基于单片机的煤气泄漏及报警系统的设计

本科毕业论文(设计) 题目：基于单片机的煤气泄漏及报警系统的设计

学院：物理与电子科学学院

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基于单片机的煤气泄漏及报警系统的设计

摘要：随着社会的进步和发展，人们的生活水平也在不断提高，煤气作为一种必不可少的能源出现在了人们的日常生活中。煤气给人们生活带来方便的同时，也带来了一定的困扰。煤气泄漏，煤气中毒，煤气罐爆炸等恶性事件时有发生。所以，为了避免这类事件的发生，作为一种预防的手段，监测空气中煤气的浓度很有必要。所以利用单片机和传感器技术设计一种可以自动监测空气中煤气浓度达到一定值时报警的系统。

关键词：煤气浓度检测传感器单片机

目录

前言 (1)

1系统设计的背景和目的 (2)

1.1系统设计背景 (2)

1.2系统设计目的 (2)

2 系统结构组成和原理 (2)

2.1系统结构 (2)

2.2系统原理 (3)

3 相关器件以及技术的介绍 (3)

3.1单片机介绍 (3)

3.2气敏传感器介绍 (4)

3.3A/D转换 (4)

3.4煤气中毒 (5)

4系统硬件设计 (5)

4.1单片机工作条件 (5)

4.2信号采集和放大电路 (5)

4.3数码管显示电路 (6)

4.4A/D转换电路 (7)

4.5声音报警电路 (7)

5 系统软件设计 (7)

6 系统调试与实现 (8)

参考文献 (12)

前言

随着社会的进步和发展，人们的生活水平也在不断提高。近年来，煤气以罐装和管道的形式进入了寻常百姓人家，但是，由于使用和设备方面的问题，导致煤气引发的恶性事件时有发生。

城区居民使用管道煤气，管道中一氧化碳浓度为25%至30%，如果管道漏气、开关不紧煤气大量溢出，可造成中毒，严重者甚至引起起火爆炸。2009年3月17日，长春市南湖新村中街发生燃气泄漏事故，4人一氧化碳中毒，其中两人住院治疗，18岁的高中生小明（化名）不幸身亡。2009年12月4日上午7时45分左右，上海市公安局110接报，虹口区西安路一栋三层老式公房发生居民煤气中毒事故，上海市公安局、卫生、建设交通等有关部门以及虹口区立即启动应急抢险预案、赶赴现场进行抢险，现场发现25人煤气中毒，已分别送医院救治。2009年9月18日强盛铁合金临时停产检修，要检修东烧结阀盖密封箱体盖板等。10时许高炉休风，16时25分后高炉复风，此时烧结平台下阀盖密封箱体内进行焊接作业的3人中毒，1人焊好盖板爬出人孔时中毒，平台上配合检修者立即去关煤气阀门，将阀门关闭后自己即晕倒在阀门平台区。此次，造成4人死亡，1人轻微中毒。这类事故时有发生，所以，煤气的安全问题成为一个受人关注的社会话题。为了避免这类事件的发生，作为一种防御的手段，监测空气中煤气的浓度很有必要。

本设计基于单片机和气体传感器的技术，是一种智能煤气监控系统，可以对煤气进行实时的检测、监控。当煤气发生泄漏，室内气体的浓度达到预先设定的限定值时本系统可以及时报警，并关闭煤气阀门，从而有效的避免了恶性事故的发生。

1系统设计的背景和目的

1.1系统设计背景

在20世纪的主要成就中，就有集成电路和电子计算机的发展。在20世纪70年代出现了微型计算机，70年代中期微型计算机又分支出来一个小小的派系——单片机。继4位单片机的出现，又出现了8位单片机。MCS-48系列，尤其是MCS-51系列单片机的出现，确立了单片机作为微控制器（MCU）地位。在品种众多的单片机中，MCS-51系列单片机是单片机中的主流机型，其结构完整、特殊功能寄存器规范，指令系统的控制功能。单片机的应用非常广泛，在家用电器领域，办公自动化领域，商业营销领域，工业自动化，智能仪表与集成智能传感器系统的控制电路，汽车电子与航空航天电子系统等方面都有应用。

