家庭廚房煤氣泄漏檢測監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

1、摘 要隨著經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,人們對生活質(zhì)量的提高和生活環(huán)境的改善越來越重視,液化氣、煤氣進入家庭的使用為人們帶來了方便,也改善了城市的環(huán)境,但同時也給人們帶來了潛在的危險,其中一氧化碳是最主要的危險源。一氧化碳是一種無色無味同時這些氣體燃料在使用中，若管道和閥門密封不好，它們泄露出去，輕者引起中毒，重者造成火災(zāi)，危及人們的生命財產(chǎn)。由于這些原因，對于氣體的檢測與控制就變得很重要了，研究各種氣體的檢測方法與氣體傳感器也隨之成為一個重要課題。本論文主要實現(xiàn)管道煤氣泄露的測量與報警，系統(tǒng)主要以半導(dǎo)體氣體傳感器為研究對象，以單片機為核心構(gòu)成一個具備數(shù)據(jù)采集、對象控制、結(jié)果顯示、數(shù)據(jù)通信等功能的

2、完整系統(tǒng)。通過虛擬儀器Lab VIEW進行控制之后，再通過計算機I/O接口輸出;輸出信號驅(qū)動相應(yīng)的驅(qū)動電路，分別控制報警燈、蜂鳴器及切斷電路，實現(xiàn)對煤氣泄露事故的實時監(jiān)測及控制;程序?qū)崟r監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)。關(guān)鍵詞：氣體傳感器，單片機，數(shù)據(jù)采集，Lab VIEW目錄第一章緒論11.1論文研究來源、目的和意義11.1.1 論文研究來源21.1.2 論文研究目的和意義21.2可燃性氣體報警器的國內(nèi)外現(xiàn)狀31.3本論文主要任務(wù)3第二章煤氣泄露自動測試總體設(shè)計42.1設(shè)計要求52.1.1煤氣泄露測試的功能52.1.2煤氣泄露測試系統(tǒng)框圖52.1.2煤氣泄露測試的各個功能模塊62.2設(shè)計原理72.2.1氣體傳感

3、器介紹72.2.2氣體傳感器的選定72.3數(shù)據(jù)處理82.3.1傳感器非線性信號處理92.3.2數(shù)字濾波處理9第三章煤氣泄露自動測試硬件設(shè)計93.1溫度補償電路113.1.1 OP07低噪聲高精度運算放大器113.1.2溫度補償123.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809123.2.1 ADC0809的介紹123.2.2引腳功能133.2.3主要特性143.3單片機AT89C51的概述153.3.1 AT89C51簡介153.3.2主要性能參數(shù)153.3.3管腳說明163.4 聲光報警與LED顯示193.4.1聲光報警單元193.4.2 LED顯示203.5排氣扇控制系統(tǒng)與切斷閥213.5.1光電隔離器

4、213.5.2繼電器選擇223.5.3光電隔離電路23第四章接口總線224.1 RS-232接口總線22結(jié)論24謝 辭25參考文獻26 27作者 第 頁 共26頁家庭廚房煤氣泄漏檢測監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計第一章 緒論1.1論文研究來源、目的和意義1.1.1 論文研究來源隨著科技的發(fā)展，越來越多的可燃性氣體作為能源應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中。但是可燃性氣體在給我們帶來極大便利的同時，也存在巨大隱患。可燃性氣體發(fā)生泄漏達到爆炸極限后，一旦有火源作用，便會引起燃燒、爆炸等事故，造成嚴重的經(jīng)濟損失，甚至?xí)＜吧踩?。為了減少這類事故的發(fā)生，就必須對這些可燃性氣體進行現(xiàn)場實時檢測，采用先進可靠的安全檢測

5、儀表，嚴密監(jiān)測環(huán)境中可燃性氣體的濃度，及早發(fā)現(xiàn)事故隱患，采取有效措施，避免事故發(fā)生，才能確保工業(yè)安全和家庭生活安全。因此，研究可燃性氣體的檢測方法與研制可燃性氣體報警器就成為傳感器技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域的一個重要課題。1.1.2 論文研究目的和意義可燃性氣體通常指城市煤氣、石油液化氣、汽油蒸汽、酒精蒸汽、天然氣以及煤礦瓦斯等1。這些氣體主要含有烷類、烴類、烯類、醇類、苯類以及一氧化碳和氫氣等成分，易燃、易爆、貯存和使用這些氣體的過程中，如違反操作規(guī)程和設(shè)備密封不好，都有可能發(fā)生可燃氣體泄漏現(xiàn)象，進而釀成火災(zāi)或爆炸事故，給國家和人民的生命財產(chǎn)造成損失?？扇夹詺怏w檢測報警裝置是能夠檢測環(huán)境中的可燃性氣體濃度

