1、成 績信息工程學(xué)院本科生課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱：電子綜合設(shè)計(jì) 設(shè) 計(jì) 題 目： 氣體泄漏報(bào)警裝置設(shè)計(jì) 系 別： 計(jì)算機(jī)與電子工程系 專 業(yè) (方 向)： 電子信息工程 年 級、 班： 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號： 指 導(dǎo) 教 師： 2014 年 12 月 20 日氣體泄漏報(bào)警裝置設(shè)計(jì)1、 【設(shè)計(jì)目的】 運(yùn)用所學(xué)單片機(jī)及現(xiàn)代測控技術(shù)知識，設(shè)計(jì)一個廚房可燃性氣體泄漏情況的檢測報(bào)警裝置，當(dāng)廚房中天然氣（）或液化石油氣（）濃度大于某個數(shù)值（例1000ppm）時(shí)，用蜂鳴器報(bào)警并發(fā)出控制信號，啟動抽油煙機(jī)。二、【產(chǎn)品性能指標(biāo)】 （1）分辨率：8位； （2）總的不可調(diào)誤差：ADC0808為±2LSB,

2、ADC 0809為±1LSB； （3）轉(zhuǎn)換時(shí)間：取決于芯片時(shí)鐘頻率，如CLK=500kHz時(shí)，TCONV=128s； （4）單一電源:+5V； （5）模擬輸入電壓范圍： 單極性05V；雙極性±5V,±10V(需外加一定電路)； （6）具有可控三態(tài)輸出緩存器； （7）啟動轉(zhuǎn)換控制為脈沖式(正脈沖)，上升沿使所有內(nèi)部寄存器清零，下降沿使A/D轉(zhuǎn)換開始； （8）使用時(shí)不需進(jìn)行零點(diǎn)和滿刻度調(diào)節(jié)。三、【設(shè)計(jì)的原理】 1、系統(tǒng)框圖 QM-2可燃性氣體濃度采集 報(bào)警電路 AT89C51 A/D轉(zhuǎn)換模塊 排氣電路 圖1 系統(tǒng)框圖如圖1所示通過QM-2采集可燃性氣體濃度，經(jīng)ADC0

3、808模數(shù)轉(zhuǎn)換把數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)AT89C51，單片機(jī)通過對ADC0808轉(zhuǎn)換來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，當(dāng)可燃性氣體弄到達(dá)到設(shè)定為報(bào)警濃度時(shí)，單片機(jī)將驅(qū)動報(bào)警電路，開啟蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)驅(qū)動排氣電路，開啟抽油煙機(jī)進(jìn)行排氣，單片機(jī)通過實(shí)時(shí)檢測，當(dāng)濃度降至報(bào)警濃度一下，單片機(jī)發(fā)出信號關(guān)閉蜂鳴器和抽油煙機(jī)。2、各模塊工作原理的分析與介紹2.1 氣體濃度檢測模塊 圖2 模擬氣體濃度檢測圖由于在protues中沒有QM-2及QM系列氣體傳感器，所以我們只能用別的器件代替，因?yàn)闅怏w濃度傳感器QM-2是通過電阻的變化實(shí)現(xiàn)對氣體感應(yīng)做出反應(yīng)，所以我們用一個電位器代替，如圖2。2.2 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 圖3 ADC08

4、08A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換圖因?yàn)閱纹瑱C(jī)只能處理數(shù)字信號，我們不能直接讓單片機(jī)處理模擬信號，所以我們要把氣體傳感器采集來的信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后才能傳給單片機(jī)，讓單片機(jī)處理。這里我們用的是ADC0808，ADC0808有8個輸入通道，這里我們只用了一個IN0，ADC0808通過IN0接收電位器信號，并把信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號從OUT口輸出給單片機(jī)。如圖3.2.3 報(bào)警電路模塊 圖4 報(bào)警電路圖 如圖4 為當(dāng)檢測到的可燃性氣體濃度高于設(shè)定的報(bào)警濃度時(shí)，系統(tǒng)通過軟件響應(yīng)P3.5驅(qū)動報(bào)警電路，直到濃度低于設(shè)定的報(bào)警濃度為止。2.4 排氣模塊 圖5 模擬排氣模塊圖 圖5是一個模擬排氣模塊，這里我們用一個馬達(dá)代替了抽油

