可燃气体泄露报警器.docx
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可燃气体泄露报警器
成绩评定:
传感器技术
课程设计
题目可燃气体泄漏报警器
目录
一、设计目的……………………………………………………………1
二、设计任务与要求……………………………………………………1
2.1设计任务……………………………………………………………………1
2.1设计要求……………………………………………………………………2
三、设计步骤及原理分析………………………………………………2
3.1设计方法……………………………………………………………………2
3.2设计原理及分析……………………………………………………………3
3.3设计步骤……………………………………………………………………5
四、课程设计小结与体会……………………………………………7
五、参考文献……………………………………………………………8
一、设计目的
系统以MQK气体传感器和AT89C51单片机为核心,设计气体泄漏报警器。
实现:
1.准确测量周围环境中的可燃性气体、有毒有害气体的泄漏;
2.实现系统各个模块的功能控制;
3.实现单片机编程语言系统的控制及传感器电路的控制。
4.研究单片机各接口的作用及功能;
5.了解MQK气体传感器的具体功能;
6.实现对基本报警电路的控制。
二、设计任务与要求
2.1设计任务
设计是利用单片机控制技术,制作了程控一氧化碳报警器。
该仪器对一氧化碳进行实时监控,当一氧化碳的浓度超过允许值时,单片机控制电路进行报警,并通过外接排风扇进行程控,以防事故发生。
基于AT89C51性价比高的优势,主要运用了AT89C51单片机进行控制。
而对与报警器而言至关重要的部分是传感器,由于GS系列气敏元件采用半导体敏感材料,其灵敏度、选择性、稳定性、抗干扰性、响应时间及寿命等主要性能,均达到国内先进水平。
用该系列元件组装成易燃易爆和有毒气体泄漏报警器及检测装置,可广泛运用于矿山、油田、化工、国防、医药及家庭,所以在设计中采用的是GS系列传感器。
在模数转换这块,利用ADC0809实现模数转换,ADC0809是8位逐次渐进型的A/D转换器,它采用COMS工艺20个引脚双列直插式封装,它有三态琐存器,直接驱动数据总线,与微机相连时不需要附加接口电路。
为了方便用户了解浓度信息,好提前准备,还采用了显示环节。
显示器显示常用两种方法:
静态显示和动态扫描显示。
所谓静态显示,就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。
这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路,就不用管它了,直到要显示新的数据时,再发送新的字形码,因此,使用这种方法单片机中CPU的开销小。
可以提供单独锁存的I/O接口电路很多,这里运用了常用的74LS1648位移位寄存器串并转换电路。
总的来说,设计主要利用了以上的检测模块,A/D转换模块,显示模块,事故处理模块,控制模块五大模块,组成了可燃气体探测报警器。
2.2设计要求
(1)系统要求设置正常工作状态,除正常工作状态外,电磁阀要求处于关闭状态,以切断煤气通道,防止煤气外泄。
(2)在非正常工作状态下,当室内一氧化碳的浓度达到100ppm时系统应启动音乐报警,若2min报警无效,系统应启动排风扇进行通风排气。
(3)系统进入正常工作状态后,先启动排风扇进行通风,然后启动电磁阀供给煤气。
(4)系统进入正常工作状态,自45min后,每隔10min音乐响起一次,用来提醒用户在工作完毕后,停止供气。
(5)在正常工作状态下,当系统检测到一氧化碳的浓度达到300ppm时,应关闭电磁阀,切断煤气通道以防止意外事故的发生。
三、设计步骤及原理分析
3.1设计方法
设计是利用单片机控制技术,制作了程控一氧化碳报警器。
该仪器对一氧化碳进行实时监控,当一氧化碳的浓度超过允许值时,单片机控制电路进行报警,并通过外接排风扇进行程控,以防事故发生。
基于AT89C51性价比高的优势,主要运用了AT89C51单片机进行控制。
而对与报警器而言至关重要的部分是传感器,由于GS系列气敏元件采用半导体敏感材料,其灵敏度、选择性、稳定性、抗干扰性、响应时间及寿命等主要性能,均达到国内先进水平.用该系列元件组装成易燃易爆和有毒气体泄漏报警器及检测装置,可广泛运用于矿山、油田、化工、国防、医药及家庭,所以在设计中采用的是GS系列传感器。
