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1、可燃气监测报警器软件设计电子信息工程 摘 要 随着城市煤气、天然气事业及化学工业的迅速发展，易燃、易爆的气体种类和应用范围在不断增加，这些易燃易爆气体在生产和使用过程中，一旦发生泄露将会引起中毒、火灾、爆炸等重大事故。在人们对安全生产的重视程度和生产技术手段不断提高的同时，可燃气体监测报警器正广泛地应用在这些领域中。可燃气体监测报警器是预防易燃易爆气体在生产和使用过程中发生泄露的报警装置。为了防止这类事故的发生，装设可燃气体监测报警器是非常必要的，可以及时发现事故隐患，及早采取补救措施。本论文主要阐述了可燃气体监测报警器的软件设计。报警器的总体工作流程是： A/D转换芯片将传感器送来的模拟量转
2、化成数字量送给单片机，然后进行数字滤波，数据处理，将电压信号转化成为对应的浓度值。最后，将实际可燃气体浓度送数码管显示，当有可燃气体浓度超出设定的限定值时，则单片机将驱动蜂鸣器实现报警功能。对应的软件设计包括：主程序设计，数字滤波设计，数据处理设计，气体浓度显示设计，报警设计等几个部分。 实验表明，本方法设计的可燃气体监测报警器具有性能稳定，测量准确等优点，因此，是一种具有较好实用价值的气体监测装置。 关键词 报警器；传感器；单片机；蜂鸣器Combustible Gas Monitor Alarm Apparatus- - Software DesignElectronic and Infor
3、mation Engineering Abstract: With the city gas, natural gas utilities and the chemical industry is developing rapidly, flammable, explosive gas type and range of applications is increasing, the flammable and explosive gases in the process of production and use, in the event of leakage will be caused
4、 by poisoning, fires, explosions and other major incidents. People of the importance of safety in production and the production of technical means to continuously improve, the combustible gas alarm monitoring is widely used in these areas. Combustible gas alarm monitoring is the prevention of explos
5、ive gas in the production and use of the leakage occurred during the alarm. In order to prevent the occurrence of such incidents, the installation of combustible gas alarm monitoring is essential to the timely detection of potential causes of accidents and take remedial measures. This paper elaborat
6、ed on combustible gas alarm monitoring software design. Alarm overall workflow is: A / D conversion chip will be sent to the analog sensors into digital to the microcontroller, and then proceed to digital filtering, data processing, the voltage signal into the corresponding concentration value. Fina
