1、本科畢業設計 題 目：基于單片機的家用煤氣報警器裝置學 院： 信息科學技術學院 專 業： 電子信息工程 學 號： 080802324 學生姓名： 楊 程 指導老師： 王曉斐 摘要 煤氣，如今已經成為人們生活生產應用最廣泛的燃料之一。不僅工業上常用到煤氣，人們的日常生活更是離不開煤氣。人們在使用煤氣的時候，安全問題就顯得格外重要。那么，如何確保人們處于安全的環境之中呢？煤氣報警器，就為人們的安全加了一把鎖。 本設計是基于單片機的家用煤氣報警器。利用半導體式CO氣體傳感器，將空氣中CO氣體的濃度轉換成為模擬電壓輸出，然后通過ADC0809進行A/D轉換，將模擬電壓信號轉換成為數字信號輸出，該信號傳

2、入單片機AT89C51中，進行進一步的處理并與預設的報警值進行比較。當達到報警值的時候，輸出報警信號，觸發光電隔離電路，控制外接排風扇的開啟與煤氣閥門的關閉。與此同時，聲光報警電路也被觸發，進行聲光報警，從而，實現煤氣報警器控制與報警功能。AbstractGas, has now become one of the most widely used fuel in peoples lives, production and application. Not only the industrial gas, peoples daily life is inseparable from the g

3、as. People in the use of gas, security issues, it is particularly important. Then ,how to ensure that people in a safe environment? Gas alarm, made a lock to the security of the people.This design is a microcontroller-based household gas alarm. By using the Semiconductor-type CO gas sensor, the conc

4、entration of CO gas in air is converted into an analog voltage output, and then through the ADC0809 A / D converter, the analog voltage signal into a digital signal output. The signals into the AT89C51, for further processing and to compare with the preset alarm value. When it reaches the alarm valu

5、e, alarm output, optical isolation circuit is triggered to control the external exhaust fan opening and Close the gas valve. At the same time, sound and light alarm circuit is triggered for sound and light alarm, in order to achieve a certain degree of control and alarm functions by the Gas alarm.目錄

6、第1章 前言51.1 論文研究目的及意義51.2 煤氣報警器的國內外現狀51.3 本設計的主要任務61.4 方案論證6第2章 系統設計92.1 總設計圖92.2 硬件設計思路102.3 系統框圖10第3章 各個模塊及功能123.1 CO氣體傳感器123.1.1 傳感器的概述123.1.2 CO氣體傳感器的工作原理133.2 溫度補償電路143.2.1 溫度補償電路143.2.2 OP07低噪聲高精度運算放大器163.3 A/D轉換模塊173.3.1 ADC0809的介紹173.3.2 ADC0809的工作過程183.3.3 ADC0809的引腳及其功能193.3.4 ADC08089芯片的性能

7、特點203.4 單片機AT89C51203.4.1 AT89C51 簡介203.4.2 AT89C51的功能特性概述213.4.3 管腳說明213.4.4 AT89C51的主要性能參數243.5 光電隔離控制電路243.5.1 使用光電隔離電路的背景原因243.5.2 光電隔離概述243.5.3 光電隔離電路工作過程253.5.4 光電耦合器263.5.5 繼電器概述273.6 聲光報警單元28第4章 軟件設計304.1 軟件設計總流程圖304.2 數據處理314.2.1 傳感器的非線性信號的處理314.2.4 數據處理步驟324.3 A/D轉換控制設計流程334.4 光電隔離電路程序設計流程

8、圖344.5 報警電路的控制程序設計流程圖344.6 設計結果354.6.1 仿真效果展示354.6.2 實物效果展示37總結39致謝40參考文獻41附錄421. 工程圖紙422. 部分程序清單43主程序：43數據采集程序：44第1章 前言1.1 論文研究目的及意義 隨著我國經濟與科技的發展，西氣東輸工程的進行和煤氣、天然氣的變革，煤氣等可燃氣已成為大部分中國家庭的燃料，為人們生活質量的提高與生活環境的改善做出巨大貢獻。雖然，現在人們已經意識到安全使用煤氣的重要性，但是，每年仍舊不斷有因煤氣泄露而造成的煤氣中毒事故發生。全國各地也還有不少因使用熱水器等各種家用電氣不當或電器產品本身存在質量問題

9、，而造成的一氧化碳中毒事故的事例。甚至，因為室內的煤氣濃度過高，而引起煤氣爆炸的事故也屢見不鮮。所以，怎樣防止煤氣中毒與爆炸從而保護人們自身與他人的安全已成為人們的迫切需要。因此，煤氣報警器的開發與研究就顯得格外重要。1.2 煤氣報警器的國內外現狀國外對煤氣報警器的研究開發從20世紀30年代就開始了，并且發展比較迅速。究其原因，一方面，是因為人們的安全意識增強，在物質生活質量日益提高的基礎上，對環境的健康安全程度以及生活的舒適度要求也進一步提高；另一方面，是因為法律法規的不斷健全，政府部門積極推動傳感器市場的發展。在科技與工藝發展的帶動下，傳感器生產工藝水平也得到了穩步提升，傳感器的集成度不斷

