基于单片机的可燃气监测报警控制系统的设计.docx

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基于单片机的可燃气监测报警控制系统的设计

毕业设计（论文）

题目

基于单片机的可燃气体监测

报警控制系统的设计

系（院）

专业

班级

学生姓名

学号

指导教师

职称

讲师

二〇一二年六月十八日

独创声明

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。

尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律后果由本人承担。

作者签名:

二〇一二年六月一十八日

毕业设计（论文）使用授权声明

本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。

本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。

（保密论文在解密后遵守此规定）

作者签名:

二〇一二年六月一十八日

基于单片机的可燃气体监测报警控制系统的设计

摘要

本系统由MQ-2传感器、单片机AT89C51、模数转换芯片ADC0804、LCD1602液晶显示屏构成，其功能是监测环境中可燃气体的浓度，当浓度达到设定的报警值时就会触发声光报警。

本系统分为硬件设计和软件设计两部分。

其中硬件设计部分包括气体浓度采集电路，A/D转换电路、单片机最小系统电路、显示电路、报警电路以及按键电路。

当系统工作时，信号采集电路将气体浓度转换为模拟电压，通过ADC换器器转换为数字信号送入单片机，单片机内部建立浓度与电压的关系，然后将结果送入LCD进行显示。

如果可燃气体的浓度达到报警值时会触发声光报警，同时无线控制模块触动阀门打开排气扇。

当发生未知危险时还可手动进行报警以及手动取消报警。

软件部分通过KEILC51编程实现，通过PROTEUS仿真，系统实现了预期的功能。

关键词：

MQ-2传感器；AT89C51单片机；ADC0804芯片；LCD液晶

显示；无线发射接收模块

DesignofIgnitableGasAlarmDetectorandControllerBasedonMCU

Abstract

ThesystemconsistsofMQ-2sensor,thesinglechipmicrocomputerAT89C51analogtodigitalconverterchip,theADC0804,theLCD1602.Itsfunctionistomonitortheconcentrationofcombustiblegasesintheenvironment,whentheconcentrationreachesthealarmsetvalue,thesystemwilltriggersoundandlightalarm.Thesystemisdividedintohardwareandsoftware.Hardwareconsistoftheacquisitioncircuitofthegasconcentration,theA/Dconversioncircuit,thesmallestsystemofAT89C51,circuit,displaycircuit,thealarmcircuitandthekeycircuit.Whenthesystemisworking,thesignalacquisitioncircuitconvertthegasconcentrationtoanalogvoltage,thentheanalogvoltageisconvertedbyADCconverterdevicetodigitalsignalandthensendintothemicrocontroller,Thecpuestablishtherelationshipbetweenconcentrationandvoltage,thentheresultisdispiayedby1602LCD.Ifthecombustiblegasconcentrationreachesthealarmsetvalue,thesystemwilltriggersoundandlightalarm,atthesametimeRFtransceiver/receivermoduletouchesthevalvetoopentheexhaustfan.Whenanunknownriskhappen,thesystemcanalsocontroltoopenthefunctionofmanuallyalarmandmanuallycancelthealarm.TheprogrammingisimplementedbyKEILC51,andthesystemissimulatedbyPROTEUS.Systemachievedthedesiredfunction.Keyword:

