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家庭智能安防系统—煤气泄漏报警.rar

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    家庭 智能 系统 煤气 泄漏 报警
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    科技学院 2011 届本科毕业论文家 庭 智 能 安 防 系 统专 业: 电子信息科学与技术指导教师: 李 良 荣 学生姓名: 袁 凤 学 号: 072004110424 中国﹒贵州﹒贵阳2011 年 5 月贵州大学科技学院毕业论文(设计) 第 I 页目 录摘 要 .....................................................................................................................................IIIABSTRACT .............................................................................................................................IV第一章 前 言 .........................................................................................................................11.1 课题研究的背景 .............................................................................................................21.2 研究目的及意义 ...........................................................................................................21.3 国内外研究现状 .......................................................................................................21.4 系统设计基本内容 ...................................................................................................4第二章 系统设计基础 .............................................................................................................52.1 系统实现方案与选择 .....................................................................................................5§2.1.1 基于单片机的实现方案 .......................................................................................5§2.1.2 基于 Mini Core 的实现方案 ...............................................................................6§2.1.3 方案选择 ..............................................................................................................72.2 Mini Core 芯片介绍 [2]..................................................................................................7§2.2.1 RCM5700 的简介 .....................................................................................................7§2.2.2 RCM5700 的优点 .....................................................................................................9§2.2.3 RCM5700 硬件组成 .................................................................................................9§2.2.4 RCM5700 模块接口定义 .........................................................................................92.3 传感器的选择 .............................................................................................................10§2.3.1 一氧化碳传感器的选择 [3]................................................................................10§2.3.2 氢气传感器的选择 [4].........................................................................................13§2.3.3 烷类传感器的选择 ............................................................................................152.4 仪表放大器的选择 ........................................................................................................152.5 A/D 转换器选择 [6] ......................................................................................................17第三章 系统电路设计 ...........................................................................................................193.1 系统硬件电路总体设计 ..............................................................................................193.2 系统硬件电路 ................................................................................................................203.3 信号采集放大电路设计 ...............................................................................................213.4 运放电路及 A/D 转换电路 [9] ....................................................................................223.5 RCM5700 内置看门狗的利用 ........................................................................................243.6 主控制器与显示屏的接口设计 ....................................................................................243.7 气体自动控制阀的原理 ................................................................................................25贵州大学科技学院毕业论文(设计) 第 II 页3.8 通信接口电路设计 ........................................................................................................263.9 电源转换电路设计 ........................................................................................................26第四章 系统电路调试 ...........................................................................................................284.1 模块的连通性调试 ........................................................................................................284.2 系统各硬件的检测及控制性调试 ................................................................................284.3 系统主控硬件的通信性能调试 ....................................................................................294.4 系统软硬件综合性能测试 ............................................................................................294.5 系统误差分析 ................................................................................................................29第五章 总 结 .......................................................................................................................31参考文献 ...................................................................................................................................32附 录 .......................................................................................................................................33致 谢 .......................................................................................................................................38贵州大学科技学院毕业论文(设计) 第 III页家 庭 智 能 安 防 系 统—煤 气 泄 漏 报 警摘 要随着我国智能小区和家庭智能化的建立和发展,人们对家居环境的要求越来越高,随之而在世界上出现的智能产品日新月异。比如,我们可以看到在当今社会上出现了许多煤气报警器,而这些产品大多只是针对煤气的泄漏所做出的相应的报警,即为家庭式。但是随着微机控制技术和传感器在工业控制、机电一体化、智能仪表、通信、家用电器等方面的广泛应用,煤气报警器的技术水平和自动化程度得到了显著的提高与发展。在本课题的煤气报警设计中,我选择了 RCM5700 作为系统的 CPU,通过单片机系统的设计实现对家用煤气的控制。由 NG-CO-001 电化学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,调节煤气出气阀的通断,从而达到发声报警、电话自动告知主人以及自动开启排风扇等功能。四个单元的煤气浓度对应的模拟量利用 A/D 转换器转换为数字量,并加入了键盘输入控制,从而实现对家用煤气泄漏的控制。整个系统的硬件电路设计合理,性能安全可靠。关键词:电位器采样;报警临界值;煤气浓度 ;RCM5700贵州大学科技学院毕业论文(设计) 第 IV页Family intelligent security systemDesign of the coal gas’ alarm deviceABSTRACTAlong with our country intelligence plot and family intellectualization establishment and development, the people to live at home the environment request to be more and more high, and the intelligent products which appears in the world changes with each new day along with it .There are many coal gas alarm’s devices in our lives. These devices will alarm after the coal gas leaking. We call them household or industry appliances. But as the microcomputer control technology and sensors in industrial control mechanical and electrical integration, intelligent instrument, communication, household appliances, etc, gas alarm the wide application of the technology level and automation extent had significant improvement and development.In this topic in the design of the gas alarm, I chose RCM5700 as systems CPU, through the single-chip microcomputer system design and implementation of the control of household gas. By NG - CO - 001 electrochemical carbon monoxide gas sensors to detect gas, the chroma value and setting density income compared to get deviation, through deviation signal processing gain control signal, so as to regulate the gas out of the air valve hige. Thus reach an alarm, phone automatically inform host and automatic open platoon fan etc. Function The four units of gas concentration corresponding analogue using A/D converter converted to digital quantity, and joined the keyboard input control, so as to realize the control of household gas leakage. The whole system hardware circuit design is reasonable and reliable performance.Keywords: Potentiometer sampling, Alarm critical value, the gas concentrations, RCM5700贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 1 页第一章 前 言智能化控制的概念起源于 20 世纪 80 年代初期的美国,在以电子技术为基础的家用电器投入使用的前提下,智能化控制的产业开始萌芽。但是,直到 80 年代中期,当家用电器、通信设备以及安放设备被组合到一起后,智能化控制的概念才真正的被人们所接受。到了 80 年代末,科学家把智能化控制作为一项专门的科学进行研究。随着通信与信息技术的发展,人们通过总线技术对住宅中各种通信、电器、安防设备进行监控与管理,这一系统的出现标志着现代智能化控制的正式建立。智能化控制最早出现在美国,当时被称作为 Smart Control。在这个系统逐渐转换为商业用途后,对整个行业是一个巨大的促进。根据其发展的趋势分析,智能化控制的家庭普及化必将成为一种新的趋势。欧盟经济发展联合会在 04 年的智能化电子产业发展报告会上表示,到 2015 年,欧盟主体国家将在 85%的楼宇、酒店、家庭实现智能自动化的普及推广工作。我国从 1999 年开始了智能化控制的研究及发展,预计到 2015年,60%以上的家庭将达到部分智能化控制。事实证明,我们现在已经远远超过了预计。智能控制行业的发展在全世界范围内几近风靡,第三世界国家更是将其作为一个新兴的产业,其发展势头势不可挡。随着智能控制热潮在世界范围内的日渐兴起,欧洲电子全面普及化工作的开展,亚洲国家电子技术的飞速发展,人们生活水平的不断提高以及智能电子技术不断的成熟,智能化控制已经成为未来生活潮流发展的最新方向。