基于單片機(jī)的家用煤氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、目 錄摘 要1ABSTRACT2第1章 緒論31.1 課題來源及研究意義31.2 煤氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀41.3 系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容4第2章 煤氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)的方案設(shè)計52.1 設(shè)計思想52.2 煤氣泄漏檢測監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計52.3 氣體傳感器的選型62.3.1 氣體傳感器的介紹62.3.2 氣體傳感器的選定7第3章 煤氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計83.1 單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計83.1.1 AT89C51單片機(jī)概述83.1.2 引腳和最小系統(tǒng)83.1.3 時鐘電路103.1.4 復(fù)位電路113.2 按鍵電路設(shè)計123.3 信號采集電路設(shè)計133.3.1 氣體信號采集電路的設(shè)計133.3.2 溫度信

2、號采集電路的設(shè)計163.4 A/D轉(zhuǎn)換部分電路設(shè)計173.4.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809173.4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路193.5 顯示部分電路的設(shè)計203.5.1 LCD1602顯示屏203.5.2 顯示部分電路213.6 報警排風(fēng)的電路設(shè)計21第4章 煤氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計234.1 主程序流程圖234.2 溫度采集流程圖24第5章 系統(tǒng)仿真255.1 編程軟件簡介255.2 仿真軟件簡介265.3 仿真測試275.4 實物制作30第6章 總結(jié)32附錄 程序清單34致 謝44新鄉(xiāng)學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）摘 要隨著生活水平的提高，罐裝煤氣和煤氣管道已經(jīng)進(jìn)入千家萬戶。在人們享受它帶來

3、的方便的同時，也受到了由于設(shè)備使用不當(dāng)或者設(shè)備老化而導(dǎo)致的煤氣泄漏的巨大威脅。煤氣泄漏可以使人煤氣中毒，煤氣在和空氣混合到一定比例形成的混合物還會發(fā)生爆炸，嚴(yán)重威脅到了人們的生命財產(chǎn)安全。針對這種情況設(shè)計了一種煤氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以很好的在家用煤氣發(fā)生泄漏的時候發(fā)出警報，使危急情況得到處理。本系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為核心，由MQ-2傳感器、單片機(jī)AT89C51、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809、LCD1602液晶顯示屏、DS18B20構(gòu)成,它的用途是測量空氣中煤氣的濃度及溫度，在煤氣濃度或者溫度大于或者等于預(yù)設(shè)值定將發(fā)出聲、光報警。該系統(tǒng)有硬件與軟件設(shè)計兩部分。硬件部分的設(shè)計包括煤氣濃度采

4、集電路的設(shè)計、溫度采集電路的設(shè)計、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路和按鍵電路的設(shè)計、顯示電路的設(shè)計、報警電路的設(shè)計。軟件部分由KEILC51編程PROTEUS仿真。該設(shè)計主要完成了系統(tǒng)原理圖的繪制，軟件仿真，并利用單片機(jī)開發(fā)板實現(xiàn)了具體的功能，經(jīng)驗證該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。關(guān)鍵詞：MQ-2傳感器；報警；監(jiān)控；AT89C51單片機(jī)ABSTRACTWith the improvement of living standards, canned gas and gas has entered innumberable families. While people enjoy it bring c

5、onvenience, has been due to improper use or equipment aging of huge threat to gas leakage. Leaking gas can make the person the gas poisoning, the gas and air mixture to a certain proportion to form the mixture will be an explosion, a serious threat to peoples life and property safety. For this situa

6、tion is to design a kind of gas leak monitoring system, the system can be very good at the time of household gas leak alarm, for emergency treatment.This system USES AT89C51 microcontroller as the core, by MQ - 2 sensor, single chip microcomputer AT89C51, modulus conversion chip ADC0809, LCD1602 LCD

7、 screen and DS18B20, its purpose is to measure the concentration of the gas in the air and the temperature, the gas concentration or temperature is equal to or greater than the preset value will send out sound and light alarm. The system hardware and software design of two parts. The design of the h

8、ardware part includes the gas concentration of acquisition circuit design, the design of the temperature acquisition circuit, d/a conversion circuit design, single chip microcomputer minimum system circuit and the design of key circuit, display circuit design, the design of the alarm circuit. Part o

9、f the software is KEILC51 programming PROTEUS simulation. This design is mainly completed the system schematic drawing, software simulation, and the use of microcontroller development board to achieve a specific function, verified the system work stable and reliable.Key words: MQ - 2 sensors; alarm;

10、 monitoring; AT89C51第1章 緒論1.1 課題來源及研究意義隨著經(jīng)濟(jì)和科技水平的提高，人們生活水平也在逐步改善，罐裝煤氣和管道煤氣已經(jīng)進(jìn)入到普通百姓的家庭。設(shè)備不正確的使用方法或者老化是產(chǎn)生煤氣泄漏的關(guān)鍵起因，煤氣泄漏對人民的生命危害極大且威脅著人民的財產(chǎn)安全。一氧化碳是煤氣的主要成分，一氧化碳基本上不與水相溶，它的特點是沒有刺激性、沒有氣味、沒有顏色、鼻子聞不到，在與空氣混雜比達(dá)12.580時，此時的混合物擁有爆破性。由人類呼吸進(jìn)入血液循環(huán),造成血液缺氧癥,造成結(jié)構(gòu)缺氧，遏制結(jié)構(gòu)呼吸1。煤氣中對人體傷害最大的物質(zhì)還是它。所以，設(shè)計出有作用的，可以使用在家中的煤氣監(jiān)控系統(tǒng)是擁