在模数转换这块,利用ADC0809实现模数转换,ADC0809是8位逐次渐进型的A/D转换器,它采用COMS工艺20个引脚双列直插式封装,它有三态琐存器,直接驱动数据总线,与微机相连时不需要附加接口电路。
为了方便用户了解浓度信息,好提前准备,还采用了显示环节。
显示器显示常用两种方法:
静态显示和动态扫描显示。
所谓静态显示,就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。
这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路,就不用管它了,直到要显示新的数据时,再发送新的字形码,因此,使用这种方法单片机中CPU的开销小。
可以提供单独锁存的I/O接口电路很多,这里运用了常用的74LS1648位移位寄存器串并转换电路。
总的来说,设计主要利用了以上的检测模块,A/D转换模块,显示模块,事故处理模块,控制模块五大模块,组成了可燃气体探测报警器。
3.2设计原理及分析
1.系统的组成
整个报警器由三个部分组成:
浓度检测及显示模块。
主控模块和报警及事故处理模块。
系统的组成框图如图3-4所示。
故障处理
报警控制
浓度显示
AT89C51
气体浓度检测
工作状态设置
图3-4系统组成框图
2.系统各模块的功能
(1)气体浓度检测模块
系统采用三点单独检测的方法,可用来巡回检测三个不同的房间;也可用来巡回检测同一个房间的不同方位.检测器件选用高温一氧化碳气体传感器(GS-A1),该传感器对一氧化碳具有很高的灵敏度,稳定性和抗湿性良好,加活性碳罩后,可防止乙醇等有机气体的干扰.检测结果经高精度运放器OP07放大后,送入ADC0809模P数转换芯片进行模)数转换,单个传感器检测电路图如图5。
(2)模数转换模块
在本设计中,另一重要模块就是A/D模数转换模块。
因为模拟信号不能直接送往单片机进行处理,必须进行A/D转换。
模数转换的过程有四个阶段,即:
采样,保持,量化和编码。
本设计利用ADC0809实现模数转换。
ADC0809是8位逐次渐进型的A/D转换器,它采用COMS工艺20个引脚双列直插式封装,它有三态琐存器,直接驱动数据总线,与微机相连时不需要附加接口电路。
3.显示电路
由P0口输入的数据,在单片机内部进行标度变换后,从单片机的串行口输出进行显示.系统的工作状态和气体浓度,采用LED数码管显示,每30秒刷新一次.为了不再扩展IPO口,系统采用串行口的移位功能扩展为4位静态显示电路.第一位为系统工作状态显示,后三位为一氧化碳气体浓度显示.当第一位为“00”时,表示系统工作在三点巡回检测同一个房间状态;为“8”时表示系统工作在三点巡回检测同一个房间正常工作状态;为“1”、“2”、“3”时表示系统工作在单独检测状态,此时后三位显示的数据分别为第1号、第2号、第3号传感器所检测到的一氧化碳气体浓度。
浓度显示单位为5ppm.74LS164为串行输入,并行输出寄存器,当P2.0=1且AT89C51的TXD端有输出时,74LS164接收串行数据,更新显示;当P2.0=0时,显示的内容不变。
电路图
当有可燃性气体泄露时,传感器接触到可燃气,使其电导率上升,电阻下降,使VR1上升,当VR1高于V-时,比较器输出一个大于7V的电压,从而使蜂鸣器HA发出滴、滴的报警声。
4.报警与数据处理模块
当气体浓度超过允许值时,该模块动作,发出警报信号并根据不同情况进行事故处理.P2.2端为音乐控制端,P2.3端为电磁阀启动控制端,P2.4为排风扇控制端,均为高电平有效.为防止市电对系统的干扰,P2.3和P2.4端都经过光电耦合管对电磁阀和排风扇进行控制.
系统各模块之间的接线图如图6所示.
图5单个传感器电路图
5.系统主要器件的介绍
(1)GS传感器介绍
设计中所用到的气体传感器是GS系列传感器,下面具体介绍一下GS系列气体传感器:
GS系列气敏元件采用半导体敏感材料,工艺独特为国内首创,其灵敏度、选择性、稳定性、抗干扰性、响应时间及寿命等主要性能,均达到国内先进水平.用该系列元件组装成易燃易爆和有毒气体泄漏报警器及检测装置,可广泛运用于矿山、油田、化工、国防、医药及家庭.GS系列传感器主要有以下特点:
1)灵敏度高、功耗低,输出信号强.
2)选择性好、对被检测的气体非常敏感,而对干扰气体则灵敏度很低
3)稳定性、可靠性强
4)具有抗高温、抗高湿性能
5)元件不含任何贵金属催化剂,具有抗中毒及抗饱和性能.
