基于单片机的酒精、煤气检测报警系统的设计

1、 基于AT89C51单片机的煤气、酒精 检测报警系统的设计 学院系： 机电汽车工程学院 专业班级： 机1012班 学生姓名： 指导教师： 学 号： 同组成员： 目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc26468 目录 PAGEREF _Toc26468 2 HYPERLINK l _Toc6662 PAGEREF _Toc6662 3 HYPERLINK l _Toc6922 PAGEREF _Toc6922 3 HYPERLINK l _Toc3250 PAGEREF _Toc3250 3 HYPERLINK l _Toc23374 二、酒精、煤气测试仪总体方

2、案设计 PAGEREF _Toc23374 4 HYPERLINK l _Toc16308 三、硬件设计 PAGEREF _Toc16308 4 HYPERLINK l _Toc12546 1、传感器的选择 PAGEREF _Toc12546 4 HYPERLINK l _Toc5123 2、MQK2传感器的特性及性能指标 PAGEREF _Toc5123 4 HYPERLINK l _Toc20210 3、MQ-7传感器的特性及性能指标 PAGEREF _Toc20210 6 HYPERLINK l _Toc6210 4、模/数转换器ADC0808 PAGEREF _Toc6210 7 HY

3、PERLINK l _Toc7210 、引脚功能 PAGEREF _Toc7210 8 HYPERLINK l _Toc18013 、主要特性 PAGEREF _Toc18013 9 HYPERLINK l _Toc26031 5、单片机AT89C51的概述 PAGEREF _Toc26031 9 HYPERLINK l _Toc12007 、AT89C51简介 PAGEREF _Toc12007 9 HYPERLINK l _Toc6887 、主要性能参数 PAGEREF _Toc6887 10 HYPERLINK l _Toc2144 、引脚图 PAGEREF _Toc2144 11 HY

4、PERLINK l _Toc21048 6、其他各硬件模块设计 PAGEREF _Toc21048 11 HYPERLINK l _Toc2522 、复位及晶振电路 PAGEREF _Toc2522 11 HYPERLINK l _Toc32680 、显示电路设计 PAGEREF _Toc32680 11 HYPERLINK l _Toc29585 、声光报警设计 PAGEREF _Toc29585 12 HYPERLINK l _Toc21898 、按键功能设计 PAGEREF _Toc21898 12 HYPERLINK l _Toc32114 四、 软件局部设计 PAGEREF _Toc

5、32114 12 HYPERLINK l _Toc18294 1、 主程序流程图设计 PAGEREF _Toc18294 13 HYPERLINK l _Toc25251 2、功能子程序 PAGEREF _Toc25251 13 HYPERLINK l _Toc10785 、按键管理子程序 PAGEREF _Toc10785 13 HYPERLINK l _Toc14987 、显示子程序 PAGEREF _Toc14987 15 HYPERLINK l _Toc32461 、浓度检测子程序 PAGEREF _Toc32461 16 HYPERLINK l _Toc4853 、浓度越限报警子程序

6、 PAGEREF _Toc4853 17 HYPERLINK l _Toc12139 、BCD码转换子程序 PAGEREF _Toc12139 17 HYPERLINK l _Toc7213 五、参考文献 PAGEREF _Toc7213 18 HYPERLINK l _Toc26794 六、附录 PAGEREF _Toc26794 19 HYPERLINK l _Toc32603 附录一、整体电路图 PAGEREF _Toc32603 19 HYPERLINK l _Toc27005 附录二、参考程序 PAGEREF _Toc27005 19 酒精、煤气浓度检测仪的设计 本设计以MCS-51

7、系列单片机为核心，采用常用电子器件设计，选用适宜的气体传感器，检测气体浓度，数码管显示，当浓度超标时报警。本课题分为两局部：硬件设计局部和软件设计局部。硬件局部为利用MQK2半导体酒精传感器测量空气中酒精浓度，利用MQ-7气体传感器测量CO浓度煤气的主要成分为CO，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，显示酒精、煤气浓度值以及超阈值蜂鸣器报警。程序设计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动态显示电路以及按键电路。二、酒精、煤气测

8、试仪总体方案设计 设计时，考虑酒精、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0-5伏的电压值且电压值稳定，外部干扰小等。因此，可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，按键，报警电路等。其总体框图如图1所示。被测环境气敏传感器A/D转换电路单片机声光报警电路LED显示按键图1 根本工作原理图三、硬件设计1、传感器的选择检测酒精采用MQK2传感器，检测煤气主要成分为CO采用MQ-7传感器2、MQK2传感器的特性及性能指标气敏传感器，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，所以传感器只能对酒精气体敏感，对其他气体不

