一种单片机智能煤气监控系统的设计

AT89C51
ALE P0.0
CLK A0
74LS373
D0
P0.7
D7
P2.7
CS
WR
WR
Intel8279
RL 7
RL 0 SL 0 SL 1 SL 2
15 7
14 6 13 5 12 4 11 3 10 2
9
1
8
0
Y0
Y7
74LS138 BIC8708
RD INT1
20 F
+5V 2K
RD IRQ
统误差自动校正功能 其原理为根据气敏传感器老化曲
控 通过误差自动校正功能提高了系统的测量精度 运行
线 将其在某些特定时刻点的标准参数存放在系统中 每
稳定可靠 灵敏度高 具有非常重要的市场应用价值 此
当系统运行一个月后 系统自动用标准参数对实时测量值
设计产品目前已经过多次运行 精确度 灵敏度和稳定性
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 C P U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AT89C51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 [3]
最大限度的将其具备的资源应用到设计中 既体现了单片
定的任务 通过显示等方式给出执行结果
机小系统的应用的灵活性 又实现功能多样的智能控制
2.3误差自动校准子程序
由于采用了单片机技术为主导的智能化管理 通过和执行
针对系统经常出现的测量精度问题 我们增加了系
机构组成的二级监控体系 可实现对煤气浓度的动态监
系统软件采用MCS51汇编语言编制 包括系统主程
使集语音处理和存储于一体 具有掉电信息保存 手动和
序和中断服务子程序 误差自动校准子程序等
单片机控制均可等特点 指示灯采用发光二极管LED 可
2.1系统主程序
实现音响报警和指示灯报警
主程序的功能是完成系统的初始化 信号采集及处
程序运行监控系统
理 时钟和信息显示 浓度超限报警 阀门关闭 启动排
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 5 后 送到A/D 转换器 变换成数字量送C P U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 1.2 监控系统的结构
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万方数据
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Vol.13 No.3
传变 感送 器器
滤波器
A/D
声光报警
通信口 电源
EPROM
AT89C51
变
显示 送 器
电磁阀 驱动单元
D/A
驱 继排
动 电风
器 器机
程序运行监控
图１ 单片机控制系统组成 1.3 单片机
考虑到系统的程序空间和数据的运算空间较宽
由于需要通过 A/D转换器对来自于气敏传感器的各
气装置及与上位机通信 根据系统工作特点 程序采用结
种模拟量进行多次采样 外部干扰有可能会干扰CPU的正
构化的软件设计方法 主程序流程图如图5所示
常运行 从而引起混乱 为此 系统采用了看门狗电路
开始
(B)
Max813作为程序运行监控器 每隔一定时间 由控制器 向看门狗发出一个复位信号 使其复位端保持无效 程序 一旦跑飞或进入死循环造成系统失效 由看门狗发出一个 复位信号 使系统能尽快复位并恢复正常工作 此外 通 过软件设置人工复位电路和程序设计来处理 如采用指令 冗余 在一些对程序的流向起关键作用的地方人为地插入 两条NOP指令 使该条指令不会被前面冲下来的失控程序 拆散 而会得到完整的执行 从而使程序重新纳入正常轨道
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 1 监控系统的工作原理与结构 1.1 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
mv
8
C P U选用了 ATMEL公司的AT89C51单片机控制系统为核 心 用其片内的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
一般来说 在本地通信中如不采用Modem 根据 RS-232C标准规定 当误码率小于4%时 要求导线的电 容值应小于2500PF 对于普通导线 其单位长度的电容 值约为170PF 则允许距离L=2500PF/ 170PF/ m =15m 当超过这个距离进行布线时 就必须要采用调制解调器
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 系统的主要 功能如下
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
中图分类号 TP368.1
文献标识码 B
文章编号 1008-8415[2004]-03-0035-04
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大地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
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 5k Ù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2所示
