智能燃气灶定时防护器.pdf

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1、. 1引言 1.1 智能多功能燃气灶防护系统的发展 2007年燃气灶产品在款式、材质、工艺、安全性、创新等方面都有了长足进步。 产品款式方面有台式和嵌入式。特别是嵌入式灶适应了目前厨房装饰的美化要求，成为 新兴的快速发展的款式。红外燃烧， 催化燃烧，强鼓燃烧等先进燃烧技术也得到应用。产品 功能方面有压电点火、电脉冲点火方式。燃气泄漏报警装置,自动安全保护装置在灶具中也 得到运用。 安全保护系统有热电偶加电磁阀组成的热电安全系统，有电脉冲加自吸电磁阀组 成的安全系统。随着电子技术引入灶具领域，使得灶具的自动化和智能化程度都有所提高， 有些高档产品增加了油温过热保护装置、防干烧保护装置等，部分产品

2、还具有煎、炒、煮、 炸等多种功能。 在对燃气灶质量抽查的活动中发现，燃气灶的合格率仅仅在六成左右，这种质量现状令 人担忧。特别是一些手工作作坊式的工厂，质量低劣，而这种小厂在中国的数量非常巨大。 这些产品带来的主要问题有：烟气中一氧化碳浓度严重超标、热流量精度不合格。 嵌入式灶具热效率普遍较低、不节能的问题困扰行业多年；装用下进风燃烧器的嵌入式 灶，多个燃烧器同时工作时，CO 不容易控制，保洁性能普遍较差；装用上进风燃烧器的嵌 入式燃气灶火力较小；灶具面板温度普遍较高，钢化玻璃面板爆裂时有发生。 智能多功能燃气灶改变了燃烧原始篝火状态，减少火焰外溢，热能外泄，可避免烫 伤及火灾事故，自动定位保

3、持较好地燃烧距离。结合气流原理，增强气压，提高流速，垂直 进气，垂直燃烧，火焰自然分布于各种锅型的底部，集中热效在灶膛内，燃烧充分，提高了 热效的利用，净化环境、减少污染，节约能源为百分之五十 智能多功能煤气灶安全防护系统是将报警与关闭气源联动并加以控制的系 统。为了及时发现煤气泄漏隐患和关闭气源，随着我国经济建设的发展， 各种现 代化住宅对煤气泄漏报警系统和自动开关气源系统有了更多的实际要求。高档酒 店、厨房、学生食堂等，智能多功能燃气灶防护系统己成为必不可少的装置。 智能多功能煤气灶安全防护系统从发展过程来看，大体可分为三个阶段: 第一阶段为多线型煤气自动报警系统，每个传感器除需提供两根电

4、源线外， 还需要提供一根报警信号线， 传感器电源由报警系统提供， 传感器的信号线均连 接到报警显示盘上，报警时点亮相应的指示灯。 此类系统的功能一般以报警为主， 辅以一些简单的联动功能， 如驱动警报灯等， 其报警器对传感器， 无故障检测功 能，只会对电源线的断线做出故障反应，安装此类系统比较繁锁， 工作量较大 1 。 第二阶段为总线型智能多功能煤气灶安全防护系统，已采用微处理器控制。 其线制一般为四线制、 三线制、二线制。传感器和模块通过总线与控制器实现信 号传送。其传感器的输出形式为开关量，它的灵敏度在制造时，通过硬件决定， . 不可调整。此类系统可通过各种模块对各联动设备实行较复杂的控制

5、2 。此类系 统已具有系统自检测以及对外围器件的故障检验等功能，但对故障类型不能区 分。目前国内生产的煤气灶安全防护系统大多数为此类产品. 由于此类产品具有 先进的报警和控制功能，安装较为方便，且价格较低，已被大量使用。 第三阶段为智能多功能煤气灶安全防护系统，由于采用了先进的计算机控制 技术，对传感器输出信号的调理具有智能性，其智能化程度大大提高。 传感器的 输出形式采用模拟量， 并可通过软件对其灵敏度根据使用场合、时间进行设定和 调整，如可设定白天、夜间、休息日不同灵敏度。对探测器的使用环境参数变化 较大的场所， 灵敏度设定相对低一些， 对环境较稳定或一些重要的场所，灵敏度 设定相对高一些

