基于单片机的气体检测系统设计Word格式文档下载.doc
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目录
摘要 I
Abstract II
引言 1
第一章绪论 2
1.1设计背景 2
1.2设计意义 3
第二章硬件的选择 4
2.1可燃气体的传感器 4
2.2MQ-6的结构和测量电路 4
2.3MQ-6气体传感器的技术参数 5
2.3.1MQ-6的规格 5
2.3.2MQ-6的特点 6
2.3.3MQ-6的应用 6
2.4芯片的选择 6
2.5AT89S52的功能特点 7
2.6中央处理器（CPU） 7
2.7单片机引脚介绍 7
第三章系统硬件设计 12
3.1电源电路 12
3.2转换电路 12
3.2.1ADC0809原理 13
3.2.2ADC0809使用及时序图 15
3.3液晶显示驱动模块 16
3.3.1LCD1602液晶主要功能 16
3.3.2LCD1602液晶引脚和指令功能 16
3.3.3LCD1602的RAM地址映射 17
3.3.4LCD1602液晶模块内部的控制器指令 18
3.3.5LCD1602液晶时序 19
3.3.6LCD1602液晶初始化过程 20
3.4时钟电路和复位电路 20
3.5报警电路 22
3.6硬件电路总图 23
第四章软件设计 25
4.1ADC0809采样时钟软件实现 25
4.2可燃气体浓度显示程序 25
4.3可燃气体浓度报警程序 26
4.4程序流程图 27
结论 29
致谢 30
参考文献 31
附录 32
摘要：
随着可燃性气体的种类和应用范围的增加，其使用场所和贮存仓库内的泄漏，火灾爆炸事故日益增多，从安全、环保及经济上考虑，设计一种检测可燃气体自动报警装置的控制器是非常必要的。
本设计对可燃气体检测及报警进行了深入的研究，采用了“探测器和单片机控制电路”的设计思路，具有检测误差小，反应速度快等优点。
选用气敏传感器对可燃气体浓度进行测量，用A/D转换器以完成信号到电压的转换。
采用功能和性价比比较高的AT89S52单片机作为中央处理单元，对浓度进行采集、数据显示、报警等工作。
本设计的可燃性气体报警设计可以检测到空气中烷类气体为主的多种可燃气体的浓度，实时现实浓度值，当达到预先设定的上下限报警等级值时，发出声音报警，以提示人们采取安全对策。
关键词：
可燃气体气敏传感器A/D转换器AT89S52报警
Abstract：
Withthecombustiblegastypeandthescopeofapplicationofincreasing,itsuseplaceandstoragewarehouseinleakage,fireandexplosionaccidentsincrease,fromsafety,environmentalprotectionandeconomicconsiderations,designakindoftestingcombustiblegasautomaticalarmdevicecontrollerisverynecessary.
Thisdesignofflammablegasdetectionandalarmstudied,usinga"
detectorandsingle-chipmicrocomputercontrolcircuit"
designtrainofthought,hasthetestingerrorissmaller,anywayspeed,etc.Choosegas-sensitivesensormeasurementsofcombustiblegasconcentration,withA/Dconvertertocompletethesignaltothevoltageconversion.UsingfunctionandhighratioofAT89S52SCMasthecentralprocessingunitofconcentration,thecollectionanddatadisplay,alarm,etc.Thisdesignofcombustiblegasalarmdesigncandetecttheairofsilanevarietyofflammablegasmainlygasconcentration,real-timerealitychromavalue,whentheupperreachespre-setalarmlevelvalue,soundalarm,toremindpeopletakesafetycountermeasures.
