燃氣泄漏警報與應急系統(tǒng)的設計本科畢業(yè)論文

1、 I / 42摘要摘要本文設計了一個燃氣泄漏報警與應急系統(tǒng)，以 MCS-51 單片機為核心，利用氣敏傳感器、檢測電路、報警電路，并用 LED 顯示當前環(huán)境實時溫度。當環(huán)境中泄漏氣體濃度超過限制時，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警，同時打開排風扇應急。當警報解除時，可以復位電路，各個功能正常運作。本設計共分兩部分，硬件系統(tǒng)設計和軟件系統(tǒng)設計。硬件部分利用氣敏傳感器和溫度傳感器，對環(huán)境中的燃氣濃度進行檢測，經過單片機系統(tǒng)將處理的數據送LED 顯示實時溫度，聲光報警電路由蜂鳴器和發(fā)光二極管組成。軟件部分用 C 語言進行編程，采用模塊化設計思想。該系統(tǒng)通過調試后，能夠較好的完成燃氣泄露報警和溫度顯示，并對燃氣泄漏進行

2、相應的處理。關鍵詞關鍵詞:燃氣泄漏；報警；應急；溫度檢測 II / 42AbstractAbstractThis paper designs a gas leak alarm and emergency system, with MCS - 51 single-chip microcomputer as the core, and use of gas sensors, detection circuit, alarm circuit, and LED display the current environmental real-time temperature. When the conce

3、ntration of gas leakage environment than limit when acousto-optic alarm, open a platoon emergency. While warnings, can reset circuit, each function normal operation.The design of two parts, hardware design and software design system. The hardware part USES gas sensors and temperature sensor, the gas

4、 concentrations of environment, through the data processing SCM system will send LED display real-time temperature, sound-light alarm circuit composed by the buzzer and light-emitting diodes. Software part C language program, modular design thought. The system through the debugging, can better finis

5、h gas leak alarm and temperature display, and gas leakage corresponding processing.KeyKey words:words:gas leak, Alarm, Emergency, Temperature detection III / 42 IV / 42目目 錄錄1 緒論 11.1 課題研究的背景 11.2 課題研究的目的 11.3 國外研究現狀與發(fā)展動態(tài) 21.4 本文的容安排 42 方案論證 53 系統(tǒng)硬件設計 73.1 單片機 73.2 A/D 轉換器的選擇 133.2 LED 數碼管 163.3 18B2

6、0 溫度傳感器 173.4 MAXL813L 芯片的介紹 183.5 氣敏傳感器的測量電路的設計 193.6 報警電路的設計 214 軟件設計 224.1 主程序設計 224.2 顯示程序設計 245 系統(tǒng)調試 255.1 硬件調試與錯誤分析 255.2 軟件調試與錯誤分析 255.3 系統(tǒng)聯(lián)調 25結論 27致 28參考文獻 29附錄 C 語言程序清單 30 1 / 421 1 緒論緒論1.11.1 課題研究的背景課題研究的背景隨著我國燃氣的變革與西氣東輸工程的進行，煤氣或天燃氣已成為多數家庭的燃料。每年，因煤氣泄露造成的煤氣中毒事故中，因使用熱水器不當或產品本身的質量問題，造成的煤氣中毒事

7、故，全國均有不少事例。有甚者，因室煤氣濃度過高，引起煤氣爆炸的事故也不少見。家用煤氣有時會因各種原因發(fā)生泄漏，煤氣的主要成分是甲烷，甲烷是一種可燃性氣體，遇到明火會發(fā)生燃燒甚至爆炸，所以如果在煤氣泄漏時打，使用家用電器的話，煤氣遇到電火花可能會發(fā)生爆炸事故。人待在煤氣泄漏的空間，甲烷的不完全燃燒可能會生成一氧化碳，人體吸入有毒氣體一氧化碳后，一氧化碳將會迅速與血液中的紅細胞結合導致人體中毒昏迷，如果長時間吸入泄露的煤氣甚至會發(fā)生中毒死亡。一氧化碳中毒屬科急癥，如不與時發(fā)現與治療，將會危與生命。近年來，我國部分地區(qū)非職業(yè)性一氧化碳中毒事件時有發(fā)生。特別是冬春季高發(fā)，據不完全統(tǒng)計，我國 2006

8、年因非職業(yè)性一氧化碳中毒，造成至少 3850 人中毒，142 人死亡。2007 年 3-5 月份，南匯區(qū)發(fā)生了 2 起非職業(yè)性一氧化碳中毒事件。1.21.2 課題研究的目的課題研究的目的人們面對燃氣泄漏而造成的種種事故威脅，就真的沒有一個徹底的解決辦法嗎？據有關專家介紹，使用燃氣報警器是對付燃氣無形殺手的重要手段之一。燃氣專家指出，燃氣泄漏或廢氣排放而大量產生的一氧化碳是燃氣中毒事件的根源，如采用燃氣泄漏報警器就能得到與時的警示。有關部門經長期測試同樣得出結論，燃氣報警器防止一氧化碳中毒事故發(fā)生的有效率達 95%以上。計算機的普與和信息技術的迅猛發(fā)展，人們己不滿足于傳統(tǒng)的居住環(huán)境，對家庭與住宅

9、小區(qū)提出了更高的要求，智能化被引入家庭，并迅速在世界各地發(fā)展起來。人們對居住環(huán)境要求的日見增高，體現在希望住宅不僅更便利、舒適而且更安全。單片機在日用電子產品中的應用越來越廣泛，煤氣泄漏則是人們日常生活中常常需要測量和控制的一個問題。單片機有利于為現代人工作、科研、生活、提供更 2 / 42好的更方便的設施。為了防止中毒事件再次發(fā)生，提出利用單片機系統(tǒng)進行有效的預防對策。所以怎樣防止煤氣中毒與爆炸已成為人們的迫切需要。為此我們開發(fā)研制了智能煤氣報警系統(tǒng)。1.31.3 國外研究現狀與發(fā)展動態(tài)國外研究現狀與發(fā)展動態(tài)民用可燃氣體報警器為居民家庭用的燃氣報警器，一般安裝在廚房，遇燃氣泄漏時，報警器可發(fā)

