智能型燃氣泄漏控制器的研究設(shè)計【答辯稿+畢業(yè)論文+開題報告+外文翻譯】,智能型,燃氣,泄漏,控制器,研究設(shè)計,答辯,畢業(yè)論文,開題報告,智能型燃氣泄漏控制器,外文翻譯 畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 摘 要 隨著信息時代的到來，作為獲取信息的手段 —— 傳感器技術(shù)得到了 顯著 的進步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，對其要求越來越高，需求越來越迫切。傳感器技術(shù)已成為衡量一個國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標志之一。因此，了解并掌握各類傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。 為了提高對傳感器的認識和了解，尤其是對氣體傳感器的深入研究以及其用法與用途，基于實用、廣泛和典型的原則而設(shè)計了本系統(tǒng)。 本文利用單片機結(jié)合傳感器 技術(shù)而開發(fā)設(shè)計了這一 煙霧監(jiān)控系統(tǒng) 。 本論文以電阻式氣體傳感器和單片機技術(shù)為核心并與其他電子技術(shù)相結(jié) 合，設(shè)計出一種煙霧報警器。其中選用半導(dǎo)體 可燃氣體 敏感元件 煙霧傳感器實現(xiàn)煙霧的檢測，具有靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強等優(yōu)點，而且價格低廉，使用壽命長。 以單片機和半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器為核心設(shè)計的氣體報警器可實現(xiàn)聲光報警功能。是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便、價格低廉、智能化的氣體報警器。具有一定的實用價值。 關(guān)鍵詞 ： 傳感器 報警器 單片機 畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 目 錄 摘 要 ............................................................................................................................ 1 .........................................................................................未定義書簽。 第 1 章 緒論 .................................................................................................................. 4 庭燃氣泄漏報警的概述 ..................................................................................... 4 庭燃氣泄漏報警的現(xiàn)狀 ..................................................................................... 4 庭燃氣泄漏報警的發(fā)展趨勢 ............................................................................. 5 氣泄漏報警研究意義與目的 ............................................................................. 5 第 2 章燃氣泄漏報警系統(tǒng)的方案設(shè)計 ........................................................................ 6 氣報警系統(tǒng)的設(shè)計思路 ..................................................................................... 6 體傳感器的選型 ................................................................................................. 6 體傳感器介紹 ............................................................................................ 6 體傳感器的選定 ...................................................................................... 10 氣泄露報警系統(tǒng)的整體設(shè)計方案 ................................................................... 11 氣泄露報警器工作原理 .......................................................................... 11 氣泄露報警器的結(jié)構(gòu) .............................................................................. 11 體檢測報警器的功能 .............................................................................. 12 第 3 章 家庭燃氣泄漏報警系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計 .................................................... 13 控電路的設(shè)計 ................................................................................................... 13 導(dǎo)體氣體傳感器簡介 .............................................................................. 