室內(nèi)有毒氣體的檢測 畢設(shè)論文

1、桂林理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文學(xué) 號： 3090748132 題目類型： 設(shè)計 桂林理工大學(xué)GUILIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY本科畢業(yè)設(shè)計(論文)題 目：室內(nèi)有毒氣體的檢測裝置設(shè)計 學(xué) 院： 信息科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)(方向)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 班 級： 電科09-1班 學(xué) 生： 李東杰 指 導(dǎo)教 師： 陳小琴 2013年 5 月 27 日50摘 要隨著人類的科技進步，人們的生活質(zhì)量也不斷提高，但是隨之而來的也有不利的一面。家庭中，煤氣、天然氣的泄漏將在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量一氧化碳和甲烷，危及人生安全。對一氧化碳等有毒氣體檢測儀表的研究和開發(fā)也一直是人們關(guān)注的問題。本系

2、統(tǒng)利用STC12C5A60S2單片機做核心控制模塊，利用MQ-7一氧化碳傳感器、MQ-4天然氣傳感器和MQ-2煙霧傳感器，實時監(jiān)控一氧化碳、甲烷和煙霧的濃度變化，如果某處的有毒氣體濃度過高，系統(tǒng)將發(fā)出聲音報警，提醒人們及時搶險。本系統(tǒng)可用于家庭環(huán)境，也適用于工業(yè)環(huán)境。由于單片機成本低廉，自動控制功能比較強大，運行穩(wěn)定，環(huán)境適應(yīng)性好，所以本系統(tǒng)采用單片機做控制的核心元件。MQ-7、MQ-4、MQ-2一氧化碳傳感器、天然氣傳感器、煙霧傳感器的靈敏度高；長壽命，低成本；簡單的驅(qū)動電路即可。因此，很適用于家庭的檢測。數(shù)碼管能清晰的顯示該環(huán)境下各個氣體的濃度，即使在光線較暗時，所以選用液晶屏做顯示模塊。

3、本文主要敘述了基于單片機的有毒氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計的全過程，包括硬件電路設(shè)計、軟件設(shè)計和實物制作。關(guān)鍵詞一氧化碳；甲烷；單片機；檢測；報警THE TOXIC GAS DETECTION IN CHAMBERStudent ：Li Dong-jie Teacher ：Chen xiao-qinAbstract:With the progress of human technology, the quality of life of the people, but the attendant downside.In family, gas, natural gas leak will produce

4、large amounts of carbon monoxide and methane in a short period of time, life-threatening situation. The research and development of carbon monoxide and other toxic gas detection instruments has also been an issue of concern.The system uses STC12C5A60S2 MCU core control module MQ-7 carbon monoxide se

5、nsor to detect carbon monoxide, MQ-4 gas sensor MQ-2 smoke sensors. Real-time monitoring of changes in the concentration of carbon monoxide, methane and smoke, if somewhere toxic gas concentration is too high, the system will sound alarm to remind people to timely rescue. The system can be used in t

6、he home environment, but also for industrial environments.Low-cost single-chip automatic control function is more powerful, stable, good environmental adaptability, the system uses the core components of the microcontroller control.MQ-7, MQ-4, MQ-2 carbon monoxide sensor, gas sensor, smoke sensor se

7、nsitivity; long-life, low-cost; simple drive circuit can be. Therefore, it is suitable for the detection of the family.The clear digital tube display gas concentrations in the environment, even in low light, so the selection is done on the LCD display module.This paper describes the toxic gas detect

8、ion system based on single chip design, including hardware design, software design and physical production.Keywords Carbon monoxide; methane; MCU; detection; alarm目次摘 要1Abstract2第1章緒論41.1課題研究背景及意義41.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀61.3本文主要內(nèi)容及章節(jié)安排71.4 本章小結(jié)7第2章 硬件系統(tǒng)設(shè)計82.1氣體檢測的原理82.2硬件總體設(shè)計122.3單片機的最小系統(tǒng)132.3.1單片機介紹142.4 傳感器介紹1

9、62.4.1 氣敏傳感器的重要性162.4.2 MQ-7一氧化碳傳感器介紹182.4.3 線性化、放大輸出電路202.4.4 MQ-7一氧化碳傳感器模塊212.4.5 MQ-2煙霧傳感器模塊232.4.6 MQ-4 天然氣傳感器介紹252.5 顯示電路272.6 聲音報警電路292.7 整體硬件原理圖及PCB圖302.8 本章小結(jié)31第3章 軟件系統(tǒng)設(shè)計323.1 軟件應(yīng)用開發(fā)平臺介紹323.2 軟件總體設(shè)計思想333.3 比較判斷函數(shù)343.4 顯示報警函數(shù)353.5 聲音報警函數(shù)353.6 本章小結(jié)36第4章 硬件和軟件的調(diào)試374.1 軟件的調(diào)試374.2 室內(nèi)有毒氣體的檢測裝置功能測試