10、出聲光報警，或同時伴有數字顯示，同時聯(lián)動外部設備。有的報警器可自動開啟排風扇，把燃氣排出室外；有的報警器在報警時可自動關閉燃氣閥門，以防燃氣繼續(xù)泄漏。在應用方面，目前最廣泛的是可燃性氣體氣敏元件傳感器，已普與應用于氣體泄漏檢測和監(jiān)控，從工廠企業(yè)到居民家庭，應用十分廣泛。僅以用于安全保護家用燃氣泄漏報警器為例，日本早在 1980 年 1 月開始實行安裝城市煤氣、液化石油氣報警器法規(guī)，1986 年 5 月日本通產省又實施了安全器具普與促進基本方針。美國目前已有 6 個州立法，規(guī)定家庭、公寓等都要安裝 CO 報警器。報警器種類也相當繁多，有用于一般家庭、集體住宅、飲食餐店、醫(yī)院、學校、工廠的各種氣體

11、報警器和系統(tǒng)，有單體分離型報警器、外部報警系統(tǒng)、集中監(jiān)視系統(tǒng)、遮斷連動系統(tǒng)、防止中毒報警防護系統(tǒng)等。結構型式有袖珍型便攜式、手推式、固定式報警等；工業(yè)用固定式報警又有壁掛式、臺放式、單臺監(jiān)控式、多路巡檢式等。氣體檢測技術與計算機技術相結合，實現了智能化、多功能化。美國工業(yè)科學公司（ISC）一臺攜帶式氣體監(jiān)控儀可實現 4 種氣體監(jiān)測，采用了統(tǒng)一的軟件，只需要換氣體傳感器，即可實現對特定氣體監(jiān)測。美國國際傳感器技術（IST）公司應用一種“MegaCas傳感器和微程序控制單元，可檢測 100 種以上毒性氣體和可燃性氣體，通過其“氣體檢索”功能掃描，能很快確定是哪一種氣體?？扇細怏w傳感器的發(fā)展也成為氣

12、體檢測系統(tǒng)的代表性標志。近年來，由于在工業(yè)生產、家庭安全、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療等領域對氣體傳感器的精度、性能、穩(wěn)定性方面的要求越來越高，因此對氣體傳感器的研究和開發(fā)也越來越重要。隨著先進科學技術的應用，氣體傳感器發(fā)展的趨勢是微型化、智能化和多功能化。深入研究和把握有機、無機、生物和各種材料的特性與相互作用，理解各 3 / 42類氣體傳感器的工作原理和作用機理，正確選擇各類傳感器的敏感材料，靈活運用微機械加工技術、敏感薄膜形成技術、微電子技術、光纖技術等，使傳感器性能最優(yōu)化是氣體傳感器的發(fā)展方向。國外氣體傳感器發(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；另一方面是由于傳感

13、器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動。因此，國外氣體傳感器技術得到了較快發(fā)展，據有關統(tǒng)計猜測，美國 1996 年2002年氣體傳感器年均增長率為（2730）。目前，氣體傳感器的發(fā)展趨勢集中表現為：一是提高靈敏度和工作性能，降低功耗和成本，縮小尺寸，簡化電路，與應用整機相結合，這也是氣體傳感器一直追求的目標。如日本費加羅公司推出了檢測（0.110）106 硫化氫低功耗氣體傳感器，美國 IST 提供了壽命達 10 年以上的氣體傳感器，美國 FirstAlert 公司推出了生物模擬型（光化反應型）低功耗 CO 氣體傳感器等。二是增強可靠性，實現元件和應用電路集成化，多功能化，發(fā)展 MEMS 技術，發(fā)展現

14、場適用的變送器和智能型傳感器。如美國 GeneralMonitors 公司在傳感器中嵌入微處理器，使氣體傳感器具有控制校準和監(jiān)視故障狀況功能，實現了智能化；還有前已涉與的美國 IST 公司的具有微處理器的“MegaGas”傳感器實現了智能化、多功能化。氣敏元件傳感器作為新型敏感元件傳感器在國家列為重點支持發(fā)展的情況下，國已有一定的基礎。其現狀是：（1）燒結型氣敏元件仍是生產的主流，占總量 90以上；接觸燃繞式氣敏元件已具備了生產基礎和能力；電化學氣體傳感器有了試制產品；（2）在工藝方面引入了表面摻雜、表面覆膜以與制作表面催化反應層和修隔離層等工藝，使燒結型元件由廣譜性氣敏發(fā)展成選擇性氣敏；在結

15、構方面研制了補償復合結構、組合差動結構以與集成化陣列結構；在氣敏材料方面 SnO2 和 Fe2O3 材料已用于批量生產氣敏元件，新研究開發(fā)的 Al2O3 氣敏材料、石英晶體和有機半導體等也開始用于氣敏材料；（3）低功耗氣敏元件（如一氧化碳，甲烷等氣敏元件）已從產品研究進入中試；（4）國氣敏元件傳感器產量已超過“九五”初期的 400 萬支。產量超過 20 萬 4 / 42支的主要廠家有 5 家，敏感集團、電子廠、春光器材廠、費加羅公司（合資） 、電子管廠（特種電器廠） ，其中前四家都超過 100 萬支，據行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，1998 年全國氣敏元件總產量已超過 600 萬支?？偟目磥恚覈鴼饷粼鞲?/p>

