可自锁智能煤气泄漏控制器的设计.doc
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可自锁智能煤气泄漏控制器的设计.doc
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编号:
1532110112
本科毕业设计
可自锁智能煤气泄漏控制器的设计
院系:
电子科学与工程系
姓名:
李遥遥
学号:
1132110112
专业:
电子科学与技术
年级:
2011级
指导教师:
张思维
职称:
副教授
完成日期:
2015年06月06日
37
摘要
随着经济和科学技术的高速发展,人们对生活质量的提高和生活环境的改善越来越重视,液化气、煤气进入家庭的使用为人们带来了方便,也改善了城市的环境,但同时也给人们带来了潜在的危险,其中一氧化碳是最主要的危险源。
一氧化碳是一种无色无味同时这些气体燃料在使用中,若管道和阀门密封不好,它们泄露出去,轻者引起中毒,重者造成火灾,危及人们的生命财产。
所以对于气体的检测与控制就变得很重要了,研究各种气体的检测方法与气体传感器也随之成为一个重要课题。
本设计主要实现管道煤气泄露的测量与报警,系统主要以半导体气体传感器为研究对象,以单片机为核心构成一个具备数据采集、对象控制、结果显示、数据通信等功能的完整系统。
通过虚拟仪器LabVIEW进行控制之后,再通过计算机I/O接口输出;输出信号驱动相应的驱动电路,分别控制报警灯、蜂鸣器及切断电路,实现对煤气泄露事故的实时监测及控制;程序实时监测系统状态。
关键词:
煤气泄漏;单片机;煤气浓度检测;气敏传感器
Abstract
Withtherapiddevelopmentofeconomyandthesciencetechnology,peoplebecomepaymoreandmoreattentiontothequalityoflifeandimprovingtheenvironment,andgasintothefamilytheuseofconvenienceforpeople,butalsotoimprovetheurbanenvironment,butalsotopeoplewithtothepotentialdangers,includingtheriskofcarbonmonoxideisthemostimportantsource.Ifnotsealedpipesandvalves,theyleaked,lightcausedpoisoning,causedbyheavyfire,endangeringpeople'slivesandproperty.Forthesereasons,soitisveryimportantforustoinspectandcontrolthesegaseswell.Anditisobviouslyveryimportanttostudyontheinspectionmethodsandsensorsofallkindsofgases.
Inthispaper,themaingasleakmeasurementandalarmsystemstothesemiconductorgassensorforthestudyinordertoconstituteasingle-chipmicrocomputerasthecorewithdataacquisition,objectcontrol,resultsshowedthatfeaturessuchasdatacommunicationsystemofintegrity.ThroughtheVirtualLabVIEWcontrolapparatus,andthenthroughcomputerI/Ointerfaceoutput;outputsignalsdrivethecorrespondingdrivingcircuits,respectively,controlthealarmlight,buzzerandcutoffthecircuit,therealizationofthegasleakonthereal-timemonitoringandcontrol;proceduresreal-timemonitoringofsystemstate.
