北華大學畢業(yè)設計（論文）摘 要隨著經濟和科學技術的快速發(fā)展，人們對生活質量的提高和生活環(huán)境的改善越來越重視。天然氣作為一種清潔型能源進入家庭得到廣泛使用，為人們的生活帶來了方便，減少了城市的污染，提高了生活質量和效率，但是同時，天然氣也是潛在的“危險品”，天然氣在使用過程中，若管道和閥門密封不好，一旦泄漏出去極易爆炸，危及人們的生命財產安全。面對燃氣泄漏而造成的種種事故威脅，我們需要一個解決辦法。然而使用天燃氣檢測系統成為了一個重要的研究課題。本畢業(yè)設計的題目是基于單片機的天然氣泄漏檢測系統設計。本設計主要是由一個MQ-4傳感器采集氣體濃度信號，系統建立濃度與電壓關系，進行濃度電壓轉換，濃度顯示，聲光報警構成的報警裝置。本系統由ADC0832處理數據，MCU采用STC89C52，完成氣體濃度信號的采集顯示內容的傳輸、顯示等功能。本設計的可燃氣體報警器由六個部分組成：傳感器、數碼管顯示器、聲光報警器、控制電路、A/D轉換和電源模塊。軟件上采用C語言編程，結構簡單運行穩(wěn)定。該檢測系統能夠檢測天然氣濃度，當檢測天然氣濃度低于設定報警閾值的時候，數碼管顯示器僅僅顯示測得的可燃氣體濃度；當檢測天然氣濃度超出設定報警閾值時給出聲光報警，并伴有語音提醒。關鍵詞：MQ-4傳感器；ADCO832；STC89C52；數碼管；聲光報警AbstractWiththerapiddevelopmentofeconomyandthesciencetechnology , peoplepaymoreandmoreattentiontothequalityoflifeandtheimprovementoflivingenvironment.Naturalgasarewidelyusedinourdailylifeandbringsconvenienceforpeopleslivesasacleanerfuel,reducethecityspollutionandimprovethelifequalityandefficiency. butatthesametime,naturalgasisalsopotentialdangerous,Ifnotsealedpipesandvalves,theyleaked,easilycausedbyfire ,endangeringpeopleslivesandproperty.Facingthe gasleakallkindsofaccidentscausedbythreats,weneedasolution.Anditisobviously veryimportanttostudyontheinspectionmethodsandsensorsofallkindsofgases. This graduation design is a gas leak detection alarm system based on single chip microcomputer. This design mainly by an MQ - 4 gas concentration sensor acquisition signals, Concentration and voltage relations system,To convert the concentration of voltage, concentration of voltage conversion, concentration, according to the sound and light alarm alarm device.This system by ADC0832 processing data, use STC89C52 MCU, complete the gas concentration signal collection and display content transmission, display, and other functions.The design of the combustible gas alarm is composed of six parts: sensor,digital tube, sound and light alarm, control circuit, A/D conversion and power module.The software system is based on the C language programming, whose structure is simple and running stable.This detection alarm system can detect the density of gas , When detecting gas concentration is lower than the set