基于C51的煤气泄漏报警系统毕业设计.docx
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基于C51的煤气泄漏报警系统毕业设计
第一章绪论
1.1课题的背景
随着我国经济实力的增长,人们的生活改善,煤气已经几乎是每个家庭都在使用的燃料。
但设备问题和人为操作不当等原因导致的煤气泄漏,给人们的生命财产安全带来了极大的隐患。
家庭天然气或煤气泄漏往往容易发生各种安全事故,如最近报道,合肥某小区居民下班回家开灯引起家庭天然气泄漏爆炸重大事故,造成一人被炸死,房屋大量损坏。
煤气的主要成分都是含碳化合物。
煤气有毒是因为其中的一氧化碳能与人体中的血红蛋白结合,氧无法与血红蛋白结合,于是造成了缺氧,人缺氧就会有生命危险。
一氧化碳气体几乎不溶于水,也很难被活性炭吸附,所以不能采用溶解和吸附的方法来解决问题。
含碳燃料燃烧不充分时,就会产生一氧化碳。
一氧化碳的主要来源是像煤炭、煤气等燃料,一氧化碳对人体的主要损害是破坏血液中血红蛋白输送氧气的能力,一氧化碳与血红蛋白结合能力远远超过氧和血红蛋白的结合能力。
煤气泄漏而大量产生的一氧化碳是煤气中毒事件的根源,一氧化碳对生命的威胁极大,它能在瞬间置人于死地,每年因煤气泄漏引发的安全事故不计其数,给很多家庭带来了灾难和痛苦。
据统计,我国平均每天死于煤气中毒有80人。
由于一氧化碳的特性,人们无法及时察觉一氧化碳的泄漏,这样耽误了人们及时远离泄漏的地方,导致生命危险。
所以,在日常生活中迫切需要一种能够很好的监控室内一氧化碳是否泄漏的仪器,以免灾难以及次生灾害的发生,保护人们的生命财产安全。
为了不让更多的家庭遭受灾难和痛苦,设计制作室内故障监测报警系统,保障人们的生命财产安全。
1.2煤气泄漏报警器的研究现状
虽然,煤气泄漏报警器的提出已不再是新鲜的话题,市场上也不是没有煤气泄漏报警器的设备,很少有家用煤气泄漏报警器的设备,市场上缺乏经济实惠的家用煤气泄漏报警器。
目前,市场上的煤气检测仪器很少有家用检测的,在这个领域有很大的市场份额的。
因此,本次设计所面对的对象是广大的居民。
目前,市场上煤气泄漏报警器大多采用的是气敏传感器,这些设备要么功能不能满足需求或者需要人工手动复位阀门系统,系统的稳定性低;要么价格高昂,并且需专门的技术人员来管理,不适于家庭使用。
1.3课题研究的目的及意义
因此设计出性能更加可靠,经济实惠的室内故障监测报警系统已成为市场的需要。
单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛,为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施。
家用煤气泄漏报警器是非常重要的燃气安全设备,它是安全使用城市燃气的最后一道保护。
为了防止中毒、爆炸等事件再次发生,提出利用单片机系统进行有效的预防对策。
为此设计出家用煤气泄漏报警控制器。
煤气泄漏报警器通过气体传感器探测周围环境中的低浓度可燃气体,通过采样电路,将探测信号用模拟量或数字量传递给控制器或控制电路,当可燃气体浓度超过控制器或控制电路中设定的值时,控制器通过执行器或执行电路发出报警信号。
第二章系统可行性分析
2.1系统需求分析
家庭天然气或煤气泄漏往往容易发生各种安全事故,如最近报道,合肥某小区居民下班回家开灯引起家庭天然气泄漏爆炸重大事故,造成一人被炸死,房屋大量损坏。
煤气泄漏报警器具有煤气泄漏警示、告诫功能,对提示人们注意安全和保护生命财产安全有重大作用。
调研煤气泄漏报警系统结合单片机技术设计一个煤气泄漏报警仪。
该仪器主要功能包括:
1.能检测到煤气泄漏;2.能及时进行煤气泄漏报警;3.报警方式多样化;4.能实现数据的无线传输。
2.2可行性分析
本次设计的系统中用到的检测设备是煤气传感器设备,用于检测煤气的传感器有MQ-5和MQ-7。
MQ-5气体传感器所使用的气敏材料是在空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。
当传感器处存在可燃气体的环境中时,二氧化锡的电导率受可燃气体的影响,随着空气中可燃气体浓度的改变成正相关。
进行一些简单的电路设计就可以将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
