基于单片机煤气检测仪--毕业论文.docx

摘要随着社会的发展，信息时代已经到来，而作为收集各种基础信息的电子元器件传感器也得到了快速的发展和使用。现在传感器的应用越来越广泛，随之对其要求也越来越高，尤其是现在大家受到推崇且快速发展的智能家居。所以，对于生活在这个时代的我们，了解掌握各种传感器的基本机构和工作原理是非常有必要的。MQ-5 半导体可燃气体敏感元件传感器是以二氧化锡（Sn O2）的材料制作的气体传感器，用来检测可燃气体。本设计用单片机和MQ-5传感器结合来设计这个煤气泄漏检测系统。其中MQ-5传感器具有：灵敏度高、稳定性好、使用简单、寿命长等优点，单片机集成度高、体积小、可靠性高且控制能力强又易扩展。现在，煤气气已经成为我们生活中不可缺少的一种燃气，特别是城市里。而城市里基本上又是高楼大厦，一旦有煤气泄漏发生就会造成很多难于挽回的灾难。所以怎么防范煤气泄漏和煤气泄漏带来的灾难已经成为社会迫切需要解决的问题。虽然现在市场上的煤气泄漏检测报警装置种类很多，但是价格功能各有不足。要不是价格便宜功能简单起不到作用，就是价格昂贵功能复杂繁琐普通家庭用不起。本设计是基于单片机设计的简单实用的一个煤气泄漏检测系统，它集齐煤气泄漏检测、煤气泄漏报警、煤气泄漏控制为一体。当环境中煤气浓度超过设定的值后，系统会进行声光报警，且显示空气中煤气浓度，并发出信号控制续电器和电磁阀来控制排气扇和控制煤气开关。这样可以从根本上解决煤气使用泄漏的安全问题。关键词：传感器；单片机；报警；控制；通讯AbstractWiththedevelopmentofsociety,theinformationagehasarrived,asthesensorcollectsbasicinformationofelectroniccomponentshave alsobeenquickdevelopmentanduse.Nowwidelyusedsensors,withitsrising.Sensortechnology,hasbecomeanimportantsymbolofacountryslevelofdevelopmentofscience and technology.Soforuslivinginthisday andage,understandingthebasicinstitutionsand principlesisnecessary.CombustiblegassensorMQ-5semiconductorsensorbasedonTinoxide(SnO2)gassensormaterial,used todetectcombustiblegases.ThisdesignwithMCUandMQ-5todesignthegasleakdetectionsystem.MQ-5sensorwithhighsensitivity,stability,simpletouse,longlifeand otheradvantagesofmonolithichighintegration,smallsize,highreliabilityandstrongabilitytocontrolandeasytoexpand.Now,gashasbecomeindispensableinourliveslifeusinggas,especiallyinthecity.Andthecitybuildings,oncethereis agasleakwillcausealot ofdifficultyirreparabledisasters.Howtopreventgasleaksandgasleakscaused bydisastershasbecomeapressingsocialproblemtobesolved.Gasleakdetectionandalarmdevicesnowonthemarketalthoughmanytypes,butpriceshaveshortcomings.But forthecheapsimplefunctionsdo notwork,isthecomplexofordinaryfamiliescannotaffordexpensivefunction.Thisdesignisbased