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室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 摘要 全國燃?xì)庑袠I(yè)發(fā)展迅猛，液化氣、天然氣、煤氣等城市燃?xì)庾鳛榍鍧嵞茉匆言诠ど虡I(yè)和城鎮(zhèn)居民用戶中得到廣泛應(yīng)用，特別是隨著“西氣東輸”工程的快速進(jìn)展，燃?xì)庑袠I(yè)發(fā)展?jié)摿薮蟆? 但是隨著燃?xì)獾膹V泛應(yīng)用，由于燃?xì)庑孤┧l(fā)的爆炸、中毒和火災(zāi)事故也時(shí)有發(fā)生，這在某種程度上增加了城市的不安全和不穩(wěn)定因素。為了使燃?xì)飧玫卦旄Ｓ诿?，造福于社會，減少并杜絕各種因燃?xì)庑孤┒l(fā)的爆炸及火災(zāi)事故，各燃?xì)馐褂脝挝患熬用裼脩暨x擇一種適合的室內(nèi)煤氣泄露報(bào)警器實(shí)為必要之舉。燃?xì)鈭?bào)警器的核心是氣體傳感器及單片機(jī)。當(dāng)氣體傳感器遇到燃?xì)?時(shí)，傳感器電阻隨燃?xì)鉂舛榷兓S之產(chǎn)生電信號，供燃?xì)鈭?bào)警器后級線路處理。經(jīng)過電子線路處理變成濃度成比例變化的電壓信號，由線性電路加以補(bǔ)償，使信號線性化，經(jīng)微機(jī)處理、邏輯分析，輸出各種控制信號，即當(dāng)燃?xì)鉂舛冗_(dá)到報(bào)警設(shè)定值時(shí)，燃?xì)鈭?bào)警器發(fā)出聲光報(bào)警信號并可顯示燃?xì)鉂舛然騿油獠柯?lián)運(yùn)設(shè)備。 本文正是通過分析目前燃?xì)鈭?bào)警器的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)制作室內(nèi)故障監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)，保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安。 關(guān)鍵詞 ：煤氣報(bào)警；煤氣泄漏；傳感器；監(jiān)測 室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) F he of as a in of to an to s In to of to to to a is is of of a to to be by by of or an It is of of to s 內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 目錄 1 緒論 ............................................................................................................................ 1 題背景及目的 .............................................................................................. 1 內(nèi)外研究狀況 .............................................................................................. 2 計(jì)內(nèi)容及研究方法 ...................................................................................... 2 2 系統(tǒng)方案及模塊設(shè)計(jì) ................................................................................................ 4 計(jì)思路 .......................................................................................................... 4 計(jì)框圖 .......................................................................................................... 4 統(tǒng)模塊設(shè)計(jì) .................................................................................................. 5 體濃度檢測模塊 ................................................................................. 5 度檢測與顯示模塊 ............................................................................. 7 控制模塊 ........................................................................................... 10 光報(bào)警模塊 ...................................................................................... 11 3 硬件電路設(shè)計(jì) .......................................................................................................... 12 體檢測模塊的設(shè)計(jì) .................................................................................... 12 度檢測及顯示模塊的設(shè)計(jì) ........................................................................ 13 片機(jī)模塊的設(shè)計(jì) ........................................................................................ 