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1、本科生毕业设计（论文）摘 要本文研究的是我厂解冻库作业区煤气报警系统的扩展应用，我厂解冻库作业区负责冬季炼铁原料的解冻工作，使用的加热设备为煤气炉，通过煤气（高炉煤气、焦炉煤气）的燃烧产生热量，通过送风机将热量吹入暖库内。众所周知，煤气含有的主要气体为一氧化碳，而且炼铁所用的煤气不同于家用可燃煤气，其中高炉一氧化碳含量最高可达25%，而转炉煤气的一氧化碳含量高达60-80%，对人有致命的伤害，因此对空气中煤气含量的检测是保证安全生产的重要环节。本设计通过对煤气的检测，当煤气含量超过安全标准时，报警器发出声光报警，同时对室内的空气进行排风，降低室内煤气含量。保证作业人员安全。关键词：一氧化碳检测
2、；气体传感器；单片机；声光报警。目 录第1章 煤气报警系统的总体设计21.1 系统的设计目标21.2 系统硬件的总体结构2第2章 煤气报警系统硬件设计32.1 硬件构成32.2 主模块设计32.2.1 单片机选择32.2.2 “看门狗”电路设计32.3 数据采集功能模块设计42.3.1 传感器型号选择42.3.2 传感器信号检测回路、加热回路及气体传感器信号调理52.3.3 A/D转换电路72.4 声光报警单元与排风机电路82.5 人机接口电路设计92.5.1 键盘电路92.5.2 LED显示电路102.6 电源模块设计10第3章 煤气报警系统软件设计123.1 主程序设计123.2 部分功能
3、模块程序设计133.2.1 看门狗软件接口设计133.2.2 数据采集模块设计143.2.3 显示模块软件设计153.2.4 键盘模块软件设计16第4章 结论17参考文献18附 录 I19II第1章 煤气报警系统的总体设计1.1 系统的设计目标本设计主要研究任务是关于解冻库煤气报警系统硬件设计部分。本设计的核心是一片AT89C52单片机，软件程序主要是完成监测、运算、显示等功能，包括主程序、信号采集和处理子程序、数据传送程序、显示子程序、执行子程序等。以上程序由MCS-51汇编语言开发完成，力求实现程序的结构化、模块化，加强软件的抗干扰能力。1.2 系统硬件的总体结构AT89C52单片机LED
4、显示A/D转换I/O扩展CO浓度变送器声光报警图2.1 系统总体结构图系统的总体结构如图2.1所示，由图可以看出，整个系统的工作流程是： CO浓度传感器将参数采集以后经A/D转换送至AT89C52经过智能处理以后，通过I/0扩展口做出相应的输出。第2章 煤气报警系统硬件设计2.1 硬件构成本系统由传感器电路传感器信号处理电路、A/D转换电路、A/D转换参考电源、气体泵单元、单片机及其外围电路、液晶显示电路、键盘电路、声光报警电源、排风机电路组成。系统的工作流程为非电信号的待测气体由传感器转化为模拟电信号后由A/D转换单元将该模拟信号进行数模转换，转换后的数字信号送至单片机，单片机将检测之后的数
5、据进行处理，根据其浓度得出的系统所处环境是否安全，对传感器测得数据进行补偿和修订，如果达到报警值则通过声光报警单元进行报警，并可通过液晶显示芯片读出结果。2.2 主模块设计2.2.1 单片机选择主模块是整个单片机控制器的核心，主模块的核心器件是单片机AT89C52是Atmel公司推出，其内部数据存储器为256字节，功耗低、高性能价格比的8位CMOS微处理器，20K字节的可编程、可擦除(可擦除1000次)Flash存储器，采用了高密度、非易失存储技术，其指令集、引脚与工业标准80C51兼容。2.2.2 “看门狗”电路设计美国Xicor公司生产的X25045芯片是集看门狗、电压监控和串行EEPRO