11、有巨大含義的，而且市場運用上也是前途光明的。以下是健康的成年人或許產(chǎn)生一氧化碳中毒的現(xiàn)象：50ppm 健康的成年人可以經(jīng)受最多8個小時；200ppm 2到3小時后人會感到疲勞，略微頭疼；400ppm 1到2小時后前額痛，3小時后將危及性命；800ppm 45分鐘普通人會痙攣、目眩、嘔吐；2小時將會失去意識；2到3小時內(nèi)可能會死亡；1600ppm 20分鐘會目眩、嘔吐、頭暈；會在一小時內(nèi)死去；3200ppm 5到10分鐘內(nèi)嘔吐、頭暈、目眩；25到30分鐘死亡；12800ppm 1到3分鐘死亡。由此可見，煤氣泄漏時對人們造成的危害是很大的，發(fā)生煤氣泄漏時會讓人中毒，導(dǎo)致生命危險，而且還有隨時發(fā)生爆

12、炸的可能。煤氣一旦泄漏，如果不及時采取措施就會造成的一系列的事故，因此，找到一個解決方法是我們需要做的。應(yīng)用煤氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)就是抵擋煤氣泄漏的主要措施。有關(guān)內(nèi)行說明，煤氣泄漏出來的巨量一氧化碳是發(fā)生煤氣中毒的起因，若是應(yīng)用煤氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)，在煤氣泄漏時就會產(chǎn)生報警信號，人們可以及早關(guān)掉煤氣閥門，將危險去除。相關(guān)組織經(jīng)過長時間檢驗得出結(jié)果，煤氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)防煤氣泄漏事件發(fā)生的有效率大于95%。1.2 煤氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀現(xiàn)在，普通的煤氣報警裝置性能一般，穩(wěn)定性不好，況且較大的監(jiān)控系統(tǒng)主要面對工礦及公共場所的檢測，并且售價較高，還需要被專職人員看管，不適宜在家庭應(yīng)用。家用煤氣泄漏的監(jiān)控系統(tǒng)

13、對于煤氣的正常使用是十分要緊的。周圍環(huán)境中煤氣的濃度通過煤氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)的氣體傳感器被探測到，控制電路接收到被探測到的信號的模擬量，當(dāng)環(huán)境中煤氣濃度超越了預(yù)設(shè)定的值的時候，燈光報警信號會被裝置報警燈發(fā)出，聲音報警被報警器發(fā)出。熱線型氣體傳感器、氧化物半導(dǎo)體、催化燃燒型是煤氣報警裝置的探測煤氣的傳感器的重要類別，當(dāng)然剩下的是極少的。四周的煤氣附著這些傳感器上，電化學(xué)反應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)在它的表層發(fā)生，使其電物理性質(zhì)發(fā)生變化。煤氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)在企業(yè)、貨倉、學(xué)校、社區(qū)、城市安防、工廠等很多地方被普遍使用。1.3 系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容本文基于單片機(jī)設(shè)計家用煤氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)計分為兩個主要部分：系統(tǒng)硬件部分設(shè)計與控

14、制編程。(1)硬件部分濃度、溫度檢測和顯示模塊、報警模塊、主要控制模塊是基于單片機(jī)的家用煤氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)硬件的主要3個部分。濃度檢測主要由MQ-2氣體傳感器組成；溫度測量被溫度傳感器構(gòu)成，顯示部分用LCD1602顯示器來展現(xiàn)；主要控制模塊主要有單片機(jī)和關(guān)聯(lián)的軟件部分構(gòu)成；報警模塊主要由鍵盤和報警器組成，鍵盤用于煤氣報警濃度及溫度的設(shè)置，報警器用于達(dá)到報警濃度及溫度的報警處理。(2)軟件部分主程序與中斷處理是它軟件部分兩大重要模塊：中斷輸進(jìn)去的設(shè)置和I/O口，定時器初始化是通過主程序?qū)崿F(xiàn)，等待定時器的中斷和傳感器來到平穩(wěn)的運行形態(tài)通過延時實現(xiàn)；中斷處理程序依據(jù)詳細(xì)的狀況要有對應(yīng)子程序。程序要實行

15、多遍調(diào)試，分開編程。對每個子程序塊所處理的題目要非常清楚。第2章 煤氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)的方案設(shè)計2.1 設(shè)計思想煤氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)具備可以測驗監(jiān)控空氣中的煤氣的濃度和報警的功用。單片機(jī)控制電路、氣體信號采集電路、A/D轉(zhuǎn)換電路其最基本的構(gòu)成模塊。氣體傳感器構(gòu)成了氣體信號采集電路，模擬的電信號是由氣體信號轉(zhuǎn)化成的。模擬的電信號被模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號之后送到單片機(jī)。這些數(shù)字信號通過單片機(jī)來分析處置，而且被分析處置的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)來判定，和設(shè)定值相比是不是相等或者被超越，若是被超越就會主動報警，產(chǎn)生報警聲，若是沒有就為正常形態(tài)。為了報警裝置特別完美，在煤氣濃度檢測的同時加上溫度檢測，在溫度過高的情況下

