完整版可燃气体检测报警器的设计毕业设计.docx
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完整版可燃气体检测报警器的设计毕业设计
摘要
随着电子科学技术的发展，电子技术成为安全方面的有力手段，许许多多安全方面的电子产品，是人们的生活的得力助手。
本设计利用单片机技术结合单片机内部自带的A/D转换器构建了一个可燃气体检测报警器。
当环境中可燃气体泄露时，气体报警器检测到可燃气体浓度达到报警器设置的临界点时，可燃气体报警器就会发出声光报警信号，以提醒工作人员采取安全措施。
本文首先简要介绍了课题的研究背景和目前的国内外的发展状况，然后介绍设计可燃气体检测报警器的设计内容及功能需求，最后详细介绍了可燃气体检测报警器的设计流程，以及硬件系统和软件系统的设计，并给出了硬件电路的设计细节，包括各部分电路的走向、芯片的选择等。
本次设计采用MQ-4气体传感器作为可燃气体的信号采集工具，采集到的模拟电压量经过STC90C54AD单片机内部自带的A/D转换器为数字信号。
单片机采集到的数字信号后经过单片机内部进行简单的数据处理，如果可燃气体浓度达到报警器设置的临界点时单片机将蜂鸣器发出报警信号。
在无可燃气体的情况下，发生未知的危险，报警器可以人为的控制按键发出报警信号提醒人们。
关键词：
MQ-4传感器；STC90C54AD单片机；数码管显示；报警
Abstract
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,electronictechnologyhasbecomeapowerfulmeansofsecurity,manyaspectsofelectronicsecurityproducts,ispeople'slivesassistant.ThisdesignusestheinternalmicrocontrollerchiptechnologycombinedwithIn-ternalA/Dconverterbuiltacombustiblegasdetectionalarm.Whentheenvironmentcom-bustiblegasleak,thegasalarmdetectscombustiblegasconcentrationreachesthealarmthresholdsetpoint,combustiblegasalarmwillbeaudibleandvisualalarmsignalstoalertstafftotakesafetymeasures.Thisarticlebrieflyintroducestheresearchbackgroundandthecurrentstateofdevelopmentathomeandabroad,andthendescribesthedesignofcombust-
iblegasdetectionalarmdesigncontentandfunctionalrequirements,thefinaldetailsofthecombustiblegasdetectionalarmdesignprocess,aswellashardwaresystemsandsoftwaresystemdesign,andgivesthehardwaredesigndetails,includingthetrendofeachpartofthecircuit,thechipselectionandsoon.
ThedesignusesMQ-4gassensorsignalacquisitionasatoolforcombustiblegases,theamountcollectedfromtheanalogvoltagecomesthroughSTC90C54ADinternalmicrocont-
rollerA/Dconverterintoadigitalsignal.Chipdigitalsignalcollectedthroughinternalmicr-ocontrollersimpledataprocessing,iftheflammablegasconcentrationreachesacriticalpointalarmsettingswhenthemicrocontrollerwillbuzzeralarm.Inthecaseofnon-combustiblega-
ses,theoccurrenceofunknowndangers,thealarmcanartificiallycontrolbuttonsalarmsignaltoremindpeople.
