基于单片机的甲烷气体检测仪的设计

第0页基于单片机的甲烷气体检测仪设计【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，当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。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。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；数码管显示第1页Abstract:Withthedevelopmentofelectronictechnology,electronictechnologytobecomeeffectivemeansofthesafetyaspectsof,manyelectronicproducts,manyaspectsofsafety,isthelifeofpeoplesright-handman.ThedesignofSCMtechnologytoconstructaflammablegasdetectionalarmwithMCUinternalA/Dconverter.Whenthecombustiblegasleakwhentheenvironment,whenthegasalarmdetectcombustiblegasconcentrationreachesthecriticalpointofalarmsettings,flammablegasalarmwillbeissuedawarningsignal,toremindstafftotakesafetymeasures.Thispaperbrieflyintroducesthemaindesignofcombustiblegasdetectionalarmandtheadvantageofsingle-chipmicrocomputersystem;andthenintroducedtheflammablegasdetectionalarmdesignprocess,andthehardwareandsoftwaredesignofthesystem,andgivesthehardwarecircuitdesigndetails.ThisdesignusesMQ-4gassensorassignalacquisitiontoolofcombustiblegas,thecollectedsimulationvoltagequantityafterSTC90C54ADMCUinternalA/Dconverterfordigitalsignal.Intheabsenceofcombustiblegascase,theriskisunknown,analarmcanhumancontrolkeyandsendsoutthealarmsignaltoremindthepeoplekeyword:MQ-4sensor;STC90C54ADmicrocontroller;digitaltubedisplayii目录前言.2第1章系统设计及方案.5第1.1节系统设计.5第1.2节选择方案.5第2章硬件设计.7第2.1节主控电路.7第2.2节STC90C54AD单片机内部A/D模块介绍.9第2.3节MQ-4传感器.10第2.4节数码管.10第2.5节可燃气体信号采集部分.11第2.6节报警显示部分.12第2.7节按键说明.12第2.8节整电体路.13第3章软件设计.14第3.1节主程序流程图及代码.14第3.2节子程序流程图及代码.16第4章系统调试与测试.18结论.21参考文献.22致谢.23附录.24附录1：实物照片说明.24附录2：源程序.24第3页前言1课题研究背景及意义随着石油化学工业的发展，易燃、易爆、有毒气体的种类和应用范围都得到了增加。这些气体在生产、运输、使用过程中一旦发生泄漏，将会引发中毒、火灾甚至爆炸事故，严重危害人民的生命和财产安全。由于气体本身存在的扩散性，发生泄漏之后，在外部风力和内部浓度梯度的作用下，气体会沿地表面扩散，在事故现场形成燃烧爆炸或毒害危险区，扩大危害区域。例如，1995年7月，四川省成都市化工总厂液氯车间发生氯气泄漏，当场造成3人死亡，6人受伤，仅约一小时左右，市区范围数十平方公里范围内都能闻到刺激性的氯气味。因此，这类事故具有突发性强、扩散迅速、救援难度大、危害范围广等特点。一旦发生气体泄漏事故，必须尽快采取相应措施进行处置，才能将事故损失降低到最低水平。及时可靠地探测空气中某些气体的含量，及时采取有效措施进行补救，采取正确的处置方法，减少泄漏引发的事故，是避免造成重大财产和人员伤亡的必要条件。这就对气体的检测和监测设备提出了较高的要求。作为一种重要的气体探测器，气体传感器近年来得到了很大的发展。气体传感器的发展。危险化学品要加强安全管理，完善安全措施、控制事故隐患。但是，不可能达到绝对安全，仍然会出现万有一失的情况。因此，事故隐患的检测报警，在危险化学品场所有害气体或液体(蒸汽)检测报警，是非常必要的。对避免和控制事故具有重要意义。有害气体检测报警仪是专用的安全卫生检测仪，用来检测化学品作业场所或设备内部空气中的可燃或有毒气体的含量并超限报警。危险化学品场所有害气体检测，主要有以下几种情况：(1)泄漏检测：设备管道有害气体或液体(蒸汽)现场所泄漏检测报警，设备管道运行检漏。(2)检修检测：设备检修置换后检测残留有害气体或液体(蒸汽)，特别是动火前检测更为重要。(3)应急检测：生产现场出现异常情况或者处理事故时，为了安全和卫生要对有害气体或液体(蒸汽)进行检测。(4)进入检测：工作人员进入有害物质隔离操作间，进入危险场所的下水沟、电缆沟或设备内操作时，要检测有害气体或液体蒸汽。(5)巡回检测：安全卫生检查时，要检测有害气体或液体蒸汽。随着人类社会的进步、生产的发展，人们的生活水平不断提高，随之带来了环境空气污染问题。工厂排放的废气、烟道氧、汽车排放废气、内燃机等排放气体对空气环境造成的污染日益严重。一氧化碳虽然不会使酸雨现象严重，但是对人们的身体健康有影响。一氧化碳是一种无色、无味的气体，它与血液中的血红素结合的能力是氧的240倍，它与血红素形成稳定的络合物，使血红蛋白丧失了输送氧气的能力，从而导致组织低氧症，甚至死亡。一氧化碳浓度的高低是评价空气质量好坏的重要指标第4页之一，也是工厂、煤矿井下是否发生自燃火灾的重要标志之一。