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毕业论文代写:一氧化碳气体检测报警系统

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本文的研究内容是研制一氧化碳气体泄露的检测与报警系统。研究对象是半导体气体传感器,最终形成通过单片机为核心生成具有信号生成、数据处理、模数转换、数据通信以及报警电路等多功能的检测与报警系统。它的作用原理是:整个电路由家庭用电经过降压以及稳压处理后进行供电,通过传感器将一氧化碳气体体积浓度转换成相应的电压信号,通过线性放大、A/D转换等相关处理,最终送入AT89S51单片机和标准浓度对比检测。当大于或等于标准浓度时,报警器发生报警。一氧化碳气体检测报警系统具有测量精度高、实用性强以及可靠性高等优点,可以在工业领域、环境监测、医疗卫生以及日常生活中广泛使用。


关键词:一氧化碳气体,传感器,单片机,检测报警系统

                                 


















第一章 引言


本文主要研究内容是研制气体泄漏自动检测报警系统,主要是一氧化碳气体。报警系统通常由两部分组成:硬件,主要设备包括报警感应器、感应器控制器以及主控器等;软件,指的是报警系统控制程序等。气敏传感器可以检测出相应气体的含量,以煤气为例,当其含量达到甚至高出允许标准浓度后,感应器就会发出信号并被感应器控制器接收,再通过对信号的相应识别以及处理,将处理后的感应信号通过串口传输到主控器并发出警报动作。报警声响电路受到报警信号的作用而被触发,发出报警声并关闭总气阀或者启动排风扇形成空气对流。


第二章 系统的总体设计


图2-1是系统流程框图,从图中可以看出单片机AT89C51是系统的主要控制单元,主题单元是看门狗定时器。所有采集到的数据都通过数据处理以及A/D转换之后才传输到单片机AT89C51。

图2-1 系统流程框图

通过51系列单片机作为主控单元,并且能够通过传感器经数据采集后把模拟信号通过A/D信号转换为数字信号,然后经过单片机处理控制报警功能电路。同时还可以在不同的应用场合和针对不同气体做出不同的浓度设定,并且储存报警的上限和报警时间,方便查询和日后的工作调查。


第三章 主机单元电路设计


3.1 AT89C51单片机

AT89C51(俗称单片机)是一种带4K字节闪烁的低电压、高性能CMOS8位微处理器,具有编程、擦除只读存储器的功能,可以反复擦除只读存储器1000次。该单片机的制造采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术,能够很好的兼容工业标准的MCS-51指令集及其输出管脚。由于其中含有多功能8位CPU与闪烁存储器,使得ATMEL的89C51成为高效的微控制器,而89C2051则是它精简版本的一种。AT89C51中包括40个引脚、8k Bytes Flash片内程序存储器、256 bytes的随机存取数据存储器(RAM)、32个外部双向输入/输出(I/O)口、5个中断优先级和2层中断嵌套中断、2个16位可编程定时计数器、2个全双工串行通信口、看门狗(WDT)电路以及片内时钟振荡器等。其相应功能特性如表3-1所示。

与此同时,AT89C51的振荡频率可控制在0Hz-24MHz之间,并可设置成省电模式。空闲模式下CPU停止工作,外中断系统继续运行;掉电模式下振荡器冻结并保存RAM的数据,芯片停止工作直到外中断激活或者硬件复位。

表3-1 主要功能表特性

兼容MCS-51指令系统4K字节可编程闪烁存储器  

32个双向I/O口4.5-5.5V工作电压

两个16位定时器/计数器全静态工作:0Hz-24MHz

全双工UART串行通道128*8位内部RAM

5个中断源寿命:1000写/擦循环

低功耗的闲置和掉电模式三级程序存储器锁定

看门狗(WDT)电路软件设置空闲和省电功能

数据保留时间:10年双数据寄存器指针


图3-1是AT89S51最小系统示意图,P1口是看门狗X4050芯片的数据传送总线;RESET接X5045的RET接口受到看门狗的监督,P1.3与P1.4接口输入和输出X5045的数据;P1.1与P1.2连接X5045的片选和时钟接口。主机AT89C51控制监控系统的数据采集及其方式以及报警过程。

图3-1  AT89S51最小系统

3. 2 X5045看门狗定时器

X5045是一种具有看门狗、电压监控以及串行EEPROM功能的可编程电路,对电路板空间的需求较小。其中看门狗具有保护系统的功能,当系统故障时间超过设置值时,电路中的看门狗则会通过RESET信号向CPU做出反应,X5045中可以设置三个时间值。X5045的电压监控功能能够使得系统不受低电压的影响,当电源电压低于一定值时,系统会自动复位,直至电源电压回到稳定值。X5045的存储器和CPU可以通过串行通信方式接口,一共有4096个位,可按512 x 8个字节进行数据的放置。能够存放512个字节,可进行100万次以上的擦写,存储时间可达100年。

