基于单片机的有毒气体检测系统的设计本科设计.docx
《基于单片机的有毒气体检测系统的设计本科设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的有毒气体检测系统的设计本科设计.docx（59页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于单片机的有毒气体检测系统的设计本科设计
基于单片机的有毒气体检测系统的设计本科设计
本科毕业设计（论文）
基于单片机的有毒气体检测
系统的设计
毕业论文（设计）原创性声明
本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。
对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。
作者签名：
日期：
毕业论文（设计）授权使用说明
本论文（设计）作者完全了解**学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。
有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。
学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。
保密的论文（设计）在解密后适用本规定。
作者签名：
指导教师签名：
日期：
日期：
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
3）其它
燕山大学毕业设计（论文）任务书
学院：
里仁学院系级教学单位：
电子工程系
学
号
学生
姓名
专业
班级
0
题
目
题目名称
基于单片机的有毒气体检测系统的设计
题目性质
1.理工类：
工程设计（√）；工程技术实验研究型（）；
理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）
2.文管理类（）；3.外语类（）；4.艺术类（）
题目类型
1.毕业设计（√）2.论文（）
题目来源
科研课题（）生产实际（√）自选题目（）
主
要
内
容
熟悉掌握89C52单片机，AD转换器，显示模块的功能及硬件设计；熟悉掌握C语言的编程方法，对实际设计一款产品有一个清楚的认识；
基
本
要
求
要求设计出一个具有多路一氧化碳实时检测功能并能够进行超限判断，发出声光报警，并实时显示具体是哪路传感器报警的检测装置。
参
考
资
料
1．张志良，单片机原理及控制技术[M.]，北京：
机械工业出版社，2002。
2．侯国章，测试与传感技术[M.]，哈尔滨：
哈尔滨工业大学出版社，2000。
周次
第1～3周
第4～7周
第8～11周
第12～14周
第15～18周
应
完
成
的
内
容
查阅相关资料，做基本需求分析。
进行系统整体架构设计。
进行系统详细设计；
系统的实现与调试，撰写论文。
完善系统及论文。
指导教师：
卢辉斌
职称：
教授2012年3月1日
系级教学单位审批：
练秋生
2012年3月5日
摘要
煤矿中含有CO（一氧化碳）等有毒气体，是煤矿下重要的危害源之一，是导致重大事故的因素；家庭中，煤气泄漏将在短时间内产生大量一氧化碳，危及人生安全。
对一氧化碳气体检测仪表的研究和开发也一直是人们关注的问题。
本系统利用51单片机做核心控制模块，利用MQ-7一氧化碳传感器探测一氧化碳。
实时监控多处一氧化碳浓度变化，如果某处一氧化碳浓度过高，系统将发出声音报警，并显示报警传感器号码，提醒人们及时抢险。
本系统可用于家庭环境，也适用于工业环境。
由于单片机成本低廉，自动控制功能比较强大，运行稳定，环境适应性好，所以本系统采用单片机做控制的核心元件。
MQ-7一氧化碳传感器对一氧化碳的灵敏度高；长寿命，低成本；简单的驱动电路即可。
因此，很适用于家庭的一氧化碳检测。
数码管能清晰的显示报警的房间号码，即使在光线较暗时，所以选用数码管做显示模块。
本文主要叙述了基于单片机的有毒气体检测系统设计的全过程，包括硬件电路设计、软件设计、电脑仿真和实物制作。
关键词 一氧化碳；单片机；检测；报警
Abstract
ContainingCO（carbonmonoxide）andothertoxicgasesincoalmines,isoneofthesourceofthehazardsinthecoal,leadingtoamajoraccidentfactors;family,agasleakinashorttimetoproducelargeamountsofcarbonmonoxide,endangeringthelifesafety.Researchanddevelopmentofthecarbonmonoxidegasdetectioninstrumentshavebeenanissueofconcern.
Thesystemuses51microcontrollertodothecorecontrolmodule,theuseoftheMQ-7COsensortodetectcarbonmonoxide.Real-timemonitoringofmultiplecarbonmonoxideconcentrationchanges,ifsomewhereinthecarbonmonoxideconcentrationistoohigh,thesystemwillsoundanalarm,andalarmsensornumbertoremindpeopletorescueinatimelymanner.Thissystemcanbeusedtothefamilyenvironment,andalsoappliestotheindustrialenvironment.
