畢業(yè)設(shè)計家居智能安保系統(tǒng)設(shè)計

1、家居智能安保系統(tǒng)設(shè)計摘要本文利用單片機結(jié)合傳感器技術(shù)而開發(fā)設(shè)計了這一煤氣泄漏自動報警系統(tǒng)。本設(shè)計將采用MQ_5傳感器，再將信號通過ADC0809直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送給單片機，電路簡單，成本低；實現(xiàn)聲光報警。選用MQ-5型半導(dǎo)體可燃?xì)怏w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。采用SMC1602A液晶顯示模塊可以直觀的顯示實時溫度和氣體濃度。選用AT89S52單片機對所采集的數(shù)據(jù)進行處理。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便、價格低廉，具有一定的實用價值。關(guān)鍵字：煤氣監(jiān)控系統(tǒng) 單片機 MQ-5AbstractBased on single

2、 chip microcomputer combined with the sensor technology and development and design the gas leakage alarm system automatically. MQ-5 sensor is adopted in this design, then send signal directly by ADC0809 converts digital signals to single chip and circuit is simple, the cost is low; Implement sound a

3、nd light alarm. Use MQ to 5 type semiconductor gas sensitive element smoke sensor realize smoke detection, high sensitivity, fast response, and the advantages of strong anti-jamming capability, and low cost, long service life. Using SMC1602A liquid crystal display module can be intuitive display rea

4、l-time temperature and gas concentration. Selects the AT89S52 single chip microcomputer to deal with data that is collected. The system has simple structure, stable performance, convenient use, low prices, has certain practical value.Keywords: gas monitoring system, chip microcomputer, MQ - 5.目錄摘要1A

5、bstractII目錄III1概述11.1課題研究背景11.2物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展歷程21.3研究內(nèi)容52系統(tǒng)總體設(shè)計62.1系統(tǒng)功能設(shè)計62.2系統(tǒng)設(shè)計原則63方案論證與比較73.1系統(tǒng)構(gòu)成方案73.2控制器系統(tǒng)方案83.3A/D轉(zhuǎn)換電路方案83.4顯示電路方案93.5操作模塊方案93.6聲光報警模塊方案93.7控制電路方案94系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)114.1整體硬件設(shè)計思路114.2單片機最小系統(tǒng)電路114.3數(shù)據(jù)采集電路124.4A/D轉(zhuǎn)換電路164.5操作模塊電路164.7聲光報警電路184.8控制模塊電路184.8.1電磁閥控制模塊184.8.2電風(fēng)扇驅(qū)動模塊195系統(tǒng)軟件設(shè)計205.1程序流程圖206

6、調(diào)試24總結(jié)26致謝27參考文獻28附錄281概述1.1課題研究背景隨著社會的發(fā)展,人們?yōu)榱颂岣呱钯|(zhì)量,廣泛的應(yīng)用著各種能源。比如會用到天燃?xì)?、電、水等。這些東西給人們帶來方便的同時,也存在一定的安全隱患,給家?guī)頌?zāi)難。如果家中無人或只有老人,就對家居的智能安全提出較高要求。智能家居最早追溯到20世紀(jì)80年代的美國。早期人們利用電子技術(shù),設(shè)計的家居自動控制電路,如門鈴控制等。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用,人們逐漸利用單片機等設(shè)計程序化的家居控制。近年來隨著通信技術(shù)的發(fā)展,人們又開始探索使用無線傳感器和移動通信網(wǎng)絡(luò),進行智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計,并取得了一定效果。80年代末,美

7、國人利用CAN總線技術(shù),設(shè)計了smarthome智能家居模型。智能家居的發(fā)展,不僅是控制手段的發(fā)展,更與控制內(nèi)容的擴展密不可分。早期有些國家做智能家居,主要控制水表、電表、天然氣表的數(shù)據(jù)測量等基本家居數(shù)據(jù)。樓宇對講系統(tǒng)、攝像頭、家用電器等的安全納入控制范圍,但是這些原始控制手段,布線麻煩,成本較高,未能有效的推廣。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展,計算機網(wǎng)絡(luò)、有線電視、數(shù)字電視、移動電話等逐步普及,人們的家居結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化,與之相對應(yīng)的智能化家居控制系統(tǒng)開始起步,但是只是控制內(nèi)容的豐富,而控制手段并未有較大的創(chuàng)新性提高。目前業(yè)界人士對智能家居的定義更加有層次性,整個智能家居系統(tǒng)可參考人體生理特征

8、進行模塊化分層,首先是智能控制系統(tǒng),類似于人體大腦,這部分系統(tǒng)主要控制人們家庭內(nèi)部的各類硬件設(shè)備,如微波爐、冰箱、空調(diào)等家用電器，水管、天然氣、暖氣等管道系統(tǒng),有線電視、計算機、電話等數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)。其次就是家居的安防系統(tǒng),他類似于人體的眼睛等,通過攝像頭、樓宇對講機、無線通訊網(wǎng)絡(luò)或計算機網(wǎng)絡(luò),將家庭內(nèi)部與外部實時聯(lián)系在一起,保證整套家居系統(tǒng)的安全性?，F(xiàn)代智能家居系統(tǒng)根據(jù)硬件的分布,大體可分為以下幾個部分： 監(jiān)測系統(tǒng):小區(qū)基本上都裝備了攝像頭等監(jiān)控設(shè)備,特別是別墅更是裝備了視頻采集設(shè)備,樓宇對講門不是傳統(tǒng)的按鍵與電話掛機,而是在樓宇門口設(shè)置了隱形攝像頭,主人可以通過攝像頭,在室內(nèi)的LED顯示屏上

