戶所用。 1.2.2 研究目標(biāo) 由于考慮制作成本，設(shè)計一款對家用有毒有害氣體泄漏能夠進行自動檢測的報警裝置，它具有完整的檢測電路、報警電路、顯示電路。該裝置把煤氣泄漏程度分為四個等級（分別為正常、

19、少量、超標(biāo)和危險），能夠?qū)γ簹庑孤┑牡燃夁M行準(zhǔn)確判斷，并做出相應(yīng)處理（如煤氣泄露時，蜂鳴器報警），并把煤氣泄漏程度的等級顯示在12864液晶顯示屏上。1.3 本課題的主要研究內(nèi)容 本設(shè)計主要內(nèi)容是設(shè)計一款家庭煤氣泄漏報警裝置。本課題的研究內(nèi)容主要分為以下幾個方面： （1）分析家庭煤氣泄漏報警器的發(fā)展現(xiàn)狀及動態(tài)，找出目前市場上家庭煤氣泄漏報警器存在的問題，根據(jù)問題設(shè)計一款家庭煤氣泄漏報警裝置，價格要便宜，功能要實用。 （2）對課題提出家庭煤氣泄漏報警的設(shè)計方案。 （3）介紹家庭煤氣泄漏報警的硬件電路和軟件設(shè)計原理。 第二章 煤氣傳感器MQ-7的技術(shù)指標(biāo)的介紹2.1煤氣檢測元件氣體傳感器MQ-7所

20、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)。采用高低溫循環(huán)檢測方式低溫（1.5V加熱）檢測一氧化碳，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度增加而增大，高溫（5.0V加熱）清洗低溫時吸附的雜散氣體。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化，轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。 氣體傳感器MQ-7對一氧化碳的靈敏度高，這種傳感器可檢測多種含一氧化碳的氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。2.1.1 MQ-7氣體傳感器的特點1.對一氧化碳?xì)怏w有良好的靈敏度 2.長壽命、低成本3.簡單的驅(qū)動電路即可2.1.2 MQ-7氣體傳感器的應(yīng)用1.家庭用氣體泄露報警器2.工業(yè)用一

21、氧化碳?xì)怏w報警器3.便攜式氣體檢測器2.1.3 MQ-7氣體傳感器的技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)如下圖產(chǎn)品型號MQ-7產(chǎn)品類型半導(dǎo)體氣敏元件標(biāo)準(zhǔn)封裝塑封標(biāo)準(zhǔn)封裝一氧化碳檢測濃度10-1000ppmCO標(biāo)準(zhǔn)電路條件回路電壓Vc10V  DC加熱電壓VH5.0V±0.2V ACorDC（高） 1.5V±0.1V ACorDC（低）加熱時間TL60±1S（高）90±1S（低）加熱時間RL可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)測試條件下元件特性加熱電阻RH31±3（室溫）加熱功耗PH350mW 敏感體表面電阻Rs2K-20K(in10

22、0ppmCO)靈敏度SRs(in air)/Rs(100ppmCO)5濃度斜率0.6(R300ppm/R100ppm CO)標(biāo)準(zhǔn)測試條件溫度、濕度20±2；65%±5%RH標(biāo)準(zhǔn)測試電路Vc:5.0V±0.1V； VH（高）: 5.0V±0.1V； VH（低）: 1.5V±0.1V預(yù)熱時間不少于48小時敏感體功耗（Ps）值可用計算下式：Ps=Vc2×Rs/(Rs+RL)2傳感器電阻（Rs），可用下式計算： Rs=(Vc/VRL-1)×RL2.1.4 MQ-7

23、氣體傳感器基本測試電路上圖是傳感器的基本測試電路。該傳感器需要施加2個電壓：加熱器電壓（VH）和測試電壓（VC）。其中VH用于為傳感器提供特定的工作溫度。VC則是用于測定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻（RL）上的電壓（VRL）。這種傳感器具有輕微的極性，VC需用直流電源。在滿足傳感器電性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一個電源電路。為更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當(dāng)?shù)腞L值。2.1.5 MQ-7氣體傳感器靈敏度特性圖1是傳感器典型的靈敏度特性曲線。 圖中縱坐標(biāo)為傳感器的電阻比（Rs/Ro），橫坐標(biāo)為氣體濃度。Rs表示傳感器在不同濃度氣體中的電阻值，Ro表示傳感器在1000ppm