MQ-2sensor；AT89C51；ADC0804；LCD；RFtransceiver/

receivermodule

引言1

第一章报警器的概述2

1.1报警器的研究背景2

1.2报警器的研究意义2

1.2.1气体传感器的分类2

1.3系统整体方案及硬件设计3

第二章主要元件介绍3

2.1AT89C51单片机5

2.1.1概述5

2.1.2引脚及最小系统5

2.1.3时钟电路8

2.1.4复位电路9

2.2模数转换芯片ADC080410

2.2.1概述10

2.2.2引脚介绍10

2.2.3A/D性能参数11

2.2.4A/D转换的方法和原理12

2.2.5连接方式12

2.3MQ-2传感器12

2.4LCD液晶屏14

2.4.11602引脚功能15

2.5无线发射接收模块16

第三章模块电路设计19

3.1可燃气体信号采集部分电路19

3.2显示部分电路19

3.3A/D转换部分电路20

3.4报警显示部分电路21

3.5最小系统及按键22

第四章整体电路24

4.1系统整体电路图24

4.2系统软件设计24

4.2.1软件设计流程图24

第五章系统仿真实现26

5.1编程软件简介26

5.2仿真软件简介27

5.3仿真测试28

结论32

参考文献33

谢辞34

附录35

引言

煤矿爆炸、厂房起火、工人中毒、家庭煤气泄漏等此类新闻报道层出不穷。

矿井、石油化工、室内煤气等众多易燃易爆场所的安全问题一直被广泛关注。

因此设计一款能稳定并实时采集现场可燃气体信号测量检测系统就尤为重要。

近年来大规模集成电路发展迅速，同时也带动了单片机的迅猛发展，这给在野外以及无人监测的地方进行实时监测带来了巨大的方便。

“个头小、价格低、功能强大”是单片机的一大特征，与微型计算机的功能相似。

在环境监测仪中运用单片机技术，不仅能降低成本，还能减小其体积和质量，提高环境监测仪的自动化水平，对环境监测更加准确。

按系统功能实现要求，决定控制系统采用市场上很普遍的AT89C51单片机，A/D转换采用ADC0804，其转换速度完全可以达到本次设计的要求，显示部分由LCD1602液晶屏进行显示。

本设计是通过采用MQ-2气体传感器作为可燃气体的信号采集工具，系统建立浓度与电压关系，利用单片机技术将采集到的模拟电压量经过AD转换为数字信号，经过信号处理计算，浓度值由液晶显示，触发声光报警，启动无线控制排气装置。

第一章报警器的概述

1.1报警器的研究背景

中国在逐步进入工业化的同时，工业事故也在屡屡发生。

煤矿爆炸、厂房起火、工人中毒、家庭煤气泄漏等此类新闻报道层出不穷。

这些事故的主要原因是工业环境中不当使用有毒有害、易燃易爆气体。

在日常生活中到处充斥着有毒有害、易燃易爆气体，一旦发生泄露，不仅污染了环境，造成严重的人员伤亡和财产损失。

而且还会严重地威胁到了人们的日常生活。

1.2报警器的研究意义

近年来大规模集成电路发展迅速，同时也带动了单片机的迅猛发展，这给在野外以及无人监测的地方进行实时监测带来了巨大的方便。

个头虽小、价格便宜但功能强大是单片机的一大特征，与微型计算机的功能相似。

将单片机技术运用到环境监测仪中，不仅能降低成本，而且还可以减小环境监测仪的体积和质量，提高环境监测仪的自动化水平，增强环境监测的准确性。

基于以上优点，可燃报警控制系统能广范应用于工业和家庭中。

1.2.1气体传感器的分类

表1.1气体传感器的分类

气体传感器分类

原理

特点

金属氧化物半导体式传感器

被测气体的吸附后，半导体的电导率变化，从而使电流变化，驱动报警电路。

反应灵敏，成本低廉，适宜于民用气体检测。

催化燃烧式传感器

是目前使用最多的检测可燃气体的原理之一。

输出信号线形好、无与其他非可燃气体的交叉干扰等特点[1]。

定电位电解式传感器

是测毒类使用最多的一种。

隔膜迦伐尼电池式氧气传感器

把氧气通入电解质时，阳极金属被氧化，释放电子，形成的电流与通入的氧气浓度成正比[2]。

整个过程中阳极金属在逐渐损耗，因此传感器需经常更换。

红外式传感器

不同元素吸收的光的波长不同。

反应灵敏，能适用于多数碳氢化合物，但成本较高结构复杂。

1.3系统整体方案及硬件设计

本次设计采用AT89C51单片机，配合ADC0804转换芯片构成一个简易的可燃气体监测报警系统。

可燃气体的浓度用LCD1602显示器进行显示。

该电路通过MQ-2传感器检测可燃气体，并输出0-5V的电压信号，然后输入到ADC0804芯片采样模拟量电压，经过模/数转换后，产生相应的数字量经过其输出通道DB0～DB7传送给AT89C51单片机的P1口。

