基于STC12C5A60S2单片机的可燃气体报警仪的设计

123xiaowang蓝色_ 2017-12-17 6296

嵌入式设计应用

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描述

　　随着石油、煤炭等传统燃料的减少，可燃气体在工业和人们的家庭生活中得到了广泛的应用。这些气体虽然为人们的生产生活提供便利，创造价值，但仍需对其浓度进行有效监控，以防范火灾、气体中毒等对人们生命财产造成的危害。

　　本文给出一种基于STC12C5A60S2单片机的可燃气体报警仪的设计。硬件方面，先给出总体的设计方案，然后按功能要求对各硬件电路单元进行分析设计。软件方面，依据硬件的功能，设计了可燃气体报警仪的总体方案，并介绍了各功能模块的实现方法。

　　1基于STC12C5A60S2单片机的可燃气体报警仪的硬件设计

　　1.1系统的结构分析

　　报警仪系统框图如图1所示，系统以单片机STC12C5A60S2为核心，配合其他的外围电路共同完成信号采集、浓度显示、按键输入、声光报警等功能。

　　首先，气体传感器送来的微小电压信号经信号调理单元放大后，转换成较大的电压信号传送给STC12C5A60S2单片机;然后，在单片机进行A/D转换，浓度比较，线性化处理;最后，将气体浓度送入LED显示单元并判断气体浓度是否超出报警限值。

　　当气体浓度处于正常状态时，绿灯点亮;当气体浓度超出设定限值时，声光报警单元立即发出声音报警并伴随红灯闪亮完成对气体的检测报警，同时启动通风换气设备及时加强通风并利用电磁阀关闭气体通道，使气体浓度迅速降低到安全点。该系统还可以通过RS-232总线与上位机进行串口通信，便于在线采集和处理数据，更改报警限值等。

STC12C5A60S2单片机

　　2系统硬件设计

　　2.1可燃气体检测电路

　　本设计采用费加罗公司生产的一款气体传感器TGS813，该气体传感器对甲烷等可燃还原性气体有很高的灵敏度。当存在检测气体时，传感器的电导率随气体浓度的增加而增加。在实际应用中，可使用简单的电桥电路即可将电导率的变化转化为与该气体浓度相对应的电信号。然而通过电桥电路产生的输出电压信号一般比较微弱，需要做适当的调理才可以转换成适合A/D转换的电压。

　　TGS813数据采集电路如图2所示。图中R8、R9、R10和气敏电阻RS构成一个电桥，实现电阻到电压的转换。运算放大器A1A接成电压跟随器，和电阻R7、稳压管D1组成稳压电路，为电桥供电。电桥转换后的输出电压通过LM324的另外一个运算放电器A2A进行放大，放大的倍数通过电阻R11进行调节，以便输出合适的电压供A/D转换。

　 STC12C5A60S2单片机

　　2.2主控单元电路

　　主控单元电路图如图3所示，微处理器STC12C5A60S2是一款单时钟/机器周期的单片机，是高速/低功耗/超强干扰的增强型8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051，但是速度快8～12倍。内部自带A/D，D/A转换器、实时时钟，看门狗等，减少了外围器件的数目，降低了系统成本。

　 STC12C5A60S2单片机

　　在图3中，单片机的外围连接除了基本的复位电路，还有温度补偿电路、串口连接电路和键盘电路。由于气体传感器TGS813的RS随温度变化较大，为提高系统精度必须对结果进行温度补偿或者温度修正。本系统采用温度传感器DS18B20采集温度，然后用软件方法对测量值进行温度修正。RS-232串口的连接，可以实现系统与PC机的通信，可从PC机下载最新的数据，也可将检测数据上传至PC机。

　　键盘电路有模式（MODE）、加（+）、减（-）、确认（ENTER）4个独立的控制按键。按下模式键，表示系统进入调试状态，此时可以按下+键或者-键对报警值进行设定，设定完毕按ENTER即退出设定模式。

　　2.3声光报警电路

STC12C5A60S2单片机

　　作为可燃气体报警仪，声光报警部分不可缺少，本设计中的声光报警电路包括蜂鸣器和红、黄、绿三个LED报警指示灯。具体表现形式如下：

　　1）红色灯点亮时说明环境中的可燃气体含量已经超过限值，此时黄色和绿色灯熄灭，蜂鸣器发出声音报警;

　　2）黄色灯点亮时说明可以检测到环境中可燃气体的存在，但其浓度没有达到报警限值，此时红色和绿色灯熄灭，蜂鸣器不发声;

　　3）绿色灯点亮时说明传感器没有检测到可燃气体，一切正常，此时红色和黄色熄灭，蜂鸣器不发声;

　　4）当3种颜色指示灯同时点亮并且蜂鸣器不发声，表示系统进入设定状态，可能是模式切换或者进行标定;图4声光报警单元声光报警单元与单片机的连接如上图4所示，图中对蜂鸣器的驱动加入一个PNP三极管，这样不仅能使蜂鸣器的声音更加响亮，并且三极管基极电路保证了只有在单片机输出为低电平时，蜂鸣器才会发声，避免了误报警的发生。

　　3软件设计

　　3.1软件设计思想

　　软件设计解决的主要问题是气体浓度信号的A/D转换，数字滤波、温度补偿、线性化处理、浓度显示、按键设置以及声光报警等。由于功能较多，故采用模块化结构设计，每个模块只负责单独的一项功能，便于后期的调试和编译。

　　3.2主程序设计

　　系统主程序流程图如图5所示。

　 STC12C5A60S2单片机

　　3.3主程序初始化设计

　　传感器预热后，程序开始初始化，这部分主要实现I/O口输入输出状态的设定、寄存器初始化、中断使能等功能。

　　3.4数字滤波子程序设计

　　气体传感器在对气体浓度采样时会遇到尖脉冲干扰的现象，需要对数据进行数字滤波，具体的方式为：先对N个采样数据进行比较，去掉其中的最大值和最小值，然后计算余下N-2个数据的算术平均值，最后将算术平均值送至寄存器。本文中N取10，即调用A/D转换连续进行10次采样。

　　3.5按键及声光报警子程序设计

　　本设计采用查询式按键结构，定时对按键进行扫描，实现对按键的动态监控。

　　声光报警是在气体浓度超过设定值时，该装置被启动，以提示操作人员采取安全措施或者自动控制相关安全装置。为防止误报，在程序设计上要对气体浓度进行快速重复检测和延时报警，从而判断出是管道中气体的泄漏还是由于打开阀门产生的暂时气体微量散失。

　　4结束语

　　本系统采用高性能、集成化的STC12C5A60S2单片机作为核心器件，设计了适合工业和小型场合使用的可燃气体报警仪。在设计中充分利用其高速数据处理能力和丰富的片内外设，实现了仪器的小型化、智能化。在软件的设计中，采用中位值平均数字滤波算法，对A/D转换后的数字信号进行滤波处理，最大限度地排除现场干扰，降低可燃气体报警器的误报概率，提高了仪器的精确度。

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