24、0;氫氣中的電阻值。圖中所有測試都是在標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下完成的。2.1.6 MQ-7氣體傳感器溫/濕度的影響圖2是傳感器典型的溫度、濕度特性曲線。 圖中縱坐標(biāo)是傳感器的電阻比（Rs/Ro）。Rs表示在含 100ppm一氧化碳、不同溫/濕度下傳感器的電阻值。Ro 表示在含100ppm一氧化碳、20/65%RH環(huán)境條件下傳感器的電阻值。2.2 MQ-7傳感器模塊2.2.1 MQ-7傳感器模塊實物2.2.2 MQ-7傳感器模塊接口1 VCC 5V工作電壓2 GND 外接GND3 DO 小板數(shù)字開關(guān)輸出接口（0和1）4 AO 小板模擬量輸出接口2.2.3 MQ-7傳感器使用說

25、明1. MQ-7傳感器模塊對環(huán)境CO氣體敏感。2.模塊在無CO氣體影響或者氣體濃度未超過設(shè)定閾值時，數(shù)字接口DO口輸出高電平，模擬接口A0電壓基本為0V左右，當(dāng)CO氣體影響超過設(shè)定閾值時，模塊數(shù)字接口D0輸出低電平，模擬接口A0輸出的電壓會隨著CO氣體的影響慢慢增大。3小板數(shù)字量輸出D0可以與單片機直接相連，通過單片機來檢測高低電平，由此來檢測環(huán)境CO濃度。4小板模擬量輸出A0可以與單片機A/D模塊直接相連，通過單片機控制A/D來檢測電壓的高低，由此來檢測環(huán)境CO濃度，這種方法能更加精確地檢測周圍的煤氣濃度的變化，本文設(shè)計就是采用這種方法來設(shè)計的。2.3 本章小結(jié) 本章詳細(xì)介紹了煤氣傳感器MQ

26、-7的技術(shù)指標(biāo)和使用方法，為后面的具體用法指明了方向。第三章 家庭煤氣報警裝置的總體設(shè)計3.1 家庭煤氣泄漏報警裝置的主原理框圖介紹 家庭煤氣泄漏報警裝置是一種新型的電子安全報警裝置，它將氣體探測、自動控制技術(shù)相合，從而實現(xiàn)煤氣泄漏報警功能。裝置總體構(gòu)成包括煤氣泄漏檢測部分、報警部分、電源部分、人機接口和主控制芯片這五個部分。家庭煤氣泄漏報警裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖 3.1 所示。12864液晶顯示模塊供電電源MSP430F149單片機蜂鳴器DS18B20溫度檢測MQ-7傳感器圖3.1家庭煤氣泄漏檢測報警裝置的主原理框圖介紹煤氣泄漏檢測報警裝置安裝在廚房，用于對居民住宅煤氣泄漏的濃度進行探測，并對從探

27、測器采集來的數(shù)據(jù)進行處理。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時，會根據(jù)煤氣泄漏的情況做出相應(yīng)的處理，煤氣濃度超標(biāo)時，蜂鳴器發(fā)出警報并在12864液晶顯示屏上顯示煤氣泄漏的等級。（1）煤氣泄漏檢測部分煤氣泄漏檢測部分由煤氣傳感器MQ-7檢測電路、傳感器處理電路組成。氣體傳感器負(fù)責(zé)煤氣濃度信號采集，將煤氣濃度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號供A/D檢測。（2）輸出控制部分 輸出控制部分主要是控制蜂鳴器，當(dāng)煤氣超標(biāo)時，蜂鳴器發(fā)出報警聲。 （3）人機接口電路用戶通過人機接口的顯示部分可以查看當(dāng)前空氣中煤氣含量的等級（正常、少量、超標(biāo)和危險）。（4）主控制芯片 主控制芯片采用TI公司的MSP430F149芯片，它是一種集成度高，功耗低，