alarm threshold, digital tube display show only measured concentration of combustible gas; When detecting gas concentration exceeds the alarm threshold acousto-optic alarm.Keywords：MQ-4；ADC0832；STC89C52；Digital tube；Sound and light alarm2目 錄摘 要1Abstract2緒 論11基于單片機的天然氣泄漏檢測系統概述21.1天然氣泄漏檢測報警器的概述21.2家用天然氣泄漏檢測報警器現狀21.3家庭燃氣泄漏報警的發(fā)展趨勢21.4天然氣泄漏檢測報警設計意義32天然氣泄露檢測報警系統的方案設計42.1天然氣泄漏檢測報警系統簡介42.2氣體傳感器的選型42.3 天然氣泄露報警系統的整體設計方案52.3.1天然氣泄漏報警器工作原理52.3.2天然氣泄漏報警器的結構52.3.3報警器各模塊的功能63天然氣泄露報警的硬件部分設計73.1主控電路設計73.1.1STC89C52單片機簡介73.1.2 STC89C52單片機的基本結構73.1.3 STC89C52RC單片機的引腳83.2電源電路設計103.3可燃氣體信號采集部分113.4 MQ-4氣體傳感器113.5 A/D轉換部分133.5.1 A/D轉換電路133.6 氣體結果測量計算153.7 聲光報警部分153.8 計數器譯碼顯示電路163.8.1 LED 的綜述1603.8.2 LED 的結構163.8.3 LED數碼管的顯示方法173.9 復位電路183.10 最小系統及按鍵184燃氣泄漏檢測報警系統的軟件部分204.1程序設計流程與編程204.2系統調試21結 論22參考文獻23附錄A 基于單片機的天然氣泄漏檢測系統原理圖25附錄B 基于單片機的天然氣泄漏檢測系統結果圖26附錄C C程序27致 謝350緒 論隨著人民生活水平的提高及環(huán)保意識的增強，世界需求干凈能源的呼聲高漲，各國政府也透過立法程序來傳達這種趨勢，天然氣曾被視為最干凈的能源之一，再加上1990年中東的波斯灣危機，加深美國及主要石油國家研發(fā)替代能源的決心，因此，在還未發(fā)現真正的替代能源前，天然氣需求量自然消耗會增加。天然氣是一種高效、清潔、經濟、穩(wěn)定的生活能源。近年來，隨著我國燃氣的變革及西氣東輸工程的進行，天然氣通過管道走進了千家萬戶，極大地方便我們的生產生活，同時也帶來了不少的安全隱患。從工農業(yè)生產的各個領域到人們家庭生活的各個方面，人們直接或間接接觸各種有毒有害氣體的機會大大增加，由此而引起的中毒，火災和爆炸事故屢見不鮮，嚴重威脅到人們的生命和財產安全，成為一種新的社會公害。因此對環(huán)境氣體進行檢測和分析技術的研究日益受到人們的重視。傳統的分析氣體組分和濃度的方法是以色譜法為代表的各種化學計量方法，盡管其測量精度很高，但操作手續(xù)繁雜，實驗周期長，無法對有毒、有害氣體進行實時、連續(xù)、瞬時檢測，而氣體傳感器則滿足這種要求，并且在人們日常生活中對減少氣體爆炸、火災等事故已經發(fā)揮著越來越大的作用。目前世界各大強國都把傳感器技術列為國家發(fā)展的重點技術，國防現代化、工業(yè)生產過程自動化、家庭電器化都與傳感器的發(fā)展休戚相關，今天的傳感器技術已滲透到國民經濟的各個領域，日益突出它的重要作用。集成化、多功能化、智能化、加工技術微精細化、指標高精度化和性能高穩(wěn)定、高可靠化已經成為人們開發(fā)和研究傳感器的重要方向。泄漏檢測報警系統被廣泛的應用于各個領域，如石油化工企業(yè)、石油運輸管線、城市自來水地下管線、鍋爐爐管、發(fā)動機箱體、缸蓋等各種領域。泄漏檢測技術在管道檢測之中的應用得到了很好的發(fā)展。對于管道的泄漏檢測要滿足以下幾個要求：1.準確可靠地判斷泄漏的發(fā)生，并能夠在較短的時間內判斷出泄漏點具體的位置。2.準確可靠地判斷泄漏程度，能對較小量的泄漏做出判斷。3.檢測原理簡單，易于操作和維護。1基于單片機的天然氣泄漏檢測系統概述1.1天然氣泄漏檢測報警器的概述天然氣泄漏檢測報警器是燃氣安全設備非常重要的一部分，它是由氣敏傳感器、單片機和報警器組成。它是安全使用城市燃氣的最后一道保護設備。天然氣泄漏檢測報警器通過氣敏傳感器探測周圍環(huán)境中的天然氣濃度，在通過采樣電路，將探測到的模擬信號轉換成數字信號傳遞給控制器或控制電路。當檢測氣體濃度低于設定報警閾值的時候，數碼管顯示器僅僅顯示測得的可燃氣體濃度；當檢測氣體濃度超出設定報警閾值時給出聲光報警。氣敏傳感器是一種檢測特定氣體的傳感器。它主要包括半導體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學氣敏傳感器等，這些傳感器都是通過對周圍環(huán)境中的可燃氣體的吸附，在傳感器表面產生化學反應或電化學反應，造成傳感器的電物理特性的改變，經單片機處理后轉換成檢測氣體的響應濃度 。