6、，这一功能可提高系统的稳定性及可靠性，减少误报。 1.2 智能多功能燃气灶安全防护系统的组成和种类 智能多功能燃气灶由于使用了相当于温度传感元件作用的蒸气感应器，结合继电器 和时间继电器调定的延时动作去控制并联在喉管上的电磁气阀和串联在总管道上的电磁气 阀，特征是具有高精度的安全防护，以及自动化、人性化的多功能智能技术。一 旦不小心或者其他因素煤气外泄或者做饭时食物被烧焦散发刺鼻气味时光敏、气 敏装置就会及时发现并把信号转变为物理信号输出单片机，单片机来控制安全阀 的启闭，从而可以及时的关闭燃气源，实时的启动防火保护装置， 可以自动或者 手动发出指令，并且可以记录燃气泄露的时间，就是在万一自动

7、控制系统出故障时， 把饭煮好后不能自动断气熄火，当锅体温度超高几度时也还有保险系统将燃气切断，致使把 火熄灭也不会把饭煮烧，真是做到万无一失。烧开水时该灶还能将水烧开后自动断气熄火， 不用人员始终看管。由于使用时不用人工始终看管干预，动作可靠、构想成熟，实现了操作 自动化的目的，其此外单片机控制的软件系统可以定时定量的实现用户的定时烹 煮食物，同时还可以联动通风、排烟、空调系统。 。 1.3 本次课题研究的广泛意义 在现实生活中我们已经离不开燃气了，但是在生活使用中， 我们可能还有很 多不了解的知识， 这些我们所不了解的就可能引起火灾事故，造成一定的经济损 . 失，严重的可能会危害我们的生命安

8、全，所以，注重安全是生活中必不可少的； 造成事故的原因有 : (1) 管道泄漏； (2) 煤气灶火被风吹灭； (3) 灶具在燃 , 用 户却遗忘外出等。 目前, 市面上已有能防火被风吹灭的灶具, 但管道泄漏、 灶具在 燃, 用户却遗忘外出等问题尚未解决。 本文提出一种“ 智能多功能煤气灶安全防护器” 的设计。 2系统方案用既能敏感煤气又 可敏感烟雾的新型气敏元件作传感器,并选用高性价比的单片机89C25 1作控制单元,进行 相应的电路设计和安全阀的设计制作。当煤气外泄,或灶具在燃而用户遗忘导致食物烧焦散 发出烟雾时,气敏元件接收到上述信号,传给单片机,单片机控制安全阀的启闭动作,从而 实现煤气

9、灶的安全防护。此外单片机内置的定时器可实现用户的定时烹煮。3硬件设计本 系统硬件电路主要由单片机、气敏检测电路、键盘、显示、声响电路、输出控制电路等部分 组成 , 单片机因其功能丰富、软件设计灵活、 体积小且价格便宜而被广泛使用；由单片机控制 的该系统的维护成本相对降低不少，同时通过两种探测器的横向和纵向交错判断 寻找最准确的煤气管道泄漏源，从而有效地提高煤气探测的灵敏度和降低误报 率。该系统依靠其技术含量高，性能可靠稳定，成本低等优点，在市场竞争中必 将处于非常有利的位置。 1.4 本次课题研究内容及本文的工作 本论文的工作是研发设计一种用于厨房的智能多功能煤气灶安全防护系统。 该安全防护系

10、统是以 89C5l单片机作为控制中心，接受、处理可燃气体探测器输 出的报警信号并进行声光报警，同时执行相应的辅助控制等任务; 监视探测器及 系统自身的工作状态并能为可燃气体探测器提供稳定的工作电源。 论文一共分为五部分介绍。 第一部分是绪论， 介绍了国内外智能煤气灶安全 防护系统发展的历史、 现状、趋势以及煤气自动报警系统的分类，简要说明了研 制智能煤气灶安全防护系统的意义和硬件部分的研制过程；第二部分是智能多功 能煤气灶安全防护系统硬件组成及原理，分别介绍控制器89C51单片机的应用、 传感器及其信号调理电路、 步进电机驱动控制电路； 第三部分是智能煤气灶安全 防护系统的软件设计 5 。整个

11、程序由主程序、数据采集输入子程序、驱动程序、 判断煤气泄漏子程序、 串行通信子程序、 自动关闭气源等若干子程序构成；第四 部分是调试与使用注意事项；第五部分是系统可靠性分析。 . 2 智能多功能煤气灶安全防护系统硬件组成及原理 2.1 系统基本功能及总体框图 2.1.1 系统基本功能 智能多功能煤气灶安全防护系统的基本功能如下：(1) 实现对煤气管道泄漏 的实时监测；（2）定时功能 , 可以预置时间 , 时间到自动切断煤气 , 在不需要定时 切断时 , 取消定时即可。再次按下定时键即可恢复定时功能, 计时时间可通过数码 管显示 6 ；(3) 具有超限声光报警功能； (4) 根据报警状况自动关闭

