基于單片機天然氣報警系統(tǒng)設計目錄TOC\o"1-3"\h\u13659摘要 16461緒論 2259691.1設計的背景 2288301.2發(fā)展現(xiàn)狀 2147772系統(tǒng)的原理及設計方案 2192472.1系統(tǒng)的主要功能 226682.2系統(tǒng)設計方案 310323系統(tǒng)的硬件設計 3314013.1主控電路的設計 341193.1.1單片機AT89C51的簡介 3145393.1.2時鐘電路設計 4176363.1.3復位電路設計 526693.2顯示電路設計 6181853.2.1LCD1602液晶顯示器簡介 6188153.2.2LCD1602電路圖設計 6147023.3檢測電路設計 7253743.3.1MQ-4氣體傳感器簡介 769853.3.2MQ-4氣體傳感器電路圖設計 8117863.4轉(zhuǎn)換電路設計 8294883.4.1ADC0832轉(zhuǎn)換器簡介 8240483.4.2ADC0832轉(zhuǎn)換器電路圖設計 860893.5聲光報警電路設計 9168673.5.1燈光報警電路設計 9109633.5.2聲音報警電路 9122153.6開關電路設計 10167993.7按鍵電路設計 11192284系統(tǒng)的軟件設計 11200224.1KeilC51 1137544.2AltiumDesigner 12140074.3主程序流程圖設計 12282265系統(tǒng)的調(diào)試與測試 13135015.1系統(tǒng)的硬件調(diào)試 13259595.2系統(tǒng)的軟件調(diào)試 1494136結論 146533參考文獻 1628140謝辭 1714136附錄1系統(tǒng)設計原理圖 1811390附錄2PCB圖 19摘要：隨著我們的生活水平不斷的提升，家中也都普遍用上了天然氣，而天然氣卻存在一定的安全隱患。天然氣可能因為管道老化，人為因素等等原因?qū)е绿烊粴庑孤?，而天然氣在空氣中達到一定濃度時會容易產(chǎn)生爆炸事故。所以為了提升天然氣的安全性，設計了一種經(jīng)濟、實惠且操作簡單的天然氣報警系統(tǒng)。本設計采用以單片機AT89C51為控制核心，再以顯示模塊，氣體檢測模塊，聲光報警模塊等為輔助。其中顯示模塊采用的是LCD1602顯示器，氣體檢測模塊所用的是MQ-4氣體傳感器，而聲光報警模塊采用LED燈和蜂鳴報警器所組成，從而實現(xiàn)天然氣報警系統(tǒng)的主要功能。關鍵詞：單片機；氣敏傳感器；天然氣報警器1緒論設計的背景天然氣越來越普遍，同時也讓我們的生活品質(zhì)越來越好?，F(xiàn)如今，天然氣已成為我們生活中的必要的能源，它給我們帶來便利的同時，但是發(fā)生在身邊的天然氣泄漏事故也越來越頻繁，我們的安全保障已極度下降。如果能及時檢測天然氣是否泄露，那么人們的家庭安全將大大提升，所以天然氣報警系統(tǒng)的設計已經(jīng)是一個必然趨勢。天然氣報警系統(tǒng)可以有效的保證人們是用天然氣的安全性，可以有效避免由于天然氣導致的意外事故。它可以有效的防范安全事故，當天然氣濃度達到一定范圍的時候發(fā)出蜂鳴的報警聲，并自動的打開風扇進行換氣可以有效地制止由天然氣泄漏導致一系列的事故。這套系統(tǒng)的優(yōu)勢就是易于實現(xiàn)，造價便宜，功能齊全。發(fā)展現(xiàn)狀2020年是極其不平凡的一年，隨著疫情的到來，世界各地都迎來了巨大的挑戰(zhàn)。然而就在這樣嚴峻的挑戰(zhàn)下，我國戰(zhàn)勝了疫情，成為了全球率先實現(xiàn)經(jīng)濟正增長的主要經(jīng)濟體，同時決戰(zhàn)脫貧也取得了決定性的勝利。