10、增大，使其體積也日益小型化，進而促使氣體檢測儀器的整體體積也越來越小，直接令各種氣體檢測儀器更加輕巧便攜，對于生產、運輸、實際應用與市場推廣等方面也有極好的效果。而我國，由于時代背景以及科學技術受限等原因，是在70年代初期才開始進行研制開發可燃性氣體報警器的。經過不斷地研究與開發，我國的可燃性氣體報警器發展也比較迅速，如今，可燃氣體報警器的生產型號多樣而且品種較為齊全，連應用的范圍也從原本簡單單一的煉油系統擴展到甚至絕大部分危險作業環境也可以適用的報警器。其不同種類的氣體報警器的產品數量更是在不斷的增加。但是，由于我國技術手段還不夠先進，科技仍需進一步提高，目前，我國可燃氣體報警器主要還是依賴

11、于國外先進的生產工藝以及傳感器技術。值得高興的是，近年來，我國的可燃氣體報警器在產品的穩定性與氣體選擇性上有了質的飛躍。 目前，氣體報警器按檢測氣體劃分可分為：可燃氣體報警器，有毒氣體報警器以及復合式氣體報警器。通過使用不同的傳感器來實現各種氣體報警器對不同氣體的檢測，而復合式氣體報警器技術比較全面，可以同時檢測可燃和有毒氣體。從應用范圍上講，煤氣報警器又可以分為：家用燃氣報警器、工業用燃氣報警器以及有毒有害氣體報警器。家用燃氣報警器是一種功能比較簡單的易安裝維護的居民家庭用的燃氣報警器，如果遇到燃氣泄漏的情況，報警器可以自動進行聲光報警，或者聯動其他外部設備等。有些更加智能化的報警器甚至可以

12、自動開啟排風扇，或者關閉燃氣的閥門。而工業用燃氣報警器以及有毒有害氣體報警器則只是在檢測探頭部分有些差異，但其整體在工作原理與實際應用中還是十分相近的。再細劃分，根據檢測環境的不同，工業燃氣報警器又可分為檢漏儀、控制器和探測器。1.3 本設計的主要任務 本設計是對基于單片機的煤氣報警器的設計研究，主要目標是實現家庭煤氣濃度的檢測以及報警。主要經過以下幾部分來實現：首先，利用傳感器進行CO氣體濃度的采集并輸出相應的電壓模擬信號，CO氣體濃度與輸出電壓VOUT呈線性關系，CO濃度越高，輸出電壓VOUT越高。該信號經過校正作為A/D轉換的輸入信號傳送到數模轉換模塊，數據轉換模塊將模擬信號轉換為數字信

13、號，然后傳送到單片機中，在達到門限值時，通過報警子程序來輸出報警信號。并對相應的驅動電路進行驅動，從而分別控制蜂鳴器、報警燈的運行以及切斷電路的工作，以實現對家庭煤氣濃度是否超標的實時監控。1.4 方案論證 CO氣體傳感器是本次設計的關鍵元件之一，是整個煤氣報警器的重要組成部分。煤氣報警器種類繁多，設計方案多樣，按所使用的傳感器可以分為：a 紅外式：利用紅外光照射到被測氣體上時，不同氣體對紅外光進行不同的選擇吸收的特點來進行測量與報警。它的優點是靈敏度比較高，具有較好的穩定性，有較強的抗交叉氣體干擾能力；其缺點是維護較為復雜，價格比較昂貴，通常適合實驗室使用。b 半導體式：利用一些半導體材料（

14、如金屬氧化物等），在一定溫度條件下，吸附被測氣體后，其電阻率發生顯著變化這一特點來檢測氣體中某種氣體的含量。其優點是比較靈敏，響應速度很快，使用壽命較長且成本比較低廉；缺點是受溫度的影響較大，容易受到環境的干擾，不適宜用來進行精確度要求較高的測量。 c 催化燃燒式：催化燃燒式氣體報警器是利用催化燃燒的熱效應原理，由檢測元件和補償元件配對構成測量電橋，在一定溫度條件下，可燃氣體在檢測儀元件載體表面及催化劑的作用下發生無焰燃燒，通過內部電阻的變化，進而輸出電信號。其優點是輸出信號線性好，指數可靠，價格便宜，不會與其他非可燃性氣體發生交叉感染；缺點是電流功耗大，不易做成總線連接，缺氧環境下檢測值誤差

15、較大。 d 電化學式：電化學式傳感器是以離子導電為基礎制成的。根據其電特性的形成不同,電化學傳感器又可以分為：電位式傳感器、電量式傳感器、電導式傳感器、電解式傳感器以及極譜式傳感器等。電化學式傳感器的靈敏度高，準確性好，具有極好的線性度，本身工作不消耗電能，并且氣體選擇性極為出色，體積小，操作簡單，攜帶方便，可以用于現場檢測并且價格比較低廉。缺點是：易受環境溫度及濕度的影響。影響半導體氣體傳感器靈敏度的因素：工作環境對報警器的影響，如存在高熱、高溫氣體，濕度大等；部分化合物對傳感器的影響；傳感器的安裝位置；設備維護是否及時；檢測介質對傳感器的影響。氣體傳感器需滿足以下基本條件：(1)可以有選擇