7、lly, the actual concentration of combustible gases to send digital display, when the concentration of combustible gases in excess of the limit value set, then the realization of single-chip drive buzzer alarm function. The corresponding software design include: the main program design, digital filte
8、r design, data processing, design, display design of the gas concentration, alarm and other parts of the design. The experimental results show that this method is designed to monitor combustible gas alarm has a stable performance, accurate measurement, therefore, is a good practical value of the gas
9、 monitoring device. Key words: alarm; sensor; single-chip;buzzer目 录1 引言11.1 课题背景和意义11.2 国内外研究现状11.3 本论文的主要任务22 可燃气监测报警器的方案设计22.1 设计要求22.2 可燃气检测仪的总体设计22.2.1 系统总体结构22.2.2 系统的工作流程32.2.3 可燃气监测报警器的功能32.2.4 AT89C52简介及主要功能特性42.3 本章小结43 可燃气监测报警器软件的设计43.1 主程序设计流程图43.2 A/D转换子程序设计53.2.1 A/D转换控制流程图53.2.2 A/D转换控
10、制程序设计流程图63.3 数字滤波子程序的设计73.4 数据处理83.5 显示子程序的设计103.5.1 数码管与单片机的接口电路控制流程图103.5.2 数码管与单片机的接口电路控制程序设计流程图103.6 报警子程序的设计113.6.1 报警电路控制流程113.6.2 报警电路控制程序设计流程图113.7 本章小结114 系统的仿真和测试124.1 仿真软件介绍124.2 模块仿真测试124.2.1 A/D转换模块测试124.2.2 显示模块测试134.2.3 报警模块测试134.3 本章小结14结束语14参考文献14附录15致谢1711 引言1.1 课题背景和意义随着我国改革开放的不断深
11、入，工业化的发展，人类的生活水平在不断地提高。然而工作环境的污染却不断地在增加。我们的生活环境中存在着各种各样的有毒有害，易燃易爆气体，从家用液化石油气、城市煤气以及天然气到工业生产过程中产生的气体、交通工具中排放的各种气体都在不断地污染环境，影响人类的生存。这些气体气体在带给人们能源、生产生活提供方便的同时，但是它们本身是有毒、易燃的化学物品，也给燃气燃具用户深深埋下了火灾、中毒、爆炸的隐患。由于人们感官缺乏对各种可燃气体的感知，特别是对可燃气体浓度的判断能力是有限的，因而研制出能够感知并判别气体的种类和测量气体浓度的仪器就变得尤为必要。因此本论文拟设计一种可燃气体监测报警器，用于监测空气中
12、可燃气体的浓度，并且能将气体的浓度显示在数码管上，当空气中的可燃气体的浓度达到一定的警界值时，发出报警声音，从而能够保障人们自身和生产与生活的安全。1.2 国内外研究现状在很多矿井的工作过程中，以及家用沼气、液化气灶的使用过程中，都会出现可燃气体泄露的情况，而这种情况一旦发生，就会引起爆炸或中毒，会产生极大的危害。目前已有的可燃气监测报警系统大概有以下几类：（1）采用气敏传感器，电源，信号转换电路，单片机，数码管显示，报警器，发光二极管构成的系统。采用气敏探头为半导体式气敏传感器，工作原理是随着探头附近可燃气体浓度上升，通电预热后的半导体构件对敏感气体的吸附作用，内部化学反应加快，气敏探头感应
13、体电阻值呈指数率下降，这种电阻的变化被信号转换电路将其转变成可以测量的电信号。将传感器电阻值的变化纳入方波产生器的时间常数，影响方波的宽度，而方波宽度的变化直接和燃气浓度相关，反映出是否有燃气泄露现象。设计在监测电路后级的单片机利用其内部定时器可精确测定方法宽度，通过公式计算即可计算出所探测到的燃气浓度参数。并通过数码管显示出来，当监测浓度值超过预先设置的危险门限时，立刻驱动报警器工作。该系统的优点所实现的可燃气监测系统监测全面,性价比高,运行可靠。但要求计算精确。（2）由监测元件，放大电路，报警系统，显示系统组成。可燃气体监测报警系统的监测原理主要有催化燃烧原理，热导原理，半导体原理和红外吸