在這樣的背景下，我國的天然氣行業(yè)顯示出較強的韌性，穩(wěn)中向好，消費量已經(jīng)突破3200億m3在能源費總量中的比重提高至8.5%左右，比2015年提高了約2.6給個百分點[1]。這也說明了天然氣作為清潔能源，在能源上已經(jīng)占據(jù)了主導地位。而隨著我國天然氣的普及，天然氣已經(jīng)在家家戶戶的廚房中作為主要的能源方式。雖然隨著天然氣的不斷的發(fā)展也越來越安全，但是還是有因為天然氣導致的火災等一些意外事故也是時有發(fā)生，可能會因為自己操作不當，或者因為天然氣管道的老化導致的泄漏導致發(fā)現(xiàn)的一系列的事故。所以天然氣報警系統(tǒng)的發(fā)展也成為了一種必要趨勢。2系統(tǒng)的原理及設計方案2.1系統(tǒng)的主要功能當拿到裝置的時可以利用裝置上的按鍵先設置好報警值，當附近有甲烷氣體時，會在液晶顯示屏上顯示當前的數(shù)值，并且綠燈閃爍。如果數(shù)值超出了所預設好的報警值的范圍，紅燈閃亮會發(fā)出蜂鳴值，這時繼電器開始工作，繼電器帶動風扇轉(zhuǎn)動模擬換氣。當數(shù)值回落的時候，報警關閉，繼電器停止工作同時風扇停止轉(zhuǎn)動，天然氣報警系統(tǒng)結構圖如圖2-1所示。圖2-1天然氣報警系統(tǒng)結構圖2.2系統(tǒng)設計方案本文主要闡述了該系統(tǒng)設計的理論方案。該系統(tǒng)使用了AT89C51單片機作為主控芯片，通過MQ-4氣體傳感器探測空氣中的天然氣氣體濃度，并轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之相應的電信號，同時作為模擬量傳輸進入A/D轉(zhuǎn)換ADC0832，將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸進入單片機系統(tǒng)中，單片機通過處理器的的線性處理，最終在液晶屏上顯示相對應的氣體濃度，并且與此同時單片機會判斷輸入進的當前氣體濃度是否超過設置的報警值，如果低于設定值，不產(chǎn)生動作，如果氣體濃度高于設定安全值，則驅(qū)動蜂鳴器模塊，提醒用戶采取相應措施，同時打開繼電器模塊開始讓模擬風扇進行工作[2]。3系統(tǒng)的硬件設計3.1主控電路的設計3.1.1單片機AT89C51的簡介本設計中使用的單片機AT89C51是由ATMEL設計出來的高效率的微控制器，主要的特點是集成度高、存儲容量大、外部擴展能力強、控制功能強。同時該微型控制器穩(wěn)定性較好，也有較長的使用壽命。最后該微型控制器也為許多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一個廉價，簡易且靈活性高的方案。單片機AT89C51引腳圖如圖3-1所示。圖3-1單片機AT89C51引腳圖AT89C51還提供以下標準功能:4k字節(jié)Flash閃速存儲器，256字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器(00H-7FH為片內(nèi)RAM，80H-FFH為特殊功能寄存器SFR)，32個I/O口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路[4]。同時，單片機AT89C51的頻率可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，且還能支撐兩種軟件的節(jié)電的工作模式。當單片機空閑的時候，將停止CPU的工作，但是容許隨機存取存儲器，定時或計數(shù)器，串行通信口和中斷系統(tǒng)持續(xù)工作。掉電的工作方式保存了隨機存取存儲器中的內(nèi)容，但是晶體振蕩器停止工作的同時禁止其他所有的部件工作到下一個硬件復位。3.1.2時鐘電路設計本設計在單片機的基礎之上還采用了時鐘電路設計。時鐘電路其實就是一種類似時鐘一樣精確的進行運動的振蕩電路。