Keywords：
FlammableGas;
GasSensors;
A/DConverter;
AT89S52;
Alarm
引言
随着信息时代的到来，作为获取信息手段之一的传感器技术得到了显著的发展，其应用领域越来越广，对其要求越来越高，需求也越来越迫切。
因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。
由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制。
但是它们都不同程度地存在温漂和非线性等影响因素。
传感器主要用于测量和控制系统，它的性能直接影响系统性能的好坏。
因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求，而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例的分析和了解，才能将传感器和信息通信以及信息处理结合起来，来适应传感器的生产、研制、开发和应用。
另一方面，传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都为了提高生产力、提高工效和时效，各自都在开发研制适合应用的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。
可燃气体传感器便是其中重要的一类传感器。
现在，人们对可燃气体的使用越来越多，它给我们带来很多便利，但是如果不注意可燃气体的使用安全，可燃气体同样会给我们带来祸害。
当空气中的可燃性气体达到一定浓度时就会发生自燃自爆的危险，波及面大，后果将十分严重。
易燃易爆的可燃性气体泄露如不及时发现并处理，将会造成燃烧，爆炸，危及到人民生命财产的安全。
因此，可燃性气体的检测在化工、石油、电力、环保等部门以及人们的日常生活中显得尤其重要。
石化厂、煤气站、油库等场所对泄漏可燃气体的监控、报警是确保安全隐患的关键措施。
近年来煤气爆炸事件时有发生，对人们的生命构成了严重的威胁，因此如果能放置一个可燃气体浓度检测装置，当有可燃气体泄露时进行报警，提醒人们采取补救措施就显得十分必要。
第一章绪论
1.1设计背景
在冶金、石油、化工、石化、煤炭工业等行业的生产中，工业现场存在着因为可燃性气体泄漏而发生爆炸的隐患，因此对工业现场的可燃性气体进行检测是关系到生命安全和生产安全的重要安全问题。
可燃气体检测报警系统种类也相当繁多，有用于一般家庭、集体住宅、饮食餐店、医院、学校、工厂的各种气体检测报警系统,有单体分离型报警系统、外部报警系统、集中监视系统、遮断连动系统、防止中毒报警防护系统等。
结构型式有袖珍型便携式、手推式、固定式报警等；
工业用固定式报警又有壁挂式、台放式、单台监控式、多路巡检式等。
由于气体本身存在的扩散性，可燃性气体一旦发生泄漏，在外部风力和内部浓度梯度的作用下，气体会沿逐渐扩散，从而扩大危害区域。
因此，只有及时可靠地探测空气中某些气体的含量，才能及时采取有效措施进行补救。
可燃性气体检测报警系统在工业生产的实际应用中往往需要对工业现场的的某个区域的可燃气体浓度进行多点监测，而且有时还要求报警器不仅能够在工业现场发出声光报警做出安全保护动作，还要求报警器能够接入工业网络，方便进行远程监控。
随着我国经济的迅猛发展和工业生产的日益繁荣，人们对生产、生活中的安全问题也越来越重视。
可燃气体是人类生活中使用比较多的一种能源，它给我们的生活带来方便的同时也会给我们带来潜在的安全隐患。
随着人类的进步，各种先进技术被应用于安防当中。
如今，人们一直在研究可燃气体的监测技术，经过多年的发展，现在有了众多灵敏度非常高的可燃性气体传感器，使人们更加容易、方便的检测到空气中的可燃气体的浓度。
气敏传感器是一种将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电气信号的装置。
根据这些电气信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警。
单片微型计算机是现在智能电路中使用较多的器件，这种单片微型计算机简称单片机，它被应用于各种场合，给人们的生活带来了极大的方便。
A/D转换器用于将现实中的模拟信号转化为数字信号。
ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的逻辑控制CMOS组件。
它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接连接。
ADC0809非常适用于过程控制、微控制器输入通道的接口电路、智能仪器和机床控制等领域。
1.2设计意义
在石油、化工、电力等系统装置内，存在着各种易燃易爆的可燃气体。
这些气体一旦泄漏并积聚在周围环境中，很容易产生燃烧和爆炸。
为了防患于未然，严密监测工艺装置或储运设施环境中可燃气体的浓度，确保安全生产，在装置设计的同时，对可燃气体检测报警系统的设计是十分必要的。
在石油、化工生产装置中采用固定式可燃气体检测系统，实时检测生产装置中可燃气体的浓度情况，及时发出报警信号通知有关人员采取有效措施，对于防止爆炸及火灾的发生具有重大的意义。
本课题利用所学相关课程的知识，设计、制作一套基于单片机控制的气体测试装置来解决可燃气体的安全使用问题。
设计的主要内容由气敏传感器组合成的测量电路采集可燃气体的浓度信息，用A/D转换器以完成信号到电压的转换。
