可編輯版/可編輯版本科畢業(yè)論文<設計>題目：基于單片機的煤氣泄漏及報警系統(tǒng)的設計學院：物理與電子科學學院班級：姓名：指導教師：職稱：完成日期：年月日基于單片機的煤氣泄漏及報警系統(tǒng)的設計摘要：隨著社會的進步和發(fā)展,人們的生活水平也在不斷提高,煤氣作為一種必不可少的能源出現在了人們的日常生活中。煤氣給人們生活帶來方便的同時,也帶來了一定的困擾。煤氣泄漏,煤氣中毒,煤氣罐爆炸等惡性事件時有發(fā)生。所以,為了避免這類事件的發(fā)生,作為一種預防的手段,監(jiān)測空氣中煤氣的濃度很有必要。所以利用單片機和傳感器技術設計一種可以自動監(jiān)測空氣中煤氣濃度達到一定值時報警的系統(tǒng)。關鍵詞：煤氣濃度檢測傳感器單片機目錄20927前言173951系統(tǒng)設計的背景和目的2325771.1系統(tǒng)設計背景2168851.2系統(tǒng)設計目的2237782系統(tǒng)結構組成和原理2168172.1系統(tǒng)結構257392.2系統(tǒng)原理3253363相關器件以及技術的介紹3247243.1單片機介紹3240953.2氣敏傳感器介紹4184603.3A/D轉換4109403.4煤氣中毒5317404系統(tǒng)硬件設計5113234.1單片機工作條件5103154.2信號采集和放大電路5158404.3數碼管顯示電路639064.4A/D轉換電路757384.5聲音報警電路7148415系統(tǒng)軟件設計7115686系統(tǒng)調試與實現8609參考文獻12前言隨著社會的進步和發(fā)展,人們的生活水平也在不斷提高。近年來,煤氣以罐裝和管道的形式進入了尋常百姓人家,但是,由于使用和設備方面的問題,導致煤氣引發(fā)的惡性事件時有發(fā)生。城區(qū)居民使用管道煤氣,管道中一氧化碳濃度為25%至30%,如果管道漏氣、開關不緊煤氣大量溢出,可造成中毒,嚴重者甚至引起起火爆炸。20XX3月17日,XX市南湖新村中街發(fā)生燃氣泄漏事故,4人一氧化碳中毒,其中兩人住院治療,18歲的高中生小明〔化名不幸身亡。20XX12月4日上午7時45分左右,上海市公安局110接報,虹口區(qū)XX路一棟三層老式公房發(fā)生居民煤氣中毒事故,上海市公安局、衛(wèi)生、建設交通等有關部門以及虹口區(qū)立即啟動應急搶險預案、趕赴現場進行搶險,現場發(fā)現25人煤氣中毒,已分別送醫(yī)院救治。20XX9月18日強盛鐵合金臨時停產檢修,要檢修東燒結閥蓋密封箱體蓋板等。10時許高爐休風,16時25分后高爐復風,此時燒結平臺下閥蓋密封箱體內進行焊接作業(yè)的3人中毒,1人焊好蓋板爬出人孔時中毒,平臺上配合檢修者立即去關煤氣閥門,將閥門關閉后自己即暈倒在閥門平臺區(qū)。此次,造成4人死亡,1人輕微中毒。這類事故時有發(fā)生,所以,煤氣的安全問題成為一個受人關注的社會話題。為了避免這類事件的發(fā)生,作為一種防御的手段,監(jiān)測空氣中煤氣的濃度很有必要。本設計基于單片機和氣體傳感器的技術,是一種智能煤氣監(jiān)控系統(tǒng),可以對煤氣進行實時的檢測、監(jiān)控。當煤氣發(fā)生泄漏,室內氣體的濃度達到預先設定的限定值時本系統(tǒng)可以及時報警,并關閉煤氣閥門,從而有效的避免了惡性事故的發(fā)生。1系統(tǒng)設計的背景和目的1.1系統(tǒng)設計背景在20世紀的主要成就中,就有集成電路和電子計算機的發(fā)展。在20世紀70年代出現了微型計算機,70年代中期微型計算機又分支出來一個小小的派系——單片機。繼4位單片機的出現,又出現了8位單片機。MCS-48系列,尤其是MCS-51系列單片機的出現,確立了單片機作為微控制器〔MCU地位。在品種眾多的單片機中,MCS-51系列單片機是單片機中的主流機型,其結構完整、特殊功能寄存器規(guī)范,指令系統(tǒng)的控制功能。