毕业设计-基于STC89C52单片机的瓦斯报警器设计.deflate

1、瓦斯报警器的设计目 录引 言1第1章 绪论21.1课题研究的目的和意义及来源21.1.1 课题研究的目的和意义21.1.2课题的来源31.2瓦斯报警控制器国内外现状31.3本课题主要完成的任务3第2章 瓦斯报警控制器的方案设计42.1 气体传感器的选型42.1.1 气体传感器的种类42.1.2 TGS-813气体传感器52.1.3 TGS-813气体传感器的一般特点62.2 瓦斯报警控制器的整体设计72.2.1瓦斯报警控制器的结构72.2.2瓦斯报警控制器主要技术指标7第3章 瓦斯报警控制器的硬件设计83.1 AT89S52系列单片机系统结构特点83.2 瓦斯报警控制器的电路设计93.2.1

2、前置放大电路93.2.2 A/D转换电路103.2.3 AT89S52单片机接口电路113.2.4 声音报警电路123.2.5 显示电路123.2.6 中断电路13第4章 瓦斯报警器的软件设计154.1 AT89S52单片机调试及开发工具154.2瓦斯报警控制器软件流程及设计154.2.1 主程序流程图及设计154.4.2 T0中断子程序164.4.3 线性化处理子程序设计174.4.4 十六进制转化十进制子程序设计194.4.5 显示子程序设计204.4.6 键扫描子程序设计22结论与展望23致 谢24参考文献25附录A：硬件电路总图26附录B：外文文献及译文27附录C：主要参考文献及摘要3

3、1附录D：程序清单33摘要；随着瓦斯种类和应用范围的增加，其使用场所和贮气仓库内的泄漏、火灾爆炸事故日益增多。从安全、环保及经济上考虑，研制一种检测瓦斯自动报警和自动打开排器装置的一种控制器是非常必要的。本设计对瓦斯泄漏报警、控制器进行了深入的研究，采用了“探测器+单片机控制电路”设计思路，具有检测误差小，反应速度快等优点。选用MQ2气体传感器对现场瓦斯浓度进行检测，采用功能和性价比较高的STC89C52单片机作为中央处理单元，对浓度信号进行采集、数据处理、显示、报警及打开排气装置等工作。本设计的瓦斯报警、控制器可以检测空气中以烷类气体为主的多种瓦斯的浓度，实时显示浓度值，当达到预先设定的上限

4、报警设定值时，发出声音报警和控制信号，以提示操作人员采取安全对策或自动控制相关安全装置。该报警器可以实时、准确检测瓦斯，并且可以长时间可靠无误的报警，具有很广泛的应用前景和推广价值。关键词： 报警器；瓦斯；单片机；气体传感器IIIAbstractWith the rapid increase of combustible gas classes and applied range, the leakage and fire explosion of locations and warehouses storing combustible gas are more often. To ensur

5、e personal safety, environment and equipment safety, it is necessary to develop a new type reliable combustible gas alarm instrument.This paper explains combustible gas alarm instrument principle deeply, and use the project of detector and microcontroller control circuit to design alarm instrument.

6、Chooses MQ2 gas sensor, which turns the concentration of combustible gas in the air into voltage signal, and sends the voltage signal into microcontroller(MCU), then MCU implements date acquisition, processing, concentration display and alarm operation. Meanwhile, taking function, integration and th

7、e ratio of performance to price into account, chooses STC89C52 MCU as the core part of combustible gas alarm instrument.Combustible gas alarm instrument designed detects alkyl combustible gas especially, and displays concentration on the instrument. When combustible gas reaches alarm threshold value

8、, the instrument sends out sound and light alarm, reminds worker to take action. The combustible gas alarm instrument has got past the test on the spot and got a satisfying result. Conclusion can be drawn that this kind of high efficiency combustible gas alarm instrument will have a wide application

9、.Keywords：divulging alarm; combustible gas ;single chip microcomputer; gas sensor第1章 绪论1.1课题研究的目的和意义及来源1.1.1课题研究的目的和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有所增加。液化石油气、天然气、煤气等这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、苯类以及一氧化碳、氢等成分，是易燃、易爆、有毒、有害的气体。它们易流动、易燃烧，在生产、输送、贮存和使用这些气体的过程中，如违反操作规程或设备密封质量不好，都有可能发生可燃气体泄漏的现象。当与空气混合后的混合物达到一定的浓度时

