【畢業(yè)設(shè)計(jì)】基于單片機(jī)的天燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

PAGE摘要隨著天然氣的大量使用,每一座居民大樓都被天然氣所“籠罩”。天然氣的普及給公共生活帶來(lái)了方便,減少了城市的污染,提高了生活質(zhì)量和效率,但是同時(shí),天然氣也是潛在的“危險(xiǎn)品”,一旦發(fā)生大面積泄漏,處置不及時(shí)就可能引發(fā)大爆炸,給居民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)巨大的威脅。面對(duì)燃?xì)庑孤┒斐傻姆N種事故威脅，我們需要一個(gè)解決辦法。使用天燃?xì)鈭?bào)警器是對(duì)付燃?xì)鉄o(wú)形殺手的重要手段之一。本論文以半導(dǎo)體氣敏傳感器和單片機(jī)技術(shù)為核心設(shè)計(jì)的氣體報(bào)警器可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警功能，是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便、價(jià)格低廉、智能化的氣體報(bào)警器，具有一定的實(shí)用價(jià)值。其中選用MQ-2傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測(cè)，具有靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且價(jià)格低廉，使用壽命長(zhǎng)。其與ADC0808轉(zhuǎn)換器連接，將氣體信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)AT89C51單片機(jī)處理，并對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，是否大于或等于某個(gè)預(yù)設(shè)值(也就是報(bào)警限)，如果大于則會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警聲音，反之則為正常狀態(tài)關(guān)鍵詞：傳感器報(bào)警器單片機(jī)AbstractWiththewideuseofnaturalgas,eacharesidentialtowersweregas"enveloped".Thepopularityofnaturalgastopubliclifebroughtconvenient,reducethecity'spollutionandimprovethelifequalityandefficiency,butatthesametime,naturalgasisalsopotential"dangerous",onceproducelargeleak,disposalnottimelycouldtrigger,thebigbangtopeople'slifeandpropertysafetybroughtgreatthreat.Facingthegasleakallkindsofaccidentscausedbythreats,weneedasolution.Useofnaturalgasalarmisdealwithgasinvisiblekilleroneoftheimportantmeans.Thispaperstothesemiconductorgassensorsandsinglechipmicrocomputerasthecoredesigncanrealizethegasalarmsound-lightalarmfunctions,isakindofsimplestructure,stableperformance,easytouse,inexpensiveandintelligentgasalarm,hascertainpracticalvalue.AmongthemchooseMQ-2ofgasdetectionsensorrealize,hasahighsensitivity,fastresponse,stronganti-jammingcapabilityetc,andthepriceislow,servicelifelong.ADC0808convertersconnectedwiththegassignal,convertmicrocontrollercanidentifythedigitalsignalprocessing,byAT89C51forprocessingthedataandanalysis,whetherisequaltoorgreaterthantheadefaultvalue(thatis,thealarmlimit),if>willautomaticallystartalarmcircuitwarningvoice,converselyfornormalstateKeywords:sensoralarmMCS目錄第1章緒論 11.1家庭燃?xì)庑孤﹫?bào)警的概述 11.2家庭燃?xì)庑孤﹫?bào)警的現(xiàn)狀 11.3家庭燃?xì)庑孤﹫?bào)警的發(fā)展趨勢(shì) 21.4燃?xì)庑孤﹫?bào)警研究意義與目的 21.5設(shè)計(jì)任務(wù) 2第2章天燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 12.1天燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路 12.2氣體傳感器的選型 12.2.1氣體傳感器介紹 12.2.2氣體傳感器的選定 52.3天燃?xì)庑孤秷?bào)警系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案 62.3.1天燃?xì)庑孤秷?bào)警器工作原理 62.3.2天燃?xì)庑孤秷?bào)警器的結(jié)構(gòu) 62.3.3氣體檢測(cè)報(bào)警器的功能 7第3章天燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì) 83.1主控電路的設(shè)計(jì) 83.1.1半導(dǎo)體氣敏傳感器簡(jiǎn)介 83.1.2單片機(jī)的選擇 113.1.3AT89C51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 133.1.4AT89C51單片機(jī)的引腳 143.1.5AT89C51單片機(jī)的時(shí)鐘電路 163.1.6AT89C51單片機(jī)的復(fù)位電路 173.2外圍接口電路的設(shè)計(jì) 193.2.1ADC0808轉(zhuǎn)換器的介紹 193.2.2ADC0808轉(zhuǎn)換器和AT89C51單片機(jī)的接口電路 203.2.3聲音報(bào)警電路 213.2.4燈光報(bào)警電路 223.3總電路設(shè)計(jì) 23第4章燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì) 264.1主程序設(shè)計(jì)流程與編程 264.1.1主程序設(shè)計(jì)流程圖 264.1.2主程序的編程 274.2程序調(diào)試 294.2.1程序調(diào)試的步驟 294.2.2程序調(diào)試過(guò)程中的問(wèn)題及解決 30總結(jié)與展望 32致謝 33參考文獻(xiàn) 34附錄一家庭燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)電路圖 35PAGE3第1章緒論1.1家庭燃?xì)庑孤﹫?bào)警的概述天燃?xì)庑孤﹫?bào)警器是非常重要的燃?xì)獍踩O(shè)備，由氣敏傳感器、單片機(jī)和報(bào)警器組成。它是安全使用城市燃?xì)獾淖詈笠坏辣Ｗo(hù)。天燃?xì)庑孤﹫?bào)警器通過(guò)氣敏傳感器探測(cè)周圍環(huán)境中的低濃度可燃?xì)怏w，通過(guò)采樣電路，將探測(cè)信號(hào)用模擬量或數(shù)字量傳遞給控制器或控制電路，當(dāng)氣體濃度超過(guò)控制器或控制電路中設(shè)定值時(shí)，控制器通過(guò)執(zhí)行器或執(zhí)行電路發(fā)出報(bào)警信號(hào)或執(zhí)行關(guān)閉燃?xì)忾y門等動(dòng)作。氣體報(bào)警器的探測(cè)氣敏傳感器主要半導(dǎo)體型、接觸燃燒式、電化學(xué)氣敏傳感器，還有少量的其他類型。這些傳感器都是通過(guò)對(duì)周圍環(huán)境中的可燃?xì)怏w的吸附，在傳感器表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，造成傳感器的電物理特性的改變，經(jīng)單片機(jī)處理后報(bào)警。