煤气泄漏监测系统设计概述.docx

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煤气泄漏监测系统设计概述

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

2.2.3A/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

3.2A/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

4.2.1A/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.

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。

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。

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健康成年人在八小时内可以承受的最大浓度

200ppm2-3小时后，轻微头痛、乏力

400ppm1-2小时内前额痛；3小时后威胁生命

800ppm45分钟内，眼花、恶心、痉挛；2小时内失去知觉；

1000ppm1小时内死亡

1200ppm45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。

表2-1CO浓度与控制处理

CO浓度（ppm）

控制处理方式

说明

＜400

正常情况处理

指示灯亮绿色

≥400

一般报警

小喇叭报警

≥800

严重报警

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。

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。

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。

2.2.3A/D转换电路设计

ADC0808芯片有28条引脚，如图2-5ADC0808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。

图2-5ADC0808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，

精度：

=

=0.39%.

分辨率：

=

=0.0195323V

20mv（输入为0～5V时）

量化误差：

Q=

10mv

说明：

Vref—A/D转换器的参考电压，即为基准电压，选取Vref=5V；

—ADC的二进制位数，N=8；

ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A／D转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成，ADC0808内部结构如图2-6所示。

图2-6ADC0808内部结构图

ADC0808具有8个通道的模拟输入线（IN0～IN7），且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。

输入输出与TTL兼容。

可在程序控制下对任意通道进行A/D转换，获得8位二进制数字量（D7～D0）。

模拟输入部分有8路多路开关，可由3位地址输入ADDA、ADDB、ADDC的不同组合来选择，ALE为地址锁存信号，高电平有效，锁存这三条地址输入信号。

具体的通道选择如表2-2所示：

表2-2模拟通道选择

本设计是使用通道IN0，所以，将ADC0808的C、B和A管脚都接地，即为选通模拟输入线IN0。

ADC0808的工作过程

图2-7ADC0808的工作时序图

如图2-7所示，当模拟量送至某一输入通道IN0后，CPU将标识该通道编码的三位地址信号经数据线或地址线输入到ADDC、ADDB、ADDA引脚上。

然后输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。

START上升沿将逐次逼近寄存器复位。

下降沿启动A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。

直到A／D转换完成，转换开始,EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。

转换结束,OE输入高电平，EOC可作为中断请求信号,转换结束后，可通过执行IN指令，设法在输出允许OE脚上形成一个正脉冲，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

如图2-8所示，A/D转换电路设计中，其中ADC0808的ALE和START端一起连接AT89C52的P1.3口。

EOC经过一个反相器连接P3.2口，OE（ENABLE）连接P1.4口。

ADDA,ADDB,ADDC连接在一起接GND，相当于选通通道IN0。

传感器通过放大以后，再经过通道IN0，将信号传送给ADC0808，通过A/D转换以后，送给单片机进行相应的处理。

图2-8A/D转换电路设计

2.2.4单片机的最小系统设计

单片机的最小系统主要包括：

晶振电路、复位电路、电源电路等。

（1）晶振电路，即为时钟振荡器，如图2-9所示。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

图2-9时钟振荡器

（2）RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

复位电路如图图2-10所示。

图2-10复位电路

复位电路和电源及振荡电路是C51单片机工作的最小系统。

具体电路图如图2-11所示。

图2-11时钟和复位电路

2.2.5声光报警电路设计

图2-12声光报警电路设计

声光报警电路设计的电路图如图2-13所示。

声光报警电路设计与单片机的连接和控制关系如表2-3所示:

表2-3声光报警电路设计与单片机的连接和控制关系表

与单片机的连接关系

给高电平

给低电平

D1（LED_RED）

连接P1.5

不报警，灭

报警—>亮红灯

D2（LED_GREEN）

连接P1.6

不报警，灭

不报警—>亮绿灯

Q1（SPEAKER）

连接P1.7

报警，报警声

不报警—>不响

单片机AT89C52的P1.7接晶体管基极输入端，当单片机AT89C52的P1.7置1时，三极管Q1导通，蜂鸣器两端处于高电平状态，使蜂鸣器鸣叫，处于一般报警状态。

当P1.7输出低电平0时，三极管截至，蜂鸣器不发声。

P1.6控制LED_GREEN的亮灭情况，正常情况下，点亮LED_GREEN，作为指示功能，表明处于正常正常情况。

P1.5控制LED_RED的亮灭情况，严重报警的时候点亮LED_RED，并且蜂鸣器发声，表明处于严重报警情况。

报警和指示灯的作用就是为了提醒人们的注意。

2.2.6数码管显示电路设计

2-13数码管显示电路

显示用集成的4位数码管，七段码与P0口直接相连，用于输出P0口的数据给数码管；P0口上拉100的电阻，为了增加驱动能力；位选用P1.0~P1.2通过74LS138译码器进行位选，指定所选的具体的一位。

具体的逻辑关系如下表2-4所示：

表2-4位选表

74LS138

4位集成数码管

C

B

A

译中

选中对应的

0

0

0

Y0

第一位（仟）

0

0

1

Y1

第二位（百）

0

1

0

Y2

第三位（十）

0

1

1

Y3

第四位（个）

第3章煤气检测系统的软件设计

本论文中，软件解决的主要问题是检测气体传感器的有毒气体浓度信号，然后对信号进行放大、A/D转换，数据处理，浓度显示，以及警报处理。

3.1主程序设计流程图

Y

N

图3-1主程序设计流程图

主程序设计流程图如图3-1所示，ADC0808对传感器检测的信号经过放大后的信号，进行A/D转换,单片机对转换后的信号进行数据处理后，将浓度值与报警值相比较，判断是否报警。

