家用煤气泄漏报警控制器硬件设计毕业设计.docx

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家用煤气泄漏报警控制器硬件设计毕业设计

东莞理工学院城市学院

本科毕业设计

毕业设计题目：

家用煤气泄漏报警控制器

硬件设计

摘要

当今社会上，出现了许多煤气报警器，而这些产品大都是针对煤气的泄漏所做出的相应的报警，即为家庭式。

但是随着社会的发展，煤气报警器也在发展。

微机控制技术、传感器在工业控制、机电一体化、智能仪表、通信、家用电器等方面得到了广泛应用，显著提高了各种设备的技术水平和自动化程度。

因此对这些原理和结构我们就需要很好的了解并掌握。

煤气报警系统采用了RCM5700为系统的CPU，通过单片机系统设计实现对家用煤气的控制功能，由NG-CO-001电化学一氧化碳气体传感器对煤气进行检测，将所得的浓度值与设定浓度值相比较得到偏差。

通过对偏差信号的处理获得控制信号，去调节煤气出气阀的通断，四个单元的煤气浓度对应模拟量利用A/D转换为数字量，并加入了键盘输入，从而实现对家用煤气漏气的控制。

整个系统的硬件电路设计合理，性能安全可靠。

关键词：

电位器采样报警临界值煤气浓度

Abstract

Inthecurrentsociety,alotofcoalgasalarmshaveappeared,andtheseproductsaremostlytolettingoutcorrespondingalarmsmadeofcoalgas,itisfamily.Butwiththedevelopmentofsociety,coalgasalarmdeveloptoo.Microcomputercontroltechnology,sensorsintheindustrialcontrol,mechatronics,smartinstrumentation,communications,householdappliances,etc.hasbeenwidelyapplied,significantlyimprovedthetechnologicallevelofequipmentanddegreeofautomation.Thusthestructureoftheseprinciplesandweneedtounderstandandgraspthegood.

CoalgaswarningsystemadoptRCM5700computerCPUofsystem,Designarealizationthroughasinglesliceofmachinesystemtothecontrolfunctionofhousehold-usecoalgas.TheNG-CO-001electricitychemistrycarbonmonoxideairspreadsafeelingmachinetocarryonanexaminationtothecoalgasandcomparesdensityvalueandenactmentdensityvaluegainingtogetdeviation,theprocessingthatpassestothedeviationsignalacquirescontrolsignalandregulatecoalgastogiveventtoangertheofvalvebreak.fourcoalgasdensitycorrespondinganalogquantityofunitutilizeA/Dpersonwhochangesfigureinto,andhasjoinedkeyin,carryoutthecontrolthatleaksairtothehousehold-usecoalgasthus.Thehardwarecircuitofthewholesystemisreasonableindesign,performanceissafeandreliable.

Keyword:

Theelectricpotentialdevicesampl

家用煤气泄漏报警控制器硬件设计

徐向文

1、绪论

1.1、课题研究的背景

随着我国燃气的变革及西气东输工程的进行，煤气或天燃气已成为多数家庭的燃料。

每年，因煤气泄露造成的煤气中毒事故中，因使用热水器不当或产品本身的质量问题，造成的煤气中毒事故，全国均有不少事例。

有甚者，因室内煤气浓度过高，引起煤气爆炸的事故也不少见。

家用煤气有时会因各种原因发生泄漏，煤气的主要成分是甲烷，甲烷是一种可燃性气体，遇到明火会发生燃烧甚至爆炸，所以如果在煤气泄漏时打电话，使用家用电器的话，煤气遇到电火花可能会发生爆炸事故。

人呆在煤气泄漏的空间内，甲烷的不完全燃烧可能会生成一氧化碳，人体吸入有毒气体一氧化碳后，一氧化碳将会迅速与血液中的红细胞结合导致人体中毒昏迷，如果长时间吸入泄露的煤气甚至会发生中毒死亡。