Keywords:
MQ-4sensors;STC90C54ADsinglechipmicrocomputer;Digitaltubedisplay;Alarm
1绪论
1.1本课题研究背景及意义
我国是煤炭生产大国，随着煤矿机械化程度的提高，矿井生产能力和生产效率普遍加大，煤炭年产量居世界首位，产煤量占世界总产煤量的20%。
但同时我国也是煤矿安全形势最为严峻的国家之一。
从我国煤炭生产的现状及我国能源结构战略规划均可看出，在本世纪中叶以前，煤炭仍将是支持我国国民经济发展的主要能源。
煤炭生产作为我国能源工业的支柱，其地位将是长期的，稳定的。
但是，目前煤炭工业的安全生产状况却很差，其中之一便是有害气体的危害性，包括CH4，CO，SO2等。
煤矿生产是地下作业，自然条件和生产条件都复杂，在采掘过程中出现的瓦斯涌出、煤尘飞扬、自然发火等都有可能造成严重事故。
为了防止事故发生，保障矿工的健康和安全，促进生产发展，提高煤炭企业的经济效益，应对井下的气象进行检测，对可能造成灾害事故的各种有的害气体及矿尘进行及时而准确的检测和严格控制，一旦发生灾变，必须及时救护遇难人员和处理事故。
所有这些都需要有相应的检测仪器和救护装备。
近年来，瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等灾害，严重威胁着煤矿的安全生产和数百万名煤矿工的生命安全，瓦斯灾害已成为制约我国煤矿安全生产和煤炭工业发展的重要因素，可以说瓦斯爆炸已经成为矿难的第一大祸首。
国有地方和乡镇煤矿中，高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井占15%左右。
在许多发达国家中为了减少事故的发生，一般不会开采高瓦斯灾害隐患严重的矿井。
但中国是一个能源饥渴大国，煤炭是我国的主要能源，占一次性能源构成的75%,所以不论是低瓦斯还是高瓦斯，都在积极创造条件，照采不误。
多年来的实践证明，瓦斯浓度的监测监控器在监测煤矿井下安全状况，防范安全隐患方面起着重要作用，充分发挥其作用，是我国煤矿安全形势实现好转的关键。
近年来，国有重点煤矿瓦斯爆炸事故较少的原因之一，就是绝大多数煤矿的高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井安装了瓦斯浓度监测监控器。
综上所述，瓦斯浓度监测监控器所要实现的功能包括根据所选的瓦斯传感器来设定瓦斯浓度预警值，采集瓦斯浓度并进行浓度显示及处理。
当实际浓度超限时进行声光报警并同时控制排风扇进行排风以降低浓度含量。
所以开发设计出一种操作简单的瓦斯监测监控器，对有效的预防和减少瓦斯爆炸具有非常现实的意义。
1.2国内外发展概况及研究方向
仪器不断更新。
其类型根据监测对象可分为可燃性气体监测仪，毒性气体监测仪和氧气监测仪等；从仪器结构和方法上分为袖珍式，便携式和固定式。
袖珍式仪器的采样方法为扩散式，用于在危险环境中的工作人员随身携带；便携式仪器采样方法为泵吸式，用于监测人员定期安检；固定式仪器用于煤矿井下固定地点气体监测。
矿井瓦斯监测监控技术是伴随着煤炭工业发展而逐步发展起来的。
世界各国均有煤矿瓦斯气体监测的系统，1815年，英国发明的世界上第一种瓦斯监测仪器——瓦斯检定灯。
利用火焰的高度来检测瓦斯浓度；20世纪30年代，日本发明了光干涉瓦斯检定器，一直沿用至今；20世纪40年代，美国研制了检测瓦斯浓度的敏感元件—铂丝催化元件；1954年，英国采矿安全所研制了最早的载体催化元件。
电子技术的进展推动了瓦斯检测控制装置的进一步发展，如20世纪70年代后期法国研制CTT63/40U矿井监控系统、英国的MINOS系统、美国的SCA—DA系统等。
我国矿井瓦斯监控技术经历了从简单到复杂、从低水平到高水平的发展过程。
从新中国成立初期到20世纪70年代，煤矿下井人员主要使用光学瓦斯检定仪、风表等携带式仪器检测井下环境参数。
20世纪60年代初期，我国开始研制载体催化元件，随着敏感元件制造水平的提高和电子技术的发展，特别是大规模集成电路、微型计算机的广泛应用，使监控技术进入了新的发展时期。
20世纪70年代瓦斯断电仪问世，装备在采掘工作面、回风港道等井下固定地点，实现了对瓦斯的自动连续检测及超限自动切断被控制设备的电源。
随后，陆续研制了便携式瓦斯监控检测报警仪、瓦斯报警矿灯。
1983年至1985年，从欧美国家先后引进了数十套监控系统及配套的传感器和便携式仪器装备煤矿矿井，并相应地引进了部分监控系统、传感器和敏感元件制造技，由此推动了我国矿井安全监测监控技术的发展。
1983年以后，国内有多种型号矿井监控系统通过了技术鉴定，逐步实现了对煤矿矿井安全、生产多种参数的连续监测、监控、数据存储和数据处理。
