基于单片机的煤气泄漏报警系统设计学士学位论文(编辑修改稿)

基于单片机的煤气泄漏报警系统设计学士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短 (大约两年 )。 它主要适用于毒性气体检测。 目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。 （ 6）热传导传感器 热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。 它的测量原理是：将加热后的铂电阻线圈置于目标烟雾中，由于向目标气体传送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻值的变化情况。 温度的变化情况 是目标气体热传导率的函数，而对于一种给定的气体，热传导率是它固有的物理特性。 （ 7）红外传感器 红外传感器通常用两束红外光进行气体测量，主光束通过测量元件内的目标气体，参考光束通过比较元件内的参考气体。 在测量和比较元件中，红外射线被气体有选择地吸收了。 未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目标气体浓度的差分信号。 非扩散式红外探测器 NDIR (nondispersive IR )是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。 不同的气体吸收不同波长的 IR，所以传感器根据目标气体而调整，典型应用包括测量 CO 和 CO冷冻剂烟雾和一些易然气。 由于非碳氢化合物易燃气体 (如沈阳理工大学学士学位论文 7 氢 )不吸收电磁谱中 IR 部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物，并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其它气体的腐蚀以及高浓度目标烟雾的影响。 由于气体的种类繁多，一种类型的气体传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的气体。 例如氧化物半导体气体传感器主要检测各种还原性烟雾，如 CO、 H C2H5OH、 CH3OH 等。 固体电解质气体传感器主要用于检测无机气体，如O CO H Cl SO2 等。 气体传感器的选定 天煤气 泄漏报警器 主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气站、喷漆作业等易发生可燃气体泄漏的场所，根据报警器检测气体种类的要求，一般选用接触燃烧式气敏传感器和半导体气敏传感器。 使用接触燃烧式气敏传感器，其探头的阻缓及中毒 ,是不可避免的问题。 阻缓是当在气体与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。 虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得 到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致该传感器最终丧失检测烟雾的能力。 中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。 当怀疑检测环境中存在这些物质时，经常对探头进行标定，是必须且有效的办法。 因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。 一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，无形中加大了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。 半导体气敏传感器包括用氧化物半导体陶 瓷材料作为敏感体制作的气体传感器以及用单晶半导体器件制作的气体传感器，它具有灵敏度高，响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。 半导体气敏传感器的性能主要看其灵敏度、选择性 (抗干扰性 )和稳定性 (使用寿命 )。 沈阳理工大学学士学位论文 8 经过对比上述两种气敏传感器的应用特性，发现半导体气敏传感器的优点更加突出：灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。 因此，本设计采用半导体气敏传感器作为报警器气体信息采集部分的核心。 而在众多半导体气敏传感器中，本设计选用 MQ2 型气敏传感器，这种型号的传感器具备一般半导体气敏传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。 煤气泄露报警系统的整体设计方案 煤气泄露报警器工作原理 本论文中的煤气泄漏报警器以 STC12C5A60S2 单片机为控制核 心，采用 MQ2 型电阻式半导体传感器采集气体信息。 首先，气体传感器送来的气体浓度对应的电压信号送入 STC12C5A60S2 单片机；然后，在 STC12C5A60S2 单片机内 A/D 转换、气体浓度比较，对数据进行线性化处理，将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值；最 后，判断气体浓度值是否超出报警限，当气体浓度处于正常状态红灯不会闪亮，当气体浓度超出设定的限定值时，发出声音报警并伴随红灯亮。 另外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，保证气体传感器准确地、稳定地工作，报警器需要向气体传感器持续输出一个 5V的电压。 煤气泄露报警器的结构 为适应家庭对可燃性易爆气体安全性要求，设计的可燃性气体报警仪应不仅能在较宽的温度范围工作，而且应具有显示可煤气体浓度、可接计算机进行现场远测和实时控制等功能。 其目标是在传 统的烟雾报警仪的基础上，尽量提高准确性，降低成本，缩小体积。 系统 使用 STC12C5A60S2 单片机，选用 气敏 传感器作为敏感元件， 显示电路 ， 及报警装置 开发了可用于 家庭或 小型单位 天煤气泄漏 报警器。 整个设计由 3 大部分构成：气敏传感器、 STC12C5A60S2 单片机、显示电路。 气敏传感器是将现场气体浓度 非电信号转化为电信号；转换电路 是将 完成将 气体 传感器输出的模拟信号到数字信号的转换。 沈阳理工大学学士学位论文 9 装置功能说明 煤气泄漏检测装置，顾名思义是用来检测煤气泄漏，使煤气使用更加安全。 在使用此装置前，首先设置好报警的气体浓度值 ，设置浓度可调，将装置放置在煤气容易泄漏的区域，当煤气或者其他煤气泄漏的时候，空气中气体浓度超过设定值时，装置会发出灯光及声音的报警。 装置效果图 图 2. 错误 !未找到引用源。 成品效果图 沈阳理工大学学士学位论文 10 3 煤气泄漏检测报警装置的硬件部分设计 硬件电路形象的说就是整个装置的框架，硬件电路的设计，直接影响装置功能能否实现。 硬件电路的设计首先必须了解各原件的性能指标，工作原理，以及整体的电路连接。 本章主要介绍一些单片机最小系统，显示电路，传感器电路 STC12C5A60S2 系列单片机简介 STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机是宏晶科 技生产的单时钟 /机器周期 (1T)的单片机，是高速 /低功耗 /超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051,但速度快 812 倍。 