1、目 錄摘 要iabstractii前 言iii第1章 緒 論11.1 課題背景11.2 燃氣報警器的概述21.3 課題研究的目的及意義21.4 系統設計任務2第2章系統方案設計42.1 設計要求42.2 設計思路42.3 設計方案52.3.1方案一52.3.2 方案二62.3.3方案三62.3.4 方案的確定72.4 系統方案組成72.4.1系統三大部分82.4.2系統框圖9第3章系統模塊設計103.1 氣體濃度檢測模塊103.2主控模塊103.3設置報警模塊14第4章硬件電路設計與分析154.1 系統電源的設計154.1.1 三端固定式集成穩壓器154.1.2 +5v電源電路的設計164.2

2、 信號采集放大電路的設計174.2.1氣敏傳感元件特性174.2.2 信號采集放大電路的設計184.3 a/d轉換電路的設計194.3.1 adc08096的介紹194.3.2 電路具體設計方法214.4 存儲器電路的設計224.5 顯示器電路的設計234.5.1顯示模塊lcd1602234.5.2 電路設計方法234.6 報警器電路的設計244.7 鍵盤電路的設計254.7.1 鍵盤的工作原理254.7.2 鍵盤的識別方法254.7.3 鍵盤的工作方式264.8 串口通信電路的設計274.8.1 rs-232標準274.8.2 接口信號229第5章軟件設計315.1 單片機編程3315.2

3、程序框圖和主要程序32第6章實驗調試356.1 硬件調試356.2 軟件調試356.3 調試結果35結 論36致 謝37參考文獻38附錄a39附錄b45附錄c48附錄d48哈爾濱理工大學遠東學院學士學位論文煤氣報警器摘 要全國燃氣行業發展迅猛，液化氣、天然氣、煤制氣等城市燃氣作為清潔能源已在工商業和城鎮居民用戶中得到廣泛應用，特別是隨著“西氣東輸”工程的快速進展，燃氣行業發展潛力巨大。但是隨著燃氣的廣泛應用，由于燃氣泄漏所引發的爆炸、中毒和火災事故也時有發生，這在某種程度上增加了城市的不安全和不穩定因素。為了使燃氣更好地造福于民，造福于社會，減少并杜絕各種因燃氣泄漏而引發的爆炸及火災事故，各燃

4、氣使用單位及居民用戶選擇一種適合的室內煤氣泄露報警器實為必要之舉。燃氣報警器的核心是氣體傳感器。當氣體傳感器遇到燃氣時，傳感器電阻隨燃氣濃度而變化，隨之產生電信號，供燃氣報警器后級線路處理。經過電子線路處理變成濃度成比例變化的電壓信號，由線性電路加以補償，使信號線性化，經微機處理、邏輯分析，輸出各種控制信號，即當燃氣濃度達到報警設定值時，燃氣報警器發出聲光報警信號并可顯示燃氣濃度或啟動外部聯運設備。本文正是通過分析目前燃氣報警器的現狀，設計制作室內故障監測報警系統，保障人們的生命財產安全。關鍵詞 煤氣泄漏 煤氣報警gas alarmabstract the rapid development

5、of the national gas industry, liquefied gas, natural gas, coal gas and other city gas as a clean energy business and urban residents in users has been widely used, and gas industry has great potential. but with the extensive use of gas, due to gas leak caused an explosion, poisoning and fire acciden

6、ts have also occurred to some extent, increased the citys insecurity and instability. in order for gas to better benefit the people, the benefit of the community, to reduce and eliminate all due to gas leak caused the explosion and fire, the gas unit and residential customers use to select a suitabl

7、e indoor gas leak alarm is actually necessary move. gas sensor is the core of combustible gas. when the gas face gas sensor, the sensor resistance change with gas concentration, the resulting electrical signal for processing of combustible gas line after the class. after dealing with electronic circ

8、uit into a voltage proportional to the concentration change signal to be compensated by the linear circuit, the signal linearization, by computer processing, logical analysis, the output of various control signals, that is, when the gas concentration alarm set value , combustible gas audible alarm s

9、ignal can display gas concentration or start an external transport equipment. it is through this analysis of the current status of combustible gas, indoor design fault monitoring alarm system to protect peoples lives and property.keywords gas leak gas alarm前 言當今，單片微型計算機技術迅猛發展，由單片機技術開發的智能化測控設備和產品廣泛應用

10、到各個領域，單片機技術產品和設備促進了生產技術水平的提高。而室內故障監測報警系統正是單片機應用系統中的一種。單片機應用系統由硬件和軟件組成。硬件是指單片機擴展的存儲器、輸入輸出設備以及各種實現單片機系統控制要求的接口電路和有關的外圍電路芯片或部件；軟件是指單片機應用系統實現其特定控制功能的各種工作程序和管理程序。只有系統硬件和軟件緊密配合、協調一致，才可能組成高性能的單片機應用系統。在單片機應用系統開發的過程中，應不斷調整軟、硬件，協調地進行軟、硬件設計，以提高工作效率。單片機應用系統的開發過程一般包括系統的總體設計、硬件設計、軟件設計和系統調試幾個階段。這幾個系統開發階段并不是相互獨立、各自

