煤气浓度检测系统设计

单片机课程设计题目：煤气浓度检测系统
单片机课程设计任务书
目录摘要
课程设计说明书
1、引言
2、监测系统的工作原理及结构
2.1 单片机控制系统总原理框图如图1
2.2 监控系统的工作原理
2.3 监控系统的结构
2.4、网络设计（如图2）
3、煤气泄漏检测系统硬件选择及其电路图
3.1 单片机选择AT89C51
3.2 气体传感器的选择及电路
3.3 执行电路系统
3.4 声光报警系统
3.5 复位及看门狗电路
3.6 键盘/显示部分
3.7 电源系统
4、煤气检测系统的软件设计
4.1 系统功能
4.2 软件系统设计
5、结束语
6、原器件清单
7、参考文献
摘要
煤气泄漏具有巨大危险性，因此对煤气泄漏实时精确监控是十分必要而且重要的。

本文介绍了一种基于单片机技术的智能型煤气监控系统，可对煤气浓度进行实时检测和监控、报警，而且还能实现自动开启和关闭煤气管道阀门，可广泛作为智能报警器及监控系统来使用。

关键词：单片机、煤气监控、浓度检测、气敏传感器
课程设计说明书
近年来，全国煤气行业发展迅猛，液化气、天然气、煤制气等城市燃气作为清洁能源已在工商业和城镇居民用户中得到广泛应用，特别是随着“西气东输”工程的快速进展，燃气行业发展潜力巨大。

城市燃气的普及与应用无疑对改善城市的环境质量和提高居民的生活质量发挥了巨大的作用。

但是随着燃气的广泛应用，由于燃气泄露所引发的爆炸、中毒和火灾事故也时有发生，这在某种程度上增加了城市的不安全和不稳定因素。

为使燃气更好地造福于民，造福于社会，减少并杜绝各种因燃气泄露而引发的爆炸及火灾事故。

因此本设计意义重大。

本设计主要采用AT89C51作为每期浓度监测的CPU,监控系统的工作原理是利用半导体气敏传感器将煤气浓度变换为模拟电压信号，此mV级电信号经低通滤波滤掉干扰信号，放大器把信号放大为0～5Ｖ后，送到A/D转换器，变换成数字量送CPU进行数据分析。

当空气中的煤气浓度达到设定值时，将输出数字量，经变送器驱动电磁阀，将煤气管道关闭并打开排气装置，并输出数字信号驱动光电报警和向上位PC机输出所处位置及报警值，以让监控人员进行处理。

故障排除后，可操纵控制面板按键，打开阀门使其恢复供气。

1、引言
近年来随着人民生活水平的提高，管道煤气和罐装煤气已深入到寻常百姓家。

但由于使用不当或设备老化等原因导致的煤气泄漏极威胁着人们的生命财产安全。

目前，一般的煤气报警器功能单一，或是必须手动复位阀门系统，性能稳定性低；而大型的监控系统又价格不菲，需专门的技术人员来管理，不适用于中小企业和家庭。

针对此类煤气管理现状，我们研究设计了一种用单片机控制的智能煤气监控系统，具有结构简单、价格低廉、易于操作等特点。

它利用8051系列单片机的强大功能和可扩充性为后盾，可以实现对前端煤气监控系统的各种实时、有效、多功能地控制操作，尤其适合作为智能报警器及小区、厂矿等场所的煤气监控系统来使用。

现如今，在市面出现了很多煤气检测仪，但大部分都是需要有人在场的情况下使用，万一无人在家时发生煤气泄漏怎么办？我的毕业设计就是针对这一问题所设计的——“基于MCS-51系列单片机的煤气防漏安全系统”。

在实习调研过程中，我按照调研任务的基本要求，完成了以下工作：首先，分析了现有的防盗产品的设计方法、相关电路、各自的优缺点；其次，分析了煤气泄漏检测系统的基本需求；最后，结合智能小区的发展，增加的小区总体监控的功能，提出了“基于51系列单片机煤气泄漏检测及报警”的设计方案。

