煤气泄漏监测系统设计.doc

发布时间：2022-05-31 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.02M 资料格式：doc 举报版权申诉

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第1章煤气检测系统设计的基本内容

1.1 煤气检测系统的主要任务

1.2 煤气检测系统的设计要求

第2章煤气检测系统设计的硬件设计

2.1 基于单片机实现

2.2 系统硬件电路的总体设计

2.2.1 气体传感器电路设计

2.2.2 放大电路的设计

2.2.3 A/D转换电路设计

2.2.4 单片机的最小系统设计

2.2.5 声光报警电路设计

2.2.6 数码管显示电路设计

第3章煤气检测系统的软件设计

3.1 主程序设计流程图

3.2 A/D转换控制程序设计流程图

3.3 显示子程序的设计流程图

3.4 报警子程序的设计流程图

第4章系统的功能仿真

4.1 仿真软件介绍

4.2 煤气检测系统的模块仿真

4.2.1 A/D转换模块测试

4.2.2 显示模块测试

4.2.3 声光报警电路模块测试

4.3 系统误差分析

参考文献

附录1 煤气检测系统的仿真电路图

附录3 浓度与电压值的对应关系

附录4 煤气检测系统的源程序

目录第 1 章煤气检测系统设计的基本内容..............................................................................1 1.1 煤气检测系统的主要任务..........................................................................................1 1.2 煤气检测系统的设计要求..........................................................................................1 第 2 章煤气检测系统设计的硬件设计............................................................................. 2 2.1 基于单片机实现..........................................................................................................2 2.2 系统硬件电路的总体设计..........................................................................................3 2.2.1 气体传感器电路设计.......................................................................................... 3 2.2.2 放大电路的设计.................................................................................................. 5 2.2.3 A/D 转换电路设计...............................................................................................6 2.2.4 单片机的最小系统设计.................................................................................... 10 2.2.5 声光报警电路设计.............................................................................................11 2.2.6 数码管显示电路设计........................................................................................ 12 第 3 章煤气检测系统的软件设计................................................................................... 13 3.1 主程序设计流程图....................................................................................................13 3.2 A/D 转换控制程序设计流程图................................................................................14 3.3 显示子程序的设计流程图........................................................................................15 3.4 报警子程序的设计流程图........................................................................................15 第 4 章系统的功能仿真.................................................................................................... 16 4.1 仿真软件介绍............................................................................................................16 4.2 煤气检测系统的模块仿真........................................................................................16 4.2.1 A/D 转换模块测试.............................................................................................16 4.2.2 显示模块测试.................................................................................................... 17 4.2.3 声光报警电路模块测试.................................................................................... 18 4.3 系统误差分析............................................................................................................19 参考文献............................................................................................................................. 20 附录 1 煤气检测系统的仿真电路图................................................................................. 21 附录 2 煤气检测系统的电路原理图................................................................................. 21 附录 3 浓度与电压值的对应关系..................................................................................... 22 附录 4 煤气检测系统的源程序......................................................................................... 23

第 1 章煤气检测系统设计的基本内容煤气测量系统中，设计一套具有有毒气体检测功能、报警功能、能够判断室内空气中煤气的泄露情况和显示当前室内有毒气体的浓度，用单片机控制报警器是否需要报警。煤气检测系统由硬件和软件两大部分组成。硬件部分主要包括气体传感器电路、放大电路、A \D 转换电路、单片机最小系统、单片机控制电路和报警电路和数码管显示电路。气体传感器用来检测室内空气中有毒气体的浓度，当室内空气中有毒气体含量超过允许标准浓度后，气体传感器所获得的感应信号，通过放大处理以后，再经过单片机的处理，控制报警电路发出报警处理。软件部分主要包括 A\D 的采样程序、数据处理、报警程序和显示程序。煤气检测系统设计在硬件设计方面，主要研究组成家用煤气泄漏报警控制系统的单片机芯片、气体传感器的使用方法，同时研究电路设计思路、电路组成，包括气体传感器、放大电路、单片机、声光报警电路和显示电路的设计，给出系统的整体结构框图、仿真电路图和整体电路原理图。 1.1 煤气检测系统的主要任务本论文是煤气检测系统设计的研制，主要完成： (1) 对煤气检测整个系统进行了整体规划； (2) 对煤气检测系统进行硬件设计和软件流程设计，分为主程序设计，A/D 转换控制程序的设计，数据处理，浓度显示程序设计、声光报警子程序设计等； (3) 软件的调试，功能仿真； (4) 画出煤气检测系统的电路原理图。 1.2 煤气检测系统的设计要求由于煤气检测系统主要包括气体传感器电路、放大电路、A \D 转换电路、单片机最小系统、声关报警电路和数码管显示电路等部分。本论文要求做以下设计： (1) 气体传感器对煤气是否泄漏进行检测； (2) 放大电路对检测出微弱的电压信号进行一定的放大处理； (3) A/D 转换程序设计，A/D 转换器能够时刻的对放大的电压信号进行采集； (4) 根据有毒气体浓度与采集的电压信号的关系进行数据转换处理； (5) 显示程序的设计，用 4 位数码管显示所测得的煤气浓度值。 (6)声关报警控制程序设计，根据气体浓度进行相应的处理. 1