10、37第5章 總結(jié)40致謝41參考文獻42附 錄43第1章 緒論1.1課題研究背景及意義隨著石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，易燃、易爆、有毒氣體的種類和應(yīng)用范圍都得到了增加。這些氣體在生產(chǎn)、運輸、使用過程中一旦發(fā)生泄漏，將會引發(fā)中毒、火災(zāi)甚至爆炸事故，嚴重危害人民的生命和財產(chǎn)安全。由于氣體本身存在的擴散性，發(fā)生泄漏之后，在外部風(fēng)力和內(nèi)部濃度梯度的作用下，氣體會沿地表面擴散，在事故現(xiàn)場形成燃燒爆炸或毒害危險區(qū)，擴大危害區(qū)域。例如，1995 年 7 月，四川省成都市化工總廠液氯車間發(fā)生氯氣泄漏，當(dāng)場造成 3 人死亡， 6 人受傷，僅約一小時左右，市區(qū)范圍數(shù)十平方公里范圍內(nèi)都能聞到刺激性的氯氣味。因此，這類事故具

11、有突發(fā)性強、擴散迅速、救援難度大、危害范圍廣等特點。一旦發(fā)生氣體泄漏事故，必須盡快采取相應(yīng)措施進行處置，才能將事故損失降低到最低水平。及時可靠地探測空氣中某些氣體的含量，及時采取有效措施進行補救，采取正確的處置方法，減少泄漏引發(fā)的事故，是避免造成重大財產(chǎn)和人員傷亡的必要條件。這就對氣體的檢測和監(jiān)測設(shè)備提出了較高的要求。作為一種重要的氣體探測器，氣體傳感器近年來得到了很大的發(fā)展。氣體傳感器的發(fā)展。危險化學(xué)品要加強安全管理，完善安全措施、控制事故隱患。但是，不可能達到絕對安全，仍然會出現(xiàn)萬有一失的情況。因此，事故隱患的檢測報警，在危險化學(xué)品場所有害氣體或液體(蒸汽)檢測報警，是非常必要的。對避免和

12、控制事故具有重要意義。有害氣體檢測報警儀是專用的安全衛(wèi)生檢測儀，用來檢測化學(xué)品作業(yè)場所或設(shè)備內(nèi)部空氣中的可燃或有毒氣體的含量并超限報警。危險化學(xué)品場所有害氣體檢測，主要有以下幾種情況：(1)泄漏檢測：設(shè)備管道有害氣體或液體(蒸汽)現(xiàn)場所泄漏檢測報警，設(shè)備管道運行檢漏。(2)檢修檢測：設(shè)備檢修置換后檢測殘留有害氣體或液體(蒸汽)，特別是動火前檢測更為重要。(3)應(yīng)急檢測：生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)異常情況或者處理事故時，為了安全和衛(wèi)生要對有害氣體或液體(蒸汽)進行檢測。(4)進入檢測：工作人員進入有害物質(zhì)隔離操作間，進入危險場所的下水溝、電纜溝或設(shè)備內(nèi)操作時，要檢測有害氣體或液體蒸汽。(5)巡回檢測：安全衛(wèi)生

13、檢查時，要檢測有害氣體或液體蒸汽。隨著人類社會的進步、生產(chǎn)的發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，隨之帶來了環(huán)境空氣污染問題。工廠排放的廢氣、煙道氧、汽車排放廢氣、內(nèi)燃機等排放氣體對空氣環(huán)境造成的污染日益嚴重。一氧化碳雖然不會使酸雨現(xiàn)象嚴重，但是對人們的身體健康有影響。一氧化碳是一種無色、無味的氣體，它與血液中的血紅素結(jié)合的能力是氧的 240 倍，它與血紅素形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，使血紅蛋白喪失了輸送氧氣的能力，從而導(dǎo)致組織低氧癥，甚至死亡。一氧化碳濃度的高低是評價空氣質(zhì)量好壞的重要指標之一，也是工廠、煤礦井下是否發(fā)生自燃火災(zāi)的重要標志之一。為了保證人們身體健康和環(huán)境潔凈，世界各國都紛紛致力于防止空氣污染的

14、產(chǎn)生。國家工業(yè)衛(wèi)生標準規(guī)定，生產(chǎn)現(xiàn)場一氧化碳濃度不允許超過 50ppm 。我國環(huán)境保護大氣污染監(jiān)測和工廠礦井中都要求有連續(xù)、自動化的現(xiàn)場檢測儀1。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在應(yīng)用方面，目前最廣泛的是可燃性氣體氣敏元件傳感器，已普及應(yīng)用于氣體泄漏檢測和監(jiān)控，從工廠企業(yè)到居民家庭，應(yīng)用十分廣泛。氣體檢測技術(shù)與計算機技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了智能化、多功能化。美國工業(yè)科學(xué)公司(ISC)一臺攜帶式氣體監(jiān)控儀可實現(xiàn)4種氣體監(jiān)測，采用了統(tǒng)一的軟件，只需要換氣體傳感器，即可實現(xiàn)對特定氣體監(jiān)測。美國國際傳感器技術(shù)(IST)公司應(yīng)用一種“MegaCas"傳感器和微程序控制單元，可檢測100種以上毒性氣體和可燃性氣體

