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危险气体自动报警系统设计
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危险气体自动报警系统设计
摘要
随着城市煤气、天然气事业及化学工业的迅速发展，易燃、易爆的气体种类和应用范围在不断增加，这些易燃易爆气体在生产和使用过程中，一旦发生泄漏将会引起中毒、火灾、爆炸等重大事故，所以研制一种新型、性能稳定、准确监测针对这些危险气体自动报警系统势在必行。
。
本次设计采用以STC12C5A60S2芯片为核心，用半导体陶瓷式气体传感器MQ-5来检测外部气体浓度，采集的数据通过LCD1602显示，当浓度超过一定的量时，通过蜂鸣器和LED来进行声光报警。
关键字：
单片机MQ-5LCD1602
Dangerousgasautomaticalarmsystem
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofcitygas,naturalgasutilitiesandthechemicalindustry,flammable,explosivegastypeandrangeofapplicationsareincreasing,theseexplosivegasesintheproductionanduseoftheprocess,oncetheleakwillcausepoisoning,majoraccidentsfires,explosions,etc.,sothedevelopmentofanew,stable,accuratemonitoringisimperativeforthesedangerousgasesalarmsystem..
ThedesignusestoSTC12C5A60S2chipasthecore,withthesemiconductorceramicgassensorMQ-5todetecttheexternalgasconcentrationdatacollectedbyLCD1602display,whentheconcentrationexceedsacertainamount,bythesoundofthebuzzerandtheLEDtolightCallthepolice.
Keywords:
singlechipMQ-5LCD1602
1绪论
我们日常生活中经常使用的液化石油气和煤气等，这些气体主要含有烷类以及一氧化碳、氢等成分。
随着化工产业的发展，这些气体的应用范围都有所增加。
在生产、输送、贮存和使用这些气体的过程中，很容易发生泄漏甚至于爆炸因为设备密封质量不好或者操作不当等等其它原因。
易燃易爆的气体与空气混合后生成一种爆炸性混合物，它们遇到火就会发生剧烈的化合反应，从而产生大量的热量，进而会燃起大火，给人民的生命和财产造成危险。
所以只有采用先进、可靠的安全监测仪表，在生活中时时检测有毒气体，才可以保障人民的生命和财产安全。
国家法律明确规定:
“散发可燃气体的场所，应设置可燃性气体浓度检测装置”。
但根据目前国内的情况，许多检测仪使用时间过长，性能也不稳定，而且老化严重和技术指标达不到标准。
2003年12月，国家执行新的可燃性气体探测仪将停止使用。
因此，现如今研制一种性能稳定、准确监测的危险气体检测仪非常重要。
随着今年来电子技术的突飞猛进，研制一种性能稳定、准确监测，并且合乎国家相关规定的检测仪的难度已经大大降低，目前也有许多企业已经有产品面向市场，越来越多更先进的测量仪也在研发之中。
近年来传感器技术突飞猛进，为我们的生活带来了生活的便捷。
传感器技术也应用在各个行业，例如汽车上的雷达报警，以及手机的重力传感器。
可燃性气体传感器是各种类型仪表的核心之一。
2设计要求与方案论证
2.1设计要求
（1）报警装置的总体设计方案；
（2）完成控制电路、感知电路设计；
（3）电路优化设计。
2.2方案论证
2.2.1控制部分的方案选择
方案一：
采用传统的8位单片机，例如STC12C5A60S2作为控制核心。
