基于單片機(jī)的天然氣泄漏檢測系統(tǒng)設(shè)計完整

北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）PSEN就不需要被激活。EA/VPP（31引腳）：訪問外部程序存儲器的控制管腳。為了使從外部程序存儲器的0000H到FFFFH讀取指令，EA必須接地。注意加密方式1時，EA將內(nèi)部鎖定位RESET。若是執(zhí)行內(nèi)部的程序指令，EA需要接VCC。XTAL1（19引腳）：振蕩器反相放大器和時鐘發(fā)生電路的輸入管腳。XTAL2（18引腳）：振蕩器反相放大器的輸出端。振蕩器特性:XTAL1和XTAL2分別是反向放大器的輸入輸出端。該反向放大器可以被配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩都可以被采用。若采用的是外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2則不能接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻的觸發(fā)器，所以說對外部時鐘信號的脈寬沒有任何要求，但必須要保證脈沖的高低電平所要求的寬度。P3口除作為一般I/O口外，還有其他一些復(fù)用功能，如表3.2所示：表3.2P3口管腳管腳配置功能P3.0RXD（串行輸入端口）P3.1TXD（串行輸出端口）P3.2INT0（外部中斷0端口）P3.3INT1（外部中斷1端口）P3.4T0（定時器0的外部輸入）P3.5T1（定時器1的外部輸入）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲區(qū)間的寫入端口）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲區(qū)間的讀取端口）如圖3.3，由USB接口提供電源，VCC接5V電壓，GND接地構(gòu)成電源模塊。圖3.3電源模塊如圖3.4，天然氣信號采集部分是由氣敏傳感器MQ-4、AD轉(zhuǎn)換器組成。圖3.4信號采集部分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?xì)怏w時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w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。MQ-4氣體傳感器對液化氣、甲烷、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)用的低成本傳感器。表3.3MQ-4材料組成部件材料1氣體敏感層二氧化錫2電極金（Au）3測量電極引線鉑（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基座膠木或尼龍圖3.5MQ-4基本電路MQ-4基本電路中有如公式3.5：（3.1）濃度與電壓的關(guān)系函數(shù)如公式3.2：濃度=(0.7-(10-10*ADdata)/1.4*14.43*ADdata)10^4（ppm）（3.2）3.5.1A/D轉(zhuǎn)換電路MQ-4傳感器采集到的電壓信號接單片機(jī)P1.1。圖3.6A/D轉(zhuǎn)換部分3.5.2A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0832ADC0832是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性，性價比高而深受單片機(jī)愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。學(xué)習(xí)并使用ADC0832可是使我們了解A/D轉(zhuǎn)換器的原理，有助于我們單片機(jī)技術(shù)水平的提高。ADC0832具有以下特點：8位分辨率；逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器；雙通道A/D轉(zhuǎn)換；輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容；5V電源供電時輸入電壓在0～5V之間；工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時間為32μS；一般功耗僅為15mW；8P、14P—DIP（雙列直插）、PICC多種封裝；商用級芯片溫寬為0°Cto+70°C，工業(yè)級芯片溫寬為?40°Cto+85°C。如圖3.7，ADC0832芯片頂視圖：圖3.7ADC0832頂視圖芯片接口說明：CS_片選使能，低電平芯片使能。CH0模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用。CH1模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用。GND芯片參考0電位（地）。DI數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制。DO數(shù)據(jù)信號輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。CLK芯片時鐘輸入。Vcc/REF電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）。圖3.8MQ-4氣敏的靈敏度特性其中X軸表示外界可燃?xì)怏w的濃度，Y軸表示變化內(nèi)阻與固定電阻的值（Rs/Ro）。Rs：元件在不同氣體，不同濃度下的電阻值。Ro:元件在潔凈空氣中的電阻值。(Ro=14.43K)采集到的數(shù)字信號經(jīng)過單片機(jī)計算后，如果天然氣濃度達(dá)到報警器設(shè)置的臨界點時，單片機(jī)將控制蜂鳴器報警，同時LED亮。LED的正極與PNP三極管的集電極c相連，負(fù)極接2K電阻后接地。蜂鳴器采用PNP三極管來驅(qū)動，三極管發(fā)射極e接電源正極（+5V），基極接1K電阻后接單片機(jī)P3.4端，集電極接蜂鳴器，通過蜂鳴器后接地。圖3.9聲光報警電路3.8.1LED的綜述在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，為了便于人們觀察和監(jiān)視單片機(jī)的運(yùn)行情況，常常需要用顯示器顯示運(yùn)行的中間結(jié)果、狀態(tài)等信息，因此顯示器也是不可缺少的外部設(shè)備之一。LED顯示屏是八十年代后期在全球迅速發(fā)展起來的新型信息顯示媒體，顯示屏由幾萬到幾十萬個半導(dǎo)體發(fā)光二極管像素點均勻排列組成。利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素點。目前應(yīng)用最廣的是紅色、綠色、黃色。而藍(lán)色和純綠色LED的開發(fā)已經(jīng)達(dá)到了實用階段。LED顯示屏可以顯示變化的數(shù)字、文字、圖形圖像；不僅可以用于室內(nèi)環(huán)境還可以用于室外環(huán)境，具有投影儀、電視墻、液晶顯示屏無法比擬的優(yōu)點。

