基于單片機(jī)的室內(nèi)天然氣(煤氣、液化氣)濃度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

編號(hào)：本科畢業(yè)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的室內(nèi)天然氣濃度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)院系：信息工程學(xué)院姓名：***學(xué)號(hào)：0935140102專業(yè)：通信工程年級(jí)：2023級(jí)指導(dǎo)教師：***職稱：副教授完成日期：2023年5月摘要隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速開展，人們對(duì)生活質(zhì)量的提高和生活環(huán)境的改善越來(lái)越重視。天然氣作為一種清潔型能源進(jìn)入家庭得到廣泛使用為人們的生活帶來(lái)了方便，但同時(shí)也帶來(lái)了潛在的危險(xiǎn)，天然氣在使用過(guò)程中，假設(shè)管道和閥門密封不好，一旦泄漏出去極易爆炸，危及人們的生命財(cái)產(chǎn)平安。鑒于這些原因，對(duì)于天然氣的檢測(cè)與控制就變得異常重要了，研究天然氣濃度的檢測(cè)報(bào)警與控制也隨之成為一個(gè)重要課題。本設(shè)計(jì)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)的天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)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)警系統(tǒng)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)家庭天然氣泄漏的檢測(cè)與報(bào)警，系統(tǒng)主要以半導(dǎo)體氣體傳感器為研究對(duì)象，以單片機(jī)為核心構(gòu)成一個(gè)具備數(shù)據(jù)采集、對(duì)象控制、結(jié)果顯示等功能的完整系統(tǒng)。該系統(tǒng)分別控制報(bào)警燈、蜂鳴器及開啟排風(fēng)扇和切斷電磁閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣泄漏的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及控制，程序?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)。關(guān)鍵詞：氣體傳感器；單片機(jī)；數(shù)據(jù)采集AbstractWiththerapiddevelopmentofeconomyandthesciencetechnology,peoplepaymoreandmoreattentiontothequalityoflifeandtheimprovementoflivingenvironment.Naturalgasarewidelyusedinourdailylifeandbringsconvenienceforpeople’slivesasacleanerfuel,butalsobringspeoplewiththepotentialdangers.Ifnotsealedpipesandvalves,theyleaked,easilycausedbyfire，endangeringpeople'slivesandproperty.Forthereason，soitisveryimportantforustoinspectandcontrolthesenaturalgaswell.Anditisobviouslyveryimportanttostudyontheinspectionmethodsandsensorsofallkindsofgases.Thispaperstothesemiconductorgassensorsandsinglechipmicrocomputerasthecoredesigncanrealizethegasalarmsound-lightalarmfunctions,isakindofsimplestructure,stableperformance,easytouse,inexpensiveandintelligentgasalarm,hascertainpracticalvalue.Inthispaper,themaingasleakmeasurementandalarmsystemstothesemiconductorgassensorforthestudyinordertoconstituteasingle-chipmicrocomputerasthecorewithdataacquisition,objectcontrol,resultsshowedthatfeaturessuchasdatacommunicationsystemofintegrity.Thesystemcontrolthealarmlight，buzzerandcutofftheelectromagneticvalve,therealizationofthenaturalgasleakonthereal-timemonitoringandcontrol;proceduresreal-timemonitoringofsystemstate.Keywords:gassensor;singlechipmicrocontroller;dataacquisition目錄TOC\o"1-3"\h\u56581緒論 198671.1研究背景、目的和意義 165851.1.1研究的目的和意義 164911.1.2國(guó)內(nèi)外情況及其開展趨勢(shì) 1314621.2天然氣檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的簡(jiǎn)介 2125761.3本設(shè)計(jì)主要任務(wù) 2187662天然氣濃度檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 4117442.1設(shè)計(jì)要求 481312.1.1方案的選擇 4139522.1.2天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)的功能 429552.1.3系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 4259412.2氣體傳感器的選型 579732.2.1氣體傳感器介紹 5262052.2.2氣體傳感器的選定 751603天然氣檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 871983.1總體硬件設(shè)計(jì) 8156583.2單片機(jī)模塊的設(shè)計(jì) 8103513.2.1AT89S51介紹 