但由于气体传感器是使用半导体材料来制作,不可避免的是有温度漂移问题,如何处理好气体传感器温度补偿问题是报警器设计的关键(图3-1、图3-2).以前的一般做法是把报警器的报警阀值电压作补偿,这样的电路会简单一些,但温度补偿的效果不太理想,主要是在低温环境里,气体传感器的表面温度降低导致气体传感器的性能变差,解决的方法是在低温环境里提高气体传感器的加热功率,使气体传感器的表面温度维持相对恒定,达到使气体传感器稳定工作的目的。
3.3设计步骤
本设计的主要功能实现在于程序的编写,流程图如图4-1:
图4-1软件流程图
如图所示,整个报警器程序上分成中断取值转换、调零、报警、显示四大模块。
1.主程序
整个程序一共使用了两个中断,一个外部中断即INT0中断,一个定时/计数器中断即IT0中断.这两个中断各有其作用,INT0中断是用来判断A/D转换器ADC0809对模拟信号的转换是否完成,当A/D转换结束后,ADC0809发出结束EOC(高电平)信号,该信号可供单片机查询,也可反相后作为向单片机发出中断信号,而本设计正是用的这个方法,使得程序进入中断取值程序.而程序中所用到的IT0中断,是为产生一个周期为2S的方波而设计的,其作用是为看门狗产生喂狗子信号.具体程序如下:
2.调零子程序
由于未知问题,可能造成送入单片机中显示的模拟电压量与真实电压存在区别,这种误差可以通过在中断处理中对A/D转换的数值加上一个调整值来解决。
这样,我们就能根据实际情况来对报警器输出的数值进行控制,使其记数更加精确,使用更方便。
我们可以利用对端口的电平高低来判断是否需要进行调零处理,故可将按键开关接于端口P2.2.若开关按下,则说明有调零需要,于是进入调零处理程序;若开关没有按下,则说明没有调零需要,系统进入下一步.通过设置一个按键,既可保证程序顺利进行,又方便用户使用
3.显示子程序
因为通过A/D转换进入单片机8051的浓度值以十六进制存在,为了让LED显示需要转换为BCD码,
4.报警子程序
本设计采用了声光报警,当探测器探测的浓度超过报警设定值时就会同时产生音乐报警和灯光报警,此时红灯亮启,喇叭发出音乐,而正常时,喇叭关闭,红灯关闭,而显示正常的绿色LED亮启,本设计为了安全起见,还设置了事故处理装置,即出现危险使,探测器除了报警外,还会使排气扇的阀门打开,对室内进行排气,以免产生气体爆炸或是中毒
5.中断取值子程序
从硬件电路图可以看出,A/D0809的INTR端通过反相器与单片机的外部中断INT0相连,由A/D0809的管脚功能可知,当A/D开始转换送入的模拟电压时,INTR端为低电平,转换完成后,INTR端变成高电平,通过反相器变成低电平使单片机89C51产生外部中断,进入中断处理程序:
6.程序的调试
程序输入完后就进入调试阶段。
调试时采用逐个调试的方法,即先调试其中每个子程序,确保无误后再对整个程序进行整体调试,直到程序顺利运行,达到设计目的。
事实证明了调试过程是极其缓慢与艰苦的,在软件调试过程中,由于对中断操作的处理不当,使我很长时间一直停滞不前,通过对自己耐心极限的挑战,最终发现了问题,我相信这是对自己独立工作能力的一个很好的锻炼,一次难得的经历。
四、课程设计小结与体会
通过这次课程设计,使我对理论和实践之间的相互关系有了更清楚的认识,理论是实践的基础,扎实的理论知识是做好工作的前提条件。
完成这个软硬结合的综合性设计,不仅使我巩固了三年来所学的专业知识,而且还学到了不少新的知识,特别是强化了自己充分利用图书馆资源,独立思考问题、解决问题的能力。
通过这次设计,我深深地体会到搞技术是一件非常严谨的事情。
从中我得到了不少宝贵的经验和教训,我相信这些会让我在今后的工作中取得更好的成绩打下坚实的基础。
通过准备这次设计,我全面的复习了汇编语言和MCS-51单片机,用到了电路设计的各种知识,在工作前夕起到一个大练兵的作用,为我以后的工作带来极大的方便。
同时通过这次设计我充分认识到自己知识的贫乏,需要学习的东西还很多,充分激发自己的求知欲望。
这是一次宝贵的经验,必将使我终生难忘。
五、参考文献
1何道清编著传感器与传感器技术2004北京:
科学出版社
2喻萍郭文川主编《单片机原理与接口技术》2005化工出版社
3先锋工作室编著单片机程序设计实例2002北京:
清华大学出版社
4张金铎编著《传感器及其应用》西安电子科技大学出版社
5张庆双编著《使用电子电路200例》机械工业出版社
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- 可燃 气体 泄露 报警器