基于某单片机的可燃气体探测报警控制系统(共33页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上科技学院新科学院2014届本科毕业论文（设计）基于单片机的可燃气体探测报警控制系统学生： 侯青青所在院系：新科学院电气工程系所学专业：电子信息工程导师： 王红军完成时间：2015年4月10日基于单片机的可燃气体探测报警控制系统摘 要随着电子科学技术的进步和发展，电子技术逐渐成为安全方面的有力手段，许多安全方面的电子产品，是人们在生活中的得力助手。本设计利用单片机技术结合A/D转换芯片构建了一个可燃气体探测报警系统。当环境中可燃气体泄露并达到一定浓度时，可燃气体报警报警系统将会检测到并发出报警信号，以提醒工作人员采取安全措施。本文首先简要介绍了可燃气体探测报警控制系统的

2、主要方式以及单片机系统的优势，后又详细地介绍了可燃气体探测报警控制系统的设计流程，以及硬件系统和软件系统的设计，给出了硬件电路的设计细节，包括各个部分电路、芯片的选择、方案的可行性分析等。 本系统主要由传感器MQ-2、单片机AT89C52、模数转换芯片ADC0808、液晶显示屏LCD1602构成，其功能是对环境中可燃气体的浓度进行监测，当浓度达到原本设定的报警值时，就会触发声光报警。其主要工作流程为：首先由传感器MQ-2对环境中有害气体的浓度进行采集，然后将其转化为相应的电压值，将模拟信号采集处理后传送给模数转换芯片ADC0808，再将转换后的数字信号传送给单片机AT89C52，单片机部建立浓

3、度与电压的关系，将结果送入LCD进行显示，若可燃气体浓度达到报警值时会触发声光报警，从而能够降低日常生活中可燃气体泄漏所引起的事故的发生。关键词：单片机，可燃气体，MQ-2传感器Design of Ignitable Gas Alarm Detector and Controller Based on MCUAbstractWith the progress and development of electronic science and technology, electronic technology has become the powerful tools for the secur

4、ity, many security electronic products, is people in lifes right-hand man. This design using the single chip microcomputer technology combined with the A/D conversion chip built A combustible gas detection alarm system. When the combustible gas leakage in the environment and achieve a certain concen

5、tration, combustible gas alarm alarm system will be detected and signal alarm, to remind staff to take safety precautions. This paper first briefly introduces the main way of combustible gas detection alarm control system and the advantage of single chip microcomputer system, and introduces in detai

6、l the design process of the control system of flammable gas detection alarm, and the design of hardware system and software system, details the design of hardware circuit are given, including the selection of each part of the circuit, chip, project feasibility analysis, etc.MQ - 2 this system is mai

7、nly composed of sensor, microcontroller AT89C52, modulus conversion chip ADC0808, LCD display LCD1602, its function is to the concentration of the combustible gas in environment monitoring, when the concentration reaches originally set alarm value, will trigger a sound and light alarm. Its main work

8、ing process is: first by the sensor MQ - 2 to acquisition of the concentration of harmful gas in the environment, and then translate them into corresponding voltage value, the analog signal collection and processing will be sent to ADC0808 modulus conversion chip, then the converted digital signal t

9、ransmitted to the single chip microcomputer AT89C52, MCU internal build relations between the concentration and voltage, the results into the LCD display, if combustible gas concentration reaches the alarm value, will trigger the acousto-optic alarm so that they can reduce daily life caused by combu

10、stible gas leakage accidents.Key words: AT89C52, combustible gas, MQ - 2 sensor专心-专注-专业目录绪论煤矿爆炸、厂房起火、工人中毒、家庭煤气泄漏等诸如此类新闻报道层出不穷。矿井、气库、石油化工、室煤气等众多易燃易爆场所的安全问题一直都被广泛关注。因此设计一款能稳定并实时采集现场可燃气体信号测量检测系统尤为重要。近几年来大规模的集成电路发展迅速，也带动了单片机的迅猛发展，这给在野外以及无人监测的地方进行实时监测带来了很大的方便。“个头小、价格低廉、性能强大”是单片机的一大特征。在环境监测仪中运用单片机技术，不仅能够降