随着现代科学技术发展，传感器与测试技术也有了迅猛的发展，广泛应用于人类的社会研究和生产中，并起着越来越重要的作用。随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等方面的发展，将敏感器件与其信号处理电路制作在一块芯片上，可以实现传感器的集成化和微型化。目前，传感器与计算机的紧密结合，使传感器不仅具有信号检测的功能，还有记忆、存储、自诊断、自校准、自适应等功能，从而实现了传感器的智能化。

1.2 系统设计目的

伴随着人民生活水平的提高，煤气的使用已经平民化，而煤气的使用也带来了一系列问题，正确安全的使用煤气很有必要。虽然人们对于煤气泄漏有一定的防范意识，但是恶性事件时有发生生，给人民生命和财产带来个巨大的损失。经过调查发现，一氧化碳报警器可以有效地降低事故的发生率。而计算机的普及使人们对生活的要求变得更高，所以智能化、人性化成为现代人对生活水平的追求。

所以设计出一个可以智能监控煤气浓度的系统，可以给人民生活带来方便和安全。本系统的特点：

（1）结构电路相对简单，价格便宜；

（2）智能系统，实时检测，监控，并及时报警；

（3）安全可靠。

本设计使用MCS-51单片机可以达到题目的设计要求，可以准确采样煤气浓度。而且该系列单片机是主流机型，容易学习和操作，性能也相对较好。

2 系统结构组成和原理

2.1 系统结构

系统采用单片机作为核心控制，气敏传感器作为信息提取部件。主要包括：气体检测及放大整形电路、声光报警电路、数码管显示、及复位电路。 2.2 系统原理

气敏传感器实时监测煤气浓度信号，输出量为模拟信号，浓度信号经A/D 转换送入单片机，单片机对信号进行处理送入显示电路，实时显示煤气浓度，当煤气浓度超出限定值，实现声光报警。

r

图 1 基于单片机的实现

监控系统的工作原理是利用半导体气敏传感器将煤气浓度变换为模拟电压信号，此电压信号经放大后送到A/D 转换器，变换成数字量送入单片机进行数据分析，数据处理后送入显示电路显示煤气浓度信息。当煤气浓度达到限定值，输出数字信号驱动声光报警。 3 相关器件以及技术的介绍 3.1 单片机介绍

随着大规模集成电路技术的发展，可以将CPU 、RAM 、ROM 、定时器/计数器以及输入/输出（I/O ）接口电路等计算机的主要部件集成在一块集成电路芯片上。这样组成的芯片级的微型计算机直译为“单片机”。单片机的应用领域有：家用电器领域，办公自动化领域，商业营销领域，工业自动化，只能仪表与集成智能传感器传统的控制电路，汽车电子与航空航天电子系统等领域。单片机在结构上突破了常规的按逻辑功能划分芯片、由多片构成微型计算机的设计思想，将构成计算机的许多功能集成在一块晶体芯片上。在众多的单片机中又以80C51的结构具

传感器

放大器

串口 A/D

晶振

8 0 5 1

显示

声响

其他

有显著特点，由于80C51系列单片机机器兼容机所具有的的一系列优点获得了广泛应用，被多家单片机厂家选作内核，所以成为了事实上的主流机型。

80C51采用了CMOS技术技术制造而成，集成度高，速度快，功耗低，可以常规编程，也可以在线编程。本设计采用AT80C51如图2所示

图2 AT89C51

3.2 气敏传感器介绍

传感器广泛应用于人类的社会生产和科学实验中，起着越来越重要的作用。成为国民经济发展和社会进步的一项必不可少的重要技术。传感器的工作原理是基于各种效应和定律，以半导体材料、陶瓷材料、和有机材料为代表为代表的新型敏感材料应用于传感器件中，不仅使可测量的参量增多，使力、热、光、磁、温度、气体、离子等方面的一些参量的测量成为现实，同时也使集成化、小型化和高性能传感器的出现成为可能。目前，传感器与计算机的紧密结合，使传感器不仅具有信号检测功能，同时还具有记忆、存储、自诊断、自校准、自适应等功能，从而实现了传感器的智能化。

传感器的种类繁多，往往同一种被测量可以用不同类型的传感器来测量，而同一原理的传感器又可测量多种物理量，因此传感器有很多。根据测量对象，本设计采用气敏传感器，它是一种将检查到的气体成分和浓度转换为点信号的传感器本设计使用的气敏传感器可以将与煤气浓度有关的信息，转换为电信号。

3.3 A/D转换

信号是反应消息的物理量，信号是消息的表现形式，由于非电的物理量可以通过各种传感器较容易的转换成电信号，而电信号又容易传输和控制。将模拟信

号转换成数字信号的电路称为模数转换器，简称A/D 转换器。本设计是检测空气中的煤气浓度，而模拟信号不能直接送往单片机进行处理，所以必须进行A/D 转换.

