可燃气体报警装置设计

目录

1前言 ................................................................... 1 2总体方案设计 ........................................................... 2 2.1方案比较 ............................................................ 2 2.2方案选择 ............................................................ 3 3单元模块设计 ........................................................... 4 3.1各单元模块电路设计及功能介绍 ........................................ 4 3.1.1 直流稳压电源模块 ................................................ 4 3.1.2 串口电路模块.................................................... 4 3.1.3 单片机模块.......................................................5 3.1.4 可燃气体检测与信号调理模块.......................................6 3.1.5 AD转换模块 ..................................................... 6 3.1.6报警电路 ........................................................ 7 3.1.7 数码显示及浓度设置模块 .......................................... 8 3.2 特殊元器件的介绍 .................................................... 8 3.2.1 LM2576稳压器 .................................................. 8 3.2.2 MQ-5传感器 .................................................... 9 3.2.3 STC89C52单片机 ................................................ 9 3.2.4 ADC8089 ....................................................... 11 4软件设计 ..............................................................14 4.1软件设计原理及设计所用工具 ......................................... 14 4.1.1软件设计原理 ................................................... 14 4.1.2 软件设计所用工具 ............................................... 14 4.2软件设计结构图 ..................................................... 14 5系统功能、指标参数.....................................................错误！未定义书签。

5.1说明系统能实现的功能 ............................... 错误！未定义书签。 5.2系统指标参数 ....................................... 错误！未定义书签。 6结论 .................................................................. 17 7总结与体会 ............................................................ 18 8谢辞 .................................................................. 19 9参考文献 .............................................................. 20 附录 .................................................................... 21

西华大学课程设计说明书

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1前言

在很多工业生产领域包括石油、化工、冶金、采矿等行业，都会产生或利用到可燃气体。而近年来，可燃气体作为人们做饭、取暖的燃料，早已进人广大城乡居民家中。但是由于各种原因如漏气、阀门故障、等都会引起室内可燃气体浓度上升，当室内可燃气体的浓度达到一定的程度时，就会引起人体中毒反应；如遇火花等，甚至还有可能引起爆炸，造成人身伤亡和财产损失。由于可燃气体本身的危险性严重威胁到人民的生产生活安全，故而对可燃气体的检测与报警在生产生活中式非常重要的。

本课程设计通过传感器将送来的可燃性气体浓度对应的微小信号经过放大，送入微控制器，经A/D 转换、浓度比较，线性化数据处理，转化成相应的十进制浓度值，把实际可燃性气体浓度及各路状态送显，当可燃气体浓度超过25%时进行光报警，超过50%时进行声光报警并提醒附近人员及时采取安全措施，防止中毒事故、爆炸、及火灾发生，从而保障生命、财产的安全。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，保证传感器准确地、稳定地工作，可燃气体报警器需要向气体传感器持续输出一个5V 的电压。为了保证其可靠性，在输出5V 的电压的同时，进行故障监测。当传感器加热丝、或电缆线和传感器断线、或接触不良时，进行故障报警。

本设计为常用普通的可燃性气体报警器设计，具备监控可燃气体的浓度，显示测量结果，并对当前的环境状态做出判断，发出报警信息的功能。该报警装置灵敏度高，适用于检测低浓度气体。且寿命长、在线性好，报警器的结构简单，制作方便，制造成本低，适用于家庭可燃气体的报警。

2总体方案设计

2.1方案比较

方案一：

可燃气体报警装置由可燃性气体传感器电路、放大电路，A/ D 转换电路、单片机、显示电路、按键、信号输出电路、报警器等组成。若可燃气泄漏，则传感器电路将可燃

气体浓度转换为电信号，通过放大、A/D转换将模拟信号转换为数字信号送予单片机，再由单片机控制报警信号，发出声光报警。原理框图如图2.1:

图2.1方案一框图

方案二：

可燃气体报警装置由可燃气体传感器、电桥电路、差分电路、放大电路、A/D转换模块、单片机、显示电路、报警器电路、按键设置模块组成。由气体传感器感知环境中某种气体并将气体浓度信号转换成电信号。该电信号为连续变化的模拟信号，经过抗干扰处理放大后经过A/D转换将其转化为数字信号送予单片机处理。单片机对采集的数字信号进行处理和判断，通过程序控制计算出待检测气体成分及浓度并送到数码管显示，当检测气体浓度超出设定报警阀值时给出声光报警。其原理框图如图2.2所示：

图2.2方案二框图

2.2方案选择

方案一和方案二相比较，方案一结构简单，比方案二省略了电桥和差分电路，其对信号的采集和处理不是很严格，容易造成较大的误差，方案二的设计正好弥补了这一点。电桥电路可作为调零电路，减小系统误差；而差放电路具有很强的抑制零点漂移及抑制噪声与干扰的能力。故而传感器采集的信号经过电桥电路、差分电路和放大电路的处理后，信号质量好，误差小，所以选择方案二做为此次课程设计方案。

3单元模块设计

3.1各单元模块电路设计及功能介绍

3.1.1 直流稳压电源模块

直流稳压电源模块如图3.1所示：

图 3.1 电源电路

该模块由变压器、二极管整流桥、滤波电容、开关SP1、稳压器LM2596等组成。通过变压器将家庭电网中220V交流电压变压至20v以内，然后通过二级管整流桥进行全波整流，再通过滤波电容滤波，最后用LM2576进行稳压（5V）。

开关SP1在STC89C52单片机写程序的时候对单片机进行断电，有利于对单片机进行写入程序，在开关接通的时候，电路输出5V电压，当开关处于断开的时候，没有电压输出，达到单片机断电写程序的目的。发光二极管用作电源指示。 3.1.2 串口电路模块

串口电路模块如图3.2所示：

图3.2 单片机串口电路

串口通讯对单片机而言意义重大，不但可以实现将单片机的数据传输到计算机端，而且也能实现计算机对单片机的控制，同时也可以通过串口对外部电路进行控制等。由于其所需电缆线少，接线简单，所以在较远距离传输中，得到了广泛的运用。

MCS-51单片机的I/O串行口为全双工接口。发送时，将CPU送来的并行数据转换成一定格式的串行数据，在TXD引脚上按照一定的波特率诸位输出。接收时，监视RXD引脚，一旦出现起始位“0”，就将外围设备送来的一定格式的串行数据转换成并行数据等待CPU输入。由于电脑的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，所以在单片机和电脑之间进行串口通讯时要通过芯片MAX232进行转换。 3.1.3 单片机模块

单片机模块电路如图3.3所示：

图3.3 单片机模块电路

单片机模块电路采用由STC89C52构成单片机总线主控系统。其由单片机STC89C52及晶振电路、复位开关电路、地址锁存器、输出显示模块、键盘扫描模块等外部设备构成。其中所有外部设备包括AD数据采集等均采用总线驱动方式驱动。

由11.0592M 的晶振为单片机提供时钟源。因为单片机为高电平复位，所以复位电路采用以复位开关S17构成的上电复位系统。P1口作为系统的状态输出，通过LED8位数码管显示，能够实时观察室内可燃气体浓度大小。由于单片机STC89C52的P0口和P2口可用于与外部存储器的连接，这时P0口作为数据/地址分时复用端口，P0口先输出外部设的低8位地址，并在外部锁存，而后再输出读入数据。在16位寻址时，P2口输出外部存储器的高8位地址。当P0口和P2口用作数据/地址总线时，它们不能再作为通用I/O口。

本系统中，在P0口用74HC573锁存器对地址进行锁存，数据经74HC573锁存后与P2口一起构成16位地址线，然后用高位地址控制外围电路的运行。 3.1.4 可燃气体检测及信号调理模块

可燃气体检测及信号调理电路如图3.4所示：

图3.4可燃气体检测及信号调理电路

本模块是由气敏传感器MQ-5组成的电桥电路和差分放大电路组成。一般地，当被测量非常微弱的时候，必须用专门的电路来测量这种微弱的变化，最常用的电路就是各种电桥电路。电桥电路的作用就是把电阻变化率转换成电压输出，然后提供给放大电路放大后进行测量，当电桥的四个桥臂电阻达到一定关系时，电桥输出为零。在差放电路中采用TL084型四运放放大器。其中TL084前两个运放构成相同放大器，第三个运放构成差动放大器。