10、，就是一种爆炸性混合物，遇火就会发生剧烈的化合反应，产生大量的热，会燃起大火，进而酿成火灾或爆炸事故，给国家和人民的生命财产造成损失。国内外均有不少这方面的报道，其教训是非常深刻的。为了防患于未然，只有采用先进、可靠的安全监测仪表，严密监测环境中的瓦斯的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，将事故消灭在酿成事故之前，才能确保安全生产，居民的人身财产安全才能有保证。瓦斯报警控制器属于中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录中第46项，它归类于物理化学计量器具。建筑设计防火规范(GBJ16-87)第10.3.2条明确规定:“散发可燃气体、可燃蒸汽的甲类场所，应设置瓦斯浓度检测报警装置”。但现在国内

11、使用的报警控制器，许多产品使用时间过长，产品老化严重，技术指标达不到标准，报警器的性能也不稳定。有些是保养不当，如电池流水腐蚀仪器，或蓄电池损坏使报警器不能工作;有些是因使用不当而造成故障，因此不能进行准确，安全的报警和控制。2003年12月，国家执行新的瓦斯探测器标准(GB 15322-2003)可燃气体探测器。在2004年10月国家颁布可燃气体检测报警器规程JJG693-2004 。一部分不合规定的瓦斯报警控制器将停止使用10。因此，研制一种新型，性能稳定、准确监测瓦斯，并且合乎国家相关规定的报警控制器势在必行。1.1.2课题的来源随着城市煤气、天然气事业及化学工业的迅速发展，易燃、易爆的

12、气体种类和应用范围在不断增加，这些易燃易爆气体在生产和使用过程中，一旦发生泄漏将会引起中毒、火灾、爆炸等重大事故，人们在对安全生产的重视程度日益增加的同时，对生产技术手段也进行不断的提高， 研制一种新型、性能稳定、准确监测瓦斯报警控制器势在必行。而传统的模拟型瓦斯报警控制器，对于气体传感器的特性补偿、修正，采用匹配补偿传感器的硬件调整方式；这种调整方式虽然具有现场调整方便的优点，但补偿拟合的范围窄，匹配传感器的部件选择困难，而难以获得较好的补偿、修正效果。因此，本次设计采用了“探测器+单片机控制电路”设计思路。本次设计采用以STC89C52芯片为核心，用半导体陶瓷式气体传感器MQ-2来检测外部

13、气体浓度，结合外部硬件电路实现对瓦斯进行报警控制装置。STC89C52芯片具有功能强大，性价比高等一系列优点，适合产品大规模生产。同时，设计出的瓦斯报警控制器具有操作简单，实用性强，价格便宜，安全性高等特点，所以非常适合贮气仓库，以及家庭等场所使用，具有很高的实用价值。正是由于瓦斯报警控制器对于安全生产的重要性，国内外有众多厂家研制、生产这一产品。从运用所学知识和实际意义出发，研制一种固定式瓦斯报警控制器，它主要对以烷类气体为主的多种瓦斯进行检测控制。1.2 瓦斯报警控制器国内外现状瓦斯报警控制器在国外己经发展成为一种相当成熟的产品。日本是最早发明燃气报警器的国家，己有50多年的历史。无论在气

14、体探测器的研制上，还是在报警器的性能上，均处于国际领先水平。日本政府和生产企业大力推广报警器的使用，使燃气泄漏和爆炸等事故的事故率远远低于欧美等发达国家。其中FIGARO、理研都是专门研制、生产瓦斯报警控制器的厂家，他们生产的产品以采用最先进的气敏传感器、响应速度快、性能可靠、寿命长而著称。我国在70年代初期开始研制瓦斯报警控制器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，又进行研究与开发，形成自己的特色。近年来，在气体选择性和产品稳定性上也有很大进步7。工业瓦

15、斯报警控制器一般分为瓦斯检漏仪(简称“检漏仪”)、瓦斯报警控制器(简称“控制器”)、瓦斯探测器(简称“探测器”)三大系列产品。“检漏仪”的体积较小，可随身携带或手持，采用碱性电池或可充电电池供电，一般可以连续工作近12小时。该仪器主要应用于燃气管道的查漏与巡线。若有燃气泄漏，检漏仪便会发出声光报警，同时显示气体浓度，以便及时采取安全措施，防止爆炸等恶性事故的发生。“探测器+控制器”，这是在工业装置上和生产过程中使用最多的检测仪器，可在防爆现场长期监测气体的浓度。这种仪器大都装设在油库、乙炔站、液化气站和煤气站等易燃易爆的危险场所。探测器安装在防爆现场，控制器放在值班室等有人值守的地方，二者采用