15、，通過其“氣體檢索”功能掃描，能很快確定是哪一種氣體。(1)氣體傳感器向低功耗、多功能、集成化方向發(fā)展國外氣體傳感器發(fā)展很快，一方面是由于人們安全意識增強，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是由于傳感器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動。因此，國外氣體傳感器技術(shù)得到了較快發(fā)展，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計預(yù)測，美國1996年2002年氣體傳感器年均增長率為(2730)。目前，氣體傳感器的發(fā)展趨勢集中表現(xiàn)為：一是提高靈敏度和工作性能，降低功耗和成本，縮小尺寸，簡化電路，與應(yīng)用整機相結(jié)合，這也是氣體傳感器一直追求的目標。如日本費加羅公司推出了檢測(0.110)×106硫化氫低功耗氣體傳感器，美國IST

16、提供了壽命達10年以上的氣體傳感器，美國FirstAlert公司推出了生物模擬型(光化反應(yīng)型)低功耗CO氣體傳感器等。二是增強可靠性，實現(xiàn)元件和應(yīng)用電路集成化，多功能化，發(fā)展MEMS技術(shù)，發(fā)展現(xiàn)場適用的變送器和智能型傳感器。如美國GeneralMonitors公司在傳感器中嵌入微處理器，使氣體傳感器具有控制校準和監(jiān)視故障狀況功能，實現(xiàn)了智能化；還有前已涉及的美國IST公司的具有微處理器的“MegaGas”傳感器實現(xiàn)了智能化、多功能化。(2)國內(nèi)現(xiàn)狀與差距氣敏元件傳感器作為新型敏感元件傳感器在國家列為重點支持發(fā)展的情況下，國內(nèi)已有一定的基礎(chǔ)。其現(xiàn)狀是：燒結(jié)型氣敏元件仍是生產(chǎn)的主流，占總量90以上

17、；接觸燃繞式氣敏元件已具備了生產(chǎn)基礎(chǔ)和能力；電化學(xué)氣體傳感器有了試制產(chǎn)品；在工藝方面引入了表面摻雜、表面覆膜以及制作表面催化反應(yīng)層和修隔離層等工藝，使燒結(jié)型元件由廣譜性氣敏發(fā)展成選擇性氣敏；在結(jié)構(gòu)方面研制了補償復(fù)合結(jié)構(gòu)、組合差動結(jié)構(gòu)以及集成化陣列結(jié)構(gòu)；新研究開發(fā)的32OAl氣敏材料、石英晶體和有機半導(dǎo)體等也開始用于氣敏材料；低功耗氣敏元件(如一氧化碳，甲烷等氣敏元件)已從產(chǎn)品研究進入中試；國內(nèi)氣敏元件傳感器產(chǎn)量已超過“九五”初期的400萬支。產(chǎn)量超過20萬支的主要廠家有5家，黑龍江敏感集團、太原電子廠、云南春光器材廠、天津費加羅公司(合資)、北京電子管廠(特種電器廠)，其中前四家都超過100萬

18、支，據(jù)行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，1998年全國氣敏元件總產(chǎn)量已超過600萬支?？偟目磥恚覈鴼饷粼鞲衅骷捌鋺?yīng)用技術(shù)有了較快進展，但與國外先進水平仍有較大的差距，主要是產(chǎn)品制造技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用等方面的差距，與日本比較仍要落后10年2。1.3本文主要內(nèi)容及章節(jié)安排本文主要講述基于單片機的毒氣檢測系統(tǒng)的設(shè)計全過程，包括硬件電路設(shè)計、軟件設(shè)計、電腦仿真和實物制作。論文具體章節(jié)安排如下：第1章介紹了本次課題的課題背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、課題的研究意義。第2章主要講述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計，包括最小系統(tǒng)、顯示模塊、聲音報警模塊和傳感器模塊。第3章主要介紹了此次設(shè)計的軟件部分，包括主程序、時鐘產(chǎn)生程序；1.4 本章小結(jié)本

19、章主要敘述了該課題的意義、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及對本設(shè)計的任務(wù)安排。第2章 硬件系統(tǒng)設(shè)計2.1氣體檢測的原理氣體濃度檢測系統(tǒng)的原理框圖如圖2-1所示。檢測氣體的濃度依賴于氣體檢測變送器，傳感器是其核心部分，按照檢測原理的不同，主要分為金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器、催化燃燒式傳感器、定電位電解式氣體傳感器、迦伐尼電池式氧氣傳感器、紅外式傳感器、PID光離子化傳感器、等以下簡單概述各種傳感器的原理及特點。數(shù) 字 顯 示 電 路模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 電 路開 關(guān) 控制 電 路信 號 調(diào)理 電 路傳 感 器報 警 電 路圖 2-1 原理框圖金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器利用被測氣體的吸附作用，改