在短短的十來年中，LED點陣顯示屏就以亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定的優(yōu)點迅速成長為平板顯示的主流產(chǎn)品，在信息顯示領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。LED的發(fā)展前景極為廣闊，目前正朝著更高亮度、更高耐氣候性、更高的發(fā)光密度、更高的發(fā)光均勻性、可靠性、全色化方向發(fā)展。LED顯示屏的應(yīng)用涉及社會經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域，主要包括：證券交易、金融信息顯示。（2）機(jī)場航班動態(tài)信息顯示。（3）港口、車站旅客引導(dǎo)信息顯示。（4）體育場館信息顯示。（5）道路交通信息顯示。（6）調(diào)度指揮中心信息顯示。（7）郵政、電信、商場購物中心等服務(wù)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)宣傳及信息顯示。（8）廣告媒體新產(chǎn)品等。3.8.2LED的結(jié)構(gòu)LED數(shù)碼管顯示器是由發(fā)光的二極管顯示字段組成的。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用最多的就是七段LED數(shù)碼管，有共陰極和共陽極兩種。七段LED數(shù)碼管顯示器有8個發(fā)光二極管，其中從a~g管腳輸入顯示代碼，可顯示不同的數(shù)字或字符，Dp顯示小數(shù)點。共陰極LED數(shù)碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管陰極，通常接地，當(dāng)發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮。共陽極的LED數(shù)碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管的陽極，通常接+5V電源，當(dāng)發(fā)光二極管的陰極為低電平時，發(fā)光二極管點亮。本設(shè)計的顯示采用LED數(shù)碼管動態(tài)掃描來顯示。1個3位的共陽極LED數(shù)碼管組成3位顯示上次測量的數(shù)據(jù)。單片機(jī)的P0口控制顯示字型，P2口控制顯示字位。顯示電路如圖3.10。圖3.10顯示電路3.8.3LED數(shù)碼管的顯示方法靜態(tài)顯示方式是指當(dāng)顯示器顯示某一字符時，發(fā)光二極管的位選始終被選中。在這種顯示方式下，每一個LED數(shù)碼管顯示器都需要一個8位的輸出口進(jìn)行控制。由于單片機(jī)本身提供的I/O口有限，實際使用中，通常通過擴(kuò)展I/O口的形式解決輸出口數(shù)量不足的問題。靜態(tài)顯示主要的優(yōu)點是顯示穩(wěn)定，在發(fā)光二極管導(dǎo)通電流一定的情況下顯示器的亮度大，系統(tǒng)運(yùn)行過程中，在需要更新顯示內(nèi)容時，CPU才去執(zhí)行顯示更新子程序，這樣既節(jié)約了CPU的時間，又提高了CPU的工作效率。其不足之處是占用硬件資源較多，每個LED數(shù)碼管需要獨占8條輸出線。隨著顯示器位數(shù)的增加，需要的I/O口線也將增加。動態(tài)顯示方式是指一位一位地輪流點亮每位顯示器（稱為掃描），即每個數(shù)碼管的位選被輪流選中，多個數(shù)碼管公用一組段選，段選數(shù)據(jù)僅對位選選中的數(shù)碼管有效。對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點亮?xí)r間和間隔時間的比例有關(guān)。通過調(diào)整電流和時間參數(shù)，可以既保證亮度，又保證顯示。若顯示器的位數(shù)不大于8位，則顯示器的公共端只需一個8位I/O口進(jìn)行動態(tài)掃描（稱為掃描口），控制每位顯示器所顯示的字形也需一個8位口（稱為段碼輸出）。通過比較，我們可以發(fā)現(xiàn)LED靜態(tài)顯示更加適合本設(shè)計，所以采用此方法。單片機(jī)在啟動時都需要復(fù)位，以使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。52系列單片機(jī)的復(fù)位信號是從RST引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個高電平并維持2個機(jī)器周期（24個振蕩周期）以上，則CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。圖3.11復(fù)位電路STC89C52單片機(jī)的最小系統(tǒng)由起振電路、復(fù)位電路、STC89C52芯片組成。單片機(jī)接+5V電源；晶體振蕩器頻率為12MHz（11.0592MHz），晶振的兩個引腳分別連接在單片機(jī)的XTAL1和XTAL2端，晶振的兩端再分別連接一個30pF電容后接地；復(fù)位電路經(jīng)電源正極（+5V）接10uF電容后接10k歐姆電阻接地，單片機(jī)復(fù)位端RST接在電容和電阻之間。