單片機課程設(shè)計——煤氣自動檢測報警系統(tǒng)

1、單片機課程設(shè)計 任務說明書 題 目： 煤氣濃度檢測系統(tǒng) 所在院系： 機電汽車工程學院 專 業(yè)： 機101-4班 學 號： 姓 名： 完成日期： 2013/6/6 指導教師： 姜風國 煙臺大學摘要隨著時代的發(fā)展，煤氣已成為人們生活中必不可少的能源了，煤氣泄漏事件時有發(fā)生，給人們的人身安全和財產(chǎn)安全帶來了很多隱患，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).計算機的普及和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們己不滿足于傳統(tǒng)的居住環(huán)境，對家庭及住宅小區(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(xiàn)在希望住宅不僅更便利、舒適而

2、且更安全。家庭及住宅小區(qū)智能化的定義，在國際上至今尚無一致的般認為，在現(xiàn)代化的城鄉(xiāng)住宅小區(qū)內(nèi)綜合采用微型計算機、自動控制、通信與網(wǎng)絡(luò)及智能卡等技術(shù)，建立一個由住宅小區(qū)綜合物業(yè)管理中心與安防系統(tǒng)、信息通信服務與管理系統(tǒng)和家庭智能化系統(tǒng)組成的“三合一”住宅小區(qū)服務與管理集成系統(tǒng)，最終目的是使每一住戶得到滿足其要求的最佳方案。國家建設(shè)部規(guī)定，目前住宅小區(qū)應實現(xiàn)六項智能化要求，其中包括實行安全防范系統(tǒng)自動化監(jiān)控管理;防盜報警系統(tǒng)應安裝紅外或微波與煤氣泄漏報警器等各種類型報警探測器?；诖隧椧?guī)定，煤氣泄漏自動報警實現(xiàn)智能化勢在必行。本系統(tǒng)主要針對傳統(tǒng)煤氣檢測系統(tǒng)進行技術(shù)改進以滿足要求，至此本系統(tǒng)具有如下

3、特點用單片機實現(xiàn)定時控制，電路簡單、價格便宜、可靠性好。采用氣敏傳感器及防爆型電磁閥安全可靠，能有效的保證隨時接通和斷開煤氣控制電磁閥：有煤氣泄漏時有語音報警，并通過總線通知管理室雙重保障。因此本系統(tǒng)也可作為智能家居系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)。課程設(shè)計任務書題目：煤氣、酒精檢測課題的任務和要求本設(shè)計以MCS-51系列單片機為核心，采用常用的電子器件設(shè)計，自行設(shè)計電源，選用合適的氣體傳感器，檢測氣體濃度，數(shù)碼管顯示，當濃度超標的時候報警。設(shè)計步驟1、根據(jù)課題，查閱相關(guān)資料2、畫出系統(tǒng)原理框圖；3、畫出單元電路圖；4、編寫相應部分程序；、5、撰寫說明書目錄u1、前言41.1、煤氣檢測報警器的意義41.2、煤

4、氣檢測報警器的應用41.3、煤氣泄漏的危害5u2、總體電路設(shè)計62.1、總體電路的系統(tǒng)框圖62.2總體電路圖工作原理6u3、單元電路及器件的設(shè)計與分析83.1、單片機AT89C51介紹83.2、數(shù)模轉(zhuǎn)化ADC0804介紹103.3、數(shù)碼管LED介紹123.4、蜂鳴器報警介紹13u4、程序清單15u5、總結(jié)20u6、參考文獻21u7、主要元件清單22u 1、前言1.1、煤氣檢測報警器的意義近年來，全國煤氣行業(yè)發(fā)展迅猛，液化氣、天然氣、煤制氣等城市燃氣作為清潔能源已在工商業(yè)和城鎮(zhèn)居民用戶中得到廣泛應用，特別是隨著“西氣東輸”工程的快速進展，燃氣行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮?。城市燃氣的普及與應用無疑對改善城市的