9、敏感，应选MQK2型气敏传感器。其有很高的灵敏度、良好的选择性、长期的使用寿命和可靠的稳定性。MQK2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局部组成。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外表电阻值的变化。传感器的外表电阻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。MQK2型气敏传感器的结构和外形、标准回路、传感器

10、阻值变化率与酒精浓度、外界温度的关系图如图2所示。为了使测量的精度到达最高，误差最小，需要找到适宜的温度，一般在测量前需将传感器预热5分钟。 图2 传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度之间的关系 、特性参数l、回路电压：(Vc) 5-24V3、加热电压：(VH)54、加热功率：(P)约750mW5、灵敏度：R0(air)/RS (100ppmC2H5OH)56、响应时间：Tres10秒7、恢复时间：Trec30秒、工作环境：温度-10-+50、相对湿度0-90RH。、传感器输出电压与酒精浓度关系通过测量MQK2输出信号同酒精浓度为近似的线性关系，如图2-1所示。 图2-1 酒精浓度同输出电压的

11、近似关系 由图形可知只设计0-0.72之间的酒精浓度范围，在进行AD转换时0.72对应255也是5V的对应值，0时对应3V的对应值，由此可列出标准方程式 Y153-255=142x+153，x为最后显示值，Y为AD转换后的值。3、MQ-7传感器的特性及性能指标 MQ-7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。采用上下温循环检测方式低温检测一氧化碳，传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大，高温清洗低温时吸附的杂散气体。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-7气体传感器对一氧化碳的灵敏度高，这种传感器可检测多种含一氧化碳的气体，

12、是一款适合多种应用的低本钱传感器19。外形结构如下图。图 一氧化碳传感器外形结构灵敏度特性曲线，图中纵坐标为传感器的电阻比(RS/RO)，横坐标为气体浓度。RS表示传感器在不同浓度气体中的电阻值RO表示传感器在1000ppm氢气中的电阻值。如下图。4、模/数转换器ADC0808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。ADC0808具有8个通道的模拟输入线(IN0IN7)，可在程序控制下对任意通

13、道进行A/D转换，获得8位二进制数字量(D7D0)。模拟输入局部有8路多路开关，可由3位地址输入ADDA、ADDB、ADDC的不同组合来选择，ALE为地址锁存信号，高电平有效，锁存这三条地址输入信号。主体局部是采用逐次逼近式的A/D转换电路，由CLK控制的内部电路的工作,START为启动命令，高电平有效，启动ADC0808内部的A/D转换，当转换完成，输出信号EOC有效，OE为输出允许信号，高电平有效，翻开输出三态缓冲器,把转换后的结果送DB。ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比拟器、8位开关树型DA转换器、逐次逼近存放器、三态输出锁存器等

14、其它一些电路组成。因此，ADC0808可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入输出与TTL兼容。、引脚功能ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，下面说明各引脚功能。 IN0IN7：8路模拟量输入端。D0D7：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。ALE：地址锁存选通信号，输入高电平有效。 START： AD转换启动信号，输入高电平有效。 EOC： AD转换结束信号，当AD转换结束时，此端输出一个高电平转换期间一直为低电平。 OE：数据输出允许信号，输入高电平有效。当AD转换结束时，此

15、端输入一个高电平，才能翻开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。REF+、REF-：基准电压输入端,它们决定了输入模拟电压的最大值和最小值. VCC：电源，接5V。GND：接地。 图4-1 ADC0808管脚图、主要特性 1. 8路8位AD转换器，即分辨率8位2. 具有转换起停控制端3. 转换时间为100s4. 单个5V电源供电5. 模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准6. 工作温度范围为-4085摄氏度7. 低功耗，约15mWADC0808的工作过程是：当模拟量送至某一输入通道IN0后，CPU将标识该通道编码的三位地址信号经数据线或地址线输入

16、到ADDC、ADDB、ADDA引脚上。然后输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。START上升沿将逐次逼近存放器复位。下降沿启动 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，转换开始,EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。转换结束,OE输入高电平，EOC可作为中断请求信号, 转换结束后，可通过执行IN指令，设法在输出允许OE脚上形成一个正脉冲，输出三态门翻开，转换结果的数字量输出到数据总线上。、ADC0808连线图 ADC0808与单片机的连线图如图4-2： 图4-2 ADC0808 与 AT89C51 接线

