基于单片机的燃气报警系统的设计Word格式文档下载.docx
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2.2.2气体传感器介绍6
2.3A\D转换芯片7
2.3.1A\D转换芯片的选择7
2.3.2A\D转换的器件介绍8
3系统硬件设计10
3.1系统整体结构设计10
3.2系统各部分电路设计10
3.2.1电源模块10
3.2.2声光报警系统模块11
3.2.3控制电路12
3.2.4A\D转换电路13
3.2.5烟雾传感器的连接电路14
3.3系统整体电路14
4系统软件设计15
4.1程序编写模块15
4.2主程序流程图15
4.3中断原理16
4.4定时器原理17
5.结论与不足19
参考文献20
致谢21
1引言
随着社会的进步,煤气天然气已成为人们日常生活中不可或缺的资源,但它给我们带来方便的同时也给我们带来了危害。
煤气泄漏时有发生,给人们的生产和生活带来了很多隐患,为此对燃气的检测和报警是一项必要的工作。
随着人们安全意识的增强,对环境的安全性和生活的舒适性提出了更高的要求,烟雾报警系统也因此应运而生。
烟雾报警系统是一种能够检测环境中燃气浓度并具有报警功能的装置,国外从20世纪30年代就开始研究开发烟雾传感器,且发展迅速。
随着传感器生产工艺水平的日益提升,传感器逐渐向着体积小,精度高的方向发展,其便携性进一步促进了它的生产、运输及其推广。
我国从70年代初期就开始研制烟雾传感器,但主要是引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺。
近年来,我国在烟雾选择性,产品稳定性,对低浓度烟雾的识别方面也有了较大一步的改善。
现如今烟雾传感器研究方向主要致力于提高其灵敏度和工作性能,降低功耗和成本,缩小尺寸。
本设计采用单片机作为控制核心,能够实时对系统进行控制,通过设计系统的总体框图,然后对框图进行分析,选出适合本系统的各个环节的芯片,最后对系统进行调试来实现对环境中燃气浓度检测的作用。
烟雾传感器的作用是最终实现检测环境中燃气的浓度,要实现这个功能,我们就必须拥有燃气浓度信号采集电路,数模转换电路,数据分析电路和异常状况报警电路。
单片机以电路简单,价格便宜,可靠性好等特点,可以很好地满足我们对于煤气天然气浓度的检测及其防范的要求。
为此,我们选择了51单片机作为控制核心,将采集到的燃气浓度信号通过数模转换转化成单片机能够识别的数字信号,最后将数字信号与预设值进行比较,如果燃气浓度高于预设值,则有声光报警电路给予报警;
若低于预设值,则为正常状态。
通过对微处理器,烟雾传感器,以及报警电路的整合,形成一个可靠性好,稳定度高,性能优良的电路,能够实现对低浓度烟雾的有效监测并在发生危险时给与报警的设备。
以上是根据燃气报警系统应具备的功能,提出的整体思路。
2元件选取
2.1单片机
2.1.1单片机的选型
如今市面上应用比较普遍的单片机有8051系列和STC系列,STC系列单片机功耗低,精简指令集,抗干扰性能好,可靠性高,但是由于STC系列单片机采用的是硬件堆栈8级,所以存在溢出隐患,而8051系列单片机电路简单,价格低廉,工具多,易上手且支持多层嵌套所以我们采用8051系列单片机。
2.1.280C51系列单片机的基本组成
(1)80C51内部有一个8位的中央处理器
(2)80C51芯片中有256个RAM单元,但是能作为寄存器使用的只是前128个单元。
(3)80C51芯片中有4KB掩膜ROM。
(4)80C51有两个16位的定时器\计数器。
(5)80C51含有四个并行的I\O接口,一个全双工的串行口
(6)80C51共有5个中断源。
即2个外部中断,2个定时\计数器中断,1个串行中断。
下图为80C51的信号引脚图
图180C51信号引脚图
其中RST为复位输入端,高电平有效;
ALE为地址所存控制信号;