單片機的應用非常廣泛,在家用電器領域,辦公自動化領域,商業(yè)營銷領域,工業(yè)自動化,智能儀表與集成智能傳感器系統(tǒng)的控制電路,汽車電子與航空航天電子系統(tǒng)等方面都有應用。隨著現代科學技術發(fā)展,傳感器與測試技術也有了迅猛的發(fā)展,廣泛應用于人類的社會研究和生產中,并起著越來越重要的作用。隨著微電子學、微細加工技術和集成化工藝等方面的發(fā)展,將敏感器件與其信號處理電路制作在一塊芯片上,可以實現傳感器的集成化和微型化。目前,傳感器與計算機的緊密結合,使傳感器不僅具有信號檢測的功能,還有記憶、存儲、自診斷、自校準、自適應等功能,從而實現了傳感器的智能化。1.2系統(tǒng)設計目的伴隨著人民生活水平的提高,煤氣的使用已經平民化,而煤氣的使用也帶來了一系列問題,正確安全的使用煤氣很有必要。雖然人們對于煤氣泄漏有一定的防范意識,但是惡性事件時有發(fā)生生,給人民生命和財產帶來個巨大的損失。經過調查發(fā)現,一氧化碳報警器可以有效地降低事故的發(fā)生率。而計算機的普及使人們對生活的要求變得更高,所以智能化、人性化成為現代人對生活水平的追求。所以設計出一個可以智能監(jiān)控煤氣濃度的系統(tǒng),可以給人民生活帶來方便和安全。本系統(tǒng)的特點：〔1結構電路相對簡單,價格便宜；〔2智能系統(tǒng),實時檢測,監(jiān)控,并及時報警；〔3安全可靠。本設計使用MCS-51單片機可以達到題目的設計要求,可以準確采樣煤氣濃度。而且該系列單片機是主流機型,容易學習和操作,性能也相對較好。2系統(tǒng)結構組成和原理2.1系統(tǒng)結構系統(tǒng)采用單片機作為核心控制,氣敏傳感器作為信息提取部件。主要包括：氣體檢測及放大整形電路、聲光報警電路、數碼管顯示、及復位電路。2.2系統(tǒng)原理氣敏傳感器實時監(jiān)測煤氣濃度信號,輸出量為模擬信號,濃度信號經A/D轉換送入單片機,單片機對信號進行處理送入顯示電路,實時顯示煤氣濃度,當煤氣濃度超出限定值,實現聲光報警。r傳感器傳感器放大器串口A/D晶振8051顯示聲響其他圖1基于單片機的實現監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理是利用半導體氣敏傳感器將煤氣濃度變換為模擬電壓信號,此電壓信號經放大后送到A/D轉換器,變換成數字量送入單片機進行數據分析,數據處理后送入顯示電路顯示煤氣濃度信息。當煤氣濃度達到限定值,輸出數字信號驅動聲光報警。3相關器件以及技術的介紹3.1單片機介紹隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展,可以將CPU、RAM、ROM、定時器/計數器以及輸入/輸出〔I/O接口電路等計算機的主要部件集成在一塊集成電路芯片上。這樣組成的芯片級的微型計算機直譯為"單片機"。單片機的應用領域有：家用電器領域,辦公自動化領域,商業(yè)營銷領域,工業(yè)自動化,只能儀表與集成智能傳感器傳統(tǒng)的控制電路,汽車電子與航空航天電子系統(tǒng)等領域。單片機在結構上突破了常規(guī)的按邏輯功能劃分芯片、由多片構成微型計算機的設計思想,將構成計算機的許多功能集成在一塊晶體芯片上。在眾多的單片機中又以80C51的結構具有顯著特點,由于80C51系列單片機機器兼容機所具有的的一系列優(yōu)點獲得了廣泛應用,被多家單片機廠家選作內核,所以成為了事實上的主流機型。80C51采用了CMOS技術技術制造而成,集成度高,速度快,功耗低,可以常規(guī)編程,也可以在線編程。本設計采用AT80C51如圖2所示圖2AT89C513.2氣敏傳感器介紹傳感器廣泛應用于人類的社會生產和科學實驗中,起著越來越重要的作用。成為國民經濟發(fā)展和社會進步的一項必不可少的重要技術。傳感器的工作原理是基于各種效應和定律,以半導體材料、陶瓷材料、和有機材料為代表為代表的新型敏感材料應用于傳感器件中,不僅使可測量的參量增多,使力、熱、光、磁、溫度、氣體、離子等方面的一些參量的測量成為現實,同時也使集成化、小型化和高性能傳感器的出現成為可能。