基于单片机的多路报警器设计副本.docx

1、基于单片机的多路报警器设计 副本本科毕业设计基于单片机的多路报警器设计摘要随着科学技术的日新月异，人类社会取得了很大的进步。在生活、工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等领域，经常都需要对环境中的温度、湿度、光照强度、气体等环境参数进行检测及控制。而且随着可燃可爆性气体种类和应用范围的增加，贮气仓库内的气体泄漏、火灾爆炸事故日益增多。从安全、环保及经济等方面上考虑，研制一种实用的多路报警系统是非常必要的。基于这个需求，本设计利用传感器对环境中的温湿度以及可燃气体进行检测，当这些参数不符合预定设置的参数值时，就会自动报警。系统选用MQ_2气体传感器对现场可燃性气体浓度进行检测，选用AM230

2、1温湿度传感器对温度和空气湿度进行检测，采用功能和性价比较高的AVR ATmega16单片机作为中央处理单元，对环境参数进行采集处理并产生自动报警。本设计可以检测空气中以烷类气体为主的多种可燃性气体的浓度，以及空气温湿度，当达到预先设定的上限或下限报警设定值时，发出声音报警信号，以提示操作人员采取安全对策或自动控制相关安全装置。该报警器可以实时、准确检测可燃性气体以及温湿度并且可以长时间可靠无误的报警，具有很广泛的应用前景和推广价值。关键词：可燃气体温湿度单片机报警器Multi-way Alarm Based on MCUZeng Xiaoling(College of Engineering

3、, South China Agricultural University,Guangzhou 510642, ChinaAbstract: With the advances of science and technology, human society has made great progress. In life, industrial and agricultural production, weather, environmental protection, defense, research, aerospace and other fields, often wan to d

4、etect and control the environmental parameters such as temperature, humidity, light intensity, gas concentration. And with the increase of kind and range of combustible and explosive gas, the number of gas leak, fire and explosion in the air storage warehouse increasing. Be based on security, enviro

5、nmental and economic considerations, developed a practical multi-channel alarm system is necessary.Base on this demand, this design uses a sensor to detect temperature, humidityand combustible gas, when these parameters do not meet the pre-determined parameter values, it will automatically alarm. Us

6、e MQ_2 gas sensor for combustible gas concentration detection, AM2301 temperature and air humidity sensor for temperature and air humidity testing, functionality and cost-effective AVR ATmega16 microcontroller as a central processing unit, to collecting and processing environmental parameters and al

7、arm automatically. The design can detectthe concentrations of a variety of combustible gas such as n-hexane, as well as temperature and humidity, when they reaches the pre-set upper or lower limit alarm setting values, it will send out the sound alarm signal that prompts the operator to take safety

8、measures or automatic control safety devices.The alarm system can accurately detect combustible gas in real time, as well as temperature and humidity, and can reliably and correctlywork for a long time. It has a very broad application prospects and promotion value. Key words:flammable gas temperatur

9、e and humidity single-chip microcomputer alarm目 录1 前言11.1 课题研究的背景11.2 课题研究的目的和意义21.3 可燃气体、温湿度报警器国内外现状32 系统功能及方案设计42.1 系统方案比较52.2 系统整体方案设计52.3 系统功能介绍63 报警系统硬件设计73.1 单片机原理73.1.1 单片机原理概述73.1.2ATmega16单片机的介绍83.2 电路系统设计93.2.1 单片机最小系统93.2.2 环境参数采集电路设计103.2.3 报警部分电路设计124 报警系统软件设计134.1 编译器ICCAVR的介绍134.2 系统软

10、件设计134.2.1 整体系统软件设计134.2.2 报警部分软件设计145 调试和测试155.1 软硬件调试155.2 系统功能测试166 总结16参考文献18附录19致谢27华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表1 前言1.1 课题研究的背景随着石油化学工业的发展，易燃、易爆以及有毒等气体的种类和应用范围都有所增加。液化石油气、天然气、煤气等这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、苯类以及一氧化碳、氢气等成分，都是易燃、易爆、有毒、有害的气体。它们易流动、易燃烧，在生产、输送、贮存和使用这些气体的过程中，如违反操作规程或者设备密封质量不好，都有可能发生这些可燃气体泄漏的现象。当与空气混合后的

11、混合物达到一定的浓度时，就是一种极具爆炸性的混合物，遇到火源就会发生剧烈的化合反应，产生大量的热，然后燃起大火，进而酿成火灾或爆炸事故，给国家和人民的生命财产造成损失。在国内由于燃气泄漏所引发的爆炸、中毒和火灾等事故也经常发生，这在某种程度上增加了城市的不安全和不稳定因素。为了防止类似的悲剧不断上演，只有利用先进的科学技术。研制先进的、可靠的安全监测仪表，严密而且实时监测环境中的可燃性气体的浓度，及早发现事故存在的隐患，及时采取有效的措施，将事故消灭在酿成恶果之前，这样才能确保安全生产，居民的人身财产安全也才能有保证。但是现在国内使用的报警控制器，许多产品使用时间过长，产品老化严重，技术指标达