Single-chiplow-cost,automaticcontrolfunctionismorepowerful,stableoperation,environmentaladaptability,sothissystemisacorecomponentofthemicrocontrollerasacontrol.
MQ-7COsensorhashighsensitivitycarbonmonoxide;longlife,lowcost;cansimpledrivecircuit.Therefore,itissuitableforindustrialandhouseholdcarbonmonoxidedetector.
Digitaltubetoclearthealarmnumberisdisplayed,eveninlowlight,sousethedigitalcontroltodothedisplaymodule.
Thispaperdescribesamicrocontroller-basedtoxicgasdetectionsystemdesignprocess,includinghardwaredesign,softwaredesign,computersimulationandphysicalproduction.
Keywords carbonmonoxide;MCU;test;alarm
摘要I
AbstractII
第1章 绪论1
1.1 课题研究背景及意义1
1.2 国内外研究现状2
1.3 本文主要内容及章节安排4
第2章 硬件系统设计5
2.1 硬件总体设计5
2.2 单片机的最小系统7
2.2.1 单片机简介7
2.2.2 时钟电路和复位电路9
2.3 A/D转换电路11
2.3.1 ADC0809主要特性11
2.3.2 ADC0809引脚功能说明12
2.3.3 ADC0809工作过程12
2.4 一氧化碳传感器介绍13
2.5 显示电路15
2.6 声音报警电路16
2.7 本章小结17
第3章 软件系统设计19
3.1 软件总体设计思想19
3.2 AD转换函数20
3.3 比较判断函数21
3.3 显示报警函数21
3.3 声音报警函数22
3.3 本章小结22
第4章 实验过程23
4.1 软件仿真23
4.1.1 软件简介23
4.1.2 绘制电路原理图23
4.1.3 编写程序24
4.1.4 仿真调试24
4.2 实物制作27
4.2.1 绘制布线图并焊接电路板27
4.2.2 下载程序进行实物测试28
4.3 本章小结29
结论31
参考文献33
致谢35
附录137
附录241
附录345
附录449
第1章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
随着石油化学工业的发展，易燃、易爆、有毒气体的种类和应用范围都得到了增加。
这些气体在生产、运输、使用过程中一旦发生泄漏，将会引发中毒、火灾甚至爆炸事故，严重危害人民的生命和财产安全。
由于气体本身存在的扩散性，发生泄漏之后，在外部风力和内部浓度梯度的作用下，气体会沿地表面扩散，在事故现场形成燃烧爆炸或毒害危险区，扩大危害区域。
例如，1995年7月，四川省成都市化工总厂液氯车间发生氯气泄漏，当场造成3人死亡，6人受伤，仅约一小时左右，市区范围数十平方公里范围内都能闻到刺激性的氯气味。
因此，这类事故具有突发性强、扩散迅速、救援难度大、危害范围广等特点。
一旦发生气体泄漏事故，必须尽快采取相应措施进行处置，才能将事故损失降低到最低水平。
及时可靠地探测空气中某些气体的含量，及时采取有效措施进行补救，采取正确的处置方法，减少泄漏引发的事故，是避免造成重大财产和人员伤亡的必要条件。
这就对气体的检测和监测设备提出了较高的要求。
作为一种重要的气体探测器，气体传感器近年来得到了很大的发展。
气体传感器的发展。
危险化学品要加强安全管理，完善安全措施、控制事故隐患。
但是，不可能达到绝对安全，仍然会出现万有一失的情况。
因此，事故隐患的检测报警，在危险化学品场所有害气体或液体（蒸汽）检测报警，是非常必要的。
对避免和控制事故具有重要意义。
有害气体检测报警仪是专用的安全卫生检测仪，用来检测化学品作业场所或设备内部空气中的可燃或有毒气体的含量并超限报警。
危险化学品场所有害气体检测，主要有以下几种情况：
（1）泄漏检测：
设备管道有害气体或液体（蒸汽）现场所泄漏检测报警，设备管道运行检漏。
（2）检修检测：
设备检修置换后检测残留有害气体或液体（蒸汽），特别是动火前检测更为重要。
（3）应急检测：
生产现场出现异常情况或者处理事故时，为了安全和卫生要对有害气体或液体（蒸汽）进行检测。
（4）进入检测：
工作人员进入有害物质隔离操作间，进入危险场所的下水沟、电缆沟或设备内操作时，要检测有害气体或液体蒸汽。
（5）巡回检测：
安全卫生检查时，要检测有害气体或液体蒸汽。
随着人类社会的进步、生产的发展，人们的生活水平不断提高，随之带来了环境空气污染问题。
工厂排放的废气、烟道氧、汽车排放废气、内燃机等排放气体对空气环境造成的污染日益严重。
一氧化碳虽然不会使酸雨现象严重，但是对人们的身体健康有影响。
一氧化碳是一种无色、无味的气体，它与血液中的血红素结合的能力是氧的240倍，它与血红素形成稳定的络合物，使血红蛋白丧失了输送氧气的能力，从而导致组织低氧症，甚至死亡。