PSEN为外部程序存储器读选通信号,低电平有效;
EA为访问程序存储控制信号,当EA为高电平时访问外部存储器,反之,访问内部存储器。
2.1.3单片机中断响应的结构与控制
中断是通过硬件来改变CPU执行的方向顺序的,它可以解决快速的CPU与慢速的外设之间的矛盾,具有分时操作,实时操作,故障处理等优点。
51系列单片机共有5个中断源即2个外部中断,2个定时\计数器中断,1个串行中断。
80C51单片机的中断源在向CPU(中央处理器)申请中断时,每一个中断源是否能被响应,是由其内部的中断允许寄存器IE控制的。
IE为特殊功能寄存器,其各位功能如下:
EA
/
ES
ET1
EX1
ET0
EX0
EX0:
外部中断0中断请求允许位;
ETO:
定时\计数器T0溢出中断请求位;
EX1:
外部中断1中断请求允许位;
ET1:
定时\计数器T1溢出中断请求位;
ES:
串行口中断请求允许位;
EA:
CPU总的中断开放允许位,是80C51单片机所有中断能否触发的先决条件。
TCON为定时/计数器的控制寄存器,并具有控制两个外部中断源触发方式的功能,其相关功能如下:
TF1
TR1
TF0
TR0
IE1
IT1
IE0
IT0
本设计中我们只用到了IT0,即外部中断0触发方式控制位。
IT0=0,外部中断0被设为电平触发,反之,被设为边沿触发。
2.1.4单片机复位电路介绍
单片机复位是使CPU和系统中其他功能部件都处在一个确定的初始状态,并从这个初始状态开始工作。
单片机复位的条件是:
必须使RST/VPD引脚加上持续两个机器周期的高电平。
单片机常见的复位电路有上电复位电路和案按键复位电路,我们较常用的是上电复位电路。
2.1.5单片机延时系统介绍
延时程序在单片机语言程序设计中应用非常广泛,所谓延时就是让CPU做一些与主程序功能无关的操作来空消耗CPU的时间,由于CPU执行每条指令的时间准确,所以执行整个延时程序时间也可以精确计算。
也就是说可以写出延时长度任意精度相当高的延时程序。
但是延时程序的实现方式是白白占用CPU一段时间,此时不能做任何其他工作,就像机器在不停地空转,这是延时的最大缺点。
单片机在应用于检测,实时控制时用到的延时一般是由80C51内部的两个定时计数器来实现的,在本设计中我们采用定时计数器0的方式1.定时计数器的初始化是通过方式寄存器和控制寄存器来完成的,在这里我们只介绍本设计中要用到的方式寄存器TMOD的低四位和控制器寄存器的TCON.4位。
下图即为定时器0的方式寄存器:
GATE0
C/-T0
M1
M0
其中:
GATE为门控位,当GATE=0时TR0置0即可启动定时器,当GATE=1时,TR0置1且INT0置低电平方可启动定时器。
C/-T:
功能选择位,当置0时为定时器工作方式,置1为计数器工作方式;
M1和M0为定时器工作方式选择位。
本设计中我们只用到M1=0,M2=1,即方式1;
控制寄存器中的TCON.4位即为TR0:
这是定时器0运行控制位;
2.2烟雾传感器
2.2.1烟雾传感器的选型
烟雾传感器主要分为离子式烟雾传感器,光电式烟雾传感器,气敏式烟雾传感器。
离子烟雾传感器对微小的烟雾粒子的感应要灵敏一些,光电式烟雾传感器对稍大的烟雾粒子的感应较灵敏,而气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。
由于我们是对环境中燃气的浓度进行检测,所以我们选择气敏式烟雾传感器。
由于煤气天然气中的主要成分是甲烷,所以我们采用MQ-2气敏元件,它对不同种类不同浓度的气体具有不同的阻值。
对煤气天然气等烟雾有很高的灵敏度,并且具有良好的重复性和长期稳定性,响应时间短,长时间工作性能好。
对酒精等气体具有良好的抗干扰能力,使用寿命长,电路结构简单。
2.2.2气体传感器介绍
气体传感器是一种将气体的成分,浓度等信息转换成可以被人员,仪器仪表,计算机等识别的对应电信号的装置,他对于不同种类不同浓度的气体具有不同的阻值。