11、進行的，而應根據開發的實際需要，相互協調，交叉、有機的進行。實現氣體濃度檢測離不開高性能的氣體傳感器。從廣義上講，傳感器就是能感受外界信息并能按一定規律將這些信息轉換成可用信號的裝置；狹義上講，傳感器就是能將外界信息轉換成電信號的裝置。隨著新技術和自動化的發展，傳感器的使用數量越來越大，一切現代化儀器、設備幾乎都離不開傳感器18。在工業生產中，尤其是自動化生產過程中，用各種傳感器來檢測和控制生產過程中的各個參數，如溫度、壓力、流量、ph值等，以便使設備工作在最佳狀態，產品達到最好的質量。此次設計中所利用到的氣體傳感器就是要測量煙霧和煤氣濃度的動態信號，并且利用數模轉換芯片將濃度值轉換為數字值，

12、實現整個系統的檢測與報警功能，實現智能控制。本文的室內故障監測報警系統就是單片機應用系統的一種典型應用，要求能夠檢測煙霧和煤氣濃度，并且在氣體濃度超過給定值時能實時報警。由于煤氣中毒和火災是家庭小區以及礦工企業常見事故，給人們生命財產安全帶來了極大的危害。為了能減少事故的發生，提醒人們注意，迫切地需要室內故障監測報警系統。隨著電子技術與計算機技術的發展，面對各種檢測對象和大量的測試點，需要利用數據采集系統將多路被測量值轉換成數字量，再經過單片機或微型計算機進行數據處理，實現實時檢測。而此時采用單片機來實現室內故障監測報警系統不僅具有采集控制方便、簡單、靈活等優點，而且可以大幅度提高采集點的技術

13、指標，從而大大提高系統的可利用性。此次四路巡回檢測系統正是把adc0809與at89s51單片機有機的結合起來，也符合了本設計的要求。本人在此次設計中主要擔任了系統的硬件電路圖的設計、硬件的焊接和調試、軟件的設計、以及各個芯片資料查找與整理等工作。設計中超出了任務書所給的任務，提出了本室內故障監測報警系統在網絡中的應用方案。iii第1章 緒 論1.1 課題背景隨著國家經濟的提高，現代化、智能化的多功能建筑越來越多，對建筑的防火安全設計要求也愈來愈高。近年來，全國燃氣行業發展迅猛，液化氣、天然氣、煤制氣等城市燃氣作為清潔能源已在工商業和城鎮居民用戶中得到廣泛應用，特別是隨著“西氣東輸”工程的快速

14、進展，燃氣行業發展潛力巨大。以“西氣東輸”工程為開端的大規模天然氣利用工程的實施，意味我國城市燃氣將大踏步地進入“天然氣時代”。我國天然氣市場將迎來一個千載難逢的機會，城市燃氣需求的主要增長點將體現在天然氣上。2000年黨中央國務院提出“西部大開發”的重大戰略部署，特別是2002年“西氣東輸”第一期工程正式開工，這無疑為發展西部地區的燃氣產業帶來歷史性的機遇。西氣東輸工程，在西部優勢資源和東部廣闊市場之間架起了一座“金橋”，西氣東輸工程投入使用后，每年供應長江三角洲地區100億立方米天然氣。城市燃氣的普及與應用無疑對改善城市的環境質量和提高居民的生活質量發揮了巨大的作用。但是隨著燃氣的廣泛應用

15、，由于燃氣泄漏所引發的爆炸、中毒和火災事故也時有發生，這在某種程度上增加了城市的不安全和不穩定因素。為了使燃氣更好地造福于民，造福于社會，減少并杜絕各種因燃氣泄漏而引發的爆炸及火災事故，各燃氣使用單位及居民用戶選擇一種適合的室內煤氣泄露報警器實為必要之舉。“報警早，損失少”進一步說明了及時報警的重要性，在家庭里面也是如此，一旦發生火災，提早報警，可以及時將火撲滅，以免小火釀成大災。目前常用的有感煙、感溫和可燃氣體火災報警器。像家庭中在使用煤氣、液化石油氣和天然氣等燃料時，安裝一個可燃氣體報警器，當出現漏氣或著火時，報警器能夠立即鳴笛報警，告之主人及時采取措施。日本早在1980年1月開始實行安裝

16、城市煤氣、液化石油氣報警器的法規，1986年5月日本通產省又實施了安全器具普及促進基本方針。美國目前已有7個州11個城市通過立法，規定家庭、公寓等都要安裝一氧化碳報警器。隨著城市燃氣化的擴大，我國已有北京市、遼寧省、黑龍江省、山西省、哈爾濱市、青島市、大連等省市相繼發布燃氣安全管理文件，做到政府立法和百姓自身提高安全保護意識有機結合。煤氣的主要成分是co、氫和烷烴、烯烴、芳烴等。煤氣有毒是因為其中的co、芳烴等能與人體中的血紅蛋白結合，造成缺氧，使人昏迷不醒甚至死亡，在低濃度下也能使人頭暈、惡心及虛脫。一氧化碳（co）為無色、無味、無臭、無刺激氣體，比重0.967，幾乎不溶于水，不易被活性炭吸