本次設(shè)計電路中加入4個按鍵，用于人為報警和設(shè)置報警的上限值。按鍵分別接單片機(jī)P1.4、P1.5、P1.6、P1.7端。S1是數(shù)字鍵加，S2是數(shù)字鍵減，S3是確認(rèn)鍵，S4是模擬報警鍵，當(dāng)按下S4時蜂鳴器報警，LED亮；再次按下S4用來取消報警。圖3.12最小系統(tǒng)及按鍵電路程序流程圖如圖4.1所示，軟件設(shè)計包含AD采樣程序、數(shù)據(jù)處理程序、數(shù)碼管顯示程序、按鍵掃描程序、系統(tǒng)報警程序。開始開始初始化天然氣濃度采集AD轉(zhuǎn)換采集數(shù)據(jù)≥設(shè)定值聲光報警報警子程序結(jié)束數(shù)碼管顯示NY圖4.1程序設(shè)計流程圖STC89C52單片機(jī)對ADC0832傳送的氣體濃度信號進(jìn)行處理，將濃度值與報警限設(shè)定值相比較，判斷是否報警。對采集的數(shù)字信號進(jìn)行處理和判斷，運(yùn)用一定的算法計算出待檢測氣體成分及濃度并送到數(shù)碼管顯示器顯示出來。當(dāng)檢測氣體濃度低于設(shè)定報警閥值的時候，數(shù)碼管顯示器僅僅顯示測得的可燃?xì)怏w濃度；當(dāng)檢測氣體濃度超出設(shè)定報警閥值時給出聲光報警。在程序設(shè)計上我采用的是C語言編程。C語言是一種編譯型程序設(shè)計語言，它兼顧了多種高級語言的特點，并具備匯編語言的功能。C語言擁有功能豐富的庫函數(shù)，運(yùn)算速度快、編譯效率高，有良好的可移植性，可以直接對系統(tǒng)硬件實現(xiàn)控制。C語言是一種結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計語言，它支持目前程序設(shè)計中被廣泛采用的由頂向下的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計。此外，C語言程序還具有完善的模塊程序結(jié)構(gòu)，從而為軟件設(shè)計中采用的模塊化程序設(shè)計方法提供了有力的保障。因此，使用C語言進(jìn)行程序設(shè)計已成為軟件開發(fā)的一個主流。用C語言來編寫目標(biāo)系統(tǒng)軟件，會大大縮短開發(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語言進(jìn)行單片機(jī)程序設(shè)計是單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用的必然趨勢。所以一個技術(shù)全面并涉足較大規(guī)模的軟件系統(tǒng)開發(fā)的單片機(jī)開發(fā)人員最好能夠掌握基本的C語言編程。編寫C語言要使用到C編譯軟件，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。在系統(tǒng)調(diào)試階段我是分模塊分階段進(jìn)行的。我先調(diào)試的是氣體濃度檢測部分，該部分就是把模擬量變成數(shù)字量，其原理和數(shù)字電壓表的設(shè)計是一樣的。所以該部分的系統(tǒng)調(diào)試在設(shè)計數(shù)字電壓表的原理基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)試的。然后調(diào)試數(shù)碼管顯示器，首先通過按鍵對報警閾值進(jìn)行設(shè)置，最后把氣體濃度與按鍵值統(tǒng)籌在一起就組成了報警閾值調(diào)節(jié)部分。然后添加進(jìn)語音報警、聲光報警。經(jīng)過不斷的實驗測試，形成了系統(tǒng)整體程序。在設(shè)計好硬件的基礎(chǔ)上，下載程序。系統(tǒng)通上電，報警限顯示為18ppm，按動上下鍵可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。將打火機(jī)排出的氣體對準(zhǔn)傳感器時，顯示屏上的氣體濃度立即不斷升高；當(dāng)氣體濃度上升到報警限時，聲光報警器立即開啟，并開始語音提醒：鄧曉佳提醒您，存在安全隱患，請您注意。氣體檢測報警器可保障生產(chǎn)與生活的安全，避免火災(zāi)和爆炸事故以及煤氣中毒的發(fā)生，它是防火、防爆和安全生產(chǎn)所必備的儀器，具有廣闊的市場空間與發(fā)展前景。本文設(shè)計的天然氣泄漏檢測報警系統(tǒng)采用性價比很高的STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，利用其強(qiáng)大的處理能力和較豐富的外圍接口，合理選用I/O端口，較好地完成了天然氣泄漏檢測報警系統(tǒng)的設(shè)計。本論文設(shè)計的氣體報警器由氣體信號采集電路與單片機(jī)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-4型半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器。該傳感器是對以烷類氣體為主的多種氣體有良好敏感特性的廣譜型半導(dǎo)體敏感器件。它的靈敏度適中，具有響應(yīng)與恢復(fù)特性好，長期工作穩(wěn)定性、重現(xiàn)性、不易受環(huán)境影響及抗溫濕度影響等優(yōu)點。

