基于51单片机煤气浓度检测及报警系统的设计.docx

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基于51单片机煤气浓度检测及报警系统的设计

3.1.1时钟电路7

3.2.1MQ-2介绍9

3.2.2ADC0809介绍10

3.3液晶显示电路设计11

3.4声光报警提示电路12

3.4.1灯光提示电路13

3.4.2声音报警电路13

3.5电机驱动电路13

3.6按键电路14

4系统的软件设计14

4.1EDA仿真软件―Proteus14

4.2系统程序流程图15

4.3烟雾探测子程序的设计16

4.4按键电路子程序的设计17

4.5电机驱动子程序的设计18

总结19

参考文献21

致谢22

附录:

程序23

基于51单片机煤气浓度检测及报警系统的设计

机电工程学院自动化专业徐本波（21106061093）

指导老师：

郭一军（讲师）

摘要:

随着社会的进步，科技的发展，人们的生活水平得到提升，天然气煤气逐渐进入我们的家庭，它给我们带来方便的同时也给我们带来了危害。

所以煤气浓度检测报警系统的制作很有必要。

而且计算机及单片机的普及和信息技术的迅猛发展，使人们已经对家庭住宅环境提出了更高的要求，智能化，信息化被引入家庭，便利，舒适而且更加安全。

煤气报警器中采用STC89C52为主控制器，利用气体传感器MQ-2、ADC0809数模转换芯片等实现基本功能。

通过这些传感器和芯片，当环境中煤气浓度发生变化时，LCD1602液晶显示器会实时显示煤气浓度值，并且发出相应的灯光报警信号和声音报警信号，以此来实现煤气报警，当煤气浓度达到一定的范围时，系统还可以驱动继电器工作，继电器通过驱动排风扇排出有毒气体，以此来实现智能报警控制。

本系统主要针对传统煤气，液化气的泄漏进行检测，报警。

本系统有如下特点：

用单片机实现控制，电路简单，价格便宜，可靠性好。

此外，本系统还可作为智能家居的一个安全系统。

关键词：

单片机；MQ-2传感器；ADC0809；煤气报警；智能控制

DesignofGasConcentrationDetectionandAlarmsystemDetectionBasedon51MCU

XuBenboDirector:

GuoYijun

（CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，HuangshanUniversity）

Abstract:

Withtheprogressofsociety,thedevelopmentofscience,people’slivingstandardhasbeenimproved,naturalgasandcoalgasgraduallyintoourfamily.Theybringusconvenience,butalsobringsusharm.Soit’snecessarytomakeagasconcentrationdetectionalarmsystem.Inaddition,therapiddevelopmentofthepopularityofcomputerandsinglechipcomputerandinformationtechnology,peoplehaveonthehouseenvironmentproposedhigherrequirements,intelligent,informatizationisintroducedfamily,convenient,comfortableandsafer.

GasalarminthepaperusesSTC89C52asthecorecontroller,therealizationofthebasicfunctionsofthegassensorMQ-2,ADC0809converter,etc.Throughthesesensorsandchips,whenenvironmental smokeconcentration orcombustiblegas concentration changesthesystem sendsoutcorresponding lightalarm signalandthesound alarmsignal, inorderto achievesmokealarm, whenthesmoke reachesacertain range, thesystem canalsodrive therelay, Sothattherelay candischargespoisonousgasesthroughtheexhaustfan . Implementationofintelligent alarmcontrol.

Thissystemismainlyforconventionalgas,liquefiedpetroleumgasleakdetection,alarmsystemhasthefollowingcharacteristics:

withMCUcontrolcircuitissimple,cheap,andreliability.Inaddition,thissystemcanbeusedasasmarthomesecuritysystem.