1.2家庭燃?xì)庑孤﹫?bào)警的現(xiàn)狀天氣體檢測(cè)報(bào)警產(chǎn)品是一個(gè)系列產(chǎn)品，包括氣體探測(cè)設(shè)備、信息傳輸設(shè)備、報(bào)警分析控制器，是物理傳感技術(shù)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸和管理、智能樓宇等技術(shù)的綜合集成，屬于高新技術(shù)。依托中國(guó)多年的基本建設(shè)的發(fā)展，這個(gè)行業(yè)也得到發(fā)展，具備了和國(guó)外知名企業(yè)抗衡的能力。在目前中國(guó)許多冠名以高新技術(shù)的行業(yè)中，中國(guó)企業(yè)大多做的是下游的制造和服務(wù)，分取極少一部分的利潤(rùn)，像安防報(bào)警產(chǎn)品那樣又擁有自我知識(shí)產(chǎn)權(quán)，又擁有大量市場(chǎng)的行業(yè)其實(shí)是很少的。在安防報(bào)警產(chǎn)品的技術(shù)含量上，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品和國(guó)外產(chǎn)品差距不是很大，許多指標(biāo)已經(jīng)超越，存在的問(wèn)題是：類似于國(guó)外安防報(bào)警產(chǎn)品的大批量規(guī)?；纳a(chǎn)才剛起步，有待于積累經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，也因此在產(chǎn)品一致性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性上有一些差距；國(guó)內(nèi)正在形成權(quán)重的大型企業(yè)和集團(tuán)，這樣可以帶領(lǐng)國(guó)內(nèi)的各家企業(yè)去沖擊海外市場(chǎng)，并最終占領(lǐng)海外的安防報(bào)警市場(chǎng)。1.3家庭燃?xì)庑孤﹫?bào)警的發(fā)展趨勢(shì)二十多年前，我國(guó)的安防報(bào)警產(chǎn)品剛剛起步，無(wú)論產(chǎn)品技術(shù)含量、產(chǎn)品系列完整性、使用性，還是社會(huì)影響程度都是相當(dāng)?shù)偷?。?guó)外的產(chǎn)品和品牌卻占領(lǐng)我們的大部分市場(chǎng)。由于中國(guó)的建設(shè)正在面臨飛速發(fā)展，我們應(yīng)該抓住廣闊的市場(chǎng)空間，慶幸的是中國(guó)企業(yè)抓住了這次機(jī)遇，頂住了挑戰(zhàn)，先是一批國(guó)家的科研院所，后是一批國(guó)營(yíng)企業(yè)、民營(yíng)企業(yè)，業(yè)內(nèi)也吸引和凝聚一大批國(guó)內(nèi)的技術(shù)和管理精英，花了多年時(shí)間，通過(guò)幾次產(chǎn)品更新?lián)Q代，就使自己的產(chǎn)品緊緊跟上了國(guó)際水平，并且?jiàn)Z回了大部分國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，使得現(xiàn)在大多國(guó)外產(chǎn)品只有招架之勢(shì)，這是典型的自力更生，走自己的路。當(dāng)然目前而言，我們基本占據(jù)的是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，對(duì)外還剛剛啟動(dòng)。但是，中國(guó)企業(yè)已經(jīng)做好準(zhǔn)備進(jìn)軍海外市場(chǎng)。1.4燃?xì)庑孤﹫?bào)警研究意義與目的面對(duì)燃?xì)庑孤┒斐傻姆N種事故威脅，我們需要一個(gè)解決辦法。使用天燃?xì)鈭?bào)警器是對(duì)付燃?xì)鉄o(wú)形殺手的重要手段之一。燃?xì)鈱＜抑赋?，燃?xì)庑孤┗驈U氣排放而大量產(chǎn)生的一氧化碳是燃?xì)庵卸臼录母?，如采用天燃?xì)庑孤﹫?bào)警器就能得到及時(shí)的警示。有關(guān)部門經(jīng)長(zhǎng)期測(cè)試得出結(jié)論，天燃?xì)鈭?bào)警器防止天然氣泄漏事故發(fā)生的有效率達(dá)95%以上。計(jì)算機(jī)的普及和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們己不滿足于傳統(tǒng)的居住環(huán)境，對(duì)家庭及住宅小區(qū)提出了更高的要求，智能化被引入家庭，并迅速在世界各地發(fā)展起來(lái)。人們對(duì)居住環(huán)境要求的日見(jiàn)增高，體現(xiàn)在希望住宅不僅更便利、舒適而且更安全。單片機(jī)在日用電子產(chǎn)品中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，燃?xì)庑孤﹦t是人們?nèi)粘Ｉ钪谐３Ｐ枰獪y(cè)量和控制的一個(gè)問(wèn)題。單片機(jī)有利于為現(xiàn)代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的設(shè)施。為了防止中毒事件再次發(fā)生，提出利用單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行有效的預(yù)防對(duì)策。所以怎樣防止燃?xì)庵卸九c爆炸已成為人們的迫切需要。1.5設(shè)計(jì)任務(wù)本文設(shè)計(jì)了一種靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價(jià)格便宜的天然氣檢測(cè)系統(tǒng)，采用氣敏傳感器，氣敏傳感器是能夠感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種敏感器件，它將氣體成分、濃度等有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而可以進(jìn)行檢測(cè)。目前，人們對(duì)氣敏傳感器的測(cè)試方法主要停留在用人工手動(dòng)的方式來(lái)操作，開(kāi)發(fā)出一種實(shí)用高效的智能化傳感器測(cè)試裝置是極為必要的。而聲光信號(hào)是信息的又一主要載體，如果在這些測(cè)量場(chǎng)合能用聲光信號(hào)直接報(bào)出結(jié)果，將給操作人員帶來(lái)極大方便，本文就介紹一種新型的氣敏傳感器測(cè)試系統(tǒng)，從組成框圖、硬件設(shè)計(jì)以及程序流程及代碼等幾方面對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。PAGE12第2章天燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)2.1天燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路天燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)是能夠檢測(cè)環(huán)境中的可燃性氣體濃度，并具有報(bào)警功能的儀器，儀器的最基本組成部分應(yīng)包括：氣體信號(hào)采集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路。氣體信號(hào)采集電路一般由氣敏傳感器和模擬放大電路組成，將氣體信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬的電信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將從燃?xì)鈾z測(cè)電路送出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)后送入單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，并對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，是否大于或等于某個(gè)預(yù)設(shè)值(也就是報(bào)警限)，如果大于則會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警聲音，反之則為正常狀態(tài)。為使報(bào)警裝置更加完善，可以在聲音報(bào)警基礎(chǔ)上，加入光閃報(bào)警，變化的光信號(hào)可以引起用戶注意，彌補(bǔ)嘈雜環(huán)境中聲音報(bào)警的局限。以上是根據(jù)報(bào)警器應(yīng)具備的功能，提出的整體設(shè)計(jì)思路。氣敏傳感器及單片機(jī)是燃?xì)庑孤﹫?bào)警器的兩大核心，根據(jù)報(bào)警器功能的需要，選擇合適、精確、經(jīng)濟(jì)的氣敏傳感器及單片機(jī)芯片是至關(guān)重要的。傳感器的選型在下一節(jié)介紹。單片機(jī)作為硬件電路的核心，它的選型將在第三章詳述。