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1、家用安全保护装置的研究与设计设计总说明伴随着社会发展、科技进步，人们生活水平逐步提高。大量现代家用电器和厨房设施的使用 , 家庭中存在的安全隐患也越来越多，传统的安全防范措施已无法适应现代化社会的需求，于是各种新型智能报警系统应运而生。本文研究了基于 89C51 的家用安全装置，对家庭日常生活中发生的烟雾及燃气进行了监测。利用 89C51 高性能 16 位单片机设计主控核心，以门磁开关，燃气烟雾传感器，以LED和蜂鸣器为声光信号警示，对传统的安防装置进行了改进，希望改善我们日常生活安防不足的情况。 设计先通过Protues 软件进行仿真， 再通过硬件来实现以上功能。关键词： 气体传感器，单片机
2、，烟雾，燃气，报警目录1 绪论1.1 设计说明书研究目的和意义1 2 智能家居的国内外现状1.3 本设计主要任务2 家用安全保护装置总体设计2.1 设计要求2.1.1 烟雾、燃气泄漏检测的功能2.1.2 系统设计框图2.1.3 烟雾、燃气泄漏检测的各个功能模块2.2 设计原理2.2.1 气体传感器介绍2.2.2 气体传感器的选定3 硬件设计3.1 AT89C51 单片机介绍3.1.1 AT89C51 简介3.1.2 主要性能参数3.1.3 AT89C51 各引脚说明3.2 ADC0808转换器介绍3.2.1 转换器ADC0808 构成3.2.2 转换器ADC0808 工作原理3.3 报警电路3
3、.3.1 声报警电路3.3.2 光报警电路3.4 LED 数码管显示及按键控制电路4 软件设计4.1 主程序4.2 A/D 转换程序4.3 外部中断 1 服务程序4.4 软件调试与仿真4.4.1 程序调试步骤4.4.2 调试中的问题及解决方法4.4.3 运行结果分析5 硬件电路的搭建及调试5.1 硬件电路主要元器件5.2 搭建硬件面包板注意事项5.3 硬件调试1.绪论1.1 设计说明书研究目的和意义可燃性气体通常指城市煤气、石油液化气、汽油蒸汽、酒精蒸汽、天然气以及煤矿瓦斯等 1 。这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、苯类以及一氧化碳和氢气等成分，易燃、易爆、贮存和使用这些气体的过程中，如
4、违反操作规程和设备密封不好，都有可能发生可燃气体泄漏现象，进而酿成火灾或爆炸事故，给国家和人民的生命财产造成损失。 可燃性气体检测报警装置是能够检测环境中的可燃性气体浓度并具有报警功能的仪器。 该报警装置是石油化学工业、 有可燃性气体泄漏可能的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。 可燃性气体报警器属于 中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录中第 46 项，它归类于物理化学计量器具。 建筑设计防火规范(GBJ16-87)第10.3.2条明确规定：“散发可燃气体、可燃蒸汽的甲类厂房和场所，应设置可燃性气体浓度检测报警装置” 。 2003 年 12 月， 国家执行新的可燃性气体探测器标准(GB153
5、22-2003)可燃气体探测器，2004年10月国家颁布可燃气体检测报警器规程JJG693-2004， 研究新型、 性能稳定、 准确监测可燃性气体，并合乎国家相关规定的报警器具有极其重要得意义。目前我国已有许多城市铺设了煤气管道， 使用人口约达二亿人， 煤气发生基地及中转站也达几千家。如果这些家用燃气和煤气基地及中转站的报警率按10%计算，可燃性气体检测报警器的需求量就达2000 万台以上。随着全社会对防火防爆及人身安全的重视程度的提高，这个数字会继续增长。近十年来，农村的沼气使用也得到了极大的发展。到 2006 年底，全国沼气池数量已达近 1300 万座，这就为检测沼气(主要成分是甲烷)浓度
6、的仪器提供了市场。可见，可燃性气体报警器具有十分广阔的市场前景。1 2 智能家居的国内外现状自 1984年世界上第一幢智能建筑在美国出现后， “智能家居”逐步走入人们的视 野。美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居方案。并在美国、德国、新加坡、日本等国得到应用 5 。我国的智能家居始于20世纪90年代末。1999年，建设部勘察设计司、建设部住宅产业化办公室联合实施全国住宅小区智能化术示范工程， 该示范工程的启动， 标志着我国智能化住宅小区的建设进入了新的发展阶段5 。智能家居进人中国发展已有近十年的时间，随着人们从陌生到熟悉，从误解到理解，智能家居的发展
7、道路可谓非常坎坷。它经过了早期的概念普及期到现在开始进入快速的发展期。目前，国内智能家居行业结构较为复杂，主流智能家居厂家主要由对讲安防类、传统家电类和网络通信类厂家发展而来。 也有专业从事智能家居生产的厂家。 各类厂家结合自家特色推出的智能家居产品在功能上各有侧重点。 专业智能家居生产厂家对控制功能单一的智能家居产品进行功能组合， 把发展的主要目标放在智能控制系统的研发上。对传统家电类企业在其家电产品中置人通信接口，使其成为网络家电，此类智能家居产品的推广受到家电品牌选择的限制。 网络通信类厂家侧重在数码产品和信息家电产品中植入某些智能家居控制功能。 智能家居的出现对传统的安防装置进行了改进
8、，改善了我们日常生活安防不足的情况。1.3 本设计主要任务本文主要是基于 89C51 单片机的家用安全装置， 对家庭日常生活中发生的烟雾及燃气进行了监测。利用 89C51 高性能 16 位单片机设计主控核心，以门磁开关，燃起烟雾传感器为监测器，以LEDffi蜂鸣器为声光信号警示，以达到监测的目的，避免不 必要的事故发生。2 家用安全保护装置总体设计2.1 设计要求2.1.1 烟雾、燃气泄漏检测的功能在本设计中， 烟雾及其燃气泄露测试装置的主要功能就是快速准确的检测被测气体中有害气体的含量（主要是 CO气体和甲烷气体），通过LED显示屏将CO?气体浓 度显示出来，当气体浓度达到一定门限值时发出声