5、環(huán)境質(zhì)量和提高居民的生活質(zhì)量發(fā)揮了巨大的作用。但是隨著燃氣的廣泛應用，由于燃氣泄露所引發(fā)的爆炸、中毒和火災事故也時有發(fā)生，這在某種程度上增加了城市的不安全和不穩(wěn)定因素。為使燃氣更好地造福于民，造福于社會，減少并杜絕各種因燃氣泄露而引發(fā)的爆炸及火災事故。因此本設(shè)計意義重大。1.2、煤氣檢測報警器的應用煤氣報警器的核心是氣體傳感器，俗稱“電子鼻”。當氣體傳感器遇到燃氣時，傳感器電阻隨燃氣濃度而變化，隨之產(chǎn)生電信號，供煤氣報警器后級線路處理。經(jīng)過電子線路處理變成濃度成比例變化電壓信號，由線性電路加以補償，使信號線性化，經(jīng)處理、邏輯分析，輸出各種控制信號，即當燃氣濃度達到報警設(shè)定值時，煤氣報警器發(fā)出蜂

6、鳴報警信號。燃氣報警器可分為民用可燃氣體報警器、工業(yè)用可燃性氣體報警器、有毒有害氣體報警器三大系列產(chǎn)品。(1)民用可燃氣體報警器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)出聲音報警，或同時伴有數(shù)字顯示，同時聯(lián)動外部設(shè)備。(2)工業(yè)用可燃性氣體報警器及有毒有害氣體報警器工業(yè)用可燃性氣體報警器及有毒有害氣體報警器只是檢測探頭有差異，而在原理和應用中都很相近。工業(yè)用燃氣報警器及有毒氣體報警器根據(jù)檢測環(huán)境的不同，也可分為檢漏儀、控制器和探測器。檢漏儀的體積較小，可隨身攜帶或手持，主要應用于燃氣管理的查漏與巡檢。若有燃氣泄漏，檢漏儀便會發(fā)出聲音報，同時數(shù)字顯示氣

7、體濃度，以便及時采取安全措施，防止爆炸等惡性事故的發(fā)生?？刂破髋c探測器結(jié)合使用，可在防爆現(xiàn)場長期監(jiān)測氣體的濃度。探測器安裝在防爆現(xiàn)場，控器壁掛在值班室等有人值守的地方，二者采用屏蔽電纜線連接。當在現(xiàn)場的探測器探測到燃氣泄漏之后，通過屏蔽電纜線將信號傳到控制器，控制器發(fā)出聲音警，確保安全。此種儀器廣泛應用于液化氣站、汽車加氣站、鍋爐房等工業(yè)場所。1.3、煤氣泄漏的危害一氧化碳的濃度與健康成年人中毒的可能癥狀50ppm 健康成年人在八小時內(nèi)可以承受的最大濃度200ppm 2-3小時后，輕微頭痛、乏力400ppm 1-2小時內(nèi)前額痛；3小時后威脅生命800ppm 45分鐘內(nèi)，眼花、惡心、痙攣；2小時

8、內(nèi)失去知覺；2-3小時內(nèi)死亡1600ppm 20分鐘內(nèi)頭痛、眼花、惡心；1小時內(nèi)死亡3200ppm 5-10分鐘內(nèi)頭痛、眼花、惡心；25-30分鐘內(nèi)死亡6400ppm 1-2分鐘內(nèi)頭痛、眼花、惡心；10-15分鐘死亡12800ppm 1-3分鐘內(nèi)死亡u 2、總體電路設(shè)計2.1、總體電路的系統(tǒng)框圖氣敏傳感器運算放大器數(shù)模轉(zhuǎn)換復位電路AT89C51LCD數(shù)碼顯示蜂鳴器報警2.2總體電路圖工作原理 總體電路圖如下所示，在本電路圖中使用定值電阻R1和電阻器RV3串聯(lián)分壓一模擬氣敏傳感器的輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0804后通過DB0.DB7引腳接入主芯片AT89C51中，至此完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。 經(jīng)過主芯片AT