6、M三项功能于一体的集成电路产品，当系统发生故障时，只要看门狗定时器达到其可编程的超时极限(“看门狗”定时器的超时周期是可选，可参考表3.1), RESET引脚立即自动产生一个持续200ms的高电平复位信号。表3.1看门狗定时器的超时周期WD1WD0看门狗超时周期001.4秒01600毫秒10200毫秒11禁止（注：WD0 、WD1:“看门狗”状态寄存器超时周期选择位）当电源电压VCC降到4. 5V以下时，RESET引脚立即自动产生电平复位信号，并一直保护到电源电压恢复正常。在系统电源上电或掉电时，RESET引脚也立即自动产生一个高电平复位信号。这样，就能有效地防止系统死机、数据误写及误操作等故
7、障现象的发生。图3.1是X25045在煤气报警器中的连接电路图。图3.1 看门狗硬件接口电路图2.3 数据采集功能模块设计2.3.1 传感器型号选择可燃性气体传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量(即浓度)转化成电压或者电流信号，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。该系统用于室内空气质量检测，主要指标为：(l)响应时间：60S；(2)功耗：10W；(3)环境工作温度范围：-20+70；(4)环境工作湿度范围：095%RH；本采集系统用变送器的选用依据主要考虑到精度和量程。精度应在10之内，精度太低会
8、影响控制输出的准确性，精度太高也没有太大的必要。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。经过比较，决定采用日本费加罗 (FIGARO)公司生产的TGS842传感器。TGS842是一款高稳定性的半导体金属氧化物可燃气体传感器与其他可燃气体传感器相比具有以下优点：1. 对于可燃气体具有非常高的灵敏度。2. 对于可燃气体具有长期稳定性。3. 对于特殊气体选择性好。4. 在不同的温度下对于不同气体所表现的灵敏度不同。5. 具有很小的响应时间。6. 具有非常简单的测量回路。CO传感器采用日本费加罗公司的TGS2442半导体气体传感器。据费加罗公司给出的资
9、料，在温度25，相对湿度50%时，TGS26442的灵敏度Rs/Ro的对数与CO浓度的对数成线性，其中Rs为TGS26442在敏感电阻值，Ro为TGS2442在100ppmCO中的敏感电阻值。本文将TGS2442的敏感电阻值设为Ro，根据费加罗公司给出的曲线数据得到计算公式： C=296.3-V328 (4.2)其中C为CO的浓度，V为传感器TGS2442的输出电压。2.3.2 传感器信号检测回路、加热回路及气体传感器信号调理1、传感器信号检测回路TGS842传感器优点之一就是其信号处理电路简单，TGS842传感器在纯净空气中的电阻值为15K，所以我们选择一个电阻RL(电路中为R26)与TGS
10、842串联进行分压。选择适当的RL可以使传感器表现出最好的特性。本设计中采用4K作为分压电阻，电阻RL所分得的电压VRL作为后续处理及输入A/D的值。分压电路的输入电压，采用由REF198产生的4.096V标准电压与ADC芯片TLC2543采用同样的参考电压。REF198输出的最大电流值为30mA，所以完全可以驱动分压电路。图 信号检测回路2、传感器加热回路TGS842传感器是基于SnO2材料的金属-氧化物半导体传感器，只有在高温下才能够正常工作。并且在本设计中要通过控制加载在传感器加热器两端的电压来进行对传感器的工作温度的控制，进而实现对检测气体的分别分析。如前文所述，TGS842传感器工作