16、屏蔽电缆线连接。当在现场的探测器探测到燃气泄漏之后，通过屏蔽电缆线将信号传到控制器，控制器发出声光报警，同时启动排风装置或关闭电磁阀切断气源，以确保安全。1.3本课题主要完成的任务 本课题是基于单片机的家用瓦斯检测报警器控制器的研制，主要完成以下任务：(1) 对单片机报警器系统进行整体的规划和结构的设计。(2) 以STC89C52单片机为中央处理器，对硬件电路进行设计和改进，使其功能更加完善。系统硬件电路主要分为A/D转换电路、STC89C52单片机接口电路、声音报警控制电路、显示电路四个部分。(3) 系统的软件编制。在程序的编写过程中，分别对主程序和各部分子程序进行了流程图的绘制，同时加入了

17、详细的文字注释，以便于后期的改进与维护。第2章 瓦斯报警控制器的方案设计设计就是根据题目的要求而对硬件和软件进行规划，并选择最合适的硬件电路和软件程序来达到目的。硬件设计是通过对设计要求的分析，对各种元器件的了解，而得出分立元件与集成块的某些连接方法，以达到设计的功能要求。并且把这些元器件焊接在一块电路板上。它包括对各种元器件的功能和接法的了解，以及对各种元器件的选择和设计方案的选择。软件设计是分析设计的硬件用程序实现其功能，并且调试优化产品功能。2.1 设计要求设计的监测报警系统应实现如下功能：系统能巡回检测四个不同位置的烟雾和煤气浓度，把检测到的信号送单片机处理，处理过的数据送显示器显示和

18、送存储器保存，在烟雾和煤气浓度达到设置值时系统启动报警。2.2 设计思路本设计拟按以下思路展开研究：（1）根据该设计要实现的基本功能，设计大致应该分为信号采集放大，信号处理控制，系统设置报警三个部分。信号采集部分即通过气体传感器检测室内气体浓度，将这种变化量转化成电压模拟量的变化，然后通过运放进行必要的放大。信号处理部分是将采集到的模拟信号转换成数字信号，送入控制器进行处理，并将处理过的信号送存储器保存和送显示器显示。系统设置报警部分是通过预定控制方式并利用蜂鸣器报警实现系统的准确操作。（2）依据上面所说的思路，得到如下一些基本的结论：信号采集部分为了能准确采集到气体浓度的变化应选用半导体气体

19、传感器，为使其有效的检测室内气体浓度，采用电阻型半导体气体传感器；而放大部分使用运放进行比例和反相两级放大。信号处理部分为了实现精确控制，采用单片机较为合适。将模拟信号送A/D模块进行模数转换，经过处理后送存储器保存和送显示器显示。系统设置报警部分可以考虑采用4×4键盘设置初始值和蜂鸣器报警。根据对上面设计系统的分析，我们得到该设计思想框图如下图2-1所示：将上述设计思想结合设计要求总结为：单片机电路制作室内故障监测报警系统对室内四个不同位置的烟雾和煤气浓度进行巡回监测；由电阻型半导体气体传感器采集烟雾和煤气的浓度；采集到的信号送入A/D模块完成A/D转换；最后将数据送入单片机进行数

20、据处理；处理过的数据送存储器进行保存以方便调用；处理过的数据经过比较，若超过预先由键盘设定的值则触动报警器报警；由单片机处理过的数据都送显示器或经串口接口调用送电脑进行再处理。系统设置报警信号处理控制信号采集放大图2-1 设计思想框图2.3 设计方案2.3.1方案一采用单个传感器检测房间气体浓度，将检测的到浓度信号送入A/D芯片中进行模数转换，利用AT89S51单片机控制触动蜂鸣器进行声音报警以及将气体传感器检测到的浓度值在液晶显示器上显示出来。分析：此设计虽然简单，但是存在着严重的问题。采用单个传感器检测房间气体浓度是不合适的。气体传感器所测量的值经常会发生变化。在一段短时间内可能很稳定，而