17、附。當碳物質燃燒不完全時，可產生co，如人體短時間內吸入較高濃度的co，或濃度雖低，但吸時間較長，均可造成急性中毒。co主要來自取暖燃料，co對人體的損害主要表現在損害血液輸送氧氣的能力，co與血紅蛋白結合能力超過氧和血紅蛋白的結合能力的200-300倍，當co與血紅蛋白結合形成的碳氧血紅蛋白含量達到5%時，就會對人體產生慢性損害，達到60%時就會昏迷，達到90%就會死亡。由于發生一氧化碳中毒事件的普遍性和隱蔽性，迫切需要一種能夠很好的監控室內一氧化碳濃度的儀器，并且在一氧化碳濃度過高時能夠采取相關措施防止火災的發生，保護人們的生命財產安全。 本文正是通過分析目前燃氣報警器的現狀，設計制作室內

18、故障監測報警系統，保障人們的生命財產安全。1.2 燃氣報警器的概述 首先我們應對國家標準規定的燃氣報警器的種類有所了解。燃氣報警器可分為可燃氣體檢漏儀（簡稱“檢漏儀” ），可燃氣體報警控制器（簡稱“控制器” ）、可燃氣體探測器（簡稱“探測器” ）、家用可燃氣體報警器（簡稱“報警器” ）四大系列產品。報警器為居民家庭用的燃氣報警器，一般安裝在廚房，遇燃氣泄漏時，報警器可發出聲光報警，或同時伴有數字顯示，同時聯動外部設備。有的報警器可自動開啟排風扇，把燃氣排出室外。有的報警器在報警時可自動關閉燃氣閥門，以防燃氣繼續泄漏。 燃氣報警器的核心是氣體傳感器，俗稱“電子鼻”。當氣體傳感器遇到燃氣時，傳感器

19、電阻隨燃氣濃度而變化，隨之產生電信號，供燃氣報警器后級線路處理。經過電子線路處理變成濃度成比例變化的電壓信號，由線性電路加以補償，使信號線性化，經微機處理、邏輯分析，輸出各種控制信號，即當燃氣濃度達到報警設定值時，燃氣報警器發出聲光報警信號并可顯示燃氣濃度或啟動外部聯運設備（如排風扇、電磁閥）。選擇一款優質的燃氣報警器，首先要選擇質量過關的傳感器。質量不過關的傳感器，一般16個月性能就下降，因而失去報警器的安全性，出現不報警或誤報警現象，而一種好的傳感器可連續使用十幾年，特性也不會有什么變化。但是，報警器中的其它電子元件的壽命都是有限，先進國家也規定燃氣報警器的有效期最多為五年。報警器都存在著

20、檢測誤差，只有誤差降低在5%以內這個報警器才符合使用要求。這就要求了煤氣傳感器性能必須符合這個條件，高精度的傳感器是系統的靈魂。氣體傳感器受濕度、溫度的影響較大，在條件需要的時候應該采用溫度、濕度補償來提高測量精度。1.3 課題研究的目的及意義因此設計出性能更加可靠，經濟實惠的室內故障監測報警系統已成為市場的需要。目前，現有煤氣檢測儀器主要是面對工礦企業或公共場所的檢測，價格高昂，對家庭也是不適應的。因此，本次設計所面對的是廣大居民，其優點在于：（1）成本低廉并能對煙霧和煤氣準確報警。（2）該產品無需專業人員操作，只要放在合適位置，通電即可，連續使用、方便簡捷。（3）能起到預防煤氣中毒的效果，

21、使人們高枕無憂。該產品必須能夠有效預防廣大農村居民的冬季燃煤取暖一氧化碳中毒事件的發生，同時也能夠給城鎮居民安全使用煤氣提供有力的保障。1.4 系統設計任務 本文利用單片機電路制作室內故障監測報警系統。設計過程中關鍵的兩個部分：系統硬件的設計和控制軟件的編寫。這也是在設計過程中需要解決的關鍵的問題。（1）硬件任務單片機室內故障監測報警系統的硬件主要有3大部分，即濃度檢測和顯示模塊、主控模塊和設置報警模塊。濃度檢測模塊主要由半導體氣體傳感器qm-n5組成，它是整個系統中關鍵的元件；顯示部分由lcd1602組成。主控模塊由單片機及其相關軟件組成，由程序對單片機進行控制。設置報警模塊主要由鍵盤和報警

22、器等組成，這個模塊是對報警煤氣濃度進行設置和濃度過高的時候進行報警處理。硬件的設計需要單片機、模電及其數電的相關知識。在解決這一問題的過程中，需要查閱大量資料，結合所學知識，向老師獲取幫助。（2）軟件任務它的軟件設計主要包括主程序和中斷處理兩大部分：主程序要完成i/o口，定時器的初始化及對中斷輸入的設定，然后延時使傳感器進入穩定工作狀態，等待定時器的中斷；中斷處理程序根據具體情況需要有相應的子程序。要對程序進行多次調試，分塊編程。對各個子程序塊所解決的問題要相當明確。最后在制作完成硬件電路板后要調試出設計要求的功能。第2章系統方案設計設計就是根據題目的要求而對硬件和軟件進行規劃，并選擇最合適的

