危险气体报警器课程设计说明书.doc

单片机技术课程设计说明书 危险气体报警器院、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 指导教师： 职称 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 学 号： 完成时间： 单片机技术课程设计课题任务书学院：电气与信息工程学院 专业：电气工程及其自动化指导教师学生姓名课题名称危险气体报警器内容及任务一、设计任务设计一个基于单片机的危险气体报警器。二、设计内容1、危险气体报警器的硬件系统（1) 单片机最小系统模块（2）供电模块（3）显示模块（4）按键模块（5）传感器电路模块（6）报警电路模块2、危险气体报警器的软件系统（1）传感器信号处理程序模块（2）显示程序模块（3）按键处理程序模块（4）报警程序模块三、设计要求该危险气体报警器上电或按键复位后能自动显示符号“S.”，进入准备工作状态。具备对室内烟雾或可燃气体等的传感检测功能，并能通过液晶屏显示出当前状态，有气体泄漏时可以发出警报声。用户可以通过按键来取消报警声等。对烟雾及防盗的检测反应速度不得超过5秒。主要参考资料1李广弟.单片机基础M.第3版.北京：北京航空航天大学出版社，2003.6.2李全利.单片机原理及应用（C51编程）M.北京：高等教育出版社，2012.12.3马忠梅.单片机的C语言应用程序设计M.第4版.北京：北京航空航天大学出版社，2003.6. 4李光飞.单片机C程序设计指导M.北京:北京航空航天大学出版社，2003.01.5李光飞.单片机课程设计实例指导M.北京:北京航空航天大学出版社，2004.9.教研室意见 教研室主任：（签字）年 月 日摘 要随着天然气和煤气的大量使用，每一座居民大楼都被天然气所“笼罩”。天然气的普及给公共生活带来了方便，减少了城市的污染，提高了生活质量和效率，但是天然气也是潜在的“危险品”。一旦发生大面积泄漏，处理不及时就可能引发大爆炸，给居民的生命财产的安全带来巨大的威胁。随着现代家庭用火、用电量的增加，家庭火灾发生的频率越来越高。因此，烟雾报警器也随之被广泛应用于各种场合。 设计以STC89C51为主控芯片，MQ-2气敏传感器为传感单元的气体报警器，温度传感器选用DS18B20传感器，实现对温度的检测。MQ-2气敏传感器，具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优，而且价格低廉使用寿命长，其与ADC0809芯片连接，将气体信号转换为单片机可识别的数字信号。这些传感器及芯片传输的信号，经STC89C51单片机处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个设定值，如果大于则会自动启动报警电路发出报警信号，反之则为正常状态。基于以上设计，该系统是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉且智能化的气体报警器，具有一定的实用价值。当环境中可燃气体浓度或温度发生变化而超出安全临界值，系统会发出相应的灯光闪烁报警信号和声音报警信号，以此来实现危险报警与智能化提示，从而降低火灾发生的可能和保护人民的生命财产安全。关键词：传感器；单片机；ADC0809；报警目 录1绪论11.1 课题研究的背景及意义11.2 课题研究主要内容22系统总体方案设计42.1 系统设计要求42.2 系统模块元件选型42.3 系统的组成43系统硬件设计53.1 电源模块选择53.2 主控电路53.2.1 STC89C51的介绍53.2.2 STC89C51单片机最小系统73.2.3 STC89C51中断技术83.3 气体检测电路93.3.1 气敏传感器MQ-293.3.2 ADC0809芯片介绍113.4 声光报警电路123.4.1灯光报警电路123.4.2 声音报警电路133.5 温度传感电路143.5.1 DS18B20芯片简介143.5.2 DS18B20的工作时序143.5.3 温度传感电路173.6 LCD1602A液晶显示屏173.6.1 LCD1602A引脚说明173.6.2 LCD1602A操作指令及内部显示地址183.7 按键电路204 系统软件设计214.1 软件开发工具214.1.1 Proteus软件214.1.2 Keil C51软件224.2 系统程序流程图235系统调试245.1 系统仿真245.2 系统实物调试显示24结束语26参考文献27致 谢28附 录29附录A 元件清单29附录B 整体电路原理图30附录C PCB底层图31附录D 系统源程序清单321绪论1.1 课题研究的背景及意义人们在经历了“煤烟型污染”和“光化学污染”后，正进入以“室内空气污染”为标志的第三污染时期。室内存在的有害气体的一大来源为燃气的泄漏，主要可分为煤气泄漏和天然气泄漏两类。煤气的主要成分为一氧化碳与氢气，一氧化碳中毒亦称为煤气中毒。一氧化碳是无色、无味的气体，故易于忽略而致中毒。