28、功能強大的單片機，主要工作是接收氣體傳感器電路中傳來的信號，進行數(shù)據(jù)處理與分析，將溫度傳感器DS18B20的溫度進行處理。并將結(jié)果傳遞給人機接口的顯示部分，顯示當(dāng)前煤氣泄漏的等級及溫度。同時控制蜂鳴器發(fā)聲。3.2 家庭煤氣泄漏報警裝置的功能及工作過程 3.2.1 家庭煤氣泄漏檢測報警裝置特點和功能 （1）采用模塊化設(shè)計，電路設(shè)計簡單，可靠性較高。 （2）該裝置把煤氣泄漏程度分為四個等級，分別為正常、少量、超標(biāo)和危險。對煤氣泄漏的不同等級具有不同的處理功能。（3）單片機能夠快速、準(zhǔn)確地通過傳感器檢測到現(xiàn)場的異常情況，經(jīng)確認(rèn)后及時控制蜂鳴器發(fā)出警報，并將等級結(jié)果顯示在12864液晶屏上。3.2.2

29、 家庭煤氣泄漏檢測報警裝置的基本工作過程煤氣泄漏檢測報警裝置大致工作如下：該裝置通過傳感器探頭對現(xiàn)場進行探測，當(dāng)有煤氣泄漏時，傳感器將探測到的煤氣濃度轉(zhuǎn)換為電壓信號，MSP430F149單片機通過內(nèi)部A/D檢測模塊檢測采集回來的電壓，并控制報警模塊和12864液晶顯示模塊進行工作。3.3 氣體傳感器選型 家庭煤氣報警裝置的核心是氣體傳感器，俗稱“電子鼻”。氣體傳感器是一個氣到電的變換器，它的作用是把待測氣體在空氣中的含量（即濃度）變成電信號。對于煤氣泄漏檢測報警裝置的實現(xiàn)，氣敏傳感器的選擇是相當(dāng)重要的，是家庭煤氣報警裝置的重要組成部分之一，其性能對于家庭煤氣報警裝置的精確度和實現(xiàn)范圍都有相當(dāng)大

30、的影響。氣敏傳感器的選擇體現(xiàn)煤氣監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展方向。3.3.1 氣體傳感器種類 由于氣體的性質(zhì)各不相同，所以不可能用一種氣體傳感器檢測所有的氣體。目前應(yīng)用最廣泛的主要有半導(dǎo)體式氣體傳感器、紅外吸收式氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器、電化學(xué)式氣體傳感器和固體電解質(zhì)氣體傳感器。半導(dǎo)體式氣體傳感器：主要以半導(dǎo)體氧化物為敏感材料，是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致氣體傳感器的阻值變化的原理制成的。按照半導(dǎo)體氣體傳感器的物理特性可分為電阻型和非電阻型兩大類，其中電阻型氣體傳感器是通過檢測傳感器的電阻隨氣體濃度的變化而工作的，非電阻型氣體傳感器是應(yīng)用傳感器的電流或者電壓隨氣體濃度的變化而工作的。這

31、類傳感器已經(jīng)成為當(dāng)今世界上產(chǎn)量最多，且最具有實用價值的氣體傳感器之一。其特點是探測的氣體范圍廣，可以對爆炸性氣體、可燃性氣體、有毒氣體、工業(yè)氣體、環(huán)境氣體等進行檢測，靈敏度高，響應(yīng)速度快，壽命長，成本低廉, 制造簡單，對濕度敏感度低。紅外吸收式氣體傳感器：紅外吸收式氣敏傳感器是根據(jù)不同氣體的紅外吸收峰不同，通過測量和分析紅外吸收峰來檢測氣體。當(dāng)紅外光通過待測氣體時，這些氣體分子對特定波長的紅外光有吸收，其吸收關(guān)系服從朗伯比爾(LambertBeer)吸收定律，通過光強的變化測出氣體的濃度： I= Io exp(m LC+L+) (3-1）式中，Io、I 分別是輸入輸出光強; m摩爾分子吸收系數(shù)