6、并具有報警功能的儀器。該報警裝置是石油化學(xué)工業(yè)、有可燃性氣體泄漏可能的生產(chǎn)工廠及家庭防火防爆必備的儀器。可燃性氣體報警器屬于中華人民共和國強制檢定的工作計量器具目錄中第46項，它歸類于物理化學(xué)計量器具。建筑設(shè)計防火規(guī)范(GBJ16-87)第10.3.2條明確規(guī)定:“散發(fā)可燃氣體、可燃蒸汽的甲類廠房和場所，應(yīng)設(shè)置可燃性氣體濃度檢測報警裝置”。2003年12月，國家執(zhí)行新的可燃性氣體探測器標準(GB15322-2003)可燃氣體探測器，2004年10月國家頒布可燃氣體檢測報警器規(guī)程JJG693-2004，研究新型、性能穩(wěn)定、準確監(jiān)測可燃性氣體，并合乎國家相關(guān)規(guī)定的報警器具有極其重要得意義。目前我國

7、已有許多城市鋪設(shè)了煤氣管道，使用人口約達二億人，煤氣發(fā)生基地及中轉(zhuǎn)站也達幾千家。如果這些家用燃氣和煤氣基地及中轉(zhuǎn)站的報警率按10%計算，可燃性氣體檢測報警器的需求量就達2000萬臺以上。隨著全社會對防火防爆及人身安全的重視程度的提高，這個數(shù)字會繼續(xù)增長。近十年來，農(nóng)村的沼氣使用也得到了極大的發(fā)展。到2006年底，全國沼氣池數(shù)量已達近1300萬座，這就為檢測沼氣（主要成分是甲烷）濃度的儀器提供了市場。可見，可燃性氣體報警器具有十分廣闊的市場前景。1.2可燃性氣體報警器的國內(nèi)外現(xiàn)狀國外從20世紀30年代開始研究及開發(fā)氣體傳感器，且發(fā)展迅速，一方面是因為人們安全意識增強，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求

8、提高；另一方面是因為傳感器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，美國1996年2002年氣體傳感器年均增長率為27%30%。隨著傳感器生產(chǎn)工藝水平逐步提高，傳感器日益小型化、集成度不斷增大，使得氣體檢測儀器的體積也逐漸變小，提高了氣體檢測儀器的便攜性，更加利于生產(chǎn)、運輸及市場推廣。1963年5月，日本開發(fā)完成第一臺接觸燃燒式家用燃氣泄漏報警器，次年12月其改良產(chǎn)品問世，改良的報警器可以檢測燃氣、一氧化碳等氣體，可以安裝在浴室或者采用集中監(jiān)視。我國在70年代初期開始研制可燃性氣體報警器，生產(chǎn)型號多樣、品種較齊全，應(yīng)用范圍也由單一的煉油系統(tǒng)擴展到幾乎所有危險作業(yè)環(huán)境的各種類型報警器，產(chǎn)品數(shù)量

9、也在不斷增加。但主要是在引進國外先進的傳感器技術(shù)和先進的生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，進行研究與開發(fā)形成自己的特色。近年來，在氣體選擇性和產(chǎn)品穩(wěn)定性上也有很大進步。燃氣報警器可分為民用可燃氣體報警器、工業(yè)用可燃性氣體報警器、有毒有害氣體報警器三大系列產(chǎn)品。(1)民用可燃氣體報警器民用可燃氣體報警器為居民家庭用的燃氣報警器,一般安裝在廚房，遇燃氣泄漏時，報警器可發(fā)出聲光報警，或同時伴有數(shù)字顯示，同時聯(lián)動外部設(shè)備。有的報警器可自動開啟排風扇，把燃氣排出室外；有的報警器在報警時可自動關(guān)閉燃氣閥門，以防燃氣繼續(xù)泄漏。(2)工業(yè)用可燃性氣體報警器及有毒有害氣體報警器工業(yè)用可燃性氣體報警器及有毒有害氣體報警器只是檢測探

10、頭有差異，而在原理和應(yīng)用中都很相近。工業(yè)用燃氣報警器及有毒氣體報警器根據(jù)檢測環(huán)境的不同，也可分為檢漏儀、控制器和探測器。檢漏儀的體積較小，可隨身攜帶或手持，主要應(yīng)用于燃氣管理的查漏與巡檢。若有燃氣泄漏，檢漏儀便會發(fā)出聲光報警，同時數(shù)字顯示氣體濃度，以便及時采取安全措施，防止爆炸等惡性事故的發(fā)生?？刂破髋c探測器結(jié)合使用，可在防爆現(xiàn)場長期監(jiān)測氣體的濃度。探測器安裝在防爆現(xiàn)場，控器壁掛在值班室等有人值守的地方，二者采用屏蔽電纜線連接。當在現(xiàn)場的探測器探測到燃氣泄漏之后，通過屏蔽電纜線將信號傳到控制器，控制器發(fā)出聲光報警，同時啟動排風裝置或關(guān)閉電磁閥切斷氣源，以確保安全。此種儀器廣泛應(yīng)用于液化氣站、汽

