03单片机原理及接口技术课程设计家用煤气泄漏检测器设计

1、辽 宁 工 业 大 学单片机原理及接口技术 课程设计（论文）题目： 家用煤气泄漏检测器设计 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间：2011.07.04-2011.07.15课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室： 学 号学生姓名专业班级电气084班课程设计（论文）题目家用煤气泄漏检测器设计课程设计（论文）任务该检测器实时监测空气中煤气浓度，传感器可采用数字式或模拟式。当超过5%时要发出发出声光报警信号，并设有消音键可以消除声报警，并附加时间、浓度显示功能。主要设计内容：硬件电路设计：1. CPU最小系统设计（包括CPU选择，

2、晶振电路，复位电路）2. 传感器选择以及接口电路设计3. 键盘显示电路设计软件设计：1.编程程序流程图2.程序清单编写进度计划第1天 查阅收集资料第2天 总体设计方案的确定第4天 CPU最小系统设计第5天 传感器选择以及接口电路设计第6天键盘显示电路及电源设计第7天 程序流程图设计第8天 软件编写与调试第9天 设计说明书完成第10天 答辩指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要 为了减少煤气泄漏引发的爆炸和火灾事故，现设计了一种基于AT89C51单片机的煤气泄露检测器。当检测器中的气

3、敏传感器MQ3遇到煤气时，传感器电阻随煤气浓度而变化，随之产生电信号，并转换为电压信号，经A/D转换器转换成数字信号后传给AT89C51单片机系统，由线性电路加以补偿，使信号线性化，经处理、逻辑分析，输出各种控制信号。程序采用模块化设计思想，各个子程序的功能相对独立，便于调试和修改。当室内煤气浓度超过5%时，煤气报警器发出声光报警信号并启动外部设备工作，避免事故的发生。关键词：气敏传感器、AT89C51单片机、声光报警电路目 录第1章 绪论11.1 家用煤气泄漏监测器概况11.2 本文研究内容1第2章 CPU最小系统设计12.1 家用煤气泄漏监测器总体设计方案12.2 CPU的选择12.3 数

4、据存储器扩展22.4 复位电路设计32.5 时钟电路设计42.6 CPU最小系统图5第3章 家用煤气泄漏检测器输入输出接口电路设计63.1 家用煤气泄露检测器传感器的选择63.2 家用煤气泄漏检测器检测接口电路设计63.2.1 A/D转换器选择6 模拟量检测接口电路图73.3 声光报警电路电路设计83.4 人机对话接口电路设计8第4章 家用煤气泄漏检测器软件设计104.1 软件实现功能综述104.2 流程图设计10 主程序流程图设计10 模拟量检测流程图设计11 声光报警电路流程图设计114.3 程序清单12第5章 系统设计与分析155.1 系统原理图155.2 系统原理综述16第6章 课程设

5、计总结17参考文献18第1章 家用煤气泄漏绪论1.1 监测器概况 近年来，全国煤气行业发展迅猛，液化气、天然气、煤制气作为清洁能源已在工商业和城镇居民中得到广泛的使用，特别是随着“西气东输”工程的快速进展，煤气行业发展潜力巨大。城市燃气的普及与应用无疑对改善城市的环境质量发挥了巨大的作用。但随着煤气的广泛使用，由于煤气泄漏所引发的爆炸、中毒和火灾事故也时有发生，这在某种程度上增加了城市的不安全和不稳定因素。为使煤气更好的造福于民，造福于社会。现设计了基于AT89C51煤气检测仪，当泄漏的煤气的浓度超过5%时，检测仪就会发生警报，防止事故的发生。1.2 本文研究内容本课题分为两部分：硬件设计部分

6、和软件设计部分。硬件部分为利用MQ3气敏传感器测量空气中煤气浓度，并转换为电压信号，经A/D转换器转换成数字信号后传给单片机系统，由单片机及其相应外围电路进行信号的处理，显示煤气浓度值以及超阈值声光报警。程序采用模块化设计思想，各个子程序的功能相对独立，便于调试和修改。而硬件电路又大体可分为单片机小系统电路、A/D转换电路、声光报警电路、LED显示电路，按键电路，各部分电路的设计及原理将会在硬件电路设计部分详细介绍。第2章 CPU最小系统设计2.1 家用煤气泄漏监测器总体设计方案设计时，考虑煤气浓度是由传感器把非电量转换为电量，传感器输出的是0-5V的电压值且电压值稳定，外部干扰小等。因此，可

7、以直接把传感器输出电压值经过A/D转换器转换得到数据送入单片机进行处理。此外，还需接人LED显示，4*4键盘，报警电路等。其总体框图如图2-1所示。气 敏传感器A/D转换电路单片机声光报警电路LED显示键盘被测环 境图2.1 煤气检测仪总体框图2.2 CPU的选择根据任务书中的设计及计算要求要求，选择89C51单片机，其主要性能由表2.1所示。表2.1 89C51主要性能表面向控制的8位CPU一个片内振荡器和时钟产生电路片内4KB Flash ROM程序存储器128B的片内数据存储器可寻址64的片外ROM和片外RAM控制电路2个16位定时/计数器4个并行I/O口共32条I/O线5个中断源，2个