目前,傳感器與計算機的緊密結合,使傳感器不僅具有信號檢測功能,同時還具有記憶、存儲、自診斷、自校準、自適應等功能,從而實現了傳感器的智能化。傳感器的種類繁多,往往同一種被測量可以用不同類型的傳感器來測量,而同一原理的傳感器又可測量多種物理量,因此傳感器有很多。根據測量對象,本設計采用氣敏傳感器,它是一種將檢查到的氣體成分和濃度轉換為點信號的傳感器本設計使用的氣敏傳感器可以將與煤氣濃度有關的信息,轉換為電信號。3.3A/D轉換信號是反應消息的物理量,信號是消息的表現形式,由于非電的物理量可以通過各種傳感器較容易的轉換成電信號,而電信號又容易傳輸和控制。將模擬信號轉換成數字信號的電路稱為模數轉換器,簡稱A/D轉換器。本設計是檢測空氣中的煤氣濃度,而模擬信號不能直接送往單片機進行處理,所以必須進行A/D轉換.3.4煤氣中毒煤氣中含有一氧化碳,一氧化碳無色無味,常在意外情況下,特別是在睡眠中不知不覺侵入呼吸道,通過肺泡的氣體交換,進入血液中形成碳氧血紅蛋白,并散布全身,造成中毒?？諝庵幸谎趸紳舛冗_到0.02%,人體就會出現中毒癥狀,如頭暈、頭痛、惡心,無力等,嚴重者甚至死亡。4系統(tǒng)硬件設計4.1單片機工作條件AT89C51單片機工作條件接線圖如圖3所示：圖3單片機工作條件接線圖4.2信號采集和放大電路傳感器輸出來的信號Vi經過運算放大器LM324的同相輸入端,但是為了保證引入的是負反饋,輸出端電壓Vo通R4接到反相輸入端,同時,反相輸入端通過電阻R3接到參考電壓V。信號采集和放大電路如圖4所示：圖4信號采集和放大電路4.3數碼管顯示電路報警器的濃度顯示采用數碼管,LED數碼管因為驅動方式的不同有靜態(tài)和動態(tài)兩種顯示方式。靜態(tài)顯示,每一位字段碼分別從I/O控制口輸出,保持不變知道CPU刷新,特點是編程相對比較簡單一點,但是占用的I/O口較多,適用與顯示位數較少的場合。動態(tài)顯示,在某一瞬時顯示一位,一次循環(huán)掃描顯示,特點是占用的I/O口較少,電路簡單單編程較復雜,CPU要定時掃描刷新顯示。適用于顯示位數較多的地方。本系統(tǒng)采用動態(tài)顯示,共陰型8位動態(tài)顯示電路如圖5：圖5共陰型8位動態(tài)顯示電路4.4A/D轉換電路A/D轉換器是能把模擬信號轉變?yōu)閿底中盘?我們經常采用的是逐次逼近式A/D轉換器作為就扣電路,它結構簡單,轉換速度較高.本設計采用ADC0804,它的分辨率為8位,屬于連續(xù)漸進式經放大器放大后的煤氣信號Vo送人A/D轉換電路,最后將信號送人單片機內部。A/D轉換電路如圖6所示：圖6A/D轉換電路4.5聲音報警電路聲音報警電路如下圖所示,當煤氣的濃度達到8051單片機內部程序所設定的值時,報警電路中的喇叭將會發(fā)出刺耳的聲音,將房屋中的煤氣濃度下降到安全值以下,聲音報警將會自動解除報警,等待下一次報警。聲音報警電路如圖7所示：圖7聲音報警電路5系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件采用MCS51匯編語言編制,包括系統(tǒng)主程序和中斷服務子程序、誤差自動校準子程序等。主程序流程圖如下開始開始A/D轉換數據處理程序初始化是否超過報警值濃度顯示報警鎖定,等待復位圖8主程序流程圖6系統(tǒng)調試與實現系統(tǒng)同調試仿真階段,理論上是用A/D轉換器把氣敏傳感器檢測到的電信號輸送入單片機,現在用按鍵電路來代替。按鍵電路可以設定數值來代表需要的煤氣濃度。數碼管顯示采用動態(tài)顯示方式,結合按鍵電路的輸入,在數碼管上顯示需要的煤氣濃度數值。實現電路如圖9圖9系統(tǒng)總電路分別對P1.0、P1.1、P1.2端口編程,實現分別控制數碼管的個位、十位、百位的+1操作,關鍵程序：GO:JNBGSET,S1S1：LCALL,DELAYJBGSET,A1INCSETGMOVA,SETGCJNEA,#10,J0MOVSETG,#0INCSETSMOVA,SETSCJNEA,#10,J1MOVSETS,#0LJMPK2J0：JBGSET,GOLCALLDISPLAYSJMPJ0以上程序是對個位數字的控制,十位,百位也是同樣的方法。