基于51单片机的煤气泄漏报警系统设计

摘要煤气已成为人们生活中必不可少的能源了，煤气泄漏时有发生，煤气泄漏使人中毒，可能会发生爆炸，给人们的人身安全和财产安全带来了很多隐患，所以防止煤气泄漏检测装置已成为人们迫切的需要，为此开发煤气泄漏报警检测装置是非常必要的。计算机以及单片机的普及和信息技术的迅猛发展，人们已经对家庭住宅环境提出了更高的要求，智能化、信息化被引入家庭，便利，舒适而且更加安全。家庭智能化的定义，在国际上至今尚无一致的理念，在现代化的城乡住宅小区中和采用微型计算机、自控装置、通信等技术，建立一个物业管理中心与安全防护监控系统，最终的目的是使每一个祝贺得到满足其要求的最佳方案。这些足以表明人们最注重的还是安全。而且国家建设部规定，目前住宅小区应实现六项智能化要求，其中就包括实行安全防范系统自动化监控管理；防盗报警系统应安红外或微波与煤气泄漏报警器等各种类型报警装置，基于此项规定，煤气泄漏检测报警装置实现智能化势在必行。本系统主要针对传统煤气，液化气的泄漏进行检测，报警。本系统有如下特点用单片机实现控制，电路简单、价格便宜、可靠性好。采用增强型51单片机，MQ2气体传感器，煤气泄漏是会发出灯光和声音的报警，因此本系统可作为智能家居的一个安全系统关键词煤气泄漏；单片机；气体传感器ABSTRACTGASHASBECOMEANESSENTIALENERGYINPEOPLESLIVES,GASLEAKINCIDENTOCCASIONALLY,GASLEAKCANMAKEPEOPLEEXPLODE,BROUGHTALOTOFHIDDENDANGERSTOPERSONALSAFETYANDPROPERTYSECURITYOFPEOPLE,SOTOPREVENTTHEGASLEAKDETECTIONTHEDEVICEHASBECOMEANURGENTNEED,FORTHEDEVELOPMENTOFTHEGASLEAKALARMDETECTIONDEVICESISNECESSARYTHEPOPULARITYOFCOMPUTERANDMICROCONTROLLER,ANDTHERAPIDDEVELOPMENTOFIT,PEOPLEHAVEBEENRAISEDONTHEFAMILYRESIDENTIALENVIRONMENTAHIGHERDEMANDINTELLIGENCE,INFORMATIONWASINTRODUCEDTOTHEFAMILY,CONVENIENT,COMFORTABLEANDMORESECURETHEDEFINITIONOFTHEFAMILYOFINTELLIGENT,INTHEINTERNATIONALCOMMUNITYSOFARTHEREISNOCONSISTENTPHILOSOPHYINTHEMODERNURBANANDRURALRESIDENTIALAREAANDTHEUSEOFMICROCOMPUTER,AUTOMATICCONTROLDEVICES,COMMUNICATIONTECHNOLOGIESSUCHASTHEESTABLISHMENTOFAPROPERTYMANAGEMENTCENTERANDTHESECURITYMONITORINGSYSTEM,THEULTIMATEAIMISEACHCONGRATULATEGETTHEBESTSOLUTIONTOMEETTHEIRREQUIREMENTSTHESEARESUFFICIENTTOSHOWTHATTHESECURITYFOCUSTHEPROVISIONSOFTHEMINISTRYOFCONSTRUCTION,THERESIDENTIALAREASHOULDACHIEVESIXINTELLIGENT,INCLUDINGTHEIMPLEMENTATIONOFTHEAUTOMATEDMONITORINGANDMANAGEMENTOFSECURITYSYSTEMBURGLARALARMSYSTEMSHOULDBEINFRAREDORMICROWAVE,GASLEAKALARMS,ANDOTHERTYPESOFALARMDEVICES,BASEDONTHISPARAGRAPH,GASLEAKDETECTIONALARMDEVICEINTELLIGENCEISIMPERATIVETHISSYSTEMISMAINLYFORCONVENTIONALGAS,LIQUEFIEDPETROLEUMGASLEAKDETECTION,ALARMTHISSYSTEMHASTHEFOLLOWINGCHARACTERISTICSWITHMCUCONTROLCIRCUITISSIMPLE,CHEAP,ANDGOODRELIABILITYENHANCED51MICROCONTROLLER,THEMQ2GASSENSORS,GASLEAKEMITSLIGHTANDSOUNDTHEALARM,THISSYSTEMCANBEUSEDASASMARTHOMESECURITYSYSTEMKEYWORDSGASLEAKMICROCONTROLLERGASSENSOR目录1引言111煤气泄漏检测报警装置的背景及意义112煤气泄漏报警器的现状213设计任务32煤气泄漏检测报警装置的方案设计421设计思想422气体传感器的选型4221气体传感器介绍4222气体传感器的选定723煤气泄露报警系统的整体设计方案8231煤气泄露报警器工作原理8232煤气泄露报警器的结构824装置功能说明925装置主体图93煤气泄漏检测报警装置的硬件部分