14、收原理等结合而成。对于大多数可燃气体监测报警器均是采用催化燃烧原理制造。采用催化燃烧原理制造的可燃气体报警器工作原理是依据平衡电桥，这一平衡电桥其中一个桥臂为热敏元件，热敏元件的表面涂有催化剂，当桥臂流过的空气含有易燃易爆物气体时，有不平衡电信号输出，根据信号大小可得到空气中易燃易爆物的含量。当气体浓度达到预先设置的报警值时，仪器发出声光报警。该系统的优点所实现的可燃气监测系统操作，控制策略简单,成本低。但易受环境因素影响测量值。由于本课题的目标是设计一种性价比高，运行可靠，低成本的可燃气体监测报警器，因此，综合分析后决定采用以下方案。此方案设计的可燃气体监测报警器由稳压电源电路，数码管，单片
15、机，传感器，A/D转换器，二极管，蜂鸣器构成。1.3 本论文的主要任务本论文是可燃气体监测报警器设计的研制，主要完成：(1) 对报警器整个系统进行了整体规划、结构设计。(2) 对报警器电路流程软件的设计。分为主程序设计，A/D转换控制程序的设计，数据滤波，数据处理，浓度显示程序设计、报警子程序设计等。 (3) 软件的调试。2 可燃气监测报警器的方案设计2.1 设计要求由于可燃气监测报警器主要包括模数转换输入模块、主处理模块、显示模块、控制输出模块等部分。本论文要求做以下设计：(1) A/D转换器控制程序，要控制A/D转换器能按照要求的时间分别对可燃气监测传感器测得的结果进行数据的转换并传送给单
16、片机。(2) 数码管与单片机的接口电路控制程序，用数码管显示测得的浓度值。(3) 发光二极管，蜂鸣器的控制程序，当超过设定浓度，进行声光报警.2.2 可燃气检测仪的总体设计2.2.1 系统总体结构图1 系统框图报警器系统结构框图如图1所示，系统以单片机AT89C52为核心，配合外围电路共同完成信号采集、浓度显示、声音报警等功能。其中传感器采用的是TGS2610，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。A/D转换器采用的是ADC0809，该传感器是采样频率为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。整体系统要求工作稳定、通用性强、功耗低。保证
17、报警器的精确性及可靠性的同时，有利降低报警器的成本。2.2.2 系统的工作流程本设计部分主要由传感器，A/D转换器，单片机，数码管和蜂鸣器等组成。首先，传感器送来的可燃气体浓度对应的电压信号送入A/D转换芯片ADC0809中，将模拟量转化成数字量后输入到微控制器内，进行数字滤波、数据处理、将电压信号转化成为对应的浓度值;最后，将实际可燃气体浓度送数码管显示，当有可燃气体浓度超出设定的限定值时，则单片机将驱动蜂鸣器实现报警功能。2.2.3 可燃气监测报警器的功能(1) 可燃气体浓度值显示通过数码管显示可燃气体的浓度值，以便于用户或检测人员随时观测气体浓度及更改报警限。(2) 可燃气体报警当检测到
18、的可燃性气体浓度超过报警设定值时，报警器发出鸣叫声。2.2.4 AT89C52简介及主要功能特性（删掉）AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机。片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串
19、行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。2.3 本章小结本章主要阐述了可燃气体监测报警器的方案设计，同时简要介绍了AT89C52。方案设计包括设计要求，工作流程，以及报警器要实现的功能等。即当监测到的可燃性气体浓度超过报警的警界值时，报警器发出鸣叫声，告诫相关的工作人员采取措施。3 可燃气监测报警器软件的设计本论文中，软件解决的主要问题是检测气体传感器的可燃气体浓度信号，然后对信号进行A/D 转换，数字滤波，数据处理，浓度显示，以及报警器警报。3.1
20、主程序设计流程图主程序设计流程图如图2所示。图2 主程序设计流程图ADC0809对传感器检测的气体浓度信号进行A/D 转换,单片机对转换后的信号进行数字滤波、数据处理后，将浓度值与报警值相比较，判断是否报警。同时送入数码管显示气体浓度值。3.2 A/D转换子程序设计3.2.1 A/D转换控制流程图图3 A/D转换控制流程图A/D转换控制流程图如图3所示。其中ADC0809的ALE和START端一起连接AT89C52的P1.0口。EOC经过一个反相器连接P3.2口，OE连接P1.2口。ADDA,ADDB,ADDC连接在一起接GND，相当于选通通道IN0。传感器通过通道IN0将信号传送给ADC08
