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1、项目编号院(系)名称仪器科学与光电工程学院专业名称探测制导与控制技术学 号学生姓名指导教师一氧化碳自排与高温报警系统 20摘要一氧化碳具有毒性，一旦进入人体，会和血液中的血红蛋白结合，引起机体组织出现缺氧，导致人体窒息死亡。在通常状况下，一氧化碳是无色、无臭、无味的气体，故易于忽略而致中毒。一氧化碳自排与高温报警系统为智能化系统，可自动排出环境中不易被人察觉的一氧化碳。当环境中一氧化碳浓度过高时，可自动触发排风装置，将环境中混有过量一氧化碳的空气排出，从而保障了人的安全与健康，并解除了一氧化碳爆炸的隐患。此外，本系统中含有高温报警装置，不但可以实时显示环境温度，而且，当环境温度过高，可能引起火
2、灾及其他隐患时，报警器会发出尖锐的报警声，以便人觉察并做出及时处理。本文所做的主要工作为：1、考虑了工业及家居方面的市场需求，设计了一氧化碳自排与高温报警系统。在设计中选用了89C52处理器，主要由基于单片机的主控模块、CO传感器及A/D转换模块、电磁式继电器及风扇模块、温度传感器、蜂鸣器及LCD显示模块几个部分组成。2、建立了52单片机系统的平台和开发环境。主要包括各模块的传输信号处理与控制程序的编写。3、完成了周边电路的设计，实现了模块的各自功能与模块间的工作配合。本文完成了一氧化碳自排与高温报警系统的硬件设计和程序设计，并进行了调试，验证了所设计的有效性和实用性。实验结果表明该系统的设计
3、方法是可行的，且整个系统具有良好的通用性和可扩展性。ABSTRACTCO is a kind of toxic gas. Once entering the body, it will combine with the hemoglobin in the blood, causing tissues lack of oxygen, resulting in death of suffocation. Under normal circumstances, CO is colorless, odorless and tasteless gas, which is easy to overlook
4、, resulting in poisoning. The CO Automatic Exhausting and High-Temperature Alarm System can automatically discharge the CO in the environment which cannot easily be detected. When the CO concentration in the environment is too high, the exhaust device can be automatically triggered to discharge the
5、air mixed with excessive CO, thus ensuring peoples safety and health, and lifting the hidden dangers of CO explosion. In addition, the system includes high-temperature alarm device. It not only can display real-time temperature, and when the temperature is too high, possibly causing fire and other d
6、anger, the alarm will issue a sharp warning sound effectively for people to perceive and then they may make a timely response. In this paper, major work is as follows: 1、 Taking into account aspects of industrial and domestic market demand, the CO Automatic Exhausting and High-Temperature Alarm Syst