21、在一段较长时间内则可能有缓慢起伏，或呈周期性的脉动变化，甚至出现突变的尖峰。气体传感器主要通过两个基本特性-静态特性和动态特性来反映传感器的这种变动性。 静态特性通常反映在灵敏度上。所谓的灵敏度，是指在静态工作条件下，其单位输入所产生的输出，用S表示。 （2-1） 动态特性是气体传感器的特有问题，反映气体传感器对随时间变化的输入响应特性。动态特性好的气体传感器，其输出特性曲线随时间变化很小。动态特性的输入与输出关系不是一个常数，而是时间的函数，随时间的变化而变化，因此常用"传递函数"表征。 （2-2）由此可见，气体传感器的输入和输出关系并非简单的线性或曲线关系，要对气体传感

22、器建立一个准确的温度修正数学模型是很困难的。通常应用时，都忽略气体传感器的动态特性，根据其静态温度响应灵敏度，采取一定的措施对其进行补偿。如通过温度传感器16测出环境的温度，对气体传感器的输出特性曲线进行修正；或者直接对传感器进行硬件补偿。气体传感器特性总是会受到环境温度、湿度的影响而变化，气体报警器要能够有效实现对环境气氛的监控，有效避免误报、漏报，提高测量的准确性，必须对气体传感器进行有效的温、湿度补偿和修正。本设计主要考虑如何有效实现传感器的温度补偿。 传统补偿方式一般有硬件补偿和软件补偿两种。所谓硬件补偿是指直接使用温度传感器在电路中对气体传感器进行补偿，这种方式虽然简单，但只有在温度

23、传感器和气体传感器的温度特性一致时，才能很好地补偿；很难实现宽范围的气体传感器和温度传感器的特性匹配。软件补偿方式通过传感器的温度特性曲线拟合进行算法补偿，这种方式是以一定的特性曲线作为基础，对不同的工作环境和不同传感器的温度特性，用算法处理和查表修正以得到不同的补偿效果。该方式较为复杂，对特性离散的传感器，拟合效果差。为了解决这个问题，提出采用双传感器补偿方式，具体来说就是选用两个特性一致（实际上只能做到非常接近）的气体传感器来实现补偿，把其中一个气体传感器A密封代替温度传感器，对另一气体传感器B进行补偿。这样的补偿方式，不仅能较好地拟合气体传感器的静态温度特性，而且对传感器的动态温度响应也

24、能同步实现补偿23。由于方案一传感器测量精度不高，所以不予采纳。2.3.2 方案二采用双传感器5，采用相互补偿的方法检测房间气体浓度，将检测的到浓度信号送入A/D芯片中进行模数转换，利用AT89S51单片机控制声音报警以及将气体传感器检测到的浓度值在显示器显示出来。分析：此设计方法虽然解决了传感器检测气体浓度时温度和湿度对测量值的影响，但是，在实际制作的过程中，需要利用的核心控制芯片必须最少具有4路8位A/D口，气体和温度敏感信号直接由A/D口采集后，进行一定的算法修正和软件补偿。由于本课题要求采用四路巡回检测，如果采用本方案那么就需要8个特性相同的半导体气体传感器（4个密封检测气体浓度，另外

25、4个做补偿），为了达到更好的温度修正效果，往往需要传感器厂家的配合，在生产时对传感器进行成对生产，以保证传感器特性的一致性。并且主控制芯片采用常规的ADC0809和单片机并不支持，且制作硬件极其复杂，系统整体设计体积过大、功耗高、成本太高。单单采用此种方法并不能更好的提高测量性能，还需要加以软件补偿。由于采用此方案制作硬件极其复杂，系统整体设计体积过大、功耗高、成本太高，所以不予采纳。2.3.3方案三采用高性能半导体气体传感器7，采用四路巡回检测的方法检测房间气体浓度，将检测的到浓度信号送入A/D芯片中进行模-数转换，利用AT89S51单片机控制声音报警、键盘输入、存储器运行，并且将气体传感器

26、检测到的浓度值在LCD显示器上显示出来。分析：选用此方法设计电路不仅解决了温度、湿度的影响，并且简化了设计电路，降低了成本，采用此种方法设计主体电路。具体电路设计将在下文中给出。通过搜集信息，提出本次设计采用QM-N5型气体传感器。现在特将此传感器简单介绍如下：(1) 特点：QM-N5型气体传感器8是以金属氧化物SnO2为主体材料的N型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。适用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、烯类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气、烟雾等的检测，属于N型半导体元件。灵敏度较高，稳定性较好，响应和恢复时间短。用它做成的报警器完全可以达到UL2034

27、标准，不需温、湿度补偿。(2) 工作条件：工作电压：5V ± 0.5V静态功耗：0.5W(加热丝冷态电阻为50 ± 2)环境条件：温度-10+50,相对湿度95%初期稳定时间：15分钟响应时间：10s恢复时间：60s检测煤气浓度范围：5020000ppm(3)对一氧化碳反应的敏感度14：图2-2 系列一氧化碳浓度的条件下RL电压的振荡曲线。高湿高温对传感器的影响：根据测试结果表明，此传感器可承受96%RH相对湿度、70的环境条件，但基电平升高。2.3.4 方案的确定 现今半导体气体传感器技术的不断提高，使得在应用此类传感器时不必采用温度、湿度补偿7，极大的简化了电路和降低了

28、成本。鉴于对以上三个方案的对比分析，方案三最符合设计要求，所以我选择使用方案三来设计本次毕业设计的主体电路。第3章 瓦斯报警控制器的硬件设计3.1 瓦斯警报器硬件的选择本设计所选择的硬件主要有 单片机以及气体传感器等。3.1.1 单片机系统的设计本设计属于单片机应用系统。它是单片机在系统检测方面的应用，是典型的嵌入式系统。通常将满足海量高速数值计算的计算机称为通用计算机系统；而把面向工控领域对象，嵌入到工控应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。嵌入式系统一般分为四种:工控机，通用CPU模块，嵌入式微机处理，单片机。嵌入式系统具有以下特点：(1)面对控制对象。

29、如传感信号输入、人机交互操作,伺服驱动等。(2)嵌入到工控应用系统中的结构形态。(3)能在工业现场环境中可靠运行的品质。 (4)突出控制功能。如对外部信息的捕捉、对控制对象实时控制和有突出控制功能的指令系统(I/O控制、位操作和转移指令等)。单片机有惟一的专门为嵌入式应用系统设计的体系结构与指令系统，最能满足嵌入式应用要求。单片机是完全按嵌入式系统要求设计的单芯片形态应用系统，能满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行及非凡的控制品质等要求，是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。3.2 STC89C52系列单片机系统结构特点STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器

30、，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52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2。STC89C52具有以下标准功能:8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，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，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模

31、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。其引脚电路如图3-2所示，STC89C52主要性能有以下几点：(1) 与MCS-51单片机产品兼容(2) 8K字节在系统可编程Flash存储器(3) 1000次擦写周期(4) 全静态操作：0Hz33Hz(5) 三级加密程序存储器(6) 32个可编程I/O口线(7) 三个16位定时器/计数器(8) 八个中断源全双工UART串行通道(9) 低功耗空闲和掉电模式(10) 掉电后中断可唤醒(11) 看门狗定时器(12) 双数据

32、指针(13) 掉电标识符图3-2 STC89C52引脚图单片机应用系统的结构单片机应用系统的结构分三个层次。 (1)单片机：通常指应用系统主处理机，即所选择的单片机器件。(2)单片机系统10：指按照单片机的技术要求和嵌入对象的资源要求而构成的基本系统,如时钟电路、复位电路和扩展存储器等与单片机构成了单片机系统。(3)单片机应用系统：指能满足嵌入对象要求的全部电路系统。在单片机系统的基础上加上面向对象的接口电路，如前向通道、后向通道、人机交互通道(键盘、显小器、打印机等)和串行通信口(RS232)以及应用程序等。单片机应用系统三个层次的关系如图2-3:以此理解，单片机室内故障监测报

33、警系统同样具有单片机应用系统的三个层次。其中以AT89S51单片机为核心构成单片机系统。在此系统中，检测信号进入单片机进行运算处理，控制外围电路。为了更好的理清设计思路，将整个系统细分为三部分加以设计说明。整个监测报警系统由三个部分组成，分为三大模块：浓度检测模块、主控模块和设置及报警模块。在本次设计中，使用的核心器件是单片机9和QM-N5型气体传感器。为了保证整个系统可靠的运行，设计中必须明确三大部分的实际联系：以单片机为中心，其他各大模块一一展开。其中，浓度检测及显示模块所实现的功能是将房间中的烟雾和煤气浓度值转换成为单片机能够处理的数字信号，并且将浓度值显示出来；主控模块以单片机为主，对