KeyWords:

MCU;MQ-2sensor;ADC0809;Gasalarm;intelligentcontrol

1绪论

1.1课题的研究背景

现在的社会，人们越来越离不开煤气，天然气等与我们日常生活息息相关的能源。

但随着煤气使用普及率提高的同时，煤气泄漏引起的问题发生的次数也随之变高，从而给人们的人身安全和财产安全带来了很多隐患，所以如何去预防和规避煤气泄漏是我们在现实生活中需要认真考虑的。

由于气体本身特性存在扩散性，发生可燃气泄漏以后，在外部条件作用下，可燃气体会迅速在空间扩散，形成大面积危险区。

这一类事故往往具有破坏性大，危害面积广等特点。

另外，煤气的主要成分是一氧化碳芳香烃等。

煤气有毒主要原因是其中的一氧化碳等气体易与人体中的血红蛋白结合，造成缺氧，使人头晕，恶性及虚脱等，严重的会危及生命。

当发现可燃气体发生泄漏时，我们务必要及时使用适当的措施进行处理，才能将这类损害降到最低。

那么如果我们有能够检测可燃气体浓度的装置，并且当气体浓度达到预警值时，仪器能够自动报警并且自动处理这一类的险情，这无疑是我们想要的。

这就对煤气的检测和报警系统的检测设备设置了一个较高的门槛

。

随着国家互联网+战略的提出，物联网和智能家居这些概念也越来越被人民大众所熟悉。

美的拥抱小米和京东、TCL入局360智能家居，海尔牵手阿里巴巴、长虹联姻腾讯......1+1>2的战略模式在自能家居领域蔓延开来。

而煤气报警系统本身就可以作为智能家居的一部分，它既可以作为家庭智能家居的一部分，为家庭保驾护航；又可以作为智能社区的一部分，通过把小区用户的煤气数据都传到小区主机为社区提供安保保障。

1.2课题的研究目的与意义

目的：

随着现代家庭用煤气，天然气的增加，家庭煤气中毒及煤气爆炸的频率也越来越高。

煤气泄漏的危害，很容易被人们所忽视，主要是因为泄露的气体不容易被人们所发觉

。

意义：

在中国，煤气泄漏带来的危害每天都在发生，所以每一个家庭都应该足够重视这方面的危害。

如皋能够根据家庭的实际情况，提起采取必要的措施，有些悲剧完全可以避免。

一系列悲剧的发生，由国家到社会各界意识到，煤气检测报警系统对家庭和工业环境的必要性。

据调查，在发生煤气泄漏危害的家庭里都是没有安装类似煤气检测报警器的。

因此，煤气检测及报警系统对我们生活的重要性。

1.3课题目前研究现状及发展动态

如今应用最广泛的煤气检测报警器与气敏元件传感器，已经应用于气体泄漏检测，仅用于安全保护家用煤气检测报警器为例，不少西方发达国家在法律上已经明确规定家庭、公寓、餐厅、医院、学校、工厂的必须按要求安装报警器。

国外报警器发展很快，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较高；另一方面是由于燃气泄漏报警器市场的增长受到政府安全法规的推动。

因此，国外煤气检测报警器技术得到了较快发展，据有关统计，美国在1996年—2002年就煤气检测报警器的年均增长率为27％～30％。

在这些方面，国内的安全意识有待增强。

煤气检测报警器的发展趋势集中表现为，一是提高检测灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，减小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是煤气检测报警器一直追求的目标；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天然气检测气报警器。

如美国在天然气泄漏报警器中嵌入微处理器，使燃气泄漏报警器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化、涉多功能化。

1.4课题的研究内容

煤气报警器，主要检测可燃气体泄漏。

通过单片机控制相应的声光报警电路和驱动负载电路。

通过液晶显示当前的煤气浓度值，通过按键设定相应的报警值。

该项目主要是为了完成任务，包括：

（1）硬件部分：

包括烟雾探测电路的设计，显示模块的选择，电机驱动电路的设计，声光报警电路等的设计。

（2）软件部分：

包括微处理器控制程序的编制和原理图的绘制。

（3）系统的综合调试与分析：

在软硬件完成以后，要对系统进行综合的测试与实验，分析系统的可靠性与实用性，调整系统的不足。

2煤气报警系统的总体方案设计

本课题主要是实现以51单片机作为控制器的煤气浓度检测报警系统，利用传感器将空间中煤气浓度信号转化为模拟信号，并选择合适的模数转换芯片转化模拟信号，再将转换后的信号经单片机处理，若大于预设值则报警，并启动外接排风扇，避免事故的发生。