12、煤气管道电磁 阀并开启排气装置； (5) 故障排除后，可控制煤气管道电磁阀的自动开启；（6） 并且根据传感器老化曲线进行误差修正。 2.1.2 系统硬件总体框图 本系统硬件部分主要由检测单元，中央控制单元， 电机驱动单元， 报警单元 以及通信模块单元五部分组成, 其系统硬件总体框图如图 2.1 所示。 图2.1 智能多功能煤气灶安全防护系统硬件总体框图 检测单元主要由既能敏感煤气又可敏感烟雾的新型气敏检测电路组成。为了 提高系统可靠性， 减少误报和漏报， 本系统采用了高精度的新型传感器，能根据 具体情况发出煤气管道泄漏信号。 中央控制单元是以 89C51 单片机为核心，接收并处理煤气管道泄漏信

13、号，输 . 出报警信号、驱动步进电机关闭安全阀信号等。 电机驱动单元为电机驱动电路， 由单片机发出控制信号从而控制电机相应的 正反转动从而实现安全阀的关闭操作。 通信模块单元使系统具有遥控自检功能和发出信号的功能，通过接收模块接 收遥控信号实现相应自检功能和发出信号。 2.2 MCS-51 系列单片机的介绍 2.2.1 MCS-51 系列单片机的特点 单片机因其功能丰富、 软件设计灵活、 体积小且价格低廉， 而在家电产品中 得到广泛的应用。 MCS-51 是INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单 片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其

14、中 8051 是最早最典型的产品， 该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、 减、 改变而来的 7 ，所以人们习惯于用 8051来称呼 MCS-51 系列单片机，而 8031是前些 年在我国最流行的单片机， 所以很多场合会看到 8031的名称。 INTEL公司将 MCS-51 的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片 机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中89C51 与传统的单 片机相比指令执行速度有很大的提高，这也是本设计选择此款单片机的主要原 因。 根据本系统的需要， 我们采用了 MCS-51 系列中的 89C51 单片机。89C

15、51 是高性 能COMS 8位单片机，片内含 4K bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 128 bytes 的随机存取数据存储器（ RAM ） ，32个可编程 I/O 口线， 2个16位定时计数 器 8 ，6个中断源。器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容 标准MCS-51 指令系统，片内置通用位中央处理器（RAM ）和Flash 存储单元，功 能强大 89C51 单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领 域 9 。 2.2.2 89C51 单片机芯片内部结构和引脚概述 89C51 单片机与早期 Intel 的8051/8751/

16、8031 芯片的外部引脚和指令系统完 全兼容，只不过用 Flash ROM 替代了 ROM/EPROM而已。 89C51 单片机内部结构由运算器、控制器、存储器和I/O 接口组成，如图 2.2 所示。 . 图2.3 是89C51 的引脚结构图， 有双列直插封装 （DIP）方式和方形封装方式。 图 2.2 89C51单片机芯片内部结构图 . 图 2.3 89C51单片机引脚图 2.2.3 AT89C5l端口输入 / 输出介绍 P0.0 P0.7：P0口 8 位双向口线。 P1.0 P1.7 ：P1口 8 位双向口线。 P2.0 P2.7 ：P2口 8 位双向口线。 P3.0 P3.7 ：P3口

17、8 位双向口线。 P0口是一组 8位漏极型双向 I/O 口，也即地址总线复用口。作为输出口用时， 每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“ 1”可作为高阻抗输 入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 10 . 在Flash 编程时， P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，且 要求接上拉电阻。 P1口、P2口、P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向 I/O 口，输出缓冲极可驱 动（吸收或输出电流） 4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电 阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

18、作输入口使用时，因为内部存在上拉 电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 11 。 在Flash 编程时， P1口接收低 8位地址， P2口接收高位地址和其他控制信号。 P3口除了作为一般的 I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能， 如下表 2.1 所示： 表2.1 P3 口第二功能 P3口还接收一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 设计者对功能分配有完全的控制，只受所选的封装的可用引脚数的限制。这 种资源分配的灵活性是通过使用优先权交叉开关译码器实现的。交叉开关根据优 先权译码表，将所选择的内部数字资源分配到10 引脚。寄存器 XBRO 、 XBRI和XBRZ