21、09。AT89C52的ALE经过一个74LS74给ADC0809提供一个工作频率。3.2.2 A/D转换控制程序设计流程图A/D转换控制程序设计流程图如图4所示。 图4 A/D转换控制程序设计流程图在硬件电路中START，ALE这两个信号端连接在一起，这时通过软件输入一个正脉冲信号，便立即启动模数转换。当EOC由低电平变成高电平时，经过一个反相器送给P3.2口一个脉冲，来启动外部中断0，同时给OE端一个高电平，读取数据。3.3 数字滤波子程序的设计数字滤波的中位值平均滤波法设计流程图如图5 所示。图5 中位值平均滤波法设计流程图一般微机应用系统前向通道中，输入信号均含有种种噪音和干扰，它们来自
22、被测信号源，传感器，外界干扰等。为了进行准确的测量和控制，必须消除被测信号中的噪音和干扰。噪音有两大类：一类为周期性的，另一类为不规则随机性的。对于前者，采用硬件滤波电路能有效地消除其影响。对于后者，可以用数字滤波方法予以削弱或滤除。 所谓数字滤波，就是通过程序计算或判断来减少干扰在有用信号中的比重，实际是一种程序滤波。在数字信号的处理中，滤波占有极其重要的地位。与模拟滤波相比，数字滤波尽管在时间上存在延迟，但仍具有很多突出的优点，例如它可以满足滤波器对幅度和相位特性的严格要求，可以避免模拟滤波器无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。另外数字滤波除了具有稳定性好、精度高、不受环境影响等优点
23、外，还具有灵活性好的特点。用单片机实现数字滤波可通过修改滤波器的参数方便地改变滤波器的特=性。目前数字滤波的方法较多，如限幅滤波法、中位值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法、中位值平均滤波法等。所谓限幅滤波法，根据经验判断，确定两次采样允许的最大偏差值（设为A） 每次检测到新值时判断： 如果本次值与上次值之差A,则本次值无效,放弃本次值,用上次值代替本次值。中位值滤波法，连续采样N次（N取奇数），把N次采样值按大小排列，然后取中间值为本次有效值。算术平均滤波法，连续取N个采样值进行算术平均运算，N值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低 N值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高。递推平均滤波
24、法，把连续取N个采样值看成一个队列，队列的长度固定为N，每次采样到一个新数据放入队尾,并扔掉原来队首的一次数据.(先进先出原则) 把队列中的N个数据进行算术平均运算,就可获得新的滤波结果。中位值平均滤波法，是连续采样N 个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算N-2 个数据的算术平均值作为采样结果，N 值的取一般为314。该方法的优点是：能有效克服因偶然因素引起的波动干扰和随机干扰信号，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。因此，在本设计中采用此种数字滤波方法。3.4 数据处理本论文使用的TGS2610传感器的电阻是随着可燃气体浓度的升高而升高的，因此输入单片机的电压也是随之升高的。传感器
25、配用不同的负载电阻RL（5K，2.5K，1K）在电路中使用时，气体浓度与输出电压（VRL）的关系如图6所示。可以看出，电压值与气体浓度之间是非线性的关系，为了实时显示气体浓度.需要对其进行线性化处理。在误差许可范围内，根据标定曲线形状，以及单片机处理能力把曲线分段。对每个小段分别线性化。 图6 输出电压与气体浓度百分比的对应曲线以RL=2.5K为例。把该曲线线性化分成多部分，局部的四部分对应的关系如下表1所示。 表1 浓度值与输出电压对应表浓度值输出电压【400，1400】【1.5，2.5】【1400，2400】（2.5, 2.8】(2400, 3400】(2.8, 3.3】(3400, 44