采用单片机AT89S52作为主控电路，控制外围电路的显示，以及接口电路、数据输出，最终能现实检测报警等功能。
第二章硬件的选择
2.1可燃气体的传感器
气体传感器是一种能够感知环境中气体成分的敏感器件，它将气体种类及其浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得与待测气体在环境中存在的有关信息，从而可以进行检测、监控、报警，有的还可通过接口电路与计算机组成自动检测控制和报警系统。
合适的气体传感器阵列对提高系统的性能至关重要。
根据不同的分类标准，气体传感器的分类有很多种方法，有根据工作原理分类的气体传感器。
如固态电解质气体传感器、半导体气体传感器、电化学气体传感器、表面波气体传感器、金属栅MOS气敏元件、光纤气体传感器、红外气体传感器等。
其中半导体气体传感器在实际应用中应用范围最为广泛，它是用具有半导体特性的金属氧化物材料制成的气敏元件，当其与某种气体接触时，表面吸附的气体导致半导体载流子浓度发生变化，引起电导率变化，电阻值也随之变化，根据这种变化可以检测出气体的成分和浓度，因此半导体式气敏元件可视为是一种气敏电阻器。
其中，旁热式SnO气敏器件最为常用。
旁热式气敏器件是一个表面烧结有SnO厚膜气体敏感层的薄壁陶瓷管，敏感层两端设有一对金电极，分别用铂铱合金丝引出后焊接在管座插腿上，在薄壁陶瓷管内装有一根绕成螺旋形的镍铬合金电阻丝作为加热器，电阻值为30～40欧。
传感器工作时，电阻丝通电发热，将薄壁陶瓷管上SnO敏感层加热至200℃-400℃，这时氧化锡气敏器件电阻值较小，并能够提高传感器的响应速度。
由于薄壁陶瓷管热容量大，减少了环境温度变化、气流流动对传感器工作的影响。
这种结构器件，克服了直热式器件的缺点，其测量极与加热丝分开，避免了测量回路与加热回路之间的相互影响；
而且器件热容量大，降低了环境气氛对器件加热温度的影响，并容易保持Sn02材料结构稳定。
所以这种类型器件的稳定性和可靠性较直接式器件有较好的改进。
目前，国产MQ-6型气敏器件就是采用这种结构。
与其他型号的传感器相比，MQ-6半导体气体传感器的主要优点是响应速度快、稳定性好、能耗少、寿命长，能够满足我们快速检测的需要。
2.2MQ-6的结构和测量电路
MQ-6气敏元件的结构和外形如图2.1所示（a或b），由微型陶瓷管、SnO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只用于信号取出，2只用于提供加热电流。
测量电路如图2.2所示。
（a）（b）
图2.1MQ-6的结构和外形
图2.2测量电路
2.3MQ-6气体传感器的技术参数
2.3.1MQ-6的规格
MQ-6的标准工作条件，环境条件，灵敏度特性分别如表2.1，表2.2，表2.3所示。
表2.1标准工作条件
符号
参数名称
技术条件
备注
Vc
回路电压
≤15V
ACorDC
VH
加热电压
5.0V±
0.2V
RL
负载电阻
可调
RH
加热电阻
31Ω±
3Ω
室温
PH
加热功耗
≤900mW
表2.2环境条件
Tao
使用温度
-10℃-50℃
Tas
储存温度
-20℃-70℃
Rh
相对湿度
小于 95%Rh
O2
氧气浓度
21%（标准条件）氧气浓度会影响灵敏度特性
最小值大于2％
表2.3灵敏度特性
技术参数
Rs
敏感体电阻
10KΩ-60KΩ
（1000ppmLPG）
探测范围：
100-10000ppm
LPG,丁烷，丙烷，
LNG
α（1000ppm/
4000ppmLPG）
浓度斜率
≤0.6
标准工作条件
温度：
20℃±
2℃Vc:
0.1V
对湿度：
65%±
5%Vh:
5.0V±
预热时间
不少于24秒
2.3.2MQ-6的特点
（1）对液化气，丁烷，丙烷有较高的灵敏度；
（2）对乙醇蒸汽，烟雾几乎不响应；
（3）快速的响应恢复特性；
（4）具有长期的使用寿命和可靠的稳定性；
（5）简单的驱动电路。
2.3.3MQ-6的应用
MQ-6适用于家庭或工业上对LPG，丁烷，丙烷，LNG的检测装置。
具有优良的抵抗乙醇蒸汽、烟雾干扰的能力。
对丙烷、丁烷、液化石油气的灵敏度高，对天然气也有较好的灵敏度。
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-6型气敏器件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。
因此，在使用此类型气敏器件时，灵敏度的调整是很重要的。
我们建议用1000ppm液化气或1000ppm丁烷校正传感器。
当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。
2.4芯片的选择
随着集成电路技术的发展，单片微型计算机（简称单片机）的功能也不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来。
在自动化装置、智能化仪器仪表和家用电器等领域得到了广泛的应用。
AT89S系列单片机是美国ATMEL半导体公司继AT89C系列之后推出的功能更强的新产品。
AT89S系列与AT89C系列相比，运算速度有了较大的提高，它的静态工作频率为0～33MHz，片内集成有双数据指针DPTR、定时监视器（watchdogtimer，又称看门狗）、低功耗休闲状态及关电方式、关电方式下的中断恢复等诸多功能，极大地满足了各种不同的应用场合要求。