8、中断优先级一个双全工的异步串行口21个特殊功能寄存器 其引脚结构图如图2.2所示图2.2 89C51引脚结构图 2.3 数据存储器扩展由于89C51单片机片内只有128B的RAM存储器，在实际运用中仅靠这128B的数据存储器是远远不够的，所以需要拓展外部存储器。本设计中所需要的外部数据存储器不大，因此可以选择型号为6116静态RAM。6116是2K×8位静态随机存储器，采用CMOS工艺制造，单一+5V电源供电，额定功耗为160mW，典型存取时间为200ns，为24线双列直插式封装，其引脚功能如表2.2所示。表2.2 6116的引脚功能A0A10地址线I/O0I/O7双向数据线片选线写

9、允许线读允许线6116与AT89C51的硬件连接如图2.3所示。图2.3 6116与AT89C51的硬件连接图2.4 复位电路设计复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此非常重要。本设计采用按键式复位电路，如图2.4所示。图2.4 按键式复位电路原理图单片机的复位都是靠外部复位电路来实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RESET引脚上出现24个时钟振荡脉冲（两个机器周期）以上的高电平，单片机就能实现复位。复位时，ALE和成输入状态，即ALE=1，片内RAM不受复位影响，复位后PC指向0000H，单片机从起始地址0000H开始执行程序。所以单片机运行出错或进入死循

10、环，可按复位键重新启动。2.5 时钟电路设计计算机在工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一排一排的进行。这个脉冲是由单片机控制器中的时序电路发出的。而时钟电路就是用于产生单片机工作所需的时钟信号，没有时钟电路，单片机就无法工作。时钟信号可以有两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式，其原理如图2.5所示。其中C1、C2值为30pF,晶振频率为12MHz。图2.5 内部时钟振荡电路2.6 CPU最小系统图由上述四节中的图，可以画出CPU最小系统图，如图2.6所示。图2.6 CPU最小系统图第3章 家用煤气泄漏检测器输入输出接口电路设计3.1 家用煤气泄露检测器传感器的选择本系

11、统直接测量的室内的煤气浓度，故采用气敏传感器。考虑到周围空气中的气体成分可能影响传感器测量的准确性，所以传感器只能对煤气敏感，对其他气体不敏感，故选用MQ3型气敏传感器。MQ3具有很高的灵敏度、良好的选择性、长期的使用寿命和可靠的稳定性。MQ3型气敏传感器由微型Al2O3，陶瓷管和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的腔体内，加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作条件。传感器的标准回路有两部分组成。其一为加热回路，其二为信号输出回路，它可以准确反映传感器表面电阻值的变化。传感器的表面电阻RS的变化，是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号VRL输出面获得的。负载

12、电阻RL可调为05-200K。加热电压Uh为5v。上述这些参数使得传感器输出电压为0-5V。MQ3型气敏传感器的结构和外形、标准回路如图3.1所示。图3-1 MQ3 结构和外形3.2 家用煤气泄漏检测器检测接口电路设计3.2.1 A/D转换器选择在单片机应用系统中，被测量对象的有关变化量，如温度、压力、流量、速度等非电物理量，须经传感器转换成连续变化的模拟电信号（电压或电流），这些模拟电信号必须转换成数字量后才能在单片机中用软件进行处理。实现模拟量转换成数字量的器件称为A/D转换器（ADC）。本设计是将煤气的变化量转化为电压信号，因此，可以选用ADC0809转换器。ADC0809是一种逐次比较

13、式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器，工作电源+5V，转换时间为100s。其主要引脚功能如表3.1所示。表3.1 引脚功能表IN0IN7模拟信号输入端D0D7A/D转换结果数据输出端OE输出有效控制位CLOCK时钟输入端START启动端ALE地址锁存控制位3.2.2 模拟量检测接口电路图 由传感器收集到的信号，经过ADC0809转化成电信号，再送到AT89C51单片机中进行分析、处理。图3.2 检测接口电路图3.3 声光报警电路电路设计报警电路采用声光报警器。由扬声器BY，普通红色发光三极管等组成。其中AT89C51的P3.5引脚经电阻接到发光三极管N端，当输出为低电平时，三极管将闪烁

14、发光。达到声光同时报警的效果。通过复位停止报警。如图3.3所示图3.3 声光报警电路3.4 人机对话接口电路设计LED显示有静态显示和动态显示两种显示方式。本设计使用并行输入硬件译码静态显示电路，静态显示电路中，各位可独立显示，只要在该位的段码线上保持段码电平，该位就能保持相应的显示字符。电路中采用了锁存译码器将P1口低4位输出的BCD码译成七段字型码，利用P1口高四位做为各锁存译码器的所存信号，实现稳定显示。LED使用的是共阴极7段数码管。数码管显示电路如图3.4。键盘的结构有两种：独立式按键和矩阵式按键，其中独立式按键适用于按键数量不多的场合，而矩阵式按键适用于按键数量较多的场合。键盘有两