2.2氣體傳感器的選型氣體傳感器屬于氣敏傳感器，是氣-電變換器，它將可燃性氣體在空氣中的含量(即濃度)轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到單片機(jī)，進(jìn)而由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、濃度處理及報(bào)警控制等工作。氣體傳感器作為燃?xì)庑孤﹫?bào)警器的信號(hào)采集部分，是儀表的核心組成部分之一。由此可見(jiàn)，氣體傳感器的選型是非常重要的。2.2.1氣體傳感器介紹1.氣體傳感器的分類氣體傳感器種類繁多，從檢測(cè)原理上可以分為三大類：(1)利用物理化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器：如半導(dǎo)體氣體傳感器、接觸燃燒氣體傳感器等。(2)利用物理性質(zhì)的氣體傳感器：如熱導(dǎo)氣體傳感器、光干涉氣體傳感器、紅外傳感器等。(3)利用電化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器：如電流型氣體傳感器、電勢(shì)型氣體傳感器等。2.氣體傳感器應(yīng)滿足的基本條件:一個(gè)氣體傳感器可以是單功能的，也可以是多功能的；可以是單一的實(shí)體，也可以是由多個(gè)不同功能傳感器組成的陣列。但是，任何一個(gè)完整的氣體傳感器都必須具備以下條件：(1)能選擇性地檢測(cè)某種單一氣體，而對(duì)共存的其它氣體不響應(yīng)或低響應(yīng)；(2)對(duì)被測(cè)氣體具有較高的靈敏度，能有效地檢測(cè)允許范圍內(nèi)的氣體濃度；(3)對(duì)檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)速度快，重復(fù)性好；(4)長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性好；(5)使用壽命長(zhǎng)；(6)制造成本低，使用與維護(hù)方便。3.常見(jiàn)氣體傳感器簡(jiǎn)介（1）半導(dǎo)體氣體傳感器半導(dǎo)體氣體傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的氣體傳感器，以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的氣體傳感器。自1962年半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器問(wèn)世以來(lái)，由于具有靈敏度高、響應(yīng)快、輸出信號(hào)強(qiáng)、耐久性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。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。按照敏感機(jī)理分類，可分為電阻型和非電阻型。（2）固體電解質(zhì)氣體傳感器固體電解質(zhì)氣體傳感器使用固體電解質(zhì)氣敏材料作為氣敏元件，其原理是利用氣敏材料在通過(guò)氣體時(shí)產(chǎn)生電阻，測(cè)量其形成電動(dòng)勢(shì)從而測(cè)量氣體濃度。由于這種傳感器電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，因而得到了廣泛的應(yīng)用，幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，其產(chǎn)量?jī)H次于半導(dǎo)體氣體傳感器的一類傳感器。但這種傳感器制造成本高，檢測(cè)氣體范圍有限，在檢測(cè)環(huán)境污染領(lǐng)域中有優(yōu)勢(shì)。（3）接觸燃燒式氣體傳感器當(dāng)易燃?xì)怏w接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時(shí)會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)而燃燒，故得名接觸燃燒式傳感器。接觸燃燒式氣體傳感器的檢測(cè)元件一般為鉑金屬絲(也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層)，使用時(shí)將鉑絲通電，保持300°C~400°C的高溫，此時(shí)若與氣體接觸，氣體就會(huì)在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會(huì)上升，鉑絲的電阻值也上升,通過(guò)測(cè)量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道氣體的濃度。（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(lái)得到很大的發(fā)展。高分子氣敏材料在遇到特定氣體時(shí)，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。高分子氣敏材料由于具有易操作性、工藝簡(jiǎn)單、常溫選擇性好、價(jià)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(cè)中具有重要作用。高分子氣體傳感器具有對(duì)特定氣體分子靈敏度高，選擇性好，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能在常溫下使用，可以彌補(bǔ)其它氣體傳感器的不足。（5）電化學(xué)傳感器電化學(xué)傳感器由膜電極和電解液封裝而成。氣體濃度信號(hào)將電解液分解成陰陽(yáng)帶電離子，通過(guò)電極將信號(hào)傳出。它的優(yōu)點(diǎn)是：反映速度快、準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測(cè)，但壽命較短(大約兩年)。它主要適用于毒性氣體檢測(cè)。目前國(guó)際上絕大部分毒氣檢測(cè)采用該類型傳感器。（6）熱傳導(dǎo)傳感器熱傳導(dǎo)傳感器與接觸燃燒式傳感器具有類似的結(jié)構(gòu)形式，但是測(cè)量原理不同。它的測(cè)量原理是：將加熱后的鉑電阻線圈置于目標(biāo)煙霧中，由于向目標(biāo)氣體傳送熱量造成溫度降低，引起電阻值變化，傳感器即測(cè)量電阻值的變化情況。溫度的變化情況是目標(biāo)氣體熱傳導(dǎo)率的函數(shù)，而對(duì)于一種給定的氣體，熱傳導(dǎo)率是它固有的物理特性。（7）紅外傳感器紅外傳感器通常用兩束紅外光進(jìn)行氣體測(cè)量，主光束通過(guò)測(cè)量元件內(nèi)的目標(biāo)氣體，參考光束通過(guò)比較元件內(nèi)的參考?xì)怏w。在測(cè)量和比較元件中，紅外射線被氣體有選擇地吸收了。未吸收的紅外光由光電探測(cè)器測(cè)量，產(chǎn)生一個(gè)正比于目標(biāo)氣體濃度的差分信號(hào)。非擴(kuò)散式紅外探測(cè)器NDIR(non-dispersiveIR)是其中的一種，所有的未吸收光全部以最小的擴(kuò)散和損耗被記錄下來(lái)。不同的氣體吸收不同波長(zhǎng)的IR，所以傳感器根據(jù)目標(biāo)氣體而調(diào)整，典型應(yīng)用包括測(cè)量CO和CO2、冷凍劑煙霧和一些易燃?xì)?。由于非碳?xì)浠衔镆兹細(xì)怏w(如氫)不吸收電磁譜中IR部分的能量，所以這種傳感器可以精確地測(cè)量碳?xì)浠衔铮⒕哂凶钚〉慕徊骒`敏度，而且不受其它氣體的腐蝕以及高濃度目標(biāo)煙霧的影響。4.常見(jiàn)氣體傳感器可檢測(cè)氣體種類由于氣體的種類繁多，一種類型的氣體傳感器不可能檢測(cè)所有的氣體，通常只能檢測(cè)某一種或兩種特定性質(zhì)的氣體。例如氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器主要檢測(cè)各種還原性煙霧，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固體電解質(zhì)氣體傳感器主要用于檢測(cè)無(wú)機(jī)氣體，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。簡(jiǎn)要列舉出已經(jīng)研究、開(kāi)發(fā)的各類氣體傳感器及其可檢測(cè)的氣體種類傳感器種類COCO2H2SNH3HCNHClCOCl2CI2NOXSO2O2CH4C3H2H2H2O半導(dǎo)體氣體傳感器○○○○○○○○○○○固體電解質(zhì)傳感器○○○○○接觸燃燒式傳感器◎○○○電化學(xué)式傳感器○○○○○○○○高分子電解質(zhì)氣體傳感器◎○○○○注：○好◎不太好表2.1各種氣體傳感器可檢測(cè)的氣體種類2.2.2氣體傳感器的選定天燃?xì)庑孤﹫?bào)警器主要應(yīng)用在石油、化工、冶金、油庫(kù)、液化氣站、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃?xì)怏w泄漏的場(chǎng)所，根據(jù)報(bào)警器檢測(cè)氣體種類的要求，一般選用接觸燃燒式氣敏傳感器和半導(dǎo)體氣敏傳感器。