23、硬件電路和軟件程序來達到目的。硬件設計是通過對設計要求的分析，對各種元器件的了解，而得出分立元件與集成塊的某些連接方法，以達到設計的功能要求。并且把這些元器件焊接在一塊電路板上。它包括對各種元器件的功能和接法的了解，以及對各種元器件的選擇和設計方案的選擇。軟件設計是分析設計的硬件用程序實現其功能，并且調試優化產品功能。2.1 設計要求設計的監測報警系統應實現如下功能：系統能巡回檢測四個不同位置的煙霧和煤氣濃度，把檢測到的信號送單片機處理，處理過的數據送顯示器顯示和送存儲器保存，在煙霧和煤氣濃度達到設置值時系統啟動報警。2.2 設計思路本設計擬按以下思路展開研究：（1）根據該設計要實現的基本功能

24、，設計大致應該分為信號采集放大，信號處理控制，系統設置報警三個部分。信號采集部分即通過氣體傳感器檢測室內氣體濃度，將這種變化量轉化成電壓模擬量的變化，然后通過運放進行必要的放大。信號處理部分是將采集到的模擬信號轉換成數字信號，送入控制器進行處理，并將處理過的信號送存儲器保存和送顯示器顯示。系統設置報警部分是通過預定控制方式并利用蜂鳴器報警實現系統的準確操作。（2）依據上面所說的思路，得到如下一些基本的結論：信號采集部分為了能準確采集到氣體濃度的變化應選用半導體氣體傳感器，為使其有效的檢測室內氣體濃度，采用電阻型半導體氣體傳感器；而放大部分使用運放進行比例和反相兩級放大。信號處理部分為了實現精確

25、控制，采用單片機較為合適。將模擬信號送a/d模塊進行模數轉換，經過處理后送存儲器保存和送顯示器顯示。系統設置報警部分可以考慮采用44鍵盤設置初始值和蜂鳴器報警。根據對上面設計系統的分析，我們得到該設計思想框圖如下圖2-1所示：將上述設計思想結合設計要求總結為：單片機電路制作室內故障監測報警系統對室內四個不同位置的煙霧和煤氣濃度進行巡回監測；由電阻型半導體氣體傳感器采集煙霧和煤氣的濃度；采集到的信號送入a/d模塊完成a/d轉換；最后將數據送入單片機進行數據處理；處理過的數據送存儲器進行保存以方便調用；處理過的數據經過比較，若超過預先由鍵盤設定的值則觸動報警器報警；由單片機處理過的數據都送顯示器或

26、經串口接口調用送電腦進行再處理。信號采集放大信號處理控制系統設置報警圖2-1 設計思想框圖2.3 設計方案2.3.1方案一采用單個傳感器檢測房間氣體濃度，將檢測的到濃度信號送入a/d芯片中進行模數轉換，利用at89s51單片機控制觸動蜂鳴器進行聲音報警以及將氣體傳感器檢測到的濃度值在液晶顯示器上顯示出來。分析：此設計雖然簡單，但是存在著嚴重的問題。采用單個傳感器檢測房間氣體濃度是不合適的。氣體傳感器所測量的值經常會發生變化。在一段短時間內可能很穩定，而在一段較長時間內則可能有緩慢起伏，或呈周期性的脈動變化，甚至出現突變的尖峰。氣體傳感器主要通過兩個基本特性-靜態特性和動態特性來反映傳感器的這種

27、變動性。 靜態特性通常反映在靈敏度上。所謂的靈敏度，是指在靜態工作條件下，其單位輸入所產生的輸出，用s表示。（2-1）動態特性是氣體傳感器的特有問題，反映氣體傳感器對隨時間變化的輸入響應特性。動態特性好的氣體傳感器，其輸出特性曲線隨時間變化很小。動態特性的輸入與輸出關系不是一個常數，而是時間的函數，隨時間的變化而變化，因此常用傳遞函數表征。 （2-2）由此可見，氣體傳感器的輸入和輸出關系并非簡單的線性或曲線關系，要對氣體傳感器建立一個準確的溫度修正數學模型是很困難的。通常應用時，都忽略氣體傳感器的動態特性，根據其靜態溫度響應靈敏度，采取一定的措施對其進行補償。如通過溫度傳感器16測出環境的溫度

28、，對氣體傳感器的輸出特性曲線進行修正；或者直接對傳感器進行硬件補償。氣體傳感器特性總是會受到環境溫度、濕度的影響而變化，氣體報警器要能夠有效實現對環境氣氛的監控，有效避免誤報、漏報，提高測量的準確性，必須對氣體傳感器進行有效的溫、濕度補償和修正。本設計主要考慮如何有效實現傳感器的溫度補償。 傳統補償方式一般有硬件補償和軟件補償兩種。所謂硬件補償是指直接使用溫度傳感器在電路中對氣體傳感器進行補償，這種方式雖然簡單，但只有在溫度傳感器和氣體傳感器的溫度特性一致時，才能很好地補償；很難實現寬范圍的氣體傳感器和溫度傳感器的特性匹配。軟件補償方式通過傳感器的溫度特性曲線擬合進行算法補償，這種方式是以一定

