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1、1 引言（或绪论）传统电子安全报警系统主要是通过传感器自动检测，产生报警信号，从现场发出报警信号或通过专门电路近距离报警，从而引起人们的警觉。通过多年的研究和发展，现在的报警器可以说是种类众多。由于时代的飞速发展和社会各个领域的急切需要，报警器能应用的领域越来越多，特别是在民用领域更是急速发展。近年来，红外线报警器已经成为报警领域的一个热点，由于其采用的是不可见的红外线探测，所以具有隐蔽性好、安全等特点。红外线传感器按机理不同可以分为光探测型和热探测型。光探测传感器是利用光子效应的红外探测器。这类传感器响应速度快、灵敏度高、检测特性好，但需要冷却，使用不方便。而且器件的检测灵敏度与红外波长有关
2、。热探测传感器是利用热释电效应的红外探测器。在接收到目标的红外辐射后温度升高，温度的升高又引起传感器内部某些物理量的变化，通过检测物理量的变化来确定红外线辐射。这类传感器在室温条件下工作，检测灵敏度也很高，响应速度也很快，而且与红外线辐射波长无关，可探测功率只受背景辐射的限制，应用很方便。本设计采用了单片机为报警器的核心部件，对煤气报警器进行控制。用单片机实现定时控制，电路简单、价格便宜、可靠性好。由一氧化碳气体传感器对煤气进行检测，将所得的浓度值与设定浓度值相比较得到偏差。通过对偏差信号的处理获得控制信号，去调节煤气出气阀的通断。随着现代家庭用火、用电量的增加，家庭火灾发生的频率越来越高。家
3、庭火灾一旦发生，很容易出现扑救不及时、灭火器材缺乏及在场人惊慌失措、逃生迟缓等不利因素，最终导致重大生命财产损失。探讨家庭火灾的特点及防火对策， 对于预防家庭火灾，减少火灾损失具有现实意义。在现代城市家庭里，许多人因不懂家庭安全常识引起火灾事故，使好端端的幸福家庭转眼间毁于一旦,有的导致家破人亡,而且一旦发生居民家庭火灾，处置不当、报警迟缓,是造成人员受害的原因。人们应该积极了解家庭火灾的主要起因，掌握防止发生火灾的知识和万一发生火灾时保护自己的方法,及时消除隐患。 英国每年发生50000起以上的严重家庭火灾，其中大部分火灾造成人员伤亡和重大的家庭财产损失，有的还连累左邻右舍，火灾损失更加惨重
4、。在调查火灾起因的时候，绝大多数发生火灾家庭的当事人说，以前总觉得火灾是人家的事情，与自己离得很远，没有想到这一次竟然会发生在自己的头上。家庭火灾的主要原因是麻痹大意，没有及时采取预防措施。在我国的一些大中城市，几乎每天都发生家庭火灾，所以防火是每个家庭必须时刻注意的问题。假如能根据您家的实际情况预先采取简单的防火措施，一些悲剧是完全可以避免的。全国燃气行业发展迅猛，液化气、天然气、煤制气等城市燃气作为清洁能源已在工商业和城镇居民用户中得到广泛应用，特别是随着“西气东输”工程的快速进展，燃气行业发展潜力巨大。但是随着燃气的广泛应用，由于燃气泄漏所引发的爆炸、中毒和火灾事故也时有发生，这在某种程
5、度上增加了城市的不安全和不稳定因素。为了使燃气更好地造福于民，造福于社会，减少并杜绝各种因燃气泄漏而引发的爆炸及火灾事故，各燃气使用单位及居民用户选择一种适合的室内煤气泄露报警器实为必要之举。燃气报警器的核心是气体传感器。当气体传感器遇到燃气时，传感器电阻随燃气浓度而变化，随之产生电信号，供燃气报警器后级线路处理。经过电子线路处理变成浓度成比例变化的电压信号，由线性电路加以补偿，使信号线性化，经微机处理、逻辑分析，输出各种控制信号，即当燃气浓度达到报警设定值时，燃气报警器发出声光报警信号并可显示燃气浓度或启动外部联运设备。本文正是通过分析目前燃气报警器的现状，设计制作室内故障监测报警系统，保障
6、人们的生命财产安全。为了预防一氧化碳的泄漏，我们采用家用智能煤气报警器，它是一种高灵敏度的气体探测器。本设计主要研究并设计一个基于单片机的煤气报警系统，并实现对AD数据的采集和声光的报警控制。控制系统主要是由51系列单片机、电源电路、AD数据采集电路、传感器电路、看门狗电路、复位电路、声光报警电路等部分组成。单片机通过AD转换8路传感器来所得到的信号，进行比较处理，在安全值内，轮回显示当前通道的测量值和设定值，在安全值外，产生声光报警，并且轮回显示报警通道的当前值、设定值。 11 课题研究的背景随着国家经济的提高，现代化、智能化的多功能建筑越来越多，对建筑的防火安全设计要求也愈来愈高。以“西气
7、东输”工程为开端的大规模天然气利用工程的实施，意味我国城市燃气将大踏步地进入“天然气时代”。我国天然气市场将迎来一个千载难逢的机会，城市燃气需求的主要增长点将体现在天然气上。为了使燃气更好地造福于民，造福于社会，减少并杜绝各种因燃气泄漏而引发的爆炸及火灾事故，各燃气使用单位及居民用户选择一种适合的室内煤气泄露报警器实为必要之举。 家用煤气有时会因各种原因发生泄漏，煤气的主要成分是甲烷，甲烷是一种可燃性气体，遇到明火会发生燃烧甚至爆炸，所以如果在煤气泄漏时打电话，使用家用电器的话，煤气遇到电火花可能会发生爆炸事故。人呆在煤气泄漏的空间内，甲烷的不完全燃烧可能会生成一氧化碳，人体吸入有毒气体一氧化