第 2 章煤气检测系统设计的硬件设计 2.1 基于单片机实现微处理器的出现极大地促进了生产力的发展，提高了人们生活的质量，实现了工业的现代化和自动化。基于 8 位和 16 位单片机的嵌入式设备(如仪器仪表、数据采集和显示、过程控制、工业自动化等)的实时应用、测控系统正在走向网络智能化。这就要求企业从现场控制层到管理层能实现全方位的无缝信息集成，实现远程维护、智能诊断以及远程管理功能，提供一个开放的基础构架，并具有高可靠性、分散控制、集中监视和管理的功能。针对目前微型处理器的处理芯片的不同，本设计是基于 AT80C51 单片机实现煤气检测系统的设计。基于 AT89C52 单片机实现的煤气检测系统的具体方案如图 2-1 所示。该方案主要包括了可燃气体传感器、A/D 转换器、AT89C52 单片机控制电路、声光报警电路以及数码管显示电路。气体传感器输出为模拟量，很微弱需要进行放大电路的处理，单片机处理的是数字信号，需要利用 A/D 转换器，将模拟量转换成数字量送给 AT89C52 单片机进行数据的处理；声光报警电路里使用蜂鸣器作为报警用，同时还用 LED 灯进行相应的指示，以便于提醒注意；单片机的最小系统是 AT89C52 单片机工作的前提条件；显示电路采用了 4 位集成的数码管进行显示，由 AT89C52 单片机进行控制实现显示。气体传感器放大器 A/D 单片机最小系统 4 位数码管显示报警和指示灯单片机 AT89C52 图 2-1 基于 AT89C52 的单片机的煤气检测系统组成框图在煤气检测系统组成框图 2-1 中所示，系统以单片机 AT89C52 为控制的核心，配合外围电路共同完成信号采集、浓度的显示、声光报警电路的功能设计等。其中传感器采用的是 M-5，该传感器外形小，气体响应快，性能稳定，低功耗，常适用于泄漏监测器。放大电路采用的是 LM324 运放进行放大微弱的信号。A/D 转换器采用的是 ADC0808，它是采样频率为 8 位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件，具有功耗低，性能稳定的特点。数码管使用 4 位集成的共阴数码管。 2

2.2 系统硬件电路的总体设计系统硬件电路的总体设计主要包括了气体传感器电路设计、放大电路设计、A/D 转换器电路设计、单片机的最小系统、声光报警电路设计、数码管显示电路的设计和电源电路的设计等。 2.2.1 气体传感器电路设计气体传感器可以分为六大类： (1) 半导体气体传感器。 (2) 固体电解质气体传感器。 (3) 接触感染式气体传感器。 (4) 电化学式气体传感器。 (5) 光学式气体传感器。 (6) 高分子气体传感器。气体传感器应满足的基本条件一个气体传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个完整的气体传感器都必须具备以下条件： (1) 能选择性地检测某种单一气体，而对共存的其它气体不响应或低响应。 (2) 对被测气体具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的气体浓度。 (3) 对检测信号响应速度快，重复性好。 (4) 长期工作稳定性好。 (5) 使用寿命长。 (6) 制造成本低，使用与维护方便。气体传感器的分类和基本条件为选择哪种气体传感器提供了参考的依据。气体传感器是气体与气味检测的关键元件。我们选择的气体传感器是 MQ-5 ． MQ-5 特点 * 对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度 * 对乙醇，烟雾几乎不响应 * 快速的响应恢复特性 * 长期的使用寿命和可靠的稳定性 * 简单的测试电路 MQ-5 型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。我们建议您用 1000ppm 异丁烷或氢气校准传感器。当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。 3

