毕业论文-煤气泄漏检测与报警系统设计100070778.doc
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无锡科技职业学院·嵌入式系统专业毕业设计（论文）
煤气泄漏检测与报警系统设计
摘要：
对煤气泄漏实时精确监控是十分重要的。
本文介绍一种基于单片机技术的智能型煤气监控系统,可对煤气浓度进行智能地实时检测和监控、报警,而且还能实现自动开启和关闭煤气管道阀门,经过多次运行,精确度、灵敏度和稳定性均达到设计要求,且造价低,操作方便,可广泛作为智能报警器及监控系统来使用。
本系统以ATMEGA16单片机为核心，论述了基于测控技术的煤气泄漏监测报警装置的硬件和软件方案设计与实现。
文中重点阐述了信号采集调理电路与语音电路的设计。
实验表明，设计制作的系统满足设计要求，具有实用价值。
关键词：
单片机处理器;一氧化碳传感器；煤气浓度；声光报警；煤气泄漏
DesignofGas-leakingMonitoringandAlarmingSystem
Abstract：
Accuratereal-timemonitoringofthegasleakisimportant.Thispaperdescribesasinglechiptechnologybasedonintelligentgasmonitoringsystem,thegasconcentrationcanbeintelligentinrealtimedetectionandmonitoring,alarm,andcanautomaticallyopenandclosethegaspipelinevalves,afterseveralruns,precision,sensitivityandstabilitymeetthedesignrequirements,andlowcost,easytooperate,canbewidelyasasmartalarmandmonitoringsystemtouse.ThissystemusestheATMEGA16ascontrolcore.Thispaperintroducesthebothschemedesignandimplementofhardwareandsoftwareonthegas-leakingmonitoringandalarmingsystembasedonmeasureandcontroltechnology.Theexperimentshowsthatthesystemofdesignandmakesatisfiestherequirement,andholdsbetterpracticability.
Keywords:
Singlechipprocessor;COSensor,Gasconcentration,voiceandlightalarm,Gas-leaking
目录
第1章绪论 4
1.1课题背景、目的及意义 4
1.1.1课题的背景 4
1.1.2课题的目的及意义 4
1.2系统设计内容 5
第2章系统硬件设计实现 6
2.1一氧化碳浓度检测电路设计 6
2.1.1CO传感器原理介绍与选型 6
2.1.2NAP-505型一氧化碳传感器介绍 7
2.2键盘及显示电路接口设计 8
2.2.1键盘/显示器电路设计 9
2.3稳压电源电路设计 12
2.4声光报警电路设计 13
2.4.1声音报警电路 13
第3章系统软件设计 16
3.1系统软件总体设计 16
3.2开机自检模块程序设计 16
3.3键盘处理、显示模块程序设计 17
3.4数据A/D转换模块程序设计 20
3.5数据处理和报警、控制模块程序设计 21
结论 23
致谢 24
参考文献 25
第1章绪论
本章主要介绍本次毕业设计的研究的背景、目的与作用，以及在本次设计的主要内容和技术指标。
1.1课题背景、目的及意义
1.1.1课题的背景
随着我国燃起的变革及西气东输工程的进行，煤气或天然气已成为多数家庭的燃料。
每年，因煤气泄露造成的中毒事故中，因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，引起的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，人体吸入有毒的一氧化碳后，
