基于单片机的煤气泄漏报警装置的设计

基于单片机的煤气泄漏报警器的设计

摘要人们生活中，离不开煤气，怎样防止煤气中毒和爆炸，是人们的迫切需要解决的问题，故智能煤气报警系统走入了我们的世界。本系统主要针对传统煤气检测系统进行技术改进以满足要求，至此本系统具有如下特点．用单片机实现定时控制，电路简单、价格便宜、可靠性好。采用气敏传感器及防爆型电磁阀．安全可靠，能有效的保证随时接通和断开煤气控制电磁阀：有煤气泄漏时有语音报警，并通过总线通知管理室．双重保障。因此本系统也可作为智能家居系统的一个子系统。

关键词：51单片机；气体传感器； RS485总线

The gas leakage alarm system based on single chip

microcomputer

Abstract Gas has become indispensable in people's life energy, gas leak, to people's personal safety and property safety brought many hidden dangers, Therefore we developed the intelligent gas alarm system. This system mainly for the technical improvement on traditional gas detection system to meet the requirements, so this system has the following characteristics. Using single chip microcomputer implementation timing control, circuit is simple, cheap and good reliability. Using gas sensors and explosion-proof solenoid valves. Safe and reliable, and can effectively guarantee at any time on and off the gas control solenoid valve: a gas leak voice alarm, and notify the management office by bus. Double protection. This system also can be used as a subsystem of the smart home system.

Keywords：51microcontroller; gas sensor; RS485 bus

目录

第1章绪论 (1)

1.1 论文设计的背景 (1)

1.1 国内外研究现状 (1)

1.3 论文的设计内容安排 (2)

第2章系统设计技术基础 (4)

2.1单片机简介及应用 (4)

2.1STC89C52单片机的结构 (4)

2.3 STC89C52管脚介绍 (5)

2.1传感器的介绍 (7)

2.5传感器的结构介绍 (8)

第3章系统的硬件设计 (9)

3.1 系统供电 (9)

3.2 系统硬件框图 (9)

3.3 数据处理 (11)

3.4 信号的放大电路 (13)

3.5 模块电路 (9)

第4章系统的软件设计 (16)

4.1 单片机程序 (16)

4.2 各模块程序的流程图及功能说明 (16)

第5章系统调试 (19)

5.1 元件焊接 (19)

5.2 系统调试 (19)

结论 (20)

参考文献 (21)

附录 (22)

主程序 (22)

数据采集程序 (23)

A/D转换程序 (24)

第1章绪论

1.1 论文设计的背景

随着科学技术的发展，越来越多的可燃气体，用于工业生产和人民日常生活的能量。和气体燃料的推广应用，它是伴随着由中毒，爆炸产生的气体泄漏，火灾和其他安全事故时有发生。由于一氧化碳中毒事故引起的泄漏是很严重的。家喻户晓，因为血红素CO比相结合的氧气和血液更容易，约为240倍，氧，在有限的人体血液循环系统，将取代氧血红素连接数，抑止血液中氧气的流通，然后，引起头痛，耳鸣，呕吐，血压降低和不同程度的症状。如果CO中毒严重，在康复过程中，光会出现头晕，记忆力丧失或造成视觉及神经系统疾病，严重者可导致脑损伤，甚至死亡。想要缩小这种变乱的产生，就需要对这些可燃气体举行现场的及时测试，选用领先安全的牢靠检测仪器，精密观测可燃气体浓度的情况，尽早觉察有无安全隐患，采纳有用方法，防止变乱的产生，才可以保证产业和家庭生活平安。是以，钻研可燃性气体的测试途径和研究可燃性气体的报警器尤其重要。家用智能燃气泄漏报警器是一种防止气体泄漏报警，也是一种高灵敏度的气体检测仪，通常都是气敏元件的灵敏度高的回气动力装置，并结合电路与声光的报警部分组成。在声、声、光报警限值发生危险气体泄漏报警。