26、00】(3.3, 3.5】可以在每个区间内，取两对输出电压与气体浓度的对应值，然后求出它们的区间线性化对应直线的关系式分别为（X代表气体浓度值，Y代表输出电压值）：1 Y=0.001X+1.12. Y=0.0003X+2.083. Y=0.0005X+1.34. Y=0.0002X+2.62依次类推，可得出多组对应关系。因此，当给定某一电压值时，可以得出相应的气体浓度值。当区间划分越多时，得出的结果越精确。数据处理流程图如图7 所示.图7 数据处理流程图首先确定输出电压区间与气体浓度对应的比例关系，然后读取滤波后的电压值，判断该电压值所在的电压区间，然后把该值代入所在电压区间与相应气体浓度的比
27、例关系式，计算出相应的浓度值，送数码管显示。3.5 显示子程序的设计3.5.1 数码管与单片机的接口电路控制流程图数码管与单片机的接口电路控制流程图如图8所示。 图8 数码管与单片机的接口电路控制流程图因为从单片机输出的二进制码，不能直接在数码管显示。因此，通过P0.0至P0.3口送到74ls47译码器译码, 用它的输出去驱动数码管显示。单片机的P0.4至P0.6口接74ls138，通过控制片选，使相应的数码管显示。3.5.2 数码管与单片机的接口电路控制程序设计流程图图9 显示子程序流程图数码管与单片机的接口电路显示子程序流程图如图9所示。单片机读取要显示的数据后，通过相应的计算，计算出要显
28、示的数据的最高位，第二位，第三位和第四位。然后通过相应的片选信号，在各个数码管上显示对应的数据。3.6 报警子程序的设计3.6.1 报警电路控制流程单片机AT89C52的P1.3接晶体管基极输入端。当单片机AT89C52的P1.3置1时，三极管Q1导通，压电蜂鸣器两端获得+5V电压而鸣叫；当P1.3输出低电平0时，三极管截至，蜂鸣器停止发声。3.6.2 报警电路控制程序设计流程图报警电路控制程序设计流程图如图10所示。图10 报警子程序流程图读取可燃气体浓度值后，判断是否大于设定的报警值。当超过报警值时，启动报警器报警。3.7 本章小结图 21 按键处理子程序流程图本章主要阐述了可燃气体报警器
29、的软件设计。包括：主程序设计，数字滤波设计，数据处理设计，气体浓度显示设计，报警子程序设计等几个部分。在每个部分，首先介绍了软件设计中要用到的主要芯片的资料，然后按照软件实现的功能，详细地设计并叙述了几个部分软件流程。 4 系统的仿真和测试4.1 仿真软件介绍 Proteus(海神)的ISIS是一款Labcenter出品的电路分析实物仿真系统，可仿真各种电路和IC，并支持单片机，元件库齐全，使用方便，是不可多得的专业的单片机软件仿真系统。因此，本次设计仿真采用Proteus软件。该软件的特点： (1)满足提出的单片机软件仿真系统的标准，并在同类产品中具有明显的优势。(2)具有模拟电路仿真、数字
30、电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS一232动态仿真。1 C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。(3)目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。(4) 支持大量的存储器和外围芯片。总之该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大 ，可仿真51、AVR、PIC。4.2 模块仿真测试在模块仿真测试中，连接电压的滑动变阻器输出一个电压信号，经过ADC0808，单片机处理，在数码管显示滑动
31、变阻器两端的电压值。此次仿真的目的是验证各个模块的控制程序的正确与否，同时判断电路连接的正确性。4.2.1 A/D转换模块测试 图11 A/D转换模块测试仿真图A/D转换模块测试仿真图如图11所示。用滑动电阻代替了传感器。滑动电阻在电压下产生一个电压信号送给ADC0808，电压信号经过模数转换以后，送给了单片机。4.2.2 显示模块测试图12 显示模块测试仿真图显示模块测试仿真图如图12所示。AT89C52通过控制74ls138和74ls47，把接收到的电压数据值在数码管上面显示。该模块测试主要是用来验证AT89C52, 74ls138，74ls47的相关软件程序正确与否，由图中显示的数据来看
32、，程序是正确的。同时验证了AT89C52,ADC0808的软件编译程序也是正确的，它们都能控制相关的硬件正常工作。4.2.3 报警模块测试图13 报警模块测试仿真图报警模块测试仿真图如图13所示。AT89C52的P1.3口控制LED灯和小喇叭。该模块测试主要是用来验证控制LED灯和小喇叭相关的软件程序是正确的。由图中可知，程序是正确的。当AT89C52接收到的数据值超过一定界限时，能控制LED和小喇叭正常工作.4.3 本章小结 本章主要描述了本毕业设计的仿真测试。首先介绍了仿真测试软件及其特点。接着介绍了仿真测试的各个模块和测试的程序验证结果。根据总体模块的功能和图中显示的结果，可知整体的测试
