《基于单片机的天然气泄漏预警系统设计与实现》7100字【论文】

IV基于单片机的天然气泄漏预警系统设计与实现目录TOC\o"1-2"\h\u8138家庭天然气泄漏预警系统设计与实现 1214741绪论 2297781.1课题背景及研究意义 2188192系统总体结构设计 4325642.1系统组成结构 4221712.2单片机最小系统电路 5121982.3温度检测电路 7278252.4甲烷浓度检测电路 8256322.5显示电路 970752.6按键电路 11203102.7声光报警电路 1188842.8调节电路 1296363系统软件设计 1331753.1软件介绍 1354643.2软件设计任务与要求 14243274仿真与调试 20163504.1仿真软件 20306554.2系统仿真与设置 2012075总结与展望 256063参考文献 261绪论课题背景及研究意义进入21世纪以来，家用天然气在全球范围进行了普及，随着使用率的提高，天然气泄漏带来的危害也进一步扩大，因此，设计一个切实可行对的家庭天然气泄漏预警系统尤为重要。目前，我国家用燃料的组成随着国内环保要求的提高也发生了改变。在诸多可燃气体燃料中，天然气是应用最多也是危险性最高的燃料。天然气及其挥发物十分易燃，倘若有泄漏的情况发生，即便遇到微小的能量也能迅速被引燃。并且天然气的爆炸浓度上限十分低，泄漏到空气中很容易与空气形成带有爆炸性的混合气体，接触到到明火或者电火花就会发生火灾甚至爆炸。由于气体在空气中扩散速度快，天然气泄漏造成火灾后极易出现更大的燃烧面积，如若灭火的措施不合理，甚至会有复燃、复爆的情况出现。天然气泄漏引发的危险事故已经对城市居民的日常生活带来严重威胁。随着天然气用户的增多，天然气泄漏造成的的事故也越来越多。因此，预防天然气泄漏、实时监测室内天然气浓度时很有必要的。本系统有着以下特点:用单片机处理气体浓度信号，电路设计稳定、成本适中、增加了换气扇、MQ-4传感器及换气扇，安全可靠。1.2课题设计目标本设计主要是将单片机技术与传感器相结合，使家用天然气系统可以实时、高效地监测室内甲烷浓度，以此避免事故的发生。由于家庭天然气中主要成分是甲烷气体，因此此系统通过MQ-4传感器检测到室内甲烷的浓度，同时通过显示屏显示出来，方便用户随时查看室内天然气浓度。为了增加其安全性，我们还设置了声光报警模块和风扇调节模块。在声光报警部分，一旦系统检测到室内甲烷浓度大于正常值，就会触发声光报警，不同颜色的LED灯将会亮起，同时蜂鸣器发出警报，换气扇调节室内温度。在此基础上我们还增加了按键控制，将声光报警部分与浓度调节电路结合，设计“浓度加”、“浓度减”按键，对室内甲烷浓度进行手动模拟，同时还添设了启动按键，方便系统的监测。这样的设计使得系统更加简单易用，大大方便了用户的使用，同时也能更好地对室内天然气泄漏情况进行预警。主要完成工作包括：（1）元器件的型号选择（2）温度采集电路设计（3）MQ-4传感器检测电路设计

（4）LCD显示电路设计

（5）风扇调节电路设计（6）声光报警电路设计（7）Proteus电路仿真设计2系统总体结构设计2.1系统组成结构对本次设计的控制系统的要求实现功能进行分析，得出系统硬件结构图2-1。甲烷是天然气中最主要的成分，甲烷浓度检测功能由MQ-4传感器实现，按键设置用于设定LED灯的亮灭及风扇和蜂鸣器是否开启。显示模块指显示室内温度、甲烷浓度的信息，声光报警模块可提升安全性，风扇调节模块可以起到预警作用。图2-1系统组成结构图由于甲烷气体是家用天然气中最主要的成分，故该系统的工作原理为：以单片机为主控模块，使用专门检测甲烷浓度的MQ-4传感器采集室内甲烷浓度信息，发送至ADC模块将信息转换成为数字信号，然后发送给单片机进行处理，后经显示器件将相应信息反馈给用户；用户可通过按键设置模拟甲烷浓度的值，此系统相较于现有的家庭天然气泄漏预警系统更加直观、简洁，大大降低了天然气泄漏的危险。