2.1系统的功能要求

本系统的研制主要包括以下几项功能：

（1）煤气浓度探测功能：

为了提高煤气泄漏报警的准确性和及时性，报警系统需要使用各种方法进行煤气浓度探测。

在实际使用中，根据不同的场所需要，用户可以选用不同的煤气传感器，设定不同的预设值，不同功率的排风扇。

（2）灯光报警功能：

当煤气浓度过大、有可燃气体泄漏等情况出现时，报警器要进行声光报警。

当检测的烟雾值超过设定值时，可以使单片机驱动控制负载工作。

2.2系统的技术要求

在了解这个系统的工作原理以及功能之后，相应的方案设计就可以进行了。

系统采用的51系列单片机的成本都比较低而且功能强大，可以满足生产成本和各类工程的需求。

对于完整的一个系统而言，为提高产品本身的竞争力，这个系统应具备体积较小、功耗低、数传性能稳定可靠和成本低廉等一些技术要求。

具体指标和参数如下:

（1）体积小：

探测器的体积一定要尽量的小，这样才能占用较小的空间，使用和更换才会方便。

（2）功耗低：

系统可以采用三节5号干电池供电或5v电源供电。

（3）可靠性高:

由于不确定的电磁干扰可能存在在系统工作环境中，为了保证系统在工作长时间后仍能可靠的工作和尽量减少误报次数，所以选择多指示灯，指示不同的状态。

2.3系统的组成及方案设计

图2-1系统基本方框图

系统的组成结构如图2-1所示：

本设计主要由烟雾探测传感器电路、主控电路、液晶显示电路、声光报警电路、电机驱动电路、控制程序等组成。

3系统的硬件设计

硬件系统的电路包括主机单元的电路和功能实现系统模块电路。

主机单元主要有STC89C52单片机与复位电路和时钟电路组成。

功能模块由烟雾探测电路，液晶显示模块，声光报警提示电路，电机驱动电路，按键电路组成。

该系统正常工作时，首先系统得电，单片机进行初始化。

然后由装在室内的MQ-2传感器获得室内煤气浓度的原始信号，再进入数模芯片ADC0809转换器，把原始模拟的信号转化为数字信号，从而得到被测对象的数字量信号，传给单片机，再由单片机进行数据处理，最终把得到的浓度检测值显示在LCD1602上。

通过LCD1602液晶显示器实时显示当前的煤气浓度值，共设有4个报警值，绿灯亮设定值、黄灯亮设定值、红灯亮设定值、煤气报警设定值。

而它们的大小都可以通过按键设定，并且三个灯的设定值依次增大。

其中K1键是模式选择键，用以选择修改哪个设定值，而K2、K3用于相应设定值数字的增减。

默认绿灯在2～15时亮起，一般显示的烟雾值不会小于2，小于2时就得检测系统是否正常工作；黄灯为15～30时亮起，当被检测室内有人吸烟时会亮起；红灯为30～60，当被检测室内吸烟较大，或是煤气轻度泄露等原因，红灯会亮起；当室内烟量大于60，此时可能时煤气泄露或是起火，蜂鸣器会报警，同时继电器会吸合，使排风扇工作，进行换气，防止灾害的发生。

图3-1系统电路图

3.1主控电路

本系统的主控芯片采用的是STC89C52,其引脚如图3-2所示：

图3-2STC89C52DIP封装图

52单片机在一块芯片中集成了微型计算机所具有的所有部件，从功能方面讲，主要包括以下9个部分

：

一个8位的微处理器CPU；

8KB的片内程序存储器FlashROM,用于烧录运行的程序，常数数据；

256的片内数据存储器RAM,在程序运行时可以随时写入和读出数据，用于存放函数相互传递的参数，接受的外部数据，运算的中间结果，最后结果以及显示的数据等；128B特殊功能寄存器（SFR）控制单片机各个部件的运行。

3个16位的定时器/计数器，每个定时器/计数器可以设置为计数方式，用于对外部事件信号进行计数，也可以设置为定时方式，满足各种定时要求。

有一个管理6个中断源，2个优先级的中断控制器；

4个8位并行I/O端口，每个端口既可以用作输入，也可以用作输出。

一个全双工的UART串行I/O口，用于单片机之间的通信，或者单片机有其他设备之间的串行通信；

片内震荡电路和时钟发生器，只需外面接上一晶振或输入震荡信号，就可以产生单片机所需要的各种时钟信号。

有一个可寻址64KB外部数据存储器，还可以寻址64KB外部程序存储器的三总线的控制电路。

3.1.1时钟电路

STC89C52单片机通常产生两种方式的时钟信号：

一种是内部时钟方式，另外一种外部时钟方式。

内部时钟方式如图3-3所示。

在STC89C52单片机内部有一振荡电路，只要在单片机的XTAL1（18）和XTAL2（19）引脚外接石英晶体（简称晶振），就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。