7、em has been designed. 89C52 MCU was chosen in the design and the system was mainly composed of MCU control module, CO sensor and A / D converter module, electromagnetic relays and fan modules, temperature sensors, buzzer and LCD display module.2、52-MCU system has been established to be the platform
8、and the development environment. Transmission of signal procedures and control procedures of each module was readily programmed. 3、The circuit design of peripheral devices has been completed, so as to realize the respective functions of each module and the perfect coordination with each other. The s
9、ystem hardware and programs have been designed, and have been debugged, in order to verify the effectiveness and practicality of system. Results show that the design is feasible, and the whole system has good versatility and scalability. 目录1 引言11.1 选题背景及作品意义11.2 系统组成11.2.1 一氧化碳自排系统21.2.2 高温报警系统21.3
10、论文体系结构32 系统总体设计任务及方案32.1 系统总体设计任务32.2 系统设计方案43 系统硬件设计及程序设计53.1 系统设计思想和总体结构53.2 主控制板模块73.3 CO自排系统各模块及周边电路93.3.1 A/D转换模块93.3.2 CO传感器113.3.3 继电器133.4高温报警系统各模块及周边电路143.4.1 温度传感器143.4.2 LCD液晶显示屏143.4.3 报警装置173.5 程序设计流程183.6 系统测试193.7 本章小节19结论总结与展望191 引言1.1 选题背景及作品意义在工业和日常生活方面，一氧化碳作为燃料以及附属产物而广泛地存在。然而，一氧化碳
11、是无色无味的有毒气体，一旦泄露，易引起中毒和爆炸事故。近些年来，此类事故频频发生，如矿井爆炸、煤气中毒，严重危害了人们的生命财产安全。有鉴于此，一氧化碳自排与高温报警系统显得十分重要，可有效解除此类隐患，从而保障了人们的生命财产安全。所以，一氧化碳自排与高温报警系统适用面广泛。工业方面，本系统可安装于火电厂、供暖部门、化工厂、采矿等行业；民用方面，由于大多数家庭使用燃气灶及燃气热水器，本系统可安装于此类家庭的厨房中，以防止煤气泄露引起的中毒和爆炸事故。综上所述，一氧化碳自排与高温报警系统有着其重要的意义和广阔的市场前景。1.2 系统组成一氧化碳自排与高温报警系统的最终目的是防止一氧化碳中毒与爆
12、炸事故，保障人们的生命财产安全。为达到这一目的，在设计上，系统主要是以一个中央微处理器（CPU）接收来自各感应模块的信息，再按照既定的程序将控制信息发送给各功能模块，从而实现了信息与控制的传递，达到了智能化的目的。在技术实现上，中央微处理器必须一方面连接各种控制中端，如一氧化碳传感器、温度传感器，另一方面连接各种功能终端，如风扇、液晶显示屏、蜂鸣器。通过控制中端感应外界环境，发送信号至中央微处理器，既而由中央微处理器处理信号并判断是否向功能终端发出工作指令，实现智能控制。在功能方面，本系统可分为两大部分：一氧化碳自排系统和高温报警系统。1.2.1 一氧化碳自排系统一氧化碳自排系统的主要功能是实
13、时监测环境中一氧化碳浓度，当浓度超过程序预设值时，接通风扇工作回路，从而将环境中含有过量一氧化碳的空气排出。其特点为实时监测、智能控制、反应迅速。一氧化碳自排系统主要包括中央微处理器、CO传感器、A/D转换模块、电磁式继电器和风扇。1.2.2 高温报警系统高温报警系统的主要功能是实时监测并显示环境温度，当温度超过程序预设值时，报警器发出尖锐的报警声，从而提醒人们做出及时处理。高温报警系统主要包括中央微处理器、温度传感器、LCD液晶显示屏、和蜂鸣器。1.3 论文体系结构本论文余下各章组织如下：第二章提出了系统总体设计任务及方案分析，结合方案设计，介绍了本设计用到的背景技术。第三章介绍本设计的总体