9、,一目了然的看到來訪客人的情況,極大的提高了樓宇安防性。防盜系統(tǒng):早期人們主要是在門窗加裝防盜窗,后期逐漸的在門窗安裝報警器,現(xiàn)在人們逐漸將門窗安防設(shè)計的更隱蔽更精準(zhǔn),采用攝像頭與自動報警組合方式,能夠同時將防盜信息儲存并傳遞給保安人員。室內(nèi)應(yīng)用系統(tǒng):過去人們的家庭電氣,除了燈光照明,幾乎就沒什么東西了。而如今各類家居設(shè)備幾乎都能實現(xiàn)自動化,隨之帶來的是大量的控制要求,如天然氣泄露報警裝置。太陽能自動上水裝置。空調(diào)自動預(yù)熱裝置等等,還有有線電視、數(shù)字電視、家庭互聯(lián)網(wǎng)等通訊設(shè)備人們在享受科技發(fā)展帶來的便捷與舒適的同時,也埋下了無數(shù)的安全隱患,如何對這些繁多的家庭室內(nèi)設(shè)備進行安全控制,是家居安全智

10、能系統(tǒng)的最大目標(biāo)科技發(fā)展是社會發(fā)展的大勢所趨,而享受科技發(fā)展帶來的優(yōu)越性和舒適性,更是普通大眾的內(nèi)在追求。家居的安全性關(guān)系到人們的生命財產(chǎn)安全,特別是隨著人們安全意思的加強,人們對家居的安全要求更高而我國社會發(fā)展逐漸進入老齡化,人們的生活節(jié)奏又在不斷加快,智能家居安全系統(tǒng)具有巨大的市場前景。1.2物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展歷程物聯(lián)網(wǎng)的概念是在1999年提出的。當(dāng)時基于互聯(lián)網(wǎng)、RFID技術(shù)、EPC標(biāo)準(zhǔn)，在計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用射頻識別技術(shù)、無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)等，構(gòu)造了一個實現(xiàn)全球物品信息實時共享的實物互聯(lián)網(wǎng)“Internet of things”（簡稱物聯(lián)網(wǎng)），這也是在2003年掀起第一輪華夏物聯(lián)網(wǎng)熱潮的基礎(chǔ)

11、。傳感網(wǎng)是基于感知技術(shù)建立起來的網(wǎng)絡(luò)。中科院早在1999年就啟動了傳感網(wǎng)的研究，并已取得了一些科研成果，建立了一些適用的傳感網(wǎng)。1999年，在美國召開的移動計算和網(wǎng)絡(luò)國際會議提出了，“傳感網(wǎng)是下一個世紀(jì)人類面臨的又一個發(fā)展機遇”。2003年，美國技術(shù)評論提出傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將是未來改變?nèi)藗兩畹氖蠹夹g(shù)之首。2005年11月17日，在突尼斯舉行的信息社會世界峰會（WSIS）上，國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)，引用了“物聯(lián)網(wǎng)”的概念。報告指出，無所不在的“物聯(lián)網(wǎng)”通信時代即將來臨，世界上所有的物體從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過因特網(wǎng)主動進行交換。射頻識別技術(shù)（RF

12、ID）、傳感器技術(shù)、納米技術(shù)、智能嵌入技術(shù)將到更加廣泛的應(yīng)用。根據(jù)ITU的描述，在物聯(lián)網(wǎng)時代，通過在各種各樣的日常用品上嵌入一種短距離的移動收發(fā)器，人類在信息與通信世界里將獲得一個新的溝通維度，從任何時間任何地點的人與人之間的溝通連接擴展到人與物和物與物之間的溝通連接。物聯(lián)網(wǎng)概念的興起，很大程度上得益于國際電信聯(lián)盟(ITU)2005年以物聯(lián)網(wǎng)為標(biāo)題的年度互聯(lián)網(wǎng)報告。然而，ITU的報告對物聯(lián)網(wǎng)缺乏一個清晰的定義。雖然目前國內(nèi)對物聯(lián)網(wǎng)也還沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)定義，但從物聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)上看，物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展到一定階段后出現(xiàn)的一種聚合性應(yīng)用與技術(shù)提升，將各種感知技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能與自動化技術(shù)

13、聚合與集成應(yīng)用，使人與物智慧對話，創(chuàng)造一個智慧的世界。因為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展幾乎涉及到了信息技術(shù)的方方面面，是一種聚合性、系統(tǒng)性的創(chuàng)新應(yīng)用與發(fā)展，也因此才被稱為是信息技術(shù)的第三次革命性創(chuàng)新。物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)概括起來主要體現(xiàn)在三個方面：一是互聯(lián)網(wǎng)特征，即對需要聯(lián)網(wǎng)的物一定要能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；二是識別與通信特征，即納入物聯(lián)網(wǎng)的“物”一定要具備自動識別與物物通信（M2M）的功能；三是智能化特征，即網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)具有自動化、自我反饋與智能控制的特點。2009年月日，奧巴馬就任美國總統(tǒng)后，與美國工商業(yè)領(lǐng)袖舉行了一次“圓桌會議”，作為僅有的兩名代表之一，首席執(zhí)行官彭明盛首次提出“智慧地球”這一概念，建議新