一氧化碳中毒属内科急症，如不及时发现及治疗，将会危及生命。

近年来，我国部分地区非职业性一氧化碳中毒事件时有发生。

特别是冬春季高发，据不完全统计，我国2006年因非职业性一氧化碳中毒，造成至少3850人中毒，142人死亡。

2007年3-5月份，南汇区发生了2起非职业性一氧化碳中毒事件。

1.2、课题研究的目的

人们面对燃气泄漏而造成的种种事故威胁，就真的没有一个彻底的解决办法吗？

据有关专家介绍，使用燃气报警器是对付燃气无形杀手的重要手段之一。

燃气专家指出，燃气泄漏或废气排放而大量产生的一氧化碳是燃气中毒事响应的根源，如采有用燃气泄漏报警器就能得到及时的警示。

有关部门经长期测试同样得出结论，燃气报警器防止一氧化碳中毒事故发生的有效率达95%以上。

计算机的普及和信息技术的迅猛发展，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。

单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，煤气泄漏则是人们日常生活中常常需要测量和控制的一个问题。

单片机有利于为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施。

为了防止中毒事件再次发生，提出利用单片机系统进行有效的预防对策。

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。

1.3、国内外研究现状及发展动态

民用可燃气体报警器为居民家庭用的燃气报警器，一般安装在厨房，遇燃气泄漏时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。

有的报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外；有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏[8]。

在应用方面，目前最广泛的是可燃性气体气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，从工厂企业到居民家庭，应用十分广泛。

仅以用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，日本早在1980年1月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器法规，1986年5月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。

美国目前已有6个州立法，规定家庭、公寓等都要安装CO报警器。

报警器种类也相当繁多，有用于一般家庭、集体住宅、饮食餐店、医院、学校、工厂的各种气体报警器和系统，有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、遮断连动系统、防止中毒报警防护系统等。

结构型式有袖珍型便携式、手推式、固定式报警等；工业用固定式报警又有壁挂式、台放式、单台监控式、多路巡检式等。

气体检测技术与计算机技术相结合，实现了智能化、多功能化。

美国工业科学公司（ISC）一台携带式气体监控仪可实现4种气体监测，采用了统一的软件，只需要换气体传感器，即可实现对特定气体监测。

美国国际传感器技术（IST）公司应用一种“MegaCas"传感器和微程序控制单元，可检测100种以上毒性气体和可燃性气体，通过其“气体检索”功能扫描，能很快确定是哪一种气体。

可燃气体传感器的发展也成为气体检测系统的代表性标志。

近年来，由于在工业生产、家庭安全、环境监测和医疗等领域对气体传感器的精度、性能、稳定性方面的要求越来越高，因此对气体传感器的研究和开发也越来越重要。

随着先进科学技术的应用，气体传感器发展的趋势是微型化、智能化和多功能化。

深入研究和把握有机、无机、生物和各种材料的特性及相互作用，理解各类气体传感器的工作原理和作用机理，正确选择各类传感器的敏感材料，灵活运用微机械加工技术、敏感薄膜形成技术、微电子技术、光纤技术等，使传感器性能最优化是气体传感器的发展方向。

国外气体传感器发展很快，一方面是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。

因此，国外气体传感器技术得到了较快发展，据有关统计猜测，美国1996年—2002年气体传感器年均增长率为（27～30）％。

目前，气体传感器的发展趋势集中表现为：

一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标。

如日本费加罗公司推出了检测（0.1～10）×10－6硫化氢低功耗气体传感器，美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器，美国FirstAlert公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗CO气体传感器等。

二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。

如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化；还有前已涉及的美国IST公司的具有微处理器的“MegaGas”传感器实现了智能化、多功能化。

气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，国内已有一定的基础。

其现状是：

（1）烧结型气敏元件仍是生产的主流，占总量90％以上；接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力；电化学气体传感器有了试制产品；

（2）在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构；在气敏材料方面SnO2和Fe2O3材料已用于批量生产气敏元件，新研究开发的Al2O3气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料；