18 光報(bào)警模塊的設(shè)計(jì) .................................................................................... 18 4 程序設(shè)計(jì) .................................................................................................................. 20 度采集部分程序設(shè)計(jì) ................................................................................ 22 示部分程序設(shè)計(jì)： .................................................................................... 23 函數(shù)程序設(shè)計(jì)： ........................................................................................ 24 斷函數(shù)設(shè)計(jì) ................................................................................................ 25 總結(jié) 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 27 致謝 ............................................................................................................................................... 28 附錄 A........................................................................................................................... 29 附錄 B........................................................................................................................... 34 附件 1 室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 第 1 頁 共 34 頁 1 緒論 題背景及目的 隨著國家經(jīng)濟(jì)的提高，現(xiàn)代化、智能化的多功能建筑越來越多，對建筑的防火安全設(shè)計(jì)要求也越來越高。近年來，全國燃?xì)庑袠I(yè)發(fā)展迅猛，液化氣、天然氣、煤制氣等城市燃?xì)庾鳛榍鍧嵞茉匆言诠ど虡I(yè)和城鎮(zhèn)居民用戶中得到廣泛應(yīng)用，特別是隨著 “ 兩氣東輸 ” 工程的快速進(jìn)展，燃?xì)庑袠I(yè)發(fā)展?jié)摿薮?。?“ 西氣東輸工程 ” 為開端的大規(guī)模天然氣利用工程的實(shí)施，意味我國城市燃?xì)鈱⒋筇げ降倪M(jìn)入 “ 天然氣時(shí)代 ” 。我國天然氣市場將迎來一個(gè)千戟難逄的機(jī)會，城市燃?xì)庑枨蟮闹饕鲩L點(diǎn)將體 現(xiàn)在天然氣上。 2000 年黨中央國務(wù)院提出 “ 兩部大開發(fā) ” 的重大戰(zhàn)略部署，特別是 2002 年 “ 兩氣東輸 ” 第一期工程正式開工。這無疑為發(fā)展兩部地區(qū)的燃?xì)猱a(chǎn)業(yè)帶來歷史性的機(jī)遇。西氣東輸工程，在西部優(yōu)勢資源和東部廣闊市場之間建立起了一座 “ 金橋 ” ，西氣東輸工程投入使用后，每年供應(yīng)長江三角洲地區(qū) 100 億立方米天然氣。城市燃?xì)獾钠占芭c應(yīng)用無疑對改善城市的環(huán)境質(zhì)量和提高具名的生活質(zhì)量發(fā)揮了巨大的作用。但是隨著燃?xì)獾膹V泛使用，由于燃?xì)庑孤┧l(fā)的爆炸、中毒和火災(zāi)事故也時(shí)有發(fā)生，這在某種程度上增加了城市的不安全和不穩(wěn)定因素。為了 使燃?xì)飧玫卦旄Ｓ诿瘢旄Ｓ谏鐣?，減少并杜絕各種因燃?xì)庑孤┒l(fā)的爆炸及火災(zāi)事故，各燃?xì)馐褂脝挝患熬用裼脩暨x擇一種適合的燃?xì)鈭?bào)警器實(shí)為必要之舉。 “ 報(bào)警早，損失少 ” ，進(jìn)一步說明了及吋報(bào)警的重要性，在家庭里也是如此。一旦發(fā)生火災(zāi)，提早報(bào)警，可以及時(shí)將火撲滅，以免小火釀成大火災(zāi)。目前常用的有感煙、感溫和可燃?xì)怏w火災(zāi)報(bào)警器。像家庭中使用煤氣、液化石油氣和天然氣等燃料時(shí)，安裝一個(gè)可燃?xì)怏w報(bào)警器，但出現(xiàn)漏氣或者著火時(shí)，報(bào)警器能夠立即鳴笛報(bào)警，告之文人及時(shí)采取措施。 室內(nèi)煤氣、天然氣的泄漏嚴(yán)重危害人的生命健康以及性命財(cái) 產(chǎn)安全，基于此現(xiàn)實(shí)，本設(shè)計(jì)旨在為家庭用戶設(shè)計(jì)一種能夠檢測煤氣、天然氣泄漏的裝置，從而減少因煤氣和天然氣的泄漏造成的事故的發(fā)生概率，進(jìn)而保證人民的生命財(cái)產(chǎn)安室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 第 2 頁 共 34 頁 全，減少不必要的損失。本設(shè)計(jì)用傳感器檢測室內(nèi)煤氣、天然氣的基本狀態(tài)，并將氣體濃度信號轉(zhuǎn)換為電信號，電信號進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)對信號進(jìn)行處理。當(dāng)室內(nèi)煤氣、天然氣達(dá)到一定濃度時(shí)，該裝置發(fā)出聲光報(bào)警信號，提醒用戶燃?xì)庑孤扇∠鄳?yīng)的應(yīng)對措施。 通過本系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使學(xué)生能對自己所學(xué)專業(yè)知識加以綜合運(yùn)用，了解和掌握實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用的整個(gè)過程。 