32、；L光和氣體的作用長度；C氣體濃度；米氏散射系數(shù)；瑞利散射系數(shù)； 氣體密度波動造成的吸收系數(shù)。這類傳感器靈敏度高，誤報率低，選擇性好，可靠性高，響應(yīng)速度快，但成本高，裝置復(fù)雜，操作過程歷時長。接觸燃燒式氣敏傳感器：在通電狀態(tài)下，氣敏材料的溫度約為300600，當(dāng)有可燃性氣體在傳感器表面接觸燃燒時，燃燒熱進一步使電熱絲的溫度升高，從而引起傳感器電阻值發(fā)生變化，通過測量電阻變化來測量氣體濃度。這類氣敏傳感器對氣體的選擇性、受溫度、濕度影響小，響應(yīng)快。但是它對低體積分?jǐn)?shù)可燃性氣體靈敏度低,敏感元件受到催化劑侵害后其特性銳減，電熱絲易斷。電化學(xué)式氣體傳感器：電化學(xué)傳感器通過與被測氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與氣

33、體濃度成正比的電信號來工作。電化學(xué)傳感器由工作電極和對比電極組成，并由一個薄電解層隔開。這類氣敏傳感器低體積分?jǐn)?shù)時氣體選擇性好，靈敏度高，體積小、重量輕，對氣體的反應(yīng)迅速并可連續(xù)探測，但需要定期填充電解液。固體電解質(zhì)氣體傳感器：這類傳感器的在市場上的銷量僅次于半導(dǎo)體氣敏傳感器，主要是采用固體電解質(zhì)作為氣敏元件的敏感材料，它介于半導(dǎo)體和電化學(xué)之間。其原理是氣敏材料在通過氣體時產(chǎn)生離子，從而形成電動勢，測量電動勢從而測量氣體濃度。這類傳感器電導(dǎo)率高、靈敏性和選擇性好，因而得到廣泛應(yīng)用，但這種傳感器的制造成本高，檢測氣體的范圍有限。3.3.2 傳感器選定 本設(shè)計采用半導(dǎo)體氣敏傳感器MQ-7，對一氧化

34、碳的高靈敏度、優(yōu)異的穩(wěn)定性、長壽命、大的電信號輸出、優(yōu)異的選擇性等特點（詳細(xì)介紹請看本文第二章）。3.4 本章小結(jié) 本章詳細(xì)介紹了家庭煤氣泄漏檢測報警裝置的總體設(shè)計方案，并對系統(tǒng)的各個功能模塊的主要功能進行簡單介紹，及整個裝置的工作過程。首先對目前市場上應(yīng)用最廣泛的幾種氣敏傳感器進行簡單介紹，而后介紹了本設(shè)計采用的傳感器MQ-7。第四章 家庭煤氣報警裝置各功能子模塊設(shè)計上一章給出了家庭煤氣泄漏報警裝置設(shè)計思路。本章內(nèi)容則詳細(xì)的從每一個功能模塊的硬件方面來介紹家庭煤氣泄漏檢測報警裝置。本章主要分為：煤氣泄漏檢測部分、輸出控制部分、主控制芯片、電源和人機接口部分等幾個部分。4.1 煤氣泄漏檢測部分

35、MQ-7是電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器，主要是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致傳感器的阻值變化制成的。由于本文所采用的傳感器是一體化傳感器，它的實物圖如下：其中：VCC供5V、GND接地、A0接單片機A/D采集模塊端口。4.1.1 報警值的設(shè)定報警值的設(shè)定：空氣中含有一氧化碳的濃度對人體的影響如表 4.1.1 所示，報警分為四級：正常：設(shè)定一氧化碳報警濃度為0100ppm；少量：設(shè)定一氧化碳報警濃度為200ppm； 超標(biāo)：設(shè)定一氧化碳報警濃度為800ppm； 危險：設(shè)定一氧化碳報警濃度為3200ppm；本系統(tǒng)可以通過圖上電位器來改變煤氣泄漏的報警值。表 4.1.1 一氧化碳的濃度對人體的影響

