多功能报警系统设计毕业设计.docx
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多功能报警系统设计毕业设计
毕业设计
多功能报警系统设计
湖南商学院本科毕业设计（论文）诚信声明
本人郑重声明：
所呈交的本科毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
本科毕业设计（论文）作者签名：
年月日
内容摘要
目前，在我国经济发达的大、中、小城市，燃气普及率很高，人们的生活质量得到了极大的改善，然而燃气的可挥发性，致使可燃性气体的可燃性及爆燃性存在着极大的安全隐患，火灾及煤气中毒等现象时有发生，危害很大。
在科学技术不断发展，人类社会不断进步，社会财富不断积累和人民生命价值不断提高的今天，如何防止火灾和煤气泄露等事故对社会财富和人民生命安全造成危害是当前社会管理者的一大课题。
同时，研制性能好、可靠性高的报警器对预防火灾、煤气泄露等事故对社会生命财产安全具有重要的意义。
整个系统的硬件电路设计合理，性能安全可靠。
首先论述多功能报警器的现有技术、发展趋势以及研制该多功能报警器的意义，引出研制多功能报警器的必要性和可行性。
第二，探讨研制该多功能报警器的实现方案，通过比较和综合考虑后选择其中的一种方案来实现该多功能报警器。
第三，确定方案后，论述利用这种方案实现该多功能报警器的硬件设计部分和软件设计部分。
最后，总结本设计的不足，并通过认识到的不足之处从而提出可改进及可创新的地方。
。
关键词
烟雾传感器；一氧化碳传感器；模数转换器；单片机；PC机；声光报警
ABSTRACT
Atpresent,therateofgasthatusinginthelarge,mediumandsmalleconomydevelopedcitiesisveryhige.thepeople'squalityoflifehasbeengreatlyimproved,butthevolatileofgasmakesthedangerofflammablegasinstructedtheflammabilityofdeflagrationispossibile.Fireandgaspoisoning,andotherphenomenaoccurfromtimetotimewitchcausegreatharm.Todaywiththedevelopmentofscienceandtechnology,humansocietyalsomaksgreatprogresses,theaccumulationofsocialwealthandthevalueofpeople'slivesimproveconstantly,howtopreventfireandgasleakincidengts,andotherincidentsonthesocialwealthandpeople'slivesandsafetyfromhazardingcausedbythecurrentsocialmanagementbecomeaonemajorissue.Atthesametime,developtagoodperformance,highreliabilityalarmsystemonthepreventionoffires,gasleak,andotherincidentsinsociallifeandpropertycausedseriouslossesisofgreatsignificance.Thewholesystemhardwarecircuitdesignisreasonableandreliableperformance.
First-alarmontheexistingtechnology,developmenttrendsandthedevelopmentofthemulti-functionalarmsignificance,leadstothedevelopmentofmulti-functionalarmnecessityandfeasibility.
Secondly,discusstherealizationoftheprogrammeonthedevelopmentofthemulti-functionalarm,bycomparison,andcomprehensiveconsiderationchooseoneoftheprogrammestoachievethemulti-functionalarm.
Thirdly,identifyoptions,theuseofsuchprogrammesontherealizationofmulti-functionalarmsomeofthehardwaredesignandsoftwaredesignpart.
Finally,summinguptheinadequaciesofthisdesign,andthroughawarenesstotheinadequacyoftheproposedimprovementtobeinnovativeandplace.Inaddition,thisissuealsoprovidsthehardwarecircuitdesignandsoftwaredesignforreferenceintheappendix.
Keywords
Smokesensors,Carbonmonoxidesensors,A/DConverter,SCM,Computer,SoundandLightalarm.