14、政府投資新一代的智慧型基礎(chǔ)設(shè)施。2009年2月24日消息，IBM大中華區(qū)首席執(zhí)行官錢大群在2009IBM論壇上公布了名為“智慧的地球”的最新策略。此概念一經(jīng)提出，即得到美國各界的高度關(guān)注，甚至有分析認(rèn)為公司的這一構(gòu)想極有可能上升至美國的國家戰(zhàn)略，并在世界范圍內(nèi)引起轟動。認(rèn)為，產(chǎn)業(yè)下一階段的任務(wù)是把新一代技術(shù)充分運用在各行各業(yè)之中，具體地說，就是把感應(yīng)器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中，并且被普遍連接，形成物聯(lián)網(wǎng)。針對中國經(jīng)濟的狀況，錢大群表示，中國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)空間廣闊，而且中國政府正在以巨大的控制能力、實施決心、和配套資金對必要的基礎(chǔ)設(shè)施進

15、行大規(guī)模建設(shè)，“智慧的地球”這一戰(zhàn)略將會產(chǎn)生更大的價值。在策略發(fā)布會上，IBM還提出，如果在基礎(chǔ)建設(shè)的執(zhí)行中，植入“智慧”的理念，不僅僅能夠在短期內(nèi)有力的刺激經(jīng)濟、促進就業(yè)，而且能夠在短時間內(nèi)為中國打造一個成熟的智慧基礎(chǔ)設(shè)施平臺。錢大群表示，當(dāng)今世界許多重大的問題如金融危機、能源危機和環(huán)境惡化等，實際上都能夠以更加“智慧”的方式解決。在全球經(jīng)濟形勢低迷的同時，也孕育著未來的發(fā)展機遇，中國不僅能夠籍此機遇開創(chuàng)新樂觀產(chǎn)業(yè)和新的市場，加速發(fā)展，擺脫經(jīng)濟危機的影響。IBM希望“智慧的地球”策略能掀起了“互聯(lián)網(wǎng)”浪潮之后的又一次科技革命。IBM前首席執(zhí)行官郭士納曾提出一個重要的觀點，認(rèn)為計算模式每隔15

16、年發(fā)生一次變革。這一判斷像摩爾定律一樣準(zhǔn)確，人們把它稱為“十五年周期定律”。1965年前后發(fā)生的變革以大型機為標(biāo)志，1980年前后以個人計算機的普及為標(biāo)志，而1995年前后則發(fā)生了互聯(lián)網(wǎng)革命。每一次這樣的技術(shù)變革都引起企業(yè)間、產(chǎn)業(yè)間甚至國家間競爭格局的重大動蕩和變化。而互聯(lián)網(wǎng)革命一定程度上是由美國“信息高速公路”戰(zhàn)略所催熟。20世紀(jì)90年代，美國克林頓政府計劃用20年時間,耗資2000億-4000億美元,建設(shè)美國國家信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟和社會效益。而今天，“智慧的地球”戰(zhàn)略被不少美國人認(rèn)為與當(dāng)年的“信息高速公路”有許多相似之處，同樣被他們認(rèn)為是振興經(jīng)濟、確立競爭優(yōu)勢的關(guān)鍵戰(zhàn)略。該戰(zhàn)略

17、能否掀起如當(dāng)年互聯(lián)網(wǎng)革命一樣的科技和經(jīng)濟浪潮，不僅為美國關(guān)注，更為世界所關(guān)注。“物聯(lián)網(wǎng)前景非常廣闊，它將極大地改變我們目前的生活方式。”南京航空航天大學(xué)國家電工電子示范中心主任趙國安說。業(yè)內(nèi)專家表示，物聯(lián)網(wǎng)把我們的生活擬人化了，萬物成了人的同類。在這個物物相聯(lián)的世界中，物品（商品）能夠彼此進行“交流”，而無需人的干預(yù)。物聯(lián)網(wǎng)利用射頻自動識別（）技術(shù)，通過計算機互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物品（商品）的自動識別和信息的互聯(lián)與共享。可以說，物聯(lián)網(wǎng)描繪的是充滿智能化的世界。在物聯(lián)網(wǎng)的世界里，物物相連、天羅地網(wǎng)。2008年11月在北京大學(xué)舉行的第二屆中國移動政務(wù)研討會“知識社會與創(chuàng)新2.0”上，專家們提出移動技術(shù)、物聯(lián)

