基于单片机的家用煤气报警器装置

基于单片机的家用煤气报警器装置内容摘要：

排气的功能。 为了实现以上功能，系统应 该 具备 ：CO 气体 传感器 模块 、 A/D 转换 模块 、单片机系统 模块 、 光电隔离技术和切断阀 模块 、 声光报警模块 以及 数据采集处理 模块。 系统框图 图 系统框图 系统整体工作流程介绍： 如图。 首先， 由 CO 气体传感器获取室内 CO 浓度 的 原始 信号， 经传感器内部作用，改变传感器内部电阻，从而输出该 CO 气体浓度下对应的输出电压， 再 经过温度补 偿电路的校正，得到一个较真实的模拟电压值。 经过放大电路的放大，得到一个 可 以 匹配 的电压模拟 信号， 并 将 信号 送入 到 A/D 转换模块，获得相对应 的数字量信号， 再 由单片机 对得到的数字量信号进行处理。 最后， 根据系统 事先 已 经 设定 好 的限值参数 与该数字量 进行CO 传感器 温度补偿 运算放大 A/D转换 单片机 参数设置 光电隔离接口 继电器 切断器 排气扇 11 比较 判断 ， 以 确定 CO 浓度是否超标。 若超标， 则 单片机 立即向光电隔离接口输出控制信号， 启动光电隔离电路， 然后通过继电器打开排气扇， 关闭阀门。 同时启动预警信号进行声光报警。 若未超标，则 光电隔离 部分与报警系统 均 处于关闭状态。 目标 参数 如下： 检测对象： CO气体； 应用范围：家庭； 检测范围： 0～ 1000ppm 的 CO 气体； 工作湿度范围： 10～ 95%RH； 报警浓度： 电池电压： +12V； 工作温度范围： 20～ +70 摄氏度； 响应时间：≦ 30ms ppm： 浓度单位，表示百万分之一，常用来表示气体 /液体浓度； %RH： 表示相对湿度的单位名称。 12 第 3 章 各个模块及功能 CO 气体传感器 传感器的 概述 在半导体 式传感器中， 我 选用了 Motorola 生产的一种专门 适合 家庭 使用 的 应用了全微电子工艺制成的半导体 气体传感器，即 MGS1100 型 CO 气体传感器。 其结构如图 所示。 最下边是微型 Si 桥底座，其中嵌入一个 加热器 ，再在加热器 上 面 制作一层 SnO2 薄膜。 CO与 SnO2 薄膜有一定的接触面，并发生反应。 这种结构 可以 使得 SnO2 薄膜对 CO 气体具有较高的 敏感性 ,而且硅膜 是热的不良导体， 能够 减少热传导的 损失 ,从而大大降低了功耗。 作为 CO 气体敏感元件， MGS1100 具有 稳定性好 、 对 CO 响应的选择性好，灵敏度高等特点。 图 MGS1100 CO传感器横截面图 传感器的封装外表如图 所示。 共有 4 个管脚，其中， 2 个为加热端 （管脚 1 和 3，脚 3接地）， 2个为传感器输出端（管脚 2和 4） ，引脚图如图 所示。 13 图 封装外形图 图 MGS1100 等效电路引脚图（顶视图） CO 气体传感器的工作原理 图 MGS1100 典型测量电路 14 本设计中采用串联电阻检测电路，把传感器输出电阻 Rs 与负载电阻 RL串联后加到一电压源 Vc 上， 如图 所示。 RL上的压降为测量的输出电压 Vout，通过传感器的输出电阻的计算公式： Rs=[（ VcVout） /Vout]*RL ① 可以计算出输出电压 Vout。 为了 减小湿度 的 影响， 使传感器对 CO 能够具有最佳的敏感特性 并 且 具有较好的稳定性和重现性。 使 SnO2 层 能够 达到预定的最佳温度是非常重要的。 在 实验前需要给加热器通电， 使传感器 在高温状态下清除 SnO2 表层的 杂质与水分。 实验时，将传感器放置 在 室内 ，若有 CO 泄漏到空气中，则空气中的 CO 气体会与 传感器的 SnO2 薄膜 层 反应，从而薄膜层变小，导致 电阻随 CO 浓度 的 增大而减小 ， 输出负载电压 VRL（即 ① 式子中的 Vout） 则逐渐变大，因而，通过测量负载电压就可以反应出被测对象的一氧化碳浓度。 实验数据见图。 图 CO浓度下的 Rs 值 MGS1100 型一氧化碳气体传感器的特点： 测量浓度范围： 01000ppm； 测量精度： 3%； 分辨率： 1ppm； 工作温度 ： 20～ 70176。 ； 零点漂移： ppm10。 温度补偿电路 温度补偿电路 由于传感器电阻 Rs 本身容易受到温度的影响，若直接使用会产生误差，经过放大器的放 15 大之后，原本很小的误差 就 会被扩大，从而影响最终的结果。 所以 ， 在这里 ，本设计 使用了一个对称的电桥温度补偿电路， RT为热敏电阻，随室内温度而改变。 如图 所示， 运用电桥补偿法进行温度补偿。 其中， RS为传感器电阻， RL为负载电阻， R1为滑动变阻器，并 选取 OP07（在下面再做介绍） 放大器组成差分放大电路。 图 电桥式温度补偿电路 电路工作原理： 温度升高时，由于温度的影响，传感器电阻 Rs 变大， 而负载电阻 RL不变，由 Vi1=[Vcc/（ RL+Rs） ]*RL可知，传感器输出的电压 Vi1减小了。 即传感器发生零点漂移。 为了消除该漂移的影响，在此，本设计采用了电桥式 温度补偿电路。 热敏电阻 RT随温度 的 升高 ，其电阻变大。 根据电桥式温度补偿电路的原理，当 RS、 RT均随温度升高而增加的时候，只需调 16 整滑动变阻器 R1 的阻值，即可保持 RT/RS=R1/RL。 滑动变阻器 R1 上的电压为 Vi2，则有： Vi2=[Vcc/(RT+R1)]*R1。 而 输出 电压 Vi=Vi1Vi2=0，即保证了传感器在零点输出为 0， 消除 了零点漂移 的问题。 此后，保持滑动变阻器阻值不变， 传感器电阻 RS只 随 CO气体浓度变化而改变，导致输出 电压 Vi1 变动， 电压差 Vi=Vi1Vi2 作为输入信号， 经放大电路放大 ：Vout=100k/10kVi=10（ Vi2Vi1） ，得到放大后的电压信号 Vout，作为 A/D 转换的输入信号。 电压增益 Av=Vout/（ Vi2Vi1），本实验中，放大 10 倍。 OP07 低噪声高精度运算放大器 本设计选用 OP07 放大器组成一个差分放大电路。 OP07 作为 一种低噪声非斩波稳零的 高精度 双极性 运算放大器 ， 具有极低的输入失调电压， 因为可以无需额外的调零措施。 另外，OP07 还具有 开环增益高 以 及长期稳定等特点。 可 以 广泛应用 于 精密绝对值电路、 高增益的测量设备、 比较器 以 及微弱信号的精确放大等。 图 OP07 D8线图 图 OP07 电路图 17 OP07 的 特点 ： A/D 转换模块 ADC0809 的介绍 ADC0809 是美国国家半导体公司生产的 CMOS 单片型逐次逼近式 A/D 转换器，它由 8路模拟开关、地址锁存与译码器、 8 位开关树型 A/D 转换器、比较器以及逐次逼近寄存器、三态输出锁存器、逻辑控制和定时电路等其它一些电路组成。 因此， ADC0809 可处理 8 路模拟量 的 输入， 并 且 具 有三态输出能力，既可 以 与各 种微处理 器相连 接 ， 又 可 以 单独工作。 其 输入输出与 TTL 兼 容。 18 图 ADC0809 内部结构框图 模拟输入部分， ADC0809 具有 8个通道的模拟输入线 (IN0IN7)，可 以 选通 8路模拟开关，允许 8路模拟量输入，共用 A/D 转换器来进行转换。 ALE 为地址锁存信号， 在 高电平时有效。 当 ALE 线为高电平的时候， 可 以 由 3 位地址输入 ADDA、 ADDB、 ADDC 的不同组合来选择 地址信号来进行 锁存。 经译码后，被选中的通道的模拟量进入转换器进行转换。 ADDA,ADDB,ADDC 均为地址输入线，用于选通 IN0IN7 间的一路模拟量输入。 具体通道的选择表如图 所示。 图 通道选择表 主体部分 ， ADC0809 采用 的 是 逐次逼近式的 A/D 转换电路，由 CLK 控制内部电路的工作。 START 为启动命令， 在 高电平 时 ，所有内部寄存器清零； 在 低电平时 ， 开始进行 A/D 转换。 并且，在转换期间， START 需保持低电平。 当转换完成 时 ，输出信号 EOC 变为高电平。 OE为输出允许信号 （转换结束信号） ，高电平有效， 用来 打开输出三态缓冲器 ,把转换后的 数字量送到数据总线上。 