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。