这些工作对于按时、高质量地完成毕业设计课题具有重要的指导意义。

2、监测系统的工作原理及结构
2.1 单片机控制系统总原理框图如图1
图1单片机控制系统
2.2 监控系统的工作原理
监控系统的工作原理是利用半导体气敏传感器将煤气浓度变换为模拟电压信号，此mV级电信号经低通滤波滤掉干扰信号，放大器把信号放大为0～5Ｖ后，送到A/D转换器，变换成数字量送CPU进行数据分析。

当空气中的煤气浓度达到设定值时，将输出数字量，经变送器驱动电磁阀，将煤气管道关闭并打开排气装置，并输出数字信号驱动光电报警和向上位PC机输出所处位置及报警值，以让监控人员进行处理。

故障排除后，可操纵控制面板按键，打开阀门使其恢复供气。

2.3 监控系统的结构
集群监控系统以多机方式与前端机通信。

本机采用主从工作模式。

单片机系统作为从机与本地通信主机（上位机）联系。

第1级：中央控制操作站（上位PC机）PC机以.. Windows98作为操作平台，利用美国.. Rockwell公司生产的.. Rsview32组态软件包建立一个有效的监视及管理系统，完成现场煤气浓度数据显示、现场位置确定、数据库建立、数据查询、数据分析、统计、打印等操作。

第2级：单片机控制系统由于系统对实时性、精确性和可靠性要求非常高，系统采用单片机作为现场控制器，完成对煤气浓度信号采集、运算、控制和向ＰＣ机传送浓度数据。

2.4 网络设计（如图2）
图2
3、煤气泄漏检测系统硬件选择及其电路图
3.1 单片机选择AT89C51如图3
考虑到系统的程序空间和数据的运算空间较宽，CPU选用了ATMEL公司的AT89C51单片机控制系统为核心，用其片的64K EPROM作为系统程序的存储。

采用RS-232C接口与上位PC机进行远距离串行线缆通信，从而实现对相关数据的存储、分析和处理。

图3 AT89C51芯片
3.2 气体传感器的选择及电路
系统中要对有毒气体进行浓度的检测，由于传统的接触燃烧法易引起中毒、灵敏度又较低，因此我们考虑采用CS-2000型电化学一氧化碳气体传感器[1][4]，它具有反映速度快、准确、稳定性好、不受湿度影响和寿命长等特点。

ADC0809可以实现将连续采集的煤气浓度信号转换成离散的数字量，以便系统进行实时的判断和智能化的处理其主要性能参数：测量精度为2%；分辨率为l×10-6；测量浓度为（0~1）×10-3；输出信号为（2~10）mV /（4 ×10-4）（5kù负载电阻）；反应时间小于20s；恢复时间小于1min；工作温度为0~60℃；工作湿度为0~95%RH （无凝结）。

煤气浓度与输出电压为线性关系，稳定性和使用性较好，其特性曲线如图4所示。

图4 煤气浓度与输出电压特性曲线
3.3 执行电路系统
由电磁阀启闭和排气两部分电路组成。

电磁阀启闭由DAC0832、电磁阀、变送器等组成。

采用AIDE的Ｍ系列二位二通节能型燃气电磁阀（直动式），其特点是：低电压、小能耗。

结构在线圈处配置永久性磁钢，线圈为正、负极脉冲供电。

当正向脉冲供电时阀门开启并保持，此时电源切断阀门为开启位置；当反向脉冲供电时阀门关闭并保持，此时电源切断阀门为关闭位置。

由于电磁阀需由脉冲信号驱动，系统采用在单缓冲方式下工作的DAC0832作为波形发生器，以提供正负脉冲，故其能够自动启闭，实现安装位置的可调性。

排气部分选用DAC0832、普通家用排风机、电磁继电器、SN75452驱动器、AC220V电源，用TPL光电隔离器使现场信号与单片机系统实现完全电隔离，提高系统抗干扰能力。

电磁阀驱动电路如图5所示。

图5电磁阀驱动电路
3.4 声光报警系统
由振荡器、门电路4069、驱动器MC275、音乐芯片和报警指示灯等组成。

音乐芯片采用了美国ISD公司的ISD1200系列中的20s单片语音录放芯片，含EPROM，使集语音处理和存储于一体，具有掉电信息保存，手动和单片机控制均可等特点。

