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1、西华大学课程设计说明书 目录1前言12总体方案设计22.1方案比较22.2方案选择33单元模块设计43.1各单元模块电路设计及功能介绍4 3.1.1 直流稳压电源模块4 3.1.2 串口电路模块. 43.1.3 单片机模块.53.1.4 可燃气体检测与信号调理模块.63.1.5 AD转换模块63.1.6报警电路73.1.7 数码显示及浓度设置模块83.2 特殊元器件的介绍83.2.1 LM2576稳压器83.2.2 MQ-5传感器93.2.3 STC89C52单片机93.2.4 ADC8089114软件设计.144.1软件设计原理及设计所用工具144.1.1软件设计原理144.1.2 软件设计
2、所用工具144.2软件设计结构图145系统功能、指标参数.165.1说明系统能实现的功能165.2系统指标参数166结论177总结与体会188谢辞199参考文献20附录211前言在很多工业生产领域包括石油、化工、冶金、采矿等行业，都会产生或利用到可燃气体。而近年来，可燃气体作为人们做饭、取暖的燃料，早已进人广大城乡居民家中。但是由于各种原因如漏气、阀门故障、等都会引起室内可燃气体浓度上升，当室内可燃气体的浓度达到一定的程度时，就会引起人体中毒反应；如遇火花等，甚至还有可能引起爆炸，造成人身伤亡和财产损失。由于可燃气体本身的危险性严重威胁到人民的生产生活安全，故而对可燃气体的检测与报警在生产生活
3、中式非常重要的。本课程设计通过传感器将送来的可燃性气体浓度对应的微小信号经过放大，送入微控制器，经A/D 转换、浓度比较，线性化数据处理，转化成相应的十进制浓度值，把实际可燃性气体浓度及各路状态送显，当可燃气体浓度超过25%时进行光报警，超过50%时进行声光报警并提醒附近人员及时采取安全措施，防止中毒事故、爆炸、及火灾发生，从而保障生命、财产的安全。由于气体传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反应越快，响应时间和恢复时间就越快。为提高响应时间，保证传感器准确地、稳定地工作，可燃气体报警器需要向气体传感器持续输出一个5V 的电压。为了保证其可靠性，在输出5V 的电压的同时，进行故障监测。当传感
4、器加热丝、或电缆线和传感器断线、或接触不良时，进行故障报警。本设计为常用普通的可燃性气体报警器设计，具备监控可燃气体的浓度，显示测量结果，并对当前的环境状态做出判断，发出报警信息的功能。该报警装置灵敏度高，适用于检测低浓度气体。且寿命长、在线性好，报警器的结构简单，制作方便，制造成本低，适用于家庭可燃气体的报警。2总体方案设计 2.1方案比较方案一：可燃气体报警装置由可燃性气体传感器电路、放大电路，A/ D 转换电路、单片机、显示电路、按键、信号输出电路、报警器等组成。若可燃气泄漏，则传感器电路将可燃气体浓度转换为电信号，通过放大、A/D转换将模拟信号转换为数字信号送予单片机，再由单片机控制报
5、警信号，发出声光报警。原理框图如图2.1: 传感器放大电路串行通信数码显示报警装置按键设置单片机及AD转换图2.1方案一框图方案二： 可燃气体报警装置由可燃气体传感器、电桥电路、差分电路、放大电路、A/D转换模块、单片机、显示电路、报警器电路、按键设置模块组成。由气体传感器感知环境中某种气体并将气体浓度信号转换成电信号。该电信号为连续变化的模拟信号，经过抗干扰处理放大后经过A/D转换将其转化为数字信号送予单片机处理。单片机对采集的数字信号进行处理和判断，通过程序控制计算出待检测气体成分及浓度并送到数码管显示，当检测气体浓度超出设定报警阀值时给出声光报警。其原理框图如图2.2所示：传感器差分电路
6、电桥电路放大电路单片机及AD转换报警装置数码显示按键设置串行通信图2.2方案二框图2.2方案选择 方案一和方案二相比较，方案一结构简单，比方案二省略了电桥和差分电路，其对信号的采集和处理不是很严格，容易造成较大的误差，方案二的设计正好弥补了这一点。电桥电路可作为调零电路，减小系统误差；而差放电路具有很强的抑制零点漂移及抑制噪声与干扰的能力。故而传感器采集的信号经过电桥电路、差分电路和放大电路的处理后，信号质量好，误差小，所以选择方案二做为此次课程设计方案。3单元模块设计3.1各单元模块电路设计及功能介绍3.1.1 直流稳压电源模块直流稳压电源模块如图3.1所示： 图 3.1 电源电路 该模块由
7、变压器、二极管整流桥、滤波电容、开关SP1、稳压器LM2596等组成。通过变压器将家庭电网中220V交流电压变压至20v以内，然后通过二级管整流桥进行全波整流，再通过滤波电容滤波，最后用LM2576进行稳压（5V）。 开关SP1在STC89C52单片机写程序的时候对单片机进行断电，有利于对单片机进行写入程序，在开关接通的时候，电路输出5V电压，当开关处于断开的时候，没有电压输出，达到单片机断电写程序的目的。发光二极管用作电源指示。3.1.2 串口电路模块串口电路模块如图3.2所示： 图3.2 单片机串口电路串口通讯对单片机而言意义重大，不但可以实现将单片机的数据传输到计算机端，而且也能实现计算