關鍵顯示子程序：DISPLAY:MOVA,SETGCLRP2.0MOVCA,@A+DPTRMOVP0,ALCALLDELAYSETBP2.0以上是對個位的賦值控制,對十位,百位的控制方法一樣。系統(tǒng)主程序：#include<reg51.h>#include<intrins.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharsbitadrd=P3^7;//IO口定義sbitadwr=P3^6;sbitcsad=P3^5;sbitwei_g=P2^0;sbitwei_s=P2^1;sbitbjq=P1^3;unsignedcharj,k,adval;voiddelay<unsignedchari> //延時程序{for<j=I;j>0;j-->for<k=125;k>0;k-->;}uchartable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};voiddisplay<ucharsh_c,ucharg_c> //顯示程序{wei_g=1;wei_s=0;P0=table[g_c];delay<5>;wei_g=0;wei_s=1;P0=table[sh_c];delay<5>;}voidmain<> // 主程序{uchara,A1,A2;while<1>{csad=0;//選通ADCSadwr=0; _nop_<>;adwr=1;csad=1;//關閉ADCSdelay<10>;for<a=20;a>0;a-->{display<A1,A2>;} //送去顯示各位。P1=0xff;//讀取P1口之前先給其寫全1csad=0;//選通ADCSadrd=0;//AD讀使能adval=P1; //AD數據讀取賦給P1口adrd=1;csad=1;//關閉ADCSadwr=0;adval=adval/0.25;//數據處理if<adval>51>//判斷報警濃度大于20%報警{delay<20>;if<adval>51>bjq=1;while<1>;//報警控制,等待復位}A1=adval/10; //分出十,和個位A2=adval%10;};}當煤氣濃度達到單片機內程序所設置的限定值〔20%時,聲音系統(tǒng)中的喇叭會發(fā)出警報的聲音；當煤氣濃度下降到限定值一下時,聲音系統(tǒng)停止報警,等待下一次報警程序的執(zhí)行。結論：基于單片機的煤氣泄漏及報警系統(tǒng)的設計,采用單片機技術,實現了系統(tǒng)的多樣化和智能化。本系統(tǒng)設計電路簡單,穩(wěn)定性高,容易實現,成本低廉。本系統(tǒng)主要的功能：〔1對空氣中煤氣濃度的檢測;<2>煤氣濃度達到一定值時報警。參考文獻[1]何立民.單片機中級教程——原理與應用.第二版[M].北京:航空航天大學出版社,2006.10.[2]李曉瑩.傳感器與測試技術[M].高等教育出版社,2005.1.[3]童詩白,華成英.模擬電子技術基礎[M].第四版.高等教育出版社,2006.5.[4]閻石.數字電子技術基礎[M].第五版.高等教育出版社,2006.5.[5]膝杰.住宅小區(qū)防火、防災單片機自動監(jiān)測系統(tǒng)[J].XX城市職業(yè)技術學院學報,2005<4>:160-l61.[6]畢宏彥,鄭鐵.防盜防火監(jiān)控系統(tǒng)設計研究[J].現代電子技術,2002,137<6>:10一12.[7]吳英才等.住宅防盜防火多媒體集中監(jiān)控系統(tǒng)的設計.上海理工大學學報[J].2004,26<4>:176-179.[8]邊海龍,賈少華.USB2.0設備的設計與開發(fā)[M].北京:人民郵電出版社,2004.[9]Paulf.Lister.Single-chipmicrocomputers[M].McGraw-Hill,2004[10]PaulMuller.CMOSmultichann