一氧化碳中毒的原因是因为一氧化碳进入人体之后，和人体血液中的血红蛋白结合从而出现缺氧，这就是一氧化碳中毒。常见于家庭居室内通风差的情况下，煤炉产生的煤气或液化气管道漏气中的一氧化碳吸入会导致人的中毒。同时，煤气中的氢气也属于易燃易爆气体，大量存在于空气中，也同样具有危害。天然气主要成分是烷烃，其中甲烷含量在95%以上。人所赖以存货的空气中有大约20%的氧气，如果人的活动空间是封闭空间，氧气稀薄，人会因氧气不足导致窒息、昏迷，有心脑血管疾病的人将会危及生命。在室内天然气泄漏，会使室内空气中氧气相对稀薄，由于天然气是无色无味的，人很难察觉到，尤其当人处于睡眠状态时，天然气的泄漏就会更加危险，甚至会使人窒息而亡。天然气的另一个危害是燃烧产生爆炸。通常空气中含有一定含量的天然气时，遇到明火会立即爆炸，危及建筑物和人的生命安全。室内煤气、天然气的泄漏严重危害人的生命健康，基于此现实本设计旨在为家庭用户设计一种能够同时检测煤气和天然气泄漏的装置，从而减少因煤气、天然气的泄漏造成的事故的发生概率，进而保证人民的生命健康安全，减少不必要的损失。本装置能够同时监测煤气和天然气两种气体在室内空气中的含量，当这两种气体达到一定浓度时，该装置能够发出声光报警信号，提醒用户煤气泄漏，采取相应的应对措施。除此之外，该装置还具有检测并显示室内温度的功能。现在家用燃气报警器应用十分广泛，市场上成熟的家用燃气报警器产品，种类凡多，功能各异。功能上已可实现：传感器集成化，实现多种气体类型传感器互换、传感器失效检测报警、电池欠压提示、开机自检等功能。如何选用一款能满足自身需求、经济实惠、安全可靠，性价比高的燃气报警器来保障家人的生命已成为千万家庭需要考虑的问题。1.2 课题研究主要内容该设计旨在实现对煤气、天然气等气体的泄漏可以高灵敏检测。当泄漏气体浓度达到预设值时能即时发出声光报警，并在一定误差内具备温度实时显示功能，且具备对声光报警电路实现手动检测功能的高可靠、低误报，高性价比的家用煤气、天然气泄漏报警器。设计主要内容包括：（1）硬件系统设计：单片机最小系统模块，气体检测模块，声光报警模块，温度传感模块，温度显示模块，按键模块。（2）软件系统设计：软件系统流程框图，模块程序设计。（3）系统整体调试：在软硬件完成以后，要对系统整体进行仿真与调试，分析系统的可靠性与实用性。2系统总体方案设计2.1 系统设计要求该系统设计要求如下：（1）当所检测的气体达到预设报警点时，报警灯闪亮，蜂鸣器发出报警声，当检测的气体的浓度下降到报警点以下时，报警器停止报警。（2）当周围环境可燃气体浓度降到响应阈值以下时，处于报警状态的探测器将自动恢复到正常工作状态。（3）可实现对声光报警电路气体浓度阀值的手动调节。2.2 系统模块元件选型根据系统结构简单，体积小，成本低，智能化等要求：采用微处理器STC89C51单片机作为核心芯片，它具备高可靠、低误报的特点。在气体传感器选择上，选用MQ-2型传感器。它的灵敏度适中，具有响应与恢复特性好，长期工作稳定，不易受环境影响及抗温度影响等特点。在信号处理上，使用ADC0809芯片，将气体信号转化为单片机可识别的数字信号。在温度信号收集检测上，传感器选用DS18B20智能温度传感器，高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性，实现对温度的检测。温度显示模块选择LCD1602A液晶屏，显示精度通过软件编程来实现。2.3 系统的组成系统整体由以下各个模块组成：(1)电源模块：为整体电路提供稳定电流输入。(2)主控模块：即单片机STC89C51，其作用是根据气体检测模块输出的高低电平，控制声光报警模块的工作状态，并完成温度的采集及显示功能。(3)气体检测模块：MQ-2气体传感器与ADC0809组成，将泄漏的气体信号转换为利于单片机识别的数字信号，并将此信号传到单片机。(4)声光报警模块：由蜂鸣器和LED构成,其作用是当检测到有煤气、天然气泄漏时，发出声光报警信号，提醒用户有煤气、天然气泄漏，采取相应措施。(5)温度检测模块：由DS18B20温度传感器构成，DS18B20将检测到的温度值转换为二进制数，并传到单片机进行处理。(6)温度显示模块：LCD1602A 工业字符型液晶屏，显示当前温度值，气体浓度值。(7)软件部分：软件部分主要通过软件编程控制主控模块，根据气体检测模块检测到气体的状态，控制声光报警模块是否发出声光报警信号，从而完成对煤气、天然气检测报警功能。同时通过编程控制主控模块对温度采集模块进行数据采集，并通过温度显示模块显示当前温度值。系统的组成结构如图1所示，气体检测模块温度显示模块按键模块单片机 复位电路声光报警模块温度传感模块晶振电路 图1 系统组成结构图本章小结：本章讨论了该系统的设计要求和各个模块的器件选择，并给出系统组成结构图，使读者对整体设计框架一目了然。3系统硬件设计系统硬件包括以下几个基本功能模块：电源模块、主控模块、气体检测模块、声光报警模块、温度传感模块、温度显示模块以及按键模块。下面就该系统硬件设计的各模块进行分别介绍。3.1 电源模块选择电源电路是设计的最基本部分，任何模块都离不开电源部分，只有电源稳定才能保证系统电路的正常工作。