9204333.2.2單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11247763.2.3AT89S51單片機(jī)的復(fù)位電路 1142213.3氣體傳感器MQ-4電路介紹 12127403.4險(xiǎn)情處置與LED顯示 1529738險(xiǎn)情處置單元 1521497LED顯示 15129224天然氣檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 1711124.1主程序設(shè)計(jì)流程圖 17207514.2Keil程序調(diào)試 17175754.3Proteus仿真 20149955軟件與硬件聯(lián)機(jī)調(diào)試 2333015.1硬件總體連接 23182085.2操作步驟 23236896結(jié)論262290參考文獻(xiàn) 2721244致謝 281917附錄 291緒論1.1研究背景、目的和意義1.1.1研究的目的和意義天然氣作為一種新型清潔型高效型能源近年來(lái)得到廣泛普及成為人民的首選燃料，但是當(dāng)它給人民帶來(lái)方便的同時(shí)也帶來(lái)了平安隱患。每一棟居民樓也被天然氣“籠罩〞，伴之而來(lái)的是天然氣泄漏引發(fā)的的爆炸、火災(zāi)等事故也時(shí)有發(fā)生。這在某種程度上增加了人民生命財(cái)產(chǎn)的不平安和不穩(wěn)定因素。為了使天然氣更好地效勞群眾效勞社會(huì)，減少各種因天然氣泄漏而引發(fā)的爆炸及火災(zāi)事故，各天然氣使用單位尤其是居民用戶選擇一種適當(dāng)?shù)奶烊粴鈾z測(cè)報(bào)警器十分重要,因此本設(shè)計(jì)對(duì)室內(nèi)天然氣檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行了研究。為了預(yù)防天然氣的泄漏切實(shí)保障人民平安，人們采取了各種措施。家用智能天然氣檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)是預(yù)防天然氣泄漏一種家用的自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警控制系統(tǒng)，也是一種高靈敏度的氣體探測(cè)器，一般都是應(yīng)用高靈敏度的氣敏元件作氣電轉(zhuǎn)換元件，并配以電路和聲光報(bào)警局部組成。當(dāng)泄漏的氣體到達(dá)危險(xiǎn)極限值時(shí)報(bào)警器就會(huì)發(fā)生鳴響和聲光報(bào)警。本設(shè)計(jì)主要針對(duì)傳統(tǒng)天然氣檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改良以滿足要求，具有如下特點(diǎn)：用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)并控制，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、價(jià)格適中、穩(wěn)定、增加了超出平安閾時(shí)自動(dòng)開啟排風(fēng)扇〔采用無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)保障平安〕和關(guān)閉管道電磁閥功能，而且采用氣敏傳感器及防爆型電磁閥，平安可靠，因此本系統(tǒng)也可作為智能家居系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)。1.1.2國(guó)內(nèi)外情況及其開展趨勢(shì)當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的可燃性氣體泄漏報(bào)警器與氣敏元件傳感器，已普及應(yīng)用于氣體泄漏檢測(cè)和監(jiān)控，僅用于平安保護(hù)家用天然氣泄漏報(bào)警器為例，不少西方興旺國(guó)家在法律上已經(jīng)明確規(guī)定家庭、公寓、餐廳、醫(yī)院、學(xué)校、工廠的必須按要求安裝報(bào)警器。國(guó)外可燃性氣體泄漏報(bào)警器開展很快，是由于人們平安意識(shí)很強(qiáng)，對(duì)環(huán)境平安性和生活舒適性要求較高；另一方面是由于燃?xì)庑孤﹫?bào)警器市場(chǎng)的增長(zhǎng)受到政府平安法規(guī)的推動(dòng)。因此，國(guó)外燃?xì)鈭?bào)警器技術(shù)得到了較快開展，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)在1996年—2002年就天然氣報(bào)警器的年均增長(zhǎng)率為27％～30％。在這些方面，國(guó)內(nèi)的平安意識(shí)有待增強(qiáng)。天然氣泄漏報(bào)警器的開展趨勢(shì)集中表現(xiàn)為，一是提高檢測(cè)靈敏度和工作性能，降低功耗和本錢，減小尺寸，簡(jiǎn)化電路，與應(yīng)用整機(jī)相結(jié)合，這也是燃?xì)庑孤﹫?bào)警器一直追求的目標(biāo)；二是增強(qiáng)可靠性，實(shí)現(xiàn)元件和應(yīng)用電路集成化，多功能化，開展MEMS技術(shù)，開展現(xiàn)場(chǎng)適用的變送器和智能型天然氣檢測(cè)氣報(bào)警器。如美國(guó)在天然氣泄漏報(bào)警器中嵌入微處理器，使燃?xì)庑孤﹫?bào)警器具有控制校準(zhǔn)和監(jiān)視故障狀況功能，實(shí)現(xiàn)了智能化、涉多功能化。1.2天然氣檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的簡(jiǎn)介天然氣檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)從功能上可分為僅有泄漏報(bào)警功能的泄漏報(bào)警系統(tǒng)和可以指示所檢測(cè)到的天然氣濃度并具有報(bào)警功能的檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)；從使用場(chǎng)所上可分為民用天然氣檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)和商用天然氣檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。民用天然氣檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)通常是獨(dú)立的在住宅中使用的天然氣檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，功能較簡(jiǎn)單；商用天然氣檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)主要使用天然氣的運(yùn)輸、儲(chǔ)存場(chǎng)所、使用天然氣和可能有天然氣泄漏的的工廠和公共場(chǎng)所。