使用接觸燃燒式氣敏傳感器，其探頭的阻緩及中毒,是不可避免的問(wèn)題。阻緩是當(dāng)在氣體與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下，則有可能在無(wú)焰燃燒的同時(shí)，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(yīng)緩慢反應(yīng)滯緩，靈敏度降低。雖然將阻緩的傳感器再放回新鮮空氣環(huán)境中有得到某種程度的恢復(fù)的可能，但是如果長(zhǎng)期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會(huì)不斷下降，導(dǎo)致該傳感器最終喪失檢測(cè)煙霧的能力。中毒是如果環(huán)境空氣中含有硅烷之類的物質(zhì)時(shí)，則傳感器將使催化元件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的中毒，以致靈敏度很快就喪失。當(dāng)懷疑檢測(cè)環(huán)境中存在這些物質(zhì)時(shí)，經(jīng)常對(duì)探頭進(jìn)行標(biāo)定，是必須且有效的辦法。因此，經(jīng)常對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是保證其準(zhǔn)確性的必要的途徑。一般連續(xù)使用兩個(gè)月后應(yīng)對(duì)傳感器進(jìn)行量程校準(zhǔn)，這種經(jīng)常性對(duì)傳感器的維護(hù)，無(wú)形中加大了工作人員的工作量，同時(shí)增加了報(bào)警器的維護(hù)成本。半導(dǎo)體氣敏傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的氣體傳感器以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的氣體傳感器，它具有靈敏度高，響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體氣敏傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性(抗干擾性)和穩(wěn)定性(使用壽命)。經(jīng)過(guò)對(duì)比上述兩種氣敏傳感器的應(yīng)用特性，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體氣敏傳感器的優(yōu)點(diǎn)更加突出：靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價(jià)格便宜，且不會(huì)發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護(hù)成本較低等。因此，本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體氣敏傳感器作為報(bào)警器氣體信息采集部分的核心。而在眾多半導(dǎo)體氣敏傳感器中，本設(shè)計(jì)選用MQ-2型氣敏傳感器，這種型號(hào)的傳感器具備一般半導(dǎo)體氣敏傳感器靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。2.3天燃?xì)庑孤秷?bào)警系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案2.3.1天燃?xì)庑孤秷?bào)警器工作原理本論文中的燃?xì)庑孤﹫?bào)警器以AT89C51單片機(jī)為控制核心，采用MQ-2型電阻式半導(dǎo)體傳感器采集氣體信息。首先，氣體傳感器送來(lái)的氣體濃度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)送入AT89C51單片機(jī)；然后，在AT89C51單片機(jī)內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換、氣體濃度比較，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理，將數(shù)字化電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成為對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制濃度值；最后，判斷氣體濃度值是否超出報(bào)警限，當(dāng)氣體濃度處于正常狀態(tài)紅燈不會(huì)閃亮，當(dāng)氣體濃度超出設(shè)定的限定值時(shí)，發(fā)出聲音報(bào)警并伴隨紅燈閃亮。另外由于氣體傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反應(yīng)越快，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間就越快。為提高響應(yīng)時(shí)間，保證氣體傳感器準(zhǔn)確地、穩(wěn)定地工作，報(bào)警器需要向氣體傳感器持續(xù)輸出一個(gè)5V的電壓。為了保證其可靠性，在輸出5V的電壓的同時(shí)，進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)。2.3.2天燃?xì)庑孤秷?bào)警器的結(jié)構(gòu)為適應(yīng)家庭對(duì)可燃性易爆氣體安全性要求，設(shè)計(jì)的可燃性氣體報(bào)警儀應(yīng)不僅能在較寬的溫度范圍工作，而且應(yīng)具有顯示可燃?xì)怏w濃度、可接計(jì)算機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)測(cè)和實(shí)時(shí)控制等功能。其目標(biāo)是在傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警儀的基礎(chǔ)上，盡量提高準(zhǔn)確性，降低成本，縮小體積。天燃?xì)庑孤秷?bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示，該系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，配合外圍電路共同完成信號(hào)采集、聲音及閃爍報(bào)警等功能。系統(tǒng)采用高性能的單片機(jī)，要求工作穩(wěn)定、測(cè)量精度高、通用性強(qiáng)、功耗低，保證報(bào)警器的精確性及可靠性，而且最好體積小，成本低，有利于減少報(bào)警器的體積，降低報(bào)警器的成本。使用AT89C51單片機(jī)，選用氣敏傳感器作為敏感元件，利用A/D轉(zhuǎn)換器和聲光報(bào)警電路，開(kāi)發(fā)了可用于家庭或小型單位天燃?xì)庑孤﹫?bào)警器。整個(gè)設(shè)計(jì)由4大部分構(gòu)成：氣敏傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路、AT89C51單片機(jī)、聲光報(bào)警電路。氣敏傳感器是將現(xiàn)場(chǎng)氣體濃度非電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；轉(zhuǎn)換電路是將完成將氣體傳感器輸出的模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。聲光報(bào)警模塊由單片機(jī)和報(bào)警電路組成，由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)不同的聲光報(bào)警功能。復(fù)位電源時(shí)鐘氣敏傳感器A/D轉(zhuǎn)換器復(fù)位電源時(shí)鐘氣敏傳感器A/D轉(zhuǎn)換器AT89C51單片機(jī)燈光報(bào)警聲音報(bào)警氣體濃度圖2.2天燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.3.3氣體檢測(cè)報(bào)警器的功能聲光報(bào)警功能當(dāng)氣體濃度取值處在報(bào)警限值之上，蜂鳴器開(kāi)始報(bào)警，且聲音越來(lái)越急促，并且伴隨紅燈閃爍。因?yàn)槿藢?duì)變化的信號(hào)更為敏感，所以變化的聲音及燈光更容易引起用戶的注意。