onsingle-chip microcomputertodesignagasleakdetectionsystemissimpleandpractical,itcollectedagasleakdetection,gasleakagealarms,gasleakagecontrolasawhole.Whentheconcentrationofgasintheenvironmentexceedsthesetvalue,thesystemwillsoundandlightalarmanddisplaysthegasconcentrationintheair,andsignalcontrolelectricalandgassolenoidvalvecontrolledexhaustfanandcontrolswitch.Thiscansolvetheproblemofsecurityofagasleak.Keywords:sensorsinglechipmachinealarmcontrol,communications目录摘要1Abstract1目录21绪论31.1研究背景和意义31.2国内外研究现状31.3本课题的主要研究内容42系统设计42.1设计要求42.2系统构成方案52.3方案分析52.4各个模块方案52.4.1控制模块方案52.4.2显示电路方案52.4.3人机交流方案62.4.4声光报警模块62.5 AT89S51单片机简介62.6传感器选择62.7A/D转换器选择73单元电路的设计与分析83.1单片机最小工作系统电路83.2数据采集电路93.2.1MQ-5简介93.2.2 CO电压-浓度曲线拟合过程介绍113.2.3数据采集模块电路123.2.4传感器自检电路133.3A/D转换电路143.4人机交互模块电路143.5显示模块电路153.6声光报警模块电路153.7控制模块电路164网络通信模块174.1网络通信模块原理174.2网络通信模块作用174.3MAX232芯片简介175总体电路原理图及仿真185.1总体电路原理图185.3 PCB板图195.3程序编写205.4仿真模拟215.4.1程序流程图215.4.2仿真运行235.4.3 Proteus软件及4Keil C51开发系统简介236总结237致谢241绪论1.1研究背景和意义随着社会的发展，科学的进步，我们的生活燃料都已逐渐被煤气、天然气和液化石油气代替。如今，煤气已在小区，宾馆，公寓广泛使用。在我们方便的使用煤气生活的同时，由于使用不当或者设备的老化也给我们带来了各种安全隐患，严重的威胁着我们的生命和财产安全。如何预防煤气泄漏和煤气泄漏造成的灾难将会是煤气安全使用的一个重点方向。城市使用的管道煤气主要成分是一氧化碳，它无色无味剧毒，是一种可燃气体，化学式：CO。当浓度达到一定值时遇明火或电火花将会发生火灾甚至爆炸。人体暴露在含有一氧化碳万分之几的空气中，会有中毒的危险。中毒后头痛、眩晕、无力、呼吸困难等，严重时将陷入深度昏迷，各种反射消失，甚至死亡。由于一氧化碳是无色无味气体，所以人体靠视觉和嗅觉是感受不到一氧化碳的。但是城市管道煤气里添加了能刺激鼻粘膜的硫醇气体，这样我们就能及时发现煤气的泄漏。但如果我们不在家或者晚上不注意时发生了煤气泄漏就无能无力了，所以煤气泄漏检测仪对于安全使用煤气来说是很重要的。总结以上所述，为了能安全的使用燃气，需要设计一种能从根本上有效的解决煤气泄漏安全问题的煤气泄漏检测控制系统。该煤气泄漏检测系统中包括：数据采集模块；A/D转换模块；人机交流模块；显示模块；MCU模块；控制模块；网络通信模块。1.2国内外研究现状在国外，煤气泄漏检测控制仪已经是一种非常成熟的产品。最早发明使用的国家是日本，无论是在传感器技术上还是煤气泄漏检测控制仪研究上，日本都走在了国际的前端。由于日本国内大力推广煤气泄漏报警控制器的使用，日本国内发生的煤气泄漏事故远低于其他国家。在家庭安全使用煤气方面，日本和美国政府都出台了家庭和公寓要安装煤气泄漏报警器的使用法规。我国在70年代初就对各类传感器开始了研究，并取得了很大的成就，对煤气泄漏检测仪及其相关的研究也已经开始。