可燃气体浓度通过气敏传感器MQ-5构成的电桥电路转换成电压信号输出，然后送入差放电路将信号放大供ADC0809采集。 3.1.5 AD转换模块

AD转换电路如图3.5所示：

图3.5 AD转换电路

本模块主要功能是由ADC8089进行模数转换。将经过处理的模拟信号送入ADC0809转换为数字信号输入单片机。地址线A15控制ADC8089的选通，当向A15写数据时采集数据，当向A15读数据时读取AD转换的数据。选通数据转换通道由A0、A1、A2控制。 3.1.6 报警电路

报警电路如图3.6所示：

图3.6 报警电路

声、光报警电路分别如图3.6（a）和（b），分别由单片机P3.5和P3.4控制。声音报警使用蜂鸣器，光报警使用发光二极管。当可燃气体浓度达到相应报警要求时，单片机P3.5或P3.4输出高电平，三极管T1或T2导通,报警电路发出声光报警。 3.1.7 数码显示及浓度设置模块

数码管显示电路模块如图3.7所示：

J1

J2

LED

图3.7 数码管显示电路

本模块采用共阴极数码管，电路比较简单。设置数值和数码显示主要由单片机来控制完成，数码显示采用总线方式编写程序。用A14控制数码管的段数据；用A13控制数码管的位选通，通过选通信号对数码管进行扫描显示；用A12控制键盘输入键值的读取。

3.2 特殊元器件的介绍

3.2.1 LM2576稳压器

单片式开关稳压器LM2576系列能提供降压开关稳压器（buck)的各种功能，能驱动3A的负载，有优异的线性和负载调整能力。其特点有能输出3.3V、5V、12V、15V和可调节输出电压型号，输出电压可调的范围为1.23V～37V (HV型号的可达57V)，负载电压的输出容差最大为±4％， 最少只需要4个外围元件支持，可达3A的输出电流宽的输入电压范围，内部振荡器产生52KHz的固定频率；可用TTL电平关闭输出，低功耗待机模式，典型待机电流为50μA ，较高的转换效率，过热和过流保护。其管脚定义如下图所示：

图3.8 管脚定义 3.2.2 MQ-5传感器

气敏传感器MQ-5适用于家庭或工业上对液化气，天然气，煤气的监测装置。其具有对液化气、天然气、城市煤气有较好的灵敏度；对乙醇，烟雾几乎不响应，具有优良的抗干扰能力；有快速的响应恢复特性；有长期的使用寿命和可靠的稳定性；测试电路比较简单等优点。

MQ-5气敏元件的结构和外形如图3.9所示(结构A或B),由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。

图3.9 MQ-的结构和外形 3.2.3 STC89C52单片机

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K字节的系统可编程Flash存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU 和在线系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵

活、超有效的解决方案。

STC89C52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器 8K字节在系统可编程 Flash。

STC89C52单片机如下图所示：

图3.10 STC89C52芯片图

I/O口功能及特别引脚介绍：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX），在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验

时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。P3口亦作为STC89C52特殊功能使用（P3.0 RXD、P3.1 TXD、P3.2 INTO、P3.3 INT1、P3.4 TO、P3.5 T1、P3.6 WR、P3.7 RD），在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

RST复位输入：当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。

ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。 PSEN：当STC89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

EA/VP：外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。 3.2.4 ADC0809

ADC0809是含8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。其转换方法为逐次逼近，精度为1LSB。其原理框图如下：

模拟量输入IN IN数字量输出 D7 D0

图3.11 ADC0809原理图

由上图可知，ADC0809由两部分组成。第一部分为8通道多路模拟开关，其基本原理与CD4051类似，控制C、B、A和地址锁存允许端子，可使其中一个通道被选中。第二部分为一个完整的逐次逼近型A/D转换器，它由比较器、控制逻辑、数字量输出锁存缓冲器、逐次逼近型寄存器以及开关树组和256R梯形电阻网络组成，由后两种电路组成D/A转换器。

