煤气泄漏监测系统设计

课程设计报告
课程名称检测技术与系统课程设计院（系、部、中心）电力工程学院
专业电气工程及其自动化
姓名
班级 K电气101 起止日期 13.6.3~13.6.14
指导教师许大宇
课程设计任务书
课程名称检测技术与系统课程设计院（系、部、中心）电力工程学院
专业电气工程及其自动化
姓名刘栋
班级 K电气101 起止日期 13.6.3~13.6.14
指导教师许大宇
1、李现明，吴皓编著.自动检测技术.北京：机械工业出版社，2009
2、徐仁贵.单片微型计算机应用技术.北京：机械工业出版社.2001
3、陈爱弟.Protel99实用培训教程.北京：人民邮电出版社.2000
5．课程设计进度安排
起止日期工作内容
13年6月3日布置设计任务，熟悉课题，查找资料；
13年6月4日
结合测控对象，选择合适的传感器，理解传感器性能；
13年6月5日设计传感器测量电路，选择合适的单片机，设计其外围电路；
13年6月6日设计电路参数，有条件情况下，在实验室进行实验，进一步理解测量电路输入输出关系；
13年6月7日继续设计论证电路参数，完善系统设计方案；
13年 6月 10日查找资料，理解系统各部分工作原理；
13年 6月 11日理清系统说明要点，着手设计说明书的书写；
13年 6月 12日书写设计说明书，充分理解系统每一部分作用；
13年 6月 13日完善设计说明书，准备设计答辩。

13年 6月 14日设计答辩。

6．成绩考核办法
目录
第1章煤气检测系统设计的基本内容 (1)
1.1煤气检测系统的主要任务 (1)
1.2煤气检测系统的设计要求 (1)
第2章煤气检测系统设计的硬件设计 (2)
2.1基于单片机实现 (2)
2.2系统硬件电路的总体设计 (3)
2.2.1 气体传感器电路设计 (3)
2.2.2 放大电路的设计 (5)
2.2.3 A/D转换电路设计 (6)
2.2.4 单片机的最小系统设计 (10)
2.2.5 声光报警电路设计 (11)
2.2.6 数码管显示电路设计 (12)
第3章煤气检测系统的软件设计 (13)
3.1主程序设计流程图 (13)
3.2A/D转换控制程序设计流程图 (14)
3.3显示子程序的设计流程图 (15)
3.4报警子程序的设计流程图 (15)
第4章系统的功能仿真 (16)
4.1仿真软件介绍 (16)
4.2煤气检测系统的模块仿真 (16)
4.2.1 A/D转换模块测试 (16)
4.2.2 显示模块测试 (17)
4.2.3 声光报警电路模块测试 (18)
4.3系统误差分析 (19)
参考文献 (20)
附录1 煤气检测系统的仿真电路图 (21)
附录2 煤气检测系统的电路原理图 (21)
附录3 浓度与电压值的对应关系 (22)
附录4 煤气检测系统的源程序 (23)
第1章煤气检测系统设计的基本内容
煤气测量系统中，设计一套具有有毒气体检测功能、报警功能、能够判断室内空气中煤气的泄露情况和显示当前室内有毒气体的浓度，用单片机控制报警器是否需要报警。

煤气检测系统由硬件和软件两大部分组成。

硬件部分主要包括气体传感器电路、放大电路、A \D转换电路、单片机最小系统、单片机控制电路和报警电路和数码管显示电路。

气体传感器用来检测室内空气中有毒气体的浓度，当室内空气中有毒气体含量超过允许标准浓度后，气体传感器所获得的感应信号，通过放大处理以后，再经过单片机的处理，控制报警电路发出报警处理。

软件部分主要包括A\D 的采样程序、数据处理、报警程序和显示程序。

煤气检测系统设计在硬件设计方面，主要研究组成家用煤气泄漏报警控制系统的单片机芯片、气体传感器的使用方法，同时研究电路设计思路、电路组成，包括气体传感器、放大电路、单片机、声光报警电路和显示电路的设计，给出系统的整体结构框图、仿真电路图和整体电路原理图。

1.1 煤气检测系统的主要任务
本论文是煤气检测系统设计的研制，主要完成：
(1) 对煤气检测整个系统进行了整体规划；
(2) 对煤气检测系统进行硬件设计和软件流程设计，分为主程序设计，A/D转换控制程序的设计，数据处理，浓度显示程序设计、声光报警子程序设计等；
(3) 软件的调试，功能仿真；
(4) 画出煤气检测系统的电路原理图。

1.2 煤气检测系统的设计要求
由于煤气检测系统主要包括气体传感器电路、放大电路、A \D转换电路、单片机最小系统、声关报警电路和数码管显示电路等部分。

本论文要求做以下设计：
(1)气体传感器对煤气是否泄漏进行检测；
(2)放大电路对检测出微弱的电压信号进行一定的放大处理；
(3)A/D转换程序设计，A/D转换器能够时刻的对放大的电压信号进行采集；
(4)根据有毒气体浓度与采集的电压信号的关系进行数据转换处理；
(5) 显示程序的设计，用4位数码管显示所测得的煤气浓度值。

(6)声关报警控制程序设计，根据气体浓度进行相应的处理.
第2章煤气检测系统设计的硬件设计
2.1 基于单片机实现
微处理器的出现极大地促进了生产力的发展，提高了人们生活的质量，实现了工业的现代化和自动化。

基于8位和16位单片机的嵌入式设备(如仪器仪表、数据采集和显示、过程控制、工业自动化等)的实时应用、测控系统正在走向网络智能化。

这就要求企业从现场控制层到管理层能实现全方位的无缝信息集成，实现远程维护、智能诊断以及远程管理功能，提供一个开放的基础构架，并具有高可靠性、分散控制、集中监视和管理的功能。

