1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 有害气体无线监控系统 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 日常生活中经常发生毒气泄漏或者其他有毒气体危害人们的生命健康的事故。因此，设计出一套有毒气体的检测电路，并在有毒气体超标时能即时抽 排出有害气体，就可以起到有效的预防作用。本课题正是基于此而进行设计。 为实现上述目的，设计主要分为以下四个部分：气体检测及放大整形电路部分、无线收发部分、声音报警电路部分及显示部分。整个系统采取模块化设计方案，硬件电路设计合理、结构简单，系统以 AT89S51 单片机为核心，增加了无线收发
2、部分，该部分设计使系统的应用领域更为广泛，具有很高的实际开发价值。 设计过程中硬件部分实现信息的采集和发送，软件部分则是通过程序把各个硬件部分的信息进行有效的整合处理，实现单片机的智能控制。 经过检测调试，本系统抗干扰性强、工 作稳定可靠 ,操作及维护更加方便。 关键字 ：气体监测 ;单片机 ;自动控制 ;无线编解码 ;有害气体浓度 - 2 - Abstract Theres many Gas spill or the accident of other toxic gases endanger peoples lives. so it is important to achieve the
3、Real-time Accurate Monitoring of Leakage of harmful gases. The project is designed based on this. In order to realize the above goal, this design divides into the following four parts, includes the gas examination and the enlargement waveshaping circuit part, the wireless receiving and dispatching p
4、art, the sound alarm circuit part and the demonstration part specifically. The overall system adopts the modulation design proposal, the hardware circuit rational design, the structure is simple, this system take at89S52 monolithic integrated circuit as a core, and increased the wireless receiving a
5、nd dispatching part, this part of designs enabled systems application domain to obtain in a big way, had the very high actual development value. In the software part is carries on through the procedure each hardware part information effective conformity processing, realizes monolithic integrated cir
6、cuits intelligent control. The hardware part is realizes information gathering and the transmission. After the examination debugging, this system anti-jamming is strong, work stable reliable, the operation and the maintenance are more convenient. Key word: Gas monitoring; SCM; Automatic control; Wir
7、eless codecs;The concentration of harmful gases - 3 - 目 录 摘 要 . I 1 引 言 . 1 2 总体设计 . 2 2.1 各单元模块元器件选择 . 2 2.1.1 单片机的选择 . 2 2.1.2 传感器的选择 . 3 2.1.3 A/D转换芯片的选择 . 3 2.1.4 无线编解码芯片的选择 . 4 2.1.5 显示元件的选择 . 4 2.2 总体设计方案的选择及设计框图 . 4 2.2.1 基于 555芯片的有害气体检测 . 4 2.2.2 基于单片机的有害气体检测 . 5 3 硬件设计 . 7 3.1 有害气体采集模块 .7 3