1.2国内外研究现状

民间用的可燃气体的报警器替住户燃气泄露报警，正常安设在厨房里，碰到燃气泄露的时候，报警仪器就会发出声光的报警，可能一起伴随数字显示，同时和外部的设备联动。一些报警可以自动打开排气风扇，排气；一些报警器报警的时候会主动关上燃气的阀门，防止燃气不断的泄露。

在使用过程中，目前用的最多的是传感器可燃气体敏感元件，是整个工厂的气体泄漏性试验和检查用，企业对家庭生活的居民，使用非常广泛的。只为例如家用燃气泄漏报警的安全保护，日本开始进行早期的城市燃气安装，液化石油气报警规则在一月1980，1986日本通产省和安全装置，促进政策执行。美国6个州已立法规定，家庭，公寓已安装的CO报警器。报警类型是大量的，各种各样的气体报警系统一般家庭，集体房，餐厅，医院，学校，工厂，单个外部报警，报警系统，集中监控系统，打破连锁系统，防止中毒

报警保护系统。一个小型的便携式结构，手推式，固定式报警；工业固定报警和壁挂式，表式，单一的控制类型，多个投票。气体检查技能和电脑技术结合在一起，完成智能化和多功能化的技巧。美国ISC公司科学产业有一台能对四类气体探测的随身带的监测仪器，采纳统一的软件系统，只要更换气体传感仪器，便可完成对特定的气体进行监查。国际的传感器制造公司IST 使用一名字叫做“MEGACAS"传感器与微程序的节制单元，能够检查出一百多种有毒气体和易燃烧的气体，在“扫描功能，可以快速确定气体检索”什么样的气。

一种可燃气体传感器的研制已成为气体检测系统的代表。

近年来，因为探测气体类型传感器的精确度、功能、稳定效果来说愈多的被要求于产业制造、家庭平安、环境监控和医学等各个领域，所以对于气体类型传感器的钻研与利用愈发重要。随着先进科学技术的应用，气体传感器发展的趋势是微型化、智能化和多功能化。更深入的钻研和掌握有机的、无机的、生物的和各种材料的特点和交互,理解各种气体类型传感器的工作原理和机制,准确挑选各类传感器的敏感材料,在微机械加工技术，使用膜技术的灵活性，敏感的微电子技术，光纤技术，如优化传感器性能的气敏传感器的更新方向型。

气体类型的传感器在国外的发展十分迅速,一面,由于人们的安全观念的增强,追求高舒适、安全的生活条件;另一面，是因为在政府安全法规鼓励传感器市场增长。因而,国外快速发展了气体传感器的技术,据不完全统计的推测,美国在1996 到 2002年的平均年增长率为(27 到 30)%。

1.3 论文的设计内容安排

毕业设计是学生在学生时代的最后一项作业，不仅检查学生是否掌握了本专业的知识，而且还培养了学生解决实际问题的能力。在本次设计中，我不仅温习了以前学习过的知识，而且还在查阅资料时学习了一些新的知识。将理论和实际有效的结合起来，做到所学即为所用，培养了我的动手操作能力，对我以后的工作生活具有重要意义。

本设计在绪论里主要介绍了有关单片机预警煤气泄漏国内外研究现状，也对文章章节结构做了一个安排。第二部分是以STC89C52单片机使用计划的

一般认识。第三部分讲述了系统的硬件方面的设计，重点阐述了系统的原理和对模块电路进行的剖析。这一部分是本设计的重点。第四部分是系统软件设计，介绍了系统模块程序流程图的设计和功能。第五部分是系统调试。

