畢業(yè)論文-基于單片機的天然氣監(jiān)測報警系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

大連東軟信息學院本科畢業(yè)設計（論文）基于單片機的天然氣監(jiān)測報警系統(tǒng)設計與實現(xiàn)基于單片機的天然氣監(jiān)測報警系統(tǒng)設計與實現(xiàn)系所：電子工程系專業(yè)：電子信息工程（嵌入式系統(tǒng)工程方向）學生姓名：學生學號：指導教師：導師職稱：講師完成日期：2014年5月2日大連東軟信息學院DalianNeusoftUniversityofInformation大連東軟信息學院畢業(yè)設計（論文）摘要V 基于單片機的天然氣監(jiān)測報警系統(tǒng)設計與實現(xiàn)摘要隨著煤氣在家庭中的使用和儲存方面的隱患日益加劇，越來越多的人選擇安裝天然氣來取代煤氣。天然氣與煤氣不同，不需要通過像“炸彈”一樣的煤氣罐來存儲，而是通過統(tǒng)一的管道來入戶。但是這并不意味著天然氣就絕對安全，由于天然氣需要閥門控制進氣，當閥門使用過度有所損壞時，就可能會發(fā)生泄漏。因此為了避免危險，就需要監(jiān)測報警系統(tǒng)來隨時監(jiān)控家中天然氣濃度并作出警示。近年來大規(guī)模集成電路發(fā)展迅速，同時也帶動了單片機的迅猛發(fā)展，“個頭小，價格低，功能強大”是單片機的重要特征，與微型計算機的功能相似。利用單片機技術來實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測，不僅能降低成本，還能減小其體積和質量，提高監(jiān)測的自動化水平，對家庭燃氣的監(jiān)測更加準確和便利。本系統(tǒng)以89C51單片機為控制核心，利用氣敏傳感器對環(huán)境中可燃氣體的濃度進行檢測，通過A/D轉換將測得的氣體濃度值轉換為單片機可識別的數(shù)字信號。當可燃氣體濃度超過預設值時單片機就會進行報警。本文主要介紹了基于單片機提供的一個監(jiān)測報警的平臺，通過監(jiān)測室內的天然氣濃度借由家中無限網(wǎng)來向戶主進行實時的反饋和報警，保護家人的安全。關鍵詞：單片機，氣敏傳感器，A/D轉換，報警系統(tǒng)大連東軟信息學院畢業(yè)設計（論文）AbstractDesignandImplementationoftheGasMonitoringandAlarmSystemBasedonMCUAbstractWiththeuseandstorageofgasinthehomerisksincreasing,moreandmorepeoplechoosetoinstallnaturalgastoreplacecoa.Naturalgasdoesn’tneedtostorebyabomb-likegastankbutthroughaunifiedpipelinetohome,whichisdifferentfromcoal.Butthisdoesn’tmeanthatnaturalgasisabsolutelysafe,becauseputtingtheintakevalveundercontrolisneededbythenaturalgas,whenthevalveisoveruseddamaged,itmayleak.Therefore,inordertoavoiddanger,MonitoringandAlarmSystemisneededtomonitortheconcentrationofnaturalgasinhomeandmakewarning.LSI(LargeScaleIntegratedcircuit)hasdevelopedrapidlyinrecentyears,andalsohasledtotherapiddevelopmentofsingle-chip,"smallhead,lowpriceandpowerful"isanimportantfeatureofthemicrocontroller,whichissimilartothefunctionofamicrocomputer.Byusingsingle-chiptechnologytorealizeenvironmentalmonitoringcannotonlyreducecosts,butreduceitsvolumeandqualityandincreasethelevelofautomationofmonitoring,makingitmoreaccurateandconvenienttomonitorofdomesticgas.Thissystem,whichusesmicrocontroller89C51asitscontrolcore,detectstheconcentrationofEnvironmentalcombustiblegasesbyutensilssensor,convertsthemeasuredconcentrationvalueofcombustiblegastorecognizabledigitalsignalbyA/Dconversion.Whentheconcentrationexceedsthepresetvaluemicrocontrollerwillalarm.Thispaperdescribesamicrocontroller-basedplatformwhichprovidesmonitoringalarm,bymonitoringtheconcentrationofindoorgasanduploadingthedatatothehomewirelessnetworkforreal-timefeedbackandalerttotheheadofthehousehold,thissystemguaranteesthesecurityofyourfamily.Keywords:SoC,A/Dconversion,GasSensors,AlarmSystem大連東軟信息學院畢業(yè)設計（論文）目錄目錄TOC\o"1-3"\u摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1課題研究背景與意義 11.1.1家庭自動化 11.1.2自動化的需求 21.2課題研究內容與方法 21.3課題研究現(xiàn)狀 2第2章關鍵技術介紹 42.1煙霧傳感器的選型 42.1.1煙霧傳感器介紹 42.1.2煙霧傳感器的選定 42.2氣敏元件MQ-2 5第3章系統(tǒng)需求分析 73.1系統(tǒng)設計目標 73.2系統(tǒng)功能需求 73.3系統(tǒng)非功能需求 73.4系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境 83.5系統(tǒng)可行性分析 83.5.1技術可行性 83.5.2經(jīng)濟可行性 9第4章系統(tǒng)設計 104.1系統(tǒng)設計指導原則 104.2體系結構設計 104.3硬件設計 114.3.1單片機與外圍電路連接設計 114.3.2LCD1602液晶顯示屏電路設計 114.3.3MQ-2氣體傳感器電路設計 124.3.4ADC0809電路設計 124.3.5按鍵電路設計 134.3.6蜂鳴器報警電路設計 134.3.7風扇電路設計 144.3.8LED指示燈電路設計 144.3.9電源及開關電路設計 154.3.10串口電路設計 154.4軟件設計 164.4.1UI界面設計 164.4.2功能模塊設計 17第5章系統(tǒng)實現(xiàn) 185.1環(huán)境配置 185.2功能模塊實現(xiàn) 195.3系統(tǒng)集成與調試 27第6章系統(tǒng)測試 286.1測試概述 286.2測試用例 286.2.1數(shù)據(jù)傳遞 286.2.2LCD顯示 28第7章結論 30參考文獻 31致謝 32附錄A 33大連東軟信息學院畢業(yè)設計（論文）-第1章緒論1.1課題研究背景與意義隨著人類社會的進步，天然氣正逐步取代煤氣成為人們日常生活中不可或缺的能源。但隨之產(chǎn)生的就是安全隱患問題。盡管天然氣無需像煤氣一樣存儲于罐中，是通過統(tǒng)一管道進行傳輸，但一旦管道閥門損壞發(fā)生故障，其后果仍然很嚴重。為此，對天然氣的監(jiān)測和報警就成了一項非常必要的工作。由于天然氣需要閥門控制進氣，當閥門使用過度有所損壞時，就可能會發(fā)生泄漏，而如果家中有人熟睡或者其他情況難以察覺到泄漏時，其后果就非常危險。因此為了避免危險，就需要監(jiān)測報警系統(tǒng)來隨時監(jiān)控家中天然氣濃度并作出警示。近年來大規(guī)模集成電路發(fā)展迅速，同時也帶動了單片機的迅猛發(fā)展，“個頭小，價格低，功能強大”是單片機的重要特征，與微型計算機的功能相似。利用單片機技術來實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測，不僅能降低成本，還能減小其體積和質量，提高監(jiān)測的自動化水平，對家庭燃氣的監(jiān)測更加準確和便利。通過天然氣監(jiān)測報警系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，我們將為家庭自動化添上濃墨重彩的一筆。本系統(tǒng)將會解決人們對于家用天然氣泄漏問題的擔憂，為家人的生命安全提供保障。1.1.1家庭自動化家庭/辦公自動化是指在家里或辦公室來自動控制一部分甚至是所有的電子設備，無論我們在與不在。家庭/辦公自動化是這幾十年來在家庭住宅上最讓人激動的科技發(fā)明之一。