9、89C51的控制輸出，從P0引腳輸出接到LED數(shù)碼管顯示氣體PPM數(shù)值，其數(shù)值以5毫秒每次的頻率檢測當前數(shù)值。將數(shù)碼管所得到的數(shù)據(jù)反饋到主芯片AT89C51的P2.0.P2.3中，當所得到的PPM數(shù)值達到300時，警報激發(fā)，由蜂鳴器開始發(fā)出警報。u 3、單元電路及器件的設(shè)計與分析3.1、單片機AT89C51介紹 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時

10、，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P

11、2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管腳 備選功能P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT

12、1（外部中斷1）P3.4 T0（記時器0外部輸入）P3.5 T1（記時器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE

13、脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加

14、12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3.2、數(shù)模轉(zhuǎn)化ADC0804介紹本試驗采用的A/D芯片為ADC0804，它是CMOS 8位單通道逐次漸近型的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，其規(guī)格及引腳圖如圖3所示，根據(jù)手冊我們可以得到各個引腳的大致功能如下：/CS：芯片片選信號，低電平有效，即/CS=0,該芯片才能正常工作，在外接多個ADC0804芯片時，該信號可以作為選擇地址使用，通過不同的地址信號使能不同的ADC0804芯片，從而可以實現(xiàn)多個ADC通道的分時復用。/WR:啟動ADC0804進行ADC采樣，該信號低電平有效，即/WR信

15、號由高電平變成低電平時，觸發(fā)一次ADC轉(zhuǎn)換。/RD:低電平有效，即/RD=0時，可以通過數(shù)據(jù)端口DB0DB7讀出本次的采樣結(jié)果。UIN（+）和UIN（-）：模擬電壓輸入端，模擬電壓輸入接UIN（+）端，UIN（-）端接地。雙邊輸入時UIN（+）、UIN（-）分別接模擬電壓信號的正端和負端。當輸入的模擬電壓信號存在“零點漂移電壓”時，可在UIN（-）接一等值的零點補償電壓，變換時將自動從UIN（+）中減去這一電壓。VREF/2：參考電壓接入引腳，該引腳可外接電壓也可懸空，若外界電壓，則ADC的參考電壓為該外界電壓的兩倍，如不外接，則Vref與Vcc共用電源電壓，此時ADC的參考電壓即為電源電壓V

16、cc的值。CLKR和CLKIN：外接RC電路產(chǎn)生模數(shù)轉(zhuǎn)換器所需的時鐘信號，時鐘頻率CLK = 1/1.1RC，一般要求頻率范圍100KHz1.28MHz。AGND和DGND：分別接模擬地和數(shù)字地。 /INT:中斷請求信號輸出引腳，該引腳低電平有效，當一次A/D轉(zhuǎn)換完成后，將引起/INT=0，實際應用時，該引腳應與微處理器的外部中斷輸入引腳相連（如51單片機的INT0,INT1腳），當產(chǎn)生/INT信號有效時，還需等待/RD=0才能正確讀出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，若ADC0804單獨使用，則可以將/INT引腳懸空。DB0DB7：輸出A/D轉(zhuǎn)換后的8位二進制結(jié)果。3.3、數(shù)碼管LED介紹引腳定義:每一筆劃都

17、是對應一個字母表示 DP是小數(shù)點.A、靜態(tài)顯示驅(qū)動：靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O埠進行驅(qū)動，或者使用如BCD碼二-十進位*器*進行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O埠多，如驅(qū)動5個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要5×8=40根I/O口來驅(qū)動，要知道一個89S51單片機可用的I/O口才32個呢。故實際應用時必須增加*驅(qū)動器進行驅(qū)動，增加了硬體電路的復雜性。B、動態(tài)顯示驅(qū)動：數(shù)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，每個數(shù)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，單片機對位元