11、低成本，还能减小其体积和质量，既能提高环境监测仪的自动化水平，又对环境监测更加准确。按系统的功能实现要求，决定控制系统采用市场上很普遍的AT89C52单片机，模数转换采用ADC0808，转换速度完全可以达到本次设计的要求，显示部分由LCD1602液晶屏进行显示。本设计是通过采用MQ-2气体传感器作为可燃气体的信号采集工具，系统建立浓度与电压关系，利用单片机技术将采集到的模拟电压量经过A/D转换为数字信号，经过信号处理计算，浓度值由液晶显示，触发声光报警，启动无线控制排气装置。1 报警器的概述1.1 报警器的研究背景及意义在中国逐步进入工业化的同时，工业事故的发生频率也在逐步上升。工人中毒、煤矿

12、爆炸、家庭煤气泄漏、厂房起火等等诸如此类的事故频频发生。发生这些事故的主要原因是在工业环境中对易燃易爆气体、有毒有害气体的使用。在我们的日常生活中到处都充斥着易燃易爆气体和有毒有害气体，一旦发生了泄漏，不仅使环境受到污染，还会造成人员的伤亡和财产的损失。比如说天然气，虽然它是一种被广泛应用的清洁能源，但它的危害我们不能忽略，天然气的组成来源主要是甲烷，还包含有一些乙烷、丙烷等其他烃类，并且有少量的二氧化碳、氮气、硫化氢、氢气等非烃类组分。在日常生活中，如果使用不当会造成天然气泄漏使人因窒息而死亡。其次，天然气的主要成分是烷烃（甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等）和少量二氧化碳、二氧化硫，它的可燃烧成分是

13、烷烃，烷烃本身无色无味，没有毒性，而有气味的是其中的二氧化硫。通常，如果天然气中的二氧化硫含量极少。为了使人容易通过嗅觉感知管道泄漏，因而在天然气中加入了少量二氧化硫气体和硫化氢气体，但是硫化氢是一种剧毒气体，如果天然气中含有较多的硫化氢，人在大量吸入后会造成健康损伤。 近几年来大规模集成电路发展迅速，单片机也迅猛发展，将单片机技术运用到环境监测中，能够大大降低成本，还可减少环境监测仪的质量跟体积，已与这些优点，可燃报警控制系统能够广泛应用于家庭和工业中。1.2 气体传感器的分类表1.1气体传感器分类气体传感器分类原理特点半导体式气体传感器被测气体的吸附后，半导体的电导率变化，从而使电流变化，

14、驱动报警电路。反应灵敏，成本低廉，适宜于民用气体检测。催化燃烧式传感器是目前使用最多的检测可燃气体的原理之一输出信号线形好、无与其他非可燃气体的交叉干扰等特点热导池式气体传感器不同气体的热导率差别较大应用围窄，限制因素较多红外式传感器不同元素吸收的光的波长不同。反应灵敏，能适用于多数碳氢化合物，但成本较高结构复杂。磁性氧气传感器空气中的氧气可以被强磁场吸引的原理只能用于氧气的检测，选择性极好2 系统组成框图与工作原理本设计主要是对环境中的可燃气体进行检测分析，一旦有害气体的浓度超过规定容许的气体浓度围，系统将闪光响铃报警。系统具有以下功能：（1）有害气体传感器的检测功能；（2）数模转换功能；（

15、4）液晶显示功能；（3）声光报警功能；通过对功能需求分析，本系统的设计如下：单片机对环境中可燃气体探测报警系统主要由气体传感器、信号调理、A/D模数转换器、单片机和声光报警等几部分构成。首先有害气体传感器对有害气体的浓度进行测量，进而转换成电压量，将气体传感器的输出端口接到A/D模数转换器的IN0，并作为A/D模数转换器的输入。再将A/D模数转换器的输出端D0D7接到单片机的P1口，将声光报警电路接到单片机的P3.4和P3.5口，从而构成气体检测报警系统。当气体传感器检测的浓度值大于或等于所设定的气体浓度值，通过A/D模数转换成高电平送到单片机的P1口，从而使P3.4=0，闪光就启动，同时P3