34、其他模块的运行进行控制；设置及报警模块是此系统的外围电路，它的功能实现形式最人性化，体现了智能控制，通过键盘设置报警浓度值，在检测到烟雾和煤气浓度超过设定值时会启动蜂鸣器报警。 单片机系统单片机单片机应用系统人机交互通道应用程序串行通信口后向通道前向通道 图2-3 单片机应用系统三个层次的关系单片机应用系统结构图本系统由三大部分九个不同电路组成，系统总的结构框图如下图2-4所示：一路传感器ADC0809二路传感器 单片机AT89S51三路传感器四路传感器2K存储器报警器4×4键盘串口通信LCD 5V电源图2-4 系统结构框图1） 信号采集部分：14路传感器电路；2） 信号处理部分：A

35、/D转换电路，2K存储器电路，LCD显示电路，串口通信电路，单片机复位电路；3） 设置报警部分：4×4键盘电路，报警器电路。3.1.2气体传感器的设计瓦斯传感器是一个气-电变换器，它的作用是把瓦斯在空气中的含量(即浓度)变成电信号，进而由单片机采集信号、数据处理、浓度显示以便报警控制。传感器作为对瓦斯的敏感元件，是各种类型(袖珍式、便携式、固定式)仪表的核心之一。因此，传感器的选型是非常重要的3。2.1.1 气体传感器的种类国外从30年代开始研究开发气体传感器。过去气体传感器主要用于煤气、液化石油气、天然气以及矿井中的瓦斯气体的检测与报警，目前需要检测的气体种类由原来的还原性气体(H

36、2， C4H10， CH4等)扩展到毒性气体(CO，NO2， H2S， NO， NH3， PH3等)。气体传感器种类繁多，从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、催化燃烧等。(2) 利用物理性质的气体传感器:如热导、光干涉、红外吸收等。(3) 利用电化学性质的气体传感器:如电流型、电势型等。下面对工业上常用的几种气体传感器作以简单介绍。(1) 半导体气体传感器这类传感器主要使用半导体气敏材料，利用气敏元件的电阻、电流或电压随气体浓度变化的原理工作的。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，这类传感器得到了广泛的应用。目前，世

37、界上许多国家开展了对半导体气敏材料的研究，其中日本、美国处十领先地位，我国也投入大量资金和人力进行研究，并取得一定成果。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。(2) 固体电解质气体传感器这是一种产量仅次于半导体气体传感器的一类传感器。它使用固体电解质材料作为气敏元件。其原理是气敏材料在通过气体时产生离子，形成电动势，钡U量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。如测量H2S YST-Au-WO3， NH3的NH'4CaCO3等。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

38、领域中有优势。(3) 接触燃烧式气体传感器这类传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式气体传感器。其工作原理是：气敏材料在通电状态下，瓦斯氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧，产生的热量使电热丝升温，从而使其电阻值发生变化，测量阻值变化从而测量气体浓度。接触燃烧式气体传感器在环境温度下非常稳定，并能对爆炸F限的绝大多数瓦斯进行检测，普遍应用于石化工厂、造船厂、矿井隧道、浴室、厨房等处瓦斯的监测和报警。这类传感器只能测量瓦斯，对不瓦斯不敏感。在燃气爆炸下限内输出为线性、只与燃气浓度成正比、温度和湿度的变化对其工作状态影响很小、选择性好、反映准确、精度高、再现性好。其不足的是催化剂寿命有限，当在瓦斯

39、与空气的混合物中有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰催化燃烧的同时，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，反应滞缓或中毒，使灵敏度降低。(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D21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

40、补其它气体传感器的不足。(5) 电化学传感器这类传感器由膜电极和电解液灌封而成。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(大于等于两年)。它主要适用于毒性气体的检测。目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。2.2 MQ-2传感器简介2.2.1 MQ2传感器概述MQ-2是郑州炜盛电子科技有限公司生产的可燃气体传感器，对一氧化碳、甲烷，液化石油气具有很高的灵敏度和良好的选择性。具有长期的使用寿命和可靠的稳定性，驱动电路简单，较大的电信号输出。应用于家庭和生产环境下的一氧化碳探测装置，适宜于一氧化碳、煤气，液化石