3.4 煤气中毒

煤气中含有一氧化碳，一氧化碳无色无味，常在意外情况下，特别是在睡眠中不知不觉侵入呼吸道，通过肺泡的气体交换，进入血液中形成碳氧血红蛋白，并散布全身，造成中毒。空气中一氧化碳浓度达到0.02%，人体就会出现中毒症状,如头晕、头痛、恶心，无力等，严重者甚至死亡。 4系统硬件设计 4.1单片机工作条件

AT89C51单片机工作条件接线图如图3所示：

4

3

2

P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.2/N T113P3.1/IN T 012P3.3/T 014P3.4/T 115E A/V P 31X 119X 218R ES ET 9P3.6WR 16P3.7RD P0.732P0.633P0.5

34P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039P2.0

21

P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSE N 29A LE /P 30P3.0/T XD 11R XD 10G ND 20

V CC 40

A T89C 51

12M HZ C 130pF

C 230pF

C 310uF

R 11470R 1210K

S

+5V

图 3 单片机工作条件接线图

4.2信号采集和放大电路

传感器输出来的信号Vi 经过运算放大器LM324的同相输入端，但是为了保证引入的是负反馈，输出端电压Vo 通R4接到反相输入端，同时，反相输入端通过电阻R3接到参考电压V 。信号采集和放大电路如图4所示：

1

2

3

3

21Ti t le

N u m b er

Si ze A 4D ate:16-F eb -2012Fi l e:

E:\9

9s e 的设计\M y D es i g n

R 2100k

R 310k

R 439k R 6

1

U 1A

LM 324

R 5500k

U 2A

LM 324

1

4

2

5

N G1

2N 007

+9V

V CC

V CC

+9V

V o P 16

P11

V i

图 4 信号采集和放大电路

4.3数码管显示电路

报警器的浓度显示采用数码管，LED 数码管因为驱动方式的不同有静态和动态两种显示方式。静态显示，每一位字段码分别从I/O 控制口输出，保持不变知道CPU 刷新，特点是编程相对比较简单一点，但是占用的I/O 口较多，适用与显示位数较少的场合。动态显示，在某一瞬时显示一位，一次循环扫描显示，特点是占用的I/O 口较少，电路简单单编程较复杂，CPU 要定时扫描刷新显示。适用于显示位数较多的地方。

本系统采用动态显示，共阴型8位动态显示电路如图5：

图5 共阴型8位动态显示电路

4.4 A/D 转换电路

A/D 转换器是能把模拟信号转变为数字信号，我们经常采用的是逐次逼近式A/D 转换器作为就扣电路，它结构简单，转换速度较高.本设计采用ADC0804，它的分辨率为8位，属于连续渐进式经放大器放大后的煤气信号Vo 送人A/D 转换电

路,最后将信号送人单片机内部。A/D 转换电路如图6所示：

2

3

4

CS 1RD 2WR 3CLK IN 4INTR 5VIN+6VIN-7

AGND 8VREF/29DGND 10

PB7(MSB)

11

PB612PB513PB414PB315PB216PB117PB0(LSB)

18CLK R 19VCC(VREF)

20U6

ADC0804

R131K

R141K

R15

10K C21104VCC VCC

Q19018

V0

+5V

P3.5P3.6

P3.7

图 6 A/D 转换电路 4.5声音报警电路

声音报警电路如下图所示，当煤气的浓度达到8051单片机内部程序所设定的值时，报警电路中的喇叭将会发出刺耳的声音，将房屋中的煤气浓度下降到安全值以下，声音报警将会自动解除报警，等待下一次报警。声音报警电路如图7所示：