第3章天燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)3.1主控電路的設(shè)計(jì)3.1.1半導(dǎo)體氣敏傳感器簡(jiǎn)介半導(dǎo)體氣敏傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的氣體傳感器以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的氣體傳感器，它具有靈敏度高，響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體氣體傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性(抗干擾性)和穩(wěn)定性(使用壽命)。MQ-2/MQ-2S氣敏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)境中存在可燃性氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃性氣體濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)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(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。靈敏度特性：圖3.2圖3.2圖3.2傳感器典型的靈敏度特性曲線注：圖中縱坐標(biāo)為傳感器的電阻比（Rs/Ro），橫坐標(biāo)為氣體濃度。Rs表示傳感器在不同濃度氣體中的電阻值Ro表示傳感器在1000ppm不同氣體中的電阻值（2）溫/濕度的影響：圖3.3圖3.3圖3.3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表示在含1000ppm甲烷、不同溫/濕度下傳感器的電阻值Ro表示在含1000ppm甲烷、20℃/65%RH環(huán)境條件下傳感器（3）基本測(cè)試回路：VcVcVHGNDRLVRL圖3.4傳感器的基本測(cè)試電路該傳感器需要施加2個(gè)電壓：加熱器電壓（VH）和測(cè)試電壓（VC）。其中VH用于為傳感器提供特定的工作溫度。VC則是用于測(cè)定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻（RL）上的電壓（VRL）。這種傳感器具有輕微的極性，VC需用直流電源。在滿足傳感器電性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一個(gè)電源電路。為更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當(dāng)?shù)腞L值。規(guī)格：A.標(biāo)準(zhǔn)工作條件符號(hào)參數(shù)名稱技術(shù)條件備注Vc回路電壓≤24VDCVH加熱電壓5.0V±0.2VACorDCRL負(fù)載電阻可調(diào)RH加熱電阻31Ω±3Ω室溫PH加熱功耗≤900mWB.環(huán)境條件符號(hào)參數(shù)名稱技術(shù)條件備注Tao使用溫度-10℃－＋50℃Tas儲(chǔ)存溫度-20℃－＋70℃RＨ相對(duì)濕度小于95%RＨO2氧氣濃度21%(標(biāo)準(zhǔn)條件)氧氣濃度會(huì)影響靈敏度特性最小值大于２％C.靈敏度特性符號(hào)參數(shù)名稱技術(shù)參數(shù)備注Rs敏感體表面電阻2KΩ-20KΩ(2000ppmC3H8)適用范圍：5000-20000ppm天然氣α(R3000ppm/R1000ppmC3H8)濃度斜率≤0.6標(biāo)準(zhǔn)工作條件溫度：20℃±2℃Vc:5.0V±0.1V相對(duì)濕度：65%±5%VH:5.0V±0.1V預(yù)熱時(shí)間不少于48小時(shí)敏感體功耗（Ps）值：Ps=Vc2×Rs/(Rs+RL)2傳感器電阻（Rs）值：Rs=(Vc/VRL-1)×RL（5）結(jié)構(gòu)，外形MQ-2/MQ-2S氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖3.4所示(結(jié)構(gòu)A或B),由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層,測(cè)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)，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６只針狀管腳，其中４個(gè)用于信號(hào)取出，２個(gè)用于提供加熱電流。部件材料1部件材料1氣體敏感層二氧化錫2電極金（Au）3測(cè)量電極引線鉑（Pt）4加熱器鎳鉻合金（Ni-Cr）5陶瓷管三氧化二鋁6防爆網(wǎng)100目雙層不銹鋼（SUB316）7卡環(huán)鍍鎳銅材（Ni-Cu）8基座膠木或尼龍9針狀管腳鍍鎳銅材（Ni-Cu）圖3.4圖3.5MQ-2/MQ-2S氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形MQ-2/MQ-2S氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想。這種傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。3.1.2單片機(jī)的選擇單片機(jī)作為燃?xì)庑孤﹫?bào)警器的核心部件，一方面它要接收來(lái)自傳感器的氣體濃度的模擬信號(hào)和故障檢測(cè)信號(hào)，另一方面要對(duì)兩種信號(hào)分別進(jìn)行處理，控制后續(xù)電路的相應(yīng)工作；同時(shí)，查詢是否有鍵按下的命令。在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能中，將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)做數(shù)字濾波，再進(jìn)行線性化處理，這一過(guò)程的軟件實(shí)現(xiàn)，需要單片機(jī)有較快的運(yùn)算速度，使儀表監(jiān)測(cè)人員能夠觀測(cè)到并進(jìn)行相應(yīng)處理。同時(shí)，在能夠滿足報(bào)警器設(shè)計(jì)的計(jì)算速度及接口數(shù)的要求的同類型單片機(jī)中，要考慮選擇價(jià)格低廉且體積輕巧的機(jī)型，在保證了報(bào)警器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎(chǔ)上，能夠不提高成本，縮小體積。AT89C51是Atmel公司生產(chǎn)的一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。其中AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。外形如圖所示，本設(shè)計(jì)用的AT89C51是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)，8位數(shù)據(jù)總線，40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，六個(gè)中斷源，兩層中斷優(yōu)先級(jí)，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。另外，AT89C51是以靜態(tài)邏輯運(yùn)行到零頻率的方式設(shè)計(jì)的，并且支持兩種可利用軟件選擇的掉電保護(hù)模式。休眠模式停止CPU運(yùn)行，但允許數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。掉電模式保存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的內(nèi)容，但停止了晶振，是其他所有芯片停止工作直到下一次復(fù)位為止。AT89C51其工作電壓范圍為2.7～6V（實(shí)際使用+5V供電），片內(nèi)含4kbytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和128Kbytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89C51提供了高性價(jià)比的解決方案。3.1.3AT89C51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)AT89C51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖所示圖3.6基本結(jié)構(gòu)圖由圖可見(jiàn)，89C51單片機(jī)主要由以下部分組成：（1）CPU系統(tǒng)8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器；時(shí)鐘電路；總線控制邏輯。（2）存儲(chǔ)器系統(tǒng)4KB的程序存儲(chǔ)器（ROM/EPROM/Flash）；128KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）。