17、图5、单片机AT89C51的概述 、AT89C51简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高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。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51是它的一

18、种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 、主要性能参数与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保存时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定1288位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 、引脚图 6、其他各硬件模块设计、复位及晶振电路 时钟电路采用12MHz的晶振，因为ADC0808的工作时钟最高为12MHz、显示电路设计 、声光报警设计功能设计：当检测浓度 设定浓度值时，绿灯亮；当检测浓度 = 设定浓度值20

19、ppm时，黄灯亮；当检测浓度 = 设定浓度值时，红灯亮且报警。、按键功能设计 按键功能：K1: 调整开始键SW1: 十位按键SW2: 个位按键SW3: 类别按键SW4: 返回键软件局部设计 程序设计包括主程序和中断效劳两局部主程序流程图设计 主程序功能： 完成系统初始化 定时器0设置 按键复位设置中断初始化及复位子程序调用 浓度设定及显示2、功能子程序 、按键管理子程序KEY: PUSH ACC PUSH PSW MOV 45H,41H ;预置报警浓度送显示缓冲区等待显示 LCALL DISP ;显示预置报警浓度KEY0: ACALL KEY1 ;读按键值 JZ KEY0 ;无键按下循环，直至

20、有键按下 LCALL DISP ;调用显示子程序去抖处理 LCALL KEY1 ;再次检测是否有键按下 JZ KEY0 ;无键按下重新检测K10: JNB ACC.0,K1 ;=1那么跳转至10位 MOV A,#10 JMP KEY2 K1: JNB ACC.1,SPE ;=1那么跳至类别选择位 MOV A,#1 JMP KEY2SPE: JNB ACC.2,RETURN ;/=1那么跳至返回位 MOV A,#01H ADD A,LED_3 ANL A,#01H MOV LED_3,A JMP KEY3 KEY2: ADD A,41H MOV 41H,AMOV 45H,41HLCALL DIS

21、P JMP KEY3 KEY3: LCALL KEY1 JNZ KEY3 LJMP KEY RETKEY1: MOV A,P1 CPL A ANL A,#0FH RETRETURN: POP PSW POP ACCSETB INT0 RETI 、显示子程序 LED_0 个位数值; LED_1 十位数值; LED_2 百位数值; 动态显示个位数字 DISP: LCALL BINBCD MOV SCON,#00H MOV R3,#8DISP1: MOV R0,LED_0 ;LED_0 ACALL DISP2 ACALL DELAY MOV R0,LED_1 ;LED_1 ACALL DISP2 A

22、CALL DELAY MOV R0,LED_2 ;LED_2 ACALL DISP2 ACALL DELAY MOV R0,LED_3 ;LED_3 ACALL DISP2 ACALL DELAY DJNZ R3,DISP1 JMP FINISHDISP2: MOV A,R0 MOV DPTR,#TABLE MOVC A,A+DPTR MOV SBUF,AWAIT: JNB TI,WAIT CLR TI RETDELAY: MOV R6,#10HLOP1: MOV R7,#38HLOP2: DJNZ R7,LOP2 DJNZ R6,LOP1 RETFINISH: RETTABLE: DB 03

23、H,9FH,25H,0DH,99H ;0,1,2,3,4 字码表 DB 49H,41H,1FH,01H,09H ;5,6,7,8,9 、浓度检测子程序TADC: MOV 40H,#00H MOV A,LED_3JNZ COCO: MOV R0,#100 DJNZ R0,$MOV 40H,P0 RET 、浓度越限报警子程序CONT: MOV A,41H ;预置危险浓度A CLR C SUBB A,#20 ; MOV 42H,A ;黄灯警示浓度42H MOV A,40H ; CLR C ; SUBB A,41H ;当前浓度 预置浓度相比拟 JNC TCONT1 ;无借位表示超越红色报警浓度 MOV

24、 A,40H CLR C SUBB A,42H ;当前温度 与黄色警示浓度比拟 JNC TCONT2 ;无借位表示超越黄色警示浓度 CLR GREEN SETB YELLOW SETB RED CLR SOUND JMP TRETURNTCONT1: SETB GREEN ;红色报警 SETB YELLOW CLR RED SETB SOUND JMP TRETURNTCONT2: SETB GREEN ;黄色报警 CLR YELLOW SETB RED CLR SOUND TRETURN: RET 、BCD码转换子程序; LED_0 个位数值; LED_1 十位数值; LED_2 百位数值;

