毕业论文 基于单片机的室内一氧化碳监测及报警系统.docx

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毕业论文基于单片机的室内一氧化碳监测及报警系统

内容摘要

煤气已成为人们生活中必不可少的能源了，煤气泄漏事件时有发生，给人们的人身安全和财产安全带来了很多隐患，所以怎样防止煤气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要.为此我们开发研制了智能煤气报警系统.

计算机的普及和信息技术的迅猛发展，不明白的细节可以到我的群里讨论问我4429-3550人们己不满足于传统的居住环境，对家庭及住宅小区提出了更高的要求，智能化被引入家庭，并迅速在世界各地发展起来。

人们对居住环境要求的日见增高，体现在希望住宅不仅更便利、舒适而且更安全。

家庭及住宅小区智能化的定义，在国际上至今尚无一致的般认为，在现代化的城乡住宅小区内综合采用微型计算机、自动控制、通信与网络及智能卡等技术，建立一个由住宅小区综合物业管理中心与安防系统、信息通信服务与管理系统和家庭智能化系统组成的“三合一”住宅小区服务与管理集成系统，最终目的是使每一住户得到满足其要求的最佳方案。

国家建设部规定，目前住宅小区应实现六项智能化要求，其中包括实行安全防范系统自动化监控管理;防盗报警系统应安装红外或微波与煤气泄漏报警器等各种类型报警探测器。

基于此项规定，煤气泄漏自动报警实现智能化势在必行。

本系统主要针对传统煤气检测系统进行技术改进以满足要求，至此本系统具有如下特点．用单片机实现定时控制，电路简单、价格便宜、可靠性好。

采用气敏传感器及防爆型电磁阀．安全可靠，能有效的保证随时接通和断开煤气控制电磁阀：

有煤气泄漏时有语音报警，并通过总线通知管理室．双重保障。

因此本系统也可作为智能家居系统的一个子系统。

关键词51单片机气体传感器RS485总线

前言

毕业设计实习调研的目的在于明确毕业设计课题的具体要求，通过查阅资料，了解各种方案的优缺点。

同时，结合自己所学的知识，取长补短，提出相应的的实现方案。

因此，实习调研时一项非常重要的工作。

在实习调研过程中，学生需要完成两项工作。

第一，文献资料检索与查询：

了解国内外与毕业设计课题相关的先进技术和发展趋势；了解现有常用技术、方案的优缺点；了解与毕业设计课题有关的硬件、软件开发的思路。

第二，方案的提出：

学生需要认真分析各种技术、方案的优缺点，并通过独立思考，提出自己的实现方案。

我的毕业设计题目是“基于MCS-51系列单片机的煤气防漏安全系统设计”。

在市面上有很多煤气检测仪，但都是要有人在场的情况下使用，在无人在家时发生煤气泄漏怎么办？

我们就需要一个智能煤气泄漏检测报警系统。

这个系统不仅能自动关闭电磁阀更能通知值班室的人员进行检测。

可以作为智能小区的一个组成部分。

在实习调研过程中，我按照调研任务的基本要求，完成了以下工作：

首先，分析了现有的防盗产品的设计方法、相关电路、各自的优缺点；其次，分析了煤气泄漏检测系统的基本需求；最后，结合智能小区的发展，增加的小区总体监控的功能，提出了“基于51系列单片机煤气泄漏检测及报警”的设计方案。

这些工作对于按时、高质量地完成毕业设计课题具有重要的指导意义

第一章煤气报警器和煤气泄漏报警需求分析

1.1煤气报警器现状

近年来随着人民生活水平的提高，管道煤气和罐装煤气已深入到寻常百姓家。

但由于使用不当或设备老化等原因导致的煤气泄漏极大地威胁着人们的生命财产安全。

目前，一般的煤气报警器功能单一，或是必须手动复位阀门系统，性能稳定性低；而大型的监控系统又价格不菲，需专门的技术人员来管理，不适用于中小企业和家庭。

家用煤气泄漏报警器是非常重要的燃气安全设备，它是安全使用城市燃气的最后一道保护。

燃气泄漏报警器通过气体传感器探测周围环境中的低浓度可燃气体，通过采样电路，将探测信号用模拟量或数字量传递给控制器或控制电路，当可燃气体浓度超过控制器或控制电路中设定的值时，控制器通过执行器或执行电路发出报警信号或执行关闭燃气阀门等动作。