18、網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展帶動了經(jīng)濟社會形態(tài)、創(chuàng)新形態(tài)的變革，推動了面向知識社會的以用戶體驗為核心的下一代創(chuàng)新（創(chuàng)新2.0）形態(tài)的形成，創(chuàng)新與發(fā)展更加關(guān)注用戶、注重以人為本。 有研究機構(gòu)預(yù)計10年內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)就可能大規(guī)模普及，這一技術(shù)將會發(fā)展成為一個上萬億元規(guī)模的高科技市場，其產(chǎn)業(yè)要比互聯(lián)網(wǎng)大幾十倍。1.3研究內(nèi)容有毒有害氣體檢測:現(xiàn)在天然氣供給是十分普遍的設(shè)施，帶給用戶方便的同時也存在著很多隱患，如果發(fā)泄露，后果可能是災(zāi)難性的，所以氣體檢測是十分必要的防范措施。所以這方面的檢測是本系統(tǒng)的一部分。2系統(tǒng)總體設(shè)計2.1系統(tǒng)功能設(shè)計本課題要求設(shè)計一款煤氣控制器，監(jiān)控煤氣爐附近是否有煤氣泄漏現(xiàn)象，如有異常可自動關(guān)閉氣

19、源并進行通風(fēng)。2.2系統(tǒng)設(shè)計原則(1)選用合適的煤氣傳感器，對液化氣，天然氣，人工煤氣有較好的靈敏度，探測范圍可達30010000PPM，要求響應(yīng)時間不大于10S;(2)選用合適安裝的煤氣電磁閥，氣體濃度達到設(shè)定報警值，就聯(lián)動關(guān)閉氣閥；(3)當(dāng)氣體濃度達到設(shè)定報警值，能驅(qū)動排風(fēng)扇通風(fēng)；(4)單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄，驅(qū)動聲光報警。3方案論證與比較煤氣控制器由MCU模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊，操作模塊，顯示模塊和控制模塊組成。3.1系統(tǒng)構(gòu)成方案（1）方案一 采用NE555時基電路設(shè)計，本報警電路由氣敏元件QM-N5和電位器RP組成氣體檢測電路，時基電路NE555和其他外圍元件組成多諧振蕩器，它適

20、用于對可燃性氣體檢測監(jiān)控，適用范圍：可燃性氣體，如天然氣煤氣液化石油氣等氣體。因此用QM-N5可做煤氣，可燃?xì)獾鹊臋z測探頭。（2）方案二系統(tǒng)以單片機為核心，由MCU模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，操作模塊，聲光報警模塊和控制模塊。采用氣敏元件MQ-5采集煤氣數(shù)據(jù)。當(dāng)可燃?xì)怏w濃度超過控制電路設(shè)定值時，控制器通過執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出報警信號并關(guān)閉閥門，進行通風(fēng)。此系統(tǒng)方案簡單，具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)和恢復(fù)時間短等特點。總結(jié)比較以上兩種方案，方案一電路結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低和易實現(xiàn)。但該系統(tǒng)功能單一，不能確保在無人的情況下自動切斷氣源，避免災(zāi)難發(fā)生。方案二硬件資源間接，價格低廉，系統(tǒng)能將復(fù)雜的硬

21、件功能全部采用軟件實現(xiàn)，因此系統(tǒng)控制靈活，易于拓展?？梢詮母旧辖鉀Q可燃?xì)怏w使用的安全問題，有效避免燃?xì)庑孤┰斐傻臑?zāi)害、爆炸、窒息、死亡等惡性事故發(fā)生。3.2控制器系統(tǒng)方案（1） 方案一采用FPGA，其優(yōu)點是運行濕度快，內(nèi)部程序并行運行，有處理更復(fù)雜更能的能力，但成本相對較高。（2） 方案二采用AT89S52單片機，AT89S52是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，其成本相對較低，在設(shè)計過程中，只需要對其IO口進行操作即可。 總結(jié)比較以上兩種方案，方案一運行速度快，但成本高，雖然52單片機運行速度低的多，但是價格便宜，該設(shè)計是最常用的電壓采集，對運行速度沒有太高要求。用52單片機完全能完

22、成要求。3.3A/D轉(zhuǎn)換電路方案（1）方案一 采用積分型AD轉(zhuǎn)換器，其工作原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時間（脈沖寬度信號）或頻率（脈沖頻率），然后由定時器/計數(shù)器活的數(shù)字值。其優(yōu)點是用簡單電路獲得高分辨率。（2） 方案二采用逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器，逐次比較型AD由一個比較器和DA轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成，從MSB開始，順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器輸出進行比較，經(jīng)N次比較二輸出數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等。其優(yōu)點是速度較高、功耗低，在低分辨率（12位）時價格很高。 總結(jié)比較以上三種方案，方案一由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時間，因此轉(zhuǎn)換速率極低，電路設(shè)計與連接復(fù)雜。方案二雖然轉(zhuǎn)換速率較高，功耗低，

23、在低分辨率（12位）時價格便宜，所以選用8位的ADC0809。3.4顯示電路方案（1） 方案一選用數(shù)碼管動態(tài)顯示，它由單片機實現(xiàn)動態(tài)掃描，只需外接少量三極管作為驅(qū)動電路，電路簡單，便于控制，價格便宜。但是占用大量I/O資源，以及單片機內(nèi)部資源，顯示不穩(wěn)定。（2） 方案二選用液晶顯示模塊。它有很多不可代替的優(yōu)點，首先它顯示方便，顯示信息全面，內(nèi)容豐富，很符合人機交互的要求；其次，它有自己的儲存器，顯示時只要按時序?qū)?shù)據(jù)寫入其中即可，不用進行掃描，也就不用占用CPU，并且它能顯示豐富的字符。總結(jié)比較以上兩種方案，方案一占用大量I/O資源以及單片機內(nèi)部資源，并且顯示不穩(wěn)定。在設(shè)計中剩余的I/O口有限