8、碳后，一氧化碳将会迅速与血液中的红细胞结合导致人体中毒昏迷，如果长时间吸入泄露的煤气甚至会发生中毒死亡。一氧化碳中毒属内科急症，如不及时发现及治疗，将会危及生命。近年来，我国部分地区非职业性一氧化碳中毒事件时有发生。特别是冬春季高发，据不完全统计，我国2006年因非职业性一氧化碳中毒，造成至少3850人中毒，142人死亡。2007年3-5月份，南汇区发生了2起非职业性一氧化碳中毒事件。全国燃气行业发展迅猛，液化气、天然气、煤制气等城市燃气作为清洁能源已在工商业和城镇居民用户中得到广泛应用，特别是随着“西气东输”工程的快速进展，燃气行业发展潜力巨大。但是随着燃气的广泛应用，由于燃气泄漏所引发的爆
9、炸、中毒和火灾事故也时有发生，这在某种程度上增加了城市的不安全和不稳定因素。为了使燃气更好地造福于民，造福于社会，减少并杜绝各种因燃气泄漏而引发的爆炸及火灾事故，各燃气使用单位及居民用户选择一种适合的室内煤气泄露报警器实为必要之举。12 燃气报警器的概述 什么是气体报警器？顾名思义气体报警器就是气体泄露检测报警仪器。当工业环境中可燃或有毒气体泄露时，当气体报警器检测到气体浓度达到爆炸或中毒报警器设置的临界点时，报警器就会发出报警信号，以提醒工作采取安全措施，并驱动排风、切断、喷淋系统，防止发生爆炸、火灾、中毒事故，从而保障安全生产。气体报警器的结构构成。工业用固定式气体报警器由报警控制器和探测
10、器组成，控制器可放置于值班室内，主要对各监测点进行控制，探测器安装于气体最易泄露的地点，其核心部件为内置的气体传感器，传感器检测空气中气体的浓度。探测器将传感器检测到的气体浓度转换成电信号，通过线缆传输到控制器，气体浓度越高，电信号越强，当气体浓度达到或超过报警控制器设置的报警点时，报警器发出报警信号，并可启动电磁阀、排气扇等外联设备，自动排除隐患。便携式气体检测仪为手持式，工作人员可随身携带，检测不同地点的气体浓度，便携式气体检测仪集控制器，探测器于一体，小巧灵活。与固定式气体报警器相比主要区别是便携式气体检测仪不能外联其他设备。气体报警器的分类。按检测气体可分为：可燃气体报警器，有毒气体报
11、警器和复合式气体报警器，气体报警器使用不同传感器检测不同气体，复合式气体报警器可同时检测可燃和有毒气体。按使用环境可分为：工业用气体报警器和家用燃气报警器。按自身形态可分为固定式气体报警器和便携式气体检测仪。首先我们应对国家标准规定的燃气报警器的种类有所了解。燃气报警器可分为可燃气体检漏仪（简称“检漏仪” ），可燃气体报警控制器（简称“控制器” ）、可燃气体探测器（简称“探测器” ）、家用可燃气体报警器（简称“报警器” ）四大系列产品。报警器为居民家庭用的燃气报警器，一般安装在厨房，遇燃气泄漏时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。有的报警器可自动开启排风扇，把燃气排出
12、室外。有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。 燃气报警器的核心是气体传感器，俗称“电子鼻”。当气体传感器遇到燃气时，传感器电阻随燃气浓度而变化，随之产生电信号，供燃气报警器后级线路处理。经过电子线路处理变成浓度成比例变化的电压信号，由线性电路加以补偿，使信号线性化，经微机处理、逻辑分析，输出各种控制信号，即当燃气浓度达到报警设定值时，燃气报警器发出声光报警信号并可显示燃气浓度或启动外部联运设备（如排风扇、电磁阀）。13 课题研究的目的和意义在现代化建设中，人们对仪器仪表所能起到的监控作用，在技术上有着高层次的要求，因而仪器仪表工业是促进国民经济各部门技术进步，进行技术改造，提
13、高劳动生产率和社会经济效益，开发与节约能源和材料的先导工业。仪器仪表的装备水平在很大程度上反映出一个国家的生产力的发展和科学技术的现代化水平。随着科技的发展，计算机技术的应用，测试技术与仪表专业的趋势越来越向智能化转变智能仪表。智能仪表一出现就显示了它强大的生命力，现已成为仪器仪表发展的一个重要方向。这不仅在一般的测量仪表中，而且在分析仪表、实验室仪表与生物医学仪表中反映出来人们面对燃气泄漏而造成的种种事故威胁，就真的没有一个彻底的解决办法吗？据有关专家介绍，使用燃气报警器是对付燃气无形杀手的重要手段之一。燃气专家指出，燃气泄漏或废气排放而大量产生的一氧化碳是燃气中毒事响应的根源，如采有用燃气