城市天然氣標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定地下室、半地下室、地上密閉空間的用氣房間、建筑的管道井、封閉計(jì)量表房等都要安裝天然氣檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。建筑和天然氣的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)也推薦使用民用天然氣檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。工業(yè)用固定式天然檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)由報(bào)警控制器和探測(cè)器組成，控制器可放置于值班室內(nèi)，主要對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行控制，探測(cè)器安裝于天然氣最易泄漏的地點(diǎn)，其核心部件為內(nèi)置的氣體傳感器，傳感器檢測(cè)空氣中氣體的濃度。探測(cè)器將傳感器檢測(cè)到的氣體濃度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)線纜傳輸?shù)娇刂破?，氣體濃度越高，電信號(hào)越強(qiáng)，當(dāng)氣體濃度到達(dá)或超過(guò)報(bào)警控制器設(shè)置的報(bào)警點(diǎn)時(shí)，報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并可啟動(dòng)電磁閥、排氣扇等外聯(lián)設(shè)備，自動(dòng)排除隱患。1.3本設(shè)計(jì)主要任務(wù)本設(shè)計(jì)主要研究并設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的家用天然氣檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，可對(duì)天然氣濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和監(jiān)控，從而使天然氣濃度超限時(shí)及時(shí)報(bào)警，而且還能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開啟和關(guān)閉排氣裝置和天然氣管道閥門。通過(guò)實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)的采集和聲光的報(bào)警控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)家庭天然氣的檢測(cè)與報(bào)警?？刂葡到y(tǒng)主要由AT89C51系列單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集電路、傳感器電路、顯示電路、聲光報(bào)警電路、緊急處理電路等局部組成。單片機(jī)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換8路傳感器來(lái)所得到的信號(hào)，進(jìn)行比擬處理，并且能夠存儲(chǔ)各個(gè)通道的報(bào)警上限和報(bào)警時(shí)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，并且在平安值內(nèi)，顯示當(dāng)前所測(cè)量值和設(shè)定值，超出平安值閾時(shí)產(chǎn)生聲光報(bào)警并立即啟動(dòng)排風(fēng)扇和關(guān)閉電磁閥，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)及報(bào)警作用。2天然氣濃度檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)要求2.1.1方案的選擇方案一:通過(guò)傳感器感受到天然氣，降低自身的阻值，來(lái)增大電流，并且驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。電路簡(jiǎn)單、可靠，但是靈活性和實(shí)用性較差。方案二:可以通過(guò)傳感器感知信號(hào)多級(jí)放大電路，并用電位器調(diào)節(jié)得到固定的電壓值，當(dāng)?shù)玫教烊粴庑盘?hào)時(shí)，電阻值立刻變小，放大器的放大倍數(shù)增加，電壓也就隨著增加，驅(qū)動(dòng)三極管導(dǎo)通報(bào)警電路。該方案有一定的靈活性和可執(zhí)性，但是電路比擬復(fù)雜，智能性較差。方案三:通過(guò)51系列單片機(jī)作為主控單元，并且能夠通過(guò)傳感器把模擬信號(hào)通過(guò)A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)中，單片機(jī)對(duì)此信號(hào)進(jìn)行處理后，送入顯示電路，實(shí)時(shí)顯示室內(nèi)天然氣濃度。當(dāng)室內(nèi)天然氣濃度超限〔即到達(dá)危險(xiǎn)濃度〕時(shí)，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，并翻開排風(fēng)扇、關(guān)閉天然氣管道電磁閥。綜合考慮以上三種方案，由于使用單片機(jī)設(shè)計(jì)靈活性更強(qiáng)、用途更寬廣，所以本設(shè)計(jì)采用方案三。2.1.2天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)的功能系統(tǒng)的主要功能如下：〔1〕實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；〔2〕檢測(cè)到天然氣泄漏時(shí)具有聲光報(bào)警功能；〔3〕根據(jù)天然氣泄漏狀況自動(dòng)關(guān)閉天然氣管道電磁閥并開啟排氣裝置。在本設(shè)計(jì)中，天然氣檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的主要功能就是快速準(zhǔn)確的檢測(cè)到室內(nèi)天然氣含量〔主要是甲烷氣體〕，并將甲烷氣體濃度顯示出來(lái)，當(dāng)氣體濃度到達(dá)一定門限值時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，為了提高實(shí)用性，系統(tǒng)還應(yīng)該具備根據(jù)具體環(huán)境和平安要求不同可以人工調(diào)節(jié)不同的平安閾閾值。