毕业设计论文-基于51单片机的可燃气体检测设计

基于51单片机的可燃气体检测设计本论文主要阐述了可燃气体监测报警器的软件和硬件设计。鉴于单AbstractWiththecitygas,naturalgasutilitiesandthechemicalindustryisdevelopingrapidly,flammable,explosivegastypeandrangeofapplicationsisincreasing,processofproductionanduse,intheeventofleakagewillbecausedbypoisoning,fires,explosionsandothermajorincidents.Peopleofimportanceofsafetyinproductionandtheproductionoftechnicalmeanstocontinuouslyimprove,thecombustiblegasalarmmonitoringiswidelyusedintheseareas.Combustiblegasalarmmonitoringisthepreventionofexplosivegasintheproductionanduseoftheleakageoccurredduringthealarm.Inordertoinstallationofcombustiblegasalarmmonitoringisessentialtothetimelydetectionofpotentialcausesofaccidentsandtakeremedialmeasures.Thispaperelaboratedoncombustiblegasalarmmonitoringsoftwareandhardwaredesign.CarbonmonoxidealarmisdesignedbasedonAT89C51withahighlevelofinaccuracy,theelectrochemicalsensorisused.Thecarbonmonoxidealarmismonitoredonforreal-time,whenpermittedvaleoftheconcentrationofcarbonmonoxideisexceeded,thecontrolcircuitwillalarm,anditisprogram-controlledthroughexternalrowfansandsolenoidvalvewith.thatthismethodisdesignedtomonitorcombustperformance,accuratemeasurement.Combustiblegasalarminstrumentdesigneddetectsalkylconcentrationontheinstrument.Whencombustiblegasreachesalarm1.1课题背景和意义 52可燃气探测报警器的方案设计 72.1具体方案设计 72.1.1方案一 72.1.2方案二 82.1.4方案比较及选择 82.2气体传感器的选型 92.2.2MQ-2传感器简介 2.3可燃气体探测报警控制器的总体设计 2.3.1系统总体结构设计 2.3.2系统的工作流程 4.1主程序设计流程 主流程图 4.2A/D转换子程序设计 4.2.1A/D转换控制流程图 4.2.2A/D转换控制程序设计流程图 4.3显示子程序的设计 4.3.1液晶与单片机的接口电路控制流程图 4.3.2液晶与单片机的接口电路控制程序设计流程图 4.4报警子程序的设计 4.4.1报警电路控制流程 4.4.2报警电路控制程序设计流程图 本次设计采用以AT89C51芯片为核心，用半导体陶瓷式气体传感器MQ-2来检测外部气体浓度，结合外部硬件电路实现对可燃性气体进行报警控制装置。大的危害。目前已有的可燃气监测报警系统大概有以下几类：(1)采用气敏传1.3主要设计内容、功能及技术指标设计中需检测可燃气体(如CO等)的浓度，并与设定的危险临界值比较，决定(1)浓度值检测设计范围为00%～50%;(2)用十进制数码显示当前的实际浓度；(3)设计显示危险登记；(4)用语音实现报警。2可燃气探测报警器的方案设计(1)A/D转换器控制程序，要控制A/D转换器能按照要求的时间分别对可燃气监测传感器测得的结果进行数据的转换并传送给单片机。(2)数码管与单片机的接口电路控制程序，用数码管显示测得的浓度值。(3)发光二极管，蜂鸣器的控制程序，当超过设定浓度，进行声光报警.(4)电路正常工作时绿灯闪烁。2.1.2方案二分析：此设计十分简单，也十分实用。虽然对可燃气体浓度的采集不是很2.1.3方案三(1)对可燃气体进行检测，可燃气体浓度达到报警设定值时，应能报警。(2)能设定可燃气体浓度报警值，范围在1%-25%。(5)可燃气体浓度超标范围报警应满足如下条件：①在报警范围内，实行声、光(红色指示灯)报警。②从报警区移到干净空气区，30秒内应正常显示。(6)故障报警：传感器断路、短路时应发出与可燃气体浓度超标时有明显区别的声、光(黄色指示灯)报警。(7)声、光设置手动自检功能。(8)浓度超限报警时，应能启动输出控制功能。完善，鉴于单片机AT89C51具有高集成度等优点，设计了一种基于AT89C5感器MQ2,传感器对可燃气体气体进行采集，将采集到的信号传送给模数转换器国外从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、(1)半导体气体传感器(2)固体电解质气体传感器料作为气敏元件。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等。但这种传感器制造成本高，检测气体范围(3)接触燃烧式气体传感器(4)高分子气体传感器(5)电化学传感器(3)可燃气体传感器的选择硅烷之类的物质时，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，是必半导体可燃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烟秀的长期稳定性，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=10k,Ro为1000Rs/R₁=(Vc-Vgμ)/Vgr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由洁净空气转移图2-2负载测试曲线图该传感器需要施加2个电压：加热器电压(VH)和测试电压(Vc)。其中VH用于为传感器提供特定的工作温度。Vc则是用于测定与传感器串联的负载电阻(RL)上的电压(VRL)。这种传感器具有轻微的极性，Vc需用直流电源。在满足传感器电性能要求的前提下，Vc和VH可以共用同一个电源电路。为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的RL值。