目前国内的煤气泄漏检测报警器的型号众多、品种也较齐全。但是这些主要都是从国外引进的技术上发展而来，没有自己的特色。煤气泄漏检测仪主要分固定式的和便携式两种，便携式一般是工业使用，主要用在煤气管道巡检查漏。家用的一般是小型的固定式，主要安装在厨房里，用于煤气泄漏检测。煤气泄漏检测仪的发展和电子技术的发展息息相关，电子技术越发达，煤气泄漏检测仪功能也更完善，可靠性也更高也具备了一定的智能。现在市场上的煤气泄漏检测仪主要都是以单片机为核心设计的，但很多产品都缺少传感器的自检装置。不能再传感器损坏时及时发现，造成误报以及失效。严重时会造成用户判定错误，造成难以挽回的灾难。1.3本课题的主要研究内容燃气泄漏报警控制器是非常重要的，能提高燃气使用安全，由气敏传感器、单片机、控制器和报警器组成。当空气中有煤气泄漏时，仪器能及时检测发现且发出声光报警，并控制继电器和电磁阀来打开排气风扇和关闭煤气阀，同时通过网络向用户发出通知。这样，就可以从根本上解决燃气的使用安全隐患。本设计设计一款全新的家庭煤气泄漏检测仪，具有自动控制煤气开关阀、排气风扇开关，通讯报警功能。主要分为以下几个方面：1、分析用于家庭煤气泄漏检测仪所需要的功能及市场上产品的不足，由此设计一款家用煤气泄漏检测系统。2、煤气泄漏检测仪的功能和硬件电路各个模块3、主要使用电子元器件的选择4、网络通信模块的设计5、电路原理图和PCB板的制作和设计6、程序编辑，仿真因此，本文的组织如下：第1章 ，简单介绍本课题研究背景和意义，分析国内外现状。第2章 ，分析课题提出系统设计要求设计出系统框图，得出各个模块的设计方案和各种元器件的选择。第3章 ，详细分析各个单元模块的作用、电路组成。第4章 ，分析网络通信模块的作用，找出相应的设计方案。第5章 ，整机电路原理图的制作，PCB板的制作，程序编辑，仿真。第6章 ，总结2系统设计2.1设计要求课题要求设计一款煤气泄漏检测仪，要有煤气泄漏检测、声光报警、单片机控制、网络通信等功能模块。当空气中有煤气泄漏时，仪器能及时检测发现且发出声光报警，并控制继电器和电磁阀来打开排气风扇和关闭煤气阀，同时通过网络向用户发出通知。选择合适的传感器，能有效、灵敏、稳定的工作。设计方案要能在根本上解决煤气泄漏的安全问题。2.2系统构成方案以单片机为核心，由MCU模块、数据采集模块、A/D转换模块、显示模块、人机交互模块、控制模块、声光报警模块和网络通信模块组成。核心元器件单片机采用AT89S51单片机，重要元器件煤气传感器采用MQ-5半导体气敏传感器。设计中各种复杂的功能可以由软件实现，这样控制灵活易于扩展，使用的硬件资源也较简洁，价格便宜。2.3方案分析我们在做一个项目或者某个系统设计时,首先要考虑到的是对设计方案的可行性进行分析评估。此外我们还需要考虑到其他多方面的因素,主要有技术性能参数、经济低廉性和操作可控性能这三个方面。1、技术的可运行性本系统采取了当前的热门的单片机技术,系统的核心控制处理器是单片机,在系统中所运用的技术手段是单片机最小系统设计，已经是相对比较成熟的技术。数据采集采用的是半导体气敏传感器，现在国内半导体气体传感器技术已经比较成熟，产品也比较多，价格便宜。2、经济的可行性本系统设计的是一个家庭煤气泄漏检测控制仪,能够在不对家庭电源、管道线路进行调整的情况下直接使用,仪器硬件的设计成本也相对较低。采用单片机系统，复杂的功能由软件实现，降低成本。3、操作的可行性设计本的目的是为了让家庭使用煤气更加的安全,消除煤气泄漏带来的隐患,因此在本系统的设计时必须具备可操作性。第一,该系仪器在室内安装简便,同时仪器的操作不能很复杂。使用此仪器以后,用户能够及时的发现家里煤气泄漏的情况,用户可以随时随地用自己的智能手机等移动设备,通过互联网连接就可以随时随地收到仪器发出的煤气泄漏报警信息。2.4各个模块方案2.4.1控制模块方案控制就采用单片机直接控制，不需要采用更多的硬件，节约资源控制成本。虽然51单片机的运行速度较慢，但是在这个较简单的系统中已经足够使用了。由于单片机I/O资源较充足，所以控制由单片机直接控制继电器和电磁阀来打开排气风扇和关闭煤气阀，能及时降低煤气浓度，从根本上解决煤气泄漏带来的安全问题。2.4.2显示电路方案如果采用简单的数码管动态扫描来显示。