為了實(shí)現(xiàn)以上功能：系統(tǒng)應(yīng)該具備氣體傳感器、數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)、數(shù)碼顯示、聲光報(bào)警單元、排風(fēng)扇和切斷閥。2.1.3系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)天然氣檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)如圖2-1所示，該系統(tǒng)以51單片機(jī)為核心，配合外圍電路共同完成信號(hào)采集、運(yùn)算放大、A/D轉(zhuǎn)換、CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、并具有聲光報(bào)警等功能。該系統(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，本錢低，有利于減少報(bào)警器的體積，降低報(bào)警器的本錢。氣體傳感器氣體傳感器A/D轉(zhuǎn)換器51單片機(jī)參數(shù)設(shè)置聲光報(bào)警險(xiǎn)情處置圖2-1天然氣檢測(cè)系統(tǒng)框圖系統(tǒng)工作流程為:氣體傳感器檢測(cè)室內(nèi)天然氣濃度，經(jīng)過(guò)運(yùn)放氣放大后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換，將測(cè)得的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并及時(shí)送給51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到室內(nèi)天然氣濃度值，通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)，同時(shí)根據(jù)相關(guān)平安標(biāo)準(zhǔn)判斷天然氣濃度是否超出平安閾，如果超出平安閾立即啟用聲光報(bào)警電路，并啟動(dòng)排風(fēng)扇和電磁閥關(guān)閉管道。2.2氣體傳感器的選型氣體傳感器是指能感受氣體〔組分、分壓〕并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器，也俗稱“電子鼻〞。這是一個(gè)獨(dú)特的電阻，當(dāng)“聞〞到天然氣時(shí)，傳感器電阻隨天然氣濃度而變化，并將氣體的成份、濃度等信息的變化轉(zhuǎn)換成可以被人員、儀器儀表、計(jì)算機(jī)等利用的信息的裝置。在本設(shè)計(jì)中天然氣到達(dá)一定濃度，電阻到達(dá)一定水平時(shí)，傳感器就可以發(fā)出聲光報(bào)警。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。氣體傳感器作為天然氣檢測(cè)報(bào)警器的信號(hào)采集局部，是儀表的核心組成局部之一。由此可見，氣體傳感器的選型是非常重要的。2.2.1氣體傳感器介紹氣體傳感器的分類〔1〕半導(dǎo)氣體傳感器：這種類型的傳感器在氣體傳感器中約占60%，根據(jù)其機(jī)理分為電導(dǎo)型和非電導(dǎo)型，電導(dǎo)型中又分為外表型和容積控制型?！?〕固體電解質(zhì)氣體傳感器: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)氣敏材料做氣敏元件。其原理是氣敏材料在通過(guò)氣體時(shí)產(chǎn)生離子，從而形成電動(dòng)勢(shì)，測(cè)量電動(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，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，僅次于金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器。如測(cè)量H2S的YST-Au-WO3、測(cè)量NH3的NH+4CaCO3等。開發(fā)新的氣體傳感器，特別是開發(fā)和完善智能氣體傳感系統(tǒng)，使之可以在氣體泄漏事故中起到報(bào)警、檢測(cè)、識(shí)別、智能決策等方面的作用。大大提高氣體泄漏事故處置的工作效率和平安性，對(duì)于控制事故損失具有重要的作用?！?〕接觸燒式氣體傳感器:接觸燃燒式氣體傳感器可分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式兩種。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(cè)量電阻變化從而測(cè)量氣體濃度。這種傳感器只能測(cè)量可燃?xì)怏w，對(duì)不燃性氣體不敏感。例如，在Pt絲上涂敷活性催化劑Rh和Pd等制成的傳感器，具有廣譜特性，即可以檢測(cè)各種可燃?xì)怏w。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(duì)爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進(jìn)行檢測(cè)，普遍應(yīng)用于石油化工廠、造船廠、礦井隧道、浴室、廚房等處的可燃性氣體的監(jiān)測(cè)和報(bào)警?！?〕高分子氣體傳感器:國(guó)外在高分子氣敏材料的研究和開發(fā)上有了很大的進(jìn)展，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)傳感器和聲外表波器件相結(jié)合等特點(diǎn)，在毒性氣體和食品鮮度等方面的檢測(cè)具有重要作用。〔5〕電化學(xué)傳感器:電化學(xué)傳感器通過(guò)與被測(cè)氣體發(fā)生反響并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號(hào)來(lái)工作。典型的電化學(xué)傳感器由傳感電極〔或工作電極〕和反電極組成，并由一個(gè)薄電解層隔開。通過(guò)電極間連接的電阻器，與被測(cè)氣濃度成正比的電流會(huì)在正極與負(fù)極間流動(dòng)。測(cè)量該電流即可確定氣體濃度。由于該過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電流，電化學(xué)傳感器又常被稱為電流氣體傳感器或微型燃料電池?！?〕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:利用紅外線的物理性質(zhì)來(lái)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射、散射、干預(yù)、吸收等性質(zhì)。任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度〔高于絕對(duì)零度〕，都能輻射紅外線。