（3）低功耗气敏元件（如一氧化碳，甲烷等气敏元件）已从产品研究进入中试；

（4）国内气敏元件传感器产量已超过“九五”初期的400万支。

产量超过20万支的主要厂家有5家，黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司（合资）、北京电子管厂（特种电器厂），其中前四家都超过100万支，据行业协会统计，1998年全国气敏元件总产量已超过600万支。

总的看来，我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大的差距，主要是产品制造技术、产业化及应用等方面的差距，与日本比较仍要落后10年。

1.4、系统设计基本内容

针对经常发生的煤气泄漏中毒事件，采用煤气、甲烷、乙烷及一氧化碳等气体传感器、单片机、电磁阀和电铃，设计一套有毒气体检测、报警电路，显示室内空气质量（分优、良、中、好、差五级），用单片机模块分路控制继电器、发光二极管和电铃。

报警系统由硬件和软件两大部分组成。

其中硬件部分由各报警感应器、感应器控制器、主控器等设备组成。

软件部分主要是报警系统控制程序。

气敏传感器用来检测空气中煤气的浓度，当空气中煤气含量超过允许标准浓度后，感应器所获得的感应信号均被感应器控制器所接收，再由感应器控制器对各感应信号进行相应识别和处理，并将处理后的感应信号通过串口送至主控器，由主控器对其采取相应的警报动作。

报警信号加至报警声响电路的控制端后，报警声响电路被触发，发出报警声，同时关闭总气阀。

本课题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、气体传感器总线的使用方法，同时研究电路设计思路、电路组成，包括控制芯片、气体传感器、单片机、显示电路等的选用和设计，最后给出结构框图、电路原理图。

系统软件设计方面的分析设计包括主机和从机程序设计分析等。

2、系统设计技术基础

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。

Internet技术的飞速发展，使得基于分组交换技术的通信性能、通信质量和可靠性得到稳步提高。

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。

2.1、系统实现方案与选择

针对目前主要处理芯片的不同，本文提出了2种实现方案，分别为基于8051单片机实现方案以及基于RabbitRCM5700实现方案。

并最终选择了一种方案进行系统实现。

2.1.1、基于单片机的实现方案

基于8051单片机实现的煤气报警器的具体方案如图2.1所示。

该方案主要包括了可燃气体传感器、A/D转换器、键盘控制电路、8051单片机电路、晶振、蜂鸣器以及LED显示电路[1]。

可燃气体传感器输出为模拟量，需要利用A/D转换器将模拟量转换成数字量送给8051单片机；晶振和键盘控制作为8051单片机的外围输入电路，蜂鸣器作为报警用的8051单片机的外围输出电路；显示电路采用了LED显示，由8051单片机控制实现显示。

图5.1基于8051单片机的实现

2.1.2、基于MiniCore的实现方案

基于MiniCore实现的煤气报警器的具体方案如图2.2所示。

该方案主要包括了可燃气体传感器、A/D转换器、键盘控制电路、RabbitRCM5700模块电路、晶振、蜂鸣器以及LED显示电路。

可燃气体传感器输出为模拟量，需要利用A/D转换器将模拟量转换成数字量送给RabbitRCM5700模块电路；晶振和键盘控制作为RabbitRCM5700模块电路的外围输入电路，蜂鸣器作为报警用的RabbitRCM5700模块电路的外围输出电路；显示电路采用了LED显示，由RabbitRCM5700模块电路控制实现显示。

图6.1基于MiniCore的实现

2.1.3、方案选择

方案1中采用的是8051单片机实现煤气报警器，该方案具有结构化设计简单，器件成本较低的特点，是一种较为广泛采用的实现方案。

方案2中采用的是RabbitRCM5700模块实现煤气报警器，该方案基于RabbitRCM5700模块进行开发设计，RabbitMiniCore模块用于加速嵌入式系统的开发和实施。