9、光报警。为了实现以上功能：系统应该具备气体传感器、数据采集、A/D转换电路、单片机、LED数码显示、声光报警单元。2.1.2 系统设计框图图2-1系统框图系统工作流程为：由装在室内的CO传感器和QM-N5传感器获得被测量对象（室 内CO甲烷浓度）原始信号，经过温度补偿和取样放大得到矫正后的可匹配信号，进入 A/D转换，得到被测对象的数字量信号，再由单片机进行数据处理，得到最终的室内环 境CO及甲烷浓度值（本次设计中我利用可变电阻模拟烟雾燃气传感器），将此数据通 过数码管显示并保存，同时根据系统设定的限值参数判断环境浓度是否超标，如果超标立即启动预警信号进行声光报警提示，提示室内人员打开门窗、关
10、闭气源并迅速撤 离事故现场。COM体技术指标如下：应用范围：工业生产和人民生活中的 CO检测；检测对象：COS他们的混合气体；检测范围：co：a 1000Ppm检测精度：COK于20Ppm报警浓度：100Ppm300Ppm响应时间： 30mg电池电压：+12乂工作温度范围：-20+70C ；工作湿度范围：1095%RHQM-N敏感器适用范围：用于检测CH4 C4H10 H2等技术指标：加热电压（Vh） AC或DC 5 0.2V响应时间（tree） 10S回路电压（Vc）最大DC 24V恢复时间（tree） 30S负载电阴（Rl） 2KQ元件功耗0 0.7W检测范围50 10000ppm灵敏度(
11、S=Ra/Rd。4(在 1000ppmC4Hia)2.1.3 烟雾、燃气泄漏检测的各个功能模块在本设计中， 煤气泄露测试装置的主要功能就是快速准确的检测被测气体中有害气体的含量(主要是CO甲烷气体)，通过LED显示屏将CO甲烷气体浓度显示出来，当气体浓度达到一定门限值时发出声光报警， 在我的设计中我采用可变电阻模拟了传感器，在检测过程中通过检测可变电阻两端的电压来实现，为了实现以上功能：系统应该具备气体传感器、数据采集、 A/D转换电路、单片机、LED数码显示、声光报警单元。2.2 设计原理2.2.1 气体传感器介绍1. 气体传感器是气体与气味检测的关键元件。 根据其气敏特性， 气体传感器可以
12、分为六大类：(1) 半导体气体传感器。(2) 固体电解质气体传感器。(3) 接触感染式气体传感器。(4) 电化学式气体传感器。(5) 光学式气体传感器。(6) 高分子气体传感器。2. 气体传感器应满足的基本条件一个气体传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。 但是， 任何一个完整的气体传感器都必须具备以下条件：(1) 能选择性地检测某种单一气体，而对共存的其它气体不响应或低响应。(2) 对被测气体具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的气体浓度。(3) 对检测信号响应速度快，重复性好。(4) 长期工作稳定性好。(5) 使用寿命长。(6
13、) 制造成本低，使用与维护方便。2.2.2气体传感器的选定气体传感器是本系统检测的起点也是系统的核心和重点， 选择合适的传感器成为决定系统成功的关键。COH体传感器和QM-N5专感器属于气敏传感器，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、浓度处理及报警控制等工作。传感器作为煤气泄露测试装置报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。由此可见，传感器的选型是非常重要的。由于监控系统最关键的部分在于室内一氧化碳气体浓度的检测 , 本系统考虑到室内空气中一氧化碳含量的大致范围 , 结合国家环境空气质量标(GB3095 1996)规定的一氧化碳分级标准，我们
14、选用了 Motorola生产的一种专门用于家庭用途的MGS110型一氧化碳气体传感器，MGS1100一氧化碳传感命ZH 一种应用全微电子工艺制成的半导体气体传感器，作为CO感元件，对C。向应的选择性好，并具有灵敏度高，稳定性好等特点在信号采集的同时加以温度补偿。它是在微型硅桥结构中嵌入的加热器上制作一层SnO2t膜，这种结构不仅使得SnO2t膜对CCK体在很宽的温度范围内具有敏 感性，而且硅膜减少热传导的热损失，从而大大降低了功耗。最终设计采用可变电阻模 拟上述所用传感器，通过改变阻值得到不同的电压来实现本次设计的功能。CO传感器图2-2传感器管脚与基本就视摘岭其中2、4端为加热器的电源接线端
15、，1、3为传感器输出端，其工作原理是把传感 器置于CO气体环中，SnO2薄膜层的电阻会随着 CO浓度的变化而变化，CO浓度越 大,SnO2薄膜层阻值越小。图2-2 (b)为取得传感器输出信号的基本电路图，Vh为加 热电压，传感器电阻RS与负载电阻 RL串联接到工作电压 VCC两端，由此可得关 系：VRL=RL VCC/ (RL+RS传感器阻值RS随着CC浓度的增大而减小时，输出负载电压VRL渐变大，所以通 过测量负载电压即可反应出被测对象的 CO浓度。MGS110型一氧化碳气体传感器的特 点：测量浓度范围为0-1000PPM测量精度为3%分辨率为1PPM工作温度-2070 , 零点漂移为PPM103硬件设计3.1 AT89C51单片机介绍 .1.1 AT89C51 简介AT89C51是一种带 4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器( FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory
