可燃气体检测报警器的设计_毕业论文.doc

沈阳理工大学学士学位论文 i 摘 要 随着电子科学技术的发展，电子技术成为安全方面的有力手段，许许多多安全方 面的电子产品，是人们的生活的得力助手。本设计利用单片机技术结合单片机内部自 带的 a/d 转换器构建了一个可燃气体检测报警器。当环境中可燃气体泄露时，气体报 警器检测到可燃气体浓度达到报警器设置的临界点时，可燃气体报警器就会发出声光 报警信号，以提醒工作人员采取安全措施。本文首先简要介绍了课题的研究背景和目 前的国内外的发展状况，然后介绍设计可燃气体检测报警器的设计内容及功能需求， 最后详细介绍了可燃气体检测报警器的设计流程，以及硬件系统和软件系统的设计， 并给出了硬件电路的设计细节，包括各部分电路的走向、芯片的选择等。 本次设计采用 mq-4 气体传感器作为可燃气体的信号采集工具，采集到的模拟电压 量经过 stc90c54ad 单片机内部自带的 a/d 转换器为数字信号。单片机采集到的数字信 号后经过单片机内部进行简单的数据处理，如果可燃气体浓度达到报警器设置的临界 点时单片机将蜂鸣器发出报警信号。在无可燃气体的情况下，发生未知的危险，报警 器可以人为的控制按键发出报警信号提醒人们。 关键词：mq-4 传感器；stc90c54ad 单片机；数码管显示；报警 沈阳理工大学学士学位论文 ii abstract with the development of science and technology, electronic technology has become a powerful means of security, many aspects of electronic security products, is peoples lives assistant. this design uses the internal microcontroller chip technology combined with in- ternal a/d converter built a combustible gas detection alarm. when the environment com- bustible gas leak, the gas alarm detects combustible gas concentration reaches the alarm threshold set point, combustible gas alarm will be audible and visual alarm signals to alert staff to take safety measures. this article briefly introduces the research background and the current state of development at home and abroad, and then describes the design of combust- ible gas detection alarm design content and functional requirements, the final details of the combustible gas detection alarm design process, as well as hardware systems and software system design, and gives the hardware design details, including the trend of each part of the circuit, the chip selection and so on. the design uses mq-4 gas sensor signal acquisition as a tool for combustible gases, the amount collected from the analog voltage comes through stc90c54ad internal microcont- roller a/d converter into a digital signal. chip digital signal collected through internal micr- ocontroller simple data processing, if the flammable gas concentration reaches a critical point alarm settings when the microcontroller will buzzer alarm. in the case of non-combustible ga- ses, the occurrence of unknown dangers, the alarm can artificially control buttons alarm signal to remind people. keywords: : mq - 4 sensors; stc90c54ad single chip microcomputer; digital tube display; alarm 沈阳理工大学学士学位论文 iii 目 录 1绪论1 1.1 本课题研究背景及意义 1 1.2 国内外发展概况及研究方向 2 1.3 本课题设计内容 3 2 系统设计原理及功能要求4 2.1 选择器件 4 2.2 系统原理及基本框图 4 2.3 系统实现的功能 5 3 主要元器件选择6 3.1 stc90c54ad 单片机6 3.1.1 stc90c54ad 单片机概述 .6 3.1.2 stc90c54ad 单片机内部 a/d 模块 7 3.2 瓦斯检测设备工作原理分析 9 3.2.1 mq-4 传感器简介 .9 3.2.2 敏感元件工作原理10 4 硬件系统电路设计11 4.1 可燃气体信号采集及 a/d 转换模块 .11 4.2 数码管显示模块 11 4.3 声光报警模块 12 4.4 按键设置模块 13 5 软件系统设计15 5.1 系统主程序 15 5.2 浓度测量子程序 16 5.3 按键设置子程序 17 5.4 模拟报警子程序 18 5.5 浓度显示子程序 19 6 系统仿真20 6.1 protues仿真软件介绍.20 沈阳理工大学学士学位论文 iv 6.2 仿真效果图 20 7 软件调试22 7.1 keil编程软件介绍22 7.2 程序下载及调试 25 8 硬件调试26 8.1 电源的检测与调试 26 8.2 mq-4 传感器及 cpu 的调试26 8.3 显示电路及报警电路调试 26 8.4 运行效果 27 结 论28 致 谢29 参考文献30 附录 a 英文原文31 附录 b 汉语翻译 40 附录 c 源程序 46 附录 d 原理图57 沈阳理工大学学士学位论文 1 1 绪论 1.1 本课题研究背景及意义 我国是煤炭生产大国，随着煤矿机械化程度的提高，矿井生产能力和生产效率普 遍加大，煤炭年产量居世界首位，产煤量占世界总产煤量的 20%。但同时我国也是煤 矿安全形势最为严峻的国家之一。从我国煤炭生产的现状及我国能源结构战略规划均 可看出，在本世纪中叶以前，煤炭仍将是支持我国国民经济发展的主要能源。煤炭生 产作为我国能源工业的支柱，其地位将是长期的，稳定的。但是，目前煤炭工业的安 全生产状况却很差，其中之一便是有害气体的危害性，包括 ch4，co，so2 等。 煤矿生产是地下作业，自然条件和生产条件都复杂，在采掘过程中出现的瓦斯涌 出、煤尘飞扬、自然发火等都有可能造成严重事故。为了防止事故发生，保障矿工的 健康和安全，促进生产发展，提高煤炭企业的经济效益，应对井下的气象进行检测， 对可能造成灾害事故的各种有的害气体及矿尘进行及时而准确的检测和严格控制，一 旦发生灾变，必须及时救护遇难人员和处理事故。所有这些都需要有相应的检测仪器 和救护装备。 近年来，瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等灾害，严重威胁着煤矿的安全生产和数百万 名煤矿工的生命安全，瓦斯灾害已成为制约我国煤矿安全生产和煤炭工业发展的重要 因素，可以说瓦斯爆炸已经成为矿难的第一大祸首。国有地方和乡镇煤矿中，高瓦斯 矿井和煤与瓦斯突出矿井占 15%左右。在许多发达国家中为了减少事故的发生，一般 不会开采高瓦斯灾害隐患严重的矿井。但中国是一个能源饥渴大国，煤炭是我国的主 要能源，占一次性能源构成的 75%,所以不论是低瓦斯还是高瓦斯，都在积极创造条件， 照采不误。 多年来的实践证明，瓦斯浓度的监测监控器在监测煤矿井下安全状况，防 范安全隐患方面起着重要作用，充分发挥其作用，是我国煤矿安全形势实现好转的关 键。近年来，国有重点煤矿瓦斯爆炸事故较少的原因之一，就是绝大多数煤矿的高瓦 斯和煤与瓦斯突出矿井安装了瓦斯浓度监测监控器。 综上所述，瓦斯浓度监测监控器所要实现的功能包括根据所选的瓦斯传感器来设 定瓦斯浓度预警值，采集瓦斯浓度并进行浓度显示及处理。当实际浓度超限时进行声 光报警并同时控制排风扇进行排风以降低浓度含量。所以开发设计出一种操作简单的 瓦斯监测监控器，对有效的预防和减少瓦斯爆炸具有非常现实的意义。 沈阳理工大学学士学位论文 2 1.2 国内外发展概况及研究方向 仪器不断更新。其类型根据监测对象可分为可燃性气体监测仪，毒性气体监测仪 和氧气监测仪等；从仪器结构和方法上分为袖珍式，便携式和固定式。袖珍式仪器的 采样方法为扩散式，用于在危险环境中的工作人员随身携带；便携式仪器采样方法为 泵吸式，用于监测人员定期安检；固定式仪器用于煤矿井下固定地点气体监测。 矿井瓦斯监测监控技术是伴随着煤炭工业发展而逐步发展起来的。世界各国均有 煤矿瓦斯气体监测的系统，1815 年，英国发明的世界上第一种瓦斯监测仪器瓦斯 检定灯。利用火焰的高度来检测瓦斯浓度；20 世纪 30 年代，日本发明了光干涉瓦斯检 定器，一直沿用至今；20 世纪 40 年代，美国研制了检测瓦斯浓度的敏感元件铂丝催 化元件；1954 年，英国采矿安全所研制了最早的载体催化元件。电子技术的进展推动 了瓦斯检测控制装置的进一步发展，如 20 世纪 70 年代后期法国研制 ctt63/40u 矿井 监控系统、英国的 minos 系统、美国的 scada 系统等。 我国矿井瓦斯监控技术经历了从简单到复杂、从低水平到高水平的发展过程。从 新中国成立初期到 20 世纪 70 年代，煤矿下井人员主要使用光学瓦斯检定仪、风表等 携带式仪器检测井下环境参数。20 世纪 60 年代初期，我国开始研制载体催化元件，随 着敏感元件制造水平的提高和电子技术的发展，特别是大规模集成电路、微型计算机 的广泛应用，使监控技术进入了新的发展时期。