不同的浓度对应着不同的电压值,以此来感应燃气浓度变化。
气体传感器是一种检测特定气体的传感器。
它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等,其中用的最多的是半导体气敏传感器。
它的应用主要有:
一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂(R11、R12)的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。
气体传感器是将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号,根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息,从而可以进行检测、监控、报警;
还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。
其中气敏传感器有一下几种类型:
(1)可燃性气体气敏元件传感器,包含各种烷类和有机蒸气类(VOC)气体,目前大量应用于抽油烟机、泄漏报警器和空气清新机;
(2)一氧化碳气敏元件传感器,一氧化碳气敏元件可用于工业生产、环保、汽车、家庭等一氧化碳泄漏和不完全燃烧检测报警;
(3)氧传感器,氧传感器应用很广泛,在环保、医疗、冶金、交通等领域需求量很大;
(4)毒性气体传感器,主要用于检测烟气、尾气、废气等环境污染气体。
烟雾传感器的气敏元件也有N型和P型之分,N型在检测时阻值随烟雾浓度的增大而减小,而P型阻值随烟雾浓度的增大而增大。
气敏式烟雾传感器的典型型号有MQ-2气体传感器。
该传感器常用于家庭和工厂的气体泄漏装置,适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。
本设计中采用的MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料,二氧化锡吸附空气中的氧,形成氧的负离子吸附,使半导体中的电子密度减少,从而使其电阻值增加。
利用这一点就可以获得烟雾存在的信息。
2.3A\D转换芯片
2.3.1A\D转换芯片的选择
目前最常用的是双积分式A\D转换器和逐次逼近式A\D转换器。
双积分式A\D转换器的优点是转换精度高,抗干扰能力强,价格便宜,但转换速度较慢。
而逐次逼近式A\D转换器是一种速度较快精度较高的转换器。
本设计中我们采用逐次逼近式A\D转换器。
因为ADC0809在学业中有所接触且其可实现8路模拟信号的分时采集,所以本设计选择ADC0809作为A\D转换芯片。
2.3.2A\D转换的器件介绍
A\D转换是一种用于实现模拟量到数字量之间转换的装置,ADC0809是一种8位的CMOS型A\D转换器,它的片内有8路模拟开关,以及相应的通道地址。
多路开关可选通8个模拟通道。
允许8路模拟量分时输入,共用一个A\D转换器
图2ADC0809内部逻辑结构
进行转换,地址锁存与译码电路完成对A、B、C三个地址位进行锁存和译码,其译码输出用于选择通道。
输出锁存器用于存放和输出转换得到的数字量。
图2,3分别为ADC0809的内部逻辑结构和信号引脚图。
由图我们可以很清楚的看出ADC0809的工作原理
IN7~IN0是模拟量的输入通道;
A、B、C为三条地址线,A为地位地址,C为高位地址,用于对模拟通道进行选择;
ALE为地址锁存允许信号;
START为转换启动信号,A\D转换期间,START应保持低电平;
D7~D0是数据输出线,为三态缓冲输出形式,可以和单片机数据线直接相连;
OE为输出允许信号,低电平输出数据线呈高电阻,高电平输出转换得到的数据;
CLK为时钟信号,ADC0809内部没有时钟电路,所以需要外界提供;
EOC转换结束状态信号,低电平表示正在转换,高电平表示转换结束;