16、性地檢測某種單一氣體， 而對共存的其它氣體不響應或低響應；(2)對被測氣體具有比較高的靈敏度，并且能有效地檢測在允許范圍內的氣體濃度；(3)對檢測信號的響應速度比較快，重復性較好；(4)長期工作穩定性好；(6)制造成本低，使用與維護方便；(5)使用壽命長；每種煤氣報警器都有其各自的優缺點，考慮到要適用于家庭，實際操作簡單易行，以及盡可能降低成本的問題，本設計選擇了半導體式氣體傳感器。半導體式氣體傳感器靈敏度較高、對CO氣體的選擇性好、成本較低。第2章 系統設計2.1 總設計圖圖2.1 總硬件設計圖2.2 硬件設計思路 在本設計中，基于單片機的煤氣報警裝置的主要功能就是能夠準確而又快速的檢測出被

17、測氣體中CO氣體的含量，并判斷其是否超標。當氣體濃度達到預定的門限值時，聲光報警系統啟動以進行報警，并且實現切斷閥排氣的功能。為了實現以上功能，系統應該具備：CO氣體傳感器模塊、A/D轉換模塊、單片機系統模塊、光電隔離技術和切斷閥模塊、聲光報警模塊以及數據采集處理模塊。2.3 系統框圖 CO傳感器溫度補償運算放大A/D轉換單片機參數設置光電隔離接口繼電器切斷器排氣扇圖2.2 系統框圖系統整體工作流程介紹：如圖2.2所示。首先，由CO氣體傳感器獲取室內CO濃度的原始信號，經傳感器內部作用，改變傳感器內部電阻，從而輸出該CO氣體濃度下對應的輸出電壓，再經過溫度補償電路的校正，得到一個較真實的模擬電

18、壓值。經過放大電路的放大，得到一個可以匹配的電壓模擬信號，并將信號送入到A/D轉換模塊，獲得相對應的數字量信號，再由單片機對得到的數字量信號進行處理。最后，根據系統事先已經設定好的限值參數與該數字量進行比較判斷，以確定CO濃度是否超標。若超標，則單片機立即向光電隔離接口輸出控制信號，啟動光電隔離電路，然后通過繼電器打開排氣扇，關閉閥門。同時啟動預警信號進行聲光報警。若未超標，則光電隔離部分與報警系統均處于關閉狀態。目標參數如下：檢測對象：CO氣體；應用范圍：家庭；檢測范圍：01000ppm的CO氣體；工作濕度范圍：1095%RH；報警濃度：電池電壓：+12V；工作溫度范圍：-20+70攝氏度；

19、響應時間：30msppm：濃度單位，表示百萬分之一，常用來表示氣體/液體濃度；%RH：表示相對濕度的單位名稱。第3章 各個模塊及功能3.1 CO氣體傳感器3.1.1 傳感器的概述 在半導體式傳感器中，我選用了Motorola生產的一種專門適合家庭使用的應用了全微電子工藝制成的半導體氣體傳感器，即MGS1100型CO氣體傳感器。其結構如圖3.1所示。最下邊是微型Si橋底座，其中嵌入一個加熱器，再在加熱器上面制作一層SnO2薄膜。CO與SnO2薄膜有一定的接觸面，并發生反應。這種結構可以使得SnO2薄膜對CO氣體具有較高的敏感性,而且硅膜是熱的不良導體，能夠減少熱傳導的損失,從而大大降低了功耗。作

20、為CO氣體敏感元件，MGS1100具有穩定性好、對CO響應的選擇性好，靈敏度高等特點。圖3.1 MGS1100 CO傳感器橫截面圖 傳感器的封裝外表如圖3.2所示。共有4個管腳，其中，2個為加熱端（管腳1和3，腳3接地），2個為傳感器輸出端（管腳2和4），引腳圖如圖3.3所示。 圖3.2 封裝外形圖 圖3.3 MGS1100等效電路引腳圖（頂視圖）3.1.2 CO氣體傳感器的工作原理 圖3.4 MGS1100典型測量電路本設計中采用串聯電阻檢測電路，把傳感器輸出電阻Rs與負載電阻RL串聯后加到一電壓源Vc上，如圖3.4所示。RL上的壓降為測量的輸出電壓Vout，通過傳感器的輸出電阻的計算公式：

21、Rs=（Vc-Vout）/Vout*RL 可以計算出輸出電壓Vout。為了減小濕度的影響，使傳感器對CO能夠具有最佳的敏感特性并且具有較好的穩定性和重現性。使SnO2層能夠達到預定的最佳溫度是非常重要的。在實驗前需要給加熱器通電，使傳感器在高溫狀態下清除SnO2表層的雜質與水分。實驗時，將傳感器放置在室內，若有CO泄漏到空氣中，則空氣中的CO氣體會與傳感器的SnO2薄膜層反應，從而薄膜層變小，導致電阻隨CO濃度的增大而減小，輸出負載電壓VRL（即式子中的Vout）則逐漸變大，因而，通過測量負載電壓就可以反應出被測對象的一氧化碳濃度。實驗數據見圖3.5 。圖3.5 CO濃度下的Rs值MGS110