AT89C51单片机负责把接收到的数字量经过数据处理，LCD1602显示可燃气体浓度。

当环境中可燃或有毒气体泄露时，并且可燃气体浓度达到报警值时，单片机将驱动LED和蜂鸣器，就会发出声光报警。

通过关联的无线控制模块触动阀门以打开排气、排风设备，从而实现现场可燃气体的安全控制。

本系统有单片机最小系统、电源、信号采集电路、报警电路、按键和LCD显示、组成。

基本原理如图1.1所示：

图1.1系统基本方框图

第二章主要元件介绍

2.1AT89C51单片机

2.1.1概述

AT89C51单片机的FLASH存储器为4k且为高性能、低电压CMOS8位CPU。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程又可擦除的ROM，能重复擦除1000次。

该器件采用的是ATMEL高密度非易失存储器的制造技术，且能与MCS-51输出管脚和指令集兼容。

在一个芯片中同时置入8位CPU和闪烁存储器，使得AT89C51更加高效，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51单片机因其灵活性高，且成本较低而成为嵌入式控制系统的首选方案[3]。

主要特性如下：

（1）4K字节FLASH，可编程；

（2）与MCS-51兼容；（3）在0Hz-24MHz下全静态工作；（4）1000次重复写/擦；（5）保留数据长达10年；（6）内部RAM为128×8位；（7）能锁定三级程序存储器；（8）32个可编程I/O口；（9）中断源5个；（10）16位定时/计数器两个；（11）具备时钟电路和片内振荡器；（12）闲置和掉电模式为低功耗；（13）1个可编程串行通道口。

2.1.2引脚和最小系统

AT89C51封装结构为40条引脚双列直插式，其引脚排列如图2.1所示。

其中，有2条电源引脚，2条外接晶体，4条控制引脚，其它为I/O引脚

图2.1AT89C51引脚图

主要引脚介绍：

VCC：

电源。

GND：

接地。

P0口：

P0口有8个双向I/O引脚，每个引脚吸收的门电流是8TTL。

第一次给P0口送“1”，称为高阻输入，此时需接上拉电阻。

P1口：

P1口有8个双向I/O引脚，其内部自带上拉电阻。

内部的缓冲器能接收/输出的门电流为4TTL。

给P1口送1后，自动的被上拉电阻拉高，此时其可用作输入引脚。

P1口为低电平时，会输出电流。

FLASH编程或校验时，P1口作为地址的低8位接收数据。

P2口：

P1口有8个双向I/O引脚，其内部自带上拉电阻。

其内部的缓冲器接收/输出的门电流为4TTL，给当P2口送“1”时，其管脚被拉高，作为输入口。

P2口为低电平时，可输出电流。

P2口访问外部程序存储器或进行16位地址外部数据存储器存取时，P2口作高八位地址引脚。

在给地址送“1”时，内部上拉成为一大优势。

当进行读写外部8位地址/数据存储器时，P2口输出SFR的内容。

在FLASH进行编程和校验时，P2口接收高八位地址和控制信号。

P3口：

P3口有8个双向I/O引脚，其内部自带上拉电阻。

可接收/输出的门电流为4TTL。

给P3口送入“1”后，由于内部的上拉电阻，引脚变为高电平，用作输入端口。

当外部下拉为低电平，P3口作为输出将输出电流。

P3口还具有一些特殊功能：

P3.0作串行输入引脚；P3.1作串行输出引脚；P3.2为外部中断0引脚；P3.3为外部中断1引脚；P3.4为定时/计数器0外部输入引脚；P3.5为定时/计数器1外部输入；P3.6为外部的数据存储器的写选通引脚；P3.7为外部的数据存储器的读选通引脚；P3口还能同时为编程和校验接收控制信号。