41、油气等的探测。2.2.2 MQ2传感器详细说明MQ-2型气敏元件的敏感层是用非常稳定的二氧化锡制成的。因此，它具有优秀的长期稳定性，在正常使用条件下，其使用寿命可达5年。图2-1给出了MQ-2元件对不同气体的灵敏度特性。温度为20摄氏度，湿度为65%，氧气浓度为21%，RL=l0k，Ro为1000ppmLPG（液化石油气）中气敏元件电阻，Rs为不同气体不同浓度下气敏元件电阻。图2-1 MQ-2灵敏度特性曲线MQ-2工作原理：传感器的表面电阻Rs是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号VRL输出而获得的。二者之间的关系为： 公式（3-1） 图2-2为负载测试曲线图，是利用测试回路测得在传感器

42、由洁净空气转移至一氧化碳或甲烷气氛中时，RL上的信号输出变化情况，输出信号的测定是在一个完整的加热周期或在两个完整的加热周期内测得。图2-2 负载测试曲线图3.2 瓦斯检测报警器的设计在瓦斯报警控制器的设计中，单片机是仪表的核心部件。它一方面接收传感器检测到的瓦斯浓度所对应的模拟电压信号，另一方面要对这一信号进行处理，控制报警、控制电路进行相应操作，与此同时判断是否收到外部中断请求。在单片机所实现的这些功能中，特别是信号处理部分，需要单片机有较快的运行速度，才能对现场气体浓度做出快速、准确的检测，进行相应的处理。同时考虑选择低价实用的机型，并为制同一系列的低功耗产品做准备。根据多方面的比较，本

43、设计选用生产的STC89C52系列单片机作为报警器的核心控制器。首先，瓦斯浓度信号通过MQ-2气体传感器将瓦斯浓度信号转换成电压信号，经过前置放大电路后，经过A/D转换，输出一个适合单片机接收的电压信号，然后，送入STC89C52中，线性化数据处理后，将电压信号转化成对应的十六进制浓度值。最后，将浓度值送入LED数码管显示。当检测到的瓦斯浓度超出上限报警设定值时，报警器发出声音报警，同时继电器启动驱动排气装置，实现排气系统的自动控制。3.1.1 瓦斯检测报警器的结构瓦斯报警控制器系统结构如图3-1所示，系统以STC89C52单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、浓度显示、声音报警、自动控

44、制等功能。通过预设气体浓度，MQ2传感器进行检测气体浓度，假如超过预设气体浓度时，将发出声音报警，并自动启动排气装置。 单片机浓度采样电路浓度比较声、光报警输出控制5V电源图3-1 瓦斯报警控制器系统结构3.3 瓦斯报警控制器的电路设计3.3.1 A/D转换电路ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，其引脚排列见图9.8。对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：IN7IN0模拟量输入通道ALE地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。START转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转

45、换期间，START应保持 低电平。本信号有时简写为ST.A、B、C地址线。 通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。其地址状态与通道对应关系见表9-1。CLK时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号EOC转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。D7D0数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高 OE输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机

46、输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。Vcc +5V电源。 Vref参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V). 图3-5 A/D转换电路VIN1采集传感器输出的信号电压信号，当采集的电压超过1.96V时，即表示浓度超过约45%时，系统将发生报警。3.3.2 STC89C52单片机接口电路STC89C52采用PQFP贴片式的封装形式，有40个管脚。根据单片机制作的原理以及报警器实现的功能，其接口电路主要分为五个部分。STC89C52单片机接口电路如图3-3所示。图

47、3-6 STC89C52单片机接口电路(1) 复位模块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。为可靠起见，电源上电稳定后还要经一定的延时，才能撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分一合过程中引起的抖动而影响复位。在本设计中，采用的是阻容RC上电复位电路，通过电容加到RST端上一个高电平复位信号，高电平持续时间取决于RC电路参数。为了保证系统能可靠地复位，RST端上高电平信号必须有足够长的时间。(2) 系统时钟模块时钟电路产生单片机的工作时序脉冲，是单片机正常工作的关键。本次设计中采用外部独立时钟震荡器所产生的时钟信号。在STC89C52的18脚(XTAL1