20、變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，通過電流變化的比較，激發(fā)報警電路。由于半導(dǎo)體式傳感器測量時受環(huán)境影響較大，輸出線形不穩(wěn)定。金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器，因其反應(yīng)十分靈敏，故目前廣泛使用的領(lǐng)域為測量氣體的微漏現(xiàn)象。下圖為，金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器的外形圖。 圖2-2 金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器 催化燃燒式傳感器催化燃燒式傳感器原理是目前最廣泛使用的檢測可燃氣體的原理之一，具有輸出信號線形好、指數(shù)可靠、價格便宜、無與其他非可燃氣體的交叉干擾等特點。催化燃燒式傳感器采用惠斯通電橋原理，感應(yīng)電阻與環(huán)境中的可燃氣體發(fā)生無焰燃燒，使溫度使感應(yīng)電阻的阻值發(fā)生變化，打破電橋平衡，使之輸出穩(wěn)定的電流信號，再經(jīng)過后期電路的

21、放大、穩(wěn)定和處理最終顯示可靠的數(shù)值。下圖為，催化燃燒型傳感器的外形圖： 圖2-3  催化燃燒式傳感器 定電位電解式氣體傳感器定電位電解式傳感器是目前測毒類現(xiàn)場最廣泛使用的一種技術(shù)，在此方面國外技術(shù)領(lǐng)先，因此此類傳感器大都依賴進口。定電位電解式氣體傳感器的結(jié)構(gòu)：在一個塑料制成的筒狀池體內(nèi)，安裝工作電極、對電極和參比電極，在電極之間充滿電解液，由多孔四氟乙烯做成的隔膜，在頂部封裝。前置放大器與傳感器電極的連接，在電極之間施加了一定的電位，使傳感器處于工作狀態(tài)。氣體與的電解質(zhì)內(nèi)的工作電極發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，在對電極發(fā)生還原或氧化反應(yīng)，電極的平衡電位發(fā)生變化，變化值與氣體濃度成正比

22、。下圖為，定位電解式氣體傳感器的外形圖： 圖2-4  定電位電解式氣體傳感器 迦伐尼電池式氧氣傳感器隔膜迦伐尼電池式氧氣傳感器的結(jié)構(gòu)：在塑料容器的一面裝有對氧氣透過性良好的、厚1030m的聚四氟乙烯透氣膜，在其容器內(nèi)側(cè)緊粘著貴金屬（鉑、黃金、銀等）陰電極，在容器的另一面內(nèi)側(cè)或容器的空余部分形成陽極（用鉛、鎘等離子化傾向大的金屬）。用氫氧化鉀。氧氣在通過電解質(zhì)時在陰陽極發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使陽極金屬離子化，釋放出電子，電流的大小與氧氣的多少成正比，由于整個反應(yīng)中陽極金屬有消耗，所以傳感器需要定期更換。目前國內(nèi)技術(shù)已日趨成熟，完全可以國產(chǎn)化此類傳感器。下圖為，迦伐尼電池式氧氣傳感

23、器的外形理圖：圖2-5迦伐尼電池式氧氣傳感器紅外式傳感器紅外式傳感器利用各種元素對某個特定波長的吸收原理，具有抗中毒性好，反應(yīng)靈敏，對大多數(shù)碳氫化合物都有反應(yīng)。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。下圖為，紅外式溫度傳感器的外形圖。 圖2-6 紅外式溫度傳感器  PID光離子化氣體傳感器PID由紫外燈光源和離子室等主要部分構(gòu)成，在離子室有正負電極，形成電場，待測氣體在紫外燈的照射下，離子化，生成正負離子，在電極間形成電流，經(jīng)放大輸出信號。PID具有靈敏度高，無中毒問題，安全可靠等優(yōu)點。下圖為，PID光離子化氣體傳感器的外形圖：圖2-7 PID光離子化氣體傳感器2.2硬件總體設(shè)計有毒氣體的檢測裝置具有單

24、片機應(yīng)用系統(tǒng)的三個層次。其中以STC12C5A60S2單片機為核心構(gòu)成單片機系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，檢測信號進入單片機進行運算處理。為了更好的理清設(shè)計思路，將整個系統(tǒng)細分為三部分加以設(shè)計說明。整個報警器由三個部分組成，分為三大模塊：濃度檢測模塊、主控模塊和報警模塊。在本次設(shè)計中，使用的核心器件是單片機和各種氣體的傳感器。為了保證整個系統(tǒng)可靠的運行，設(shè)計中必須明確三大部分的實際聯(lián)系：以單片機為中心，其他各大模塊一一展開。其中，濃度檢測及顯示模塊所實現(xiàn)的功能是將氣體的濃度值轉(zhuǎn)換成為單片機能夠處理的數(shù)字信號，并且濃度值顯示出來：主控模塊以單片機為主，對其他模塊的運行進行控制；報警模塊是此系統(tǒng)的外部電路，它