本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對空氣中天然氣濃度的實時監(jiān)測并顯示，當(dāng)檢測氣體濃度低于設(shè)定報警閾值的時候，數(shù)碼管顯示器僅僅顯示測得的可燃?xì)怏w濃度；當(dāng)檢測氣體濃度超出設(shè)定報警閾值時給出聲光報警。該設(shè)計的天然氣泄漏檢測報警系統(tǒng)的綜合功能遠(yuǎn)高于市面上的天然氣報警系統(tǒng)，減少誤報關(guān)閥的困擾。本設(shè)計在電路方案采用模塊化設(shè)計，可以方便實現(xiàn)功能擴(kuò)展，從而滿足特殊應(yīng)用領(lǐng)域中的功能和可靠性需求。在下一步的工作中，可將GPRS模塊的功能進(jìn)行設(shè)計改善，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享，也可以在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加上手機(jī)遠(yuǎn)程控制防火滅火報警燈功能。在元件及調(diào)制方面，由于采用的電路使用了很多集成電路。外圍元件不是很多，所以調(diào)試不太難。電路中除集成電路外，對各電子元件也無特別要求。未來的時代是個物聯(lián)網(wǎng)時代，等我具備編寫電腦軟件的能力后，我會開發(fā)出對天然氣檢測報警的聯(lián)網(wǎng)控制，從而可以與消防隊進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。[1]高凌云，諶海云，林立憑．基于89C52的煤氣泄露監(jiān)測與報警系統(tǒng)設(shè)計[J]．中國儀器儀表，2012，12(11)：70-72.[2]秦龍主編．MSP430單片機(jī)常用模塊與綜合系統(tǒng)實例精講[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2010.[3]趙建領(lǐng)．51單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)詳解