设计1031STC12C5A60S2系列单片机简介1032STC12C5A60S2系列单片机的内部结构12321管脚说明12322引脚电路的连接14323振荡器特性1533单片机领域前景及发展状况1534STC12C5A60S2系列单片机最小应用系统16341电源电路16342时钟电路17343复位电路1835传感器电路19351MQ2传感器介绍19352传感器电路的连接2136显示电路2137串口下载模块22371关于RS232224煤气泄漏检测报警装置的软件部分设计2441主程序设计流程与编程24411主程序设计流程图2442A/D转换模块的编程26421A/D转换模块的结构26422A/D转换模块程序26435110液晶模块的编程27431液晶模块编程模式27432液晶模块程序2744报警主程序315煤气泄漏检测报警装置的调试3351KEIL简介3352程序调试的步骤34521程序调试过程中的问题及解决35总结与展望37致谢38参考文献39附录A40附录B491引言11煤气泄漏检测报警装置的背景及意义近年来随着人们生活水平的提高，管道煤气和罐装煤气已经深入到百姓家庭。但是由于使用不当或者设备老化等原因导致的煤气泄漏极大的威胁着人们的生命以及财产安全CO是一种无色、无嗅、无味、无刺激性的气体，几乎不溶于水，当与空气混合达到12580时具有爆炸性。此外，CO通过人体呼吸作用进入血液循环，造成缺氧血症，导致组织缺氧，抑制组织呼吸。它又是煤气中对人体危害最大的有毒气体。目前，管道煤气和罐装煤气早已进入寻常百姓家，但由于使用不当或设备老化等导致的煤气泄漏问题也日趋突出，极大地威胁人们生命财产安全。在实验室进行研究工作及工业现场施工时，也经常出现因有毒气体泄漏而引发的事故，有时甚至危及生命和财产安全。因此，研制有效的，能够用于工业现场和用于家庭环境的有害气体检测装置具有很大的意义，市场应用前景广阔。下面是一氧化碳与健康成年人中毒可能发生的症状50PPM健康成年人在八小时内能承受的最大浓度200PPM23小时后轻微头痛，乏力400PPM12小时内前额疼痛，3小时后威胁生命800PPM45分钟内眼花、恶心、痉挛；2小时内失去知觉；23小时内死亡1600PPM20分钟内头痛、眼花、恶心；一小时内死亡3200PPM510分钟内头痛、眼花、恶心；2530分钟死亡12800PPM13分钟死亡根据以上数据，可见煤气泄漏时刻危害着人们的生命，当煤气泄漏不仅可以使人中毒，而且还随时可能发生爆炸的危险，面对煤气泄漏而造成的种种事故威胁，我们需要一个解决办法。使用煤气报警器是对付煤气无形杀手的重要手段之一。煤气专家指出，煤气泄漏或废气排放而大量产生的一氧化碳是煤气中毒事件的根源，如采用煤气泄漏报警器就能得到及时的警示。有关部门经长期测试得出结论，煤气报警器防止煤气泄漏事故发生的有效率达95以上。所以怎样防止煤气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要。12煤气泄漏报警器的现状目前，一般的煤气报警器功能单一，性能未定性差，而且大型的监控系统价格不菲，需要专门人员管理，不适合居家使用。家用煤气泄漏的检测与报警是非常重要的煤气安全设备，它是安全使用煤气的最有一道防线。煤气泄漏报警器通过气体传感器探测周围环境中的低浓度可煤气体，将探测新号用模拟量传递给控制电路，当可煤气体浓度超过设定值时，装置的报警灯会发出信号，报警器会发出声音报警。煤气体报警器的探测煤气体的传感器主要是有氧化物半导体、催化燃烧型、热线型气体传感器，还有少量其他类型。这些传感器都是通过对周围环境中的煤气的吸附，在传感器表面产生化学反映或者电化学反应，造成传感器的电物理特性的改变。煤气泄漏报警器广泛应用在城市安防、小区、公司、工厂、学校、仓库、化工等众多领域。按检测气体可分为可煤气体报警器，有毒气体报警器和复合式气体传感器。气体传感器检测的气体有，一氧化碳，二氧化碳，甲烷，氢气等可燃或者有毒气体煤气泄漏报警器从功能上可分为仅有泄漏报警功能的报警器和可以指示所探测到气体浓度并且具有报警功能的检测报警器。从使用场所上可分为民用报警器和商用报警器。民用的通常是独立的在住宅中使用的煤气报警器，功能简单。商用的主要使用在煤气运输、储存场所、使用煤气和可能有煤气泄漏的工厂和公共场所。城市煤气规范中规定地下室，半地下室，地上密闭空间的用气房间，建筑的管道井，封闭计量表房等都要安装煤气报警器。建筑和煤气的相关规范和法规也推荐使用民用煤气泄漏报警装置。工业用固定式气体报警器是由报警控制器和探测器组成，控制器可防止于值班室。主要对各监测点进行监控，探测器安装于气体最容易泄漏的地点，其核心部件为内置气体传感器，传感器检测空气中气体的浓度。探测器将检测到的气体浓度转换成电信号，通过线缆传输到控制器，浓度越高信号越强，当气体浓度达到或者超过报警点时，报警器发出报警新号，如果是阀门泄漏可启动电磁阀及排气扇等设备自动排除隐患。便携式检测仪为手持式，工作人员可随身携带，方便检测不同地点的气体浓度。家庭用气体检测器价格便宜，使用方便，省空间。目前，随着传感器生产工艺水平的提高，传感器日益小型化，集成度不断提高，使得气体检测仪器越来越小。能用一种仪器检测多种不同气体是气体检测仪的发展趋势。国外在气体传感器，其中包含CO传感器的研究和应用方面达到了很高水平，形成了多系列多品种的产品。相比之下我国的研究和应用比较滞后，特别在产品开发上亟待加强。