19、 用于选择内部数字功能或让10 引脚默认为端口 10 。 数字资源如果被分配到没有 引脚的端口，则它不能被访问。所有的端口10 都耐电压。可以用端口配置寄存 器(PRTOCF 、PRTICF 、PRTZCF 、PRT3CP) 将端口 10 单元配置成推挽或漏极开路方 式 12 ，端口 I/O 单元框图如图 2.4 所示。 优先权交叉开关译码表为每个10 功能分配一个优先权，从顶端SMBus 开始。 当被选择时，它的两个信号被分配到10 端口的引脚 0和引脚 1。译码器总是从端 口0开始，从 LSB 到MSB 的顺序填充 10 位，然后是端口 1，如果需要的话最后填充 端口2。如果你选择不用某个

20、资源， 则表中的下一个功能将填充这个优先权位置。 这样就可以只选择设计中用到的功能，充分利用可用的 10 引脚，端口I/O 功能框 . 图如图 2.5 所示。另外，任何未分配的端口 10 被组合到一起， 更便于在应用代码 中使用。 图2.4 端口 I/O 单元框图 图2.5 端口 I/O 功能框图 2.2.4 89C51 的中断系统 89C51 单片机有 5个中断源 (89C52有6个)，4个用于中断控制的寄存器 IE、IP、 . TCON （用65位）和SCON（用2位），用来控制中断的类型、中断的开/ 关和各种中 断源的优先级别。 5个中断源有两个中断优先级，每个中断源可以编程为高优先 级

21、或低优先级中断，可以实现二级中断服务程序嵌套 14 。 中断是单片机的重要功能。 采用中断技术能实现分时操作、实时处理、 故障 处理功能。 2.3 系统所用的检测电路简介 2.3.1 传感器简介 既能敏感煤气又可敏感烟雾的新型气敏传感器通常又叫做探头，是我们监视 保护区域发现煤气管道泄漏等问题的第一线感觉器官。 既能敏感煤气又可敏感烟雾的新型气敏传感器是把煤气灶发生煤气泄漏时 的煤气浓度等特性进行“感觉”，并转变为电信号，传给“大脑”煤气报警 控制器，由它来处理判断， 一旦信号值大于原来设定的阀值，就立即报警且关闭 气源，同时立刻启动其它消防设施防止火灾。严格说来， 这种系统还是一个初步 智能

22、系统，它的智能是单向性的。 它只在控制机中有智能功能而在探测器中没有 智能功能，而真正的智能系统应该是可以根据现场环境自动调整运行参数，具有 自我学习和自适应能力等一系列高级功能的系统。尽管目前煤气探测器的误报率 低，但是随着煤气自动探测系统应用的日益普遍，其绝对数量不断增加， 经常产 生误报会降低自动探测系统的可信度，造成不必要的损失， 影响它的应用。因此， 寻找适当的信号处理和探测方式一直是煤气自动探测研究的首要任务 15 。 根据煤气探测方法和原理，目前主要有以下几种煤气探测器: 1）可燃气体探测器：可燃气体探测器是对单一或多种可燃气体浓度相应的 探测器。可燃气体探测器有催化型和半导体型

23、两种类型。催化型可燃气体探测器 是利用难熔金属铂丝加热后的电阻变化来测定可燃气体浓度。当可燃气体进入探 测器时，使铂丝表面引起氧化反应（无焰燃烧），其产生的热量使铂丝的温度升 高，从而使铂丝的电阻率发生变化。 半导体可燃气体探测器要用灵敏度较高的气 敏半导体元件，它在工作状态时，遇到可燃气体，半导体电阻下降，下降值与可 燃气体浓度有对应关系。 2)烟雾探测器： 在煤气灶使用过程中， 灶具在燃用户却遗忘外出等问题时常 发生， 这样很可能造成食物烧焦产生大量烟雾。烟雾是早期火灾的重要特征之一， . 烟雾探测器是能对可见或不可见的特定的烟雾粒子响应的探测器。它是将探测部 位烟雾浓度的变化转化为电信号

24、实现报警目的的一种器件。烟雾探测器有离子感 烟式、光电感烟式、激光感烟式等几种型式。 3) 可燃气体、烟雾探测器：可用于家庭和工厂的气体泄漏检测装置，适宜 于液化气、甲烷、丁烷、丙烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。它是对可燃气体、 烟雾等两种或两种以上的参数响应的探测器 16 。 2.3.2 本系统所用探测器 本系统采用的是可燃气体、 烟雾探测器 MQ-2 。在煤气泄漏瞬间能够准确地发 现，并且对非可见的高传输的电晕现象可以完全解除。它具有很小的体积和很宽 敏感角度，并能迅速准确的发现煤气灶泄漏的可燃气体和食物烧焦的烟雾。它的 实物图如图 2.6 所示。 MQ-2 气敏元件的结构和外形如图2.7