指示灯采用发光二极管LED，可实现音响报警和指示灯报警。

3.5 复位及看门狗电路
考虑到底层电路板的工作环境相对恶劣，单片机会受到周围环境的干扰，因而出现程序跑飞、死机等一些不可预知的不正常工作现象，工作人员也不可能到现场对单片机重起，本设计为单片机电路添加一个外部看门狗电路，定时查询单片机的工作状态，一但发现异常即对单片机延时重起，以保证系统安全可靠的运行。

其电路如图6所示。

图6看门狗电路
3.6 键盘/显示部分
采用Intel8279芯片，用硬件完成对键盘与显示器的可编程控制。

键盘由0～
9数字键、报警值设定键、时钟设定键、左移位键、确认键、阀门开启键、运行键等16键组成，用户可以通过键盘完成人机接口的各种操作。

键盘以中断方式工作，当有按键时，8279申请中断，CPU响应后转入键盘监控处理程序。

显示器选用2组4位8段LED数码管，系统检测数据经T89C51单片机处理后通过I/O 口送到驱动电路，LED显示现场煤气浓度及时钟。

图7 8279的键盘/显示器配置与89C51接口
3.7 电源系统
采用电源4NIC-X25电源为单片机系统提供不间断电源。

在正常情况下，系统由交流电网供电，同时电池组处于浮充状态，如果交流电供电中断，由电池组供电。

4、煤气检测系统的软件设计
4.1 系统功能
本系统也可作为智能家居系统的一个子系统。

系统的主要功能如下：（1）实现对煤气泄漏的实时监测；
（2）实时跟踪显示现场煤气浓度并根据传感器老化曲线进行误差修正；
（3）具有超限声光报警功能；
（4）根据报警状况自动关闭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家居煤气检测报警器实物图如图8。

图8煤气检测报警器实物图
4.2 软件系统设计
系统软件采用MCS51汇编语言编制，包括系统主程序和中断服务子程序、误差自动校准子程序等。

主程序的功能是完成系统的初始化、信号采集及处理、时钟和信息显示、浓度超限报警、阀门关闭、启动排气装置及与上位机通信。

根据系统工作特点，程序采用结构化的软件设计方法。

主程序流程图如图9所示。

图9主程序流程图
5、结束语
绞尽脑汁的二个星期的课程设计，过程曲折可谓一言难尽。

在此期间我曾经感到十分失落，也曾一度热情高涨。

从开始时满富激情到最后耗尽全力的过程，虽然经常碰壁，很多知识还不了解，但是通过查阅资料，认真研读和请教了解的同学，让我把以前不明白的知识给补不回来了，所学的只是也不再单纯的理论化了。

也更加立体、生动。

本设计采用了单片机技术为主导的智能化管理，通过和执行机构组成的二级监控体系，可实现对煤气浓度的动态监控，通过误差自动校正功能提高了系统的测量精度，运行稳定可靠，灵敏度高，具有非常重要的市场应用价值。

此设计产品目前已经过多次运行，精确度、灵敏度和稳定性均达到设计要求，且造价更低，操作更加方便。

在实际使用中，不同的应用场合有着不同的报警浓度下限。

因此，为了提高系统的灵敏度和准确度，考虑到温度、环境和电源电压的影响，开始报警浓度也应有一定的变化围。

出厂前按标准条件调整好，以确保环境条件时，也不致发生误报和漏报。

此外，也可根据实际应用的情况对本系统进行改造，以满
足不同的应用需求。

本文介绍的有关设计方法，在同类产品的应用中同样具有参考价值。

6、原器件清单
DAC0832
SN75452驱动器
AC220V电源
4NIC-X25电源
TPL光电隔离器
AT89C51
74LS374
74LS138
Intel8279
BIC8708
LED显示器
A/D转换器
CS-2000传感器
ADC0809
驱动器MC275
ISD1200单片语音录放芯片NE56604
发光二极管
电容20uf
电阻2K
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7、参考文献
（1）王化祥.一种新型可燃性气体检测仪[J].自动化仪表，2001（3）. （2）广弟.单片机技术[M].：中央广播电视大学，2001年.
（3）于学禹.Protel 2004电路设计入门与应用[M].机械工业,2007 （4）周航慈.单片机应用程序设计技术(修订版) [M].航空航天大学出版（5）来清民. 传感器与单片机接口及实例[M]. 航空航天大学,2008 （6）常健生.检测与转换技术[M].：机械工业，1990年.。