14、泄漏报警器就能得到及时的警示。有关部门经长期测试同样得出结论，燃气报警器防止一氧化碳中毒事故发生的有效率达95%以上。 计算机的普及和信息技术的迅猛发展，人们己不满足于传统的居住环境，对家庭及住宅小区提出了更高的要求，智能化被引入家庭，并迅速在世界各地发展起来。人们对居住环境要求的日见增高，体现在希望住宅不仅更便利、舒适而且更安全。 单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，煤气泄漏则是人们日常生活中常常需要测量和控制的一个问题。单片机有利于为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施。为了防止中毒事件再次发生，提出利用单片机系统进行有效的预防对策。所以怎样防止煤气中毒与爆炸已成为人们的迫切
15、需要。为此我们开发研制了智能煤气报警 家用燃气报警器是集传感器技术、电子技术与安全监控技术于一体的综合仪表，主要用于家用燃气泄漏时报警并控制阀门。本毕业设计的主要目的是让学生综合应用单片机知识、传感器知识、电子技术知识、接口技术、电气控制知识等，设计一个稳定性好、灵敏度高的家用燃气报警器。本设计的目的在于培养学生的拼搏精神、团队合作精神、综合运用专业知识的能力，实践能力，使学生的专业知识系统化、结构化，掌握基于单片机的一般控制系统的设计方案。14 国内外研究现状及发展动态近年来，由于在工业生产、家庭安全、环境监测和医疗等领域对气体传感器的精度、性能、稳定性方面的要求越来越高，因此对气体传感器的
16、研究和开发也越来越重要。随着先进科学技术的应用，气体传感器发展的趋势是微型化、智能化和多功能化。深入研究和把握有机、无机、生物和各种材料的特性及相互作用，理解各类气体传感器的工作原理和作用机理，正确选择各类传感器的敏感材料，灵活运用微机械加工技术、敏感薄膜形成技术、微电子技术、光纤技术等，使传感器性能最优化是气体传感器的发展方向。国外气体传感器发展很快，一方面是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。因此， 国外气体传感器技术得到了较快发展，据有关统计猜测，美国1996年2002年气体传感器年均增长率为（2730）。普及家庭及
17、住宅小区智能化的定义，在国际上至今尚无一致的认可。现代化的城乡住宅小区内综合采用微型计算机、自动控制、通信与网络及智能卡等技术，建立一个由住宅小区综合物业管理中心与安防系统、信息通信服务与管理系统和家庭智能化系统组成的“三合一”住宅小区服务与管理集成系统，最终目的是使每一住户得到满足其要求的最佳方案。国家建设部规定，目前住宅小区应实现六项智能化要求，其中包行安全防范系统自动化监控管理;防盗报警系统应安装红外或微波与煤气泄漏报警器等各种类型报警探测器。基于此项规定，煤气泄漏自动报警实现智能化势在必行。在应用方面，目前最广泛的是可燃性气体气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，从工厂企业到
18、居民家庭，应用十分广泛。仅以用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，日本早在1980年1月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器法规，1986年5月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。美国目前已有6个州立法，规定家庭、公寓等都要安装CO报警器。报警器种类也相当繁多，有用于一般家庭、集体住宅、饮食餐店、医院、学校、工厂的各种气体报警器和系统，有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、遮断连动系统、防止中毒报警防护系统等。结构型式有袖珍型便携式、手推式、固定式报警等；工业用固定式报警又有壁挂式、台放式、单台监控式、多路巡检式等。气体检测技术与计算机技术相结合，实现了智能化、多功能化。美国
19、工业科学公司（ISC）一台携带式气体监控仪可实现4种气体监测，采用了统一的软件，只需要换气体传感器，即可实现对特定气体监测。美国国际传感器技术（IST）公司应用一种“MegaCas传感器和微程序控制单元，可检测100种以上毒性气体和可燃性气体，通过其“气体检索”功能扫描，能很快确定是哪一种气体。国内气敏元件传感器产量已超过“九五”初期的400万支。产量超过20万支的主要厂家有5家，黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司（合资）、北京电子管厂（特种电器厂），其中前四家都超过100万支，据行业协会统计，1998年全国气敏元件总产量已超过600万支。总的看来，我国气敏元件传感器及