以下是设计提供的两种电源模块方案。方案一：采用直流稳压电源+5V为其提供工作所需的电压，其中采用LM7805芯片为三端集成稳压芯片，只有输入端，输出端和接地端，输出电压为+5V。方案二：通过下载口对系统供电，只需要一个+5V的移动电源，一根USB下载线即可。移动电源直接提供+5V的电压，通过USB线接入下载口对系统各模块供电。对比两方案，方案二具有供电稳定，电源质量好，获取简单等优点。综合考虑，选取方案二，即移动电源供电方式。电路如图2所示，图2 电源电路3.2 主控电路主控电路中选用STC89C51芯片为主控制芯片，下面就该模块的做详细介绍。3.2.1 STC89C51的介绍 该系统主控电路以STC89C51为主控芯片，是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89X51 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHZ，6T/12T可选。STC89C51引脚介绍： 主电源引脚（2根）VCC(Pin40)：电源输入，接5V电源GND(Pin20)：接地线外接晶振引脚（2根）XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端XTAL2(Pin18)：片内振荡电路的输出端控制引脚（4根）RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。可编程输入/输出引脚（32根）STC89C51单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。P0口（Pin39Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7P1口（Pin1Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7 P2口（Pin21Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7 P3口（Pin10Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.7工作频率35MHZ，6T/12T可选。STC89C51DIP封装如图3所示，图3 STC89C51DIP封装图3.2.2 STC89C51单片机最小系统最小系统包括单片机及其所需的必要的电源、时钟、复位等部件，能使单片机始终处于正常的运行状态。电源、时钟等电路是使单片机能运行的必备条件，可以将最小系统作为应用系统的核心部分，通过对其进行存储器扩展、A/D扩展等，使单片机完成较复杂的功能。STC89C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单且可靠。用STC89C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。STC89C51最小系统结构如图4所示，图4 STC89C51最小系统结构图1、STC89C51单片机时钟电路STC89C51单片机的时钟信号通常有两种方式产生：一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚TXAL2，在芯片的外部通过这两个引角跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器。STC89C51时钟电路如图5所示，图5 STC89C51时钟电路图上图中，电容C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，电容典型值为30pF。晶振CYS的振荡频率典型值为12MHZ。2、STC89C51单片机复位电路当在STC89C51单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作(若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态)。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充放电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端与电源Vcc接通而实现的。STC89C51按键手动复位电路如图6所示，图6 STC89C51复位电路图3.2.3 STC89C51中断技术单片机中断技术主要用于实时监测与控制，要求单片机能及时地响应中断请求源提出的服务请求，并作出快速响应、及时处理。这是由片内的中断系统来实现的。当中断请求源发出中断请求时，如果中断请求被允许，单片机暂时中止当前正在执行的主程序，转到中断服务处理程序处理中断服务请求。中断服务处理程序处理完中断服务请求后，再回到原来被中止的程序之处（断点），继续执行被中断的主程序。