16、.5=0，蜂鸣器启动，从而完成了气体的检测。其硬件结构图如下：LCD液晶显示C52单片机声光报警电路A/D转换电路传感器电路图2-1系统硬件结构图3 主要原件介绍3.1 STC89C52单片机3.1.1 概述本设计的气体浓度检测装置需运用单片机的判断、运算和控制能力及存储、显示功能，它所处理的信息量和复杂程度不是太大，采用8位单片机足以满足设计要求，因此选择了AT-MEL公司的COMS工艺的低功耗单片机AT89C52。89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用ATMEL公司可靠的CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了C

17、MOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于89C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。89C52置8位中央处理单元、256字节部数据存储器RAM、8k片程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片时钟振荡电路。3.1.2 管脚介绍AT89C52封装结构为40条引脚双列直插式，其引脚排列如图2.1所示。其中，有2条电源引脚，2条外接晶体，4条控制引脚，其它为I/O引脚图3-1 AT89C52引脚图主要的

18、引脚介绍：VCC：电源； GND：接地；P0口：P0口含有8个双向I/O引脚，每个引脚可吸收的门电流是8个TTL。当第一次给P0口送“1”，定义为输入。P0能够用于外部程序数据存储器可以被定义为数据/地址的第八位。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外部必须被拉高；P1口：P1口含有8个双向I/O引脚，其部自带上拉电阻。部的缓冲器能接收/输出的门电流为4个TTL。当P1口被写入“1”后，自动的被上拉电阻拉高，此时其可用作输入引脚。P1口为低电平时，会输出电流。在FLASH编程或校验时，P1口作为低8位地址接收。 P2口：P2口含有8个双向I

19、/O引脚，其部自带上拉电阻。其部的缓冲器可接收/输出的门电流为4个TTL，当P2口被写入“1”时，其管脚被拉高，作为输入口。作为输入时，P2口为低电平时，可输出电流。P2口访问外部程序存储器或进行16位地址外部数据存储器存取时，P2口作高八位地址引脚。在给地址送“1”时，可利用部上拉优势。当进行读写外部8位地址/数据存储器时，P2口输出其特殊功能寄存器的容。在FLASH进行编程和校验时，P2口接收高八位地址和控制信号。 P3口：P3口有8个双向I/O引脚，其部都自带上拉电阻。可接收/输出为4个TTL的门电流。给P3口送入“1”后，被部上拉为高电平，用作输入端口。作为输入时，外部下拉为低电平，P

20、3口作为输出将输出电流。P3口作为AT89C51的一些特殊功能口还具有一些特殊功能：P3.0 RXD作串行输入引脚；P3.1 TXD作串行输出引脚；P3.2 /INT0为外部中断0引脚；P3.3 /INT1 为外部中断1引脚；P3.4 /T0为定时/计数器0外部输入引脚；P3.5 /T1为定时/计数器1外部输入；P3.6 /WR为外部的数据存储器的写选通引脚；P3.7 /RD 为外部的数据存储器的读选通引脚；RST：复位输入。要对器件进行复位时，保持RST引脚两个周期的高电平。ALE/PROG：对外部存储器进行读写时，该引脚锁存地址的低位字节。进行FLASH编程时，此引脚为编程输入脉冲。一般A

21、LE输出周期稳定的正脉冲，此周期为振荡器周期的6倍。所以它能为外部输出脉冲，也可用来定时。但是作为外部数据存储器时，将会跳过一个ALE脉冲。 PSEN：外部程序存储器选通信号。在由外部程序存储器取指时，一个机器周期中/PSEN有效两次。但对外部程序存储器访问时，将不出现这两次有效的信号。 /EA/VPP：当/EA为低电平期间，不管是否有部程序存储器，都为外部程序存储器。注意加密方式为“1”时，/EA将部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间部程序存储器。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部时钟工作电路的输入。XTAL2：