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，如果长时间吸入泄漏的煤气甚至会发生中毒死亡随着经济的发展，人们对生活质量的提高和生活环境的改善越来越重视，液化气、煤气进入家庭的使用为人们带来了方便，也改善了城市的环境，但同时也给人们带来了潜在的危险，其中一氧化碳是最主要的危险源。
当今我国很多煤矿企业由于对于矿井下的煤气监测和处理不够及时，酿成了许多的惨剧，造成的工人生命和国家财产的损失。
因此，及时准确地对房间室内和矿井进行CO浓度实时监测和报警成为保障群众生命安全和国家财产安全的一项必不可少的工作。
1.1.2课题的目的及意义
AT89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比较多，使用AT89系列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AT89系列单片机相对于其它型号的单片机（AVR、ARM），更加易于学习和掌握，性能也相对比较好。
同时掌握好了此系列的单片机的应用，对于深入学习其他类型的单片机是一个很好的基础。
本课题需要完成一个完整系统的设计，涉及到电子技术、传感器技术、计算机应用与控制技术等多学科性知识，是一个硬软件相结合的设计性题目。
本课题融知识性与趣味性于一体，提供了一个有力的了解小家电设计技术平台，能提高我的检索资料的能力、电子系统设计的能力、实际动手的能力、分析排除故障的能力以及创新设计的能力等。
并且，可以通过此次设计，很好的掌握系统设计的工作流程、开发步骤；熟悉单片机开发的多种编程语言。
1.2系统设计内容
设计的题目是“煤气泄漏检测与报警系统设计”。
选择ATMEL公司的ATMEGA16单片机为系统控制核心，采用电化学型CO传感器作为采集煤气浓度的采集器，经过系列处理实现对煤气浓度进行智能地实时监测、报警，能实现自动开启和关闭煤气管道阀门及排风装置。
系统设计具体任务如下：
（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）根据报警状况自动关闭煤气管道电磁阀并开启排风机；（4）设计并制作煤气测量键盘、显示等接口电路；（5）性能指标：
一氧化碳测量精度为<3%；实现所有的硬件、软件设计、系统整体调试、形成可以正常运行的产品为本次设计的最终目标。
将从系统的硬件、软件的设计实现；系统的调试等方面进行介绍。
第2章系统硬件设计实现
硬件是系统的载体与执行机构，硬件设计是本次设计的重点，主要涉及传感器信号放大、采集、处理，键盘与显示处理，声光报警，执行电路设计、系统供电等多个部分。
本章分为8节介绍系统的硬件设计实现。
2.1一氧化碳浓度检测电路设计
2.1.1CO传感器原理介绍与选型
1、电化学型气体传感器的基本原理
按照检测原理的不同，电化学气体传感器主要分为金属氧化物半导体式传感器、催化燃烧式传感器、定电位电解式气体传感器、迦伐尼电池式氧气传感器、红外式传感器、PID光离子化传感器等等。
目前，烟气分析仪中使用较多的是定电位电解式气体传感器和迦伐尼电池式氧气传感器。
其中定电位电解式气体传感器工作原理是：
使电极与电解质溶液的界面保持一定电位进行电解，通过改变其设定电位，有选择地使气体进行氧化或还原，从而能定量检测各种气体。
其结构是：
在一个塑料制成的筒状池体内安装工作电极、对电极和参比电极，在电极之间充满电解液，由多孔四氟乙烯做成的隔膜，在顶部封装。
前置放大器与传感器电极的连接，在电极之间施加了一定的电位，使传感器处于工作状态。
2、CO传感器的比较与确定
本次设计的使用群体主要针对的是普通家庭，在家庭中的煤气浓度（CO浓度）一般不可能有太高，否则将引起很多的事故，即使有CO报警系统。
针对大多数家庭的情况，设计中考虑的CO传感器的测量范围在0~500ppm或者0~1000ppm，高于了此范围的CO传感器基本不使用于普通家庭。
在市场考察中得知CO测量范围在0~500ppm或者0~1000ppm的传感器类型也相当的多。
譬如中国饶阳县北核牌CO传感器系列、中国威兴达传感器厂的CO传感器系列、瑞士Membrpor的CO传感器系列、日本NEMOTO的CO传感器系列等。
传感器选择是主要考虑传感器本身的输出信号的大小，因为传感器的输出信号越大，对后续放大电路要求就越低，这样有利于硬件电路的设计。
这些传感器类型中信号输出最大的是瑞士Membrpor的CO传感器系列，它的信号输出可以达到50±10nA／ppm以上；而中国威兴达传感器厂的CO传感器系列只有1nA~50nA／ppm的输出。
