1、毕业论文I摘 要全国燃气行业发展迅猛，液化气、天然气、煤制气等城市燃气作为清洁能源已在工商业和城镇居民用户中得到广泛应用，特别是随着“西气东输”工程的快速进展，燃气行业发展潜力巨大。但是随着燃气的广泛应用，由于燃气泄漏所引发的爆炸、中毒和火灾事故也时有发生，这在某种程度上增加了城市的不安全和不稳定因素。为了使燃气更好地造福于民，造福于社会，减少并杜绝各种因燃气泄漏而引发的爆炸及火灾事故，各燃气使用单位及居民用户选择一种适合的室内煤气泄露报警器实为必要之举。燃气报警器的核心是气体传感器。当气体传感器遇到燃气时，传感器电阻随燃气浓度而变化，随之产生电信号，供燃气报警器后级线路处理。经过电子线路处理
2、变成浓度成比例变化的电压信号，由线性电路加以补偿，使信号线性化，经微机处理、逻辑分析，输出各种控制信号，即当燃气浓度达到报警设定值时，燃气报警器发出声光报警信号并可显示燃气浓度或启动外部联运设备。本文正是通过分析目前燃气报警器的现状，设计制作室内故障监测报警系统，保障人们的生命财产安全。关键词：气体传感器； 煤气泄漏 ；煤气报警毕业论文IIAbstractThe rapid development of the national gas industry, liquefied gas, natural gas, coal gas and other city gas as a clean en
3、ergy business and urban residents in users has been widely used, and gas industry has great potential. But with the extensive use of gas, due to gas leak caused an explosion, poisoning and fire accidents have also occurred to some extent, increased the citys insecurity and instability. In order for
4、gas to better benefit the people, the benefit of the community, to reduce and eliminate all due to gas leak caused the explosion and fire, the gas unit and residential customers use to select a suitable indoor gas leak alarm is actually necessary move. Gas sensor is the core of combustible gas. When
5、 the gas face gas sensor, the sensor resistance change with gas concentration, the resulting electrical signal for processing of combustible gas line after the class. After dealing with electronic circuit into a voltage proportional to the concentration change signal to be compensated by the linear
6、circuit, the signal linearization, by computer processing, logical analysis, the output of various control signals, that is, when the gas concentration alarm set value , combustible gas audible alarm signal can display gas concentration or start an external transport equipment. It is through this an
7、alysis of the current status of combustible gas, indoor design fault monitoring alarm system to protect peoples lives and property.Keywords：Gas sensor； Gas Leak ； Gas Alarm毕业论文-1-目 录摘 要.IAbstract.II目 录. 11 绪 论.11.1 课题背景 .11.2 燃气报警器的概述 .21.3 课题研究的目的及意义 .21.4 系统设计任务 .22 系统方案设计.42.1 设计要求 .42.2 设计思路 .42
8、.3 设计方案 .52.3.1 方案一 .62.3.2 方案二 .62.3.3 方案的确定 .72.4 系统方案组成 .72.4.1 系统三大部分 .82.4.2 系统框图 .93 系统模块设计.103.1 气体浓度检测模块 .103.2 主控模块 .103.3 设置报警模块 .144 硬件电路设计与分析.154.1 系统电源的设计 .154.1.1 三端固定式集成稳压器 .154.1.2 +5V 电源电路的设计 .164.2 信号采集放大电路的设计 .174.2.1 气敏传感元件特性 .17毕业论文-2-4.2.2 信号采集放大电路的设计 .184.3 A/D 转换电路的设计 .194.3.