为了保证人们身体健康和环境洁净，世界各国都纷纷致力于防止空气污染的产生。国家工业卫生标准规定，生产现场一氧化碳浓度不允许超过50ppm。我国环境保护大气污染监测和工厂矿井中都要求有连续、自动化的现场检测仪。2国内外研究现状在应用方面，目前最广泛的是可燃性气体气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，从工厂企业到居民家庭，应用十分广泛。气体检测技术与计算机技术相结合，实现了智能化、多功能化。美国工业科学公司(ISC)一台携带式气体监控仪可实现4种气体监测，采用了统一的软件，只需要换气体传感器，即可实现对特定气体监测。美国国际传感器技术(IST)公司应用一种“MegaCas传感器和微程序控制单元，可检测100种以上毒性气体和可燃性气体，通过其“气体检索”功能扫描，能很快确定是哪一种气体。气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展国外气体传感器发展很快，一方面是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。因此，国外气体传感器技术得到了较快发展,。目前，气体传感器的发展趋势集中表现为：一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标。如日本费加罗公司推出了检测硫化氢低功耗气体传感器，美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器，美国FirstAlert公司推出了生物模拟型(光化反应型)低功耗CO气体传感器等。二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化；还有前已涉及的美国IST公司的具有微处理器的传感器实现了智能化、多功能化。气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，国内已有一定的基础。其现状是：烧结型气敏元件仍是生产的主流，占总量90以上；接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力；电化学气体传感器有了试制产品；在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构；新研究开发的气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料；低功耗气敏元件(如一氧化碳，甲烷等气敏元件)已从产品研究进入中试；国内气敏元件传感器产量已超过“九五”初期的400万支。产量超过20万支的主要厂家有5家，黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司(合资)、北京电子管厂(特种电器厂)，其中前四家都超过100万支，据行业协会统计，1998年全国气敏元件总产量已超过600万支。第5页总的看来，我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大的差距，主要是产品制造技术、产业化及应用等方面的差距，与日本比较仍要落后10年。第6页第1章系统设计及方案第1.1节系统设计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。本系统有传感器、温度补偿电路、运算放大器、A/D转换、单片机组成。基本原理如图1-1所示：甲烷气体传感器器温度补偿电路运算放大电路显示电路单片机A/D转换器图1-1基本原理图第1.2节选择方案按系统功能实现要求，决定控制系统采用STC90C54AD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。本设计使用MQ-4气体传感器，因为它在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，对甲烷的灵敏度较高，长寿命、低成本，不需要复杂的的驱动电路。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气体传感器对甲烷的灵敏度高，对丙烷、丁烷也有较好的灵敏度。这种传感器第7页可检测多种可燃性气体，特别是天然气，是一款适合多种应用的低成本传感器。第8页第2章硬件设计第2.1节主控电路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字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory）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指令集和输出管脚相兼容。2.1.2.引脚介绍STC90C54AD芯片为40引脚双列直插式封装，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。(1)电源引脚Vss和VccVss：接地；Vcc：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/VppRST/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: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，因此可以做对外第9页输出的时钟。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：程序存储器读选通信号，低电平有效。54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。单片机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：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54单片机中，这8个引脚还兼有第二功能，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。引脚图见图2-1：第10页图2-1单片机引脚图第2.2节STC90C54AD单片机内部A/D模块2.2.1.A/D转换介绍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。