內(nèi) 外研究狀況 當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的可燃性氣體泄漏報(bào)警器與氣敏元件傳感器，已普及應(yīng)用于氣體泄漏檢測和監(jiān)控，僅用于安全保護(hù)家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器為例，不少發(fā)達(dá)國家已經(jīng)明確規(guī)定家庭、公寓等要求安裝相應(yīng)的報(bào)警器。國外可燃性氣體泄漏報(bào)警器發(fā)展很快，是由于人們安全意識增強(qiáng)，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是由于燃?xì)庑孤﹫?bào)警器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動。因此，國外燃?xì)鈭?bào)警器技術(shù)得到了較快發(fā)展，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)猜測，美國在 1996 年 — 2002 年就煤氣報(bào)警器的年均增長率為 27％～ 30％。在這些方面，國內(nèi)應(yīng)該增強(qiáng)安全意識增強(qiáng)。 日本早在 1980 年 1 月開始實(shí)施安裝城市煤氣、液化石油氣報(bào)警器的法規(guī)，1986 年 5 月日本通產(chǎn)省又實(shí)施了安全器具料及出盡基本方針。美國目前已有 7個(gè)州 11 個(gè)城市通過立法，規(guī)定家庭、公寓等要安裝一氧化碳報(bào)警器。隨著城市燃?xì)饣臄U(kuò)大，我國已有北京市、遼寧省、黑龍江省、山西省、哈爾濱市、青島市、等相繼發(fā)布燃?xì)獍踩芾砦募?，做到政府立法和百姓自身提高安全保護(hù)意識有機(jī)結(jié)合。 計(jì)內(nèi)容級研究方法 本設(shè)計(jì)計(jì)劃按以下思路展開研究： A 根據(jù)該設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的基本功能，設(shè)計(jì)大致應(yīng)該分為信號釆集放大，信號處理控 制，系統(tǒng)設(shè)置報(bào)警三 個(gè)部分。 （ 1）信號釆集部分即通過氣體傳感器檢測室內(nèi)氣體濃度，將這種變化量轉(zhuǎn)化成電壓模擬量的變化，然后通過運(yùn)放進(jìn)行必要的放大。 （ 2）信號處理部分是將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送入進(jìn)行處理，并將處理過的信號送存儲器保存和送顯示器顯示。 室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 第 3 頁 共 34 頁 （ 3）系統(tǒng)設(shè)置報(bào)警部分是通過預(yù)定控制方式并利用蜂鳴器報(bào)警實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確操作。 B 根據(jù)上面所說的思路，得到如下一些基本的結(jié)論 （ 1） 信號釆集部分為了能準(zhǔn)確釆集到氣體濃度的變化應(yīng)選用半導(dǎo)體氣體傳感器，為使其 有效的檢測室內(nèi)氣體濃度，釆用電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器：而放大部分 使用運(yùn)放進(jìn)行比例 和反相兩級放大。 （ 2）信號處理部分為了實(shí)現(xiàn)精確控制，釆用單片機(jī)較為合適。將模擬信號送 A/D 模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，經(jīng)過處理后送存儲器保存和送顯示器顯示。 （ 3）系統(tǒng)設(shè)置報(bào)警部分可以考慮蜂鳴器報(bào)警。 室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 第 4 頁 共 34 頁 2 系統(tǒng)方案及模塊設(shè)計(jì) 計(jì)思路 用相應(yīng)的氣體傳感器檢測室內(nèi)煤氣、天然氣的基本狀態(tài)，并將氣體濃度信號轉(zhuǎn)換為電信號。通過信號處理電路將有無氣體泄漏兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換成高低電平，并將些電平通過單片機(jī) I/O 接口傳入單片機(jī)，通過單片機(jī)編程控制報(bào)警電路的工作狀態(tài)。室溫顯示 部分通過 度傳感器，將室內(nèi)溫度值轉(zhuǎn)換為 16 位二進(jìn)制數(shù)，通過單片機(jī) I/O 接口傳入單片機(jī)，并通過編程在七段數(shù)碼管上顯示出當(dāng)前溫度值。 計(jì)框圖 如下圖 示： （ 1） 氣體檢測模塊：主要有氣體傳感器及 成，其作用是將煤氣、天然氣的泄漏與否轉(zhuǎn)換為利于單片機(jī)識別的高低電平，并將此信號傳到單片機(jī)。 （ 2） 聲光報(bào)警模塊：由蜂鳴器和 成。其作用是當(dāng)檢測到有煤氣、天然氣泄漏時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警信號，提醒用戶有煤氣、天然氣泄漏，采取相應(yīng)措施。 （ 3） 溫度檢測模塊：由 度傳感器構(gòu)成， 檢測到的溫度值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，并傳到單片機(jī)進(jìn)行處理。 （ 4） 溫度顯示模塊：主要由 74 4 位數(shù)碼管組成，其作用是顯示當(dāng)前溫度值。 （ 5） 主控模塊：即單片機(jī) 作用是根據(jù)氣體檢測模塊輸出的高低電平，控制聲光報(bào)警模塊的工作狀態(tài)，并完成溫度的采集及顯示功能。 室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 第 5 頁 共 34 頁 圖 計(jì)思路框圖 統(tǒng)模塊設(shè)計(jì) 體濃度檢測模塊 傳感器是能把實(shí)測物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)化為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的電信號輸出的裝置。傳感器主要是由敏感元件、傳感元件組成，有時(shí)也將信號調(diào)節(jié)與 轉(zhuǎn)換電路、輔助電源作為傳感器的組成部分，如下圖 示。 