13 A. 標準工作條件 ........................................................................................................ 15 片機的選擇 .............................................................................................. 17 片機的基本結(jié)構(gòu) ..................................................................... 19 片機的引腳 ............................................................................. 20 片機的時鐘電路 ..................................................................... 22 片機的復(fù)位電路 ..................................................................... 23 圍接口電路的設(shè)計 ........................................................................................... 24 換器的介紹 ............................................................................ 24 換器和 片機的接口電路 ................................... 25 音報警電路 ............................................................................................. 26 光報警電路 ............................................................................................. 27 電路設(shè)計 ........................................................................................................... 27 第 4 章 燃氣泄漏報警系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計 ............................................................ 28 程序設(shè)計流程圖 ..................................................................................... 28 程序的編程 ............................................................................................. 29 序調(diào)試 ............................................................................................................... 33 畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 序調(diào)試的步驟 .......................................................................................... 34 序調(diào)試過程中的問題及解決 .................................................................. 35 小節(jié)與展望 .................................................................................................................. 36 致 謝 ............................................................................................未定義書簽。 參考文獻 ........................................................................................未定義書簽。 附錄一、家庭燃氣泄漏報警系統(tǒng)電路圖 ....................................未定義書簽。 附錄二、英文文獻 ........................................................................未定義書簽。 微機發(fā)展簡史 ................................................................................未定義書簽。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 第 1 章 緒論 庭燃氣泄漏報警的概述 燃氣泄漏報警器是非常重要的燃氣安全設(shè)備， 由 氣體傳感器 、 單片機 和報警器組成 。 它是安全使用城市燃氣的最后一道保護。燃氣泄漏報警器通過 氣體傳感器 探測周圍環(huán)境中的低濃度可燃氣體，通過采樣電路，將探測信號用模 擬量或數(shù)字量傳遞給控制器或控制電路，當氣體濃度超過控制器或控制電路中設(shè)定值時，控制器通過執(zhí)行器或執(zhí)行電路發(fā)出報警信號或執(zhí)行關(guān)閉燃氣閥門等動作。氣體報警器的探測氣體傳感器主要有氧化物半導(dǎo)體型、催化燃燒型、熱線型氣體傳感器，還有少量的其他類型，如化學(xué)電池類傳感器。這些傳感器都是通過對周圍環(huán)境中的可燃氣體的吸附，在傳感器表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，造成傳感器的電物理特性的改變 ， 經(jīng)單片機處理后 報警 。 庭燃氣泄漏報警的現(xiàn)狀 氣體檢測 報警產(chǎn)品是一個系列產(chǎn)品，包括 氣體 探測設(shè)備、信息傳輸設(shè)備、報警分析控制器。 