MQ-2气敏元件的结构和外形如图所示(结构AorB),由微型A1203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。图2-3传感器的测试电路BB图2-4传感器外形2.3可燃气体探测报警控制器的总体设计2.3.1系统总体结构设计地址锁存器地址锁存器浓度传感器NG-C0-001单片机显示电路内存扩展复位电路(手动控制)声音报警等功能。其中传感器采用的是NG-CO-001,该传感器外形小，气体响应快，性能稳定，低功耗，常适用于泄漏监测器。A/D转换器采用的是AT89C51系列单片机作为报警器的核心控制器。入AT89C51中，最后，将浓度值送入液晶1602显示。当检测到的可燃性气体浓可燃性气体报警控制器系统结构如图3-1所示，系统以AT89C51单片机为核浓度采样电路单片机图3-1可燃性气体报警控制器系统结构3.2AT89C51系列单片机系统结构特点硬件设计中最核心的器件是单片机80C51,它一方面控制A/D转换器实现模对单片机80C51实现其控制功能。80C51系列单片机产品繁多，主流地位已经形成。多年来的应用实践已经证明，80C51的系统结构合理，技术成熟，许多单片机芯片倾力于提高80C51系Philips公司推出的80C51、80C552系列高性能单片机；华邦公司提出的W78C51、W77C51系列高速低价单片Cygnal公司推出的C8051F系列高速单片机。3.2.280C51的基本结构(2)存储器系统4个并行I/0口；2个16位定时/计数器；1个全双工异步串行口；中断系统(5个中断源，2个优先级)3.2.380C51单片机的的封装和引脚80C51系列单片机采用双列直插式(DIP).QFP44(QuadFlatPack)和LCC(LeadedChipCaiier)形式封装。这里仅介绍常用的总线型DIP40封装。如图3-2所示。40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类：电源、时钟、控制和I/0引脚图3-280C51单片机的的封装和引脚VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。Vpp功能：片内EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。80C51共有4个8位并行I/0端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号(属控制总线)。3.2.480C51单片机的时钟(1)振荡器和时钟电路80C51内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，但要形成时钟脉冲，外部还需附加电路。80C51的时钟产生方法有以下两种。利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接晶体振荡器(简称晶振),就构成了稳定的自激振荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟电路。外接晶振时，C₁和C₂的值通常选择为30pF左右；C₁、C₂对频率有微调作用，晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在1.2MHz～12MHz之间选择。为了减小寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机引脚C图3-3b外部时钟方式钟信号接入方式不同。3.2.580C51单片机的复位在整个声光报警系统中，要进行实验，必须对整个系统先复位。复位是单片机的初始化操作。单片机系统在上电启动运行时，都需要先复位。其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部复位电路才能实现。上电复位利用电容器的充电实现，图3-4是80C51单片机的上电+按键复位能保持足够的时间(2个机器周期),单片机就可以进行复位操作。该电路典型图3-4上电+按键复位电路表3-1复位后的内部特殊功能寄存器状态寄存器复位状态寄存器复位状态BIEIE0x000000BPCONOxxx0000B写入堆栈指针SP,同时将PC和其余专用寄存器清0。此时，单片机从起始地址3.3ADCO832模数转换电路ADCO832是NS(NationalSemiconductor)公司生产的串行接口8位A/D转换能仪器仪表中使用。ADC0832为8位分辨率8位串行A/D转换器ADC0832独立的芯片使能输入，使多器件连接和处理器控制变得更加方便。通过DI数据●8位分辨率，逐次逼近型，基准电压为5V;●在250KHZ时钟频率时，转换时间为32us;图6.21ADCO832引脚图道功能，其功能项见表6.4。输入形式配置位选择通道差分输入00+一01一+单端输入10+11+到第3个时钟脉冲到来之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI出下一个相反字节的数据，即从第11个时钟脉冲输出D0。随后输出8位数据，到第19个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。图6.22为ADC0832121234图6.22ADCO832时序图D5CHO134567F3.4AT89C51单片机接口电路AT89C51采用封装形式，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。AT89C5单片机接口电路如图3-3"2"2**VCC—VCC·.使*P¹:LP1.2P1:3P1:4P1.6P1:?WCCRST·J1P3.0P3:1P3.23PD.4PD.6P0.?P2.1-P2.2P3:4..**晶振电路*.图3-6STC89C52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32~39脚以及21~26脚构成浓度显示输出信号。本次设计中由STC89C5242的11脚(TXD)实现声音报警控制。当可燃性气体浓度超过限定值时，扬声器发出鸣叫报警，同时启动54继电器。图3-7报警电路3.6显示电路用于使用电池的电子设备.它由一定数量的彩色或黑白像素组成，放置于光源或LCD特点：机身薄，节省空间。与比较笨重的CRT显示器相比，液晶显示DNGVCC6DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7BG/VCCBG/GNDp0310p0613R0714省电，不产生高温。它属于低耗电产品，可以做到完全不发热(主要耗电和DNGVCC6DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7BG/VCCBG/GNDp0310