20、其应用技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大的差距，主要是产品制造技术、产业化及应用等方面的差距，与日本比较仍要落后10年。15 系统设计基本内容针对经常发生的煤气泄漏中毒事件，采用煤气、甲烷、乙烷及一氧化碳等气体传感器、单片机、电磁阀和电铃，设计一套有毒气体检测、报警电路，显示室内空气质量（分优、良、中、好、差五级），用单片机模块分路控制继电器、发光二极管和电铃。单片机煤气报警器系统的硬件主要有3大部分，即浓度检测和显示模块、主控模块和设置报警模块。浓度检测模块主要由半导体气体传感器组成，它是整个系统中关键的元件；显示部分由LED数码管组成。主控模块由单片机及其相关软件组成，由程序对单片
21、机进行控制。设置报警模块主要由键盘和报警器等组成，这个模块是对报警煤气浓度进行设置和浓度过高的时候进行报警处理。硬件的设计需要单片机、模电及其数电的相关知识。本课题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、气体传感器总线的使用方法，同时研究电路设计思路、电路组成，包括控制芯片、气体传感器、单片机、显示电路等的选用和设计，最后给出结构框图、电路原理图。单片机煤气报警器系统的软件设计主要有延时处理、数据比较2个部分。首先延时处理，将数据采集转换后经由单片机和已知数据进行比较。需要对程序进行多次调试，以确定最佳时间。最后根据需要调试出来实际电路即可。2 系统方案设计 设计就是根
22、据题目的要求而对硬件和软件进行规划，并选择最合适的硬件电路和软件程序来达到目的。硬件设计是通过对设计要求的分析，对各种器件的了解，而得出分立元件与集成块的某些连接方法，以达到设计的功能需求。并且把这些元器件焊接在一块电路板上。它包括对各种元器件的功能和接法、了解以及对各种元器件的选择和设计方案的选择。软件设计是分析设计的硬件用程序实现其功能，并且调试优化产品功能。21 设计要求设计的报警器应实现如下功能：报警器需要在一氧化碳浓度达到100ppm时启动报警。具体实现如下功能：（1）系统要求设置正常工作状态除正常工作状态外，发光二极管处于熄灭状态，蜂鸣器处于关闭状态。（2）在正常工作状态下，当一氧
23、化碳浓度达到100ppm时，发光二极管应处于闪烁状态，蜂鸣器应启动报警。22 基于单片机的实现方案2.2.1 硬件实现基于89c51单片机实现的煤气报警器的具体方案如图所示。该方案主要包括了可燃气体传感器、A/D转换器、键盘控制电路、89c51单片机电路、声光报警以及LED显示电路。可燃气体传感器输出为模拟量，需要利用A/D转换器将模拟量转换成数字量送给51单片机；晶振和键盘控制作为51单片机的外围输入电路，蜂鸣器和发光二极管作为报警用的51单片机的外围输出电路；显示电路采用了LED显示，由51单片机控制实现显示。如图2.1所示。气体传感器A/D89C51单片机显示与键盘复位晶振声光报警其他图
24、2.1 单片机方案图2.2.2 软件实现在整个程序流程中，经常要控制一部分指令重复指令重复执行若干次，以便简短的程序完成大量的处理任务。这种按某种控制规律重复执行的程序称为循环程序。循环程序有先执行后判断和先判断后执行两种基本结构。而我们要选用的是先判断后执行。图2.2为软件流程图。 开始初始化调用A/D转换子程序是否在比较范围？声光报警结束NY图2.2 流程图23 单片机的选择AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89
25、C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图2.3所示。 图2.3 51单片机引脚排列VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用
26、于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2
27、口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3口管
28、脚备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（计时器0外部输入）P3.5 T1（计时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振
29、荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1