2.2单片机最小系统电路2.2.1单片机最小系统简介单片机是一种\t"/item/%E5%8D%95%E7%89%87%E6%9C%BA/_blank"集成化的电路芯片，是一种体积很小、功能却很多的微机系统，多被应用于嵌入式的控制领域。单片机系统主要由单片机及其所需的复位电路、时钟电路和电源电路等组成，使单片机可以正常的工作。其中时钟电路用来发出时钟信号，以此供单片机工作，且晶振的频率越大时，单片机的运行速度就会越快，但功耗也会增大，应当合理设计时钟电路。在本设计中，单片机的时钟频率设置为11.0592MHz。此外，本设计的定时预约加热功能是基于时钟电路实现的。复位电路则可以在运行过程中使单片机成为初始化的状态，从而使单片机或其他模块处于某一个既定的初始状态。2.2.2单片机芯片选择方案一STC89C52：STC89C52是国内STC公司的产品，它是一种功耗很低、性能却很高的微型控制器。STC89C52的内核是的MCS-51内核，在此基础上进行了许多优化使得其具有老旧的51单片机所没有的功效。具有8位CPU和在系统可编程Flash，这使得STC89C52为众多单片机应用系统提供更有效更便捷的解决方案。方案二AT89C52：AT89C52是一个8位\t"/item/AT89C52/_blank"单片机，内部设置8kbytes的Flash只读\t"/item/AT89C52/_blank"程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（\t"/item/AT89C52/_blank"RAM），器件采用\t"/item/AT89C52/_blank"ATMEL公司的技术，即非易失性存储技术生产，\t"/item/AT89C52/_blank"兼容了标准的MCS-51\t"/item/AT89C52/_blank"指令系统，片内置通用8位\t"/item/AT89C52/_blank"中央处理器和Flash\t"/item/AT89C52/_blank"存储单元。AT89C52将通用的微处理器与\t"/item/AT89C52/_blank"Flash存储器相结合，有效地降低了成本。对于主控模块，本设计选用AT89C52，因为它的性能优越，外围电路不复杂，硬件设计也十分方便，可在尽可能少的程序下实现相关功能要求。并且相较于其他单片机，对AT89C52编程更为熟练，容易上手。最小系统电路如图3-1所示。图2-2单片机最小系统电路2.3温度检测电路2.3.1温度检测模块选择方案一DS18B20：DS18B20是一种可采用网络组建技术的数字温度传感器，具有坚固耐磨，精致小巧，精准度高，抗干扰力强等优点，，无需ADC电路等特点，常用于在狭小空间中进行温度检测。DS18B20具有十分特别的的接口方式，只需要单口线就可以实现该温度传感器与单片机之间的通讯；同时支持多点的网络组建功能，只需要把多个DS18B20传感器并联在同一根单线上就可以实现多个点的测温，但是最多只能够并联8个传感器；方案二AD590:AD590是一种集成式地温度传感器，在它工作的时候，输出的电流与绝对温度成正比。其抗干扰的能力十分强悍、对功率的要求又很低，无需支持电路，电流在输出时具有很高的阻抗，这些特点说明AD590更适合远距离测量下的工作环境对温度检测模块，本设计选用DS18B20。AD590的输出量是电流，无法直接传送给单片机处理，需要搭配A/D转换电路，这样使得外围电路复杂化，而DS18B20的输出为数字信号，可直接发送给单片机，不仅节省了接口使用数量，且电路简单、测量精度高，封装形式多样，防水型DS18B20尤其适合本设计。