第2章系统设计技术基础

2.1单片机简介及应用

单片机是一类微型计算机系统，是一种选用集成电路技术开发的电路芯片。多功能和强大的，CPU中央处理器可以是数据的可靠和处置，以及各种I/O端口和中断系统，在RAM随机存取存储器，可读取ROM存储器，定时器/计数器等功能。由于生活水平在不断富足，世界技术在不断更新和成熟，人们对电子产品的需求也越来越大，这在一定程度上促进了单片机技术的发展，单片机的处理能力有了很大的提高，单片机的高端处理器特定的性能比90的超越。而单片机的价格并没有水涨船高，反而跌得很厉害，10美元就可以购买到一个最高端的单片机了，而普通型号的单片机只需要1美元。

随着单片机技术和性能的不断发展和提高，不管是在最初的工业控制领域，还是现在的家用电器和医疗器械领域，甚至航空航天等领域，单片机都发挥着不可替代的作用，对我们的生产生活产生了重要影响。如今，计算机的应用已扩展到我们生活的每一个角落，几乎没有一场没有单片机。

2.2 ST C89C52单片机的结构

STC89C52是一种耗能低、效能高、处理能力强大的CMOS八位微控制器，它的内核仍然采用经典的MCS-51，但做了很大的改进，增加了众多功能。自带4K字节的可编程可擦除的只读程序存储（EPROM）空间和512B字节的随时存取的数据存储（RAM）空间，16位定时器/计数器3，32位的I/O线，与8位CPU的智能（CPU）和可编程Flash项目，有什么功能，巨大的，并且可以直接使用串口下载，简单方便，可应用于各种控制领域。图2-1是STC89C52单片机的基本功能方块图。

图2-2 STC89C52 功能方块图

2.3 STC89C52管脚介绍

STC89C52 型号的单片机是一类低功耗、效能高的微控制器。由于引脚只有40个，无法一一容纳其众多的功能，所以就把其中一些引脚开发了多种功能。图2-2即为它的引脚图。

图2-3 STC89C52单片机管脚

VCC：芯片的40引脚，是连接电源电压端口。

GND：芯片的29引脚，是接地端口。

P0口:P0口指的是P0.0-P0.7端口，是芯片的32-39引脚。一八位双向I / O端口，提供上拉电阻。当“1”是分配给销的港口，港口可作为高阻抗输入。另外，当把P0口用作为数据/地址的第八位时，还可以访问外部RAM和ROM。当用FLASH进行编程时，指令字节可以在P0口被收到，当Flash核实程序时，

又会输出指令字节。需要了解的是，P0口在验证程序时，需要外接上拉电阻。 P1口：P1口包括P1.0-P1.7端口，作为芯片的1-8引脚封装。一八位双向I / O端口，提供上拉电阻。在P1口端口写入1时，被上拉电阻拉为高电平，这时候端口可以用作输入。由于P1端口内部上拉电阻，端口写0时，被外部拉低，此时，P1口输出电流。当Flash进行编程与校对时，P1口将作为第八的地址进行来接收。

P2口：P2口是指芯片P2.0-P2.7端口，包括21-28引脚。一八位双向I / O端口，提供上拉电阻。由于内部上拉电阻的影响时的写作，端口1，端口可以拉到高电平，然后P2口可以用来作为一个输入端口。当端口写入0时，会被拉为低电平，这时端口将输出电流。

P3口：P3口包括P3.0-P3.7口，是10-17引脚。也一八位双向I / O端口，提供上拉电阻。当P3口被写入1后，可以作为输入端口使用，而其内部上拉电阻会将其拉为高电平，此时它的外部引脚被拉为低电平，端口将会输出电流。Flash编程，P3将接收控制信号。此外，I / O端口，P3端口和其他功能，如表1所示。