16、器與其應用技術有了較快進展，但與國外先進水平仍有較大的差距，主要是產品制造技術、產業(yè)化與應用等方面的差距，與日本比較仍要落后 10 年。1.1.4 4 本文的容安排本文的容安排針對經常發(fā)生的煤氣泄漏中毒事件，采用煤氣、甲烷、乙烷與一氧化碳等氣體傳感器、單片機、電磁閥和電鈴，設計一套有毒氣體檢測、報警電路，用單片機模塊分路控制繼電器、發(fā)光二極管和蜂鳴器。報警系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。其中硬件部分由各報警感應器、感應器控制器、主控器等設備組成。軟件部分主要是報警系統(tǒng)控制程序。氣敏傳感器用來檢測空氣中煤氣的濃度，當空氣中煤氣含量超過允許標準濃度后，感應器所獲得的感應信號均被感應器控制器所接收，再

17、由感應器控制器對各感應信號進行相應識別和處理，并將處理后的感應信號通過串口送至主控器，由主控器對其采取相應的警報動作。報警信號加至報警聲響電路的控制端后，報警聲響電路被觸發(fā)，發(fā)出報警聲，同時打開排風扇。本課題在硬件設計方面主要研究組成家用煤氣泄漏報警控制系統(tǒng)的單片機芯片、氣體傳感器總線的使用方法，同時研究電路設計思路、電路組成，包括控制芯片、氣體傳感器、單片機、顯示電路等的選用和設計，最后給出結構框圖、電路原理圖。系統(tǒng)軟件設計方面的分析設計包括主機和從機程序設計分析等。 5 / 422 2 方案論證方案論證采用單片機技術，實現了控制功能的多樣化和智能化，簡化了電路，降低了成本，提高了穩(wěn)定性；傳

18、感器損壞報警與方便更換的特點，提高了系統(tǒng)的可靠性，延長了整機的使用壽命；另外，如果利用保留的單片機串口，增設通訊模塊和相關程序，此系統(tǒng)還可作為集群監(jiān)控系統(tǒng)中的下位機和現場執(zhí)行機。在應用中，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠、靈敏。與同類報警系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)性價比更高，使用更為方便，因此具有廣闊的應用前景。系統(tǒng)主要由單片機電路、檢測電路、報警電路和應急處理電路組成。系統(tǒng)框圖如圖 2.1 所示。單片機檢測電路報警電路應急處理電路LED 顯示電路路 D溫度傳感器A/D轉換圖 2.1 系統(tǒng)框圖檢測電路包括燃氣泄漏檢測和氣敏元件損壞檢測兩部分，原理電路如圖 3-9 所示。氣敏傳感器選用 QM 型，這是由金屬氧化物半導體

19、材料制成的“氣電”轉換器件。當有燃氣泄漏時，其表面會發(fā)生化學吸附，使本身電阻（圖中 AA間的電阻）下降，且燃氣濃度越高，電阻下降越多，利用該特性并通過 VT1 等元件組成的開關電路即可獲得“氣電”信號，完成燃氣泄漏的檢測，調節(jié) RP 1 可設置不同燃氣的報警限，C2 為延時電容，用于減小傳感器初始穩(wěn)態(tài)的影響。 氣敏傳感器在使用中，其熱絲可能燒斷，但難以發(fā)現，致使用戶在毫不知 6 / 42情的情況下繼續(xù)使用已失效的燃氣報警器。為能與時發(fā)現傳感器的損壞，本系統(tǒng)特別設計了氣敏元件自檢電路（由 R3R7、VT2、VT3 等組成） ，元件正常時，R3 上有電壓信號，如熱絲燒斷，該信號為 0，VT3 集電

20、極輸出低電平至單片機，點亮黃燈報警，能使用戶與時發(fā)現。同時，氣敏傳感器不直接焊入電路，而是通過七腳電子管座與電路連接，若損壞可方便地從管座中撥出換新，從而解決了更換難的問題。圖 2.2 檢測電路 7 / 423 3 系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)硬件設計3.13.1 單片機單片機目前，單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢將是進一步向著 CMOS 化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路裝化等幾個方面發(fā)展。下面是單片機的主要發(fā)展趨勢。 由于 CHMOS 技術的進入，大促進了單片機的 CMOS 化。CMOS 芯片除了低功耗特性之外，還具有功耗的可控性，使單片機可以工作在功耗精細管理狀態(tài)。這也是今后

21、以 80C51 取代 8051 為標準 MCU 芯片的原因。因為單片機芯片多數是采用CMOS（金屬柵氧化物）半導體工藝生產。CMOS 電路的特點是低功耗、高密度、低速度、低價格。采用雙極型半導體工藝的 TTL 電路速度快，但功耗和芯片面積較大。隨著技術和工藝水平的提高，又出現了 HMOS（高密度、高速度 MOS）和 CHMOS 工藝。CHMOS 和 HMOS 工藝的結合。目前生產的 CHMOS 電路已達到 LSTTL 的速度，傳輸延遲時間小于 2ns，它的綜合優(yōu)勢已在于 TTL 電路。因而，在單片機領域 CMOS 正在逐漸取代 TTL 電路。 低功耗化， 單片機的功耗已從 Ma 級，甚至 1u

22、A 以下；使用電壓在36V 之間，完全適應電池工作。低功耗化的效應不僅是功耗低，而且?guī)砹水a品的高可靠性、高抗干擾能力以與產品的便攜化。 低電壓化， 幾乎所有的單片機都有WAIT、STOP 等省電運行方式。允許使用的電壓圍越來越寬，一般在 36V 圍工作。低電壓供電的單片機電源下限已可達 12V。目前 0.8V 供電的單片機已經問世。 低噪聲與高可靠性 為提高單片機的抗電磁干擾能力，使產品能適應惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標準的要求，各單片廠家在單片機部電路中都采用了新的技術措施。 大容量化， 以往單片機的 ROM 為 1KB4KB，RAM 為 64128B。但在需要復雜控制的場合，