编程开发采用我们经过业界广为验证的DynamicC开发系统,一个包括编辑器、链接器、装载器和编译器在内的C语言集成开发环境。

从你的计算机通过USB端口或串口下载程序，立即在目标硬件上进行调试——无需在线仿真器。

这种开发环境减少了工作量，加速了软硬件集成。

Rabbit提供了广泛的驱动函数库和例程、免费的TCP/IP及其源代码。

RabbitMiniCore系列产品采用超小型miniPCIExpress接口，具有可互相兼容的以太网与Wi-Fi无线网两个版本，除了拥有Mini的外型，使得产品的设计更加容易之外，它还配置了32个通用输入/输出端口、6个串行端口和一台Rabbit5000微处理器。

这些特点使其成为超小型产品中最具成本效益的网络连接解决方案，既可用于网络连接也可用于控制。

由于该模块具有设计灵活，外围扩展功能强大的特点，可以构成当今体积最紧凑、成本最低的嵌入式解决方案，可以为系统方便可靠增加网络连接。

针对其应用扩展，本设计选择了方案2，基于RabbitRCM5700模块实现煤气报警器的方案。

既基于MiniCore实现的家用煤气报警系统，利用可燃气体传感器检测某一环境中可燃气体含量的指标，对于可燃气体的检测，由于可燃气体传感器输出量为模拟量，需要将其进行A/D转换后送给RabbitRCM5700模块，当其含量超过设定值时，由主芯片RabbitRCM5700模块控制蜂鸣器进行报警。

2.2、MiniCore芯片选择

2.2.1、RCM5700的简介

MiniCoreRCM5700是Rabbit半导体公司在2008年9月30日推出的一款尺寸紧凑的经济型核心模块，设计人员可以将其用于小尺寸、低价格、可实现控制或采集且支持网络功能的系统中去，是高性能低成本的嵌入式解决方案。

典型应用在远程数据记录和上传、储罐监控、自动抄表系统、远程能源管理等领域。

MiniCore芯片选择了RabbitRCM5700模块。

Rabbit充分结合了易于使用和最大限度的降低产品成本提供可以构成当今体积最紧凑、成本最低的嵌入式解决方案。

MiniCore系列也是Rabbit产品中体积最近凑和成本最低的嵌入式解决方案，设计人员可以为他们设计的系统方便可靠增加网络连接[12]。

RabbitSemiconductor公司专注于此，推出的产品在行业内被广泛应用，十几年来，以其产品质量的高稳定性、容易开发、资源丰富、支持联网等优点获得业界的高度认可，譬如RCM3200、LP3500在工控和水利、电力领域已经成为行业内的经典应用。

这里要介绍的是Rabbit公司新推出的一款全新产品MiniCoreRCM5700核心模块，它价格低廉、尺寸小、开发容易、支持网络控制。

新的MiniCoreRCM5700模块在体积极其紧凑的miniPCIExpress板型结构内集成了丰富的嵌入式功能，并且成本极低。

另外的一个好处是，MiniCoreRCM5700为任何嵌入式解决方案提供可极小的结构尺寸。

RCM5700可以在任何客户定制开发的母板上增加新的网络连接。

RCM5700具备Rabbit5000微处理器，工作主频可达50.0MHz,flashmemory，两个时钟（主晶振和时间晶振）和为Rabbit5000内置实时时钟/片内SRAM提供后备电池所需的重启/管理电路。