30、时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。24 传感器的选择对于煤气报警器的实现，感应器的选择也相当的重要，是系统重要的组成部分之一，其性能对于系统的精确度和实现范围有这相当大的影响，也是体现煤气监控发展现状的标志。MQ-9传感器因装有活性炭过滤器，消除了杂质气体的影响，对有机溶剂或其他挥发性气体的灵敏度低，而对氢气和一氧化碳的灵敏度高，非常适合用于检测人工煤制气。在这里我们主要他对对氢气的检测功能能。图
31、2.4是典型的灵敏度特性，全部是在标准试验条件下得出的结果。图2.4 灵敏度图纵坐标以传感器电阻比（Rs/Ro）表示，Rs，Ro的定义如下： Rs 不同浓度气体中的电阻值 ,Ro 1000ppm一氧化碳中的电阻值 基本测试回路： 此传感器需要施加 2 个电压：加热器电压（VH）和回路电压（VC）。这个VH用于维持敏感素子处于与对象气体相适应的特定温度而施加在集成的加热器上。VC则是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的两端电压（VRL）。这种传感器具有极性，所以VC需用直流电源。只要能满足传感器的电性要求，VC和VH可以共用同一个电源电 路。为了将判定值水平最佳化，并使敏感素子的功耗（PS
32、）低于15mW的限度值，需要选择RL的值。 MQ-9的管脚连接如图2.5所示，1或3接传感器，4或6接传感器，2 和5接加热器。图2.5 基本连接MQ-9传感器的工作原理是它的表面电阻 Rs ，是通过与其串联的负载电阻 RL 上的有效电压信VRL 输出而获得的。二者之间的关系为：Rs/R L = (Vc-V RL ) / V RL图2.6为利用上图回路测得在传感器由洁净空气转移至一氧化碳或甲烷气氛中时，R L 上 的信号输出变化情况，输出信号的测定是在一个完整的加热周期（由高电压至低电压 2.5 分 钟 ）或在两个完整的加热周期内测得。图2.6 信号输出变化MQ- 9 型气敏元件的敏感层是用非
33、常稳定的二氧化锡制成的。因此，它具有优秀的长期稳定性，在正常使用条件下，其使用寿命可达5年。灵敏度调整：MQ- 9 型气敏器件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。 因此，在使用此类型气敏器件时，灵敏度的调整是很重要的。 我们建议使用 200ppmCO 或 1000ppmLPG 、5000ppm 甲烷校正传感器。当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。灵敏度的调整程序：a. 将传感器连接在应用回路中。b. 接通电源，通电老化48小时以上。c. 调节负载电阻直到90秒末时获得对应于某一个一氧化碳浓度时所需要的信号值。d. 调节另外一个负载电阻直到 60 秒末获得对应于某个甲烷或 LPG
34、 浓度时所需要的信号值。25 A/D转换器的选择ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。学习并使用ADC0832 可是使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。引脚如图2.7所示。 图2.7 ADC0832引脚ADC0832 为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05V之间。芯片转换时间仅为32S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度
35、快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。正常情况下ADC0832 与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI 并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和DO/DI 的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK 输入时钟脉冲，DO/DI端则