14、思想和模块设计，以及各模块的功能实现和器件选择、电路设计和程序设计等。最后总结本设计的特点和不足等。对论文进行了总结并提出展望。2 系统总体设计任务及方案2.1 系统总体设计任务本设计要实现以下几个功能： 系统的主要功能是实时监测环境中一氧化碳浓度，当浓度超过程序预设值时，接通风扇工作回路，从而将环境中含有过量一氧化碳的空气排出； 实时监测并显示环境温度，当温度超过程序预设值时，报警器发出尖锐的报警声。2.2 系统设计方案本设计将构建一个基于单片机的一氧化碳自排与高温报警系统，采用STC公司的89C52单片机为基础。CO自排系统工作时，将完成如下操作： CO传感器将模拟信号传送至A/D转换模块
15、； A/D转换模块将接收到的模拟信号转换为数字信号，并传送给单片机； 单片机对接收到的信号进行处理，当其小于程序预设值时，将断开的控制信号传送给电磁式继电器；大于程序预设值时，将闭合的控制信号传送给电磁式继电器； 当电磁式继电器接收到“闭合”的信号时，接通风扇回路，风扇工作。高温报警系统工作时，将完成如下操作： 数字温度传感器将数字信号传送给至单片机； 单片机对接收到的信号进行处理，并传送到LCD液晶显示屏；当其大于程序预设值时，将控制信号传送至蜂鸣器； LCD液晶显示屏对接收到的信号进行显示； 当蜂鸣器接收到信号时，发出报警声。本设计的开发环境为：RZ-51单片机试验板一块；Keil uVi
16、sion3集成开发环境，编译器为STC_ISP_V3.1，用来生成运行在中心控制单元上及各模块结点上的程序。3 系统硬件设计及程序设计本章结合系统总体设计任务和方案选定了硬件器件和程序设计，针对其功能和参数进行了电路设计，完成了系统的硬件设计和程序设计工作。3.1 系统设计思想和总体结构针对第一需要完成的设计任务和方案，对系统的总体结构进行了详细设计。系统选用硬件为： 主控模块采用RZ-51试验板，用于主控模块的开发； A/D转换模块采用A/D D/A扩展板，ADC0832串行A/D转换芯片为其工作芯片，用与模拟信号向数字信号的转换； DS18B20数字温度传感器， 1602液晶显示屏，QM-
17、NG1广谱可燃气体传感器，风扇各一个详细硬件清单如下表：器件名称数量用途RZ-51实验板（含电磁式继电器）1块A/D D/A扩展板（含ADC0832芯片）1块实现A/D转换USB转串口线1条供程序下载QM-NG1广谱可燃气体传感器1个DS18B20数字温度传感器1个1602液晶显示屏1个5V 0.24A风扇1个9V 1A稳压电源1个整体电路简要框图如下：MCU电源AD0832QM-NG1气体传感器DS18B20数字温度传感器1602液晶显示屏电磁继电器风扇下面分别从主控制模块、CO自排系统周边电路及高温报警系统周边电路三个部分分别进行详细叙述。3.2 主控制板模块主控制板的CPU采用STC公司
18、的89C52处理器，是低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和265 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用STC公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的STC89C52单片机适合许多较为复杂控制应用场合。RZ-51实验板布局图如图所示：RZ-51实验板原理图如图所示：STC89C52主要性能参数及引脚如下图：3.3 CO自排系统各模块及周边电路3.3.1 A/D转换模块本系统中A/D转换模块使用A/D D/A
19、扩展板，其布局图如下：扩展板中，ADC0832串行AD转换芯片为工作芯片。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，目前已经有很高的普及率。ADC0832具有以下特点： 8位分辨率； 双通道A/D转换； 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容； 5V电源供电时输入电压在05V之间； 工作频率为250KHZ，转换时间为32S； 一般功耗仅为15mW； 8P、14PDIP（双列直插）、PICC多种封装； 商用级芯片温宽为0C to +70C?，工业级芯片温宽为40 to +85ADC0832芯片引脚及功能如下图：A/D转换模块与实