表1 P3口管脚的其他功能

P3口管脚其他功能

P3.0 RXD 接收串行数据输入

P3.1 端口串行数据输出端口

P3.2 INT0 0、外部中断

P3.3 INT1 外部中断1

P3.4 T0 0外部输入的定时器/计数器

P3.5 T1 1外部输入的定时器/计数器

P3.6 /WR 外部的数据存储器在写脉冲

P3.7 /RD 外部的数据存储器在读脉冲

RST：RST是芯片的19引脚，复位控制线。负责对单片机进行复位重置操作。

ALE/ PROG：这个端口是一个30单片机引脚，允许终端作为地址锁存器，

可用于输出脉冲或定时。

PSEN：这个端口是29引脚的芯片，存储器读选通信号接口。

EA/VPP：是芯片的31引脚，ROM的选择端口。

XTAL1：该端口是芯片的19引脚，时钟电路的输入端。

XTAL2：端口18引脚芯片，输出时钟电路。

2.4 传感器的介绍

市场上销售的各种品种的气体传感器，房地产价格是不同的。依据现实情况利用和本钱性价比，一氧化碳气体传感器的气敏传感器的类型选择NG-CO-001电化学有限类型的规划，其如图2-4所示的模式。

一氧化碳电化学气体传感器类型NG-CO-001工业级产品，通过结构设计，加工技术和传感器电极的制备完成，它具有使用寿命长，灵敏度高，密封性能好，液体的技术特点。该传感器是通过插入元素与外部电路连接的兼容互换的区域，有利于传感器和电子电路。为了简化产品的装配工艺，以降低生产成本。

应用：一氧化碳探测器植物的浓度；气体测量仪器；空气质量监测；气体变送器；便携式仪器配套元件等等。

（1）NG-CO-001电化学一氧化碳气体传感器基本原理

电化学气体传感器由工作电极、参比电极、对电极组成，按照外部恒电位电路，传感器的运行电极坚持在一个平稳的运行电位，在下面的公式所示的一氧化碳传感器的基本原理：

UCTURE

工作电极：CO+H

2O=CO

2

+2H++2e-

对电极： O

2+4H++4e-=2H

2

O

总反应： 2CO+O

2=2CO

2

这种电化学气体传感器是基于气体传感器电化学电子转移反应，进行了定性和定量检测被测气体。参考电极保持稳定的工作电压能保持电化学工作电极，工作电极和电极与被测气体浓度的线性关系之间的电化学反应形成的电流。

该传感器属于三电极法，检测信号是稳定的，线性关系好等优点，广泛

应用于一般工业。

图 2-4 NG-CO-001

2.5 传感器的结构介绍

气体类型的传感器的工作的电极,参比的电极和电解液以及液体持续材料、气体滤过干预物质,珍贵的金属线,端子,等,采用典型的电极材料包括铂、金、银、铑,如碳，钌，钯，传感器信号到外部电路，主要通过放大显示，治疗。为了提高测量气体的选择性，通常设置过滤器在通风位置传感器的信号，不准确的气体排除干扰。其结构图如图2-5。

图2-5 NG-CO-001的结构图

第3章系统的硬件设计

3.2 系统供电

为了使系统能稳定的工作，需要要解决系统供电的问题。首先是电机供电，电机是采用5V电压供电的，由于电脑的USB接口输出的电压也是5V，所以只需要将电机的正负极用导线引出，然后接在USB线上，所以我们可以通过计算机电源的USB接口，方便稳定。然后就是主板供电，由于设计中主板是固定在电机转子上的，并通过电机转动带动主板旋转，所以电机转子与主板是相对静止的，所以我们通过电机转子供电给主板。电路图如图3-8所示。

图 3-2供电小板原理图

3.3 系统硬件框图

体系工作流程为:用安装于室内的CO传感器获取被探测的目标(CO浓度)为原始的信号,通过温度补偿与取样放大获得改正后可匹配的信号，流入A/D 转换器,获得测量目标的数字量信号,之后经过单片机处理数据处理的步骤,探测到最后的室内CO密度,将这些数据经过数码管来显示和储备,还根据系统设置的极限参数判别环境浓度超过标准,如果超过标准分区插座立即光输出控制信号,通过继电器打开排气扇,如果超过限制,断流阀关闭,并立即进入危机的时机,如果发现室内一氧化碳浓度在一个危险的情况下很长一段时间,所以可能没有打开排气扇,或严重公司异常泄漏事故发生在房间里,这时候要发动预警的信号开始语音报警提醒,提醒室内人们赶紧开启门窗、关上气源并迅速撤退事故的现场。如果系统是连接工作的计算机，下位机通过通信接口设置构成参数的计算机，并从缓冲区数据的检测数据之前，阅读能及时，两个处理或存储在数据库中的永久保存。其系统原理框图如图3-3.