图中电容C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，电容值为30pF。

晶振CYS的振荡频率范围在1.2~12MHz间选择，本设计该值选为12MHz。

图3-3STC89C52内部时钟电路

3.1.2复位电路

当在STC89C52单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作。

系统复位是任何微机系统执行的第一步，它使整个控制芯片回到默认的硬件状态下，也就是单片机的片内电路初始化，是单片机从一种确定的初态开始运行。

复位电路工作原理如图3-4所示，Vcc上电时，C3充电，在电阻R1出现电压，使得单片机复位；几个毫秒后，C3充满，电阻R1上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。

工作期间，按下S0，C3放电；松开按键后，C3又充电，在电阻R1上出现电压，是单片机复位。

几个毫秒后，单片机进入工作状态。

图3-4STC89C52复位电路

3.2烟雾探测电路的设计

如图3-5所示，在这个电路中，有两个部分，主要是MQ-2烟雾传感器和数模转换芯片ADC0809。

MQ-2传感器获得室内煤气浓度的原始信号，再进入数模芯片ADC0809转换器，把原始模拟的信号转化为数字信号，从而得到被测对象的数字量信号，传给单片机。

图3-5烟雾探测电路

3.2.1MQ-2介绍

MQ-2型气体传感器用于以氢气为主要成分的城市煤气、天然气的测量，而且它抗干扰能力很强，水蒸气、烟等干扰气体对它的影响很小

。

MQ-2型气敏元件具有以下特点：

（1）采用烧结半导体所形成的敏感烧结体，具有稳定的R（即器件在纯洁空气中的阻抗）阻值，从而保证了长期工作的稳定性。

（2）单电源供电，其功耗仅0.7W左右。

（3）对所测试的气体有极高的灵敏度和信噪比。

MQ-2型气敏元件有两种型号。

MQ-2A型适用于天然气、城市煤气、石油液化气、丙丁烷及氢气等;MQ-2型适用于烟雾等减光型有害气体。

封装好的气敏元件有６只针状管脚，其中４个用于信号取出，２个用于提供加热电流。

图3-6MQ-2型元件通电时间特性曲线

如图3-6可看出，通电后60到90秒，元件即进入稳定待测状态。

MQ-2的特点如下：

⑴广泛的探测范围

⑵高灵敏度/快速响应恢复

⑶优异的稳定性/长寿命

⑷简单的驱动电路

3.2.2ADC0809介绍

ADC0809芯片共有28个引脚，并且采用双列直插式封装，如图所示。

下面对各引脚功能进行说明。

IN0～IN7：

8路模拟量输入端,在该课题中，我们只选用一路，即IN0。

D0～D7：

8位数字量输出端，分别与单片机的P1^0～P1^7所连。

ADDA、ADDB、ADDC：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路，而我们选用的是IN0,则这三位地址输入线全部接地。

ALE：

地址锁存允许信号，输入，高电平有效，与单片机的P3^3引脚相连接。

START：

A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换），与单片机的P3^3引脚相连接。

EOC：

数模转换结束信号，输出，当数模转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平），与单片机的P3^6引脚相连接。