本次选用的传感器并不是输出信号最大的，因为在价格方面瑞士Membrpor的CO传感器系列的价格都在500元RMB／PCS以上，而输出与其基本相当的中国饶阳县北核牌CO传感器系列也需要280元RMB／PCS左右。
而日本NEMOTO的NAP-505一氧化碳传感器的输出只是40±10nA／ppm，但是价格只在80~120元RMB／PCS，综合各方面考虑，本次设计采用的是日本NEMOTO的NAP-505一氧化碳传感器。
2.1.2NAP-505型一氧化碳传感器介绍
NAP-505一氧化碳传感器属于电化学型传感器，它采用了新的构造，电解液泄露的风险较低到几乎为零，体积小，大幅度的减低了成本。
输出信号直线性、重复再现性优越、不受湿度影响、电池可驱动。
其主要性能参数如表2-1所示。
表2-1NAP-505型电化学一氧化碳气体传感器主要性能参数表
检测气体范围
CO0~1000ppm
输出电流
40±10nA/ppm
分辨率
1ppm
重复再现性
±2%以内
应答时间
<30s
基准线位移（-20℃~50℃）
<10ppm
长期稳定性
<5%/年
环境温度
-20℃~50℃
环境湿度
15~90%RH
使用寿命
通常5年
基本原理：
在有一氧化碳的情况下，首先检知电极发生如下的一氧化碳氧化反应：
CO+H2O→CO2+2H++2e-
此时生成的电子分布在检知电极，氢离子分布在电极旁边的电解液中，形成两层电。
在此检知电极和对向电极同外部电路相结合时，电子从检知电极向对向电极流动。
氢离子在电解液中移动接受对向侧电子，发生如下化学反应生成水。
2H++O2/2+2e-→H2O
这样的电化学式气体传感器根据化学反应（氧化还原反应）产生的能量，直接以电能的像是释放出来，从而检测出气体。
传感器的气体浓度与输出电流特性如图2-1所示。
图2-1传感器气体浓度一输出电流特性曲线
2.2键盘及显示电路接口设计
为了是系统更友好，在系统时需要键盘和显示部分，这样可以根据用户需求进行相应的设置，让用户可以了解系统当前运行的状态。
显示器输出显示代码和位代码。
因此，是一种功能较强、使用方便灵活的可编程键盘/显示器接口电路。
其中接口电路可与64点阵键盘链接。
另外，还可以与传感器或带有选通的接口键盘连接，并且具有二键封锁或N键巡回功能，可自动消除按键抖动。
显示接口电路可以与8位或16位数码管显示器连接[4]。
2.2.1键盘/显示器电路设计
1、键盘电路设计
键盘设计采用标准4×4键盘，依靠8279来完成硬件扫描，以减少使用软件处理的烦琐问题。
键盘由0～9数字键、左移位键、确认键、报警值设定键、时钟设定键、阀门开启键、运行键等16键组成。
用户可以通过键盘完成人机接口的各种操作[5]。
键盘设计如图2-2所示。
图2-24×4键盘电路
8279的键盘扫描输出有两种方式：
译码扫描和编码扫描。
译码扫描即是4条扫描线在同一时间只有一条是低电平，并且以一定的频率轮流更换。
当按键较多时则必须采取编码扫描，此时SL0~SL3输出的是从0000~1111的二进制计数代码，但此时扫描输出线不能直接用于键盘的扫描，而必须经过低电平有效输出的译码器。
本次设计中进采用SL0~SL2输入到通用的低电平有效输出的3-8译码器（74LS138）得到直接可用列检测线，每根行检测线（键码回送线）接+5V的电源，并且节5.1K的上拉电阻，当某个键按下去，该线被拉低。
信号回送入8279内部FIFO进行处理有得出相应的键值只有暂存，等待CPU读取。
此时会由8279的IRQ产生一个中断请求信号，经由反相器连接CPU，如果CPU检测到这个信号则可以进入读键码程序，当CPU将键码数据从FIFO中取走后，中断请求信号IRQ将自动撤销。
当8279中FIFO的数据还未被取出就又有一个键被按下，则将该键代码自动进入FIFO中，FIFO堆栈有8个8位的存储单元组成，允许依次暂存8个键的代码。
FIFO依循先进先出的原则。
FIFO中存在多个数据时，只有将FIFO中的所有数据全部读出之后IRQ信号才会撤销。
因此在实际输入按键时，可以连续按8个键，即便是CPU没有及时做出相应。
2、显示电路设计
LED显示器有共阳极和共阴极两种。
共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，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。
一般的，发红光的LED每段流过的5mA的平均电流，就可以有较满意的亮度，7mA电流会更亮些。