22、振荡器输出引脚。3.1.3最小系统电路中电容器C1和C2其稳定振荡频率、快速起振的作用，本次设计采用33pF电容。晶振频率的典型值位12MHz,采用6MHz的情况也比较多。部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实际电路中使用比较多，本次设计采用12M晶体振荡器。图3-2晶振电路单片机的RST管脚是外部复位的信号输入端口。复位电平为高电平有效，高电平持续的时间为2个机器周期以上。单片机有上电复位和手工复位两种复位方式。下图所示是51系列单片机常用的上电复位和手工复位组合电路，复位后，单片机各部件将会恢复到初始状态。图3-3复位电路3.2 转换芯片ADC08083.2.1 概述ADC0808是CMOS

23、为8位的器件，采用逐次逼近原理进行A/D转换。它有一个8通道的多路开关，它可以依据地址码锁存译码后的信号，仅对选通8路模拟输入信号中的一个信号来进行A/D转换。3.2.2 管脚介绍图3-4 ADC0808管脚图ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如右图所示。各引脚功能如下：（1）IN0IN7：8路模拟量输入端,通过3根地址译码线ADDA ADDB ADDC来选通一路。（2）D7D0：AD转换后的数据输出端，为三态可控输出，故可直接和微处理器数据线连接，8位排列顺序是D7为最高为，D0为最低位。（3）ADDA、ADDB、ADDC：模拟通道选择地址信号，ADDA为低位，ADDC为高

24、位。（4）VREF（+）和VREF（-）：正负电压参考输入端，用于提供片DAC电阻网络的基电压。在单极性输入时，VREF（+）=5V，VREF（-）=0V，双极性输入时，VREF（+）和VREF（-）分别接正负极的参考电压。(5) ALE：地址锁存允许信号，高电平有效,当此信号有效时，A、B、C三位地址信号被锁存，译码选通对应模拟通道，。使用时，该信号常与START信号连在一起，以便同时锁存通道地址和启动A/D转换。（6）START：A/D转换启动脉冲输入端，:正脉冲有效。加于该端的脉冲的上升延使逐次逼近寄存器清零，下降延开始A/D转换，如正在进行转换时又接到新的启动脉冲，则原来的转换进程被中

25、止，重新从头开始转换。（7）EOC：A/D转换结束信号，高电平有效。该信号在A/D转换过程中为低电平，其余时间为高电平。该信号可作为被CPU查询的状态信号，也可作为对CPU的中断请求信号。在需要对某个模拟量不断采样、转换的情况下，EOC也可作为启动信号反馈接到START端，但在刚加电时需要外电路第一次启动。（8）OE：数据输出允许信号，高电平有效。当微处理器送出该信号时，ADC0808的输出三态门被打开，使转换结果通过数据总线被读走。在中断工作方式下，该信号往往是CPU发出的中断请求响应信号。3.3 气体传感器MQ-2MQ-2型传感器可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷

26、、甲烷、酒精等的探测。MQ-2型传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。当传感器所处的环境中存在着可燃气体时，传感器的电导率将会随着空气中可燃气体浓度的增加而增大。只要使用简单的电路就可以将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-2型气体传感器对于丙烷、液化石油、天然气的灵敏度很高，尤其对烷类烟雾更为敏感具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例如酒精。MQ-2传感器可用于检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本的传感器。MQ-2型气体传感器具有良好的重复性和长期稳定性。初始稳定，响应时间短，长时间工作性能好。其检验可燃气体的围为1