20 世纪 70 年代瓦斯断电仪问世，装备 在采掘工作面、回风港道等井下固定地点，实现了对瓦斯的自动连续检测及超限自动 切断被控制设备的电源。随后，陆续研制了便携式瓦斯监控检测报警仪、瓦斯报警矿 灯。1983 年至 1985 年，从欧美国家先后引进了数十套监控系统及配套的传感器和便携 式仪器装备煤矿矿井，并相应地引进了部分监控系统、传感器和敏感元件制造技，由 此推动了我国矿井安全监测监控技术的发展。1983 年以后，国内有多种型号矿井监控 系统通过了技术鉴定，逐步实现了对煤矿矿井安全、生产多种参数的连续监测、监控、 数据存储和数据处理。近几年，随着计算机的发明和应用，特别是网络和信息化建设 的不断发展，给瓦斯治理提供了机遇条件，煤矿瓦斯监控网络系统应运而生。这些装 备和系统的推广与应用，丰富了我国煤矿安全监控 产品的市场，改善了煤矿安全技术 装备的面貌，缩小了我国与国外先进技术水平的差距。 沈阳理工大学学士学位论文 3 国外的监控系统技术虽然高于国内发展水平，但应用于国内煤矿尚有一定的局限 性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过高等。因此，除在传感器技术方面可供 借鉴外，其它仅具一定的参考价值。 1.3 本课题设计内容 煤矿气体监测系统1是能够监测矿井环境中瓦斯气体的浓度，煤矿瓦斯报警控制系 统系统是基于 stc90c54ad 单片机的井下瓦斯浓度智能传感器，该系统以单片机 stc90c54ad 为核心，mq-4 气体传感器为、具有煤矿瓦斯等参数检测，具有键盘， 显示声音等输入输出电路。mq-4 气体传感器可以有效的监测井下低浓及高浓瓦斯。监 测到的信息传输到单片机，经单片机处理后发出指令，如果瓦斯超过规定值，该系统 可以立即发出声光报警并自动发出执行指令以降低瓦斯浓度。该系统可有效的降低瓦 斯事故发生率，结构灵活，扩展性强，具有较高的性价比。 本课题中完整的煤矿气体监测系统由以下四部分组成： （1）气体传感器：能感知环境中甲烷气体及其浓度的一种敏感元件，它能将与气 体种类和浓度有关的信息转换成电信号； （2）显示单元：根据测量信号，由单片机将待显示数据按相应方式进行数据传输 给显示处理模块； （3）声光报警单元：当监测气体浓度超出设定报警值时，发出声光报警； （4）数据采集分析模块：运用 c 语言编写程序，实现气体数据的采集、分析及保 存煤矿瓦斯气体的含量并存储用于显示和报警2。 沈阳理工大学学士学位论文 4 2 系统设计原理及功能要求 2.1 选择器件 按系统功能实现要求，决定控制系统采用市场上很普遍的 stc 单片机，为了更加 容易实现减少电路的复杂度，故本课题选择 stc90c54ad 单片机，内部自带 a/d 转换 功能，a/d 转换速度可调，完全可以达到本次设计的要求，气体浓度传感器采用 mq-4 传感器，该传感器可以检测大部分瓦斯气体，显示部分由 led 数码管进行显示。当气 体浓度超过限制，系统的声光报警系统会相应的做出动作，报警器采用市场上常用的 蜂鸣器和发光二极管，价格便宜，显示醒目。 2.2 系统原理及基本框图 根据毕业设计的要求本次设计采用 stc90c54ad 单片机机内部自带模/数转换芯片 构成一个简易的可燃气体检测报警系统3，显示部分由数码管进行显示可燃气体的浓度 级别。该电路通过 mq-4 传感器检测可燃气体并发出 0-5v 的电压信号并输入到单片机 内部自带的 a/d 转换器采样模拟量电压，经过模/数转换后，产生相应的数字量经过单 片机处理后进行显示。stc90c54ad 单片机负责采样传感器的模拟信号和把接收到的 数字量经过数据处理，产生正确的 7 段数码管的显示，显示可燃气体浓度值。 本系统有单片机最小系统及电源、数码显示、按键、可燃气体检测、报警电路组 成。基本原理如图 2.1 所示： 图 2.1 系统基本方框图 usb 供 电 按键 上电复位 报警电路 usb 供电按键 led 显示器 mq-4 传感器 stc90c54ad 沈阳理工大学学士学位论文 5 2.3 系统实现的功能 采用 mq-4 甲烷、天然气传感器+单片机+单片机内部 adc 模块+数码管显示+蜂 鸣器设计而成。当 mq-4 甲烷、天然气传感器检测到家庭厨房释放的甲烷、天然气气 体时，将信号传送给单片机内部 adc 模块进行处理模数转化，再由单片机对转换结果 进行处理，当检测到浓度超标时，蜂鸣器进行报警，同时，红色指示灯也亮。报警浓 度可通过按钮调节。本系统有四个按钮，每个按钮都有相应的功能按键说明：左面第 一个是报警气体浓度的设置，按一次进入报警浓度上限设置此时出现 h150，进行上限 气体浓度设置。按二次返回到检测甲烷、天然气气体浓度显示。第二个按键是增大键， 按一下增大 1。第三个按键是减小键键，按一下减小 1。此外，系统还设计一个紧急按 键模拟紧急报警，当检测到家庭厨房释放的甲烷、天然气气体时，可以自动检测报警 或者按下紧急开关即可实现模拟报警。 沈阳理工大学学士学位论文 6 3 主要元器件选择 3.1 stc90c54ad 单片机 3.1.1 stc90c54ad 单片机概述 stc90c54ad 单片机是 stc 公司生产的八位单片机，是新一代超强抗干扰高速 低功耗的单片机，指令代码完全兼容 stc89c51 单片机的多有功能，12 时钟机器 周期和 12 时钟机器周期可任意选择，时钟频率在 12mhz 以下时，复位脚可直接接 地。stc90c54ad 比 stc89c51 多了一个内部集成的 a/d 模拟信号采集功能。 