5、煙機(jī)，同樣的當(dāng)單片機(jī)檢測到的可燃性氣體濃度大于了設(shè)定的報(bào)警濃度時(shí)，單片機(jī)通過響應(yīng)P2.7口驅(qū)動馬達(dá)進(jìn)行排氣動作，直到可燃性氣體濃度低于這個報(bào)警濃度時(shí)，單片機(jī)又會響應(yīng)P2.7口，給一個高電平關(guān)閉馬達(dá)，停止排氣。3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1 總體設(shè)計(jì)思想總體思路是首先定義相關(guān)的硬件接口，然后進(jìn)行初始化，包括AD控制端和定時(shí)器的初始化。初始化后開始無限循環(huán)，以保證24小時(shí)全天候的檢測甲烷的濃度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情并報(bào)警。無限循環(huán)中將依次調(diào)用AD轉(zhuǎn)換函數(shù)、比較判斷函數(shù)、聲音報(bào)警函數(shù)和顯示報(bào)警函數(shù)。圖6為軟件主函數(shù)流程圖。 開始AD控制端初始化 定時(shí)器初始化 無限循環(huán)調(diào)用AD轉(zhuǎn)換函數(shù)調(diào)用比較判斷函數(shù)調(diào)用聲音報(bào)警函數(shù)

6、調(diào)用顯示報(bào)警函數(shù) 循環(huán)結(jié)束 圖6 主函數(shù)流程圖 根據(jù)軟件設(shè)計(jì)的基本要求,采取了如下的措施:1.程序模塊化（軟件設(shè)計(jì)中包含有：主程序模塊、顯示模塊、A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子模塊、聲報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、中斷處理模塊等)。2.軟件設(shè)計(jì)采用C51匯編語言，可以保證數(shù)據(jù)計(jì)算的精度。以下就對一些主要模塊進(jìn)行詳細(xì)的闡述。3.2 軟件模塊設(shè)計(jì)3.2.1 主程序模塊主程序運(yùn)行流程圖如圖7所示。由主程序流程圖可以看出，軟件要實(shí)現(xiàn)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對傳感器信號的數(shù)據(jù)采集，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析、送數(shù)碼管進(jìn)行顯示。程序開始時(shí)，先關(guān)閉中斷，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括單片機(jī)的各寄存器、RAM、定時(shí)器裝載初值、中斷設(shè)置及各模塊初始

7、化等。完成初始化后，數(shù)碼管顯示參數(shù)為零，單片機(jī)等待傳感器傳入信號及AD轉(zhuǎn)換結(jié)束，從而完成當(dāng)前監(jiān)測參數(shù)的正確顯示。 上電復(fù)位系統(tǒng)初始化執(zhí)行主程序 結(jié)束數(shù)碼管顯示參數(shù) 聲光報(bào)警 參數(shù)超標(biāo) 圖7 主程序流程圖3.2.2 AD轉(zhuǎn)換模塊由于定電位電解式氣體傳感器工作響應(yīng)時(shí)間為10-20秒左右，故進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換前設(shè)置AD等待25秒，以保證傳感器響應(yīng)完成并使所測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。本設(shè)計(jì)所用的芯片為ADC0808，根據(jù)所需的要求，AD的工作流程如圖8所示，首先AD先等待25秒以使得傳感器完全響應(yīng)完畢，然后AD開始工作，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后向單片機(jī)發(fā)出一個中斷信號告訴單片機(jī)可以讀取數(shù)據(jù)，單片機(jī)響應(yīng)中斷，從PB口讀取轉(zhuǎn)換完畢后的8

8、位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，再進(jìn)一步進(jìn)行處理。對氣體傳感器分段選擇多個測試點(diǎn)盡享精確測試。系統(tǒng)上電后，對單片機(jī)、ADC0808進(jìn)行初始化，開單片機(jī)總中斷，外部中斷0，AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后，進(jìn)入中斷子程序讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在全局變量中，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、計(jì)算與處理，以便以后單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)LCD的顯示處理。 開始 循環(huán)四次 寫地址地址鎖存并清零ADC0808 等待一段時(shí)間開始轉(zhuǎn)換 等待轉(zhuǎn)換完成 輸出數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)處理 循環(huán)結(jié)束 圖8 AD 轉(zhuǎn)換流程圖3.2.3比較判斷函數(shù)如圖9比較判斷函數(shù)是將AD轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)與門限值比較，根據(jù)比較結(jié)果設(shè)置報(bào)警數(shù)組的對應(yīng)位。 開始 是否超限對應(yīng)位置零 是 否對應(yīng)位置一 結(jié)束 圖9 時(shí)鐘程序

9、流程圖3.2.4 顯示報(bào)警函數(shù)如圖10顯示報(bào)警函數(shù)根據(jù)報(bào)警數(shù)組控制相應(yīng)數(shù)碼管顯示報(bào)警傳感器號碼。 開始將報(bào)警數(shù)組對應(yīng)位賦予對應(yīng)的數(shù)碼管 結(jié)束 圖10 顯示報(bào)警函數(shù)流3.2.5 液晶顯示模塊本設(shè)計(jì)所用的顯示器件為四位數(shù)碼管，滿足顯示要求。數(shù)碼管與單片機(jī)是并口通信，由單片機(jī)的P3.3、P3.4、P3.5引腳來控制數(shù)據(jù)命令功能，單片機(jī)P2口傳輸數(shù)據(jù)到數(shù)碼管進(jìn)行顯示。工作流程如圖11。 1602初始化 送顯示命令 指向數(shù)據(jù)地址 送顯示數(shù)據(jù) 顯示數(shù)據(jù) 返回 圖11 液晶顯示模塊工作流程圖3.2.6 聲光報(bào)警模塊聲音報(bào)警采用的是蜂鳴器，光報(bào)警是通過6個發(fā)光二極管來顯示，3個綠色和三個紅色的，當(dāng)毒氣含量沒超

