1、 毕业设计用纸 第 1页 共 30 页 摘 要 随着天然气和煤气的大量使用，每一座居民大楼都被天然气所“笼罩”。天然气的普及给公共生活带来了方便，减少了城市的污染，提高了生活质量和效率，但同时天然气也是潜在的“危险品”一旦发生大面积泄漏，处理不及时就可能引发大爆炸，给居民的生命财产的安全带来巨大的威胁。我们需要一个解决的办法，使用天然气报警器是对付天燃气这一无形杀手的重要手段之一。 本文以气敏传感器和单片机技术为核心设计的气体报警器，可实现声光报警功能，是一种结构简 单、性能稳定、使用方便价格低廉、智能化的气体报警器，具 有一定的使用价值。 其中选用 MQ-7 传感器实现对气体的检测，具有灵敏
2、度高、响应快、抗干扰能力强等优，而且价格低廉使用寿命长。其与 LM358 连接 ，将气体信号转换为单片机可识别的数字信号，经 AT89C51 单片机处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个设定值（也就是报警线），如果大于则会自动启动报警电路发出报警声音，反之则为正常状态。同时，该报警器还有温度检测功能。 关键词 ：传感器 报警器 单片机 毕业设计用纸 第 2页 共 30 页 ABSTRACT With the wide use of natural gas and coal, each a residential towers were gas “enveloped”. The po
3、pularity of natural gas brought convenient to public life, reduce the citys pollution and improve the life quality and efficiency . But at the same time , natural gas is also potential “dangerous”, once produce large leak , disposal not timely could trigger, it will be a big bang to peoples life and
4、 property safety. Facing all kinds of accidents caused by the gas leak , we need a solution. Use of natural gas alarm is one of important means deal with gas invisible killer. This papers using the gas sensors and single chip microcomputer as the core.Design can realize the gas alarm sound-light fun
5、ction ,It is a kind of simple structure, stable performance , easy to use , inexpensive and intelligent gas alarn and it also has certain practical value. Among them , the MQ-7 of gas detection sensor has a high sensitivity, fast response, strong anti-jamming capability etc, and the price is low, se
6、rvice life long . LM358 connected with the gas signal, convent the gas singnal to the digital signal that microcontroller can identify and processing.Be processed and analysis by AT89C51, compare the result value whether is eaqul to or greater than the defaut value (that is ,the alarm limit),if it i
7、s greater than the default value, it will automatically start alarm circuit warming voice,conversety for normal state. At the same time ,the alarm has temperature testing function. Keywords: sensor alarm SCM 毕业设计用纸 第 3页 共 30 页 目录 第一章 绪论 . 4 1.1 课题的背景意义及研究现状 . 4 1.2 课题研究的主要内容 . 4 第二章 系统总体方案设计 . 5 2.1
8、 系统设计要求 . 5 2.2 任务分析 . 5 2.3 系统的方案设计 . 5 第三章 系统硬件设计 . 7 3.1 主控模块设计 . 7 3.2 气体检测模块 . 9 3.3 声光报警模块 . 12 3.4 温度检测模块 . 12 3.5 温度显示模块 . 15 第四章 系统软件设计 . 18 4.1 汇编语言程序流程图 . 18 4.2 显示子程序 . 19 第五章 系统仿真调试 . 20 5.1 气体检测模块仿真 . 20 5.2 声光报警模块调试 . 20 5.3 温度部分仿真 . 21 5.4 温度显示部分调试 . 21 5.5 系统整体仿真 . 21 第六章 结论与展望 . 23