16、發(fā)出報警，還在聲音報警根基上，加上燈光報警，改變的光信號能夠吸引人們的注視，補償喧鬧中聲音報警的限制。提出的整體設(shè)計思路的是依據(jù)報警裝置該擁有的功用。煤氣泄漏檢測報警裝置的兩大核心部件：氣體傳感器、單片機(jī)，依據(jù)報警裝置功用，選取精準(zhǔn)、適宜、性價比高的單片機(jī)和氣體傳感器是十分重要的。2.2 煤氣泄漏檢測監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計系統(tǒng)基本方框圖如圖1所示。P3 P0AT89C51P2 P1上電復(fù)位電源電路排風(fēng)設(shè)備報警電路LCD顯示器DS18B20ADC0804MQ-2圖1 系統(tǒng)基本方框圖本系統(tǒng)運用AT89C51單片機(jī)，組合ADC0809轉(zhuǎn)換芯片組成了煤氣檢測監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)整個設(shè)計有氣體傳感器、AT89C5

17、1單片機(jī)、顯示部分組成。LCD1602可以顯示室內(nèi)煤氣濃度和溫度。系統(tǒng)用傳感器MQ-2進(jìn)行煤氣測量，然后傳出0-5V的電壓信號，再然后把模擬量傳送到ADC0809，通過A/D轉(zhuǎn)換，形成對應(yīng)數(shù)字量通過它的輸出通道DB0DB7遞送到單片機(jī)的P1口，用溫度傳感器來檢測溫度，通過DS18B20把信息傳送給單片機(jī)，單片機(jī)把收取的數(shù)字量實行數(shù)據(jù)分析處置，LCD1602顯示煤氣濃度及室內(nèi)溫度，當(dāng)環(huán)境中有煤氣泄漏或者溫度升高，并且達(dá)到預(yù)定濃度或者溫度，單片機(jī)會讓LED閃爍和蜂鳴器發(fā)聲，發(fā)出聲音和燈光的報警，并發(fā)動開關(guān)打開通風(fēng)換氣裝置，實現(xiàn)煤氣的安全使用。2.3 氣體傳感器的選型氣體傳感器屬于氣敏傳感器，它可以

18、檢測環(huán)境中的煤氣濃度，將氣體信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，單片機(jī)接收到被模擬信號轉(zhuǎn)化成的數(shù)字信號，讓單片機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處置，濃度分析及報警處理等工作。煤氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)的中心部件之一就是氣體傳感器，所以選型很重要2。2.3.1 氣體傳感器的介紹依據(jù)檢測的道理能夠劃分成下面幾種：(1)行使物理化學(xué)本質(zhì)的：比如半導(dǎo)體氣體傳感器、接觸燃燒氣體傳感器等。(2)行使物理本質(zhì)的：比如熱導(dǎo)氣體傳感器、紅外傳感器等。(3)行使電化學(xué)本質(zhì)的：比如電勢型氣體傳感器、電流型氣體傳感器等。氣體傳感器既能是一個功用的，也能為多種功用的；有些為獨自的個體，有的是被許多功用相異的傳感器的組合陣列3。不過，只要是完好的

19、氣體傳感器都擁有下列要求：(1)能夠測驗?zāi)骋环N氣體，與環(huán)境中的另外的氣體則沒有反應(yīng)；(2)能夠準(zhǔn)確的測驗被檢測的氣體濃度，而且比較敏捷；(3)能夠很快的對檢測氣體做出反應(yīng)，循環(huán)性好；(4)長期工作穩(wěn)定性好；(5)使用壽命長；(6)便宜，便于應(yīng)用于養(yǎng)護(hù)。常見氣體傳感器：(1)半導(dǎo)體氣體傳感器(2)固體電解質(zhì)氣體傳感器(3)接觸燃燒式氣體傳感器(4)高分子氣體傳感器(5)電化學(xué)傳感器(6)熱傳導(dǎo)傳感器2.3.2 氣體傳感器的選定監(jiān)控系統(tǒng)主要測驗的氣體為煤氣，所以依照監(jiān)控系統(tǒng)測驗氣體類型的條件，選擇接觸燃燒式氣敏傳感器或者半導(dǎo)體氣敏傳感器。頻繁的給傳感器標(biāo)定，為確保它的精確性的必經(jīng)的道路。平常持續(xù)應(yīng)

20、用兩個月，就要給傳感器的量程進(jìn)行校對。通過比較這兩類氣敏傳感器的使用特點，半導(dǎo)體氣敏傳感器的長處更為卓越：準(zhǔn)確性高、反應(yīng)速度快、穩(wěn)定性優(yōu)越、便捷、經(jīng)濟(jì)，同時沒有探頭阻緩和中毒情景，養(yǎng)護(hù)費用低等。所以，本次設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)氣體信息收集方面的中心應(yīng)用半導(dǎo)體氣敏傳感器。而本此設(shè)計選擇了MQ-2型氣敏傳感器，MQ-2氣體傳感器擁有普通半導(dǎo)體氣敏傳感器準(zhǔn)確性高、反應(yīng)速度快、穩(wěn)定性優(yōu)越、使用時間長等特點4。第3章 煤氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計3.1 單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計3.1.1 AT89C51單片機(jī)概述AT89C51單片機(jī)是高性能、低電壓CMOS 8位CPU，它的FLASH存儲器是4k。AT89C51具有2K

21、字節(jié)閃存的ROM，其能夠編寫程序還能夠擦除,可以反復(fù)擦除1000次。ATMEL高密度不容易丟失的存儲器的制作技藝被運用在AT89C51上,同時可以兼容MCS-51輸出管腳和指令集。AT89C51中一起加入8位CPU和閃爍存儲器,讓其效率更高。AT89C51單片機(jī)以它的高敏捷性,價格低廉化為嵌入式控制系統(tǒng)的最佳選擇。主要特性如下：(1)4K字節(jié)FLASH,可編程；(2)與MCS-51兼容；(3)在0Hz-24MHz下全靜態(tài)工作；(4)1000次重復(fù)寫/擦；(5)保留數(shù)據(jù)長達(dá)10年；(6)內(nèi)部RAM為1288位；(7)可以鎖定三級程序存儲器；(8)32個可編程I/O口；(9)中斷源5個；(10)1