8、.1.1 QM-N5传感器介绍 . 7 3.1.2 传感器工作原理 . 8 3.1.3 使用方法及注意事项 . 8 3.2 模拟信号放大模块 . 9 3.2.1电路原理图 . 9 3.2.2 运算放大器工作原理 . 10 3.3 A/D转换模块 . 12 3.3.1 A/D转换芯片介绍 . 12 3.3.2 AD0809 的工作原理 . 12 3.3.3 AD0809 应用说明 . 13 3.3.4 A/D转换应用电路 . 14 3.4 无线发射接收模块 . 14 3.4.1 无线信号的发送 . 15 3.4.2 无线信号的接收 . 17 - 4 - 3.4.3 数据解码电路 . 18 3.5
9、 显示及报警单元电路 . 20 3.5.1 报警单元模块 . 20 3.5.2 显示单元模块 . 21 3.6 抽排气体模块 . 21 4 软件设计 . 23 5 调试与运行 . 25 6 总结 . 27 致 谢 .错误 !未定义书签。 参考文献 . 28 附录 1 实验实物图 . 29 附录 2 实验原理图 . 30 附录 3 作品使用说明书 . 31 附录 4 系统源程序 . 32 - 1 - 1 引 言 近年来随着人民生活水平的提高，管道毒气和罐装毒气已深入到寻常百姓家。但由于使用不当或设备老化等原因导致的毒气泄漏极大地威胁着人们的生命财产安全。目前，一般的毒气报警器功能单一，或是必须手
10、动复位阀门系统，性能稳定性低；而大型的监控系统又价格不菲，需专门的技术人员来管理，不适用于中小企业和家庭。 家用毒气泄漏报警器是非常重要的燃气安全设备，它是安全使用城市燃气的最后一道保护。燃气泄漏报警器通过气体传感器探测周围环境中的低浓度可燃气体，通过采样电路，将探测信号用模拟量或数字量传递给控制器或控制电路，当可燃气体浓度超过控制器或控制电路中设定的值时，控制器通过执行器或执行电路发出报警信号或执行关闭燃气阀门等动作。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，
11、 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。燃气泄漏报警器广泛应用在城市安防、小区、工厂、公司、学校、家庭、别墅、仓库、资源、石油、化工、燃气输配等众多领域。 按检测气体可分为：可燃气体报警器，有毒气体报警器和复合式气体报警器，气体报警器使用不同传感器检测不同气体，复合式气体报警器可同时检测可燃和有毒气体。按使用环境可分为：工业用气体报警器和家用燃气报警器。按自身形态可分为固定式气体报警器和便携式气体检测仪。 本课题所设计的是有害气体无线监控系统 循环采样有害气体浓度， 并将 有害气体浓度 经转换电路换算成对应的电压值，经过 A/D 转换后，得出在 0 5 之间的浓度
12、值，当浓度值大于报警临界值时，则出现相应的指示 ，在 LED 数码管上显示当前有害气体浓度，并伴随有声音报警；正常状态时， LED 数码管上也显示当前有害气体浓度，但没有声音报警。 - 2 - 2 总体设计 本课题主要工作是实时监控液化气、煤气、酒精、氢气等各类有害气体的浓度，当其中一种或几种气体的浓度超出某一设定范围后会产生报警，从而达到实时安全监控作用。 基本要求： 1 利用相关传感器实现有害气体检测及采集。 2 通过无线收发模块实现检测点与主机的 通讯。 3 能实现自动报警并实时显示相关信息。 4 随着气体浓度的变化能实时刷新监控状态。 2.1 各单元模块元器件选择 2.1.1 单片机的
13、选择 89S51 是 MCS-51 系列单片机的典型产品，我们 就这 一代表性的机型进行系统的讲解。 89S51 单片机包含中央处理器、程序存储器 (ROM)、数据存储器 (RAM)、定时 /计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加 以 说明： 1 中央处理器 中央处理器 (CPU)是整个单片机的核心部件，是 8 位数据宽度的处理器，能处理 8位二进制数据或代码， CPU 负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 2 数据存储器 (RAM) 89S51 内部有 128 个 8 位用户数据存储单元
14、和 128 个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的 RAM 只有 128 个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。 3 程序存储器 (ROM) 89S51 共有 4KB 掩膜 ROM， 最大可扩展 64K 字节， 用于存放用户程序，原始- 3 - 数据或表格。 4 定时 /计数器： 89S51 有两个 16位的可编程定时 /计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。 5 并行输入输出 (I/O)口： 89S51 共有 4组 8 位 I/O 口 (P0、 P1、 P2 或 P3)，用