22、0型一氧化碳氣體傳感器的特點：測量濃度范圍：0-1000ppm；測量精度：3%；分辨率：1ppm；工作溫度：-2070；零點漂移：ppm10。3.2 溫度補償電路3.2.1 溫度補償電路由于傳感器電阻Rs本身容易受到溫度的影響，若直接使用會產生誤差，經過放大器的放大之后，原本很小的誤差就會被擴大，從而影響最終的結果。所以，在這里，本設計使用了一個對稱的電橋溫度補償電路，RT為熱敏電阻，隨室內溫度而改變。如圖3.6所示，運用電橋補償法進行溫度補償。其中， RS為傳感器電阻，RL為負載電阻，R1為滑動變阻器，并選取OP07（在下面再做介紹）放大器組成差分放大電路。圖3.6 電橋式溫度補償電路電路工

23、作原理：溫度升高時，由于溫度的影響，傳感器電阻Rs變大，而負載電阻RL不變，由Vi1=Vcc/（RL+Rs）*RL可知，傳感器輸出的電壓Vi1減小了。即傳感器發生零點漂移。為了消除該漂移的影響，在此，本設計采用了電橋式溫度補償電路。熱敏電阻RT隨溫度的升高，其電阻變大。根據電橋式溫度補償電路的原理，當RS、RT均隨溫度升高而增加的時候，只需調整滑動變阻器R1的阻值，即可保持RT/RS=R1/RL。滑動變阻器R1上的電壓為Vi2，則有： Vi2=Vcc/(RT+R1)*R1。而輸出電壓Vi=Vi1-Vi2=0，即保證了傳感器在零點輸出為0，消除了零點漂移的問題。此后，保持滑動變阻器阻值不變，傳感

24、器電阻RS只隨CO氣體濃度變化而改變，導致輸出電壓Vi1變動，電壓差Vi=Vi1-Vi2作為輸入信號，經放大電路放大：Vout=100k/10kVi=10（Vi2-Vi1），得到放大后的電壓信號Vout，作為A/D轉換的輸入信號。電壓增益Av=Vout/（Vi2-Vi1），本實驗中，放大10倍。3.2.2 OP07低噪聲高精度運算放大器 本設計選用OP07放大器組成一個差分放大電路。OP07作為一種低噪聲非斬波穩零的高精度雙極性運算放大器，具有極低的輸入失調電壓，因為可以無需額外的調零措施。另外，OP07還具有開環增益高以及長期穩定等特點。可以廣泛應用于精密絕對值電路、高增益的測量設備、比較器

25、以及微弱信號的精確放大等。 圖3.7 OP07 D-8線圖 圖3.8 OP07 電路圖OP07的特點：3.3 A/D轉換模塊3.3.1 ADC0809的介紹ADC0809是美國國家半導體公司生產的CMOS單片型逐次逼近式A/D轉換器，它由8路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、8位開關樹型A/D轉換器、比較器以及逐次逼近寄存器、三態輸出鎖存器、邏輯控制和定時電路等其它一些電路組成。因此，ADC0809可處理8路模擬量的輸入，并且具有三態輸出能力，既可以與各種微處理器相連接，又可以單獨工作。其輸入輸出與TTL兼容。圖3.9 ADC0809內部結構框圖模擬輸入部分，ADC0809具有8個通道的模擬輸入線(

26、IN0-IN7)，可以選通8路模擬開關，允許8路模擬量輸入，共用A/D轉換器來進行轉換。ALE為地址鎖存信號，在高電平時有效。當ALE線為高電平的時候，可以由3位地址輸入ADDA、ADDB、ADDC的不同組合來選擇地址信號來進行鎖存。經譯碼后，被選中的通道的模擬量進入轉換器進行轉換。ADDA,ADDB,ADDC均為地址輸入線，用于選通IN0-IN7間的一路模擬量輸入。具體通道的選擇表如圖3.10所示。圖3.10 通道選擇表主體部分，ADC0809采用的是逐次逼近式的A/D轉換電路，由CLK控制內部電路的工作。START為啟動命令，在高電平時，所有內部寄存器清零；在低電平時，開始進行A/D轉換。

27、并且，在轉換期間，START需保持低電平。當轉換完成時，輸出信號EOC變為高電平。OE為輸出允許信號（轉換結束信號），高電平有效，用來打開輸出三態緩沖器,把轉換后的數字量送到數據總線上。OE=1時，輸出轉換得到的數據；0E=0時，輸出數據線呈現高阻態。 3.3.2 ADC0809的工作過程 首先，當模擬量送至某一輸入通道（IN0IM7）后，CPU將標識該通道編碼的三位地址信號經數據線或地址線分別輸入到ADDA、ADDB、ADDC的引腳上。然后輸入3位地址，并使ALE=1，從而將地址存入地址鎖存器之中。此地址經過譯碼，選通8路模擬輸入其中之一到比較器。START于上升沿，將逐次逼近寄存器復位，使

28、內部所有寄存器清零；START于下降沿時，啟動 A/D轉換，然后EOC輸出信號變低，用來指示轉換正在進行中。保持START處于低電平，直到A/D轉換完成，EOC變為高電平，指示A/D轉換結束，轉換好的數據已存入鎖存器，同時，EO=1這個信號可以用作中斷申請。當轉換結束時,OE輸入高電平（即0E=1），可以通過執行IN指令，在輸出允許OE腳上形成一個正脈沖，使輸出三態門打開，首先送出地址，然后將轉換好的數字量輸出到數據總線上，來供單片機使用。3.3.3 ADC0809的引腳及其功能圖3.11 ADC0809管腳圖ADC0809芯片共有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖3.11所示。各引腳功能:

