微机课程设计煤气浓度监测与报警系统

燕山大学课 程 设 计 说 明 书题目：煤气浓度监测与报警系统 学院（系）： 电院自动化系 年级专业： 12级 工自2班 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称 燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）： 电气工程学院 基层教学单位： 自动化系 学 号120103010047学生姓名专业（班级）工自2设计题目煤气浓度监测与报警系统设计技术参数1、据设计方案，应用所学过的计算机控制、计算机原理、单片机原理等课程，选择控制变量和被控参数，检测与转换器件、控制器和执行器的选择。2、应用所学过的计算机控制系统等课程，选择计算机控制系统的控制器的类型，并对控制参数进行整定。设计要求1说明书一份。2说明书封面与内容需一致（打印或本人手抄）。3完成电路图一张。4鼓励学生进行创造性的设计和发明。工作量1、 阅读相关教科书、查资料。2、 说明书一份，不少于6000字（如打印用小四号字）。3、 电路图为A2图纸一张。工作计划第一周：选定题目、查资料、阅读相关教科书。第二周：设计单片机控制系统（包括硬件、软件、外围电路）、 完成设计说明书、画电路图、进行成绩考核。参考资料反馈控制理论、工厂电器、半导体变流技术、电力拖动及自动化、电子技术、计算机控制、制图、计算机原理、单片机原理及应用、电力电子技术、计算机操作系统、计算机控制系统等课程教课书及相关专业报纸、杂志和论文。指导教师签字基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。 摘要本系统设计介绍了以STC89C52单片机为控制芯片，通过检测空气中的煤气浓度来进行煤气的检测和报警，其中煤气的检测采用气体传感器实时检测煤气浓度并利用LCD1602显示出来，当煤气浓度超标后会启动声光报警，同时打开排风扇排出煤气，当浓度下来后声光报警和风扇关闭，并继续检测，从而实现了煤气的实时检测报警和处理。关键词：煤气检测 单片机 报警装置 液晶显示目录第一章 绪论41.1 背景介绍41.2 目的与意义41.3 现状5第二章 系统总体方案72.1系统总体框架72.2设计内容72.3 设计目标7第三章 系统硬件设计83.1单片机介绍83.2主机单元电路93.3电源电路103.4 A/D转换电路113.5液晶显示屏123.6声光报警电路133.7驱动排风扇13第四章 系统软件设计154.1设计指标154.2输入部分154.3输出部分154.4总体程序框图17第五章 设计总结18第六章 参考文献19 第一章 绪论 1.1 背景介绍 随着科技的发展，越来越多的可燃性气体作为能源应用于工业生产和人们的日常生活中。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造成的中毒死亡事故尤为严重。众所周知，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。为了减少这类事故的发生，就必须对这些可燃性气体进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测仪表，严密监测环境中可燃性气体的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和家庭生活安全。因此，研究可燃性气体的检测方法与研制可燃性气体报警器就变得尤为关键。家用智能煤气报警器就是为了预防煤气泄漏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1.2 目的与意义可燃性气体通常指城市煤气、石油液化气、汽油蒸汽、酒精蒸汽、天然气以及煤矿瓦斯等。这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、苯类以及一氧化碳和氢气等易燃、易爆成分。贮存和使用这些气体的过程中，如违反操作规程和设备密封不好，都有可能发生可燃气体泄漏的现象，进而酿成火灾或爆炸事故，给国家和人民的生命财产造成损失。可燃性气体检测报警装置是能够检测环境中的可燃性气体浓度并具有报警功能的仪器。该报警装置是石油化学工业、有可能发生可燃性气体泄漏的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。可燃性气体报警器属于中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录第46项中规定的物理化学计量器具。建筑设计防火规范(GBJ16-87)第10.3.2条明确规定:“散发可燃气体、可燃蒸汽的甲类厂房和场所，应设置可燃性气体浓度检测报警装置”。2003年12月，国家执行新的可燃性气体探测器标准(GB15322-2003)可燃气体探测器，2004年10月国家颁布可燃气体检测报警器规程JJG693-2004，研究新型、性能稳定、准确监测可燃性气体，并合乎国家相关规定的报警器具有极其重要的意义。目前我国已有许多城市铺设了煤气管道，使用人口约达二亿人，煤气发生基地及中转站也达几千家。