AT89S52是AT89S系列中的增强型高档机产品，它片内存储器容量是AT89S51的一倍，即片内8KB的Flash程序存储器和256KB的RAM。
另外，它还增加了一个功能极强的，具有独特应用的16位定时/计数器2等多种功能。
而且，AT89S52单片机与MCS-51系列完全兼容，因此，AT89S52受广大用户的青睐并被选择作为学习和应用系统的主机，使得AT89S52单片机为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
本次设计就是采用AT89S52作为主要控制电路来实现气体检测报警的功能。
下面大致介绍一下AT89S52。
2.5AT89S52的功能特点
AT89S52具有8K字节的Flash存储器，256字节的RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口通道，片内晶振及时钟电路，三级加密程序存储器，电源下降标志等。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
2.6中央处理器（CPU）
AT89S52的核心部件是一个字长为8位的高性能中央处理器（CPU）。
它是AT89S52的指挥中心、执行机构。
它的作用是读取和分析指令，并根据指令的功能要求，指挥指定操作，完成指令所要求的处理功能。
CPU一般由运算器ALU、定时控制部件、若干寄存器等通过内部总线连成一个整体而构成。
2.7单片机引脚介绍
下面，根据单片机的原理来介绍单片机各引脚相应的功能。
1.电源引脚
VCC（40脚）：
电源供电电压接4.0～5.0V。
GND（20脚）：
接地。
2.时钟引脚
XTAL1（19脚）：
接外部晶振的一个引脚。
CHMOS单片机采用外部时钟信号时，时钟信号由此引脚输入。
XTAL2（18脚）：
接外部晶振的另一个引脚，HMOS单片机采用外部时钟信号时，外部时钟信号由此接入。
3.复位、锁存和选通引脚
RST（9脚）：
复位信号输入端。
振荡器起振后，该引脚置高电平，并持续2个机器周期以上系统进行复位。
特殊功能寄存器AUXR（地址8EH）中的DISRT0位可以使复位无效。
默认的DISRT0位状态，RST引脚上的高电平有效。
掉电后，此引脚可接备用电源，低功耗条件下保持内部RAM中的数据。
ALE/（30脚）：
ALE为地址锁存使能端、当访问外部器件时ALE的负跳变将低8位地址输入锁存器。
在Flash编程时输入编程脉冲（）。
在非访问外部器件期间，ALE仍以1/6振荡频率的常量输出，可用于外部计数或时钟信号。
当访问外部数据器件时将跳过一个ALE脉冲。
如果需要，可对特殊功能寄存器区的地址为8EH单元的D0位置“1”可禁止ALE输出。
而只有在执行MOVX或MOVC等指令时ALE才被激活，仍输出锁存有效，否则被微弱拉高。
在执行外部程序时，该设定禁止ALE位无效。
（29脚）：
访问外部程序存储器读选通信号。
取指令操作期间，的频率为振荡频率的1/6。
在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生两次有效信号，即输出两个有效脉冲。
在执行片内程序存储器取指令码时不产生此脉冲，在读写外部数据时，亦不产生信号。
/（31脚）：
为访问内部或外部程序存储器选择信号，当CPU一开始就（从0000H～FFFFH单元）访问外部程序存储器，则必须保持低电平（接GND端），如果保密位被编程，则复位时内部会锁存端的状态。
当端保持高电平（接VCC）时则CPU首先从片内0000H单元开始执行内部程序存储器程序；
如果外部还有扩展程序存储器，则CPU在执行完内部程序存储器程序后自动转向执行外部程序存储器程序。
为Flash编程电压。
在对片内Flash编程时，此引脚施加12V编程允许电压（如果选用的Flash编程电压是12V允许值的话）。
4.多功能I/O口引脚
P0口（39～32脚）：
8位并行I/O口，作为输出口时，每个管脚可以带8个TTL负载。
在外扩存储器时，它定义为低8位地址/数据总线。
当定义为I/O口时，为准双向I/O口，需要外接上拉电阻，在写入“1”后就成为高阻抗输入口。
在对片内Flash编程时P0口接收字节代码，在程序校验时输出字节代码。
程序校验期间应外接上拉电阻。
P1口（1～8脚）：
内接上拉电阻的8位准双向I/O口，可以负担4个TTL负载。
在Flash编程和校验时定义为低8位地址线。
它的第二功能如下：
P1.0（1脚）：
定时/计数器T2的外部计数输入；
P1.1（2脚）：
定时/计数器T2捕获/再装入触发及方向控制；
P1.5（6脚）：
MOSI（用于系统内部编程）；
P1.6（7脚）：
MISO（用于系统内部编程）；
P1.7（8脚）：
SCK（用于系统内部编程）。
P2口（21～28脚）：
内接上拉电阻的8位准双向I/O口。
可以负担4个TTL负载。
当访问外部存储器时，定义为高8位地址总线，只需8位地址线时，它将输出特殊功能寄存器（锁存器）中的内容。
注意：
当P2口的极为作为地址使用时，剩下的P2口不能作为I/O口线使用。
P3口（10～17脚）：
P3.0（10脚）：
RXD（串行输入端口）；
P3.1（11脚）：
TXD（串行输出端口）；
P3.2（12脚）：
（外部中断0请求端）；
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