其中用的最多的是半導體氣敏傳感器。1.2家用天然氣泄漏檢測報警器現狀現在每家每戶只要安裝天然氣管道的都必須安裝天然氣報警器。對于目前市場上天然氣報警存在以下問題：1、對天然氣的檢測不敏感或者檢測到天然氣泄漏并不能及時報警作出相應處理；2、對于天然氣檢測過于敏感，正常做飯燒水時難免會有少數天然氣溢出，此時報警器就不停關閥報警嚴重影響生活效率；3、存在謊報誤報的現象，當空氣中存油煙時也會關閥報警所以很多家庭對探測報警器束之高閣當成擺設，買了并不安裝；4、功能簡單，當天然氣發(fā)生泄漏時只會關閥報警，倘若家中無人閥門不緊，不能及時處理險情通知戶主。所以市面上的天然氣泄漏檢測報警器亟待于改進，從而才能更好地保障我們的生命財產安全，提高我們的生活質量。1.3家庭燃氣泄漏報警的發(fā)展趨勢二十多年前，我國的安防報警產品剛剛起步，無論產品技術含量、產品系列完整性、使用性，還是社會影響程度都是相當低的。國外的產品和品牌卻占領我們的大部分市場。由于中國的建設正在面臨飛速發(fā)展，我們應該抓住廣闊的市場空間，慶幸的是中國企業(yè)抓住了這次機遇，頂住了挑戰(zhàn)，先是一批國家的科研院所，后是一批國營企業(yè)、民營企業(yè)，業(yè)內也吸引和凝聚一大批國內的技術和管理精英，花了多年時間，通過幾次產品更新換代，就使自己的產品緊緊跟上了國際水平，并且奪回了大部分國內市場，使得現在大多國外產品只有招架之勢，這是典型的自力更生，走自己的路。當然目前而言，我們基本占據的是國內市場，對外還剛剛啟動。但是，中國企業(yè)已經做好準備進軍海外市場。1.4天然氣泄漏檢測報警設計意義天然氣泄漏造成的事故給我們帶來了不少的警示，而市場上的天然氣檢測報警器并不能為我們提供完善的安全保障，為此我們要設計功能更加完善，探測更加精確的天然氣報警器是對付燃氣無形殺手的重要手段之一。燃氣專家指出，燃氣泄漏或廢氣排放而大量產生的一氧化碳是燃氣中毒事件的根源，如采用天燃氣泄漏報警器就能得到及時的警示。有關部門經長期測試得出結論，天燃氣報警器防止天然氣泄漏事故發(fā)生的有效率達95%以上。計算機的普及和信息技術的迅猛發(fā)展，人們己不滿足于傳統的居住環(huán)境，對家庭及住宅小區(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。人們對居住環(huán)境要求的日見增高，體現在希望住宅不僅更便利、舒適而且更安全。單片機在日用電子產品中的應用越來越廣泛，燃氣泄漏則是人們日常生活中常常需要測量和控制的一個問題。單片機有利于為現代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的設施。為了防止中毒事件再次發(fā)生，提出利用單片機系統進行有效的預防對策。所以怎樣防止燃氣中毒與爆炸已成為人們的迫切需要。2天然氣泄露檢測報警系統的方案設計2.1天然氣泄漏檢測報警系統簡介天然氣泄漏檢測報警系統不僅能夠檢測環(huán)境中的天然氣濃度，同時具有報警功能。儀器的最基本組成部分應包括：氣體信號采集電路、模數轉換電路、單片機控制電路。氣體信號采集電路一般由氣敏傳感器和模擬放大電路組成，將氣體信號轉化為模擬的電信號。模數轉換電路將從燃氣檢測電路送出的模擬信號轉換成單片機可識別的數字信號后送入單片機。單片機對該數字信號進行處理，并對處理后的數據進行分析，看是否大于或等于某個預設值(報警限)，當檢測氣體濃度低于設定報警閾值的時候，數碼管顯示器僅僅顯示測得的可燃氣體濃度；當檢測氣體濃度超出設定報警閾值時給出聲光報警。同時報警裝置會通過語音模塊向戶主發(fā)送語音提醒以便讓戶主及時做出判斷處理。為使報警裝置更加完善，可以在聲音報警基礎上，加入閃光報警，變化的光信號可以引起用戶注意，彌補嘈雜環(huán)境中聲音報警的局限。以上是根據檢測報警器應具備的功能，提出的整體設計思路。氣敏傳感器及單片機是燃氣泄漏報警器的兩大核心，根據報警器功能的需要，選擇合適、精確、經濟的氣敏傳感器及單片機芯片是至關重要的。傳感器的選型將在后面介紹。單片機作為硬件電路的核心，它的概況將在第三章詳述。2.2氣體傳感器的選型氣體傳感器屬于氣敏傳感器。氣敏傳感器是用來檢測氣體類別、濃度和成分的傳感器。它將氣體種類及其濃度等有關的信息轉換成電信號，根據這些電信號的強弱便可獲得與待測氣體在環(huán)境中存在情況有關的信息。所以氣體傳感器是儀表的核心組成部分之一。由此可見，氣體傳感器的選型是非常重要的。該設計的天然氣泄漏報警器主要應用在廚房中，根據報警器檢測氣體種類的要求，一般選用接觸燃燒式氣敏傳感器或半導體氣敏傳感器。接觸燃燒式氣敏傳感器的探頭會出現阻緩及中毒的問題。