敏感元件： 敏感元件指能夠靈敏地感受被測變量并做出響應(yīng)的元件。是傳感器中能直接感受被測量的部分。 傳感元件：又稱為轉(zhuǎn)換器，一般情況下，不直接感受被測量，而是將敏感元件的輸出量轉(zhuǎn)化為電量輸出的元件。 傳感器按工作原理可分為：電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、光電式傳感器、壓電式傳感器等。 在這個(gè)設(shè)計(jì)中先把煤氣。天然氣氣體傳感器以以屬于電阻式傳感器，傳感器型號為 夠同時(shí)檢測煤氣和天然氣兩種氣體，與分別用兩種氣體傳感器 檢測相比，明顯降低了設(shè)計(jì)成本。 半導(dǎo)體一氧化碳傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（ 采用高低溫循環(huán)檢測方式低溫（ 熱）檢測 一氧化碳，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度增加而增大，高溫（ 熱）清洗低溫時(shí)吸附的雜散氣體。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。 體傳感器對一氧 化碳的靈敏度高，這種傳感器可檢測多種含一氧化碳的氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。 4 位七段數(shù) 碼管溫度顯 示模塊 聲光報(bào)警 溫度檢測 單片機(jī) 控模塊 氣體檢測 室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 第 6 頁 共 34 頁 特點(diǎn)： 對一氧化碳靈敏度高 優(yōu)異的穩(wěn)定 壽命長 大的電 信號輸出 優(yōu)異的選擇性 應(yīng)用：用于家庭、商業(yè)、工業(yè)環(huán)境的一氧化碳、煤氣探測裝置 用氣體： 一氧化碳 主要參數(shù) 探測范圍 10～ 1000征氣體 100氧化碳 靈敏度 R in in 5 敏感體電阻 12000O 響應(yīng)時(shí)間 ≤ 150s（ 70% 恢復(fù)時(shí)間 ≤ 150s（ 70% 加熱電阻 31Ω± 3Ω 加熱電流 加熱電 壓 熱功率 約 350量電壓 ≤ 24V 作條件 環(huán)境溫度： +55℃ 濕度：≤ 95%境含氧量： 21% 存條件 溫度 : +70℃ 濕度 :≤ 70%內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 第 7 頁 共 34 頁 A 一氧化碳傳感器 作原理： 傳感器的表面電阻為被測信號（一氧化碳）濃度的測量是通過R 上的有效電壓信號 奪遭遇惹得的。兩者之間的關(guān)系為：( ??。 氣敏元件的敏感是用非常穩(wěn)定的二氧化錫制成的，因此，它具有優(yōu)秀的長期穩(wěn)定性在正常使用條件下，其使用壽命 可達(dá) 5 年。 B 一氧化碳傳感器 敏度調(diào)整： 氣敏器件對不同各類、不同濃度的氣體有不同的電阻值。因此，在使用此類型氣敏器件時(shí)，在靈敏度的調(diào)整是很重要的。 當(dāng)精確測量時(shí)：報(bào)警點(diǎn)的設(shè)定應(yīng)考慮溫、濕度的影響。 靈敏度的調(diào)整程序： （ 1） 將傳感器連接在應(yīng)用回路中； （ 2） 接通電源，通電老化 48h 以上； （ 3） 調(diào)整負(fù)載電阻 獲得對應(yīng)于某一個(gè)一氧化碳濃度時(shí)所需要的信號值。 度檢測與顯示模塊 由 度傳感器構(gòu)成， 檢測到的溫度值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，并傳到單片機(jī)進(jìn)行處理。 度傳感器簡介： 特性： （ 1）應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實(shí)現(xiàn)測溫電路。 （ 2）測溫范圍 125℃，最大精度 （ 3）只通過一條數(shù)據(jù)線即可實(shí)現(xiàn)通信。 （ 4）每個(gè) 件上都有獨(dú)一無二的序列號，所以一條數(shù)據(jù)線上可以掛接很多該傳感器。 （ 5）內(nèi)部有溫度上、下限告警功能。 操作簡介： 作時(shí)需要接收特定的指令來完成相應(yīng)功能（指令，可以簡單的室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 第 8 頁 共 34 頁 理解為可以被識別并有相應(yīng)意義的一系列高 低電平信號），它的指令可分為 令； 令主要對其內(nèi)部的 行操作，如查所使用序列號等，如果只使用一個(gè) 作一般就可以直接跳過了； 令主要是完成對其內(nèi) 的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，如讓其開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、讀數(shù)據(jù)等。 字溫度傳感器是單總線器件，數(shù)據(jù)的讀寫只通過一條數(shù)據(jù)線進(jìn)行并且這一條線上允許掛很多該傳感器；這樣對器件進(jìn)行讀寫指令時(shí)就會麻煩一些，必須應(yīng)用特定時(shí)序來識別高低電平信號（如寫高電平 1，并不是把數(shù)據(jù)線直接拉高，而是用有一定時(shí)序關(guān)系 的高低電平來代表寫 1），所以指令表中的 0、 1 在寫給 就得變成代表 0、 1 電平的時(shí)序段序列。同樣，從 數(shù)據(jù)時(shí)，也是由特定的時(shí)序來完成數(shù)據(jù)讀取。 工作過程： 作的 5 條指令之一： 1）讀 2）匹配 3）搜索4）跳過 5）報(bào)警搜索。 度轉(zhuǎn)換、讀取溫度、設(shè)定上下限溫度值等指令 機(jī)讀取溫度數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 可以初始化數(shù)據(jù)精度，按芯片手冊寫入固定指令。數(shù)據(jù)位數(shù)可設(shè)置成 9、 10、11、 12 位，其中 7 位為溫度整數(shù)部分， 1 位表示溫度正負(fù)，其余位數(shù)為小數(shù)。如9 位數(shù)據(jù)時(shí)，有 1 位為小數(shù)，精度為 指令功能介紹： （ 1） 作指令： 讀 令 ： 33h] 這個(gè)命令允許總線控制器讀到 8 位系列編碼、唯一的序列號和8 位 。