多功能报警系统设计
1.绪论
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,造成的一氧化碳中毒事故，全国均有不少事例.更有甚者,因室内煤气浓度过高，引起煤气爆炸的事故也不少见。
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。
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。
煤气泄漏自动报警实现智能化势在必行。
在社会信息化进程日益发展的今天，信息技术应用己渗透到人类生存、活动的各个领域，在建筑领域，人们的现代生活、工作对居住要求舒适健康、安全可靠、高效便利。
这时候气体燃料的应用也越来越广泛。
目前家用煤气，液化器、天然气作为气体燃料，已用与家庭旅馆，深入人民的生活之中。
气体燃料的应用和普及，伴之而来的是气体泄漏造成的中毒、爆炸、火灾等事故也时有发生。
其中由于一氧化碳泄漏中毒死亡尤为严重。
众多周知由于CO与血液中的血红素的结合能力是氧的240倍,因此,当它进入人体血液循环系统后,就会大量取代氧而与血红素结合,抑制血液中氧气的释放,从而导致发生头痛、耳鸣、呕吐、血压降低等不同程度的症状发生。
如果CO中毒严重,轻者于康复过程中可能会头昏眼花、丧失记忆或引起视觉及神经上的障碍,严重者会导致脑部受损甚至发生死亡。
这就对煤气自动报警的器的设计更加迫切。
为了预防一氧化碳的泄漏，人们采用了各种措施。
家用智能煤气报警器是为了预防气体中毒的一种家用的自动报警器，也是一种高灵敏度的气体探测器，一般都是应用高灵敏度的气敏元件作气电转换元件，并配以电路和声光报警部分组成。
当泄漏的气体达到危险极限值时报警器就会发生鸣响和声光报警。
1.1课题研究的意义
测控技术与仪器仪表技术已经是现在社会不可缺少的重要组件。
从今天进入信息科技时代来看，仪器仪表是实现信息的获取、转换、存贮和揭示物质运动的必备工具，是当今普遍称之为时代标志的信息科技的三大支柱（信息获取及处理、信息传输与通信、电子技术及计算机）的必要手段，也是新技术革命的一项重要内容。
在现代化建设中，人们对仪器仪表所能起到的监控作用，在技术上有着高层次的要求，因而仪器仪表工业是促进国民经济各部门技术进步，进行技术改造，提高劳动生产率和社会经济效益，开发与节约能源和材料的先导工业。
仪器仪表的装备水平在很大程度上反映出一个国家的生产力的发展和科学技术的现代化水平。
随着科技的发展，计算机技术的应用，测试技术与仪表专业的趋势越来越向智能化转变为智能仪表。
1.2研究内容
本设计主要研究并设计一个基于单片机的煤气报警系统，并实现对AD数据的采集和声光的报警控制。
控制系统主要是由MCS-52系列单片机电源、
以AT89S52作为中央处理器，对系统进行控制操作，并设计相应的传感器电路、模数转换电路、单片机电路、声光报警电路并在上位PC机进行显示的报警器。
2.报警器系统设计方案
2.1方案论证
报警器一般由报警控制器（简称“控制器”）、探测器两大部分组成。
“探测器十控制器’，这是在工业装置上和生产过程中使用最多的检测仪器。
这种仪器大都装设在油库、乙炔站、液化气站和煤气站等易燃易爆的危险场所。
探测器安装在可能发生危险的现场，控制器放在值班室等有人值守的地方，二者采用屏蔽电缆线连接。
当在现场的探测器探测到危险信号之后，通过屏蔽电缆线将信号传到控制器，控制器发出声光报警。
目前，对于“探测器+控制器”这一系列产品，主要采用以下三大实现方案:
方案一，通过传感器感受到可燃性气体，降低自身的阻值，来增大电流，并且驱动蜂鸣器报警。
电路简单、可靠但是灵活性和实用性差。
方案二，可以通过传感器感知信号多级放大电路，并用电位器调节得到固定的电压值，当得到可燃性气体信号时，电阻值立刻变小，放大器的放大倍数增加，电压也就随着增加，驱动三极管导通报警电路。
该方案有一定的灵活性和可执性，但是电路比较复杂，智能性差。
方案三，通过51系列单片机作为主控单元，并且能够通过传感器把模拟信号通过A/D信号转换为数字信号，并且读取和显示出来。
键盘可以通过不同的应用场合和针对不同气体做出不同的浓度设定，并且储存报警的上限和报警时间，方便查询和日后的工作调查。
综合考虑，由于使用单片机设计灵活性更强、用途更宽广，所以本设计采用方案三。
2.2系统结构框图
该多功能报警器的主要功能是检测环境中的烟雾和一氧化碳浓度,并将浓度通过单片机的串行口上传给上位PC机显示，如果浓度超出安全范围则报警器发出声光报警信息,报警器主要由烟雾传感器、一氧化碳传感器、模数转换器、单片机、标准通信接口、上位PC机等部分组成.