23、該存儲容量是不夠的，必須進行外接擴充。為了適應這種 8 / 42領域的要求，須運用新的工藝，使片存儲器大容量化。目前，單片機 ROM 最大可達64KB，RAM 最大為 2KB。 高性能化， 主要是指進一步改進 CPU 的性能，加快指令運算的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性。采用精簡指令集（RISC）結構和流水線技術，可以大幅度提高運行速度。現指令速度最高者已達 100MIPS（Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒） ，并加強了位處理功能、中斷和定時控制功能。這類單片機的運算速度比標準的單片機高出 10 倍以上。由于這類單片機有極高的指令速度，就可以用軟件模擬其

24、 I/O 功能，由此引入了虛擬外設的新概念。 隨著半導體集成工藝的不斷發(fā)展，單片機的集成度將更高、體積將更小、功能將列強。在單片機家族中，80C51 系列是其中的佼佼者，加之 Intel 公司將其 MCS 51 系列中的 80C51 核使用權以專利互換或出售形式轉讓給全世界許多著名 IC 制造廠商，如 Philips、 NEC、Atmel、AMD、華邦等，這些公司都在保持與 80C51 單片機兼容的基礎上改善了 80C51 的許多特性。這樣，80C51 就變成有眾多制造廠商支持的、發(fā)展出上百品種的大家族，現統(tǒng)稱為 80C51 系列。80C51 單片機已成為單片機發(fā)展的主流。專家認為，雖然世界上

25、的 MCU 品種繁多，功能各異，開發(fā)裝置也互不兼容，但是客觀發(fā)展表明，80C51 可能最終形成事實上的標準 MCU。 單片機是在一塊硅片上集成了微處理器(CPU)，存儲器(RAM,ROM,EPROM)和各種輸入、輸出接口(定時器/計數器，并行 I/O 口，串行口，A/D 轉換器以與脈沖調制器 PWM 等)，這樣一塊芯片具有一臺計算機的屬性，因而被稱為單片微型計算機，簡稱單片機。單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、專用設備的智能化管理與過程控制等領域。此外，單片機在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領域都有著十分廣泛的用途。 9 / 42圖3.1 AT89C51單片機引腳

26、解析1電源引腳 VCC和 VSS1) VCC：電源端，接+5V 電源。2) VSS：接地端。2外接晶體引腳 XTAL1 和 XTAL21) XTAL1 片振蕩電路的輸入端，是外接晶體的一端。2) XTAL2 片振蕩電路的輸出端，是外接晶體的另一端。振蕩電路它是由晶振和磁片電容元件構成的電路，振蕩電路的輸入和輸出端是由單片機的外接晶體引腳 XTAL1 和 XTAL2 提供的，振蕩電路的作用是能夠給STC89C51 一個時間周期。振蕩電路如圖 3.2 所示。 10 / 42圖 3.2 振蕩電路圖3控制信號引腳 RST、ALE、PSEN 和 EA1) RST/VPD：RST 是復位信號輸入端，高電平

27、有效，在此引腳上出現兩個機器周期以上的高電平將使單片機復位。2) ALE/ PROG ：地址鎖存允許信號端。3) PSEN ：片外程序存儲器選通信號輸出端。4) EA /VPP ：片、片外程序存儲器選擇端/編程電壓輸入端。ALE、PSEN 和 EA 三個引腳并沒有用到，而 RST 是復位信號輸入端，所以用單片機的這個引腳來做復位電路，復位電路是由按鈕、電解電容和電阻構成的。其作用是保持正常工作，在其死機或者切換鎖型時都需要強制復位。如圖 3.3 11 / 42GND89C51RSTCR1R2VCC圖 3.3 復位電路圖4輸入/輸出（I/O）引腳1) P0 口（P0.0P0.7）：作為通用的 I

28、/O 口，用來輸入/輸出數據，輸出數據有鎖存功能。當 CPU 訪問片外存儲器時，提供低 8 位地址和 8 位數據的復用總線。2) P1 口（P1.0P1.7）：作為通用的 I/O 口，用于傳送用戶的輸出/輸入數據。在對片 ROM 編程或校驗是輸入片 ROM 的低 8 位地址。3) P2 口（P2.0P2.7）：作為通用的 I/O 口。當 89C51 擴展片外存儲器時，與 P0 口配合，輸出片外存儲器的高 8 位地址，共同形成 16 位片外地址總線。4) P3 口（P3.0P3.7）：作為通用的 I/O 口， P3.0 RXD （串行數據輸入口） P3.1 TXD （串行數據輸出口） P3.2

29、INT0 （外部中斷 0 輸入） P3.3 INT1 （外部中斷 1 輸入） P3.4 T0 （定時器/計數器 0 外部輸入） P3.5 T1 （定時器/計數器 1 外部輸入） P3.6 WR （外部數據存儲器寫選通信號輸出） P3.7 RD （外部數據存儲器讀選通信號輸出）P0口的引腳是作為數碼管的段選信號，P0.0P0.7 端口分別定義為 12 / 42Aa、Ab、Ac、Adp、Ae、Ag、Af、Ad的碼段。89C51有40個引腳，如圖3.4所示：圖3.4 單片機引腳圖單片機的部結構框圖如圖3.5所示：圖3.5 單片機的基本組成框圖1中央處理器(CPU)中央處理器是整個單片機的核心部件，是

30、8位數據寬度的處理器，能處理8位二中斷控制器只讀存儲器（ROM）隨機存取存儲器（RAM）中央處理器（CPU）振蕩電路輸入輸出口（I/O）串行通信口（UART）定時/計數器 13 / 42進制數據或代碼。中央處理器負責控制、指揮和調度整個單元系統(tǒng)協(xié)調的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。2隨機存取存儲器(RAM)89C51部有1280字節(jié)8位用戶數據存儲單元和1280字節(jié)專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的。專用寄存器只能用于存放控制指令數據，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數據。3只讀存儲器(ROM)：89C516RD+共有8個ROM存儲器，用于存放用戶程序，原始數據或表格。4定時/計數器89