現(xiàn)在有上百種可用的產(chǎn)品能幫助我們通過遙控甚至是聲控來自動化控制設備。家庭自動化是與居住有關的，建筑自動化的延伸。它是住宅，家務事，或者是日常活動的自動化。家庭自動化包括燈光的集中控制，供暖、通風設備和空調，家電和其他系統(tǒng)，來提高生活的便捷，舒適，能源利用率和安全。殘疾人可以幫助那些更加需要看護人或者機構護理的人們提供更好的生活質量。一個家庭自動化系統(tǒng)整合了房子里面電氣之間的聯(lián)系。應用在家庭自動化上的技術包括了樓房自動化和家庭活動控制自動化，比如家庭娛樂系統(tǒng)、室內植物和庭院澆水，寵物飼養(yǎng)、為不同的場合改變家庭場景（比如晚宴或者排隊）、以及使用家用機器人。這些設備可以通過電腦網(wǎng)絡連接，從而被遠程接口或網(wǎng)絡接口控制。通常，一個新家在建造的時候便被裝備上了家庭自動化系統(tǒng)，根據(jù)墻壁、下水口、儲藏室的可接近位置以及設計能力的不同，我們可以進行特定的改變來容納特定的技術。無線網(wǎng)系統(tǒng)一般都在房子裝備前被安裝，因為這樣可以減少線的改變。這些已知的能源用線、無線電、紅外線信號能夠通過中央控制器進行信息交流。1.1.2自動化的需求早些時候，我們展望未來的自動化設備的時候，這些設備可以在控制器的操縱下做任何事情。但是現(xiàn)在這種展望已經(jīng)成真。一個自動的設備可以取代大量的人類勞動。而人越多，在緊張環(huán)境下產(chǎn)生的錯誤和產(chǎn)生錯誤的趨勢就越強。然而，自動設備可以在勞動密集而多樣化的環(huán)境中不產(chǎn)生任何錯誤，可以代替人類操作那些包括了大量體力勞動或者單調勞動的任務以及代替人類在危險的環(huán)境中工作（比如火、太空、火山、核裝備、水下等等）。能夠以超越人類對于大小、重量、速度、容忍度等范疇的能力完成任務。自動化可以讓企業(yè)、社會甚至大部分人類更加經(jīng)濟的完成任務。比如，一家企業(yè)投資自動化可以恢復他的投資實力，或者一個州或者國家通 過自動化可以提高收入，如20世紀的德國和日本一樣。1.2課題研究內容與方法隨著人們安全意識的增強，對生活環(huán)境的舒適度和安全性就有了更高的要求，廚房便成了重中之重。煙霧報警器是一種通過檢測環(huán)境中可燃氣體的濃度來實現(xiàn)報警功能的裝置，通過將測得的燃氣濃度值轉換成單片機可識別的模擬信號來控制報警裝置的開啟。本系統(tǒng)以89C51單片機為控制核心，利用氣敏傳感器對環(huán)境中可燃氣體的濃度進行檢測，通過A/D轉換將測得的氣體濃度值轉換為單片機可識別的數(shù)字信號。當可燃氣體濃度超過預設值時單片機就會進行報警。1.3課題研究現(xiàn)狀國外從上世紀30年代開始研制開發(fā)煙霧傳感器，并且發(fā)展迅速，而我國從70年代初期開始研制煙霧傳感器，主要是通過引進國外先進技術和生產(chǎn)工藝。近年來，我國在傳感器選擇性，產(chǎn)品的穩(wěn)定性，對低濃度煙霧的識別等方面也有了很大的改善。現(xiàn)如今煙霧傳感器研究方向主要致力于提高靈敏度和工作性能，降低功耗和成本，縮小尺寸等。燃氣報警器就是氣體泄露檢測報警儀器。當環(huán)境中有可燃氣體或有毒氣體泄露時，若氣體報警器檢測到的氣體濃度達到預設的爆炸或者中毒值的臨界點時，燃氣報警器就會發(fā)出報警信號，以提醒工作人員采取安全措施，燃氣報警器相當于自動滅火器，可驅動排風、切斷、噴淋系統(tǒng)，防止發(fā)生爆炸、火災、中毒事故，從而保障安全生產(chǎn)。燃氣報警器可以測出各種氣體濃度，經(jīng)常用在化工廠，石油，燃氣站等有氣體泄漏的地方。1.4論文結構本文主要介紹燃氣監(jiān)測報警系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。內容概要如下：第一章緒論。主要介紹了課題的研究現(xiàn)狀及意義。第二章關鍵技術介紹。主要介紹了氣體傳感器的關鍵技術。第三章系統(tǒng)需求分析。對系統(tǒng)進行需求和可行性的分析。第四章系統(tǒng)設計。對系統(tǒng)的軟硬件部分進行劃分、設計。第五章系統(tǒng)實現(xiàn)。對軟硬件進行集成調試。第六章系統(tǒng)測試。給出系統(tǒng)的測試方案和結果。第七章結論。對整個課題工作進行歸納與總結。大連東軟信息學院畢業(yè)設計（論文）第2章關鍵技術介紹2.1煙霧傳感器的選型煙霧傳感器是氣敏傳感器的一種，屬于氣-電變換器，它能空氣中可燃氣體的含量（即濃度），通過A/D轉換電路將模擬量轉換成數(shù)字量后送到單片機，然后由單片機完成數(shù)據(jù)的處理及報警控制等工作。傳感器作為煙霧檢測報警器的信號采集部分，是系統(tǒng)的核心組成部分。因此，傳感器的選型是非常重要的。