紅外線傳感器測(cè)量時(shí)不與被測(cè)物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。2.2.2氣體傳感器的選定氣體傳感器是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的起點(diǎn)也是系統(tǒng)的重點(diǎn)，選擇適宜的傳感器成為決定系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。天然氣檢測(cè)報(bào)警器主要應(yīng)用在廚房、工廠等易發(fā)生天然氣體泄漏的場(chǎng)所，根據(jù)報(bào)警器檢測(cè)氣體的要求，一般選用接觸燃燒式氣敏傳感器和半導(dǎo)體氣敏傳感器。接觸燃燒式氣敏傳感器其探頭的阻緩及中毒是不可防止的問(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，那么有可能在無(wú)焰燃燒的同時(shí)，有些固態(tài)物質(zhì)附著在催化元件外表，阻塞載體的微孔，從而引起響應(yīng)緩慢反響滯緩，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)天然氣的能力。中毒是如果環(huán)境空氣中含有硅烷之類的物質(zhì)時(shí)，那么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)疑心檢測(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，是必須且有效的方法。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)本錢。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)格廉價(jià)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)比照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)格廉價(jià)，且不會(huì)發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護(hù)本錢較低等。因此，本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體氣敏傳感器作為報(bào)警器氣體信息采集局部的核心。而在眾多半導(dǎo)體氣敏傳感器中，本設(shè)計(jì)選用MQ-4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)。3天然氣檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的硬件電路的具體操作設(shè)計(jì)是：首先可以預(yù)先設(shè)置平安閾閾值，然后MQ-4傳感器采集天然氣濃度信號(hào)，并把信號(hào)及時(shí)傳遞給A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)再交單片機(jī)進(jìn)行處理。單片機(jī)把數(shù)據(jù)和事先設(shè)置好的平安閾值比照，假設(shè)超出平安閾那么啟動(dòng)聲光報(bào)警電路并開啟排風(fēng)扇和關(guān)閉天然氣管道電磁閥。3.1總體硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的硬件組成局部主要有主控電路和外圍接口電路(AT89C51與平安閾設(shè)置電路，AT89C51與聲光報(bào)警電路，AT89C51與險(xiǎn)情處理電路)連接起來(lái)，就得到了基于基于單片機(jī)的天然氣濃度檢測(cè)報(bào)警器的總體電路如圖3-1所示。圖3-1系統(tǒng)整體電路圖3.2單片機(jī)模塊的設(shè)計(jì)AT89C51介紹AT89C51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了8為中央處理器和ISPFlash存儲(chǔ)單元，在眾多控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。AT89C51為40腳雙列直插封裝的8位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的C51內(nèi)核，其主要用于會(huì)聚調(diào)整時(shí)的功能控制。功能包括對(duì)會(huì)聚主IC內(nèi)部存放器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，紅外遙控信號(hào)IR的接收解碼及與主板CPU通信等。引腳圖如圖3-2所示。圖3-2AT89C51引腳圖ATC89C51引腳功能功能介紹：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P0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。在本系統(tǒng)中使用P0口來(lái)接通數(shù)碼管。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。本系統(tǒng)中P1.1引腳控制超聲波模塊的發(fā)射，P1.0引腳控制超聲波模塊的接收。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口輸出其特殊功能存放器的內(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)。因此，本設(shè)計(jì)采用P2口的P2.0至P2.3四個(gè)引腳分別控制四個(gè)數(shù)碼管的選通。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。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流〔ILL〕這是由于上拉的緣故。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低位字節(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指令時(shí)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)，這兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn)。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。