12、不到标准，报警器的性能也不稳定。有些是保养不当，如电池流水腐蚀仪器，或蓄电池损坏而使报警器不能工作；有些是因使用不当而造成故障，因此不能进行准确、安全的检测和报警。因此，研制一种新型、性能稳定、实用性强、能准确监测可燃性气体，并且合乎国家相关规定的报警控制器势在必行。日本是最早发明可燃气体报警器的国家，己有50多年的历史。无论在气体探测器的研制上，还是在报警器的可靠性能上，都处于国际的领先水平。日本政府和各大生产企业大力推广报警器的使用，使可燃可爆气体泄漏和爆炸等事故的发生率远远低于欧美等发达国家。其中费加罗FIGARO、理研都是专门研制、生产可燃性气体报警控制器的厂家。他们生产的产品以采用最

13、先进的气敏传感器、响应速度快、性能可靠、寿命长而著称。我国在70年代初期开始研制可燃性气体报警控制器，生产型号多样、品种较为齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型的报警器，产品数量也在不断地增加。主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产制造工艺的基础上，进一步研究与开发，形成自己的特色。近年来，在气体选择性和产品稳定性上也取得很大进步。工业上的可燃性气体报警控制器一般分为可燃性气体检漏仪简称“检漏仪”）、可燃性气体报警控制器简称“控制器”）、可燃性气体探测器简称“探测器”）三大系列产品。检漏仪的体积较小，可随身携带或手持，采用碱性电池或可充电电池供电，一般可以

14、连续工作近12小时。该仪器主要应用于燃气管道的查漏与巡线。如果有燃气泄漏，检漏仪就会发出声光报警，同时显示气体浓度，以便监控人员及时采取安全措施，防止爆炸等恶性事故的发生。探测器一般都与控制器配合使用，这是在工业装置上和生产过程中使用最多的检测仪器，可在防爆现场长期稳定地监测可燃气体的浓度。这种仪器大都使用于油库、液化气站和煤气站等易燃易爆的危险场所。探测器安装在防爆现场，而控制器则安置在值班室等有人值守的地方，二者之间采用屏蔽电缆线连接。当在现场的探测器探测到燃气泄漏之后，在很短时间内通过屏蔽电缆线将信号传送到控制器，接收到信号后控制器发出声光报警，同时自动启动排风装置或关闭电磁阀切断气源，

15、以确保安全张路，2008）。温度检测报警系统的核心设备是温度传感器。温度传感器的发展算是经历了以下的3个阶段：1）传统的分立式温度传感器，含敏感元件，主要是能够进行非电量和电量之间的转换。2）模拟式集成温度传感器/控制器。3）数字式智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展Millsetal，2018）。数字式温度传感器也称智能温度传感器，是在20世纪90年代中期问世。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术ATE）的结晶。如今，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器型号处理器、信号处理器、存

16、储器和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器CPU）、随机存取储存器RAM）和只读存储器ROM）。数字式温度传感器能传输出温度数据及相关的温度控制量，能适配各种微控制器MCU），并且可以通过软件来实现测试功能，即智能化水平取决于软件的开发水平。进入21世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。而在湿度检测报警方面，虽然在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法

17、，早已无法满足现代科学技术发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素大气压强、温度）的影响。此外，湿度的标准也是一个难题。国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。近年来，国内外在湿度传感器的研发领域取得了很大的进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度检测控制系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。总而言之，温湿度传感器的应用很广泛，其性能会直接影响到温湿度测量系统的准确度和可靠性。由于技术和成本原因，几年前大多使用传统的温湿度传感器，即模拟式传感器，尤其是要求可靠的湿度测量仍然停留于干

18、、湿球测量法。这种方法不仅使用麻烦,而且往往受到应用场合的限制黄军辉等，2006）。目前国内外对可燃气体报警器、温度报警器、湿度报警器的研究可以说是已经进入一个比较成熟的阶段。可是能够结合多个方面，多路检测报警、实用性强，而且能够广泛应用的多路报警器的研制还不是很成熟，重大危险事故还是时有发生，所以这一方面的研究还是值得我们探讨。2 系统功能及方案设计2.1 系统方案比较方案一：采用AT89S51单片机作为中央处理单元郭天祥，2009），同时选用FIGARO费加罗催化燃烧式可燃气体传感器模块FCM6812对现场可燃性气体浓度进行检测采集，选用湿度传感器模块HR202对空气湿度进行检测，利用数字