只有在總線上存在單只 時(shí)候才能使用這個(gè)命令。如果總上有不止一個(gè)從機(jī)，當(dāng)所有從機(jī)試圖同時(shí)傳送信號時(shí)就會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突（漏極開路連在一起開成相與的效果）。 匹配 令 :55h] 匹配 令，后跟 64 位 列，讓總線控制器在多點(diǎn)總線上定位一只特定的 有和 64 位 列完全匹配的 能響應(yīng)室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 第 9 頁 共 34 頁 隨后的存儲器操作命令。所有和 64 位 列不匹配的從機(jī)都將等待復(fù)位脈沖。這條命令在總線上有單個(gè)或多個(gè)器件時(shí)都可以使用。 跳過 令 : 這條命令允許總線控制器不用提供 64 位 碼就使用存儲器操作命令，在單點(diǎn)總線情況下右以節(jié)省時(shí)間。如果總線上不止一個(gè)從機(jī)，在 令之后跟著發(fā)一條讀命令，由于多個(gè)從機(jī)同時(shí)傳送信號，總線上就會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突（漏極開路下拉效果相當(dāng)于相與）。 搜索 令 : 當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)初次啟動時(shí)，總線控制器可能并不知道單線總線上有多少器件或它們的 64 位 碼。搜索 令允許總線控制器用排除法識別總線上的所有從機(jī)的 64 位編碼。 報(bào)警搜索指令 : 這條命令的流程圖和 同。然而，只有在最近一次測溫后遇到符合報(bào)警條件的情況， 會響應(yīng)這條命令 。報(bào)警條件定義為溫度高于低于 要 掉電，報(bào)警狀態(tài)將一直保持，直到再一次測得的溫度值達(dá)不到報(bào)警條件。 復(fù)位時(shí)序 : 要嚴(yán)格的協(xié)議以確保數(shù)據(jù)的完整性。協(xié)議包括幾種單線信號類型：復(fù)位脈沖、存在脈沖、寫 0、寫 1、讀 0 和讀 1。所有這些信號，除存在脈沖外，都是由總線控制器發(fā)出的。和 的任何通訊都需要以初始化序列開始，初始化序列見上圖。一個(gè)復(fù)位脈沖跟著一個(gè)存在脈沖表明 經(jīng)準(zhǔn)備好發(fā)送和接收數(shù)據(jù)（適當(dāng)?shù)?令和存儲器操作命令）。 顯示部分主 要由 74 4 位七段數(shù)碼管組成，其作用是顯示當(dāng)前溫度值。 74我們常用的芯片，用來驅(qū)動 者其他的設(shè)備，它是 8 路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器，可雙向傳輸數(shù)據(jù)。 74具有雙向三態(tài)功能，既可以輸出，也可以輸入數(shù)據(jù)。當(dāng) 8051 單片機(jī)的 總線負(fù)載達(dá)到或超過 大負(fù)載能力時(shí)，必須接入 74總線驅(qū)動器。當(dāng)片選端 /電平有效時(shí)， 0” ，信號由 B 向 A 傳輸；（接收） 1” ，信號由 A 向 B 傳輸；（發(fā)送）室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 第 10 頁 共 34 頁 當(dāng) 高電平時(shí)， A、 B 均為高阻態(tài)。由于 始 終輸出地址的高 8 位，接口時(shí) 74三態(tài)控制端 1G 和 2G 接地， 與驅(qū)動器輸入線對應(yīng)相連。 4入端相連 ,E 端接地，保證數(shù)據(jù)線暢通。 8051 的 / /與后接 得 效時(shí)， 74入（ 其它時(shí)間處于輸出（ 控制模塊 主控制模塊即單片機(jī)模塊，完成功能是與各個(gè)功能模塊連接，并通過軟件編程控制各個(gè)功能模塊，完成煤氣、天然氣檢測報(bào)警及溫度顯示功能。 一種帶 4K 字節(jié) 儲器（ 低電壓、高性能 位微處理器，俗稱單片機(jī)。 一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 1000 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(biāo)準(zhǔn)的 令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中， 它的一種精簡版本。 片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。外形及引腳排列如圖所示 形及引腳排列。 主要性能參數(shù)： （ 1）與 容 （ 2） 4K 字節(jié)可編程 儲器 （ 3）壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) （ 4）數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 （ 5）全靜態(tài)工作： 0 6）三級程序存儲器鎖定 （ 7） 128× 8 位內(nèi)部 8） 32 可編程 I/O 線 （ 9）兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 （ 10） 5 個(gè)中斷源 （ 11）可編程串行通道 室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 第 11 頁 共 34 頁 （ 12）低功耗的閑置和掉電模式 （ 13）片內(nèi)振蕩器和 時(shí)鐘電路 圖 腳圖 光報(bào)警模塊 此模塊主要由蜂鳴器、 組成 ，在氣體濃度過大，超過安全值時(shí)，蜂鳴器工作，提供報(bào)警服務(wù)。在這個(gè)時(shí)候，用戶可以自行關(guān)閉煤氣，并通過對房間通風(fēng)來解決。 室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 第 12 頁 共 34 頁 3 硬件電路設(shè)計(jì) 體檢測模塊的設(shè)計(jì) 圖 感器工作原理圖 （ 1）氣體檢測模塊電路 由 于 件元件庫中沒有 體傳感器，由于 體傳感器兩信號輸出端為電阻信號，由附錄 A 中的 敏度特殊性可得 值范圍為 2以仿真時(shí) 體傳感器由 20動變阻器代替。當(dāng)沒有煤氣、天然氣泄漏時(shí)， 阻值應(yīng)該在 20右，此時(shí)該氣體檢測模塊的輸出端為高電平，此時(shí) 光。