畢業(yè)設(shè)計（論文）基于STC89C52單片機的可燃性氣體報警器設(shè)計

1、摘要 隨著可燃性氣體種類和應用范圍的增加，其使用場所和貯氣倉庫內(nèi)的泄漏、火災爆炸事故日益增多。從安全、環(huán)保及經(jīng)濟上考慮，研制一種檢測可燃性氣體自動報警和自動打開排器裝置的一種控制器是非常必要的。本設(shè)計對可燃性氣體泄漏報警、控制器進行了深入的研究，采用了“探測器+單片機控制電路”設(shè)計思路，具有檢測誤差小，反應速度快等優(yōu)點。選用mq2氣體傳感器對現(xiàn)場可燃性氣體濃度進行檢測，采用功能和性價比較高的stc89c52單片機作為中央處理單元，對濃度信號進行采集、數(shù)據(jù)處理、顯示、報警及打開排氣裝置等工作。本設(shè)計的可燃性氣體報警、控制器可以檢測空氣中以烷類氣體為主的多種可燃性氣體的濃度，實時顯示濃度值，當達到

2、預先設(shè)定的上限報警設(shè)定值時，發(fā)出聲音報警和控制信號，以提示操作人員采取安全對策或自動控制相關(guān)安全裝置。該報警器可以實時、準確檢測可燃性氣體，并且可以長時間可靠無誤的報警，具有很廣泛的應用前景和推廣價值。關(guān)鍵詞： 報警器；可燃性氣體；單片機；氣體傳感器abstractwith the rapid increase of combustible gas classes and applied range, the leakage and fire explosion of locations and warehouses storing combustible gas are more often

3、. to ensure personal safety, environment and equipment safety, it is necessary to develop a new type reliable combustible gas alarm instrument.this paper explains combustible gas alarm instrument principle deeply, and use the project of detector and microcontroller control circuit to design alarm in

4、strument. chooses mq2 gas sensor, which turns the concentration of combustible gas in the air into voltage signal, and sends the voltage signal into microcontroller(mcu), then mcu implements date acquisition, processing, concentration display and alarm operation. meanwhile, taking function, integrat

5、ion and the ratio of performance to price into account, chooses stc89c52 mcu as the core part of combustible gas alarm instrument.combustible gas alarm instrument designed detects alkyl combustible gas especially, and displays concentration on the instrument. when combustible gas reaches alarm thres

6、hold value, the instrument sends out sound and light alarm, reminds worker to take action. the combustible gas alarm instrument has got past the test on the spot and got a satisfying result. conclusion can be drawn that this kind of high efficiency combustible gas alarm instrument will have a wide a

7、pplication.keywords：divulging alarm; combustible gas ;single chip microcomputer; gas sensor目 錄引 言1第1章 緒論21.1課題研究的目的和意義及來源21.1.1 課題研究的目的和意義21.1.2課題的來源31.2可燃性氣體報警控制器國內(nèi)外現(xiàn)狀31.3本課題主要完成的任務3第2章 可燃性氣體報警控制器的方案設(shè)計42.1 氣體傳感器的選型42.1.1 氣體傳感器的種類42.1.2 tgs-813氣體傳感器52.1.3 tgs-813氣體傳感器的一般特點62.2 可燃性氣體報警控制器的整體設(shè)計72.2.1可

8、燃性氣體報警控制器的結(jié)構(gòu)72.2.2可燃性氣體報警控制器主要技術(shù)指標7第3章 可燃性氣體報警控制器的硬件設(shè)計83.1 at89s52系列單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點83.2 可燃性氣體報警控制器的電路設(shè)計93.2.1 前置放大電路93.2.2 a/d轉(zhuǎn)換電路103.2.3 at89s52單片機接口電路113.2.4 聲音報警電路123.2.5 顯示電路123.2.6 中斷電路13第4章 可燃性氣體報警器的軟件設(shè)計154.1 at89s52單片機調(diào)試及開發(fā)工具154.2可燃性氣體報警控制器軟件流程及設(shè)計154.2.1 主程序流程圖及設(shè)計154.4.2 t0中斷子程序164.4.3 線性化處理子程序設(shè)計17

9、4.4.4 十六進制轉(zhuǎn)化十進制子程序設(shè)計194.4.5 顯示子程序設(shè)計204.4.6 鍵掃描子程序設(shè)計22結(jié)論與展望23致 謝24參考文獻25附錄a：硬件電路總圖26附錄b：外文文獻及譯文27附錄c：主要參考文獻及摘要31附錄d：程序清單33第1章 緒論1.1課題研究的目的和意義及來源1.1.1課題研究的目的和意義隨著石油化學工業(yè)的發(fā)展，易燃、易爆、有毒氣體的種類和應用范圍都有所增加。液化石油氣、天然氣、煤氣等這些氣體主要含有烷類、烴類、烯類、醇類、苯類以及一氧化碳、氫等成分，是易燃、易爆、有毒、有害的氣體。它們易流動、易燃燒，在生產(chǎn)、輸送、貯存和使用這些氣體的過程中，如違反操作規(guī)程或設(shè)備密封

10、質(zhì)量不好，都有可能發(fā)生可燃氣體泄漏的現(xiàn)象。當與空氣混合后的混合物達到一定的濃度時，就是一種爆炸性混合物，遇火就會發(fā)生劇烈的化合反應，產(chǎn)生大量的熱，會燃起大火，進而釀成火災或爆炸事故，給國家和人民的生命財產(chǎn)造成損失。國內(nèi)外均有不少這方面的報道，其教訓是非常深刻的。為了防患于未然，只有采用先進、可靠的安全監(jiān)測儀表，嚴密監(jiān)測環(huán)境中的可燃性氣體的濃度，及早發(fā)現(xiàn)事故隱患，采取有效措施，將事故消滅在釀成事故之前，才能確保安全生產(chǎn)，居民的人身財產(chǎn)安全才能有保證?？扇夹詺怏w報警控制器屬于中華人民共和國強制檢定的工作計量器具目錄中第46項，它歸類于物理化學計量器具。建筑設(shè)計防火規(guī)范(gbj16-87)第10.3