近几年，随着计算机的发明和应用，特别是网络和信息化建设的不断发展，给瓦斯治理提供了机遇条件，煤矿瓦斯监控网络系统应运而生。
这些装备和系统的推广与应用，丰富了我国煤矿安全监控产品的市场，改善了煤矿安全技术装备的面貌，缩小了我国与国外先进技术水平的差距。
国外的监控系统技术虽然高于国内发展水平，但应用于国内煤矿尚有一定的局限性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过高等。
因此，除在传感器技术方面可供借鉴外，其它仅具一定的参考价值。
1.3本课题设计内容
煤矿气体监测系统[1]是能够监测矿井环境中瓦斯气体的浓度，煤矿瓦斯报警控制系统系统是基于STC90C54AD单片机的井下瓦斯浓度智能传感器，该系统以单片机STC90C54AD为核心，MQ-4气体传感器为、具有煤矿瓦斯等参数检测，具有键盘，显示声音等输入输出电路。
MQ-4气体传感器可以有效的监测井下低浓及高浓瓦斯。
监测到的信息传输到单片机，经单片机处理后发出指令，如果瓦斯超过规定值，该系统可以立即发出声光报警并自动发出执行指令以降低瓦斯浓度。
该系统可有效的降低瓦斯事故发生率，结构灵活，扩展性强，具有较高的性价比。
本课题中完整的煤矿气体监测系统由以下四部分组成：
（1）气体传感器：
能感知环境中甲烷气体及其浓度的一种敏感元件，它能将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号；
（2）显示单元：
根据测量信号，由单片机将待显示数据按相应方式进行数据传输给显示处理模块；
（3）声光报警单元：
当监测气体浓度超出设定报警值时，发出声光报警；
（4）数据采集分析模块：
运用C语言编写程序，实现气体数据的采集、分析及保存煤矿瓦斯气体的含量并存储用于显示和报警[2]。
2系统设计原理及功能要求
2.1选择器件
按系统功能实现要求，决定控制系统采用市场上很普遍的STC单片机，为了更加容易实现减少电路的复杂度，故本课题选择STC90C54AD单片机，内部自带A/D转换功能，A/D转换速度可调，完全可以达到本次设计的要求，气体浓度传感器采用MQ-4传感器，该传感器可以检测大部分瓦斯气体，显示部分由LED数码管进行显示。
当气体浓度超过限制，系统的声光报警系统会相应的做出动作，报警器采用市场上常用的蜂鸣器和发光二极管，价格便宜，显示醒目。
2.2系统原理及基本框图
根据毕业设计的要求本次设计采用STC90C54AD单片机机内部自带模/数转换芯片构成一个简易的可燃气体检测报警系统[3]，显示部分由数码管进行显示可燃气体的浓度级别。
该电路通过MQ-4传感器检测可燃气体并发出0-5V的电压信号并输入到单片机内部自带的A/D转换器采样模拟量电压，经过模/数转换后，产生相应的数字量经过单片机处理后进行显示。
STC90C54AD单片机负责采样传感器的模拟信号和把接收到的数字量经过数据处理，产生正确的7段数码管的显示，显示可燃气体浓度值。
本系统有单片机最小系统及电源、数码显示、按键、可燃气体检测、报警电路组成。
基本原理如图2.1所示：
图2.1系统基本方框图
2.3系统实现的功能
采用MQ-4甲烷、天然气传感器+单片机+单片机内部ADC模块+数码管显示+蜂鸣器设计而成。
当MQ-4甲烷、天然气传感器检测到家庭厨房释放的甲烷、天然气气体时，将信号传送给单片机内部ADC模块进行处理模数转化，再由单片机对转换结果进行处理，当检测到浓度超标时，蜂鸣器进行报警，同时，红色指示灯也亮。
报警浓度可通过按钮调节。
本系统有四个按钮，每个按钮都有相应的功能按键说明：
左面第一个是报警气体浓度的设置，按一次进入报警浓度上限设置此时出现H150，进行上限气体浓度设置。
按二次返回到检测甲烷、天然气气体浓度显示。
第二个按键是增大键，按一下增大1。
第三个按键是减小键键，按一下减小1。
此外，系统还设计一个紧急按键模拟紧急报警，当检测到家庭厨房释放的甲烷、天然气气体时，可以自动检测报警或者按下紧急开关即可实现模拟报警。
3主要元器件选择
3.1STC90C54AD单片机
3.1.1STC90C54AD单片机概述
STC90C54AD单片机是STC公司生产的八位单片机，是新一代超强抗干扰／高速／低功耗的单片机，指令代码完全兼容STC89C51单片机的多有功能，12时钟／机器周期和12时钟／机器周期可任意选择，时钟频率在12MHZ以下时，复位脚可直接接地。
STC90C54AD比STC89C51多了一个内部集成的A/D模拟信号采集功能。
STC90C54AD具有灵活的ISP在线系统编程。