20、验板连接电路如下图所示：3.3.2 CO传感器本系统中CO传感器选用QM-NG1型广谱气敏传感器。QM-NG1 是采用目前国际上工艺最成熟，生产规模最大的Sn02材料作为敏感基体制作的广谱性气体传感器。该产品的最大特点是对各种可燃性气体(如氢气、液化石油气、一氧化碳、烷烃类等气体)以及酒精、乙醚、汽油、烟雾等有毒气体具有高度的敏感性。QM-NG1型广谱气敏传感器技术指标如下表：加热电压( VH )50.2V ( ACDC )回路电压( VC )10V ( 最大 DC 24V)负载电阻( RL )2K(可自定)清洁空气中电压( V0 )1.5V灵敏度3响应时间( tres )10S恢复时间( t
21、rec )30S元件功耗0.7W使用寿命5年 QM-NG1型广谱气敏传感器基本测试电路如下图: CO传感器与A/D转换扩展板连接电路如下图所示：3.3.3 继电器实验板上的继电器为电磁式继电器，最大工作电压电流为24V 10A(DC)（见RZ-51实验板布局图），其连接电路图如下：本系统中的排CO装置选用5V 0.24A风扇， 3.4高温报警系统各模块及周边电路3.4.1 温度传感器本系统中，温度传感器选用DS18B20数字温度传感器（如下图）。DS18B20数字温度传感器体积小，经济灵活，其适用电压为3V5V，测量温度范围为 -55C+125C，在-10+85C范围内,精度为0.5C。DS1
22、822 的精度较差为 2C 。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。3.4.2 LCD液晶显示屏 本系统LCD液晶显示屏采用1602液晶显示屏。主要参数如下图：其引脚说明如下表：引脚符号功能说明1VSS一般接地2VDD接电源（+5V）3V0液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。4RSRS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。5R/WR/W为读写信号线，高
23、电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。6EE(或EN)端为使能(enable)端，下降沿使能。7DB0底4位三态、 双向数据总线 0位（最低位）8DB1底4位三态、 双向数据总线 1位9DB2底4位三态、 双向数据总线 2位10DB3底4位三态、 双向数据总线 3位11DB4高4位三态、 双向数据总线 4位12DB5高4位三态、 双向数据总线 5位13DB6高4位三态、 双向数据总线 6位14DB7高4位三态、 双向数据总线 7位（最高位）（也是busy flag）15BLA背光电源正极16BLK背光 电源负极寄存器选择控制如表下： RSR/W操作说明00写入指令寄存器（清除屏等）
24、01读busy flag（DB7），以及读取位址计数器（DB0DB6）值10写入数据寄存器（显示各字型等）11从数据寄存器读取数据1602液晶显示屏的引脚与实验板上的1602液晶扩展口插好即可，其连接电路图如下图所示：3.4.3 报警装置本系统报警装置采用有源蜂鸣器，其连接电路如下图所示：3.5 程序设计流程初始化读取温度值是否超高是报警否读取CO浓度值是否超高是开启排风扇否排风扇保持关闭显示温度值 3.6 系统测试 本设计程序的编写和调试使用的是uVision3集成开发环境。uVision3编辑器包含了所有用户熟悉的特征，能提供丰富的函数库和功能强大的集成开发调试工具，全Windows操作界
25、面，使用起来非常方便。开发时可以在编辑器内调试程序，可以更快速的查找和修改错误。uVision3允许用户在编辑时设置程序断点，方便调试程序。3.7 本章小节本章首先根据总体设计任务，详细叙述了系统的设计思想，给出了总体设计方案。根据设计方案选定了硬件器件，冰针对各器件的功能和参数进行了电路设计、连接，完成了硬件设计工作。然后根据需求，描述了软件实现的思路。结论总结与展望本文在分析了工业、家居需求和发展现状的基础上，经过仔细研究和器件选择，提出并设计了一种基于单片机的智能感应报警系统。该系统装置简单，设计合理，可扩展性强。同时，也验证了该系统方案的可行性和不足之处，为今后的研究和应用提出了一些有
26、益的探索。研究成果及主要工作如下：1. 通过对本设计需要实现功能的分析，结合各方面需求，完成了系统的设计，选择了基于单片机的智能感应报警系统作为设计方案。2. 采用了89C52单片机作为系统的核心控制芯片，完成了感应、控制功能程序的设计。3. 传感器方面，选择了性能稳定的温度传感器和气体传感器，并完成电路的设计、连接。通过本文的研究，虽然可以实现感应、报警，但仍然存在许多不足和有待改进之处。需要改进的地方总结如下：1. 在软件设计上，需要加强程序的健壮性。2. 系统的功能还不够完善，仍不能和其他系统配合，和家居或者工业使用要求还有一定差距。3. 标定工作做得不够完善，如有可能，仍需要进一步仔细标定报警尺度。