MQ-5气体传感器主要是对丁烷、丙烷、甲烷的灵敏度高,对甲烷和丙烷可较好的兼顾。
这种传感器可检测多种可燃性气体,特别是天然气,是一款适合多种应用的低成本传感器。
MQ-7气体传感器所使用的气敏材料与MQ-5一样,不过MQ-7主要是对一氧化碳气体的检测,采用高低温循环检测方式,低温(1.5V加热)检测一氧化碳,传感器的电导率受一氧化碳的影响,随着空气中一氧化碳气体浓度的改变成正相关,高温(5.0V加热)清洗低温时吸附的杂散气体。
MQ-7气体传感器对一氧化碳的灵敏度高,这种传感器可检测多种含一氧化碳的气体,是一款适合多种应用的低成本传感器。
本次设计的系统中用到的无线传输是Si4432。
Si4432是一款低于1GHz高性能射频收发器。
其主要针对工业、科研和医疗(ISM)以及短距离无线通信设备(SRD)。
Si4432输出功率可达+20dBm,接收灵敏度达到-121dBm,可提供对数据包处理、数据缓冲FIFO、接收信号强度指示(RSSI)、空闲信道评估(CCA)、唤醒定时器、低电压检测、温度传感器、8位AD转换器和通用输入/输出口等功能的硬件支持。
Si4432提供了先进的无线功能,包括连续频率范围从240到930MHz。
Si4432的高度集成带来降低BOM,同时简化整体设计。
极低的接收灵敏度(-121dBm的),加上业界领先的+20dBm输出功率,保证传输范围和穿透能力。
内置天线多样化和支持跳频。
2.3设计思路
为了让煤气泄漏报警器进入寻常家庭,充分实现检测煤气泄漏并及时报警。
我们采用51单片机对煤气泄漏传感器的控制。
同时,考虑到由于人们不是时时刻刻在厨房或者存在煤气的地方呆着,所以我们采用的是多机通信的方法。
由一个51单片机对煤气泄漏传感器进行控制和信息采集,其他的模块实现报警功能。
多个模块之间的数据交换是通过无线射频通信的方法实现的。
本设计按以下思路展开研究:
(1)根据该设计要实现的基本功能,设计大致应该分为信号采集,信号传输,系统设置报警三个部分。
①信号采集部分即通过气体传感器检测室内空气中是否有CO,若有则产生相应的数字量,若无也产生相应的数字量,据此来判断空气中是否含有CO和煤气是否泄漏。
②信号传输部分是将采集到的数字信号,通过无线射频通信的方法进行数据通信。
③系统设置报警部分是通过蜂鸣器报警实现和LED的亮灭。
基于以上分析。
系统总体设计功能模块如下图所示。
总体设计框图
2.4主要开发工具
2.4.1开发环境
KeilµVision3是KeilSoftware公司推出的一款可用于多种8051MCU的集成开发环境(IDE),该IDE同时也是PK51单片机及其它开发套件的一个重要组件。
除了增加了源代码、功能导航器、模板编辑以及改进的搜索功能外,KeiluVision3还提供了一个配置向导的功能,加速了启动代码和配置文件的生成。
此外其内置的仿真器可模拟目标MCU,包括指令集、片上外围设备及外部信号等。
KeiluVision3提供逻辑分析器,可监控基于MCU输入输出引脚和外设状态变化下的程序变量。
KeiluVision3提供对多种最新的8051类微处理器的支持,包括AnalogDevices的ADuC83x和ADuC84x,以及Infineon的XC866等。
其界面如图所示。
keil运行界面
C51单片机编译器的功能不断增强,及其它的衍生产品,可以更加贴近CPU本身。
C51单片机已被完全集成到KeiluVision3的集成开发环境中,这个集成开发环境包含:
编译器,汇编器,实时操作系统,项目管理器,调试器等。
KeiluVision3IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境。
KeiluVision3软件提供了丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具,全Windows界面,能够让初学者在很短的时间内就能学会使用KeiluVision3来开发51单片机的应用程序。
这是很多开发者使用它的重要原因。
2.4.2下载编程烧录软件
STC-ISP是一款针对STC系列单片机而设计的下载编程烧录软件,对于STC-ISP下载编程烧录软件,主要了解其操作方法。
