基于单片机的智能型可燃性气体泄漏报警器的设计毕业设计论文.docx
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基于单片机的智能型可燃性气体泄漏报警器的设计毕业设计论文
题目：
基于单片机的智能型可燃性气体泄漏报警器的设计
专业：
自动化
学院：
继续教育学院
学习形式：
自考专升本
助学单位：
辽宁石化职业技术学院
2013年5月
毕业设计（论文）
说明书
题目基于单片机的智能型可燃性气体泄漏报警器的设计
院别：
继续教育学院
专业：
自动化
班级：
自动化112
设计人：
指导教师：
毕业设计（论文）任务书
一、题目：
基于单片机的智能型可燃性气体泄漏报警器的设计
二、基础数据
三、内容要求：
1.说明部分：
2.计算部分：
3.绘图部分：
四、发给日期：
年月日
五、要求完成日期：
年月日
指导教师：
系主任：
年月日
摘要
随着可燃性气体种类和应用范围的增长，其使用的地方和贮气仓库内的泄漏、火灾爆炸事件日益增多。
从安全、环保和经济的角度上考虑，研究测量可燃性气体自动报警和自动打开排气装置的一种控制装置是非常重要的。
此设计对可燃性气体泄漏报警、以及控制器进行了非常深的研究，采用了“探测器加单片机控制电路”设计思维，具有反应快，误差小等优点。
选用TGS-813半导体陶瓷式气体传感器对现场可燃性气体浓度进行测量，采用性价比和功能较高的AT89S51单片机作为中央处理单元，对浓度信号进行收集、数据做处理、显示、报警及打开排气装置等步骤。
此设计的可燃性气体报警、控制器可以测量到空气中以烷类气体为主的多样可燃性气体的浓度，实时显示浓度值，当达到预先设置的上限报警值时，发出声音报警和控制信号，以提示操作人员采取安全措施或自动控制相关安全设备。
该报警、控制器可以实时、准确测量可燃性气体浓度，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价值。
关键词：
报警器；可燃性气体；气体传感器；单片机
Abstract
Withcombustiblegastypeandapplicationareaincreases,theuseoflocalandgasstoragewarehouseleaks,fireandexplosionincidentsareincreasing.Fromthesafety,environmentalandeconomicpointofviewtoconsider,ofameasureofflammablegasalarmdevice,andautomaticallyopensadischargecontroldeviceisveryimportant..
Thisdesignforcombustiblegasleakalarm,andacontrollerin-depthstudy,usinga"probeplusMCUcontrolcircuit"designthinking,withasmallerror,fastresponseandsoon.SelectionTGS-813semiconductorceramicgassensorformeasuringtheconcentrationofflammablegasfield,theuseofhighercostandfunctionalityAT89S51microclineasthecentralprocessingunitoftheconcentrationsignalcollection,datadoprocessing,display,alarmandopentheexhaustothersteps.
Thedesignofthecombustiblegasalarm,thecontrollercanbemeasuredintotheairtogas-basedanddiversealkaneconcentrationofflammablegas,real-timedisplayofconcentrationvalues,whenitreachesapre-setlimitalarmvalue,thealarmsoundsandcontrolsignalstoprompttheoperatortotakesafetymeasuresorautomaticcontrolrelatedsafetyequipment.Thealarm,thecontrollerinrealtime,accuratemeasurementofcombustiblegasconcentration,andthereliabilityandaccuracyofthealarmcanbelong,withaverybroadapplicationprospectsandvalue.
