智能家用可燃气泄露报警器的设计

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1、1中北大学信息商务学院中北大学信息商务学院 课课 程程 设设 计计 说说 明明 书书学生姓名： 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指导教师：指导教师： 职称职称: : 副教授副教授 2014 年 1 月 10 日张权2中北大学信息商务学院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

2、 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3课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书1设计目的：智能家用可燃气泄露报警器的设计对于提高学生的单片机应用能力具有较强的意义。通过该设计，可以巩固所学的单片机理论知识，培养学生硬件和软件的设计能力，从而促进学生所掌握的理论知识向实践应用的转变。2设计内容和要求（包括原始数据、

3、技术参数、条件、设计要求等）：使用单片机设计一个家用可燃气泄露报警器，包括硬件设计和软件设计。同组成员可按硬件设计和软件设计来分工，协作完成。具体功能要求：（1）当家用可燃气泄露达到一定浓度时，进行声、光报警；（2）报警后可以手动取消报警。（3）其他扩展功能。3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、 实物样品等：（1）查阅相关文献资料，了解可燃气泄露报警器的相关知识；（2）确定设计方案。绘制电路原理图；（3）编写软件程序并上机调试；（4）撰写课程设计说明书。4课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书4主要参考文献：1 张玉莲. 传感器与自动检测技术. 北京：机械工业出

4、版社， 2007.9：4-82 刘伟. 传感器原理及实用技术 北京：电子工业出版社， 2006.3：13-203 刘爱华. 传感器原理与应用技术 北京：人民邮电出版社， 2010.2：208-2184 夏银桥. 传感器技术及应用 武汉：华中科技大学出版社， 2011.2：215-2235 王桂荣. 传感器原理及应用 北京：中国电力出版社， 2010.5:218-2266 晁阳. 单片机 MSC-51 原理及应用开发教程. 北京：清华大学出版社， 2007：376-3777 高伟. AT89 单片机原理及应用. 北京：国防工业出版社， 2008.2：1-98 张亚凡. 单片机原理及应用程. 北京

5、：清华大学出版社， 2005.4：7-249 刘向宇. 单片机 C 语言程序设计实例精粹. 北京：电子工业出版社， 2010.2：12-215设计成果形式及要求：提供课程设计说明书一份；设计原理图及软件源程序；6工作计划及进度：2013 年 12 月 30 日 2014 年 1 月 1 日：查阅资料；2014 年:1 月 2 日 1 月 7 日：方案设计、实验验证；1 月 8 日 1 月 9 日：完成课程设计说明书； 1 月 10 日：答辩。系主任审查意见：签字： 5年 月 日目 录一、引 言6二、设计方案简介72.1 家用可燃气泄露报警的概述.72.2 家用可燃气泄露报警研究的目的.72.3

6、 可燃气检测传感器的选择.72.3.1 气体传感器的主要参数和特性.72.3.2 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93.1 系统硬件电路总体设计.93.2 家用可燃气报警器的功能.103.2.1 声光报警功能.103.2.2 外围接口电路的设计.123.2.3 A/D 转换主要技术指标.143.2.4 单片机与 ADC0808 接口电路 143.2.5 串口转并口芯片 74HC164153.2.6 数码管显示.163.2.7 声音灯光报警电路.163.3 总电路设计.17四、燃气泄漏报警系统的软件部分设计184.1 主程序设计184.2 软件设计的子程序基本思想23

7、4.2.1A/D 转换234.2.2 浓度转换.244.2.3 数码显示25五、结 论266六、参考文献261 1 引言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

8、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

9、， 驱动声音和灯光报警。72.2.设计方案简介设计方案简介2.12.1 家用可燃气泄露报警的概述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

10、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。2.22.2 家用燃气泄露报警研究的目的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。2.32.3 气体传感器的选气体传感器的选择择气体传感器是能将被测气体的浓度、类别和成分按

11、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。82.3.1 气体传感器的主要参数和特性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。响应时间气敏传感器的响应时间

12、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。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。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。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。湿度特性气敏元件的特性岁

13、环境湿度不同而发生变化的特性称为湿度特性。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9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。MC101 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，有机硅中毒能力传感器基本测试电路图图 1 传感器基本测试

14、电路图3.3. 家用可燃气泄露报警装置的硬件部分设计家用可燃气泄露报警装置的硬件部分设计3.13.1 系统硬件电路总体设计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

15、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。10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，AT89C51 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。3.23.2 家用可燃气报警器的功能家用可燃气报警器的功能3.2.13.2.1 声光报