24、，并且需要顯示的內(nèi)容比較多，所以選用方案二。3.5操作模塊方案由于本設(shè)計只需要4個按鍵，而且MCU的I/O口資源足夠，所以每個按鍵就對應(yīng)一個I/O口即可。用戶可通過該模塊按照自己的需要設(shè)定報警值，并且當(dāng)有人發(fā)現(xiàn)報警時，可以通過按鍵退出報警。3.6聲光報警模塊方案該模塊由三個發(fā)光二極管和一個蜂鳴器組成。三個發(fā)光二極管分別表示正常工作，臨界報警，報警。蜂鳴器在煤氣濃度超過警戒值時報警。3.7控制電路方案該模塊由電磁閥和排風(fēng)扇組成。電磁閥用于關(guān)閉氣源，排風(fēng)扇進行通風(fēng)，將有毒氣體排出室內(nèi)，單片機可控制電磁閥使之關(guān)閉，自動關(guān)閉氣源，并且驅(qū)動繼電器是排風(fēng)扇進行通風(fēng)。4系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)4.1整體硬件設(shè)計思路本課

25、題的家居智能安保系統(tǒng)是由AT89S52單片機為主控制芯片，將有害氣體檢測經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳給單片機，同時聲光報警，濃度顯示，通過繼電器驅(qū)動風(fēng)扇排氣，驅(qū)動電磁閥關(guān)閉煤氣罐。圖4.1整體框架圖4.2單片機最小系統(tǒng)電路 單片機為本設(shè)計的核心部分，原理下圖所示，數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后傳給單片機，單片機進行判斷，并將電壓值轉(zhuǎn)化成濃度，送到顯示電路顯示其濃度，當(dāng)濃度達到報警值時，單片機驅(qū)動聲光報警電路、控制電路。單片機最小系統(tǒng)包括單片機時鐘振蕩電路、復(fù)位電路、下載線接口等。復(fù)位電路是采用按鍵脈沖復(fù)位，它是利用RC微分電路產(chǎn)生正脈沖來達到目的的。晶振電路結(jié)合單片機內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機

26、所需要的時鐘頻率。圖4.2單片機最小系統(tǒng)4.3數(shù)據(jù)采集電路QM-N5型氣敏元件是以金屬氧化物SnO2為主體材料的N型半導(dǎo)體氣敏元件，當(dāng)元件接觸還原性氣體時，其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升高。特點：用于可燃性氣體的檢測（CH4、C4H10、H2等）靈敏度高響應(yīng)速度快輸出信號大壽命長，工作穩(wěn)定可靠技術(shù)指標(biāo)：加熱電壓（Vh） AC或DC 50.2V響應(yīng)時間(trec)10S回路電壓（Vc）最大DC 24V恢復(fù)時間(trec)30S負(fù)載電陰（Rl）2K元件功耗0.7W清潔空氣中電阻 （Ra） 2000 K檢測范圍5010000ppm靈敏度（S=Ra/Rdg）4(在1000ppmC4H10中)使用壽命

27、2年QM-N5型半導(dǎo)體氣敏元件是以金屬氧化物SnO2為主體材料的N型半導(dǎo)體氣敏元件,當(dāng)元件接觸還原性氣體時,其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升高。特點：用于可燃性氣體的檢測(CH4,C4H10,H2等)靈敏度高響應(yīng)速度快輸出信號大壽命長,工作穩(wěn)定可靠技術(shù)指標(biāo)加熱電壓(VH) AC或DC 50.5V回路電壓(VC) 最大DC 24V負(fù)載電阻(RL) 2K清潔空氣中電阻(Ra) 4000K靈敏度(S=Ra/Rdg) 4(在1000ppmC4H10中)響應(yīng)時間(tres) 10S恢復(fù)時間(trec) 30S檢測范圍 50-10000ppmVC輸出信號RLVRLVH基本測試電路：圖4.3MQ-5測試電路

28、使用方法及注意事項：元件開始通電工作時，沒有接觸可燃性氣體,其電導(dǎo)率也急劇增加1分鐘后達到穩(wěn)定,這時方可正常使用，這段變化在設(shè)計電路時可采用延時處理解決。加熱電壓的改變會直接影響元件的性能，所以在規(guī)定的電壓范圍內(nèi)使用為佳。元件在接觸標(biāo)定氣體1000ppm C4H10后10秒以內(nèi)負(fù)載電阻兩端的電壓可達到(Vdg- Va)差值的80%(即響應(yīng)時間)；脫離標(biāo)定氣體1000ppm C4 H1030秒鐘以內(nèi)負(fù)載電阻兩端的電壓下降到(Vdg- Va)差值的80%(即恢復(fù)時間)。符號說明：氣體中電阻- Rdg 檢測氣體中電壓- VdgRdg 與Vdg的關(guān)系： Rdg=RL(VC/Vdg-1)負(fù)載電阻檢測可根