一氧化碳浓度的高低是评价空气质量好坏的重要指标之一，也是工厂、煤矿井下是否发生自燃火灾的重要标志之一。
为了保证人们身体健康和环境洁净，世界各国都纷纷致力于防止空气污染的产生。
国家工业卫生标准规定，生产现场一氧化碳浓度不允许超过50ppm。
我国环境保护大气污染监测和工厂矿井中都要求有连续、自动化的现场检测仪。
1.2 国内外研究现状
在应用方面，目前最广泛的是可燃性气体气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，从工厂企业到居民家庭，应用十分广泛。
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）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。
（1）气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展
国外气体传感器发展很快，一方面是由于人们安全意识增强，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，据有关统计预测，美国1996年—2002年气体传感器年均增长率为（27～30）％。
目前，气体传感器的发展趋势集中表现为：
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，这也是气体传感器一直追求的目标。
如日本费加罗公司推出了检测（0.1～10）×10－6硫化氢低功耗气体传感器，美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器，美国FirstAlert公司推出了生物模拟型（光化反应型）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状况功能，实现了智能化；还有前已涉及的美国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。
（2）国内现状与差距
气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，国内已有一定的基础。
其现状是：
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；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阵列结构；新研究开发的32OAl气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料；低功耗气敏元件（如一氧化碳，甲烷等气敏元件）已从产品研究进入中试；国内气敏元件传感器产量已超过“九五”初期的400万支。
产量超过20万支的主要厂家有5家，黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司（合资）、北京电子管厂（特种电器厂），其中前四家都超过100万支，据行业协会统计，1998年全国气敏元件总产量已超过600万支。
总的看来，我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展，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，与日本比较仍要落后10年。
1.3 本文主要内容及章节安排
本文主要讲述基于单片机的毒气检测系统的设计全过程，包括硬件电路设计、软件设计、电脑仿真和实物制作。
论文具体章节安排如下：
第1章介绍了本次课题的课题背景、国内外研究现状、课题的研究意义。
第2章主要讲述了系统的硬件设计，包括最小系统、AD转换模块、显示模块、声音报警模块和传感器模块。
第3章主要介绍了此次设计的软件部分，包括主程序、AD转换程序、时钟产生程序；
第4章主要介绍了本次设计的实施过程，包括绘图、编程、仿真和焊接实物。
第2章 硬件系统设计
2.1 硬件总体设计
单片机应用系统的结构分三个层次：
（1）单片机：
通常指应用系统主处理机，即所选择的单片机器件。
（2）单片机系统：
指按照单片机的技术要求和嵌入对象的资源要求而构成的基本系统，如时钟电路、复位电路和扩展存储器等与单片机构成了单片机系统。
（3）单片机应用系统：
能满足嵌入对象要求的全部电路系统。
在单片机系统的基础上加上面向对象的接口电路，如前向通道、后向通道、人机交互通道（键盘、显示器、打印机等）和串行通行口（RS232）以及应用程序等。
单片机应用系统三个层次的关系如图2-1：
图2-1单片机应用系统三个层次的关系
以此理解，一氧化碳报警器同样具有单片机应用系统的三个层次。
其中以AT89C51单片机为核心构成单片机系统。
在此系统中，检测信号进入单片机进行运算处理。
为了更好的理清设计思路，将整个系统细分为三部分加以设计说明。
整个报警器由三个部分组成，分为三大模块：
浓度检测模块、主控模块和报警模块。
在本次设计中，使用的核心器件是单片机和一氧化碳传感器。
为了保重整个系统可靠的运行，设计中必须明确三大部分的实际联系：
以单片机为中心，其他各大模块一一展开。
其中，浓度检测及显示模块所实现的功能是将房间中的一氧化碳浓度值转换成为单片机能够处理的数字信号，并且浓度值显示出来：