11、.2條明確規(guī)定:“散發(fā)可燃氣體、可燃蒸汽的甲類場所，應設(shè)置可燃性氣體濃度檢測報警裝置”。但現(xiàn)在國內(nèi)使用的報警控制器，許多產(chǎn)品使用時間過長，產(chǎn)品老化嚴重，技術(shù)指標達不到標準，報警器的性能也不穩(wěn)定。有些是保養(yǎng)不當，如電池流水腐蝕儀器，或蓄電池損壞使報警器不能工作;有些是因使用不當而造成故障，因此不能進行準確，安全的報警和控制。2003年12月，國家執(zhí)行新的可燃性氣體探測器標準(gb 15322-2003)可燃氣體探測器。在2004年10月國家頒布可燃氣體檢測報警器規(guī)程jjg693-2004 。一部分不合規(guī)定的可燃性氣體報警控制器將停止使用10。因此，研制一種新型，性能穩(wěn)定、準確監(jiān)測可燃性氣體，并且

12、合乎國家相關(guān)規(guī)定的報警控制器勢在必行。1.1.2課題的來源隨著城市煤氣、天然氣事業(yè)及化學工業(yè)的迅速發(fā)展，易燃、易爆的氣體種類和應用范圍在不斷增加，這些易燃易爆氣體在生產(chǎn)和使用過程中，一旦發(fā)生泄漏將會引起中毒、火災、爆炸等重大事故，人們在對安全生產(chǎn)的重視程度日益增加的同時，對生產(chǎn)技術(shù)手段也進行不斷的提高， 研制一種新型、性能穩(wěn)定、準確監(jiān)測可燃性氣體報警控制器勢在必行。而傳統(tǒng)的模擬型可燃性氣體報警控制器，對于氣體傳感器的特性補償、修正，采用匹配補償傳感器的硬件調(diào)整方式；這種調(diào)整方式雖然具有現(xiàn)場調(diào)整方便的優(yōu)點，但補償擬合的范圍窄，匹配傳感器的部件選擇困難，而難以獲得較好的補償、修正效果。因此，本次設(shè)

13、計采用了“探測器+單片機控制電路”設(shè)計思路。本次設(shè)計采用以stc89c52芯片為核心，用半導體陶瓷式氣體傳感器mq-2來檢測外部氣體濃度，結(jié)合外部硬件電路實現(xiàn)對可燃性氣體進行報警控制裝置。stc89c52芯片具有功能強大，性價比高等一系列優(yōu)點，適合產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)。同時，設(shè)計出的可燃性氣體報警控制器具有操作簡單，實用性強，價格便宜，安全性高等特點，所以非常適合貯氣倉庫，以及家庭等場所使用，具有很高的實用價值。正是由于可燃性氣體報警控制器對于安全生產(chǎn)的重要性，國內(nèi)外有眾多廠家研制、生產(chǎn)這一產(chǎn)品。從運用所學知識和實際意義出發(fā)，研制一種固定式可燃性氣體報警控制器，它主要對以烷類氣體為主的多種可燃性氣體

14、進行檢測控制。1.2 可燃性氣體報警控制器國內(nèi)外現(xiàn)狀可燃性氣體報警控制器在國外己經(jīng)發(fā)展成為一種相當成熟的產(chǎn)品。日本是最早發(fā)明燃氣報警器的國家，己有50多年的歷史。無論在氣體探測器的研制上，還是在報警器的性能上，均處于國際領(lǐng)先水平。日本政府和生產(chǎn)企業(yè)大力推廣報警器的使用，使燃氣泄漏和爆炸等事故的事故率遠遠低于歐美等發(fā)達國家。其中figaro、理研都是專門研制、生產(chǎn)可燃性氣體報警控制器的廠家，他們生產(chǎn)的產(chǎn)品以采用最先進的氣敏傳感器、響應速度快、性能可靠、壽命長而著稱。我國在70年代初期開始研制可燃性氣體報警控制器，生產(chǎn)型號多樣、品種較齊全，應用范圍也由單一的煉油系統(tǒng)擴展到幾乎所有危險作業(yè)環(huán)境的各種

15、類型報警器，產(chǎn)品數(shù)量也在不斷增加。但主要是在引進國外先進的傳感器技術(shù)和先進的生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，又進行研究與開發(fā)，形成自己的特色。近年來，在氣體選擇性和產(chǎn)品穩(wěn)定性上也有很大進步7。工業(yè)可燃性氣體報警控制器一般分為可燃性氣體檢漏儀(簡稱“檢漏儀”)、可燃性氣體報警控制器(簡稱“控制器”)、可燃性氣體探測器(簡稱“探測器”)三大系列產(chǎn)品?！皺z漏儀”的體積較小，可隨身攜帶或手持，采用堿性電池或可充電電池供電，一般可以連續(xù)工作近12小時。該儀器主要應用于燃氣管道的查漏與巡線。若有燃氣泄漏，檢漏儀便會發(fā)出聲光報警，同時顯示氣體濃度，以便及時采取安全措施，防止爆炸等惡性事故的發(fā)生?！疤綔y器+控制器”，這是在工