2 2 Vh Vss 3 1 VCC 3 1 RL 4 4 CO传感器基本测量电路图 2-2 气体传感器管脚与基本测量电路图如图 2-2 里，其中 2、4 端为加热器的电源接线端,1、3 为传感器输出端,气体传感器工作原理是把传感器置于 CO 气体环中,SnO2 薄膜层的电阻会随着 CO 浓度的变化而变化,CO 浓度越大,SnO2 薄膜层阻值越小。图 2-2 为取得气体传感器输出信号的基本电路图,Vh 为加热电压,传感器电阻 RS 与负载电阻 RL 串联接到工作电压 VCC 两端, 由此可得关系:VRL=RL·VCC/（RL+RS）传感器阻值 RS 随着 CO 浓度的增大而减小时,输出负载电压 VRL 逐渐变大,所以通过测量负载电压即可反应出被测对象的 CO 浓度。一氧化碳达到一定浓度以后，会引起中毒的可能症状 50ppm 200ppm 400ppm 800ppm 1000ppm 1200ppm 健康成年人在八小时内可以承受的最大浓度 2-3 小时后，轻微头痛、乏力 1-2 小时内前额痛；3 小时后威胁生命 45 分钟内，眼花、恶心、痉挛；2 小时内失去知觉； 1 小时内死亡 45 分钟可能导致死亡我们从上面的数据可以看出来，随着一氧化碳的浓度的升高，CO 对我们的身体的健康就会造成更大的伤害，所以，我将 CO 浓度与报警控制处理方式，进行了划定，为编程参考作为依据。 CO 浓度（ppm）控制处理方式说明表 2-1 CO 浓度与控制处理＜400 ≥400 ≥800 正常情况处理一般报警严重报警指示灯亮绿色小喇叭报警指示灯亮红色且小喇叭报警一氧化碳的浓度在 400ppm 范围以内，我们就按照正常情况处理，即不需要报警处理；当一氧化碳的浓度大于等于 400ppm 以后，我们就按照一般报警情况处理，目的是为了开始进行报警提示，以便于提醒人们的注意；当一氧化碳的浓度达到 800ppm 值以后，我们就必须的进行严重的报警处理。 4

CO 气体传感器属于气敏传感器，通过放大处理后，再经过 A/D 转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，经过单片机完成数据处理及报警控制，最后送给数码管显示。气体传感器作为煤气泄露测试装置报警器的信号采集部分。由此可见，气体传感器是本系统检测的起点也是系统的核心和重点，选择合适的传感器成为决定系统成功的关键。 2.2.2 放大电路的设计由于气体传感器采集的电信号一般很小，而且存在共模成分，需要经过放大电路放大，之后方可进行 A/D 转换。气体传感器输出的信号幅度很小，存在着不同程度的电磁干扰，因此在本设计中，放大电路采用 LM324 放大器进行放大，对来自传感器的信号经行精密放大，同时抑制共模成分提高信号质量。 LM324 系列器件为四运算放大器，LM324 的引脚排列见图 2-3 所示。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到 3.0 伏或者高到 32 伏的电源下。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器，可用图 2-3 所示的符号来表示，它有 5 个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相同。图 2-3LM324 的引脚放大电路设计中，我们采用一个增益可调的同向放大电路，计算公式为 AV=1+Rf/R2，其中 Rf=200k(可调的)，R2 取 10K,AV 最大可达 21，从而给调试带来了极大方便。它可以构成仪表的放大器，具有线性度优良、温度稳定性高和体积小、可靠性高等优点。 5

图 2-4 气体传感器的放大电路设计由 LM324 构成的气体传感器的放大电路如图 2-4 所示。在图中接口 J3 为气体传感器的电源接口，气体传感器与电阻 RV 构成串联型分压式电路，直流电压+5V 经过稳压处理以后，电压比较稳定，给 MQ-5 提供供电电压和加热电压；LM324 构成增益可调的放大电路，放大电路的输出端 1 管脚接入 ADC0808 的 IN0 引脚。 2.2.3 A/D 转换电路设计 ADC0808 芯片有 28 条引脚，如图 2-5 ADC0808 管脚图所示，采用双列直插式封装，下面说明各引脚功能。 IN0～IN7：8 路模拟量输入端。 D0～D7：8 位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路。 ALE：地址锁存选通信号，输入高电平有效。 START： A／D 转换启动信号，输入高电平有效。 EOC： A／D 转换结束信号，当 A／D 转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入高电平有效。当 A／D 转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压输入端,它们决定了输入模拟电压的最大值最小值. VCC：电源，接＋5V。 GND：接地。 6

图 2-5 ADC0808 管脚图 ADC0808 芯片主要特性: 1. 8 路 8 位 A／D 转换器，即分辨率 8 位,N=8 2. 具有转换起停控制端 3. 转换时间为 100μs 4. 单个＋5V 电源供电 5. 模拟输入电压范围 0～＋5V，不需零点和满刻度校准 6. 工作温度范围为-40～＋85 摄氏度 7. 低功耗，约 15mW ADC0808 芯片的几个重要技术指标： 1、转换速度转换速度是指完成一次 A/D 转换所需时间的倒数，是一个很重要的指标。A/D 转换器型号不同，转换速度差别很大。通常，8 位逐次比较式 ADC 的转换时间为 100us 左右。由于本系统的控制时间允许，可选 8 位逐次比较式 A/D 转换器 ADC0808。 2、ADC 位数的选择 A/D 转换器的位数决定着信号采集的精度和分辨率。对于该 8 个通道的输入信号，8 位 A/D 转换器， 1 精度： 28 1 = 256 Vref 分辨率： 28 =0.39%. 5 = 256 =0.0195323V  20mv(输入为 0～5V 时) Vref 1 量化误差：Q= 28 2  10mv 说明：Vref—A/D 转换器的参考电压，即为基准电压，选取 Vref=5V； 7

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