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。(3)、分辨率对一个n位的A/D，分辨率为2n位(4)、A/D转换的方法计数式A/D转换，双积分式A/D转换，次逼近式A/D转换，前两种速度慢，但是精度高。第11页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。第2.3节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。基本结构和外形如表2-3。表2-3外形和基本结构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。MQ-4气敏元件的结构和外形由微型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，2个用于提供加热电流。电路采用交流供电，220V交流电从插头引入电路，经电源变压器降压后变为直流，由于采用的是旁热式的气敏器件，直流电压直接供传感器MQ-4的加热丝H-H工作，加热丝给传感器MQ-4预热一定时间后，才能正常检测烟雾。基本电路如图2-3。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）第12页图2-3-2MQ-4基本电路第2.4节数码管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I有关，用公式表示：L=KI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，既保证亮度适中，又不会损坏器件。其实物图和引脚图如图2-4-1所示：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数码管构成，用于显示测量到的电压值。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STC89C54的第13页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STC89C54的P3口产生的位选码。它是一个共阳极的数码管，每一位数码管的原理图如图2-4-2所示：图2-4-2数码管的实物图和引脚图第2.5节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2-5所示：图2-5信号采集部分第2.6节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NPN9013三极管来驱动，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2-6所示：第14页图2-6报警部分第2.7节按键说明单片机接+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。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取消报警。第2.8节整电体路整个电路以单片机为中央处理器，系统硬件电路主要分为传感器信号采集电路、前置放大电路、串口通信电路、声音报警电路、状态指示灯电路、液晶显示电路六个部分。传感器是最重要的模块，用于采集甲烷气体。总体电路如图2-8所示：第15页1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:31-Mar-2013ShetofFile:F:、MQ-4、MQ-4、.DBDrawnBy:EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P10/T1P1/T2P123P134P145P156P167P178P039P0138P0237P0336P0435P0534P063P0732P2021P212P223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD1RXD10U0STC90C54ADC22PC32P12Y124MR110KC110uFVCX1X2X1X2RESETRESETD1R21KVC12J1POWERSW1VCVCQ2NPNQ3NPN123456789101121314DS1LEDR11KR121KVCVCabcdefgdpD4R34.7KVCQ5NPNQ6NPNR41kR510kR610KR710KQ1NPNVCR101KR810KQ4NPNR131KVCR910KabcdefgdpS1S2S3S4LS1SPEAKERMQ-4AlarmAlarmR141KVC图2-8系统整体图第16页第3章软件设计第3.1节主程序流程图及代码3.1.1.主程序流程图开始数据采集A/D转换数据运算得甲烷浓度甲烷浓度大于2甲烷浓度大于5嗡鸣报警显示参数系统初始化YYNN图3-1主程序流程图第17页3.1.2.主程序设计voidmain()/主函数init();/定时器AD初始化while(1)/while循环start();/启动ADdelay(200);/延时200ms用于AD处理read();/读取AD数据num=adval/12;/数据处理if(num9)num=9;P0=tablenum;/数码管显示数据if(num2)|(num=2)/检测数据大于或等于3开定时器0报警TR0=1;if(num/载入头文件#include#defineucharunsignedchar/简化变量定义方法#defineuintunsignedintuintnum,aa,bb,adval;/定义全局变量uinttable10=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;/数组用于数码管显示0-9sbitwr=P30;/位定义ADwr脚sbitrd=P31;/位定义ADrd脚sbitcsad=P32;/位定义ADcs脚sbitled=P20;/位定义LEDsbitbeep=P21;/位定义蜂鸣器sbitkey0=P37;/位定义按键0sbitkey1=P36;/位定义按键1voidinit();/子函数声明voidstart();/子函数声明voidread