當(dāng)有煤氣、天然氣泄漏時(shí)， 阻值應(yīng)該在 2時(shí)該氣體檢測模塊的輸出端為低電平，此時(shí) 滅。 562體檢測模塊原理圖 敏感元件 傳感元件 信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換 輔助電源 室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 第 13 頁 共 34 頁 （ 2）氣體檢測模塊調(diào)試 按照電路圖在面板上搭接氣體檢測模塊電路，該模塊輸出通過 100流電阻接 端，該 責(zé)拼接接地。當(dāng) 感器端不加氣體時(shí)，此時(shí)亮，說明此時(shí)輸出為高電平；當(dāng) 感器端加氣體時(shí)，此時(shí) 滅，說明此時(shí)輸出為低電平。剛上電時(shí)就在 加氣體，此時(shí) 熄滅，原因是 時(shí)電路起作用，防止誤報(bào)現(xiàn)象的發(fā)生；在 1右之后，在 時(shí) 滅，開機(jī)延遲時(shí)間約為 1調(diào)試結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。 度檢測與顯示模塊的設(shè)計(jì) 編程時(shí)有嚴(yán)格 的時(shí)序要求，因些在編程過程中要多加注意，以下為 型工作時(shí)序簡介。 （ 1）復(fù)位時(shí)序 使用 ，首先需將其復(fù)位，然后才能執(zhí)行其他指令。復(fù)位時(shí)，主機(jī)將數(shù)據(jù)線激發(fā)為低電平并保持 480～ 960μs，然后釋放數(shù)據(jù)線，再由上拉電阻將數(shù)據(jù)線拉升 15～ 60μs。然后再由 出響應(yīng)信號，以將數(shù)據(jù)線激發(fā)成低電平 60～ 240μs，這樣，就完成了復(fù)位操作。其復(fù)位時(shí)序如圖 示。 圖 位時(shí)序圖 （ 2）寫時(shí)序 在主機(jī)對 ，主機(jī)對 送各種命令時(shí)，先將數(shù)據(jù)線激發(fā)為低電平，該低電平應(yīng)大于 1μs。然后根據(jù)寫“ 1”或者“ 0”來使數(shù)據(jù)線變高或繼續(xù)為低。 在數(shù)據(jù)線變成低電平后 15～ 60μs 對數(shù)據(jù)線進(jìn)行采樣。要求寫入 數(shù)據(jù)持續(xù)時(shí)間應(yīng)大于 60μs 而小于 120μs，兩次寫數(shù)據(jù)之間的室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 第 14 頁 共 34 頁 時(shí)間間隔應(yīng)大于 1μs。寫時(shí)隙的時(shí)序如圖 示。 圖 時(shí)序圖 （ 3）讀時(shí)序 當(dāng)主機(jī)從 數(shù)據(jù)時(shí)，高機(jī)先向數(shù)據(jù)線激發(fā)出低電平，然后釋放，以使數(shù)據(jù)線再升為高電平。 數(shù)據(jù)線從高電平變?yōu)榈碗娖降?5μs 內(nèi)將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)線上，主機(jī)可在 15μs 后讀數(shù)據(jù)線以獲得數(shù)據(jù)其時(shí)序圖如圖 示。 圖 時(shí)序圖 選用 度傳感器。 以把溫度直接轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號，使用不不需要附加電路，但與主機(jī)通信有嚴(yán)格的時(shí)序要求。溫度檢測模塊原理圖如圖所示， 用默認(rèn)的 12 位精度的分辨率，此時(shí)輸出羰 出的溫度值為 16 位二進(jìn)制補(bǔ)碼的表達(dá)形式， 出端 出的溫度值為 16位二進(jìn)制補(bǔ)碼的表達(dá)形式， 出端 單片機(jī)引腳 接，將數(shù)據(jù)傳入單片機(jī)進(jìn)行 處理。 溫度顯示設(shè)計(jì)如下： 如圖 示， 74工作狀態(tài)為數(shù)據(jù)由 B 向 A 傳送。七段數(shù)碼管段選位通過限流電阻接到 74 A 總線， 74 B 總線接到單片機(jī)的 于室內(nèi)溫度不會超過 100℃ ，因此顯示時(shí)百位不加以顯示。而北方有些地區(qū)冬天會比較冷，室內(nèi)溫度有可能達(dá)到 0℃ 以下，因此顯示符號位。因此用 4 位室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 第 15 頁 共 34 頁 七段數(shù)碼管顯示溫度， 4 個(gè)位分別顯示符號位、十位、個(gè)位、一個(gè)位小數(shù)位。數(shù)碼管的 4 位位選接晶體管集電極，失眠晶體管的基極 2 41 2 3 4圖 度顯示模塊原理圖 當(dāng)溫度為正值時(shí)，此時(shí)仿真如圖 示，此時(shí) 定溫度為 ，經(jīng) 4 位七段數(shù)碼管顯示為 顯示結(jié)果正確。 當(dāng)溫度為正值時(shí)，此時(shí)仿真如圖 示，此時(shí) 定溫度為 ，經(jīng) 4 位七段數(shù)碼管顯示為 顯示結(jié)果正確。 室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 第 16 頁 共 34 頁 圖 度為正值的仿真圖 室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 第 17 頁 共 34 頁 圖 度為負(fù)值仿真圖 由于 出為 16 位二進(jìn)制數(shù)，實(shí)驗(yàn)中無法測得此信號，因此僅對溫度顯示部分進(jìn)行調(diào)試。 驅(qū)動模塊選擇，實(shí)驗(yàn)中測得 74出高電平為 74出高電平為 5V。由于 74 74比價(jià)格較貴，而 74出 此設(shè)計(jì)中選用 74 限流電阻阻值計(jì)算，由于七段數(shù)碼管工作電壓為 2V，而 74出高電平 此限流電阻兩端電壓為 七段數(shù)碼管每位正常工作的電流為2 4 位七段數(shù)碼管的第一個(gè)相同段位又是并聯(lián)的形式連接的，為了保證每位亮度相同，因此每位段位電流應(yīng)該為 2=8渡過限流電阻的電流為室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 第 18 頁 共 34 頁 8此限流電阻的阻值 =25Ω，實(shí)際設(shè)計(jì)中采用 220Ω 的電阻作為限流電阻。 