任何工作都按時間順序。用于產(chǎn)生這個時間的電路就是時鐘電路[6]。時鐘電路通常是由\t"/item/%E6%97%B6%E9%92%9F%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"晶體振蕩器、控制芯片和電容構成。晶振是晶體振蕩器的簡稱，而晶體振蕩器中的石英晶體振蕩器則是高精度穩(wěn)定的晶體振蕩器，其主要廣泛用于各種振蕩電路，例如彩色電視機、計算機等，以及用于頻率發(fā)生器、數(shù)據(jù)處理設備的通信系統(tǒng)，創(chuàng)建一個特定的系統(tǒng)和基本信號的時鐘信號。石英晶體振蕩器是利用石英晶體(二氧化硅的結晶體)的壓電效應制成的一種諧振器件，它的基本構成大致是:從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等)，在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振[7]。而AT89C51單片機的時鐘信號通常有兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時鐘方式，二是外部時鐘方式。在單片機內(nèi)部的時鐘電路中，振蕩電路中的晶振還有電容要與引腳XTAL1、XTAL2所連接，這樣所構成的使振蕩電路可以穩(wěn)定的運行。同時兩個電容通常用的是30pF，晶振選用的頻率也在1.2MHz和12MHz中間[8]。其實在外接時鐘電路之中，除了要求兩個引腳要接外部時鐘，但對于其信號沒有別的特殊要求，就是要有一定的脈沖寬度，同時其頻率要低于12MHz。時鐘電路引腳圖如圖3-2所示。圖3-2時鐘電路引腳圖3.1.3復位電路設計單片機在啟動時都需要復位，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。89系列單片機的復位信號是從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個機器周期(24個振蕩周期)以上，則CPU就可以響應并將系統(tǒng)復位[9]。單片機系統(tǒng)的復位方式有:手動按鈕復位和上電復位。上電復位就是意味著電壓在一段時間內(nèi)，由于電阻，在RESET位置上的高壓處于很高的水平，在這一點上的RESET水平將逐漸改變?yōu)榈退?，使微控制器可以將復位口?到0的水平，以實現(xiàn)微控制器的復位功能。本設計采用的是手動按鈕復位按鍵，同時手動復位有電平方式和脈沖方式兩種[10]。而電平復位的方式就是讓RST(9)端口與電源連接從而實現(xiàn)的。復位電路引腳圖如圖3-3所示。圖3-3復位電路引腳圖3.2顯示電路設計3.2.1LCD1602液晶顯示器簡介本設計使用的是一種常用的液晶顯示器，該顯示器就是LCD1602液晶顯示器。它主要是由字符型液晶顯示屏、控制驅(qū)動主電路和擴展驅(qū)動電路，其中還包括一些電阻、電容所組成的。通常LCD1602的液晶模塊內(nèi)一般都是帶有標準字庫的，在內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM）已經(jīng)是存儲了192個5×7的點陣字符，32個5×10的點陣字符[11]。另外還會有字符生成隨機存取存儲器512個字節(jié)，給予用戶用作自定義字符。例如某些字符就會有：英文字母的大小寫或者阿拉伯數(shù)字等一些常用的字符，而每一個字符它會著自己的固定的代碼。3.2.2LCD1602電路圖設計本設計的所使用的是16引腳的LCD1602液晶顯示器，LCD1602的第1、5、16腳接地；第2、15引腳連通到電源；第3引腳連通LCD對比度調(diào)節(jié)口。