2.1.1煙霧傳感器介紹（1）煙霧傳感器的分類煙霧傳感器的種類很多，從檢測原理上可以分為以下三大類：①根據(jù)物理化學性質的煙霧傳感器：如半導體煙霧傳感器、接觸燃燒式煙霧傳感器等；②根據(jù)物理性質的煙霧傳感器：如熱傳導煙霧傳感器、光干涉煙霧傳感器、紅外傳感器等；③根據(jù)電化學性質的煙霧傳感器：如電流型煙霧傳感器、電勢型氣體傳感器等。（2）常見煙霧傳感器可檢測煙霧種類由于煙霧的種類繁多，一種類型的煙霧傳感器不可能檢測所有的氣體，通常只能檢測某一種或兩種特定性質的煙霧。例如氧化物半導體煙霧傳感器主要檢測各種還原性煙霧，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固體電解質煙霧傳感器主要用于檢測無機煙霧，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。2.1.2煙霧傳感器的選定煙霧檢測報警器主要應用在化工、石油、油庫、冶金、液化氣站、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃煙霧泄漏的場所，根據(jù)對監(jiān)測環(huán)境氣體的要求，一般選用接觸燃燒式煙霧傳感器和半導體煙霧傳感器。使用接觸燃燒式傳感器，其探頭的阻緩及中毒，是不可避免的問題。阻緩是當在煙霧與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質的情況下，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(chǎn)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，經(jīng)常對探頭進行標定，是必須且有效的辦法。半導體煙霧傳感器包括用氧化物半導體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以及用單晶半導體器件制作的煙霧傳感器，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。半導體煙霧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)過對比上述兩種煙霧傳感器的應用特性，發(fā)現(xiàn)半導體煙霧傳感器的優(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(xiàn)象，維護成本較低等。因此，本設計采用半導體煙霧傳感器作為報警器煙霧信息采集部分的核心。而在眾多半導體氣體傳感器中，本設計選用MQ-2型煙霧傳感器，這種型號的傳感器具備一般半導體煙霧傳感器靈敏度高、響應快、抗干擾能力強、壽命長等優(yōu)點。2.2氣敏元件MQ-2（1）特點①探測范圍廣泛②高靈敏度，快速響應恢復③穩(wěn)定性高，壽命長④驅動電路簡單（2）應用可廣泛用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于甲烷、丙烷、丁烷、液化氣、酒精、氫氣、煙霧等的探測。（3）靈敏度特性探測濃度范圍：100ppm-10000ppm液化氣和丙烷300ppm-5000ppm丁烷5000ppm-20000ppm甲烷300ppm-5000ppm氫氣100ppm-2000ppm酒精標準工作條件MQ-2氣體傳感器的工作條件如表2.1所示。表2.1MQ-2標準工作條件符號參數(shù)名稱技術條件備注Vc回路電壓≤15VACorDCVH加熱電壓5.0V±0.2VACorDCRL負載電阻可調RH加熱電阻31Ω±3Ω室溫PH加熱功耗≤900mW環(huán)境條件MQ-2工作時環(huán)境條件要求如表2.2所示。表2.2MQ-2工作環(huán)境條件符號參數(shù)名稱技術條件備注Tao使用溫度-10℃-50℃Tas儲存溫度-20℃-70℃RH相對濕度小于95%RHO2氧氣濃度21%(標準條件)氧氣濃度會影響靈敏度特性最大值小于2%在本設計中，設計思想是檢測家庭環(huán)境中可燃氣體，即天然氣的濃度，由于天然氣的主要成分為丁烷，在系統(tǒng)的檢測過程中不易測量，而打火機的主要成分是丁烷，易于檢測，所以在實際系統(tǒng)檢測中使用打火機來進行測量。第3章系統(tǒng)需求分析3.1系統(tǒng)設計目標本系統(tǒng)意在以89C51單片機為控制核心，利用氣敏傳感器對環(huán)境中可燃氣體的濃度進行檢測，通過A/D轉換將測得的氣體濃度值轉換為單片機可識別的數(shù)字信號。當可燃氣體濃度在正常范圍時綠燈常亮，當濃度超過一定范圍時紅燈會亮，蜂鳴器報警，同時風扇工作。利用上位機動態(tài)顯示濃度變化，同時也可直接進行調節(jié)，方便使用。3.2系統(tǒng)功能需求根據(jù)需求調研結果確定本系統(tǒng)主要包括以下功能模塊：氣體濃度采集模塊，氣體濃度數(shù)據(jù)顯示模塊，LED指示燈顯示模塊，蜂鳴器報警模塊，按鍵控制模塊，風扇模塊。