1、 SCM Density Alarm device1 前言1.1研究背景随着我国燃气的变革及西气东输工程的进行，煤气或天燃气已成为多数家庭的燃料。每年，因煤气泄露造成的煤气中毒事故中，因使用热水器不当或产品本身的质量问题,造成的一氧化碳中毒事故，全国均有不少事例.有甚者,因室内煤气浓度过高，引起煤气爆炸的事故也不少见。所以怎样防止煤气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要。为此我们开发研制了智能煤气报警系统。计算机的普及和信息技术的迅猛发展，人们己不满足于传统的居住环境，对家庭及住宅小区提出了更高的要求，智能化被引入家庭，并迅速在世界各地发展起来。人们对居住环境要求的日见增高，体现在希望住宅不仅更便利
2、、舒适而且更安全。家庭及住宅小区智能化的定义，在国际上至今尚无一致的般认为，在现代化的城乡住宅小区内综合采用微型计算机、自动控制、通信与网络及智能卡等技术，建立一个由住宅小区综合物业管理中心与安防系统、信息通信服务与管理系统和家庭智能化系统组成的“三合一”住宅小区服务与管理集成系统，最终目的是使每一住户得到满足其要求的最佳方案。国家建设部规定，目前住宅小区应实现六项智能化要求，其中包括实行安全防范系统自动化监控管理;防盗报警系统应安装红外或微波与煤气泄漏报警器等各种类型报警探测器。基于此项规定，煤气泄漏自动报警实现智能化势在必行。在社会信息化进程日益发展的今天，信息技术应用己渗透到人类生存、活
3、动的各个领域，在建筑领域，人们的现代生活、工作对居住要求舒适健康、安全可靠、高效便利。这时候气体燃料的应用也越来越广泛。目前家用煤气，液化器、天然气作为气体燃料，已用与家庭旅馆，深入人民的生活之中。气体燃料的应用和普及，伴之而来的是气体泄漏造成的中毒、爆炸、火灾等事故也时有发生。其中由于一氧化碳泄漏中毒死亡尤为严重。众多周知由于CO与血液中的血红素的结合能力是氧的240倍,因此,当它进入人体血液循环系统后,就会大量取代氧而与血红素结合,抑制血液中氧气的释放,从而导致发生头痛、耳鸣、呕吐、血压降低等不同程度的症状发生。如果CO中毒严重,轻者于康复过程中可能会头昏眼花、丧失记忆或引起视觉及神经上的
4、障碍,严重者会导致脑部受损甚至发生死亡。这就对煤气自动报警的器的设计更加迫切。为了预防一氧化碳的泄漏，人们采用了各种措施。家用智能煤气报警器是为了预防气体中毒的一种家用的自动报警器，也是一种高灵敏度的气体探测器，一般都是应用高灵敏度的气敏元件作气电转换元件，并配以电路和声光报警部分组成。当泄漏的气体达到危险极限值时报警器就会发生鸣响和声光报警。1.2研究意义 测控技术与仪器仪表技术已经是现在社会不可缺少的重要组件。从今天进入信息科技时代来看，仪器仪表是实现信息的获取、转换、存贮和揭示物质运动的必备工具，是当今普遍称之为时代标志的信息科技的三大支柱（信息获取及处理、信息传输与通信、电子技术及计算
5、机）的必要手段，也是新技术革命的一项重要内容。在现代化建设中，人们对仪器仪表所能起到的监控作用，在技术上有着高层次的要求，因而仪器仪表工业是促进国民经济各部门技术进步，进行技术改造，提高劳动生产率和社会经济效益，开发与节约能源和材料的先导工业。仪器仪表的装备水平在很大程度上反映出一个国家的生产力的发展和科学技术的现代化水平。随着科技的发展，计算机技术的应用，测试技术与仪表专业的趋势越来越向智能化转变智能仪表。智能仪表一出现就显示了它强大的生命力，现已成为仪器仪表发展的一个重要方向。这不仅在一般的测量仪表中，而且在分析仪表、实验室仪表与生物医学仪表中反映出来。仪器仪表设备水平在很大程度上反映出一