11、車加氣站、鍋爐房等工業(yè)場所。1.3本論文主要任務(wù)本篇論文是煤氣泄漏自動檢測的研制，主要針對CO氣體，主要實現(xiàn)家庭煤氣檢測的檢測與報警。數(shù)據(jù)采集模塊利用單片機實現(xiàn)氣體濃度實時采集、電路狀態(tài)信號采集及數(shù)據(jù)預(yù)處理；數(shù)據(jù)傳輸模塊將檢測信號傳輸?shù)接嬎銠C;計算機I/O接口為計算機與外部數(shù)據(jù)連接的硬件支持。當數(shù)據(jù)進入計算機后，在LabVIEW平臺上，經(jīng)數(shù)據(jù)處理子程序、報警子程序輸出報警信號，并通過計算機I/O接口輸出;輸出信號驅(qū)動相應(yīng)的驅(qū)動電路，分別控制報警燈、蜂鳴器及切斷電路，實現(xiàn)對煤氣泄露事故的實時監(jiān)測及控制。 第2章煤氣泄露自動測試總體設(shè)計2.1設(shè)計要求2.1.1煤氣泄露測試的功能在本設(shè)計中，煤氣泄露

12、測試裝置的主要功能就是快速準確的檢測被測氣體中有害氣體的含量（主要是CO氣體），通過LED顯示屏將CO氣體濃度顯示出來，當氣體濃度達到一定門限值時發(fā)出聲光報警，為了提高實用性系統(tǒng)還應(yīng)該具備人機交互界面、與計算機通信端口。為了實現(xiàn)以上功能：系統(tǒng)應(yīng)該具備氣體傳感器、數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機、LED數(shù)碼顯示、輸入鍵盤、聲光報警單元、光電隔離技術(shù)和切斷閥、RS-232通信模塊。2.1.2煤氣泄露測試系統(tǒng)框圖 圖2-1系統(tǒng)框圖系統(tǒng)工作流程為:由裝在室內(nèi)的CO傳感器獲得被測量對象(室內(nèi)CO濃度)原始信號,經(jīng)過溫度補償和取樣放大得到矯正后的可匹配信號，進入A/D轉(zhuǎn)換,得到被測對象的數(shù)字量信號,再由單

13、片機進行數(shù)據(jù)處理,得到最終的室內(nèi)環(huán)境CO濃度值,將此數(shù)據(jù)通過數(shù)碼管顯示并保存,同時根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的限值參數(shù)判斷環(huán)境濃度是否超標,如果超標立即向光隔離接口輸出控制信號,通過繼電器打開排氣扇, 如果超出下限值，切斷閥關(guān)閉，并開始進入危險期計時,如果發(fā)現(xiàn)環(huán)境中一氧化碳濃度長時間處于危險狀態(tài),則有可能排氣扇未能打開,或者房間發(fā)生嚴重CO泄露事故,此時啟動預(yù)警信號進行語音報警提示,提示室內(nèi)人員打開門窗、關(guān)閉氣源并迅速撤離事故現(xiàn)場。如果系統(tǒng)接有上位機工作的話,可通過通信接口對單片機組成的下位機系統(tǒng)進行參數(shù)設(shè)置,并可定時地從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中讀取以前測量的數(shù)據(jù)值,進行二次處理加工或存入數(shù)據(jù)庫永久保存。具體技術(shù)指標如

14、下：應(yīng)用范圍：工業(yè)生產(chǎn)和人民生活中的CO檢測；檢測對象：CO及他們的混合氣體；檢測范圍：CO:01000ppm；檢測精度：CO優(yōu)于20ppm；報警濃度：100ppm300ppm響應(yīng)時間：30ms；電池電壓：+12V；工作溫度范圍：-20+70；工作濕度范圍：1095%RH。2.1.2煤氣泄露測試的各個功能模塊在本設(shè)計中，煤氣泄露測試裝置的主要功能就是快速準確的檢測被測氣體中有害氣體的含量（主要是CO氣體），通過LED顯示屏將CO氣體濃度顯示出來，當氣體濃度達到一定門限值時發(fā)出聲光報警，為了提高實用性系統(tǒng)還應(yīng)該具備人機交互界面、與計算機通信端口。為了實現(xiàn)以上功能：系統(tǒng)應(yīng)該具備氣體傳感器、數(shù)據(jù)采集

15、、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機、LED數(shù)碼顯示、聲光報警單元、光電隔離技術(shù)和切斷閥、RS-232通信模塊。2.2設(shè)計原理2.2.1氣體傳感器介紹1. 氣體傳感器是氣體與氣味檢測的關(guān)鍵元件。根據(jù)其氣敏特性，氣體傳感器可以分為六大類：(1) 半導(dǎo)體氣體傳感器。(2) 固體電解質(zhì)氣體傳感器。(3) 接觸感染式氣體傳感器。(4) 電化學(xué)式氣體傳感器。(5) 光學(xué)式氣體傳感器。(6) 高分子氣體傳感器。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

16、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。2.2.2氣體傳感器的選定氣體傳感器是本系統(tǒng)檢測的起點也是系統(tǒng)的核心和重點，選擇合適的傳感器成為決定系統(tǒng)成功的關(guān)鍵。CO氣體傳感器屬于氣敏傳感器，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。傳感器作為煤氣泄露測試裝置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，傳感器的選型是非常重要的。