29、的特性曲線作為基礎，對不同的工作環境和不同傳感器的溫度特性，用算法處理和查表修正以得到不同的補償效果。該方式較為復雜，對特性離散的傳感器，擬合效果差。為了解決這個問題，提出采用雙傳感器補償方式，具體來說就是選用兩個特性一致（實際上只能做到非常接近）的氣體傳感器來實現補償，把其中一個氣體傳感器a密封代替溫度傳感器，對另一氣體傳感器b進行補償。這樣的補償方式，不僅能較好地擬合氣體傳感器的靜態溫度特性，而且對傳感器的動態溫度響應也能同步實現補償23。由于方案一傳感器測量精度不高，所以不予采納。2.3.2 方案二采用雙傳感器5，采用相互補償的方法檢測房間氣體濃度，將檢測的到濃度信號送入a/d芯片中進行

30、模數轉換，利用at89s51單片機控制聲音報警以及將氣體傳感器檢測到的濃度值在顯示器顯示出來。分析：此設計方法雖然解決了傳感器檢測氣體濃度時溫度和濕度對測量值的影響，但是，在實際制作的過程中，需要利用的核心控制芯片必須最少具有4路8位a/d口，氣體和溫度敏感信號直接由a/d口采集后，進行一定的算法修正和軟件補償。由于本課題要求采用四路巡回檢測，如果采用本方案那么就需要8個特性相同的半導體氣體傳感器（4個密封檢測氣體濃度，另外4個做補償），為了達到更好的溫度修正效果，往往需要傳感器廠家的配合，在生產時對傳感器進行成對生產，以保證傳感器特性的一致性。并且主控制芯片采用常規的adc0809和單片機并

31、不支持，且制作硬件極其復雜，系統整體設計體積過大、功耗高、成本太高。單單采用此種方法并不能更好的提高測量性能，還需要加以軟件補償。由于采用此方案制作硬件極其復雜，系統整體設計體積過大、功耗高、成本太高，所以不予采納。2.3.3方案三采用高性能半導體氣體傳感器7，采用四路巡回檢測的方法檢測房間氣體濃度，將檢測的到濃度信號送入a/d芯片中進行模-數轉換，利用at89s51單片機控制聲音報警、鍵盤輸入、存儲器運行，并且將氣體傳感器檢測到的濃度值在lcd顯示器上顯示出來。分析：選用此方法設計電路不僅解決了溫度、濕度的影響，并且簡化了設計電路，降低了成本，采用此種方法設計主體電路。具體電路設計將在下文中

32、給出。通過搜集信息，提出本次設計采用qm-n5型氣體傳感器。現在特將此傳感器簡單介紹如下：(1) 特點：qm-n5型氣體傳感器8是以金屬氧化物sno2為主體材料的n型半導體氣敏元件，當元件接觸還原性氣體時，其電導率隨氣體濃度的增加而迅速升高。適用于天然氣、煤氣、氫氣、烷類氣體、烯類氣體、汽油、煤油、乙炔、氨氣、煙霧等的檢測，屬于n型半導體元件。靈敏度較高，穩定性較好，響應和恢復時間短。用它做成的報警器完全可以達到ul2034標準，不需溫、濕度補償。(2) 工作條件：工作電壓：5v 0.5v靜態功耗：0.5w(加熱絲冷態電阻為50 2)環境條件：溫度-10+50,相對濕度95%初期穩定時間：15

33、分鐘響應時間：10s恢復時間：60s檢測煤氣濃度范圍：5020000ppm(3)對一氧化碳反應的敏感度14： 圖2-2 系列一氧化碳濃度的條件下rl電壓的振蕩曲線。高濕高溫對傳感器的影響：根據測試結果表明，此傳感器可承受96%rh相對濕度、70的環境條件，但基電平升高。2.3.4 方案的確定 現今半導體氣體傳感器技術的不斷提高，使得在應用此類傳感器時不必采用溫度、濕度補償7，極大的簡化了電路和降低了成本。鑒于對以上三個方案的對比分析，方案三最符合設計要求，所以我選擇使用方案三來設計本次畢業設計的主體電路。2.4 系統方案組成本設計屬于單片機應用系統。它是單片機在系統檢測方面的應用，是典型的嵌入

34、式系統。通常將滿足海量高速數值計算的計算機稱為通用計算機系統；而把面向工控領域對象，嵌入到工控應用系統中，實現嵌入式應用的計算機稱之為嵌入式計算機系統，簡稱嵌入式系統。嵌入式系統一般分為四種:工控機，通用cpu模塊，嵌入式微機處理，單片機。嵌入式系統具有以下特點：(1)面對控制對象。如傳感信號輸入、人機交互操作,伺服驅動等。(2)嵌入到工控應用系統中的結構形態。(3)能在工業現場環境中可靠運行的品質。 (4)突出控制功能。如對外部信息的捕捉、對控制對象實時控制和有突出控制功能的指令系統(i/o控制、位操作和轉移指令等)。單片機有惟一的專門為嵌入式應用系統設計的體系結構與指令系統，最能滿足嵌入式

35、應用要求。單片機是完全按嵌入式系統要求設計的單芯片形態應用系統，能滿足面對控制對象、應用系統的嵌入、現場的可靠運行及非凡的控制品質等要求，是發展最快、品種最多、數量最大的嵌入式系統。2.4.1系統三大部分單片機應用系統的結構分三個層次。 (1)單片機：通常指應用系統主處理機，即所選擇的單片機器件。(2)單片機系統10：指按照單片機的技術要求和嵌入對象的資源要求而構成的基本系統,如時鐘電路、復位電路和擴展存儲器等與單片機構成了單片機系統。(3)單片機應用系統：指能滿足嵌入對象要求的全部電路系統。在單片機系統的基礎上加上面向對象的接口電路，如前向通道、后向通道、人機交互通道(鍵盤、顯小器、打印機等