内部集成 MAX810 专用复位电路 ,2 路 PWM,8 路高速 10 位 A/D 转换 (250K/S.，即 25 万次每秒 )，针对电机控制，强干扰场合。 1. 增强型 8051 CPU， 1T，单时钟 /机器周期，指令代码完全兼容传统 8051 2. 工作电压： STC12C5A60S2 系列工作电压： （ 5V单片机） STC12LE5A60S2 系列工作电压： （ 3V单片机） 3. 工作频率范围： 0～ 35MHz，相当于普通 8051 的 0～ 420MHz 4. 用户应用程序空间 8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K 字节 ...... 5. 片上集成 1280 字节 RAM 6. 通用 I/O 口（ 36/40/44 个），复位后为：准双向口 /弱上拉（普通 8051 传统 I/O 口）可设置成四种模式：准双向口 /弱上拉，强推挽 /强上拉，仅为输入 /高阻，开漏每个 I/O 口驱动能力均可达 20mA，但整个芯片最大不超过 120mA。 7. ISP（在系统可编程） / IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器 可通过串口（ ）直接下载用户程序，数秒即可完成一片 8. 有 EEPROM 功能 (STC12C5A62S2/AD/PWM 无内部 EEPROM) 9. 看门狗 MAX810 专用复位电路（外部晶体 12M 以下时，复位脚可直接 1K 电阻到地） 沈阳理工大学学士学位论文 11 11. 外部掉电检测电路 : 在 口有一个低压门槛比较器， 5V单片机为 ，误差为177。 5%, 单片机为 ，误差为177。 3% 12. 时钟源：外部 高精度晶体 /时钟，内部 R/C 振荡器 (温漂为177。 5% 到177。 10% 以内 )用户在下载用户程序时，可选择是使用内部 R/C 振荡器还是外部晶体 / 时钟 常温下内部 R/C 振荡器频率为： 单片机为： 11MHz ～ 单片机为：8MHz ～ 12MHz，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准 13. 共 4 个 16 位定时器 两个与传统 8051 兼容的定时器 /计数器 ,16 位定时器 T0 和 T1，没有定时器 2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器 ,再加上 2 路 PCA 模块可 再实现 2 个 16 位定时器 14. 3 个时钟输出口，可由 T0 的溢出在 ，可由 T1 的溢出在 输出时钟 ,独立波特率发生器可以在 口输出时钟 15. 外部中断 I/O 口 7 路 ,传统的下降沿中断或低电平触发中断 ,并新增支持上升沿中断的 PCA 模块， Power Down 模式可由外部中断唤醒， INT0/,INT1/,T0/, T1/, RxD/,CCP0/(也可通过寄存器设置到 ), CCP1/(也可通过寄存器设置到 ) 16. PWM(2 路） / PCA（可编程计数器阵列 ,2 路） 也可用来当 2 路 D/A 使用 也可用来再实现 2 个定时器 也可用来再实现 2 个外部中断 (上升沿中断 /下降沿中断均可分别或同时支持 ) 17. A/D 转换 , 10 位精度 ADC，共 8 路，转换速度可达 250K/S(每秒钟 25 万次 ) 18. 通用全双工异步串行口 (UART)，由于 STC12 系列是高速的 8051，可再用定时器或 PCA 软件实现多串口 19. STC12C5A60S2 系列有双串口，后缀有 S2 标志的才有双串口， RxD2/(可通过寄存器设置到 )， TxD2/(可通过寄存器设置到 ) 20. 工作温度范围： 40 ~ +85℃ (工业级 ) / 0 ~ 75℃ (商业级 ) 沈阳理工大学学士学位论文 12 ： LQFP48, LQFP44, PDIP40, PLCC44, QFN40I/O 口不够时，可用 2 到 3 根普通 I/O 口线外接 74HC164/165/595（均可级联）来扩展 I/O 口 ,还可用 A/D 做按键扫描来节省 I/O 口，或用双 CPU,三线通信，还多了串口。 STC12C5A60S2 系列单片机的内部结构 STC12C5A60S2 系列单片机的内部结构框图如下图所示。 STC12C5A60S2 单片机中包含中央处理器 (CPU)、程序存储器 (Flash)、数据存储器 (SRAM)、定时 /计数器、 UART 串口、串口 I/O 接口、高速 A/D 转换、 SPI 接口、 PCA、看门狗及片内 R/C 振荡器和外部晶体振荡电路等模块。 STC12C5A60S2 系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。 管脚说明 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口： P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。 当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。 在 FIASH 编程时， P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输 出 原 码 ， 此 时 P0 外 部 必 须 被 拉 高。 P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 口缓冲器能接收输出 4TTL门电流。 P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。 在 FLASH 编程和校验时， P1 口作为第八位地址接收。 P2 口： P2 口为一个 内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL门电流，当 P2 口被写 ―1‖时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。 这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2 口输出地址的高八位。 在给出地址 ―1‖时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口 ： P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻 的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。 沈阳理工大学学士学位论文 13 当 P3 口写入 ―1‖后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。 作为输入，由于外部下拉为低电平， P3 口 将 输 出 电 流 （ ILL ） 这 是 由 于 上 拉 的 缘 故。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚备选功能 RXD （串行输入） TXD （。