就我们国家而言,人们的生活水平提高了,但与此同时,社会人口的流动性大大增加,社会结构和社会治安都日趋复杂,根据数据显示我国的住宅盗窃案发率居高不下,盗贼气焰甚是猖獗。因此,人们对家庭生命财产的安全越来越重视。 与普通住宅相比,智能化家居生活拥有不可比拟的优势。智能化小区的住户可以在任何地方通过计算机或手机、电话来遥控家电,监控住宅情况,如指示洗衣机工作,查看冰箱中食品存储情况,监视家里是否有人闯入等。家里没人时暖气自动调低,出现紧急情况还会自动报警,住户还可以足不出户就能办妥一切琐事。这种方便、舒适、安全的生活正是人们梦寐以求的,因此新的智能型家居市场的前景非常广阔。本论文将以煤气泄漏报警为例,从侧面反映家庭智能安防系统的情况。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 2 页1.1 课题研究的背景现在大多数家庭使用的燃料是煤气或天燃气,我们几乎每天都会使用到它们,但是,每年因煤气泄漏造成的事故屡见不鲜。其中,有因使用热水器不当或产品本身的质量问题造成的煤气中毒;有因室内煤气浓度过高而引起煤气爆炸的。总之,家用煤气发生泄漏的原因多种多样,令我们防不胜防。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,所以在煤气泄漏时,如果打电话或使用家用电器的话,煤气遇到电火花可能会发生爆炸事故。早烷的不完全燃烧会生成一种有毒气体一氧化碳,人呆在这样的空间内,吸入一氧化碳后,一氧化碳将会迅速与血液中的红细胞结合导致人中毒昏迷,如果吸入过量泄漏的煤气甚至会中毒死亡。一氧化碳中毒属内科急症,如不及时发现治疗,将会危及生命。近年来,我国部分地区发生了大量的非职业性一氧化碳中毒,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。可见,及时发现煤气的泄漏是非常关键的,虽然现在市面上有一些相关的产品出售,但是这些产品并不能满足人们的需求。1.2 研究目的及意义在家居生活智能化及数字化需求愈加迫切的形势下,计算机技术、仪器技术和通信技术相结合,使智能化家居系统得到了快速地发展。随着人们生活水平的不断提高以及智能电子技术不断的成熟,智能化控制已经成为未来生活潮流发展的最新方向。每个家庭几乎每天都会使用煤气,但是我们经常可以听到因为煤气而死亡的事件,因此,预防和控制煤气泄漏是非常重要的。据有关专家介绍,使用煤气报警器是对付煤气这个无形杀手的重要手段之一。煤气专家指出,煤气泄漏和废气排放而产生的大量一氧化碳是中毒的根源,若采用煤气泄漏报警器就能得到及时的警示。有关部门经长期测试得出同样结论,煤气报警器防止一氧化碳中毒事故发生的有效率达 95%以上。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 3 页1.3 国内外研究现状 民用可燃气体报警器一般安装在厨房,遇煤气泄漏时,报警器可发出声报警,有的伴有数字显示,同时联动外部设备;有的报警器可自动开启排风扇,把煤气排出室外;有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀门,以防煤气继续泄漏。目前应用最广泛的是可燃性气体气敏元件传感器,从居民家庭到工厂企业都可看到,而且已普及应用于气体泄漏检测和监控。报警器种类繁多,按用途分为一般家庭型、集体住宅型,有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、通断连动系统、防止中毒报警防护系统等;按结构来分有袖珍型、便携式、手推式、固定式等;按工业用途又分为固定式、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。美国工业科学公司(ISC)发明的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。可燃气体传感器的发展已成为气体检测系统的代表性标志。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向于微型化、智能化和多功能化。目前,气体传感器的发展趋势集中表现在两个方面。一是提高灵敏度和工作性能,降低功耗和成本,缩小尺寸,简化电路,与应用整机相结合。如日本费加罗公司推出了检测 硫化氢低功耗气体传感器,美国 IST 提供了寿命达 10 年以上的610)~.(气体传感器,美国 FirstAlert 公司推出了生物模拟型(光化学反应型)低功耗 CO 气体传感器等。二是增强可靠性,实现元件和应用电路集成化,多功能化,发展 MEMS 技术,发展现场适用的变送器和智能型传感器。如美国 GeneralMonitors 公司在传感器中嵌入微处理器,使气体传感器具有控制校准和监视故障等功能,实现了智能化,还有目前美国 IST 公司的具有微处理器的“MegaGas ”传感器实现了智能化、多功能化。在我国,气敏元件传感器已被列为重点支持发展的对象,在国内已有一定的基础,其现状是:贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 4 页(1) 烧结型气敏元件仍是生产的主流,占总量 90%以上;接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力;电化学气体传感器有了试制产品。(2) 在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺,使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏;在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化陈列结构;在气敏材料方面 和2SnO材料已用于批量生产,新研究开发的 气敏材料、石英晶体和有机半32OFe 32OAl导体等也开始用于气敏元件的生产。(3) 低功耗气敏元件(一氧化碳,甲烷等气敏元件)已从产品研究进入试产。国外气体传感器发展很快,一方面是由于人们安全意识很强,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,美国 1996 年—2002 年气体传感器年均增长率为 27~30%。总的看来,我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快发展,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。1.4 系统设计基本内容针对经常发生的煤气泄漏中毒事件,采用一氧化碳、氢气、甲烷、乙烷等气体传感器、单片机、电磁阀和电铃,设计一套集有毒气体检测、报警电路,显示室内空气质量(分优、良、中、好、差五级)的煤气报警系统,用单片机模块分路控制继电器、发光二极管和电铃。报警系统由硬件和软件两大部分组成。其中硬件部分包括各气体传感器、感应器、控制器、主控器等设备,软件部分内容主要是系统程序。气敏传感器用来检测空气中煤气的浓度,当空气中煤气含量超标时,感应器获得感应信号,再经控制器对各感应信号进行相应识别和处理,最后将处理后的信号通过串口送至主控器,由主控器对其采取相应的警报动作,报警信号加至报警声响电路的控制端后,报警声响电路被触发,发出报警声,同时关闭总气阀,如有需要电话告知主人。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芯片、气体传感器以及总线的使用方法,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。系统贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 5 页软件设计方面的分析设计包括主机和从机程序设计分析等。设计可以基于 51 单片机和Rabbit RCM5700 进行设计和实现,设计分为前期仿真调试和后期的实物调试,用到了EDA、 PADS Logic 和 Keil 等相关软件进行前期的硬件连接、仿真以及程序的运行,后期主要进行焊接实物,电路和硬件的调试,最后运行实物。第二章 系统设计基础微处理器的出现实现了工业的现代化和自动化,使得基于分组交换技术的通信性能、通信质量和可靠性得到稳步提高。基于 8 位和 16 位单片机的嵌入式设备(如仪器仪表、数据采集和显示、过程控制、工业自动化等)的实时应用、测控系统正在走向网络智能化,这就要求企业从现场控制层到管理层都能实现全方位的无缝信息集成,实现远程强制维护、智能诊断以及远程管理功能,提供一个开放的基础构架,并具有高可靠性、分散控制、集中监视和管理的功能。2.1 系统实现方案与选择针对目前主要处理芯片的不同,本文提出了 2 种实现方案,分别为基于 8051 单片机实现方案以及基于 Rabbit RCM5700 实现方案,经过综合比较,在本课题中我最终选择了第二种方案进行系统实现。§2.1.1 基于单片机的实现方案基于 8051 单片机实现的煤气报警器的具体方案如图 2.1 所示。该方案主要包括了可燃气体传感器、A/D 转换器、8051 单片机电路、键盘控制电路、晶振、蜂鸣器以及LED 显示电路。可燃气体传感器输出为模拟量,需要利用 A/D 转换器将其转换成数字量送给 8051单片机;晶振和键盘控制作为单片机的外围输入电路,蜂鸣器作为报警用的外围输出电路;显示电路采用了 LED 显示,由 8051 单片机控制实现显示 [1]。
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