针对目前微型处理器的处理芯片的不同，本设计是基于AT80C51单片机实现煤气检测系统的设计。

基于AT89C52单片机实现的煤气检测系统的具体方案如图2-1所示。

该方案主要包括了可燃气体传感器、A/D转换器、AT89C52单片机控制电路、声光报警电路以及数码管显示电路。

气体传感器输出为模拟量，很微弱需要进行放大电路的处理，单片机处理的是数字信号，需要利用A/D转换器，将模拟量转换成数字量送给AT89C52单片机进行数据的处理；声光报警电路里使用蜂鸣器作为报警用，同时还用LED灯进行相应的指示，以便于提醒注意；单片机的最小系统是AT89C52单片机工作的前提条件；显示电路采用了4位集成的数码管进行显示，由AT89C52单片机进行控制实现显示。

图2-1 基于AT89C52的单片机的煤气检测系统组成框图
在煤气检测系统组成框图2-1中所示，系统以单片机AT89C52为控制的核心，配合外围电路共同完成信号采集、浓度的显示、声光报警电路的功能设计等。

其中传感器采用的是M-5，该传感器外形小，气体响应快，性能稳定，低功耗，常适用于泄漏监测器。

放大电路采用的是LM324运放进行放大微弱的信号。

A/D转换器采用的是ADC0808，它是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件，具有功耗低，性能稳定的特点。

数码管使用4位集成的共阴数码管。

2.2 系统硬件电路的总体设计
系统硬件电路的总体设计主要包括了气体传感器电路设计、放大电路设计、A/D 转换器电路设计、单片机的最小系统、声光报警电路设计、数码管显示电路的设计和电源电路的设计等。

2.2.1 气体传感器电路设计
气体传感器可以分为六大类：
(1) 半导体气体传感器。

(2) 固体电解质气体传感器。

(3) 接触感染式气体传感器。

(4) 电化学式气体传感器。

(5) 光学式气体传感器。

(6) 高分子气体传感器。

气体传感器应满足的基本条件
一个气体传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。

但是，任何一个完整的气体传感器都必须具备以下条件：
(1) 能选择性地检测某种单一气体，而对共存的其它气体不响应或低响应。

(2) 对被测气体具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的气体浓度。

(3) 对检测信号响应速度快，重复性好。

(4) 长期工作稳定性好。

(5) 使用寿命长。

(6) 制造成本低，使用与维护方便。

气体传感器的分类和基本条件为选择哪种气体传感器提供了参考的依据。

气体传感器是气体与气味检测的关键元件。

我们选择的气体传感器是MQ-5 ．MQ-5特点
* 对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度
* 对乙醇，烟雾几乎不响应
* 快速的响应恢复特性
* 长期的使用寿命和可靠的稳定性
* 简单的测试电路
MQ-5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。

我们建议您用1000ppm异丁烷或氢气校准传感器。

当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。

CO 传感器基本测量电路VCC Vss
图2-2气体传感器管脚与基本测量电路图
如图2-2里，其中2、4端为加热器的电源接线端,1、3为传感器输出端,气体传感器工作原理是把传感器置于CO 气体环中,SnO2薄膜层的电阻会随着CO 浓度的变化而变化,CO 浓度越大,SnO2薄膜层阻值越小。

图2-2为取得气体传感器输出信号的基本电路图,Vh 为加热电压,传感器电阻RS 与负载电阻RL 串联接到工作电压VCC 两端, 由此可得关系:VRL=RL ·VCC/（RL+RS ）
传感器阻值RS 随着CO 浓度的增大而减小时,输出负载电压VRL 逐渐变大,所以通过测量负载电压即可反应出被测对象的CO 浓度。

一氧化碳达到一定浓度以后，会引起中毒的可能症状
50ppm 健康成年人在八小时内可以承受的最大浓度
200ppm 2-3小时后，轻微头痛、乏力
400ppm 1-2小时内前额痛；3小时后威胁生命
800ppm 45分钟内，眼花、恶心、痉挛；2小时内失去知觉；
1000ppm 1小时内死亡
1200ppm 45分钟可能导致死亡
我们从上面的数据可以看出来，随着一氧化碳的浓度的升高，CO 对我们的身体的健康就会造成更大的伤害，所以，我将CO 浓度与报警控制处理方式，进行了划定，为编程参考作为依据。

表2-1 CO 浓度与控制处理
警处理； 当一氧化碳的浓度大于等于400ppm 以后，我们就按照一般报警情况处理，目的是为了开始进行报警提示，以便于提醒人们的注意；当一氧化碳的浓度达到800ppm 值以后，我们就必须的进行严重的报警处理。

CO气体传感器属于气敏传感器，通过放大处理后，再经过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，经过单片机完成数据处理及报警控制，最后送给数码管显示。

气体传感器作为煤气泄露测试装置报警器的信号采集部分。

由此可见，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。

2.2.2 放大电路的设计
由于气体传感器采集的电信号一般很小，而且存在共模成分，需要经过放大电路放大，之后方可进行A/D转换。

气体传感器输出的信号幅度很小，存在着不同程度的电磁干扰，因此在本设计中，放大电路采用LM324放大器进行放大，对来自传感器的信号经行精密放大，同时抑制共模成分提高信号质量。

LM324系列器件为四运算放大器，LM324的引脚排列见图2-3所示。

与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。

该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下。

共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。

每一组运算放大器，可用图2-3所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

图2-3LM324的引脚
放大电路设计中，我们采用一个增益可调的同向放大电路，计算公式为
AV=1+Rf/R2，其中Rf=200k(可调的)，R2取10K,AV最大可达21，从而给调试带来了极大方便。

它可以构成仪表的放大器，具有线性度优良、温度稳定性高和体积小、可靠性高等优点。