16、業(yè)裝置上和生產(chǎn)過程中使用最多的檢測儀器，可在防爆現(xiàn)場長期監(jiān)測氣體的濃度。這種儀器大都裝設(shè)在油庫、乙炔站、液化氣站和煤氣站等易燃易爆的危險場所。探測器安裝在防爆現(xiàn)場，控制器放在值班室等有人值守的地方，二者采用屏蔽電纜線連接。當在現(xiàn)場的探測器探測到燃氣泄漏之后，通過屏蔽電纜線將信號傳到控制器，控制器發(fā)出聲光報警，同時啟動排風裝置或關(guān)閉電磁閥切斷氣源，以確保安全。1.3本課題主要完成的任務 本課題是基于單片機的家用可燃性氣體檢測報警器控制器的研制，主要完成以下任務：(1) 對單片機報警器系統(tǒng)進行整體的規(guī)劃和結(jié)構(gòu)的設(shè)計。(2) 以stc89c52單片機為中央處理器，對硬件電路進行設(shè)計和改進，使其功能更

17、加完善。系統(tǒng)硬件電路主要分為a/d轉(zhuǎn)換電路、stc89c52單片機接口電路、聲音報警控制電路、顯示電路四個部分。(3) 系統(tǒng)的軟件編制。在程序的編寫過程中，分別對主程序和各部分子程序進行了流程圖的繪制，同時加入了詳細的文字注釋，以便于后期的改進與維護。第2章 可燃性氣體報警控制器的方案設(shè)計2.1 氣體傳感器的選型可燃性氣體傳感器是一個氣-電變換器，它的作用是把可燃性氣體在空氣中的含量(即濃度)變成電信號，進而由單片機采集信號、數(shù)據(jù)處理、濃度顯示以便報警控制。傳感器作為對可燃性氣體的敏感元件，是各種類型(袖珍式、便攜式、固定式)儀表的核心之一。因此，傳感器的選型是非常重要的3。2.1.1 氣體傳

18、感器的種類國外從30年代開始研究開發(fā)氣體傳感器。過去氣體傳感器主要用于煤氣、液化石油氣、天然氣以及礦井中的瓦斯氣體的檢測與報警，目前需要檢測的氣體種類由原來的還原性氣體(h2， c4h10， ch4等)擴展到毒性氣體(co，no2， h2s， no， nh3， ph3等)。氣體傳感器種類繁多，從原理上可以分為三大類：(1) 利用物理化學性質(zhì)的氣體傳感器:如半導體、催化燃燒等。(2) 利用物理性質(zhì)的氣體傳感器:如熱導、光干涉、紅外吸收等。(3) 利用電化學性質(zhì)的氣體傳感器:如電流型、電勢型等。下面對工業(yè)上常用的幾種氣體傳感器作以簡單介紹。(1) 半導體氣體傳感器這類傳感器主要使用半導體氣敏材料，

19、利用氣敏元件的電阻、電流或電壓隨氣體濃度變化的原理工作的。由于具有靈敏度高、響應快、輸出信號強、耐久性強、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜等諸多優(yōu)點，這類傳感器得到了廣泛的應用。目前，世界上許多國家開展了對半導體氣敏材料的研究，其中日本、美國處十領(lǐng)先地位，我國也投入大量資金和人力進行研究，并取得一定成果。該傳感器己成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的氣體傳感器之一。(2) 固體電解質(zhì)氣體傳感器這是一種產(chǎn)量僅次于半導體氣體傳感器的一類傳感器。它使用固體電解質(zhì)材料作為氣敏元件。其原理是氣敏材料在通過氣體時產(chǎn)生離子，形成電動勢，鋇u量電動勢從而測量氣體濃度。由于這種傳感器電導率高，靈敏度和選擇性好，因而得到了廣泛的應用

20、，幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個領(lǐng)域。如測量h2s yst-au-wo3， nh3的nh4caco3等。但這種傳感器制造成本高，檢測氣體范圍有限，在檢測環(huán)境污染領(lǐng)域中有優(yōu)勢。(3) 接觸燃燒式氣體傳感器這類傳感器可分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式氣體傳感器。其工作原理是：氣敏材料在通電狀態(tài)下，可燃性氣體氧化燃燒或在催化劑作用下氧化燃燒，產(chǎn)生的熱量使電熱絲升溫，從而使其電阻值發(fā)生變化，測量阻值變化從而測量氣體濃度。接觸燃燒式氣體傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對爆炸f限的絕大多數(shù)可燃性氣體進行檢測，普遍應用于石化工廠、造船廠、礦井隧道、浴室、廚房等處可燃性氣體的監(jiān)測和報警。這類傳感器只能測量

21、可燃性氣體，對不可燃性氣體不敏感。在燃氣爆炸下限內(nèi)輸出為線性、只與燃氣濃度成正比、溫度和濕度的變化對其工作狀態(tài)影響很小、選擇性好、反映準確、精度高、再現(xiàn)性好。其不足的是催化劑壽命有限，當在可燃性氣體與空氣的混合物中有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下，則有可能在無焰催化燃燒的同時，有些固態(tài)物質(zhì)附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應緩慢，反應滯緩或中毒，使靈敏度降低。(4) 高分子氣體傳感器利用高分子氣敏材料制作的氣體傳感器近年來得到很大的發(fā)展。高分子氣敏材料在遇到特定氣體時，其電阻、介電常數(shù)、材料表面聲波傳播速度和頻率、材料重量等物理性能發(fā)生變化d21高分子氣敏材料由于具有易操作性、工藝簡單、