36、)和串行通信口(rs232)以及應用程序等。單片機應用系統三個層次的關系如圖2-3:以此理解，單片機室內故障監測報警系統同樣具有單片機應用系統的三個層次。其中以at89s51單片機為核心構成單片機系統。在此系統中，檢測信號進入單片機進行運算處理，控制外圍電路。為了更好的理清設計思路，將整個系統細分為三部分加以設計說明。整個監測報警系統由三個部分組成，分為三大模塊：濃度檢測模塊、主控模塊和設置及報警模塊。在本次設計中，使用的核心器件是單片機9和qm-n5型氣體傳感器。為了保證整個系統可靠的運行，設計中必須明確三大部分的實際聯系：以單片機為中心，其他各大模塊一一展開。其中，濃度檢測及顯示模塊所實現

37、的功能是將房間中的煙霧和煤氣濃度值轉換成為單片機能夠處理的數字信號，并且將濃度值顯示出來；主控模塊以單片機為主，對其他模塊的運行進行控制；設置及報警模塊是此系統的外圍電路，它的功能實現形式最人性化，體現了智能控制，通過鍵盤設置報警濃度值，在檢測到煙霧和煤氣濃度超過設定值時會啟動蜂鳴器報警。單片機系統單片機單片機應用系統人機交互通道應用程序串行通信口后向通道前向通道圖2-3 單片機應用系統三個層次的關系2.4.2系統框圖本系統由三大部分九個不同電路組成，系統總的結構框圖如下圖2-4所示：一路傳感器adc0809二路傳感器 單片機at89s51三路傳感器四路傳感器2k存儲器報警器44鍵盤串口通信l

38、cd 5v電源圖2-4 系統結構框圖1） 信號采集部分：14路傳感器電路；2） 信號處理部分：a/d轉換電路，2k存儲器電路，lcd顯示電路，串口通信電路，單片機復位電路；3） 設置報警部分：44鍵盤電路，報警器電路。第3章系統模塊設計3.1 氣體濃度檢測模塊室內故障監測報警系統采用四路巡回檢測的方法，檢測器件采用qm-n5型氣體傳感器18檢測房間氣體濃度，檢測結果送入模/數芯片adc0809中進行模數轉換。目前，氣敏材料的發展使得氣體傳感器的靈敏度高、性能穩定、結構簡單、體積小、價格便宜，并提高了傳感器的選擇性和敏感性。現有的燃氣報警器，多采用氧化錫加貴金屬催化劑氣敏元件，但選擇性差，并且因

39、催化劑中毒而影響報警的準確性。半導體氣敏材料對氣體的敏感性與溫度有關。常溫下敏感度較低，隨著溫度的升高，敏感度增加，在一定溫度下達到峰值。由于這些氣敏材料在需要在較高溫度下(一般大于100)達到敏感度最好，這不僅要消耗額外的加熱功率，還會引發火災。 氣體傳感器的發展解決了這一問題。將氣體傳感器安裝在易燃、易爆、有毒有害氣體的生產、儲運、使用等場所中，及時檢測氣體含量，及早發現泄漏事故。并將氣體傳感器與保護系統聯動，使保護系統在氣體到達爆炸極限前動作，將事故損失控制在最低。同時，氣體傳感器的小型化和價格的降低，使之進入家庭成為可能。本設計選用了半導體氣體傳感器，半導體氣體傳感器主要使用半導體氣敏

40、材料。自從1962年半導體金屬氧化物氣體傳感器問世以來，由于具有靈敏度高、響應快等優點，得到了廣泛的應用，目前已成為世界上產量最大、使用最廣的傳感器之一。按照檢測氣敏特征量方式不同分為電阻式和非電阻式兩種。 電阻式半導體氣體傳感器是通過檢測氣敏元件隨氣體含量的變化情況而工作的。主要使用金屬氧化物陶瓷氣敏材料。隨著近年來復合金屬氧化物、混合金屬氧化物等新型材料的研究和開發，大大提高了這種氣體傳感器的特性和應用范圍。例如：wo3氣體傳感器可檢測nh3的濃度范圍為5ppm50ppm,zno-cuo氣體傳感器對200ppm的co非常敏感。 非電阻式半導體氣體傳感器是利用氣敏元件的電流或電壓隨氣體含量而

41、變化的原理工作的。主要有cmos二極管式和結型二極管式，以及場效應管式氣體傳感器。檢測氣體大多為氫氣、硅烷等可燃氣體。鑒于上述選擇要點，本文中用到的煙霧和煤氣傳感器必須具備測量效果好、功耗小、動態特性良好和體積小、重量輕、價格低廉幾個主要特征。為此我們選擇qm-n5氣體傳感器。它完全符合上述條件，并且最為主要的特點是此傳感器精度高，無需溫度補償。這樣不僅簡化了電路，而且還降低了成本，實為良好的選擇。3.2主控模塊系統選用單片機控制，采用at89s51單片機。它的主要功能即是和adc0809芯片一起共同接收檢測信號，又可以通過對數字信號的處理來控制外圍電路以及顯示電路。采集信號經過adc0809