阻緩是當在氣體與空氣含硫物質混合的情況下，則有可能在無焰燃燒的同時，有些固態(tài)物質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，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的可能，但是如果長期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會不斷下降，導致該傳感器最終喪失檢測煙霧的能力。中毒是如果環(huán)境空氣中含有硅烷之類的物質時，則傳感器將使催化元件產生不可逆轉的中毒，以致靈敏度很快就喪失。當懷疑檢測環(huán)境中存在這些物質時，需要經常對探頭進行標定。經常對傳感器進行標定，是保證其準確性的必要的途徑。一般連續(xù)使用兩個月后應對傳感器進行量程校準，這種經常性對傳感器的維護需要專業(yè)人員和相應設備，特此排除接觸式氣體傳感器，剩下只能選用半導體氣敏傳感器。半導體氣敏傳感器包括用氧化物半導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體器件制作的氣體傳感器，它具有靈敏度高，響應快、體積小、結構簡單，使用方便、價格便宜等優(yōu)點，因而得到廣泛應用。半導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)。 經過對比上述兩種氣敏傳感器的應用特性，發(fā)現半導體氣敏傳感器的優(yōu)點更加突出：靈敏度高、響應快、抗干擾性好、使用方便、價格便宜，且不會發(fā)生探頭阻緩及中毒現象，維護成本較低等。因此，本設計采用半導體氣敏傳感器作為報警器氣體信息采集部分的核心。而在眾多半導體氣敏傳感器中，本設計選用MQ-4型氣敏傳感器，這種型號的傳感器對天然氣有很高的靈敏度對乙醇的靈敏度很低，具有快速反應快速恢復、使用壽命長、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。2.3 天然氣泄露報警系統的整體設計方案2.3.1天然氣泄漏報警器工作原理本論文中的天然氣泄漏報警器以STC89C52單片機為控制核心，通過MQ-4型電阻式半導體傳感器采集空氣中天然氣濃度。氣體傳感器MQ-4輸出的是模擬量，其作用是把探測到空氣中的天然氣的濃度轉換成對應的電壓信號，電壓信號送入模數轉換芯片ADC0832轉換成數字信號，轉換成的數字信號送入STC89C52單片機，單片機對數據進行線性化處理，將數字化電壓信號轉化成為對應的濃度值顯示到數碼管上，同時判斷氣體濃度值是否超出報警限，當檢測氣體濃度低于設定報警閾值的時候，數碼管顯示器僅僅顯示測得的可燃氣體濃度；當檢測氣體濃度超出設定報警閾值時給出聲光報警。2.3.2天然氣泄漏報警器的結構 隨著信息技術的發(fā)展，家用電器趨向于智能化、網絡化、信息化。為了滿足家庭對可燃性易爆氣體安全性要求，同時為了符合時代發(fā)展的潮流，在傳統的天然氣泄漏檢測報警器的基礎上對其的硬件結構上特進行如下設計：天然氣泄露檢測報警系統結構框圖如圖2.1所示，該系統以STC89C52單片機為核心，天然氣檢測報警系統要完成天然氣信號采集處理、顯示和控制報警3大功能?？煞譃殡娫茨K、天然氣信號采集模塊、A/D轉換模塊、聲光報警模塊、數碼管顯示模塊和單片機控制模塊。STC89C52單片機是51系列單片機的一個成員，是8051單片機的升級版，和51系列單片機的指令和輸出管腳相兼容。氣體檢測模塊依靠MQ-4傳感器和ADC0832轉換芯片、顯示模塊依靠數碼管完成顯示功能。 電源MQ-4傳感器 信號調試電路AD轉換 52單片機聲光報警 數碼管顯示模塊按鍵輸入 圖2.1天然氣泄露檢測報警系統結構框圖圖2.3.3報警器各模塊的功能（1）電源模塊：提供電源、保護電路、電壓變換、穩(wěn)壓；（2）天然氣信號采集模塊：實時采集氣體濃度；（3）A/D轉換模塊：把采集的模擬信號轉變成數字信號傳送給單片機；（4）聲光報警模塊：當檢測到氣體泄漏值超過報警限時，發(fā)生報警；（5）顯示模塊：顯示氣體濃度和報警限；（6）鍵盤模塊：通過按動上下鍵調節(jié)報警限；（7）語音模塊：向戶主提供語音提醒； 3天然氣泄露報警的硬件部分設計3.1主控電路設計3.1.1STC89C52單片機簡介本設計采用STC89C52單片機作為系統的處理器, STC89C52是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash存儲器。 具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，MAX810復位電路，3個16 位定時器/計數器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結構（兼容傳統51的5向量2級中斷結構），全雙工串行口?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。