智能家用可燃气泄露报警器的设计

中北大学信息商务学院课程设计说明书

学生姓名：芦硕靖学号：10050644X01 学院：信息商务学院

专业：电子信息工程

题目：专业综合实践之单片机部分：

超声波测距器的设计

职称: 副教授

2014 年 1 月 10 日

中北大学信息商务学院课程设计任务书

13/14 学年第一学期

学院：信息商务学院

专业：电子信息工程

学生姓名：芦硕靖学号：10050644X01 学生姓名：孟庆慧学号：10050644X05 学生姓名：赵芳学号：10050644X15

课程设计题目：专业综合实践之单片机部分：

智能家用可燃气泄露报警器的设计起迄日期：2013年12 月30 日～2014年1月10 日课程设计地点：201，503

指导教师：张权

系主任：王浩全

下达任务书日期: 2013 年12月30 日

课程设计任务书

课程设计任务书

目录

一、引言 (6)

二、设计方案简介 (7)

2.1家用可燃气泄露报警的概述 (7)

2.2家用可燃气泄露报警研究的目的 (7)

2.3 可燃气检测传感器的选择 (7)

2.3.1气体传感器的主要参数和特性 (7)

2.3.2气体传感器的选定 (8)

三、家用可燃气泄露报警装置的硬件部分设计 (9)

3.1系统硬件电路总体设计 (9)

3.2家用可燃气报警器的功能............................................... 错误!未定义书签。

3.2.1声光报警功能 (10)

3.2.2外围接口电路的设计 (12)

3.2.3 A/D转换主要技术指标 (14)

3.2.4单片机与ADC0808接口电路 .............................. 错误!未定义书签。

3.2.5串口转并口芯片74HC164 (15)

3.2.6数码管显示 (16)

3.2.7声音灯光报警电路 (16)

3.3总电路设计 (17)

四、燃气泄漏报警系统的软件部分设计 (18)

4.1主程序设计 (18)

4.2软件设计的子程序基本思想 (23)

4.2.1A/D转换 (23)

4.2.2浓度转换 (24)

4.2.3 数码显示 (25)

五、结论 (26)

六、参考文献 (26)

1 引言

随着我国可燃气的变革及西气东输工程的进行，目前家家户户做饭离不开煤气、天燃气，一旦泄露后果不堪设想，每年，因煤气泄漏引发的中毒事件，或因室内可燃气泄漏浓度过高引起的爆炸，类似的事件也不少见。该设计装置可避免悲剧的发生，同时它又非常实用，具有良好的市场前景。

可燃气(人工煤气、可燃气)的普及，为市民提供了方便，也提高市民的生活质量，但是任何事物都有它的两面性，在使用可燃气的过程中，因可燃气泄漏等原因造成的可燃气爆炸、中毒等意外事故时有发生，给人们的生命和财产安全带来了严重的威胁，因此安全使用可燃气，是不可忽视的一个重中之重的工作。家用可燃气泄漏报警装置能有效监测环境中可可燃气体(如CH4)的浓度，一旦其浓度超出报警限定值，就能发出声光报警信号，并且能随着浓度的增加报警音量逐渐加大，能及时起到安全防范的作用。

本设计所研究的可燃性气体报警系统包括：气体信号采集电路、调整电路、模数转化电路、单片机系统电路、报警电路组成，首先利用传感器对可可燃气体浓度信号进行监测并且转变成电

压信号，选择合适的放大电路，将电压放大到A/D所要求的电压，经过模数转换，将检测的电压值送入单片机，在单片机内完成与设定的电压信号进行比较，当气体浓度超标时，驱动声音和灯光报警。

2.设计方案简介

2.1家用可燃气泄露报警的概述

可燃气泄漏报警器是非常重要的可燃气安全设备，它是安全使可燃气的不可或缺一道保护。本设计中传感器的选择和单片机是设计的核心，可燃气体报警器的探测可燃气体的传感器主要有氧化物半导体型、催化燃烧型、热线型气体传感器，还有少量的其他类型，如化学电池类传感器。这些传感器都是通过对周围环境中的可燃气体的吸附，在传感器表面产生化学反应或电化学反应，造成传感器的电物理特性的改变、经过单片机处理后实现报警功能。可燃气泄漏报警器由气体传感器探测周围环境中的低浓度可燃气体，通过信号采样电路，将探测信号用模数转化电路转换成单片机可识别的数字量，当可燃气体浓度超过单片机控制设定的值时，控制器通过执行器或执行电路发出声光报警信号。

2.2家用燃气泄露报警研究的目的

可燃气的泄露，给市民的生活带来了不便，严重影响了生命安全，如果采用燃气报警就能得到及时的警钟，有关部门专家经过长期测试，燃气报警器能防止泄露造成的事故发生的有效率达95%以上。面对这种隐形杀手的威胁，因此，无论是从中国企业的发展战略，还是为了维护家家户户一个平安的生活切身利益，都急需探究一款高效稳定的安防产品。

2.3气体传感器的选择

气体传感器是能将被测气体的浓度、类别和成分按一定规律转换成一定关系的电量输出的装置。通过电信号的大小可以获得待测气体的相关信息，从而可以进行检测、监控和报警。它是气—电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量（即浓度）转化为电压或者电流信号，通过A/D转换电路，将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、及报警控制等工作。气体传感器作为气体浓度信号采集部分，是整个设计的核心之一，所以气体传感器选型是首要工作。

2.3.1气体传感器的主要参数和特性

①灵敏度

灵敏度是气敏传感器的一个重要参数，用K表示，它标志着气敏元件对气体的灵敏程度。用K表示，用其阻值变化量△R与气体浓度变化量△P之比表示。

②响应时间

气敏传感器的响应时间是指在工作温度下气敏元件对被测气体的响应速度。从气敏元件与被测气体接触，到气敏元件的阻值达到新的恒定值所需要的响应时间。

③选择性

气敏传感器在相同条件下，接触同一浓度、不同种类气体是，区分气体种类的能力成为选择性，传感器催某种气体的选择性好，就表示传感器对它有较高的的灵敏度。

④稳定性

当检测的气体浓度不变时，气敏元件的输出也应保持不变，单实际情况会受其他条件变化的影响而发生变化，这种在其他条件发生变化时气敏元件输出特性保持不变的能力称为稳定性。

⑤温度特性

气敏元件的特性岁温度变化儿发生变化的特性称为温度特性。元件自身温度对灵敏度的影响相当大，解决这个问题的措施之一就是用温度补偿法。

⑥湿度特性

气敏元件的特性岁环境湿度不同而发生变化的特性称为湿度特性。

⑦电压特性

气敏元件的灵敏度随电压变化的特性称为电源电压特性。

2.3.2气体传感器的选定

根据传感器的主要参数和特性指标以及结合本设计所要求的检测浓度范围，选MC101作为本设计的传感器

MC101型催化元件根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化，该电压变化随气体浓度增大而正比例增大，补偿元件起到参比及温度补偿作用。

①MC101特点

桥路输出电压呈线性

响应速度快

具有良好的重复性、选择性

元件工作稳定、可靠

优异的抗H2S，有机硅中毒能力

②传感器基本测试电路图

图1传感器基本测试电路图

3. 家用可燃气泄露报警装置的硬件部分设计

3.1系统硬件电路总体设计

系统的工作原理是利用可燃气传感器将可燃气浓度变换为mV级模拟电流信号，放大器把信号放大后，通过A/D转换器，变换成数字量送入单片机进行数据分析。对其进行分别处理。MC101催化燃烧式气体传感器主要是对CH4气体浓度进行精密的单项检测。

空气中的气体浓度信号同时进入单片机，单片机对其进行分析，并输出信号到显示器，当检测信号达到限定的预设值时，单片机将输出信号驱动报警，驱动蜂鸣器发出声响，报警LED发光。

可燃气泄漏报警系统结构框图如图2所示，该系统传感器和单片机是两大核心，他们共同配合完成气体信号采集、显示、声音及闪烁报警功能，系统采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，保证报警器的精确性及可靠性，成本低，有利于减少报警器的体积。

使用AT89C51单片机，选用催化式气敏元件MC101作为敏感元件，通过A/D转换器和声光报警电路，设计可用于家用可燃气泄漏报警器，仪器的最基本组成部分包括：气体传感器，模数转化电路，A T89C51单片机，声光报警电路。

传感器将气体浓度信号转化为模拟的电信号。经过放大电路，将传感器的输出端微弱信号转化为A/D转化器能识别的电压信号范围，单片机对该数字信号进行数字处理，并对处理后的数据进行分析，通过与预设值的比较，由单片机实现不同的声光报警功能。

3.2家用可燃气报警器的功能

3.2.1声光报警功能

当传感器检测的气体浓度达到预设值时，蜂鸣器开始报警，声音≥70dB并随着浓度的增加报警音量逐渐加大，同时伴随红灯闪烁，通过有明显变化的信号引起人们的警觉意识。

3.2.1.1单片机的选择

图2可燃气报警系统结构框图

单片机作为可燃气泄漏报警的核心器件，一方面他要接收来自传感器的气体浓度的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对两种信号分别进行处理，控制后续电路的相应工作；同时，查询是否有键按下的命令。在单片机实现的功能中，将模数转换后的信号做数字滤波，在进行线性化处理，这一过程的软件实现，需要单片机有较快的运算速度，使仪表检测人员能够观测到并进行相应处理。同时，在能够满足报警器设计的计算速度及接口数的要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。

3.2.1.2AT89C51单片机

AT89C51是美国ATMEL公司生产的

低电压、高性能CMOS8位单片机，片内

含4KB的可反复擦写的Flash只读程序存

储器和128B的随机存取数据存储器

（RAM），器件采用ATMEL公司的高密

度、非易失性存储技术生产，兼容标准

MSC-51指令系统，片内置通用8位（CPU

和Flash存储单元）功能强大。

图3AT89C51单片机引脚图

3.2.1.3时钟和复位电路

采用内部时钟方式利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接晶振，就构成了自激振荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟电路。外接晶振时，C1和C2的值通常选择30pF左右；C1、C2对频率有微调作用，晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在1.2~12MHz之间选择。本设计选择了6MHz，电容为1uF，为了减小寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装的与单片机引脚XTAL1和XTAL2靠近。

复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。

在整个可燃气报警系统中，要要进行不同的实验，因而系统要先复位，单片机系统在上电运行时，都需要初始化，其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，单片机本身不能进行复位，如果实现此功能必须配合相应的外部复位电路。

单片机的外部复位电路有上电复位和按键均有效的复位两种，我们在涉及单片机复位时选择按键复位。

图4时钟和复位电路图

AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XLAT1和XLAT2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路如图4所示。

外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1，C2接在放大器的反馈电路中并构成并联振荡电路。对外接电容C1，C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐电容使用30 pF±10pF，而如果使用陶瓷谐振器建议选40 pF±10pF。

用户可以采用外部时钟。采用时钟的电路如图4右图所示。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。

由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。

3.2.2外围接口电路的设计

3.2.2.1数据采集单元

可燃气体经过MC101催化燃烧式传感器检测到200~1000ppmCH

将其变成

4

3~15mV电压信号，有放大电路放大300倍，变成0.9~3V电压信号，由于单片机

需要可别的数字信号，所以将放大后的信号传给A/D 转换芯片。

放大电路中放大300倍公式：

由此可得：

图5电源电路电路、信号采集及放大电路

3.2.2.2 ADC0808介绍

ADC0808是一种8位主次逼近式A/D 转换器，其内部结构如图8-3所示，其中包括8路模拟量开关、地址锁存与译码、8位A/D 转换器和三态输出锁存器。多路开关外接8路模拟量输入端，可对8路0~5V 的输入模拟电压信号分时进行转换，输出具有TTL 三态锁存缓冲器，可直接连到单片机数据总线上。

A/D 转换器的电路综合功能如下： （1） 分辨率为8位。

（2） 最大不可调误差小于±1LSB 。

（3） 单一+5V 供电，模拟输入范围为0~5V 。 （4） 具有锁存控制的8路模拟开关。 （5） 可锁存三态输出，输出与TTL 兼容。 （6） 功耗为15mW 。

3

2

1

8

4

U11

LF353

32

1

8

4

U12

LF353

U13

300k

D5

1N4007

D7

1N4007

D8

1N4007

D9

1N4007

C2100nF

C4

100nF

VI 1

VO

3

G N D

2

U1

LM7812CT

1

1

U4:A

2k

U4:B

2k

U4:C

500

U4:D

3k

U10

1k

U11

7k

U12

5k

U4:A

U4:B 470uF U4:C

220uF

U4:D

1000uF

U10

470uF

U11

100nF

U12

100nF

VI

3

VO

1

G N D

2

1

2

01R R u -=4

5

0R R u -

=I

U R R R R U ??

