煤气泄漏检测报警装置设计

课程设计报告

单片机课程设计

专业电气工程及其自动化班级

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指导教师

2015年12 月

课程名称：指导教师（签名）：班级：姓名：学号：

指导教师评语及成绩

指导教师签字：

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第一章绪论 (5)

1.1、课题研究的背景 (5)

1.2煤气泄露检测报警装置意义 (6)

第二章煤气泄漏检测报警系统的方案设计 (7)

2.1设计要求 (7)

2.2方案的选择 (7)

2.3 一氧化碳报警器系统的三大部分 (9)

第三章硬件电路设计 (11)

3.1 传感器部分电路设计 (11)

3.2报警电路的设计 (17)

3.3 模数转换部分电路设计 (17)

第四章软件设计 (21)

4.1 单片机编程 (21)

4.2 汇编语言概况 (21)

4.3 源程序 (24)

第一章绪论

1.1、课题研究的背景

人的生存离不开空气，人的一生大约有80%的时间是在室内度过的，室内环境质量的好坏影响着人们的身心健康。室内的有害气体来源有来自装修不当造成的甲醛、氨气、氡气、苯、放射性物质的释放，而这些气体在装修时加以注意，完全可以减少其排放量，从而不至于影响人的健康状况。室内存在的有害气体的另一主要来源为可燃性气体的泄漏，主要可分为天然气泄漏、液化气泄漏和煤气泄漏。

煤气泄漏的主要成分是一氧化碳与氢气，一氧化碳中毒原因是一氧化碳进入人体后会和血液中的血红蛋白结合，从而出现缺氧。常见于家庭居室内通风差得情况下，煤炉产生的煤气或液化气管道泄漏气中的一氧化碳吸入会导致一氧化碳中毒。

液化气泄漏危害也不易小视，液化石油气是石油产品之一。是由炼厂气或天然气(包括油田伴生气)加压、降温、液化得到的一种无色、挥发性气体。由炼厂气所得的液化石油气，主要成分为丙烷、丙烯、丁烷、丁烯，同时含有少量戊烷、戊烯和微量硫化合物杂质。由天然气所得的液化气的成分基本不含烯烃。液化石油气主要用作石油化工原料，用于烃类裂解制乙烯或蒸气转化制合成气，可作为工业、民用、内燃机燃料。其主要质量控制指标为蒸发残余物和硫含量等，有时也控制烯烃含量。液化石油气是一种易燃物质，空气中含量达到一定浓度范围时，遇明火即爆炸。

天然气主要成分是烷烃，其中甲烷含量在95%以上。人所赖以生存的空气中有大约20%的氧气，如果人的生活空间是封闭空间，氧气稀薄，人会因氧气不足，导致窒息、昏迷，有心脑血管疾病的人将会危及生命。室内天然气泄漏会使室内空气中的氧气相对稀薄，由于天然气是无色无味，人很难察觉到，尤其当人处于睡眠状态时，天然气的泄漏就更加危险，甚至会使人窒息。天然气的另一危险是当空气中的天然气含量达到一定含量时，遇到明火就会产生爆炸，危及人的生命。

1.2煤气泄露检测报警装置意义

（1）成本低廉并能对一氧化碳准确报警。

（2）该产品不需专业人员操作，只要放在合适位置，通电即可，连续使用方便，操作简单。

（3）能起到预防一氧化碳中毒的效果，使人们安全放心的工作。

（4）出现一氧化碳漏或者着火时，报警器能够立即鸣笛报警，告之工作人员及时采取措施。

人们面对可燃性气体泄漏而危及生命，可燃气体泄漏报警器是对付燃气泄漏的重要预防手段之一。为防止中毒事件发生，现提出利用单片机系统进行有效的预防措施。所以怎样预防燃气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要。基于此现实，本设计宗旨是为家庭用户设计一种能够对天然气，液化气和、煤气泄漏的装置，从于减少不必要的事故，进于保证人民的生命健康，减少不必要的损失。

第二章煤气泄漏检测报警系统的方案设计

2.1设计要求

报警器需在一氧化碳浓度达到100ppm时启动报警。

具体实现如下功能：

（1）系统要求设置正常工作状态除正常工作状态外,LED红灯处于熄灭状态，蜂鸣器处于关闭状态。

（2）在正常工作状态下，绿灯应长亮。当室内一氧化碳浓度达到100ppm时系统应启动蜂鸣器报警，红灯闪烁。

设计思路：采用单个传感器检测气体浓度，将检测结果通过高精度运算放大器放大后送入模/数转换芯片中进行转换，传给单片机进行数据处理。处理后的信息将通过单片机控制，驱动报警。