它有幾個主要組成部分：中央處理器、存儲器、并行I/O口、定時器/計數器。STC89C52構成的單片機系統是具有簡單的結構、低廉的價格、高效的微控系統，具有較高的性價比。STC89C52的主要性能：首先它是8051單片機的升級版，具有6時鐘/機器周期和12時鐘/機器周期可以任意選擇的特點，其指令代碼完全兼容傳統的8051。在IO口方面，通用I/O口（32個），復位后：P1/P2/P3是準雙向口/弱上拉，P0口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不必加上拉電阻，當作為I/O口用時，要加上拉電阻。具有EEPROM功能和看門狗功能，3個16位定時器/計數器（即定時器T0、T1、T2），4路外部中斷，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路。3.1.2 STC89C52單片機的基本結構STC89C52單片機的基本結構如圖3.1所示。 定時計數器 RAMROM 時鐘電路 CPU 中斷系統 并行接口 串行接口圖3.1基本結構圖由圖可見，STC89C52單片機主要由以下部分組成：（1）CPU系統：8位CPU和閃爍存儲器；時鐘電路；總線控制邏輯。（2）存儲器系統：8KB的程序存儲器（ROM/EPROM/Flash）；512字節(jié)數據存儲器（RAM）。（3）I/O口和其他動能單元：4個并行I/O口；3個16位定時/計數器；2個全雙工串行通信口；中斷系統（5個中斷源） 3.1.3 STC89C52RC單片機的引腳圖3.2 STC89C52管腳示意圖1.引腳的分類（1）主電源及時鐘引腳：VCC、GND等。（2）P0端口（P0.0P0.7，3932引腳）。P0口是一個漏極開路的8位雙向I/O口。作為輸出端口，每個引腳能驅動8個TTL負載，對端口P0寫入“1”時，可以作為高阻抗輸入。在訪問外部程序和數據存儲器時，P0口也可以提供低8位地址和8位數據的復用總線。此時，P0口內部上拉電阻有效。在Flash ROM編程時，P0端口接收指令字節(jié)；而在校驗程序時，則輸出指令字節(jié)。驗證時，要求接10K的上拉電阻。（3）P1端口（P1.0P1.7，18引腳）：P1口是一個內部自帶上拉的8位雙向I/O口。P1的輸出緩沖器可以直接驅動4個TTL的輸入。給端口寫“1”時，利用內部上拉電阻可以把端口拉高。當把P1口用作輸入口來使用時，因為有內部上拉電阻，那些被外部拉低的端口就會輸出電流。 表3.1 P1.0和P1.1引腳復用功能引腳號功能特性P1.0T2（定時器/計數器2外部計數輸入），時鐘輸出P1.1T2EX（定時器/計數器2捕獲/重裝觸發(fā)和方向控制）（4）P2端口（P2.0P2.7，2128引腳）：P2口是一個內部帶上拉的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器也可以驅動4個TTL的輸入。當給端口寫入1時，利用內部的上拉電阻可以把端口拉到高，此時P2口可以被用作輸入口。P2作為輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，那些被外部器件拉低的引腳就會輸出電流。P2口也可以訪問外部存儲芯片，訪問16位的存儲器時，P2送出的是高8位的地址。在訪問8位地址的外部芯片存儲器時，P2口引腳上的內容（就是專用寄存器的SFR區(qū)中的，P2口寄存器的內容），在訪問的整個期間都不改變。(5）P3端口（P3.0P3.7，1017引腳）：P3是一個內部帶上拉的8位雙向I/O端口。P3口的輸出緩沖器可直接驅動4個TTL輸入。給端口寫1時，利用內部的上拉電阻把端口拉高，這時P3口就可以作為輸入口。當P3用做輸入口使用時，因為內部有上拉電阻，那些被外部器件拉低的引腳就會輸入一個電流。在對Flash ROM編程或程序校驗時，P3還接收一些控制信號，P1接收低8位地址。RST（9引腳）：復位輸入。當連續(xù)輸入兩個機器周期以上的高電平時才能有效，用來完成單片機的復位初始化操作?？撮T狗計時完成后，RST引腳輸出96個晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以取消此功能。DISRTO位的默認狀態(tài)是復位高電平有效。ALE（30引腳）：地址鎖存控制信號的作用在訪問外部的存儲器時，鎖存低8位地址的脈沖。在Flash編程時，在此引腳（PROG）也用做編程輸入脈沖在一般情況下，ALE會以晶振頻率的1/6的頻率出脈沖，可以用來作為外部器件的定時器或時鐘來使用（本設計就用到單片機的ALE管腳通過四分頻后為ADC0809提供時鐘）。PSEN（29引腳）：外部程序存儲器的選通管腳。