29、據(jù)需要適當(dāng)改動，不影響元件靈敏度。使用條件：溫度-1535；相對濕度4575%RH；大氣壓力80106KPa。環(huán)境溫濕度的變化會給元件電阻帶來小的影響，當(dāng)元件在精密儀器上使用時,應(yīng)進行溫濕度補償，最簡便的方法是采用熱敏電阻補償之。避元件六腳位置可與電子管七角管座匹配使用。MQ-5靈敏度特性曲線：免腐蝕性氣體及油污染，長期使用需防止灰塵堵塞防爆不銹鋼網(wǎng)。RS為氣敏傳感器在不同氣體、不同濃度下的電阻值，Ro為氣敏傳感器在潔凈空氣中的電阻值，經(jīng)測量，Ro=11.5歐。根據(jù)MQ-5的靈敏度特性曲線和測試電路，可以得出電壓與濃度的關(guān)系。4.4A/D轉(zhuǎn)換電路圖4.5A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換電路如上所示，在

30、A/D轉(zhuǎn)換電路中，由于只需用一個通道，所以選用IN0，ADD-A、ADD-B、ADD-C接地，IN0采集數(shù)據(jù)，ADC0809將IN0采集的模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓送至單片機的P0口。ADC0809需要500KHz的時鐘信REF(-)接地。4.5操作模塊電路操作電路如下所示，該模塊可以讓用戶自己設(shè)定報警值，并且當(dāng)用戶聽到報警時，可以退出報警。由于按鍵只有四個，所以每一個按鍵對應(yīng)一個I/O口。按下按鍵S5,報警值加100；按下按鍵S4,報警值減少100；當(dāng)按下S3時確定報警值；按下按鍵S2.系統(tǒng)退出報警。該模塊加上上拉電阻，上拉電阻可以產(chǎn)生上拉電壓，使電路更穩(wěn)定。圖4.6操作電路4.6顯示模塊圖4.

31、7顯示電路該模塊用于顯示煤氣濃度值和用戶設(shè)定的報警值。4.7聲光報警電路圖4.8聲光報警電路4.8控制模塊電路控制電路由電磁閥控制模塊和風(fēng)扇驅(qū)動電路組成。電磁閥模塊用于關(guān)閉氣源，風(fēng)扇驅(qū)動模塊用于通風(fēng)，將有毒氣體排出。電磁閥控制模塊圖4.9電磁閥控制電路電路圖如下所以，本設(shè)計選用燃?xì)怆姶砰y。燃?xì)怆姶砰y是燃?xì)夤艿腊踩汕袛嘌b置。它可以與燃?xì)庑孤﹫缶到y(tǒng)連接或與消防及其他只能報警控制終端模塊等連接，實現(xiàn)現(xiàn)場控制或遠(yuǎn)程自動/手動緊急切斷氣源，確保用氣安全。當(dāng)發(fā)生有害的強烈震動時，閥門會自動關(guān)閉。在電磁閥模塊中，由于電磁閥的額定電壓是3V,而電路提供的電壓是5V,，所以用二極管降壓，二極管還有驅(qū)動作用

32、。電磁閥不通電時默認(rèn)關(guān)閉狀態(tài)，上電即可導(dǎo)通。當(dāng)檢測煤氣濃度超過警戒值時，單片機給三極管一個低電平，三極管截止，電磁閥關(guān)閉；當(dāng)檢測煤氣濃度低于警戒值時，單片機給三極管一個高電平，三極管導(dǎo)通，電磁閥導(dǎo)通。電風(fēng)扇驅(qū)動模塊圖圖4.10電風(fēng)扇驅(qū)動電路5系統(tǒng)軟件設(shè)計5.1程序流程圖圖5.1程序流程圖MQ-5氣敏傳感器只能把煤氣濃度轉(zhuǎn)化成電阻，經(jīng)信號調(diào)理后輸出電壓信號，因此需要找到電壓和濃度的關(guān)系式，才能顯示煤氣濃度。MQ-5的靈敏度曲線如下圖所示，根據(jù)它的靈敏度曲線和本設(shè)計的數(shù)據(jù)采集電路，可以得到Vout和濃度的離散點關(guān)系，經(jīng)測試，Ro=11.5K歐，取RL=20K歐，計算過程如下：先列出每一點濃度對應(yīng)一

33、個Rs/Ro值，再求出Rs，通過數(shù)據(jù)采集電路可得到Rs/RL=（Vcc-Vout）/Vout,即Rs/20=（5-Vout）/Vout。因此可以求出每一點濃度對應(yīng)的電壓值，通過曲線擬合，可以得出電壓和濃度對應(yīng)的關(guān)系式。下面分別介紹CO、alcohol、CH4的電壓=濃度曲線擬合過程。(1) CO的電壓-濃度計算過程如下表所示：圖5.2CO電壓濃度圖得出電壓和濃度的關(guān)系，公式如下所示：（2） alcohol電壓-濃度曲線：圖5.3alcohol濃度電壓圖得出電壓和濃度關(guān)系公式如下：(3)CH4電壓-濃度曲線：圖5.4CH4電壓濃度圖計算公式如下： 總結(jié)根據(jù)氣敏傳感器MQ-5的靈敏度曲線和測試電路

