利用AT89S52单片机设计的智能煤气监控报警系统Word格式文档下载.doc
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单片机已成为电子系统中进行数据采集、信息处理、通信联络和实施控制的重要器件，其使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。
因此，单片机技术是电类专业特别是电子信息类学生必须具备的基本功。
然而,目前在国内煤气泄漏，引起中毒、爆炸时有发生，直接威胁着人民的生命和财产安全，而智能煤气泄漏监控报警器，能够准确无误的检测出有没有发生气体泄漏情况。
当在空气中含有可燃、危险气体之时报警器会发出声光报警、并及时切断气源,同时还可启动排气扇将有毒气体排出室外,因此防悲剧于未然的必要性就变的更重要,利用AT89S52单片机设计的智能煤气监控报警系统，它是以单元为单位，能完成对家庭的总体监控。
二、本课题的目的和意义
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。
但由于使用不当或者设备老化等原因导致的煤气泄漏经常发生。
煤气泄漏事件发生时，将会引发中毒、火灾甚至爆炸事故，严重危害人民的生命和财产安全。
由于气体本身存在的扩散性，发生泄漏之后，在外部风力和内部浓度梯度的作用下，气体会沿地表面扩散，在事故现场形成燃烧爆炸或毒害危险区，扩大危害区域。
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，需要专门的技术人员来管理，不适合于中小企业和家庭。
为了防止中毒事件的再次发生，提出了利用单片机系统进行有效地预防对策。
所以怎样防止煤气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要。
为此设计出家用煤气泄漏报警控制器。
MCS-51系列单片机是控制系统常用的单片机，应用在很多领域，利用它完成的报警系统有很多。
使用MCS-51单片机构成的计算机系统能够实现准确的采样煤气浓度，能够达到题目的设计要求，而且该系列的单片机相对于其它型号的单片机，更加易于学习和掌握，性能也相对比较好。
三、国内外研究综述
民用可燃气体报警器为居民家用的燃气报警器，一般安装在厨房，遇到燃气泄漏时，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，以防止燃气继续泄露。
在应用方面，目前最广泛的是可燃性气体气敏元件传感器，以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，日本早就在1980年1月开始实行安装城市燃气、液化石油气报警法规。
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，有单位分离型报警器、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中气体检测，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检测。
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。
国外煤气报警器发展很快，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；
另一方面是由于煤气报警器市场增长受到政府安全法规的推动。
因此，国外煤气报警器技术得到了加快的发展，据有关统计猜测，美国1996年—2002年煤气报警器年均增长率为27%~30%。
目前，煤气报警器的发展趋势集中变现为：
一是提高灵敏度和工作性能，减低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是煤气报警器一直追求的目标。
如日本费加罗公司推出了检测（0.1~10）×
10-6硫化氢低功耗煤气报警器，美国IST提供了寿命达10年以上的煤气报警器，美国FirstAlert公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗CO煤气报警器等。
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煤气报警器。
如美国GenralMonitors公司在煤气报警器中嵌入微处理器，使煤气报警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”煤气报警器实现了智能化、多功能化。
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河南城建学院本科设计（论文）硬件部分的设计
第二章硬件部分的设计
一、系统的总体设计
1、煤气报警系统的实际功能和基本原理
随着我国经济的快速发展,人民生活水平的不断提高,使用煤气的居民越来越多,煤气安全便应运而生，煤气泄漏监控系统的出现,确保了人们在使用煤气时的安全。
本系统是针对家庭监控的实际要求完成的，实现的功能如下：
1）、实现对煤气泄漏的实时监测。