8、机对单片机的控制，同时也可以通过串口对外部电路进行控制等。由于其所需电缆线少，接线简单，所以在较远距离传输中，得到了广泛的运用。MCS-51单片机的I/O串行口为全双工接口。发送时，将CPU送来的并行数据转换成一定格式的串行数据，在TXD引脚上按照一定的波特率诸位输出。接收时，监视RXD引脚，一旦出现起始位“0”，就将外围设备送来的一定格式的串行数据转换成并行数据等待CPU输入。由于电脑的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，所以在单片机和电脑之间进行串口通讯时要通过芯片MAX232进行转换。3.1.3 单片机模块单片机模块电路如图3.3所示： 图3.3 单片机模块电路单片机模
9、块电路采用由STC89C52构成单片机总线主控系统。其由单片机STC89C52及晶振电路、复位开关电路、地址锁存器、输出显示模块、键盘扫描模块等外部设备构成。其中所有外部设备包括AD数据采集等均采用总线驱动方式驱动。由11.0592MHZ的晶振为单片机提供时钟源。因为单片机为高电平复位，所以复位电路采用以复位开关S17构成的上电复位系统。P1口作为系统的状态输出，通过LED8位数码管显示，能够实时观察室内可燃气体浓度大小。由于单片机STC89C52的P0口和P2口可用于与外部存储器的连接，这时P0口作为数据/地址分时复用端口，P0口先输出外部设的低8位地址，并在外部锁存，而后再输出读入数据。在
10、16位寻址时，P2口输出外部存储器的高8位地址。当P0口和P2口用作数据/地址总线时，它们不能再作为通用I/O口。 本系统中，在P0口用74HC573锁存器对地址进行锁存，数据经74HC573锁存后与P2口一起构成16位地址线，然后用高位地址控制外围电路的运行。3.1.4 可燃气体检测及信号调理模块可燃气体检测及信号调理电路如图3.4所示： 图3.4可燃气体检测及信号调理电路本模块是由气敏传感器MQ-5组成的电桥电路和差分放大电路组成。一般地，当被测量非常微弱的时候，必须用专门的电路来测量这种微弱的变化，最常用的电路就是各种电桥电路。电桥电路的作用就是把电阻变化率转换成电压输出，然后提供给放大
11、电路放大后进行测量，当电桥的四个桥臂电阻达到一定关系时，电桥输出为零。在差放电路中采用TL084型四运放放大器。其中TL084前两个运放构成相同放大器，第三个运放构成差动放大器。可燃气体浓度通过气敏传感器MQ-5构成的电桥电路转换成电压信号输出，然后送入差放电路将信号放大供ADC0809采集。3.1.5 AD转换模块AD转换电路如图3.5所示： 图3.5 AD转换电路本模块主要功能是由ADC8089进行模数转换。将经过处理的模拟信号送入ADC0809转换为数字信号输入单片机。地址线A15控制ADC8089的选通，当向A15写数据时采集数据，当向A15读数据时读取AD转换的数据。选通数据转换通道
12、由A0、A1、A2控制。3.1.6 报警电路报警电路如图3.6所示：（b)（a) 图3.6 报警电路声、光报警电路分别如图3.6（a）和（b），分别由单片机P3.5和P3.4控制。声音报警使用蜂鸣器，光报警使用发光二极管。当可燃气体浓度达到相应报警要求时，单片机P3.5或P3.4输出高电平，三极管T1或T2导通,报警电路发出声光报警。3.1.7 数码显示及浓度设置模块数码管显示电路模块如图3.7所示： 图3.7 数码管显示电路本模块采用共阴极数码管，电路比较简单。设置数值和数码显示主要由单片机来控制完成，数码显示采用总线方式编写程序。用A14控制数码管的段数据；用A13控制数码管的位选通，通过
13、选通信号对数码管进行扫描显示；用A12控制键盘输入键值的读取。3.2 特殊元器件的介绍3.2.1 LM2576稳压器单片式开关稳压器LM2576系列能提供降压开关稳压器（buck)的各种功能，能驱动3A的负载，有优异的线性和负载调整能力。其特点有能输出3.3V、5V、12V、15V和可调节输出电压型号，输出电压可调的范围为1.23V37V (HV型号的可达57V)，负载电压的输出容差最大为4， 最少只需要4个外围元件支持，可达3A的输出电流宽的输入电压范围，内部振荡器产生52KHz的固定频率；可用TTL电平关闭输出，低功耗待机模式，典型待机电流为50A ，较高的转换效率，过热和过流保护。其管脚定义如下图所示： 图3.8 管脚定义3.2.2 MQ-5传感器 气敏传感器MQ-5适用于家庭或工业上对液化气，天然气，煤气的监测装置。其具有对液化气、天然气、城市煤气有较好的灵敏度；对乙醇，烟雾几乎不响应，具有优良的抗干扰能力；有快速的响应恢复特性；有长期的使用寿命和可靠的稳定性；测试电路比较简单等优点。MQ-5气敏元件的结构和外形如图3.9所示(结构A或B),由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制