=4

5

1

2

01

（7） 不必进行零点和满度调整。

（8） 转换速率取决于芯片的时钟频率，时钟频率范围为10~1280kHz ，当

时钟为300kHz 时，转换速率为128us 。

3.2.3 A/D 转换主要技术指标

（1）分辨率

A/D 转换器的分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入的模拟电压变化量。

习惯上以输出的二进制位数或BCD 码位数表示。例如，分辨率为12 的A/D 转换器，表示该转换器的输出数据可以用212个二进制数进行量化。如果用百分数来表示，则分辨率为：

（2）量化误差

量化误差是由A/D 转换器的有限分辨率所引起的误差。在布吉其他误差的情况下，一个分辨率有闲的A/D 转换器的阶梯状转移特性曲线与具有无限分辨率的A/D 转换器转换特性曲线（直线）之间的最大偏差，称为量化误差。

（3）转换精度

A/D 转换器的转换精度，反应了一个实际A/D 转换器在量化值上与理想A/D 转换器的差值，可以表示成绝对误差和相对误差。

（4）转换速率

A/D 转换器的转换速率就是能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。而完成一次A/D 转换所需要的时间，则是转换速率的倒数。

3.2.4单片机与ADC0808接口电路

A/D 转换器把0~5V 电压信号转换成8位的二进制数输入单片机，电压信号为0V 时转换器为00000000（00H ），电压信号为5V 时转换器为11111111（FFH ）在设计仿真中电压大于0.9时启动报警电路报警。ADC0808内部带有三态锁存数据输出缓冲器)，可直接与单片机相连。

一个ADC 开始转换时，必须加一个启动转换信号，这一启动信号要由单片机提供。通常用WR 和地址译码器的输出经一定的逻辑电路进行控制。对于电平启

0244

.0%1002

1

12

=?

动型ADC ，当把符合要求的电平加到启动控制端上时，立即开始转换。在转换过程中，必须保持这一电平，否则会终止转换的进行。因此，在这种启动方式下，单片机的控制信号必须经过锁存器保持一段时间，本设计通过D 触发器实现。A/D 转换器电路如下图所示

图7单片机与0808接口电路

3.2.5串口转并口芯片74HC164

74HC164是高速硅门CMOS 器件，与低功耗肖特基性TTL （LSTTL ）器件的引脚兼容。74HC164是8位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出，数据通过两个输入端（DSA 和DSB ）之一串行输入；任意输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接入高电平，一定不要悬空。

图8 74HC164引脚图 时钟（CP ）每次有低变高时，数据右移一位，输入到Q0，Q0是两个数据输入端（DSA 或DSB ）的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。主复位（MR ）输入端上的一个低电平将使其他所有端都无效，同时非同步地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。 3.2.5.1功能