2.3.2DS18B20测温电路DS18B20的GND端接地，DS18B20的VCC端外接电源和串入1个10K电阻，再将VCC与DQ串接入P1.3端口，DS18B20实时采取当时温度输送到单片机，并将其转化成输出信号发送LCD屏上显示。电路图如图3-2所示。图2-3温度检测电路2.4甲烷浓度检测电路2.4.1甲烷浓度检测模块选择方案一MQ-4气敏电阻传感器：MQ-4传感器是一种针对可燃性危险气体进行检测的气敏传感器。当传感器需要检测的空间中中存在具有可燃性的气体时，其内部的二氧化锡(SnO2)作为电阻的导电率将会随着空间内可燃性气体的浓度而正比例变化。针对此传感器只需要设计简单的电路就可以借二氧化锡(SnO2)的导电率来表示与被检测的气体浓度相对应的信号值。MQ-4传感器对甲烷的十分敏感，在日常生活环境中可以对甲烷气体浓度的检测保持较低的误差，应用于实验时可以使实验结果更加准确。方案二MQ-2气敏电阻传感器：MQ-2气敏传感器也是采用二氧化锡(SnO2)作为内部气敏电阻。当传感器需要检测的空间中存在具有可燃性的气体时，内部气敏电阻的电导率随空间内可燃性气体的浓度而正比例变化。其表示空间内可燃性气体浓度的信号值方式与MQ-4传感器类似。不同的是，MQ-2气体传感器对乙烷的灵敏度更高。对于甲烷浓度检测模块，本设计选用MQ-4气敏电阻传感器。家庭天然气中的主要成分是甲烷气体，因此监测室内甲烷气体的浓度相当于反应了室内实时的天然气浓度。MQ-4气敏电阻传感器对甲烷的检测效果更强，且成本较低。而MQ-2气敏电阻传感器更适合乙烷、丙烷的浓度检测。因此MQ-4气敏电阻传感器是更好的选择。2.4.2甲烷浓度检测原理MQ-4气敏元件的工作电路图如图2-4。GND端接地，VDD端接+5V电压，同时串联一个10K的电阻，OUT0端将检测到的甲烷浓度生成模拟信号输出给ADC电路。图2-4MQ-4传感器工作示意图2.4.3A/D转换电路由于MQ-4传感器检测甲烷气体浓度后输出的信号为模拟信号，并不能使单片机直接进行运算处理，故需要借用ADC转换电路将信号转化为数字量信号，使得单片机可以处理信息。模拟数字转换器简称为ADC，是一个可以将\t"/item/%E6%A8%A1%E6%8B%9F%E6%95%B0%E5%AD%97%E8%BD%AC%E6%8D%A2%E5%99%A8/_blank"模拟信号转换为数字信号的元器件。本系统采用的是ADC0832，为双通道输入，其串行输出可以方便的和标准的移位寄存器及微型处理器接口。图2-5A/D转换电路2.5显示电路2.5.1显示模块选择方案一LCD12864：LCD12864是一种具有多种接口方式的点阵图形液晶显示模块，其显示分辨率为128×64，内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液品显示方案与问类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多。且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液品模块。方案二LCD1602：工业字符型液晶，能够同时显示16×02共32个字符，它常被用来显示字母、数字、符号等。由若干个5×7或者5×11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，并且每个字符位之间有一个点的间隔，两行之间也被分割开，但也是这个原因，在显示图形时往往不占优势。对于显示模块，本设计选用LCD1602。LCD1602适合显示少量的、丰富的字符类信息。本设计要求显示当前温度、定时时间，水温上、下限，设置时的光标移动等相关内容，全部都是字符类信息，对图像信息的显示没有要求，而LCD12864更适用于显示汉字、图像类信息，应用起来较为复杂，相比之下显示模块采用LCD1602完全可满足使用要求。