22、6位定時/計數(shù)器兩個；(11)擁有時鐘電路與片內(nèi)振蕩器；(12)閑置和掉電模式為低功耗；(13)1個可編程串行通道口5。3.1.2 引腳和最小系統(tǒng) 40條引腳雙列直插式是AT89C51的封裝結(jié)構(gòu),如圖2是它的引腳圖。這里面,2條是電源引腳,2條外接晶體,4條是控制引腳,剩下的是I/O引腳。圖2 AT89C51引腳圖主要引腳介紹：VCC:電源。GND:接地。P0口:P0口的雙向I/O引腳是8個,8TTL是引腳接收的門電流。高阻輸入就是在給P0口第一次送“1”，這個時候的連上拉電阻。P1口:P1口的雙向I/O引腳也是8個,在它的里面帶有上拉電阻。4TTL為它里面的緩沖器吸取/發(fā)出的門電流大小。P2

23、口:P2口的雙向I/O引腳也是8個,在它的里面帶有上拉電阻。4TTL為它里面的緩沖器吸取/發(fā)出的門電流大小。它的管腳被拉高，在為P2口送“1”的時候,用作輸入口。P3口:P3口的雙向I/O引腳也是8個,在它的里面帶有上拉電阻。4TTL為它里面的緩沖器吸取/發(fā)出的門電流大小。RST:復(fù)位輸入引腳。ALE/PROG:在外面的存儲器來讀寫的時候,這個引腳鎖存地址是低位字節(jié)。在FLASH編寫程序的時候,這個引腳給編寫程序輸進(jìn)去脈沖。周期平穩(wěn)的正脈沖由ALE輸出,這個周期比振蕩器周期大5倍。所以它能為外部輸出脈沖,也可用來定時。不過當(dāng)成外部數(shù)據(jù)存儲器時,就會跨越一個ALE脈沖。/PSEN:Externa

24、l program memory(外部程序存儲器)選通信號。在由External program memory取指時,一個機(jī)器周期中/PSEN有效兩次。不過訪問External program memory時,就不顯示這兩次有用的信號。/EA/VPP:無論有沒有內(nèi)部程序存儲器，全作為外部程序存儲器在/EA為低電平時。XTAL1:給振蕩器反相放大器或者內(nèi)部時鐘運行電路供應(yīng)輸入。XTAL2:振蕩器輸出引腳。上電復(fù)位是用RC充電來實現(xiàn)的。圖3中電容C1和C2的效果為飛快起振與鞏固振蕩頻率,15到33pF位通常起電容值,33pF的電容被本系統(tǒng)所運用。6MHz的晶振頻率被運用。時鐘信號較平靜的為內(nèi)部振蕩

25、形式所得到,通常用在現(xiàn)實電路,12M的晶體振蕩器被本系統(tǒng)所運用。圖3 AT89C51的最小系統(tǒng)3.1.3 時鐘電路AT89C51的時鐘電路出現(xiàn)脈沖之后掌控指令準(zhǔn)確的發(fā)生動作。CPU掌控信號掌控指令發(fā)生動作的時間順序為AT89C51的時序。AT89C51內(nèi)部電路要按時序進(jìn)行運行須在時鐘信號下才可以,可以保證各個部件同步運行。外部時鐘與內(nèi)部時鐘為AT89C51時鐘的兩類形式。內(nèi)外部形式之時鐘電路如圖4(a)和4(b)。運用外面的振蕩脈沖連接到XTAL1或者XTAL2是外部時鐘的形式。HMOS與CHMOS單片機(jī)的外面的時鐘信息接進(jìn)去的形式是相異的。RXD接地,TXD接入外部振蕩器。外部振蕩信號選擇頻

26、率低于12MHz的信號因為它沒有特別的條件,僅僅保證脈沖寬度。片內(nèi)發(fā)生器出現(xiàn)兩相時鐘P1與P2,提供給AT89C51應(yīng)用。這里選用內(nèi)部方式的時鐘電路。(a) 內(nèi)部方式時鐘電路(b) 外部方式時鐘電路圖4 時鐘電路3.1.4 復(fù)位電路 AT89C51初始化動作是復(fù)位。AT89C51上電后,首先就是復(fù)位,其效果就是讓CPU與系統(tǒng)的其他元件還原為一個明確的初始形態(tài),在此基礎(chǔ)上就行下一步動作。因此,復(fù)位是一個很重要的操作。但是AT89C51自身是不可以來復(fù)位的,需要結(jié)合外部復(fù)位電路才可以完成。手動復(fù)位和上電復(fù)位是外部復(fù)位的兩類形式。上電復(fù)位是利用充電實現(xiàn)的。如圖5(a),復(fù)位電路的參數(shù)被給出。按鍵手動