是物理傳感技術(shù)、自動控制、計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸和管理、智能樓宇等技術(shù)的綜合集成，屬于高新技術(shù)。依托中國多年的基本建設(shè)的發(fā)展，這個行業(yè)也得到發(fā)展，具備了和國外知名企業(yè)抗衡的能力。在目前中國許多冠名以高新技術(shù)的行業(yè)中，中國企業(yè)大多做的是下游的制造和服務(wù)，分取極少一部分的利潤， 像安 防報警產(chǎn)品那樣又擁有自我知識產(chǎn)權(quán)，又擁有大量市場的行業(yè)其實是很少的。 在 安 防報警產(chǎn)品的技術(shù)含量上，國內(nèi)產(chǎn)品和國外產(chǎn)品差距不是很大，許多指標已經(jīng)超越，存在的問題是：類似于國外 安 防報警產(chǎn)品的大批量規(guī)?；纳a(chǎn)才剛起步，有待于積累經(jīng)驗和技術(shù)； 也因此在產(chǎn)品一致性和長期穩(wěn)定性上有一些差距；國內(nèi)正在形成權(quán)重的大型企業(yè)和集團，這樣可以帶領(lǐng)國內(nèi)的各家企業(yè)去沖擊海外市場，并最終占領(lǐng)海外的 安 防報警市場。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 庭燃氣泄漏報警的發(fā)展趨勢 二十多年前， 我 國的 安 防報警產(chǎn)品剛剛起步，無論產(chǎn)品技術(shù)含量、產(chǎn)品系列完整性、使用性，還是社會影響程度都是相當?shù)偷?。國外的產(chǎn)品和品牌 卻 占領(lǐng) 我們 的大部分市場。由于中國的建設(shè)正在 面臨 飛速發(fā)展， 我們應(yīng)該抓住廣闊的市場空間，慶幸 的是中國企業(yè)抓住了 這次 機遇，頂住了挑戰(zhàn)，先是一批國家的科研院所，后是一批國營企業(yè)、民營企業(yè)，業(yè)內(nèi)也吸引和凝聚 一大批國內(nèi)的技術(shù)和管理精英，花了多年時間，通過幾次產(chǎn)品更新?lián)Q代，就使自己的產(chǎn)品緊緊跟上了國際水平，并且奪回了大部分國內(nèi)市場，使得現(xiàn)在大多國外產(chǎn)品只有招架之 勢 ，這是典型的自力更生，走自己的路。當然目前而言，我們基本占據(jù)的是國內(nèi)市場，對外還剛 剛 啟動。 但是， 中國 企業(yè)已經(jīng)做好 準備進軍海外市場。 氣泄漏報警研究意義與目的 面對燃氣泄漏而造成的種種事故威脅，我們需要一個解決辦法。使用燃氣報警器是對付燃氣無形殺手的重要手段之一。燃氣專家指出，燃氣泄漏或廢氣排放而大量產(chǎn)生的一氧化碳是燃氣中毒事響應(yīng)的根源，如采有用 燃氣泄漏報警器就能得到及時的警示。有關(guān)部門經(jīng)長期測試得出結(jié)論，燃氣報警器防止一氧化碳中毒事故發(fā)生的有效率達 95%以上。 計算機的普及和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們己不滿足于傳統(tǒng)的居住環(huán)境，對家庭及住宅小區(qū)提出了更高的要求，智能化被引入家庭，并迅速在世界各地發(fā)展起來。人們對居住環(huán)境要求的日見增高，體現(xiàn)在希望住宅不僅更便利、舒適而且更安全。 單片機在日用電子產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛，燃氣泄漏則是人們?nèi)粘Ｉ钪谐３Ｐ枰獪y量和控制的一個問題。單片機有利于 為現(xiàn)代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的設(shè)施。 為了防止中毒事件再 次發(fā)生，提出利用單片機系統(tǒng)進行有效的預(yù)防對策。所以怎樣防止煤氣中毒與爆炸已成為人們的迫切需要 。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 第 2 章燃氣泄漏報警系統(tǒng)的方案設(shè)計 氣報警系統(tǒng)的設(shè)計思路 燃氣報警系統(tǒng) 是能夠檢測環(huán)境中的可 燃性氣體 濃度，并具有報警功能的儀器，儀器的最基本組成部分應(yīng)包括： 氣體 信號采集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機控制電路。 氣體 信號采集電路一般由 氣體 傳感器和模擬放大電路組成，將 氣體 信號轉(zhuǎn)化為模擬的電信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將從 燃氣 檢測電路送出的模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機可識別的數(shù)字信號后送入單片機。單片機對該數(shù)字信號進行處理，并對處理 后的數(shù)據(jù)進行分析，是否大于或等于某個預(yù)設(shè)值 (也就是報警限 )，如果大于則會自動啟動報警電路發(fā)出報警聲音，反之則為正常狀態(tài)。為使報警裝置更加完善，可以在聲音報警基礎(chǔ)上，加入光閃報警，變化的光信號可以引起用戶注意，彌補嘈雜環(huán)境中聲音報警的局限。以上是根據(jù)報警器應(yīng)具備的功能，提出的整體設(shè)計思路。 煙霧傳感器及單片機是 燃氣泄漏報警器 的兩大核心，根據(jù)報警器功能的需要，選擇合適、精確、經(jīng)濟的煙霧傳感器及單片機芯片是至關(guān)重要的。氣體傳感器的選型在下一節(jié)介紹。單片機作為硬件電路的核心，它的選型將在第三章詳述。 體傳 感器的選型 氣體傳感器屬于氣敏傳感器，是氣 將可燃性氣體在空氣中的含量 (即濃度 )轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號，通過 A/D 轉(zhuǎn)換電路 將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到單片機，進而由單片機完成數(shù)據(jù)處理、濃度 處理及報警控制等工作。氣體傳感器作為 燃氣泄漏報警器 的信號采集部分，是儀表的核心組成部分之一。由此可見，氣體傳感器的選型是非常重要的。 體傳感器介紹 (1)氣體傳感器的分類 氣體傳感器種類繁多，從檢測原理上可以分為三大類： 1利用物理化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器：如半導(dǎo)體氣體傳感器、接觸燃燒氣體傳感器等。