Keywords:
gassensor;Singlechipmicrocontroller;dataacquisition;LabVIEW
目录
1绪论 1
1.1研究的背景和意义 1
1.2可自锁智能煤气泄漏控制器的国内外现状和发展过程 2
1.2.1可自锁智能煤气泄漏控制器的国内外现状 2
1.2.2可自锁智能煤气泄漏控制器的发展历程 2
1.3本设计研究内容与结构安排 3
2总体方案设计 4
2.1本设计实现的功能 4
2.2系统实现方案与选择 4
2.2.1基于单片机的实现方案 4
2.2.2基于MiniCore的实现方案 5
2.2.3方案选择 5
2.3系统的工作流程 6
2.4部分元器件的介绍 6
2.4.1气体传感器的介绍与选定 6
2.4.2单片机AT89C51的概述 9
2.4.3模/数转换器ADC0832的概述 10
2.5数据处理 12
2.5.1传感器非线性信号处理 12
2.5.2数字滤波处理 12
3系统的硬件设计 14
3.1硬件电路系统原理与系统框图 14
3.2气体传感器的信号采样 14
3.3LCD1602显示电路 15
3.3模数A/D转换电路 16
3.4声光报警电路 17
3.7执行电路 18
4系统的软件设计 20
4.1系统的主程序 20
4.2数据处理模块 21
5系统仿真与调试 22
结束语 25
参考文献 26
致谢 27
附录一:
系统总电路图 28
附录二:
系统主程序 29
1绪论
1.1研究的背景和意义
随着现代科技的发展和社会的进步,人们对生活质量的要求越来越高,西气东输工程的进行使煤气成为大多数家庭的燃料。
与此同时,因煤气泄漏造成的种种事故也随之而来。
每年因煤气泄漏造成的煤气中毒事故屡见不鲜,有甚者,因煤气泄漏导致室内浓度过高而引起的爆炸事故也不少见。
人们的生活中所使用的家用煤气的主要成分是甲烷,有时会因为各种原因而发生泄漏,甲烷是一种可燃性气体,当遇到明火的时候会燃烧起来甚至会爆炸,所以在煤气泄漏的时候抽烟或者使用家用电器的话,煤气就很可能会发生爆炸事故。
而甲烷不完全燃烧可能会产生有毒气体一氧化碳CO,CO是一种无色、无嗅、无味、无刺激性的气体,几乎不溶于水,当与空气混合达到12.5%~80%时具有爆炸性。
此外,CO通过人体呼吸作用进入血液循环,造成缺氧血症,导致组织缺氧,抑制组织呼吸。
它又是煤气中对人体危害最大的有毒气体。
如果人长时间的吸入煤气甚至会导致中毒身亡。
人体一氧化碳中毒属于内科急症,如果不及时发现和进行治疗,将会危及生命安全。
近年来,我国部分地区一氧化碳中毒事件时有发生,特别是高发季节的春冬季节,此事故更为频繁发生。
为了使人们在生活质量提高的同时安全也有更好地保障,可自锁智能煤气泄漏控制器的设计成为预防因煤气泄漏造成事故的重要策略。
以单片机为核心可自锁智能煤气泄漏控制器设计将会满足社会对智能化设备的需求,当前市场上的家庭煤气泄漏报警控制器虽然有一定的预防事故能力,但是也仅仅是出了事故报警,而不能智能的防止事故的发生,所以急需一套完善的防御系统来改善目前的情况,以单片机为核心可自锁智能煤气泄漏控制器设计应用于企业生产会大大的提升企业的经济效益,进而带动社会的发展和人类的进步。
如今,在日用电子产品中单片机的应用越来越广泛,煤气泄漏造成的事故威胁是人们生活中需要测量和控制的一个问题。
为了预防中毒事故的再次发生,设计出以单片机作为核心器件,以气敏原件检测气体浓度,电动机和变速机构为开关气阀的执行机构,霍尔传感器作为气阀的角度传感器的可自锁智能煤气泄漏控制器。
从而实现对煤气泄漏状况的预防和及时制止,而且造价低廉,系统稳定性好,可以广泛应用于生活。
1.2可自锁智能煤气泄漏控制器的国内外现状和发展过程
1.2.1可自锁智能煤气泄漏控制器的国内外现状
国外从20世纪30年代开始研究及开发气体传感器,且发展迅速,一方面是因为人们安全意识增强,对环境安全性和生活舒适性要求提高;另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。
据有关统计,美国1996年~2002年气体传感器年均增长率为27%~30%。
随着传感器生产工艺水平逐步提高,传感器日益小型化、集成度不断增大,使得气体检测仪器的体积也逐渐变小,提高了气体检测仪器的便携性,更加利于生产、运输及市场推广。
1963年5月,日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器,次年12月其改良产品问世,改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体,可以安装在浴室或者采用集中监视[1]。
