气体泄漏报警装置设计讲解

信息工程学院本科生课程设计报告课程名称：电子综合设计

设计题目：气体泄漏报警装置设计

系别：计算机与电子工程系

专业 (方向)：电子信息工程

年级、班：

学生姓名：

学号：

指导教师：

2014 年12 月20 日

气体泄漏报警装置设计

一、【设计目的】

运用所学单片机及现代测控技术知识，设计一个厨房可燃性气体

泄漏情况的检测报警装置，当厨房中天然气（CH 4）或液化石油气（H C 104）浓度大于某个数值（例1000ppm ）时，用蜂鸣器报警并发出控制信号，启动抽油烟机。

二、【产品性能指标】 （1）分辨率：8位；

（2）总的不可调误差：ADC0808为±2LSB,ADC 0809为±1LSB ； （3）转换时间：取决于芯片时钟频率，如CLK=500kHz 时，TCONV=128μs ； （4）单一电源:+5V ；

（5）模拟输入电压范围： 单极性0～5V ；双极性±5V ,±10V(需外加一定电路)；

（6）具有可控三态输出缓存器；

（7）启动转换控制为脉冲式(正脉冲)，上升沿使所有内部寄存器清零，下降沿使A/D 转换开始；

（8）使用时不需进行零点和满刻度调节。

三、【设计的原理】 1、系统框图

图1 系统框图

如图1所示通过QM-2采集可燃性气体浓度，经ADC0808模数转换把数据传输给单片机AT89C51，单片机通过对ADC0808转换来的数据进行处理，当可燃性气体弄到达到设定为报警浓度时，单片机将驱动报警电路，开启蜂鸣器报警，同时驱动排气电路，开启抽油烟机进行排气，单片机通过实时检测，当浓度降至报警浓度一下，单片机发出信号关闭蜂鸣器和抽油烟机。

2、各模块工作原理的分析与介绍

2.1 气体浓度检测模块

图2 模拟气体浓度检测图

由于在protues中没有QM-2及QM系列气体传感器，所以我们只能用别的器件代替，因为气体浓度传感器QM-2是通过电阻的变化实现对气体感应做出反应，所以我们用一个电位器代替，如图2。

2.2 A/D模数转换模块

图3 ADC0808A/D模数转换图

因为单片机只能处理数字信号，我们不能直接让单片机处理模拟信号，所以我们要把气体传感器采集来的信号，通过模数转换后才能传给单片机，让单片机处理。这里我们用的是ADC0808，ADC0808有8个输入通道，这里我们只用了一个IN0，ADC0808通过IN0接收电位器信号，并把信号转换为数字信号从OUT口输出给单片机。如图3.

2.3 报警电路模块

图4 报警电路图

如图4 为当检测到的可燃性气体浓度高于设定的报警浓度时，系统通过软件响应P3.5驱动报警电路，直到浓度低于设定的报警浓度为止。

2.4 排气模块

图5 模拟排气模块图

图5是一个模拟排气模块，这里我们用一个马达代替了抽油烟机，同样的当单片机检测到的可燃性气体浓度大于了设定的报警浓度时，单片机通过响应P2.7口驱动马达进行排气动作，直到可燃性气体浓度低于这个报警浓度时，单片机又会响应P2.7口，给一个高电平关闭马达，停止排气。

3、系统软件设计

3.1 总体设计思想

总体思路是首先定义相关的硬件接口，然后进行初始化，包括AD控制端和定时器的初始化。初始化后开始无限循环，以保证24小时全天候的检测甲烷的浓度，及时发现险情并报警。无限循环中将依次调用AD转换函数、比较判断函数、声音报警函数和显示报警函数。图6为软件主函数流程图。

图6 主函数流程图

根据软件设计的基本要求,采取了如下的措施:

1.程序模块化（软件设计中包含有：主程序模块、显示模块、A/D 数据转换子模块、声报警模块、数据转换模块、中断处理模块等)。

2.软件设计采用C51汇编语言，可以保证数据计算的精度。

以下就对一些主要模块进行详细的阐述。

3.2 软件模块设计

3.2.1 主程序模块

主程序运行流程图如图7所示。由主程序流程图可以看出，软件要实现的主要功能是实现对传感器信号的数据采集，然后进行数据的计算、分析、送数码管进行显示。程序开始时，先关闭中断，对系统

进行初始化，包括单片机的各寄存器、RAM、定时器装载初值、中断设置及各模块初始化等。完成初始化后，数码管显示参数为零，单片机等待传感器传入信号及AD转换结束，从而完成当前监测参数的正确显示。