25、所示，由微型 AL2O3 陶瓷管、 SNnO2 敏感 层，测量电极和加热构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热气 器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有 6只针状管脚，4个用 于信号取出， 2个用于提供加热电流 17 。 图 2.6 可燃气体、烟雾探测器实物图 . 图 2.7 传感器内部测量电路 2.3.3 传感器电路 传感器受煤气等影响其阻值发生相应变化, 从而导致 R3上的电压发生变化， 电路图如图 2.8 所示。R3上的电压用 u 表示。u 通过LM101A 比较器和 V- 电压进行 比较。当 u大于V-时LM101A 输出电压为 4.6 伏，当 u小于V-时L

26、M101A 输出电压为 0 伏 18 。 LM101A 的输出电压通过 P1.1送至89C51 单片机内通过软件进行比较。 当P1.1 输入为高电平时， 单片机发出指令驱动安全阀关闭煤气，并且驱动报警器进行报 警；当 P1.1输入为低电平时，单片机可根据指令进行定时运行等其他正常运行。 图2.8 传感器检测电路 2.3.4 灵敏度调节电路 MQ-2 型气敏元件对不同种类、 不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使 . 用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。如图2.9 所示， R1 、R2 构成 分压电路 , 向比较器 LM101A 提供参考电压 V-。V - 的大小决定了检测的灵敏度,

27、通 过调节滑动变阻器 R2 的阻值从而调节 R2的端电压。R2 的端电压与传感器检测电路 的输出电压进行比较。 改变R2 的端电压也就改变了检测电路的比较电压，从而起 到调节灵敏度的作用。 R2 采用高精度多圈电位器 , 既保证了灵敏度的精确调整, 又保证了调节范围 19 。当精确测量时，报警点的设定还应考虑温湿度的影响。 图2.9 灵敏度调节电路 2.4 单片机输出控制信号隔离电路 当单片机控制引脚输出为高电平时，发光二极管导通发光， 从而使得三级管 导通，驱动控制信号为低电平， 通过反向器后输出为高电平。当单片机控制引脚 输出低电平时， 发光二极管截止， 三级管也处于截止状态， 驱动控制信

28、号被上拉 为驱动电路高电平，通过反向器后输出为低电平。 光偶隔离器内部结构及系统光偶隔离电路分别如图2.10、2.11所示。 . 图2.10 光偶隔离器内部结构 图 2.11 光偶隔离电路 2.5 安全阀驱动电路模块 在中央控制单元中， 输入的信号经过逻辑处理以后来判断是属于煤气管道泄 漏、烟雾、正常的哪一种情况，根据具体判断来做出相应控制。采用复合管以提 高驱动能力 , T1 、T2 为中功单管。采用晶体管避免了采用普通继电器的电火花 问题, 既延长了使用寿命 , 又保证了安全。电路中的 R5 、R6 选用了 10、1 W 的电阻。装置的外壳也是特点之一， 外壳能够有效的防止尘埃进入装置，从

29、而提 高了系统的可靠性。 安全阀的设计与使用是本方案设计成功与否的关键之一。采用普通电磁阀不 妥, 因为电磁阀本身的打火存在隐患。方案中的安全阀采用电机控制球形阀芯旋 转, 实现煤气管路的开闭。实验表明能很好地解决这一问题，该安全阀已通过防 爆鉴定 20 。 中央控制单元控制电机的硬件框图如图2.12 所示， 从单片机数据口送出的控 制信号经过光偶隔离后再经过反相器后输入到放大电路从而驱动安全阀。单片机 . 可分别送出两个信号输入到放大器中分别控制电机的两相通电以及电机反向控 制；电机是带动球形阀芯旋转， 电机控制的球形阀芯旋转有一个限定范围，当接 收到关闭安全阀的驱动信号时， 电机正转控制球

30、形阀芯正向旋转达到极限时电机 停止转动；当接收到开启安全阀的信号时， 电机反转从而控制球形阀芯反向旋转 达到极限时电机停止转动。 图 2.12 安全阀驱动电路 2.6 键盘及显示 图2.13 为P0口控制LED 动态显示接口电路。图中P0口输出段选码。 7407是同 向OC 门，作段选码驱动器，驱动数码管及LED 指示灯的显示。 键盘采用薄膜开关 , 既美观又方便。当有复位键按下时，单片机复位重新开 始运行程序；当有定时键按下时，单片机启动定时功能, 时间到自动切断煤气 , 在不需要定时切断时 , 可以按复位键取消即可。再次按下定时键即又可恢复定时 功能, 计时时间可通过数码管显示。 . 图2