Keywords：
divulgingalarm;combustiblegas;singlechipmicrocomputer;gassensor
1绪论
1.1单片机的背景
单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。
从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。
1.2课题国内外研究的现状
鉴于火灾事故的不可预测性和不可绝对避免性为了减少火灾事故利用计算机及信息技术来提高防火技巧已成为国内外研究的热点。
二十世纪八十年代以后展开的关于智能防火报警系统的研究被认为是解决各种火灾问题的一个很好的途径。
智能防火报警系统是将先进的信息技术、通讯数据传输系统、电子控制系统以及计算机处理系统有效地应用于整个运输管理体系使人、电脑、环境协调统一从而建立一个全方位发挥作用的实时、准确、高效的综合管理系统。
其中智能防火系统涉及到计算机测量与控制、计算机视觉、传感器数据融合等诸多领域。
视觉系统在智能防火报警系统中起到环境探测和辨识作用。
与其他传感器相比，机器视觉具有检测信息量大的特点，单纯以当前的现实条件出发解决容易导致系统实时性差，根据计算着火点与目标的相对位移并用自适应滤波对测量数据进行处理以减少环境的不稳定性造成的测量误差。
在智能可燃性气体泄漏警报领域常用的还有雷达、激光等传感器。
利用信息感知、动态辨识、控制技术的方法提高安全性是先进防火报警器与安全系统（AVCSS）的主要研究内容。
世界各大公司都在开展这方面的研究与开发工作：
日本各大企业公司致力于新型安全防火报警器技术研究开发并取得了重要的进展；丰田汽车公司使用毫米波雷达和CCD摄像机对本车的距离进行动态监测当火和环境距离小于设定值时系统将发出报警信号提醒工作人员；本田公司使用具有扇形激光束扫描的雷达传感器日本公司在毫米波雷达防撞方面也做了大量的研究其雷达中心频率主要选择60～61GHZ或76～77GHZ探测距离为120m；尼桑公司为41LV-Z配备了自适应巡航控制系统。
德国和法国等欧洲国家也对毫米波雷达技术进行了研究：
如奔驰汽车公司和英国劳伦斯电子公司联合研制的可燃性气体泄漏报警系统，仅探测本车道内车辆的信息从而可避免旁车道上目标物的影响；戴姆勒-克莱斯勒公司的防撞结构主要是两个测距仪和一个影像系统她能够测出安全距离发现前方有障碍物计算机能够自动。
但国内目前生产的可燃性气体泄漏报警器普遍达不到要求表现在最远测距距离近测距误差大远远不满足各个公司需进一步研究。
1.3半导体陶瓷式气体传感器原理
半导体陶瓷式气体传感器分机械方式和电气方式两类它实际上是一种换能器在发射端它把电能或热能转换成热能接收端则反之。
本设计中半导体陶瓷式气体传感器采用电气方式中的压电式温度换能器。
它是利用压电晶体的谐振来工作的。
它有两个压电晶体和一个共振板。
当它的两级外加脉冲信号其频率等于压电晶体的固有振荡频率时压电晶体将会发生共振并带动共振板振动产生超声波。
反之如果两电极间未外加电压当共振板接收到超声波时将压迫压电晶体片做振动将机械能转换为电信号就成为半导体陶瓷式气体接收器。
在电路中发射端输出一系列脉冲方波脉冲宽度越大输出的个数越多能量越大所能检测到的温度越高。
半导体陶瓷式气体换能器与接收换能器在其结构上稍有不同使用时应看清器件上的标志。
半导体陶瓷式气体传感器测气体的方法有很多种：
如温度检测法、相位检测法、温度幅值检测法。
本设计采用往返时间检测法温度。
其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波借助空气媒质传播到达测量目标或障碍物后反射回来经反射后由超声波接收器接收脉冲其所经历的时间即往返时间。
往返时间与气体的种类有关。
根据测试传输时间可以得出温度。
假设S为被测物体的温度，测得的时间为t，超声波传播的速度为v表示。
则有关系式：
（1-1）
在精度的要求较高的情况下需要考虑温度对超声波传播速度的影响按式（1-2）对超声波传播速度加以修正以减小误差。
（1-2）
中T为实际温度单位为℃，V为温度单位为℃。
2硬件简介
本设计采用以AT89S51单片机为核心芯片的电路来实现主要由AT89S51芯片、时钟电路、复位电路、LED显示、超声波传感器5部分组成。
2.1AT89S51单片机概述
AT89S51是一个低功耗高性能CMOS8位单片机。
片内4KbytesISP（In–systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器。
芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFLASH存储单元，是一种功能强大的微型计算机芯片。
AT89S51具有如下特点：
（1）40个引脚4KBytesFlash片内程序存储器；
（2）128bytes的随机存取数据存储器RAM（3）32个外部双向输入、输出I/O口（4）5个中断优先级2层中断嵌套中断（5）2个16位可编程定时计数器（6）2个全双工串行通信口看门狗WDT电路片内时钟振荡器。
主要特性如下：
（1）1.8031CPU与MCS-51兼容
（2）4K字节可编程FLASH存储器（寿命1000写/擦循环）（3）全静态工作：
0Hz-33MHz.（4）三级程序存储器保密锁定（5）128*8位内部RAM6.32条可编程I/O线7.两个16位定时器/计数器（7）6个中断源1.可编程串行通道2.低功耗的闲置和掉电模式3.片内振荡器和时钟电路。
2.1.1AT89S51单片机引脚说明
1、VCC:
电源
2、GND:
地
3、P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
4、P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表2-1所示。
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