25、 45H显示缓存地址BINBCD: MOV A,45H MOV B,#100 DIV AB MOV LED_2,A MOV A,#10 XCH A,B DIV AB MOV LED_1,A MOV LED_0,B RET 五、参考文献 六、附录 附录一、整体电路图 附录二、参考程序;*; 本程序为煤气酒精检测系统开发程序主程序; 编写人：宋志杰，周涛，李俊龙; 编写时间：2021年5月30日; 主程序功能：1，完成系统初始化 ; 2，定时器0设置; 3, 按键复位设置中断初始化及复位子程序调用; 4, 浓度设定及显示;*; led显示管存储单元等附初值;*LED_0 EQU 30H ;个位数值

26、LED_1 EQU 31H ;十位数值LED_2 EQU 32H ;百位数值LED_3 EQU 33H ;类别数值 0酒精、1煤气 RED BIT P1.5 ;指定位地址 ，危险浓度显示灯YELLOW BIT P1.6 ; 竟是浓度显示灯GREEN BIT P1.7 ; 平安浓度显示灯SOUND BIT P1.4 ;声音报警 ADDA BIT P2.1 ;A/D转换地址，即酒精0，煤气1选择 ;*ORG 0000H ;程序开始AJMP MAINORG 0003H LJMP KEY ;进入按键终端子程序 JMP MAIN0ORG 0100H;*; 预处理;MAIN: MOV 41H,#200 M

27、OV SP ,#50H ;设置堆栈指针 MOV 40H,#00H ;ram区清零MAIN0: MOV 42H,#00H MOV 43H,#00H MOV 44H,#00H MOV 45H,#00H MOV IE ,#81H ;按键复位中断初始化,中断总控开，T0中断开，INT1中断开 SETB IT0 ;外部中断1下降沿触发 SETB PX0 ;INT1中断优先级置1;* ACALL TADC ;调用浓度检测子程序 MOV 45H ,40H ;ADC转换后的浓度送显示缓冲区 ACALL DISP ;调用显示子程序 LCALL TCONT ;浓度超限报警子程序 LJMP MAIN0 ;*; 浓度

28、检测子程序; 浓度检测结果放40H;*TADC: MOV 40H,#00H MOV A,LED_3JNZ COCO: MOV R0,#100DJNZ R0,$MOV 40H,P0 RET ;*; 1, 浓度超越报警子程序; 2, 40H存放检测浓度即当前温度; 3, 41H存放危险浓度 ; 4, 42H存放黄灯警示浓度; ; 5, 浓度达危险浓度90%以下，绿灯显示; 6, 浓度到达危险浓度90%黄灯警示; 7, 浓度到达危险浓度或者以上，红灯警示，同时蜂鸣报警;*TCONT: MOV A,41H ;预置危险浓度A CLR C SUBB A,#20 ; MOV 42H,A ;黄灯警示浓度42H

29、 MOV A,40H ; CLR C ; SUBB A,41H ;当前浓度 预置浓度相比拟 JNC TCONT1 ;无借位表示超越红色报警浓度 MOV A,40H CLR C SUBB A,42H ;当前温度 与黄色警示浓度比拟 JNC TCONT2 ;无借位表示超越黄色警示浓度 CLR GREEN SETB YELLOW SETB RED CLR SOUND JMP TRETURNTCONT1: SETB GREEN ;红色报警 SETB YELLOW CLR RED SETB SOUND JMP TRETURNTCONT2: SETB GREEN ;黄色报警 CLR YELLOW SETB

30、 RED CLR SOUND TRETURN: RET ;*; 按键管理子程序; 用于复位后设置报警浓度; KEY_0 十位按键 ; KEY_1 百位按键; KEY_2 类别按键; 危险浓度放41H;*KEY: PUSH ACC PUSH PSW MOV 45H,41H ;预置报警浓度送显示缓冲区等待显示 LCALL DISP ;显示预置报警浓度KEY0: ACALL KEY1 ;读按键值 JZ KEY0 ;无键按下循环，直至有键按下 LCALL DISP ;调用显示子程序去抖处理 LCALL KEY1 ;再次检测是否有键按下 JZ KEY0 ;无键按下重新检测K10: JNB ACC.0,K1 ;=1那么跳转至10位 MOV A,#10 JMP KEY2 K1: JNB ACC.1,SPE