只需要一条ISP下载线就可直接把PC上编译好程序写到单片机和程序存储器中，不需要购买仿真器，编程器，擦写器和芯片配置器等设备。
它是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及STC90C54AD引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的STC89C52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
STC90C54AD有40个引脚，8kBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。
此外,STC90C54AD设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品要求。
在这一块芯片上集成了一台微型计算机的各个主要部分。
其中主要有CPU，存储器，可编程I/O口，定时/计数器，串行口等，各部分通过内部总线连接。
STC90C54AD是一种带16K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能COMOS8的微处理器。
该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
3.1.2STC90C54AD单片机内部A/D模块
STC9C54AD单片机自带A/D转换器介绍：
STC9C54AD在P1口，有10位精度的高速A/D转换器,P1.7-P1.0共8路电压输入型，可做按键扫描，电池电压检测，频谱检测等。
89个时钟可完成一次转换。
另外还有几个关于A/D转换器的特殊功能寄存器。
P1_ADC_EN特殊功能寄存器，P1.x作为A/D转换输入通道来用允许特殊功能寄存器相应位为“1”时，对应的P1.x口作为A/D转换使用，内部上拉电阻自动断开。
ADC_CONTR特殊功能寄存器，A/D转换控制特殊功能寄存器，第一位缺省，从第二位开始到底第五位分别为ADC_SPEED1、ADC_SPEED0、ADC_FLAG、ADC_START。
后三位CHS2、CHS1、CHS0：
模拟输入通道选择，用来选择模数转换通道，如表3.1所示。
表3.1模拟输入通道选择
CHS2
CHS1
CHS0
模拟输入通道选择
0
0
0
选择P1.0作为A/D输入来用
0
0
1
选择P1.1作为A/D输入来用
0
1
0
选择P1.2作为A/D输入来用
0
1
1
选择P1.3作为A/D输入来用
1
0
0
选择P1.4作为A/D输入来用
1
0
1
选择P1.5作为A/D输入来用
1
1
0
选择P1.6作为A/D输入来用
1
1
1
选择P1.7作为A/D输入来用
ADC_SPEED1/ADC_SPEED0：
ADC转换速度控制位。
当组合起来后会有以下几种情况：
[ADC_SPEED1：
ADC_SPEED0]=[0,0]完成1次A/D转换需要89个时钟（如果要取10位转换结果，建议不要选择最快转换速度）；[ADC_SPEED1:
ADC_SPEED0]=[0,1]完成1次A/D转换需要178个时钟；[ADC_SPEED1:
ADC_SPEED0]=[1,0]完成1次A/D转换需要356个时钟；[ADC_SPEED1:
ADC_SPEED0]=[1,1]完成1次A/D转换需要534个时钟。
ADC_START：
模拟/数字转换（ADC）启动控制位，设置为“1”时，开始转换；ADC_FLAG：
模拟/数字转换结束标志位,当A/D转换完成后，ADC_FLAG=1。
ADC_DATA：
特殊功能寄存器：
A/D转换结果特殊功能寄存器，用于处理转换得到的数字信号。
模拟/数字转换结果计算公式：
如果要取8位A/D转换结果：
ADC_DATA[7:
0]=256xVin/Vcc，如果要取10位A/D转换结果:
（ADC_DATA[7:
0],ADC_LOW2[1:
0]=1024xVin/Vcc。
Vin为模拟输入通道输入电压，Vcc为单片机实际工作电压，用单片机工作电压作为模拟参考电压。
A/D转换的性能参数：
衡量一个A/D转换器的性能的主要参数有：
分辨率，指A/D转换器能够转换的二进制数的位数，位数多分辨率也就越高；转换时间，指数字量输入到完成转换，输出达到最终值并稳定为止所需的时间。
电流型A/D转换较快，一般在几ns到几百ns之间。
电压型A/D转换较慢，取决于运算放大器的响应时间；精度，指A/D转换器实际输出电压与理论值之间的误差，一般采用数字量的最低有效位作为衡量单位；线性度，当数字量变化时，A/D转换器输出的模拟量按比例关系变化的程度。