同时送入数码管显示气体浓度值。

3.2A/D转换控制程序设计流程图

图3-2A/D转换控制程序设计程序流程图

A/D转换控制程序设计程序流程图如图3-2所示。

在硬件电路中START，ALE这两个信号端连接在一起，并与P1.3相连接，这时通过软件输入一个正脉冲信号，便立即启动模／数转换。

当EOC由低电平变成高电平时，经过一个反相器送给P3.2口一个脉冲，来启动外部中断INT0，同时给OE端一个高电平，读取数据。

3.3显示子程序的设计流程图

图3-3显示子程序流程图

显示子程序流程图如图3-3所示。

单片机读取要显示的数据后，通过相应的计算，计算出要显示的数据的最高位，第二位，第三位和第四位。

然后通过相应的片选信号，在各个数码管上显示对应的数据。

3.4报警子程序的设计流程图

图3-4报警子程序的设计流程图

报警电路控制程序设计流程图如图3-4所示。

读取可燃气体浓度值后，判断是否大于设定的报警值。

当超过报警值时，启动报警器报警。

第4章系统的功能仿真

4.1仿真软件介绍

Proteus（海神）的ISIS是一款Labcenter出品的电路分析实物仿真系统，可仿真各种电路和IC，并支持单片机，元件库齐全，使用方便，是不可多得的专业的单片机软件仿真系统。

因此，本次设计仿真采用Proteus软件。

4.2煤气检测系统的模块仿真

在模块仿真测试中，连接电压的滑动变阻器输出一个电压信号，经过ADC0808，单片机处理，在数码管显示滑动变阻器两端的电压值。

此次仿真的目的是验证各个模块的控制程序的正确与否，同时判断电路连接的正确性。

4.2.1A/D转换模块测试

A/D转换模块测试仿真图如图4-1所示。

用滑动电阻代替了传感器。

滑动电阻在电压下产生一个电压信号送给ADC0808，电压信号经过模数转换以后，送给了单片机。

图4-1A/D转换模块测试仿真图

4.2.2显示模块测试

图4-2显示模块测试仿真图

显示模块测试仿真图，如图4-2所示。

AT89C52通过P1.0、P1.1、P1.2控制74LS138进行译码译中相应的某一位，即进行位选功能。

P2口把接收到的电压数据值在单片机里进行处理，最后，通过P0口将数据送给数码管上面进行相应的显示数据。

现在，为了验证显示模块程序是否正确，这里就直接显示电压值，对A\D转换过来的电压值就没有处理，直接将电压值通过P0口将数据送给数码管上面进行相应的显示数据；通过，数码管显示的电压和模拟的电压比较，看是否正确，通过多次仿真和调试，最后显示模块测试仿真图结果如图图5-2所示。

该显示模块测试主要是用来验证AT89C52,74LS138和ADC0808的相关软件程序正确与否，由图5-2所示中显示的数据来看，程序是正确的；同时验证了AT89C52,ADC0808的软件编译程序也是正确的，它们都能控制相关的硬件正常工作。

4.2.3声光报警电路模块测试

图4-3声光报警电路模块测试正常情况仿真图

图4-4声光报警电路模块测试一般报警仿真图

图4-5声光报警电路模块测试严重报警仿真图

声光报警电路模块测试仿真图如图4-3所示，AT89C52的P1.7口控制小喇叭是否报警；

P1.6控制LED_GREEN的亮灭情况，正常情况下，点亮LED_BLUE，作为指示功能，报警时熄灭LED_GREEN；表明处于正常正常情况。

如图4-3所示。

P1.7控制小喇叭的是否响的情况，一般报警的时候只是小喇叭在响，其余指示灯熄灭；进行一般报警处理，如图4-4所示。

P1.5控制LED_RED的亮灭情况，报警的时候点亮，。

并且进行相应的报警处理，如图4-5所示，是严重报警，此刻不仅LED_RED闪烁，而且小喇叭也报警。

该模块测试主要是用来验证控制小喇叭和指示灯相关的软件程序是正确的。

由图4-3、图4-4和图4-5中可知，程序是正确的。

当没有超过一定的浓度值是处于正常情况，LED_GREEN的亮，LED_RED灭，小喇叭不响，处于不报警状态，即为正常情况处理。

当AT89C52接收到的数据值超过一定浓度值时，能控制小喇叭报警但LED_RED不亮，即处于一般报警状态；当AT89C52接收到的数据值超过一定浓度值时，能控制小喇叭报警和LED_RED亮，即处于严重报警状态；

4.3系统误差分析

由于气体传感器的气体浓度和输出电压直接的关系，MQ-5的技术参数里没有明确的给出气体浓度与输出电压的分度表，所以，通过看灵敏度特性曲线得到的气体浓度值（单位为ppm）与输出电压值（单位为mv）的关系可能有很一定误差在里面，所以，就需要进行调试仿真电路，看仿真结果和预期的结果是否一致，存在多大的误差，然后，考虑如何进一步改进电路和程序。

由于存在器件选型和仿真条件的限制，所以，就考虑