随着中国在世界加工制造业领域地位的不断提高，国内外技术交流的频繁开展，在传感器制造方面的条件正在成熟，加上政府对CO安全立法的重视和人们对安全的需要，对CO传感器需求的持续增长，CO传感器的市场正在不断成熟，相信在几年内我国会出现自己知识产权的CO传感器产品。13设计任务本文设计了一种灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜的煤气检测系统，采用气敏传感器，气敏传感器是能够感知环境中某种气体及其浓度的一种敏感器件，它将气体成分、浓度等有关的信息转换成电信号，从而可以进行检测。目前，人们对气敏传感器的测试方法主要停留在用人工手动的方式来操作，开发出一种实用高效的智能化传感器测试装置是极为必要的。而声光信号是信息的又一主要载体，如果在这些测量场合能用声光信号直接报出结果，将给操作人员带来极大方便，本文就介绍一种新型的气敏传感器测试系统，从组成、硬件设计以及程序流程及代码等几方面对其进行了详细的介绍。2煤气泄漏检测报警装置的方案设计21设计思想煤气泄漏检测报警装置是能够检测环境中的可燃性气体浓度，并具有报警功能的仪器，仪器的最基本组成部分应包括气体信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。气体信号采集电路一般由气敏传感器和模拟放大电路组成，将气体信号转化为模拟的电信号。模数转换电路将从煤气检测电路送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。单片机对该数字信号进行处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值也就是报警限，如果大于则会自动启动报警电路发出报警声音，反之则为正常状态。为使报警装置更加完善，可以在声音报警基础上，加入灯光报警，变化的光信号可以引起用户注意，弥补嘈杂环境中声音报警的局限。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。气敏传感器及单片机是煤气泄漏报警器的两大核心，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的气敏传感器及单片机芯片是至关重要的。22气体传感器的选型气体传感器属于气敏传感器，是气电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量即浓度转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路，将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。气体传感器作为煤气泄漏报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。由此可见，气体传感器的选型是非常重要的。221气体传感器介绍1气体传感器的分类气体传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类1利用物理化学性质的气体传感器如半导体气体传感器、接触燃烧气体传感器等。2利用物理性质的气体传感器如热导气体传感器、光干涉气体传感器、红外传感器等。3利用电化学性质的气体传感器如电流型气体传感器、电势型气体传感器等。2气体传感器应满足的基本条件一个气体传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个完整的气体传感器都必须具备以下条件1能选择性地检测某种单一气体，而对共存的其它气体不响应或低响应；2对被测气体具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的气体浓度；3对检测信号响应速度快，重复性好；4长期工作稳定性好；5使用寿命长；6制造成本低，使用与维护方便。3常见气体传感器简介（1）半导体气体传感器半导体气体传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器，以及用单晶半导体器件制作的气体传感器。自1962年半导体金属氧化物气体传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的气体传感器之一。按照敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。（2）固体电解质气体传感器固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件，其原理是利用气敏材料在通过气体时产生电阻，测量其形成电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，因而得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，其产量仅次于半导体气体传感器的一类传感器。但这种传感器制造成本高，检测气体范围有限，在检测环境污染领域中有优势。（3）接触燃烧式气体传感器当易燃气体接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧，故得名接触燃烧式传感器。