Vref是参考电源,用来与输入的模拟信号进行比较,作为逐次逼近的基准;
图3ADC0809引脚图
3系统硬件设计
3.1系统整体结构设计
本系统由五部分组成:
烟雾传感器,A\D转换电路,控制电路,声光报警模块,和电源模块。
系统的总体框图如下所示:
图4系统的总体框图
烟雾传感器采用MQ-2型半导体器件,它的作用是对环境中气体的浓度进行检测;
A\D转换芯片我们采用ADC0809,它的作用是将检测到的气体浓度值转换为由二进制表示的单片机能够识别的数字信号。
控制电路我们采用电路简单,价格低廉的单片机,它的作用是对A\D转换输出的数字信号进行处理和判断;
声光报警系统我们选用较为简单的蜂鸣器和LED灯,它的作用是当气体浓度超过预设值时进行报警。
3.2系统各部分电路设计
3.2.1电源模块
电源模块是为单片机提供稳定电压的,以保证燃气报警系统能够正常稳定的工作,本设计中我们采用的电源电路是直流稳压电源。
稳压电源的主要指标就是其容量大小、输入电压的允许范围,输出电压、允许负载电流的范围等。
它是由交流电经过变压器变压,然后经过整流桥整流,再经过滤波,稳压块稳压之后得到的。
它可以提供给我们的控制模块稳定的电压。
由于单片机的工作电压在4.5V到5.5V之间,所以我们采用7805系列稳压电源,电源电路如下所示:
图5电源电路
3.2.2声光报警系统模块
所谓声光报警系统就是通过声音信号和光信号在超出现实需要时对人们进行提醒,安全防范的系统。
本设计中我们采用结构和工作原理都较为简单的蜂鸣器和LED灯进行报警。
电路简单,价格低廉,实施起来较为方便。
蜂鸣器的工作原理图如下所示:
图6蜂鸣器工作原理图
从上图我们可以看出,蜂鸣器是由单片机来进行控制的,我们用单片机的P3.2口来控制蜂鸣器的工作,由于我们的P3.2口是外部中断0的控制口,所以当烟雾浓度超过预设值时,经A\D转换得到的数字信号将会使单片机进入中断,即外部中断0有效,报警器报警
LED灯的工作原理和二极管的工作原理相似,当所加电压为正向电压时导通,反向时截止,即当单片机系统进入中断,LED灯亮,其他时间LED灯灭。
为了保证声光报警的同时性,我们都利用P3.2口对其进行控制。
LED状态指示灯电路如下所示:
图7状态指示灯电路图
3.2.3控制电路
图8控制电路电气连接图
控制电路我在本设计中采用的是80c51作为控制芯片,在器件的连线上为了使电路更直观,我采用了网络标号来对连在一起的结点进行标志,使电路更加美观,一目了然。
通过单片机对AD转换的启动、输出进行控制,以保证接收到数据的可靠性,然后单片机内部对接收到的数据进行分析,如果超限,单片机通过对蜂鸣器和发光二级管的控制来达到声光报警的功能。
3.2.4A\D转换电路
图9A\D转换电气连接图
从上图和控制电路图我们可以清晰地看到单片机与AD的连接,单片机通过WR和RD引脚对AD的ALE和OE引脚进行控制,控制AD转换的启动,输出。
ADC0809内部没有时钟信号,所需时钟由单片机的ALE引脚提供。
通过查询或者中断的方法对AD转换结束的标志位EOC进行控制,最终达到数据的转换,输出的功能。
3.2.5烟雾传感器的连接电路
图10烟雾传感器内部结构
为了保证低浓度时烟雾传感器检测到的数据依然可靠,本设计中我采用了LM324芯片对检测到的数据进行放大,LM324芯片的输出接AD转换芯片的输入,数据有效可靠。
由于PROTEL中没有MQ-2这种型号,所以对于传感器与AD的连接就不在图中予以连线了。
3.3系统整体电路
图11系统整体框图
本设计所有元器件的连接都使用了网络标号,电路图美观、直观。
4系统软件设计
4.1程序编写模块
现实中我们编写程序常用C语言和汇编语言来编写程序。
通常汇编语言是面向机器的低级语言,是为特定的计算机设计的。
它可以有效的访问,控制计算机的各种硬件设备,目标代码简短,占用内存少,执行速度快但它的可移植能力差。
