毕业设计（论文）-基于单片机的井下危险气体监测系统的设计.doc

- 1 - 学士学位毕业设计（论文） 基于单片机的井下危险 气体监测系统的设计 学生姓名：学生姓名： 学生学号：学生学号：20094073334 指导教师：指导教师： 所在学院：所在学院：信息技术学院 专专 业：业：电气工程及其自动化 中国大庆 2011 年 5 月 - 2 - 本科毕业设计（论文）任务书本科毕业设计（论文）任务书 学生姓名宗阳所在班级 电气 2009 级(3) 导师姓名孟洁 导师 职称 师 讲 论文题目基于单片机的井下危险气体监测系统设计 题目分类 1应用与非应用类：工程 科研 教学建设 理论分析模拟 2软件与软硬结合类：软件硬件软硬结合非软硬件 （1、2 类中必须各选一项适合自己题目的类型在内打） 主要研究内容及指标： 设计研究基于单片机与组态软件的危险气体监测系统。 要求学生能够设计采用 PLC 与组态软件实现锅炉供热系统的自动运行，包括自动给水、自 动给煤、自动释放压力、自动报警、自动监控等功能。需要有系统流程图，系统软件程序等。 主要参考文献： 1Gi lman，GFJerryBoiler control systems engineeringPortland：Scitech Book News，Sep 2005 2 西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团深入浅出西门子 WINCCV6M北京：北京航空 航天大学出版社，2004 3西门子S7300 语句表手册西门子中国有限公司自动化与驱动集20035 4西门子S7300 系列 PLC 系统手册西门子中国有限公司自动化与驱动集团20035 5高钦和可编程序控制器应用技术与设计M北京：人民邮电出版社，2004 阶段规划： 2011 年 12 月 19 日-2012 年 2 月 29 日 资料收集与整理，并确定初步设计方案。 2012 年 3 月 1 日-4 月 15 日 进行系统整体设计，完善设计内容。 2012 年 4 月 15 日-5 月 14 日 完成论文初稿的编写和整理。 2012 年 5 月 14 日-5 月 18 日 修改并排版打印毕业论文，准备答辩。 开题时间 2011 年 12 月 19 日完成论文 时间 2012 年 5 月 18 日 专家审定意见： 系主任签字： 年 月 日 - 3 - 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 转换器构建了一个甲烷气体检测报警器。 当矿井环境中可燃气体泄露时，当气体报警器检测到甲烷气体浓度达到报 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设计可燃气体检测报警器的主要方 式以及单片机系统的优势；然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、芯片的选择以及方案的可行性分析等。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计算，如果甲烷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。 关键词关键词 MQ-4MQ-4 传感器；传感器；STC90C54ADSTC90C54AD 单片机；数码管显示；按键单片机；数码管显示；按键 - 4 - ABSTRACTABSTRACT With the development of electronic science and technology, electronic technology has become the powerful tools for the safety, hundreds of electronic security products, is the life of peoples right-hand man. This design using the single chip microcomputer technology combined with single chip microcomputer internal built-in A/D converter built A methane gas detection alarm. When the methane gas leak in the environment, when the concentration of combustible gas alarm detected gas to alarm set point, the combustible gas alarm will send out alarm signals, to remind staff to take safety precautions. This article first briefly introduces the design of main way of flammable gas detection alarm system and the advantage of microcontroller system; And combustible gas detection alarm