RST：

复位输入引脚。

要对器件进行复位时，必须保持RST引脚两个周期的高电平。

ALE/PROG：

对外部存储器进行读写时，该引脚锁存地址的低位字节。

进行FLASH编程时，此引脚为编程输入脉冲。

一般ALE输出周期稳定的正脉冲，此周期为振荡器周期的6倍。

所以它能为外部输出脉冲，也可用来定时。

但是作为外部数据存储器时，将会跳过一个ALE脉冲。

/PSEN：

Externalprogrammemory（外部程序存储器）选通信号。

在由Externalprogrammemory取指时，一个机器周期中/PSEN有效两次。

但对Externalprogrammemory访问时，将不出现这两次有效的信号。

/EA/VPP：

当/EA为低电平期间，不管是否有内部程序存储器，都为外部程序存储器。

注意加密方式为“1”时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

为内部时钟工作电路或振荡器反相放大器提供输入。

XTAL2：

振荡器输出引脚。

最小系统由AT89C51、12M晶振、两个33pF电容、10K和1K电阻、复位开关组成。

图2.2AT89C51的最小系统

上电复位是用RC充电来实现的。

按键复位又分为：

按键电平复位，相当于RST端通过电阻接高电平；按键脉冲复位，利用RC微分电路产生正脉冲[4]。

图2.2中电容器C1和C2起稳定振荡频率、快速起振的作用，起电容值一般在15-33pF，本次设计采用33pF电容。

晶振频率的采用6MHz的情况比较多。

内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实际电路中使用比较多，本次设计采用12M晶体振荡器。

2.1.3时钟电路

单片机的时钟电路产生脉冲然后控制指令精准的执行。

所谓单片机的时序就是CPU控制信号控制指令执行的时间顺序。

单片机内部电路只有在一个时钟信号下按时序进行工作，才能确保各部件同时工作。

89C51的时钟分为外部时钟和内部时钟两种方式[5]。

外部方式的时钟电路如图2.3。

外部时钟方式是利用外部振荡脉冲接入XTAL1或XTAL2。

HMOS和CHMOS单片机的外部时钟信号接入方式不同。

RXD接地，TXD接入外部振荡器。

外部振荡信号无其他特殊要求，只确保脉冲宽度，因此采用频率低于12MHz的信号。

片内发生器将振荡频率变两分频，产生一个两相时钟P1和P2，来供单片机使用。

（a）内部方式时钟电路（b）外部方式时钟电路

图2.3时钟电路

2.1.4复位电路

复位是对单片机进行初始化操作。

单片机上电后，先复位，这样的作用是使得CPU和系统的其他元件恢复到一个确定的初始状态，然后从这个状态开始工作。

因此，复位是一个很重要的操作。

然而单片机本身是不能进行复位的，必须配合外部复位电路才能实现。

当89C51通电时，时钟电路工作，在89C51单片机的第9引脚加上大于24个时钟周期以上的脉冲，系统就开始进行复位。

先进行初始化操作，PC指向0000H。

此时P0,P1,P2,P3口都输出高电平，除堆栈指针写入07H外，其余寄存器都被清零。

RST由高变为低电平后，系统指向0000H。

单片机的外部复位有两种方式：

上电复位、手动复位。

上电复位是利用RC充电实现的。

如图2.4（a），图中给出了复位电路的参数。

上电的瞬间，由于电容两端的电压不能突变，RST为高电压，出现的是正脉冲，但是它的持续时间由RC电路的时间常数来决定。

RST必须要有足够的时间才能使复位有效。

按键手动复位也有两种方式：

按键电平和按键脉冲复位。

如图2.4（b）是按键电平复位，图2.4（c）是按键脉冲复位。

复位按键按下去之后，复位端通过小电阻与电源接通，立刻放电，使RST变为高电平，复位按键弹起来后，电源通过电阻对电容重新充电，RST引脚出现复位正脉冲，持续的时间取决于RC电路时间常数。

（a）上电复位（b）按键电平复位（c）按键脉冲复位

图2.4复位电路

2.1.5定时器

AT89C51单片机内部的两个定时/计数器都是16位的：

T0、T1分别为定时器1、定时器2。

两者即可定时又能进行外部计数。

T0和T1做计数器时实际上都是进行加1操作。

T0内部为两个8位专用寄存器TH0和TL0，T1是由TH1和TL1组成。

用软件对专用寄存器TMOD设置和TCON控制使每个定时器工作在定时或计数或是其他可控的方式。

2.2模数转换ADC0804

2.2.1概述

ADC0804是8位8通道逐次逼近式A/D模拟/数字转换器，是将输入的模拟信号转换成数字信号。

信号输入端可以是传感器或转换器的输出，而ADC转化的数字信号提供给微处理器应用更加广泛[6]。

ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型模数转换芯片。

输入电压范围为0～5V，分辨率为8位，转换时间100μs。

增加某些外部电路后，输入模拟电压可为5V。

该芯片内有输出数据锁存器，当与微处理器连接时，转换电路的输出无需附加逻辑接口电路就可以直接连接在CPU数据总线上。

2.2.2引脚介绍

图2.5ADC0804引脚图

DGND:

数字地。

 VIN+、VIN-:

ADC0804的能接收单极性、双极性和差模输入信号的两个模拟信号输入端。

  CLKIN:

输出时钟脉冲信号送入外部电路。

  CLKR:

外接电阻，与CLKIN配合可由芯片本身产生时钟脉冲，其频率为1.1/Rc

 D7～D0:

A/D转换输出端，该输出端能与微处理器数据总线相连。

CS:

A/D片选信号端，有效电平为低电平，当CS为低，说明A/D转换器启动工作。

 RD:

A/D读信号端，有效电平为低电平，当CS、RD同时有效时，转换结束可读取数据。

INTR:

A/D转换结束信号，有效电平为低电平。

此引脚有效表示转换已完成。

该信号常用作系统中断请求信号。

WR:

A/D写信号端，接收控制系统的启动输入端，有效电平为低电平，当CS、WR同时有效时，启动转换。

AGND:

模拟信号地。

2.2.3A/D的性能参数

1.转换精度

一般用A/D转换的最低有效位表示（LSB），ADC0804总误差为1LSB。

2.转换率

ADC0804如完成一次A/D需要100uS,则转换率100KHZ-1460KHZ。

3.分辨率

ADC0804的分辨率为8位。

2.2.4A/D转换的方法和原理

1.计数式A/D转换。

2.双积分式A/D转换。

前一种速度慢，但是精度高。

3、逐次逼近式A/D转换。

速度快，精度稍差。

ADC0804是属于连续渐进式的A/D转换器，这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。

2.2.5连接方式

1、等待连接方式

IN0~IN7接模拟信号8通道轮流采集一次数据，并在内部RAM中。

ADC0804后用地址为0000H~7FFFH，该接口采用延时等待方式，即没有利用EOC信号，而是经过一定的延时等待转换结束，再读取转换结果。

本次设计采用的即是等待连接方式。

2、中断连接方式

ADC0804的EOC信号经过一反相器反相后接到51的外部中断输入端形成另一种接口电路为中断方式接口电路，即利用EOC信号产生中断，通知单片机A/D转换结束。

3、查询连接方式

ADC0804的EOC信号直接接到51的I/O线上（P1.0），8051通过循环查询EOC信号，判断转换是否结束。

2.3MQ-2传感器

MQ-2/MQ-2S气体传感器使用的气敏材料是二氧化锡（SnO2），SnO2在清洁空气中电导率较低的。

当环境中的可燃气体的浓度逐渐增加时，传感器的电导率也伴随着增大。

电导率的变化经过简单的电路转换输出的电压与特定的气体浓度对应。

MQ-2/MQ-2S气敏传感器对丙烷、氢气、液化气、天然气以及其它可燃蒸汽检测的灵敏度较高。

该传感器可检测的可燃气体较多，且成本较低，应用广泛。

图2.6中纵坐标为传感器的电阻比（Rs/Ro），横坐标为气体浓度。

Rs表示传感器在不同浓度气体中的电阻值。

Ro表示传感器在1000ppm氢气中的电阻值[7]。

灵敏度特性：

图2.6传感器典型的灵敏度特性曲线

图2.7是传感器典型的温度、湿度特性曲线。

图中纵坐标是传感器的电阻比（Rs/Ro）。

Rs表示在含1000ppm丙烷、不同温/湿度下传感器的电阻值。

Ro表示在含1000ppm丙烷、20℃/65%RH环境条件下传感器的电阻值[8]。

图2.7温度、湿度特性曲线图2.8传感器基本测试电路

图2.8是传感器的基本测试电路。

该传感器需要施加2个电压：

加热器电压（VH），为传感器提供特定的工作温度。

测试电压（VC），用于测定负载电阻（RL）上的电压（VRL）。

这种传感器具有轻微的极性，VC为直流电源。

在满足传感器电性能的前提下，VC和VH可以共享同一个电源。

恰当的选择RL值可以使传感器达到最佳性能。

规格：

敏感体功耗（

）值可用下式计算：

2-

（1）

传感器电阻（

），可用下式计算：

2-

（2）

图2.9MQ-2原理图

2.4LCD液晶屏

与单片机的人机交流界面中，输出方式一般有以下几种