由于要靠单片机不停地扫描才能显示，这会占用大量的单片机内部资源和I/O接口资源。虽然这样做电路简单只需增加一点点成本，但是会造成系统不稳定、显示不稳定。所以我们选择液晶显示模块，显示的内容更加丰富，更符合人机交互的要求。显示时也不要靠单片机不停地扫描，只需要把数据输入就可以，不需要占用单片机内部资源。这样显示内容丰富又清楚，系统运行又流畅稳定。2.4.3人机交流方案此系统人机交流的内容较简单，因此只需要4个按键即可。而单片机的I/O接口资源也够用，所以每个按键对应一个I/O接口解决就可以。用户可以用这个模块来输入自己所需要的报警值，当仪器在报警状态时也可以通过按钮来停止报警。此外，该系统还有一个单独的复位按键，用于单片机系统复位及重新启动使用。当长时间没有用户操作时，系统将自动退回到正常工作状态，显示屏实时显示煤气浓度。2.4.4声光报警模块本模块由一个蜂鸣器和三个不同颜色的发光二极管组成，整个模块结构简单实用。绿色表示正常工作状态，黄色表示临界报警状态，红色表示报警状态。正常工作状态时只亮绿灯，临界报警状态时绿灯和黄灯同时亮起，报警时只亮红灯。蜂鸣器在报警状态时向起。由于电路构成简单，此模块可以直接靠单片机驱动运行。2.5 AT89S51单片机简介单片机作煤气泄漏检测仪的核心部分，要同时完成不同的信号处理和相应控制。在系统正常运行时，单片机需要不停地对数据采集模块采集到的信号进行处理，同时需要控制其他各个模块做出不同反应，如控制显示模块实时显示煤气浓度。要同时完成这些任务这，就要求单片机要有较快的运算速度。在选择单片机时我们还要考虑制作成本，能在满足性能要求的条件下选择可靠性高、价格低的产品。AT89S51单片机是一个低功耗，高性能的CMOS8位单片机，兼容标准MCS-51指令及80C51的引脚结构。AT89S51是在AT89C51基础上经过改进而来，增加了许多新功能，采用0.35新工艺，大幅提升性能而成本更低。AT89S51单片机具有以下特点：4k Bytes Flash片内程序存储器；全静态工作：0Hz-33KHz；三级程序存储器保密锁定；128*8位内部RAM；32条可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；2个中断优先级；2层中断嵌套中断；2个全双工串行通信口；5个中断源；看门狗（WDT）电路；与MCS-51兼容；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路。2.6传感器选择 本设计使用半导体气敏传感器MQ-5，它具有灵敏度高、稳定性好、响应快、使用简单等优点。是气敏材料为Sn O2电阻型金属氧化物的半导体气敏传感器的典型代表，这类传感器的使用温度较高，在200500之间。当传感器所在空气中存在一氧化碳气体的时候，传感器的电阻随着空气中一氧化碳气体浓度的增加而减小。简单的设计电路就可以将传感器的电阻的变化转换成和一氧化碳气体浓度相对应的电压信号，使用简单。为了进一步提高它们的灵敏度，降低它们的工作温度，一般会在气敏材料中掺杂一些贵金属材料（如Ag、Au、Pb）。2.7A/D转换器选择为了满足各种使用任务的要求，大量性能结构不同的A/D转换器被设计生产出来。A/D转换器按位数来分有8位、10位、12位、16位等，位数越高价格越高。本设计采用ADC0809A/D转换器，此转换器是8位的逐次比较式A/D转换器，价格便宜。在A/D转换器内部：有一个高阻抗斩波稳定比较器、一个逐次逼近型寄存器、一个电阻分压器。选用个A/D转换器优点是速度快、功耗低、价格便宜，而且足够此系统使用。ADC0809转换器主要特性：（1）8路输入通道（2）8位A/D转换器，即分辨率为8位。（3）具有转换起停控制端。（4）转换时间为100s(时钟为640KHz时)，130s（时钟为500KHz时）。（5）单个+5V电源供电。（6）输入电压大小：0+5V，不需要零点和满刻度校准。（7）工作温度范围为-40+85摄氏度。（8）低功耗，约15mW。系统框图如图2.1所示。煤气传感器检测到煤气信号经信号处理后传给单片机，单片机在将信号经过分析处理后作出各种控制。 