如果这些家用燃气和煤气基地及中转站的报警率按10%计算，可燃性气体检测报警器的需求量就达2000万台以上。随着全社会对防火防爆及人身安全的重视程度的提高，这个数字会继续增长。近十年来，农村的沼气使用也得到了极大的发展。到2006年底，全国沼气池数量已达近1300万座，这就为检测沼气（主要成分是甲烷）浓度的仪器提供了市场。可见，可燃性气体报警器具有十分广阔的市场前景。1.3 现状国外从20世纪30年代开始研究及开发气体传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高;另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。据有关统计，美国1996年一2002年气体传感器年均增长率为27%30%。随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得气体检测仪器的体积也逐渐变小，提高了气体检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推广。1963年5月，日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，次年12月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体，可以安装在浴室或者采用集中监视。我国在70年代初期开始研制可燃性气体报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色。近年来，在气体选择性和产品稳定性上也有很大进步。燃气报警器可分为民用可燃气体报警器、工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器三大系列产品。(1)民用可燃气体报警器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。(2)工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器工业用可燃气体报警器及有毒有害气体报警器只是检测探头有差异，而在原理和应用中都很相近。工业用燃气报警器及有毒气体报警器根据检测环境的不同，也可分为检漏仪、控制器和探测器。检漏仪的体积较小，可随身携带或手持，主要应用于燃气管理的查漏与巡检。若有燃气泄漏，便携式可燃气体检漏仪便会发出声光报警，同时数字显示气体浓度，以便及时取安全措施，防止爆炸等恶性事故的发生。控制器与探测器结合使用，可在防爆现场长期监测气体的浓度。探测器安装在防爆现场，控制器壁挂在值班室等有人值守的地方，二者采用屏蔽电缆线连接。当现场的探测器探测到燃气泄漏之后，通过屏蔽电缆线将信号传到控制器，控制器发出声光报警，同时启动排风装置或关闭电磁阀切断气源，以确保安全。此种仪器广泛应用于液化气站、汽车加油站、锅炉房等工业场所。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（0.110）106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）已从产品研究进入到测试了；（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。第二章 系统总体方案2.1系统总体框架图2.1系统总体框图2.2设计内容本设计是煤气智能报警系统的研制，主要针对CO气体，主要实现家庭煤气泄漏的检测与报警。首先气体传感器将气体的成分以及浓度等信息转换成电信号，经过放大电路放大电信号，再进入A/D转换，得到CO浓度的数字量信号，然后经过单片机进行数据处理，得到最终的室内环境CO浓度值，将此数据通过数码管显示并保存，同时根据系统设定的限值参数判断环境浓度是否超标,如果超标，则单片机输出控制信号，通过继电器打开排气扇与关闭电磁阀以及驱动声光报警单元进行报警。为了提高实用性，系统还应该具备与上位机进行串口通信。2.3 设计目标 （1）家庭煤气的实时监测和显示； （2）浓度超标后的声光报警； （3）浓度超标报警后实时处理（打开排风扇）；第三章 系统硬件设计单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。所以在本系统中选择了STC89C52单片机。3.1单片机介绍STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机。宏晶科技现已成为全球最大的89C52单片机的设计公司，其运用最新的第六代加密技术使得89C52无法解密。其设计的89C52系列单片机具有超高速、可靠性高宽电压、低功耗、超强的抗干扰能力，相对于其他公司的铲平能力较强。指令代码完全兼容传统8052单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。下面我开始详细介绍其主要特点。STC89C52RC主要功能特性作为宏晶科技推出的新一代高速低耗、抗干扰能力强的STC89C52RC所具有的主要特性有一下几点：1. 