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室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 摘要 全國燃氣行業(yè)發(fā)展迅猛，液化氣、天然氣、煤氣等城市燃氣作為清潔能源已在工商業(yè)和城鎮(zhèn)居民用戶中得到廣泛應用，特別是隨著“西氣東輸”工程的快速進展，燃氣行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮蟆? 但是隨著燃氣的廣泛應用，由于燃氣泄漏所引發(fā)的爆炸、中毒和火災事故也時有發(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。為了使燃氣更好地造福于民，造福于社會，減少并杜絕各種因燃氣泄漏而引發(fā)的爆炸及火災事故，各燃氣使用單位及居民用戶選擇一種適合的室內煤氣泄露報警器實為必要之舉。燃氣報警器的核心是氣體傳感器及單片機。當氣體傳感器遇到燃氣 時，傳感器電阻隨燃氣濃度而變化，隨之產生電信號，供燃氣報警器后級線路處理。經(jīng)過電子線路處理變成濃度成比例變化的電壓信號，由線性電路加以補償，使信號線性化，經(jīng)微機處理、邏輯分析，輸出各種控制信號，即當燃氣濃度達到報警設定值時，燃氣報警器發(fā)出聲光報警信號并可顯示燃氣濃度或啟動外部聯(lián)運設備。 本文正是通過分析目前燃氣報警器的現(xiàn)狀，設計制作室內故障監(jiān)測報警系統(tǒng)，保障人們的生命財產安。 關鍵詞 ：煤氣報警；煤氣泄漏；傳感器；監(jiān)測 室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 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 內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 目錄 1 緒論 ............................................................................................................................ 1 題背景及目的 .............................................................................................. 1 內外研究狀況 .............................................................................................. 2 計內容及研究方法 ...................................................................................... 2 2 系統(tǒng)方案及模塊設計 ................................................................................................ 4 計思路 .......................................................................................................... 4 計框圖 .......................................................................................................... 4 統(tǒng)模塊設計 .................................................................................................. 5 體濃度檢測模塊 ................................................................................. 5 度檢測與顯示模塊 ............................................................................. 7 控制模塊 ........................................................................................... 10 光報警模塊 ...................................................................................... 11 3 硬件電路設計 .......................................................................................................... 12 體檢測模塊的設計 .................................................................................... 12 度檢測及顯示模塊的設計 ........................................................................ 13 片機模塊的設計 ........................................................................................ 18 光報警模塊的設計 .................................................................................... 18 4 程序設計 .................................................................................................................. 20 度采集部分程序設計 ................................................................................ 