6、个国家的生产力发展水平，当前仪器仪表正从自动化向智能化方向发展，无疑这对于提高生产效率，优化产品质量，加速我国现代化建设有着极其重要的作用。从此可以看出，测控技术及仪表专业具有非常美好的未来。在小区内保安室或是矿区主控室（以下简称总台）安装好一个控制主机和报警模块，在小区的每一个住户安装或是矿区的每一个矿点安装一个到多个探测头和报警模块。这样就可以同时在发生意外的时候及时的在总台和发生意外的所在点产生声光报警，及时的疏散意外所在点的人群并告之总台的控制端。总台可以通过显示模块得知哪个点发生意外，并及时的进行处理和疏导人群。1.3研究内容本设计主要研究并设计一个基于单片机的煤气报警系统，并实现对
7、AD数据的采集和声光的报警控制。控制系统主要是由MCS-52系列单片机、电源电路、AD数据采集电路、传感器电路、看门狗电路、复位电路、实时时钟电路、LED显示与键盘输入人机接口电路、声光报警电路等部分组成。单片机通过AD转换8路传感器来所得到的信号，进行比较处理，并且能够存储各个通道的报警上限和报警时的数据储存，并且在安全值内，轮回显示当前通道的测量值和设定值，在安全值外，产生声光报警，并且轮回显示报警通道的当前值、设定值。2 系统总体设计2.1方案的选择方案一，通过传感器感受到可燃性气体，降低自身的阻值，来增大电流，并且驱动蜂鸣器报警。电路简单、可靠但是灵活性和实用性差。方案二，可以通过传感
8、器感知信号多级放大电路，并用电位器调节得到固定的电压值，当得到可燃性气体信号时，电阻值立刻变小，放大器的放大倍数增加，电压也就随着增加，驱动三极管导通报警电路。该方案有一定的灵活性和可执性，但是电路比较复杂，智能性差。方案三，通过51系列单片机作为主控单元，并且能够通过传感器把模拟信号通过A/D信号转换为数字信号，并且读取和显示出来。键盘可以通过不同的应用场合和针对不同气体做出不同的浓度设定，并且储存报警的上限和报警时间，方便查询和日后的工作调查。综合考虑，由于使用单片机设计灵活性更强、用途更宽广，所以本设计采用方案三。2.2系统流程框图如图2-1所示，该设计是由89s52单片机主要控制单元，
9、由7805稳压芯片提供电源，具备有看门狗芯片X5045和实时时钟芯片DS12887作为主体单元。显示和键盘是由HD7279A控制的，数据采集是由TLC2543进行。报警电路 图2-1 系统流程框图3 硬件系统设计与传感器选用硬件系统的电路包括主机单元的电路和功能实现系统模块电路。主机单元主要由89s52单片机与X5045看门狗定时器、实时时钟DS12887和7805电源电路组成。功能实现系统模块，由A/D转换电路、信号处理电路、人机接口电路、传感器和报警电路组成。3.1主机单元电路主机模块是由主控芯片AT89s52、X5045、DS12887芯片和电源电路构成。它是仪表的核心部分。电源电路提供
10、+5v的稳定电源；X5045防止系统死机，保证程序正常运行，内部的EEPROM有掉电数据存储功能，用于保存各采集通道的报警上限；DS12887存储当前时刻之前发生的10个历史报警记录，包括报警的发生通道、性质和发生时间，可以对时、分、秒、年、月、日进行准备计时，具有掉电数据存储功能，以边日后实现可燃性气体的报警监督功能。总体连接如图3-1。图3-1主机模块总连接图3.1.1AT89S52单片机本设计中的主芯片采用美国ATMEL公司的。控制器部分采用了美国ATMEL公司的AT89S52单片机，AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP（In-syste
11、m programmable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S52具有如下特点：40个引脚,8k Bytes Flash片内程序存储器,256 bytes的随机存取数据存储器（RAM）,32个外部双向输入/输出（I/O）口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗（WDT）