36、空氣中CO的濃度吸入時間和中毒癥狀200ppm2-3h前頭部輕度頭痛400ppm1-2h前頭痛惡心2.5-3h后頭痛800ppm45min頭暈眼花2h精神失常1600ppm20min頭暈、眼花2h死亡3200ppm5-10min頭暈、頭痛、眼花30min死亡6400ppm1-2h頭暈、頭痛、眼花 10-15min死亡12800ppm1-3min 死亡4.2輸出控制部分圖中的蜂鳴器采用壓電式（約需10mA驅(qū)動電流），在這里我們采用一個晶體三極管驅(qū)動。當(dāng)P67輸入為低電平“0”時，晶體三級管Q9導(dǎo)通，壓電蜂鳴器兩端獲得約+5V的電壓而鳴叫；當(dāng)OUT1輸入為高電平“1”時，三極管Q9截止，蜂鳴器停止

37、發(fā)聲。P67為MSP430F149單片機的一個引腳端口，BUZZER為5V電源。4.3 主控制芯片 家庭煤氣泄漏檢測報警裝置使用TI公司的芯片MSP430F149為主控器。它主要負(fù)責(zé)檢測氣體傳感器和DS18B20的數(shù)據(jù)處理，并控制液晶模塊顯示等功能。4.3.1 芯片MSP430F149簡介4.3.1.1規(guī)格：產(chǎn)品種類:微控制器(MCU)數(shù)據(jù)總線寬度: 16 bit系列: MSP430程序存儲器類型: Flash程序存儲器大小: 60 KB數(shù)據(jù) RAM 大小: 2 KB接口類型: SPI or UART or USART最大時鐘頻率: 8 MHz可編程輸入/輸出端數(shù)量: 48定時器數(shù)量: 2工作

38、電源電壓: 1.8V to 3.6V最大工作溫度: +85封裝 / 箱體: LQFP封裝: Tube最小工作溫度: -40片上 ADC: 8-chx12-bit4.3.1.2特點：（1）低電壓、超低功耗。工作電壓3.6V1.8V ，正常工作模式280A、1MHZ、2.2V，待機模式1.6A，RAM數(shù)據(jù)保存的掉電模式下0.1A。五級節(jié)電模式。（2）快速蘇醒，從待機模式下恢復(fù)工作，只需要不到6S時間。（3）16位精簡指令集MCU，命令周期125nS。（4）12位ADC，具有內(nèi)部參考電壓源，并且具有采樣、保持、自動掃描等功能。具有12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以得到很高的精度，并且省去了使用專門的模數(shù)轉(zhuǎn)換器給

39、設(shè)計電路板帶來的麻煩。（5）2個16位計數(shù)器。具有捕獲、門限功能。（6）具有片內(nèi)比較器。（7）支持ISP（在線系統(tǒng)編程），方便開發(fā)和項目升級。（8）支持序列號，熔絲位燒寫。方便簡單。（9）雙串口（10）支持超小型封裝：64P-QFP、64P-QFN。4.3.2 MSP430F14單片機外圍電路4.3.2.1外圍電路說明： （1）電源：工作電壓在為3.6V1.8V，其中正極接1引腳（DVcc）和64引腳（AVcc），負(fù)極63引腳（DVss）和62引腳（AVss）。 （2）振蕩電路：單片機是一個時序電路，必須要提供脈沖信號才能正常工作，MSP430F149內(nèi)部也有振蕩，但振蕩頻率較低 。本設(shè)計在8