31、C51有兩個16位的可編程定時/計數器，以實現定時或計數產生中斷用于控制程序轉向。5輸入輸出(I/O)端口89C51共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2和P3)，用于對外部數據的傳輸。6中斷控制器89C51具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。7振蕩電路：振蕩電路給出的時鐘信號，使得由一大堆數字電路構成的單片機各個部件能夠協(xié)同工作，并最終實現需要的功能。89C51 置最高頻率達 12MHz 的時鐘電路，用于產生整個單片機運行的脈沖時序，但需外置磁片電容。3.23.2 A/DA/D轉換器的選擇轉換器的選擇溫度控

32、制系統(tǒng)的 A/D 轉換器選用 ADC0809 八位逐次逼近式 A/D 轉換器，ADC0809 是采樣分辨率為 8 位的、以逐次逼近原理進行模數轉換的器件。其部有一個 8 通道多路開關，它可以根據地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通 8 路模擬輸入信號中的一個進行 A/D 轉換。 14 / 421ADC0809 的主要特性1）8 路輸入通道，8 位 AD 轉換器，即分辨率為 8 位。 2）具有轉換起?？刂贫?。 3）轉換時間為 100s 。4）單個5V 電源供電。 5）模擬輸入電壓圍 05V，不需零點和滿刻度校準。 6）工作溫度圍為-4085 攝氏度。 7）低功耗，約 15mW。2ADC0809 的部結

33、構ADC0809 是 CMOS 單片型逐次逼近式 AD 轉換器，部結構是由 8 路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、8 位開關樹型 DA 轉換器、逐次逼近。3ADC0809 的外部特性與引腳功能ADC0809 芯片有 28 條引腳，采用雙列直插式封裝。下面說明各引腳功能:IN0IN7：8 路模擬量輸入端。2-12-8：8 位數字量輸出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3 位地址輸入線，用于選通 8 路模擬輸入中的一路。ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。START： AD 轉換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少 100ns 寬）使其啟動（脈沖上升沿使 0809 復位，下降沿啟動

34、A/D 轉換） 。EOC：AD 轉換結束信號，輸出，當 AD 轉換結束時，此端輸出一個高電平（轉換期間一直為低電平） 。OE：數據輸出允許信號，輸入，高電平有效。當 AD轉換結束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數字量。CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于 640KHZ。REF（+） 、REF（-）：基準電壓。Vcc：電源，單一5V。GND：地。ADC0809 的引腳圖如圖 3.6 所示。 15 / 42圖 3.6 ADC0809 的引腳圖4.ADC0809 的工作過程首先輸入 3 位地址，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經譯碼選通 8 路模擬輸入之一到比較

35、器。START 上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 AD 轉換，之后 EOC 輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到 AD 轉換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指?AD 轉換結束，結果數據已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當 OE 輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉換結果的數字量輸出到數據總線上。因為 ADC0809 具有較經濟的價格，所以這里的數據采集電路選擇 ADC0809。在采集電路中，只要將放大濾波電路的輸出端接入 0809 的某一通道，在這里選擇 0通道，即將 0809 的地址輸入線 A,B,C 送入低電平，即可選通 0 通道。另外需要說明的是由于 ADC0809 片無時鐘，可利用單

36、片機 89C51 提供的地址鎖存允許信號 ALE經 D 觸發(fā)器二分頻得到。 16 / 42圖 3.7ADC0809 與單片機接口電路ADC0809 的通道選擇如表 3.1：表 3-1 ADC0809 通道選擇CBA被選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7 17 / 423.23.2 LEDLED數碼管數碼管LED（Light Emiting Diode）數碼管是由發(fā)光二極管構成的。常用的LED顯示器有8段和“米”字段之分。這種顯示器有共陰極和共陽極兩種。本設計中所應用的是共陽極LED數碼管的發(fā)光二極管的陽極連接在一起，通常此公

37、共陽極接正電壓，當某個發(fā)光二極管的陰極接低電平時，發(fā)光二極管被點亮，相應的段被顯示。（0 x28,0 xF9,0 x4C,0 x58,0 x99,0 x1A,0 x0A,0 xF8,0 x08,0 x18）是共陽極（09）的碼段。動態(tài)掃描是將各個LED數碼管的起端字線并聯(lián)使用,而每個數碼管的公共端分別通過驅動器接I/O的一個口線。當輪流選通每個數碼管的公共極時,則數碼管將輪流顯示有關字符。動態(tài)掃描顯示在智能化儀器中應用很廣。驅動器4511的A、B、C、D四位分別接單片機P0口的低四位和高四位，輸入BCD碼4511就可以直接轉換為段碼，以驅動LED顯示數值。顯示的電路圖如圖3.8所示：圖3.8L

38、ED的顯示電路數碼管動態(tài)顯示介面是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅動是將所有數碼管的 8 個顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp 的同名端連在一起，另外為每 18 / 42個數碼管的公共極 COM 增加位元選通控制電路，位元選通由各自獨立的 I/O 線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數碼管都接收到一樣的字形碼，但究竟是那個數碼管會顯示出字形，取決于單片機對位元選通 COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開，該位元就顯示出字形，沒有選通的數碼管就不會亮。 透過分時輪流控制各個 LED 數碼管的 COM 端，就使各個數碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅動。在

39、輪流顯示過程中，每位元數碼管的點亮時間為 12ms，由于人的視覺暫留現象與發(fā)光二極體的余輝效應，盡管實際上各位數碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示資料，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的 I/O 埠，而且功耗更低。3.33.3 18B2018B20溫度傳感器溫度傳感器圖 3.9 18B20 溫度傳感器。圖 3.9 18B20 引腳1) 特性獨特的單線接口僅需一個端口引腳進行通訊簡單的多點分布應用可通過數據線供電 19 / 42零待機功耗測溫圍-55+125，以 0.5遞增。華氏器件-67+2570F，以 0.90F 遞增 溫度以