36、使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1 个时钟脉冲的下降之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下降之前DI端应输入2 位数据用于选择通道功能。当此2 位数据为“1”、“0”时，只对CH0 进行单通道转换。当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。当2 位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当2 位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1 作为正输入端IN+进行输入。到第3 个脉冲的下降之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个脉冲下
37、降开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下降DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下降输出DATA0。随后输出8位数据，到第19 个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是05V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV。如果作为由IN+与IN-输入的输入时，可是将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。但值得注意的是，在进行IN+与
38、IN-的输入时，如果IN-的电压大于IN+的电压则转换后的数据结果始终为00H。3 硬件电路设计31 复位电路由于需要通过A/D转换器对来自于气敏传感器的各种模拟量进行多次采样，外部干扰有可能会影响CPU的正常运行，从而引起混乱。所以需要一个复位电路。程序一旦跑飞或进入死循环造成系统失效，由复位电路发出一个复位信号，使系统能尽快复位并恢复正常工作。复位是单片机的初始化操作，只要给RESET引脚加上2个机器周期以上的高电平信号，即可使单片机复位。除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行出错或是操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱死锁状态，也需要按复位键重新复位。如图3.1所示。图3.1 复位电
39、路32 声光报警电路报警电路采用了蜂鸣器和发光二极管。当发生报警事件时，除了报警显示外，还要有声光报警功能。用声音或是灯光报警时，连续的声响或常亮的灯光往往不易被人们的警觉，只有断续的声音或山所的灯光才能取得最佳的报警效果。当一氧化碳浓度超过标准值时，产生短促的报警声音和闪烁灯光。如图3.2所示。图3.2 声光报警电路33 按键模块此模块可以用来设置一氧化碳的报警浓度值，通过调节一氧化碳的浓度值来达到改变标准报警浓度。键盘模块设置两个键位，分别用来加减一氧化碳的报警浓度。如图3.3所示。图3.3 按键模块34 数码管显示电路四个数码管在系统中可以作为时钟显示、计数显示、遥控码显示等各种显示电路
40、。数码管是LED的一种集成，将LED通过一定的形式安排在相应的位置就构成了数码管，当相应的段码和位码协同操作，于是就产生了数码的显示。在系统中，采用四位一体的集成数码显示器，内部结构为共阳方式。在整体的数码管显示电路中，由P0口为数码管提供相应的段码，分别为a、b、c、d、e、f、g、dp，组成显示相应数码的字段；由P2口的高四位构成四位数码管的位选信号端，分别确定让哪个位的数码管进行点亮操作。如图3.4所示。图3.4 数码管显示电路35 晶振模块晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。如图3.5所示，在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达
41、百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。图3.5 晶振模块36 拓展模块SIM300是小体积即插即用模组中完善的三频/四频* GSM/GPRS解决方案。使用工业标准界面，使得具备GSM/GPRS 900/1800/1900MHz功能的SIM30
42、0C以小尺寸和低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输。图3.6为SIM300电路原理图。图3.6 SIM300电路原理图模块与移动应用设备通过一个60引脚的板板连接器相连，它提供了模块与开发板的所有硬件接口，除了RF天线接口。SIM300内部功能模块有：l 键盘和SPI 类型的LCD接口，方便用户开发自己的应用设备。l 具有调试和数据输出两个串口，帮助开发人员更容易开发产品。l 双音频通道，包含两个麦克风输入和两个话筒输出，由AT指令配置其工作模式。SIM300有两种RF天线接口：一种是天线连接器、一种是天线焊点。天线连接器型号为MURATA MM9329-2700，或者用户也可以通