42、處理后送單片機進行數據處理，處理后的信息將通過單片機控制，在lcd顯示器上顯示出來，并且送存儲器。下面來詳細介紹一下at89s51單片機：at89s51是一種帶4k字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（fperomflash programmable and erasable read only memory）的低電壓,高性能cmos8位微處理器,俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中,atmel的at89s51是一種高效微控制器。at89s系列單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。所以本設計我們選擇at89s

43、51單片機作為控制器的核心芯片。下面來介紹at89s51單片機13的引腳定義及功能：at89s51引腳圖如圖3-1所示，下面分別介紹其引腳。（1） 主電源引腳vss，vccvss(20腳):接地。vcc(40腳):主電源+5v。（2）外接晶振引腳xtal1（19腳），xtal2(18腳)xtal1：在單片機內部，它是一反相放大器輸入端，這個放大器構成了片內振蕩器。它采用外部振蕩器時，此引腳應接地。xtal2：在片內接至振蕩器的反相放大器輸出端和內部時鐘發生器輸入端。當采用外部振蕩器時，則此引腳接外部振蕩信號的輸入。圖3-1 at89s51引腳功能圖（3）輸入/輸出引腳p0，p1，p2，p3：p

44、0.0p0.7(3932腳):po是一個8位漏極開路型雙向i/o端口。在訪問片外存儲器時，它分時提供低8位地址和8位雙向數據，故這些i/o線有地址線/數據線之稱，簡寫為ad0ad7。在eprom編程時，從p0輸入指令字節，在驗證程序時，則輸出指令字節(驗證時，要外接上拉電阻)。pl.0p1.7(18腳):pl是一個帶內部上拉電阻的8位雙向i/o端口。在eprom編程和驗證程序時，它輸入低8位地址。p2.0p2.7(2128腳):p2是一個帶內部上拉電阻的8位雙向i/o端口。在訪問片外存儲器時，它輸出高8位地址，即a8a15。在對eprom編程和驗證程序時，它輸入高8位地址。p3.0p3.7(1

45、017腳):p3是一個帶內部上拉電阻的8位雙向i/o端口。在整個系統中，這8個引腳還具有專門的第二功能，在此，對p3口相應引腳用于控制信號時的情況如表3-1所示：表3-1 p3口的引腳功能引腳信號控制信號說明p3.0rxd串行數據輸入p3.1txd串行數據輸出p3.2int0外部中斷0p3.3int1外部中斷1p3.4t0定時器0輸入p3.5t1定時器1輸入p3.6wr寫存儲器信號p3.7rd讀存儲器信號（4）控制線（4條）rst：at89s51的復位信號輸入引腳，高電位工作，當要對芯片又時，只要將此引腳電位提升到高電位，并持續兩個機器周期以上的時間，at89s51 便能完成系統復位的各項工作

46、，使得內部特殊功能寄存器的內容均被設成已知狀態。ale/prog：ale 是英文address latch enable的縮寫，表示允許地址鎖存允許信號。當訪問外部存儲器時，ale 信號負跳變來觸發外部的8 位鎖存器 (如74ls373)，將端口p0 的地址總線(a0-a7)鎖存進入鎖存器中。在非訪問外部存儲器期間，ale 引腳的輸出頻率是系統工作頻率的 1/16，因此可以用來驅動其他外圍芯片的時鐘輸入。當問外部存儲器期間，將以1/12 振蕩頻率輸出。ea/vpp：該引腳為低電平時，則讀取外部的程序代碼 (存于外部eprom 中)來執行程序。因此在8031 中，ea 引腳必須接低電位，因為其內

47、部無程序存儲器空間。如果是使用at89s51或其它內部有程序空間的單片機時，此引腳接成高電平使程序運行時訪問內部程序存儲器，當程序指針pc 值超過片內程序存儲器地址(如8051/8751/89c51 的pc 超過0fffh)時，將自動轉向外部程序存儲器繼續運行。psen：此為program store enable的縮寫。訪問外部程序存儲器選通信號，低電平有效。在訪問外部程序存儲器讀取指令碼時，每個機器周期產生二次psen 信號。在執行片內程序存儲器指令時，不產生psen 信號，在訪問外部數據時，亦不產生psen 信號。以下是單片機的工作方式：單片機的工作方式包括：復位方式，程序執行方式，單步

48、執行方式，掉電、節電方式以及eeprom編程和校驗方式。1）復位方式 rst引腳時復位信號的輸入端。復位信號是高電平有效，高電平的持續時間應該在24個時鐘周期以上，若時鐘頻率為6mhz,則復位信號至少應持續4us以上，才可以使單片機可靠復位。復位以后，內部各寄存器進入下列狀態:pc 0000hacc 00hpsw 00hsp 07hdptr 0000hp0p3 ffhip *000000bie 0*000000btmod 00htcon 00htl0 00hth0 00htl1 00hth1 00hscon 00hsbuf 不定pcon 0*0000b復位后，程序計數器pc15的值是0000h