對模塊功能的描述如表3.1所示。表3.1功能模塊描述功能編號功能名稱功能描述1氣體濃度采集通過氣體傳感器對環(huán)境中的可燃氣體進行采集，通過AD轉換器將測得的數(shù)字量轉換為單片機可識別的模擬量，以供后續(xù)的模塊使用，是系統(tǒng)的核心模塊2氣體濃度顯示單片機對接收到的濃度數(shù)據(jù)進行處理并傳遞到LCD1602上進行顯示3LED指示燈顯示通過預先設置的LED指示燈顯示范圍，對測得的氣體濃度進行分析，處于某一范圍時相應的LED亮起?？赏ㄟ^按鍵對其范圍進行調節(jié)4蜂鳴器報警當測得的氣體濃度達到一定值時，單片機給蜂鳴器一電信號，蜂鳴器鳴叫報警。同樣，蜂鳴器的報警值也會在LCD上顯示，可通過按鍵對其范圍進行調節(jié)5按鍵控制共有三個按鍵，為模式調節(jié)和上下調節(jié)。模式調節(jié)即為對LCD上顯示的三個LED燈和蜂鳴器報警值進行調節(jié)，每按一次鍵就跳到下一個，然后通過上下鍵對顯示值進行調節(jié)6.風扇模塊風扇的啟動值與蜂鳴器的報警值相同，當濃度值達到預設值時，蜂鳴器鳴叫，同時單片機會給繼電器電信號，驅動風扇轉動，模擬換氣扇工作3.3系統(tǒng)非功能需求（1）性能①靈敏度要求：100ppm-10000ppm液化氣和丙烷300ppm-5000ppm丁烷5000ppm-20000ppm甲烷300ppm-5000ppm氫氣100ppm-2000ppm酒精②響應時間≤10s③工作電壓：DC，+5v（2）成本9*15萬用板3元；STC89C51單片機5元；ADC08095.5元；1602液晶15元；7*7風扇10元；MQ-2煙霧傳感器3.5元；5v繼電器1元；電阻、電容、焊錫、按鍵等元器件為已有，直接使用。3.4系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境硬件環(huán)境：硬盤：15GB內存：4096MB操作系統(tǒng)：Windows7開發(fā)工具：Keil、Uv4、STC-ISP、Qt環(huán)境配置：Qt軟件環(huán)境：8051核ISP操作系統(tǒng)：MCS-51處理器：STC89C5180MHz顯示屏類型：LCD16023.5系統(tǒng)可行性分析3.5.1技術可行性本系統(tǒng)CPU使用STC89C51，是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C51使用經(jīng)典的MCS-51內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。傳感器使用MQ-2氣敏式煙霧傳感器，是目前工業(yè)上常用的一種氣體傳感器。MQ-2氣體傳感器對液化氣、丙烷、丁烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣（主要成分為甲烷）等其他可燃氣體的檢測也很理想。這中傳感器可檢測多種可燃氣體，驅動電路簡單，是一款多用途的低成本傳感器。3.5.2經(jīng)濟可行性本系統(tǒng)的電路均由基本的電路模塊組成，驅動電路簡單，除面包板、1602、MQ-2傳感器等其他基本元器件（包括電容、電阻、焊錫等）均為以前購買過未使用的器件，經(jīng)濟實惠。 第4章系統(tǒng)設計4.1系統(tǒng)設計指導原則（1）先進性本系統(tǒng)使用STC89C51單片機作為控制核心，STC89C51RC是采用8051核的ISP（InSystemProgramming）在系統(tǒng)可編程芯片，最高工作時鐘頻率為80MHz，片內含8KBytes的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元，具有在系統(tǒng)可編程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進單片機內部，省去了購買通用編程器，而且速度更快。STC89C52RC系列單片機是單時鐘/機器周期(1T)的兼容8051內核單片機，是高速/低功耗的新一代8051單片機，全新的流水線/精簡指令集結構,內部集成MAX810專用復位電路。使用Qt繪制上位機，能動態(tài)顯示當前環(huán)境中可燃氣體濃度，并允許用戶調整報警值，方便使用。（2）可靠性及安全性在本系統(tǒng)中氣體傳感器使用MQ-2氣敏式煙霧傳感器，是目前工業(yè)上常用的一種氣體傳感器。MQ-2氣體傳感器對液化氣、丙烷、丁烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣（主要成分為甲烷）等其他可燃氣體的檢測也很理想。這中傳感器可檢測多種可燃氣體，是一款多用途的低成本傳感器。