3.2.2單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)又稱為單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少的原件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)選用的是AT89C51，由電容、晶振、電阻、電源等組成最小系統(tǒng)，如圖3-3所示。圖3-3單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件圖3.2.3AT89C51單片機(jī)的復(fù)位電路在整個(gè)天然氣檢測(cè)報(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。51單片機(jī)復(fù)位電路如下列圖3-4所示。圖3-4單片機(jī)復(fù)位電路圖3.3氣體傳感器MQ-4電路介紹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〔Sn02〕。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，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(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)。MQ-4氣體傳感器對(duì)甲烷的靈敏度高，對(duì)丙烷、丁烷也有較好的靈敏度。這種傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，特別是天然氣，是一款適合多種應(yīng)用的低本錢傳感器。外形結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。圖3-5半導(dǎo)體氣體傳感器外形結(jié)構(gòu)傳感器的根本測(cè)試電路是需要施加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那么是用于測(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。如圖3-6所示。圖3-6根本測(cè)試電路MQ-4的技術(shù)指標(biāo)如表3-1所示，因?yàn)樵趐roteus的元器件庫(kù)中無(wú)法找到MQ-4氣體傳感器，所以在仿真時(shí)本設(shè)計(jì)中利用proteus元件庫(kù)中的滑動(dòng)變阻器來(lái)代替MQ-4氣體傳感器，利用滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)變化進(jìn)而來(lái)改變滑動(dòng)變阻器兩端的實(shí)時(shí)電壓值等效的來(lái)替代室內(nèi)的實(shí)時(shí)天然氣濃度的變化，從而在proteus的仿真設(shè)計(jì)中可以來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。表3-1MQ-4技術(shù)指標(biāo)產(chǎn)品型號(hào)MQ4檢測(cè)氣體天然氣、甲烷檢測(cè)濃度300-10000ppm〔甲烷、天然氣〕標(biāo)準(zhǔn)電路條件回路電壓VC≤24VDC加熱電壓VH5.0V±0.2VACorDC負(fù)載電阻RL可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)條件下元件特性加熱電阻RH313〔室溫〕敏感體外表電阻RS2k-20k在5000ppmCH4靈敏度SRs(在空氣中)/Rs(5000ppm甲烷)≥5標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件溫度、濕度20oC-2oC；65%RH標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試電路VC：5.0V±0.1VVH：5.0V±0.1V預(yù)熱時(shí)間不少于48小時(shí)根據(jù)氣體傳感器MQ-4的相關(guān)參數(shù)所設(shè)計(jì)的具體室內(nèi)天然氣濃度采集電路如下列圖3-7所示。圖3-7MQ-4檢測(cè)電路3.4險(xiǎn)情處置與LED顯示險(xiǎn)情處置單元作為天然氣報(bào)警裝置，聲光報(bào)警局部不可缺少，當(dāng)檢測(cè)到天然氣在環(huán)境中所占的比例超標(biāo)時(shí)，就應(yīng)該通過(guò)聲光方式發(fā)出警報(bào)，防止由于天然氣濃度過(guò)高而發(fā)生的意外事故。本設(shè)計(jì)中的聲光報(bào)警局部包括蜂鳴器以及LED報(bào)警指示燈，由于排風(fēng)扇天然氣通道電磁閥無(wú)法在proteus中仿真，所以用LED代替排風(fēng)扇和電磁閥。其報(bào)警表現(xiàn)形式如下：〔1〕天然氣濃度在平安閾時(shí)：LED數(shù)碼管顯示當(dāng)前天然氣濃度說(shuō)明設(shè)備正常工作，此時(shí)排氣扇〔采用無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)開啟〕和紅色LED〔代表電磁閥〕和蜂鳴器不工作?！?〕天然氣濃度超出平安閾時(shí)：蜂鳴器報(bào)警，紅色LED〔電磁閥〕工作，排氣扇不工作。單片機(jī)本身I/O的驅(qū)動(dòng)能力不是很高，所以對(duì)蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)需要參加一個(gè)PNP三極管，這樣能夠使蜂鳴器的聲音更加響亮，起到更好的報(bào)警作用。三極管基極電路保證了只有在單片機(jī)輸出低電平時(shí)，蜂鳴器才會(huì)發(fā)聲，防止了誤報(bào)警的發(fā)生。聲光報(bào)警單元與單片機(jī)的連接圖如圖3-8所示。圖3-8聲光報(bào)警電路3.4.2LED顯示LED數(shù)碼顯示器是一種由LED發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件。它使用了8個(gè)LED發(fā)光二極管，其中7個(gè)用于顯示字符，1個(gè)用于顯示小數(shù)點(diǎn)，故稱之為7段發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器。驅(qū)動(dòng)LED的時(shí)候，應(yīng)該分二種情況比方用共陽(yáng)接法和共陰接法，共陽(yáng)的時(shí)候LED正端接正電源，負(fù)端通過(guò)一個(gè)限流電阻接P口，這時(shí)不用接上拉電阻，只要這個(gè)限流電阻取適宜就可以了。發(fā)光管亮的時(shí)候電流就是從電源正——LED——限流電阻——P口，P口為低電位。發(fā)光管滅的時(shí)候沒有電流流過(guò)，P口為高電位或高阻狀態(tài)。共陰的時(shí)候，LED負(fù)端接地，正端直接P口，這時(shí)候要接上拉電阻，這個(gè)上拉電阻是提供LED發(fā)光用的，發(fā)光管亮的時(shí)候電流是從電源正——上拉電阻——LED——地，這時(shí)上拉電阻也是限流用的，P口為高電位或高阻狀態(tài)。