该单片机是目前最流行以及开发平台最低的一种嵌入式控制芯片，目前已经广泛运用于市场上，高校的教学也有讲这方面的知识。
方案二：
采用FTC10F04单片机，还带有非易失性Flash程序存储器。
它是一种高性能、低功耗的8位CMOS微处理芯片，市场应用最多。
方案一成本比较低，适合做设计，方案二运算速度高，性能好，所以两种方案都有可取之处。
但是方案一做设计容易上手，方案比较通用，而且货源充足，有利于生产。
综合比较选用方案一
2.2.2显示模块的选择方案和论证
方案一：
LED数码管动态扫描。
相对于液晶显示比较经济实惠，但液晶显示比数码管显示美观，LED数码管在操作上比较繁琐。
方案二：
点阵显示。
用点阵显示美观，但是分辨率不高，而且需要的功率比较大，单个LED出现问题后会对整个点阵的显示产生影响。
方案三：
LCD1602液晶是一种具有8位并行接口方式的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为16x2。
1602液晶操作简单，容易上手和使用，而且可构成简单的人机交互图形界面。
经过综合比较最终选择方案三，即选择LCD1602液晶显示屏。
2.2.3危险气体检测传感器的选择方案和论证
近年来传感器技术突飞猛进，为我们的生活带来了生活的便捷。
传感器技术也应用在各个行业，例如汽车上的雷达报警，以及手机的重力传感器。
可燃性气体传感器是各种类型仪表的核心之一。
危险气体检测传感器是一个气-电变换器，作用是把可燃性气体在空气中的含量（即浓度）变成电信号，然后把电信号传输给单片机处理，单片机处理这些数据，然后报警或者显示。
传感器的选型是非常重要的。
下面将对传感器的类型进行介绍。
（1）半导体气体传感器
半导体气体传感器主要使用半导体气敏材料。
半导体气体传感器的工作原理是利用气敏元件的电阻、电流或电压随气体浓度变化。
半导体气体传感器具有诸多优点，比如使用简单、产品种类多、以及稳定性比较强。
正是由于这些优点，半导体气体传感器得到了广泛的应用。
（2）固体电解质气体传感器
固体电解质气体传感器也是一种常见的传感器。
固体电解质气体传感器的工作原理是使用固体电解质材料作为气敏元件，气敏材料在通过气体时产生离子，形成电动势，电动势从而测量气体浓度。
由于这种传感器灵敏度和选择性好，使用简单以及电导率高，，因而得到了广泛的应用。
如测量H2SYST-Au-WO3，NH3的NH'4CaCO3等。
固体电解质传感器制造虽然成本高，检测的气体数量也不是很多，但是它在检测环境污染领域中有优势，所以还是一种应用广泛的气体传感器，在市面上也比较常见。
（3）高分子气体传感器
高分子气体传感器是近年来发展迅速的一种气体传感器，虽然它的价格昂贵，但是也有一定的市场。
高分子气体传感器的工作原理是高分子气敏材料在遇到特定气体时，其电阻和材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。
高分子气体传感器对特定气体分子灵敏度高且结构简单，能在常温下使用，所以它的优点也是十分得明显。
（4）电化学传感器
电化学传感器也是一种常见的气体检测传感器。
电化学传感器反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但它的缺点是寿命较短，容易引起误差。
如今主要适用于毒性气体的检测。
通过对各种传感器的对比，本次设计最终采用半导体气体传感器，该传感器型号为MQ-5,下面将介绍它的特性及使用方法。
（1）MQ-5传感器概述
MQ-5适用于家庭或工业上对液化气，天然气，煤气的监测装置。
其具有对液化气、天然气、城市煤气有较好的灵敏度；对乙醇，烟雾几乎不响应，具有优良的抗干扰能力；有快速的响应恢复特性；有长期的使用寿命和可靠的稳定性；测试电路比较简单等优点。
（2）MQ-5特性介绍
MQ-5气敏元件的外形和典型的应用电路如图1所示,气敏元件有6只针状管脚，分别用于信号取出和提供加热电流。
MQ-5气敏元件适用于对液化气，天然气，煤气的监测装置，而且它技术成熟，在市面上很常见，而且价格便宜，具有优良的抗干扰能力，有快速的响应恢复特性，有长期的使用寿命和可靠的稳定性，测试电路比较简单等诸多好处。
参数：