22 示部分程序設計： .................................................................................... 23 函數(shù)程序設計： ........................................................................................ 24 斷函數(shù)設計 ................................................................................................ 25 總結 參考文獻 ...................................................................................................................... 27 致謝 ............................................................................................................................................... 28 附錄 A........................................................................................................................... 29 附錄 B........................................................................................................................... 34 附件 1 室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 第 1 頁 共 34 頁 1 緒論 題背景及目的 隨著國家經(jīng)濟的提高，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計要求也越來越高。近年來，全國燃氣行業(yè)發(fā)展迅猛，液化氣、天然氣、煤制氣等城市燃氣作為清潔能源已在工商業(yè)和城鎮(zhèn)居民用戶中得到廣泛應用，特別是隨著 “ 兩氣東輸 ” 工程的快速進展，燃氣行業(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施，意味我國城市燃氣將大踏步的進入 “ 天然氣時代 ” 。我國天然氣市場將迎來一個千戟難逄的機會，城市燃氣需求的主要增長點將體 現(xiàn)在天然氣上。 2000 年黨中央國務院提出 “ 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)的燃氣產業(yè)帶來歷史性的機遇。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，每年供應長江三角洲地區(qū) 100 億立方米天然氣。城市燃氣的普及與應用無疑對改善城市的環(huán)境質量和提高具名的生活質量發(fā)揮了巨大的作用。但是隨著燃氣的廣泛使用，由于燃氣泄漏所引發(fā)的爆炸、中毒和火災事故也時有發(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 使燃氣更好地造福于民，造福于社會，減少并杜絕各種因燃氣泄漏而引發(fā)的爆炸及火災事故，各燃氣使用單位及居民用戶選擇一種適合的燃氣報警器實為必要之舉。 “ 報警早，損失少 ” ，進一步說明了及吋報警的重要性，在家庭里也是如此。一旦發(fā)生火災，提早報警，可以及時將火撲滅，以免小火釀成大火災。目前常用的有感煙、感溫和可燃氣體火災報警器。像家庭中使用煤氣、液化石油氣和天然氣等燃料時，安裝一個可燃氣體報警器，但出現(xiàn)漏氣或者著火時，報警器能夠立即鳴笛報警，告之文人及時采取措施。 室內煤氣、天然氣的泄漏嚴重危害人的生命健康以及性命財 產安全，基于此現(xiàn)實，本設計旨在為家庭用戶設計一種能夠檢測煤氣、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，進而保證人民的生命財產安室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 第 2 頁 共 34 頁 全，減少不必要的損失。本設計用傳感器檢測室內煤氣、天然氣的基本狀態(tài)，并將氣體濃度信號轉換為電信號，電信號進入單片機，單片機對信號進行處理。當室內煤氣、天然氣達到一定濃度時，該裝置發(fā)出聲光報警信號，提醒用戶燃氣泄漏，采取相應的應對措施。 通過本系統(tǒng)設計，使學生能對自己所學專業(yè)知識加以綜合運用，了解和掌握實際應用系統(tǒng)的設計、實現(xiàn)及應用的整個過程。 內 外研究狀況 當前應用最廣泛的可燃性氣體泄漏報警器與氣敏元件傳感器，已普及應用于氣體泄漏檢測和監(jiān)控，僅用于安全保護家用燃氣泄漏報警器為例，不少發(fā)達國家已經(jīng)明確規(guī)定家庭、公寓等要求安裝相應的報警器。國外可燃性氣體泄漏報警器發(fā)展很快，是由于人們安全意識增強，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是由于燃氣泄漏報警器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動。因此，國外燃氣報警器技術得到了較快發(fā)展，據(jù)有關統(tǒng)計猜測，美國在 1996 年 — 2002 年就煤氣報警器的年均增長率為 27％～ 30％。在這些方面，國內應該增強安全意識增強。 日本早在 1980 年 1 月開始實施安裝城市煤氣、液化石油氣報警器的法規(guī)，1986 年 5 月日本通產省又實施了安全器具料及出盡基本方針。美國目前已有 7個州 11 個城市通過立法，規(guī)定家庭、公寓等要安裝一氧化碳報警器。隨著城市燃氣化的擴大，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)布燃氣安全管理文件，做到政府立法和百姓自身提高安全保護意識有機結合。 計內容級研究方法 本設計計劃按以下思路展開研究： A 根據(jù)該設計要實現(xiàn)的基本功能，設計大致應該分為信號釆集放大，信號處理控 制，系統(tǒng)設置報警三 個部分。 （ 1）信號釆集部分即通過氣體傳感器檢測室內氣體濃度，將這種變化量轉化成電壓模擬量的變化，然后通過運放進行必要的放大。 （ 2）信號處理部分是將采集到的模擬信號轉換成數(shù)字信號，送入進行處理，并將處理過的信號送存儲器保存和送顯示器顯示。 室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 第 3 頁 共 34 頁 （ 3）系統(tǒng)設置報警部分是通過預定控制方式并利用蜂鳴器報警實現(xiàn)系統(tǒng)的準確操作。 B 根據(jù)上面所說的思路，得到如下一些基本的結論 （ 1） 信號釆集部分為了能準確釆集到氣體濃度的變化應選用半導體氣體傳感器，為使其 有效的檢測室內氣體濃度，釆用電阻型半導體氣體傳感器：而放大部分 使用運放進行比例 和反相兩級放大。 （ 2）信號處理部分為了實現(xiàn)精確控制，釆用單片機較為合適。將模擬信號送 A/D 模塊進行數(shù)模轉換，經(jīng)過處理后送存儲器保存和送顯示器顯示。 （ 3）系統(tǒng)設置報警部分可以考慮蜂鳴器報警。 室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 第 4 頁 共 34 頁 2 系統(tǒng)方案及模塊設計 計思路 用相應的氣體傳感器檢測室內煤氣、天然氣的基本狀態(tài)，并將氣體濃度信號轉換為電信號。通過信號處理電路將有無氣體泄漏兩種狀態(tài)轉換成高低電平，并將些電平通過單片機 I/O 接口傳入單片機，通過單片機編程控制報警電路的工作狀態(tài)。室溫顯示 部分通過 度傳感器，將室內溫度值轉換為 16 位二進制數(shù)，通過單片機 I/O 接口傳入單片機，并通過編程在七段數(shù)碼管上顯示出當前溫度值。 計框圖 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換為利于單片機識別的高低電平，并將此信號傳到單片機。 （ 2） 聲光報警模塊：由蜂鳴器和 成。其作用是當檢測到有煤氣、天然氣泄漏時，發(fā)出聲光報警信號，提醒用戶有煤氣、天然氣泄漏，采取相應措施。 （ 3） 溫度檢測模塊：由 度傳感器構成， 檢測到的溫度值轉換成二進制數(shù)，并傳到單片機進行處理。 （ 4） 溫度顯示模塊：主要由 74 4 位數(shù)碼管組成，其作用是顯示當前溫度值。 （ 5） 主控模塊：即單片機 作用是根據(jù)氣體檢測模塊輸出的高低電平，控制聲光報警模塊的工作狀態(tài)，并完成溫度的采集及顯示功能。 室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 第 5 頁 共 34 頁 圖 計思路框圖 統(tǒng)模塊設計 體濃度檢測模塊 傳感器是能把實測物理量或化學量轉化為與之有確定對應關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，有時也將信號調節(jié)與 轉換電路、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。 在這個設計中先把煤氣。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，明顯降低了設計成本。 半導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，傳感器的電導率隨空氣中一氧化碳氣體濃度增加而增大，高溫（ 熱）清洗低溫時吸附的雜散氣體。使用簡單的電路即可將電導率的變化 ，轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。 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 聲光報警 溫度檢測 單片機 控模塊 氣體檢測 室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 第 6 頁 共 34 頁 特點： 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 響應時間 ≤ 150s（ 70% 恢復時間 ≤ 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%內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 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 5 年。 B 一氧化碳傳感器 敏度調整： 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，在靈敏度的調整是很重要的。 當精確測量時：報警點的設定應考慮溫、濕度的影響。 靈敏度的調整程序： （ 1） 將傳感器連接在應用回路中； （ 2） 接通電源，通電老化 48h 以上； （ 3） 調整負載電阻 獲得對應于某一個一氧化碳濃度時所需要的信號值。 度檢測與顯示模塊 由 度傳感器構成， 檢測到的溫度值轉換成二進制數(shù)，并傳到單片機進行處理。 度傳感器簡介： 特性： （ 1）應用中不需要外部任何元器件即可實現(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)線即可實現(xiàn)通信。 （ 4）每個 件上都有獨一無二的序列號，所以一條數(shù)據(jù)線上可以掛接很多該傳感器。 （ 5）內部有溫度上、下限告警功能。 操作簡介： 作時需要接收特定的指令來完成相應功能（指令，可以簡單的室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 第 8 頁 共 34 頁 理解為可以被識別并有相應意義的一系列高 低電平信號），它的指令可分為 令； 令主要對其內部的 行操作，如查所使用序列號等，如果只使用一個 作一般就可以直接跳過了； 令主要是完成對其內 的數(shù)據(jù)進行操作，如讓其開始進行數(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)線進行并且這一條線上允許掛很多該傳感器；這樣對器件進行讀寫指令時就會麻煩一些，必須應用特定時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，而是用有一定時序關系 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 電平的時序段序列。