當STC89C52執(zhí)行外部程序存儲器的程序代碼時，PSEN需要在每個機器周期內需要被激活兩次，而訪問外部的數據存儲器時，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將內部鎖定位RESET。若是執(zhí)行內部的程序指令，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動器件，XTAL2則不能接。有余輸入至內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，還有其他一些復用功能，如表3.2所示：表3.2 P3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（外部數據存儲區(qū)間的寫入端口）P3.7RD（外部數據存儲區(qū)間的讀取端口）3.2電源電路設計如圖3.3，由USB接口提供電源，VCC接5V電壓，GND接地構成電源模塊。圖3.3 電源模塊3.3可燃氣體信號采集部分如圖3.4，天然氣信號采集部分是由氣敏傳感器MQ-4、AD轉換器組成。圖3.4 信號采集部分3.4 MQ-4氣體傳感器MQ-4氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導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率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。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，是一款適合多種應用的低成本傳感器。 表3.3 MQ-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3.5 MQ-4基本電路MQ-4基本電路中有如公式3.5： （3.1）濃度與電壓的關系函數如公式3.2：濃度=(0.7-(10-10*ADdata)/1.4*14.43*ADdata)104 （ppm） （3.2）3.5 A/D轉換部分3.5.1 A/D轉換電路MQ-4傳感器采集到的電壓信號接單片機P1.1。圖3.6 A/D轉換部分3.5.2 A/D 轉換芯片 ADC0832 ADC0832 是美國國家半導體公司生產的一種8 位分辨率、雙通道A/D轉換芯片。由于它體積小，兼容性，性價比高而深受單片機愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經有很高的普及率。學習并使用ADC0832 可是使我們了解A/D轉換器的原理，有助于我們單片機技術水平的提高。ADC0832 具有以下特點：8位分辨率；逐次逼近式A/D轉換器；雙通道A/D轉換；輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容；5V電源供電時輸入電壓在05V之間；工作頻率為250KHZ，轉換時間為32S；一般功耗僅為15mW；8P、14PDIP（雙列直插）、PICC 多種封裝；商用級芯片溫寬為0C to +70C，工業(yè)級芯片溫寬為40C to +85C。如圖 3.7，ADC0832 芯片頂視圖：圖3.7 ADC0832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 數據信號輸入，選擇通道控制。DO 數據信號輸出，轉換數據輸出。CLK 芯片時鐘輸入。Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復用）。3.6 氣體結果測量計算圖3.8 MQ-4氣敏的靈敏度特性其中X軸表示外界可燃氣體的濃度，Y軸表示變化內阻與固定電阻的值（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=14.43 K)3.7 聲光報警部分采集到的數字信號經過單片機計算后，如果天然氣濃度達到報警器設置的臨界點時，單片機將控制蜂鳴器報警，同時LED亮。LED的正極與PNP三極管的集電極c相連，負極接2K電阻后接地。蜂鳴器采用PNP三極管來驅動，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 計數器譯碼顯示電路3.8.1 LED 的綜述在單片機的應用系統中，為了便于人們觀察和監(jiān)視單片機的運行情況，常常需要用顯示器顯示運行的中間結果、狀態(tài)等信息，因此顯示器也是不可缺少的外部設備之一。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。目前應用最廣的是紅色、綠色、黃色。而藍色和純綠色LED的開發(fā)已經達到了實用階段。LED顯示屏可以顯示變化的數字、文字、圖形圖像；不僅可以用于室內環(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品，在信息顯示領域得到了廣泛的應用。