34、，擬合了CO、alcohol、CH4的電壓-濃度曲線，得出了電壓和濃度的關(guān)系式。煤氣的主要成分是CO，當(dāng)氣敏傳感器MQ-5檢測到煤氣時，將其濃度轉(zhuǎn)化成電阻，經(jīng)信號調(diào)理后產(chǎn)生一個電壓信號，單片機利用擬合CO曲線和公式將此電壓信號轉(zhuǎn)換成濃度，顯示電路顯示該濃度。本系統(tǒng)可以檢測多種燃?xì)?，擬合的CH4和alcohol的電壓-濃度曲線可以用于系統(tǒng)檢測天然氣和alcohol氣體時計算其相應(yīng)的濃度。6調(diào)試軟件部分的調(diào)試失敗直接影響到課題的實踐環(huán)節(jié)。下面介紹在軟件調(diào)試過程中遇見的問題及解決方法。（1）由于煤氣傳感器可以把煤氣濃度直接轉(zhuǎn)化成電阻，經(jīng)信號調(diào)理后輸出電壓，所以直接由ADC0809采集輸出的電壓，AD

35、C0809的通道選擇直接接地，所以當(dāng)啟動轉(zhuǎn)換后，不用進行通道選擇。在ST端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號啟動A/D轉(zhuǎn)換，即：ADC0809_E0=0,1,0后才能啟動A/D轉(zhuǎn)換，而我在編程時，只寫了ADC0809_E0=0,1，所以ADC0809不工作。（2）在編寫陳旭按鍵掃描程序時，注意延時消抖。（3）由于電磁閥上電導(dǎo)通，所以在檢測到煤氣濃度值超過警戒值時，單片機給控制電磁閥的三極管基極一個高電平，電磁閥關(guān)閉，當(dāng)煤氣濃度低于警戒值時電磁閥導(dǎo)通。（4）當(dāng)單片機給繼電器一個高電平時，繼電器工作，排風(fēng)扇被開啟，低電平時，風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動。由于單片機默認(rèn)高電平，所以主程序里一開始就要給控制繼電器

36、的那個單片機I/O口賦低電平。（5）當(dāng)煤氣濃度低于報警值，單片機控制綠燈亮；當(dāng)快到達警戒值時，單片機控制黃燈閃爍；當(dāng)煤氣濃度超過報警值時，單片機控制紅燈閃爍，蜂鳴器響，并檢測退出報警系統(tǒng)的按鍵是否有 按下，若按下，則退出報警。（6）在計算濃度時，開始定義濃度類型為整型，取值范圍在-3267832676之間，在檢測過程中，濃度有時候大于32676，此時會溢出，煤氣控制器停止報警，電磁閥導(dǎo)通，風(fēng)扇停止工作，因此把數(shù)據(jù)類型改為無符號長整型。（7）由氣敏傳感器MQ-5的靈敏度曲線和測試電路可以得出每一點的濃度對應(yīng)電壓值Vout,如下表所示：該濃度為理論值。圖6.1濃度電壓對照表總結(jié)本課題利用單片機結(jié)合

37、傳感器技術(shù)而開發(fā)設(shè)計了基于單片機的煤氣控制器，經(jīng)過理論和誓言驗證，改煤氣控制器具有成本低，技術(shù)成熟，可靠性好，抗干擾能力強，實時性高等優(yōu)點，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡單容易實現(xiàn)，方便使用。符合安全系統(tǒng)的設(shè)計要求。該系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)可燃?xì)怏w，并且保證不管有人還是無人在家的情況下能夠自動關(guān)閉氣源，從根本上解決安全使用燃?xì)獾膯栴}，有效避免燃?xì)庑孤┰斐傻臑?zāi)害，爆炸，窒息，死亡等惡性事故的發(fā)生?？梢詮V泛用于城市安防，小區(qū)，工廠，學(xué)校，家庭，燃?xì)膺\輸?shù)缺姸囝I(lǐng)域。本設(shè)計包括MCU模塊，數(shù)據(jù)采集你模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊，操作模塊，顯示模塊和控制模塊。文中對每個模塊的功能做了詳細(xì)描述。整個系統(tǒng)的核心是進行濃度的實時監(jiān)控，各項

38、功能的實現(xiàn)滿足了課題所有要求。氣敏傳感器檢測煤氣濃度，將濃度轉(zhuǎn)化成電阻信號，并通過信號調(diào)理將電阻信號轉(zhuǎn)化成不同的電壓信號，并通過A/D轉(zhuǎn)換后送入計算機中進行處理。另外，本系統(tǒng)的氣體濃度監(jiān)控裝置設(shè)置電位器，使整個裝置靈敏度為可調(diào)節(jié)的，從而可以從分滿足用戶的監(jiān)控要求。而且這種調(diào)節(jié)非常簡單，設(shè)計中加入了按鍵設(shè)定報警值，用戶可以根據(jù)自己需要設(shè)定報警值。本設(shè)計應(yīng)用性比較強，可擴展性高，投入量產(chǎn)將產(chǎn)生相當(dāng)大的社會經(jīng)濟效益。 致謝參考文獻1黃繼昌. 使用報警器電路無線電愛好者叢書精品系列M. 北京: 人民郵電出版社, 2005.2王華祥, 張淑英. 一種新型可燃性氣體檢測儀J. 自動化儀表, 2001, 1