22、常溫選擇性好、價格低廉、易與微結(jié)構(gòu)傳感器和聲表面波器件相結(jié)合，在毒性氣體和食品鮮度等方面的檢測中具有重要作用。高分子氣體傳感器具有對特定氣體分子靈敏度高，選擇性好，且結(jié)構(gòu)簡單，能在常溫下使用，可以彌補其它氣體傳感器的不足。(5) 電化學傳感器這類傳感器由膜電極和電解液灌封而成。氣體濃度信號將電解液分解成陰陽帶電離子，通過電極將信號傳出。它的優(yōu)點是:反映速度快、準確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測，但壽命較短(大于等于兩年)。它主要適用于毒性氣體的檢測。目前國際上絕大部分毒氣檢測采用該類型傳感器。2.2 mq-2傳感器簡介2.2.1 mq2傳感器概述mq-2是鄭州煒盛電子科技有限公司生產(chǎn)的可燃氣體傳感器

23、，對一氧化碳、甲烷，液化石油氣具有很高的靈敏度和良好的選擇性。具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性，驅(qū)動電路簡單，較大的電信號輸出。應用于家庭和生產(chǎn)環(huán)境下的一氧化碳探測裝置，適宜于一氧化碳、煤氣，液化石油氣等的探測。2.2.2 mq2傳感器詳細說明mq-2型氣敏元件的敏感層是用非常穩(wěn)定的二氧化錫制成的。因此，它具有優(yōu)秀的長期穩(wěn)定性，在正常使用條件下，其使用壽命可達5年。圖2-1給出了mq-2元件對不同氣體的靈敏度特性。溫度為20攝氏度，濕度為65%，氧氣濃度為21%，rl=l0k，ro為1000ppmlpg（液化石油氣）中氣敏元件電阻，rs為不同氣體不同濃度下氣敏元件電阻。圖2-1 mq-2靈敏度

24、特性曲線mq-2工作原理：傳感器的表面電阻rs是通過與其串聯(lián)的負載電阻rl上的有效電壓信號vrl輸出而獲得的。二者之間的關(guān)系為： 公式（3-1） 圖2-2為負載測試曲線圖，是利用測試回路測得在傳感器由潔凈空氣轉(zhuǎn)移至一氧化碳或甲烷氣氛中時，rl上的信號輸出變化情況，輸出信號的測定是在一個完整的加熱周期或在兩個完整的加熱周期內(nèi)測得。圖2-2 負載測試曲線圖第3章 可燃性氣體報警控制器的硬件設(shè)計3.1 可燃性氣體檢測報警器的設(shè)計在可燃性氣體報警控制器的設(shè)計中，單片機是儀表的核心部件。它一方面接收傳感器檢測到的可燃性氣體濃度所對應的模擬電壓信號，另一方面要對這一信號進行處理，控制報警、控制電路進行相應

25、操作，與此同時判斷是否收到外部中斷請求。在單片機所實現(xiàn)的這些功能中，特別是信號處理部分，需要單片機有較快的運行速度，才能對現(xiàn)場氣體濃度做出快速、準確的檢測，進行相應的處理。同時考慮選擇低價實用的機型，并為制同一系列的低功耗產(chǎn)品做準備。根據(jù)多方面的比較，本設(shè)計選用生產(chǎn)的stc89c52系列單片機作為報警器的核心控制器。首先，可燃性氣體濃度信號通過mq-2氣體傳感器將可燃性氣體濃度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過前置放大電路后，經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換，輸出一個適合單片機接收的電壓信號，然后，送入stc89c52中，線性化數(shù)據(jù)處理后，將電壓信號轉(zhuǎn)化成對應的十六進制濃度值。最后，將濃度值送入led數(shù)碼管顯示。當檢測到

26、的可燃性氣體濃度超出上限報警設(shè)定值時，報警器發(fā)出聲音報警，同時繼電器啟動驅(qū)動排氣裝置，實現(xiàn)排氣系統(tǒng)的自動控制。3.1.1 可燃性氣體檢測報警器的結(jié)構(gòu)可燃性氣體報警控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，系統(tǒng)以stc89c52單片機為核心，配合外圍電路共同完成信號采集、濃度顯示、聲音報警、自動控制等功能。通過預設(shè)氣體濃度，mq2傳感器進行檢測氣體濃度，假如超過預設(shè)氣體濃度時，將發(fā)出聲音報警，并自動啟動排氣裝置。 單片機濃度采樣電路濃度比較聲、光報警輸出控制5v電源圖3-1 可燃性氣體報警控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.2 stc89c52系列單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點stc89c52是一種低功耗、高性能cmos8位微控制器，具

27、有8k 在系統(tǒng)可編程flash 存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80c51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位cpu 和在系統(tǒng)可編程flash，使得stc89c52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案2。stc89c52具有以下標準功能:8k字節(jié)flash，256字節(jié)ram，32 位i/o口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16 位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，stc89c52 可降至0hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。

28、空閑模式下，cpu停止工作，允許ram、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，ram內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。其引腳電路如圖3-2所示，stc89c52主要性能有以下幾點：(1) 與mcs-51單片機產(chǎn)品兼容(2) 8k字節(jié)在系統(tǒng)可編程flash存儲器(3) 1000次擦寫周期(4) 全靜態(tài)操作：0hz33hz(5) 三級加密程序存儲器(6) 32個可編程i/o口線(7) 三個16位定時器/計數(shù)器(8) 八個中斷源全雙工uart串行通道(9) 低功耗空閑和掉電模式(10) 掉電后中斷可喚醒(11) 看門狗定時器(12) 雙數(shù)據(jù)指針

29、(13) 掉電標識符圖3-2 stc89c52引腳圖3.3 可燃性氣體報警控制器的電路設(shè)計3.3.1 a/d轉(zhuǎn)換電路adc0809芯片為28引腳為雙列直插式封裝，其引腳排列見圖9.8。對adc0809主要信號引腳的功能說明如下：in7in0模擬量輸入通道ale地址鎖存允許信號。對應ale上跳沿，a、b、c地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。start轉(zhuǎn)換啟動信號。start上升沿時，復位adc0809；start下降沿時啟動芯片，開始進行a/d轉(zhuǎn)換；在a/d轉(zhuǎn)換期間，start應保持 低電平。本信號有時簡寫為st.a、b、c地址線。 通道端口選擇線，a為低地址，c為高地址，引腳圖中為adda，addb和