可燃气体报警器的探测可燃气体的传感器主要有氧化物半导体型、催化燃烧型、热线型气体传感器，还有少量的其他类型，如化学电池类传感器。

这些传感器都是通过对周围环境中的可燃气体的吸附，在传感器表面产生化学反应或电化学反应，造成传感器的电物理特性的改变。

燃气泄漏报警器广泛应用在城市安防、小区、工厂、公司、学校、家庭、别墅、仓库、资源、石油、化工、燃气输配等众多领域。

按检测气体可分为：

可燃气体报警器，有毒气体报警器和复合式气体报警器，气体报警器使用不同传感器检测不同气体，复合式气体报警器可同时检测可燃和有毒气体。

按使用环境可分为：

工业用气体报警器和家用燃气报警器。

按自身形态可分为固定式气体报警器和便携式气体检测仪。

燃气泄漏报警器从功能上可分为仅有泄漏报警功能的泄漏报警器和可以指示所探测到的燃气浓度并具有报警功能的检测报警器；从使用场所上可分为民用燃气泄漏报警器和商用报警器。

民用报警器通常是独立的在住宅中使用的燃气报警器，功能较简单；商用报警器主要使用燃气的运输、储存场所、使用燃气和可能有燃气泄漏的的工厂和公共场所。

城市燃气规范中规定地下室、半地下室、地上密闭空间的用气房间、建筑的管道井、封闭计量表房等都要安装燃气报警器。

建筑和燃气的相关规范和法规也推荐使用民用燃气泄漏报警器。

工业用固定式气体报警器由报警控制器和探测器组成，控制器可放置于值班室内，主要对各监测点进行控制，探测器安装于气体最易泄露的地点，其核心部件为内置的气体传感器，传感器检测空气中气体的浓度。

探测器将传感器检测到的气体浓度转换成电信号，通过线缆传输到控制器，气体浓度越高，电信号越强，当气体浓度达到或超过报警控制器设置的报警点时，报警器发出报警信号，并可启动电磁阀、排气扇等外联设备，自动排除隐患。

便携式气体检测仪为手持式，工作人员可随身携带，检测不同地点的气体浓度，

便携式气体检测仪集控制器，探测器于一体，小巧灵活。

与固定式气体报警器相比主要区别是便携式气体检测仪不能外联其他设备。

燃气报警器的核心是气体传感器，俗称“电子鼻”。

这是一个独特的电阻，当“闻”到燃气时，传感器电阻随燃气浓度而变化，燃气达到一定浓度，电阻达到一定水平时，传感器就可以发出声光报警。

什么叫声光报警？

燃气泄漏使室内浓度达到报警器浓度后，报警器的红色指示灯亮，蜂鸣器发出“辟-辟-”的报警声，所以叫做声光报警。

1.2煤气泄漏的危害

一氧化碳的浓度与健康成年人中毒的可能症状

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；2-3小时内死亡

1600ppm20分钟内头痛、眼花、恶心；1小时内死亡

3200ppm5-10分钟内头痛、眼花、恶心；25-30分钟内死亡

6400ppm1-2分钟内头痛、眼花、恶心；10-15分钟死亡

12800ppm1-3分钟内死亡

第二章相关技术和器件的基本知识

2.1气体传感器介绍

燃气报警器的核心是气体传感器，俗称“电子鼻”。

这是一个独特的电阻，当“闻”到燃气时，传感器电阻随燃气浓度而变化，燃气达到一定浓度，电阻达到一定水平时，传感器就可以发出声光报警。

什么叫声光报警？

燃气泄漏使室内浓度达到报警器浓度后，报警器的红色指示灯亮，蜂鸣器发出“辟-辟-”的报警声，所以叫做声光报警。

气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。

探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分

　　气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置！

气体传感器一般被归为化学传感器的一类，尽管这种归类不一定科学。

“气体传感器”包括：

半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器等。

2.289C51系列单片机介绍

1．主要特性：

　　·与MCS-51兼容

　　·4K字节可编程闪烁存储器

　　寿命：

1000写/擦循环

　　数据保留时间：

10年

　　·全静态工作：

0Hz-24Hz

　　·三级程序存储器锁定

　　·128*8位内部RAM

　　·32可编程I/O线

　　·两个16位定时器/计数器

　　·5个中断源

　　·可编程串行通道

　　·低功耗的闲置和掉电模式

　　·片内振荡器和时钟电路

89S51相对于89C51增加的新功能包括：

--新增加很多功能，性能有了较大提升，价格基本不变，甚至比89C51更低！

--ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。

是一个强大易用的功能。

--最高工作频率为33MHz，大家都知道89C51的极限工作频率是24M，就是说S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。

--具有双工UART串行通道。

--内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。

--双数据指示器。

--电源关闭标识。

--全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。

--兼容性方面：

向下完全兼容51全部字系列产品。

比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。

也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教科书上采用的单片机是8051还是89C51还是MCS-51等等），在89S51上一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。