我国在70年代初期开始研制可燃性气体报警器,生产型号多样、品种较齐全,应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器,产品数量也在不断增加。
但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上,进行研究与开发形成自己的特色。
近年来,在气体选择性和产品稳定性上也有很大进步。
1.2.2可自锁智能煤气泄漏控制器的发展历程
从可自锁智能煤气泄漏控制器的发展过程来看,大体上可分为三个阶段:
第一阶段为多线型煤气自动报警系统,每个传感器需要提供两根电源线和一根报警信号线,由报警系统来提供传感器电源,且传感器的信号线均连接到报警显示盘上,在报警同时点亮相应的指示灯。
这种系统的功能一般是以报警为主的,附加一些简单的联动功能,例如驱动警报灯等,其报警器对于传感器没有故障检测的功能,只会对电源线的断线做出故障反应,并且安装这种系统比较繁琐,工作量较大。
第二阶段为总线型智能多功能煤气泄漏安全防护系统,这种系统采用了微处理器控制。
其线制一般分为二线制、三线制、四线制。
它的传感器和模块是由总线与控制器来实现信号传送的。
传感器的输出形式为模拟量,其灵敏度取决于制造时的硬件,是不可调整的。
这种系统可通过各种模块对各种联动设备实现比较复杂的控制,并且已经具有系统自检测和对外围器件的故障检验等功能,但是它对故障的类型却不能区分。
目前国内生产的煤气泄漏防护系统大多还是属于这种产品。
由于这种产品具有先进的报警和控制功能,且安装比较方便,价格较低,已经被广泛大量地使用。
第三阶段为可自锁智能煤气泄漏控制系统,此类系统采用了先进的计算机控制技术,对其传感器的输出信号的调理具有智能性,其智能化程度有了大的提高。
此类系统以单片机为核心实现在煤气泄漏事故发生时,不仅可以实现报警功能,也可以在报警的同时自动关闭气体阀门,这种系统的稳定性好,可靠性高,更为全面的对煤气泄漏造成的事故进行预防和防护。
且结构简单、造价低、易操作,可广泛地用于人们的日常生活中[2]。
1.3本设计研究内容与结构安排
本设计的工作是研发设计一种可自锁智能煤气泄漏控制器系统。
可自锁智能煤气泄漏控制器是以89C51单片机为核心,接收、处理煤气探测器输出的报警信号,并做出声光报警反应,与此同时实现相应的辅助控制等功能,凭借单片机的强大功能和可扩充性,不仅可实现对于煤气泄漏监控系统的各种实时、有效、多功能的控制,也可作为家庭、小区、厂矿等场所的煤气监控系统以及智能报警器等来使用。
该设计可实现煤气泄漏报警以及关闭煤气管道阀门等功能,有效的防止了因煤气泄漏造成的意外灾害的发生,大大得提高了人们使用煤气时的安全,对减灾防灾有着重大的意义。
在设计中,有些涉及到的技术我甚至还没有接触过,所以这个毕业设计对我说是一个难度相当的挑战。
但在完成本次设计的同时,我也学习到了很多相关知识,也是一份不可替代的收获,为自己以后的生活道路铺上了一层坚固的奠基石。
本设计结构安排如下:
第一章:
绪论,简单地介绍了设计的研究背景、课题意义、发展过程和研究内容。
第二章:
总体方案选择,具体介绍了设计控制器的要求和设计方案的选择。
第三章:
硬件电路设计,概述了各个元器件在电路中的作用。
第四章:
软件系统设计,讲述了设计中使用的软件系统。
第五章:
系统仿真与测试,使用软件进行调试,并解决出现的问题。
第六章:
结论与展望,说明了自己在设计中的收获以及自己设计的创新点和前景。
2总体方案设计
2.1本设计实现的功能
本次设计的控制器系统主要实现的功能如下:
(1)实现对煤气泄漏的实时有效的检测和监控;
(2)实现对现场煤气浓度的检测和跟踪并根据传感器老化曲线进行误差修正;
(3)系统具有声光报警功能;
(4)可实现根据报警的状况来自动关闭煤气管道阀门;
(5)在故障解决后,可实现煤气管道阀门的自动开启。
2.2系统实现方案与选择
针对目前主要处理芯片的不同,本设计提出了2种实现方案,分别为基于8051单片机实现方案以及基于RabbitRCM5700实现方案。
并最终选择了一种方案进行系统实现。
2.2.1基于单片机的实现方案
基于8051单片机实现的煤气报警器的具体方案如图2-1所示。
该方案主要包括了可燃气体传感器、A/D转换器、键盘控制电路、8051单片机电路、晶振、蜂鸣器以及LED显示电路[3]。
可燃气体传感器输出为模拟量,需要利用A/D转换器将模拟量转换成数字量送给8051单片机;晶振和键盘控制作为8051单片机的外围输入电路,蜂鸣器作为报警用的8051单片机的外围输出电路;显示电路采用了LED显示,由8051单片机控制实现显示。
图2-1基于8051单片机的实现