AT89C51单片机单片机煤气罐电磁阀信号处理煤气传感器浓度显示声光报警 按键 风扇继电器用户网络通信图2.1 系统原理框图本设计以单片机为核心，由单片机模块、数据采集模块、A/D转换模块、显示模块、人机交互模块、控制模块、声光报警模块和网络通信模块组成。采用AT89S51单片机，传感器采用MQ-5气敏传感器。各种复杂的功能可以由软件实现，控制灵活易于扩展。使用的硬件资源也较简洁，价格便宜。传感器检测到煤气浓度改变电阻值，数据采集电路把电阻值信号转成模拟电压信号。模拟信号经过A/D转换器转换后变成数字信号，单片机对输入的数字信号进行相应处理。单片机将经信号处理后输出到显示器显示出来，并根据数值的大小做出不同的控制。当煤气浓度超过设定的数值时，单片机驱动声光报警电路，同时控制继电器打开排气风扇和电磁阀关闭煤气，再通过网络通信向用户发送信息。3单元电路的设计与分析本设计煤气泄漏检测仪的硬件电路分为MCU模块、数据采集模块、A/D转换模块、显示模块、人机交互模块、控制模块、声光报警模块和网络通信模块组成，下面将分别介绍各个单元电路模块的具体设计。3.1单片机最小工作系统电路单片机是这个设计的核心部分，原理图如图3.1所示。数据采集电路采集到的电压信号经过A/D转换器转换变成数字信号，单片机对输入的数字信号进行处理。单片机将经信号处理后输出到显示器显示出来，并根据数值的大小做出不同的控制。当煤气浓度超过设定的数值时，单片机驱动声光报警电路报警，同时驱动继电器打开排气风扇和电磁阀关闭煤气，通过网络通信向电脑发送信息。对于51单片机来说单片机最小系统包括单片机、电源、晶振电路、复位电路等。复位电路复位操作完成单片机的内部初始化，根据本设计的要求采用按键脉冲复位较合理。因为这个系统只有一个单片机运行，所以晶振电路就采用单片机内部时钟方式产生时钟信号。下面将分别详细介绍晶振电路和复位电路。（1） 晶振电路设计1时钟原理时钟电路的原理图如图3.2所示，采用12MHz大小的晶振。图3.2时钟电路2晶振电路的作用51单片机本身就是一个复杂的同步时序工作电路，为了保证51单片机正常稳定的运行，51单片机必须在唯一的一个时钟信号控制下运行，严格的按时序执行各个指令。51系列单片机的时钟信号产生一般有两种方式，内部时钟方式和外部时钟方式。内部时钟方式由单片机内部电路结合外部晶振、电容产生，外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入单片机。3晶振电路的要求为了保证51单片机正常稳定的运行，51单片机必须在唯一的一个时钟信号控制下运行，严格的按时序执行各个指令。在设计电路板时，晶振电路中的晶体振荡器和微调电容应该尽量与单片机靠近，减小寄生电容的产生，使系统更加稳定可靠的运行。（2） 复位电路介绍1复位电路原理图复位电路原理图如图3.3所示，这个设计是采用按钮复位，按下按钮就可以使单片机进入复位状态。图3.3复位电路原理图2复位电路的作用复位操作可以使单片机内部电路初始化，使单片机重新开始运行程序。除了系统上电复位外，当单片机运行时出现卡死、出错时也需要复位操作来使单片机重新启动。3电路复位方式51单片机一般有两种复位方式，上电复位和按键复位两种，如图3.4所示。上电复位利用电容充放电来实现，电路上电后由于电容充电，会使RST持续高电平一段时间，单片机完成复位操作。按键复位电路直接将RST端通过电阻和电源连接接，按钮按下时单片机进入复位状态。一般电容选择10-30UF，电阻100-1000。3.2数据采集电路数据采集模块是此煤气泄漏检测仪的一个重要组成部分，数据采集是整个系统有效运行的前提，选用MQ-5气体传感器来采集数据。当传感器感应到泄漏的煤气时，传感器的电阻值会随着煤气浓度的变化而改变，这就产生了一个变化的电压信号。简单的电路设计就可以把电压信号提取出来。3.2.1MQ-5简介MQ-5气体传感器使用的材料是二氧化锡（SnO2），此材料在干净的空气中电导率较低。当传感器在有煤气的空气中时，传感器的电导率随空气中煤气的浓度增加而变大。使用简单的电路设计，就可以把传感器变化的电导率转化为与煤气浓度相对应的电压信号。MQ-5气体传感器对液化气、天然气、煤气的灵敏度较高，是一款适合多种气体检测的低成本传感器。它具有使用寿命长、功耗低、驱动电路简单的优点，还有优良的灵敏度和快速的响应恢复特性，具有可靠的稳定性。