9、1 ADC08096的介绍 .194.3.2 电路具体设计方法 .214.4 存储器电路的设计 .224.5 显示器电路的设计 .234.5.1 显示模块 LCD1602.234.5.2 电路设计方法 .234.6 报警器电路的设计 .244.7 键盘电路的设计 .234.7.1 键盘的工作原理 .224.7.2 键盘的识别方法 .224.7.3 键盘的工作方式 .224.8 串口通信电路的设计 .234.8.1 RS-232 标准 .244.8.2 接口信号 1.245 软件设计 .255.1 单片机编程 2.255.2 程序框图和主要程序 .246 实验调试.256.1 硬件调试 .256
10、.2 软件调试 .256.3 调试结果 .276.4 小结. 27参考文献 .29结 论 .30致 谢 .30附录 1.31附录 2.32毕业论文-3-绪 论1.1 课题背景煤气的主要成分是 CO、氢和烷烃、烯烃、芳烃等。煤气有毒是因为其中的 CO、芳烃等能与人体中的血红蛋白结合，造成缺氧，使人昏迷不醒甚至死亡，在低浓度下也能使人头晕、恶心及虚脱。一氧化碳（CO）为无色、无味、无臭、无刺激气体，比重0.967，几乎不溶于水，不易被活性炭吸附。当碳物质燃烧不完全时，可产生 CO，如人体短时间内吸入较高浓度的 CO，或浓度虽低，但吸时间较长，均可造成急性中毒。 CO 主要来自取暖燃料，CO 对人体
11、的损害主要表现在损害血液输送氧气的能力， CO 与血红蛋白结合能力超过氧和血红蛋白的结合能力的 200-300 倍，当 CO 与血红蛋白结合形成的碳氧血红蛋白含量达到 5%时，就会对人体产生慢性损害，达到 60%时就会昏迷，达到 90%就会死亡。由于发生一氧化碳中毒事件的普遍性和隐蔽性，迫切需要一种能够很好的监控室内一氧化碳浓度的仪器，并且在一氧化碳浓度过高时能够采取相关措施防止火灾的发生，保护人们的生命财产安全。本文正是通过分析目前燃气报警器的现状，设计制作室内故障监测报警系统，保障人们的生命财产安全。1.2 燃气报警器的概述首先我们应对国家标准规定的燃气报警器的种类有所了解。燃气报警器可分
12、为可燃气体检漏仪（简称“检漏仪” ） ，可燃气体报警控制器（简称“控制器” ） 、可燃气体探测器（简称“探测器” ） 、家用可燃气体报警器（简称“报警器” ）四大系列产品。报警器为居民家庭用的燃气报警器，一般安装在厨房，遇燃气泄漏时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。有的报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外。有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。燃气报警器的核心是气体传感器，俗称“电子鼻” 。当气体传感器遇到燃气时，传感器电阻随燃气浓度而变化，随之产生电信号，供燃气报警器后级线路处理。经过电子线路处理变成浓度成比例变化的电压信号，由线毕业论文-4-
13、性电路加以补偿，使信号线性化，经微机处理、逻辑分析，输出各种控制信号，即当燃气浓度达到报警设定值时，燃气报警器发出声光报警信号并可显示燃气浓度或启动外部联运设备（如排风扇、电磁阀）。1.3 课题研究的目的及意义因此设计出性能更加可靠，经济实惠的室内故障监测报警系统已成为市场的需要。目前，现有煤气检测仪器主要是面对工矿企业或公共场所的检测，价格高昂，对家庭也是不适应的。因此，本次设计所面对的是广大居民。1.4 系统设计内容本文利用单片机电路制作室内故障监测报警系统。设计过程中关键的两个部分：系统硬件的设计和控制软件的编写。这也是在设计过程中需要解决的关键的问题。（1）硬件任务单片机室内故障监测报
14、警系统的硬件主要有3大部分，即浓度检测和显示模块、主控模块和设置报警模块。浓度检测模块主要由半导体气体传感器QM-N5组成，它是整个系统中关键的元件；显示部分由LCD1602组成。主控模块由单片机及其相关软件组成，由程序对单片机进行控制。设置报警模块主要由键盘和报警器等组成，这个模块是对报警煤气浓度进行设置和浓度过高的时候进行报警处理。硬件的设计需要单片机、模电及其数电的相关知识。在解决这一问题的过程中，需要查阅大量资料，结合所学知识，向老师获取帮助。 （2）软件任务它的软件设计主要包括主程序和中断处理两大部分：主程序要完成I/O口，定时器的初始化及对中断输入的设定，然后延时使传感器进入稳定工
15、作状态，等待定时器的中断；中断处理程序根据具体情况需要有相应的子程序。要对程序进行多次调试，分块编程。对各个子程序块所解决的问题要相当明确。最后在制作完成硬件电路板后要调试出设计要求的功能。毕业论文-5-2 系统方案设计2.1 设计要求设计的监测报警系统应实现如下功能：系统能巡回检测四个不同位置的烟雾和煤气浓度，把检测到的信号送单片机处理，处理过的数据送显示器显示和送存储器保存，在烟雾和煤气浓度达到设置值时系统启动报警。2.2 设计思路本设计拟按以下思路展开研究：（1）根据该设计要实现的基本功能，设计大致应该分为信号采集放大，信号处理控制，系统设置报警三个部分。信号采集部分即通过气体传感器检测