18、選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位元就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。透過分時輪流控制各個LED數(shù)碼管的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。每位元數(shù)碼管的點亮時間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極體的余輝效應，盡管實際上各位數(shù)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口，而且功耗更低。3.4、蜂鳴器報警介紹聲光報警單元與單片機的連接圖如上：單片機本身I/O的驅(qū)動能力不是很高，所以對蜂鳴器的驅(qū)動需要加入一個PNP三極管，這樣

19、能夠使蜂鳴器的聲音更加響亮，起到更好的報警作用。三極管基極的電路保證了只有在單片機輸出低電平時，蜂鳴器才會發(fā)聲，避免了誤報警的發(fā)生。u 4、程序清單#include<reg51.h> /包含51單片機寄存器定義的頭文件#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define ad1_7 P1 /AD數(shù)據(jù)口sbit adcs=P31; /芯片選擇信號,控制芯片的啟動和結(jié)果讀取,低電平有效sbit adrd=P37; /讀數(shù)據(jù)控制,低電平有效sbit adwr=P36; /AD轉(zhuǎn)換起動控制,上升沿有效sbit wain=P3

20、0;unsigned char code Disp_Tab =0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00,0x40;/數(shù)字09的段碼unsigned char code dispbit4 =0xfe,0xfd,0xfb,0xf7; /數(shù)碼管位選控制變量 unsigned char a4=10,10,10,10;uint m=1;/50us延時子程序/void delay_50us(uint t) uchar j; for(;t>0;t-) for(j=19;j>0;j-);void display()P0=Disp_

21、Taba0;P2=dispbit3;delay_50us(1);P2=0xff;/每個數(shù)碼管按負值、打開、關(guān)閉的順序P0=Disp_Taba1;P2=dispbit2;delay_50us(1);P2=0xff;P0=Disp_Taba2;P2=dispbit1;delay_50us(1);P2=0xff;P0=Disp_Taba3;P2=dispbit0;delay_50us(1);P2=0xff;/啟動AD轉(zhuǎn)換子程序/void start_adc0804(void) adcs=0; /允許進行A/D轉(zhuǎn)換 adwr=0;delay_50us(2);adwr=1; /WR由低變高時,AD開始轉(zhuǎn)

22、換 adcs=1; /停止AD轉(zhuǎn)換delay_50us(10);/讀A/D數(shù)據(jù)子程序/uchar read_ad() uint ad_data; ad1_7=0xff; adcs=0; /允許讀 adrd=0; /讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié)果數(shù)據(jù)結(jié)果 delay_50us(5); ad_data=ad1_7; /把數(shù)據(jù)存到ad_data中 adrd=1;adcs=1; /停止A/D讀取 return(ad_data);/說明:當輸入電壓為5V時,A/D輸出為FFH,即輸入電壓=AD數(shù)據(jù)*(5/255)=AD數(shù)據(jù)/(255/5)=AD數(shù)據(jù)/51main()wain=0;EA=1; /開總中斷ET0=1; /

23、定時器T0中斷允許 TMOD=0x01; /使用定時器T0的模式1TH0=(65536-500)/256; /定時器T0的高8位賦初值TL0=(65536-500)%256; /定時器T0的低8為賦初值TR0=1; /啟動定時器T0while(1)display();void time0_interserve(void) interrupt 1 using 1 uint c;TR0=0; /關(guān)閉定時器T0 start_adc0804();c=read_ad()*(1000/255);if(c>=300) wain=1;elsewain=0;a0=c%10;a1=c/10%10;a2=c/100%10;a3=c/1000%10;TH0=(65536-500)/256; /定時器T0的高8位賦初值TL0=(65536-500)%256; /定時器T0的低位賦初值 TR0=1; /開啟定時器T0u 5、總結(jié)新型單片機智能煤氣監(jiān)控系統(tǒng)的