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 2利用物理性質(zhì)的氣體傳感器：如熱導(dǎo)氣體傳感器、光干涉氣體傳感器、紅外傳感器等。 3利用電化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器：如電流型氣體傳感器、電勢型氣體傳感器等。 (2)氣體傳感器應(yīng)滿足的基本條件 一個氣體傳感器可以是單功能的，也可以是多功能的；可以是單一的實體，也可以是由多個不同功能傳感器組成的陣列。但是，任何一個完整的氣體傳感器都必須具備以下條件： 1能選擇性地檢測某種單一氣體，而對共存的其它氣體不響應(yīng)或低響應(yīng)； 2對被測氣體具有較高的靈敏度，能有效地檢測允許范圍內(nèi)的氣體濃度； 3對檢測信號響應(yīng)速 度快，重復(fù)性好； 4長期工作穩(wěn)定性好； 5使用壽命長； 6制造成本低，使用與維護方便。 (3)常見氣體傳感器簡介 下面對常用的幾種氣體傳感器作簡單介紹。 半導(dǎo)體氣體傳感器 半導(dǎo)體氣體傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的氣體傳感器，以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的氣體傳感器。自 1962年半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器問世以來，由于具有靈敏度高、響應(yīng)快、輸出信號強、耐久性強、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜等諸多優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用。該傳感器己成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的氣體傳感器之一。按照敏感機理分類， 可分為電阻型和非電阻型。 固體電解質(zhì)氣體傳感器 固體電解質(zhì)氣體傳感器使用固體電解質(zhì)氣敏材料作為氣敏元件，其原理是利用氣敏材料在通過氣體時產(chǎn)生電阻，測量其形成電動勢從而測量氣體濃度。由于這種傳感器電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，因而得到了廣 泛的應(yīng)用，幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個領(lǐng)域，其產(chǎn)量僅次于半導(dǎo)體氣體傳感器的一類傳感器。但這種傳感器制造成本高，檢測氣體范圍有限，在檢測環(huán)境污染領(lǐng)域中有優(yōu)勢。 接觸燃燒式氣體傳感器 當易燃氣體接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時會發(fā)生氧化反應(yīng)而燃燒，故得名接觸燃燒式傳 感器。接觸燃燒式氣體傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲 畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 (也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層 )，使用時將鉑絲通電，保持 300° C~400°時若與氣體接觸，氣體就會在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會上升，鉑絲的電阻值也上升；通過測量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道氣體的濃度。 高分子氣體傳感器 利用高分子氣敏材料制作的氣體傳感器近年來得到很大的發(fā)展。高分子氣敏材料在遇到特定氣體時，其電阻、介電常數(shù)、材料表面聲波傳播速 度和頻率、材料重量等物理性能發(fā)生變化。高分子氣敏材料由于具有易操 作性、工藝簡單 、常溫選擇性好、價格低廉、易與微結(jié)構(gòu)傳感器和聲表面波器件相結(jié)合，在毒性氣體和食品鮮度等方面的檢測中具有重要作用。高分子氣體傳感器具有對特定氣體分子靈敏度高，選擇性好，且結(jié)構(gòu)簡單，能在常溫下使用，可以彌補其它氣體傳感器的不足。 電化學(xué)傳感器 電化學(xué)傳感器由膜電極和電解液封裝而成。氣體濃度信號將電解液分解成陰陽帶電離子，通過電極將信號傳出。它的優(yōu)點是：反映速度快、準確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測，但壽命較短 (大約兩年 )。它主要適用于毒性氣體檢測。目前國際上絕大部分毒氣檢測采用該類型傳感器。 熱傳導(dǎo)傳感器 熱 傳導(dǎo)傳感器與接觸燃燒式傳感器具有類似的結(jié)構(gòu)形式，但是測量原理不同。它的測量原理是：將加熱后的鉑電阻線圈置于目標煙霧中，由于向目標氣體傳送熱量造成溫度降低，引起電阻值變化，傳感器即測量電阻 值的變化情況。溫度的變化情況是目標氣體熱傳導(dǎo)率的函數(shù)，而對于一種給定的氣體，熱傳導(dǎo)率是它固有的物理特性。 紅外傳感器 紅外傳感器通常用兩束紅外光進行氣體測量，主光束通過測量元件內(nèi)的目標氣體，參考光束通過比較元件內(nèi)的參考氣體。在測量和比較元件中，紅外射線被氣體有選擇地吸收了。未吸收的紅外光由光電探測器測量，產(chǎn)生一個正比于 目標氣體濃度的差分信號。非擴散式紅外探測器 R )是其中的一種，所有的未吸收光全部以最小的擴散和損耗被記錄下來。 不同的氣體吸收不同波長的 以傳感器根據(jù)目標氣體而調(diào)整，典型應(yīng)用包括測量 凍劑煙霧和一些易燃氣。由于非碳氫化合物易燃氣體 (如 畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 氫 )不吸收電磁譜中 以這種傳感器可以精確地測量碳氫化合物，并具有最小的交叉靈敏度，而且不受其它氣體的腐蝕以及高濃度目標煙霧的影響。 (4)常見氣體傳感器可檢測氣體種類 由于氣體的種類繁多，一種 類型的氣體傳感器不可能檢測所有的氣體，通常只能檢測某一種或兩種特定性質(zhì)的氣體。例如氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器主要檢測各種還原性煙霧，如 。