15、种工作方式：编程扫描方式和中断扫描方式。本设计采用的是矩阵式按键键盘，并利用中断扫描法处理按键，消抖由软件实现。键盘扫描电路如图3.5。图3.4 LED显示电路图3.5 键盘电路第4章 家用煤气泄漏检测器软件设计4.1 软件实现功能综述当传感器将采集的煤气信号由ADC0809转化成电压信号后，需要用软件将信号进行处理、分析，最后由LED显示电路输出结果。4.2 流程图设计4.2.1 主程序流程图设计 将A/D转换子程序和数据处理子程序结合在一起，检验数据是否大于阈值，若大于则报警，反之，就不报警。主程序流程图如图4.1所示开始初始化数据处理子程序声光报警A/D转换子程序大于阈值？ N Y图4.

16、1 主程序流程图4.2.2 模拟量检测流程图设计A/D转换子程序流程图如下图4.2所示。ADC0809初始化后，把0通道输入的0-5V的模拟信号转换为对应的数字量00H-FFH，然后将对应数值存储到内存单元。程序框图如图4.2启动ADC0809通道，并延时100s读出A/D转换结果结果存入内存单元开始返回转换完？ N Y图4.2 模拟量检测流程图4.2.3 声光报警电路流程图设计系统设定阈值并保存在以50H开始的3个单元，为了便于比较和显示，阈值的千位放入50H中，百位和十位放入5lH，个位放人52H中。报警电路分为蜂鸣器报警电路和LED发光报警电路组成。当输入端P3.5为低电平时，有电流通过

17、蜂鸣器，蜂鸣器发出声音报警。而当输入端为高电平时不报警。40H、4lH、42H单元存放A/D转换后，并进行十进制转换后的结果。40H和50H分别存放的是处理后的测量值与阈值的千位的压缩BCD码，41H和51H分别存放的是处理后的测量值与阈值的百位、十位压缩的BCD码，42H和52H分别存放的是处理后的测量值与阈值的个位的压缩BCD码。声光报警电路流程如图4.3所示。开始40H中的BCD码大与阈值相等？41H中的BCD码大与阈值相等？41H中的BCD码大报警返回 Y N N Y Y N N Y Y N 图4.3 声光报警电路流程图4.3 程序清单1.主程序：ORG 0000HLJMP 1000H

18、ORG 1000HLCALL SCANLCALL SHOWL0: LCALL STARTCLR CCJNE 30H,35H,L1 ；比较煤气浓度是否超过上限JNC MOTOR ；跳转到声光报警器工作LJMP L02.A/D转换子程序清单START: MOV R0，#30H ；RAM缓冲区地址置初值 MOV R6， #03H ；通道计数器置初值（3个通道） MOV R7， #03H ；循环计数器置初值（连续循环采样3次）CONV1: MOV DPTR，#0FEF8H ；通道地址寄存器置初值CONV2： MOVX DPTR，A ；启动A/D转换 MOV R5，#0AH ；延时等待DLX： DJNZ

19、 R5，DLXWAIT: JB P3.3，WAIT ；等待A/D转换结束 MOVX A，DPTR ；读取A/D转换结果 MOV R0，A ；保存A/D转换结果 INC R0 ；修改存储单元地址 INC DPTR ；指向下一通道 DJNZ R6，CONV2 ；3个通道完全否？ MOV R6，#02H DJNZ R7，CONV1 ；3次A/D转换完成否？ RET3.报警程序清单ALARM: MOV DPTR,#SAMP ；采样存放首地址到DPTR MOVX A,DPTR ；取浓度参数到A MOV 40H,#00H ；清“0”报警标志单元ALARM0: CJNE A,41H,WET1 ；浓度超过上限

20、吗？ALARM1: INC DPTR ；指向浓度参数 MOVX A,DPTR ；取浓度参数DONE: MOV A,#00H CJNE A,20H,FF ；有报警应转FF RETWET1: JNC AOUT1 ；浓度超过上限转AOUT1AJMP ALARM1AOUT1: SETB 00H ；浓度超过上限报警 MOV A,20H MOV P1,A LCALL FFAJMP ALARM1 AJMP DONE第5章 系统设计与分析5.1 系统原理图5.2 系统原理综述本设计为利用MQ3气敏传感器测量空气中煤气浓度，并转换为电压信号，经A/D转换器转换成数字信号后传给AT89C51单片机系统，由单片机及其相应外围电路进行信号的处理，显示煤气浓度值以及超阈值声光报警。程序采用模块化设计思想，各个子程序的功能相对独立，便于调试和修改。而硬件电路又大体可分为单片机小系统电路、A/D转换电路、声光报警电路、LED显示电路，按键电路。当泄漏的煤气的浓度超过5%时，检测仪就会发生警报，防止事故的发生。第6章 课程设计总结经过一周的努力，终于完成了家用煤气泄漏检测器的课程设计。这是我第一次基于单片机独立设计一个东西，并且老师只给出了大致要求。这对于我来说是很有挑战性的。首先这是一个基于单片机的课程设计，单片机是这学期学习的课程，虽然不陌生，但是用起来还发