發(fā)光管暗的時(shí)候，電流是從電源正——上拉電阻——P口，這時(shí)LED無(wú)電流流過(guò)，P口為低電位，限流電阻上流過(guò)電流全部從P口流入。本設(shè)計(jì)采用共陽(yáng)極接法，如圖3-9所示。圖3-9共陽(yáng)極七段顯示器的結(jié)構(gòu)本設(shè)計(jì)通過(guò)觀察LED數(shù)碼顯示器顯示天然氣濃度值，判斷天然氣濃度值是否超過(guò)平安閾，如果超過(guò)，啟動(dòng)聲光報(bào)警，同時(shí)翻開排氣扇并及時(shí)關(guān)閉電磁閥，使天然氣濃度降低。4天然氣檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1主程序設(shè)計(jì)流程圖程序流程圖如下圖。首先要給傳感器預(yù)熱三分鐘，因?yàn)镸Q-4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，它再次通電時(shí)傳感器不能立即正常采集天然氣信息，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。然后通過(guò)對(duì)傳感器檢測(cè)的氣體濃度信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后傳遞給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將濃度值與報(bào)警限設(shè)定值相比擬，如果環(huán)境內(nèi)天然氣濃度值超出平安閾就進(jìn)行報(bào)警和開啟排氣裝置否那么繼續(xù)檢測(cè)。主程序還包括可以人工設(shè)置平安閾的功能，使系統(tǒng)功能更加完善，給用戶帶來(lái)便利。主設(shè)計(jì)流程如圖4-1所示。NY系統(tǒng)初始化NY系統(tǒng)初始化程序開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)？報(bào)警并啟動(dòng)排風(fēng)扇圖4-1主程序流程圖4.2Keil程序調(diào)試雖然本系統(tǒng)的核心是單片機(jī)，但是單片機(jī)本身并不具備自開發(fā)能力，我們必須借助相關(guān)軟件進(jìn)行相關(guān)功能的開發(fā)、診斷和調(diào)試。在本次設(shè)計(jì)中我們選擇了美國(guó)KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)KeilC51。Keil提供了包括c編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境〔uVision〕將這些局部組合在一起。具體步驟如下：(1)翻開keil軟件，新建工程翻開keil軟件，選擇project——newproject創(chuàng)立新工程，如4-2所示。圖STYLEREF1\s4-2keil新建工程(2)選擇單片機(jī)輸入功能工程名之后，選擇AT89C51單片機(jī)作為模擬單片機(jī)，如REF_Ref324583465\h圖4-3所示。圖STYLEREF1\s4-3選擇單片機(jī)(3)新建文件并導(dǎo)入工程通過(guò)菜單File—New創(chuàng)立一個(gè)新的文字編輯窗口，我們可以將寫好的程序直接復(fù)制上面，也可以直接在上面編寫。編寫完畢以后選擇“保存〞。保存完畢后，會(huì)出現(xiàn)類似第2步的對(duì)話框，我們把第一個(gè)程序命名為a.c，保存在工程所在的目錄中，這時(shí)您會(huì)發(fā)現(xiàn)程序單詞有了不同的顏色，說(shuō)明KEIL的C語(yǔ)法檢查生效了。此時(shí)鼠標(biāo)在屏幕左邊的SourceGroup1文件夾圖標(biāo)上右擊彈出菜單，在這里可以做在工程中增加減少文件等操作。我們選“AddFilestoGroup‘SourceGroup1’〞彈出文件窗口，選擇剛剛保存的文件，按ADD按鈕，關(guān)閉文件窗，程序文件已加到工程中了，如REF_Ref324583479\h圖4-4所示。圖STYLEREF1\s4-4Keil添加文件(4)設(shè)置生成hex文件HEX文件是一行行符合IntelHex文件格式的文本所構(gòu)成的ASCII文本文件。這些記錄由對(duì)應(yīng)機(jī)器語(yǔ)言碼或常量數(shù)據(jù)的十六進(jìn)制編碼數(shù)字組成。由于keil默認(rèn)不生成hex文件，因此我們要設(shè)置生成。如REF_Ref324583490\h圖4-5所示，右鍵單擊Target1選項(xiàng)，然后選擇第一個(gè)選項(xiàng)，進(jìn)而在出現(xiàn)的output選項(xiàng)卡中勾選CreatHEXFile選項(xiàng)，即可以在選中的文件夾中編譯后生成HEX文件，如下列圖4-5所示。生成的HEX文件是可以在51系列單片機(jī)中添加調(diào)試使用的文件，在proteus中選擇調(diào)試無(wú)誤后生成的HEX文件進(jìn)而可以使得編譯的軟件單片機(jī)聯(lián)合運(yùn)行。通過(guò)運(yùn)行的結(jié)果檢驗(yàn)是否到達(dá)到軟件可操作性驗(yàn)證的目的。圖STYLEREF1\s4-5設(shè)置生成HEX文件(5)編譯工程選擇Project—Buildtarget，那么開始編譯源程序。最終產(chǎn)生hex文件，參加Proteus中就可以對(duì)單片機(jī)就行仿真了，如REF_Ref324583499\h圖4-6所示。圖STYLEREF1\s4-6編譯源程序4.3Proteus仿真系統(tǒng)的軟件局部經(jīng)過(guò)keil編譯以后還必須和硬件電路一起調(diào)試。對(duì)于硬件電路本次設(shè)計(jì)選用Proteus。該軟件是英國(guó)Labcenterelectronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。其仿真具體步驟如下：(1)畫出仿真電路圖如圖4-7所示，在proteus中畫出了電路圖，在正常情況下綠燈亮，此時(shí)天然氣濃度未超過(guò)平安閾，然后通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的阻值變化來(lái)模擬反映出MQ-4傳感器接收到的外界天然氣濃度的變化情況。當(dāng)天然氣濃度超出平安閾時(shí)紅色LED亮且蜂鳴器報(bào)警并且黃色LED亮〔代表啟動(dòng)排風(fēng)扇和電磁閥〕，仿真結(jié)果如圖4-7、4-8、4-9所示。