主控模块以单片机为主，对其他模块的运行进行控制；报警模块是此系统的外部电路，它的功能是实现报警。
系统框图如图2-2所示。
图2-2系统框图
下面就对各个模块的功能和实现形式做简单介绍
（1）气体浓度检测模块
一氧化碳报警器主要采用高稳定一氧化碳气体传感器MQ-7检测房间气体浓度，检测结果送入模/数转换芯片ADC0809中进行转换后，将得到的数字信号送入单片机进行分析处理。
（2）主控模块
主控模块即单片机最小系统。
用的是MCS-51单片机，MCS-51单片机是美国Intel公司1980年推出的一种高性能8为单片微型计算机。
内带4K字节的内存和程序保护系统，使用于程序的调试修改和保密。
它的主要功能既是将经过ADC0809处理后的检测结果进行数据分析。
根据数据分析结果决定是否报警，若报警，则驱动报警系统工作。
（3）报警模块
此模块主要有蜂鸣器、LED数码管组成，在气体浓度过大，超过安全值时，蜂鸣器工作，提供声音报警服务；同时，数码管显示报警的传感器号。
至此，本系统的三大模块功能和设计思路已经确立，下文将介绍整个硬件系统的详细设计过程。
并且给出设计电路。
2.2 单片机的最小系统
单片机最小系统原理图如下：
图2-3单片机最小系统原理图
单片机的最小系统是由组成单片机系统必需的一些元件构成的，除了单片机之外，还需要包括电源供电电路、时钟电路、复位电路。
单片机最小系统电路（单片机电源和地没有标出）如图2-2所示。
2.2.1 单片机简介
本课题所用单片机采用8051核的ISP（InSystemProgramming）在系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，片内含4KBytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件兼容标准MCS-51指令系统，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。
STC89C52RC系列单片机是单时钟/机器周期（1T）的兼容8051内核单片机，是高速/低功耗的新一代8051单片机，全新的流水线/精简指令集结构,内部集成MAX810专用复位电路。
主要特性有：
（1）增强型1T流水线/精简指令集结构8051CPU
（2）工作电压：
3.4V-5.5V（5V单片机）/2.0V-3.8V（3V单片机
（3）工作频率范围：
0-35MHz，相当于普通8051的0～420MHz.实际工作频率可达48MHz.
（4）用户应用程序空间12K/10K/8K/6K/4K/2K字节
（5）片上集成512字节RAM
（6）通用I/O口（27/23个），复位后为：
准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：
准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过55mA
（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片
（8）EEPROM功能
（9）看门狗
（10）内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体20M以下时，可省外部复位电路）
（11）时钟源：
外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器。
用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟。
常温下内部R/C振荡器频率为：
5.2MHz～6.8MHz。
精度要求不高时，可选择使用内部时钟，因为有温漂，请选4MHz～8MHz
（12）有2个16位定时器/计数器
（13）外部中断2路,下降沿中断或低电平触发中断,PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒
（14）PWM（4路）/PCA（可编程计数器阵列），也可用来再实现4个定时器或4个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可支持）
（15）STC89Cc516AD具有ADC功能。
10位精度ADC，共8路
（16）通用异步串行口（UART）
（17）SPI同步通信口，主模式/从模式
（18）工作温度范围：
0-75℃/-40-+85℃
（19）封装：
PDIP-28，SOP-28，PDIP-20，SOP-20，PLCC-32,TSSOP-20（超小封状，定货）
振荡器特性:
：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
[1]
2.2.2 时钟电路和复位电路
时钟电路和复位电路的原理如下：
1）时钟电路
图2-4时钟电路原理图
单片机工作时，从取指令到译码再进行微操作，必须在时钟信号控制下才能有序地进行，时钟电路就是为单片机工作提供基本时钟的。
单片机的时钟信号通常有两种产生方式：
内部时钟方式和外部时钟方式。
本课题采用内部时钟方式。
在单片机XTAL1和XTAL2引脚上跨接上一个晶振和两个稳频电容，可以与单片机片内的电路构成一个稳定的自激振荡器。
晶振频率取12MHz。
外接电容的
升级会员 