固體電解質(zhì)氣體傳感器主要用于檢測無機氣體，如 簡要列舉出已經(jīng)研究、開發(fā)的各類氣體傳感器及其可檢測的氣體種類 傳感器種類 2S O 2 32 導(dǎo)體氣體傳感器 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 固體電解質(zhì)傳感器 ○ ○ ○ ○ ○ 接觸燃燒式傳感器 ◎ ○ ○ ○ 電化學(xué)式傳感器 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 高分子電解質(zhì)氣體傳感器 ◎ ○ ○ ○ ○ 注：○好 ◎不太好 表 種氣體傳感器可檢測的氣體種類 畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 體傳感器的選定 燃氣泄漏報警器 主要應(yīng)用在石油、化工、冶金、油庫、液化氣站、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃氣體泄漏的場所，根據(jù)報警器檢測氣體種類的要求，一般選用接觸燃燒式氣體傳感器和半導(dǎo) 體氣體傳感器。 使用接觸燃燒式氣體傳感器，其探頭的阻緩及中毒，是不可避免的問題。阻緩是當在氣體與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下，則有可能在無焰燃燒的同時，有些固態(tài)物質(zhì)附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應(yīng)緩慢反應(yīng)滯緩，靈敏度降低。雖然將阻緩的傳感器再放回新鮮空氣環(huán)境中有得到某種程度的恢復(fù)的可能，但是如果長期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會不斷下降，導(dǎo)致該傳感器最終喪失檢測煙霧的能力。中毒是如果環(huán)境空氣中含有硅烷之類的物質(zhì)時，則傳感器將使催化元件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的中毒，以致靈敏度很快就喪失。當 懷疑檢測環(huán)境中存在這些物質(zhì)時，經(jīng)常對探頭進行標定，是必須且有效的辦法。 因此，經(jīng)常對傳感器進行標定，是保證其準確性的必要的途徑。一般連續(xù)使用兩個月后應(yīng)對傳感器進行量程校準，這種經(jīng)常性對傳感器的維護，無形中加大了工作人員的工作量，同時增加了報警器的維護成本。 半導(dǎo)體氣體傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的氣體傳感器以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的氣體傳感器，它具有靈敏度高，響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、價格便宜等優(yōu)點，因而得到廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體氣體傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性 (抗干擾性 )和穩(wěn) 定性 (使用壽命 )。 經(jīng)過對比上述兩種氣體傳感器的應(yīng)用特性，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體氣體傳感器的優(yōu)點更加突出：靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價格便宜，且不會發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護成本較低等。因此，本設(shè)計采用半導(dǎo)體氣體傳感器作為報警器氣體信息采集部分的核心。而在眾多半導(dǎo)體氣體傳感器中，本設(shè)計選用種型號的傳感器不但具備一般半導(dǎo)體氣體傳感器靈敏度 高、響應(yīng)快、抗干擾能力強、壽命長等優(yōu)點 。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 氣泄露報警系統(tǒng)的整體設(shè)計方案 氣泄露報警器工作原理 本論文中的 燃氣報警報警器 以 片 機為 控制核 心，采用 電阻式半導(dǎo)體傳感器采集氣體信息。 首先， 氣體 傳感器送來的 氣體 濃度對應(yīng)的電壓信號送入 片機；然后，在 片機內(nèi) A/D 轉(zhuǎn)換、 氣體 濃度比較，對數(shù)據(jù)進行線性化處理，將數(shù)字化電壓信號轉(zhuǎn)化成為對應(yīng)的十進制濃度值；最后，并判斷 氣體 濃度值是否超出報警限，當 氣體 濃度處于正常狀態(tài)紅燈不會閃亮，當 氣體 濃度超出設(shè)定的限定值時，發(fā)出聲音報警并伴隨紅燈閃亮。另外由于 氣體 傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反應(yīng)越快，響應(yīng)時間和恢復(fù)時間就越快。為提高響應(yīng)時間，保證 氣體 傳感器準確地、穩(wěn)定地工作，報警器需要向 氣體 傳感器持續(xù)輸出一個 5了保證其可靠性，在輸出 5V 的電壓的同時，進行故障監(jiān)測。 氣泄露報警器的結(jié)構(gòu) 為適應(yīng)家庭對可燃性易爆氣體安全性要求，設(shè)計的可燃性氣體報警儀應(yīng)不僅能在較寬的溫度范圍工作，而且應(yīng)具有顯示可燃氣體濃度、可接計算機進行現(xiàn)場遠測和實時控制等功能。其目標是在傳統(tǒng)的煙霧報警儀的基礎(chǔ)上，盡量提高準確性，降低成本，縮小體積。 燃氣泄露 報警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 示，該系統(tǒng)以單片機為核心，配合外圍電路共同完成信號采集、聲音及閃爍報警 等功能。系統(tǒng)采用高性能的單片機，要求工作穩(wěn)定、測量精度高、通用性強、功耗低，保證報警器的精確性及可靠性，而且最好體積小，成本低，有利于減少報警器的體積，降低報警器的成本 畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 圖 氣泄漏報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 使用 用 氣體 傳感器作為敏感元件，利用 A/D 轉(zhuǎn)換器和聲光報警電路 ，開發(fā)了可用于 家庭或 小型單位 燃氣泄漏 報警器。 整個設(shè)計由 4大部分構(gòu)成：氣體傳感器、 A/片機、聲光報警電路。 氣體傳 感器是將現(xiàn)場氣 體濃度 非電信號轉(zhuǎn)化為電信號；轉(zhuǎn)換電路 是將 完成將 氣體 傳感器輸出的模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。