（1） MQ-5的规格简介 标准工作条件如表3.1所示：表3.1标准工作条件符号参数名称技术条件备注 Vc 回路电压24VDC VH加热电压5.0V0.1VAC or DC RL负载电阻可调 RH加热电阻263室温 PH加热功耗950MW 环境条件如表4.2所示：表3.2环境条件符号参数名称技术条件备注 Tao使用温度-10-50 Tas储存温度-20-70 Rh相对湿度小于95%Rh O2氧气浓度21%(标准条件)氧气浓度会影响传感器灵敏度特性最小值大于 灵敏度特性表3.3所示： 表3.3MQ-5规格 符号 参数名称 技术参数 备注 Rs 敏感体电阻 10K- 60K (1000ppm 甲烷 )探测气体浓度范围：300-5000ppm液化气，天然气，煤气。(1000ppm/5000ppm CH4) 浓度斜率 0.6标准工作条件 温度： 202 Vc:5.0V0.1V 相对湿度： 65%5% Vh: 5.0V0.1V预热时间 不少于24小时（2） MQ-5基本测试电路MQ-5基本测试电路如图3.5所示，从基本测试电路中可以得到Rs/RL=(Vcc-Vout)/Vout。传感器需要先加热到一定温度后再使用，有个加热电压和测试电压。RL采用20k的滑动变阻器，用来调节传感器的测试电压，必须使用直流电源。 图3.5基本测试电路（3）MQ-5灵敏度特性曲线 图3.6 MQ-5型灵敏度特性 MQ-5型灵敏度特性曲线如图3.6所示。纵坐标（Rs/R0）为传感器的电阻比，横坐标为气体浓度。RO是MQ-5在干净空气中的阻值，RS表示MQ-5在不同浓度气体中的阻值。根据灵敏度特性曲线关系和基本测试电路，可以得到采集到的电压和空气中煤气浓度的关系。3.2.2 CO电压-浓度曲线拟合过程介绍CO的电压浓度计算过程如表5.1所示。 表5.1 CO的电压-浓度计算过程浓度（ppm）RS/RORS（K）Vout（V）1004.3049.451.442003.9545.431.533003.7042.551.604003.5040.251.665003.4039.101.696003.3538.531.717003.1035.651.798003.0835.421.809003.0535.081.8210003.0034.501.8320002.8032.201.9230002.6030.251.9940002.5529.332.0350002.4628.292.0760002.4027.602.1070002.3226.682.1480002.2625.992.1790002.2325.652.19100002.2025.302.21 通过excel拟合 CO的电压-浓度曲线,为了减小误差，将浓度缩小100倍之后再进行曲线拟合。CO的电压-浓度曲线如图5.5所示。 图5.5 CO的电压-浓度曲线再将得到的公式扩大100倍，即可以得出电压和浓度的关系：3.2.3数据采集模块电路数据采集模块如图3.7。在电路中MQ-5传感器检测到煤气信息，并把它转化为电阻值信号，不同煤气浓度对应的电阻值也不同。RO电阻和传感器分压，当传感器电阻不同时两端的电压也不同，RO采用20K滑动变阻器。因为输出电压在不断变动，所以加一个运放LM358起缓冲和隔离作用。由于该设计是用来检测煤气，所以把输出电压代入一氧化碳浓度和电压的关系式就可以算出煤气浓度了。图3.7数据采集模块电路3.2.4传感器自检电路煤气泄漏检测控制仪在长时间使用过程中时，传感器难免会因为使用不当或者使用时间过长失效，加热电阻丝烧断，造成仪器失效。但是这种仪器用户又不是经常查看检测，难以发现这种问题，有可能导致严重的后果。为了让用户在第一时间发现仪内的煤气传感器损坏情况，我们需要增加一个传感器自检电路，提高仪器的安全系数。传感器自检电路的存在，会让设计的仪器更加的安全可靠。传感器自检电路如图3.8所示。图3.8自检电路3.3A/D转换电路在这个设计中，因为只需要使用一个通道，所以A/D转换器上选用IN0输入其它输入引脚接地。INO口输入采集到的数据，经过内部转换后向单片机输出。如图3.9所示图3.9A/D转换模块3.4人机交互模块电路因为本设计简单实用，所以人机交互只需要4个按键就可以。