33、结果是正确的。结束语在炼油厂 、化工厂、油库、液化气/煤气站等众多作业环境中不可避免地会有可燃性气体或液体蒸汽的泄漏。如果泄漏的可燃性气体或液体蒸汽没有被及时发现，气体浓度不断积累，进而达到一定的爆炸极限，那么随时就有发生火灾或者是爆炸等恶性事故的可能性。为了保障人身和设备的安全，适应工业等场所对可燃性易爆气体安全性要求，报警器的应用具有重大的意义，进而研制一种低功耗的可燃性气体报警器是十分必要。本论文的设计工作就是针对气体的浓度监测与报警开展的，并对各个组成部分进行了详细的分析和设计。本文首先从总体上介绍可燃气体监测报警器的设计思想。然后，围绕AT89C52展开，详细说明了可燃气体监测报警器
34、软件的设计。 包括：主程序设计，数字滤波设计，数据处理设计，气体浓度显示设计，报警子程序设计等几个模块。并采取有效的抗干扰技术和数据处理方法，来提高整个系统的精度和可靠性。在单片机软件仿真中使用了Proteus，该仿真软件元件库齐全，使用方便，功能极其强大。在仿真程序的编写中，采用了C语言编程。C语言是一种计算机程序设计语言。它既有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它可以作为系统设计语言，编写工作系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序，因此，它得到广泛的应用。设计中，比较好的一点就是对A/D转换后的数据信号，采取了数字滤波和数据处理，大大提高了可燃气监测报
35、警器的精确率和准确度。参考文献1 李朝青.单片机原理及接口技术(第三版)M.北京:北京航空航天大学出版社，20052 王君，凌振宝传感器原理及检测技术吉林大学出版社，20033 李群芳著单片微型计算机与接口技术.北京一电子工业出版社, 20014 彭军编著.感器与检测技术.西安电子科技大学出版社，20035 曹晔，张光友，胡文祥.有毒有害和可燃气体的自动检测技术及其应用J.电子技术，20016 N.Yamazoe.N.Miura. Development of gas sensors for environmental protectionJ.IEEE Trans. Compon.Packag
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40、rporation.Quartus II Developoent Software Handbook v5.0，Apr 2005附录1 模块仿真程序#includereg52.h#include sbit SAT=P10;sbit P0_7=P07;sbit EOC=P32;sbit P1_3=P13;sbit OE=P12;unsigned int DATA ;/*/void Xint0() interrupt 0 using 1 OE=1; DATA=P2; OE=0; /*延时函数*/ void delay(unsigned int i) unsigned int j; while(i-
41、) for(j=12;j0;j-) ; /*ADC0808转换函数*/void ADC0808()SAT=0; delay(10); SAT=1; delay(10); SAT=0;/*/void Display(unsigned int dat) unsigned int ge,shi,bai,qian;dat=dat*19.607843; /转换为实际电压便于显示qian = dat/1000%10;bai = dat/100%10;shi = dat/10%10;ge = dat%10;P0=0x00|qian;delay(10); P0_7=1;delay(10);P0=0x10|bai;delay(10);P0=0x20|shi; delay(10);P0=0x30|ge;delay(10);/*主函数*/void main() ET0=0; EA=1;EX0=1;IT0=1; while(1) ADC0808(); Display(DATA); if(DATA204) P1_3=1; else P1_3=0 ; 致谢本文是在辅导老师的热情关心和指导下完成的，并得到大家同学的帮助和支持，在此一并感谢。17