25、的功能是實現(xiàn)報警。系統(tǒng)框圖如圖2-8所示。MQ-7傳感器單片機內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換顯示報警MQ-2傳感器MQ-4傳感器聲音報警 圖2-8 硬件總體設(shè)計下面就對各個模塊的功能和實現(xiàn)形式做簡單介紹(1)氣體濃度檢測模塊有毒氣體報警器主要采用高穩(wěn)定氣體傳感器MQ-7、MQ-4、MQ-2檢測房間氣體濃度，檢測結(jié)果送STC12C5A60S2中進行轉(zhuǎn)換后，將得到的數(shù)字信號進行分析處理。(2)主控模塊主控模塊即單片機最小系統(tǒng)。STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-1

26、2倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S)。8路電壓輸入型A/D，可做溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜監(jiān)測等。上電復(fù)位后P1口為弱上拉型I/O口，用戶可以通過軟件設(shè)置將8路中的任何一路設(shè)置為A/D轉(zhuǎn)換，不需作為A/D使用的口可繼續(xù)作為I/O口使用。針對電機控制，強干擾場合。其單片機內(nèi)部自帶高達60K FLASH ROM,這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。(3)報警模塊此模塊主要有蜂鳴器、液晶顯示頻組成，在氣體濃度過大，超過安全值時，蜂鳴器工作，提供聲音報警服務(wù)；同時，數(shù)碼管顯示報警的傳感器號。到此為止，

27、本系統(tǒng)的三大模塊功能和設(shè)計思路已經(jīng)確立，下文將介紹整個硬件系統(tǒng)的詳細設(shè)計過程。并且給出設(shè)計電路。2.3單片機的最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)原理圖如下： 圖2-9 單片機最小系統(tǒng)原理圖單片機的最小系統(tǒng)是由組成單片機系統(tǒng)必需的一些元件構(gòu)成的，除了單片機之外，還需要包括電源供電電路、時鐘電路、復(fù)位電路。2.3.1單片機介紹 STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S),

28、針對電機控制，強干擾場合。 主要特性有：1. 增強型8051 CPU，1T，單時鐘/機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；2.  2.工作電壓：STC12C5A60S2系列工作電壓：5.5V-3.3V（5V單片機）STC12LE5A60S2系列工作電壓：3.6V-2.2V（3V單片機）； 3.工作頻率范圍：0 - 35MHz，相當(dāng)于普通8051的 0420MHz； 4.用戶應(yīng)用程序空間8K /16K / 20K / 32K / 40K 

29、;/ 48K / 52K / 60K / 62K字節(jié)； 5.片上集成1280字節(jié)RAM； 6.通用I/O口（36/40/44個），復(fù)位后為：準雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口），可設(shè)置成四種模式：準雙向口/弱上拉，推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏，每個I/O口驅(qū)動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不要超過55Ma； 7. ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器  可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)

30、秒即可完成一片； 8.有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM無內(nèi)部EEPROM)；9. 看門狗； 10.內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路（外部晶體12M以下時，復(fù)位腳可直接1K電阻到地）11.外部掉電檢測電路:在P4.6口有一個低壓門檻比較器，5V單片機為1.32V，誤差為+/-5%,3.3V單片機為1.30V，誤差為+/-3%； 12.時鐘源：外部高精度晶體/時鐘，內(nèi)部R/C振蕩器(溫漂為+/-5%到+/-10%以內(nèi)) 1用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內(nèi)部R/C振蕩器還是外部晶體/時鐘，常溫下內(nèi)部R/C振蕩器頻率為：5

31、.0V單片機為：11MHz15.5MHz，3.3V單片機為：8MHz12MHz，精度要求不高時，可選擇使用內(nèi)部時鐘，但因為有制造誤差和溫漂，以實際測試為準； 13.共4個16位定時器   兩個與傳統(tǒng)8051兼容的定時器/計數(shù)器,16位定時器T0和T1，沒有定時器2，但有獨立波特率發(fā)生器   做串行通訊的波特率發(fā)生器   再加上2路PCA模塊可再實現(xiàn)2個16位定時器； 14. 2個時鐘輸出口，可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時鐘，可由T1的溢出在P3.5/T1輸出時鐘；

32、60;15.外部中斷I/O口7路,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并新增支持上升沿中斷的PCA模塊， Power Down模式可由外部中斷喚醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通過寄存器設(shè)置到P4.2 ), CCP1/P1.4 (也可通過寄存器設(shè)置到P4.3)； 16. PWM(2路）/PCA（可編程計數(shù)器陣列,2路）： 也可用來當(dāng)2路D/A使用 也可用來再實現(xiàn)2個定時器 也可用來再實現(xiàn)2