29、 IN0IN7： 8路模擬量輸入端；D0D7： 8位數字量輸出端；ALE： 地址鎖存選通信號，輸入高電平有效；CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ（一般為500kHz）；ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路；VCC：電源，接5V；OE：數據輸出允許信號，輸入高電平有效。當A/D轉換結束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態門，輸出數字量；START： A/D轉換啟動脈沖輸入端，輸入高電平的時候有效（即輸入一個正脈沖，脈沖上升沿使ADC08009復位，下降沿啟動A/D轉換）； EOC： A/D轉換結束信號，轉換期間一直為低電平，當A/D轉

30、換結束時，此端輸出一個高電平；REF（+）、REF（-）：基準電壓輸入端,它們決定了輸入模擬電壓的最大值與最小值.；GND：接地。3.3.4 ADC08089芯片的性能特點單個+5V電源供電；具有轉換起停控制端；不需零點和滿刻度校準；低功耗，約15mV；8路輸入通道，8位A/D轉換器，即分辨率為8位；微處理器兼容（三態輸出）。轉換時間為100s(時鐘為640kHz時)，130s（時鐘為500kHz時）；工作范圍為-40+85攝氏度；模擬輸入電壓范圍為0+5V。3.4 單片機AT89C513.4.1 AT89C51 簡介AT89C51是一種低電壓、高性能的CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。本器

31、件采用了ATMEL高密度、非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集以及輸出管腳相兼容，自帶4K字節可閃爍可擦出可編程只讀存儲器。因為將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在了單個芯片之中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。AT89C51單片機已為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性較高并且價格低廉的方案。3.4.2 AT89C51的功能特性概述AT89C51能夠提供以下標準功能：4K字節Flash閃速存儲器；32個I/O口線；128字節內部RAM；兩個16位定時器；一個全雙工串行通信口；片內振蕩器；一個5向量兩級中斷機構；時鐘電路。與此同時，AT89C51可降至0Hz進行

32、靜態邏輯操作，并且支持兩種軟件可選的節電工作模式：掉電方式與空閑方式。掉電方式時，振蕩器停止工作并且禁止其它所有部件的工作，但保存RAM中的內容，直到下一個硬件復位；空閑方式時，停止CPU的工作，但允許計數器/定時器，串行通信中斷系統以及RAM保持繼續工作。3.4.3 管腳說明管腳圖如圖3.12所示圖3.12 89C51的引腳排列圖管腳介紹：VCC：供電電壓,接+5V電源；GND：接地；P0口：是一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8個TTL門電流（TTL電路中流過的電流，TTL是晶體管-晶體管邏輯電路），即地址/數據總線復用口。當P0口的管腳第一次寫入1時，被定義為高阻輸入。在訪問外部程

33、序存儲器或數據存儲器時，它可以被定義為數據/地址的低八位。在FLASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，接收指令字節；當FLASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高（即外接上拉電阻）。P1口：是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能驅動4個TTL門電流。P1口管腳寫入1時，被內部上拉為高，可用作輸入；P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為低八位地址接收。P2口：是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口的緩沖器可以驅動4個TTL門電流。當P2口被寫“1”時，被內部上拉電阻拉到高電平，可以作為輸入。并

34、因此，P2口被外部拉低，將輸出電流； 當P2口用于16位地址外部數據存儲器或者外部程序存儲器來存取數據時，P2口用來輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，P2口利用其內部上拉的優勢，當讀寫外部八位地址數據存儲器時，P2口輸出它特殊功能寄存器里邊的內容。在FLASH編程和校驗時，P2口能夠接收高八位地址信號和控制信號。P3口：是8個提供內部上拉電阻的雙向I/O口，可以驅動4個TTL門電流。當P3口寫入“1”時，被內部上拉為高電平，并且用作輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）。在FLASH編程和校驗時，P3口能夠接收一些控制信號。P3口除了做一般的I/O口線外，還具有更重要的第二

35、功能：如表格3.13所示。表3.13 P3口第二功能表XTAL1：內部時鐘工作電路的輸入以及反向振蕩放大器的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。ALE/PROG：在FLASH編程時，此引腳用來輸入編程脈沖；在訪問外部存儲器時，地址鎖存所允許的輸出電平用來鎖存地址的低位字節。而平時，ALE端則以不變的頻率輸出正脈沖信號，并且頻率為振蕩器頻率的1/6。因此，它可以用作定時或者對外部輸出的脈沖。值得注意的是：當用作外部數據存儲器時，需要跳過一個ALE脈沖。另外，該引腳被略微的拉高，因而如果微處理器在外部執行狀態ALE則禁止，置位無效。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，需保持RST兩個機器周期