system was introduced in detail the design process, and the design of hardware system and software system, and gives the hardware circuit design details, including the selection of parts, chip of the circuit and the scheme of feasibility analysis, etc. This design USES the MQ - 4 gas sensor as A combustible gas signal acquisition tool, collected analog voltage STC90C54AD microcontroller itself after the A/D converter into digital signals. Microcontroller collected digital signal after through the calculation, if the combustible gas concentration to alarm set point when MCU buzzer will send out alarm signal. In the case of no flammable, unknown dangers, alarm signal alarm reminder can artificially control buttons. Key words:MQ- 4 sensors; STC90C54AD microcontroller; Digital tube display ;The keys. - 5 - 摘要摘要.3 第一章第一章 功能要求及方案论证功能要求及方案论证.9 1.1 选择器件.9 1.2 系统原理及基本框图.9 第二章第二章 主要元件介绍主要元件介绍.10 2.1 STC90C54AD 单片机.10 2.1.1 概述.10 2.1.2 引脚介绍和最小系统.10 2.1.3 定时器描述.14 2.2 STC90C54AD 单片机内部 A/D 模块介绍.15 2.2.1 A/D 转换介绍.15 2.2.2 A/D 转换的性能参数.17 2.2.3 A/D 转换的方法和原理.17 2.3 MQ-4 传感器.17 图 2-3-1 结构和外形.18 图 2-3-2 MQ-4 基本电路.18 2.4 数码管.19 第三章第三章 电路各部分介绍电路各部分介绍.20 3.1 可燃气体信号采集部分.20 3.2 显示部分.21 3.3 A/D 转换部分.22 3.4 报警显示部分.22 3.5 最小系统及按键.24 第四章第四章 整体电路整体电路.25 4.3 软件设计部分.26 4.3.1 软件设计流程图 1.26 4.3.2 单片机程序设计.26 第五章第五章 总结总结.27 - 6 - 参考文献参考文献.28 附录附录.29 前言前言 我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少数几个以煤 为主要能 源的国家之一。虽然通过煤炭生产、加工和利用等各个环节， 提供了相当多的就 业机会，但每个环节却同时带来了环境污染、安全等 一系列的问题。其中之一便 是有害气体影响，包括 CH4，CO，SO2 等。 后两种气体含量少，且 SO2 易溶于水，经 煤矿开采时的喷水处理后变成 酸。但是 CH4 气体含量多，且几乎不溶于水，属于易燃易爆气体，发生爆 炸事极易造成人身伤害。因此，认识并研制监测这种气体 的新型系统， 显得非常重要。 瓦斯(CH4)是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层之中的 气体，是煤矿井下危 害最大的气体。瓦斯是一种无色、无味的气体，密 度 0.7167kg/m3，对人体的危 害是超限时能引起人窒息死亡。其有易燃、 易爆等特点，因此煤矿对瓦斯的治理 应非常重视。瓦斯的灾害主要表现 四个方面。第一、瓦斯浓度过高，对工人身 体健康的影响表现为缺氧， 呼吸困难，窒息等。第二、瓦斯煤尘爆炸，瓦斯爆炸 所产生的巨大冲击 波和高温火焰，往往导致群死群伤，而且扬起的煤尘又会 参与爆炸，摧 毁巷道，毁坏设备，甚至毁灭整个矿井，给国家和人民生命财产造 成巨 大损失。第三、煤中瓦斯突出。突出直接影响着工人的人身安全。第四、 大量的瓦斯从通风井排入大气，污染大气环境。 我国煤矿的瓦斯灾害是 比较严重的，瓦斯灾害始终是煤矿安全生产的大敌，日前已成为制约煤矿 安全生产的主要矛盾。因此，研制先进适用的煤矿气体监测 系统对煤矿 工业安全生产，减少事故发生和生命财产损失有重要意义，市场应用前景 十分广阔。 - 7 - 第一章 功能要求及方案论证 1.1 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 51 单片机 而且内部自带 A/D 转换功能，A/D 转换速度完全可以达到本次设计的要求， 显示部分由 LED 数码管进行显示，价格便宜，显示醒目。 