2.3Rs485总线介绍

　RS-485总线,在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线

　　RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。

加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。

　　RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。

　　RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。

应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器

2.4总线驱动芯片MAX485

MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS-485芯片。

采用单一电源+5V工作，额定电流为300μA，采用半双工通讯方式。

它完成将TTL电平转换为RS-485电平的功能。

MAX485芯片的结构和引脚都非常简单，内部含有一个驱动器和接收器。

RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。

在与单片机连接时接线非常简单。

只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。

同时将A和B端之间加匹配电阻，一般可选100Ω的电阻。

其管脚如图：

2.5复位及看门狗电路介绍

受电网谐波及各种外界环境引起的电磁干扰的影Ⅱ自，单片机的正常运行有时会受到严重的影响，出现程序跑飞，死机等现象，此时就需要唤醒单片机，使其正常运行，这样的电路称为看门狗电路。

本电路采用的是一片74123和555时基电路构成的一个带看门狗的复位电路。

第三章煤气泄漏检测报警系统方案设计

3.1系统功能

本系统也可作为智能家居系统的一个子系统。

系统的主要功能如下：

（1）实现对煤气泄漏的实时监测；

（2）实时跟踪显示现场煤气浓度并根据传感器老化曲线进行误差修正；

（3）具有超限声光报警功能；

（4）根据报警状况自动关闭煤气管道电磁阀并开启排气装置；

（5）故障排除后，可控制煤气管道电磁阀的自动开启

3.2系统电路组成

系统以多机方式与前端机通信。

本机采用主从工作模式。

单片机系统作为从机与本地通信主机（上位机）联系。

第1级：

中央控制操作站（上位PC机）PC机完成现场煤气浓度数据显示、现场位置确定、数据库建立、数据查询、数据分析、统计、打印等操作。

第2级：

单片机控制系统由于系统对实时性、精确性和可靠性要求非常高，系统采用单片机作为现场控制器，完成对煤气浓度信号采集、运算、控制和向ＰＣ机传送浓度数据。

1、硬件电路组成框图：

硬件电路组成框图如图1所示。

图1单片机控制系统组成

2、系统原理：

监控系统的工作原理是利用半导体气敏传感器将煤气浓度变换为模拟电压信号，此mV级电信号经低通滤波

滤掉干扰信号，放大器把信号放大为0～5Ｖ后，送到A/D转换器，变换成数字量送CPU进行数据分析。

当空气中的煤气浓度达到设定值时，将输出数字量，经变送器驱动电磁阀，将煤气管道关闭并打开排气装置，并输出数字信号驱动光电报警和向上位PC机输出所处位置及报警值，以让监控人员进行处理。

故障排除后，可操纵控制面板按键，打开阀门使其恢复供气。

3、网络设计

3.2软件系统设计

系统软件采用MCS51汇编语言编制，包括系统主程序和中断服务子程序、误差自动校准子程序等。

主程序的功能是完成系统的初始化、信号采集及处理、时钟和信息显示、浓度超限报警、阀门关闭、启动排气装置及与上位机通信。

根据系统工作特点，程序采用结构化的软件设计方法。

主程序流程图如图2所示。

图2主程序流程图

第四章结论

新型单片机智能煤气监控系统的设计，是结合了计算机、工控、机械、检测等相关学科的技术而实现。

在智能控制方面，采用了单片机AT89C51作为系统控制核心，最大限度的将其具备的资源应用到设计中，既体现了单片机小系统的应用的灵活性，又实现功能多样的智能控制。

由于采用了单片机技术为主导的智能化管理，通过和执行机构组成的二级监控体系，可实现对煤气浓度的动态监控，通过误差自动校正功能提高了系统的测量精度，运行稳定可靠，灵敏度高，具有非常重要的市场应用价值。

在实际使用中，不同的应用场合有着不同的报警浓度下限。

因此，为了提高系统的灵敏度和准确度，考虑到温度、环境和电源电压的影响，开始报警浓度也应有一定的变化范围。

出厂前按标准条件调整好，以确保环境条件变化时，也不致发生误报和漏报。

此外，也可根据实际应用的情况对本系统进行改造，以满足不同的应用需求。

根据实习调研工作的基本要求，我认真完成了这项工作。

通过这次调研，我掌握了现在常见煤气检测的基本原理、典型电路。

同时还分析了各种煤气报警器的优缺点。

当然，调研报告中只是大概描述了该方案的总体设计思路，以及各模块需要完成的基本功能。

至于各模块究竟如何具体实现，以及如何继续完善方案，需要进一步的思考、探索。

因此，以后的工作重要而艰巨。

此次调研活动，为方案的具体实现打下了基础。

我也知道了如何一步一步的完成自己的毕业设计工作。

总之，这是一个有意义的工作，对我的毕业设计工作具有重要的指导意义。

第五章参考文献

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（2）何立民.单片机高级教程-应用与设计（第2版）.北京航空航天大学出版社,2007

（3）于学禹.Protel2004电路设计入门与应用[M].机械工业出版社,2007

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