而单片机的I/O接口资源也充足，所以一个按键接一个I/O接口解决。按下S3按键时，进入报警值设置界面，按一下S5数值增加100，按S4减少100，再按下S3确认报警值。按下S2按键系统退出报警状态。用户长时间不操作时，系统将自动退回显示浓度界面。为了保证电路的稳定性，设计上加了上拉电阻。电路图如图3.10所示。图3.10人机交互模块3.5显示模块电路液晶显示器因为有功耗低、体积小、显示内容丰富等多种优点，在各种系统中使用越来越常见了。本设计采用1602液晶显示模块。是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型显示器。本设计采用5x7点阵的LCM1602液晶模块，可以显示2行16个字。1602内部的CGROM已经存储了160个不同的字符图形，这些字符包括：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号等。每一个字符都有唯一代码，比如字母“A”的代码是01000001B。显示时把地址41H中的字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。由于储存的字符代码与我们现在PC中的字符代码基本是一致的，所以在写S51字符代码程序时可以直接用P1=A这样的方法来赋值。PC在编译时就把A先转换为41H代码了。图3.11显示电路3.6声光报警模块电路声光报警电路因为电子元件较少，所以比较简单。如图3.12所示，共有三个不同颜色的发光二级管和一个蜂鸣器及若干个电阻组成。空气环境正常时，绿色二极管亮起；空气中煤气浓度接近设置的报警值时，黄色二极管闪烁；当空气中煤气浓度超过设置的报警值时，红色二极管闪烁，同时蜂鸣器响起。3.7控制模块电路控制电路中继电器和电磁阀直接由单片机控制，继电器用来控制排气风扇，电磁阀选用燃气电磁阀用来控制煤气的通断。当系统处在报警状态时，单片机控制继电器开关打开风扇同时控制电磁阀关闭煤气。风扇的控制电路如图3.13所示。继电器控制风扇的开关，而单片机控制继电器，从而控制风扇的开关。风扇启动带动空气流动，使房屋内煤气浓度下降。 图3.13风扇驱动模块电磁阀的控制电路如图3.14所示。电磁阀不通电时是关闭状态的。由于煤气泄漏时遇到点燃源会发生爆炸，而电磁阀是电动的工作时可能会产生电火花，所以选用燃气电磁阀。当系统处在报警状态时，单片机给三极管一个低电平的信号。三极管截止，燃气电磁阀就关闭了，基于安全考虑系统需要手动复位。正常状态下，单片机给三极管高电平信号，燃气电磁阀是导通状态的。图3.14电磁阀控制模块4网络通信模块4.1网络通信模块原理51系列单片机内部有个全双工串行异步通信接口，可以方便的和PC机通信。单片机实现串口通信非常重要，不但可以实现电脑对单片机的控制和下载程序，而且可以实现单片机向电脑传输数据。PC机的串口是RS232电平的，所以单片机和电脑通信之间要有个电平转换电路。我们可以选用MAX232芯片来进行转换，这种芯片是专用芯片，比起用电路模拟转换更简单可靠。用来和电脑连接的串口，我们接三根线就够了，这也是最简单的连接方法，也足够使用。第2、3、5针脚分别接RXD、TXD、GND。电路原理图如图4.1。图4.1 网络通信模块4.2网络通信模块作用如今信息时代已经到来，个人PC已经非常的普遍，互联网也在快速的发展，基本每个家庭都有电脑。作为新一代的年轻人，已经离不开互联网了。我们可以电脑把煤气泄漏检测仪发出来的信息向在外的用户及时发送。虽然以上设计可以让单片机和电脑通信，但是用户要在电脑上查看单片机传输过来的信息并加以运用，那么用户还得再电脑上装上配套的软件。软件可以把煤气泄漏检测仪报警时向电脑发送的信息经过各种实时聊天软件向用户远程发送，让用户在外面也能及时发现家里煤气的泄漏，及时处理。4.3MAX232芯片简介MAX232是MAXIM公司设计的芯片。专为RS-232标准串口设计的电平转换芯片，使用+5V单电源供电。1、符合RS-232C技术标准。2、只需要单一 +5V电源供电。3、具有片载电荷泵，能够产生+10V、-10V电压。4、功耗低，典型供电电流5mA。5、内部集成2个RS-232C驱动器。