1.2 系统原理及基本框图 根据毕业设计的要求本次设计采用 STC89C54AD 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，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。 STC89C54AD 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 1-1 所示： 图 1-1 系统基本方框图 上电复位 USB 供电 STC90C54AD LED 显示器报警电路 MQ-4 传感器 按键 - 8 - 第二章 主要元件介绍 2.1 STC90C54AD 单片机 2.1.1 概述 STC90C54AD 单片机是 STC 公司生产的八位单片机。完全兼容 STC89C51 单片机的多有功能，STC90C54AD 比 STC89C51 多了一个内部集成的 A/D 模 拟信号采集功能。 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。 2.1.2 引脚介绍和最小系统 STC90C54AD 芯片为 40 引脚双列直插式封装，其引脚排列如图 2-1-1 所示。在 40 条引脚中，有 2 条用于电源的引脚，2 条外接晶体的引脚，4 条控制引脚，其它为 I/O 引脚。 - 9 - 图 2-1-1 STC90C54AD 的引脚图 1、电源引脚 Vss 和 Vcc Vss（20）：接地；Vcc（40）：正常操作时接+5V 电源。 2、外接晶体引脚 XTAL1 和 XTAL2 当外接晶体振荡器时，XTAL1 和 XTAL2 分别接在外接晶体两端。当采 用外部时钟方式时，XTAL1 接地，XTAL2 接外来振荡信号。 3、控制引脚 RST/VPD、ALE/PROG、PSEN、EA/Vpp RST/VPD:当晶体振荡器正常运行时，在此引脚上出现二个机器周期以 上的高电平使单片机复位。 Vcc 掉电期间，此引脚可接备用电源，以保持内部 RAM 的数据。当 Vcc 下降到低于规定的电压，而 VPD 在规定的电压范围内，VPD 接向内部 RAM 提供备用电源。 ALE/PROG(30):当访问外部存储器时，由 P2 口送出地址的高 8 位，P0 口送出地址的低 8 位，数据也是通过 P0 口传送。作为 P0 口某时送出的信 息到底是低 8 位地址还是传送的数据，需要有一信号同步的进行分别。当 ALE 信号（允许地址锁存）为高电平（有效） ，P0 口送出低 8 位地址，通 - 10 - 过 ALE 信号锁存低 8 位地址。即使不访问外部存储器，ALE 端仍以不变的 频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6，因此可以做 对外输出的时钟。 对于有程序存储器的单片机在对内部程序存储器编程期间，此引脚用 于输入编程脉冲。 PESN(29)：程序存储器读选通信号，低电平有效。 51 单片机可以外接程序存储器及数据存储器，它们的地址可以是重合 的。51 单片机时通过相应的控制信号来区别到底是 P2 口和 P0 口送出的 是程序存储器还是数据存储器地址。从外部程序存储器取指令（或常数） 期间，每个机器周期两次 PSEN 有效，此时地址总线上送出地址程序存储 器地址；如果访问外部数据存储器，这两次有效的 PSEN 信号将不出现。 外部数据存储器是靠 RD 及 WR 信号控制的，PSEN 同样可以驱动 8 个 LSTTL 输入。 EA/Vpp（31）：当 EA 保持高电平时，访问内部程序存储器（4KB） ， 但当 PC（程序计数器）值超过 0FFFH 时，将自动转向执行外部程序存储器 内的程序。当 EA 保持低电平时，则只访问外部程序存储器（从 0000H 开 始） ，不管单片机内部是否有程序存储器。 对于内部有程序存储器的单片机在对内部程序新学期编程期间，此引 脚用于施加 21V 的编程电源（Vpp） 。 4、输入输出引脚 P0.0-P0.7：P0 口时一个漏极开路型标准双向 I/O 口。在访问外部存 储器时，它是分时切换的地址（低 8 位）和数据总线，在访问外部设备期 间使用内部的上拉电阻。在对内部程序存储器编程时，它接收指令字节， 而在验证内部程序时，则输出指令字节。验证内部程序时，要求外接上拉 电阻。 P1.0-P1.7：P1 口是带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 接口。在内部程 序存储器编程和验证时，它接收 8 位地址。 P2.0-P2.7：P2 口时一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 接口。在访 问外部存储器时，它送出高 8 位地址。在对内部程序存储器编程和验证期 间，它接收高 8 位地址。 P3.0-P3.7：P3 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 接口。在 51 单片机中，这 8 个引脚还兼有第二功能，这些功能见图 2-1-2 - 11 - 端口线第二功能 P3.0RXD 串行输入 P3.1TXD 串行输出 P3.2INT0 外部中断 0 输入 P3.3INT1 外部中断 1 输入 P3.4T0 定时器 0 外部输入 P3.5T1 定时器 1 外部输入 P3.6WR 外部数据存储器写信号 P3.7ED 外部数据存储器读信号 图 2-1-2 P3 口的第二功能 第二功能在单片机与外部设备接口方面具有非常重要的作用。 