3.报警器硬件电路设计
3.1主控器设计
3.1.1芯片介绍
该报警器的中央处理器选用AT89S51单片机，它是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（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80C51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，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51具有如下特点：
4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes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,1个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器，此外，AT89S51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可以下降到0HZ,并提供两种可用软件来选择的省电方式—空闲方式和掉电方式。
空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器、串行口、外中断系统可继续工作，掉电模式下，冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复。
AT89S51采用双列直插式封装，40个引脚，其引脚图如下图3.1所示，
图3.1AT89S51引脚图
在该系统中AT89S51的资源分配如下：
P0口：
数据、地址总线
P1.0、P1.1、P1.2、P1.3：
声光报警位，
P1.5：
ADC0809的地址锁存以及启动信号
P1.4:
ADC0809转换完成后的允许输出位
P2.5、P2.6:
ADC0809通道地址选择信号。
RXD（P3.0）、TXD（P3.1）：
与MAX232连接实现单片机与上位PC机的通信。
INT0（P3.2）：
ADC0809转换完成的中断位，与ADC0809的EOC相连，当ADC转换完成后EOC由‘0’变‘1’，经反相后给INO，通知单片机读娶转换完成后的数字量，INO的触发方式为电平触发方式，即当IN0上的电平为‘0’时产生中断信号.
XTAL1：
接外部晶体和微调电容的一端。
在片内它是震荡电路反相放大器的输入端。
在采用外部时钟时，该引脚输入外部时钟脉冲。
XTAL2：
接外部晶体和微调电容的另一端。
RESET：
该引脚是复位信号输入端，高电平有效。
当此输入端保持两个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。
另外单片机中的定时器1用作波特率发生器，工作在方式2下，初值为0XE6E6.定时器0用于产生一氧化碳与烟雾循环检测的时间间隔T=1s,工作在方式1下.由于定时器中断一次最多只能定时65.536ms,因此1s的定时分两次产生中断，即定时器初值设为0X3CB0每次产生50ms的定时，设置times为定时器0中断次数标志位，定时器0每中断一次则times加1，直到times=20时才表示1s时间到，从而进行相应的处理，并使times=0,因此单片机应设置的寄存器设置为：
TCON=0X00;PCON=0X00;TMOD=0X21;TH0=0X3C;TL0=0XB0;TH1=0xe6;TL1=0xe6;SCON=0X50;IE=0X93.
3.1.2振荡电路设计
单片机的XTAL1与XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。
电容C1、C2取30pF，可稳定频率并对振荡器有微调作用。
在该单片机中晶振采用12MH频率的石英晶体。
振荡电路图下图3.2所示
图3.2AT89S51的振荡电路
3.1.3复位电路设计
复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。
图3.3上电自动复位图3.4按键电平复位
（1）上电自动复位
上电自动复位是在加电瞬间电容通过充电来实现。
其电路图如图3.3所示。
在通电瞬间，电容C通过电阻R充电，RST端出现正脉冲，用以复位。
只要电源VCC的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的复位初始化。
在振荡稳定后应保证复位高电平持续时间（即正脉冲宽度）大于2个机器周期，由于该系统采用12M的晶振，因此取C=10uF,R=1KΩ.
在该系统中采用手动复位和上电自动复位组合，其电路图如图3.4所示
通过以上对主控器单片机外围电路的设计，单片机小系统电路如下图3.5所示
图3.5单片机外围电路
3.1.4电源电路
电源采用直流电源变压器输出12V的电压，其电源连接电路如图3-9所示，并由去耦电容、开关、7085稳压器及电源指示灯组成。
直流12V再经过电容滤波，7805集成稳压器稳压成为稳定的+5V电源，用一个发光二极管指示灯指示电源状态。
电路安全稳定可靠，测试电压为+5V，并且在12V和5V电路中引线排针，以供日后使用。
3.2传感器设计
传感器部分包括烟雾传感器和一氧化碳传感器，分别用于检测烟雾和一氧化碳浓度。
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。
可燃气体的危险性主要视其爆炸极限，爆炸下限数值越小、爆炸下限与上限之间的范围越大，越危险。
有许多可燃气体同时具有毒性。
3.2.1烟雾传感器
烟雾传感器采用MQ-2型烟雾传感器,它探测范围广、灵敏度高、响应恢复速度快、稳定性好、寿命长、驱动电路简单.探测浓度范围为100ppm-10000ppm符合系统要求，但是MQ-2型气敏元件对不同种类、不同浓度的气体有不同的电值。
因此，在使用此气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。
可以用1000ppm氢气或1000ppm丁烷校准传感器。