17、由于監(jiān)控系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分在于室內(nèi)一氧化碳氣體濃度的檢測,本系統(tǒng)考慮到室內(nèi)空氣中一氧化碳含量的大致范圍,結(jié)合國家環(huán)境空氣質(zhì)量標(GB30951996)規(guī)定的一氧化碳分級標準,我們選用了Motorola生產(chǎn)的一種專門用于家庭用途的MGS1100型一氧化碳氣體傳感器, MGS1100一氧化碳傳感器是一種應(yīng)用全微電子工藝制成的半導(dǎo)體氣體傳感器，作為CO敏感元件，對CO響應(yīng)的選擇性好，并具有靈敏度高，穩(wěn)定性好等特點在信號采集的同時加以溫度補償。它是在微型硅橋結(jié)構(gòu)中嵌入的加熱器上制作一層SnO2薄膜,這種結(jié)構(gòu)不僅使得SnO2薄膜對CO氣體在很寬的溫度范圍內(nèi)具有敏感性,而且硅膜減少熱傳導(dǎo)的熱損失,從而大大降

18、低了功耗。圖2-2傳感器管腳與基本測量電路圖其中2、4端為加熱器的電源接線端,1、3為傳感器輸出端,其工作原理是把傳感器置于CO氣體環(huán)中,SnO2薄膜層的電阻會隨著CO濃度的變化而變化,CO濃度越大,SnO2薄膜層阻值越小。圖22（b）為取得傳感器輸出信號的基本電路圖,Vh為加熱電壓,傳感器電阻RS與負載電阻RL串聯(lián)接到工作電壓VCC兩端, 由此可得關(guān)系:VRL=RL·VCC/（RL+RS）傳感器阻值RS隨著CO濃度的增大而減小時,輸出負載電壓VRL逐漸變大,所以通過測量負載電壓即可反應(yīng)出被測對象的CO濃度。MGS1100型一氧化碳氣體傳感器的特點：測量濃度范圍為0-1000PPM，

19、測量精度為3%，分辨率為1PPM，工作溫度-2070°，零點漂移為PPM<10。2.3數(shù)據(jù)處理2.3.1傳感器非線性信號處理人們使用傳感器時總希望傳感器的輸出量和它所測量的輸入量呈線性關(guān)系,但由于傳感器內(nèi)部因素和測量誤差等原因,傳感器的輸入輸出特性在整個測量范圍內(nèi)往往不是嚴格的直線關(guān)系。在本系統(tǒng)中測量得到的是經(jīng)傳感器和采集電路變換的電壓信號,為了真實地反映被測量的CO濃度值,需要將根據(jù)系統(tǒng)特性在測量范圍內(nèi)將環(huán)境濃度與采集電壓之間的關(guān)系作一個誤差盡可能小的標定,依據(jù)此標定關(guān)系,將測量得到的電壓信號真實地轉(zhuǎn)化成被測環(huán)境的CO濃度值。本系統(tǒng)采用的是分段插值法來對系統(tǒng)測量值和目標值進行

20、標定的。2.3.2數(shù)字濾波處理數(shù)字濾波的方法有很多種,可以根據(jù)不同的測量參數(shù)進行選擇。下面介紹幾種常用得數(shù)字濾波法：1. 程序判斷濾波2. 中值濾波3. 算術(shù)平均值濾波4. 滑動平均濾波5. RC低通數(shù)字濾波6. 加權(quán)平均值濾波本文采用的是中值濾波法,下面主要介紹中值濾波法：所謂中值濾波是對某一參數(shù)連續(xù)采樣N次(一般N取奇數(shù)),然后把N次的采樣值從小到大(或從大到小)排隊,再取中間值作為本次采樣值中值濾波對于去掉偶然因素引起的波動或采樣器不穩(wěn)定而造成的誤差所引起的脈動干擾比較有效.若變量變化比較緩慢,則采用中值濾波效果比較好,但對快速變化的參數(shù),如流量,則不宜使用。中值濾波程序設(shè)計的實質(zhì)是:首

21、先把N個采樣值從小到大(或從大到小)進行排隊,然后再取中間值。N個數(shù)據(jù)按大小排序的具體做法是兩兩進行比較,設(shè)R0為存放數(shù)據(jù)區(qū)首地址,先將(R0)與(R0)+1)進行比較,若(R0)<(R0)+1),則不交換存放位置,否則將兩數(shù)位置對調(diào)。繼而再取(R0)+1)與(R0)+2)比較,判斷方法同前,直到最大數(shù)沉底為止。然后再重新進行比較,把次大值放在N-1位上如此做下去,則可將N個數(shù)從小到大順序排列。第3章煤氣泄露自動測試硬件設(shè)計3.1溫度補償電路3.1.1 OP07低噪聲高精度運算放大器OP07高精度運算放大器具有極低的輸入失調(diào)電壓，極低的失調(diào)電壓溫漂，非常低的輸入噪聲電壓幅度及長期穩(wěn)定等特