H=HIGH （高）电平

h=先于低-至-高时钟越变一个建立时间（set-up time ）的HIGH （高）电平 L=LOW （低）电平

L=先于低-至-高时钟越变一个建立时间（set-up time ）的LOW （低）电平

D7D6D5D4D3D2D1D0

D3D1D0D2D4D5D6D7XTAL2

18

XTAL1

19

ALE 30EA

31

PSEN 29RST

9

P0.0/AD0

39P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78

P3.0/RXD 10P3.1/TXD 11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD

17

P3.6/WR 16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U4:D

AT89C51

OUT121ADD B 24ADD A 25ADD C 23VREF(+)12VREF(-)16

IN31IN42IN53IN64IN75START 6OUT58EOC 7OE

9

CLOCK 10OUT220OUT714OUT615OUT8

17OUT418OUT319IN228IN127IN026ALE 22

U2

ADC0808

+5v

D 5Q

1

CLK

3

Q

2R

4

S

6

U5:A

74LS90

U7

OR

U8

OR

U1

NOT

U2

NOT

U3

NOT

23456789

1V C C

Q=小写字母代表先于低-至-高时钟越变一个建立时间的参考输入（referenced input）的状态

↑=低-至-高时钟越变

3.2.6数码管显示

本设计的显示电路是由LED八段数码管实现的，为了可以更加精确的实现所测可可燃气浓度，此显示电路采用由四个数码管组成的动态显示电路。本次设计利用74HC164反相器作为数码管的段驱动电路，7407反相器作为为驱动电路。

3.2.7声音灯光报警电路

声光报警电路如图所示10。报警装置采用蜂鸣器较一般的蜂鸣器体积大，声音响亮，对于家用可燃气报警器非常实用，能够有效的引起人们的警觉意识，单片机AT89C51通过8个引脚（P1.0~P1.7）驱动DAC0808达到控制二极管导通，蜂鸣器报警。

红灯不亮表示正常状态，表示环境中的可可燃气浓度处于极低状态，当气体传感器检测的浓度信号达到所限定值的要求时，红灯开始闪亮，提醒用户尽快采取安全方法措施。

当可可燃气浓度超过报警所要求的预设值时，报警器发出声音，红灯闪亮，

并且随着可燃气浓度的增加灯光闪亮频率加快，用户能及时撤离现场。

图10声音灯光报警电路

3.3总电路设计

应设计要求，本设计通过AT89C51单片机实现，AT89C51单片机的主控电路包括：时钟电路、复位电路。

传感器在本设计中实现了把非电量的气体浓度信号转换成电压信号，21世纪，电子技术更新换代非常快，随着电子计算机技术的飞速发展，只能检测，自动控制彰显出了它的优势，通常接触的设备只能解决电信号，所以，需要将被测非电量的信号由传感器转换成电信号。本设计气体浓度信号采集是首要任务，传感器也就在自动控制担任首要的角色，如果传感器不能精确的对原始信号进行采集和转换，所有的自动检测和自动控制系统也就失去了它的意义，传感器的发展关乎着现代科学技术发展的命脉，所以要慎重的选用传感器，本设计中，我们选择的MC101型气体传感器接在放大器的输入接口。

将单片机与外围接口电路，AT89C51与74HC164芯片相连的串口转并口数码管显示电路、AT89C51与ADC0808实现A/D转换的电路、AT89C51与声光报警电

路。就得到了以AT89C51为核心的气体报警电路总电路图。

当气体浓度达到200ppm时，催化式气体传感器产生模拟电压，ADC0808将传感器产生的模拟信号，转化成AT89C51单片机所能识别的数字量电压量，由AT89C51单片机控制驱动声光报警电路。

综上所述，总电路图如图所示：

图11可燃气报警系统总电路图

4可燃气泄漏报警系统的软件部分设计

4.1主程序设计

4.1.1主程序设计流程图

主程序流程图如图所示，系统先进行初始化，数据采集的功能：传感器采集

气体浓度信号，信号经放大电路，经过A/D转换成AT89C51单片机可识别的数字量。

在单片机内部实现将浓度值与预先设定好的报警值比较，判断是否报警，分200ppm，1000ppm两个浓度等级报警，完善报警功能，使用户更加便利。

图12 主程序流程图

4.1.2主程序的编程

#include

#include

#define MIN 46 //200ppm对应的数字量

#define MAX 225 //1000ppm对应的数字量sbit V0=P2^0;

sbit V1=P2^1;

sbit V2=P2^2;

sbit V3=P2^3;

sbit START=P3^6;

sbit EOC=P3^2;

sbit ALE=P2^7;

sbit OE=P3^7;

int A1,A2,A3,A4;

float x,y,v;

void delays(int a); //延时程序

{

while(a--);

}

float get_ADC0808() //计算ADC输入电压

{

int getdata;

ALE=1;

START=1;

ALE=0;

START=0;

delays(10);

ALE=1;

START=1;

While(EOC!=0);

OE=0;

delays(10);

OE=1;

getdata=P0;

v=5/255*getdata;