16、室内气体浓度，将这种变化量转化成电压模拟量的变化，然后通过运放进行必要的放大。信号处理部分是将采集到的模拟信号转换成数字信号，送入控制器进行处理，并将处理过的信号送存储器保存和送显示器显示。系统设置报警部分是通过预定控制方式并利用蜂鸣器报警实现系统的准确操作。（2）依据上面所说的思路，得到如下一些基本的结论：信号采集部分为了能准确采集到气体浓度的变化应选用半导体气体传感器，为使其有效的检测室内气体浓度，采用电阻型半导体气体传感器；而放大部分使用运放进行比例和反相两级放大。信号处理部分为了实现精确控制，采用单片机较为合适。将模拟信号送 A/D 模块进行模数转换，经过处理后送存储器保存和送显示器显
17、示。系统设置报警部分可以考虑采用 44 键盘设置初始值和蜂鸣器报警。根据对上面设计系统的分析，我们得到该设计思想框图如下图 2-1 所示：毕业论文-6-图 2-1 设计思想框图2.3 设计方案2.3.1 方案一 采用双传感器 4，采用相互补偿的方法检测房间气体浓度，将检测的到浓度信号送入A/D 芯片中进行模数转换，利用 AT89S51 单片机控制声音报警以及将气体传感器检测到的浓度值在显示器显示出来。分析：此设计方法虽然解决了传感器检测气体浓度时温度和湿度对测量值的影响，但是，在实际制作的过程中，需要利用的核心控制芯片必须最少具有 4 路 8 位 A/D 口，气体和温度敏感信号直接由 A/D
18、口采集后，进行一定的算法修正和软件补偿。由于本课题要求采用四路巡回检测，如果采用本方案那么就需要 8 个特性相同的半导体气体传感器（4 个密封检测气体浓度，另外 4 个做补偿），为了达到更好的温度修正效果，往往需要传感器厂家的配合，在生产时对传感器进行成对生产，以保证传感器特性的一致性。并且主控制芯片采用常规的 ADC0809 和单片机并不支持，且制作硬件极其复杂，系统整体设计体积过大、功耗高、成本太高。单单采用此种方法并不能更好的提高测量性能，还需要加以软件补偿。由于采用此方案制作硬件极其复杂，系统整体设计体积过大、功耗高、成本太高，所以不予采纳。2.3.2 方案二采用高性能半导体气体传感器
19、 5，采用四路巡回检测的方法检测房间气体浓度，将检测的到浓度信号送入 A/D 芯片中进行模-数转换，利用 AT89S51 单片机控制声音报警、键盘输入、存储器运行，并且将气体传感器检测到的浓度值在 LCD 显示器上显示出来。分析：选用此方法设计电路不仅解决了温度、湿度的影响，并且简化了设计电路，降低了成本，采用此种方法设计主体电路。具体电路设计将在下文中给出。提出本次设计采用 QM-N5 型气体传感器。现在特将此传感器简单介绍如下：(1) 特点：QM-N5 型气体传感器 6是以金属氧化物 SnO2 为主体材料的 N 型半导体气信号采集放大 信号处理控制 系统设置报警毕业论文-7-敏元件，当元件
20、接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。灵敏度较高，稳定性较好，响应和恢复时间短。用它做成的报警器完全可以达到 UL2034 标准，不需温、湿度补偿。(2) 工作条件：工作电压：5V 0.5V静态功耗：0.5W(加热丝冷态电阻为 50 2)环境条件：温度-10+50,相对湿度95%初期稳定时间：15 分钟响应时间：10s检测煤气浓度范围：5020000ppm(3)对一氧化碳反应的敏感度 7：图 2-2 系列一氧化碳浓度的条件下 RL 电压的振荡曲线高湿高温对传感器的影响：根据测试结果表明，此传感器可承受 96%RH 相对湿度、70的环境条件，但基电平升高。2.3.4 方案的确定现
21、今半导体气体传感器技术的不断提高，使得在应用此类传感器时不必采用温度、湿度补偿 8，极大的简化了电路和降低了成本。鉴于对以上三个方案的对比分析，方案三最符合设计要求，所以我选择使用方案三来设计本次毕业设计的主体电路。2.4 系统方案组成本设计属于单片机应用系统。它是单片机在系统检测方面的应用，是典型的嵌入式系统。通常将满足海量高速数值计算的计算机称为通用计算机系统；而把面向工控领域对象，嵌入到工控应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统，简毕业论文-8-称嵌入式系统。嵌入式系统一般分为四种:工控机，通用 CPU 模块，嵌入式微机处理，单片机。2.4.1 系统三大部分单片机应用系
22、统的结构分三个层次。(1)单片机：通常指应用系统主处理机，即所选择的单片机器件。(2)单片机系统 9：指按照单片机的技术要求和嵌入对象的资源要求而构成的基本系统,如时钟电路、复位电路和扩展存储器等与单片机构成了单片机系统。(3)单片机应用系统：指能满足嵌入对象要求的全部电路系统。在单片机系统的基础上加上面向对象的接口电路，如前向通道、后向通道、人机交互通道(键盘、显小器、打印机等) 和串行通信口(RS232)以及应用程序等。2.4.2 系统框图本系统由三大部分九个不同电路组成，系统总的结构框图如下图 2-4 所示：图 2-4 系统结构框图1） 信号采集部分：14 路传感器电路；2） 信号处理部分：A/D 转换电路，2K 存储器电路，LCD 显示电路，串口通信电路，单片机复位电路；3） 设置报警部分：44 键盘电路， 报警器电路。一路传感器ADC0809二路传感器单片机AT89S51三路传感器四路传感器2K 存储器报警器44 键盘串口通信LCD 5V 电源