33、個外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時支持)； 17.A/D轉(zhuǎn)換, 10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達250K/S(每秒鐘25萬次)18.通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定時器或PCA軟件實現(xiàn)多串口； 19. STC12C5A60S2系列有雙串口，后綴有S2標志的才有雙串口，RxD2/P1.2(可通過寄存器設(shè)置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通過寄存器設(shè)置到P4.3)； 20.工作溫度范圍：-40 - +85(工業(yè)級) / 0 -&#

34、160;75(商業(yè)級)21.封裝：PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48  I/O口不夠時，可用2到3根普通I/O口線外接  74HC164/165/595（均可級聯(lián)）來擴展I/O口,  還可用A/D做按鍵掃描來節(jié)省I/O口，或用雙CPU,三線通信，還多了串口3。2.4 傳感器介紹 本設(shè)計的主要用到的傳感器有MQ-7一氧化碳傳感器、MQ-2煙霧傳感器、MQ-4天然氣傳感器。下面，分別介紹這三個傳感器的性能特性。由于CO的危險性最強，也是最容易產(chǎn)生的危險氣體，所以詳細的介紹一氧化碳傳感器。2.4.1 氣敏傳感器的重要性1）氣敏傳

35、感器是一種將檢測到的氣體成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。在檢測和自動控制系統(tǒng)中，傳感器處于研究對象與測控系統(tǒng)的接口位置，是感知、獲取與檢測信息的窗口，對系統(tǒng)的功能起了決定性的作用。因此，只有根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇合適的傳感器，才能得到精確可靠的信號處理和控制電路。2）氣敏傳感器的工作原理 半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)變化來檢測特定氣體濃度的。設(shè)計中選用 N 型半導(dǎo)體氣敏傳感器 MQ-N7 對一氧化碳濃度進行檢測。平時，氣敏元件的 A、B 兩極間電阻很大，當(dāng)有氣體泄漏時，其兩極間的電阻值隨接觸的氣體濃度的不同而發(fā)生變化，氣敏傳感器的特性曲線如圖2-7所示。氣體濃度越

36、高極間電阻值越小，而氣敏元件負載兩端的電壓則會增大。如此，氣敏元件就將氣體的濃度轉(zhuǎn)化成了電壓信號。為了加快氣敏管的反應(yīng)速度，需通過熱絲對敏感元件進行加熱。 圖2-10 氣敏傳感器的特性曲線3）氣敏元件主要性能參數(shù) 電阻R0和Rs固有電阻R0表示氣敏元件在正?？諝鈼l件下的阻值；而工作電阻Rs代表氣敏元件在一定濃度的檢測氣體中的阻值。實驗發(fā)現(xiàn)，工作電阻與各種檢測氣體濃度C都具有如下關(guān)系：logRs=mlogC+n ( 2-1 )式中，m、n是由傳感器元件、測量氣體種類等因素決定的常數(shù)，且m=1 。 靈敏度：氣敏元件的靈敏度 k 通常用氣敏元件在一定濃度的檢測氣體中的電阻與正?？諝庵械碾娮柚抵葋肀?/p>

37、示：k=Rs/R0 ( 2-2 ) 響應(yīng)時間tres：把從元件接觸一定濃度的被測氣體開始到其阻值達到該濃度下穩(wěn)定阻值的時間定義為響應(yīng)時間。 恢復(fù)時間trsc：把氣敏元件從脫離檢測氣體開始，到其阻值恢復(fù)到正?？諝庵凶柚档臅r間定義為恢復(fù)時間4。2.4.2 MQ-7一氧化碳傳感器介紹 選擇一氧化碳傳感器主要考慮以下的性能指標：(1)輸入和輸出之間成比例，直線性好、靈敏度高、分辨力強、測量范圍寬。 (2)滯后、漂移誤差小 (3)動態(tài)特性好 (4)功耗小 (5)時間老化特性優(yōu)良 (6)與被測體匹配良好，既不因接入傳感器而使得被測對象受到影響，受被測量之外的影響小。(7)體積小、重量輕、價格低廉。(8)故

38、障率低，易于校準和維護。(9)由于傳感元件的輸出信號一邊比較小，為了便于能夠驅(qū)動控制電路，在傳感器電路中還應(yīng)該包括放大器。2鑒于以上選擇要點，本文中用到的傳感器必須具備良好的測量效果、功耗小、動態(tài)特性良好和體積小、重量輕、價格低廉等幾個主要特性。為此我們選擇了MQ-7系列傳感器。半導(dǎo)體一氧化碳傳感器MQ-7所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。采用高低溫循環(huán)檢測方式低溫(1.5V加熱)檢測一氧化碳，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳氣體濃度增加而增大，高溫(5.0V加熱)清洗低溫時吸附的雜散氣體。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化，轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。MQ-