36、的高電平狀態。EA/VPP：外部訪問允許。當EA保持低電平時，CPU僅訪問外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。需注意的是，加密方式1時， 復位時內部會所存EA端的狀態；當/EA端保持高電平時，CPU執行內部程序存儲器的指令。在FLASH編程期間，此引腳用于施加+12V的編程允許電源（VPP）。PSEN：外部程序存儲器的讀選通信號。在AT89C51由外部程序存儲器讀取指令時，每個機器周期輸出兩個脈沖（兩次PSEN有效）；在訪問外部數據存儲器時，將不出現這兩次有效的/PSEN信號。3.4.4 AT89C51的主要性能參數可編程串行通道；低功耗的閑置和掉電模式；4K字

37、節可編程閃爍存儲器；壽命：1000寫/擦循環；數據保留時間：10年；兩個16位定時器/計數器；1288位內部RAM；32可編程I/O線；全靜態工作：0Hz-24Hz；5個中斷源；3.5 光電隔離控制電路3.5.1 使用光電隔離電路的背景原因 在本設計中，由于電路的連接和芯片本身的運行會造成許多不小的誤差，而這些誤差可以影響到數據的傳輸，進而影響所連接的器件的響應，以致影響到最終的結果。有時這些瞬變脈沖甚至能傷害到互聯的設備。因此，為了克服以上缺陷，本設計在控制排氣系統與切斷閥門這一模塊中采用了光電隔離技術。3.5.2 光電隔離概述光電隔離電路的作用是指，在電隔離的情況下，以光作為媒介來傳送信號

38、，從而能夠對輸入和輸出電路進行隔離，因此，光電隔離電路具有有效抑制系統噪聲的功能，并且可以消除接地回路的干擾，有體積小、耐沖擊、壽命長且響應速度快等好處。因而能夠廣泛應用于強-弱電接口處，特別是在微機系統的后向與前向通道中。3.5.3 光電隔離電路工作過程如圖3.14所示。圖3.14 光電隔離電路（圖中包括兩部分：上半部分，即P2.3口所接電路為光電隔離控制閥門電路； 下半部分，即P2.2口所接電路為光電隔離控制排氣扇電路。）現以P2.3口所接電路為例，介紹下光電隔離電路的工作過程：如果，開關量P2.3的輸出為高電平，經過反向驅動器7406之后，變為低電平，促使發光二極管導通發光，從而激發對應

39、的光敏三極管導通，然后使晶體管8050導通，D1截止，繼電器導通，因而使繼電器K1的線圈通電，繼電器繞組吸合，從而繼電器的觸點完成規定動作，這樣就使220V電源接通，從而關閉閥門。反之，P2.3輸出的是低電平的話，經反相器反向變為高電平，發光二級管不導通，繼電器K1處于釋放狀態，開關保持斷開，閥門維持原狀。圖中電阻R12，R14均為限流電阻。二極管D1、D2的作用是保護晶體管8050，具體過程為：繼電器K吸合，此時二極管D截止，電路正常工作。繼電器釋放電流的時候，因繼電器線圈存在著電感，而此時晶體管D已經截止了，因而會在線圈的兩端產生一個較高的上負下正的感應電壓，而正端就連接在晶體管的集電極上

40、。該感應電壓與VCC的和有時有可能過大，若比晶體管8050的集電極反向電壓大，那么，晶體管就有可能損壞。但加入一個二極管D后，繼電器線圈產生的感應電流就可以通過二極管D流出了，因而二極管D能起到保護晶體管8050的作用。排氣扇裝置電路與切斷閥控制電路相類似，只是把切斷閥換成排氣扇就可以了，原理基本相似。電路圖即為圖3.14下半部分所示，由P2.2接出。3.5.4 光電耦合器光電耦合器也稱光耦合器，多用于開關控制電路中。光電隔離器的工作原理與光電隔離電路相同，都是以光為媒介傳輸電信號，從而達到對輸入、輸出信號的隔離作用。 光電耦合器包括兩部分：發光源以及受光器。具體的構造就是把發光源與受光器組裝

41、到同一個密閉的殼體內，殼內用透明絕緣體隔離。其中，發光源的引腳作為輸入端，而受光器的引腳作為輸出端。如圖3.15所示。 圖3.15 光電耦合器結構 （4腳封裝） 光電耦合器的分類：按通道： 單通道、雙通道以及多通道光電耦合器；按光路徑： 內光路光電耦合器、外光路光電耦合器；按封裝形式：同軸型、扁平封裝型、雙列直插型、貼片封裝型、TO封裝型、光纖傳輸型；按傳輸信號：線性光電耦合器、數字型光電耦合器；按速度： 高速光電耦合器、低速光電耦合器；按工作電壓：高電源電壓型光電耦合器、低電源電壓型光電耦合器；輸出形式： NPN三極管輸出型、光敏器件輸出型、功率輸出型、達林頓三極管輸出型、邏輯門電路輸出型、

42、光開關輸出型、低導通輸出型；按隔離特性：高壓隔離光電耦合器、普通隔離光電耦合器。3.5.5 繼電器概述作為光電隔離最重要的部分之一，繼電器起到了自動化控制的作用。本設計采用的是12V的電磁繼電器。繼電器是一種電控制器件。其具有控制系統（也稱輸入回路）與被控制系統（也稱輸出回路）之間的一種互動關系。通常繼電器應用到自動化的控制電路之中。繼電器實際上是一種能夠利用弱電流、低電壓電路去控制強電流、高電壓電路運作的“自動開關”。因而，它在電路中常常起著轉換電路、保護電路或器件安全以及自動調節等作用。繼電器結構圖如圖3.16所示。圖3.16 繼電器結構圖繼電器的工作原理：當在繼電器線圈兩端加上一定的電壓