第4引腳和寄存器相連接；第6個引腳與使能端連接，當為高電平的時后是讀取信息，當電平是負的時候執(zhí)行指令；7~14引腳連接排阻，同時與微控制器相連。LCD1602液晶屏引腳圖如圖3-4所示。圖3-4LCD1602液晶屏引腳圖3.3檢測電路設計3.3.1MQ-4氣體傳感器簡介該設計所使用的是MQ-4氣敏元件，它所使用的材料是二氧化錫，因為二氧化錫它在空氣的電導率是較低的。如果把MQ-4傳感器放入到甲烷、丙烷等濃度較高的環(huán)境中電阻會變小，因為當濃度越高的時候，MQ-4傳感器的電導率就會越大。MQ-4傳感器對于甲烷氣體的靈敏度是很高的，但同時它對于丙烷或者丁烷的也有良好的靈敏度。之所以使用MQ-4傳感器是因為它對于天然氣的靈敏度較好，同時成本還很低，也有不錯的壽命。這些特點使得該傳感器在天然氣檢測方面被廣泛的使用。它經(jīng)常被用于家用氣體泄漏報警器、工業(yè)用可燃氣體報警器。3.3.2MQ-4氣體傳感器電路圖設計MQ-4氣體傳感器電路圖所采用的是六引腳的氣體傳感器和兩個電阻，還有一個電容所組成，其中MQ-4氣體傳感器引腳圖如圖3-5所示。圖3-5MQ-4氣體傳感器引腳圖3.4轉(zhuǎn)換電路設計3.4.1ADC0832轉(zhuǎn)換器簡介該設計所用的是ADC0832轉(zhuǎn)換器，它具有8位分辨率，同時還具有兩個通道的A/D轉(zhuǎn)換芯片。之所以是用該轉(zhuǎn)換器是因為它體積非常的小，還有兼容性也很不錯，這是使得它有很不錯的性價比。它因為不錯的性價比，良好的兼容性等特點，這使得它本身的普及率也越來越高。該轉(zhuǎn)換器的最高分辨率已經(jīng)達到了256級，已經(jīng)可以適當?shù)倪M行一些普通的模擬量的轉(zhuǎn)換。該芯片的轉(zhuǎn)換速度也很優(yōu)秀，轉(zhuǎn)換所需要的時間僅僅32μS，同時還具備雙數(shù)據(jù)輸出用來進行數(shù)據(jù)校驗。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便[12]。3.4.2ADC0832轉(zhuǎn)換器電路圖設計ADC0832轉(zhuǎn)換器的第1引腳與微控制器的第9引腳相連接；第2引腳所連接的輸入；第5、6引腳用一根并聯(lián)的數(shù)據(jù)線連接到微控制器的第4引腳上；轉(zhuǎn)換器上的第6引腳直接連接到微控制器的第3引腳上；第8引腳要與電源接通。ADC0832轉(zhuǎn)換器引腳圖如圖3-6所示。圖3-6ADC0832轉(zhuǎn)換器引腳圖3.5聲光報警電路設計3.5.1燈光報警電路設計燈光報警電路中的燈使用的是發(fā)光二極管，光二極管又可以稱為LED。之所以是用LED燈是因為，LED所需要的能源非常的少，同時LED的材料是通過鎵、磷、氮等的化合物所構成，在電路及儀器中可以作為指示燈使用，通過不通過的化合物材料組成不同的燈光。其中LED燈在電路之中響應的非常的快，只要通電LED燈能快速的亮起。發(fā)光二極管是一種常用的發(fā)光器件，通過\t"/item/%E5%8F%91%E5%85%89%E4%BA%8C%E6%9E%81%E7%AE%A1/_blank"電子與\t"/item/%E5%8F%91%E5%85%89%E4%BA%8C%E6%9E%81%E7%AE%A1/_blank"空穴復合釋放能量發(fā)光，它在照明領域應用廣泛[13]。LED燈對于把電能轉(zhuǎn)化為光能的效率是很高的，它對于現(xiàn)在的社會的用途非常的多，例如家用的照明燈、平板電腦的顯示，還有各類醫(yī)療器件。燈光報警電路引腳圖如圖3-7所示。圖3-7燈光報警電路引腳圖3.5.2聲音報警電路有源蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件[14]。有源蜂鳴器所需要的最為合適的信號就是直流電，常用的標識是VDC、VDD等。