图7 主程序流程图

3.2.2 AD转换模块

由于定电位电解式气体传感器工作响应时间为10-20秒左右，故进行模数转换前设置AD等待25秒，以保证传感器响应完成并使所测数据准确。

本设计所用的芯片为ADC0808，根据所需的要求，AD的工作流程如图8所示，首先AD先等待25秒以使得传感器完全响应完毕，然后AD开始工作，当转换完成后向单片机发出一个中断信号告诉单片机可以读取数据，单片机响应中断，从PB口读取转换完毕后的8位二进制数据，再进一步进行处理。对气体传感器分段选择多个测试点尽享精确测试。

系统上电后，对单片机、ADC0808进行初始化，开单片机总中断，外部中断0，AD转换结束后，进入中断子程序读取转换结果存

放在全局变量中，然后进行数据分析、计算与处理，以便以后单片机进行数据LCD的显示处理。

图8 AD 转换流程图

3.2.3比较判断函数

如图9比较判断函数是将AD转换得到的数据与门限值比较，根据比较结果设置报警数组的对应位。

图9 时钟程序流程图

3.2.4 显示报警函数

如图10显示报警函数根据报警数组控制相应数码管显示报警传感器号码。

图10 显示报警函数流

3.2.5 液晶显示模块

本设计所用的显示器件为四位数码管，满足显示要求。数码管与单片机是并口通信，由单片机的P3.3、P3.4、P3.5引脚来控制数据命令功能，单片机P2口传输数据到数码管进行显示。工作流程如图11。

图11 液晶显示模块工作流程图

3.2.6 声光报警模块

声音报警采用的是蜂鸣器，光报警是通过6个发光二极管来显示，3个绿色和三个红色的，当毒气含量没超标时显示绿色，超标时显示红色并启动蜂鸣器，报警子程序执行之前，设定的报警阈值存放在两个变量中，传感器输入AD转换值后，调用比较程序，小于阈值则执行显示程序，若大于阈值进行声光报警。图12是声光报警流程图。

图12声光报警流程图

四、【仿真与仿真结果分析】

4.1仿真软件简介

Proteus软件由ISIS和ARES两部分构成，其中ISIS是一款便捷的电子系统原理设计和仿真平台软件，ARES是一款高级的PCB布线编辑软件。

Proteus具有和其他EDA工具一样的原理图编辑、印刷电路板(PCB)设计及电路仿真功能，最大的特色是其电路仿真的交互化和可视化，通过Proteus软件的VSM(虚拟仿真模式)，用户可以对模拟电路、数字电路、模数混合电路、单片机及外围元器件等电子线路进行系统仿真。13图即为Proteus的工作窗口。

图13 Proteus的工作窗口

4.2仿真测试

对系统电路进行绘图仿真，主要测试一下几点：

（1）无可然气体泄漏时系统工作是否正常；

（2）可燃气体超标是系统工作是否正常。

图14 低于设定报警浓度时的仿真

在此设计中，我们把“报警浓度”设为了3.3，图14浓度为2.55低于设定的报警浓度，没有达到报警跟排气的要求，所以从图中可以看出，马达跟蜂鸣器都没有工作。

图15 高于设定报警浓度时的仿真

从图15中可以看出来，马达跟蜂鸣器都已经开启了，再看此时

的浓度为4.40，大于设定的报警浓度，所以单片机驱动了报警电路和排气模块。

五、【元器件清单】

如下表1为本实验所需元器件清单。

表1 元器件清单

六、【总结及改进思路】

通过此次设计，了解进行一项相对比较大型的科技设计所必不可少的几个阶段。课程能够从理论设计和工程实践相结合、巩固基础知识与培养创新意识相结合、个人作用和集体协作相结合等方面全面的

培养学生的全面素质。我经过这次系统的课程设计，熟悉了对一项课题进行研究、设计和实验的详细过程。这些在我们在将来的工作和学习当中都会有很大的帮助。

同时学会了怎样查阅资料和利用工具书。平时课堂上所学习的知识大多比较陈旧，作为电子类专业的学生，由于专业特点自己更要积极查阅当前的最新电子资料。当你在设计过程中需要用一些不曾学过的东西时，就要去有针对性地查找资料，然后加以吸收利用，以提高自己的应用能力，而且还能增长自己见识，补充最新的专业知识。

其次对硬件知识有了一个系统的掌握与提高；这些都极大的提高我的动手能力和实践能力。加深了对课本知识的认识理解，对电路设计方法和实际电路连接也有了一定的初步认识。也对数字电子技术有了更深的认识，同时在此次设计中也出现了许多的问题，比如对编程软件和仿真软件的使用，同时对于专业知识的理解不够透彻，需要进一步加强学习。

在此次实验中没有加入手动的设计，由于能力和时间的关系，在这次实验中没能完成，不过已经有了初步的想法，在今后希望通过自己的努力能更加完善这次实验。