增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051.2. 工作电压：5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V2.0V（3V单片机）3. 工作频率范围：040MHz，相当于普通8051的080MHz，实际工作频率可达48MHz4. 用户应用程序空间为8K字节5. 片上集成512字节RAM6. 通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。7. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片8. 具有看门狗功能9. 共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T210. 外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒11. 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UARTSTC89C52RC的引脚简介STC89C52RC本身内含40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中端口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，其引脚图见图2.1。STC89C51RC可以按照常规方法进行编程，但不可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。STC89C52RC为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的STC80C52内核，在内部功能及管脚排布上与通用的STC89C52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（3239脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。 图3.1 STC89C52RC引脚图3.2主机单元电路主机模块主要是由STC89C52单片机最小系统，它是系统的核心部分。系统由+5V电源提供，具有掉电数据存储功能。具体主机单元电路界线如下图所示：图3.2 主机单元电路图中核心芯片为STC89C52，引脚18和引脚19，他们所接的为外部晶振模块。在本次设计中，我所选用的晶振为11.059MHz,其中电容C3和C4是用来过滤杂波以此稳定输入STC89C52单片机的波形。复位引脚9外接复位电路，当S处于处于常态（断开）时，引脚9通过R1接地，即引脚9处于低电位，不进行复位操作。当按下S后，引脚9通过R1接电源Vcc，此时引脚9处于高电位，STC89C52单片机随即启动自身的复位程序，开始复位3.3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。图3.3 电源电路3.4 A/D转换电路对于温度、压力、流量、pH、重量、速度、位移、浓度等参数的检测或控制,常需用传感器将被测参数转变成电量、并继而放大成0+5V的模拟量电压。在微机处理系统中,需先将现场采集的模拟量转变成对应的数字量才能输入微机处理。548/的特点548/是以8位开关电容逐次逼近/转换器为基础而构造的/转换器,设计成能通过三态输出与微处理器或外围设备串行接口：图3.4 A/D转换电路图中：AIN为模拟输入端；SDO为数字输出；CS为片选端；SCLK为时钟信号；REF+接+5V电源；REF-接地。TCL548的工作过程：煤气传感器获得的模拟信号由AIN输入到转化器中，CPU将模拟信号经过一系列的处理后将之转化为可用于进行检测和控制的数字信号。3.5液晶显示屏液晶显示屏的作用是显示煤气的浓度，这里选用的是LCD1602液晶 图3.5液晶显示屏本方案中，P0端口是作为显示控制的输出端口，且因为P0只有在外接上拉电阻时才可以输出高电平，以控制LCD液晶的显示，所以为P0口链接了阻值为4.7k的排阻，并将排阻的另一端与引脚40Vcc和电源相连。其次再将P0口与LCD液晶的引脚7引脚14相连，以便控制LCD液晶的显示内容；此外，单片机的P2.5、P2.6、P2.7分别LCD1602液晶显示的使能端EN、R/W和RS，用来控制LCD1602的显示、读写功能和数据。除了以上介绍过的部分和模块，剩下的应该就是LCD1602液晶显示部分。在LCD1602中，除与单片机STC89C52链接的引脚外，引脚1接地，引脚2分别接电源Vcc与地。字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。