43、時，線圈中會流過一定的電流，進而產生電磁效應。此時，銜鐵會在電磁力的吸引作用下克服掉返回彈簧的拉力，被吸向鐵芯，因而帶動銜鐵的動觸點和靜觸點吸合（即如圖上的3點與5點吸合）。線圈斷電時，電磁吸力隨之消失，銜鐵則在彈簧的反作用力的作用下返回到原來的位置，從而使得動觸點跟原來的靜觸點釋放。如此反復，便可以實現控制電路的導通或者切斷的目標。繼電器的分類：光繼電器： 是一種AD/DC并用的半導體式的繼電器的，發光器與受光器一體化的器件。信號是通過光信號傳輸的，但是輸入側與輸出側電氣性絕緣。優點是微小電流驅動信號、無接點、壽命半永久性、光傳輸、超小型；固態繼電器：是一種2個接線端輸入，另2個接線端輸出的

44、四端口器件。中間部分采用隔離器實現輸入與輸出隔離的。電磁繼電器：是一種由線圈、鐵芯、觸點簧片、銜鐵等組成的繼電器。通過在線圈的兩端加上電壓，是線圈充電，進而產生電磁效應，因而銜鐵可以再電磁力的作用下吸合鐵芯，最后帶動觸點吸合。其優點是可以遠距離控制，實現自動控制，利用低電壓來控制高電壓；熱敏干簧繼電器：是一種通過用熱敏磁性材料來檢測并且控制溫度的新型熱敏開關。熱敏干簧繼電器并不使用線圈勵磁，而是通過感溫磁環的溫控特性決定是否產生恒磁環，進而驅動控制開關。時間繼電器：是一種通過利用機械原理或者電磁原理來實現延時控制的控制電器。本設計中采用的就是電磁繼電器。因其具有可以實現自動控制，響應速度較快，

45、受外界干擾小，價格低廉，使用壽命長等優點。3.6 聲光報警單元聲光報警，又稱聲光警號，是一種通過聲音與各種光來向人們發送出警示信號的 報警信號裝置。作為一個合格的煤氣報警器，自然要起到報警作用，而聲光報警則是一種既安全又明顯的報警方式。在這里，本設計選擇了一種比較簡單的聲光報警方式，如圖3.17所示。圖3.17 聲光報警電路 本設計選擇了2個報警燈，分別是黃色以及紅色。當空氣中沒有較高濃度的CO溢出到空氣中時，即空氣中的CO含量未超過最低限制值時，兩盞燈均不亮，表示空氣環境正常，沒有發生煤氣泄漏；當發生煤氣泄漏時，經過信號的采集與處理后，得到報警信號，此時黃燈與紅燈交替閃亮，并且，單片機輸出低

46、電平，使三極管8550導通，從而激發蜂鳴器發聲報警。第4章 軟件設計4.1 軟件設計總流程圖開始程序初始化啟動A/D轉換，采集數據數字濾波判斷是否超過報警值進入報警處理子程序數據處理YN圖4.1 主程序設計流程圖 如圖4.1所示，傳感器檢測到CO氣體濃度并以電壓信號的形式傳送到ADC0809來進行A/D轉換。ADC0809將轉換好的數字信號傳送給單片機AT89C51進行數字濾波與數據處理，然后將該數據與預定的報警值相比較，判斷是否報警。最后，若需要進行報警，則進入報警子程序，啟動報警器；若無需報警，則輸出信號使ADC0809初始化，重復上述工作，繼續檢測。4.2 數據處理4.2.1 傳感器的非

47、線性信號的處理在人們使用傳感器時，希望傳感器的輸出量與其所測量的輸入量能夠呈現線性關系，但是，由于傳感器的測量誤差與內部因素等各種干擾因素的存在，在整個測量范圍內，傳感器的輸入-輸出特性常常并不是嚴格的直線關系。本設計中是通過傳感器與采集電路變換的而測得的電壓信號，而為了能夠更為真實的反應出CO濃度值，我選用了分段插值法來反應CO濃度與輸出電壓之間的關系。如下圖4.2所示，傳感器電阻隨CO濃度的升高而減小，進而傳感器電阻Rs分壓變小，RL負載上的輸出電壓變大。本設計選用的負載電阻大小為2.5K，分區間線性化對應直線的關系，用X表示氣體濃度值，Y表示輸出電壓值：1.濃度范圍：8，40） Y=1.