而C语言比较符合人类的思维习惯,开发效率高,时间短,程序的可读性和可维护性较好,并且C语言具有较好的可移植性。
当然C语言也有缺点,比如实时性要比汇编语言差,但在此设计中为了我们移植的需要我们采用C语言。
4.2主程序流程图
软件设计我们采用比较符合人类思维习惯,开发效率高,时间短,程序的可读性和可维护性较好,并且具有较好的可移植性的C语言。
主程序设计的流程图如下所示:
图12主程序设计流程图
4.3中断原理
本设计中我们采用了外部中断0中断,即由单片机的INT0引脚来控制中断的进行,低电平有效。
外部中断0的入口地址为0003H。
要实现中断,首先我们必须满足中断响应的条件,即:
(1)有中断源发出中断请求
(2)中断总允许位EA=1(3)申请中断的中断源允许。
另外我们还要对中断系统进行初始化,即
(1)开响应中断
(2)设定中断源的中断优先级(当然,本设计中采用的是外部中断0,同一个优先级里,硬件的自然查询序列外部中断0优先级最高,所以不需要设置)。
(3)设定外部中断源的触发方式。
当有中断信号时,IE0,EA,EX0置位,当中断服务子程序响应结束,硬件将自动清除中断标志位。
中断初始化程序如下:
SETBEA
SETBEX0
CLRIT0
进入中断系统后,单片机首先保护断点位置,中断服务子程序从中断入口地址开始执行,到返回指令结束。
中断处理过程流程图如下所示:
图13中断处理过程流程图
从上图我们可以一目了然的看到中断处理过程。
4.4定时器原理
本设计中我们采用的晶振频率为12MHZ,定时频率为晶振频率的十二分之一,即:
机器周期为1us。
也就是说,定时器每接受一个输入脉冲,时间即为1us。
由基础知识部分我们知道,我们采用的是定时器0的方式一,即16位计数器。
16位计数器定时的最大时间为65.536us,溢出后将又从初值开始计数。
本设计中我们延时5s,所以我们选择扫描周期为50ms。
定时器工作前我们必须对其进行初始化,初始化步骤:
先给TMOD送一个方式控制字,以设定定时/计数器的工作方式,然后要给定时器设置要定时的时间和需要计数的初值。
最后给定时器控制寄存器TCON送命令字,以启动或禁止定时/计数器的运行。
关于初值计算,我们把从初值开始记满所需要的计数值设定为C,计数初值设为X,计数器最大计数值设为M,则可得到如下计算通式:
X=M-C;
由通式可得,扫描周期为50ms时计数器的计数初值为3CB0H。
由以上所得,我们可以写出定时器的延时程序如下:
DELAY:
MOVR3,#100
MOVTMOD,#00H
MOVTH1,#3CH
MOVTH0,#0B0H
SETBTR0
LP1:
JBCTF0,LP2
SJMPLP1
LP2:
MOVTH1,#3CH
DJNZR3,LP1
RET
5.结论与不足
单片机燃气报警系统的设计是结合了计算机,传感器,检测等相关多学科的技术实现的。
通过对烟雾传感器,A\D转换,单片机,报警电路的整合从而形成的一个对环境中燃气浓度的实时检测的系统,测量精度高.抗干扰能力强。
在智能控制方面,我们采用了80C51单片机作为控制核心,实现了系统的小型化和智能化,电路简单,价格低廉。
设计一般是由硬件部分和软件部分构成。
硬件部分主要考虑硬件电路的实用性,简单性和廉价性。
所以在本设计中我在实用的基础上对电路的结构进行了简化以达到硬件电路的最优化设计。
而软件部分我们采用了可读性强可移植性好的C语言,充分利用芯片资源,提高了测量精度和代码执行效率,减小了代码容量,以保证系统的可行。
此外,我们也可根据应用的实际情况对系统进行改进。
以满足不同的应用需求。
该设计报告中只是简单的介绍了方案的总体设计思路,以及各模块的功能,至于各模块究竟如何实现,需要进一步思考。
其次,该设计只是
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- 基于 单片机 燃气 报警 系统 设计