22、點?？蓮V泛應(yīng)用于穩(wěn)定積分、精密絕對值電路、比較器及微弱信號的精確放大，尤其適應(yīng)于宇航、軍工及要求微型化、高可靠的精密儀器儀表中。特點是失調(diào)電壓為10v，失調(diào)電壓溫度系數(shù)為0.2v/，長期穩(wěn)定度為0.2v/月，無需調(diào)零，無需外補償和外接保護元件。 最顯著的特點是：1. 該器件具有優(yōu)異的抗靜電能力，靜電損傷閾值電壓大于4000V（普通OP07的靜電損傷閾值電壓約為700-1000V）。2. 由于增加了保護電路，改善了器件的抗電浪涌性能。3. 具有更低的輸入失調(diào)電壓，典型值約為幾個微伏。4. 兩個運算放大器的參數(shù)一致性好。 5. 采用A型外殼封裝(表貼形式),外形尺寸為10.3mm7.9mm,小于兩

23、個單片OP-07運算放大器的體積,節(jié)約了安裝空間。 6. 管腳功能排列標準化,與OPA2277、OP727管腳功能排列相同。 主要應(yīng)用于電子系統(tǒng)前置放大、誤差放大、直流信號放大、直接耦合放大、儀表放大器、雙路匹配放大等要求高精度、低漂移、高可靠及抗靜電等信號處理的場合。2.特點(1) 低的輸入噪聲電壓幅度0.35 VP-P (0.1Hz 10Hz)(2) 極低的輸入失調(diào)電壓10 V(3) 極低的輸入失調(diào)電壓溫漂0.2 V/ (4) 具有長期的穩(wěn)定性0.2 V/月(5) 低的輸入偏置電流± 1nA(6) 高的共模抑制比126dB(7) 寬的共模輸入電壓范圍±14V(8) 寬的

24、電源電壓范圍± 3V ± 22V(9) 可替代725、108A、741、AD510 等電路3.1.2溫度補償如圖3-1所示為溫度補償電路圖3-1溫度補償電路3.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC08093.2.1 ADC0809的介紹ADC0809具有8個通道的模擬輸入線(IN0IN7)，可在程序控制下對任意通道進行A/D轉(zhuǎn)換，獲得8位二進制數(shù)字量(D7D0)。模擬輸入部分有8路多路開關(guān)，可由3位地址輸入ADDA、ADDB、ADDC的不同組合來選擇，ALE為地址鎖存信號，高電平有效，鎖存這三條地址輸入信號。主體部分是采用逐次逼近式的A/D轉(zhuǎn)換電路，由CLK控制的內(nèi)部電路的工作,START

25、為啟動命令，高電平有效，啟動ADC0809內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換，當轉(zhuǎn)換完成，輸出信號EOC有效，OE為輸出允許信號，高電平有效，打開輸出三態(tài)緩沖器,把轉(zhuǎn)換后的結(jié)果送DB。ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器，它由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DA轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、三態(tài)輸出鎖存器等其它一些電路組成。因此，ADC0809可處理8路模擬量輸入，且有三態(tài)輸出能力，既可與各種微處理器相連，也可單獨工作。輸入輸出與TTL兼容。3.2.2引腳功能ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，下面說明各引腳功能。 IN0IN7：8路模擬量輸入端。D0D7：8位數(shù)字量

26、輸出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。ALE：地址鎖存選通信號，輸入高電平有效。 START： AD轉(zhuǎn)換啟動信號，輸入高電平有效。 EOC： AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，當AD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）。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入高電平有效。當AD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。CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基準電壓輸入端,它們決定了輸入模擬電壓的最大值和最小值. VCC：電源，接5V。GND:接地。圖3-2 ADC0809管腳圖3.2.3主

27、要特性 1. 8路8位AD轉(zhuǎn)換器，即分辨率8位2. 具有轉(zhuǎn)換起停控制端3. 轉(zhuǎn)換時間為100s4. 單個5V電源供電5. 模擬輸入電壓范圍05V，不需零點和滿刻度校準6. 工作溫度范圍為-4085攝氏度7. 低功耗，約15mWADC0809的工作過程是：當模擬量送至某一輸入通道IN0后，CPU將標識該通道編碼的三位地址信號經(jīng)數(shù)據(jù)線或地址線輸入到ADDC、ADDB、ADDA引腳上。然后輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動 AD轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行。直到AD轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換開始,EOC變?yōu)楦唠娖?，指示AD轉(zhuǎn)換

28、結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。轉(zhuǎn)換結(jié)束,OE輸入高電平，EOC可作為中斷請求信號, 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，可通過執(zhí)行IN指令，設(shè)法在輸出允許OE腳上形成一個正脈沖，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。3.3單片機AT89C51的概述3.3.1 AT89C51簡介AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C51是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以

29、反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C51是它的一種精簡版本。AT89C51單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。3.3.2主要性能參數(shù)·與MCS-51 兼容 ·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 ·壽命：1000寫/擦循環(huán)·數(shù)據(jù)保留時間：10年·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz·三級程序存儲器鎖定·128×8位內(nèi)部RAM&

30、#183;32可編程I/O線·兩個16位定時器/計數(shù)器·5個中斷源 ·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 功能特性概述：AT89C51提供以下標準功能：4K字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM,32個I/O口線，兩個16位定時器，一個5向量兩級中斷機構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0HZ的靜輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式，空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有

