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70、基于51单片机煤气天然气检测阈值报警风扇设计 1.doc
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70、基于51单片机煤气天然气检测阈值报警风扇设计 1.doc
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摘要
随着天然气的大量使用,每一座居民大楼都被天然气所“笼罩”。天然气的普
及给公共生活带来了方便,减少了城市的污染,提高了生活质量和效率,但是同时,
天然气也是潜在的“危险品”,一旦发生大面积泄漏,处置不及时就可能引发大爆
炸,给居民的生命财产安全带来巨大的威胁。面对燃气泄漏而造成的种种事故威
胁,我们需要一个解决办法。使用天然气报警器是对付燃气无形杀手的重要手段
之一。
本论文以半导体气敏传感器和单片机技术为核心设计的气体报警器可实现声
光报警功能,是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的气体
报警器,具有一定的实用价值。
其中选用 MQ-2 传感器实现对气体的检测,具有灵敏度高、响应快、抗干扰
能力强等优点,而且价格低廉,使用寿命长。传感器采集到数据,经过 A/D 转
换后,再由单片机处理,并对处理后的数据进行分析,是否大于或等于某个预设
值(也就是报警限),如果大于则会自动启动报警电路发出报警声音和风扇,反之
则为正常状态,
关键词:报警器;单片机; A/D 转换;继电器
目录
第一章 绪论 ....................................................................................................................................3
1.1 课题背景及其意义 ...........................................................................................................3
1.2 国内外的研究状况 .......................................................................................................3
1.3 本文的主要研究内容及论文结构安排.............................................................................4
第二章 方案的设计与论证.............................................................................................................4
2.1 控制方案的确定.................................................................................................................4
2.2 控制方式的选择.................................................................................................................4
2.2.1 单片机芯片的选择.................................................................................................5
2.2.2 声音报警电路方案的选择......................................................................................5
2.2.3A/D 采样芯片的选择...............................................................................................6
第三章 硬件电路的设计.................................................................................................................6
3.1 系统的功能分析及体系结构设计.....................................................................................6
3.1.1 系统功能分析..........................................................................................................6
3.1.2 系统总体结构..........................................................................................................6
3.2 模块电路的设计.................................................................................................................7
3.2.1STC89C52 单片机核心系统电路的设计 ................................................................7
3.2.2 5V 电源电路设计..................................................................................................10
3.2.3 5V 风扇控制电路设计..........................................................................................11
3.2.4 蜂鸣器报警电路设计...........................................................................................11
3.2.5 5V 继电器控制电路设计......................................................................................12
3.2.6 LED 信号指示灯电路设计 ...................................................................................13
3.2.7 PCF8591 A/D 采样电路设计................................................................................13
3.2.8 MQ-9 可燃气体传感器模块电路设计 .................................................................14
第四章 软件设计 ..........................................................................................................................16
4.1 编程语言选择..................................................................................................................16
4.2 keil 软件设计思想............................................................................................................16
4.3 程序流程图 .....................................................................................................................17
第五章 系统焊接与调试...............................................................................................................18