40、、9腳（XIN、XOUT）間外接一個32.768Khz的晶振。在53、52腳（XT2IN、XT2OUT）間外接一個8M的高頻晶振。在電路振蕩中，對電容C3和C4值的大小影響振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性，通常選擇在1030pf左右，此處C3、C4均為30pf。 （3）復(fù)位電路：單片機在工作之前要進行復(fù)位，復(fù)位主要功能是把PC初始值為0000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。復(fù)位電路由電容C2和電阻R2組成。 （4）I/O引腳分配：MSP430F149單片機有48個I/O引腳，本設(shè)計使用了其中的5個I/O引腳。I/O引腳分配如MSP430F149單片機外圍電路圖4.3.2所示。其中包括了1

41、個引腳用于煤氣泄漏等級的輸入；一個用于DS18B20溫度讀??；兩個用于控制12864顯示；一個用于控制蜂鳴器報警。（4）I/O引腳復(fù)用：MSP430F149單片機的很多引腳具有復(fù)用功能，在這次畢業(yè)設(shè)計中，我們主要是用P6這組I/O口的復(fù)用功能，它的功能除了普通的I/0管腳外，還有就是內(nèi)部A/D的管腳輸入。圖4.3.2 MSP430F149單片機外圍電路圖4.4供電電路圖4.4 MSP430F149單片機供電電路圖圖4.4中USB輸入電壓為5V，經(jīng)過電源穩(wěn)壓芯片LM1117把電壓穩(wěn)到3.3V，給430單片機供電，其中C5、C6、C7、C8為濾波電容，作用是把電路中的交流給慮掉，得到更純凈的直流。

42、4.5 人機接口電路作為一個完整的報警系統(tǒng)，顯示部分是必不可少的。本設(shè)計中，顯示模塊采用12864液晶點陣顯示屏。該模塊具有以下優(yōu)點： （1）12864液晶點陣顯示器可以顯示32個漢字，64個字符。 （2）接口簡單，僅二根（串行）I/O 線即可驅(qū)動。主要功能為： （1）顯示屋內(nèi)煤氣泄漏的程度分別為正常、少量、超標(biāo)、危險。（2）顯示DS18B20檢測的溫度。（3）顯示課題名稱。在12864液晶顯示模塊的接口電路中，P25、P24分別接單片機相應(yīng)的I/O口，由于本設(shè)計中12864液晶采用的是串行通信，所以只需要用兩個I/O口就可以讓液晶屏顯示，節(jié)省了I/O口，布線簡單。但缺點是顯示刷新較慢。圖 4

43、.5 12864液晶顯示屏接口電路圖4.6 溫度檢測電路4.6.1 DS18B20溫度轉(zhuǎn)換器件簡介1. 獨特的單線接口僅需一個端口引腳進行通訊2. 每個器件有唯一的64位的序列號存儲在內(nèi)部存儲器中3. 簡單的多點分布式測溫應(yīng)用4. 無需外部器件5. 可通過數(shù)據(jù)線供電。供電范圍為3.0V到5.5V6. 測溫范圍為-55125（67257）7. 在1085范圍內(nèi)精確度為±58. 溫度計分辨率可以被使用者選擇為912位9. 溫度計分辨率可以被使用者選擇為912位10. 最多在750ms內(nèi)將溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字11. 用戶可定義的非易失性溫度報警設(shè)置12. 應(yīng)用包括溫度控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費品

44、、溫度計或任何熱感測系統(tǒng)4.6.2 DS18B20溫度轉(zhuǎn)換器的引腳定義符號說明GND接地DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。對于單線操作：漏極開路。當(dāng)工作在寄生電源模式用來提供電源（建“寄生電源”節(jié)）。VDD可選的VDD引腳。工作與寄生電源模式時VDD必須接地4.6.3 DS18B20溫度轉(zhuǎn)換電路圖中R16和單片機P21口相連，R30是一個阻值為4.7K的上拉電阻。圖 4.6.3 DS18B20溫度轉(zhuǎn)換電路圖第五章 家庭煤氣報警裝置的軟件設(shè)計5.1 編程工具語言工具在單片機的開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)中，匯編語言作為唯一的單片機軟件編程語言已經(jīng)不能滿足實際的需要。雖然使用匯編語言進行軟件編程的效率很高，但是編寫程序難度