4.2體系結構設計系統(tǒng)結構共分為四個模塊，分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、顯示及報警和電源模塊。單片機從ADC0809讀入數(shù)據(jù)，進行處理后，通過對數(shù)據(jù)的判斷，來驅動顯示及報警模塊的工作，如圖4.1所示。圖4.1系統(tǒng)體系結構4.3硬件設計4.3.1單片機與外圍電路連接設計單片機與外圍電路連接設計如圖4.2所示。其中，P0口及P2.3、P2.4口接1602液晶屏，P1口及3.2~P3.4、P3.6、CLK時鐘接ADC0809，P2.0~P2.2口接LED指示燈，復位電路采用上電按鍵復位。圖4.2單片機與外圍電路連接設計4.3.2LCD1602液晶顯示屏電路設計液晶1腳接GND，2腳接VCC，三腳是液晶的灰度調整，一般3腳與地之間的阻值為200~1.5KΩ，與電源之間的阻值為10K左右。4~14引腳接單片機的I/O口，15腳為背光的電源端，16腳為背光的地端，如圖4.3所示。圖4.3LCD液晶屏電路設計4.3.3MQ-2氣體傳感器電路設計在傳感器電路中，傳感器采集到的信號傳給ADC0809，加入濾波電路過濾掉高頻諧波，如圖4.4所示。圖4.4傳感器電路設計4.3.4ADC0809電路設計在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)輸入端只有從MQ-2傳感器傳來的信號，接IN0口。由于數(shù)據(jù)輸入端為IN0，所以3位地址線全部接0。數(shù)據(jù)輸出端D0~D7接單片機P1口，如圖4.5所示。圖4.5ADC0809電路4.3.5按鍵電路設計本設計中共有四個按鍵，為單片機上電按鍵復位電路中的按鍵和調節(jié)顯示屏顯示的濃度值的三個按鍵，這三個按鍵中1個用于選擇調節(jié)模式（綠燈G，黃燈Y，紅燈R和蜂鳴器B）。按鍵電路設計如圖4.6所示。圖4.6按鍵電路設計4.3.6蜂鳴器報警電路設計本系統(tǒng)中使用的蜂鳴器為有源蜂鳴器，內置振蕩器，只需要給電即可鳴叫，程序控制簡單，電路簡潔，如圖4.7所示。圖4.7蜂鳴器電路設計4.3.7風扇電路設計風扇電路設計如圖4.8所示。在電路中，繼電器室通過PNP型三極管驅動，傳感器測得的氣體濃度超過閥值時，單片機會由高電平跳變成低電平，三極管導通繼電器吸合，繼電器起開關作用，可以驅動負載帶動風扇轉動。圖4.8風扇電路設計4.3.8LED指示燈電路設計在本設計中共有三個LED指示燈，分為綠、黃、紅，根據(jù)傳感器測得的值的范圍不同會單獨亮起不同顏色的等，如圖4.9所示。圖4.9LED指示燈設計4.3.9電源及開關電路設計在本系統(tǒng)中供電方式為電腦USB供電，自鎖開關電路中起到電源的開關作用，常開的其中一腳接DC電源插口電源腳，常開的另一腳接電路的VCC，如圖4.10所示。圖4.10電源及開關電路設計4.3.10串口電路設計由于電腦串口輸出電壓高達12V，直接與單片機連接會燒壞芯片，所以需要用MAX232來進行電平轉換。MAX232芯片采用+5V電源供電，僅需幾個外接電容即可完成從TTL到RS232點評的轉換，共兩路，為TTL和CMOS，在本系統(tǒng)中僅使用TTL一路，13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為數(shù)據(jù)通道。TTL數(shù)據(jù)從T1IN輸入轉換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN輸入轉換成TTL數(shù)據(jù)后從R1OUT輸出。單片機中的UART和電腦串口RS232的區(qū)別僅在于電平的不同，電腦串口采用232電平，而單片機UART則采用TTL電平，如果不進行電平轉換，單片機跟電腦串口就不能進行直接通信，RS232是UART的一種就意味著通信協(xié)議的格式是一樣的，只要電平統(tǒng)一了，兩者之間就可以直接通信，于是乎應用了MAX232這一芯片，MAX232對兩者之間通信的數(shù)據(jù)沒有任何作用，僅僅是中介而已，而其只是負責將兩者之間的電平進行統(tǒng)一，使兩者之間沒有通信障礙。電路連接如圖4.11所示。圖4.11串口電路設計4.4軟件設計4.4.1UI界面設計圖4.12UI界面設計如圖4.12所示，為系統(tǒng)的上位機界面設計，軟件使用Qt繪制。單片機通過串口與PC連接后，即可以在單片機上進行調節(jié)，也可以在上位機進行調節(jié)，并且會動態(tài)顯示濃度值變化。4.4.2功能模塊設計圖4.13功能模塊設計如圖4.13所示，LED指示燈的調節(jié)共有三種，分為綠燈、黃燈、紅燈。濃度顯示分為即時顯示和動態(tài)圖顯示。大連東軟信息學院畢業(yè)設計（論文）第5章系統(tǒng)實現(xiàn)5.1環(huán)境配置（1）KeiluVision4安裝配置①安裝Keil