10、標(biāo)時(shí)顯示綠色，超標(biāo)時(shí)顯示紅色并啟動蜂鳴器，報(bào)警子程序執(zhí)行之前，設(shè)定的報(bào)警閾值存放在兩個變量中，傳感器輸入AD轉(zhuǎn)換值后，調(diào)用比較程序，小于閾值則執(zhí)行顯示程序，若大于閾值進(jìn)行聲光報(bào)警。圖12是聲光報(bào)警流程圖。 入口 報(bào)警位置紅燈亮并啟動蜂鳴器 綠燈亮 返回 圖12聲光報(bào)警流程圖4、 【仿真與仿真結(jié)果分析】4.1仿真軟件簡介 Proteus軟件由ISIS和ARES兩部分構(gòu)成，其中ISIS是一款便捷的電子系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)和仿真平臺軟件，ARES是一款高級的PCB布線編輯軟件。 Proteus具有和其他EDA工具一樣的原理圖編輯、印刷電路板(PCB)設(shè)計(jì)及電路仿真功能，最大的特色是其電路仿真的交互化和可視化

11、，通過Proteus軟件的VSM(虛擬仿真模式)，用戶可以對模擬電路、數(shù)字電路、模數(shù)混合電路、單片機(jī)及外圍元器件等電子線路進(jìn)行系統(tǒng)仿真。13圖   即為Proteus的工作窗口。  圖13 Proteus的工作窗口4.2仿真測試 對系統(tǒng)電路進(jìn)行繪圖仿真，主要測試一下幾點(diǎn)： （1）無可然氣體泄漏時(shí)系統(tǒng)工作是否正常； （2）可燃?xì)怏w超標(biāo)是系統(tǒng)工作是否正常。 圖14 低于設(shè)定報(bào)警濃度時(shí)的仿真在此設(shè)計(jì)中，我們把“報(bào)警濃度”設(shè)為了3.3，圖14濃度為2.55低于設(shè)定的報(bào)警濃度，沒有達(dá)到報(bào)警跟排氣的要求，所以從圖中可以看出，馬達(dá)跟蜂鳴器都沒有工作。 圖15 高于設(shè)定

12、報(bào)警濃度時(shí)的仿真從圖15中可以看出來，馬達(dá)跟蜂鳴器都已經(jīng)開啟了，再看此時(shí)的濃度為4.40，大于設(shè)定的報(bào)警濃度，所以單片機(jī)驅(qū)動了報(bào)警電路和排氣模塊。5、 【元器件清單】 如下表1為本實(shí)驗(yàn)所需元器件清單。 表1 元器件清單名稱型號數(shù)量單片機(jī)AT89C511傳感器MQ-21模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC08081蜂鳴器5V1抽油煙機(jī)220V1電阻R10.05K1電阻R21K1顯示屏LED1導(dǎo)線若干二極管紅3二極管綠3六、【總結(jié)及改進(jìn)思路】通過此次設(shè)計(jì)，了解進(jìn)行一項(xiàng)相對比較大型的科技設(shè)計(jì)所必不可少的幾個階段。課程能夠從理論設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐相結(jié)合、鞏固基礎(chǔ)知識與培養(yǎng)創(chuàng)新意識相結(jié)合、個人作用和集體協(xié)作相結(jié)合等方面全面的培養(yǎng)學(xué)生的全面素質(zhì)。我經(jīng)過這次系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)，熟悉了對一項(xiàng)課題進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)過程。這些在我們在將來的工作和學(xué)習(xí)當(dāng)中都會有很大的幫助。 同時(shí)學(xué)會了怎樣查閱資料和利用工具書。平時(shí)課堂上所學(xué)習(xí)的知識大多比較陳舊，作為電子類專業(yè)的學(xué)生，由于專業(yè)特點(diǎn)自己更要積極查閱當(dāng)前的最新電子資料。當(dāng)你在設(shè)計(jì)過程中需要用一些不曾學(xué)過的東西時(shí)，就要去有針對性地查找資料，然后加以吸收利用，以提高自己的應(yīng)用能力，而且還能增長自己見識，補(bǔ)充最新的專業(yè)知識。 其次對硬件知識有了一個系統(tǒng)的掌握與提高；這些都極大