15、于对外部数据的传输。 6 中断系统 89S51 具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时 /计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有 2级的优先级别选择。 2 2.1.2 传感器的选择 我们选择使用的气体传感器为 QM-N5 型气体传感器，它属于电阻式半导体型气体传感器（ 是半导体金属氧化物陶瓷气体传感器 ）， 是一种用金属氧化物薄膜(例如： SnO2， ZnO， Fe2O3， TiO2 等 )制成的阻抗器件，其电阻随着气体含量 的不同而变化。气味分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器传导率的变化。为了消除气味分子还必须发生一次氧化反应 ， 传感器内的加热器有助于氧化反应进程
16、。 这种类型的气敏传感器 具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。 之所以选择 QM-N5 型型气体传感器是因为它对甲烷、天然气有很高的灵敏度，有着很可靠的稳定性，快速的响应恢复特性，非常简单的驱动电路而且其使用寿命很长。 QM-N5 是一种可以广泛应用于家庭，工业的甲烷，天然气的探测装置。 2.1.3 A/D 转换芯片的选择 方案一：采用 A/D 转换芯片 AD0809 是 8 位逐次逼近型 A/D 转换器。它由一个 8 路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个 A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8 路模拟量
17、分时输入，共用 A/D 转换器进行转换。及其容易使用 ， 能理想的应用于远程 DSP 和传感器 。 方案二：采用芯片 AD574,进行模拟数字信号的转换，分辨率为 12位，精度较高，但控制很麻烦且硬件资源较贵。比较两种方案综合考 虑还是选择第一种方- 4 - 案。 2.1.4 无线编解码芯片的选择 远距离编解码发射接收组件是利用数字芯片如（ PT2262、 MC145026 等）作调制信号的大功率发射机 （发射功率 2 5W）， 再配以高灵敏度接收机 （接收灵敏度不劣于 1.5V ）和与编码芯片配对的解码电路（如 PT2272、 MC145027 等），作远距离的无线遥控、报警等用途。 本系统
18、所选择的编解码芯片为 PT2262/2272，PT2262/2272 是一种 CMOS 工艺制造的低功耗低价位的通用编解码电路，具有使用简便、价格低廉、重码少等众多优点。 3 2.1.5 显示元件的选择 方案一：用 LED 数码管显示有害气体浓度，本系统中只需要 LED 数码管进行动态显示即可以显示有害气体浓度。优点是接口简单、易于控制、对电压电流的要求低、价格便宜、寿命长；缺点是只能显示 0 9的数字和一些简单的字符。 方案二：用 LCD 液晶显示，优点是能显示更多的字符和汉字，有着良好的人机界面，体积小，功耗极低；缺点是成本高，亮度不高，夜晚不易清晰观察数据。基于上述考虑，所以我们选择方案
19、一。 2.2 总体设计方案的选择及设计框图 2.2.1 基于 555 芯片的有害气体检测 采用如图 2-1 所示的 NE555 时基电路设计，本报警电路采用的传感器为国产的 BS01-SS-668 型气敏传感器，它适用于对有害气体的检测、监控，具有灵敏度高、稳定性好、响应和恢复时间短、等优点。它是一种离子气敏传感器是专为检测有害气体而设计的新型传感器。当有害气体泄漏时，用 BS01-SS-668 作为检测探头为报警电路工作，发出报警声响，报警电路采用 NE555 组成的可控多谐振荡控制。 - 5 - 图 2-1 NE555 电路 2.2.2 基于单片机的有害气体检测 基于单片机的有害气体监测报
20、警器的系统框图如图 2-2 所示：主要由气体传感器 MQ-4、 A/D 转换器 AD0809、单片机 AT89S51、 LED 显示电路、键盘控制电路、声光报警装置和附件电路组成。 图 2-2 系统框图 由图 2-2 可以看出有害气体监测报警器的硬件部分设计是以单片机系统为核心，用于整个设计的数据处理以及控制显示电路、声光报警电路等正常工作。在这里 我们选用 ATMEL 公司生产的 8位单片机 AT89S51。 甲烷 传感器采用 气敏传感器，用于探测采集毒气的浓度。由于该传感器的输出信号为模拟电压信号，要想将采集到的数据送至单片机系统进行数 据处理则需要将模拟信号转换成数字信号，所以在这里我们还要选用 AD0809 芯片进行模数AT89S51 LED 显示 键盘控制 毒气探测器 电 源 AD0809 蜂鸣器、发光二极管（声光报警）