1602LCD分为带背光和不带背光两种，它采用标准的16脚接口，各引脚接口说明如下：第1脚：VSS为地电源第2脚：VDD接5V正电源第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源 时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可通过一个10K 的电位器调整对比度第4脚：RS为寄存器选择，高电平选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存 器。第5脚: RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电 平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以 写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。3.6声光报警电路作为煤气泄露测试装置，声光报警部分不可缺少，当检测到CO气体在空气中的所占的比例超标时，就应该通过声光方式发出警报，防止由于CO气体含量过高而发生的意外事故。本设计中的报警设备是由一个蜂鸣器LS1和报警灯D2组成。当煤气浓度超标时，单片机输出电平使蜂鸣器响并且报警灯发光，原理图如下图所示：图3.6 声光报警电路3.7驱动排风扇当系统检测到煤气浓度过高时，系统进行光电报警，与此同时驱动排风扇开始工作，使煤气浓度降低到正常水平。如下图所示，排风扇系统由电阻R2，二极管D1和三极管Q1和继电器RL1以及驱动电机组成： 图3.7驱动排风扇第四章 系统软件设计系统软件方面的设计即是为了实现2.3中的设计目标，所以下面首先给出设计指标然后分为输入和输出两部分，最后给出总的程序框图。4.1设计指标应用范围：工业生产和人民生活中的CO检测检测对象：CO及他们的混合气体；检测范围：CO：01000ppm检测精度：CO优于20ppm；报警浓度：125ppm300ppm响应时间：30ms；电池电压：+5V；工作温度范围：-20+70；工作湿度范围：1095%RH4.2输入部分该系统采用烟雾传感器。通过烟雾传感器可以实时检测空气中的烟雾浓度并输出相应信号，然后经A/D转换后传入单片机，单片机根据传过来的信号进行相应的处理。4.3输出部分输出部分主要包括气体浓度的实时显示和浓度超标以后的处理即声光报警和驱动排风扇；声光报警和驱动排风扇比较简单不在赘述，下面介绍一下1602显示屏：对于1602液晶显示，首先我们要对其进行判忙，之后写入了写指令函数和写数据函数，以及制定字符显示地址的函数，最后将1602进行了初始化。这样就可以使我们需要的各项数据在1602中显示出来。以下是几个常用寄存器介绍：判忙功能设置开关设置设置输入方式清屏以下简介1602操作过程：1. 液晶判忙2. 写操作（写指令（RS=0) 写数据（RS=1） ）2.1 写指令函数lcd_wcmd(uchar cmd)2.2写数据函数lcd_wdat(uchar dat)3.初始化液晶3.1功能设置lcd_wcmd(0x38);3.2开关设置lcd_wcmd(0x0c);3.3设置输入方式lcd_wcmd(0x06);3.4清屏lcd_wcmd(0x01);4. 写显示数据4.1显示位置lcd_wcmd(pos|0x80);4.2显示内容lcd_wdat(uchar dat);4.4总体程序框图 图4.4总体程序框图 通过上面的程序框图，我们可以发现，该系统通过气体浓度的实时检测和显示，然后通过我们提前设定好的阀值来判断其超标与否，然后执行两种不同的操作，最后通过循环是系统能够一直出于工作的状态。第五章 设计总结心得体会：通过这次课程设计我学会了很多以前没有掌握的知识，总过这样一个完整的系统设计使我对单片机有了更好的了解，对单片机的最小系统、单片机的工作原理及过程有了一个更好的理解，同时对一个系统的模块化有了更为直观了理解，更加理解了它的优越性，总而言之，通过这次的课程设计我的知识水平有了很大的提高，对知识的理解和运用也有了很大进步，感谢学校和老师能够给我们这次机会。遇到的困难:在做课程设计的过程中难免会遇到一些困难，例如对于知识理解的不深刻，对做图软件的不熟悉等等。解决办法:上网查找资料，请教别人，多尝试，和同学们一块交流吸取了经验。第六章 参考文献李元春.计算机控制系统北京：高等教育出版社，2009.胡寿松.自动控制原理M.北京:科学出版社,2007.张国苑,顾树生.微型计算机控制技术M.北京:东北大学出版社,1997郭天祥.51单片机C语言教程M.北京:电子工业出版社,2011杜隽隆.微型计算机控制系统工程设计与实现M.北京：西北工业大学出版社，1992RichardC.Dorf，RobertH.Bishop.现代控制系统M.北京：电子工业出版社，201燕山大学课程设计评审意见表指导教师评语：成绩： 指导教师： 2015年 12 月 18 日答辩小组评语：成绩： 评阅人： 2015年 12 月 18 日课程设计总成绩：答辩小组成员签字：2015年 12 月 18 日摘要本系统设计介绍了MCS-51系列单片机为控制芯片，对电热水壶工作进行孔氏的方法，通过电加热电路对水进行加热，并对谁的温度进行采样，采样信号通过ADC0809将数字量进入单片机系统，经微机处理后，结合键盘控制实现数码管显示，并可实现对水的温度的控制和超过水温的报警系统 关键词：电热水壶 单片机 加热电路 报警电路22