图3-3-1 系统原理框图

系统的硬件电路设计主要包括rcm5700电路模块的设计，可燃气体传感器的电路设计，A/D转换电路、通信接口电路的设计。使用RABBIT RCM5700芯片PB3连接虚拟的时钟线，使用PB5端口线连接虚构数据线Data。

易燃性气体传感器的模拟输出放大电路在放大的过程中,经过模数转换器的变换之后,与RCM5700模块数据用串行的方式,在PA0 rcm5700模块，内关和模数转换器的时钟，DIN，DOUT，CS连接，以实现可燃气体传感器和rcm5700模块，可燃气体传感器输出到rcm5700模块。

利用rcm5700模块端口3和5为串行通信口的串行通信，被定义为数据发送和接收。

蜂鸣器通过RCM5700模块的PD1输出口来完成节制的。

利用铅的rcm5700模块，通过电阻的组合。图3-3-2整个系统硬件原理图。

图3-3-2系统总体硬件原理图

3.4 数据处理

3.4.1传感器信号处理

总希望输出的传感器和输入量呈线性关系，当人们使用传感器，但传感器内部因素和测量误差的原因，传感器的输入—输出特性在全体探测范围内每每不是精确的直线关连。在本系统中得到的测量是通过传感器的电压信号和数据采集电路的转换，以反映CO浓度实测值,有必要将依据系统特征在探测范围内将CO的浓度与收集的电压之间的联系作为一个差值尽量取小的标准,根据此标准衡量,一个电压信号，可以精确地探测到的CO浓度探测的环境价

值观。本系统采纳的是分段插值的方法来对系统探测值和目标值进行衡量的。

3.4.2数字滤波处理

数据收集系统在收集数据时,因为各类干预的影响,使系统收集到的数据必然有细微的波动,数据真实数值偏离其探测结果。拆下除硬件抗干扰技术，采取一些必要的采样噪声分量的数据，本系统还采用数字滤波处理某些输入数据。首先使用奇异值滤波，采样数据序列（发生了明显的错误非常高的跳转和周围的数据）的数据；而后再对剩下的数据选择中值滤波的算法,他主要的算法为:拿出n个持续数据存储单元收集原始数据顺次投入排成序列,每产生一列新的数据时,从一组数据队列的最早进入，其他的逻辑数据集体向前移动一点，新的数据队列在结尾。队列中的数据队列按从小到大的顺序，以及采样数据中间值。

数字滤波的方式有很多种,能依据不相同的探测参数进行选取。

下面介绍几种常用得数字滤波法：

1. 程序判断滤波

2. 中值滤波

3. 算术平均值滤波

4. 滑动平均滤波

5. RC低通数字滤波

6. 加权平均值滤波

本文采用的是中值滤波法,下面主要介绍中值滤波法：

中值滤波是连续采样参数n（总N为奇数），然后采样值的N倍（或从大到小）排队，然后以中位数为取样值中滤波消除巧合的原因引起的波动或取样器不平稳造成的错误脉冲干扰更有效。如果变量变化缓慢，利用中值滤波是更好的，但参数如流量的快速变化，不使用。

中值滤波程序设计的本质是:首先,N采样值是根据小变化大(或由大变小)排序,然后中间值。根据排名的做法的数据是二二比0，用于存储数据的存储区的首地址，第一（（R0））和（（R0）+ 1）进行比较，如果（（R0））<（（R0）+ 1）,不交换位置，否则将两个开关的位置。然后另一个（（R0）（+ 1）和（R0）