2

3

3

2

R 2

100k

R 310k

R 439k

R 6

1

U 1A LM 324

R 5

500k

U 2A

LM 324

1

4

2

5

N G1

2N 007+9V V CC

V CC

+9V

V o P 16

P11

V i

图 7 声音报警电路

5 系统软件设计

系统软件采用MCS51汇编语言编制，包括系统主程序和中断服务子程序、误

差自动校准子程序等。主程序流程图如下

图 8 主程序流程图

6 系统调试与实现

开始

A/D 转换

数据处理

程序初始化

是否超过报警值

浓度显示

报警锁定， 等待复位

系统同调试仿真阶段，理论上是用A/D转换器把气敏传感器检测到的电信号输送入单片机，现在用按键电路来代替。按键电路可以设定数值来代表需要的煤气浓度。数码管显示采用动态显示方式，结合按键电路的输入，在数码管上显示需要的煤气浓度数值。实现电路如图9

图9 系统总电路

分别对P1.0、P1.1、P1.2端口编程，实现分别控制数码管的个位、十位、百位的+1操作，关键程序：

GO:JNB GSET,S1

S1：LCALL,DELAY

JB GSET,A1

INC SETG

MOV A,SETG

CJNE A,#10，J0

MOV SETG,#0

INC SETS

MOV A,SETS

CJNE A,#10，J1

MOV SETS,#0

LJMP K2

J0：JB GSET,GO

LCALL DISPLAY

SJMP J0

以上程序是对个位数字的控制，十位，百位也是同样的方法。关键显示子程序：

DISPLAY:MOV A,SETG

CLR P2.0

MOVC A,@A+DPTR

MOV P0，A

LCALL DELAY

SETB P2.0

以上是对个位的赋值控制，对十位，百位的控制方法一样。

系统主程序：

#include

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

sbit adrd=P3^7; //IO口定义sbit adwr=P3^6;

sbit csad=P3^5;

sbit wei_g=P2^0;

sbit wei_s=P2^1;

sbit bjq=P1^3;

unsigned char j,k,adval;

void delay(unsigned char i) //延时程序

{

for(j=I;j>0;j--)

for(k=125;k>0;k--);

}

uchar table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,

0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};

void display(uchar sh_c,uchar g_c) //显示程序{

wei_g=1;

wei_s=0;

P0=table[g_c];

delay(5);

wei_g=0;

wei_s=1;

P0=table[sh_c];

delay(5);

}

void main() // 主程序

{

uchar a,A1,A2;

while(1)

{

csad=0; //选通ADCS

adwr=0;

_nop_();

adwr=1;

csad=1; //关闭ADCS

delay(10);

for(a=20;a>0;a--)

{

display(A1,A2);

} //送去显示各位。

P1=0xff; //读取P1口之前先给其写全1

csad=0; //选通ADCS

adrd=0; //AD读使能

adval=P1; //AD数据读取赋给P1口

adrd=1;

csad=1; //关闭ADCS

adwr=0;

adval=adval/0.25; //数据处理

if(adval>51) //判断报警浓度大于20%报警

{

delay(20);

if(adval>51)

bjq=1;

while(1)

; //报警控制,等待复位

}

A1=adval/10; //分出十，和个位

A2=adval%10;

};

}

当煤气浓度达到单片机内程序所设置的限定值（20%）时，声音系统中的喇叭会发出警报的声音；当煤气浓度下降到限定值一下时，声音系统停止报警，等待下一次报警程序的执行。

结论：基于单片机的煤气泄漏及报警系统的设计，采用单片机技术，实现了系统的多样化和智能化。本系统设计电路简单，稳定性高，容易实现，成本低廉。本系统主要的功能：（1）对空气中煤气浓度的检测;(2)煤气浓度达到一定值时报警。

参考文献

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[10]Paul Muller.CMOS multichannel single-chip receivers for multi-gigabit optical data communications [M].Springer,2007

Gas Leak And Alarm System Based on Single Chip Design

Abstract:Along with society's progress and development, the living standard of people also constantly improve, the gas as a kind of indispensable energy in the People's Daily life. Gas to bring people life convenient while, also brought some problems. Leaking gas and coal gas poisoning and gas cylinder explosion and other malignant events occur. So, in order to prevent the occurrence of such incidents, as a means of prevention, it is necessary to monitor the gas concentration in the air. So using single-chip microcomputer and sensor technology to design a can automatically monitor the gas concentration in the air reaches a certain value when the alarm system.

Keywords:gas concentration detection sensor microcontroller