12、电路,片内时钟振荡器，主要功能表特性见表3-1。此外,AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下,CPU暂停工作,而RAM定时计数器,串行口, 外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。表3-1 主要功能表特性：兼容MCS-51指令系统8k可反复擦写（1000次）ISP Flash ROM32个双向I/O口4.5-5.5V工作电压3个16位可编程定时/计数器时钟频率0-33MHz全双工UART串行中断口线256x8b
13、it内部RAM2个外部中断源低功耗空闲和省电模式中断唤醒省电模式3级加密位看门狗（WDT）电路软件设置空闲和省电功能灵活的ISP字节和分页编程双数据寄存器指针图3-2 89s52各个引脚在本设计中，P0作为实时时钟DS12887的数据传送总线；P2.7作为片选CE的接口用来使能DS12887，ALEP接口用来锁存外接存储器的地址， RD和WR接口分别接实时时钟的RD和WR，用来读控制和写控制外部存储器的数据，RESET接X5045的RS接口受其看门狗监督，P1.3和P1.4两个接口用来接X5045的数据输入和数据输出；P1.1和P1.2接X5045的片选接口和时钟接口。主机89s52完成对监控
14、系统的数据采集过程、采集方式和报警过程的控制。其最简单的连接图如图3-3。图3-3 89s52最小系统3.1.2DS12887实时时钟芯片及其电路 DS12887实时钟芯片的特点，可作为IBM AT计算机的时钟和日历；与MC146818B和DS12887的管脚兼容；在没有外部电源的情况下可工作10年；自带晶振及电池；可计算到2100年前的秒、分、小时、星期、日期、月、年七种日历信息并带闰年补偿；用二进制码或BCD码代表日历和闹钟信息；有12和24小时两种制式，12小时有AM和PM提示；可选夏令时模式；可以应用与NMOTOROLA和INTERL两种总线；数据/地址总线可以复用；内建128字节RA
15、M（14字节时钟控制寄存器，114字节通用RAM）；可编程方波输出；总线兼容中断（/IRQ）；三种可编程中断。其管脚名称及其分部如图3-4所示。 图3-4 DS12887的管脚分布AD0-AD7是双向地址/数据复用总线；NC是空脚；MOT总线类型选择，接地或不接时，选择INTEL总线时序，接Vcc是选用MOTOROLA总线时序；CS是片选，当Vcc低于4.25V时，DS12887从内部禁止对外部CS的操作，此时时钟和RAM都被保护起来；AS是地址锁存ALE；R/W在INTERL总线下做/WR，DS在INTEL总线下做/RD；RESET是复位信号，系统上电复位脚要保持低电平200MS以上才可以正
16、常工作；IRQ是中断请求输出，有中断请求为低电位，无就为高电位，外接必须接上拉电阻；SQW是方波输出；当Vcc低于4.25V是没有任何作用；VC为+5V电源，GND是电源地。其DS12887芯片地址分部如图3-5所示。图3-5 DS12887的地址分部 所有地址包括114字节通用Ram、10字节用于记录时间、日历、闹钟的RAM以及字节的控制、状态RAM。所有字节都可以在除以下的情况直接读写，除了寄存器C、D和寄存器第7与秒字节的高位为只读。图3-6 DS12887与89S52的连接本设计中DS12887的D0到D7引脚接89S52的P0口作为数据和地址的传送通道。片选CE由单片机的P2.7控制
17、信号。因为要涉及到外部存储设备的写入和读取，所以DS12887的RD和WR两个引脚，直接接89S52的RD和WR两个引脚，可以实现外部存储的通信控制。而AS引脚自然接到单片机的ALE引脚。要使得DS12887可以正常的工作，就必须使得RESET置于低电位200ms以上，所以在VCC之间连接一个电阻并在GND之间连接一个电容，这样就可以使得充电时间保持有200MS以上的低电位，并且正常工作接上电源VCC。其余引脚在本设计中均没有涉及到，所以给于置空处理。图3-6就是本设计中的电路连接实际情况。3.1.3X5045看门狗定时器及复位电路X5045的特点是一种集看门狗、电压监控和串行EEPROM 三