+ 2）比较，判断方法同上，直到下沉的最大数目底。然后再比较，放在......... N-1位伟大的价值在这样做时，可以由小订单数量大。

3.5 信号的放大电路

在电气信号采集气体传感器通常是小的，和普通模式组件，需要经过放大电路放大，在A / D转换。气体类型的传感器输出的信号振幅很小,有不同强度的电磁干预,所以在本设计中,仪表放大器AD623放大器电路、信号传感器的精度,扩大,同时抑制共模成分提高信号质量。放大电路为图3-5。

图3-5 信号采集放大电路

3.6 模块电路

3.6.1 时钟电路

时钟电路是内置单片机电路，用于定时和计时。如图3-7所示，把电容C1、C2并联连接，分别接在STC89C52的XTAL l及XTAL2端口，晶振M则串连在电路中组成时钟电路。

图3-6-1 时钟电路

3.6.2 复位电路

复位电路的作用是在系统接通电源后，发出一个复位信号，并确定系统电源电压没有波动后再把发出的复位信号撤销。需要注意的是，由于刚接通电源时，各种误操作会导致电源抖动进而影响复位，所以在电源稳定后还需要过一段时间才可以撤销复位信号。如图3-8所示，是由一个电阻R1，R2，电容，C和按钮开关，复位输入端连接到STC89C52是。

图3-6-2复位电路

3.6.3 驱动电路

驱动电路有两种输入方式。一种是并口输入方式，此方式占用的I/O口资源较多。另一种是串口输入方式，此方式占用的I/O口资源较少。所以选用串口输入方式。此时，进行行方向扫描的P0口作为I/O口使用，要加上拉电阻。

3.6.4看门狗定时器

因为需要经过A / D转换器来自各类气体传感器模拟多次取样,外部干扰会干扰CPU的正常工作,造成混乱。但rcm5700自带看门狗，看门狗电路作为一个程序运行监控，定期，由控制器发出复位信号的复位看门狗，无效。一旦程序正在运行或为系统故障导致死亡的周期，复位信号是由委员会发布，

该系统可以重置和恢复正常工作的很快。

第4章系统的软件设计

4.1 单片机程序

本设计中包括主程序，数据采集程序，判断显示程序，报警程序，二进制转换成十进制数程序和串口通信程序，具体程序参考目录。主程序流程图如图4-1。

图4-1主程序流程图

4.2 各模块程序的流程图及功能说明

4.2.1 外部中断0服务程序部分

外部中断0的作用主要是对显示更新、定位和对定时器T0初值的校正。为了给外部中断0提供中断信号，我们会在硬件部分添加一个光耦。在显示屏每旋转一周时就会就会产生一个中断信号给外部中断，中断服务程序此时

就会把实际旋转一周的T0中断次数记录并保存下来，然后与我们的设置次数进行对比，以此数据来校正T0的初始值。最后，为了更新显示和定位的，程序会把各个显示数据全部清零，跳出服务程序。具体流程如图4-3所示。

图4-2-1 外部为0的中断服务程序流程图

4.2.2 定时器T0中断服务程序

T0的中断服务程序中，在定时器T0的中断信号呈现时，系统将给T0赋于校正后的初始值，进而判断目前的T0中断的次数，显示当前确定的位置，然后再判断是否应该送显示，在发送显示时，相应的显示函数也会启动，并且T0中断次数也会随之加一，最后跳出中断程序，中断结束。详细参看流程图4-4。

4.2.3 定时器T1中断服务程序

由于T0的初始值是不固定的，所以我们不能再把T0当作时间运行的标准，否则时间会一时快一时慢，因此我们把T1作为时间运行的标准。我们给T1的定时为20毫秒，每当产生50个中断时，秒钟计数加1。具体的具体流程图见图所示4-2-3和4-2-4 。