2.2方案的选择

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。

（1）初始设计以设计思路展开研究：

根据该设计要实现的基本功能，设计大概应该分为信号接收，信号处理，信号控制和信号响应四个部分。

a.信号采集接收部分即通过检测一氧化碳气体浓度，并将这种变化量转换成电压或者电流等模拟量的变化

b.信号处理部分是将接收部分得到的电压或电流等变化进行必要放大，为后一部分信号控制提供准备。

c.信号控制部分是通过预定控制方式等实现对设计要求的准确操作。

d.信号响应是通过事故处理部分和显示部分实现控制部分的要求。

（2）对上述四个部分进行分析，得到如下一些基本的结论：

a.信号接收部分为了能准且采集到气体浓度的变化应选用传感器敏感器件，为使其有效部分的检测房间中气体浓度，必须选用高温一氧化碳传感器。

b.信号处理部分应该根据实际情况选用电荷放大，或比较器等装置，这部分电路将包含在传感器接口电路中。

c.控制部分为了实现精确控制，采用单片机较为合适。

d.信号响应及报警部分，用蜂鸣器和LED灯即可。

根据对上面设计系统的分析，我们得到该设计思想框图如下图2.1所示：

图2.1 设计思想框图

（3）方案确定

经过分析采用初始方案设计，即用单个传感器检测一氧化碳气体浓度，将检测到的浓度结果通过运算放大器放大后送入模/数芯片ADC0809中进行模—数转换，传入单片机中，由AT89C51单片机处理数据，并利用单片机控制报警器进行声音报警。

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。

2.3 一氧化碳报警器系统的三大部分

整个报警器由三个部分组成，分为三大模块：浓度检测模块、主控模块和报警模块。

在本次设计中，使用的核心器件是单片机和一氧化碳传感器。为了保重整个系统可靠的运行，设计中必须明确三大部分的实际联系：以单片机为中心，其他各大模块一一展开。其中，浓度检测及显示模块所实现的功能是将房间中的一氧化碳浓度值转换成为单片机能够处理的数字信号，并且浓度值显示出来：主控模块以单片机为主，对其他模块的运

行进行控制；报警模块是此系统的外部电路，它的功能是实现报警。系统框图如图2.3所示。

下面就对各个模块的功能和实现形式做简单介绍

（1）气体浓度检测模块

一氧化碳报警器主要采用高稳定一氧化碳气体传感器MQ-7检测房间气体浓度，检测结果通过高精度运算放大器放大后送入模/数转换芯片ADC0809中进行转换。

（2）主控模块

系统采用单片机控制，用的是AT89C51单片机，AT89C51单片机是美国Intel公司推出的一种4K字节可编程FLASH存储器，低电压、高性能CMOS 8位微处理器。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次，数据可保留10年。它的主要功能既是和ADC0809芯片一起共同接受检测信号，又可以通过对数字型号的处理来控制外围电路以及显示电路。模数转换芯片采用ADC0809，接收经过运算放大器处理后的一氧化碳传感器的检测值，检测结果通过ADC0809处理后才传给单片机进行数据处理。处理后的信息将通过单片机控制，以驱动报警。

（3）报警模块

此模块主要有蜂鸣器、LED灯组成，在气体浓度过大，超过安全值时，蜂鸣器工作，提供报警服务。

至此，本系统的三大模块功能和设计思路已经确立，下文将介绍整个系统的详细设计过程。并且给出设计电路。

第三章硬件电路设计

3.1 传感器部分电路设计

（1）传感器的定义

人们通常将能把非电量转换成电量的器件称为传感器，传感器实质是一种功能模块，起作用是将来之外界的各种信号转换成电信号：它是实现测试与自动控制系统的首要环节。

（2）传感器的作用

传感器是又称之为电五官，是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。

（3）传感器的组成

传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路三部分组成有时还加上辅助电源。通常可用方框图表示，如下图3.4所示：

敏感元件——直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他量的元件。

传感元件——又称变换器，传感元件可以直接感受被测量而输出与被测量成确定关系的电量，也可以不直接感受被测量，而只感受与被测量成确定关系的其他非电量。

测量电路——能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路。使用较多的是电桥电路，也是用其他特殊电路，如高阻抗输入电路、脉冲调宽电路、维持震荡的激振电路等。由于传感元件的输出信号一般比较小，为了便于与显示和记录，大多数测量电路还包括了放大器。

（4）传感器的分类

1).半导气体传感器

这种类型的传感器在气体传感器中约占60%，根据其机理分为电导型和非电导型，电导型中又分为表面型和容积控制型.

2).固体电解质气体传感器

固体电解质气体传感器固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料做气敏元件。其原理是气敏材料在通过气体时产生离子，从而形

成电动势，测量电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，仅次于金属氧化物半导体气体传感器。如测量H2S的YST-Au-WO3、测量NH3的NH+4CaCO3等。开发新的气体传感器，特别是开发和完善智能气体传感系统，使之可以在气体泄漏事故中起到报警、检测、识别、智能决策等方面的作用。大大提高气体泄漏事故处置的工作效率和安全性，对于控制事故损失具有重要的作用。