单片机的最小系统由 AT89S51、6M 晶振、两个 20p 电容、10K 电阻、 复位开关组成。如图 2-1-3 所示： 图 2-1-3 STC90C54AD 的最小系统 - 12 - 图中电容器 C1 和 C2 其稳定振荡频率、快速起振的作用，起电容值一 般在 15-30pF 本次设计采用 22pF 电容。晶振频率的典型值位 12MHz,采用 6MHz 的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实际电路 中使用比较多，本次设计采用 12M 晶体振荡器。 上电复位时利用 RC 充电来实现的。按键复位又分为：按键电平复位， 相当于 RST 端通过电阻接高电平；按键脉冲复位，利用 RC 微分电路产生 正脉冲。 2.1.3 定时器描述 STC90C54AD 单片机内有两个 16 位定时器/计数器：定时器 1（T0） 、 定时器 2（T1） 、和定时器 3（T2）它们都有定时或对外部事件计数的功能， 可用于定时控制、延时、对外部事件检测和计数等场合。 定时器 T0 和 T1 两个 16 位定时器实际上都是 16 位加 1 计数器。T0 实 际是由两个 8 位专用寄存器 TH0（8CH）和 TL0（8AH）组成，T1 是由 TH1（8DH）和 TL1（8BH）组成。每个定时器都可由软件设置为定时工作方 式或计数工作方式及其他灵活多样的可控功能方式。这些都是由专用寄存 器 TMOD 设置和 TCON 控制。 在 89S52 单片机中，增加了一个 16 位定时/计数器 T2。T2 和 T0 和 T1 有类似的功能即可以做定时器或计数器使用，同时还增加了捕捉等新的 功能。它的功能比其它两个定时器更强，使用也较复杂。在特殊功能寄存 器组中有 6 个与 T2 有关的积存器，它们分别是：控制寄存器 T2COM、方式 控制寄存器 T2MOD、捕捉寄存器 RCAP2L 和 RCAP2H、定时/计数器 TL2、TH2。它们在片内存储器中的地址依次从 C8H 至 CDH。 设置为定时方式时，定时器记数片内震荡器输出经 12 分频后的脉冲 （机器周期信号） 。即每个机器周期使定时器（T0 或 T1）的数值增加 1 直 至计满溢出。当采用 12MHZ 晶体时，一个机器周期为 1US，计数频率为 1MHZ。 设置为计数方式时，通过引脚 T0（P3。4）和 T1（P3。5）对外部脉 冲信号计数。当输入脉冲信号产生由 1 至 0 的下降沿时，定时器的值增加 1。在每个机器周期的 S5P2 期间采样 T0 和 T1 脚的输入电平，若前一个机 器周期采样值为 1，下一个机器周期采样值为 0，则计数器加 1。此后的机 器周期 53P1 期间，新的数值装入计数器。所以，检测一个 1 至 0 的跳变 - 13 - 需要二个机器周期，故最高计数频率为震荡频率的 1/24。虽然对输入信号 的占空比无特殊要求，但为了确保某个电平在变化之前至少被采样一次。 要求电平保持时间至少是一个完整的机器周期。 2.2 STC90C54AD 单片机内部 A/D 模块介绍 2.2.1 A/D 转换介绍 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,如表 1 所 示： AddName76543210Reset Value P1_A DC_E N 97h允许 P1.x成 为A/D口 ADC_ P17 ADC_ P16 ADC_ P15 ADC_ P14 ADC_ P13 ADC_ P12 ADC_ P11 ADC_ P10 0000,0000 ADC_ CONT R 05hA/D 转 换控制 寄存器 -ADC_ SPEE D1 ADC_ SPEE D0 ADC_ FLAG ADC_ STAR T CHS2CHS1CHS0 xxx0,0000 ADC_ DATA C6hA/D 转 换结果 寄存器 高8位 -0000,0000 ADC_ LOW2 C7hA/D 转 换结果 寄存器 低2位 表 1 A/D转换器 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。 - 14 - ADC_CONTR 特殊功能寄存器： A/D 转换控制特殊功能寄存器。 CHS2 / CHS1 / CHS0：模拟输入通道选择，CHS2 / CHS1 / CHS0。 C H S 2C H S 1C H S 0模拟输入通道选择 000选择 P 1 . 0 作为A / D 输入来用 001选择 P 1 . 1 作为A / D 输入来用 010选择 P 1 . 2 作为A / D 输入来用 011选择 P 1 . 3 作为A / D 输入来用 100选择 P 1 . 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 P 1 . 6 作为A / D 输入来用 111选择 P 1 . 7 作为A / D 输入来用 ADC_SPEED1 / ADC_SPEED0：ADC 转换速度控制位 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 模拟/ 数字转换结果计算公式如下： 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。 