按照電路圖連接溫度顯示部分電路圖，編寫程序使其顯示 1749，并下載該程序。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證顯示結(jié)果正確，并且顯示亮度比較亮，符合設(shè)計(jì)要求。 片機(jī) 模塊的設(shè)計(jì) 單片機(jī)模塊，完成功能是與各個(gè)功能模塊連接，并通過軟件編程控制各個(gè)功能模塊，完成煤氣、天然氣檢測報(bào)警及溫度顯示功能。 控制模塊原理圖 光報(bào)警模塊的設(shè)計(jì) 光報(bào)警電路 如圖所示， 單片機(jī) 腳相接，當(dāng)檢測到有煤氣、天然氣泄漏時(shí) 通過單片機(jī)編程控制 出方波信號，此時(shí) 1 閃爍，并且蜂鳴器以相同的頻率發(fā)出聲音，產(chǎn)生霞光報(bào)警信號，提醒用戶煤氣、天然氣泄漏，采取相應(yīng)的措施。 室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 第 19 頁 共 34 頁 光報(bào)警原理圖 光報(bào)警模塊的調(diào)試 由于 件庫中蜂鳴器無法仿真，因些用 聯(lián)電阻代替圖所聲光報(bào)警電路。當(dāng) 為高電平時(shí)，表示此時(shí)沒有煤氣、天然氣泄漏， 高電平 5V，此時(shí) 發(fā)光。當(dāng) 為低電平時(shí)，表示此時(shí)有煤氣、天然氣泄漏，通過模擬示波器測得此時(shí) 出為方波信 號，其周期為 2s 的方波信號，此時(shí) 2s 亮滅一次。 將編輯好的程序通過單片機(jī)下載器下載到單片機(jī)中，將單片機(jī)插入面包板，20 腳、 40 腳分別接地和 5V 電源。蜂鳴器與 聯(lián)，負(fù)端接到 ，正端接 5V 電源。當(dāng) 接 5V 電源時(shí)， 滅，蜂鳴器不報(bào)警；當(dāng) 接地時(shí)， 爍，同時(shí)蜂鳴器以相同頻率發(fā)聲報(bào)警。此時(shí)用示波器測得 波形為周期為 方波信號，與理論值之間存在一定的誤差，誤差產(chǎn)生的原因有： （ 1） 單片機(jī)使用的晶振為 不是 12而使單片 機(jī)機(jī)器周期大于 1μs，而理論計(jì)算時(shí)按 1μs 計(jì)算，從而產(chǎn)生誤差； （ 2）單片機(jī)定時(shí)程序指令執(zhí)行時(shí)，有一定的執(zhí)行時(shí)間，而此時(shí)間與 1s 相比力氣活，編程時(shí)將其忽略，從而導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生； （ 3）同時(shí)測量信號也受實(shí)驗(yàn)器材、環(huán)境等諸多因素的影響。 設(shè)計(jì)中對方波信號的要求不是很高，因?yàn)榉讲ㄐ盘柕闹芷谥挥绊憟?bào)警的頻率，并不影響報(bào)警功能，因此不需要對其進(jìn)行修改。 室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 第 20 頁 共 34 頁 4 程序設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)可以用 C 語言編程序，也可以用匯編語言編程序，本人選擇了用 要編程序來控制定時(shí)、計(jì)時(shí)中斷、和輸出等。下面介紹 C 語言編程 的優(yōu)點(diǎn)。 C 語言是一種計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言。它既具有高級語言的特點(diǎn)，又具有匯編語言的特點(diǎn)。它由美國貝爾研究所的 1972 年推出。 1978 后， 、小及微型機(jī)上。它可以作為工作系統(tǒng)設(shè)計(jì)語言，編寫系統(tǒng)應(yīng)用程序，也可以作為應(yīng)用程序設(shè)計(jì)語言，編寫不依賴計(jì)算機(jī)硬件的應(yīng)用程序。它的應(yīng)用范圍廣泛，具備很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，不僅僅是在軟件開發(fā)上，而且各類科研都需要用到 C 語言，適于編寫系統(tǒng)軟件，三維，二維圖形和動畫。具體應(yīng)用比如單片機(jī)以及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。它兼顧了多種高級語言的特點(diǎn)，并具備匯編語言的功能。 C 語言有功能豐富的庫函數(shù)、運(yùn)箅速度快、編譯效率高、有良好的可移植性，而 且可以直接實(shí)觀對系統(tǒng)硬件的控制。 C 語言是一種結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語言，它支持當(dāng)前程序 設(shè)計(jì)中廣泛釆用的由頂向下結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)技術(shù)。此外， C 語言程序具有完善的模塊程序 結(jié)構(gòu)，從而為軟件開發(fā)中采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法提供了有力的保障。因此，使用 C 語言 進(jìn)行程序設(shè)計(jì)已成為軟件開發(fā)的一個(gè)主流。用 C 語言來編寫目標(biāo)系統(tǒng)軟件，會大大縮短開 發(fā)周期而且明顯地增加軟件的可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充，從而研制出規(guī)模更大、性能更完 備的系統(tǒng)。 C 語言特點(diǎn) （ 1） C 是高級語言。它把高級語言的基本結(jié)構(gòu)和語句與低級語言的實(shí)用性結(jié)合起來。 C 語言可以像匯編語言一樣對位、字節(jié)和地址進(jìn)行操作，而這三者是計(jì)算機(jī)最基本的工作單元。 （ 2） C 是結(jié)構(gòu)式語言。結(jié)構(gòu)式語言的顯著特點(diǎn)是代碼及數(shù)據(jù)的分隔化，即程序的各個(gè)部分除了必要的信息交流外彼此獨(dú)立。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦?，便于使用、維護(hù)以及調(diào)試。 C 語言是以函數(shù)形式提供給用戶的，這些函室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 第 21 頁 共 34 頁 數(shù)可方便的調(diào)用，并具有多種循環(huán)、條件語句控制程序流向，從而使程序完全結(jié)構(gòu)化。 （ 3） C 語言功能齊全。具有各種各樣的數(shù)據(jù)類型，并引入了指針概念 ，可使程序效率更高。而且計(jì)算功能、邏輯判斷功能也比較強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)決策目的的游戲。 （ 4） C 語言適用范圍大。適合于多種操作系統(tǒng)，如 適用于多種機(jī)型。 C 語言對編寫需要硬件進(jìn)行操作的場合，明顯優(yōu)于其它高級語言，有一些大型應(yīng)用軟件也是用 C 語言編寫。 C 語言缺點(diǎn) （ 1） C 語言的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)的封裝性上，這一點(diǎn)使得 C 在數(shù)據(jù)的安全性上有很大缺陷，這也是 C 和 C++的一大區(qū)別。 （ 2） C 語言的語法限制不太嚴(yán)格，對變量的類型約束不嚴(yán)格，影響程序的安全性，對數(shù)組下標(biāo)越界不作 檢查等。從應(yīng)用的角度， C 語言比其他高級語言較難掌握。 軟件部分是用來配合硬件電路，控制后面電路的響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)預(yù)定功能。其主要由兩部分功能組成：一部分是是對傳感器接受到的信號進(jìn)行處理：另一部分是實(shí)行中斷處 理，控制設(shè)置報(bào)警模塊。兩部分信號的處理都是釆用査詢方式。本系統(tǒng)釆用網(wǎng)路巡回檢測， 輪換選擇 4 個(gè)傳感器工作，并且在顯示器上輪流顯示工作傳感器所檢測到的濃度值。當(dāng)檢 測到的濃度小于設(shè)定值時(shí)，等待定時(shí)器中斷：當(dāng)檢測到的濃度超過設(shè)定值時(shí)，執(zhí)行中斷程 序進(jìn)行報(bào)警處理，顯示濃度。 室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 第 22 頁 共 34 頁 度采集 部分程序設(shè)計(jì) 溫度測量通過 字溫度傳感器測量 室內(nèi) 溫度， 將室內(nèi)溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字量接入 片機(jī)中，溫度采集的流程圖如下所示： 圖 度采集流程圖 始化 跳過 度轉(zhuǎn)換指令 延時(shí)等待 始化 匹配 出溫度指令 讀出溫度值 室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 第 23 頁 共 34 頁 示部分程序設(shè)計(jì)： 數(shù)碼管顯示一般分靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種方式，本文采用動態(tài)顯示，數(shù)碼管顯示是單片機(jī)外部指令輸出的重要途徑。 圖 示流程圖 開始 循環(huán)變量附初值 =1000 關(guān)個(gè)位，十位，開小數(shù)位，送小數(shù)位數(shù)值 調(diào)用延時(shí)子程序 關(guān)個(gè)位，十位，開小數(shù)位，送小數(shù)位數(shù)值 調(diào)用延時(shí) 子程序 關(guān)小數(shù)位，十位，開個(gè)位，送個(gè)位數(shù)值 調(diào)用延時(shí)子程序 循環(huán)變量 子程序返回 室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 第 24 頁 共 34 頁 函數(shù)程序設(shè)計(jì)： 程序開始，定時(shí)器初始化，檢測空氣中一氧化碳的濃度是否達(dá)到報(bào)警值，如果達(dá)到報(bào)警值，調(diào)用報(bào)警子程序，報(bào)警。如果沒有達(dá)到報(bào)警值，則 1，處于熄滅狀態(tài)，讀取房間內(nèi)溫度值，并顯示在數(shù)碼管上，并返回檢測，重新循環(huán)。 圖 語言主函數(shù) 是否達(dá)到報(bào)警值 開始 定時(shí)器初始化 關(guān)中斷 1 讀取溫度值 獲得顯示碼 調(diào)用顯示函數(shù) 調(diào)用報(bào)警程序 Y N 室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 第 25 頁 共 34 頁 斷函數(shù)設(shè)計(jì) 中斷服務(wù)程序?yàn)?，首先初始化定時(shí)器，此時(shí) 。這時(shí)判斷 否為 8，如果不為 8 則返回主程序，如果為 8，則將 零，并將 反，然后再返回主程序。 圖 程序中斷函數(shù) Y N 開始 定時(shí)器初始化 反 否為8 返回 室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì) 第 26 頁 共 34 頁 5 總結(jié) 經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的努力， 能夠成功的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)所要求的任務(wù)。期間，我收集了大量的關(guān)于檢測報(bào)警系統(tǒng)的資料，經(jīng)過比較分析得出此設(shè)計(jì)方案。特別是對氣體傳感器、數(shù)碼顯示做了深入的研究。并溫習(xí)了數(shù)字電路、模擬電路和單片機(jī)的相關(guān)知識，通過這些工作使我了解了本系統(tǒng)的工作原理及應(yīng)用，而且熟悉使用多種單片機(jī)電路在實(shí)際當(dāng)中的應(yīng)用，以及掌握了單片機(jī)與檢測電路的連接和 在此次設(shè)計(jì)中，還有不完善的地方，在無人情況下，無法處理室內(nèi)煤氣泄漏的問題，在老師的指導(dǎo)下，了解到可以通過控制抽風(fēng)機(jī)將室內(nèi)泄漏的煤氣抽出室內(nèi)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)是對大學(xué)四年專業(yè)所學(xué)知識的 鞏固和深化，理論和實(shí)踐知識相結(jié)合，學(xué)以致用，使們學(xué)會了提出問題，分析，解決問題的能力。這對我們以后的工作和人生將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的設(shè)