由DAC0832 电磁阀 变送器等组成 采用AIDE的 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
当使用9600bps的普通五类或超五类双绞屏蔽线 STP 时 距离可达30 35米或更长 因此 可以采用直接连接 这种情况下 只需使用少数几根信号线来实现全双工异步
LM324
2
FEH 1
CS
－
RL
P0.7 3
AT89C51 74LS373 DAC0832 SN75452
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
EA ALE
D Ｉ7 V REP
4
D Ｉ0
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
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
系统自检 数据初始化
通信子程序 显示
误差校正子程序
Y
N 计时值＞设定值
采样子程序
N 采样数据＞设定值
Y
报警／控制子程序
等待中断 响应 返回
关中断
(B)
图５ 主程序流程 初始化程序包括设置堆栈指针 分配内存空间 设 置初始变量等 系统默认煤气浓度报警值为8ppm 数据 采集程序根据定时器时钟的要求对D/A数据进行采集 实 时判别煤气浓度的测量值 当测量值超限时 程序指示电 磁阀将煤气管道关闭 然后打开光电报警系统 定时向上 位机的主画面上给出当前子系统状态 出现报警时提醒主 控人员进行处理 数据采集子程序流程如图6所示
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一种单片机智能煤气监控系统的设计
姚丰1 刘念聪2
1.巢湖广播电视大学 安徽 巢湖 238000 2.成都理工大学 四川 成都 610059
摘 要 煤气泄漏具有巨大危害性 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
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 机传 送浓度数据 2 单片机系统硬件结构与工作原理
单片机控制系统组成如图1所示
收稿日期 2004-04-20 作者简介 姚丰 1976—
男 安徽省巢湖市人 巢湖广播电视大学助教
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
串行通信 应当指出 由于通用PC机的串行通信主要由通用异
步接收 发送器8250通过 RS-232C标准串行通信接口与外 界进行异步通信 而89C51单片机的串行接口是TTL电平 标准 因此在通讯过程中必须进行电平转换 将TTL电平 转 换 为 RS-232C 电 平 后 与 PC 机 的 RS-232C 接 口 RXD 与 TXD连接 [2] 1.4 前向通道
图６ 数据采集子程序流程 2.2中断服务子程序
完成人机对话 数据处理 报警消音 时钟锁定等
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功能 使系统按操作者的要求来完成指定的作业 其能够
能控制方面 采用了单片机AT89C51作为系统控制核心
对键盘操作进行解释 并调用相应的功能子模块 完成预
7 6 5 4
3
2 1
0
ppm
0
200
400
600
800 1000
图２ 煤气浓度与输出电压特性曲线 1.5 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
Modem(DCE)利用通用或专用电话网进行信号连接 因此 使用的信号线较多 易造成串扰同时也必将提高成本 应 当指出 这一距离的计算 是偏于保守的 在实际应用中
电磁阀驱动电路如图3所示
主要由传感器 变送器 低通滤波器逐次逼近式 ADC0809和电压隔离器组成 电压隔离器可以将数字地 与模拟地隔开 以保证输入与输出之间及使用同一信号的 设备之间互不干扰 并提高输入与输出之间的电气绝缘性能
R fb
WR
WR1
+5V
WR2 XFER
+24V 1
P0.0
out1
+
1K
RESET CNTL SHIFT
Vcc B0
B3 A0
+5V
A3
BIC8708
a
dp
+5V
图４ ８２７９的键盘／显示器配置与８９Ｃ５１接口
入口 设置时间常数
通过INTO 启动A D C 检测标志
延时
报警／控制子程序
N
A/D 转换完成?
Y
保存数据
1.7 电源系统
返回
采用朝阳电源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
图３ 电磁阀驱动电路 1.6 声光报警系统
由振荡器 门电路4069 驱动器MC275 音乐芯片
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和报警指示灯等组成 音乐芯片采用了美国ISD公司的
2 软件设计
ISD1200系列中的20s单片语音录放芯片 内含EPROM
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T P L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