A.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
ACorDC
RL
负载电阻
可调
RH
加热电阻
31Ω±3Ω
室温
PH
加热功耗
≤900mW
B.环境条件
符号
参数名称
技术条件
备注
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）
C.灵敏度特性
符号
参数名称
技术参数
备注
Rs
敏感体电阻
10KΩ-60KΩ（1000ppm甲烷）
探测范围：
液化气，天然气，煤气。
α（1000ppm5000ppmCH4）
浓度斜率
≤0.6
标准工作条件
温度：
20℃±2℃，Vc:
5.0V±0.1V；相对湿度：
65%±5%Vh:
5.0V±0.1V
预热时间
不少于24小时
图1MQ-5结构及电路图
2.3设计方案确定
本设计采用STC12C5A60S2作为控制芯片，显示模块采用LCD1602，传感器采用MQ-5，报警信号采用蜂鸣器和LED灯。
3系统硬件电路设计
3.1各单元模块功能分析及模块电路设计
3.1.1单片机控制模块
本系统以STC12C5A60S2单片机为控制核心。
STC12C5A60S2系列1T单片机特点如下：
1.增强型8051CPU,1T,单时钟机器周期
2.工作电压:
有5.5V-3.3V和3.6V-2.2V两种电压的单片机可以选择，可以最大的适应你所需要的设计需求
3.工作频率范围:
0-35MHz
4.用户应用程序空间选择多
5.片上集成1280字节RAM
6.通用IO口（364044个）
7.不用下载器和仿真器可通过串口直接下载用户程序,数秒即可完成一片单片机的程序载入
8.有EEPROM功能
9.看门狗
10.内部集成MAX810专用复位电路
11.外部掉电检测电路
12.时钟源:
外部高精度晶体或者内部RC振荡器
13.共4个16位定时器,16位定时器T0和T1,没有定时器2,但有独立波特率发生器等等
引脚信号介绍：
P0.0～P0.7：
P0口8位双向口线
P1.0～P1.7：
P1口8位双向口线
P2.0～P2.7：
P2口8位双向口线
P3.0～P3.7：
P3口8位双向口线
P1口的第二功能如表3-1：
表3.1P1口第二功能表
引脚号
第二功能
P1.0
T2（定时器∕计数器T2的外部记数输入），时钟输出
P1.1
T2EX（定时器）
P1.5
MOSI（在系统编程用）
P1.6
MISO（在系统编程用）
P1.7
MCK（在系统编程用）
P3口的第二功能如表3-2:
表3.2P3口第二功能表
引脚号
第二功能
P3.0
RXD（串行输入）
P3.1
TXD（串行输出）
P3.2
INT0（外部中断0）
P3.3
INT0外部中断0）
P3.4
T0（定时器0外部输入）
P3.5
T1（定时器1外部输入）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器写选通）
单片机电路如图2所示
图2单片机电路
3.1.2MQ-5传感器模块
MQ-5传感器的电路如图3所示
图3MQ-5传感器电路
3.1.3声光报警模块
声光报警采用蜂鸣器和LED灯来作为提示信息，电路如图4所示
图4声光报警电路
3.1.4显示模块
1602在单片机系统中很常见，优点就不再叙述，它的特点如下：
显示质量高，数字式接口，体积小、重量轻，功耗低，而且它可以构建简单的人机交互界面，技术成熟，而且在网上的资料很多，所以容易使用和开发。
1602LCD主要技术参数：
显示容量:
16×2个字符
工作电压:
4.5—5.5V
工作电流:
2.0mA（5.0V）
各引脚接口说明如下表所示:
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据命令选择
12
D5
数据
5
RW
读写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
第1脚：
接地
第2脚：
接5V。
第3脚：
VL为液晶显示器对比度调整端
第4脚：
RS为寄存器选择
第5脚：
RW为读写信号线
第6脚：
E端为使能端
第7～14脚：