27、0010000ppm，电路设计的电压围宽，24V以下均可。MQ-2气敏元件的结构和外形如图3.3所示(结构 A 或 B), 由SnO2 敏感层、微型Al2O3陶瓷管、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。 部件材料1气体敏感层二氧化锡2电极金（Au）3测量电极引线铂（Pt）4加热器镍铬合金（Ni-Cr）5陶瓷管 三氧化二铝6防爆网100目双层不锈钢（SUB316）7卡环镀镍铜材（Ni-Cu）8基座胶木或尼龙9针状管脚镀镍铜材（Ni-Cu）图3-5结构和外形3.4 液晶显示模块本设计选用的来显示对环境中气体的进行实时监控的是液晶显示模块

28、TC1602。以下是对TC1602芯片的说明，TC1602是一种16字2行的字符型液晶显示模块。TC1602的引脚排列如下图所示，它有14个引脚可与外界相连，各引脚功能如下：图3-6 显示屏TC16021脚VSS：接地；2脚VDD：接5V电源；3脚VEE：对比度调整端，接正电源和接地时对比度分别为最高和最弱；4脚 RS：寄存器选择端，当RS为0时，选择命令寄存器IR；当RS为1时，选择数据寄存器DR；5脚RW：读写控制端，高电平时为读操作，低电平时为写操作；6脚Enable：使能控制端，Enable为1时，则使能；Enable为0，则禁止；E端为使能端，当E端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执

29、行命令；7脚14脚D0D7：8位数据总线；15脚LED：背景光源，接5V；16脚LED：背景光源，接地。 4 电路单元硬件设计4.1 可燃气体信号采集部分电路在本设计中，采用了的信号采集器件为MQ-2传感器，器件的1、3、4引脚连接电源，一般使用+5V，2、5、6引脚接地。采集到的信号通过1k欧姆电阻后传送到ADC0808的模拟输入端，R2用来调节输出信号的大小。具体的电路连接如图4.1所示：图4-1 信号采集电路4.2 A/D转换部分电路以下是ADC0808的工作过程：通道选择地址有效时，ALE信号一旦出现，地址则会存入地址锁存器中。此地址经过译码选通8路模拟输入之一到比较器。而START上

30、升沿将逐次逼近寄存器复位。START下降沿将会启动 AD转换，然后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成后，EOC将会变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器中，而这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，打开三态门，读取转换结果。 A/D转换后所得到的数据应及时传送给单片机进行及时处理。数据传送的一个关键的问题是怎样确认A/D转换的完成，因为只有确认数据传送完成后，才能够进行传送。为此可以采用以下三种方式： （1）定时传送方式 转换时间对于一种A/D转换器来说作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0808转换时间为100s，相当于6MHz的MCS-51单片机

31、共64个机器周期。故可以依照此设计一个延时的子程序，A/D转换启动后就可调用此子程序，当延迟所需时间一到，转换就完成了，紧接着及可进行数据的传送。 （2）中断方式 中断方式是指将表明转换完成的状态信号EOC作为中断请求信号，数据传送方式就使用中断方式。（3）查询方式 ADC0808的EOC信号连在52的P2.5引脚上了，单片机通过循环查询EOC信号，通过测试EOC的状态，来确认转换是否完成。不管使用上述的哪种方式，只要一旦确定转换完成，便可通过指令进行数据的传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号也为有效，把转换数据送给数据总线，单片机接受。ADC0808与单片机的连接电路如下：图4-2

32、A/D转换部分电路4.3 显示部分电路在电信号通过调理电路后输出给单片机的AD转换端口，再经过计算和处理后以ppm显示在液晶显示模块TCl602上。TC1602与单片机连接电路如下图4.3所示：图4-3 液晶显示电路4.4 报警电路单片机的P3口用来控制光报警电路，依据不同的情况将会发出不同的光报警信号。当浓度正常时，P3.3引脚控制的绿灯亮，当浓度超标时，P3.4引脚控制的红灯亮，进行报警。声音报警电路也是在单片机P3口的控制下，当浓度超标时，P3.5引脚控制的蜂鸣器鸣响，进行报警。如下图所示：图4-4光报警电路图4-5蜂鸣器电路5 软件设计部分5.1 软件设计流程图开始定时器初始化，液晶显