同樣，從 數(shù)據(jù)時，也是由特定的時序來完成數(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）報警搜索。 度轉換、讀取溫度、設定上下限溫度值等指令 機讀取溫度數(shù)據(jù)后進行數(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，其余位數(shù)為小數(shù)。如9 位數(shù)據(jù)時，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 時候才能使用這個命令。如果總上有不止一個從機，當所有從機試圖同時傳送信號時就會發(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總線上定位一只特定的 有和 64 位 列完全匹配的 能響應室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 第 9 頁 共 34 頁 隨后的存儲器操作命令。所有和 64 位 列不匹配的從機都將等待復位脈沖。這條命令在總線上有單個或多個器件時都可以使用。 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，在單點總線情況下右以節(jié)省時間。如果總線上不止一個從機，在 令之后跟著發(fā)一條讀命令，由于多個從機同時傳送信號，總線上就會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突（漏極開路下拉效果相當于相與）。 搜索 令 : 當一個系統(tǒng)初次啟動時，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的 64 位編碼。 報警搜索指令 : 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警條件的情況， 會響應這條命令 。報警條件定義為溫度高于低于 要 掉電，報警狀態(tài)將一直保持，直到再一次測得的溫度值達不到報警條件。 復位時序 : 要嚴格的協(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。一個復位脈沖跟著一個存在脈沖表明 經(jīng)準備好發(fā)送和接收數(shù)據(jù)（適當?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，其作用是顯示當前溫度值。 74我們常用的芯片，用來驅動 者其他的設備，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 8051 單片機的 總線負載達到或超過 大負載能力時，必須接入 74總線驅動器。當片選端 /電平有效時， 0” ，信號由 B 向 A 傳輸；（接收） 1” ，信號由 A 向 B 傳輸；（發(fā)送）室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 第 10 頁 共 34 頁 當 高電平時， A、 B 均為高阻態(tài)。由于 始 終輸出地址的高 8 位，接口時 74三態(tài)控制端 1G 和 2G 接地， 與驅動器輸入線對應相連。 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， 74入（ 其它時間處于輸出（ 控制模塊 主控制模塊即單片機模塊，完成功能是與各個功能模塊連接，并通過軟件編程控制各個功能模塊，完成煤氣、天然氣檢測報警及溫度顯示功能。 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。 一種帶 2K 字節(jié)閃存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反復擦除 1000 次。該器件采用 密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 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芯片中， 它的一種精簡版本。 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。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 位內部 8） 32 可編程 I/O 線 （ 9）兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 （ 10） 5 個中斷源 （ 11）可編程串行通道 室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 第 11 頁 共 34 頁 （ 12）低功耗的閑置和掉電模式 （ 13）片內振蕩器和 時鐘電路 圖 腳圖 光報警模塊 此模塊主要由蜂鳴器、 組成 ，在氣體濃度過大，超過安全值時，蜂鳴器工作，提供報警服務。在這個時候，用戶可以自行關閉煤氣，并通過對房間通風來解決。 室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 第 12 頁 共 34 頁 3 硬件電路設計 體檢測模塊的設計 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 體傳感器由 20動變阻器代替。當沒有煤氣、天然氣泄漏時， 阻值應該在 20右，此時該氣體檢測模塊的輸出端為高電平，此時 光。當有煤氣、天然氣泄漏時， 阻值應該在 2時該氣體檢測模塊的輸出端為低電平，此時 滅。 562體檢測模塊原理圖 敏感元件 傳感元件 信號調節(jié)與轉換 輔助電源 室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 第 13 頁 共 34 頁 （ 2）氣體檢測模塊調試 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 責拼接接地。當 感器端不加氣體時，此時亮，說明此時輸出為高電平；當 感器端加氣體時，此時 滅，說明此時輸出為低電平。剛上電時就在 加氣體，此時 熄滅，原因是 時電路起作用，防止誤報現(xiàn)象的發(fā)生；在 1右之后，在 時 滅，開機延遲時間約為 1調試結果符合設計要求。 