2.2.2基于MiniCore的实现方案
基于MiniCore实现的煤气报警器的具体方案如图2-2所示。
该方案主要包括了可燃气体传感器、A/D转换器、键盘控制电路、RabbitRCM5700模块电路、晶振、蜂鸣器以及LED显示电路。
可燃气体传感器输出为模拟量,需要利用A/D转换器将模拟量转换成数字量送给RabbitRCM5700模块电路;晶振和键盘控制作为RabbitRCM5700模块电路的外围输入电路,蜂鸣器作为报警用的RabbitRCM5700模块电路的外围输出电路;显示电路采用了LED显示,由RabbitRCM5700模块电路控制实现显示。
图2-2基于MiniCore的实现
2.2.3方案选择
方案1中采用的是8051单片机实现煤气报警器,该方案具有结构化设计简单,器件成本较低的特点,是一种较为广泛采用的实现方案。
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。
方案2中采用的是RabbitRCM5700模块实现煤气报警器,该方案基于RabbitRCM5700模块进行开发设计,RabbitMiniCore模块用于加速嵌入式系统的开发和实施。
编程开发采用我们经过业界广为验证的DynamicC开发系统,一个包括编辑器、链接器、装载器和编译器在内的C语言集成开发环境。
可是这种方案成本高,操作复杂,所以是不能广泛为人们所使用的。
综合以上考虑,使用单片机设计灵活性更强、用途更宽广,本设计采用方案1。
2.3系统的工作流程
煤气泄漏自动关闭系统的工作流程(见图2-3)是:
当系统开始工作后,煤气传感器将采集到的信息实时地发送给单片机;单片机收到传感器发送过来的信号后,采用一定的算法将煤气浓度数据进行分析与处理;并将处理后的数据跟单片机预先所设定的煤气浓度值进行比较,如果煤气浓度值低于单片机所设定的阀值,则判定没有煤气泄漏,如果煤气浓度值高于单片机所设定的阀值,则判定发生了煤气泄漏;发生煤气泄漏后,单片机首先发出控制信号使机械系统开始工作,从而将泄漏煤气管道关闭,随后单片机发出控制指令使控制换气扇工作的继电器导通,换气扇工作后对室内进行通风换气,将煤气排放出去,当单片机判断煤气浓度恢复到正常值后,换气扇则停止工作。
煤气传感器
单片机
无煤气泄漏
煤气泄漏
启动机械部分关闭管道
启动换气扇通风换气
若浓度值恢复正常则关闭换气阀
图2-3煤气泄漏自动关闭系统工作流程图
2.4部分元器件的介绍
2.4.1气体传感器的介绍与选定
1.气体传感器是气体与气味检测的关键元件。
根据其气敏特性,气体传感器可以分为六大类:
(1)半导体气体传感器。
(2)固体电解质气体传感器。
(3)接触感染式气体传感器。
(4)电化学式气体传感器。
(5)光学式气体传感器。
(6)高分子气体传感器。
2.气体传感器应满足的基本条件
一个气体传感器可以是单功能的,也可以是多功能的;可以是单一的实体,也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。
但是,任何一个完整的气体传感器都必须具备以下条件:
(1)能选择性地检测某种单一气体,而对共存的其它气体不响应或低响应。
(2)对被测气体具有较高的灵敏度,能有效地检测允许范围内的气体浓度。
(3)对检测信号响应速度快,重复性好。
(4)长期工作稳定性好。
(5)使用寿命长。
(6)制造成本低,使用与维护方便。
3.气体传感器的选定
气体传感器是本系统检测的起点也是系统的核心和重点,选择合适的传感器成为决定系统成功的关键。
CO气体传感器属于气敏传感器,通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机,进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。
传感器作为煤气泄露测试装置报警器的信号采集部分,是仪表的核心组成部分之一。
由此可见,传感器的选型是非常重要的。
由于监控系统最关键的部分在于室内一氧化碳气体浓度的检测,本系统考虑到室内空气中一氧化碳含量的大致范围,结合国家环境空气质量标(GB3095—1996)规定的一氧化碳分级标准,我们选用了Motorola生产的一种专门用于家庭用途的MGS1100型一氧化碳气体传感器,MGS1100一氧化碳传感器是一种应用全微电子工艺制成的半导体气体传感器,作为CO敏感元件,对CO响应的选择性好,并具有灵敏度高,稳定性好等特点在信号采集的同时加以温度补偿[4]。
它是在微型硅桥结构中嵌入的加热器上制作一层SnO2薄膜,这种结构不仅使得SnO2薄膜对CO气体在很宽的温度范围内具有敏感性,而且硅膜减少热传导的热损失,从而大大降低了功耗。