单片机中断响应和处理过程如图7所示，图7 中断响应和处理过程如果单片机没有中断系统，单片机的大量时间可能会浪费在查询是否有服务请求发生的定时查询操作上。采用中断技术完全消除了单片机在查询方式中的等待现象，大大地提高了单片机的工作效率和实时性。3.3 气体检测电路气体检测电路分两部分，主要部分是气体传感器，它将检测到的气体而产生的电压信号给ADC0809，再通过ADC0809内部模数转换电路将模拟信号转换成数字信号供单片机识别，然后单片机根据读取的相应数值调整电路工作状态。气体检测电路如图8所示，图8 气体检测电路图在气体检测电路中，主要是通过气体传感器RL3来检测当前气体浓度值，输入端C4，R8构成低通滤波器，用来消除传感器及信号采集过程中产生的噪声。3.3.1 气敏传感器MQ-2MQ-2型气体传感器用于以氢气为主要成分的城市煤气、天然气、液化石油的测量，抗干扰能力强，水蒸气、烟等干扰气体对它的影响小。MQ-2型气敏元件具有以下特点：(1) 采用烧结半导体所形成的敏感烧结体，具有稳定的R (即器件在纯洁空气中的阻抗)阻值，从而保证了长期工作的稳定性。(2) 单电源供电，其功耗仅0.7W左右。(3) 对所测试的气体有极高的灵敏度和信噪比。（4）广泛的探测范围和高灵敏度快速响应恢复。 MQ-2型气敏元件主要参数如下:响应时间：Tr10s恢复时间：Tn60s加热电压：V=5+0.2V加热功率：:约0.7W抗干扰能力：丁烷浓度在0.2%时在湿度小于85%RH，在-10+40温度下不会引起误报。 工作环境：温度-10+50， 湿度85%RH。器件的灵敏度：S=Ro/Rx为1030。常见为QM系列的S值仅8左右。Rx为器件在丁烷浓度为0.2%时的阻抗。以下为MQ-2元件内外部结构图，图9 MQ-2型元件内部结构图图10 MQ-2型元件外部结构图MQ-2基座采用耐高温酚醛塑料压制，引脚为镀镍铜丝，上罩采用双层密纹不锈钢网压制，有较高的强度和防爆能力。MQ-2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必要工作条件。封装好的气敏元件有只针状管脚，其中个用于信号取出，个用于提供加热电流。以下为MQ-2型元件主要特性曲线：（1）气体浓度测试特性曲线，图11 MQ-2型元件气体浓度测试特性曲线由MQ-2型元件典型气体浓度测试特性曲线可看出，元件在气体浓度0.6%以下有极高的灵敏度。（2）通电时间特性曲线如下，图12 MQ-2型元件通电时间特性曲线由MQ-2型元件通电时间特性曲线可看出，元件通电6090s后，即进入稳定待测工作状态。3.3.2 ADC0809芯片介绍ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装。下面就ADC0809各引脚功能做详细介绍：IN0IN7：8路模拟量输入端。2-12-8：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。EOC： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基准电压。Vcc：电源，单一+5V。GND：地。首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。转换数据的传送 A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。（1）定时传送方式对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128s，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已 经完成了，接着就可进行数据传送。（2）查询方式A/D转换芯片有表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。（3）中断方式把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。使用上述任何方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。3.4 声光报警电路当环境气体浓度大于系统设定浓度阀值时，声光报警电路工作，提醒用户气体泄漏，采取相应解决措施。从而保证人民生命财产安全和减少不必要的损失，以此实现系统报警功能。3.4.1灯光报警电路LED，发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。LED的特点非常明显，寿命长、光效高、辐射低与功耗低。 该系统利用不同颜色的LED指示不同报警信号。黄灯为气体报警，红灯为温度报警。灯光报警电路如图13所示，图13 灯光报警电路图3.4.2 声音报警电路蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。