度檢測與顯示模塊的設計 編程時有嚴格 的時序要求，因些在編程過程中要多加注意，以下為 型工作時序簡介。 （ 1）復位時序 使用 ，首先需將其復位，然后才能執(zhí)行其他指令。復位時，主機將數(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，就完成了復位操作。其復位時序如圖 示。 圖 位時序圖 （ 2）寫時序 在主機對 ，主機對 送各種命令時，先將數(shù)據(jù)線激發(fā)為低電平，該低電平應大于 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)線進行采樣。要求寫入 數(shù)據(jù)持續(xù)時間應大于 60μs 而小于 120μs，兩次寫數(shù)據(jù)之間的室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 第 14 頁 共 34 頁 時間間隔應大于 1μs。寫時隙的時序如圖 示。 圖 時序圖 （ 3）讀時序 當主機從 數(shù)據(jù)時，高機先向數(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 內將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)線上，主機可在 15μs 后讀數(shù)據(jù)線以獲得數(shù)據(jù)其時序圖如圖 示。 圖 時序圖 選用 度傳感器。 以把溫度直接轉化為串行數(shù)字信號，使用不不需要附加電路，但與主機通信有嚴格的時序要求。溫度檢測模塊原理圖如圖所示， 用默認的 12 位精度的分辨率，此時輸出羰 出的溫度值為 16 位二進制補碼的表達形式， 出端 出的溫度值為 16位二進制補碼的表達形式， 出端 單片機引腳 接，將數(shù)據(jù)傳入單片機進行 處理。 溫度顯示設計如下： 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 總線接到單片機的 于室內溫度不會超過 100℃ ，因此顯示時百位不加以顯示。而北方有些地區(qū)冬天會比較冷，室內溫度有可能達到 0℃ 以下，因此顯示符號位。因此用 4 位室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 第 15 頁 共 34 頁 七段數(shù)碼管顯示溫度， 4 個位分別顯示符號位、十位、個位、一個位小數(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 當溫度為正值時，此時仿真如圖 示，此時 定溫度為 ，經(jīng) 4 位七段數(shù)碼管顯示為 顯示結果正確。 當溫度為正值時，此時仿真如圖 示，此時 定溫度為 ，經(jīng) 4 位七段數(shù)碼管顯示為 顯示結果正確。 室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 第 16 頁 共 34 頁 圖 度為正值的仿真圖 室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 第 17 頁 共 34 頁 圖 度為負值仿真圖 由于 出為 16 位二進制數(shù)，實驗中無法測得此信號，因此僅對溫度顯示部分進行調試。 驅動模塊選擇，實驗中測得 74出高電平為 74出高電平為 5V。由于 74 74比價格較貴，而 74出 此設計中選用 74 限流電阻阻值計算，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該為 2=8渡過限流電阻的電流為室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 第 18 頁 共 34 頁 8此限流電阻的阻值 =25Ω，實際設計中采用 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。通過實驗驗證顯示結果正確，并且顯示亮度比較亮，符合設計要求。 片機 模塊的設計 單片機模塊，完成功能是與各個功能模塊連接，并通過軟件編程控制各個功能模塊，完成煤氣、天然氣檢測報警及溫度顯示功能。 控制模塊原理圖 光報警模塊的設計 光報警電路 如圖所示， 單片機 腳相接，當檢測到有煤氣、天然氣泄漏時 通過單片機編程控制 出方波信號，此時 1 閃爍，并且蜂鳴器以相同的頻率發(fā)出聲音，產生霞光報警信號，提醒用戶煤氣、天然氣泄漏，采取相應的措施。 室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 第 19 頁 共 34 頁 光報警原理圖 光報警模塊的調試 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警電路。當 為高電平時，表示此時沒有煤氣、天然氣泄漏， 高電平 5V，此時 發(fā)光。當 為低電平時，表示此時有煤氣、天然氣泄漏，通過模擬示波器測得此時 出為方波信 號，其周期為 2s 的方波信號，此時 2s 亮滅一次。 將編輯好的程序通過單片機下載器下載到單片機中，將單片機插入面包板，20 腳、 40 腳分別接地和 5V 電源。蜂鳴器與 聯(lián)，負端接到 ，正端接 5V 電源。當 接 5V 電源時， 滅，蜂鳴器不報警；當 接地時， 爍，同時蜂鳴器以相同頻率發(fā)聲報警。此時用示波器測得 波形為周期為 方波信號，與理論值之間存在一定的誤差，誤差產生的原因有： （ 1） 單片機使用的晶振為 不是 12而使單片 機機器周期大于 1μs，而理論計算時按 1μs 計算，從而產生誤差； （ 2）單片機定時程序指令執(zhí)行時，有一定的執(zhí)行時間，而此時間與 1s 相比力氣活，編程時將其忽略，從而導致誤差的產生； （ 3）同時測量信號也受實驗器材、環(huán)境等諸多因素的影響。 設計中對方波信號的要求不是很高，因為方波信號的周期只影響報警的頻率，并不影響報警功能，因此不需要對其進行修改。 室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 第 20 頁 共 34 頁 4 程序設計 本設計可以用 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、計時中斷、和輸出等。下面介紹 C 語言編程 的優(yōu)點。 C 語言是一種計算機程序設計語言。它既具有高級語言的特點，又具有匯編語言的特點。它由美國貝爾研究所的 1972 年推出。 1978 后， 、小及微型機上。