同时当精确测量时，报警点的设定应考虑温度的影响.其技术参数如下表3.1、表3.2、和图3.6所示
表3.1MQ-2的工作条件
符号
参数名称
技术条件
备注
Vc
回路电压
≤15V
ACorDC
VH
加热电压
5.0V±0.2V
ACorDC
RL
负载电阻
可调
RH
加热电阻
31Ω±3Ω
室温
PH
加热功耗
≤900mW
表3.2MQ-2的灵敏度特性
符号
参数名称
技术参数
备注
Rs
敏感体表面电阻
3KΩ-30KΩ
（1000ppm异丁烷）
探测
浓度
范围100ppm--
10000ppm
α（3000/1000）异丁烷
浓度斜率
≤0.6
标准工作
条件
温度：
20℃±2℃Vc:
5.0V±0.1V
相对湿度：
65%±5%Vh:
5.0V±0.1V
预热时间
不少于24小时
图3.6MQ-2型气敏元件的灵敏度特性。
注：
其中温度：
20℃、相对湿度：
65%、氧气浓度：
21%、RL=5kΩ、
Rs：
元件在不同气体不同下电阻值
R0:
元件在洁净空气中的电阻值。
3.2.2一氧化碳传感器
1）传感器基本结构：
气体传感器由工作电极、对电极、参比电极、电解质、液体保持材料、过滤干扰气体物质、贵金属引线、接线柱等组成，使用的典型电极材料包括铂、金、银、铑、碳、钌、钯等，传感器信号通过引线传导到外部电路，通过放大等处理进行显示，如图3-22所示。
为了提高对被测气体的选择性，通常在传感器通气孔位置设置过滤剂，以消除干扰气体造成的不准确信号。
（2）电化学气体传感器优点：
1）对于气体的浓度能够线形输出信号重现性好
2）对被测气体具有良好选择性，不受温湿度的影响
3）空气中的输出值漂移小，可以获得稳定的输出信号
4）功耗低，电池即可驱动器工作
5）体积小，重量轻，作为便携式仪器首选
6）本质安全结构，机械性能稳定
电化学一氧化碳气体传感器基本特点：
本质特征：
NAP-505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。
NAP-505的工作及保存条件：
工作温度-20—50℃
工作湿度15—90%RH
保存环境温度0—20℃
工作气压1atm±10%
检知对象气体一氧化碳
测定范围0—1000ppm
输出电流40±10nAppm
重复性误差±2%
响应时间（t90）<30秒
基准线位移（-20—50℃）<100ppm
3.3模数转换设计
模数转换部分采用ADC0809模数转换芯片，它由8路模拟信号分时采集信号，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100μs左右。
芯片封装形式为28引脚双列直插式，其引脚排列见图3.9。
图3.9ADC0809引脚图
模数转换器与单片机的电路连接主要涉及两个问题。
一是8路模拟信号通道的选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。
下面是关于模数转换器与单片机之间的接口介绍。
IN7～IN0：
模拟量输入通道，这8路模拟量输入通道由地址锁存与译码电路对A、B、C3个地址位进行锁存和译码得到通道的选择，它们共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。
ALE：
地址锁存允许信号，对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。
因此将ALE与单片机的P1.5相连，先给P1.5引脚赋‘0’，再给它赋‘1’使ALE上产生一个正跳变，这时，便可以将A、B、C的地址送入地址锁存器中。
START：
转换启动信号。
START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。
启动A/D转换只需要一条指令将START引脚置高电平即可启动A/D0809转换，在此连接电路中将START与P1.4相连，因此先将所选择的通道对应的口地址送入数据指针DPTR中，再使P1.5引脚产生一个负跳变，即可以启动芯片转换，例如要选择IN0通道时，可采用“XBYTIE[9FFFH]=0”指令即可启动A/D转换
A、B、C：
地址线。
通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。
不同编码选择相应的通道。
通道选择如下表所示。
表3.5ADC0809通道选择
A
B
C
选择通道
0
0
0
IN0
0
0
1
IN1
0
1
0
IN2
0
1
1
IN3
1
0
0
IN4
1
0
1
IN5
1
1
0
IN6
1
1
1
IN7
其中INO为一氧化碳传浓度检测的输入通道，与一氧化碳传感器相连。
IN1为烟雾浓度检测的输入通道，与烟雾传感器相连。
因此一氧化碳检测通道的地址为0X9FFF；烟雾检测通道的地址为0XAFFF。
CLK：
时钟信号。
ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。
通常使用频率为500KHz的时钟信号，在该系统中时钟信号由单片机的ALE经4分频后提供。
OE：
输出允许信号。
用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。
在系统中使OE与单片机的P1.4引脚相连，当要读取数据使只要将P1.4引脚置高电平即可读取数据。
EOC：
转换结束信号。
EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。
使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。
在该系统中采用中断请求，将转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。
数据未转换之前EOC为低电平，当数据转换完成后EOC变为高电平，单片机的外部中断0设置为边沿触发，因此将EOC接反向器后与INTO相连，只要
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