1压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.515V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.52.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。2电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互缠绕。蜂鸣器驱动电路一般都包含以下几个部分：一个三极管、一个蜂鸣器、一个限流电阻。蜂鸣器为发声元件，在其两端施加直流电压（有源蜂鸣器）或者方波（无源蜂鸣器）就可以发声，其主要参数是外形尺寸、发声方向、工作电压、工作频率、工作电流、驱动方式（直流/方波）等。这些都可以根据需要来选择。本设计采用有源蜂鸣器。声音报警电路如图14所示，图14 声音报警电路图上图中，三极管Q1起开关作用，其基极的低电平使三极管饱和导通，使蜂鸣器发声；而基极高电平则使三极管关闭，蜂鸣器停止发声。3.5 温度传感电路通过DS18B20温度传感器检测环境温度，当环境温度超过系统设定温度阀值，温度传感电路工作，系统报警。3.5.1 DS18B20芯片简介DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式。现场温度直接以一线总线的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量。其性能特点归纳如下：(1).独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；(2).测温范围在-55到125，分辨率最大可达0.0625；(3).采用了3线制与单片机相连，减少了外部硬件电路；(4).零待机功耗；(5).可通过数据线供电，电压范围在3.0V-5.5V；(6).用户可定义的非易失性温度报警设置；(7).报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件； (8).负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热烧毁，只是不能正常工作；(9).DS18B20的转换速率比较高，进行9位的温度值转换只需93.75ms；(10).适配各种单片机或系统；(11).内含64位激光修正的只读存储ROM，扣除8位产品系列号和8位循环冗余校验码(CRC)之后，产品序号占48位。出厂前产品序号存入其ROM中。在构成大型温控系统时，允许在单线总线上挂接多片DS18B20。3.5.2 DS18B20的工作时序DS18B20在编程时有严格的时序要求，因此在编程过程中要多加注意，以下为DS18B20典型工作时序简介。（1）复位时序图15 复位时序图（2）读时序图16 读时序图（3）写时序 图17 写时序图（4）工作时序a.总线时序图18 总线时序图b.写周期时序图图19 写周期时序图 c.起始/停止时序 图20 起始/停止时序图d.应答时序图21 应答时序图e.立即地址读时序图22 立即地址读时序图3.5.3 温度传感电路设计采用数字式温度传感器DS18B20，具有测量精度高，电路连接简单特点，此传感器仅需要一条数据线进行数据传输，用P3.7与DS18B20的DQ口连接，Vcc接电源，GND接地。温度传感电路如图23所示，图23 温度模块电路图 DS18B20的工作电流约为1mA，VCC一般为5V，则电阻R=5V/1mA=5K，目前用的电阻一般不是可调电阻，为固定阻值，市场上仅有几个型号。DS18B20接有电源，需要一个上拉即可稳定的工作。此电阻通常偏大选取，故选择10K电阻的来起到上拉作用，使之为高电平，以保护后续电路。3.6 LCD1602A液晶显示屏在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生，液晶显示模块已作为很多电子产品的通用器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示内容主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED数码管、液晶显示器。发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单。设计要求实时显示当前环境温度。由上一小节可知设计温度传感器选择DS18B20智能温度传感器，可直接读出被测温度。设计的当前温度值选取LCD1602A液晶屏来显示。3.6.1 LCD1602A引脚说明设计所选用的LCD1602A， 是一种工业字符型液晶屏，能够同时显示16x02 即32个字符。下面就LCD1602A液晶屏引脚进行说明：第1脚：VSS为地电源。 第2脚：VDD接5V正电源。 第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。 第4脚：RS为寄存器选择，高电平时寄存器选择数据寄存器，低电平时寄存器选择指令寄存器。 第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。 