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， - 15 - 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 2.2.2 A/D 转换的性能参数 1、转换精度 通常用 A/D 转换的最低有效位表示（LSB） 2、转换率 完成一次 A/D 转换所需时间的倒数。如完成一次 A/D 需要 100uS,则转 换率为 10KHZ. 3、分辨率 对一个 n 位的 A/D，分辨率为 2n 位 2.2.3 A/D 转换的方法和原理 1、计数式 A/D 转换 2、双积分式 A/D 转换 前两种速度慢，但是精度高。 3、次逼近式 A/D 转换 2.3 MQ-4 传感器 MQ-4气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧 化锡(SnO2)。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。 MQ-4气体传感器对液化气、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。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。 - 16 - MQ-4 气敏元件的结构和外形如图 2-3-1 所示(结构 A A 或 B),B), 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 装好的气敏元件有只针状管脚，其中个用于信号取出，个用于提供 加热电流。基本电路如图 2-3-2。 图 2-3-1 结构和外形 图 2-3-2 MQ-4 基本电路 部件材料 1 气体敏感层二氧化锡 2 电极金（Au） 3 测量电极引线铂（Pt） 4 加热器镍铬合金（Ni- Cr） 5 陶瓷管 三氧化二铝 6 防爆网100目双层不锈钢 （SUB316） 7 卡环镀镍铜材（Ni- Cu） 8 基座胶木或尼龙 9针状管脚镀镍铜材（Ni- Cu） - 17 - 2.4 数码管 LED 数码管分共阳极与共阴极两种，其工作特点是，当笔段电极接低 电平，公共阳极接高电平时，相应笔段可以发光。共阴极 LED 数码管则与 之相反，它是将发光二极管的阴极(负极)短接后作为公共阴极。当驱动信 号为高电平、端接低电平时，才能发光。 LED 数码管等效于多只具有发光性能的 PN 结。当 PN 结导通时，依靠 少数载流子的注人及随后的复合而辐射发光，其伏安特性与普通二极管相 似。在正向导通之前，正向电流近似于零，笔段不发光。当电压超过开启 电压时，电流就急剧上升，笔段发光。因此，LED 数码管属于电流控制型 器件，其发光亮度 L(单位是 cdm2)与正向电流 IF 有关，用公式表示： L=KIF 即亮度与正向电流成正比。LED 的正向电压 U，则与正向电流以及管 芯材料有关。使用 LED 数码管时，工作电流一般选 10mA 左右段，既保 证亮度适中，又不会损坏器件。 图 2-4-1 一位数码管的原理图 本实验的显示模块主要由一个 4 位一体的 7 段 LED 数码管(SM410564) 构成，用于显示测量到的电压值。它是一个共阳极的数码管，每一位数码 管的原理图如图 2-4-1 所示。每一位数码管的 a,b,c,d,e,f,g 和 dp 端都 各自连接在一起，用于接收 STC89C52 的 P1 口产生的显示段码。 1，2，3，4 引脚端为其位选端，用于接收 STC89C52 的 P3 口产生的位选码。 图 2-5-2 分别为其实物图和引脚图。 - 18 - 图 2-4-2 数码管的实物图和引脚图 第三章 电路各部分介绍 3.1 可燃气体信号采集部分 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 ADC0804 的模拟输入端，R14 用来调节输出信号的大小。具体 电路连接如图 3-1-1 所示： 图 3-1-1 信号采集部分 - 19 - 3.2 显示部分 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 PO 口来控制。 具体电路连接方式如图 3-2-1 所示： 图 3-2-1 数码管显示部分 - 20 - 3.3 A/D 转换部分 由 MQ-4 传感器采集到的电压信号接单片机 P1.0。具体电路连接方式 如图 3-3-1 所示： 图 3-3-1 A/D 转换部分 3.4 报警显示部分 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。LED 的正极接电 源正极（+5V） ，负极接 1K 欧姆电阻后接单片机 P2.0 端。