D0～D7数据线。
第15脚：
背光源的正极。
第16脚：
背光源的负极。
1602LCD的指令说明及时序
如表10-14所示：
序号
指令
RS
RW
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
ID
S
4
显示开关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
字符移位
0
0
0
0
0
1
SC
RL
*
*
6
置功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
置字符发生存贮器的地址
0
0
0
1
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器的地址
0
0
1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
0
1
BF
计数器地址
10
写数据到CGRAM或DDRAM）
1
0
要写的数据内容
11
从CGRAM或DDRAM读数
1
1
读出的数据内容
与HD44780相兼容的芯片时序表如下：
读状态
输入
RS=L，RW=H，E=H
输出
D0—D7=状态字
写指令
输入
RS=L，RW=L，D0—D7=指令码，E=高脉冲
输出
无
读数据
输入
RS=H，RW=H，E=H
输出
D0—D7=数据
写数据
输入
RS=H，RW=L，D0—D7=数据，E=高脉冲
输出
无
该模块在本次设计中的电路图如图5所示：
图5LCD1602电路
3.2系统硬件组成
电源模块为系统提供电源，传感器模块的数据传输给单片机，1602显示单片机处理过的数据，即检测到的气体含量。
第4章软件调试部分
在单片机设计中，可以使用C语言和汇编语言。
由于C语言通俗易懂，移植性好，所以本次设计使用C语言来设计程序。
4.1程序流程图
系统软件流程图如图6所示：
图6系统程序流程图
4.1.2传感器信息读取程序流程
本次设计传感器的数据都是模拟信号，通过STC12C5A60S2的AD功能把传感器的数据转换为数字信号。
程序流程如图7所示：
图7传感器程序流程图
4.1.31602LCD程序流程
1602LCD显示模块的各个程序模块比较常用，其流程图如图8所示：
图8LCD1602程序流程图
4.2KEIL软件使用
本设计的软件设计是在Keil3中完成的，下面就来介绍一下他的使用步骤。
打开Keil软件，在菜单栏中选择“Project”—“NewProject”，选择目标路径，在“文件名”栏中输入项目名后，如图9所示。
图9“CreateNewProject”对话窗口
点击“保存（S）”按钮，弹出“SelectDeviceforTarget”。
在此对话窗口的“Database”栏中，在其子类中选择“AT89C51，确定CPU类型，如图10所示。
图10选择CPU
在KeilμVision3的菜单栏中选择“File”一“New”命令，新建文档，在“文件名（N）”一栏中，为此文本命名，注意要填写扩展名“.c”，如图11所示。
图11保存文件
程序编写完后，再次保存。
在Keil中“ProjectWorkspace”子窗口中，单击“Targetl”前的“+”号，展开此目录。
在“SourceGroup1”文件夹上单击鼠标右键，在右键菜单中选择“AddFiletoGroup‘GroupSourcel’”，“ProjectWorkspace”子窗口如图12所示。
图12“ProjectWorkspace”子窗口
在“ProjectWorkspace”窗口中的“Target1文件夹上单击鼠标右键，在弹出的右键菜单中选择“OptionforTarget”选项，这时会弹出“OptionsforTarget”对话窗口，在本设计中，根据实际需要，需要将时钟频率变为12.0MHz并生成HEX文件。
在此对话窗口中选择“Output”选项卡，选中“CreateHEXFile”选项，如图13所示。
图13“OptionsforTarget”对话窗口
在Keil的菜单栏中选择“Project'”一“BuildTarget”命令，编译源文件。