11、在2V加热电压下对于CO的敏感度要远远高于对于CH4的灵敏度，而在5V加热电压下对于CH4的敏感度要高于对于CO的灵敏度。加热电压由单片机控制在2V5V之间进行切换，本设计采用LM317产生+2V电压，由单片机的一个I/O口通过一片74LS04驱动两个N沟道增强型场效应管对加载在TGS842的加热丝上是+5V电压还是+2V电压进行切换（见图21所示）。当P0.6输入高电平时对系统进行+5V加热，当P0.6输入低电平时对系统进行+2V加热。3、气体传感器信号调理传感器检测回路输出的电压信号在一定的范围之内进行变化，但是这个范围却不一定会符合所使用的A/D芯片的测量范围，我们在传感器检测回路的输出
12、信号与A/D芯片之间加入一个信号调节电路，这样可以对传感器的信号进行一定的调整。本设计采用了AD623作为系统信号调整的仪表放大器。图22 气体传感器信号调理电路2.3.3 A/D转换电路系统的精度不仅仅决定于传感器以及传感器处理电路的准确性，也同样取决于将模拟信号转换成数字信号的A/D转换芯片的精度。为了保证系统的准确性以及可靠性，本设计中采用TI（TEXAS INSTRUMENS）公司生产的开关电容逐次逼近的12位模数转换芯片TLC2543，作为模数转换的核心。图4. 3 A/D转换电路TLC2543CN与单片机AT89C52的接口电路如图4. 3所示，TLC2543的CLOCK、DATA
13、I、DATAO、CS管脚分别与ATC89C52的P2.4、P2.5、P2.6、P2.7脚相连接，将转换的数字量输入到单片机中。AIN0输入气体传感器模拟信号，AIN1输入电池电压监测模拟信号。TLC2543的参考电压为4.096V，由REF198产生，其分辨率为1mV。考虑噪声的影响，在电源和地端跨接1个0. luF的陶瓷电容，并在陶瓷电容端和电源端另接一个钽电容，这样可以最大限度地减小噪声的影响。2.4 声光报警单元与排风机电路1、 声光报警单元作为可燃气体检测仪，声光报警部分不可缺少，当检测到可燃气体在空气中的所占的比例超标时，就应该通过声光方式发出警报，防止由于可燃气体含量过高而发生的意
14、外事故。本设计中的声光报警部分包括蜂鸣器以及红、黄、绿三个LED报警指示灯。声光报警表现形式如下：(1)红色灯点亮时表示被测得可燃气体含量已经达到报警值，此时黄色和绿色灯熄灭，蜂鸣器发出报警，通知用户；(2)黄色灯点亮表示传感器检测到可燃气体的存在，但其浓度没有达到报警值，此时红色灯和绿色灯熄灭，蜂鸣器不发声；(3)绿色灯点亮表示传感器没有检测到可燃气体，一切正常，此时红色和黄色熄灭，蜂鸣器不发声；(4)当3种颜色指示灯同时点亮的时候，且蜂鸣器不发声，表示系统进入设定状态，可能是模式切换或者进行标定；-单片机本身I/O的驱动能力不是很高，所以对蜂鸣器的驱动需要加入一个PNP三极管，这样能够使蜂
15、鸣器的声音更加响亮，起到更好的报警作用。三极管基极的电路保证了只有在单片机输出低电平时，蜂鸣器才会发声，避免了误报警的发生。声光报警单元与单片机的连接图如下：图 声光报警单元与单片机的连2、排风机驱动电路 当有害气体浓度达到一定的浓度时P0.7引脚将给出底电平，同时继电器K吸合，使排风机工作，开始缓期。当浓度底于安全水平时，P0.7给出高电平排风机停止工作。电路图如图所示例：图 排风机驱动电路二极管D4起保护继电器的作用。2.5 人机接口电路设计2.5.1 键盘电路本论文具有4个独立控制按键，分别为KEY1KEY4，如图33所示。由于P0口作为输入时，内部无上拉电阻，所以要使用R14R17四个
16、上拉电阻，当没有按键按下时，口线值为1，当按键按下时为0；而R9R12为口线保护电阻。四个控制键分别为模式键（MODE）、加（+）、减（-）、确认（ENTER）键。四个控制键的功能如下：(1)按下MODE键，红黄绿三个指示灯点亮，表示系统进入调试状态，报警功能被屏蔽，液晶显示器显示上一次设定的报警值的气体浓度值，此时如果按下+键或者-键，设定值会根据按下的键相应的增加或者减小报警值，当调试到满意值时如果按下ENTER键，则报警值被保存，系统重起之后，新的报警值生效，系统将按照新的报警值进行报警。如果报警值被调整之后没有按下ENTER键而是按下MODE键，则设定取消，系统还会按照以前的设定的报警