它可以作為工作系統(tǒng)設計語言，編寫系統(tǒng)應用程序，也可以作為應用程序設計語言，編寫不依賴計算機硬件的應用程序。它的應用范圍廣泛，具備很強的數(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。具體應用比如單片機以及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。它兼顧了多種高級語言的特點，并具備匯編語言的功能。 C 語言有功能豐富的庫函數(shù)、運箅速度快、編譯效率高、有良好的可移植性，而 且可以直接實觀對系統(tǒng)硬件的控制。 C 語言是一種結構化程序設計語言，它支持當前程序 設計中廣泛釆用的由頂向下結構化程序設計技術。此外， C 語言程序具有完善的模塊程序 結構，從而為軟件開發(fā)中采用模塊化程序設計方法提供了有力的保障。因此，使用 C 語言 進行程序設計已成為軟件開發(fā)的一個主流。用 C 語言來編寫目標系統(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，便于改進和擴充，從而研制出規(guī)模更大、性能更完 備的系統(tǒng)。 C 語言特點 （ 1） C 是高級語言。它把高級語言的基本結構和語句與低級語言的實用性結合起來。 C 語言可以像匯編語言一樣對位、字節(jié)和地址進行操作，而這三者是計算機最基本的工作單元。 （ 2） C 是結構式語言。結構式語言的顯著特點是代碼及數(shù)據(jù)的分隔化，即程序的各個部分除了必要的信息交流外彼此獨立。這種結構化方式可使程序層次清晰，便于使用、維護以及調試。 C 語言是以函數(shù)形式提供給用戶的，這些函室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 第 21 頁 共 34 頁 數(shù)可方便的調用，并具有多種循環(huán)、條件語句控制程序流向，從而使程序完全結構化。 （ 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。而且計算功能、邏輯判斷功能也比較強大，可以實現(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 適用于多種機型。 C 語言對編寫需要硬件進行操作的場合，明顯優(yōu)于其它高級語言，有一些大型應用軟件也是用 C 語言編寫。 C 語言缺點 （ 1） C 語言的缺點主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)的封裝性上，這一點使得 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格，對變量的類型約束不嚴格，影響程序的安全性，對數(shù)組下標越界不作 檢查等。從應用的角度， 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，以實現(xiàn)設計預定功能。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行處理：另一部分是實行中斷處 理，控制設置報警模塊。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。當檢 測到的濃度小于設定值時，等待定時器中斷：當檢測到的濃度超過設定值時，執(zhí)行中斷程 序進行報警處理，顯示濃度。 室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 第 22 頁 共 34 頁 度采集 部分程序設計 溫度測量通過 字溫度傳感器測量 室內 溫度， 將室內溫度轉化為數(shù)字量接入 片機中，溫度采集的流程圖如下所示： 圖 度采集流程圖 始化 跳過 度轉換指令 延時等待 始化 匹配 出溫度指令 讀出溫度值 室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 第 23 頁 共 34 頁 示部分程序設計： 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 關個位，十位，開小數(shù)位，送小數(shù)位數(shù)值 調用延時子程序 關個位，十位，開小數(shù)位，送小數(shù)位數(shù)值 調用延時 子程序 關小數(shù)位，十位，開個位，送個位數(shù)值 調用延時子程序 循環(huán)變量 子程序返回 室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 第 24 頁 共 34 頁 函數(shù)程序設計： 程序開始，定時器初始化，檢測空氣中一氧化碳的濃度是否達到報警值，如果達到報警值，調用報警子程序，報警。如果沒有達到報警值，則 1，處于熄滅狀態(tài)，讀取房間內溫度值，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) 是否達到報警值 開始 定時器初始化 關中斷 1 讀取溫度值 獲得顯示碼 調用顯示函數(shù) 調用報警程序 Y N 室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 第 25 頁 共 34 頁 斷函數(shù)設計 中斷服務程序為 ，首先初始化定時器，此時 。這時判斷 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 定時器初始化 反 否為8 返回 室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設計 第 26 頁 共 34 頁 5 總結 經(jīng)過一個學期的努力， 能夠成功的完成畢業(yè)設計所要求的任務。期間，我收集了大量的關于檢測報警系統(tǒng)的資料，經(jīng)過比較分析得出此設計方案。特別是對氣體傳感器、數(shù)碼顯示做了深入的研究。并溫習了數(shù)字電路、模擬電路和單片機的相關知識，通過這些工作使我了解了本系統(tǒng)的工作原理及應用，而且熟悉使用多種單片機電路在實際當中的應用，以及掌握了單片機與檢測電路的連接和 在此次設計中，還有不完善的地方，在無人情況下，無法處理室內煤氣泄漏的問題，在老師的指導下，了解到可以通過控制抽風機將室內泄漏的煤氣抽出室內。 畢業(yè)設計是對大學四年專業(yè)所學知識的 鞏固和深化，理論和實踐知識相結合，學以致用，使們學會了提出問題，分析，解決問題的能力。這對我們以后的工作和人生將產生深遠的影響。室內煤氣和天然氣泄漏報警器的設