蜂鸣器采用 NPN 9013 三极管来驱动，三极管集电极接电源正极（+5V） ，基极接 4.7k 欧姆 电阻后接 P2.1 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 3-4-1 所示： - 21 - 图 3-4-1 报警部分 - 22 - 3.5 最小系统及按键 单片机接+5V 电源；晶体振荡器频率为 24MHz，晶振的两个引脚分别 连接在单片机的 XTAL1 和 XTAL2 端，晶振的两端再分别连接一个 22pF 电 容后接地；复位电路经电源正极（+5V）接 10uF 电容后接 10k 欧姆电阻接 地，单片机复位端 RST 接在电容和电阻之间。 本次设计电路中加入 4 个按键，用于人为报警和设置报警的上限值。 按键分别接单片机 P1.1、P1.2、P1.3、P1.4 端。S1 是设置键，S2 是数字 键加，S3 是数字键减，当按下 S4 时蜂鸣器报警，LED 亮；再次按下 S4 用 来取消报警。具体电路连接方式如图 3-5-1 所示： 图 3-5-1 最小体统及按键 - 23 - 第四章 整体电路 1234 A B C D 4321 D C B A Title Num berRevisionSize A4 Date:31-Mar-2013Sheet of File:F:、MQ-4、MQ-4、.DDBDrawn By: EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10/T 1 P11/T 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE/P 30 TXD 11 RXD 10 U0 STC90C54AD C2 22P C3 22P 12 Y1 24M R110K C110uF VCC X1 X2 X1 X2 RESET RESET D1 R2 1K VCC 1 2 J1 POWER SW1 VCC VCC Q2 NPN Q3 NPN 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 DS1 LED R11 1K R12 1K VCC VCC a b c d e f g dp D4 R3 4.7K VCC Q5 NPN Q6 NPN R4 1k R5 10k R6 10K R7 10K Q1 NPN VCC R10 1K R8 10K Q4 NPN R13 1K VCC R9 10K a b c d e f g dp S1 S2 S3 S4 LS1 SPEAKER MQ-4 Alarm Alarm R14 1K VCC 图 4-1-1 系统整体图 - 24 - 4.3 软件设计部分 4.3.1 软件设计流程图 再次检测按键 S4 译码显示模块 报警 报警上限设置键 报警 取消报警 检测按键 S4 数字键加或 数字键减 4.3.2 单片机程序设计 见附录。 MQ-4 气体检测 信号采集 单片机内部 A/D 模块信号转换 将转换的数据送进 行处理 - 25 - 第五章 总结 经过近一个月的毕业设计，使我对集成电路的使用有了更进一步的认 识和了解，要想学好它要重在实践，通过实践，我也发现我的很多不足之 处，把所学习到的知识融合到一块还不是想象中的那么简单，其中涉及了 单片机、数字电子技术、模拟电子技术、protel 99se 等学科知识，要学 好这门课程还需要更多的努力。 通过实践的学习，使我对整体的电路设计有了一个更全面的了解，锻 炼了重全局考虑局部的能力。深刻体会了理论联系实际的重要性，从老师 提出设计要求到完成设计报告，不断的完善自己的设计和电路。在图书馆 查资料到写出具体的实施方案、画出电路图都要认真考虑，寻找最优的设 计方案。经过多次修改最终于实现了设计要求。 - 26 - 参考文献 1 ISBN 7-81077-517-0，李光飞，单片机课程设计实例指导，-1 版，-北京，-北京航空航天大学出版社，2004 2 ISBN 7-81077-368-2，马忠梅，单片机的 C 语言应用程序设 计，-3 版，-北京，-北京航空航天大学出版社，2003 3 ISBN 978-7-5084-4302-7，张道德，单片机接口技术：C51 版， -1 版，-北京，-中国水利水电出版社，2007 4 ISBN 7-900101-08-X，夏路易，电路原理图与电路板设计教 程 protel 99se，-1 版，-北京，-北京希望电子出版社，2002 3.毛建民。煤层甲烷资源的开发和利用，贵州地质，1997/14（3） ：253-259 4.李鸿雁 张立毅基于单片机控制的甲烷浓度报警监控仪电脑开发 利用。 6.李明 NTC 热敏电阻用于可燃性气体监测的研究.职大学刊， 1997(2):30 一 34. 7 B$B Electronics. RS-422 and RS-485 Application Note, 1997 8 John Goldie,Ten Ways to Bulletproof RS-485 interfaces,National Semiconductor,AN 1057,1996 9 Uwe Brockelmann,Ted Salazar,Trim the fat off RS-485 designs,电子产 品世界，2000.8 - 27 - 附录 单片机程序： #include/载入头文件 #include #define uchar unsigned char/简化变量定义方法 #define uint unsigned int uint num,aa,bb,adval;/定义全局变量 uint table10=0 xc0