48、)和19脚(XTAL2)外接12M的晶体，同时并连2个22pF的电容，产生系统时钟。(3) 显示模块由STC89C52的3239脚以及2126脚构成浓度显示输出信号。本次设计中采用的是动态显示的方法进行浓度显示。(4) 声音报警模块由STC89C5242的11脚(TXD)实现声音报警控制。当瓦斯浓度超过限定值时，扬声器发出鸣叫报警，同时启动54继电器。3.3.3 声音报警电路 当瓦斯浓度超过限定值时，扬声器发出鸣叫报警。图3-7 声音报警控制电路声音报警电路如图3-7所示，它是由三极管，继电器，扬声器以及排气电路构成。当实际检测浓度低于设定浓度时，三极管不导通，扬声器以及继电器均不工作，排气电

49、路处于断开状态；当实际检测浓度等于或超过设定浓度时，通过P2.0和P2.1与单片机的连接从而引起电平的变化，P2.0和P2.1都为低电平，三极管导通，在扬声器发出报警声音的同时，继电器也进行工作，而使排气电路形成闭合回路，达到自动进行排气控制的效果。3.3.4 显示电路 图3-8 数码管显示电路数码管由7个发光二极管组成,行成一个日字形,它门可以共阴极,也可以共阳极.通过解码电路得到的数码接通相应的发光二极而形成相应的字,其工作原理见图3-9。图3-9 数码管结构图要使数码管显示09这10个数字，只要控制其相应的管脚所接发光二极管点亮便可完成。若要使数码管显示一个“3”字，只需控制其“a、b、

50、c、d、g”这几个发光管点亮即可。由于数码管内是没有限流电阻的，在实际应用时，必须对每一段发光管回路中串一限流电阻，否则极容易损坏数码管。本设计中数码管用于显示当前的外界气体浓度。3.3.5灯光报警灯光报警电路如图4-7所示，灯光报警电路由R22、LED2（黄色）组成，电阻起限流的作用。当可燃气体浓度小于浓度设定值时，单片机对应引脚输出高电平，无灯光报警；当检测可燃气体浓度大于浓度设定值时，单片机对应引脚为低电平，进行相应的灯光报警。图3-10 灯光报警控制电路黄灯闪烁时表示当前处于初始化状态，报警器初始化完成后。绿灯不停的进行闪烁表示当前工作正常。第4章 瓦斯报警器的软件设计4.1 STC8

51、9C52单片机调试及开发工具 嵌入式系统的开发往往借助于开发系统工具，而各种开发系统一般都比待开发调试的嵌入式系统要复杂得多。STC89C52系列单片机的调试、开发工具由硬件和软件两部分组成，硬件只需一台PC机、目标板和一个称为FET(FlashEmulation Tool)的JTAG控制器。 STC89C52FET仿真工具的功能主要是将由PC机打印机接口来的8位并行数据与来自JTAG接口的串行数据进行相互转换，以实现PC机与STC89C52芯片中的JTAG接口的通讯。具体包括：(1) 程序下载当用户将源程序（C语言）经keil软件语法检查无误并生成代码时，就可以将程序代码在如图的环境中下载到

52、Flash芯片中，而用户的系统可以是在线状态。(2) 设置断点用户可以通过调试环境软件的人机对话界面。在程序中设置断点。在STC89C52中，可以同时设置4个硬件断点，它是经过JTAG接口的传输，由芯片中的几组断点条件寄存器实现的。(3) 现场观察与修改用户可以通过调试环境软件的人机对话界面，检查或修改Flash芯片内的各种存储器、寄存器的数据。在调试过程中，根据需要可以进行软件模拟仿真和硬件仿真。4.2 瓦斯报警控制器软件流程及设计本设计中，软件要解决的主要问题是检测传感器送来的瓦斯浓度信号，进行线性化处理，用LED显示浓度，若浓度值超出限定值，报警器发出声音报警，同时启动排气装置，因此分为主程序、T0中断子程序、线性化处理子程序、十六进制转化十进制子程序，浓度显示子程序、键扫描子程序六个部分。在程序的编写过程中，加入了详细的文字注释，以便于后期的改进与维护。4.2.1 主程序流程图及设计主程序流程图如图4-1所示，由于MQ-2型气体传感器在不通电状态下存放一段时间后，再通电时，器件并不能立即投入正常工作，需要一定的时间预热，所以采用延时程序对传感器预热。本设计对传感器预热一段时间，预热的同时，设定所要检测瓦斯浓度的上限值。主程序还包括显示子