聲光報警模塊由單片機和報警電路組成，由單片機控制實現(xiàn)不同的聲光報警功能。 體檢測報警器的功能 (1)聲光報警功能 當氣體濃度取值處在報警限值之上，蜂鳴器開始報警，且聲音越來越急促，并且伴隨紅燈閃爍。因為人對變化的信號更為敏感，所以變化的聲音及燈光更容易引起用戶的注意。 (2)看門狗自檢單片機狀態(tài)功能 調(diào)用單片機中的看門狗程序，定時檢查單片機工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)單片機出現(xiàn)死循環(huán)狀態(tài)，立即復(fù)位，保證報警器工 作正常。 (6)與上位機通訊功能 氣體 傳感器 A/D 轉(zhuǎn)換器 片機 燈光報警 聲音報警 氣體 濃度 電源 時鐘 復(fù)位 畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 可以實現(xiàn)與計算機串口通訊，對報警器采取統(tǒng)一控制，以及便于采集和處理數(shù)據(jù)，也可以在計算機上更改報警限值等。 第 3 章 家庭燃氣泄漏報警系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計 控電路的設(shè)計 導(dǎo)體 氣體傳感器簡介 半導(dǎo)體氣體傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的氣體傳感器以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的氣體傳感器，它具有靈敏度高，響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、價格便宜等優(yōu)點，因而得到廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體氣體傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性 (抗干擾性 )和穩(wěn)定性 (使用壽命 )。 圖 畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 當傳感器所處環(huán)境中存在可燃性氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃性氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。 （ 1） 靈敏度特性： 圖 注：圖中縱坐標為傳感器的電阻比（ o），橫坐標為氣體濃度。 示傳感器在 不同濃度 氣體中的電阻值 示傳感器在 1000氣中的電阻值 圖 畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 （ 2）溫 /濕度的影響 ： 圖 傳感器典型的溫度、濕度特性曲線 圖中縱坐標是傳感器的電阻比（ o）。 1000烷、不同溫 /濕度下 傳感器 的電阻值 000 烷、 20℃ /65% 傳感器 的電阻值 （ 3）基本測試回路： 圖 該傳感器需要施加 2個電壓：加熱器電壓（ 測試電壓（ 其中 。 的電壓（ 這種傳感器具有輕微的極性， 滿足傳感器電性能要求的前提下， 更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當?shù)? （ 4） 規(guī)格： A. 標準工作條件 10 0 10 20 30 40 50 ℃060%c L 畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 B. 環(huán)境條件 C. 靈敏度特性 敏感體功耗（ ： L)2 傳感器電阻（ ： 5） 結(jié)構(gòu)，外形 結(jié)構(gòu) A 或 B), 由微型感層 ,測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有６只針狀管腳，其中４個用于信號取出，２個用于提供加熱電流 。 符號 參數(shù)名稱 技術(shù)條件 備注 路電壓 ≤ 24V H 加熱電壓 . 2V L 負載電阻 可調(diào) 熱電阻 31Ω± 3Ω 室溫 熱功耗 ≤ 900符號 參 數(shù)名稱 技術(shù)條件 備注 用溫度 ＋ 50℃ 存溫度 ＋ 70℃ 相對濕度 小于 95% 氣濃度 21%(標準條件 ) 氧氣濃度會影響靈敏度特性 最小值大于２％ 符號 參數(shù)名稱 技術(shù)參數(shù) 備注 感體表面電阻 220(20003 適用范圍： 300烷、丁烷、氫氣 α (3濃度斜率 ≤ 準工作條件 溫度： 20℃± 2℃ 相對濕度： 65%±5% 預(yù)熱時間 不少于 48小時 畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 圖 烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。 片機的選擇 單片機作為燃氣泄漏報警器的核心部件，一方面它要接收來自傳感器的氣體濃度 的模擬信號和故障檢測信號，另一方面要對兩種信號分別進行處理，控制后續(xù)電路的相應(yīng)工作；同時，查詢是否有鍵按下的命令。在單片機實現(xiàn)的功能中，部件 材料 1 氣體敏感層 二氧化錫 2 電極 金（ 3 測量電極引線 鉑（ 4 加熱器 鎳鉻合金（ 5 陶瓷管 三氧化二鋁 6 防爆網(wǎng) 100目雙層不銹鋼（ 7 卡環(huán) 鍍鎳銅材（ 8 基座 膠木或尼龍 9 針狀 管腳 鍍鎳銅 材（ 圖 畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號做數(shù)字濾波，再進行線性化處理，這一過程的軟件實現(xiàn)，需要單片機有較快的運算速度，使儀表監(jiān)測人員能夠觀測到并進行相應(yīng)處理。同時，在能夠滿足報警器設(shè)計的計算速度及接口數(shù)的要求的同類型單片機中，要考慮選擇價格低廉且體積輕巧的機型，在保證了報警器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎(chǔ)上，能夠不提高成本，縮小體積。 司生產(chǎn)的 一種帶 4K 字節(jié)閃存可 編程可擦除 只讀存儲器（ 低電壓，高性能 位微處理器，俗稱 單片機 。 其中 片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。 