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顯示屏的應用涉及社會經濟的許多領域，主要包括：證券交易、金融信息顯示。（2）機場航班動態(tài)信息顯示。（3）港口、車站旅客引導信息顯示。（4）體育場館信息顯示。（5）道路交通信息顯示。（6）調度指揮中心信息顯示。（7）郵政、電信、商場購物中心等服務領域的業(yè)務宣傳及信息顯示。（8）廣告媒體新產品等。3.8.2 LED 的結構LED數碼管顯示器是由發(fā)光的二極管顯示字段組成的。在單片機應用系統中使用最多的就是七段LED數碼管，有共陰極和共陽極兩種。七段LED數碼管顯示器有8個發(fā)光二極管，其中從ag管腳輸入顯示代碼，可顯示不同的數字或字符，Dp顯示小數點。共陰極LED數碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管陰極，通常接地，當發(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，當發(fā)光二極管的陰極為低電平時，發(fā)光二極管點亮。本設計的顯示采用LED數碼管動態(tài)掃描來顯示。1個3位的共陽極LED數碼管組成3位顯示上次測量的數據。單片機的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3.8.3 LED數碼管的顯示方法靜態(tài)顯示方式是指當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數碼管顯示器都需要一個8位的輸出口進行控制。由于單片機本身提供的I/O口有限，實際使用中，通常通過擴展I/O口的形式解決輸出口數量不足的問題。靜態(tài)顯示主要的優(yōu)點是顯示穩(wěn)定，在發(fā)光二極管導通電流一定的情況下顯示器的亮度大，系統運行過程中，在需要更新顯示內容時，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數碼管需要獨占8條輸出線。隨著顯示器位數的增加，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），即每個數碼管的位選被輪流選中，多個數碼管公用一組段選，段選數據僅對位選選中的數碼管有效。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通電流有關，也與點亮時間和間隔時間的比例有關。通過調整電流和時間參數，可以既保證亮度，又保證顯示。若顯示器的位數不大于8位，則顯示器的公共端只需一個8位I/O口進行動態(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LED靜態(tài)顯示更加適合本設計，所以采用此方法。3.9 復位電路單片機在啟動時都需要復位，以使CPU及系統各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。52系列單片機的復位信號是從RST引腳輸入到芯片內的施密特觸發(fā)器中的。當系統處于正常工作狀態(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個機器周期（24個振蕩周期）以上，則CPU就可以響應并將系統復位。 圖3.11 復位電路3.10 最小系統及按鍵STC89C52單片機的最小系統由起振電路、復位電路、STC89C52芯片組成。單片機接+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的XTAL1和XTAL2端，晶振的兩端再分別連接一個30pF電容后接地；復位電路經電源正極（+5V）接10uF電容后接10k歐姆電阻接地，單片機復位端RST接在電容和電阻之間。本次設計電路中加入4個按鍵，用于人為報警和設置報警的上限值。按鍵分別接單片機P1.4、P1.5、P1.6、P1.7端。S1是數字鍵加，S2是數字鍵減，S3是確認鍵，S4是模擬報警鍵，當按下S4時蜂鳴器報警，LED亮；再次按下S4用來取消報警。 圖3.12 最小系統及按鍵電路4燃氣泄漏檢測報警系統的軟件部分4.1程序設計流程與編程程序流程圖如圖4.1所示，軟件設計包含AD采樣程序、數據處理程序、數碼管顯示程序、按鍵掃描程序、系統報警程序。 開始初始化 天然氣濃度采集 AD轉換采集數據 設定值 聲光報警 報警子程序 結束數碼管顯示 N Y 圖4.1 程序設計流程圖STC89C52單片機對ADC0832傳送的氣體濃度信號進行處理，將濃度值與報警限設定值相比較，判斷是否報警。對采集的數字信號進行處理和判斷，運用一定的算法計算出待檢測氣體成分及濃度并送到數碼管顯示器顯示出來。