理想的A/D转换器是线性的，但是实际上是有误差的，模拟输出偏离理想输出的最大值称为线性误差。
A/D转换器的功能是把模拟量变换成数字量。
由于实现这种转换的工作原理和采用工艺技术不同，因此生产出种类繁多的A/D转换芯片。
A/D转换器按分辨率分为4位、6位、8位、10位、14位、16位和BCD码的31/2位、51/2位等。
按照转换速度可分为超高速（转换时间≤330ns），次超高速（330~3.3μs），高速（转换时间3.3~333μs），低速（转换时间>330μs）等。
A/D转换器按照转换原理可分为直接A/D转换器和间接A/D转换器。
所谓直接A/D转换器，是把模拟信号直接转换成数字信号，如逐次逼近型，并联比较型等。
其中逐次逼近型A/D转换器，易于用集成工艺实现，且能达到较高的分辨率和速度，故目前集成化A/D芯片采用逐次逼近型者多;间接A/D转换器是先把模拟量转换成中间量，然后再转换成数字量，如电压/时间转换型（积分型），电压/频率转换型，电压/脉宽转换型等。
其中积分型A/D转换器电路简单，抗干扰能力强，切能作到高分辨率，但转换速度较慢。
有些转换器还将多路开关、基准电压源、时钟电路、译码器和转换电路集成在一个芯片内，已超出了单纯A/D转换功能，使用十分方便。
3.2瓦斯检测设备工作原理分析
3.2.1MQ-4传感器简介
传感器是能把被测物理量或化学量转化为与之有确定关系的电信号输出装置[4]。
传感器主要由敏感元件、传感元件组成，有时也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。
敏感元件：
直接感受被测量，并输出与被测量成关系的其他量的元件。
传感元件：
又称转换器，一般情况下，不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转化为电量输出的元件。
瓦斯烟雾可燃气体传感器可分为接触燃烧式、半导体式、热传导式热阻体式三种传感器。
MQ-4气体传感器属于接触燃烧式。
MQ-4利用瓦斯在催化元件上的氧化生热引起其电阻的变化来测定瓦斯浓度。
其优点是元件和仪器的生产成本低，输出信号大，对于1%气样，电桥输出可达15mv以上，处理和显示都比较方便，所以仪器的结构简单，受背景气体和温度变化的影响小，容易实现自动检测。
使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。
MQ-4气敏元件由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感层,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内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。
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，4个用于提供加热电流，其实物图如图3.1所示。
图3.1黑白原件的工作原理图
3.2.2敏感元件工作原理
MQ-4气体传感器的敏感元件对液化气、甲烷、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。
当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。
使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
而MQ-4的敏感元件是感受浓度值，并输出与浓度值成比例关系的电量元件，其中包括黑元件和白元件。
黑元件载体催化燃烧式元件，当甲烷气体在元件表面与氧气产生无焰燃烧时，电桥失去平衡，输出一个电压信号。
白元件是补偿元件，基本结构和技术参数与黑元件相同，但表面不涂镀催化剂，不参加低温燃烧。
但由于白元件处于与黑元件相同的工作环境中，所以，对非甲烷浓度变化引起的催化元件阻值变化起补偿作用，以提高仪器零点稳定性和抗干扰能力。
黑白元件的工作原理：
使用时一般将黑白元件串联，作为电桥的一臂，用普通电阻构成电桥的另一臂，电桥的两端加上稳定的工作电压U。
当含有甲烷的空气在高温和催化剂的作用下，发生无焰燃烧，而在白元件上则不致使甲烷燃烧，从而使黑元件的温度比白元件的温度高，黑元件中的铂丝既是加热元件，又是感应温度的热敏元件，根据铂丝的正温度系数的特性，温度升高时电阻增大，黑元件上的电压降即增大，电桥失去平衡，输出一个电压信号△U，该电压值的大小反映了甲烷浓度的高低，检测此电压便可测量出甲烷浓度，
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