基于单片机的家用煤气报警器的设计

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摘  要

基于自动控制理论，设计一种以单片机AT89C52为控制平台，QM-2N气敏传感器为CO浓度采样的家用型煤气报警器。本设计所包括的主要系统结构有：信号采集电路、信号转换电路、单片机系统、报警联动电路、数码管显示电路。传感器将采集到的浓度信息转换成电压信号，经过ADC0832芯片完成模拟信号到数字信号的转换，后送入AT89C52单片机中，单片机对送入的数字信号进行分析并判断是否达到报警条件，并将浓度信息在四位数码管中显示，当浓度低于预设警戒值时绿灯常亮，表示无危险的正常工作状态；当浓度超过预警值，单片机I/O端口输出电平控制信号，打开排气风扇，控制继电器衔铁吸合使电磁阀关闭，并伴随声、光报警。

关键词：AT89C52单片机；气敏传感器MQ-2；ADC0832转换模块；数码管；报警联动装置

Abstract

Based on the theory of automatic control，design a household gas alARM involving QM-2N resistive semiconductor gas sensor and the mcu ”AT89C52”.The main structure of the system including: the signal acquisition circuit , A/D conversion, MCU, alarm circuit and segment displays circuit. The sensor collects concentration information and converts it to a voltage signal, then the analog signal is converted to digital signal by “ADC0832” and sent to the “AT89C52”.The MCU analyses and determine whether to achieve the alarm condition, ahe same time,MCU control the segment displays output oncentration of the gas in four digital tubes when the consentration is in a normal state of long-green,which represents the normal working state without danger.When gas consentration exceeds the set limit, the MCU gives control signals to close solenoid valve through the relay,start the exhaust device, and make the sound and light alarm work.

Keywords: MCU “AT89C52”; Gassensor “MQ-2” ; A/D conversion “ADC0832”; Segment displays; Alarm linkage device

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目 录

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摘要        I

Abstract        II

1 绪论        1

1.1 选题背景与意义        1

1.2 家用煤气报警器整体方案设计与选定        1

1.3 总体设计思路        2

1.3.1 煤气报警系统结构分析        2

1.3.2 煤气报警器设计流程        2

2 设计分析        4

2.1 功能要求        4

2.2 硬件选择        4

2.2.1 AT89C52单片机说明        4

2.2.2 气敏传感器        5

2.2.3 A/D转换器        8

2.2.4 LED数码管        9

2.2.5 继电器        9

2.3 软件选择        10

2.3.1 搭建电路仿真环境        10

2.3.2 搭建单片机程序开发环境        10

3 总体设计与实现        11

3.1系统总体框架        11

3.2 子模块的设计与实现        12

3.2.1 传感器及A/D转换模块        12

3.2.2 LED数码显示模块        13

3.2.3 声光报警模块        13

3.2.4 风扇控制模块        14

3.2.5 电磁阀控制模块        14

3.2.6 模拟浓度输入模块        15

4 仿真与调试        16

总结        17

参考文献        18

附录        19

致谢        27

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1 绪论

1.1 选题背景与意义

近些年来随着我国各类能源的综合开发与利用，家用煤气的普及率逐年上升，但随之而来的煤气泄漏所引发的火灾、中毒、爆炸事故时有发生，这也在某种程度上增加了城市的不和谐和不安全因素。面对如此之多的煤气安全事故，从根源上解决实不可行，唯有建立一种准确有效的预防机制，在煤气泄漏还未造成危害时发出预警，给人们提供时间和相关措施去避免事故的发生，由此，煤气报警器应运而生。它能有效地对周围煤气泄漏及时预警，防止酿成煤气事故，保障人民生命和财产的安全。目前，市面上的该类产品大多只提供报警功能，当人们不在家时仍会造成很大隐患，考虑到此种因素，设计一种能够在泄漏发生时自动启动排气扇并关闭煤气通道的报警装置，能更大程度上地提供安全保障。有关资料显示，煤气报警器对CO事故发生避免率达到95%以上[1]。所以在此设计一种合适的家用煤气泄露报警器切实必要。

尽管在一般条件下，煤气是一种安全性高的燃气，但如果其在空气中含量达到特定浓度时，就会发生燃爆，煤气报警器就是在发生燃爆前提醒人们尽早的发现隐患，解决隐患[1]。在具体报警器设计当中，应对元器件的选择严格把关，保证系统的准确性，才有可能投入到居民的日常使用中。随着科学技术的不断进步以及人们对高功能产品的日益青睐，一种具备高度集成化、智能化的单片机得到了广泛的应用，它的发展前景是巨大的，无论在商业运营还是工业生产中，单片机可谓是无处不在，他的数量不仅远超过世界范围内计算机总和，甚至要比世界人口数还多。本设计是单片机联系实际的一个典型应用，基于单片机的煤气报警器是通过检测管道泄漏的CO浓度作为条件判断报警的[2]；若这类气体泄漏达到爆炸极限时，可让单片机处理发出事故声光警报，同时起动排气扇或油烟机等通风设备，以免爆炸，造成巨大伤害。

1.2 家用煤气报警器整体方案设计与选定

为了实现煤气报警器所具备的各项功能，首先应制定一个充分又切合实际的设计方案，该方案要能考虑到设计中的各个环节，将自动化、智能化综合运用到实际设计中，发挥该设计的实际意义[3]。以下是两类比较典型的煤气报警器设计方案：

方案1：经由气敏传感器将采集的浓度模拟信号v送入比较器中，与其内部参考电压vr进行比对，在两者电压幅值相等的附近，输出电压会产生跃变，对应输出1或0，由电平来控制报警电路的运作。而比较器负端也可接电位器来调节参考电压vr，用于报警灵敏度的调节。

优点：电路简易。

缺点：可扩展性不足，实现的功能有限。

方案2：以单片机为控制核心，将气敏传感器采集的浓度模拟信号送入A/D转换后输出8位数字信号，经由单片机I/O输入并与程序预设警戒值比对，根据比对结果发出多个控制信号驱动一系列的联动措施。例如环境浓度显示，灯光指示，电磁阀控制等。

优点：高度可靠性、可控性、智能性。

缺点：相比方案1电路结构较复杂。

就当前发展的趋势来看，传感器的应用愈来愈偏向智能化，可控化。方案1中采用纯模拟电路，结构简单，但可控性差，所采用的运放比较器涉及到精度及稳定性，所以对预警浓度的控制不宜用在事故报警中。方案2中以单片机作为控制核心，对送入其内部的数字信号通过编写程序进行分析比较，具有深度的可调性，可控性，灵活性。且稳定性高。

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