蜂鳴器的工作原理是因為內(nèi)部有一個振蕩電路，可以不斷的把其中的直流電轉(zhuǎn)化成所需的脈沖信號，這樣可以讓里面的磁場按照一定的規(guī)律不斷的變化，從而使里面的鋁片振動發(fā)出聲音。有源蜂鳴器引腳圖如圖3-8所示。圖3-8有源蜂鳴器引腳圖3.6開關電路設計該設計的開關設計電路主要采用的是電磁繼電器。電磁繼電器一般是通過鐵芯、線圈、銜鐵等構成的。它的運作原理是在其線圈的兩端加上合適的電壓，這時候該線圈就會流過一定電流，此時的線圈里就會產(chǎn)生電磁效應，銜鐵會在電磁力的作用下被往鐵芯的方向吸引，最后讓銜鐵的動觸點和常開的觸點吸合，如果沒電了，電磁對于銜鐵的吸力自然就消失了，銜鐵就會在彈簧的作用下回到原來的位置。這樣的過程可以在電路之中達到導通還有斷開的目的。在繼電器當中有著“常開”或者“常閉”兩個詞組，可以通過是否接通的狀態(tài)來分析，如果沒有通電還是斷開狀態(tài)的靜觸點這樣可以稱之為“常開觸點”；反之則被稱為“常閉觸點”。通常電路中的繼電器是利用PNP型的三極管所驅(qū)動的，比如當其中的標準值超所設定的時候，微控制器的高電平就會變成低電平，這時候三極管就會連通這個時候繼電器就會運行，其中的銜鐵就會吸合。繼電器就起到了開關的作用，負載就會被驅(qū)動。開關電路引腳圖如圖3-9所示。圖3-9開關電路引腳圖3.7按鍵電路設計該設計使用的是獨立式鍵盤，該鍵盤主要是通過適量的按鍵和微控制器的每個I/O口連接，按鍵的狀態(tài)主要是利用微控制器的I/O的電平狀態(tài)來確定的，通常每個獨立按鍵都對應一個不同的功能，這樣就可以利用按鍵來構成許多功能。按鍵引腳圖如圖3-10所示。圖3-10按鍵引腳圖4系統(tǒng)的軟件設計4.1KeilC51KeilC51是美國KeilSoftware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、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、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)境將這些部分組合在一起。運行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。KeilC51開發(fā)工具旨在解決嵌入式軟件開發(fā)商面臨的復雜問題。當你開始一個新項目，只需簡單的從設備數(shù)據(jù)庫選擇使用的設備，uVisionIDE將設置好所有的編譯器、匯編器、鏈接器和存儲器選項。包含大量的例程，幫助你著手使用最流行的嵌入式8051設備。KeilμVision調(diào)試器準確地模擬8051設備的片上外圍設備(IC、CAN、UART、SPI、中斷、I/O端口、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器和PWM模塊)。模擬幫助你了解硬件配置，避免在安裝問題上浪費時間。此外，使用模擬器你可以在沒有目標設備的情況下編寫和測試應用程序。如果你使用C語言編程，那么Keil幾乎就是你的不二之選。4.2AltiumDesignerAltiumDesigner是原Protel軟件開發(fā)商Altium公司推出的一體化的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，主要運行在Windows操作系統(tǒng)。這套軟件通過把原理圖設計、電路仿真、PCB繪制編輯、拓撲邏輯自動布線、信號完整性分析和設計輸出等技術的完美融合，為設計者提供了全新的設計解決方案，使設計者可以輕松進行設計，熟練使用這一軟件使電路設計的質(zhì)量和效率大大提高[15]。AltiumDesigner除了全面繼承包括Protel99SE、ProtelDXP在內(nèi)的先前一系列版本的功能和優(yōu)點外，還增加了許多改進和很多高端功能。