第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第714脚：D0D7为8位双向数据线。 第15脚：背光源正极。 第16脚：背光源负极。设计显示电路如图24所示，图24 液晶显示电路图上图中，3脚是用来读取电压值来调整液晶显示器的灰度，通过R5和R6分压得到的电压进行灰度采集，分压电阻的阻值很重要，选取不当显示亮度就会出现模糊或者不显示的情况。R5的选取普遍是1001000之间。单片机处理后的气体浓度值及当前温度值会由液晶屏来显示。3.6.2 LCD1602A操作指令及内部显示地址LCD1602A液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形，每一个字符都有一个固定的代码，如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母。它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的（说明：1为高电平，0为低电平）。以下为它的操作指令：指令1：清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H 。指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 。S：屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效 。指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示。 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标。 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁 。指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标 指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示。 F：低电平时显示5X7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符 （有些模块是 DL：高电平时为8位总线，低电平时为4位总线）。指令7：字符发生器RAM地址设置 。指令8：DDRAM地址设置 。指令9：读出忙信号和光标地址。 BF为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙，模块就能接收相应的命令或者数据。指令10：写数据 。指令11：读数据 。LCD1602A 内部显示地址如图25所示， 图25 LCD1602A内部显示地址图液晶显示模块是一个慢显示器件，在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预，每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。忙标志位为低电平，表示不忙，模块可接受指令或数据。忙标志位为高电平，则模块不能工作。显示字符时要先输入该字符的地址。例如第二行第一个字符的地址是40H，那么是否直接写入40H 就可以将光标定位在第二行第 一个字符的位置呢？这样不行，因为写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平1，所以实际写入的数据应该是01000000B（40H）+10000000B(80H)=11000000B(C0H) 。3.7 按键电路设计采用按键接低的方式来读取按键，单片机初始时，因为是高电平，当按键按下的时候，会给单片机一个低电平，单片机对信号进行处理单片机键盘有独立键盘和矩阵式键盘两种：独立键盘每一个I/O 口上只接一个按键，按键的另一端可以接电源或接地，一般选择接地，这种接法程序比较简单且系统更加稳定；而矩阵式键盘式接法程序比较复杂，但是占用的I/O少。根据系统的需要，这里选用了独立式键盘接法。独立式键盘的实现方法是利用单片机I/O口读取口的电平高低来判断是否有键按下。将常开按键的一端接地，另一端接一个I/O 口，程序开始时将此I/O口置于高电平，平时无键按下时I/O口保护高电平。当有键按下时，此I/O 口与地短路迫使I/O 口为低电平。按键释放后，单片机内部的上拉电阻使I/O口仍然保持高电平。按键电路图如图26所示，图26 按键电路图设计包含三个按键，选择键、加键、减键。选择键用来选择设定修改哪个参量，加键和减键用以设置参量的报警阀值。S1表示选择键，S2表示加键，S3表示减键。本章小结：本章逐一介绍了设计中各个模块的电路，包括电路中元件的选取和说明，也给出了设计各模块的独立电路图，使读者能够细致了解设计中各模块的工作原理，从而了解设计的整体性能。