(1)打开STC-ISP,在MCUType栏目下选中单片机,如STC11F32XE
(2)根据9针数据线连接情况选择端口,波特率一般为默认
(3)点击打开文件,选择要下载的Hex文件,点击“Download/下载”
(4)手动按下电源开关即可将可执行文件Hex写入到单片机中
第三章系统的硬件模块
3.1单片机模块
3.1.1STC12C5A60S2单片机介绍
STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S,即25万次/秒),针对电机控制,强干扰场合。
STC12C5A60S2系列单片机的内部结构框图如下图所示。
STC12C5A60S2单片机中包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。
STC12C5A60S2系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块,可称得上一个片上系统。
3.1.2如何从传统8051单片机过渡到STC12C5A60S2系列单片机
STC12C5A60S2系列单片机的定时器0/定时器1与传统8051完全兼容,上电复位后,定时器部分缺省还是除12再计数的,而串口由定时器1控制速度,所以定时器/串口完全兼容。
增加了独立波特率发生器,省去了传统8052的定时器2,如是用T2做波特率的,请改用独立波特率发生器做波特率发生器。
传统8051的111条指令执行速度全面提速,最快的指令快24倍,最慢的指令快3倍.靠软件延时实现精确延时的程序需要调整。
传统8051单片机的ALE脚对系统时钟进行6分频输出,可对外提供时钟,STC12C5Axx系列不对外输出时钟,如果传统设计利用ALE脚对外输出时钟,请利用STC12C5Axx系列的可编程时钟输STC12C5Axx系列的可编程时钟输出脚对外输出时钟。
传统8051单片机时钟频率较高时,ALE脚是一个干扰源,所以STC89系列单片机增强了AUXR特殊寄功能存器,其中的Bit0/ALEOFF位允许禁止ALE对系统时钟分频输出。
而STC12C5Axx系列单片机直接禁止ALE脚对系统时钟进行6分频输出,彻底清除此干扰源.也有利于系统的抗干扰设.也有利于系统的抗干扰设计。
请自行比较如下的寄存器。
3.1.3最小系统
1、如果外部时钟频率在33MHz以上时,建议直接使用外部有源晶振。
如果使用内部R/C振荡器时钟(室温情况下5V单片机为:
11MHz~17MHz,3V单片机为8MHz~12MHz),XTAL1和XTAL2脚浮空.如果外部时钟频率在27MHz以上时,使用标称频率就是基本频率的晶体,不要使用三泛音的晶体,否则如参数搭配不当,就有可能振在基频,此时实际频率就只有标称频率的1/3了,或直接使用外部有源晶振,时钟从XTAL1脚输入,XTAL2脚必须浮空.。
电路图如下。
2、当时钟频率高于时钟频率高于12MHz时,建议使用第二复位功能脚,可以不用C1,R1接1K电阻到地,此时的最小应用系统如下所示。
在本次设计中,采用的是第一种情况,不过在第一种情况下稍作改变,如下图所示。
3.2一氧化碳气体检测元件(MQ-7)
3.2.1概述
MQ-7气体传感器所使用的气敏材料也是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。
采用高低温循环检测方式低温(1.5V加热)检测一氧化碳,传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大,高温(5.0V加热)清洗低温时吸附的杂散气体。
使用简单的电路即可将电导率的变化,转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
MQ-7气体传感器对一氧化碳的灵敏度高,这种传感器可检测多种含一氧化碳的气体,是一款适合多种应用的低成本传感器。
3.2.2MQ-7的特点
(1)对一氧化碳气体有良好的灵敏度
(2)长寿命、低成本
(3)简单的驱动电路即可
MQ-7传感器需要施加2个电压:
加热器电压(VH)和测试电压(VC)。
其中VH用于为传感器提供特定的工作温度。