30、addc。其地址狀態(tài)與通道對應關(guān)系見表9-1。clk時鐘信號。adc0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。通常使用頻率為500khz的時鐘信號eoc轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。eoc=0,正在進行轉(zhuǎn)換；eoc=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標志，又可作為中斷請求信號使用。d7d0數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機的數(shù)據(jù)線直接相連。d0為最低位，d7為最高 oe輸出允許信號。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。oe=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；oe=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。vcc +5v電源。 vref參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進

31、行比較，作為逐次逼近的基準。其典型值為+5v(vref(+)=+5v, vref(-)=-5v). 圖3-5 a/d轉(zhuǎn)換電路vin1采集傳感器輸出的信號電壓信號，當采集的電壓超過1.96v時，即表示濃度超過約45%時，系統(tǒng)將發(fā)生報警。3.3.2 stc89c52單片機接口電路stc89c52采用pqfp貼片式的封裝形式，有40個管腳。根據(jù)單片機制作的原理以及報警器實現(xiàn)的功能，其接口電路主要分為五個部分。stc89c52單片機接口電路如圖3-3所示。圖3-6 stc89c52單片機接口電路(1) 復位模塊復位操作可以使單片機初始化，也可以使死機狀態(tài)下的單片機重新啟動，因此非常重要。為可靠起見，電

32、源上電穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時，才能撤銷復位信號，以防電源開關(guān)或電源插頭分一合過程中引起的抖動而影響復位。在本設(shè)計中，采用的是阻容rc上電復位電路，通過電容加到rst端上一個高電平復位信號，高電平持續(xù)時間取決于rc電路參數(shù)。為了保證系統(tǒng)能可靠地復位，rst端上高電平信號必須有足夠長的時間。(2) 系統(tǒng)時鐘模塊時鐘電路產(chǎn)生單片機的工作時序脈沖，是單片機正常工作的關(guān)鍵。本次設(shè)計中采用外部獨立時鐘震蕩器所產(chǎn)生的時鐘信號。在stc89c52的18腳(xtal1)和19腳(xtal2)外接12m的晶體，同時并連2個22pf的電容，產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘。(3) 顯示模塊由stc89c52的3239腳以及2126腳構(gòu)

33、成濃度顯示輸出信號。本次設(shè)計中采用的是動態(tài)顯示的方法進行濃度顯示。(4) 聲音報警模塊由stc89c5242的11腳(txd)實現(xiàn)聲音報警控制。當可燃性氣體濃度超過限定值時，揚聲器發(fā)出鳴叫報警，同時啟動54繼電器。3.3.3 聲音報警電路 當可燃性氣體濃度超過限定值時，揚聲器發(fā)出鳴叫報警。圖3-7 聲音報警控制電路聲音報警電路如圖3-7所示，它是由三極管，繼電器，揚聲器以及排氣電路構(gòu)成。當實際檢測濃度低于設(shè)定濃度時，三極管不導通，揚聲器以及繼電器均不工作，排氣電路處于斷開狀態(tài)；當實際檢測濃度等于或超過設(shè)定濃度時，通過p2.0和p2.1與單片機的連接從而引起電平的變化，p2.0和p2.1都為低電

34、平，三極管導通，在揚聲器發(fā)出報警聲音的同時，繼電器也進行工作，而使排氣電路形成閉合回路，達到自動進行排氣控制的效果。3.3.4 顯示電路 圖3-8 數(shù)碼管顯示電路數(shù)碼管由7個發(fā)光二極管組成,行成一個日字形,它門可以共陰極,也可以共陽極.通過解碼電路得到的數(shù)碼接通相應的發(fā)光二極而形成相應的字,其工作原理見圖3-9。圖3-9 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖要使數(shù)碼管顯示09這10個數(shù)字，只要控制其相應的管腳所接發(fā)光二極管點亮便可完成。若要使數(shù)碼管顯示一個“3”字，只需控制其“a、b、c、d、g”這幾個發(fā)光管點亮即可。由于數(shù)碼管內(nèi)是沒有限流電阻的，在實際應用時，必須對每一段發(fā)光管回路中串一限流電阻，否則極容易損壞數(shù)碼

35、管。本設(shè)計中數(shù)碼管用于顯示當前的外界氣體濃度。3.3.5燈光報警燈光報警電路如圖4-7所示，燈光報警電路由r22、led2（黃色）組成，電阻起限流的作用。當可燃氣體濃度小于濃度設(shè)定值時，單片機對應引腳輸出高電平，無燈光報警；當檢測可燃氣體濃度大于濃度設(shè)定值時，單片機對應引腳為低電平，進行相應的燈光報警。圖3-10 燈光報警控制電路黃燈閃爍時表示當前處于初始化狀態(tài)，報警器初始化完成后。綠燈不停的進行閃爍表示當前工作正常。第4章 可燃性氣體報警器的軟件設(shè)計4.1 stc89c52單片機調(diào)試及開發(fā)工具 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)往往借助于開發(fā)系統(tǒng)工具，而各種開發(fā)系統(tǒng)一般都比待開發(fā)調(diào)試的嵌入式系統(tǒng)要復雜得多。s