27、復(fù)位有按鍵電平和按鍵脈沖復(fù)位兩種形式。如圖5(b)為按鍵電平復(fù)位,圖5(c)為按鍵脈沖復(fù)位。在復(fù)位按鍵按下后,通過小電阻復(fù)位端和電源連通,馬上放電,RST轉(zhuǎn)變成高電平,在復(fù)位按鍵釋放后,經(jīng)過電源給電容的再次充電,RST引腳產(chǎn)生復(fù)位正脈沖,RC電路時間常數(shù)決定了延續(xù)的時間長短。這里選用按鍵電平復(fù)位。 (a) 上電復(fù)位 (b) 按鍵電平復(fù)位 (c) 按鍵脈沖復(fù)位 圖5 復(fù)位電路3.2 按鍵電路設(shè)計按鍵接低的方式被本設(shè)計運用，用來讀取按鍵，AT89C51初始時，因為是高電平，在按鍵按下的時候，會給AT89C51一個低電平，信號被AT89C51進(jìn)行處理?？诘碾娖礁叩捅粏纹瑱C(jī)I/O口獲取作為判斷是不是有

28、按鍵按下是獨立式鍵盤的實現(xiàn)方法。連接地的端口是常開按鍵，單片機(jī)的一個I/O口與另一端口連接，把這個I/O口置為高電平在程序開始時，這個高電平被I/O口保衛(wèi)在通常沒有鍵按下的時候。在有鍵按下的時候，I/O口轉(zhuǎn)變成低電平由于I/O口與地的短路。按鍵松開后，I/O口依舊維持在高電平因為AT89C51內(nèi)部的上拉電阻使然。如果我們想知道有沒有按鍵動作的發(fā)生，只要在程序中查找這個I/O口的電平狀態(tài)就行了。本設(shè)計有三個按鍵，用于設(shè)置溫度與濃度上限，上鍵K1是設(shè)置鍵，用于設(shè)置溫度和煤氣濃度上限，一端接單片機(jī)P2.6端口，一端接地，中間鍵K2是加值鍵，用于增高溫度或者煤氣濃度的報警值，一端接單片機(jī)P2.7端口，

29、一端接地，下鍵K3是減值鍵，用于減低溫度或者煤氣濃度的報警值，一個端口連接單片機(jī)P3.7端口，另一端口接地。按鍵電路如圖6。圖6 按鍵電路3.3 信號采集電路設(shè)計3.3.1 氣體信號采集電路的設(shè)計(1)MQ-2傳感器 SnO2是MQ-2氣體傳感器所應(yīng)用的原料，其在干凈的空氣的導(dǎo)電率是十分低的。隨著煤氣濃度的增加，傳感器的電導(dǎo)率也隨之增加。電導(dǎo)率的變化通過分壓電路的轉(zhuǎn)換輸出的電壓信號和煤氣濃度相濃度照應(yīng)。MQ-2實物圖如圖7。圖7 MQ-2氣敏傳感器實物在對液化氣、丙烷、天然氣、氫氣以及其它可燃蒸汽檢測中MQ-2氣敏傳感器的靈敏度較高。圖8中縱坐標(biāo)是傳感器的電阻比(Rs/Ro),橫坐標(biāo)是氣體濃度

30、。Rs代表傳感器在不同濃度氣體中的電阻值。Ro代表傳感器在1000ppm氫氣中的電阻值6。靈敏度特性:圖8 傳感器典型的靈敏度特性曲線圖9是傳感器典型的溫度、濕度特性曲線。圖中縱坐標(biāo)是傳感器的電阻比(Rs/Ro)。Rs代表在有1000ppm 丙烷，不同溫/濕度下傳感器的電阻值。Ro代表在有1000ppm 丙烷，20/65%RH要求下傳感器的電阻值7。圖9 溫度、濕度特性曲線圖10 傳感器基本測試電路圖10是傳感器的基本測試電路。該傳感器需要施加2個電壓:給傳感器供給特殊的運行溫度的加熱器電壓(VH),測試電壓(VC),來檢測電阻(RL)兩端的電壓(VRL)。圖11 MQ-2原理圖(2)氣體信號

31、采集電路本次設(shè)計中,用作信號采集器件的是MQ-2氣體傳感器,器件的1、3、4腳被接到+5V電源的正極,2、5、6腳被接到地。被收集到的信號經(jīng)1k電阻R1之后傳遞給ADC0809的模擬輸入端,R2作用是調(diào)整輸出信號。具體電路連接如圖12所示。圖12 信號采集電路3.3.2 溫度信號采集電路的設(shè)計(1)溫度傳感器DS18B20外加不銹鋼保護(hù)管封裝的DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片，其優(yōu)點有體積小，耐性好，便捷，封裝方式多等，主要用于各類較小環(huán)境裝置數(shù)字測溫與控制方面。單線接口的形式是其獨特的，僅需一條口線就可以完成微處理器和DS18B20的雙向通訊；55125是其溫度測量范圍，0.5是其的固

32、定的測溫分辨率；還支持多點組網(wǎng)的功能；獨一的三線上可以并聯(lián)多個DS18B20，完成多處溫度的測量；工作電源為35V/DC；在使用中不需要任何外圍元件8。DS18B20的性能特點如下：1)選擇DALLAS公司單線接口的形式是獨有的，只需一條口線就能夠完成微處理器和DS18B20的雙向通訊；2)在使用中不需要任何外圍元件；3)+3.0V+5.5V是供電電壓領(lǐng)域，可用數(shù)據(jù)線為其供電；4)測溫范圍：-55+125。固有測溫分辨率是0.5；5)用戶可自設(shè)定報警的上下限值；圖13為DS18B20引腳圖。圖13 DS18B20引腳圖各引腳功能為：I/O是數(shù)據(jù)輸入/輸出端(即單線總線)，是漏極開路輸出，外接上