52-pinminiPCIExpress插槽式的板边连接器引出了RCM5700的I/O总线，并行端口和串口到RCM5700固定的母板上。

通过客户定制开发的母板，RCM5700接收+3.3V供电并和其它数字设备实现所有CMOS兼容的接口。

主要特点：

（1）微处理器为Rabbit5000（内含128KB的SDRAM），主频为50MHz；

（2）程序存储器为1MB闪存；

（3）32个GPIO（可配置）；

（4）6个（可配置）CMOS兼容的串El；

（5）带实时时钟（电池供电）；

（6）10个8位定时器，10位和l6位定时器各1个；

（7）有两路触发输入和两路正交解码输入；

（8）带有看门狗；

（9）支持10／100Base—T以太网功能；

（10）接口为MiniPCIExpress接口。

RabbitCoreMiniCore模块用于加速嵌入式系统的开发和实施。

编程开发采用我们经过业界广为验证的DynamicC开发系统，一个包括编辑器、链接器、装载器和编译器在内的C语言集成开发环境。

从计算机通过USB端口或串口下载程序，立即在目标硬件上进行调试，无需在线仿真器。

这种开发环境减少了工作量，加速了软硬件集成。

Rabbit提供了广泛的驱动函数库和例程、免费的TCP/IP及其源代码。

有两种类型的开发包供用户进行开发和测试软件。

标准开发包包括你设计基于该微处理器系统所需要的基本组件和完整的DynamicC软件开发系统。

RCM5700开发包还包括你评测RCM5700所需要的开发板。

DigitalI/O和串口板可以立即运行DynamicC中的例程从而快速演示RCM5700的产品特点。

你可以立即为RCM5700模块编写和测试包括以太网和TCP/IP应用在内的软件。

2.2.2、RCM5700的优点

1）使用完整设计和生产的，具有“运行就绪/编程就绪”的微处理器模块，能使您快速完成产品开发并投入市场。

2）比购买和组装单独组件更具竞争力的价格。

3）简单的C语言程序开发和调试。

用于下载经编译的DynamicC.bin文件的RabbitFieldUtility。

4）能容纳数万行代码大型程序并存储丰富数据的大容量存储器。

5）参考设计使集成的以太网能利用无需特许权的TCP/IP软件实现网络连接。

2.2.3、RCM5700硬件组成

RCM5700标准开发包包含了您使用RCM5700模块所必须的必备硬件。

下述物品在开发包的标准版本中提供。

●RCM5700模块。

●配有支架/接头的接口板。

●配有支架/接头的应用电路开发板。

●能通过接口板对RCM5700进行编程的USB线。

2.2.4、RCM5700模块接口定义

接口板设计原理图

图10.1

图11.1

RCM5700模块接口包括了52个接口，各个接口定义如图12.1所示。

图12.1RCM5700模块接口定义

根据RCM5700模块接口定义可知，52个接口可以划分为几个主要部分：

端口PortA、PortB、PortC、PortD、PortE、SerialPortA、RAM、Misc.I/O等，具体如图12.2所示。

图12.2RCM5700模块端口说明

RCM5700模块管脚功能及说明详见表。

表13.1

表14.1

表15.1

2.3、传感器的选择

对于煤气报警器的实现，感应器的选择也相当的重要，是系统重要的组成部分之一，其性能对于系统的精确度和实现范围有这相当大的影响，也是体现煤气监控发展现状的标志。

2.3.1、一氧化碳传感器的选择

市面上的煤气感应器多种多样，特性价格也各有不同。

根据实际应用和成本性价比，本设计一氧化碳气体传感器选择了NG-CO-001型电化学一氧化碳气体传感器，其详情如下[4]：

NG-CO-001型电化学一氧化碳气体传感器属工业级别产品，通过成熟的电极制备处理技术及传感器结构设计，使其具有长寿命、高灵敏度、液体密闭性良好等技术特点。

传感器与外部电路连接部位通过接插元件完成，利于传感器与电子线路的兼容与互换。

产品组装工艺简化，有利的降低了产品成本。

用途：

工厂一氧化碳浓度检测仪器；气体计量器具；空气质量监测器；气体变送器；便携式仪器配套元件等等。

（1）NG-CO-001电化学一氧化碳气体传感器基本原理

电化学气体传感器由工作电极、参比电极、对电极构成，根据外部恒电位电路，传感器工作电极保持一个稳定的工作电位，一氧化碳气体传感器基本工作原理如下面公式所示：

UCTURE

工作电极：

CO+H2O=CO2+2H++2e-

对电极：

O2+4H++4e-=2H2O

总反应：

2CO+O2=2CO2

这样电化学气体传感器根据电化学反应电子转移，从而定性并定量的检测出被测气体。

参比电极主要作用是保持工作电极维持电化学反应的稳定工作电压，工作电极与对电极之间因电化学反应形成的电流与被测气体浓度成线性关系。

此传感器属于三电极方式，具有检出信号稳定和线性关系良好等优越性，在一般工业得到较为广泛的应用。