36、tc89c52系列單片機的調(diào)試、開發(fā)工具由硬件和軟件兩部分組成，硬件只需一臺pc機、目標板和一個稱為fet(flashemulation tool)的jtag控制器。 stc89c52fet仿真工具的功能主要是將由pc機打印機接口來的8位并行數(shù)據(jù)與來自jtag接口的串行數(shù)據(jù)進行相互轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)pc機與stc89c52芯片中的jtag接口的通訊。具體包括：(1) 程序下載當用戶將源程序（c語言）經(jīng)keil軟件語法檢查無誤并生成代碼時，就可以將程序代碼在如圖的環(huán)境中下載到flash芯片中，而用戶的系統(tǒng)可以是在線狀態(tài)。(2) 設(shè)置斷點用戶可以通過調(diào)試環(huán)境軟件的人機對話界面。在程序中設(shè)置斷點。在stc

37、89c52中，可以同時設(shè)置4個硬件斷點，它是經(jīng)過jtag接口的傳輸，由芯片中的幾組斷點條件寄存器實現(xiàn)的。(3) 現(xiàn)場觀察與修改用戶可以通過調(diào)試環(huán)境軟件的人機對話界面，檢查或修改flash芯片內(nèi)的各種存儲器、寄存器的數(shù)據(jù)。在調(diào)試過程中，根據(jù)需要可以進行軟件模擬仿真和硬件仿真。4.2 可燃性氣體報警控制器軟件流程及設(shè)計本設(shè)計中，軟件要解決的主要問題是檢測傳感器送來的可燃性氣體濃度信號，進行線性化處理，用led顯示濃度，若濃度值超出限定值，報警器發(fā)出聲音報警，同時啟動排氣裝置，因此分為主程序、t0中斷子程序、線性化處理子程序、十六進制轉(zhuǎn)化十進制子程序，濃度顯示子程序、鍵掃描子程序六個部分。在程序的編

38、寫過程中，加入了詳細的文字注釋，以便于后期的改進與維護。4.2.1 主程序流程圖及設(shè)計主程序流程圖如圖4-1所示，由于mq-2型氣體傳感器在不通電狀態(tài)下存放一段時間后，再通電時，器件并不能立即投入正常工作，需要一定的時間預熱，所以采用延時程序?qū)鞲衅黝A熱。本設(shè)計對傳感器預熱一段時間，預熱的同時，設(shè)定所要檢測可燃性氣體濃度的上限值。主程序還包括顯示子程序，t0中斷子程序等，以完善報警器的功能，給檢測人員帶來方便。初始化定時器開始初始化ad轉(zhuǎn)換器ad采集數(shù)據(jù)按鍵掃描初始化傳感器數(shù)碼管顯示按鍵處理數(shù)據(jù)處理圖4-1 主程序流程圖4.2.2 t0中斷子程序 程序初始化后，系統(tǒng)進入采樣狀態(tài)。對采集的氣體次

39、數(shù)每3次進行一次處理。經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換、濾波、線性化處理、進制轉(zhuǎn)化后，由led顯示其濃度值。同時將濃度值與上限報警設(shè)定值相比較，以判斷是否需要報警控制處理。流程圖如圖4-2所示。圖4-2 t0中斷子程序流程圖4.2.3 線性化處理子程序設(shè)計在單片機測控系統(tǒng)中，使用之前必須進行靜態(tài)標定(校準)，以得到輸出信號與被測信號的關(guān)系-輸出曲線，用來作為使用過程中的計量依據(jù)。但是標定時輸出曲線往往不是一條理想的直線，所以要對標定曲線進行線性化處理，用一條擬合直線近似代替輸出曲線，線性化是智能儀表的典型功能之一。由于電壓值與氣體濃度之間是非線性的關(guān)系，為了實時顯示氣體濃度，需要對其進行線性化處理。在誤差許可范圍

40、內(nèi)，根據(jù)標定曲線形狀，以及單片機處理能力，把曲線分成8段，對每小段分別線性化。濃度0%lel-99%lel分成8段如下： 0%lel10%lel 10%lel20%lel 20%lel28%lel 28%lel36%lel 36%lel45%lel 45%lel61%lel 61%lel78%lel 78%lel99%lel單片機經(jīng)過濾波后，得到3個采樣值的一個真值，把這個真值通過查表比較，確定其所在區(qū)間的上下限電壓值和上下限濃度值，根據(jù)公式(4-1)，計算出該電壓值對應的濃度值。分段點的電壓值和濃度值分別存儲在兩個表格中，線性化處理子程序如圖4-3所示。 (4-1)式中y上-區(qū)間上限濃度值y

41、下-區(qū)間下限濃度值y濾-實際氣體測試濃度值x上-區(qū)間上限濃度對應電壓值x下-區(qū)間下限濃度對應電壓值x濾-實際氣體測試濃度對應電壓值圖4-3 線性化處理子程序流程圖4.2.4 十六進制轉(zhuǎn)化十進制子程序設(shè)計經(jīng)過線性化處理后的濃度是十六進制的，而led顯示的濃度是十進制的，所以要進行十六進制轉(zhuǎn)化十進制子程序處理，再送入顯示子程序。流程圖如圖4-4所示。圖4-4 十六進制轉(zhuǎn)化十進制子程序流程圖4.2.5 顯示子程序設(shè)計本次設(shè)計采用的是四位并行接口動態(tài)顯示電路 開始調(diào)入字符偏移量和位選代碼查表送入顯示延時2ms指向下一個偏移量3位顯示完成？圖4-5 顯示子程序流程圖4.2.6 數(shù)據(jù)處理模塊y煙霧超標信號