39、0: 78.3雷曉平. 單片計算機及其應(yīng)用M. 電子工業(yè)出版社, 2004.4李玉斌. 一利用單片機對煤氣制氣過程的檢測與控制J. 儀表技術(shù), 1997, 9: 78.5沙占友, 集成化. 只能傳感器原理與應(yīng)用M. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004.附錄程序：- 主程序Main.c#include”ADC0809.h”#include”LCD1602DRIVER.h”#include”delay.h”#includeSbitsw5=p37;Sbitsw4=p36;Sbitsw3=p35;Sbitsw=p34;Voidscankey(void);Ucharkeyv=0;Unsignedintr

40、esult1=1000,result2,result3,out;Unsignedintresult;Voidscankey(void)If(sw5=0)Delay_Nms(20);If(sw5=0)Result1+=100;LCD1602_write_uint(10,0,result1);If(sw4=0)Delay_Nms(20);If(sw4=0)Result1-=100;LCD1602_write_uint(10,0,result1);If(sw3=0)Delay_Nms(20);If(sw3=0)Result3=result1;LCD1602_write_uint(10,1,resul

41、t3);If(sw2=0)Delay_Nms(20);If(sw2=0)Out=1;Void main(void)P2_2;/風(fēng)扇關(guān)LCD1602Init();/1602初始化ADC0809_Init();/0809初始化Result3=2000;While(1)LABA=0;/關(guān)喇叭Result=GetDataFromADC0809();If(result=(result3-100)&(out=0)P2_3=0;/黃燈報警，閃爍Delay_Nms(250);P2_3=1;Delay_Nms(250);If(result=result3)&(out=0)P2_2=1;/開風(fēng)扇P2_4=1;P2

42、_3=1;LABA=1;/蜂鳴器響While(1)Result2=GetDataFromADC0809();/display();Scankey();If(out=1)break;If(result2result3)Break;ElseP2_0=0;/紅燈報警，閃爍Scankey();Delay_Nms(500);P2_0=1;Scankey();Delay_Nms(500)；/LCD1602writestring(2,1,”alarm”);P2_2=0;/風(fēng)扇關(guān)P2_1=1;/電磁閥P2_4=0;P2_3=1;P2_0=1;LABA=0;/蜂鳴器/LCD1602writestring(2,1

43、,”normal”); A/D轉(zhuǎn)換程序#include”ADC0809.H”#include”LCD1602DRIVER.h”#include/*初始化ADC0809*/Void ADC0809_Intit(void)ADC0809_E0=0；ADC0809_START=0;/*延時*/Void delay1(uint t)While(t-);/*從ADC0809讀取數(shù)據(jù)*/Unsigned intGetDataFromADC0809()Ulongtemp;Floattem1;Floatx=0,y=0;Unsignedlonginta;Unsignedlongintb;ADC0809_STAR

44、T= 1;/啟動ADADC0809_START=0;Delay1(10);While(1)If(ADC0809_E0C_BUSY=1)ADC0809_E0= 1;Temp = ADC0809_data;ADC0809_E0 = 0;Break;Temp = temp*(4560/255);/5V參考電壓a=temp;x=a/1000+(a/100)%10)*0.1+(a%10)*0.001;y=1.64*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x;b=yLCD1602_write_uint(0,1,a);LCD1602_write_uint(0,0,b);LCD1602writestring(

45、6,0,”ppm”);Return b; 1602顯示程序#include”LCD1602DRIVER.h”#include”delay.h”/*/函數(shù)名稱：voidLCD1602writecommand(uchar command)/函數(shù)功能：向LCD1602寫入指令/*Void LCD1602writecommand(uchar command)LCD1602RW = 0;/寫指令：RW=0，RS=0,E=1Delay_Nus(500);LCD1602RS = 0;Delay_Nus(500);LCD1602E = 1;Delay_Nus(500);LCD1602DATA = comman

46、d;LCD1602E = 0;/*/函數(shù)名稱：void LCD1602writedata(uchar data)/函數(shù)功能：向LCD1602寫入指令/*Void LCD1602writedata(uchar data)LCD1602RW = 0;寫數(shù)據(jù)：RW=0,RS=1Delay_Nus(500);LCD1602RS = 1;Delay_Nus(500);LCD1602E = 1;Delay_Nus(500);LCD1602DATA = data;LCD1602E = 0;/*/函數(shù)名稱：void LCD1602setXY(uchar x,uchar y)/函數(shù)功能：定義光標(biāo)位置，也就是要顯示數(shù)據(jù)的位置/*Void LCD1602setXY(uchar x,uchar y) /數(shù)據(jù)地質(zhì)指針Uchar Address;If(y=1)Address = 0xc0+x; /第二行，0x80+0x40=0xc0Else Address = 0x80+x; /第一行LCD1602writecommand(Address); /送地址/*/函數(shù)名稱：void LCD1602setXY(uchar x,uchar y)/函數(shù)功能：1602初始化，詳見數(shù)據(jù)手冊/*Void LCD1602Init(void)Delay_Nms(15);LCD1602writecommand(0x38)