40、9 位數字量讀出 溫度數字量轉換時間 200ms（典型值） 用戶可定義的非易失性溫度報警設置 報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件 應用包括溫度控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費品、溫度計或任何熱感測系統(tǒng)3.43.4 MAXL813LMAXL813L芯片的介紹芯片的介紹1) 上電、掉電以與供電電壓下降情況下的復位輸出，復位脈沖寬度典型值200ms。2) 獨立的看門狗輸出，如果看門狗輸入在 1.6 未被觸發(fā)，其輸出將由高電平變?yōu)榈碗娖健?) 1.25V 門限值檢測器，用于電源故障報警、電池低電壓檢測。4) 低電平有效的手動復位輸入。表 3.2 引腳介紹引腳名稱引腳功能/MR當該段輸入低

41、電平保持 140ms 以上，MAX813 就輸出復位信號，該輸入端的最小輸入脈寬要求可以有效的消除開關的抖動VCC工作電源，接+5V 電壓GND電源接地端PFI當該輸入端電壓小于 1.25V 時，/PFO 引腳的輸出電壓由高電平變?yōu)榈碗娖?PFO電源正常時，輸出高電平，當電源電壓變低或掉電時，輸出由高電平變?yōu)榈碗娖絎DI程序正常運行時，必須在 1.6s 的時間間隔向該輸入端發(fā)出一個脈沖信號，以清除芯片部的看門狗定時器。若超過1.6s 該輸入端收不到脈沖信號，則部定時器溢出，WDO 由高電平變?yōu)榈碗娖?RESET上電時，自動產生 200ms 的復位脈沖；手動復位端輸入低電平時，該端也產生復位信號

42、輸出 20 / 42/WDO正常工作時，輸出保持高電平，看門狗輸出時，該端輸出信號由高電平變?yōu)榈碗娖焦I(yè)環(huán)境中的干擾大多是以窄脈沖的形式出現，而最終造成微機系統(tǒng)故障的多數現象為“死機” 。究其原因是CPU在執(zhí)行某條指令時，受干擾的沖擊，使它的操作碼或地址碼發(fā)生改變，致使該條指令出錯。這時，CPU執(zhí)行隨機拼寫的指令，甚至將操作數作為操作碼執(zhí)行，導致程序“跑飛”或進入“死循環(huán)” 。為使這種“跑飛”或進入“死循環(huán)”的程序自動恢復，重新正常工作，一種有效的辦法是采用硬件“看門狗”技術。用看門狗程序的運行。若程序發(fā)生“死機” ，則看門狗產生復位信號，引導單片機程序重新進入正常運行。3.53.5氣敏傳感器

43、的測量電路的設計氣敏傳感器的測量電路的設計報警器電路是由電源電路、傳感器電路、壓控振蕩器電路與報警電路等組成。220V 市電經電源變壓器 T1 降壓至 5.5V 左右，不用整流、濾波直接作為氣敏半導體傳感器 QMN10 的加熱電壓?？刂齐娐返墓╇妱t是由 U 全橋整流、C1 濾波后供給的。QMN10 氣敏半導體傳感器在潔凈空氣中的阻值大約有幾十 k，接觸到有害氣體時，電導率增大，電阻值急劇下降，下降幅度與瓦斯?jié)舛仍?0.5%以下成正比。由與非門IC1A、IC1B 構成一個門控電路，IC1C、IC1D 組成一個多諧振蕩器。當 QMN10 氣敏傳感器未敏感到有害氣體時，由于電導率極小，IC1A腳處于

44、低電位，IC1A 的腳處于高電位，故 IC1A 的腳為高電位，經 IC1B 反相后其腳為低電位，多諧振蕩器不起振，三極管 VT2 處于截止狀態(tài)，故報警電路不發(fā)聲。一旦 QMN10 敏感到有害氣體時，其電導率增大，阻值急劇下降，在電阻 R2、R3 上的壓降使 IC1A 的腳處于高電位，此時 IC1A 的腳變?yōu)榈碗娖剑?IC1B 反相后變?yōu)楦唠娖?，多諧振蕩器起振工作，三極管 VT2 周期地導通與截止，于是由 VT1、T2、C4、HTD 等構成的正反饋振蕩器間歇工作，發(fā)出報警聲。與此同時，發(fā)光二極管 LED1 閃爍。從而達到有害氣體泄漏告警的目的。報警器電路如圖 3.10 所示。 21 / 42圖

45、 3.10 報警器電路QMN10 是一種高靈敏度、高穩(wěn)定性的有害氣體傳感器，其主要技術參數如下：響應時間：10s恢復時間：60s加熱電壓：5V 0.5V加熱功率：0.5W（加熱絲冷態(tài)電阻為 50 2）抗干擾能力：丁烷報警濃度設在 0.3%時在下述條件下不會誤報警：溫度為-10+50；濕度為95%RH。T1 采用 35W、5.5V 電源變壓器；T2 采用 81 的半導體收音機輸出變壓器，倒過來用即可。HTD 采用 27mm 的壓電瓷片，要求加裝共振助聲腔。由于 QMN10 氣敏半導體傳感器在開機時，約有 10 分鐘的預熱期，在這個時間易產生不穩(wěn)定因素，導致誤報，因此在電路的設計上有一個開機延時電

46、路，它由R4、C2 構成，調整 R4，使延時時間在 10 分鐘左右即可。電阻 R2、R3 的阻值決定了電路的報警起控點。將氣敏傳感器置于濃度為 0.3%的丁烷氣樣中，調整 R3 的阻值，使電路處于報警臨界點即可。最后可實地試驗，調整 R3 至所要求的報警濃度點時報警。3.63.6 報警電路的設計報警電路的設計當燃氣泄漏濃度超過預置數值時，超載監(jiān)測系統(tǒng)將會發(fā)出聲光報警。本課題采用蜂鳴器作為聲報警的發(fā)生元件，采用紅色發(fā)光二極管作為光報警的發(fā)生元件。其 22 / 42具體的電路圖如圖 3.11 所示。圖 3.11 蜂鳴器報警電路當超載現象發(fā)生時，由單片機向 P1.0 口發(fā)出高電平指令，經反 7406