VC则是用于测定与传感器串联的负载电阻(RL)上的电压(VRL)。
这种传感器具有轻微的极性,VC需用直流电源。
在满足传感器电性能要求的前提下,VC和VH可以共用同一个电源电路。
为更好利用传感器的性能,需要选择恰当的RL值。
MQ-7传感器的测试电路图如下。
3.2.3灵敏度特性
灵敏度特性曲线图如下图。
图中纵坐标为传感器的电阻比(Rs/Ro),横坐标为气体浓度。
Rs表示传感器在不同浓度气体中的电阻值Ro表示传感器在1000ppm氢气中的电阻值。
灵敏度特性曲线图
3.2.4温/湿度特性曲线
温/湿度特性曲线图如下。
图中纵坐标是传感器的电阻比(Rs/Ro)。
Rs表示在含100ppm一氧化碳、不同温/湿度下传感器的电阻值。
Ro表示在含100ppm一氧化碳、20℃/65%RH环境条件下传感器的电阻值。
温/湿度特性曲线图
3.2.5使用注意事项
(1)必须避免的情况:
1、暴露于有机硅蒸气中。
如果传感器的表面吸附了有机硅蒸气,传感器的敏感材料会被包裹住,抑制传感器的敏感性,并且不可恢复。
传感器要避免暴露其在硅粘接剂、发胶、硅橡胶、腻子或其它含硅塑料添加剂可能存在的地方。
2、高腐蚀性的环境。
传感器暴露在高浓度的腐蚀性气体(如H2S,SOX,Cl2,HCl等)中,不仅会引起加热材料及传感器引线的腐蚀或破坏,并会引起敏感材料性能发生不可逆的改变。
3、碱、碱金属盐、卤素的污染。
传感器被碱金属尤其是盐水喷雾污染后,及暴露在卤素如氟中也会引起性能劣变。
4、接触到水。
溅上水或浸到水中会造成敏感特性下降。
5、结冰。
水在敏感元件表面结冰会导致敏感材料碎裂而丧失敏感特性。
6、施加电压过高。
如果给敏感元件或加热器施加的电压高于规定值,即使传感器没有受到物理损坏或破坏,也会造成引线和/或加热器损坏,并引起传感器敏感特性下降。
(2)尽可能避免的情况:
1、凝结水。
在室内使用条件下,轻微凝结水会对传感器性能会产生轻微影响。
但是,如果水凝结在敏感元件表面并保持一段时间,传感器特性则会下降。
2、处于高浓度气体中。
无论传感器是否通电,在高浓度气体中长期放置,都会影响传感器特性。
3、长期贮存。
传感器在不通电情况下长时间贮存,其电阻会产生可逆性漂移,这种漂移与贮存环境有关。
传感器应贮存在有清洁空气不含硅胶的密封袋中。
经长期不通电贮存的传感器,在使用前需要长时间通电以使其达到稳定。
4、长期暴露在极端环境中。
无论传感器是否通电,长时间暴露在极端条件下,如高湿、高温、或高污染等极端条件,传感器性能将受到严重影响。
5、振动。
频繁、过度振动会导致敏感元件引线产生共振而断裂。
在运输途中及组装线上使用气动改锥/超声波焊接机会产生这种振动。
6、冲击。
如果传感器受到强烈冲击会导致其引线断线。
7、使用。
对传感器来说手工焊接是最理想的焊接方式。
使用波峰焊是应满足以下条件:
助焊剂:
含氯最少的松香助焊剂
速度:
1-2米/分钟
预热温度:
100±20℃
焊接温度:
250±10℃
1次通过波峰焊机
3.3Si4432无线射频收发器
3.3.1Si4432无线射频收发器概述
Si4432是一款CMOS的ISM无线收发器件,频段240-930MHz连续可调。
工作电压范围为1.8~3.6V和低电流消耗,是电池供电解决方案的理想应用。
Si4432是一款分时双工(TDD的)收发器件,可交替传输和接收数据包。
接收路径使用一个单转换结构镜像抑制混频2-levelFSK/GFSK/OOK调制接收信号到一个低中频频率。
跟随一个可编程增益功放(PGA)信号通过一个高性能Σ∆ADC转换成数字领域,所以在数字领域执行过滤解调、切片、错误纠正和包处理,内置的DSP增加了接收器的性能和灵活性与模拟的架构。
信号的解调输出,然后该系统通过一个可编程的微控制器的GPIO或通过标准SPI总线阅读64K字节接收FIFO的。
一个高精度振荡器(LO)是用于传输和接收模式,因为发射器和接收器不在同一时间工作。
LO产生一个综合的VCO和Σ∆N-PLL合成器。
合成器支持可设置的数据传输速率,240-930Mhz任意频率允许可配置波特率、输出频率、频偏、高斯滤波。
发射FSK数据直接调制到∆-Σ数据流,这个数据可以通过一个高斯低通滤波整形以达到一个更满意的频谱。
输出功率可配置范围以3db的步长从+11~+20dbm。