9、 参考文献 . 24 附录 A . 25 附录 B. 26 附录 C. 26 致 谢 . 29 毕业设计用纸 第 4页 共 30 页 第一章 绪论 1.1 课题的背景意义及研究现状 人们在经历了“煤烟型污染”和“光化学污染”后，正进入以“室内空气污染”为标志的第三污染时期。 而室内存在的有害气体的一大来源为燃气的泄漏，主要可分为煤气泄漏和天然气泄漏两类。煤气的主要 成分为一氧化碳与氢气，一氧化碳中毒亦称为煤气中毒。一氧化碳是无色、无味的气体，故易于忽略而致中毒。一氧化碳中毒的原因是因为一氧化碳进入人体之后，和人体血液中的血红蛋白结合，从而出现缺氧，这就是一氧化碳中毒。常见于家庭居室内通风差的情
10、况下，煤炉产生的煤气或液化气管道漏气中的一氧化碳吸入会导致人的中毒。同时，煤气中的氢气也属于易燃易爆气体，大量存在于空气中，也同样具有危害。 天然气主要成分是烷烃，其中甲烷含量在 95%以上。人所赖以存货的空气中有大约 20%的氧气，如果人的活动空间是封闭空间，氧气稀薄，人会因氧气不 足导致窒息、昏迷，有心脑血管疾病的人将会危及生命。在室内天然气泄漏，会使室内空气中氧气相对稀薄，由于天然气是无色无味的，人很难察觉到，尤其当人处于睡眠状态时，天然气的泄漏就会更加危险，甚至会使人窒息而亡。天然气的另一个危害是燃烧产生爆炸。通常空气中含有一定含量的天然气时，遇到明火会立即爆炸，危及建筑物和人的生命安
11、全。 室内煤气、天然气的泄漏严重危害人的生命健康，基于此现实本设计旨在为家庭用户设计一种能够同时检测煤气和天然气泄漏的装置，从而减少因煤气、天然气的泄漏造成的事故的发生概率，进而保证人民的生命健康安 全，减少不必要的损失。 本装置能够同时监测煤气和天然气两种气体在室内空气中的含量，当这两种气体达到一定浓度时，该装置能够发出声光报警信号，提醒用户煤气泄漏，采取相应的应对措施。除此之外，该装置还具有检测并显示室内温度的功能。 现在家用燃气报警器应用十分广泛，市场上成熟的家用燃气报警器产品，种类凡多，功能各异。功能上已可实现：传感器集成化，实现多种气体类型传感器互换、传感器失效检测报警、电池欠压提示
12、、开机自检等功能。如何选用一款能满足自身需求、经济实惠、安全可靠，性价比高的燃气报警器来保障家人的生命已成为千万 家庭需要考虑的问题。 1.2 课题研究的主要内容 本设计旨在制作一款对煤气、天然气等气体的泄漏具有高灵敏感知能力，当泄漏气体浓度达到预设值时能迅即发出声光报警，并在一定误差内具备温度实时显示功能，且具备对声光报警电路实现手动检测功能的高可靠、低误报，高性价比的家用煤气、天然气泄漏报警器。 毕业设计用纸 第 5页 共 30 页 第二章 系统总体方案设计 2.1 系统设计要求 （ 1） 当所检测的气体达到预设报警点时，报警器开始报警，报警灯闪亮，蜂鸣器发出“ B、B、 B”的报警声，当
13、检测的气体的浓度下降到报警点以下 时，报警器则停止报警。 （ 2） 指示灯闪烁周期和蜂鸣器报警周期在 2 秒左右。 （ 3） 当周围环境可燃气体浓度降到响应阈值以下时，处于报警状态的探测器将自动恢复到正常工作状态。 （ 4） 在 4 位 LED 数码管上对温度进行实时显示，分别为百位、十位、个位和小数点后一位 （ 5） 可实现对声光报警电路的手动检测 （ 6） 传感器灵敏度可调 （ 7） 测量精度误差在 0.5以内（本设计最大误差为 0.0875） 2.2 任务分析 为实现仪器结构简单，体积小，成本低，智能化等要求，可采用微处理器 AT89C51 单片机作为核心芯片，充分利用了其高速数据处理能
14、力的片内外设，满足上 述要求，同时具备了高可靠、低误报的特点。 根据设计要求、使用环境、成本等因素，可选用 MQ-7 型传感器。它的灵敏度适中，具有响应与恢复特性好，长期工作稳定，不易受环境影响及抗温度影响等特点。 在传感器后续处理电路中可利用大电容充放电特性来产生一定的延时，使得传感器有足够的时间预热，以免产生误报警。 为实现传感器的高灵敏度及其灵敏度可调性，滑动变阻器器与电压比较器 LM138来实现。 可 增加手动检测功能，当按动按键时， 若报警电路正常，则 报警灯 闪亮 ， 蜂鸣器发出 “B 、 B、 B” 的报警声 。 温度显示精度误差要求可通过 软件编程来实现。 2.3 系统的方案设
15、计 该方案使用了 AT89C51 单片机作为控制核心，以气体传感器 MQ-7 作为气体检测元件，检测室内煤气、天然气的基本状态，并将气体浓度信号转换为电信号。 通过信号处理电路将有无气体泄漏两种状态转换成高低电平，并将此电平通过单片机 I/O 接口传入单片机，通过单片机编程控制由发光二极管、蜂鸣器等组成的声光报警电路的工作状态。 室温显示部分通过 DS18B20 温度传感器，将室内温度值转换为 16 位二进制，通过单片机 I/O 接口传入单片机，并通过编程在七段数码管上显示出当前温度 值。系统结构图见图 2-1。 毕业设计用纸 第 6页 共 30 页 图 2-1 系统结构图 (1)气体检测模块
16、：主要有气体传感器以及 LM358 组成，其作用是将煤气、天然气的泄漏与否转换为利于单片机识别的高低电平，并将此信号传到单片机； (2)声光报警模块：由蜂鸣器和 LED 构成 ,其作用是当检测到有煤气、天然气泄漏时，发出声光报警信号，提醒用户有煤气、天然气泄漏，采取相应措施； (3)温度检测模块：由 DS18B20 温度传感器构成， DS18B20 将检测到的温度值转换为二进制数，并传到单片机进行处理； (4)温度显示模块：主要由 74LS245 和 4 位七段数码管组成，其作用是显示当前温度值； (5)主控模块：即单片机 AT89C51，其作用是根据气体检测模块输出的高低电平，控制声光报警模