2）、具有超限声光报警功能。
3）、根据报警状态自动关闭煤气管道电磁阀并开启排气装置。
4）、故障排除后可自动煤气管道电磁阀进行供气。
2、电路设计
该电路以AT89S52单片机为核心，其工作原理是：
当检测到可燃气体的浓度增大时,气敏MGS1100CO传感器将煤气的浓度值转换成对应的电压信号，再经过信号放大整形、滤波后，送入A/D转换器模拟输入引脚转换成相应的数字量，然后单片机再根据用户自己设定的报警浓度值进行比较,当浓度超过系统设定值的时候,单片机的P1.0端口便输出一个高电平,使得三极管导通,驱动蜂鸣器报警同时点亮发光二极管,此时,P1.1端口也输出一个高电平驱动三极管导通,使得固态继电器SSR闭合,从而启动执行电路,即接通排气扇排掉可燃气体和关闭煤气通路。
随着周围环境中煤气浓度的下降，气敏传感器MGS1100的极间电阻将逐步增大，检测信号逐渐变小,不能驱动后级电路而使其工作，此时单片机P0口输出低电平，固态继电器SSR断开，停止声音报警电路、关闭排气扇并打开煤气通路，系统又进行下一轮的实时监控。
3、煤气泄漏报警系统的结构框图
复位电路
时钟电路
电源
AT89S52单片机
A/D转换
放大整形电路
气敏传感器
执行电路
报警电路
图2.1系统的总体结构框图
二、器件的选择
1、气敏传感器
（1）传感器的选择
Motorola一氧化碳（CO）传感器MGS1100是一种新型的专门设计定位于家庭用途的CO气体检测器。
其结构特点是采用微电子工艺，在微型硅桥结构中嵌入的加热器上制作一层SnO2薄膜对CO气体在很宽的温度范围内都具有敏感性，且由于珪膜减少了热传导的热损失，从而大大降低了功耗。
其结构图如图2.2所示。
传感器的封装外形如图2.3所示。
共有4个管脚，两个为加热端（管脚1和3，脚3为接地），两个为传感器输出端（管脚2和4），如图2.4所示。
为使传感器对CO具有最佳敏感特性，使SnO2层达到预定的最佳温度是很重要的。
通常加热器及SnO2层的温度与加热电压VH、加热电流IM有关。
在CO气体中，SnO2层电阻会随着浓度增大而减小。
图2.2MGS1100CO传感器横截面图
图2.3MGS1100封装外形图
图2.4MGS110等效电路的引脚图（顶视图）
（2）、传感器的工作模式
在CO传感器付诸实际应用中，通常推荐采用连续工作模式：
这种连续工作模式以下面的周期电压驱动加热电阻（见图2.5）：
Vh（H）=5V,持续5s:
Vh（L）=1V，持续10s，传感器的温度周期性变化（见图2.6）和过程的反应：
大约400℃的高温用于清洁传感器的敏感部位（持续300ms）,小于100℃的低温用于检测CO。
图2.5加热电压波形图图2.6加热温度变化图
两个温度对应于两个传感器输出阻值：
Rs的底值对应高温的状态，Rs的高值对应于低温的状态，传感器的工作状态如表2.1所示：
表2.1MGS1100的工作状态
状态
VH（V）
t（s）
T（℃）
Rs（kΩ）
冷
5
400
50
热
1
10
100
其中T（℃）为近似的传感器的SnO2膜表面温度值，Rs（KΩ）为在空气中的标准Rs值。
在低温段的最后时刻，测量对应于CO浓度的Rs阻值变化如图2.7所示。
要想得到重复性较好的CO浓度测量，在低温段的适当时测量Rs是至关重要的.
图2.7敏感单元的响应曲线
（3）空气中一氧化碳对人体的影响
有些国家对工作场所的一氧化碳允许体积分数都做了规定。
炼钢厂工作人员、消防人员、高速公路收费员、矿坑工作从业人员较可能暴露在高体积分数CO环境中；
在生活中，堵塞的交通、在密闭房间内抽烟、甚至煤气、瓦斯等不完全燃烧的室内、火灾现场等，均可能使空气中的CO体积分数超过允许标准。
因此，对生活，工作环境中的CO体积分数实施标准而有效地检测与报警是一个与人类生态和工作环境相关的重要问题。
表2.2列出空气中含有一氧化碳的浓度对人体的影响。
表2.2空气中CO浓度对人体的影响
空气中CO的浓度
吸入时间和中毒症状
200ppm
2-3小时前头部轻度疼痛
400ppm
1-2小时前头疼恶心2.5-3小时头痛
800ppm
45分钟头晕、眼花2小时精神失常
1600ppm
20分钟头晕、头痛、眼花2小时死亡
3200ppm
5分钟头晕、头痛、眼花30分钟死亡
6400ppm
1-2分钟头晕、头痛、眼花10-15分钟死亡
12800ppm
1-3分钟死亡
（4）传感器电路原理
CO传感器用于探测空气中一氧化碳的浓度，它通过一个低通滤波器滤去干扰的部分，在通过放大器送入模数转换器进行模数转化。
这个时候给一氧化碳的浓度设置一个阀值400ppm，当浓度低于这个值的时候模数转化器向单片机发出的请求不会产生报警，当超过这个值的时候，向单片机发出的中断请求将会产生报警信号。
2、单片机的选择
本设计采用AT89S52单片机实现，AT89S52是一种低功耗、高性能的片内4kB快闪可编程/擦除只读存储器CMOS微控制器，与MCS-51微控制器产品系列兼容，使用高密度、非易失存储技术制造。
该单片机内部资源丰富功能强大，集成了内部看门狗、双数据指针、在系统编程（串行下载目标程序）等功能，软硬件调试方便，对于毕业设计时间紧、任务多的开发来说是极为有利的。