如果编凋成功，则在Keil的“OutputWindow”子窗口中会显示如图14所示的信息；如果编译不成功，双击“OutputWindow”窗口中的错误信息，则会在编辑窗口中指示错误的语句。
图14编译源文件
5调试与测试
经过初步的分析和设计完成后，在做硬件设计和软件设计的过程过，调试时穿插进行的，应该系统的调戏中，软件和硬件的分不开的。
在后面的调试中，我们会发现，许多的硬件故障时在调试软件的时候才慢慢的发现的，如果我们先排除掉系统中一些较为明确的硬件故障，然后再对其进行然间测试，这样就可以调高测试的效率，减少测试的时间，使测试的可靠性更加好。
在我们进行系统调试的时候，我们要先对各个模块进行调试，避免系统调试的时候，因为模块故障而无法继续调试下去。
学会排除，是设计成功的一大因素。
5.1硬件的调试
本次设计的调试不问分为下面几个部分：
（1）逻辑错误调试
成品模块的逻辑错误是由于在设计过程中，模块的排布安装等问题造成的，这类错误包含：
连接错线、短路、开路，信号不同几种，其中这个短路时最常见的错误。
（2）器件调试
元器件在使用的过程中也可能会失效，其中原因可能是本身元器件坏掉了或者是由于组装元器件的时候元器件失效了。
例如某些电容、二极管的极限错误等等。
（3）可靠性调试
对于这样的一种系统，引起系统不可靠的因素会有很多，很多时候，接触不良，内部干扰，外部干扰，电源过大，器件的负载太大等等，另外，走线和布局不合理有时候也导致出现在各种问题。
（4）电源故障
如果这系统中出现电源故障，那么可能是通电后，造成了器件的损坏。
电源的故障包括下面几个方面，有时候因为电压值不符合设定的要求，有时候是电源的插座和引线借口不对，电源的功率不足，负载能力很差。
在本次调试系统的时候，我们要用运用万用表和反正模拟器，根据硬件电路图我已经设计好的装配图检查好各个线路的正确性，并确定好各个元器件的型号，参数，规格是否正确。
还要注意在焊接电路板的时候，布局布线等方面，避免电路出现极性错误或者短路，还要重点的检查扩张的系统是否存在相互之间的短路，或者有其他的信号之间短路。
由于本次的整个电路板都是手工焊制，可能我出现虚焊短接等可能，需要特别注意这一方面。
5.2软件调试
在本系统中，硬件电路采用了集成芯片设计。
每一个集成芯片都有相应的控制方法，即工作时序。
在应用每一个芯片的时候，都要认真阅读它的数据手册，再了解它的参数和性能。
该系统除含有传感器模块外，还含有液晶显示模块，模块比较多，可以分别用子函数来实现各模块的初始化和工作。
（1）按键部分软件调试
以前学习过读取微控制器引脚状态的基本语句。
观察按键按下之后显示界面是否按照理论设计变化，发现只在按下一次按键之后，液晶上的字符会移动很多位，这说明硬件有抖动。
本设计在最后按键部分软件设计过程中，采用软件消抖和按键释放判断，很好的解决了这个问题。
（2）调试子程序
在调试主程序前，必然要调用子程序，所以也要确保子程序没有错误，才不会对主程序有影响。
（3）调试主程序
主程序运行后，观察液晶显示屏是否工作，它显示的数据是否会变化。
若运行结果不正确，首先分析可引起相关故障的原因，再通过调试排除。
例如：
若定时计数器的初始化出错，则时钟将不能工作；若显示程序出错，则将不能正确显示时钟单元内容；若定时计数器中断服务子程序出错，则其显示数据的变化规律将不正常。
（4）调试总结
刚开始调试程序的时候，由于单片机的定时器功能涉及到寄存器的设置，由于比较少接触到这方面的知识，所以一开始的时候也是调试了很多次，也没有什么头绪。
但后来经过同学的指导，认真查看了STC12C5A60S2的芯片资料说明书之后，根据里面的详细的介绍，再三调试，终于能够正常使用定时器功能。
在调试超声波模块程序时，由于没有认真查看时序电路图，总是显示错误，进过反复调试还是找不到问题的所在，最后我的网上查找资料，对比了一些人写过的程序之后，进过修改，其功能还是调试好了。
5.3数据检测
把设计好的系统放置于房间里，测量到的数据如图15所示
图15系统测量数据
5.4设计总结
经过三个月的毕业论文设计，收获颇丰，感触良多。
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