31、.13 P0口控制 LED 动态显示接口电路 2.7 系统电源 电源是各种电子设备必不可少的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备 的技术指标及能否安全可靠地工作。控制系统由电源引入的干扰约占32% ，成为 工业控制系统的主要干扰源。 我国市电电压波动较大， 噪声污染较严重， 控制系 统由电源引起的故障要占更大比例，所以精心设计电源是一项重要工作。 2.7.1 电源器件介绍 集成稳压器是一种将功率调整管、取样电路、基准稳压、误差放大、启动和 保护电路等全部集成在一个芯片上的集成电路。开关电源是相对线性电源说的。 由于变压器的磁芯大小与它的工作频率的平方成反比，这样就可以大大减小变压 器，使电源

32、减轻重量和体积。 而且由于它直接控制直流， 使这种电源的效率比线 性电源高很多，并且通过用电子线路组成开关式( 方波)震荡电路来达到对电能的 转换. 这种方式有好多优点，一是稳压范围宽，在一定范围内输出电压与输入电 压变化无关， 是其它方式电源无法比拟的。二是效率高， 由于采用开关震荡工作 方式，热损耗特别少，发热低。三是结构简单，相对于其它相同功率的电源，开 关电源的体积与重量要少得多。因此，在众多的电子设备中， 开关式电源己经是 相当普遍。 . 2.7.2 系统电源设计方案 煤气报警控制器的电源有驱动电机、扬声器工作所需要的 5V电源，单片机系 统所需要的 3.3v 电源以及各种芯片所需要

33、的SV 工作电压。我们通过一个 5v 的开 关电源。把交流电转化为 5V直流电，然后再通过集成稳压器将 5V直流电转化为系 统需要的 SV 和3.3v 的直流电压。由于系统接入开关电源的电压是安全防护用电， 因此可以避免电源掉电。 为了确保电源散热及时， 加入散热片进行散热保护。 根 据系统输入电压电流大小，集成稳压器选用7815和7808 芯片，然后再用贴片式 稳压器进行变换得到最终需要的电源。 2.8 系统报警模块 系统报警模块采用双保险的报警方式。当煤气泄漏发生时， 一方面在煤气泄 漏现场通过扬声器发出报警声音， 同时， 再由单片机引脚输出给报警灯控制电路， 能够控制报警灯的闪烁。 单片

34、机通过两个引脚输出信号为了双重保险，使得报警 系统更加可靠。 2.8.1 单片机报警接口电路 当系统判断达到煤气泄漏的一定浓度后，单片机从P3.1引脚输出高电平信 号。 P3.1引脚通过光偶隔离电路后经过放大器驱动警铃，使报警器发出声音报警。 同时，单片机从 P3.0 引脚输出高电平信号。 P3.0引脚通过光偶隔离电路后经过 放大器驱 图 2.14 单片机报警电路图 动警灯闪烁。报警电路是采用复合管以提高驱动能力, T7为中功单管。采用晶体 . 管避免了采用普通继电器的电火花问题, 既延长了使用寿命 , 又保证了安全。输入 端以地为参考。单片机报警电路图如图2.14所示。 . 第3章系统软件设

35、计 3.1 嵌入式软件开发平台 对于在单片机上运行的程序的开发，嵌入式软件开发平台是必不可少的。不 同种类的单片机配套的嵌入式软件开发平台也不尽相同。本次系统嵌入式软件开 发平台主要 MCS51 系列的开发套件，主要包括：MCS51 仿真芯片、 CPU 挂箱、接口 挂箱等。 本系统嵌入式软件开发过程中选用的是美国 Keil software公司出品的 C51 编译器。 Keil C51 是51系列兼容单片机汇编或 C 语言软件开发系统，调试方面比 CygnalIDE更加方便。 3.2 主程序模块 智能多功能煤气灶安全防护系统的软件设计包括主程序模块，中断服务子程 序程序模块，数据采集模块，动态