X5045一共拥有8个引脚,其功能依次如下:CS:电路选择端,低电平有效;SO:串行数据输出端;SI:串行数据输入端;SCK:串行时钟输入端;WP:写保护输入端,低电平有效;RESET:复位输出端;VCC:电源端;VSS:接地端。

本研究中X5045由于所使用的是SPI通信协议,电路连接相对简单。SI与SO分别连接AT89C51的P1.3与P1.4,用于传输数据。CS与SCK则相应连接单片机的P1.1与P1.2,用于控制端口。WP与VCC则直接连接电源,RS上的10K电阻连接电源,同时和AT89C51的RESET引脚连接,用于控制单片机复位信号以及上电复位。图3-2是X5045中的连接示意图。

图3-2 设计中X5045的连接

3. 3 电源电路

220V交流电压先通过变压器降压,再通过桥式整流电路D1~D4与滤波电容C1进行整流与滤波,在固定式三端稳压器LM7805的Vin与GND两端初步生成并不稳定的直流电压(形成的电压经常受到市电电压的波动以及负载的影响)。生成的直流电压最后通过LM7805的稳压以及C3的滤波,最终在稳压电源输出端形成高精度以及高稳定度的直流输出电压。这样稳压电源就可以为TTL电路以及单片机电路提供稳定直流电压。三端稳压器是一种集标准化和系列化于一身的通用线性稳压电源集成电路,具有以下特点:小体积、低成本、高性能、工作可靠性高以及操作简便。是现阶段稳压电源中使用范围最广的单片式集成稳压器件。

                         图3-3 电源连接电路

如图3-3所示:C1是整流滤波电容,作用是将整流后的脉动波形滤波转换为脉动纹波较小的直流电压,其容量和负载有关,通常负载越大,则容量要求越高;C2是LM7805稳压集成电路中必不可少的一部分,要求尽可能连接LM7805的1脚和2脚,主要是对LM7805内部放大器的运行状态起到稳定作用,其数值是生产厂家规定值,小于0.33微法;C3也是LM7805稳压集成电路中必不可少的一部分,要求尽可能连接LM7805的3脚和3脚,主要是对LM7805内部放大器的运行状态起到稳定作用,并对电压调整的过渡响应进行改善,其数值小于0.1微法;C4是负载电路退耦电容,可以给负载形成一个端距离的本地回路电路,容量大小取决于负载的工作方式。

第四章 功能模块设计


功能模块主要包括数据采集、信号处理、事故处理以及声光报警四大模块。通过功能模块最终实现AT89S51单片机对传感器信号的采集、计算以及比较,最终生成相应的报警以及排风措施。

4.1 数据处理模块

很多单片机系统要用到A/D转换以及数字的采集,很多时候传感器输出的模拟信号比较微弱,需要模拟放大器放大之后才符合A/D转换器对输入信号电平的要求,因此要求使用合理型号的模拟放大器。本研究需要用到多个传感器,其输出信号也各有差异,有的是输出电压信号,有的是工业用输出电流信号,这就要求我们对信号进行不同的处理。图4-1是工业处理模式示意图。

工业模式中输出电流是4-20mA,通过250欧精密电阻可以转变成1-5v的电压信号,再通过阻容滤波的电压信号输送到A/D转换芯片。由于我们要求的基准电压是+5v与+1v,但是本研究中NAP-505的输出电流只有0-50uA,所以需要将电阻提高到100k。

图4-1 工业处理模式

当输出信号为电压时,要通过放大器才可以给A/D芯片使用。本研究中所使用的是LM358放大器。

放大器种类很多,这里主要介绍差动放大器,它是一种典型的、用途广泛的仪表放大器。差动放大器和高精度LM358以及几只电阻器就可以构成具有优越性能的仪表用放大器。这种组成在工业自动控制、电气测量、仪器仪表等数字采集领域中广泛使用。图4-2是本研究设计的差动放大电路结构图。

图4-2 差动放大器结构图


4.2 ADC0809的数据采集单元

ADC0809拥有8个通道的模拟输入线(IN0~IN7),可以通过程序对各个通道进行A/D转换,从而得到8位二进制数字量(D7~D0)。

模拟输入区域有8个多路开关,可通过3位地址的输入ADDA、ADDB以及ADDC的不同组合进行选择,ALE是地址锁存信号,对高电平有效,可以锁存三条地址输入信号。主体区域采用的A/D转换电路是逐次逼近式的,其中CLK对内部电路工作进行控制,START是启动命令,只对高电平有效,用于启动ADC0809内部的A/D转换,一旦A/D转换完成,输出信号EOC开始工作,OE是输出允许信号,对高电平有效,启动输出三态缓冲器可以将转换后的数据传送给DB。

4.3 声光报警单元

煤气泄露测试装置中声光报警是必不可少的一部分,一旦装置检测到CO气体体积浓度超标,就会通过声光形式发出警报,防止CO气体过渡泄漏造成意外事故。

本文中设计的声光报警主要由蜂鸣器和红、黄两个LED报警指示灯组成。

声光报警作用原理是:

(1)绿灯亮说明CO气体体积浓度处于正常范围,这时红、黄灯不亮,排风扇与蜂鸣器不工作;

(2)红灯亮说明CO气体体积浓度达到下限值,绿、黄灯不亮,蜂鸣器发出报警声;

(3)黄灯亮说明CO气体体积浓度30秒内的变化速率高出下限值,这时绿、红灯不亮,蜂鸣器发出报警声;

(4)红、黄灯同时亮表明CO气体体积浓度达到下限值并且30秒内变化速率也将高出下限值,这时绿灯不亮,蜂鸣器发出报警声;

单片机自身I/O的驱动能力不高,需要在蜂鸣器的驱动中加入PNP三极管,增强蜂鸣器报警声音强度,更有利于警示人们。三极管基极的电路确保单片机输出低电平时蜂鸣器才发出报警声,有效避免发生误报警的情况。图4-3是声光报警电路图。

图4-3 声光报警

4.4 排风扇的控制系统与切断阀

光电隔离器是一种常用的开关器件。其种类很多,包括发光二极管/光敏复合晶体管、发光二极管/光敏三极管、发光二极管/光敏电阻以及发光二极管/光触可控硅等类型。光电隔离器的组成部分包括GaAs红外线二极管与光敏三极管。

光电隔离电路在电隔离时以光为煤介进行信号的传送,从而隔离输入与输出电路。具有降低系统噪声,消除接地回路的干扰,加快响应速度,提高使用寿命,减小体积等优点。广泛使用在微机系统的前、后向通道。

继电器是一种普通的控制器件,其组成部分包括通电线圈与触点。线圈通电产生磁场使得开关触点闭合(或打开),线圈断电使得开关触点断开(或闭合)。继电器一般使用直流低电压;但是触点输出部分则直接和220V电压相连;继电器也能够和低电器配合使用。继电器种类包括干簧管继电器、电磁继电器以及固态继电器(也叫半导体继电器)等。

图4-4 光电隔离电路

图4-4是光电隔离电路示意图,从中可以看出,开关P2.2输出的是高电平,通过反向驱动器7406转变成低电平,使得发光二极管发光,导通光敏三极管,从而实现晶体管8050导通,使得继电器J的线圈通电,闭合继电器触点,接通220V交流电源,最终启动排气扇,降低CO浓度,实现预警效果。但是当P2.2输出的是低电平时,S1断开。图中电阻R1是限流电阻,二极管V起保护晶体管8050的作用。继电器J闭合时,二极管V不导通,但对电路工作没有影响。继电器断开时,因为继电器线圈中仍有电感的存在,但是由于晶体管不导通,所以在线圈的两端会产生高感应电压。这时电压的极性是上负下正,正极连接晶体管的集电极。但是当感应电压和VCC的总电压高于晶体管8050的集电极反向电压,就有可能会损坏晶体管。二极管V的加入,可以对继电器线圈产生的感应电流进行分流,最终保护晶体管8050。

切断阀控制电路和排气扇装置电路很相似,只需将风扇换成切断阀即可,其电路工作原理及其相似。

第五章 传感器的选用

本研究设计的气体检测报警系统主要使用在家庭中,由于一氧化碳对人体有着较大的伤害作用,所以我们选用对一氧化碳较为敏感的MQ-9传感器,它的价格相对便宜,精确度适中,比较适合家庭使用。

MQ-9传感器中装有活性炭过滤器,可以吸附杂质气体,消除不必要的干扰,由于其对有机溶剂或其它易挥发性气体的灵敏度低,而对H2与CO有着较高的灵敏度,所以在人工煤制气检测中很适用。本研究主要是研究其对CO的检测功能。


第五章 结论


现阶段,CO气体泄露测试工作具有十分重要的意义。本研究结合单片机技术、传感器技术以及信号分析与处理技术,使得CO气体泄漏测试系统实现数字化、智能化以及微型化,但是在检测精度和可靠性等方面仍有待加强。

通过对本研究的设计进行分析,得出以下几点结论:

(1)测试系统的核心硬件是集成芯片A/D转换等功能丰富的AT89S51单片机,结构相对简单,目前已经实现煤气检测数字化,为将来实现智能化打好坚实的基础,有助于提高CO气体检测的可靠性。

(2)通过使用线性内插值计算方法解决传感器的非线性问题,加快传感器运行速度,提高校正精度,最终实现报警准确性的提高。

(3)进一步改进了系统的检测精度等问题。

(4)针对生产现场的气体泄漏检测需要解决零点漂移的抑制问题,通过深入的研究找到一种不需要人为干预的零点漂移抑制办法。

(5)通过研究解决温度变化对系统测试的影响。

(6)研究新的方法解决报警器报警闭值确定的难题,提高检测的可靠性。


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