C51

V9.00版本，即uV4

②打開uVision4，點擊FileLicense

Management...，打開License

Management窗口，復制右上角的CID

③打開KEIL_Lic.exe注冊機，

在CID窗口里填上剛剛復制的CID，其它設置不變

④點擊Generate生成許可號，復制許可號

⑤將許可號復制到License

Management窗口下部的New

License

ID

Code，點擊右側的Add

LIC

⑥若上方的Product顯示的是PK51

Prof.

Developers

Kit即注冊成功，Support

Period為有效期，一般可以到30年左右，若有效期較短，可多次生成許可號重新注冊。Qt4.8.4安裝配置①安裝qt-creator-win-opensource-2.2.1.exe；②解壓縮MinGW-gcc440_1到Qt根目錄下；③安裝qt-win-opensource-4.8.4-mingw，期間選擇MinGW的目錄為Qt\mingw；④工具->選項->QT，“QT版本”中選擇“手動設置”，然后添加第3步安裝的Qt\4.8.4\bin\qmake.exe；⑤切換到“工具鏈”，選擇“手動設置”，然后添加第1步安裝的Qt\mingw\bin\mingw32-g++.exe；⑥右擊“我的電腦”->“屬性”->"高級"->“環(huán)境變量”在“用戶變量”中添加：path=C:\Qt\4.8.4\bin;QTDIR=C:\Qt\4.8.4;QTMAKESPEC=mingw32-g++AltiumDesigner安裝配置①下載安裝AltiumDesigner09；②運行AD9KeyGen，點擊“打開模板”，加載ad9.ini；③點擊“生成協(xié)議”，保存生成的alf文件到安裝目錄下；④運行ads09crack，對安裝目錄下的dxp.exe文件補丁，注意運行破解時軟件沒有運行；⑤啟動DXP，運行菜單DXP->MyAccount，點擊AddStandaloneLicensefile，加載前面生成的license文件；⑥打開DXP菜單的第二個選項（Preferences），從選項菜單（Preferences）點擊“System菜單”下的“Genera菜單”，勾選“Localization選項”中的“UsedLocalizedResources選項”即可完成漢化。5.2功能模塊實現(xiàn)氣體濃度采集模塊實現(xiàn)如圖5.1所示，將傳感器與ADC0809的IN0口相連，當傳感器檢測到可燃氣體后，傳感器內阻發(fā)生變化，傳遞給ADC0809，進行轉換后輸出單片可識別的信號。圖5.1氣體濃度采集模塊#defineData_ADC0809P1ucharADC0809(){ uchartemp_=0x00; OE=0; ST=0; ST=1; ST=0; while(EOC==0) OE=1; temp_=Data_ADC0809; OE=0; returntemp_;}氣體濃度數(shù)據(jù)顯示模塊實現(xiàn)如圖5.2所示，ADC0809輸出測得的氣體濃度后，傳遞給單片機，單片機再將數(shù)據(jù)傳遞給LCD1602進行顯示。圖5.2氣體濃度數(shù)據(jù)顯示模塊voidInit1602(){uchari=0;write_com(0x38);//屏幕初始化write_com(0x0c);//打開顯示無光標無光標閃爍write_com(0x06);//當讀或寫一個字符是指針后一一位write_com(0x01);//清屏write_com(0x80);//設置位置for(i=0;i<16;i++){ write_data(Init1[i]);}write_com(0x80+40);//設置位置for(i=0;i<12;i++){ write_data(Init2[i]);}}voidDisplay_1602(ucharG,ucharY,ucharR,ucharB,ucharSmog){ //綠色值顯示 write_com(0x80+2); write_data('0'+G/100); write_data('0'+G/10%10); write_data('0'+G%10); //黃色值顯示 write_com(0x80+7); write_data('0'+Y/100); write_data('0'+Y/10%10); write_data('0'+Y%10); //黃色值顯示 write_com(0x80+12); write_data('0'+R/100); write_data('0'+R/10%10); write_data('0'+R%10); //蜂鳴值顯示 write_com(0x80+0x42); write_data('0'+B/100); write_data('0'+B/10%10); write_data('0'+B%10); //當前值顯示 write_com(0x80+0x42+10); write_data('0'+Smog/100); write_data('0'+Smog/10%10); write_data('0'+Smog%10); }LED指示燈顯示模塊實現(xiàn)如圖5.3所示，在本系統(tǒng)中，共有三種顏色LED，分為綠、黃、紅，由于工作原理相同，圖5.3只為綠燈工作原理。當單片機接收到ADC0809傳遞過來的濃度值時，會進行判斷，即當前工作模式是否為模式0（正常模式，共有五種調節(jié)模式，為正常模式0，調節(jié)綠燈模式1，調節(jié)黃燈模式2，調節(jié)紅燈模式3，調節(jié)蜂鳴器模式4），為正常模式后再判斷濃度值處于哪個指示燈設置范圍，再決定哪個LED燈亮。圖5.3LED指示燈顯示模塊蜂鳴器報警模塊實現(xiàn)在系統(tǒng)中，蜂鳴器的報警值預設為60，即當AD轉換器傳過來的傳感器值大于等于60時開始報警，蜂鳴器IO口低電平有效。如圖5.4所示。圖5.4蜂鳴器報警模塊風扇模塊實現(xiàn)風扇的啟動設置值與蜂鳴器相同，當單片機給蜂鳴器傳遞低電平信號后，風扇同時啟動。如同5.5所示。圖5.5風扇模塊按鍵控制模塊實現(xiàn)圖5.6按鍵控制模塊按鍵模塊主要分為兩個部分，為模式調節(jié)（圖5.6左側）和數(shù)值調節(jié)（圖5.6右側）。由于在調節(jié)數(shù)值時4種數(shù)值的兩種調節(jié)方式（加與減）原理相同，所以在流程圖中只給出了當Mode=1，即調節(jié)綠燈顯示值的“加”功能。if(Key2==0&&Mode!