19、温度传感器模块DS18B20对空气温度进行检测，单片机处理单元读取可燃气体传感器以及温湿度传感器所采集到的温度和湿度值，然后对采集到的数据进行处理分析并实现自动报警。报警器用发光二极管分别表示徐百汇等，2008）。方案二：采用功能和性价比较高的AVR ATmega16单片机作为中央处理单元，选用MQ_2气体传感器对现场可燃性气体浓度进行检测采集，MQ_2气体传感器具有双路信号输出，即模拟量输出及TTL电平输出，可以采集到气体浓度的真实值，或者直接输出高低电平，也就是当测量浓度大于设定浓度时，TTL输出低电平，在这里我们直接检测测量浓度是否大于设定浓度，同时选用AM2301温湿度传感器对温度和空

20、气湿度进行检测，即采集出温度和湿度的实际值，单片机处理单元读取温湿度传感器所采集到的温度和湿度值，并接受气体传感器发送的高低电平，然后对采集到的数据进行处理分析并实现自动报警。报警器用发光二极管分别表示，同时用蜂鸣器发出声音警报，以提醒监控人员。方案二中用到的AVR单片机是Atmel公司的产品，片内资源丰富，接口也比AT89S51单片机更强大，功耗也比较低，带AD转换的产品多。另外AVR单片机还有一个好处，就是能支持ISP下载程序；方案一中可燃气体传感器用的是FIGARO品牌的催化燃烧式可燃气体传感器TGS6812，该传感器采用催化原理，可以检测甲烷，液化石油气，酒精干扰小，线形输出，精密尺寸

21、做工，但是这种传感器模块很贵，而MQ_2气体传感器对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度、具有长期的使用寿命和可靠的稳定性、快速的响应恢复特性等优点，性价比高；方案二中使用AM2301温湿度传感器代替方案一中的湿度传感器模块HR202和温度传感器模块DS18B20，电路简单、使用方便，而且有较高灵敏度；方案二中报警器模块增加了蜂鸣器，能够更好地提醒监控该人员，以防产生不必要的损失。终上所述，本设计采用方案二。2.2 系统整体方案设计本系统整体方案框图如图1所示。本系统利用传感器对环境中的温湿度以及可燃气体进行检测，当这些参数不符合预定设置的参数值时，就会自动报警。选用MQ_2气体传感器对现场

22、可燃性气体浓度进行检测采集，MQ_2气体传感器具有双路信号输出即模拟量输出及TTL电平输出，可以采集到气体浓度的真实值，或者直接输出高低电平，也就是当测量浓度大于设定浓度时，TTL输出低电平，在这里直接检测测量浓度是否大于设定浓度，同时选用AM2301温湿度传感器对温度和空气湿度进行检测，即采集出温度和湿度的实际值，采用功能和性价比较高的AVR ATmega16单片机作为中央处理单元，读取温湿度传感器所采集到的温度和湿度值，并接受气体传感器发送的高低电平，然后对采集到的数据进行处理分析并实现自动报警。本设计可以检测空气中以烷类气体为主的多种可燃性气体的浓度，以及空气温湿度，当达到预先设定的上限

23、或下限报警设定值时，发出声音报警和信号，实现多路报警功能，以提示操作人员采取安全对策或自动控制相关安全装置。图1 系统整体方案框图2.3 系统功能介绍系统所实现的功能如下：环境参数信息的采集。本系统可以检测空气中以烷类气体为主的多种可燃可爆性气体的浓度，以及环境温度和空气湿度。利用传感器对环境中的温度和湿度以及可燃可爆性气体进行检测。选用具有双路信号输出，即模拟量输出及TTL电平输出，而且TTL电平输出的灵敏度可调的MQ_2气体传感器对现场可燃性气体的浓度进行检测，同时选用应用了专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性的AM2301温湿度传感器对环境温

24、度和空气中的湿度进行检测。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，能同时对温度和湿度进行检测，采集出温湿度的当前值。对采集到的信息进行自动处理并分析。采用功能和性价比较高的AVR ATmega16单片机作为中央处理单元，对环境参数进行采集处理，并不断分析、处理所采集的环境参数信息，将采集到的环境参数值与预先设置的理想值进行比较从而为报警提供数据依据。自动报警。当环境参数值达到预先设定的上限或下限报警设定值时，将会发出声音报警和信号灯指示。声音警报采用了有源蜂鸣器，而信号灯采用发光二极管，当环境参数值不在期望值当中时蜂鸣器发出鸣声，同时相应的发光二极管发光，以提示监控人员采取安全对策或

25、使自动控制相关安全装置做出相关反应。该报警器可以实时、准确地检测可燃性气体以及温湿度并且可以长时间可靠无误地报警。3报警系统硬件设计3.1 单片机原理3.1.1 单片机原理概述单片机single-chip microcomputer）又称为“微控制器MCU”,也就是把微型计算机的主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的单芯片微型计算机。由于单片机的高度集成化，缩短了系统内的信号传送距离，优化了结构的配置，大大提高了系统的运行速度以及可靠性。同时它的指令系统又非常适合工业控制的要求，所以单片机在工业过程及设备控制中得到了广泛的应用相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这

26、种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。ATmega16有如下特点:16字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW，512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C,片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU停止工作，而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工