这个单端PA许容易匹配和低成本精简外围,PA包含他自己突发信号的斜升和斜降为防止不希望大频谱散射,一个集成+20dbm的PA、容易跳频控制、收发切换控制、天线分集切换控制、能够赢得显著的优势。
天线分集完整集成到IA4432并且在一个典型的环境能够提高系统链路预算8-10db,视环境而定天线分集可以提高范围。
在20dBm的功率放大器,也弥补了由于天线性能和PCB板面积性能的局限。
而其他品牌的解决方案需要大量和昂贵的外部功率放大器来增加功率。
Si4432外围电路有一个MCU、一个晶体和一些被动元件。
芯片集成了电压调节器,工作电压从1.8~3.6V,只有4针SPI线与MCU连接。
三个配置通用I/O,可用于调整的需要的系统。
3.3.2工作模式
Si4432提供的一些运作模式,可用于优化设备应用电量消耗。
根据该系统的通信协议,实现最佳的无线电能耗。
下表概括了SI4432的工作模式,一般来讲,任何工作定态模式可能像主动模式和省电模式一样分类,这个表格显示了相应的模式各模块使能(主动),除关闭模式外,所有的能通过发送正确的SPI命令动态选择为了优化平均功耗,工作定态模式意味着任何细胞的一个“X”模块能够独立可编程为打开或关闭,没有明显的影响功耗。
SPI电路模块包括SPI接口和寄存器空间,32kHzOSC电路模块包括32.768KHzRC振荡器或32.768KHz晶体振荡器以及唤醒定时器,AUX(辅助模块)包括温度传感器、通用ADC和电池欠压检测器。
表1
3.3.3控制接口
(1)串行外设接口(SPI)
逻辑控制为一个SPI借口接收数据而设计的。
SCLK,SDI和Nsel。
此逻辑控制由第四输出引脚SDO从内部寄存器读出数据,一个SPI动作是16位随机数1位读写(RW)选择位组成,以下是7位地址段(ADDR),一个8位数据段(DATA),如图3所示,7位地址段支持读出或写入0-127,8位控制寄存器。
RW选择位决定SPI动作是写或读动作。
假如RW=1是表示写动作,RW=0是表示读动作。
每8个时钟周期内容(地址或数据)锁定入数字模块。
SPI接口时序参数显示在以下串行接口时序参数表。
SCLK时钟速率适应最大不超过10Mhz速率。
图1SPI时序图
SPI也可以用于从RFIC读回数据,为了从RFIC读回数据必须通过跟随寄存器的7位地址把RW位设置为“1”来读取,当RW=“1”时7位地址段后随8位数据段可以忽略,下8个SCLK信号的上升沿跳变将时钟输出选择的寄存器的内容。
选择的寄存器读出的数据将通过SDO引脚得到,图4显示了读功能,读功能完成之后取决于时钟输出的最后一位SDO引脚将保持逻辑“1”或逻辑“0”状态(D0),当nSEL变高电平SDO输出引脚将由内部上拉而拉高。
图2SPI时序–读模式
SPI接口包含一个没有重送SPI地址允许读/写连续寄存器的突发读/写模式,当nSEL保持为低继续送SCLK脉冲,SPI接口会自动递增地址并且从下一个读寄存器或写入下一个寄存器。
一个突发的写动作如图3所示,突发读如图3所示。
只要nSEL保持低,输入数据每8个SCLK周期将锁定进入数字模块,一个突发读动作也如图4所示。
图3SPI时序–突发写模式
图4SPI时序–突发读模式
3.3.3操作模式
有4个主机械状态:
关闭、挂起、发射和接收,关闭状态彻底关闭射频到最小功耗,选择挂起状态5个不同的配置/选项以优化芯片的应用需要,SPI寄存器07h控制工作模式/状态的选择,通过选择TXON或RXON位从任何挂起状态可以自动进入发射和接收状态,下图显示了每个工作模式进入接收或发射模式需要的时间以及每个模式当前的功耗。
产出的LPLDO内部并联输出的主要数字调节器(也可以外部VR_DIG引脚);数字电源电压连接到所有的数字电路模块,包括数字调制解调器,晶体振荡器,和SPI和寄存器。
LPLDO有极低的静态功耗电流仅仅有限的供应,它仅用于闲置待机和闲置睡眠模式。
第四章系统的软件设计
4.1概要设计
本次设计软件部分共有信号采集(通过MQ-7一氧化碳传感器),信号传输(包括通信协议的设定),系统设置报警(蜂鸣器报警和LED灯闪烁)三个部分。
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