5.1 电路焊接 .........................................................................................................................18
5.2 系统调试 .........................................................................................................................19
5.2.1 系统程序调试.......................................................................................................19
5.2.2 硬件测试................................................................................................................19
5.3 实物测试..................................................................................................................20
致谢 ................................................................................................................................................21
参 考 文 献 ..................................................................................................................................22
第一章 绪论
1.1 课题背景及其意义
人的生存离不开空气,人的一生大约有 80%的时间是在室内度过的,室内环
境质量的好坏影响着人们的身心健康。室内的有害气体来源有来自装修不当造成
的甲醛、氨气、氡气、苯、放射性物质的释放,而这些气体在装修时加以注意,
完全可以减少其排放量,从而不至于影响人的健康状况。室内存在的有害气体的
另一主要来源为可燃性气体的泄漏,主要可分为天然气泄漏、液化气泄漏和煤气
泄漏。
煤气泄漏的主要成分是一氧化碳与氢气,一氧化碳中毒原因是一氧化碳进入
人体后会和血液中的血红蛋白结合,从而出现缺氧。常见于家庭居室内通风差得
情况下,煤炉产生的煤气或液化气管道泄漏气中的一氧化碳吸入会导致一氧化碳
中毒。 液化气泄漏危害也不易小视,液化石油气是石油产品之一。是由炼厂气
或天然气(包括油田伴生气)加压、降温、液化得到的一种无色、挥发性气体。由
炼厂气所得的液化石油气,主要成分为丙烷、丙烯、丁烷、丁烯,同时含有少量
戊烷、戊烯和微量硫化合物杂质。由天然气所得的液化气的成分基本不含烯烃。
液化石油气主要用作石油化工原料,用于烃类裂解制乙烯或蒸气转化制合成气,
可作为工业、民用、内燃机燃料。其主要质量控制指标为蒸发残余物和硫含量等,
有时也控制烯烃含量。液化石油气是一种易燃物质,空气中含量达到一定浓度范
围时,遇明火即爆炸。
天然气主要成分是烷烃,其中甲烷含量在 95%以上。人所赖以生存的空气中
有大约 20%的氧气,如果人的生活空间是封闭空间,氧气稀薄,人会因氧气不足,
导致窒息、昏迷,有心脑血管疾病的人将会危及生命。室内天然气泄漏会使室内
空气中的氧气相对稀薄,由于天然气是无色无味,人很难察觉到,尤其当人处于
睡眠状态时,天然气的泄漏就更加危险,甚至会使人窒息。天然气的另一危险是
当空气中的天然气含量达到一定含量时,遇到明火就会产生爆炸,危及人的生命。
人们面对可燃性气体泄漏而危及生命健康情况,有没有一个彻底的解决办
法?据有关专家介绍,可燃气体泄漏报警器是对付燃气泄漏的重要预防手段之一。
为防止中毒事件发生,现提出利用单片机系统进行有效的预防措施。所以怎样预
防燃气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要。基于此现实,本设计宗旨是为家庭用
户设计一种能够对天然气,液化气和、煤气泄漏的装置,从于减少不必要的事故,
进于保证人民的生命健康,减少不必要的损失。
1.2 国内外的研究状况
可燃性气体泄漏报警器,多用于大型公寓、饮食餐店、医院、学校、工厂的
各种气体报警器和系统,有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、
遮断连动系统、防止中毒报警防护系统等。可燃性气体泄漏报警器可发出声光报
警,或伴有数字显示,或联动外部设备。有的可燃性气体泄漏报警器可自动开启
排风扇,把燃气排出室外;有的可燃性气体泄漏报警器在报警时可自动关闭燃气
阀门,以防燃气继续泄漏。当前应用最广泛的可燃性气体泄漏报警器与气敏元件
传感器,已普及应用于气体泄漏检测和监控,仅用于安全保护家用燃气泄漏报警
器为例,不少发达国家已经明确规定家庭、公寓等要求安装相应的报警器。国外
可燃性气体泄漏报警器发展很快,是由于人们安全意识增强,对环境安全性和生
活舒适性要求提高;另一方面是由于燃气泄漏报警器市场增长受到政府安全法规
的推动。因此,国外燃气报警器技术得到了较快发展,据有关统计猜测,美国在
1996 年—2002 年就煤气报警器的年均增长率为 27%~30%。在这些方面,国内
应该增强安全意识增强。
可燃性气体泄漏报警器的发展趋势集中表现为,一是提高灵敏度和工作性能,
降低功耗和成本,缩小尺寸,简化电路,与应用整机相结合,这也是燃气泄漏报
警器一直追求的目标;二是增强可靠性,实现元件和应用电路集成化,多功能化,
发展 MEMS 技术,发展现场适用的变送器和智能型可燃性气体泄漏气报警器。
如美国在燃气泄漏报警器中嵌入微处理器,使燃气泄漏报警器具有控制校准和监
视故障状况功能,实现了智能化、涉多功能化。
1.3 本文的主要研究内容及论文结构安排
第1章.主要介绍本设计的课题背景及国内外研究状况;
第2章.主要说明系统方案的选择;
第 3 章.主要介绍硬件电路的组成及使用方法;
第 4 章.主要介绍软件设计;
第 5 章.主要介绍硬件调试。
第二章 方案的设计与论证
2.1 控制方案的确定
本设计由 STC89C52 单片机+煤气/co 传感器模块电路+3 个 LED 指示灯电
路+蜂鸣器报警电路+风扇控制电路+继电器控制电路+电源电路组成。
2.2 控制方式的选择
2.2.1 单片机芯片的选择
方案一
采用可编程逻辑器件 CPLD 作为控制器,CPLD 可以实现各种复杂的功能、
规模大、密度高、体积小、稳定性高、I/O 资源丰富、易于进行功能扩展。采用
并行的输入输出方式,提高了系统的处理速度,适合作为大规模控制系统的控制
核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能,对数据的处理速度的要求也不是非常高。
且从使用及经济的角度考虑,最终放弃了此方案。
方案二
采用 ST 公司的 STC89C52 单片机作为主控制器,STC89S52 是一种低功耗、
高性能 CMOS8 位微控制器,具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。该单片机功
耗低、接口丰富,成本低廉,完全能满足本设计要求。
方案三
采用单片机芯片控制 MSP430 单片机是美国德州仪器(TI)推出的一种 16
位超低功 耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor),主要是针对实际应用
需求,把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上,以提供“单片”
混合信号处理的解决方案。MSP430F149 是一个 16 位的、具有精简指令集的、
超低功耗的混合型单片机,具有可靠性高、功耗低、扩展灵活、体积小、价格低
和使用方便等优点,广泛应用于仪器仪表、专用设备智能化管理及过程控制等领
域,有效地提高了控制质量与经济效益,已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新
星。然而其成本太高,故舍弃。
故选择方案二。
2.2.2 声音报警电路方案的选择
方案一
采用语音集成芯片 ISD4004 报警,由于 ISD4004 需要扩充喇叭驱动电路且
其本身控制比较繁琐、电路比较复杂,稳定性差。基于以上考虑,所以放弃了此
方案。
方案二
通过蜂鸣器实现报警电路,具有电路简单,性能可靠、稳定等优点,最重要
的是低成本,故选择方案二。
方案三
采用音乐片作为本系统门铃的音乐模块,音乐芯片是一种比较简单的语音电
路,它通过内部的振荡电路,再外接小量分立元件,就能产生各种音乐信号,音
乐芯片是语音集成电路的一个重要分支,目前广泛用于音乐卡、电子玩具、电子
钟、电子门铃、家用电器等场合。其具有电路简单,成本低廉等优点。
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