33、拉電阻，平常是高電平。UDD是能夠選擇的外部電源端，不用的時候接地，GND是地，NC為空腳9。(2)溫度信號采集電路圖14 溫度信號采集電路3.4 A/D轉(zhuǎn)換部分電路設(shè)計 3.4.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809 ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片有28條引腳，雙列直插式封裝方式被其運用，如圖15所示。其各引腳功能如下：圖15 ADC0809引腳圖IN0IN7：8路模擬量的輸入端。2-12-8：8位數(shù)字量的輸出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址的輸入線，被用于選通8路模擬輸入其中的一路。ALE：地址鎖存的允許信號，輸入高電平管用。START：輸入端，用于A/D轉(zhuǎn)換開啟脈沖，要讓它開動(0809復(fù)

34、位由于脈沖上升沿，啟動A/D轉(zhuǎn)換由于下降沿)得輸進(jìn)去正脈沖(最少100ns寬)。EOC：完成信號，輸出端，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成的時候，這個端口會輸出來一個高電平(工作時是低電平)。OE：數(shù)據(jù)出來的允許信號，輸入高電平管用。想要打開輸出的三態(tài)門，出來數(shù)字量就要在A/D轉(zhuǎn)換完成時，這個端口輸進(jìn)去一個高電平。CLK：時鐘脈沖的輸入端。不高于640KHZ是時鐘頻率的要求。REF(+)、REF(-)：基準(zhǔn)電壓。Vcc：電源，單一+5V。GND：地10。怎樣確定A/D轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)是數(shù)據(jù)傳遞的關(guān)鍵問題，要來傳遞，只有明確實現(xiàn)后才可以?？刹捎孟旅嫒N方式。(1)定時傳送方式就A/D轉(zhuǎn)換器來說，轉(zhuǎn)換時間是固定與已知的技術(shù)指

35、標(biāo)。因此策劃延時的子程序，移用這個子程序在模/數(shù)轉(zhuǎn)換開始之后，轉(zhuǎn)換一定已經(jīng)實現(xiàn)，只要延遲時間到了，接下來可以來遞送數(shù)據(jù)。(2)查詢方式轉(zhuǎn)換完成的形態(tài)信息在模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片上也有說明。想要知道轉(zhuǎn)換是不是實現(xiàn)，下一步的數(shù)據(jù)遞送能夠運用查詢的形式，測試EOC的形態(tài)。(3)中斷方式中斷請求信號是表示轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的狀態(tài)信號(EOC)，數(shù)據(jù)的傳遞用中斷的形式。想要通過指令來數(shù)據(jù)傳遞，只有確定轉(zhuǎn)換完成，無論運用上面的何種方法。第一步發(fā)送的口地址并以信號管用的時候，OE信號就有作用，將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)總線，使AT89C51采納。3.4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路由MQ-2氣體傳感器收集的電信號連接電阻之后連接模數(shù)轉(zhuǎn)換芯

36、片ADC0809的IN0端口；ADC0809的ADD A、ADD B、ADD C和VREF(-)端接地；VREF(+)接5V電壓；ALE端接START接單片機(jī)的P3.3端口；BOC端口接單片機(jī)P3.6端；CLOCK接單片機(jī)ALE端口；OUT1-OUT8分別連接單片機(jī)的P1.7-P1.0端口；用作用是收集轉(zhuǎn)化為的數(shù)字信號；OE端連接P3.2端口。詳細(xì)的電路銜接方法如圖16所示。圖16 A/D轉(zhuǎn)換部分3.5 顯示部分電路的設(shè)計3.5.1 LCD1602顯示屏 在AT89C51的人和機(jī)器交流層面中,液晶顯示器、發(fā)光管、LED數(shù)碼管是輸出方法的普通幾類。LCD1602顯示有幾個突出特點:(1)顯示質(zhì)量

37、高；(2)數(shù)字式接口；(3)體積小、重量輕；(4)功耗低。耗能低是液晶顯示器的顯著特點,內(nèi)部的電極和驅(qū)動IC是主要耗能部件,耗所以用的電量就比其他的要少一些。1602字符型LCD簡介字符型液晶顯示模塊是特地展示字母、數(shù)字、符號等點陣式LCD,現(xiàn)在普遍應(yīng)用16*1,16*2,20*2與40*2等類型11。一般實物圖如圖17。圖17 LCD1602顯示屏實物圖如圖18為LCD1602的引腳圖。圖18 1602字符型液晶引腳圖第1腳:VSS接地。第2腳:VDD接5V正電源。第3腳:VL是對比度的調(diào)整端口,連到正電源時是最大，連到地時是最小。第4腳:RS是Data/Cmd寄存器挑選端口,高、低電平依次

38、選取Data寄存器與Cmd寄存器。第5腳:R/W是讀/寫信息挑選端口,高電平時是讀動作,低電平時是寫動作。在RS和R/W同時送入低電平，這時是寫的命令或著顯示地址的動作,在R/W是“1”RS是“0”的時候能夠讀忙信號,在R/W是“0”RS是“1”的時候能夠?qū)懭霐?shù)據(jù)。第6腳:E端為1602的使能端口,在E端送出一個正脈沖后,1602模塊實行命令。第714腳:D0D7為8位輸入/輸出數(shù)據(jù)線。第15和16腳:分別為背光源正極、負(fù)極12。3.5.2 顯示部分電路顯示部分選用1602LCD液晶顯示。AT89C51的P0口操縱著LCD液晶顯示,其中P0口連接上拉電阻的8個管腳之后依次與操縱LCD1602的