43、过天线焊点自己焊接天线。SIM300具有低功耗设计，睡眠模式下的电流消耗仅为2.5mA。SIM300内部集成了TCP/IP协议栈，并且扩展了TCP/IP AT指令，使用户利用该模块开发数据传输设备变得非常简单方便。SIM300从VBAT采用单电压供电，电压为3.4V4.5V。某些情况下，当电流消耗升至典型峰值2A时，其传输脉冲的波动可能导致电压下降，所以电源供电必须能够提供足够到2A的电流。推荐在VBAT输入引脚使用旁路电容（推荐值：100uF，低阻抗）。低阻抗，小尺寸的瓷介电容（MLCC）性能上是首选，但成本较高。降低成本可以选用100uF的钽电容（低阻抗）并联一个小的瓷介电容（1uF到10
44、uF）。当您运用模块进行设计时请特别注意电源供给功率，输入电压不能低于3.4V，即使在传输突发脉冲串中电流消耗可能上升到2A时，也要确保电压不低于3.4V。如果电压低于3.4V，模块可能自动关闭。所以我们使用板板连接器以最好的减少电压降。您还需要注意母板上供电线或者电池组的阻抗。4 系统电路调试在进行硬件电路的实验调试时，首先检测电路板各个主要模块之间的连通性，即保证硬件电路焊接及连接无误，是否有短路、虚焊现象发生；对系统各硬件电路进行检测，保证各模块可以正常工作，结合系统软件测试，利用硬件平台进行功能性检测，最终验证系统软硬件综合功能的实现。41 模块的连通性调试该部分电路的测试主要完成各个
45、主要模块之间连通性测试，包括了一氧化碳气体传感器和A/D转换器之间的连接、A/D转换器和单片机模块之间的连接、LED与单片机模块之间的连接、晶振以及蜂鸣器与单片机模块之间的连接等。按照逐级检查的方式，对各个连接电路部分进行仔细测试检查，保证整体系统的连通性正确。连通性调试期间，各模块均以LED代替，外接一个发光二级管，控制每个端口的连接，直到各个接口灯亮，连通性调试结束。42 系统各硬件的检测及控制性调试系统各硬件的检测及控制性主要包括了各主要模块的功能性验证，即一氧化碳气体传感器电路、LED显示等电路各自可以正常工作。同时为了保证各硬件控制性，利用单片机模块完成对各部分硬件电路控制性的测试，
46、保证硬件电路各个环节工作正常且均可以由单片机模块实现控制。4.2.1 A/D转换电路的调试A/D转换电路的主要工作是对采集到的模拟输入信号进行正确的采样和转换，所得到的数字信号量应该与原模拟信号量一致。在试验中采用编组器产生模拟输入信号量，读取其A/D转换后的数字量经行比较。实验的结果表明A/D采样精度满足系统功能要求。4.2.2 一氧化碳气体检测测试此模块的主要功能是采集煤气气体浓度的信号，按照国际中规定，要求测量值同相应的实验气体浓度之差不超过5%LEL。4.2.3 硬件调试焊好电路板后，整个控制器的设计就正式进入调试阶段。在进行软件调试之前一定要进行电路板的调试，以防止由于硬件电路故障导
47、致软件调试失败。首先要进行的是铜线的连接检查，看看哪里有不易察觉的断线现象出现。具体的调试方法是使用数字万用表，把旋钮开关旋到电阻档，红黑表笔分别去测同一根铜线的电阻，如果线没有断的话，万用表的显示应该是都为0，若出现无穷大的显示则表示此线以断了，这时只要烙铁轻轻点少量焊锡把线连上即可。在硬件电路中有些线与线之间布得比较集中，焊盘也紧挨着线，在这种地方最容易出现短路。检查方法和检查断线的方法相似，也是利用万用表，旋钮开关旋到测二极管的档位，将红黑两表笔分别测怀疑已经短路的线或者焊盘上，如果已经短路的话万用表会发出报警声，反之，万用表不会报警。遇到焊盘和焊盘或焊盘和铜线短接时只要用一根细而硬的针
48、把连在一起的地方刮断就可以了。43 系统软硬件综合性能测试结合系统软件测试，利用硬件平台进行功能性检测，即验证系统软硬件综合测试正常。主要包括了一氧化碳气体传感器电路、声光报警、液晶显示等功能的正常。并实现各部分功能的综合测试。一氧化碳气体检测综合测试。该综合测试主要在系统调试正常的情况下，验证一氧化碳气体综合测试情况。首先对某一环境下的一氧化碳气体进行检测，植入液晶屏，观察液晶显示屏显示的一氧化碳气体含量数值；其次，通过一些特殊手段，改变环境的一氧化碳气体含量，同时观察液晶显示屏显示的一氧化碳气体含量数值是否发生变化；当一氧化碳气体含量指标达到一定限制值时，报警电路是否可以正常报警。因为无法找到一氧化碳气体的测试标准设备，所以在测试时候，模拟采用了接+5V可变电阻来控制输出的模拟传感器的电压信号。先是把电压值调到最小，测试按键和显示功能。接着测试监控功能，慢慢调节其中的一个可变电阻，增大其模拟输入电压，产生声光报警，并且显示当前的报警