接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层，使用时将铂丝通电，保持300C400C的高温，此时若与气体接触，气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升,通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道气体的浓度。（4）高分子气体传感器利用高分子气敏材料制作的气体传感器近年来得到很大的发展。高分子气敏材料在遇到特定气体时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性气体和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。高分子气体传感器具有对特定气体分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它气体传感器的不足。（5）电化学传感器电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。气体浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。它的优点是反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短大约两年。它主要适用于毒性气体检测。目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。（6）热传导传感器热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。它的测量原理是将加热后的铂电阻线圈置于目标烟雾中，由于向目标气体传送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻值的变化情况。温度的变化情况是目标气体热传导率的函数，而对于一种给定的气体，热传导率是它固有的物理特性。（7）红外传感器红外传感器通常用两束红外光进行气体测量，主光束通过测量元件内的目标气体，参考光束通过比较元件内的参考气体。在测量和比较元件中，红外射线被气体有选择地吸收了。未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目标气体浓度的差分信号。非扩散式红外探测器NDIRNONDISPERSIVEIR是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。不同的气体吸收不同波长的IR，所以传感器根据目标气体而调整，典型应用包括测量CO和CO2、冷冻剂烟雾和一些易然气。由于非碳氢化合物易燃气体如氢不吸收电磁谱中IR部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物，并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其它气体的腐蚀以及高浓度目标烟雾的影响。4常见气体传感器可检测气体种类由于气体的种类繁多，一种类型的气体传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的气体。例如氧化物半导体气体传感器主要检测各种还原性烟雾，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固体电解质气体传感器主要用于检测无机气体，如O2、CO2、H2、CL2、SO2等。222气体传感器的选定天煤气泄漏报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气站、喷漆作业等易发生可燃气体泄漏的场所，根据报警器检测气体种类的要求，一般选用接触燃烧式气敏传感器和半导体气敏传感器。使用接触燃烧式气敏传感器，其探头的阻缓及中毒,是不可避免的问题。阻缓是当在气体与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致该传感器最终丧失检测烟雾的能力。中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。当怀疑检测环境中存在这些物质时，经常对探头进行标定，是必须且有效的办法。因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，无形中加大了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。半导体气敏传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器以及用单晶半导体器件制作的气体传感器，它具有灵敏度高，响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。半导体气敏传感器的性能主要看其灵敏度、选择性抗干扰性和稳定性使用寿命。经过对比上述两种气敏传感器的应用特性，发现半导体气敏传感器的优点更加突出灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。因此，本设计采用半导体气敏传感器作为报警器气体信息采集部分的核心。而在众多半导体气敏传感器中，本设计选用MQ2型气敏传感器，这种型号的传感器具备一般半导体气敏传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。