（3）I/O口和其他動(dòng)能單元4個(gè)并行I/O口；2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；,2個(gè)全雙工串行通信口；中斷系統(tǒng)（5個(gè)中斷源）3.1.4AT89C51單片機(jī)的引腳1.引腳的分類（1）主電源及時(shí)鐘引腳：VCC、GND等。（2）編程電源：VPP。（3）控制口線：PSEN（片外取指控制）、ALE（地址鎖存控制）、EA(片外存儲(chǔ)器選擇)、RST（復(fù)位控制）。（4）I/O控制：P0、P1、P2、P3共四個(gè)8位口線，2.引腳詳細(xì)說(shuō)明VCC：供電電壓，接+5V。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉緣故。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。振蕩器特性:XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。3.1.5AT89C51單片機(jī)的時(shí)鐘電路采用內(nèi)部時(shí)鐘方式利用芯片內(nèi)部的振蕩器，然后在引腳XTALl和XTAL2兩端跨接晶體振蕩器（簡(jiǎn)稱晶振），就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時(shí)鐘電路。外接晶振時(shí)，Cl和C2的值通常選擇為30pF左右；Cl、C2對(duì)頻率有微調(diào)作用，晶振或陶瓷諧振器的頻率范圍可在1.2MHz～12MHz之間選擇。為了減小寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作，振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)引腳XTALl和XTAL2靠近。圖3.7單片機(jī)的時(shí)鐘電路圖3.1.6AT89C51單片機(jī)的復(fù)位電路在整個(gè)燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)中，要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，必須對(duì)整個(gè)系統(tǒng)先復(fù)位。復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。單片機(jī)系統(tǒng)在上電啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，都需要先復(fù)位。其作用是使CPU和系統(tǒng)中其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作，因而，復(fù)位是一個(gè)很重要的操作方式。但單片機(jī)本身是不能自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部復(fù)位電路才能實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)的外部復(fù)位電路有上電復(fù)位和上電和按鍵均有效的復(fù)位兩種。我們?cè)谠O(shè)計(jì)單片機(jī)復(fù)位時(shí)，選用上電復(fù)位。上電復(fù)位利用電容器的充電實(shí)現(xiàn)。圖3.8是AT89C51單片機(jī)的上電復(fù)位電路。圖中給出了復(fù)位電路參數(shù)。上電要求接通電源后，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位操作。上電瞬間RST引腳獲得高電平，隨著電容的充電，RST引腳的高電平將逐漸下降。RST引腳的高電平只要能保持足夠的時(shí)間（2個(gè)機(jī)器周期），單片機(jī)就可以進(jìn)行復(fù)位操作。該電路典型的電容參數(shù)為：晶振為12MHZ，電容值為1uF。圖3.8單片機(jī)復(fù)位電路圖3.2外圍接口電路的設(shè)計(jì)3.2.1ADC0808轉(zhuǎn)換器的介紹ADC0808是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行?！獢?shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開(kāi)關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。（1）主要特性：1、8路輸入通道，8位A／D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。2、具有轉(zhuǎn)換起停控制端。3、轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs4、單個(gè)＋5V電源供電5、模擬輸入電壓范圍0～＋5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。6、工作溫度范圍為-40～＋85攝氏度7、低功耗，約15mW。（2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)：ADC0808是CMOS單片型逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，它由8路模擬開(kāi)關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開(kāi)關(guān)樹(shù)型D／A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近（3）外部特性（引腳功能）ADC0808芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖所示。下面說(shuō)明各引腳功能。圖3.9ADC0808芯片的引腳圖IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端。2-1～2-8：8位數(shù)字量輸出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。START：A／D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少100ns寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換）。EOC：A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開(kāi)輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。Vcc：電源，單一＋5V。GND：接地。3.2.2ADC0808轉(zhuǎn)換器和AT89C51單片機(jī)的接口電路A/D轉(zhuǎn)換器把0-5V電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成8位的二進(jìn)制數(shù)輸入單片機(jī)，電壓信號(hào)為0V時(shí)轉(zhuǎn)換器為00000000（00H），電壓信號(hào)為5V時(shí)轉(zhuǎn)換器為1111111（FFH）在設(shè)計(jì)仿真中電壓大于3.1V時(shí)啟動(dòng)報(bào)警電路報(bào)警。A/D轉(zhuǎn)換器電路圖如下所示圖3.10AD轉(zhuǎn)換器與AT89C51的接口電路圖3.2.3聲音報(bào)警電路聲音報(bào)警電路圖如圖所示。報(bào)警裝置采用蜂鳴器較一般的蜂鳴器體積大，聲音響亮，適用于家用燃?xì)鈭?bào)警器的報(bào)警聲音源。當(dāng)單片機(jī)AT89C51的8腳(P3.7)置1時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警。圖3.11聲音報(bào)警電路圖3.2.4燈光報(bào)警電路燈光報(bào)警電路圖如圖所示。單片機(jī)AT89C51的1腳(P1.0)控制輸出的狀態(tài)指示燈。紅燈不亮表示正常狀態(tài)，環(huán)境中可燃?xì)怏w濃度極低。紅燈閃亮表示環(huán)境中可燃煙霧濃度超過(guò)報(bào)警限值，提醒用戶盡快采取相應(yīng)安全措施。當(dāng)煙霧濃度超過(guò)報(bào)警限，報(bào)警器發(fā)出鳴叫，用戶到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，可進(jìn)行操作停止報(bào)警器鳴叫。若過(guò)一點(diǎn)時(shí)間濃度仍超出報(bào)警限，報(bào)警器會(huì)再次鳴叫提醒用戶。圖3.12燈光報(bào)警電路圖3.3總電路設(shè)計(jì)根據(jù)要求，設(shè)計(jì)中我們選用AT89C51單片機(jī)。