36、LED显示模块，计数中断程序模块，延时程序 模块等多个子程序组成。 在主程序模块中， 需要完成对各接口芯片的初始化、煤气灶定时功能的初始 化、中断向量的设计以及开中断、循环等待状态等工作。另外，在主程序模块中 还需要设置启动 / 清除标志寄存器、定时寄存器，并对它们进行初始化。根据各 标志寄存器的内容，设置系统处于待机状态, 启动定时器 , 随后进入循环等待状 态。主程序还将根据传感器检测电路的信号完成报警和关闭/ 开启安全阀等不同 的操作 21 。其主程序流程图如图3.1 所示。 主程序可实现的功能：（1）定时功能 , 可以预置时间 , 时间到自动切断煤气 , 在不需要定时切断时 , 可以按

37、下定时键，就可关闭定时功能。再次按下定时键即 可恢复定时功能，计时时间通过数码管显示；（2）切断控制功能 , 在煤气 (烟雾) 浓度超标时 , 立即切断煤气管道。当故障排除后可自动开启煤气管道。当片机接 口 P3.5、P3.6 通过光偶电路驱动三极管导通从而驱动安全阀的关闭。 3.3 嵌入式程序的开发 本系统的嵌入式程序主要包括以下几个功能模块: 1. 数据采集模块； . 2. 电机驱动模块； 3. 报警模块； . 图 3.1 主程序流程图 3.3.1 总程序如附录 A 开始 初 始 化 停止计时 系统运行监控 复位键定时键？ 报警？ 计时到？ 开启安全阀 关闭安全阀 . 3.3.2 数据采集

38、处理程序 该系统是对各种探测器所探测到的信号进行检测。系统采用既能敏感煤气又 可敏感烟雾的新型气敏探测器。 通过对传感器的数据采集来判断是否启动报警系 统同时关闭气源。 3.3.3 电机驱动模块 步进电机为两相式，步进电机都是通过信号驱动，P3.5，P3.6 为步进电机 两相电流控制信号的输出口，控制步进电机的正反转。 3.3.4 报警模块 系统报警模块采用双保险的报警方式。当煤气泄漏发生时， 一方面在煤气泄 漏现场通过扬声器发出报警声音， 同时， 再由单片机引脚输出给报警灯控制电路， 能够控制报警灯的闪烁。单片机通过P3.1，P3.0 引脚输出信号分别驱动警铃进 行声音报警和驱动警灯进行灯光

39、报警，使得报警系统更加可靠。 4 调试与使用注意事项 . 通常情况下 , 应保证 T1、T2、T6、T8、两个功率管工作在截止状态, 只有在开 启或关闭时让 T1、T2、T6或T8工作在导通状态 ,T1、T2导通时间在 1 s 左右, 即可 保证安全阀的正常开启或关闭，T6、T8接收到报警信号后一直导通到故障排除。 这样既可避免功率管长时间处于导通而发热, 又可减少能耗 22 。 传感器的安装位置应注意避开水蒸气直接影响的位置( 如抽油烟机的内侧 ) , 因为所用的传感器在水蒸气中, 阻值也有一些变化可能会导致误报。为避免这种 情况, 安装在灶台偏下或离灶台几十公分的位置比较合适 23 。 5

40、 系统可靠性分析 一个煤气报警控制系统想达到的预期目的就是: 在它的监控范围内出现报警 . 目标时，应可靠地发出报警， 而当监控环境中不存在目标时， 不应发出报警讯号。 可靠性是说明一个系统性能的最佳指标。而在报警系统中， 探测器、各种硬件软 件的选择又是影响系统可靠性的关键原因 24 。 1、在探测器方面，为了提高系统的可靠性，本系统选用了既能敏感煤气又 可敏感烟雾的新型气敏元件作传感器, 并选用高性价比的单片机 89C2051 作控制 单元, 进行相应的电路设计和安全阀的设计制作。当煤气外泄 , 或灶具在燃而用户 遗忘导致食物烧焦散发出烟雾时, 气敏元件接收到上述信号, 传给单片机 , 单

41、片机 控制安全阀的启闭动作 , 从而实现煤气灶的安全防护。此外单片机内置的定时器 可实现用户的定时烹煮。 2、防尘罩是本设计的一个特色，在可靠性方面起着重要作用. 3、电源方面通过一个开关电源和一个集成稳压器层层转化为系统需要的直 流电压。 由于系统接入开关电源的电压是安全防护用电，因此可以避免电源掉电。 为了确保电源的稳定性和提高散热效果，本系统增加了浪涌保护电路， 同时整个 电源电路装在一个电源盒中放于整个装置外部，散热好。 4、软件的可靠性也是一个非常关键的方面。事实上，在整个控制系统的设 计中，应用软件的设计、 程序编制所占的工作量是非常大的。一方面保证应用软 件的本身的健壮性， 使程