17、块的工作状态，并完成温度的采集及显示功能； (6)软件部分：软件部分主要通过软件编程控制主控模块，根据气体检测模块检测到煤气、天然气的状态，控制声光报警模块是否发出声光报警信号，从而完成煤气、天然气检测报警功能。同时通过编程控制主控模块对温度采集模块进行数据采集 ，并通过温度显示模块显示当前温度值。 将系统拆分成以上的这些基本功能模块后，再根据各个模块所要完成的功能分别去设计，也就是按照“逐步求精”的思想去设计本系统。 单片机 AT89C51主控模块 气体检测 声光报警 温度检测 4 位七段数码管温度显示模块 毕业设计用纸 第 7页 共 30 页 第三章 系统硬件设计 按照设计要求，系统硬件可
18、以分为以下几个基本功能模块： a.主控模块 b.气体检测模块 c.声光报警模块 d.温度检测模块 e.温度显示模块 系统总电路图如附录 A 所示，当没有煤气、天然气泄漏时 OUT1 端为高电平，此时单片机控制 OUT3 端无输出信号，继续检测 OUT1 端的状态；当煤气、天然气泄漏时，OUT1 端由高电平变成低电平， 此时单片机控制端 OUT3 端输出方波信号，驱动报警电路发出声光报警信号。通过单片机编程对 DS18B20 检测的温度进行采集，此温度值由16 位二进制数表示，通过编程对此 16 位二进制数进行处理，并通过 4 位七段数码管加以显示。 3.1 主控模块设计 3.1.1 单片机的选
19、择 本设计中选用的单片机为 AT89C51。 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压、高性能 CMOS 8 位单片机，片内具有 4K bytes 的可反复擦写的只读程序存储器和 128 bytes 的随机数据存储器，器件使用 ATMEL 公司高密度非易 失性存储器技术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 FLASH 存储单元，功能强大的 AT89C51 单片机可灵活应用于各种控制领域。 图 3-1 AT89C51 的引脚排列 毕业设计用纸 第 8页 共 30 页 主要性能指标参数： 与 MCS-51 兼容 4K 字节可编程 FLASH 存储器 寿
20、命： 1000 写 /擦循环 数据保留时间： 10 年 全静态工作： 0Hz-24MHz 三级程序存储器锁定 128 8 位内部 RAM 32 可编程 I/O 线 两个 16 位定时器 /计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 AT89C51 的引脚排列如上图图 3-1 所示 3.1.2 . 单片机控制电路 单片机模块即主控模块，完成功能是与各个功能模块连接，并通过软件编程控制各个模块功能，完成煤气、天然气检测报警及温度显示功能。 如图 3-2 所示，利用 P1.0 作为温度传感器输入位，利用 P1.3 控制报警灯点亮和蜂鸣器报警， P2.0 P2.
21、7 控制七段数码管， P3.1 P3.4 控制 4 位数码管显示。 图 3-2 主控模块 原理图 毕业设计用纸 第 9页 共 30 页 3.1.3 气体检测模块 传感器是能把被测物理量或化学量转化为与之有确定对应关系的电信号的输出装置。传感器主要由敏感元件、传感元件组成，有时也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分如图 3-3 图 3-3 传感器工作原理图 敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他量的 元件。 传感元件：又称转换器，一般情况下，不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转化为电量输出的元件。 传感器按工作原理可分为：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传
22、感器、光电式传感器、压电式传感器等。 1.气体传感器的选择 在这个设计中选择煤气、天然气气体传感器属于电阻式传感器，传感器型号为MQ-7。 MQ-7 能够同时检测煤气、天然气两种气体，与分别用两种气体传感器检测相比，明显减少设计成本。 MQ-7 型气敏元件的结构和外形及其引脚结构电路连接如图所示。在图所示中（结构 A 或 B），由微型 Al203 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成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。填充活性炭的过滤腔体，进一步减弱了氮氧化物、烷类等气体的干扰。封装好的气敏元件有 6 只针状管脚，其中 4 个用于信号取出
23、，两个用于提供加热电流。对一氧化碳具有很高的灵敏度和良好的选择性，具有长期的使用寿命和可靠的稳定性，应用于家庭、环境的一氧化碳探测装置。适宜于一氧化碳、煤气等的探测。一氧化碳传感器的 MQ-7 的标准工作条件、环境条件、灵敏度特性表见附录 B 所示 被测量 电量 敏感元件 传感元件 信号 调节与转换 辅助电源 毕业设计用纸 第 10页 共 30 页 3-4 MQ-7 结构外形及引脚 表 3-1 结构及引脚说明表 部 件 材 料 1 气体敏感层 二氧化碳 2 电极 金（ Au） 3 测量电极引线 铂（ Pt） 4 加热器 镍铬合金（ Ni-Cr） 5 陶瓷管 三氧化二铝 6 过滤层 活性炭颗粒 7 卡环 镀镍铜材（ Ni-Cr） 8 基座 塑料或尼龙 9 针状管脚 镀镍铜材（ Ni-Cu） 图 3-5 MQ-7 引脚电路连接 MQ-7 工作原理：传感器的表面电阻为 RS,对被测信号（一氧化碳）浓度的测量是通过 RS 与其串联的负载电阻 RL 上的有效电压信号 VRL 而获得的。两者之间的关系