48、4+0.00097X 電壓范圍：1.40776 , 1.4388）2.濃度范圍：40,80） Y=2.64+0.00065X 電壓范圍：2.666 ， 2.692）3.濃度范圍：80,240） Y=3.3+0.00076X 電壓范圍：3.3608 ， 3.4824）4.濃度范圍：240,400） Y=4.1+0.00025X 電壓范圍：4.16 ， 4.2）5.濃度范圍：400,800） Y=4.3+0.00027X 電壓范圍：4.408 ， 4.516）圖4.2 輸出電壓與氣體濃度的對應曲線4.2.4 數據處理步驟開始確定某些區間對應的線性函數讀取電壓值Y確定Y所在電壓區間把電壓值Y帶入相應

49、的區間函數，求出對應的濃度值與門值電壓比較圖4.3 數據處理流程圖 如圖4.3所示，首先，根據傳感器測得的電壓信號，確定該電壓所在區間，找到電壓與氣體濃度相對應的比例關系，然后讀取電壓值，并將該電壓值代入到區間內的比例關系式中，計算得出相應的濃度值，與預定的門值進行比較，以此判斷是否進行報警。國際標準要求75ppm時在60180分鐘內報警，國內要求超過150ppm時報警，由于CO氣體對人體影響很大，而本設計主要為了實現及時報警與控制的目的，并且考慮到傳感器的測量范圍，決定在CO濃度達到80ppm時進行報警，即門值電壓設定為3.3608V。4.3 A/D轉換控制設計流程 如圖4.4所示。開始啟動

50、A/D轉換器產生中斷，讀取數據判斷一次A/D轉換是否結束結束NY圖4.4 A/D轉換控制程序流程圖如圖，當模擬量送至ADC0809輸入通道IN0以后，通過單片機控制，ALE置1，地址被所存在地址鎖存器中。START獲得一個脈沖，上升沿時使寄存器復位，下降沿時啟動A/D轉換。此時，EOC輸出低電平，表示ADC0809正在轉換。START與EOC均保持低電平，直至ADC0809完成轉換。然后進行一次A/D轉換是否完成判斷，若完成，EOC輸出高電平，作為中斷請求信號，通過反相器，傳送到AT89C51的INT0端。最后，由單片機使ADC0809的OE端輸入高電平，打開三態門，將轉換好的數字量輸出到數據

51、總線上；若未完成，則在進行判斷后繼續進行A/D轉換。4.4 光電隔離電路程序設計流程圖開始讀取氣體濃度值是否大于報警值返回監控狀態開啟排氣扇、關閉閥門YN圖4.5 光電隔離電路程序設計流程圖4.5 報警電路的控制程序設計流程圖 報警電路的控制程序設計流程如圖4.6所示。圖4.6 報警子程序流程圖讀取可燃氣體的濃度值之后，與門值比較，判斷其值是否大于預定的報警值。若超過，則啟動報警裝置；若沒超過，則返回監控狀態。4.6 設計結果4.6.1 仿真效果展示本設計使用protues軟件進行仿真，由于protues中缺少閥門與排氣扇的模擬器件，在此，使用了兩盞綠色的LED等來代替。不報警時，兩盞指示燈均

52、不亮；報警時，兩盞指示燈同時亮，表示閥門與排氣扇的控制同時啟動。另有兩盞LED燈（黃色與紅色）用作聲光報警裝置，當報警時，黃、紅亮燈交替閃亮，進行報警指示。不報警時，LED燈不亮。圖4.7 CO濃度未超標，不進行報警，4盞燈均不亮圖4.8 發生報警時，黃燈閃亮，代表閥門與排氣扇的綠燈均亮圖4.9 發生報警時，紅燈閃亮，代表閥門與排氣扇的綠燈均亮4.6.2 實物效果展示本設計考慮到在家庭中固定地點的應用，在發生煤氣泄漏時，煤氣報警器第一時間做出報警反應，以方便人們進行切斷煤氣源、撤離現場等一系列措施，CO濃度的顯示顯然只是增加成本而沒有起到實質作用。因而，本設計并未使用LCD顯示系統，而是使用了

53、LED燈來發送報警信號。報警時，紅、黃兩燈交替閃亮，效果簡單明了，如下圖所示。聲光報警展示：圖4.7 CO氣體濃度未超標時，紅、黃報警指示等均不亮 圖4.8 CO氣體超標時黃色報警燈閃亮 圖4.9 CO氣體超標時，紅色報警燈閃亮圖4.10 報警整體效果圖總結 作為保護人們日常使用煤氣安全的報警設施，煤氣報警器已然成為了大多數家庭不可缺少的家用報警裝置。市場上的煤氣報警器種類繁多，原理功能各式各樣，可謂“爭奇斗艷”。本設計采用了基于單片機的煤氣報警設計方案，運用傳感器技術、單片機技術、信號分析與處理技術等，實現煤氣報警器自動采集、分析數據并在CO氣體濃度超標時自動關閉閥門、開啟排風扇，同時觸發聲光報警的功能。本設計可以得到以下幾個方面的結論：1. 硬件系統設計方面： 以單片機89C51為核心，配合ADC0809實現了煤氣檢測的數字化。傳感器部分采用半導體式CO傳感器，具有靈敏度高，穩定性好等特點。通過溫度補償電路與放大電路，使輸出的電壓信號更加準確。經由A/D轉換電路，完成模擬量到數字量的轉換，再經過單片機在光電隔離電路的保護下，實現了排氣扇與閥門的開關動作、聲光報警控制等功能。2. 軟件系統設計方面： 由于傳感器自身的限制以及周圍環境的影響，導致傳感器的輸