10mA以上也不会再亮多少，但长期运行于10mA以上会缩短其寿命。
最大电流平均值不得超过30mA。
显示电路采用两个4位7段LED共阴数码管来显示当前输入的CO浓度和时间。
高4位显示时间，由于专用的时间显示数码管没有共阴，因此还以采用的是通用的显示管；低4位LED数码管则显示当前采样的探头号和该处采样的CO浓度。
数码管与8279的接口电路如图2-3所示。
8279的OUTA0~OUTA3和OUTB0~OUTB3最为显示段码的输出，而SL0~SL2j经过3-8译码器译码之后作为显示器的位码输出，由于需要与键盘配合使用，因此显示管必须选用共阴管。
当输出口上有段码输出而且该数码管被选中则该数码管点亮，否则就熄灭，但是由于视觉误差则会有全部被点亮的显示，当然这一些都有8279自行单独完成。
由于8279数码管输出口的驱动能力较弱，因此需要在显示管前面加入驱动芯片74LS244，其中U17实现数码管段驱动，U18实现数码管的位驱动。
这样可以保证数码管的亮度。
图2-3键盘/显示器与8279接口电路
2.3稳压电源电路设计
由于本系统涉及到很多电路、集成芯片多，又各自所需电压不同，为了符合每一部分的电压需要。
我们必须把电压进行转换，通过7809、7909分别产生正负9V电压给AD620，用7805产生5V电压给ATmega16单片机、ISD1420语音芯片、ADC0809模数转换芯片等外围接口电路供电。
根据题目要求我们设计的稳压电源电路图如图2-4和图2-5所示。
图2-4正5V稳压电路
图2-5正负9V稳压电路
图2-4中输入电压由整流桥先进行整流，然后经过7805进行稳压之后输出+5V电压。
电路中接入C10和C22是用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激励振荡和抑制电路引入的高频干扰。
电解电容C25用以减少稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。
D为保护二极管，当输入端短路时，给输出电容C25一个放电通路，防止C25两端电压作用与7805管的be结，造成7805管be结击穿而损坏[6]。
图2-5中的电路给图2-4基本相同，不同的就是稳压管采用的是7809和7909实现正负9V的稳压调整。
图中的J6和J9两个接线端口是为了方便直接输入直流电压而设计，当外界有适合的直流电压是可以直接接入进行稳压后输出供电。
2.4声光报警电路设计
系统为“煤气泄露检测与报警系统”，因此声光报警部分属于系统的核心部分，只有很好的完成了本部分的设计，才能使系统较为的完善。
报警意为提醒系统使用者能及时了解使用场所煤气浓度超过设定值，需要进行相应的处理。
以下就对系统的声光报警部分的设计进行详细说明。
2.4.1声音报警电路
声音报警电路设计了语音报警和蜂鸣器报警，主要是考虑不同使用者对报警装置的要求不同（包括价格、使用场所、安装环境等各个方面因素）。
采用语音提示也就比单独的蜂鸣器更加人性化，对于相对安静的环境中较为适用，因为语音放大有一定的限制；而蜂鸣器的尖叫声有更强的穿透力，更容易引起使用者的重视。
1）、ISD1420语音芯片介绍
ISD1420为美国ISD公司出品的优质单片语音录放电路，由振荡器、语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。
一个最小的录放系统仅由一个麦克风、一个喇叭、两个按钮、一个电源、少数电阻电容组成。
录音内容存入永久存储单元，提供零功率信息存储，语音和音频信号被直接存储，以其原本的模拟形式进入EEPROM存储器。
不仅语音质量优胜，而且断电语音保护。
2）、芯片特点及引脚图介绍
芯片特点：
◆使用方便的单片录放系统，外部元件少，重现优质原声，没有常见的背景噪音
图2-6ISD1420芯片引脚图
◆信息可保存100年，可反复录放10万次，无需专用编程或开发系统
◆较强的分段选址能力可处理多达160段信息
◆具有自动节电模式，录或放后立即进入维持状态，仅需0.5μA电流
◆单一5伏电源供电
ISD1420语音芯片引脚图如图2-6所示。
以下介绍个引脚功能：
录音（/REC）低电平有效。
只要/REC变低（不管芯片处在节电状态还是正在放音），芯片即开始录音。
录音期间，/REC必须保持为低。
/REC变高或内存录满后，录音周期结束，芯片自动写入一个信息结束标志（EOM），使以后的重放操作可发及时停止。