42、輸入打開繼電器、蜂鳴器開始定時器打開時間計時報警時間已到？n停止報警4-6數(shù)據(jù)處理模塊4.3 電路仿真單片機煤氣報警系統(tǒng)仿真圖如圖4-7所示，此為濃度檢測正常狀態(tài)；單片機煤氣報警系統(tǒng)仿真圖如圖4-7所示，此為濃度超限報警狀態(tài)；單片機煤氣報警系統(tǒng)仿真圖如圖4-7所示，此為傳感器顯示當前的濃度。圖4-7 家用可燃性氣體檢測報警器仿真圖系統(tǒng)仿真通過電壓表的電壓輸入表示外部傳感器輸入的電壓，并將其進行顯示。單片機煤氣報警系統(tǒng)仿真圖1所示，仿真圖中用0-5v的電壓表顯示當前輸入的電壓，并代替了傳感器。因為傳感器在pruteus里找不到mq-2這個傳感器，只能使用輸入電壓表示當前濃度的變化。仿真圖2單片機

43、煤氣報警系統(tǒng)仿真圖2所示，此模塊使用led數(shù)碼管進行選擇動態(tài)顯示acd0809采集的濃度信息。仿真圖3單片機煤氣報警系統(tǒng)仿真圖3所示，此模塊用于采集傳感器的濃度。5 系統(tǒng)調(diào)試5.1 硬件的調(diào)試在單片機開發(fā)過程中，從硬件設(shè)計到軟件設(shè)計都需要做到準確無誤?？梢娬{(diào)試的工作量比較大。調(diào)試部分是單片機系統(tǒng)設(shè)計中至關(guān)重要的部分。調(diào)試的成功與否直接關(guān)系到整個系統(tǒng)運行的可行性。單片機系統(tǒng)的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是不能分開的，許多硬件錯誤是在軟件調(diào)試中被發(fā)現(xiàn)和糾正的。但通常是先排除明顯的硬件故障以后，再和軟件結(jié)合起來調(diào)試以進一步排除故障?？梢娪布恼{(diào)試是基礎(chǔ)，如果硬件調(diào)試不通過，軟件設(shè)計則是無從做起。當硬件設(shè)計從布

44、線到焊接安裝完成之后，就開始進入硬件調(diào)試階段，調(diào)試大體可以分為以下幾步。5.1.1 排除邏輯故障這類故障往往由于設(shè)計和加工制板過程中工藝性錯誤所造成的。主要包括錯線、開路、短路。排除的方法是首先將加工的印制板認真對照原理圖，看兩者是否一致。應特別注意電源系統(tǒng)檢查，以防止電源短路和極性錯誤，并重點檢查系統(tǒng)總線（地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線）是否存在相互之間短路或與其它信號線路短路。必要時利用數(shù)字萬用表的短路測試功能，可以縮短排錯時間。5.1.2 排除元器件故障造成這類錯誤的原因有兩個：一個是元器件買來時就已壞了；另一個是由于安裝錯誤，造成器件燒壞?？梢圆扇z查元器件與設(shè)計要求的型號、規(guī)格和安裝是

45、否一致。在保證安裝無誤后，用替換方法排除錯誤。5.1.3 排除電源故障在通電前，一定要檢查電源電壓的幅值和極性，否則很容易造成集成塊損壞。加電后檢查各插件上引腳的電位，一般先檢查vcc與gnd之間電位，若在5v4.8v之間屬正常。若有高壓，聯(lián)機仿真器調(diào)試時，將會損壞仿真器等，有時會使應用系統(tǒng)中的集成塊發(fā)熱損壞。5.2 聯(lián)機仿真調(diào)試聯(lián)機仿真必須借助仿真開發(fā)裝置、示波器、萬用表等工具。這些工具是單片機開發(fā)的最基本工具。信號線是聯(lián)絡單片機和外部器件的紐帶，如果信號線連結(jié)錯誤或時序不對，那么都會造成對外圍電路讀寫錯誤。52系列單片機的信號線大體分為讀、寫信號線、片選信號線、時鐘信號線、外部程序存貯器讀

46、選通信號（psen）、地址鎖存信號（ale）、復位信號等幾大類。這些信號大多屬于脈沖信號，對于脈沖信號借助示波器（這里指通用示波器）用常規(guī)方法很難觀測到，必須采取一定措施才能觀測到。應該利用軟件編程的方法來實現(xiàn)。例如對片選信號，運行相關(guān)小程序就可以檢測出譯碼片選信號是否正常。執(zhí)行程序后，就可以利用示波器觀察芯片的片選信號引出腳（用示波器掃描時間為1s每格檔），這時應看到周期為數(shù)微秒的負脈沖波形，若看不到則說明譯碼信號有錯誤。對于電平類信號，觀測起來就比較容易。例如對復位信號觀測就可以直接利用示波器，當按下復位鍵時，可以看到的復位引腳將變?yōu)楦唠娖?；一旦松開，電平將變低?？偠灾瑢τ诿}沖觸發(fā)類的

47、信號我們要用軟件來配合，并要把程序編為死循環(huán)，再利用示波器觀察；對于電平類觸發(fā)信號，可以直接用示波器觀察。顯示器部分調(diào)試為了使調(diào)試順利進行，首先將led顯示分離，這樣就可以用靜態(tài)方法先測試led顯示，分別用規(guī)定的電平加至控制數(shù)碼管段和位顯示的引腳，看數(shù)碼管顯示是否與理論上一致。不一致，一般為led顯示器接觸不良所致，必須找出故障，排除后再檢測電路工作是否正常。對應進行編程調(diào)試時，分為兩個步驟：第一，對其進行初始化（即寫入命令控制字，最好定義為輸出方式）。第二，將 led結(jié)合起來，借助開發(fā)機，通過編制程序（最好采用“8”字循環(huán)程序）進行調(diào)試。若調(diào)試通過后，就可以編制應用程序了。5.3軟件調(diào)試軟件