=0) { while(Key2==0); //|0正常|1G|2Y|3R|4F| Feng=0; switch(Mode) { case1: { if(GL<YL-1) { GL++; write_com(0x80+2); write_data('0'+GL/100); write_data('0'+GL/10%10); write_data('0'+GL%10); write_com(0x80+4);//位置 } Feng=1; break; } case2: { if(YL<RL-1) { YL++; write_com(0x80+7); write_data('0'+YL/100); write_data('0'+YL/10%10); write_data('0'+YL%10); write_com(0x80+9);//位置 } Feng=1; break; } case3: { if(RL<255-1) { RL++; write_com(0x80+12); write_data('0'+RL/100); write_data('0'+RL/10%10); write_data('0'+RL%10); write_com(0x80+14);//位置 } Feng=1; break; } case4: { if(FF<255-1) { FF++; write_com(0x80+0x42); write_data('0'+FF/100); write_data('0'+FF/10%10); write_data('0'+FF%10); write_com(0x80+0x40+4);//位置 } Feng=1; break; } } }5.3系統(tǒng)集成與調試在檢測系統(tǒng)的硬件電路設計原理是否正確、是否能夠達到預期的效果以及方法實現(xiàn)是否簡便后，開始焊接電路。焊接完成后，對電路進行檢測與調試，發(fā)現(xiàn)的主要問題有：焊接之前未認真閱讀STC89C51數(shù)據(jù)手冊，導致引腳焊反，最后重新焊接；在通電之后，LCD1602上顯示的煙霧值一直很高，在仔細確認傳感器與液晶屏的焊接與代碼是否錯誤之后，又通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，新的煙霧傳感器在剛使用前需要通電幾個小時才能正常使用，而且在剛通電時需要加入延時電路讓傳感器預熱才可以。系統(tǒng)成品圖如圖5.7所示。圖5.7成品展示大連東軟信息學院畢業(yè)設計（論文）第6章系統(tǒng)測試天然氣監(jiān)測報警系統(tǒng)的設計目的是為監(jiān)測住宅廚房中使用的天然氣的泄露情況，是居民安全的重要保障。因此，氣體傳感器MQ-2的功能是否能夠實現(xiàn)就成了本系統(tǒng)成功與否的關鍵所在。在本測試環(huán)節(jié)中，將著重對MQ-2和LCD1602的工作情況進行測試。6.1測試概述在系統(tǒng)中，傳感器與ADC0809相連，傳遞給單片機進行數(shù)據(jù)處理后將數(shù)據(jù)傳給LCD1602顯示。MQ-2氣體傳感器對烷類氣體的測量范圍比較廣泛，可檢測的天然氣（主要成分為甲烷）濃度范圍為5000ppm-20000ppm，但是在系統(tǒng)的實現(xiàn)與檢測過程中，不便于使用天然氣作為檢測工具，所以采用了打火機（主要成分為丁烷）作為檢測工具。6.2測試用例6.2.1數(shù)據(jù)傳遞MQ-2傳感器對丁烷的檢測范圍為300ppm-5000ppm，所以在傳感器預熱穩(wěn)定后，若將打火機噴頭對準噴氣，則在LCD上顯示的數(shù)值應大于30（考慮到LCD的大小情況，所有LCD上顯示的數(shù)值均為對十取余后的結果）。6.2.2LCD顯示在通電穩(wěn)定后，LCD顯示如圖6.1所示。顯示的數(shù)值為20，即當前環(huán)境中可燃氣體及煙霧濃度為200ppm?？紤]到測試環(huán)境的空氣質量，可判定傳感器工作正常。圖6.1LCD顯示1使用打火機對噴頭上方進行噴氣，如圖6.2所示，測得的濃度值為1100ppm，LED紅燈亮起，同時蜂鳴器和風扇開始工作。由于傳感器對丁烷的檢測范圍為300ppm-5000ppm，當前測得的數(shù)值處于可測范圍內，傳感器工作正常。圖6.2LCD顯示2第7章結論近年來大規(guī)模集成電路發(fā)展迅速，同時也帶動了單片機的迅猛發(fā)展，“個頭小，價格低，功能強大”是單片機的重要特征，與微型計算機的功能相似。利用單片機技術來實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測，不僅能降低成本，還能減小其體積和質量，提高監(jiān)測的自動化水平，對家庭燃氣的監(jiān)測更加準確和便利。本系統(tǒng)是在對氣敏式煙霧傳感器技術進行深入研究基礎上，通過學習國內外同類產(chǎn)品的技術特點，合理地設計出系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，并對系統(tǒng)的整體和組成進行了詳盡的設計和分析。本系統(tǒng)設計的燃氣報警是由氣體煙霧采集電路和單片機控制電路兩大部分組成的。根據(jù)設計需求，結合使用環(huán)境與成本等因素，最終選用了MQ-2半導體電阻式煙霧傳感器。該類型傳感器可用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣、甲烷、丙烷、丁烷、氫氣、酒精、煙霧等的探測，具有靈敏度高、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(xiàn)象，維護成本較低等優(yōu)點。在單片機控制電路設計上，使用了STC89C51作為控制核心，STC89C51是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器。煙霧監(jiān)測報警系統(tǒng)可以檢測多種烷類氣體，即可監(jiān)測廚房天然氣是否泄漏，同時在測試時可以用打火機進行檢測，方便維護。同時，可將測得的濃度值顯示于LCD上，并且LED也可以顯示出當前濃度范圍。當濃度達到預設的濃度值時，蜂鳴器鳴叫，同時帶動風扇轉動，模擬空氣流通。系統(tǒng)同時還可以與上位機進行通信，實時傳遞氣體煙霧濃度值，在上位機顯示的同時，也可以完成遠程監(jiān)測控制等功能。在本系統(tǒng)設計研究的基礎上，還可以增加擴展功能，使報警系統(tǒng)功能更加完善，實用性更高。例如，可通過增加GPRS模塊，在單片機報警的同時，通過GPRS將警報發(fā)送到用戶手機中，提高安全性。也可以增加電閥門，在報警的同時，自動關閉燃氣管道，防止泄露加劇。由于技術原因，這些功能尚未實現(xiàn)，希望在今后的學習后，能夠完善煙霧監(jiān)測報警系統(tǒng)的功能。參考文獻[1]黃再銀．帶看門狗和電源監(jiān)控功能的復位芯MAX813L[J]，電子世界，2003，（3）：39-40[2]謝望．煙霧傳感器技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]，儀器儀表用戶，2006，13（5）：1-2[3]戴佳．戴衛(wèi)恒

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