边沿触发放音（/PLAYE）此端出现下降沿时，芯片开始放音。
放音持续到EOM标志或内存结束。
电平触发放音（/PLAYL）此端出现下降沿时，芯片开始放音
话筒输入（MIC）此端边至片内前置放大器。
片内自动增益控制电路（AGC）将前置增益控制在-15至24dB。
外接话筒应通过串联电容耦合到此端。
自动增益控制（AGC）AGC动态调节器整前置境益以补偿话筒输入电平的宽幅变化，使得录制变化很大的音量时失真都能保持最小。
470KΩ和4.7uF的标称值在绝对大多数场合下可获得满意的效果。
模拟输入（ANAIN）此端即芯片录音的输入信号。
对话筒输入来说，ANAOUT端应通过外接电容连至本端。
该电容和本端的3KΩ输入阻抗给出了芯片频带的附加低端截止频率。
喇叭输出（SP+、SP-）这对输出端能驱动16Ω以上的喇叭。
单端使用时必须在输出端和喇叭间接耦合电容，而双端输出既不用电容又能将功率提高4倍。
录音时，它们都呈高阻态；节电模式，它们保持为低电平。
地址（A0~A7）地址端有两个作用，取决于最高（MSB）两位A7、A6的状态。
当A7或A6有一个为0时，所有输入均释放为地址位，作为当前录放操作的起始地址。
地址端只用输入，不输出操作过程的内部地址信息。
在生活中主要应用的主要是声音报警，而光报警主要是对声音报警的一种补充方式。
因此在本次系统设计中，光报警电路是采用发光二极管实现。
报警状态，指示灯为红灯闪烁；正常工作状态，指示灯为绿灯。
光报警电路设计如图3-23所示。
当单片机的P1.3和P1.4为低电平时指示灯就被点亮，电阻R1和R2的作用是限流，使二极管达到较佳的亮度且不至被损坏；至于什么时候需要点亮哪个二极管就需要程序来控制。
第3章系统软件设计
3.1系统软件总体设计
系统软件采用汇编语言编制，包括主程序和中断服务子程序。
主程序的功能是完成系统的初始化、键盘处理、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。
系统软件设计总体流程框图如图3-1所示。
Y
N
开始
系统自检
初始化系统数据
键盘处理程序
采样值>=设定值?
报警、控制程序
显示子程序
AD采样子程序
通信程序（可选）
显示子程序
等待中断
图3-1系统软件设计总体流程框图
3.2开机自检模块程序设计
开机自检设计在电源接通或者是系统复位之后，自检中如果没有发现问题，就进入测控程序，如果发现问题则及时报警，以避免测控系统带病工作。
本次设计仅仅设计了对CPU数据存储器RAM的校验程序，采用破坏性校验选用，只能用于开机自检；主要是选用特征字55H（01010101B）和AAH（10101010B），分别对每一个单元进行先写后读的操作。
其自检程序流程图如图4-2所示，主要是先对RAM的某个单元进行AAH的写入与读出，将读出值与写入值相比较，如果相同的话说明该单元正常，再进行55H的写入、读出和比较。
如果某个单元出现写入与读出的值不相同，则说明RAM中有损坏，执行内存错误提示。
否则就执行正常运行程序。
Y
Y
Y
RAM自检开始
建立地址指针
写入AAH并读出
写入55H并读出
读写相符吗？
读写相符吗？
地址指针+1
最后一单元？
PASS标志
结束
Error标志
N
N
N
图3-2自检程序流程图
3.3键盘处理、显示模块程序设计
为了让人机交流部分更友好，本次设计中设计了4×4键盘和8位LED显示，包括0～9数字键、左移位键、确认键、报警值设定键、时钟设定键、阀门开启键、运行键等l6键，现场煤气浓度显示和时间显示，方便使用者进行相应的控制操作和了解现场相关情况。
Y
Y
N
开始
设置8279扫描方式和时钟频率
是否有键按下？
读入键值
是运行键？
N
进入主程序
结束
Y
N
阀门
开启键？
开启阀门
N
时钟
设定键？
进入时间设定程序
设定结束
Y
报警值
设定键？
进入报警值设定程序
设定结束
Y
N
结束
图3-3键盘处理主程序流程图
在软件部分也设计了相应的程序，主要是运用程序读取8279中的键盘处理值，让CPU将这个数据进行分析，根据不同的键值进行不同的处理。
其键盘处理主程序流程图如图3-3所示，主要是如果有键码输入提示，则将键值读入，判断是否有大功能键（运行键、阀门开启键、时钟设定键、报警值设定键）按下，如果有则进入相应的子程序中进行相应的处理[13]，如果不是则返回最初状态的检测。
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