stc90c54ad 具有灵活的 isp 在线系统编程。只需要一条 isp 下载线就可直接把 pc 上编译好程序写到单片机和程序存储器中，不需要购买仿真器，编程器，擦写器和 芯片配置器等设备。它是一个低功耗,高性能 cmos 8 位单片机,片内含 4k bytes isp(in- system programmable)的可反复擦写 1000 次的 flash 只读程序存储器,器件采用 atmel 公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准 mcs-51 指令系统及 stc90c54ad 引脚结构,芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 isp flash 存储单元,功能强大的微型计 算机的 stc89c52 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 stc90c54ad 有 40 个引脚，8k bytes flash 片内程序存储器，256 bytes 的随机存 取数据存储器（ram） ，32 个外部双向输入/输出（i/o）口，5 个中断优先级 2 层中断 嵌套中断，2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，看门狗（wdt）电路， 片内时钟振荡器。此外, stc90c54ad 设计和配置了振荡频率可为 0hz 并可通过软件 设置省电模式。空闲模式下，cpu 暂停工作，而 ram 定时计数器，串行口，外中断 系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存 ram 的数据，停止芯片其它功能直至外 中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有 pdip、tqfp 和 plcc 等三种封装形式，以 适应不同产品要求。 在这一块芯片上集成了一台微型计算机的各个主要部分。其中主要有 cpu，存储 器，可编程 i/o 口，定时/计数器，串行口等，各部分通过内部总线连接。 stc90c54ad 是一种带 16k 字节闪烁可编程可檫除只读存储器（fperom-flash programable and erasable read only memory ）的低电压，高性能 comos8 的微处理 器。该器件采用 atmel 搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 mcs-51 指令集和输出管脚相兼容。 沈阳理工大学学士学位论文 7 3.1.2 stc90c54ad 单片机内部 a/d 模块 stc9c54ad 单片机自带 a/d 转换器介绍：stc9c54ad 在 p1 口，有 10 位精度的 高速 a/d 转换器, p1.7 - p1.0 共 8 路电压输入型，可做按键扫描，电池电压检测，频 谱检测等。89 个时钟可完成一次转换。另外还有几个关于 a/d 转换器的特殊功能寄 存器。p1_adc_en 特殊功能寄存器，p1.x 作为 a/d 转换输入通道来用允许特殊功能 寄存器相应位为“1”时，对应的 p1.x 口作为 a/d 转换使用，内部上拉电阻自动断开。 adc_contr 特殊功能寄存器，a/d 转换控制特殊功能寄存器，第一位缺省，从第二 位开始到底第五位分别为 adc_speed1、 adc_speed0、 adc_ flag、 adc_start。后三位 chs2 、 chs1 、 chs0：模拟输入通道选择，用来选择模数 转换通道，如表 3.1 所示。 表 3.1 模拟输入通道选择 chs2chs1chs0 模拟输入通道选择 000 选择 p1.0 作为a/d 输入来用 001 选择 p1.1 作为a/d 输入来用 010 选择 p1.2 作为a/d 输入来用 011 选择 p1.3 作为a/d 输入来用 100 选择 p1.4 作为a/d 输入来用 101 选择 p 1.5 作为a/d 输入来用 110 选择 p1.6 作为a/d 输入来用 111 选择 p1.7 作为a/d 输入来用 adc_speed1 / adc_speed0：adc 转换速度控制位。当组合起来后会有以下几 种情况：adc_speed1：adc_speed0 = 0,0 完成 1 次 a/d 转换需要 89 个时钟 (如果要取 10 位转换结果，建议不要选择最快转换速度)； adc_speed1:adc_speed0= 0,1 完成 1 次 a/d 转换需要 178 个时钟； adc_speed1:adc_speed0 = 1,0 完成 1 次 a/d 转换需要 356 个时钟； adc_speed1:adc_speed0 = 1,1 完成 1 次 a/d 转换需要 534 个时钟。 沈阳理工大学学士学位论文 8 adc_start： 模拟/数字转换(adc)启动控制位，设置为“1”时，开始转换； adc_flag： 模拟/数字转换结束标志位,当 a/d 转换完成后，adc_flag = 1。adc_data ：特殊功能寄存器：a/d 转换结果特殊功能寄存器，用于处理转换得 到的数字信号。模拟/ 数字转换结果计算公式：如果要取 8 位 a/d 转换结果： adc_data7:0 = 256 x vin/vcc，如果要取 10 位 a/d 转换结果:(adc_data7:0 , adc_low21:0 = 1024 x vin/vcc。