39、7氣體傳感器對一氧化碳的靈敏度高，這種傳感器可檢測多種含一氧化碳的氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。主要特點及應(yīng)用：l 對一氧化碳的高靈敏度。l 長壽命，低成本。l 簡單的驅(qū)動電路即可l 家用氣體泄漏報警器l 工業(yè)用一氧化碳報警器l 便攜式氣體檢測器MQ-7氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖2-7所示，由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層，測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，為了改善傳感器的選擇性，傳感器氣室用活性炭過濾層與外界隔開。加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有只針狀管腳，其中個用于信號取出，個用于提供加熱電流。 圖2-11 MQ-7 實物圖

40、MQ-7型氣敏元件的主要性能參數(shù)見表2-1表2-1靈 敏 度分 辨 率響 應(yīng) 時 間（s）恢 復(fù) 時 間（s） 測 試 條 件極 間 電 壓UAB熱 絲 電 壓負 載 電 阻k3S51060010V5V 2K 圖2-12 氣敏傳感器的測量電路MQ-7型氣敏元件在應(yīng)用中大多采用單電源供電，其電路如圖，2-8。其中，Vd是熱絲加熱電壓，Vd是工作電壓，Rs是氣敏元件的電阻，R1是負載電阻，V1是傳感器的輸出電壓。2.4.3 線性化、放大輸出電路1 . 線性化及放大輸出電路的作用氣敏元件MQ-7的輸出電壓與濃度呈非線性關(guān)系，而且輸出電壓信號非常小，不利于檢測。因此，要采用線性補償電路及放大電路對電壓

41、信號進行線性化補償和放大處理。2 . 線性化電路設(shè)線性化電路的輸出電壓為V2，整機靈敏度為S，則根據(jù)線性化要求，氣體濃度C與輸出電壓V2的關(guān)系為：V2=SC （2-3）式（2-1）也可以轉(zhuǎn)化為下式：Rs=10nCm （2-4）設(shè) RL<< RsR , 則測量電路的輸出電壓為：V1=VhR1/(R1+Rs)VhR1Cm/10n （2-5）聯(lián)立式(3-3)和(3-5)可以得到線性化電路的輸出-輸入關(guān)系應(yīng)為：V2=aV1b （2-6）上式為乘方運算關(guān)系，也就是說，若線性化電路具有上式的傳遞函數(shù)即可獲得濃度與電壓的線性關(guān)系。2.4.4 MQ-7一氧化碳傳感器模塊MQ-7氣體傳感器的氣敏材料

42、，是用在清潔空氣中電導(dǎo)率低的二氧化錫（SnO2）。采用高低溫循環(huán)檢測方式低溫（1.5V加熱）檢測一氧化碳，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳氣體濃度增加而增大，高溫（5.0 V加熱）清洗低溫時吸附的雜散氣體。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化，轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。當(dāng)其濃度超過30ppm會開始對人體產(chǎn)生較大的危害，故其門限值設(shè)定為30ppm。MQ-7傳感器對一氧化碳的靈敏度高，這種傳感器可檢測多種含一氧化碳的氣體， 是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。 其結(jié)構(gòu)和外形如圖：2-13 MQ-7一氧化碳傳感器外形圖圖 2-14 MQ-7一氧化碳傳感器結(jié)構(gòu)下圖為 MQ-7一氧化碳傳感器模塊實物圖

43、：圖2-15 MQ-7一氧化碳傳感器模塊實物圖簡要說明：尺寸：長32mm *寬22mm *高27mm主要芯片：LM393、MQ-7氣體傳感器工作電壓：直流5伏特點：（1）具有信號輸出指示。（2）雙路信號輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）（3）TTL輸出有效（信號為低電平。（當(dāng)輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機）（4）模擬量輸出05V電壓，濃度越高電壓越高。（5）對一氧化碳具有很高的靈敏度和良好的選擇性。（6）具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性其原理圖如下：圖2-16 MQ-7一氧化碳傳感器模塊電路圖2.4.5 MQ-2煙霧傳感器模塊MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二

44、氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。該傳感器對丙烷的靈敏度較高，當(dāng)人體吸入高于10%的丙烷的時候，便會出現(xiàn)不適感，在較高濃度的丙烷、丁烷混合氣體中毒時，有頭痛、頭暈、興奮或嗜睡、惡心、嘔吐、流涎、血壓輕度降低、脈緩、神經(jīng)反射減弱、無病理反射；嚴重者出現(xiàn)麻醉狀態(tài)、意識喪失；有的發(fā)生繼發(fā)性肺炎。故其門限值設(shè)定為10ppm。 MQ-2氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成

45、本傳感器。其結(jié)構(gòu)和外形如圖：圖2-17 MQ-2煙霧傳感器外形圖圖2-18 MQ-2氣體傳感器結(jié)構(gòu)圖下圖為 MQ-2氣體傳感器實物圖。圖2-19 MQ-2氣體傳感器模塊實物圖簡要說明：尺寸：長32mm *寬22mm *高27mm 長X寬X高主要芯片：LM393、ZYMQ-2氣體傳感器工作電壓：直流5伏特點：（1）具有信號輸出指示。（2）雙路信號輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）（3）TTL輸出有效信號為低電平。（當(dāng)輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機） （4）模擬量輸出05V電壓，濃度越高電壓越高。（5）對液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度。（6）具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性（7）快速