47、 后，驅動蜂鳴器工作，發(fā)出蜂鳴聲。在 P1.1 為高電平時，發(fā)光二極管發(fā)光；當 P1.1 口為低電平時，發(fā)光二極管不發(fā)光，不進行光報警，通過單片機向 P1.1 口發(fā)出高低電平交替產生的方波信號，來實現光報警的閃爍功能。4 4 軟件設計軟件設計4.14.1 主程序設計主程序設計程序主要由主程序、外部中斷0和外部中斷1服務程序組成。主程序對系統(tǒng)狀態(tài)初始化時將兩個外部中斷都設置為下降沿觸發(fā)方式，開外部中斷后再進入對手動按鍵的檢測，SD1閉合時開排氣扇，斷開時關排氣扇。主程序設計成一死循環(huán)結構，處于隨時可以響應中斷的狀態(tài)。程序流程圖如圖4.1所示。 23 / 42圖4.1 程序流程圖當傳感器檢測到燃氣

48、泄漏時，外部中斷1有中斷請求信號，其服務程序發(fā)出聲報警控制信號，調用延時程序后，再檢測P3.3的電平，如變?yōu)楦唠娖?，說明剛有的信號是某些干擾或短時可控泄漏（如燃氣灶點火時可能產生的瞬時泄漏）引起的，則關聲報警后返回；如仍為低電平，則判為事故泄漏，須進行應急處理，即刻發(fā)出紅光報警、打開排氣扇排污。此時若房主不在，系統(tǒng)則進入省電等待狀態(tài)，即：再次檢測P3.3，若為高電平，說明泄漏燃氣已排盡，系統(tǒng)關閉聲報警和排氣扇，報警紅燈仍點亮，等待房主回后與時檢查處理，中斷程序流程如圖4.2所示。 24 / 42圖 4.2 中斷服務流程圖4.24.2 顯示程序設計顯示程序設計在顯示方式上采用的是動態(tài)顯示，微處理

49、器定時地對各個數碼管進行掃描，數碼管分時輪流工作，每次只能使一個數碼管顯示，但由于人的視覺暫留現象，仍感覺所有的數碼管都在同時顯示，此種顯示的優(yōu)點是使用硬件少，每位顯示器不需要有各自的鎖存器、譯碼器，占用 I/O 口少。缺點是占用機時長，只要不執(zhí)行顯示程序，就立刻停止顯示。LED 顯示器采用共陰極法，接口直接連接單片機，其中 P0.0-P0.3 口用于輸出段碼，P3.0-P3.7 口用于輸出位選碼,工作時，先取出一位要顯示的數（十六進制數） ，利用軟件譯碼的方法求出待顯示的數對應的段碼，直接送至數碼管，于是選中的數碼管點亮。若將各位從左至右依次進行顯示，每位數碼管顯示，中斷 1檢測入口低電平為

50、低電平？紅光報警、開排氣扇檢測入口低電平為低電平？關聲音報警關排氣扇關聲音報警開始YNNY 25 / 42顯示完最后一位后，再重復上述過程，則可得到連續(xù)的顯示結果。完成上述顯示任務的子程序流流程圖如圖 4.3 所示。圖 4.3 顯示程序流程圖5 5 系統(tǒng)調試系統(tǒng)調試在基于硬件、軟件的設計完成之后就要進行調試階段。一個題目設計的好壞與否關鍵在于調試，也只有通過調試才能發(fā)現和解決問題，以與進一步完善課題。通常的項目開發(fā)，調試過程約占整個開發(fā)過程的1/3左右。5.15.1 硬件調試與錯誤分析硬件調試與錯誤分析結合系統(tǒng)軟件測試，利用硬件平臺進行功能性檢測，即驗證系統(tǒng)軟硬件綜合測試正常。主要包括了溫度傳

51、感器電路、氣體傳感器電路等功能的正常。并實現各部分功能的綜合測試。 26 / 42該綜合測試主要在系統(tǒng)調試正常的情況下，驗證氣體綜合測試情況。首先對某一環(huán)境下的氣體進行檢測，通過一些特殊手段，改變環(huán)境的氣體泄漏含量，當泄漏氣體含量指標達到一定限制值時，報警電路是否可以正常報警。5.25.2 軟件調試與錯誤分析軟件調試與錯誤分析至于在 C 語言里的錯誤就稍微多一些，不過都是些小錯誤。只要熟悉了 C 語言的編程特點應該不會有什么大問題。出現的錯誤有1) 在子函數調用其它函數時出錯，所以在開始的時候定義了函數的聲明，其作用就是方便于子函數可以調用其它函數在不做任何說明的情況下。2) 定義變量時把測試

52、次數變量（unsigned long data number）定義為全局變量，方便了以后在每個函數里再定義了。3) 對一些符號和語句的意義和概念模糊不清了， “/”是整除、 “%”是求余，在本程序中最主要的是循環(huán)，for(j=0;jtimes;j+)、while(1)等。還有象 if else 條件語句的理解。5.35.3 系統(tǒng)聯(lián)調系統(tǒng)聯(lián)調系統(tǒng)聯(lián)調是調試過程的最后一步也是最關鍵的一步，因為單獨的軟件調試、硬件調試成功并不代表聯(lián)調就能成功，這還牽涉到系統(tǒng)、部件之間的兼容問題，只有解決好了這個問題，調試才算是完成了。把硬件線路、串口、自編程序、上下位機依次連好后，運行程序進行調試。這一過程出現的問