18、种功能于一身的可编程电路。这种组合设计减少了电路对电路板空间的需求。X5045中的看门狗对系统提供了保护功能。当系统发生故障而超过设置时间时，电路中的看门狗将通过RESET信号向CPU 作出反应。X5045提供了三个时间值供用户选择使用。它所具有的电压监控功能还可以保护系统免受低电压的影响，当电源电压降到允许范围以下时，系统将复位，直到电源电压返回到稳定值为止。X5045的存储器与CPU 可通过串行通信方式接口，共有4096个位，可以按512 x 8个字节来放置数据。可以存放512个字节，可擦写100万次以上并且存储100年。图3-7 X5045引脚X5045的管脚排列如图3-7 所示，它共有
19、8个引脚，各引脚的功能如下： CS ：电路选择端，低电平有效SO ：串行数据输出端；SI ：串行数据输入端； SCK：串行时钟输入端； WP ：写保护输入端，低电平有效； RESET ：复位输出端； VCC ：电源端；VSS ：接地端。 本设计中由于X5045是利用SPI通信协议的，所以电路连接十分简单。SI和SO分别接89S52的P1.3和P1.4用作数据的传输使用。而CS和SCK分别接单片机的P1.1和P1.2用作控制端口使用。而WP和Vcc是直接接电源，RS上拉10k电阻接电源，并且接上89S52的RESET引脚，用作控制单片机复位信号使用，并且上电复位。设计中所用到的电路图如图3-8所
20、示。图3-8 设计中X5045的连接3.1.4 电源电路电源采用直流电源变压器输出12V的电压，其电源连接电路如图3-9所示，并由去耦电容、开关、7085稳压器及电源指示灯组成。直流12V再经过电容滤波，7805集成稳压器稳压成为稳定的+5V电源，用一个发光二极管指示灯指示电源状态。电路安全稳定可靠，测试电压为+5V，并且在12V和5V电路中引线排针，以供日后使用。图3-9 电源连接电路3.2功能模块部分该部分中主要由数据采集模块、人机接口模块、信号处理模块、ISP下载程序模块和声光报警模块。可以实现89S52单片机的对传感器信号进行采集计算比较，并产生相应的报警措施。人机对话方面，可以通过键
21、盘和显示来调节各个通道的设置值，并且查看现场测试值。并且自行进行DIY的ISP程序加载模块，可以对程序进行烧写。3.2.1TLC2543的数据采集单元 本设计A/D转换器选择了TLC2543，该芯片是TLC2543是德州仪器公司（TI）新型模数转换器（ADC），具有l2位的分辨率，使用开关电容逐次逼近技术完成AD转换过程，提供的最大采样率为66KSPS，供电电流仅需1mA（典型值）。它除具有高速的转换器和通用的控制能力外，还具有通用灵活的串行接口（SPI）。它被广泛运用于数据采集系统。TLC2543是l2位开关电容逐次逼近型ADC 每个器件有三个控制输入端：片选（CS）、输入/输出时钟（I/O
22、 CLK）及地址数据输入端（DATA INPUT）。它还可以通过一个串行的3态输出端（DATA OUT）与主处理器或其它外围的串行口通讯，输出转换结果。通过编程器件的DATA INPUT管脚串行输入的8位通道/方式控制字节的高4位（MSBs），可选择11个模拟输入通道中的任一个。可用同样的方法选用另外三个测试电压VREF+、VREF-、（VREF+VREF-）/2,用于转换器的枝正或其它用途。通道方式控制字节的低四位（LSBs）用于选择输出数据的长度（8、12或16位）、输出数据的顺序（以MSB开始或LSB开始）和是否需要单极性（二进制）或双极性（二进制补码）格式。TLC2543的功能特点，1