3).接触烧式气体传感器

接触燃烧式气体传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式两种。其工作原理是：气敏材料在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧，产生的热量使电热丝升温，从而使其电阻值发生变化，测量电阻变化从而测量气体浓度。这种传感器只能测量可燃气体，对不燃性气体不敏感。例如，在Pt丝上涂敷活性催化剂Rh和Pd 等制成的传感器，具有广谱特性，即可以检测各种可燃气体。接触燃烧式气体传感器在环境温度下非常稳定，并能对爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测，普遍应用于石油化工厂、造船厂、矿井隧道、浴室、厨房等处的可燃性气体的监测和报警。

4).高分子气体传感器

国外在高分子气敏材料的研究和开发上有了很大的进展，高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合等特点，在毒性气体和食品鲜度等

方面的检测具有重要作用。高分子气体传感器根据气敏特性主要可分为下列几种：

a.高分子电阻式气体传感器

该类传感器是通过测量高分子气敏材料的电阻来测量气体的体积分数，目前的材料主要有欧菁聚合物、LB膜、聚毗咯等。其主要优点是制作工艺简单、成本低廉。但这种气体传感器要通过电聚合过程来激活，这既耗费时间，又会引起各批次产品之间的性能差异。

b.浓差电池式气体传感器

浓差电池式气体传感器的工作原理是：气敏材料吸收气体时形成浓差电池，测量输出的电动势就可测量气体体积分数，目前主要有聚乙烯醇-磷酸等材料。

c.声表面波(SAW)式气体传感器

SAW气体传感器制作在压电材料的衬底上，一端的表面为输入传感器，另一端为输出传感器。两者之间的区域淀积了能吸附VOC的聚合物膜。被吸附的分子增加了传感器的质量，使得声波在材料表面上的传播速度或频率发生变化，通过测量声波的速度或频率来测量气体体积分数。主要气敏材料有聚异丁烯、氟聚多元醇等，用来测量苯乙烯和甲苯等有机蒸汽。其优势在于选择性高、灵敏度高、在很宽的温度范围内稳定、对湿度响应低和良好的可重复性。SAW传感器输出为准数字信号，因此可简便地与微处理器接口。此外，SAW传感器采用半导体平面工艺，易于将敏感器与相配的电子器件结合在一起，实现微型化、集成化，从而降低测量成本。

5).电化学传感器

电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。典型的电化学传感器由传感电极（或工作电极）和反电极组成，并由一个薄电解层隔开。气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，然后是憎水屏障，最终到达电极表面。采用这种方法可以允许适量气体与传感电极发生反应，以形成充分的电信号，同时防止电解质漏出传感器。穿过屏障扩散的气体与传感电极发生反应，传感电极可以采用氧化机理或还原机理。这些反应由针对被测气体而设计的电极材料进行催化。通过电极间连接的电阻器，与被测气浓度成正比的电流会在正极与负极间流动。测量该电流即可确定气体浓度。由于该过程中会产生电流，电化学传感器又常被称为电流气体传感器或微型燃料电池。

6).热传导传感器

热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。它的测量原理是：将加热后的铂电阻线圈置于目标烟雾中，由于向目标气体传送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻值的变化情况。温度的变化情况是目标气体热传导率的函数，而对于一种给定的气体，热传导率是它固有的物理特性。

7).红外传感器

利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。红外线传感器测

量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。

红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。

红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，可以发现温度异常的部位，及时对疾病进行诊断治疗（见热像仪）；利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视，可实现大范围的天气预报；采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机的过热情况等。

(6)传感器与ADC0809的连接

检测数据从IN0口输入，转换完毕送给单片机P1口供单片机进行数据处理。

连接电路图如图3.6：

图3.6 传感器与ADC0809连接电路

3.2报警电路的设计

报警电路采用了蜂鸣器以及发光二极管。在设计中，单片机的

P2.0,P2.1,P2.2分别控制灯以及蜂鸣器，通过编程让传感器的数据和给定值进行比较。如果大于则报警，即蜂鸣器鸣叫，发光二极管闪烁。如图3.7所示：

图3.7 报警器电路图

3.3 模数转换部分电路设计

模数转换部分采用ADC0809芯片。ADC0809是M美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。

（1）主要特性

1）8路输入通道，8位A／D转换器，即分辨率为8位。

2）具有转换起停控制端。

3）转换时间为100μs(时钟为640kHz时)，130μs（时钟为500kHz 时）

4）单个＋5V电源供电

5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。

6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度

7）低功耗，约15mW。

（2）内部结构

ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，内部结构如图13．22所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近。

（3）外部特性（引脚功能）

ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图13．23所示。下面说明各引脚功能。

IN0～IN7：8路模拟量输入端。

2-1～2-8：8位数字量输出端。

ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

START：A／D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns 宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。

EOC：A／D转换结束信号，输出，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。

REF（+）、REF（-）：基准电压。

VCC：电源，单一＋5V。

GND：地。

其内部结构及引脚图如图3.2所示

图3.2 ADC0809内部图及引脚图

（4）ADC0809的工作过程

首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

转换数据的传送A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认

完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式：

1).定时传送方式

对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。

2).查询方式

A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC 端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。

3).中断方式

把表明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。不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。

（5）ADC0809与单片机连接方式如图3.3：