表2-1P1口的第二功能
5、P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
6、P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表2-2所示。
在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
表2-2P3口的第二功能
7、RST:
复位输入。
晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。
看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下，复位高电平有效。
8、ALE/PROG：
地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。
在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。
在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。
然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。
如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。
这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。
否则，ALE将被微弱拉高。
这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
9、PSEN:
外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。
当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。
10、EA/VPP:
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。
为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。
在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。
11、XTAL1:
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
12、XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
2.1.2AT89S51单片机的时钟及复位
AT89S51单片机为40引脚双列直插芯片，有四个I/O口P0，P1，P2，P3，MCS-51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），每一条I/O线都能独立地作输出或输入。
单片机的最小系统如图2-1所示，18引脚和19引脚接时钟电路，XTAL1接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，XTAL2接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出。
第9引脚为复位输入端，接上电容，电阻及开关后够上电复位电路，20引脚为接地端，40引脚为电源端。
图2-1单片机的最小系统
2.2各芯片功能及工作原理
在本设计中用到了74HC04芯片、CX2016芯片、晶振芯片。
芯片在本设计设计中起到了关键作用。
2.2.18位数码管
8段数码管属于LED发光器件的一种。
LED发光器件一般常用的有两类数码管和点阵。
8段数码管又称为8字型数码管分为8段A、B、C、D、E、F、G、P10根管脚每一段有一根管脚。
其中P为小数点。
数码管常用的有另外两根管脚为一个数码管的公共端两根之间相互连通如图2-2所示:
图2-2LED的引脚和电路原理图
数码管作为显示字段的数码型显示器件它是由若干个发光二极管组成的。
当发光二极管导通时相应的一个点或一个笔画发亮控制不同组合的二极管导通就能显示出各种字符。
数码管有共阳极和共阴极两种。
共阴极LED显示管的发光二极管的阴极连在一起通常此共阴极接地。
当某个发光二极管的阳极为高电平时发光二极管点亮相应的段被显示。
同样共阳极LED显示管的发光二极管的阳极接在一起通常此共阳极接正电压当某个发光二极管的阴极接低电平时发光二极管被点亮相应的段被显示。
本次设计所用的LED数码管显示器为共阴极。
LED数码管的使用与发光二极管相同根据材料不同正向压降一般为1.5—2V额定电流为10mA最大电流为40mA。
静态显示时取10mA为宜动态扫描显示可加大脉冲电流但一般不超过40mA。
如表2-3所示。
表2-3数码管静态显示表
显示字符
dp
g
f
e
d
c
b
a
十六进制数
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0C0H
1
1
1
1
1
1
0
0
1
0F9H
2
1
0
1
0
0
1
0
0
0A4H
3
1
0
1
1
0
0
0
0
0B0H
4
1
0
0
1
1
0
0
1
99H
5
1
0
0
1
0
0
1
0
92H
6
1
0
0
0
0
0
1
0
82H
7
1
1
1
1
1
0
0
0
0F8H
8
1
0
0
0
0
0
0
0
80H
9
1
0
0
1
0
0
0
0
90H
A
1
0
0
0
1
0
0
0
88H
B
1
0
0
0
0
0
1
1
83H
C
1
1
0
0
0
1
1
0
0C6H
D
1
0
1
0
0
0
0
1
0A1H
E
1
0
0
0
0
1
1
0
86H
F
1
0
0
0
1
1
1
0
8EH
2.2.274HC04芯片
1.高速CMOS--六反相器.