vin 为模拟输入通道输入电压，vcc 为单片机实际 工作电压，用单片机工作电压作为模拟参考电压。 a/d 转换的性能参数：衡量一个 a/d 转换器的性能的主要参数有：分辨率，指 a/d 转换器能够转换的二进制数的位数，位数多分辨率也就越高；转换时间，指数字 量输入到完成转换，输出达到最终值并稳定为止所需的时间。电流型 a/d 转换较快， 一般在几 ns 到几百 ns 之间。电压型 a/d 转换较慢，取决于运算放大器的响应时间； 精度，指 a/d 转换器实际输出电压与理论值之间的误差，一般采用数字量的最低有效 位作为衡量单位；线性度，当数字量变化时，a/d 转换器输出的模拟量按比例关系变 化的程度。理想的 a/d 转换器是线性的，但是实际上是有误差的，模拟输出偏离理想 输出的最大值称为线性误差。a/d 转换器的功能是把模拟量变换成数字量。由于实现 这种转换的工作原理和采用工艺技术不同，因此生产出种类繁多的 a/d 转换芯片。 a/d 转换器按分辨率分为 4 位、6 位、8 位、10 位、14 位、16 位和 bcd 码的 31/2 位、 51/2 位等。按照转换速度可分为超高速(转换时间330ns)，次超高速(3303.3s)，高 速(转换时间 3.3333s)，低速(转换时间330s)等。a/d 转换器按照转换原理可分为直 接 a/d 转换器和间接 a/d 转换器。所谓直接 a/d 转换器，是把模拟信号直接转换成数 字信号，如逐次逼近型，并联比较型等。其中逐次逼近型 a/d 转换器，易于用集成工 艺实现，且能达到较高的分辨率和速度，故目前集成化 a/d 芯片采用逐次逼近型者多; 间接 a/d 转换器是先把模拟量转换成中间量，然后再转换成数字量，如电压/时间转换 型(积分型)，电压/频率转换型，电压/脉宽转换型等。其中积分型 a/d 转换器电路简单， 抗干扰能力强，切能作到高分辨率，但转换速度较慢。有些转换器还将多路开关、基 准电压源、时钟电路、译码器和转换电路集成在一个芯片内，已超出了单纯 a/d 转换 功能，使用十分方便。 沈阳理工大学学士学位论文 9 3.2 瓦斯检测设备工作原理分析 3.2.1 mq-4 传感器简介 传感器是能把被测物理量或化学量转化为与之有确定关系的电信号输出装置4。传 感器主要由敏感元件、传感元件组成，有时也将信号调节与转换电路、辅助电源作为 传感器的组成部分。敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成关系的其他量的 元件。传感元件：又称转换器，一般情况下，不直接感受被测量，而是将敏感元件的 输出量转化为电量输出的元件。 瓦斯烟雾可燃气体传感器可分为接触燃烧式、半导体式、热传导式热阻体式三种 传感器。mq-4 气体传感器属于接触燃烧式。mq-4 利用瓦斯在催化元件上的氧化生热 引起其电阻的变化来测定瓦斯浓度。其优点是元件和仪器的生产成本低，输出信号大， 对于 1%气样，电桥输出可达 15mv 以上，处理和显示都比较方便，所以仪器的结构简 单，受背景气体和温度变化的影响小，容易实现自动检测。使用简单的电路即可将电 导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。这种传感器可检测多种可燃性气 体，是一款适合多种应用的低成本传感器。mq-4 气敏元件由微型 al2o3 陶瓷管、 sno2 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内， 加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有 6 只针状管脚，其中 4 个用于信号取出，4 个用于提供加热电流，其实物图如图 3.1 所示。 图 3.1 黑白原件的工作原理图 沈阳理工大学学士学位论文 10 3.2.2 敏感元件工作原理 mq-4 气体传感器的敏感元件对液化气、甲烷、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气 和其它可燃蒸汽的检测也很理想。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电 导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换 为与该气体浓度相对应的输出信号。而 mq-4 的敏感元件是感受浓度值，并输出与浓 度值成比例关系的电量元件，其中包括黑元件和白元件。黑元件载体催化燃烧式元件， 当甲烷气体在元件表面与氧气产生无焰燃烧时，电桥失去平衡，输出一个电压信号。 白元件是补偿元件，基本结构和技术参数与黑元件相同，但表面不涂镀催化剂，不参 加低温燃烧。但由于白元件处于与黑元件相同的工作环境中，所以，对非甲烷浓度变 化引起的催化元件阻值变化起补偿作用，以提高仪器零点稳定性和抗干扰能力。 黑白元件的工作原理：使用时一般将黑白元件串联，作为电桥的一臂，用普通电 阻构成电桥的另一臂，电桥的两端加上稳定的工作电压 u。当含有甲烷的空气在高温 和催化剂的作用下，发生无焰燃烧，而在白元件上则不致使甲烷燃烧，从而使黑元件 的温度比白元件的温度高，黑元件中的铂丝既是加热元件，又是感应温度的热敏元件， 根据铂丝的正温度系数的特性，温度升高时电阻增大，黑元件上的电压降即增大，电 桥失去平衡，输出一个电压信号u，该电压值的大小反映了甲烷浓度的高低，检测此 电压便可测量出甲烷浓度，黑白元件基本工作原理图如图 3.2 所示。 