17、值进行工作。(2)如果进入以上任何一种状态之后，在10秒钟之内没有进行操作，系统会自动退出设定模式，维持初始设定不变。图 33 键盘硬件电路图设计时，考虑到AT89S52工作在5V时，输出低电平电压时，输入电流不能大于6mA，为了避免产生较大的功耗，在满足输入电流的情况下，键盘的上拉电阻应尽可能大，此处选用阻值为200欧的电阻。2.5.2 LED显示电路下位机的显示模块主要由4片的数码LED显示块和4片74LS164构成，一片164对应一片LED块，作为一个显示位，共有4位以串联的形式连接起来。由于74LS164的特性决定了显示模块的显示方式是静态的类型。硬件电路图如图4.6所示。图 4.6
18、LED显示硬件电路图2.6 电源模块设计变压器规格是220V交流电输入，输出共4路：3路8V、1路15V，经过电流处理模块处理之后变为3路+5V，这3路电压是为控制器供电的，即数字电路供电、模拟电路供电、光电隔离电路供电，1路+12V电压为中间继电器供电的，其中的3V压降是考虑到变压器的副绕组的压降。变压器为C型，空载电流为1520mA，并用环氧树脂封装，以防止在潮湿的环境下出现漏电的不安全现象和事故。电源模块的电路如图4. 7所示。1.电感选择根据输出电压+5V，最大输入电压，最大负载电流1A等参数并查阅该器件的用户手册得知电感的大小为330uH，本电感是由京口电子电器厂生产的，具有屏蔽磁性
19、外壳，直径14mm。2.输入输出电容的选择输入电容为C1应大于47uH，本应用选取了220uF/25V，设计时要尽量靠近芯片，输出电容C2推荐的电容容量为：100uF470uF，其耐压值应大于额定输出的1. 52倍，本应用选取了470uF/25V。3.二极管的选择二极管选择的要求是额定电流值应大于最大负载电流的1.2倍，但考虑到负载短路的情况，二极管额定电流值应大于LM2575T-5.0的最大电流限制，另外二极管的反向电压值应大于最大输入电压的1. 25倍。由这些约束条件本设计选取二极管IN5019。另外，整流桥选择的是2W06最大整流电流为2A,电容R52为是用来抵消输入端的较长线的电感效应
20、，防止产生自激振荡，接线不长时，也可不用。第3章 煤气报警系统软件设计3.1 主程序设计在整个下位机系统硬件设计过程中，都是采用模块化设计。以最基本的核心单元作为最小系统，这个最小系统是可以独立运行的，但没有任何的功能。这时根据需要把要实现的功能以模块的形式加入到最小系统中来，这样的方法使得系统结构清晰，设计过程简洁化，还可在以后方便地升级，而且在实际应用中如果有个别模块损坏也不会使整个系统瘫痪。在软件编程上，同样采用结构化模块化的设计方法，主程序为最基本的程序运行操作平台或称底层平台。然后根据硬件设计的需要，把硬件模块的各功能的程序也写成模块化结构。这样在需要的时候，就可以任由主程序调用，从
21、而使得主程序的结构非常清晰明。而且各软件模块都具有查错机制，这样就不会使主程序陷入模块中而出不来，进而影响整个系统运作。主程序设计流程如图5.1。上电或复位系统自检及初始化，各标志位清零是否有采集新数据的请求将传感器数据经A/D转换进来,进行数据整理量化并保存准备上传将采集的数据与基准数据比较,根据结果进行反馈控制处理根据数据处理结果更新外围设备的输入量是否是否有按键指令是否为功能键确认保存设定值CO设置调出相应的预设值数字键值输入是否有显示请求显示缓冲区内存是否有外围设备控制更新请求根据设备控制字控制外围设备动作图 5.1 主程序流程图是否是否否是3.2 部分功能模块程序设计3.2.1 看门