當檢測氣體濃度低于設定報警閥值的時候，數碼管顯示器僅僅顯示測得的可燃氣體濃度；當檢測氣體濃度超出設定報警閥值時給出聲光報警。在程序設計上我采用的是C語言編程。C語言是一種編譯型程序設計語言，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，運算速度快、編譯效率高，有良好的可移植性，可以直接對系統硬件實現控制。C語言是一種結構化的程序設計語言，它支持目前程序設計中被廣泛采用的由頂向下的結構化程序設計。此外，C語言程序還具有完善的模塊程序結構，從而為軟件設計中采用的模塊化程序設計方法提供了有力的保障。因此，使用C語言進行程序設計已成為軟件開發(fā)的一個主流。用C語言來編寫目標系統軟件，會大大縮短開發(fā)周期，且明顯地增加軟件的可讀性，便于改進和擴充，從而研制出規(guī)模更大、性能更完備的系統，用C語言進行單片機程序設計是單片機開發(fā)與應用的必然趨勢。所以一個技術全面并涉足較大規(guī)模的軟件系統開發(fā)的單片機開發(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 程序編譯為機器碼，這樣單片機才能執(zhí)行編寫好的程序。4.2系統調試在系統調試階段我是分模塊分階段進行的。我先調試的是氣體濃度檢測部分，該部分就是把模擬量變成數字量，其原理和數字電壓表的設計是一樣的。所以該部分的系統調試在設計數字電壓表的原理基礎上進行調試的。然后調試數碼管顯示器，首先通過按鍵對報警閾值進行設置，最后把氣體濃度與按鍵值統籌在一起就組成了報警閾值調節(jié)部分。然后添加進語音報警、聲光報警。經過不斷的實驗測試，形成了系統整體程序。在設計好硬件的基礎上，下載程序。系統通上電，報警限顯示為18ppm，按動上下鍵可以進行調節(jié)。將打火機排出的氣體對準傳感器時，顯示屏上的氣體濃度立即不斷升高；當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。結 論氣體檢測報警器可保障生產與生活的安全，避免火災和爆炸事故以及煤氣中毒的發(fā)生，它是防火、防爆和安全生產所必備的儀器，具有廣闊的市場空間與發(fā)展前景。本文設計的天然氣泄漏檢測報警系統采用性價比很高的STC89C52單片機作為主控芯片，利用其強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的設計。本論文設計的氣體報警器由氣體信號采集電路與單片機控制電路兩大部分構成。根據設計要求、使用環(huán)境、成本等因素，選用MQ-4型半導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體敏感器件。它的靈敏度適中，具有響應與恢復特性好，長期工作穩(wěn)定性、重現性、不易受環(huán)境影響及抗溫濕度影響等優(yōu)點。本系統能夠實現對空氣中天然氣濃度的實時監(jiān)測并顯示，當檢測氣體濃度低于設定報警閾值的時候，數碼管顯示器僅僅顯示測得的可燃氣體濃度；當檢測氣體濃度超出設定報警閾值時給出聲光報警。該設計的天然氣泄漏檢測報警系統的綜合功能遠高于市面上的天然氣報警系統，減少誤報關閥的困擾。本設計在電路方案采用模塊化設計，可以方便實現功能擴展，從而滿足特殊應用領域中的功能和可靠性需求。在下一步的工作中，可將GPRS模塊的功能進行設計改善，以實現網絡數據共享，也可以在本系統的基礎上加上手機遠程控制防火滅火報警燈功能。在元件及調制方面，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網時代，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網控制，從而可以與消防隊進行數據共享。34參考文獻1高凌云，諶海云，林立憑基于89C52的煤氣泄露監(jiān)測與報警系統設計J中國儀器儀表，2012，12(11)：70-72.2秦龍主編MSP430單片機常用模塊與綜合系統實例精講M北京：電子工業(yè)出版社，2010.3趙建領51單片機開發(fā)與應用技術詳解M北京：電子工業(yè)出版社，2009.4揚立微型計算機原理與接口技術M北京：中國鐵道出版社，2008.5袁麗娟GPRS無線數據傳輸終端研究與設計D：碩士學位論文四川：西南交通大學電力電子與電力傳動，2008.6彭小軍用單片機實現電子時鐘J新余高專學報，2009，9(2)：2-4.7王守中讀就通51單片機開發(fā)M北京：電子工業(yè)出版社，2011.8姜志海，劉連鑫，王蕾單片機微型計算機原理及應用M北京：電子工業(yè)出版社，2011.9洪志剛，杜維玲，井娥林單片機應用系統設計M北京：機械工業(yè)出版社，2011.10 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