53、題比較多，也比較難解決。 27 / 42結結 論論本文從整體到部分詳細介紹了家用煤氣泄露報警控制器的設計。通過查閱大量資料，對硬件電路的實現方案進行了分析對比，并最終選擇了基于 AT89C51 單片機的實現方案。在比較重要的部分進行了詳細的論述，并且給出了程序與說明。其可靠性和穩(wěn)定性都達到了很好的效果。本系統(tǒng)基本實現了燃氣泄漏報警與應急處理，對當前的環(huán)境溫度也能很好的檢測。本課題實用性強，綜合應用了數字電路、模擬電路、傳感器技術、單片機通信與控制技術等電子信息工程大學本科教育的主要基礎知識，具有較高的技術含量。在現代電子科技的高速發(fā)展過程中，微型化、集成化、高密度化以與設備的高精度化已經成為一

54、種長期的趨勢，這就要求我們力求使用更精確的設備。本設計中 28 / 42使用的芯片只是當前電子科技發(fā)展的一般產物，隨著科技的不斷發(fā)展，更高密度，更高精度的芯片將會取代現有的產品，所以我們還要不斷的學習，不斷的豐富和更新我們的產品，提出更高的要求。致致 通過本次畢業(yè)設計，我不僅系統(tǒng)的學習了 4 年的基礎與專業(yè)知識，提高了思考能力與自我的動手能力，培養(yǎng)了自己嚴謹認真、注重實踐的科學態(tài)度，鍛煉了自己從失敗中總結教訓，積累經驗的科學心態(tài)。而且發(fā)現了在做工作中自己的許多不足，認識到了知識的重要性，體會出只有不斷的充實自己，不斷的挑戰(zhàn)自己，才能在今后的工作生活中獲得更多的收獲。四年的本科學習和課題研究期間

55、，老師們給予我許多悉心的指導和幫助，教給我知識和為人處世的道理。在這里非常感王艷輝老師在設計中給我的建議、支持和幫助，誠摯感王艷輝老師在我寫論文期間對我的引導和啟發(fā)。在整個論文的選題、理論研究、需求分析、總體設計、詳細設計的過程中，自始至終得到了導師王艷輝老師的悉心指導和深切關懷。感導師王艷輝老師對我論文不厭其煩的精心修改，多 29 / 42次耐心地審閱了論文全稿，提出了許多寶貴的意見。還有一直在身邊支持的同學，在我遇到問題時，他們都盡心為我解答，如果遇到我們都不熟悉的問題，他們都和我一起動手解決。由于老師的支持和同學的各方配合使我的課題能順利的完成。在此，我向他們致以最誠摯的意！參考文獻參考

56、文獻1 戢衛(wèi)平，胡耀輝，朱朝華，葉 祥，揚 帆等. 單片機系統(tǒng)開發(fā)實例經典. 冶金工業(yè)，2006.42 徐 瑋，徐富軍，建良. C51 單片機高效入門.機械工業(yè)，2007.1.3 凌玉華. 單片機原理與應用系統(tǒng)設計.中南大學，2006.5.4 金生，小利等. 元器件.電子工業(yè)，2004.10.6 燕、愛民. protel99 設計與實例.機械工業(yè)，2000.7 保延,等.步進電機與其驅動控制系統(tǒng)M.:工業(yè)大學,1997.8 亮，侯國銳. 單片機 C 語言編程與實例.人民郵電，2003.9 周興華， 手把手教你學單片機M.航空航天大學，2005 10 譚浩強， C 程序設計M.清華大學，1991

57、11 慶陽、郭庭吉，8051 單片機實踐與應用M.清華大學，2002 30 / 42附錄附錄 C C語言程序清單語言程序清單/=頭文件包含=#include /=宏定義=#define CLOSE 1 #define OPEN 0#define uchar unsigned char#define uint unsigned int 31 / 42/=單片機端口位定義=sbit OUT_LED = P20;/報警燈sbit OUT_FMQ = P21;/蜂鳴器sbit OUT_AD = P22;/AD 轉換sbit OUT_RQXL = P10;/燃氣泄露報警bit OUT_CGQ; /將傳感

58、器設置為位，1/0bit OUT_CLOCK; sbit OUT_S = P24;sbit OUT_G = P25;/=全局變量定義=uchar time;uint time1;uchar WD_S;uchar WD_G;unsigned char led_show_couter;unsigned char key_press_timer;bit key_vaule;/=函數聲明=void inital_cpu(void);unsigned char code led_show_digitally10= 0 xC0, /0 32 / 420 xF9, /10 xA4, /20 xB0, /30

59、 x99, /40 x92, /50 x82, /60 xF8, /70 x80, /80 x90, /9;/=主程序=void main(void)inital_cpu();main_xhfloop: if(OUT_CGQ=0)&(OUT_RQXL=1)/此時傳感器未損害且有燃氣泄露OUT_FMQ =0;/蜂鳴器報警for(time1=0;time160000;time1+);OUT_FMQ =1;/蜂鳴器滅for(time1=0;time160000;time1+);/此時蜂鳴器循環(huán)報警if(time=20) OUT_LED = 0;/報警燈亮if(time=40) OUT_LED

60、 = 1;/報警燈亮time=0; if(OUT_CGQ=1)&(OUT_RQXL=0)/此時傳感器損害 33 / 42OUT_FMQ =0;/蜂鳴器報警for(time1=0;time140000;time1+);OUT_FMQ =1;/蜂鳴器滅for(time1=0;time140000;time1+);/此時蜂鳴器循環(huán)報警if(time=40) OUT_LED = 0;/報警燈亮if(time=80) OUT_LED = 1;/報警燈亮time=0;/此時實現了兩次報警聲不同if(OUT_CLOCK=1)uchar (OUT_AD);WD_S=OUT_AD/10; /將溫度系數除以 10 取商W