OE=1 时，输出转换得到的数据； 0E=0 时，输出数据线呈现高阻态。 ADC0809 的工作过程 首先， 当模拟量送至某一输入通道（ IN0— IM7）后， CPU 将标识该通道编码的三位地址信号经数据线或地址线 分别 输入到 ADDA、 ADDB、 ADDC 的 引脚上。 然后输入 3 位地址，并 19 使 ALE=1， 从而 将地址存入地址锁存器 之 中。 此地址经过译码，选通 8 路模拟输入其中之一到比 较器。 START 于 上升沿 ，将逐次逼近寄存器复位，使内部所有寄存器清零； START于 下降沿 时， 启动 A/D 转换， 然 后 EOC 输出信号变低， 用来 指示转换正在进行 中。 保持START 处于低电平， 直到 A/D 转换完成 ， EOC 变为高电平，指示 A/D 转换结束， 转换好的数据已存入锁存器， 同时， EO=1 这个信号可 以 用作中断申请。 当 转换结束 时 ,OE 输入高电平 （即 0E=1） ，可 以 通过执行 IN 指令，在输出允许 OE 脚上形成一个正脉冲， 使 输出三态门打开， 首先送出地址，然后 将 转换 好 的数字量输出到数据总线上 ， 来 供单片机使用。 ADC0809 的 引脚 及其 功能 图 ADC0809 管脚图 ADC0809 芯片 共 有 28 条引脚，采用双列直插式封装， 如图 所示。 各引脚功能 : IN0～ IN7： 8路模拟量输入端 ； D0～ D7： 8位数字量输出端 ； ALE： 地址锁存选通信号，输入高电平有效 ； CLK：时钟脉冲输入端。 要 求时钟频率不高于 640KHZ（一般为 500kHz）； ADDA、 ADDB、 ADDC： 3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路 ； VCC：电源，接＋ 5V； OE：数据输出允许信号，输入高电平有效。 当 A/D 转换结束时，此端输入一个高电平， 20 才能打开输出 三态门，输出数字量； START： A/D转换启动 脉冲输入端 ，输入高电平 的时候 有效 （即输入一个正脉冲，脉冲上升沿使 ADC08009 复位，下降沿启动 A/D 转换） ； EOC： A/D转换结束信号， 转换期间一直为低电平 ， 当 A/D 转换结束时，此端输出一个高电平； REF（ +）、 REF（ ）：基准电压输入端 ,它们决定了输入模拟电压的最大值 与 最小值 .； GND：接地。 ADC08089 芯片的性能特点 ① 单个 +5V 电源供电； ② 具有转换起停控制端； ③ 不需零点和满刻度校准； ④ 低功耗，约 15mV； ⑤ 8 路输入通道， 8位 A/D 转换器，即分辨率为 8 位 ； ⑥微处理器兼容（三态输出）。 ⑦ 转换时间为 100μ s(时钟为 640kHz 时 )， 130μ s（时钟为 500kHz 时） ； ⑧工作范围为 40～ +85 摄氏度； ⑨模拟输入电压范围为 0～ +5V。 单片机 AT89C51 AT89C51 简介 AT89C51 是一种 低电压、 高性能 的 CMOS 8位微处理器，俗称单片机。 本 器件采用 了 ATMEL高密度 、 非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS51 指令集 以及 输出管脚相兼容 ，自带 4K 字节可闪烁可擦出可编程只读存储器。 因为 将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在 了 单个芯片 之 中， ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器。 AT89C51 单片机 已 为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性 较 高 并 且 价格低廉 的方案。 21 AT89C51 的功能特性概述 AT89C51 能 够 提供以下标准功能： ① 4K 字节 Flash 闪速存储器； ② 32 个 I/O 口线； ③ 128 字节内部 RAM； ④ 两个 16位定时器； ⑤一个全双工串行通信口； ⑥ 片。