4 系统软件设计该设计由硬件和软件相结合，通过程序控制下实现其危险气体报警功能。在前面一章节重要介绍了设计的硬件模块，本章将对设计软件部分作出简单说明。4.1 软件开发工具4.1.1 Proteus软件Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件(该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司)。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。它是目前比较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。是目前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年又增加了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等多种编译器。Proteus软件工作界面如图27所示，图27 Proteus软件工作界面图4.1.2 Keil C51软件Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。 Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解，在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 Keil_c软件工作界面如图28所示，图28 Keil_c软件工作界面图4.2 系统程序流程图系统程序流程如图29所示， 图29 系统程序流程图开关动作，系统进入工作状态，单片机读取当前环境AD转换电压值，再根据电压值显示气体浓度和当前环境温度值。与系统设定阀值进行比较，如果当前环境参量值大于系统报警阀值，则单片机调用相应指令使报警器工作，系统处于报警状态。反之，系统处于正常检测状态。本章小结：本章重要介绍了系统的软件开发工具及工作流程图，使读者能够了解系统的工作流程。5系统调试5.1 系统仿真系统原理图仿真如图30所示，图30 系统仿真图5.2 系统实物调试显示1.正常环境系统状态如图31所示，图31 系统正常状态图2.气体泄漏环境系统报警状态如图32所示，图32 系统气体报警显示图图32 系统气体报警状态图3.温度超值环境系统报警状态如图33所示，图33 系统温度报警状态图本章小结：本章展示了系统仿真及实物不同环境下的工作状态图，黄灯亮为气体报警，红灯亮为温度报警。经调试，系统实现了功能要求，能够实现危险报警功能。结束语系统综合考虑设计要求、使用环境、成本等因素，选用MQ-2型气体传感器，DS18B20数字温度传感器。MQ-2型气体传感器对以氢气为主的城市煤气，天然气及液化石油气有良好敏感特性。它的灵敏度高，能快速响应回复，单电源供电，工作长期稳定。DS18B20数字温度传感器耐磨耐碰，体积小，使用方便，可以多点测温。在系统单片机控制电路的设计里面，采用了STC89C51单片机作为核心芯片，充分利用了其高速数据处理能力的片内外设，实现了仪器的小型化和智能化，使仪器具有结构简单、性能稳定、体积小、成本低等特点。气体报警器能实时范围检测工作，当气体的浓度达到设定的浓度的时候，发出声光报警。然而对于该系统，仍然存在不足之处。如：室内气体发生泄漏，气体不能及时排出；室内没有反馈系统，不能实现自动关断危险气源。基于设计的不足之处，还可以做出以下的功能扩展，如：1.增加联排气扇功能，当报警器报警时，联接的排气扇开始启动，自动排除有害气体。 2.增加联机械手或电磁阀气源联动装置等功能，当报警器报警时，联接的机械手或电磁阀会自动关闭煤气阀，从而切断有害气源。3.增加联网功能，当报警器报警时，管理中心或控制中心同时收到常开常闭（NO、NC）信号。对于增加了无线功能的，则报警主机将收到2-3秒的无线信号。 本章小结：本章指出设计的整体性能及存在的不足，同时罗列出其功能扩展。这样使得此设计的工作性能更加完善，能更有效地避免火灾、煤气中毒等事故的发生，安全性更高，使用更加方便可靠。参考文献1 周润景,张丽娜.PROTEUS入门实例教程M,北京：机械工业出版社.20072 景晓松.单片机电路设计实例D,呼和浩特:内蒙古大学出版社.2007 3 吴国经.单片机应用技术，北京:中国电力出版社.20034 张建民.传感器与检测技术，北京：机械工业出版社.2000.35 庄丽娟.电子技术基础，北京：机械工业出版社.2010.16 陈权昌,李兴富.单片机原理及应用M,广州:华南理工大学出版社.2007.87 李庆亮.C语言程序设计实用教程M,北京:机械工业出版社.2005.38 李朝青.单片原理及接口技术M,北京：电子工业出版社.20109 李永生，杨莉玲.半导体气敏元件的选择性研究J.传感器技术.200210李光飞.单片机C程序设计指导M,北京: 北京航空航天大学出版社.200311张保卫，尚家封，赵金水.燃气报警器的分类与选择J.山东消防，2003致 谢历时近一个月的课程设计终于落下帷幕。首次接触单