图 3.2 黑白原件的工作原理图 沈阳理工大学学士学位论文 11 4 硬件系统电路设计 4.1 可燃气体信号采集及 a/d 转换模块 在本设计中，采用 mq-4 传感器作为信号 采集器件，器件的 1、3、4 脚连接电源的正 极（+5v） ，2、5、6 脚连接地。采集到的信号 通过 1k 欧姆电阻后送到单片机 p1.0，r14 用 来调节输出信号的大小。具体电路连接5如右 图 4.1 所示： 图 4.1 信号采集及 a/d 转换模块 4.2 数码管显示模块 显示部分是主要的人机操作之一。系统内部处理的数据结果和运行状态都是通过 显示界面显示出来的。显示部分主要是数据信息、报警提示、修改参数等的显示，显 示为系统的一个独立模块，对于外部而言有输入参数，输出参数的作用。用 c 实现的 程序，顺序完成，可以在假设时间域并行工作和运行.led 工作原理是由 4 个发光二极 管组成，因此也称之为 4 段 led 显示，另外,显示器中有一个圆点型发光二极管，用于 显示小数点。通过 4 个发光二极管亮暗的不同组合,可以显示多种数字、字母以及其它 符号。 单片机输出驱动分为高电平驱动和低电平驱动两种方式6-8，所谓高电平驱动，就 是端口输出高电平时的驱动能力，所谓低电平驱动，就是端口输出低电平时的驱动能 力，当单片机输出高电平时，其驱动能力实际上是靠端口的上拉电阻来驱动的，实际 测试表明，51 单片机的上拉电阻的阻值在 330k 左右，也就是说如果靠高电平驱动， 本质上就是靠 330k 的上拉电阻来提供电流的，当然该电流是非常小的，小的甚至连发 光二极管也难以点亮，如果要保证 led 正常发光，必须要外接一个 1k 左右的上拉电 阻，如果是一个 led 还好，要是 10 个、20 个 led 的话，就要接 10 个、20 个 1k 的上 拉电阻，接电阻的本身是可以的，问题是接了上拉电阻以后，每当端口变为低电平 0 的时候，那么就有 10 个、20 个上拉电阻被无用的导通，假设每个电阻的电流为 5ma 计算，20 个电阻就是 100ma，这将造成电源效率的严重下降，导致发热，纹波增大， 沈阳理工大学学士学位论文 12 以至于造成单片机工作不稳，因此很少有采用高电平直接驱动 led 的，高电平驱动 led 实际上就是共阴。低电平驱动就不同了，端口为低电平 0 时，端口内部的开关管 导通，可以驱动高达 30 多毫安的驱动电流，可以直接驱动 led 等负载，当端口为低 电平 0 时，尽管内部的上拉电阻也是消耗电流的，但是由于内部的上拉电阻很大，有 330k，因此消耗电流极小，基本上不会影响电源效率，不会造成无用功的大量消耗， 因此 51 单片机是不能用高电平直接驱动 led 的，只能用地电平直接驱动 led，即只 能用共阳数码管，而不能直接用共阴数码管。 本设计通过观察 led 数码显示器显示瓦斯浓度值，判断瓦斯浓度值是否超过上限 值，如果超过，自动报警。显示模块采用共阳极数码管显示。单片机 p2 口控制 led 数码管显示。位选用 p0 口来控制。 具体电路连接方式如图 4.2 所示。 图 4.2 数码管显示模块 4.3 声光报警模块 声音的产生是一种音频振动的效果。振动的频率高，则为高音；振动的频率低， 则为低音。一般音响电路是用正弦波信号驱动喇叭，从而产生悦耳的音乐；在数字电 沈阳理工大学学士学位论文 13 路里，则是用数字脉冲信号驱动喇叭，从而产生声音。如果声音的频率相同，人耳很 难区分出两者的区别。 声音是由蜂鸣器的振动产生的。蜂鸣器就像一个电磁铁，电流流过它即可产生磁 性，这样蜂鸣器里发声的膜片将被吸住；电流消失时，膜片将被放开。若要产生频率 为 f 的脉冲，则需要在 t 时间内（t=1/f） ，进行吸放各一次，换言之，产生磁性，消除 磁性的时间各为 t/2,称为半周期。例如要产生 1khz 的频率，则半周期为 0.5ms，所以 i/o 口送出信号的一个周期中，0.5ms 为高电平，0.5ms 为低电平，为一组信号。连续 送出 100 组，即可得到 1khz 的声音约 0.1s。 采集到的数字信号经过单片机计算后如果可燃气体浓度达到报警器设置的临界点 时，单片机将控制蜂鸣器报警，同时 led 亮。蜂鸣器采用 npn 9013 三极管来驱动， led 的正极接电源正极（+5v） ，负极接 1k 欧姆电阻后接三级管 q6 的的集电极。三 极管 q5 集电极接电源正极（+5v） ，基极接 4.7k 欧姆电阻后接 p1.5 端，发射极接蜂鸣 器，通过蜂鸣器后接地。具体电路连接方式如图 4.3 所示： 图 4.3 声光报警模块 4.4 按键设置模块 为了让系统具有更多的灵活性，本次设计电路中加入 4 个按键，分别用于人为报 警和设置报警的上下限值。按键分别接单片机 p1.1、p1.2、p1.3、p1.4 端。分别是设置 沈阳理工大学学士学位论文 14 键、数字键加、是数字键减、模拟报警键。当按下模拟报警键是时，蜂鸣器报警， led 亮；再次按下模拟报警键用来取消报警。此外，当瓦斯浓度超过设定的限值是， 蜂鸣器也会报警。具体电路连接方式如图 4.4 所示： 图 4.4 按键连接图 沈阳理工大学学士学位论文 15 5 软件系统设计 5.1 系统主程序 系统主程序包括系统初始化、按键设置、瓦斯浓度的测量及显示等模块9；系统启 动后，左面第一个是报警气体浓度的设置， 此时出现 000（此时瓦斯浓度近似为零） ， 进行上限气体浓度设置。