23煤气泄露报警系统的整体设计方案231煤气泄露报警器工作原理本论文中的煤气泄漏报警器以STC12C5A60S2单片机为控制核心，采用MQ2型电阻式半导体传感器采集气体信息。首先，气体传感器送来的气体浓度对应的电压信号送入STC12C5A60S2单片机；然后，在STC12C5A60S2单片机内A/D转换、气体浓度比较，对数据进行线性化处理，将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值；最后，判断气体浓度值是否超出报警限，当气体浓度处于正常状态红灯不会闪亮，当气体浓度超出设定的限定值时，发出声音报警并伴随红灯亮。另外由于气体传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反应越快，响应时间和恢复时间就越快。为提高响应时间，保证气体传感器准确地、稳定地工作，报警器需要向气体传感器持续输出一个5V的电压。232煤气泄露报警器的结构为适应家庭对可燃性易爆气体安全性要求，设计的可燃性气体报警仪应不仅能在较宽的温度范围工作，而且应具有显示可煤气体浓度、可接计算机进行现场远测和实时控制等功能。其目标是在传统的烟雾报警仪的基础上，尽量提高准确性，降低成本，缩小体积。系统使用STC12C5A60S2单片机，选用气敏传感器作为敏感元件，显示电路，及报警装置开发了可用于家庭或小型单位天煤气泄漏报警器。整个设计由3大部分构成气敏传感器、STC12C5A60S2单片机、显示电路。气敏传感器是将现场气体浓度非电信号转化为电信号；转换电路是将完成将气体传感器输出的模拟信号到数字信号的转换。24装置功能说明煤气泄漏检测装置，顾名思义是用来检测煤气泄漏，使煤气使用更加安全。在使用此装置前，首先设置好报警的气体浓度值，设置浓度可调，将装置放置在煤气容易泄漏的区域，当煤气或者其他煤气泄漏的时候，空气中气体浓度超过设定值时，装置会发出灯光及声音的报警。25装置效果图图21成品效果图3煤气泄漏检测报警装置的硬件部分设计硬件电路形象的说就是整个装置的框架，硬件电路的设计，直接影响装置功能能否实现。硬件电路的设计首先必须了解各原件的性能指标，工作原理，以及整体的电路连接。本章主要介绍一些单片机最小系统，显示电路，传感器电路31STC12C5A60S2系列单片机简介STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期1T的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快812倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换250K/S，即25万次每秒，针对电机控制，强干扰场合。1增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统80512工作电压STC12C5A60S2系列工作电压55V35V（5V单片机）STC12LE5A60S2系列工作电压36V22V（3V单片机）3工作频率范围035MHZ，相当于普通8051的0420MHZ4用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节5片上集成1280字节RAM6通用I/O口（36/40/44个），复位后为准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达20MA，但整个芯片最大不超过120MA。7ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（P30/P31）直接下载用户程序，数秒即可完成一片8有EEPROM功能STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM9看门狗10内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）11外部掉电检测电路在P46口有一个低压门槛比较器，5V单片机为133V，误差为5,33V单片机为131V，误差为312时钟源外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器温漂为5到10以内用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟常温下内部R/C振荡器频率为50V单片机为11MHZ17MHZ33V单片机为8MHZ12MHZ，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准13共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器,再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器143个时钟输出口，可由T0的溢出在P34/T0输出时钟，可由T1的溢出在P35/T1输出时钟,独立波特率发生器可以在P10口输出时钟15外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，POWERDOWN模式可由外部中断唤醒，INT0/P32,INT1/P33,T0/P34,T1/P35,RXD/P30,CCP0/P