該器件采用 密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的 于將多功能 8位 片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形如圖所示 ， 本設(shè)計用的 一個低功耗高性能單片機， 8位數(shù)據(jù)總線， 40個引腳， 32個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口， 六個中斷源，兩層中斷優(yōu)先級，同時內(nèi)含 2個外中斷口， 2個 16位可編程定時計數(shù)器 ,2個全雙工串行通信口，可以在線編程。其將通用的微處理器和別是可反復(fù)擦寫的 另外， 以靜態(tài)邏輯運行到零頻率的方式設(shè)計的，并且支持兩種可利用軟件選擇的掉電保護模式。休眠模式停止 允許數(shù)據(jù)存儲器、定時 /計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)運行。掉電模式保存數(shù)據(jù)存儲器的內(nèi)容，但停止了晶振，是其他所有芯片停止工作直到下一次復(fù)位為止。 工作電壓范圍為 6V（實際使用 +5） ，片內(nèi)含 4k 28器件采用 易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準 內(nèi)置通用 8位中央處理器和 置功能強大的微型計算機的 畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 片機的基本結(jié)構(gòu) 片機的基本結(jié)構(gòu)如圖所示 圖 由圖可見， 89片機主要由以下部分組成： （ 1） 8 位 閃爍存 儲器 ；時鐘電路；總線控制邏輯。 （ 2）存儲器系統(tǒng) 4 128據(jù)存儲器（ （ 3） I/4個并行 I/2 個 16位定時 /計數(shù)器； ,2 個全雙工串行通信口 ；中斷系統(tǒng)（ 5個中斷源） 畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 片機的引腳 （ 1）主電源及時鐘引腳： （ 2）編程電源： （ 3）控制口線： 外取指控制）、 址鎖存控制）、 外存儲器選擇 )、 位控制）。 （ 4） I/位口線， 供電電壓 ，接 +5V。 地。 ： 為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8電流。當?shù)墓苣_第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 程時， 作為原碼輸入口，當 行校驗時， 出原碼，此時 部必須被拉高。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 ： 是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， 緩沖器能接收輸出 4電流。 管腳寫 入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， 輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 作為第八位地址接收。 ： 為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， 緩沖器可接收，輸出 4 個 電流，當 被寫 “1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， 的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， 輸出地址的高八位。在給出地址 “1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢 ，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時， 輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。在 程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 ： 管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 寫入 “1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。為輸入，由于外部下拉為低電平， 將輸出電流（ 是由于上拉緣故。 位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持 兩個機器周期的高電平時間。 訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字 節(jié)。在 程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， 以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 沖。如想禁止 輸出可在 址上置 0。此時， 有在執(zhí)行 令是 起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) 止，置位無效。 /部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 / 效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /號將不出現(xiàn)。 / /持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時， /內(nèi)部鎖定為 /保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ 向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 自反向振蕩器的輸出。 振蕩器特性 : 別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放 大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， 不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 片機的時鐘電路 采用內(nèi)部時鐘方式利用芯片內(nèi)部的振蕩器，然后在引腳 稱晶振），就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時鐘電路。