39、D0-D7銜接。電路連接方式如圖19所示。圖19 LCD顯示部分3.6 報警排風(fēng)的電路設(shè)計 數(shù)字信號通過單片機(jī)分析處理之后若是環(huán)境中煤氣濃度大于或者等于報警裝置設(shè)立的設(shè)定值時,單片機(jī)就會驅(qū)動蜂鳴器報警,黃色LED燈閃爍,風(fēng)扇轉(zhuǎn)動。圖20中用電機(jī)代替風(fēng)扇。黃色LED的正極連到+5V電源的正極,負(fù)極經(jīng)過一個電阻之后連到AT89C51的P2.1端口。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值，單片機(jī)就會驅(qū)動控制蜂鳴器報警，紅色LED燈閃爍。紅色LED的正極連到+5V電源的正極,負(fù)極經(jīng)過一個電阻之后連到AT89C51的P2.2端口。蜂鳴器正極連到+5V電源的正極。具體電路連通方法如圖20所示。圖20 報警顯示部分第4章 煤氣泄

40、漏監(jiān)控系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計4.1 主程序流程圖開始初始化設(shè)置溫度與濃度值執(zhí)行相應(yīng)的指示控制判斷當(dāng)前濃度范圍讀AD轉(zhuǎn)換濃度讀取溫度值判斷當(dāng)前溫度范圍判斷是否超過濃度范圍判斷是否超過溫度范圍執(zhí)行相應(yīng)的指示控制結(jié)束NNYY圖21 系統(tǒng)流程圖4.2 溫度采集流程圖否是發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令寫入18B20讀溫度前復(fù)位顯示測溫點位置18B20復(fù)位開始18B20存在？延時發(fā)出讀溫度命令寫入18B20讀入溫度值數(shù)據(jù)返回延時圖22 DS18B20流程圖第5章 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真采用Keil C51與Proteus聯(lián)調(diào)，先用Keil C51生成程序，導(dǎo)入到Proteus進(jìn)行仿真測試。5.1 編程軟件簡介Keil軟件能夠同時

41、進(jìn)行集編輯,編譯,仿真，贊成匯編,PLM語言和C語言的程序的編寫13。比較匯編語言，在功能上、可讀性、可維護(hù)性上、結(jié)構(gòu)性C語言有突出的特點，所以使用簡單方便。體會更為深刻的是先編寫匯編語言然后再編寫C語言程序。Keil C51軟件具備功用強(qiáng)悍的匯成開拓調(diào)試用具與充足的庫函數(shù)。此外，Keil C51生成目標(biāo)代碼的效率是很高的，只需要看一下編譯后產(chǎn)生的匯編代碼，即可以感受到。而且產(chǎn)生的匯編代碼極為嚴(yán)密在多數(shù)語句，輕松的就能明白。如圖23和圖24是生成HEX文件的頁面。圖23 設(shè)置生成hex文件圖24 程序編譯并生成hex文件5.2 仿真軟件簡介Proteus ISIS是由英國Labcenter e

42、lectronics公司制作的軟件,它可以仿真,還能夠設(shè)計電路。是現(xiàn)在仿真數(shù)字電路、模擬電路、單片機(jī)及外圍器件的最佳選擇14。得到了用戶的喜愛，也受到了用戶們的一致好評。當(dāng)今Proteus是把電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和模擬仿真相結(jié)合唯一的開發(fā)平面。它的處理器模型支持PIC,ARM7,HC11,AVR,MSP430，DSP和Cortex系列，8051系列的CPU模型15。編譯部分,Proteus ISIS支持IAR、Keil和MPLAB等許多編譯器。5.3 仿真測試?yán)胮roteus描述的系統(tǒng)電路的原理圖，如圖25所示。圖25 系統(tǒng)的電路原理圖下面在單片機(jī)導(dǎo)入利用Keil C51生成的程序進(jìn)

43、行仿真測試，仿真主要測試一下幾點：(1)沒有煤氣泄漏時系統(tǒng)運轉(zhuǎn)是不是正常；(2)煤氣過高時系統(tǒng)運轉(zhuǎn)是不是正常；(3)溫度過高時系統(tǒng)工作是否正常；(4)按鍵是否正常。圖26 正常情況下的仿真結(jié)果正常情況下仿真結(jié)果如圖26所示，室內(nèi)溫度與煤氣濃度均沒有超過設(shè)定的最低值，LCD1602顯示屏上出現(xiàn)室內(nèi)溫度與煤氣濃度，沒有LED燈光閃亮，沒有蜂鳴器發(fā)聲，電機(jī)沒有轉(zhuǎn)動。圖27 濃度超標(biāo)時的仿真結(jié)果當(dāng)室內(nèi)煤氣濃度超過設(shè)定的最低值時的仿真結(jié)果如圖27所示，LCD1602顯示屏上顯示室內(nèi)溫度與當(dāng)前煤氣濃度值，這個時候單片機(jī)會送出一個低電平，驅(qū)使黃色LED燈閃爍，蜂鳴器報警，電機(jī)轉(zhuǎn)動。如圖27紅框內(nèi)所示。圖28