另外，其本身较大的存储器使得本系统不需要扩展即能满足设计要求。
AT89S52单片机引脚图如2.8所示：
2
3
4
6
7
8
9
11
12
14
15
166
17
19
20
40
39
38
37
36
35
34
33
32
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
（T2）P1.1
（T2）P1.0
P1.2
P1.3
P1.4
（MOSI）P1.5
（MISO）P1.6
（SCK））P1.7
RST
（RXD）P3.0
（TXD）P3.1
（INTO）P3.2
（INT1）P3.3
（T0）P3.4
（T1）P3.5
（WR）P3.6
（RD）P3.7
XTAL2
XTAL1
GND
VCC
P0.0（AD0）
P0.1（AD1）
P0.2（AD2）
P0.3（AD3）
P0.4（AD4）
P0.5（AD5）
P0.6（AD6）
P0.7（AD7）
EA/VPP
ALE/PROG
PSEN
P2.7（A15）
P2.6（A14）
P2.5（A13）
P2.4（A12）
P2.3（A11）
P2.2（A10）
P2.1（A9）
P2.0（A8）
图2.8AT89S52的引脚图
AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及AT80S52引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，
AT89S52具有如下特点：
40个引脚，芯片封装：
DIP，8kBytes片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，片内时钟振荡器。
下面具体介绍AT89S52的各个引脚及功能。
（1）信号引脚介绍（第一功能）
P0.0～P0.7：
P0口8位双向输入输出口线，完成数据的传送；
在构造单片机应用系统片外总线时，既作为8位数据总线（D0～D7），又作为地址总线的低8位（A0～A7）分时使用。
P1.0～P1.7：
P1口8位双向输入输出口线，完成数据的传送；
在单片机处于编程工作方式时，由它输入存储器单元地址的低8位。
P2.0～P2.7：
P2口8位双向输入输出口线，完成数据的传送；
在构造单片机应用系统片外总线时，作为地址总线的高8位（A8～A15）使用；
在单片机处于编程工作方式时，由它输入存储器单元地址的高8位。
P3.0～P3.7：
P3口8位双向输入输出口线，完成数据的传送。
ALE：
地址锁存控制信号
在不扩展单片机系统时不使用，但ALE端仍产生频率为晶体振荡器振荡频率fosc的1/6的周期性正脉冲信号，此信号可以作为外部时钟或外部定时脉冲使用；
在扩展单片机系统时，ALE的输出用于控制把P0口输出的低8位地址送锁存器锁存，即锁存地址的低位字节，以实现低位地址和数据总线信息的分离。
/PSEN：
外部程序存储器读选通信号
在读外部ROM时，/PSEN有效（低电平），以实现外部ROM单元的操作。
/EA：
访问程序存储器控制信号
当/EA输入端保持高电平，CPU访问内部程序存储器4KB的地址范围。
但在PC（程序计数器）值超过OFFFH时（即PC值超出4KB地址时）,将自动转向执行片外程序存储器内的程序；
当/EA保持低电平时,则单片机只访问外部程序存储器，此时不管单片机是否有内部程序存储器。
RST：
复位信号，高电平有效。
但有效的高电平信号必须维持两个机器周期以上，用以完成单片机复位初始化操作。
XTAL1和XTAL2：
外接晶体引线端，当使用芯片内部时钟时，用于外接石英晶体和微调电容；
当使用外部时钟时，用于连接外部时钟脉冲信号，此时，XTAL1接地，XTAL2连接外部时钟脉冲信号。
VSS:
地线
VCC:
+5V电源
（2）程序存储器
0000H~0002H单元用于初始化程序。
单片机复位后，CPU总是从0000H单元开始执行程序。
另外，每个中断在程序存储器中都分配有一个固定的入口地址。
中断响应后，CPU便跳到该单元，在这里开始执行中断服务子程序。
例如，外部中断0的入口地址被放在0003H单元，如果使用外部中断0，则它的中断服务子程序必须从0003H单元开始。
如果中断没有使用，那么它的服务单元也可作一般用途的程序存储器用。
每个中断入口地址的间隔为8个单元；
外部中断0的入口地址为0003H；
定时器0的入口地址为000BH；
外部中断1的入口地址为0013H；
定时器1的入口地址为001BH；
以此类推。
如果一个中断服务子程序足够短的话，则可全部存放在这8个单元中。
对较长的服务子程序，则可利用一条跳转指令跳过后续的中断入口地址。
程序存储器最低端的地址可以在片内Flash中，或在外部存储器中。
将外部存取（EA）引脚接Vcc或接地，就可进行这种选择。
例如，在带有4KB片内Flash的AT89C51中，如果把EA引脚连到Vcc，当地址为0000H~0FFFH时，则访问内部Flash；
当地址为1000H~FFFFH时，则访问外部程序存储器。
在AT89C52（8KBFlash）中，当EA端保持高电平时，如果地址不超过1FFFH，则访问内部Flash；