外接晶振時， 2的值通常選擇為 30右； 振或陶瓷諧 振器的頻率范圍可在 12了減小寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作，振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機引腳 圖 片機的時鐘電路圖 畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 片機的復(fù)位電路 在整個燃氣報警系統(tǒng)中，要進行實驗，必須對整個系統(tǒng)先復(fù)位。 復(fù)位是單片機的初始化操作。單片機系統(tǒng)在上電啟動運行時，都需要先復(fù)位。其作用是使從這個狀態(tài)開始工作，因而，復(fù)位是一個很重要的操作方式。但單片機本身是不能自動進 行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部復(fù)位電路才能實現(xiàn)。 單片機的外部復(fù)位電路有上電復(fù)位和上電和按鍵均有效的復(fù)位兩種。 我們在設(shè)計單片機復(fù)位時，選用上電復(fù)位。 上電復(fù)位利用電容器的充電實現(xiàn)。圖 中給出了復(fù)位電路參數(shù)。 上電要求接通電源后，單片機實現(xiàn)自動復(fù)位操作。上電瞬間 腳獲得高電平，隨著電容的充電， 2 個機器周期），單片機就可以進行復(fù)位操作。該電路典型的電容參數(shù)為：晶振為 12容值為 1 圖 片機復(fù)位電路圖 畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 圍接口電路的設(shè)計 換器的介紹 位的、以逐次逼近原理進行模 —數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個 8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通 8路模擬輸入信號中的一個進行 A/ （ 1） 主要特性 ： 1、 8路輸入通道， 8位 A／ 分辨率為 8位。 2、 具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫恕? 3、 轉(zhuǎn)換時間為 100μs 4、 單個＋ 5 5、 模擬輸入電壓范圍 0～＋ 5V，不需零點和滿刻度校準。 6、 工作溫度范圍為 85攝氏度 7、 低功耗，約 15 （ 2） 內(nèi)部結(jié)構(gòu) ： 片型逐次逼近式 A／ 由 8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、 8位開關(guān)樹型 D／ 次逼近 （ 3） 外部特性（引腳功能） 片有 28 條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖所示。下面說 明各引腳功能。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 圖 片 的引腳圖 8 路模擬量輸入端。 228 位數(shù)字量輸出端。 3 位地址輸入線，用于選通 8 路模擬輸入中的一路 址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。 A／ D 轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少 100）使其啟動（脈沖上升沿使 0809 復(fù)位，下降沿啟動 A/D 轉(zhuǎn)換）。 A／ D 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當 A／ D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平 ）。 據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當 A／ D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于 640 +）、 -）：基準電壓。 源，單一＋ 5V。 接地。 換器和 片機的接口電路 A/D 轉(zhuǎn)換器把 0壓信號轉(zhuǎn)換成 8 位的二進制數(shù)輸入單片機，電壓信號為 0V 時轉(zhuǎn)換器為 00000000（ 00H），電壓信號為 5V 時轉(zhuǎn)換器為 1111111（ 設(shè)計仿真中電壓大于 啟動報警電路報警。 A/D 轉(zhuǎn)換器電路圖如下所示 畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 圖 接口電路圖 音報警電路 聲音報警電路圖如圖所示。報警裝置采用蜂鳴器較一般的蜂鳴器體積大，聲音響亮，適用于家用煤氣報警器的報警聲音源。當單片機 腳 ( 1時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器報警。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 圖 光報警電路 燈光報警電路圖如圖所示。單片機 1腳 (制輸出的狀態(tài)指示燈。紅燈不亮表示正常狀態(tài) ，環(huán)境中可燃氣體濃度極低。紅燈閃亮表示環(huán)境中可燃煙霧濃度超過報警限值，提醒用戶盡快采取相應(yīng)安全措施。 當煙霧濃度超過報警限，報警器發(fā)出鳴叫，用戶到達現(xiàn)場，可進行操作停止報警器鳴叫。若過一點時間濃度仍超出報警限，報警器會再次鳴叫提醒用戶。 圖 光報警電路圖 電路設(shè)計 根據(jù)要求，設(shè)計中我們選用 位電路。兩電路的接法在前面分別做了介紹，這里不再贅述。 而傳感器是將非電量需要轉(zhuǎn)換成與非電量有一定關(guān)系的電量。當今信息時代，隨著電 子計算機技術(shù)的非速發(fā)展，自動檢測，自動控制技術(shù)顯露非凡的能力，而大多數(shù)設(shè)備只能處理電信號，也就需要把被測，被控非電量的信息通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號?？梢姡瑐鞲衅魇菍崿F(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。沒有傳感器對原始信息進行精確可靠的捕捉和轉(zhuǎn)換，就沒有現(xiàn)代自動檢測和自動控制系統(tǒng)。沒有傳感器就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展。設(shè)計中，傳感器我們選擇的是 畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 接在 A/ 我們將主控電路和外圍接口電路（ 、