13也可通过寄存器设置到P42,CCP1/P14也可通过寄存器设置到P4316PWM2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路）也可用来当2路D/A使用也可用来再实现2个定时器也可用来再实现2个外部中断上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持17A/D转换,10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S每秒钟25万次18通用全双工异步串行口UART，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口19STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RXD2/P12可通过寄存器设置到P42，TXD2/P13可通过寄存器设置到P4320工作温度范围4085工业级/075商业级21封装LQFP48,LQFP44,PDIP40,PLCC44,QFN40I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口,还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。32STC12C5A60S2系列单片机的内部结构STC12C5A60S2系列单片机的内部结构框图如下图所示。STC12C5A60S2单片机中包含中央处理器CPU、程序存储器FLASH、数据存储器SRAM、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。STC12C5A60S2系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。321管脚说明VCC供电电压。GND接地。P0口P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示口管脚备选功能P30RXD（串行输入）P31TXD（串行输出）P32/INT0（外部中断0）P33/INT1（外部中断1）P34T0（记时器0外部输入）P35T1（记时器1外部输入）P36/WR（外部数据存储器写选通）P37/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。X1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。X2来自反向振荡器的输出。引脚电路如下图所示图31单片机引脚图322引脚电路的连接P20P27为I/O口的P2口内部带有弱上拉的双向I/O口，作为输入引脚使用前，先向P2口锁存器写入1，使P2口引脚被上拉为高电平RESET为复位信号输入端，高电平有效。/EA为外部程序存储器选择信号，低电平有效。在复位期间CPU检测并锁存该引脚电平状态，当发现该引脚为高电平时，从片内程序存储器取指令，只有当程序计数器PC超出片内程序存储器地址编码范围时，才转到外部ROM中取指令；当该引脚为低电平时，一律从外部程序存储器中取指令。/EA在本次设计中此引脚接高电平，所以按照它的功能特性它将从内部程序存储器读取指令码。X1、X2的功能特性，其中X1接CPU内部时钟电路。本电路的时钟电路采用芯片内部的振荡电路。当使用片内振荡电路时，X1、X2与晶体振荡器及电容C1、C2按电路图上所示方式连接。晶振、电容C1/C2及片内与非门（作为反馈、放大元件）构成了电感三点式振荡器，振荡信号频率与晶振频率及电容C1、C2的容量有关，但主要由晶振频率决定。该设计中我所设计的晶振频率为110592MHZ，C1、C2都为22PF。对于89C51芯片来说，它内置了ROM、EPROM、OTPROM、FLASHROM，当不使用外部存储器（包括程序存储器和数据存储器）时，P0口可以作为通用的输入/输出端口（I/O）使用。P0口作为I/O端口使用时，多路开关“控制”信号为“0”（即低电平）。输出时，写锁存器脉冲CLK有效，输出信号经内部总线至锁寸器输入端D至反相输入端Q反至多路开关至V2栅极至V2漏极到输出端，P0口是漏极开路输出，当驱动拉电流负载时，需要外接上拉电阻，P0口带有锁存器，因此具有输出锁存器，因此具有输出锁存功能。P0口作为输入口时，与P1口类似，也必须先执行写端口指令。没有外部程序存储器或虽然有外部数据存储器，但容量不大于256字节，不需要高8位地址时（在这种情况下，不能通过数据地址寄存器DPTR读写外部数据存储器），P2口可以作为I/O端口使用，这时，“控制”信号为“0”；作为输入口前，同样需要向锁存器写入“1”，使反向器输出低电平。323振荡器特性X1和X2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。33单片机领域前景及发展状况随着电子产品的广泛应用，单片机的应用领域相当广泛，如仪器仪表、家电、机电一体化、产品研发与开发等行业，都可以是单片机设计人员的就业、提升、创业之所。目前单片机已渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到没有单片机足迹的领域。