44、 溫度超標(biāo)時的仿真結(jié)果當(dāng)室內(nèi)溫度超過設(shè)定的最低值時的仿真結(jié)果如圖28所示，LCD1602顯示屏上出現(xiàn)室內(nèi)當(dāng)前溫度與煤氣濃度值，這個時候單片機(jī)同樣送出一個低電平，驅(qū)使紅色LED燈閃爍，蜂鳴器報警。如圖28紅框內(nèi)所示。圖29 按鍵的仿真結(jié)果按鍵可以設(shè)置報警溫度和煤氣濃度的上限，如29圖中顯示屏內(nèi)所示，煤氣和煤氣濃度的報警上限已改變。運用Proteus來電路仿真,加載程序過后,系統(tǒng)在平常運行下顯示環(huán)境中煤氣濃度和溫度。當(dāng)環(huán)境中煤氣濃度超標(biāo)時,系統(tǒng)會發(fā)出報警。當(dāng)溫度過高時，系統(tǒng)照樣可以報警。通過仿真考證,這個監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)完成了設(shè)計的需要。5.4 實物制作煤氣監(jiān)控系統(tǒng)實物的制作利用萬用板，將MQ-2氣體

45、傳感器，ADC0809轉(zhuǎn)換芯片，AT89C51單片機(jī)，DS18B20溫度傳感器，LCD1602顯示器以及蜂鳴器，LED燈，按鍵，風(fēng)扇等元件和各種電阻、電容根據(jù)系統(tǒng)電路原理圖焊接到一起，具體制作好的實物如圖30所示。 圖30 煤氣監(jiān)控系統(tǒng)實物圖第6章 總結(jié)本設(shè)計主要完成了系統(tǒng)原理圖的繪制，程序的編程，仿真調(diào)試以及實物制作。應(yīng)用程序以C語言編寫，充分利用芯片的內(nèi)部資源，提高了代碼執(zhí)行效率，減小了代碼的容量。經(jīng)過仿真與實物驗證，本系統(tǒng)穩(wěn)定的完成所需的功能，但是設(shè)計中還有一些缺點，比如在實物中排風(fēng)裝置只是連接了一個較小的風(fēng)扇，如果用在實際家庭則需要連接220V的排風(fēng)扇。由于該系統(tǒng)具有體積小、功耗低、安

46、裝調(diào)試簡單、可靠性高等優(yōu)點，因此，該煤氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)有著良好的市場前景。參考文獻(xiàn)1劉春梅.基于單片機(jī)的煤氣泄漏檢測與報警系統(tǒng)的設(shè)計J.科技資訊，2012，02：1131142王化祥，張淑英.傳感器原理及應(yīng)用M.天津：天津大學(xué)出版社，2012：2202303王澤榮，王進(jìn)浩，張婷婷.室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測與傳感器的應(yīng)用J.商情，2010，17：17174陳智文.室內(nèi)煤氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)J.數(shù)控技術(shù)，2012，06：19205李全利.單片機(jī)原理及接口技術(shù)M.北京：高等教育出版社，2007.2112156王程研.基于AVR單片機(jī)的智能家庭測控報警系統(tǒng)設(shè)計J.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2010，26：92927白雪

47、.靜電紡SnO2/Al203納米復(fù)合纖維及其氣敏性研究D.天津：天津工業(yè)大學(xué)，2010，52558李華.智能廚房煤氣監(jiān)控系統(tǒng)J.電腦開發(fā)與應(yīng)用，2011，04：38419江進(jìn)國，王文巧.基于GSM網(wǎng)絡(luò)的煤氣泄漏自動關(guān)閉系統(tǒng)的設(shè)計J.安全與環(huán)境工程，2013，20(01)：12113110汪文，陳林.單片機(jī)原理及應(yīng)用M.湖北：華中科技大學(xué)出版社,2007.11213011賈艷娟，王永清.基于單片機(jī)的煤氣濃度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計J.計算機(jī)時代，2011，05：989912李育生，常曉明，閆曉偉.基于單片機(jī)的煤氣滲漏監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計J.山西大同大學(xué)學(xué)報，2008，03：333513趙亮，侯國銳.單片機(jī)C語言

48、編程與實例M.北京：人民郵電出社，200314杜樹春.基于Proteus和Keil C51的單片機(jī)設(shè)計與仿真M.北京：電子工業(yè)出版社，2011.14815翁嘉民.單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)技術(shù)、基于Proteus單片機(jī)仿真和C語言編程M.北京：中國電力出版社,2010.5668附錄 程序清單/程序頭函數(shù)#include /顯示函數(shù)#include /宏定義#define uint unsigned int #define uchar unsigned char#define Data_ADC0809 P1 /管腳聲明sbit LED_wendu= P22;sbit LED_yanwu= P21;sbit

49、baojing= P25;sbit DQ = P20;/ADC0809sbit ST=P33;sbit EOC=P36;sbit OE=P32;/按鍵sbit Key1=P26;sbit Key2=P27;sbit Key3=P37;signed char w; /溫度值全局變量uint c; /溫度值全局變量bit bdata flag=0;/煤氣含量變量uchar temp;uchar yushe_wendu=50;uchar yushe_yanwu=45;/按鈕模式| uchar Mode=0;/函數(shù)聲明extern uchar ADC0809();extern void Key();void delay(uint z)uint i,j;for(i=0;iz;i+)for(j=0;j0;i-) DQ = 0; / 給脈沖信號 dat=1; DQ = 1; / 給脈沖信號 if(DQ) dat|=0x80; Delay_DS18B20(4); return(dat);/*寫一個字節(jié)*/void WriteOneChar(unsigned char dat) unsigned char i=0; for (i=8; i0; i-) DQ = 0; DQ = dat&0x01; Delay_DS18B20(5); DQ = 1; dat=1; /*讀取溫