42、序能够持续稳定的运行。要做到这一点， 首先精心设计 了应用软件的总体结构， 按照面向对象的观点， 综合考虑用户的观点和程序的易 实现性，编制出高效率的应用软件；在编写代码时，多次调试，做到思维严密， 尽可能减少人为的失误。 另一方面，通过采取软件方面的措施提供系统的可靠性。 在软件设计中，对重要环节采用多次重复判断以提供系统的可靠性。 此外选用的 89C51 型号的单片机，本身具有一个4KB 的片内 Flash 存储器 25 ， 我们将系统运行的重要信息，如故障、报警等信息保存起来。同时，当干扰造成 程序运行发生混乱或陷入死循环时，可以使单片机复位从而让程序正常运行。 总之， 智能多功能煤气灶

43、安全防护系统是一项复杂的工程，必须在系统设计、 结构设计、 软件编制、 整机装备和调试阶段各个环节方面统筹安排，严格把关才 能保证系统具有高的可靠性 26 。 . 6 结束语 本毕业设计按照课题 “智能多功能煤气灶安全防护系统”应实现的功能设计 . 了所需的硬件电路和相应的软件。本文采用 89C51作为控制器和处理器， 以报警 装置为控制对象，实现对煤气泄漏自动报警的控制。 本文主要叙述了控制系统硬件电路设计过程和相应的软件设计，首先介绍了 智能多功能煤气灶安全防护系统的发展情况，接着给出以 89C51为主控芯片的控 制系统总体硬件结构， 然后又根据实际系统需要详细讨论了驱动及系统检测电路 的

44、设计。 以上硬件电路和相应软件的设计，基本达到了毕业设计的设计要求。 毕业设计结束了， 通过毕业设计使我深深感受到了，只有全面系统的学习才 能真正的掌握更多的知识。 本次历时 3 个多月的毕业设计， 使我对各芯片的工作 原理有了更深入的认识， 同时也建立起了很强的思考能力，并学习到了课本以外 的东西，最重要的是锻炼了独立思考和独立动手的能力，这为我以后走向工作岗 位打下了坚实的基础。 附录 A 主程序 ORG 0000H LJMP MAIN . ORG 0003H LJMP IEX0 ORG 0100H MOV SP, #60H SETB IT1 SETB EX0 SETB EA MOV A,

45、 #0C0H MOV P3, A ACALL D3S LOOP1: MOV A, #00H MOV P1,A MOV A,P1 JB ACC.1, LOOP LJMP LOOP1 LOOP: MOV A,#0A3H MOV P3, A ACALL D3S MOV A,#00H MOV P1,A MOV A,P1 JB ACC.1,LOOP MOV A,#0C0H MOV P3,A ACALL D3S LJMP LOOP1 D3S: MOV R7, #0FFH DL2: MOV R6,#0FFH DL3: DJNZ R6,DL3 DJNZ R7,DL2 . RET ORG 0200H IEX0:

46、MOV R1,A MOV 7EH,#0AH MOV RO,#7EH MOV R2,#0AH LP: ACALL T120S ACALL DIS DJNZ R2,LP MOV A,#A0H MOV P3,A ACALL D3S1 MOV A,R1 REST LOOP2: MOV A,#0A3H MOV P3, A ACALL D3S1 MOV A,#00H MOV P1,A MOV A,P1 JB ACC.1,LOOP2 MOV A,#0C0H MOV P3,A ACALL D3S1 LJMP TM6 TAB: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H DB 6DH,7DH,07H,7FH,

47、6FH T120S: MOV R5,#01CH TM: MOV R7,#FFH TM7: MOV R6,#0FFH . LP1: MOV A,#00H MOV P1,A MOV A,P1 JB ACC.1,LOOP2 TM6:DJNZ R6,TM6 DJNZ R7,TM7 DJNZ R5,TM RET DIS: MOV DPTR, #TAB MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR MOV P0,A ACALL D3S1 DEC R0 RET D3S1: MOV R7,#0FFH DL4: MOV R6,#0FFH DL5:DJNZ R6,DL5 DJNZ R7,DL4 RET . 附录 B 硬件总体图 单纯的课本内容，并不能满足学生的需要，通过补充，达到内容的完善 . 教育之通病是教用脑的人不用手，不教用手的人用脑，所以一无所能。教育革命的对策是手脑联盟，结果是手与脑的力量都可以大到不可思议。