AT89C51單片機(jī)的主控電路包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路。兩電路的接法在前面分別做了介紹，這里不再贅述。而傳感器是將非電量需要轉(zhuǎn)換成與非電量有一定關(guān)系的電量。當(dāng)今信息時(shí)代，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的非速發(fā)展，自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)控制技術(shù)顯露非凡的能力，而大多數(shù)設(shè)備只能處理電信號(hào)，也就需要把被測(cè)，被控非電量的信息通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)?？梢?jiàn)，傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。沒(méi)有傳感器對(duì)原始信息進(jìn)行精確可靠的捕捉和轉(zhuǎn)換，就沒(méi)有現(xiàn)代自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。沒(méi)有傳感器就沒(méi)有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展。設(shè)計(jì)中，傳感器我們選擇的是MQ-2型氣體傳感器連接在A/D轉(zhuǎn)換器的輸入接口。我們將主控電路和外圍接口電路（AT89C51與A/D轉(zhuǎn)換器的接口電路、AT89C51與聲光報(bào)警電路）連接起來(lái)，就得到了基于AT89C51的氣體報(bào)警總電路圖。當(dāng)外部環(huán)境（氣體濃度）達(dá)到一定值時(shí)，氣體傳感器就會(huì)產(chǎn)生模擬電壓，將它作為輸出的模擬信號(hào)經(jīng)ADC0808轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為AT89C51單片機(jī)所能識(shí)別的數(shù)字電壓量。通過(guò)檢測(cè)信號(hào)。當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，經(jīng)程序設(shè)定就會(huì)驅(qū)動(dòng)AT89C51單片機(jī)的P1.7和P1.0。而P1.7和P1.0是與聲光報(bào)警電路相連接的。綜上所述，得出總電路圖如圖所示：圖3.13燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)總電路圖 第4章燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)4.1主程序設(shè)計(jì)流程與編程C語(yǔ)言是一種編譯型程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它兼顧了多種高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，并具備匯編語(yǔ)言的功能。C語(yǔ)言有功能豐富的庫(kù)函數(shù)、運(yùn)算速度快、編譯效率高、有良好的可移植性，而且可以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件的控制。C語(yǔ)言是一種結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它支持當(dāng)前程序設(shè)計(jì)中廣泛采用的由頂向下結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)技術(shù)。此外，C語(yǔ)言程序具有完善的模塊程序結(jié)構(gòu)，從而為軟件開(kāi)發(fā)中采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法提供了有力的保障。因此，使用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)已成為軟件開(kāi)發(fā)的一個(gè)主流。用C語(yǔ)言來(lái)編寫目標(biāo)系統(tǒng)軟件，會(huì)大大縮短開(kāi)發(fā)周期，且明顯地增加軟件的可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充，從而研制出規(guī)模更大、性能更完備的系統(tǒng)，用C語(yǔ)言進(jìn)行單片機(jī)程序設(shè)計(jì)是單片機(jī)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的必然趨勢(shì)。所以作為一個(gè)技術(shù)全面并涉足較大規(guī)模的軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的單片機(jī)開(kāi)發(fā)人員最好能夠掌握基本的C語(yǔ)言編程。使用C語(yǔ)言肯定要使用到C編譯器，以便把寫好的C程序編譯為機(jī)器碼，這樣單片機(jī)才能執(zhí)行編寫好的程序。4.1.1主程序設(shè)計(jì)流程圖主程序流程圖如圖所示。首先要給傳感器預(yù)熱三分鐘，因?yàn)镸Q-2型半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器在不通電存放一段時(shí)間后，再次通電時(shí)，傳感器不能立即正常采集煙霧信息，需要一段時(shí)間預(yù)熱。程序初始化結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。本論文的主程序設(shè)計(jì)先對(duì)傳感器預(yù)熱三分鐘，預(yù)熱同時(shí)，對(duì)傳感器加熱絲故障檢測(cè)，采用軟件方式檢測(cè)傳感器加熱絲或電纜線是否斷線或者接觸不良。AT89C51單片機(jī)對(duì)傳感器檢測(cè)的氣體濃度信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將濃度值與報(bào)警限設(shè)定值相比較，判斷是否報(bào)警。主程序還包括狀態(tài)指示燈及聲音報(bào)警功能設(shè)置，使報(bào)警器功能更加完善，給用戶帶來(lái)便利。系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化程序開(kāi)始采集傳感器電壓處理傳感器電壓判斷天然氣濃度是否超標(biāo)發(fā)出聲光報(bào)警圖4.1主程序流程4.1.2主程序的編程#include<reg52.h>#include<intrins.h>typedefunsignedcharuchar;typedefunsignedintuint;#defineAlarm_Gate320//報(bào)警門限，320表示傳感器的電壓超過(guò)3.2V報(bào)警，標(biāo)定值sbitIO_Speaker=P1^0; //聲音報(bào)警驅(qū)動(dòng)IO口 低電平有效sbitIO_Alarm=P1^1;//燈光報(bào)警驅(qū)動(dòng)IO口sbitIO_Run=P1^2; //系統(tǒng)運(yùn)行指示燈驅(qū)動(dòng)IO口//ADC0808相關(guān)IO口sbitSTART=P3^5;sbitEOC=P3^6;sbitOE=P3^7;sbitADDA=P3^4;sbitADDB=P3^3;sbitADDC=P3^2;ucharAD_Value; //AD轉(zhuǎn)換值uintSensor_vol;//傳感器電壓//=========長(zhǎng)延時(shí)==============voidDelay_ms(unsignedintms){ unsignedinti,j; for(i=0;i<ms;i++) { for(j=0;j<1200;i++) { ; } }}//==========================================//函數(shù)：voidADC0808(void)//功能：完成ADC808的AD轉(zhuǎn)換//==========================================voidADC0808(void){START=0;//AD轉(zhuǎn)換初始化OE=0;ADDA=0;//ADDB=0;//ADDA、ADDB、ADDC設(shè)置采集信號(hào)的輸入通道，000--對(duì)應(yīng)為采集IN0電壓值（如使用其他通道可以修改此值）ADDC=0;//START=1;//啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換;START=0;while(!EOC);//等待AD轉(zhuǎn)換完成OE=1;AD_Value=P2;//取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果OE=0;}//===========主函數(shù)=========================voidmain(void){ uchartemp=0; EA=1; //開(kāi)總中斷 EX0=1;//開(kāi)外部中斷0 while(1) { ADC0808();//調(diào)用ADC0808，采集模擬電壓值 Sensor_vol=500*AD_Value/256;//將采集的傳感器電壓的AD值轉(zhuǎn)換為實(shí)際的電壓值 if(Sensor_vol>Alarm_Gate) //判斷傳感器的電壓信號(hào)是否超過(guò)安全門限值 { IO_Speaker=0; //超過(guò)安全門限值啟動(dòng)聲音報(bào)警 IO_Alarm=0; //超過(guò)安全門限值啟動(dòng)燈光報(bào)警 } else { IO_Speaker=1; //低于安全門限值關(guān)閉聲音報(bào)警 IO_Alarm=1; //低于安全門限值關(guān)閉燈光報(bào)警 } Delay_ms(200); }}4.2程序調(diào)試KeilC51是美國(guó)Keil

Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。用過(guò)匯編語(yǔ)言后再使用C來(lái)開(kāi)發(fā)，體會(huì)更加深刻。KeilC51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到Keil

C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。KEILC51標(biāo)準(zhǔn)C編譯器為80C51微控制器的軟件開(kāi)發(fā)提供了C語(yǔ)言環(huán)境,同時(shí)保留了匯編代碼高效,快速的特點(diǎn)。C51編譯器的功能不斷增強(qiáng)，更加貼近CPU本身，及其它的衍生產(chǎn)品。C51已被完全集成到uVision2的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中，這個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境包含：編譯器，匯編

器，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，項(xiàng)目管理器，調(diào)試器。uVision2

IDE可為它們提供單一而靈活的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

4.2.1程序調(diào)試的步驟(1)源文件的建立：使用菜單“File-New”或者點(diǎn)擊工具欄的新建文件按鈕，即可在項(xiàng)目窗口的右側(cè)打開(kāi)一個(gè)新的文本編輯窗口，在該窗口中輸入?yún)R編語(yǔ)言源程序（4.1.2小節(jié)所示）。保存該文件，加上擴(kuò)展名（.c），這里將文件保存為天燃?xì)?c。（2）建立工程文件：點(diǎn)擊“Project-NewProject”菜單，出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框，要求給工程起一個(gè)名字，我們輸入天燃?xì)?不需要擴(kuò)展名，點(diǎn)擊保存按鈕，出現(xiàn)第二個(gè)對(duì)話框。這個(gè)對(duì)話框要求選擇目標(biāo)CPU（即我們所使用的芯片型號(hào)AT89C51）點(diǎn)擊ATMEL前面的“+”號(hào)，展開(kāi)該層，點(diǎn)擊其中的89C51，然后點(diǎn)擊確定按鈕?；氐街鹘缑妫藭r(shí)，在工程窗口的文件頁(yè)中，出現(xiàn)了“Target1”，前面有“+”號(hào)，點(diǎn)擊“+”展開(kāi)，可以看到下一層的“SourceGroup1”,這時(shí)的工程還是一個(gè)空工程，里面什么文件也沒(méi)有，需要手動(dòng)把剛才編寫好的源程序加入，點(diǎn)擊“SouceGroup”使其反白顯示，然后，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，出現(xiàn)一個(gè)下拉菜單。選中其中的“AddfiletoGroup”SouceGroup1”，對(duì)話框，要求尋找源文件，注意該對(duì)話框下面的“文件類型“默認(rèn)為CSoucefile(*.c),也就是以C為擴(kuò)展名的文件。雙擊燃?xì)?c文件，將文件加入項(xiàng)目，注意，在文件加入項(xiàng)目后，該對(duì)話框并不消失，等待繼續(xù)加入其他文件，但初學(xué)時(shí)常會(huì)認(rèn)為操作沒(méi)有成功而再次雙擊同一文件，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)對(duì)話框，提示你所選的文件以在列表中，此時(shí)點(diǎn)擊確定，返回前一對(duì)話框，然后，點(diǎn)擊”Close”即可返回主界面，返回后，點(diǎn)擊“SouceGoup1”前的加號(hào)，會(huì)發(fā)現(xiàn)燃?xì)?c文件以在其中。雙擊文件名，即打開(kāi)源程序。（3）工程的詳細(xì)設(shè)置：首先點(diǎn)擊左邊Project窗口的Target1,然后使用菜單“Proget-Optionfortarget‘target1’”即出現(xiàn)對(duì)工程設(shè)置的對(duì)話框，對(duì)這個(gè)對(duì)話框可謂非常復(fù)雜，共有8個(gè)頁(yè)面，要全部高清可不容易，好在絕大部分設(shè)置項(xiàng)取默認(rèn)值就行了。設(shè)置完成以后安確認(rèn)返回主界面，工程建立、設(shè)置完畢。（4）編譯、連接：在設(shè)置好工程后，既可以進(jìn)行編譯、連接。選擇菜單Project-Buildtarget,對(duì)當(dāng)前工程進(jìn)行連接，如果當(dāng)前文件已修改軟件會(huì)先對(duì)該文件進(jìn)行比阿尼，然后在連接以產(chǎn)生目標(biāo)代碼。編譯過(guò)程中的信息將出現(xiàn)在輸出窗口中的Build頁(yè)中，如果源程序有語(yǔ)法錯(cuò)誤，會(huì)有錯(cuò)誤報(bào)告出現(xiàn)，雙擊該行，可以定到出錯(cuò)的位置，對(duì)源程序反復(fù)修改后，最終會(huì)得到如圖5-1所示的結(jié)果，提示獲得了名為燃?xì)?hex的文件，該文件即可被編程器讀入并寫到芯片中，同時(shí)還產(chǎn)生了一些其他相關(guān)文件可被用于KEIL的仿真與調(diào)試。4.2.2程序調(diào)試過(guò)程中的問(wèn)題及解決在進(jìn)入環(huán)境以后，有時(shí)會(huì)遇到了些問(wèn)題，總結(jié)如下：(1)在進(jìn)入Keil的調(diào)試環(huán)境以后，發(fā)現(xiàn)程序有錯(cuò)解決方法：將光標(biāo)定位于需要修改的程序上，用菜單，Debug》InlineAssambly…即可出現(xiàn)對(duì)話框，EnterNew后面的編輯框內(nèi)直接輸入需要修改的程序語(yǔ)句，輸入完之后鍵入回車將自動(dòng)指向下一條語(yǔ)句，可以繼續(xù)修改，如果不在需要修改，可以點(diǎn)擊右上角的關(guān)閉按鈕關(guān)閉窗口。（2）匯編出現(xiàn)數(shù)字、字母混淆解決方法：字母“O”和數(shù)字“0”的混淆（3）程序調(diào)試時(shí)，一些程序必須滿足一定的條件才能被執(zhí)行到解決方法：這些條件往往是異步發(fā)生或難以預(yù)先設(shè)定的，這類問(wèn)題使用的單步實(shí)行方法是很難調(diào)試的，這時(shí)就要使用程序調(diào)試中的另一種非常重要是方法斷點(diǎn)設(shè)置。斷點(diǎn)設(shè)置的方法有多種，常用的是在某一程序行設(shè)置斷點(diǎn)，設(shè)置好斷點(diǎn)后可以全速運(yùn)行程序，一旦執(zhí)行到該程序行即停止，可在此觀察有關(guān)變量值，以確定問(wèn)題所在。在程序行設(shè)置/移除斷點(diǎn)的方法是將光標(biāo)定位于需要設(shè)置斷點(diǎn)的程序行，使用菜單Debug/Insert/RemoveBreakPoint設(shè)置或移除斷點(diǎn)（也可以用鼠標(biāo)在該行雙擊實(shí)現(xiàn)同樣的功能）；Debug/Enable/DisableBreakPoint是開(kāi)啟或暫停光標(biāo)所在懂行的斷點(diǎn)功能；Dubug/DisaleAllBreakPoint暫停所有斷點(diǎn)；Debug/KillAllBreakPoint清除所有的斷點(diǎn)設(shè)置。這些功能也可以用工具條上的快捷鍵進(jìn)行設(shè)置。（