OE：

数据输出允许信号，输入，高电平有效。

当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量，与单片机的P3^2引脚相连接。

CLK：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ，与单片机的CLK引脚相连接。

REF（+）、REF（-）：

基准电压。

Vcc：

5V电源。

GND：

地。

首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。

地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。

START上升沿将逐次逼近寄存器复位。

下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。

直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。

当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。

首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。

图3-7ADC0809引脚图

3.3液晶显示电路设计

LCD1602A是一种常见的工业字符型液晶，能同时显示32个字符。

（16列2行）。

在日常生活中，液晶显示器对我们是非常常见的。

在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：

由于液晶显示器每个点在收到信号后就始终保持那种色彩和亮度，稳定发光，而无需像阴极射线管显示器那样需要不断刷新新亮点。

所以，液晶显示器画质好，不会闪烁。

液晶显示器是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。

液晶显示器应用显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。

相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。

（1）引脚说明

第1脚：

VSS接地。

第2脚：

VDD接+5V电源。

第3脚：

液晶显示器对比度调节端。

第4脚：

数据/命令选择端。

第5脚：

读写选择端。

第6脚：

使能信号端。

第7～14脚：

D0～D7为8位的双向数据线。

第15脚：

背光源正极。

第16脚：

背光源负极。

（2）1602LCD液晶与单片机接口说明

液晶1、2端为电源；15、16为背光电源。

液晶3端为液晶对比度调节端，通过一个10K电位器接地来调节液晶显示对比度。

首次使用时，在液晶上电状态下，调节至液晶上面一行显示出黑色小格为止。

液晶4端为向液晶控制器写数据/写命令选择端，接单片机P2.3口。

液晶5端为读写选择端，因为我们不从液晶读取任何数据，只向其写入命令和显示数据，因此此端始终选择为写状态，即低电平接地。

液晶6为使能信号，接单片机的P2.4。

图3-8液晶显示电路设计

3.4声光报警提示电路

3.4.1灯光提示电路

LED灯在该电路中起知识电路工作状态的作用。

绿色LED灯与单片机的P2.2引脚相连。

当检测到的煤气浓度在2～15之间时，绿灯亮，表示室内煤气浓度正常。

当黄色LED灯亮时，表示检测到的浓度为15～30，此时表示室内可能有烟雾泄漏源产生，而当红色LED灯亮时，表示检测的浓度值已超过30，有可能起火或煤气泄漏。

图3-9灯光提示电路

3.4.2声音报警电路

蜂鸣器驱动电路一般都包含以下几个部分：

一个三极管、一个蜂鸣器、一个限流电阻。

蜂鸣器为发声元件，在其两端施加直流电压（有源蜂鸣器）或者方波（无源蜂鸣器）就可以发声，其主要参数是外形尺寸、发声方向、工作电压、工作频率、工作电流、驱动方式（直流/方波）等。

这些都可以根据需要来选择。

本设计采用有源蜂鸣器。

三极管采用S9012，其基极的低电平使三极管饱和导通，使蜂鸣器发声；而基极高电平则使三极管关闭，蜂鸣器停止发声。

该电路用单片机的P2.5引脚控制，当该引脚为高电平时，蜂鸣器停止发声；该引脚为低电平时，蜂鸣器发出警报声。

图3-10声音报警电路

3.5电机驱动电路

电机驱动电路是由三极管限流电阻，继电器组成。

单片机的P3.4能够控制着电机的运行与停止。

当单片机的P3.4引脚为高电平时，三极管不导通，电机停止运转。

当该引脚为低电平时，三极管导通，继电器线圈中会有一定的电流，从而电磁效应产生，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合，电机通电运转，排除有毒气体。

图3-11继电器控制电机驱动电路

3.6按键电路

本课题的按键为编码键盘，通过按键可以对报警的浓度设定值上限进行修改。

按键K1对应单片机的P2^6引脚，按键K2对应单片机的P2^7引脚，按键K3对应单片机的P3^7引脚。

其中K1键用于模式选择，比如是选择修改红色LED灯亮的设定值还是其它的设定值。

而K2,K3分别用于修改设定值的大小。

图3-12按键电路

4系统的软件设计

4.1EDA仿真软件―Proteus

Proteus是一个功能强大的EDA工具软件。

它除了具有其它EDA软件的仿真功能，而且还能仿真单片机及外围器件

。

为了节约时间和控制成本，所以在硬件的设计时，采用了proteus对系统仿真。

在仿真的过程中还可以与keil软件进行联调，方便观察仿真效果。

如图4-1所示。

图4-1系统仿真图

4.2系统程序流程图

主程序的功能是是完成系统的初始化，信号的采集及处理、按键检测和信息显示、浓度超线报警。

根据系统工作特点，程序采用结构化的设计方法。

主程序流程图如图4-1所示：

开始

初始化

读取AD转换烟雾值

判断当前

烟雾范围

判断按键

是否按下

执行相应

的指示控制

N