31、部件工作直到下一個硬件復(fù)位。3.3.3管腳說明VCC：供電電壓,接+5V電源正端。VSS：接地, 接+5V電源地端。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部

32、上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“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，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口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，P2口輸出地址的高八位。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，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的

33、雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。P3口除了做一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能表3-1 P3口第二功能引腳備選功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD（串行輸入口）TXD（串行輸出口）/INT0（外部中斷0）/INT1（外部中斷1）T0（記時器0外部輸入）T1（記時器1外部輸入）/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）RST：復(fù)位輸入。當

34、振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端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ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。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)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部

35、程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。圖3-3 AT89C51管腳圖/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。時鐘振蕩器：AT89C51中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XT

36、AL2分別是該放大器的輸入端，這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷振蕩器一起構(gòu)成自激振蕩器。用戶還可以采用外部時鐘，在這種情況下，外部時鐘脈沖接到XTAL1部時鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2則懸空。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。3.4 聲光報警與LED顯示3.4.1聲光報警單元作為煤氣泄露測試裝置，聲光報警部分不可缺少，當檢測到CO氣體在空氣中的所占的比例超標時，就應(yīng)該通過聲光方式發(fā)出警報，防止由于CO氣體含量過高而發(fā)生的意外事故。本設(shè)計中的聲光報警部分包括蜂鳴器以及紅、黃、綠三個LED報警指示燈。聲

37、光報警表現(xiàn)形式如下：()綠色燈點亮表示傳感器檢測到CO氣體，但沒達到下限值，一切正常，此時紅色和黃色熄滅，蜂鳴器不發(fā)聲；(2)黃色燈點亮表示傳感器檢測到CO氣體濃度超過下限值，但沒有達到報警值，此時紅色燈和綠色燈熄滅，蜂鳴器不發(fā)聲；(3)紅色燈點亮?xí)r表示被測得CO氣體含量已經(jīng)達到報警值，此時黃色和綠色燈熄滅，蜂鳴器發(fā)出報警，通知用戶；單片機本身I/O的驅(qū)動能力不是很高，所以對蜂鳴器的驅(qū)動需要加入一個PNP三極管，這樣能夠使蜂鳴器的聲音更加響亮，起到更好的報警作用。三極管基極的電路保證了只有在單片機輸出低電平時，蜂鳴器才會發(fā)聲，避免了誤報警的發(fā)生。聲光報警單元與單片機的連接圖如下：圖3-4聲光報

38、警電路3.4.2 LED顯示LED數(shù)碼顯示器是一種由LED發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件。它使用了8個LED發(fā)光二極管，其中7個用于顯示字符，1個用于顯示小數(shù)點，故稱之為7段發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器。驅(qū)動LED的時候，應(yīng)該分二種情況比如用共陽接法和共陰接法，共陽的時候LED正端接正電源，負端通過一個限流電阻接P口，這時不用接上拉電阻，只要這個限流電阻取合適就可以了發(fā)光管亮的時候電流就是從電源正LED限流電阻P口，P口為低電位發(fā)光管滅的時候沒有電流流過，P口為高電位或高阻狀態(tài)共陰接法，LED負端接地，正端直接P口，這時候要接上拉電阻，這個上拉電阻是提供LED發(fā)光用的，發(fā)光管亮的時候電流是從電源正上

39、拉電阻LED 地。這時上拉電阻也是限流用的。P口為高電位或高阻狀態(tài)發(fā)光管暗的時候電流是從電源正上拉電阻P口，這時LED無電流流過，P口為低電位，限流電阻上流過電流全部從P口流入。 要從單片機的輸出驅(qū)動能力開始講起。單片機輸出驅(qū)動分為高電平驅(qū)動和低電平驅(qū)動兩種方式，所謂高電平驅(qū)動，就是端口輸出高電平時的驅(qū)動能力，所謂低電平驅(qū)動，就是端口輸出低電平時的驅(qū)動能力，當單片機輸出高電平時，其驅(qū)動能力實際上是靠端口的上拉電阻來驅(qū)動的，實際測試表明，51單片機的上拉電阻的阻值在 330K左右，也就是說如果靠高電平驅(qū)動，本質(zhì)上就是靠330K的上拉電阻來提供電流的，當然該電流是非常小的，小的甚至連發(fā)光二極管也難

40、以點亮，如果要保證LED正常發(fā)光，必須要外接一個1K左右的上拉電阻，如果是一個led還好，要是10個、20個led的話，就要接10個、20個1K的上拉電阻，接電阻的本身是可以的，問題是接了上拉電阻以后，每當端口變?yōu)榈碗娖?的時候，那么就有10個、20個上拉電阻被無用的導(dǎo)通，假設(shè)每個電阻的電流為5mA計算，20個電阻就是100mA，這將造成電源效率的嚴重下降，導(dǎo)致發(fā)熱，紋波增大，以至于造成單片機工作不穩(wěn)，因此很少有采用高電平直接驅(qū)動led的，高電平驅(qū)動led 實際上就是共陰。低電平驅(qū)動就不同了，端口為低電平0時，端口內(nèi)部的開關(guān)管導(dǎo)通，可以驅(qū)動高達30多毫安的驅(qū)動電流，可以直接驅(qū)動led等負載，當