46、的響應(yīng)恢復(fù)特性其原理圖如下：圖2-20 MQ-2氣體傳感器模塊電路圖2.4.6 MQ-4 天然氣傳感器介紹MQ-4氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。天然氣的主要成分是甲烷，當(dāng)空氣中甲烷達25%-30%時，可引起頭痛、頭暈、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、共濟失調(diào)。若不及時遠離，可致窒息死亡。故其門限值設(shè)定為20ppm。MQ-4氣體傳感器對甲烷的靈敏度高，對丙烷、丁烷也有較好的靈敏度。這種傳感器可檢測多種

47、可燃性氣體，特別是天然氣，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。其結(jié)構(gòu)和外形如圖：圖2-21 MQ-4煙霧傳感器外形圖 圖2-22 MQ-4氣體傳感器結(jié)構(gòu)圖下圖為 MQ-4氣體傳感器實物圖。 圖2-23 MQ-4氣體傳感器模塊實物圖簡要說明一、尺寸：32mm X22mm X27mm   長X寬X高二、主要芯片：LM393、ZYMQ-4氣體傳感器三、工作電壓：直流5伏四、特點：1、具有信號輸出指示。2、雙路信號輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）。3、TTL輸出有效信號為低電平。（當(dāng)輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機）。  

48、60;          4、模擬量輸出05V電壓，濃度越高電壓越高。5、對甲烷，天然氣有很高的靈敏度。6、具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。7、快速的響應(yīng)恢復(fù)特性。其原理圖如下：圖2-24 MQ-4氣體傳感器模塊電路圖2.5 顯示電路本設(shè)計使用的顯示部分為LCD1206液晶顯示屏，其顯示原理為：線段的顯示，點陣圖形式液晶由M×N個顯示單元組成，假設(shè)LCD顯示屏有64行，每行有128列，每8列對應(yīng)1字節(jié)的8位，即每行由16字節(jié)，共16×8=128個點組成，屏上64×

49、16個顯示單元與顯示RAM區(qū)1024字節(jié)相對應(yīng)，每一字節(jié)的內(nèi)容和顯示屏上相應(yīng)位置的亮暗對應(yīng)。例如屏的第一行的亮暗由RAM區(qū)的000H00FH的16字節(jié)的內(nèi)容決定，當(dāng)（000H）=FFH時，則屏幕的左上角顯示一條短亮線，長度為8個點；當(dāng)（3FFH）=FFH時，則屏幕的右下角顯示一條短亮線；當(dāng)（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H時，則在屏幕的頂部顯示一條由8段亮線和8條暗線組成的虛線。這就是LCD顯示的基本原理。LCD1602主要技術(shù)參數(shù)：顯示容量:16×2個字符 芯片工作電壓:4.55.5V 工

50、作電流:2.0mA(5.0V) 模塊最佳工作電壓:5.0V 字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無差別，兩者尺寸差別如下圖 圖2-25 兩種不同的1602LCD外形圖表2-2 1602LCD資料編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16

51、BLK背光源負極 下圖為本設(shè)計所用液晶屏的電路原理圖： 圖2-26 1206液晶顯示屏原理圖2.6 聲音報警電路聲音報警電路原理圖如下：蜂鳴器發(fā)聲原理是電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場來驅(qū)動振動膜發(fā)聲的，因此需要一定的電流才能驅(qū)動它，單片機IO引腳輸出的電流較小，單片機輸出的TTL電平基本上驅(qū)動不了蜂鳴器，因此需要增加一個電流放大的電路。故通過一個三極管來放大驅(qū)動蜂鳴器。當(dāng)某路或多路傳感器報警時，蜂鳴器發(fā)出聲音報警信號。 圖 2-27 聲音報警電路原理圖2.7 整體硬件原理圖及PCB圖下圖為整體原理圖： 圖2-28 整體原理圖圖2-29 整體PCB板圖2.8 本章小結(jié)本章詳細介紹了本設(shè)計所

52、用到的氣體傳感器模塊，以及基于單片機的毒氣檢測系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計，包括各個模塊的工作原理，各個模塊與單片機的鏈接。然后，將基于已有的硬件電路編寫軟件程序，完成系統(tǒng)的整體設(shè)計。第3章 軟件系統(tǒng)設(shè)計3.1 軟件應(yīng)用開發(fā)平臺介紹 本課題將用到兩款軟件： Keil和STC-ISP，下面簡單介紹這兩款軟件。Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境(uVision)將這些部分組合在一起。下圖為，Keil 的操作界面：圖3-1 Keil軟件的操作界面STC-ISP 是一款單片機下載編程燒錄軟件，是針對STC系列單片機而設(shè)計的，可下載STC89