22、狗软件接口设计理解了X25045的工作原理之后，进行设置和读写操作比较方便，由于篇幅所限，下面仅列出用C51编写的状态寄存器读写函数和闪存读写程序流程图如图5.2、 5.3所示。 开始拉低SCK拉低发送读指令接受数据发送数据地址SCK拉低拉低结束开始SCK拉低拉低发送读指令接受数据发送数据地址拉高SCK拉低结束图 5.2写EEPROM流程图 5.2读EEPROM流程3.2.2 数据采集模块设计数据采集处理部分是温室控制系统中的主要功能模块，完成对温室现场多路传感数据的采集与处理，将其转换成数字量。本系统的采样周期具有默认值也可以经由通信来设定，初值为1分钟，为减少误差的干扰和影响，有必要进行采
23、集后的数字滤波处理。本课题采用的是中位值滤波法，该方法是把多次采样的结果，按照从大到小的顺序进行排列，取中间值为本次采样值。中值滤波法能有效地克服因偶然因素引起的波动干扰，对温度、湿度等变换较慢的被测参数，滤波效果良好，滤波之后要进行标度变换，将采样值转换成与被测参数相对应的参量并存储在相应的变量中：另外，为将较为典型的数据如每小时采样数据或每天的采样数据保存到X25045的8K闪存中，以备监控服务器查询、存储，而设定了典型数据存储周期(默认为1小时)，每当典型数据存储时间到便完成存储过程。下图5.4是数据采集与处理功能块的程序流程。数据采集时间到多路循环数据采集中位值滤波标度变换和存储典型数
24、据存储时间到？典型数据存储到EEPROM结束NY图 5.4 数据采集与处理功能块的程序流程3.2.3 显示模块软件设计由于每显示一帧数据，要延时一定时间，给人们的眼睛一个视觉暂留，如果刷新率太快，因为“残影”的原因，只会看到“8”字，太慢了则会闪烁，影响观察效果。3.2.4 键盘模块软件设计在对按键的编程要注意以下两点：1.判断键的按下：按下时单片机的输入为0，否则为1。2.去抖动：当测试表明有键按下后，紧接着就进行去抖处理。因为键是机械开关结构，由于机械触点的弹性及电压突跳等原因，在触点闭合和断开的瞬间会出现电压抖动。为了保证键识别的准确，在电压信号抖动的情况下不能进行输入。去抖动有硬件和软
25、件两种方法，硬件方法就是加去抖动电路，该方法比较复杂而较少使用；软件方法是采用时间延时迟一些躲过抖动，延时时间大约为1020ms即可，因为这种方法比较简单，不需要成本，所以本设计采用此种方法。第4章 结论本课题结合我厂解冻库作业区实际生产的相关要求，设计出一种具有实用性的煤气报警系统的设计方法，包括系统总体结构、单片机的下位机的软硬件设计等。 本课题设计开发的单片机煤气报警系统，其可以独立完成数据的采集、显示、控制等功能。运用了传感器技术实现对一氧化碳的监测管理。在整个系统硬件设计过程中，采用模块化设计。以最基本的核心单元作为最小系统，把要实现的功能以模块的形式加入到最小系统中来，使得系统结构
26、清晰，设计过程简洁化，升级方便，实际应用中如果有单个模块损坏也不会使整个系统瘫痪。参考文献1 李华.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京航天航空大学出版社.19932 黄丹枫等.关于温室工程发展的思考.上海交通大学学报(农业科学版).19983 李萍萍等.智能温室综合环境因子控制的技术效果及合理的环境参数研究.农业工程学报.1998, 034 刘庆玉等.温室环境自动控制系统的研究.农村能源.1998, 025 张振容,晋明武，王毅平编著.MCS-51单片机原理及实用技术.人民邮电出版社.20036 何立民主编.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术.北京航空航天大学出版社.1
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