ADC0809应用接线图如图3.12所示：

DECODE W

图3.12 ADC0809应用接线图

上图为ADC0809接线图，各引脚功能如下：

IN7-IN0：8个模拟量输入端。

START:启动信号。当START为高电平时，A/D转换开始。

EOC:转换结束信号。当A/D转换结束后，发一个正脉冲，表示A/D转换结束。 OE:输出允许信号。可作为片选信号，高电平有效。 CLOCK:实时时钟，可通过外接RC电路改变时钟频率。 ALE:地址锁存允许，高电平有效。

C,B,A:通道选择端子。C为最高位，A为最低位。

D7—D0：数字量输出端。

VREF(+),VREF（-）：参考电压端子。用以提供D/A转换器权电阻的标准电平。对于一般单极性模拟量输入信号，VREF(+)=+5V,VREF(-)=0V。

VCC:电源端子。接+5V。 GND:接地端。

4 软件设计

4.1软件设计原理及设计使用工具

4.1.1 软件设计原理

将传感器采集得到的模拟信号经AD0809转换为数字信号，送入单片机中， 单片机根据原本的设计值与采集值进行比较当达到设定的浓度值时进行相应的声光报警。 4.1.2 软件设计所用工具

Protel99se：Protel99se是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。因而今天的Protel最新产品已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。 最新版本的Protel软件可以毫无障碍地读Orcad、Pads、Accel(PCAD)等知名EDA公司设计文件，以便用户顺利过渡到新的EDA平台。

ISIS：电路设计仿真软件。

Keil uVision3：C语言设计软件。

4.2 软件设计结构图

软件设计结构图如图4.1所示：

图4.1 软件设计结构图

5系统功能及指标参数

5.1说明系统能实现的功能

本系统能实现可燃气体一级报警和二级报警。当可燃气体浓度超过25%LEL时，产生一级报警，发光二极管发光，当浓度超过50%LEL时，产生二级报警，二极管发光的同时蜂鸣器工作，发出声光报警。

5.2 系统指标参数

当可燃性气体与空气混合，将形成空气可燃气混合气体，根据混合气体中可燃性气体的浓度，可将混合气体分成三个区域，即歉量区，爆炸区及富量区(见图1)。爆炸区的下限值，称最低爆炸极限，即为L. E．L；爆炸区的上限值，称最高爆炸极限，即为U．E．L。每种气体的最低爆炸极限与最高爆炸极限是确定的，可查阅有关手册。

报警控制器的主要性能指标要求如下。检测范围：可燃气体为0～100 LEL(爆炸下限)。报警设定值：可燃气体——一级报警不大于25%LEL，二级报警不大于5O %LEL，报警控制器一般为一级报警。

下面的图表是不同的浓度对应不同的电压输出，通过排水法的方式来固定气体浓度，然后把传感器放入固定的浓度的气体中，可以测出其输出的电压。

表6.1传感器在丁烷中的输出电压

图5.1传感器在丁烷中的输出电压

6结论

本设计基本达到了设计要求。它采用STC89C52单片机为核心构成检测系统，对可燃气体采用MQ5传感器进行检测，经电桥电路、仪用电路对信号进行放大使能够使用ADC0809进行八路数据采集。然后经单片机处理后使用数码管显示浓度，当浓度达到相应值时进行声光报警器。

由MQ5构成的采集系统灵敏度高、寿命长、再现性好，报警器的结构简单，制作方便，制造成本低，适用于家庭可燃气体的报警。而QM－5气敏半导体传感器在开机时，约有20分钟的预热期，在这个时间内易产生不稳定因素，导致误报，因此在电路的设计上有一个桥式电路，它由R4、C2构成，调整R4，使输入得初始信号为0。电阻R2、R3的阻值决定了电路的报警起控点。例如：将气敏传感器置于浓度为0.3%的丁烷气样中，调整R3的阻值至所要求的报警浓度点，使电路处于报警临界点即可。

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