第二个按键(up 键)是增大键，按一下增大 1，第三个按键是 减小（down 键）键键，按一下减小 1，第四个键是模拟报警。上电后，设置好上下限 后，进入浓度的测量并显示；最后是把浓度与设定上下限进行比较，超出上下限则输 出控制信号。系统进入正常工作状态，流程图如图 5.1 所示。 图 5.1 主程序流程图 沈阳理工大学学士学位论文 16 5.2 浓度测量子程序 瓦斯浓度测量子程序主要分为 stc9c54ad 单片机自带 a/d 转换器初始化、检测 数据是否完整接受、及得到传感器得到的数据并进行存储和运算等过程。首先是上电 后，启动 mq-4 传感器，确定传感器已经能进行正常工作；然后将传感器检测到的值 返回的结果进行简单的运算，用于在数码管上显示。再次等待延时，等待测量完成并 将数据存入相应的地方，并判断是否超限，若超限则进行相应的动作。其子程序流程 图见图 5.2 所示。 图 5.2 浓度测量子程序流程图 读取浓度传感器 检测数据 数据处理 a/d 转换器初始化 子程序入口 返回 沈阳理工大学学士学位论文 17 5.3 按键设置子程序 按键值设置子程序基本过程为先按设置键，然后分别按加一键或减一键设置上限 值，设置好上线值后，如果测量值超过限值，则系统会做出相应的动作并报警。其子 程序流程图如图 5.3 所示。 否 是 否 是 图 5.3 按键设置子程序流程图 等待按键 等待按键 设置键是否按 下 设置上限并显示 设置键是否按 下 设置下限并显示 按下设置键 子程序入口 返回 沈阳理工大学学士学位论文 18 5.4 模拟报警子程序 瓦斯检测仪在井下工作，对环境气体中的瓦斯浓度进行实时监测；当瓦斯浓度超 过预先设定的上限值时，系统发出声光报警。声报警通过驱动蜂鸣器发声实现；光报 警通过发光二极管闪烁实现。模拟报警子程序的基本功能是模拟瓦斯浓度超过设定值 时，模拟报警，其子程序流程图如图 5.4 所示。 否 是 图 5.4 模拟报警子程序流程图 蜂鸣器响 报警键值是否为 2 按下模拟报警键 等待按键 按下模拟报警键 复位 子程序入口 返回 沈阳理工大学学士学位论文 19 5.5 浓度显示子程序 显示子程序主要任务是将 mq-4 测量到的数据实时的显示在数码管上，另外在设 置浓度上下限时用于显示设定的上下限值。主要过程为，将 mq-4 测量到的数据进行 显示前的处理，然后对数码管写控制命令，使得相应的位置显示相应的数据或者字符。 其子程序流程图如图 5.5 所示。 是 否 是 否 图 5.5 浓度显示流程图 up 键值是否为 1显示上限值 down 键值是否为 1 显示下限值 显示实时浓度值 子程序入口 返回 沈阳理工大学学士学位论文 20 6 系统仿真 6.1 protues 仿真软件介绍 protues 软件是英国 labcenter electronics 公司出版的 eda 工具软件。它不仅具有 其它 eda 工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单 片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单 片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。proteus 是世界上著名 的 eda 工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一 键切换到 pcb 设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。迄今为止是世界上唯一将 电路仿真软件、pcb 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型 支持 8051、hc11、pic10/12/16/18/24/30/dspic33、avr、arm、8086 和 msp430 等， 2010 年即将增加 cortex 和 dsp 系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编 译方面，它也支持 iar、keil 和 matlab 等多种编译。 超过 27000 种元器件，可方便地创建新元件；智能的器件搜索：通过模糊搜索可 以快速定位所需要的器件；智能化的连线功能：自动连线功能使连接导线简单快捷， 大大缩短绘图时间；支持总线结构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰； 可输出高质量图纸：通过个性化设置，可以生成印刷质量的 bmp 图纸，可以方便地供 word、powerpoint 等多种文档使用。从原理图到 pcb 的快速通道： 原理图设计 完成后，一键便可进入 ares 的 pcb 设计环境，实现从概念到产品的完整设计； 先进的自动布局/布线功能：支持器件的自动/人工布局；支持无网格自动布线或人工布 线；支持引脚交换/门交换功能使 pcb 设计更为合理； 完整的 pcb 设计功能：最多可 设计 16 个铜箔层，2 个丝印层，4 个机械层（含板边） ，灵活的布线策略供用户设置， 自动设计规则检查，3d 可视化预览； 多种输出格式的支持：可以输出多种格式 文件，包括 gerber 文件的导入或导出，便利与其它 pcb 设计工具的互转（如 protel） 和 pcb 板的设计和加工。 