41、端口為低電平0時，盡管內(nèi)部的上拉電阻也是消耗電流的，但是由于內(nèi)部的上拉電阻很大，有330K，因此消耗電流極小，基本上不會影響電源效率，不會造成無用功的大量消耗，因此51單片機是不能用高電平直接驅(qū)動led的，只能用地電平直接驅(qū)動led，即只能用共陽數(shù)碼管，而不能直接用共陰數(shù)碼管本設(shè)計通過觀察LED數(shù)碼顯示器顯示CO濃度值，判斷CO濃度值是否超過上限值，如果超過，自動報警，同時打開排氣扇，使CO濃度降低。如果超過下限值，切斷閥閉合，以便達到正常狀態(tài)。3.5排氣扇控制系統(tǒng)與切斷閥3.5.1光電隔離器在開關(guān)量控制中，最常用的器件是光電隔離器。光電隔離器的種類繁多，常用的有發(fā)光二極管/光敏三極管，發(fā)光二

42、極管/光敏復(fù)合晶體管，發(fā)光二極管/光敏電阻，以及發(fā)光二極管/光觸可控硅等。光電隔離器有GaAs紅外線二極管和光敏三極管組成。當發(fā)光二極管正向電流通過時，即產(chǎn)生人眼看不見的紅外光，其光譜范圍為7001000nm。光敏三極管接收光照以后便導(dǎo)通。而當該電流撤去時，發(fā)光二極管熄滅，三極管隨即截止。利用這種特性即可達到開關(guān)控制的目的。由于該器件是通過電光電的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)對輸出設(shè)備進行控制的，彼此之間沒有電器連接，因而起到隔離作用。隔離電壓與光電隔離的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。雙列直插式塑料封裝形式的隔離電壓一般為2500v左右；陶瓷封裝形式的隔離電壓一般為500010000v。不同型號的光電隔離器輸入電流也不同，般為

43、10mA左右。其 輸出電流的大小將決定控制輸出外設(shè)的能力一般為10mA左右。其 輸出電流的大小將決定控制輸出外設(shè)的能力。3.5.2繼電器選擇繼電器是電氣控制中常用的控制器件。一般由通電線圈和觸點構(gòu)成。當線圈通電時，由于磁場的作用，使開關(guān)觸點閉合（或打開）。當線圈不通電時，則開關(guān)觸點斷開（或閉合）。一般線圈可以用直流低電壓控制；而觸點輸出部分可以直接與220V連接；有時繼電器也可以與低電器配合使用。繼電器有電磁繼電器，干簧管繼電器，固態(tài)繼電器（半導(dǎo)體繼電器）等1. 電磁繼電器2. 熱敏干簧繼電器3. 固態(tài)繼電器（SSR）本次設(shè)計采用固態(tài)繼電器下面對固態(tài)繼電器作一下詳細介紹：固態(tài)繼電器是一種兩個接

44、線端為輸入端，另兩個接線端為輸出端的四端器件，中間采用隔離器件實現(xiàn)輸入輸出的電隔離。 固態(tài)繼電器按負載電源類型可分為交流型和直流型。按開關(guān)型式可分為常開型和常閉型。按隔離型式可分為混合型、變壓器隔離型和光電隔離型，以光電隔離型為最多。(1) 固態(tài)繼電器（SSR）是一種全電子電路組合的元件，它依靠半導(dǎo)體器件和電子元件的電磁和光特性來完成其隔離和繼電切換功能。固態(tài)繼電器與傳統(tǒng)的電磁繼電器相比，是一種沒有機械，不含運動零部件的繼電器，但具有與電磁繼電器本質(zhì)上相同的功能。(2) 固態(tài)繼電器的分類：按工作性質(zhì)分有直流輸入-交流輸出型，直流輸入-直流輸出型，交流輸入-交流輸出型，交流輸入-直流輸出型，按安

45、裝方式有裝置式（面板安裝），線路板安裝型。按元件分有普通型和增強型。 (3) 固態(tài)繼電器優(yōu)缺點：優(yōu)點：多數(shù)產(chǎn)品具有零電壓導(dǎo)通，零電流關(guān)斷，與邏輯電路兼容（TTL、DTL、HTL）切換速度快、無噪音、耐腐蝕、抗干擾、壽命長、體積小，能以微小的控制信號直接驅(qū)動大電流負載等。 缺點：存在通態(tài)壓降，需要散熱措施，有輸出漏電流，交直流不能通用，觸點組數(shù)少，成本高。(4) 固態(tài)繼電器應(yīng)用領(lǐng)域： 由于固態(tài)繼電器的內(nèi)在特點，自問世以來以進入電磁繼電器的大多數(shù)領(lǐng)域，在少數(shù)領(lǐng)域以完全取而代之。(5) 基于上述介紹，固態(tài)繼電器不是直接接溫度控制器，溫控器僅是一個傳感元件，相應(yīng)的還得有電源和其它輔助電路。雖然繼電器本