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R

C．

Improved

Digital

Tachometer

with

Reduced

Sensitivity

to

Sensor

Nonideality[M]．IEEE

Trans．Ind.

Elect

ron，2010，47(4)：890-897.#include<reg52.h>//包含頭文件，一般情況不需要改動，//頭文件包含特殊功能寄存器的定義#include<intrins.h>//Keillibrary#include<math.h>//Keillibrary#include<stdio.h>//Keillibrary#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineulongunsignedlong#defineK_MG_MV120/66unsignedcharcodedispcode0[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};//顯示段碼值0~9,不包含DP點ucharcodetable1[]={0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10};//顯示段碼值0~9,包含DP點ucharcodetable3[]={0x89,0xC7};//HLsbitbADcs=P1^2;sbitbADcl=P1^0;sbitbADda=P1^1;sbitLED0=P0^1;//定義第0個數(shù)碼管sbitLED1=P0^3;//定義第1個數(shù)碼管sbitLED2=P0^5;//定義第2個數(shù)碼管sbitLED3=P0^7;//定義第3個數(shù)碼管sbitalarm=P3^3;//蜂鳴器接口sbitkey_up=P1^4;//數(shù)字鍵加+sbitkey_down=P1^5;//數(shù)字鍵減-sbitkey_ok=P1^6;//確認(rèn)鍵sbitkey_manual=P1^7;//模擬手動報警和解除報警按鍵bitSetUpFlag=0;bitset_manual=0;ucharkey_manual_num=0;ulonggas_uplimit=150;/********定義變量*********/unsignedchardata1;unsignedcharcount;unsignedcharcycle;unsignedlongdata2;long Value,num=0;uchar temp,getdata;ucharjian,bai,shi,ge;uchartime_ms1;//微秒顯示函數(shù)voidDelayus(uchari){while(--i);}//毫秒顯示函數(shù)voiddelay1ms(uintz){ uintx,y; for(x=z;x>0;x--) for(y=110;y>0;y--);}voidad(void)//ad采樣函數(shù){uchari;//data1=0;bADcs=0;//當(dāng)ADC0832未工作時其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時芯片禁用. bADcl=0; bADda=1; bADcl=1; bADcl=0;//idown bADda=1; bADcl=1; bADcl=0; //2down bADda=0; bADcl=1; bADcl=0; //3down bADda=1; bADcl=1; bADcl=0; //4down for(i=8;i>0;i--) { data1<<=1; bADcl=0; bADcl=1; if(bADda==1)data1|=0x01; bADda=1; } bADcs=1; } voidcal()//計算把采樣到的值轉(zhuǎn)換成實際電壓值{ Value=data1*1.0/256*500; Value=Value*K_MG_MV; Value=Value-5; if(Value<0)Value=0;}voiddisplay_temp(intValue){temp=(uchar)(Value/1000);//分離千分位 jian=temp; temp=(uchar)((Value%1000)/100); //分離百分位 bai=temp; temp=(uchar)((Value%100)/10);//分離十位 shi=temp; temp=(uchar)(Value%10);//分離個位 ge=temp;//////////////////////////////////////////////////先顯示個位////////////LED0=1; LED1=0; LED2=0; LED3=0;P2=dispcode0[ge];delay1ms(5);/////////////接著顯示十位/////////LED0=0; LED1=1; LED2=0; LED3=0;P2=dispcode0[shi];delay1ms(5); ////////////////////////////////// /////////////再接著顯示百位//// LED0=0; LED1=0; LED2=1; LED3=0;P2=dispcode0[bai];delay1ms(5);/////////////////////////// if(key_up==0) { delay1ms(10); if(key_up==0) { SetUpFlag=1; gas_uplimit++; if(gas_uplimit==999)gas_uplimit=0; while(!key_up);//等待按鍵釋放 } }///////////////////////////////////////////////////////////// if(key_down==0) { delay1ms(10); if(key_down==0) { SetUpFlag=1; gas_uplimit--; if(gas_uplimit==0)gas_uplimit=999; while(!key_down);//等待按鍵釋放 } }///////////////////////////////////////////////////////////// if(key_ok==0) { delay1ms(10); if(key_ok==0) { SetUpFlag=0; while(!key_ok);//等待按鍵釋放 } }//////////////////////////////////}voidmanual_simulate(){ if(key_manual==0) { delay1ms(10); if(key_manual==0) {TR1=0;key_manual_num++; set_manual=1; alarm=0; if(key_manual_num==2) { alarm=1; TR1=1;set_manual=0; key_manual_num=0; } while(!key_manual);//等待按鍵釋放 } }}voidAlarm_Limit(){if(Value>=gas