6.2 仿真效果图 仿真设计与实物制作有一定区别，本课题采用 ptotues 进行仿真10，由于库里缺少 相应的元器件，例如 stc9c54ad 单片机使用 52 单片机代替，自带的 a/d 转换器用 沈阳理工大学学士学位论文 21 adc0809 代替，另外由于仿真的局限性，只实现了部分功能。双击单片机将生成后缀 为 hex 的文件烧录进单片机及可进行仿真。如图 5.1 当瓦斯浓度超过设定值时，红灯 亮，蜂鸣器发出报警，通知用户。传感器检测到瓦斯气体浓度，没有达到报警值，此 时绿色灯亮，蜂鸣器不发声，仿真图如图 6.1 所示。 图 6.1 系统仿真图 沈阳理工大学学士学位论文 22 7 软件调试 7.1 keil 编程软件介绍 keil c51 vision3 集成开发环境是 keil software，inc/keil elektronik gmbh 开发的 基于 80c51 内核的微处理器软件开发平台8，内嵌多种符合当前工业标准的开发工具， 可以完成从工程建立到管理、编译、链接、目标代码的生成、软件仿真、硬件仿真等 完整的开发流程尤其是 c 编译工具在产生代码的准确性和效率方面达到了较高的水平， 而且可以附加灵活的控制选项，在开发大型项目时非常理想。keil c51 集成开发环境 的主要功能有以下几点： 、 vision3 for windows：是一个集成开发环境，它将项目管理、源代码编辑和程 序调试等组合在一个功能强大的环境中； 、 c51 国际际准化 c 交叉编译器：从 c 源代码产生可重定位的目标模块； 、 a51 宏汇编器：从 80c51 汇编源代码产生可重定位的目标模块； 、 bl51 链接器/定位器：组合由 c51 和 a51 产生的可重定位的目标模块，生成绝 对目标模块； 、 lib51 库管理器：从目标模块生成连接器可以使用的库文件； 、 oh51 目标文件至 hex 格式的转换器，从绝对目标模块生成 intel hex 文件； 、 rtx-51 实时操作系统：简化了复杂的实时应用软件项目的设计。 这个工具套件是为专业软件开发人员设计的，但任何层次的编程人员都可以使用， 并获得 80c51 单片机的绝大部分应用。 keil software 提供了一流的 80c51 系列开发工具软件，下面描述每个套件及其内 容： （1）pk51 专业开发套件。pk51 专业开发套件提供了所有工具，适合专业开发人 员建立和调试 80c51 系列微控制器的复杂嵌入式应用程序。专业开发套件可针对 80c51 及其所有派生系列进行配置使用。 （2）dk51 开发套件。dk51 开发套件是 pk51 的精简版，它不包括 rtx51 tiny 实时操作系统。开发套件可针对 80c51 及其所以派生系列进行配置使用。 （3）ca51 编译器套件。如果开发者只需要一个 c 编译器而不需要调试系统，则 ca51 编译器套件就是最好的选择。ca51 编译器套件只包含 vision2 ide 集成开发环 沈阳理工大学学士学位论文 23 境，ca51 不提供 vision2 调试器的功能。这个套件包括了要建立嵌入式应用的所有 工具软件，可针对 80c51 及其所有派生系列进行配置使用。 （4）a51 汇编器套件。a51 汇编器套件包括一个汇编器和创建嵌入式应用所需要 的所有工具。它可针对 80c51 及其所有派生系列进行配置使用。 （5）rtx51 实时操作系统（fr51） 。rtx51 实时操作系统是 80c51 系列微控制 器的一个实时内核。rtx51 full 提供 rtx51 tiny 的所以功能和一些扩展功能，并且包 括 can 通信协议接口子程序。 1、建立工程文件 在项目开发中，并不是仅有一个源程序就行了，还要为这个项目选择 cpu（keil 支持数 百种 cpu，而这些 cpu 的特性并不完全相同） ，确定编译、汇编、连接的参 数，指定调试 的方式，有一些项目还会有多个文件组成等，为管理和使用方便，keil 使用工程（project） 这一概念，将这些参数设置和所需的所有文件都加在一个工程中， 只能对工程而不能对单一 的源程序进行编译（汇编）和连接等操作，下面我们就一步 一步地来建立工程。 点击菜单栏中“project”选项，在其下拉菜单中选择“new project”并选择 “uversion3” ，此时会出现一个对话框，在编缉框中输入一个名字以新建一个工程，无 需扩展名。在点击“保存”按钮之后，将再次出现一个对话框，这个对话框要求选择 目标 cpu（即 你所用芯片的型号） ，keil 支持的 cpu 类型很多，我们选择 atmel 公 司 89c52 芯片。点击 atmel 前的“+”号，展开该层，选中其中的 89c52，选定型 号之后，点击“确定”按钮，回到主界面，此时，在 工程窗口的文件页中，出现了 “target1” 。然后新建一个文件，将源程序输入文件中，在程序输入完毕之后，点击菜 单栏中“保存”选项，然后在弹出的对话框中输入文件名，并保存为“.c”格式文件。 点击“target1”前面的“+” ，弹出下一层的“source group1” ，选择“source group1”并点击鼠标选项，在弹出的选项菜单中选择“add file to group“source group1” ，这时将弹出一个对话框，在这个对话框中选择之前保存的文件，双击之后则 将该文件添加到了工程之中（注意，在文件加入项目后，该对话框并不消失，等待继 续加入其它文件） 。但初学时常 会误认为操作没有成功而再次双