45、太大并且程序的可讀性和可移植性都比較差，所以為了提高系統(tǒng)軟件的可讀性和移植性，因此引入了高級語言，C語言就是其中一種。C語言與匯編語言相比，C語言功能豐富、表達(dá)能力強、使用靈活方便、應(yīng)用廣泛、目標(biāo)程序效率高、可移植性好，既有高級語言的優(yōu)點，又有低級語言的特點，因此特別適合編寫系統(tǒng)軟件。本設(shè)計采用了IAR軟件進行編程，IAR軟件是眾多單片機應(yīng)用開發(fā)的優(yōu)秀軟件之一。它集編輯、編譯和仿真于一體，支持PLM語言、匯編語言和C語言程序設(shè)計，界面友好，易學(xué)易用。在硬件部分中系統(tǒng)采用的單片機型號是MSP430F149，430系列的單片機支持在線調(diào)試，這樣就大大降低了軟件調(diào)試的難度。使用開發(fā)軟件IAR和一些串

46、口調(diào)試工具就可以完成大部分軟件開發(fā)工作。5.2 主程序的設(shè)計主程序的設(shè)計體現(xiàn)整個軟件的設(shè)計思路，要求軟件設(shè)計者先對整個裝置的工作流程有個明確的概念。裝置上電后，首先完成液晶顯示、I/O口、定時器等初始化設(shè)置，然后開始運行主程序循環(huán)操作：（1）檢測是否有煤氣泄漏警情信號。若果有煤氣泄漏警情信號，該裝置自動報警和LCD顯示屏上顯示煤氣泄漏的等級。（2）顯示DS18B20的溫度。主程序流程圖如圖5.1所示。開始DS18B20溫度處理系統(tǒng)復(fù)位初始化檢測煤氣是否泄露Y顯示煤氣泄露程度調(diào)用報警處理程序結(jié)束5.2.1 主系統(tǒng)初始化程序#include"msp430x14x.h"void

47、CLK_init() P1DIR = 0Xff;P1OUT = 0Xff; P2DIR = 0XFF;P2OUT = 0Xff; P3DIR = 0XFF;P3OUT = 0XFF; P4DIR = 0XFF;P4OUT = 0XFF; P5DIR = 0XFF;P5OUT = 0XFF; P6DIR = 0XFF;P6OUT = 0XFF; unsigned int i; BCSCTL1&= XT2OFF; /*高頻晶振 do IFG1 &= OFIFG; /清楚晶體的標(biāo)志位 for(i=255;i>0;i-); /延時等待外晶體震蕩起來 while(IFG1 &

48、; OFIFG);/判斷是否起震 BCSCTL2 |=SELM_2+SELS;/選擇外高晶體void ADC12_init() P6SEL |= 0x01; / 使能ADC通道 ADC12CTL0 = ADC12ON+SHT0_8+MSC; / 打開ADC，設(shè)置采樣時間 ADC12CTL1 = SHP+CONSEQ_2; / 使用采樣定時器 ADC12IE = 0x01; / 使能ADC中斷 ADC12CTL0 |= ENC; /打開轉(zhuǎn)換 void main(void) WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; CLK_init(); /高頻時鐘初始化 TACTL |= TASSEL

49、_2 + ID_3; /計數(shù)時鐘選擇SMLK=8MHz，1/8分頻 Ini_Lcd();/初始化液晶 ADC12_init(); /初始化ADC12 _EINT(); /開中斷 while(1) ADC12CTL0 |= ADC12SC; / 開始轉(zhuǎn)換 xianshi_init(); /顯示初始化 DS18B20_display(); /溫度轉(zhuǎn)換及顯示 #pragma vector=ADC_VECTOR /ADC12中斷函數(shù)_interrupt void ADC12ISR (void) tab=ADC12MEM0; 5.2.2 DS18B20初始化程序#define DQ1 P2OUT |= BIT1#define DQ0 P2OUT &= BIT1#defin