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说全自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的工程师和科学家。科技越发达，智能化的东西就越多。因此学习单片机是社会发展的必然需求。据统计，我国的单片机年需求量已达13亿片，且以每年大约16的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1。特别是沿海地区的电子厂，在不断向内地市场辐射的进程中，多数产品所用的单片机需求量骤增。鉴于单片机应用在我国才刚刚起步，有着广阔的前景，足以让我们确信培养单片机应用人才，特别是工程技术中普及单片机知识有着极为重要的现实意义。34STC12C5A60S2系列单片机最小应用系统所谓最小系统是指能进行正常工作的最简单电路。包括电源电路，时钟电路，复位电路，三者缺一不可。341电源电路单片机的电源电路顾名思义是给单片机供电的。如下图所示，图中包含DC插口，开关，二极管，电容，电阻和发光二极管。因为本设计是直接通过USB接口提供5伏的电源所以不需要整流桥电路。各部分的作用DC接口接直流电源，电压5伏电解电容C2滤低平。读石电容C3滤高平。二极管D1起保护作用，防止电源接反，使反相电压不通过。电阻R11K限流作用。发光二极管D2指示灯作用。图32电源电路342时钟电路图33时钟电路单片机时钟电路图如上。单片机的时钟电路信号通常用两张电路形式得到内部振荡方式和外部振荡方式。本设计选用的是内部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益的反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器，并产生振荡时钟脉冲，晶振通常选用6MHZ，12MHZ和24MHZ，本设计选用的是110592MHZ的晶振。如下图，图中电容器C15和C14起稳定振荡频率快速起振的作用，一般选用530PF本设计选用22PF。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路使用较多。343复位电路复位操作完成单片机片内的初始化，是单片机从一种确定的状态开始运行当单片机的复位引脚RST出现5MS以上的高电平时，单片机就完成了复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态，而无法执行程序。因此要求单片机复位后能脱离复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式上电复位和开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。开关复位要求在电源接通的情况下，在单片机运行期间，如果发生死机，用按钮开关操作使单片机复位。常用的是上电且开关操作，如图所示。上电后，由于电容充电，使RST持续一段高图34复位电路电平时间。但单片机已经运行之中时，按下复位键也能使RST持续一段时间的高电平，从而实现上电且开关复位的操作。通常选用C1030F,R10K。35传感器电路351MQ2传感器介绍半导体气敏传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器以及用单晶半导体器件制作的气体传感器，它具有灵敏度高，响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。半导体气体传感器的性能主要看其灵敏度、选择性抗干扰性和稳定性使用寿命。MQ2/MQ2S气敏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性气体时，传感器的电导率随空气中可燃性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。图35MQ2传感器结构图图36MQ2传感器引脚图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（NICR）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（NICU）8基座胶木9针状管脚镀镍铜材（NICU）MQ2气敏元件的结构和外形如上图所示,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，两个用于提供加热电流。AA和BB管脚在电路中是短接的。352传感器电路的连接图37传感器电路图电路采集的是电压模拟信号，电路中的电感是用来给传感器预热，电路上方的比较器是电路采集的模拟信号转换为开关信号，传递给引脚2，放大器将采集的模拟信号放大通过3引脚输出。电路有4个引脚，引脚1是电源引脚，引脚4是接地引脚，2引脚是开关信号引脚，3引脚是模拟量输出引脚。本装置设计只使用了1，3，4引脚，没有用到2引脚，因为使用引脚2只能根据设定值报警却不能显示当前的浓度，而3引脚通过图下方的放大器将信号放大，采集的连续的模拟信号，而且装置使用的是增强型51单片机，自身带有A/D转换，能确切的显示出当前气体浓度值。