該平臺拓寬了板級設計的傳統(tǒng)界面，全面集成了FPGA設計功能和SOPC設計實現(xiàn)功能，從而允許工程設計人員能將系統(tǒng)設計中的FPGA與PCB設計及嵌入式設計集成在一起。由于AltiumDesigner在繼承先前Protel軟件功能的基礎上，綜合了FPGA設計和嵌入式系統(tǒng)軟件設計功能4.3主程序流程圖設計開始打開電源按鍵，單片機初始化完成，進行掃描按鍵，后續(xù)讀取AD值。然后判斷濃度值是否超出，如果沒有超出返回上一級重復這一循壞，如果超過紅燈閃爍進行蜂鳴報警，在LCD1602顯示對應數(shù)值程序結束。流程圖如圖4-1所示。圖4-1程序設計流程圖5系統(tǒng)的調(diào)試與測試5.1系統(tǒng)的硬件調(diào)試首先要要排除邏輯故障，要將加工的印制板認真對照原理圖，看兩者是否一致。應特別注意電源系統(tǒng)檢查，防止電源短路和極性錯誤，并重點檢查系統(tǒng)總線(地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線)是否存在相互之間短路或與其它信號線路短路。利用數(shù)字萬用表的短路測試功能，可以縮短排錯時間。再者要排除元氣無效的地方有可能是元器件買來時就已壞了或者是由于安裝錯誤，造成器件燒壞。可以采取檢查元器件與設計要求的型號、規(guī)格和安裝是否一致。在保證安裝無誤后，用替換方法排除錯誤。還要檢查電源排除其故障的可能性，在通電前，檢查了電源電壓的幅值和極性，否則很容易造成集成塊損壞。加電后檢查各插件上引腳的電位，然后檢查了VCC與GND之間電位，若在5V～4.8V之間屬正常。若有高壓，聯(lián)機仿真器調(diào)試時，將會損壞仿真器等，有時會使應用系統(tǒng)中的集成塊發(fā)熱損壞。實物測試及功能調(diào)試如圖5-1所示。圖5-1實物測試及功能調(diào)試圖5.2系統(tǒng)的軟件調(diào)試測試所需要的軟件為：KeilC51、AltiumDesigner、STC-ISP。通過KeilC51用C語言進行單片機的程序編寫，進過多次在軟件中的測試去除錯誤的地方。在通過AltiumDesigner畫出原理圖，然后進行焊接。焊接完后再通STC-ISP軟件把寫好的程序燒錄到單片機AT89C51當中，通過實物測試程序可以在單片機中完美運行。6結論畢業(yè)論文是本科學習階段一次非常難得的理論與實際相結合的機會，通過這次比較完整的天然氣報警系統(tǒng)設計，我擺脫了單純的理論知識學習狀態(tài)，能夠和實際設計相結合,大大的鍛煉了我綜合運用所學專業(yè)知識的能力，和解決實際工程問題的能力，同時也提高了我查閱文獻資料、設計手冊、設計規(guī)范以及運用匯編語言編程等專業(yè)能力水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗得到了豐富，并且意志力，克服困難的能力以及耐力也都得到了不同程度的提升。這是我們都希望看到的,也正是我們進行畢業(yè)設計的目的所在。本次設計的天然氣報警器以AT89C51為主芯片，AT89C51為8位單片機，當ADC0832的輸入電壓為5V時，輸出數(shù)字量值為FFH，故最大分辯率為0.0196V。如果要獲得更高的精度，需采用12位、13位等高于8位的A/D轉(zhuǎn)換器。為了實現(xiàn)四位數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，我在顯示部分增加了BCD碼轉(zhuǎn)化程序，將十六進制數(shù)轉(zhuǎn)化為十進制。本次設計用單片機AT89C51、ADC0832和數(shù)碼管構成一個簡單的檢測系統(tǒng)?？傮w來講本次設計具有電路簡單