49、說明：at89s51單片機的程序起始位置是在內存的0000h，也就是說程序的第一條指令必須存入內存的0000h單元，程序才可能在復位后，直接運行。只要vcc上升時間不超過1ms，通過在vcc和rst引腳之間一個10uf電容，rst和vss引腳（即地）之間加一個10k的電阻，就可以實現自動上電復位，即打開電源就可以自動復位。也可以進行手動復位，在vcc和rst引腳之間接一個按鍵，即可以實現手動復位。復位電路可以參考圖3-2：圖3-2 單片機復位電路2）程序執行方式 程序執行方式是單片機的基本工作方式。所執行的程序可以放在內部rom、外部rom或者同時放在內外rom中。若程序全部放在外部rom中（

50、如對8031），則應使ea=0；否則，可令ea=1。由于復位后pc=0000h,所以程序的執行總是從地址0000h開始的。但真正的程序一般不可能從0000h開始存放，因此，需要在0000h單元開始存放一條轉移指令，從而使程序跳轉到真正的程序入口地址。3）單步執行方式 單步執行方式4是使程序的執行處在外加脈沖（通常用一個按鍵產生）的控制下，一條指令一條指令地執行，即按一次鍵，執行一條指令。序返回至少要在執行一條指令后才能重新進入中斷。將外加脈沖加到int0輸入，平時為低電平。通過編程規定int0信號是低電平有效，因此不來脈沖時總是處于響應中斷的狀態。在中斷服務程序中要安排這樣的指令：jnb p3

51、.2；若int0=0，不往下執行jb p3.2；若int0=1，不往下執行reti； 返回主程序執行一條指令4）掉電和節電方式 在掉電方式下，單片機的耗電降至最小。當電源恢復時，vpd應該保持足夠長的時間（約10ms），以保證振蕩器的起振和達到穩定，然后重新開始正常工作。在掉電方式下，cpu暫時不工作，但也隨時準備恢復工作。因此，內部時鐘并不停止工作，只是去cpu的路徑被門電路切斷，但仍然供應中斷電路、定時器和串行口。cpu的狀態被完整地保持起來，如pc,sp,psw,acc等都保持節電前地狀態，各i/o口也保持節電前地邏輯值，ale和psen均進入無效狀態。3.3設置報警模塊此模塊主要由鍵盤

52、、報警器5組成(相關的電路設計下一章將會有詳細的介紹)。氣體濃度經過鍵盤設置后送單片機記錄，在采集到的氣體濃度過大，超過安全值時單片機驅動蜂鳴器工作，提供報警服務。模塊的結構框圖如下圖3-3所示： 報警器 p3.3 單片機 int0 p2口圖3-3 設置報警模塊的結構框圖至此，本系統三大模塊功能和設計思路已經確立，下文將介紹整個系統的詳細設計過程，并且給出設計電路。第4章硬件電路設計與分析每一個設計都要以一定的知識為基礎，知識的多少在一定程度上決定了設計出來的東西的好壞程度。這些知識包括硬件知識和軟件知識。硬件知識用來設計硬件電路，以實現信號的采集、放大、轉換和顯示等功能。軟件知識用來設計芯片

53、處理數據的先后順序，數據的獲得途徑以及對數據做怎樣的處理和顯示功能等等。當然，在硬件電路里一些芯片是必不可少的，軟件設計也需要對芯片進行編程序。本章將介紹本次設計用到的一些基本知識和主要芯片。電路的設計都在建立在理論的基礎上。理論依據的成立與否在很大程度上決定了電路設計的成功，也整個系統能否實現的根本。為此，本章將著重介紹硬件電路的設計以及分析。4.1 系統電源的設計直流穩壓電源主要由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路所組成，以前電子設備中的穩壓器大都由分立元器件構成，現在研制成功了各種集成穩壓器。下面簡單介紹本設計使用到的電源器件：三端固定式集成穩壓器。4.1.1 三端固定式集成穩壓器

54、三端固定式集成穩壓器有78xx/79xx系列，它是固定輸出電壓式穩壓器，片內有過流保護和過熱保護功能，外接兩只電容就可以簡單構成穩壓電路，如圖4-1所示。當輸入電壓vi、輸出電流io或溫度變化時，輸出電壓vo可保持不變；另外當輸出短路，可使輸出電流io現在為一定值；若集成穩壓器過熱，則穩壓器停止工作，也避免穩壓器遭到損壞。圖中c1用以抑制過電壓，抵消因輸入線過長產生的電感效應并消除自激振蕩；c2用以改善負載的瞬態響應，即瞬時增減負載電流時不致引起輸出電壓有較大的波動。c1，c2一般選用滌綸電容，容量為 0.1 f 或者幾個 f。安裝時，兩電容應直接與三端集成穩壓器的引腳根部相連。 vi 1 3 vo vin vout gnd c1 c2 2圖4-1 三端固定式集成穩壓器78xx系列為正電壓輸出，79xx為負電壓輸出，各自有100ma、500ma和1.5a三個系列。78xx系列和79xx系列的管腳配置不同，在接線的時候要特別注意。如上圖所示，三端穩壓器的三端是輸入端vi、輸出端vo和公共端com，使用公共端通常接地。它的內部有效電路由調整管、保護電路、控制電路和誤差放大器等組成，vo-