圖4-7仿真電路原理圖圖4-8天然氣濃度正常時(shí)仿真圖圖4-9天然氣濃度泄漏時(shí)仿真圖5軟件與硬件聯(lián)機(jī)調(diào)試5.1硬件總體連接前面的第三、四章分別介紹了基于單片機(jī)的室內(nèi)天然氣濃度檢測(cè)的硬件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，本章將進(jìn)行軟件與硬件的聯(lián)機(jī)調(diào)試。按照第三章硬件設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)焊接電路并使用相關(guān)軟件將程序燒錄進(jìn)單片機(jī)中。得到室內(nèi)天然氣濃度檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)實(shí)物焊接圖如下列圖5-1所示。圖5-1硬件總體連接圖5.2操作步驟第一步：首先如圖5-1所示連接好各模塊，接通電源先預(yù)熱3分鐘以保障傳感器能正常工作。預(yù)熱以后氣體傳感器會(huì)根據(jù)檢測(cè)到的室內(nèi)天然氣濃度情況傳遞反映到電路并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將室內(nèi)的實(shí)時(shí)情況快速傳遞給單片機(jī)，并有單片機(jī)的顯示電路及時(shí)顯示室內(nèi)天然氣濃度方便人們直觀的了解所處的室內(nèi)環(huán)境天然氣濃度，如圖5-2所示。圖5-2實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)天然氣濃度第二步：為了方便居民使用增加系統(tǒng)的應(yīng)用性，本設(shè)計(jì)可以根據(jù)相關(guān)平安規(guī)定和居民所處實(shí)際情況人為的調(diào)整或設(shè)置天然氣檢測(cè)報(bào)警閾值。按S1鍵開始設(shè)置，S-2鍵增1、S-3鍵減1如圖5-3所示。圖5-3設(shè)置平安閾第三步：當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到室內(nèi)的天然氣濃度超出我們事先所設(shè)置的平安閾的閾值時(shí)系統(tǒng)會(huì)立即聲光報(bào)警報(bào)警電路，同時(shí)為了居民的生命財(cái)產(chǎn)平安系統(tǒng)還會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)扇和關(guān)閉電磁閥〔在實(shí)物中用紅色LED代替〕如圖5-4所示。圖5-4聲光報(bào)警、啟動(dòng)排風(fēng)扇關(guān)閉電磁閥6結(jié)論由于能源的日益緊張，同時(shí)人們對(duì)于環(huán)保要求越來(lái)越高，由這使得清潔能源天然氣成為人們的首選燃料，與此同時(shí)人們?cè)谑褂锰烊粴鈺r(shí)的平安問(wèn)題也為大家所關(guān)注。天然氣檢測(cè)報(bào)警器可保障生產(chǎn)與生活的平安，防止火災(zāi)和爆炸事故以及燃?xì)庵卸镜陌l(fā)生，它是防火、防爆和平安生產(chǎn)所必備的儀器，具有廣闊的市場(chǎng)空間與開展前景。本設(shè)計(jì)在對(duì)氣體傳感器和報(bào)警技術(shù)進(jìn)行深入研究的根底上，全面比擬國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)，合理地確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。并對(duì)儀器的整體設(shè)計(jì)和各個(gè)組成局部進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求、使用環(huán)境、本錢等因素，選用MQ-4型半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器。該傳感器是對(duì)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(zhǎng)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(diǎn)。在系統(tǒng)單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)上，采用了AT89C51單片機(jī)作為核心芯片，充分利用了其高速數(shù)據(jù)處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)，實(shí)現(xiàn)了儀器的小型化和智能化。使儀器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、體積小、本錢低等優(yōu)點(diǎn)。由于氣體傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反響越快，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，保證傳感器準(zhǔn)確地、穩(wěn)定地工作，需要向氣體傳感器持續(xù)供應(yīng)5V的加熱電壓。在本設(shè)計(jì)研制的報(bào)警器的根底上，可以再做適當(dāng)?shù)墓δ軘U(kuò)展，使天然氣濃度檢測(cè)報(bào)警器的功能更加完善，平安性更高，使用更加方便等。參考文獻(xiàn)[1]李建忠.單片機(jī)原理及應(yīng)用〔第二版〕[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2023.[2]周立功.單片機(jī)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教程〔三〕[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2023.[3]江世明.基于Proteus的單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2023.[4]何立民.單片機(jī)高級(jí)教程〔應(yīng)用與設(shè)計(jì)〕[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2023.[5]周明德.單片機(jī)原理與技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2023.[6]張友德.單片微型計(jì)算機(jī)原理應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)[M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,2023.[7]鄒久朋.80C51單片機(jī)實(shí)用技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2023.[8]張靖武.單片機(jī)系統(tǒng)的Proteus設(shè)計(jì)與仿真[M].北京:電