图2-4传感器管脚与基本测量电路图
其中2、4端为加热器的电源接线端,1、3为传感器输出端,其工作原理是把传感器置于CO气体环中,SnO2薄膜层的电阻会随着CO浓度的变化而变化,CO浓度越大,SnO2薄膜层阻值越小。
图2-4为取得传感器输出信号的基本电路图,Vh为加热电压,传感器电阻RS与负载电阻RL串联接到工作电压VCC两端,由此可得关系:
VRL=RL·VCC/(RL+RS)
传感器阻值RS随着CO浓度的增大而减小时,输出负载电压VRL逐渐变大,所以通过测量负载电压即可反应出被测对象的CO浓度。
MGS1100型一氧化碳气体传感器的特点:
测量浓度范围为0-1000PPM,测量精度为3%,分辨率为1PPM,工作温度-20~70°,零点漂移为PPM<10。
具体技术指标如下:
(1)应用范围:
工业生产和人民生活中的CO检测;
(2)检测对象:
CO及他们的混合气体;
(3)检测范围:
CO:
0~1000ppm;
(4)检测精度:
CO优于20ppm;
(5)报警浓度:
0ppm~1000ppm;
(6)响应时间:
≤30ms;
(7)电池电压:
+12V;
(8)工作温度范围:
-20~+70℃;
(9)工作湿度范围:
10~95%RH。
2.4.2单片机AT89C51的概述
在51子系列中,主要有8031、8051、8751三种机型,基于HMOS工艺,他们的指令系统与芯片的引脚完全兼容,只是片内程序存储器有所不同。
8031片内不含程序存储器,8051片内有4KB的掩膜ROM,8751片内有4KB的紫外线可擦出ROM。
三种机型对应的低功耗CHMOS产品分别为80C31、80C51、85C71。
AT89C51的引脚结构如图2-5所示:
180C51单片机的封装和引脚:
·1电源及时钟引脚(4个)
·VCC:
电源接入引脚。
·VSS:
接地引脚。
·XTAL1:
晶体振荡器接入的一个引脚。
·XTAL2:
晶体振荡器接入的另一个引脚。
2控制线引脚(4个)
·RST/Vpd:
复位信号输入引脚/备用电源输入引脚。
·ALE/PROG:
地址锁存允许信号输入引脚/编程脉冲输
入引脚。
·EA/Vpp:
内外存储器选择引脚/片内EPROM变成电
压输入引脚。
·PSEN:
外部程序存储器选通信号输出引脚。
图2-5 AT89C51的引脚结构
3并行I/O引脚(32个,分成4个8位口)
·P0.0~P0.7:
一般I/O口引脚或数据/低位地址总线复用
引脚。
·P1.0~P1.7:
一般I/O口引脚。
·P2.0~P2.7:
一般I/O口引脚或高位地址总线引脚。
·P3.0~P3.7:
一般I/O口引脚或第二功能引脚。
P3口一些特殊功能口,如下所示:
P3口管脚备选功能
P3.0/RXD(串行输入口)
P3.1/TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4/T0(记时器0外部输入)
P3.5/T1(记时器1外部输入)
P3.6/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
其中一些特殊引脚功能:
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
EA:
当EA保持高电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,EA将内部锁定为RESET;当EA端保持低电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(Vpp)。
X1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
X2:
来自反向振荡器的输出[5]。
2.4.3模/数转换器ADC0832的概述
1、ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。
由于它体积小,兼容性强,性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎,其目前已经有很高的普及率。
学习并使用ADC0832使我们了解A/D转换器的原理,有助于我们单片机技术水平的提高。
ADC0832具有以下特点[6]:
(1)8位分辨率;
(2)双通道A/D转换;
(3)输入输出电平与TTL/CMOS相兼容;
(4)5V电源供电时输入电压在0~5V之间;
(5)工作频率为2
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