36显示电路整个装置对显示屏要求不高，因为整个装置只需要显示出当时气体的浓度，所以显示屏简单，并不复杂，所以采用一个常见的，价格也比较便宜的诺基亚5110的显示屏图385110显示屏引脚图NOKIA5110显示屏分辨率为8448，有9个导电胶管脚，与单片机连接的8个引脚其中38为I/O管脚，1为电源，2为地，供电电压为33V，由于单片机供电是5V，所以采用一个稳压二极管，将电压稳定到33V37串口下载模块371关于RS232RS232接口实际上是一种串行通信标准，是由美国EIA和BELL公司一起开发的通信协议，他对信号线的功能、电气特性、连接器等都做了明确的规定，RS232C是其中的一个版本。由于RS232早期不是专为计算机通信设计的，因此有25针的D型连接器和9针的D型连接器，目前都采用的9针的，因此只介绍点9针D型连接器。9针D型连接器的信号及引脚如图所示。RS232C除了通过它传送数据外，还对双方的互传起协调作因此9根信号分为两类基本的数据基本的数据传送引脚TXD数据发送引脚，串行数据从该引脚发出。RXD数据接收引脚，串行数据由此输入。GND信号地线在串行通信中，最简单的通讯只需要连接这3根线，在微机与微机之间，微机与单片机，单片机与单片机之间，多采用这种连接方式。本装置的串口连接图，如下图所示图39串口模块电路连接图4煤气泄漏检测报警装置的软件部分设计装置的硬件部分如过说是躯壳，则系统的软件部分则是整个装置的内脏，硬件做的再好，再漂亮，没有软件程序的驱动，它就真正的成为了一个躯壳，功能无法实现。只有软件的驱动加上硬件的准确才能实现装置的功能。二者缺一不可，所以软件的设计对整个装置同样是至关重要的。41主程序设计流程与编程C语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。C语言有功能丰富的库函数、运算速度快、编译效率高、有良好的可移植性，而且可以直接实现对系统硬件的控制。C语言是一种结构化程序设计语言，它支持当前程序设计中广泛采用的由顶向下结构化程序设计技术。此外，C语言程序具有完善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。因此，使用C语言进行程序设计已成为软件开发的一个主流。用C语言来编写目标系统软件，会大大缩短开发周期，且明显地增加软件的可读性，便于改进和扩充，从而研制出规模更大、性能更完备的系统，用C语言进行单片机程序设计是单片机开发与应用的必然趋势。所以作为一个技术全面并涉足较大规模的软件系统开发的单片机开发人员最好能够掌握基本的C语言编程。使用C语言肯定要使用到C编译器，以便把写好的C程序编译为机器码，这样单片机才能执行编写好的程序。411主程序设计流程图主程序流程图如图所示。首先要给传感器预热三分钟，因为MQ2型半导体电阻式气体传感器在不通电存放一段时间后，再次通电时，传感器不能立即正常采集烟雾信息，需要一段时间预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。本论文的主程序设计先对传感器预热三分钟，预热同时，对传感器加热丝故障检测，采用软件方式检测传感器加热丝或电缆线是否断线或者接触不良。STC12C5A60S2单片机对传感器检测的气体浓度信号进行A/D转换，将浓度值与报警限设定值相比较，判断是否报警。程序流程图如下图程序开始系统初始化采集传感器电压处理传感器电压显示浓度判断浓度是否超标报警42A/D转换模块的编程421A/D转换模块的结构STC12C5A60S2系列带A/D转换的单片机的A/D转换引脚在P1口P17P10，有8路10位高速A/D转换器,速度可达到,速度可达到250KHZ。8路电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用。STC12C5A60S2系列单片机的ADC是逐次比较型ADC。逐次比较型ADC由一个比较器和D/A转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位MSB开始，顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。逐次比较型A/D转换器具有速度高，功耗低等优点。422A/D转换模块程序/获取A/D转换后的值/BYTEGETADCRESULTBYTECHADC_CONTRADC_POWER|ADC_SPEEDLL|CH|ADC_START_NOP_NOP_NOP_NOP_WHILEADC_CONTRADC_CONTRRETURNADC_RES/A/D转换初始化函数/VOIDINITADCP1ASF0X80ADC_RES0ADC_CONTRADC_POWER|ADC_SPEEDLLDELAY2435110液晶模块的编程431液晶模块编程模式诺基亚5110是一款8448点阵屏，它最多可以显示3行汉字，每行5个汉字。编程模式为SPI模式，我们用单片机的P32、P33和P34一共4个I/O口来驱动液晶显示。用一个I/O口来控制背光。432液晶模块程序/LCD_WRITE_BYTE使用SPI接口写数据到LCD/VOIDLCD_WRITE_BYTEUNSIGNEDCHARDT,UNSIGNEDCHARCOMMANDUNSIGNEDCHARISCE0DCCOMMANDFORI0I8IIFDTELSESDIN0DTDT1SCLK0SCLK1DC1SCE1SDIN1/诺基亚5110液晶LCD初始化/VOIDLCD_INITVOIDRES0DELAY_1MSRES1LCD_WRITE_BYTE0X21,0/初始化LCD,功能设定使用扩充指令LCD_WRITE_BYTE0XC8,0/设定液晶偏置电压LCD_WRITE_BY