6、高集成度，只需4个电容即可正常运行。7、内部集成两个RS-232C接收器。MAX232芯片基本参数：驱动器/接收器数：2/2电源电压：4.5 V 5.5 V典型单电源电压：5V发送器信号类型：单端发送器数目：2引脚数目：16接口标准：EIA/TIA-232-F,V.28接收器信号类型：单端接收器数目：2收发器数目：2数据传输布局：点对点工作温度：0C70C最大电源电流：10mA最小单电源电压：4.5V安装类型：通孔5总体电路原理图及仿真5.1总体电路原理图为了方便仿真实验，我们画电路原理图使用Proteus软件画。画原理图应当注意以下方面：元器件符号不能搞错，要按照原理图各个元器件标准要求来标准。各个元件标注符号不能重复。线路不能出现虚接。有方向性的元件不可以搞错方向和正负极。原理图要按照从左到右或从上到下的顺序来排列。各种标注要明确、到位、清晰。原理图尽量以功能块为单元为了后续制作，各个元件要选合适的封装。电路原理图画好后如图5.1图5.1整体电路图硬件是系统的躯体，硬件布局的好坏和选材对系统的稳定性有直接的影响。硬件调试是整个设计中一个重要的环节，调试时先各个模块分开测试。分别编写各个模块的程序，再分别导入单片机检测各个模块可不可以正常的运行。5.3 PCB板图画PCB板一般规则如下：数字、模拟元器件及走线尽量分，开并放置在各自的区域内。高速数字信号走线尽量短。敏感模拟信号走线尽量短。 合理分配电源和地。DGND、AGND、实地分开。数字电路应该放在并行总线/串行接口附近。DAA电路放在电话线接口边上。PCB板图画好后如图5.25.3程序编写打开Keil uVision4软件，进入主界面。如图5.3所示。（1） 源文件建立：使用菜单 “File-New”或点击工具栏的新建按钮，就可以打开编辑程序的窗口，编辑源程序时就在此窗口编辑。新建文件后要先保存文件，加上后缀（.c），文本名字随意英文名。（2） 建立工程文件：点击“Project-New Project”菜单，建立新的工程，输入工程名字保存，在新的弹出对话框里选择所用的CPU，确定。接下来需要我们向新建的工程里添加源程序，在工程窗口中点击“Targ et1”前面“+”，选中“Souce Group”右键鼠标。在出现的下拉菜单中选择“Add file to Group Souce Group1”，这时弹出新的窗口要求选择源文件，选择我们一开始新建的源文件双击即可，点击”Close”返回主页面。（3）工程的详细设置：首先点击左边Project窗口的Target 1,然后使用菜单“Proget-Option for target target 1”就可以打开设置详细对话框。这个对话框一共有8个页面，设置内容比较复杂，一般使用时需自己设置的内容很少，大多数选择默认值。设置完成后点击确认，返回主页面，一个新工程就建好了。 （4）编译、连接：在设置好工程后，既可以进行编译、连接。新工程源文件编辑完成后，我们就要进行编译。编译中出现的问题将出现在Build页中，双击Build页中出错的项，就可以定位到出错的源程序位置。对出错的源文件进行修改，最终得到后缀为.hex的文件。在Proteus上仿真时，把该文件导入单片机即可进行仿真。5.4仿真模拟在Proteus上把整体电路原理图绘制出来后，再经检查一遍确认电路准确。把在Keil C51上编译最终得到的后缀为.hex的文件导入单片机进行仿真。仿真中，传感器的模拟信号采用信号端子模拟，可以手动调整采集信号的大小。待系统正常运转后，进行各个煤气浓度的模拟，确认系统可以按照预期的设想做出反应。在模拟过程中，可以根据实际情况来不停地调整程序及硬件，更加完善系统。软件设计采用模块化设计，结构清晰、简洁，流程合理，且模块化设计便于调试、连接、移植和修改。本设计中，程序编辑采用C语言。C语言是一种结构式高级语言，可以跨平台使用，由于标准的存在，让基本一样的C代码可以在多种系统上运行。C语言简洁紧凑、灵活方便。有32个关键字，9个控制语句。数据类型丰富，有：整型、实型、字符型、数组类型、指针类型、结构体类型、共用体类型等。表达方式灵活实用，提供多种运算符和表达式值的方法。允许直接访问物理地址，对硬件进行操作。生成目标代码质量高，程序执行效率高。C比汇编语言更