33、示屏初始化启动A/D转换，读取转换结果，标度变换，保存数值在液晶上显示当前浓度判断浓度是否超标对应的报警灯亮是否图5-1 系统设计流程图5.2 软件仿真过程A/D转换仿真图，由于Proteus里没有传感器模型，所以用一个0-5V直流电压表接滑动变阻器代替传感器的0-5V的电压的输出，进行A/D转换过程的仿真，当调节调动变阻器使其显示不同阻值时，A/D转换也将会得到不同的值，。下图所显示的电路仿真是浓度正常的仿真：图5-2电路仿真图当电路进行报警时的电路：图5-3报警电路图6 总结本次的设计实现了对可燃气体探测报警控制的目的，以89C52为主要芯片，通过MQ-2传感器对可燃气体浓度的采集，再经过

34、A/D模数转换电路后送给单片机处理，处理后的结果送给液晶显示屏，并触发声光报警。，就这样构建了一个可燃气体探测报警控制系统。在仿真时，由于PROTEUS软件中没有对应的MQ-2传感器模块，采用0-5V的电源模拟传感器的输入。仿真通过后，开始实际电路的搭构。本系统使用的工具是面向对象的编程KEIL和PROTEUS进行设计 ,既解决了传感信号的放大，也解决模拟信号的转换问题，完成了系统的综合测试。该系统采用了一些常见的应用电路，实现了对可燃气体的检测和控制。参考文献1 谭浩强.C程序设计（第三版）M.：清华大学，2005.7.2 强.无线收发模块设计实现J.通讯科技，2010，1:38-403 光

35、东.单片微型计算机原理及其C语言程序设计M.：华中科技大学，2004.4.4 史小军.电化学气体传感器在烟雾监测中的应用J.中国仪器仪表，2009，6:90-91.5 建忠.单片机原理及应用M. ：电子科技大学，2002.3.6ISBN 7-08-X，夏路易，电路原理图与电路板设计教程protel 99se，-1版，-，-希望电子，20027 ISBN 7-81077-517-0，光飞，单片机课程设计实例指导，-1版，-，-航空航天大学，2004致谢我的的毕业课题是可燃气体探测报警控制系统的设计，是一个实际的小工程。作为一个本科生，我对实际的工程设计认识还不够，经验也不足，在设计的整体框架中，

36、难免有很多的细节没有考虑。我们的指导老师王老师并没有指责，而是给予我们鼓励和很多宝贵的建议，并且悉心引导，给予我一个清晰的设计思路。我们沿着这条经验之路，不断地进行尝试探索，慢慢地也掌握了思考的方法和设计的基本流程。在设计中我遇到了很多的难题，比如硬件器件的选择，功能的实现等。然而这样的问题并不是我一个人所能解决的，幸运的是有我们的指导老师，在王老师的悉心指导下，一个个看似复杂的问题便迎刃而解。 最后我还要再次深深地感谢王红军老师，正是基于王老师的悉心指点和自身的努力，我才能比较顺利地完成毕业设计。谢谢大家！附录#include#define uchar unsigned char#defin

37、e uint unsigned intsbit clk=P27; /时钟信号sbit start=P24; /启动转换sbit eoc=P25; /转换结束信号sbit oe=P26; /控制数据的输出sbit lcdrs=P36; / 液晶命令数据选择端sbit lcden=P37; /液晶使能信号sbit led1=P33; /一氧化碳浓度正常信号sbit led2=P34; /报警信号sbit Ring=P35; /蜂鸣器报警sbit a=P20; /通道选择sbit b=P21;unsigned char code table1 = ; uchar num1;/存储通道采集的数据;void delay(uint ms) /延时函数msuchar i;while(ms-)for(i=0;i30)/若浓度超标则报警 led2=0; led1=1; Ring=0; else led1=0; led2=1; Ring=1; display_result(); void timer0_int() interrupt 1 /定时采样 clk=clk;