地址超过1FFFH（即为2000H~FFFFH）时，将自动转向外部程序存储器。
如果EA端接地，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部Flash存储器。
外部程序存储器读选通信号PSEN用于读取所以的外部程序；
读取内部程序时，不产生PSEN信号。
（3）设计中AT89S52各引脚作用
a.对40脚PDIP封装的AT89S52来说，P0口对应管脚号是[39]到[32]；
P1口对应管脚号是[1]到[8]；
P2口对应管脚号是[21]到[28]；
P3口对应管脚号是[10]到[17]。
b.管脚的第2功能：
P1.0----T2时钟输出，P1.1----T2EX，P1.5----MOSI用于在系统编程，P1.6----MISO用于在系统编程，P1.7----SCK用于在系统编程；
P3.0----串行输入口RXD，P3.1----串行输出口TXD，P3.2----外部中断0（INT0），P3.3----外部中断1（INT1），P3.4----定时器0外部输入（T0），P3.5----定时器1外部输入（T1）。
c.中断矢量地址：
外部中断0地址----0003H，定时器0溢出----000BH，外部中断1地址----0013H，定时器1溢出----001BH，串行口中断----0023H，定时器2溢出----002BH。
d.内部RAM可直接寻址的字节地址及位地址。
e.特殊功能寄存器的字节地址及其复位值。
3、复位电路的设计
+TGTRFVTRVBGHHYYTTYYHGGG
（1）电路原理图
图2.9复位电路原理图
（2）复位电路：
a.完成单片机的的作用
初始化,即把系统的PC值初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
b.当系统由于程序运行出错或操作失误使系统处于死锁状态时，可以通过复位操作重新启动单片机。
（3）电路复位方式
单片机系统的复位方式有上电自动复位和按键手动复位两种,其电路结构分别如下图下所示，上电复位是利用外部复位电路实现。
当Vcc上升时间不超过1ms（RC=τ）振荡器启动时间不超过10ms。
在加电情况下，这个电路可以使单片机复位。
在加电开机时，RST上的电压从Vcc逐渐下降，RST引脚的电位是Vcc与电容电压的差，RST上的电压必须保证在斯密特触发器的阀值电压以上足够长时间，以满足复位操作的要求。
按键手动复位又分按键电平复位和按键脉冲复位,电平复位将复位端通过电阻与Vcc相连,按键脉冲复位是利用RC分电路产生正脉冲来达到复位的。
在按键脉冲复位两种简单的复位电路中，干扰易串入复位端，在大多数情况下，不会造成单片机的错误复位，但会引起内部寄存器错误复位，这里可在复位端引脚上接一个去藕电容。
需说明的是，如复位电路中R、C的的值选择不当，使复位时间过长，单片机将处于循环复位状态。
为了使用方便和设计电路简化及设计要求,本次设计所采用的是按键手动复位，其电路如下图2.10所示。
图2.10复位电路的复位方式
4、信号采集放大器的设计
由于气体传感器采集的电信号一般很小，而且存在共模成分，需要经过放大器放大，之后方可进行A/D转换。
气体传感器输出的信号幅度很小，存在着不同程度的电磁干扰，因此在本设计中，放大器采用仪表放大器AD623，对来自传感器的信号经行精度放大，同时抑制共模成分提高信号质量。
AD623的主要特点是：
使用一只外接电阻设置增益G，计算公式为G=1+100kΩ/R,其中G可达1000，从而给用户带来了极大的方便。
其输入共模范围很宽，允许比地电压低150mV的共模电压。
单电源供电（+3.0～+12V）能达到最佳性能。
但双电源供电（+2.5～+6.0）也能够提供优良的性能：
低功耗、宽电源范围和电源限输出特性非常合适电池供电的应用场所；
可取代分立器件构成的仪表放大器，具有线性度优良、温度稳定性高和体积小、可靠性高等优点。
在本设计中，采用恒压供电方式为气体传感器供电，且在正常使用中采样电路的输出为单极性输出，AFD623的REF端同TLC2543的AD参考电压输入端在设计中同时接地即可。
图2.11信号采集放大电路
由AD623构成的放大电路如图2.11所示。
在图中接口J4为气体传感器的接口，气体传感器与电阻R34、R35和R39构成电桥采集信号，直流+2.5电压用过LM324同相输入端获得一个稳定的输出电压，Q1的通断由LM324输出决定，由于Q1的B极电源比较稳定，而B极电流决定三极管导通时的放大倍数，因此通过CE 极的电压也比较稳定。
Q1、LM324与LT1764-3.3构成恒压电路，为电桥提供恒压。
AD623的REF接地，OUTPUT端接入TLC2543的AD模块引脚。
LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比，他们有一些显著的优点。
该四放大器可以工作在低到3.0V或者高到32V的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端表示运放输出端V。
的信号与该
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