2.对称的传输延迟和转换的时间
3.相对于LSTTL逻辑IC功耗减少很多4.工作电压2V到6V
5.兼容直接输入LSTTL逻辑信号，VIL=0.8V（Max），VIH=2V（Min）6.兼容CMOS逻辑输入，1μAatVOL，VOH如图2-3所示。
7.宽工作温度范围-55℃-125℃。
图2-374HC04管脚图
2.2.3CX20106芯片
CX20106内部由前置电路将接收到的信号转换成CX20106可以接收的标准数字信号送到CX20106的1管脚。
CX20106的总放大增益约为80dB其7管脚输出的控制脉冲序列信号幅度在3.5~5V范围内。
总增益大小由2管脚外接的R1.。
9、C1.4决定R1.9越小或C1.4越大增益越高。
但取值过大时将造成频率响应变差C1.4为10uF。
采用峰值检波方式检波电容C1.2为10uF。
R2为带通滤波器中心频率f0的外部电阻。
积分电容C1.3取330pF。
经CX20106处理后的脉冲信号由7管脚输出给AT89S51进行译码处理。
CX2016:
红外解码芯片。
图2-4CA20106内部结构
3可燃性气体泄漏报警器的系统设计
3.1可燃性气体泄漏报警系统总方案
本设计是以AT89S51单片机控制的可燃性气体泄漏报警系统。
该装置将单片机的实时控制及数据处理功能与超声波的测距技术相结合可检测着火时的温度通过LED显示装置显示温度并由蜂鸣器根据距离远近发出警告声。
本设计中将电路分为以下几个主要的组成部分，分别是超声波发射超声波接收温度测量显示和报警电源等硬件电路部分以及相应的软件部分构成。
系统框图如图3-1所示。
图3-1系统框图
整个系统由单片机AT89S512控制超声波传感器采用收发分体式分别是一支超声波发射换能器和一支超声波接收换能器。
超声波信号通过超声波发射换能器发射到空气中遇被测物反射后回声波被超声波接收换能器接收。
进行相关处理后输入单片机的INTO脚产生中断计算中间经历的时间同时再根据具体的温度计算相应的声速根据式（1-2）就可得出相应的温度。
报警系统根据LED显示的温度发出报警。
3.2超声波发射模块
超声波发射部分是为了让超声波发射换能器能向外界发出40KHZ左右的方波脉冲信号。
40KHZ左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法采用硬件如555测温电路14振荡产生或软件。
本设计采用单片机软件编程控制。
由单片机P1.0端口输出40KHZ左右的方波脉冲信号由于单片机端口输出功率不够40KHZ方波脉冲信号分成两路送给一个由74HLS04组成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远满足测量距离要求最后送给超声波发射换能器以声波形式发射到空气中。
发射部分的电路如图3-2所示。
图中输出端上拉电阻R16，R17一方面可以提高反向器74HLSO4输出高电平的驱动能力另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果缩短其自由振荡的时间。
图3-2超声波发射电路图
3.3超声波接收模块
超声波换能器发射的超声波信号在空气中传播遇到温度高于标准温度的物体就会返回超声波接收模块是为了将反射回波顺利接收到超声波接收换能器进行转换成电信号并对此电信号进行放大、滤波、整形等处理。
本设计中采用的是索尼公司生产的集成芯片CX20106。
超声波接受换能器将得到的一个负脉冲送给单片机的P3.2（INT0）引脚便产生一个中断。
接收模块的电路如图3-3.
由电路图可以看出集成芯片CX20106在接收模块电路中起了很大的作用。
CX20106是一款应用广泛的红外线检波接受的专用芯片其具有功能强、性能优越、外围接口简单、成本低等优点。
由于红外遥控常用的载波频率38KHZ与测距的超声波频率40KHZ比较接近而且CX20106内部设置的滤波器中心频率f0可由其5引脚外接电阻调节阻值越大中心频率越低范围为30~60KHZ。
所以本设计中采用它来做接收电路。
CX20106内部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。
工作过程是接收到的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器将信号调整到合适幅值的矩形脉冲由滤波器进行频率选择、
滤除干扰信号再经整形送到输出端7脚。
当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的回波信号时其输出端7脚就输出低电平而输出端7教直接接收到AT89S52的P3.2引脚上以触发中断。
若频率有一些误差可调节芯片引脚5的外接电阻R4.2，将滤波器的中心频率设置在40KHZ就可达到理想的效果。
图3-3超声波接收模块电路图
3.4其它主要模块
3.4.1温度测量模块
为提高系统的准确度本设计采用了温度补偿法。
这里用的主要元器件是美国Dallas半导体公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20。
其具有准确度高、智能化、体积小、线路简洁等特点。
将单片机的P1.1口与DS18B20数据线相连就可以实现温度测量
图3-4温度测量电路图
3.4.2LED显示模块
本设计显示模块使用LCD显示所测距数值TC1602显示的容量为2行16个字。
液晶显示屏有消耗小、体积小、显示内容多、超薄轻巧、方便等许多优点。
与数码管相比显得更专业、美观。
从价格上考虑本设计采用数码管显示。
数码管分为共阴数码管和共阳数码管本系统中使用共阴数码管其工作原理是公共端接地低电位然后给abcdefgh每段赋予高电位就可显示不同
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