48、調(diào)試主要采用keil軟件調(diào)試編譯單片機程序。由于由于stc89c52可以擦寫上千次，所以在這個調(diào)試過程中，并沒有用仿真器來實踐，而是直接將程序燒寫進單片機來操作。將通過keil軟件編譯通過的單片機程序生成的“.hex”文件用燒錄軟件通過下載線燒寫進單片機中。5.4軟、硬件整體調(diào)試軟、硬件聯(lián)調(diào)是將已經(jīng)調(diào)試通過的軟件和硬件結(jié)合起來一起進行調(diào)試。這部分是單片機制作過程中最重要的調(diào)試部分。單一的軟件或是硬件的調(diào)試通過了并不能驗證總的方案的可行性。只有將整個系統(tǒng)的軟件硬件相結(jié)合連接起來進行調(diào)試，也就是綜合調(diào)試。如果調(diào)試成功了才能說明此系統(tǒng)的功能實現(xiàn)，系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)成功。采用keil軟件和硬件電路板進行軟硬

49、件聯(lián)合仿真，首先編譯單片機程序，然后運行編譯的程序，程序檢查成功后，再把程序燒入硬件之中。對調(diào)試過程中出現(xiàn)的錯誤要仔細分析，然后不斷更正錯誤，直至達到理想效果為止。在軟硬件聯(lián)調(diào)時，根據(jù)在程序中設(shè)定的閾值，將打火機打火放到氣體傳感器周圍，這樣氣體傳感器就可以采集到相應可燃氣體濃度，當濃度超過預設(shè)閾值，蜂鳴器就會立即報警，同時吸合繼電器。結(jié)論本次設(shè)計對可燃性氣體報警控制器進行了深入的研究，在參考國內(nèi)外一些資料的基礎(chǔ)上，比較合理地選擇了系統(tǒng)的設(shè)計方案，采用了“探測器+單片機控制電路”設(shè)計思路，由于具有操作簡單，實用性強，價格便宜，安全性高等特點，所以非常適合貯氣倉庫，以及家庭等場所使用，具有很高的實

50、用價值。本次設(shè)計的可燃性氣體報警器由探測器與單片機控制電路兩大部分構(gòu)成。根據(jù)設(shè)計要求、使用環(huán)境、成本等因素，選用mq-2氣體傳感器。該傳感器是對以烷類氣體為主的多種可燃性氣體有良好敏感特性的廣譜型半導體敏感器件。它的靈敏度適中，響應與恢復特性好，長期工作穩(wěn)定性、重現(xiàn)性、抗環(huán)境氣氛影響及抗溫濕度影響等性能均優(yōu)。該儀器采用了高性能stc89c52單片機作為核心電路，充分利用了stc89c52的高速數(shù)據(jù)處理能力和豐富的片內(nèi)設(shè)置，實現(xiàn)了儀器的小型化和智能化，使儀表具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點。應用程序用c語言編寫，充分利用芯片資源，提高了測量精度和代碼執(zhí)行效率，減小代碼容量。對可燃性氣體采用濾

51、波、線性化處理等，不但最大限度地排除現(xiàn)場噪聲干擾，降低可燃性氣體報警器誤報概率，而且易于在單片機中實現(xiàn)。此電路具有結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，線性度好，溫漂小等優(yōu)點。本次設(shè)計也存在著一些需要完善的地方，譬如讓檢測進行網(wǎng)絡連接，實行多點同時檢測、如何更加智能化的進行報警工作，如何能更好的減少檢測誤差等問題值得去進一步的研究和探討。本次設(shè)計的可燃性氣體報警控制警器靈敏度高，在測量范圍內(nèi)具有較理想的特性，適用于低流速的可燃性氣體測量。本課題的工作為便攜式儀器的研制和實用化提供了較好的實現(xiàn)方案，為今后該領(lǐng)域的研究提供了很好的參考依據(jù)。致謝本設(shè)計是在導師齊懷琴教授的悉心指導下完成的。從課題的選擇、理論研究、最終

52、方案的確立到設(shè)計的撰寫、定稿，都滲透著導師的心血，她兢兢業(yè)業(yè)的工作作風、科學嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和寬以待人、認真負責的優(yōu)秀品質(zhì)必將在今后的學習和工作中時時激勵我、督促我。通過幾個月的畢業(yè)設(shè)計，我取得了很大的進步，這與齊老師在生活上、工作上和學習上給予我的關(guān)心和幫助是分不開的，在此我深表謝意。同時向給過我?guī)椭耐瑢W表示由衷地感謝。在完成學業(yè)的過程中，家人的關(guān)懷和鼓勵給予了我支持和鼓力，使我順利完成學業(yè)。感謝他們20多年來始終如一的培養(yǎng)。在此謹向他們表示衷心地感謝! 參考文獻1王元慶.新型傳感器原理及應用m.北京：機械工業(yè)出版社，2002:67-69.2王幸之等.at89系列單片機原理與接口m北京：北京

53、航空航天大學，2004:104-106.3牛德芳.半導體傳感器原理及應用m.大連：大連理工大學出版社，1993:97-101.4厲玉鳴.化工儀表及自動化m.北京：化學工業(yè)出版社，2006:144-147.5李永生，楊莉玲.半導體氣敏元件的選擇性研究j.傳感器技術(shù).2002，(3):1-3.6李忠國，陳剛.單片機應用技能實訓m.北京：人民郵電出版社，2006:49-52.7阮維國.tgs813型半導體氣敏傳感器及其在燃氣毒氣檢測中的應用電路j.現(xiàn)代科學儀器.1998，(3):1-28宋浩，田豐.單片機原理及應用m.北京：清華大學出版社，2005:133-136.9張保衛(wèi)，尚家封，趙金水.燃氣報警器的分類與選擇j.山東消防，2003，(8):1-210羅翼，張宏偉.pic單片機應用系統(tǒng)開發(fā)典型實例m.北京：中國電力出版社，2005:111-121.11郝