23、2 bit分辨率AD转换器； 在工作温度范围内10us转换时间； 11个模拟输入通道；4） 3路内置自测试方式；采样率为66 kb/s；线性误差+1LSB（max）；有转换结束（EOC）输出；具有单、双极性输出；可编程的MSB或LSB前导；可编程的输出数据长度。TLC2543引脚介绍如图3-10所示。图3-10 TLC2543的引脚图AIN0AIN10为模拟输入端；CS为片选端，由高到低有效，由外部输入；DIN为串行数据输入端，用于选择转换及输出数据格式；DOUT为AD转换结果的三态串行输出端，AD转换结果的输出端；EOC为转换结束端，向外部输出；CLK为IO时钟，由外部输入；REF+为正基准
24、电压端，一般接+5V；REF一为负基准电压端，一般接地；VCC为电源，一般接+5V；GND为地。TLC2543的工作过程分为两个周期与接口时序，分别为I/O周期、转换周期和接口时序。a） I/O周期I/O周期由外部提供的I/O CLOCK定义,延续8、12或16个时钟周期,决定于选定的输出数据长度。器件进入I/O周期后同时进行两种操作。在I/O CLOCK的前8个脉冲的上升沿,以MSB前导方式从DATA INPUT端输入8位数据流到输入寄存器。其中前4位为模拟通道地址,控制14通道模拟多路器从11个模拟输入和三个内部测电压中选通一路送到采样保持电路,该电路从第4个I/O CLOCK脉冲的下降沿
25、开始对所选信号进行采样,直到最后一个I/O CLOCK脉冲的下降沿。I/O周期的时钟脉冲个数与输出数据长度（位数）同时由输入数据的D3、D2位选择为8、12或16。当工作于12或16位时,在前8个时钟脉冲之后,DATA INPUT无效。在DATA OUT端串行输出8、12或16位数据。当CS保持为低时,第一个数据出现在EOC的上升沿。若转换由CS控制,则第一个输出数据发生在CS的下降沿。这个数据串是前一次转换的结果,在第一个输出数据位之后的每个后续位均由后续的I/O时钟下降沿输出。b） 转换周期在I/O周期的最后一个I/O CLOCK下降沿之后,EOC变低,采样值保持不变,转换周期开始,片内转
26、换器对采样值进行逐次逼近式A/D转换,其工作由与I/O CLOCK同步的内部时钟控制。转换完成后EOC变高,转换结果锁存在输出数据寄存器中,待下一个I/O周期输出。I/O周期和转换周期交替进行,从而可减小外部的数字噪声对转换精度的影响。c）接口时序可以用四种传输方法使TLC2543得到全12位分辩率,每次转换和数据传递可以使用12或16个时钟周期。一个片选脉冲要插到每次转换的开始处,或是在转换时序的开始处变化一次后保持为低,直到时序结束。根据芯片的规范和要求，本设计中89S52的P2.0接上TLC2543的I/Oclk用于在SPI通信中做模拟clock用。TLC2543的CS接在P2.3脚，作
27、为片选使用。P2.1和P2.2分别接上输入ADIN和输出DOUT引脚。Vcc借+5v电源，GND接地，各路模拟接通道接数据处理后的信号。而REF+接+5v基准电压，REF-因传感器不同，则有可能接GND也可以接+1v基准电压。当使用TLC2543这种12位A/D器件时，每个模拟IC的电源端必须用一个0.1F的陶瓷电容连接到地，用作去耦电容。对模拟器件和数字器件，电源的地线回路必须分开，以防止数字部分的噪声电流通过模拟地回路引入，产生噪声电压，从而对模拟信号产生干扰。使用TLC2543时一定要注意电路板的布线，电路板的布线要确保数字信号和模拟信号隔开，模拟线和数字线特别是时钟信号线不能互相平行总体设计如图3-11。而在基准电压方面，为了适应不同传感器的要求，利用LM336-5.0经过电阻调节和分压，得到+5v和+1v的基准电压，如图3-12所示。这样可以灵活的处理各方面的数据而且可以达到基准电压的稳定性，不会收到电源电压的干扰。图3-11 TLC2543的总体设计图3-12 基准电压的