46、身有一定的隔離作用，這里還是采用光電隔離器進行隔離。3.5.3光電隔離電路光電隔離電路的作用是在電隔離的情況下,以光為煤介傳送信號,對輸入和輸出電路可以進行隔離.因而能有效地抑制系統(tǒng)噪聲，消除接地回路的干擾，有響應(yīng)速度較快、壽命長、體積小耐沖擊等好處，使其在強-弱電接口，特別是在微機系統(tǒng)的前向和后向通道中獲得廣泛應(yīng)用。圖3-5光電隔離技術(shù)電路如圖3-5所示，當開關(guān)量P2.2輸出為高電平時，經(jīng)反向驅(qū)動器7406變?yōu)榈碗娖剑拱l(fā)光二極管發(fā)光，從而使光敏三極管導(dǎo)通，進而使晶體管8050導(dǎo)通，因而使繼電器J的線圈通電，繼電器觸點閉合，使220V電源接通，從而打開排氣扇，使CO濃度降低。反之，當P2.2

47、輸出低電平時，使S1斷開。圖中所示電阻R1為限流電阻，二極管V的作用是保護晶體管8050。當繼電器J吸合時，二極管V截止，不影響電路工作。繼電器釋放時，由于繼電器線圈存在電感，這時晶體管已經(jīng)截止，所以會在線圈的兩端產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓。此電壓的極性為上負下正，正端連在晶體管的集電極上。當感應(yīng)電壓與VCC之和大于晶體管8050的集電極反向電壓時，晶體管有可能損壞。加入二極管V后，繼電器線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流從二極管V流過，從而使晶體管8050得到保護。切斷閥控制電路與排氣扇裝置電路類似，只是將風扇換成切斷閥，原理相似。第4章接口總線4.1 RS-232接口總線RS-232C是美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)

48、正式公布的，在異步串行通信中應(yīng)用最廣的標準總線。該標準適用于DICE和DTE間的串行二進制通信，最高數(shù)據(jù)傳送速率可達19.2Kbps，最長傳送電纜可達15米。RS-232C標準定義了25根引線，對于一般的雙向通信，只需使用串行輸入RXD，串行輸出TXD和地線GND。RS-232C標準的電平采用負邏輯，規(guī)定+3+15V之間的任意電平為邏輯“0”電平，-3-15V之間的任意電平為邏輯“1”電平，與TTL和CMOS電平是不同的。在接口電路和計算機接口芯片中大都為TTL或CMOS電平，所以在通信時，必須進行電平轉(zhuǎn)換，以便與RS-232C標準的電平匹配，MAX232芯片可以完成電平轉(zhuǎn)換這一工作。RS23

49、2C是一種電壓型總線標準，可用于設(shè)計計算機接口與終端或外設(shè)之間的連接，以不同的極性的電壓表示邏輯值。該系統(tǒng)實現(xiàn)串口通信模塊主要是與上位機進行通信。單片機系統(tǒng)將保存在RAM中的數(shù)據(jù)送到上位機進行處理，從而減輕單片機系統(tǒng)的負擔。由于單片機與上位機進行通信時接口電平不同，因此需要進行接口轉(zhuǎn)化，這里采用MAX232芯片來實現(xiàn)接口電平的轉(zhuǎn)化。串行通信是指通信的發(fā)送方和接收方之間數(shù)據(jù)信息的傳輸是在單根數(shù)據(jù)線，以每次一個二進制位移動的，他的優(yōu)點是只需一對傳輸線進行傳送信息，因此其成本低，適用于遠距離通信，他的缺點是傳送速度低，串行通信有異步通行和同步通信兩種基本通信方式，同步通信適用于傳送速度高的情況，其硬

50、件復(fù)雜，而異步通信應(yīng)用于傳送速度在50-19200波特之間，是比較常用的傳送方式，在異步通信中，數(shù)據(jù)是一幀一幀傳送的，每一串行幀的數(shù)據(jù)格式由1位起始位，5-8位數(shù)據(jù)位，1位奇偶校驗位（可省略）和1位停止位4部分組成，在串行通信前，發(fā)送方和接收方要約定具體的數(shù)據(jù)格式和波特率（通信協(xié)議）。現(xiàn)選用其中一路發(fā)送/接收。R1out接AT89C51的RXD，T1in接AT89C51的TXD，T1out接PC機的RD，R1in接PC機的TD。因為MAX232具有驅(qū)動能力，所以不需要外加驅(qū)動電路。MAXIM公司的MAX232/MAX232A接收/發(fā)送器是MAXIM公司特別為滿足EIA/TEA2232E的標準而設(shè)計的，他們在EIA/TIA2232E標準串行通信接口中日益得到廣泛的應(yīng)用，他們具有功耗低、工作電源為單電源、外接電容僅為0.1F或1F，采用雙列直插封裝形式、接收器輸出為三態(tài)TTL/CMOS等優(yōu)越性，為雙組RS-232接收發(fā)送器，工作電源為+5V，波特率高，其價格低，可在一般需要串行通信的系統(tǒng)中使用，MAX232外圍需要4個電解電容，是內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換所需電容，其取值均為