2.5.2LCD1602显示电路本设计选用字符型液晶LCD1602，引脚1、2均接到了VCC端，引脚3串联一个可变电阻接地。引脚4接到了单片机的P1.1端口。引脚5接地，引脚6接P1.2端口。引脚7—14接到了P0端口上，即P0.0—P0.7端口，同时结合上拉电阻提供高电平输入，大大提高了信号的稳定程度。引脚15、16为背光电源，背光地。LCD1602在系统中负责显示室内甲烷浓度及温度信息，电路图如图3-4所示。图2-6显示电路2.6按键电路按键一端接地，按下按键后可将按键与单片机的接口电平拉低。按键SET接到单片机P1.4口，按下按键，进入设置模式，每按一次，依次切换到定时设置、水温上限设置、水温下限设置；按键ADD接到单片机P1.5口，按下按键，设置甲烷浓度上限数值增加；按键SUB接到单片机P1.6口，按下按键，设置甲烷浓度上限数值减少；按键OK接到单片机P1.7口，按下按键，设置完成。电路图如图3-5所示。图2-7按键电路2.7声光报警电路三个LED分别为绿、黄、红三种，由P36、P17、P34端口控制，使得“正常情况下，LED绿灯亮，风扇关闭，蜂鸣器关闭”，“警示情况下，LED黄灯亮，风扇开启，蜂鸣器关闭”，“危险情况下，LED红豆亮，风扇开启，蜂鸣器开启。”电路图如图3-6所示。图2-8声光报警电路2.8调节电路本设计的风扇调节模块主要为电机。当MQ-4传感器检测到室内甲烷浓度大于设定值时，电机就会启动，将室内的气体排放到室外，进行换气，有效地降低火灾的可能。电路图如图3-7所示。图2-9调节模块电路

3系统软件设计3.1软件介绍KeilC51软件是由美国Keil软件公司生产的集成开发软件，它有编辑编译、仿真调试等功能，有着当下嵌入式处理器开发的标准界面。汇编程序或C51语言都可以进行编程。C语言学起来并不困难，只需进过基础层面的学习，就可以快速上手，而且大大提高了工作效率，缩短了项目开发周期。同时，它还能嵌入汇编，保留了汇编代码高效、快速的特点。软件界面如图3-1所示。图3-1软件界面其工作步骤大体可分为5步：（1）创建工程（2）建立原程序文件并加入工程（3）工程参数设置（4）编译源文件（5）调试程序3.2软件设计任务与要求3.2.1主程序设计本设计主控模块为AT89C52单片机，以AT89C52为核心控制整个控制系统的运行，再利用单片机上各个引脚连接其他模块，从而分别控制其他模块，实现预定的功能。系统正常工作时，MQ-4传感器加热到一定温度，开始准备检测室内甲烷浓度。此时，单片机控制系统初始化，开始工作。首先，MQ-4气敏电阻传感采集甲烷浓度信息发送给A/D转换电路。再由ADC模块处理这个信号量，将其转换成单片机可以处理的数字信号，然后交给单片机进行处理。单片机将信号处理发送至LCD1602，显示当前甲烷气体浓度、室内的温度等信息。通过按键设定甲烷浓度上、警示、下限与风扇和蜂鸣器是否启动。单片机先将检测到的甲烷浓度与下限进行比较，若检测到的甲烷浓度低于下限浓度值，则LED绿灯亮起，风扇关闭，蜂鸣器关闭；若检测到的甲烷浓度达到警示设定值，则LED黄灯亮，风扇开启，蜂鸣器关闭；若检测到的甲烷浓度大于或等于上限值，则LED红豆亮，风扇开启，蜂鸣器开启。程序流程如图3-2。图3-2主程序流程图

3.2.2温度检测子程序设计温度检测功能由DS18B20实现，包括对初始化DS18B20、读取、转换温度等操作。该程序主要的作用是实时监测温度，为气敏电阻传感器提供合适的工作环境。流程如图4-3。图3-3温度检测子程序流程图

3.2.3显示子程序设计采用液晶显示器LCD1602显示检测得到的室内甲烷气体浓度及温度，定时时间。流程如图3-4。图3-4显示子程序流程图3.2.4按键子程序设计采用三个独立按键对系统进行控制，其中P23、P24接口对模拟甲烷浓度上下限进行“加”或“减”控制，P26接口是预警系统的开关，可以控制系统的启动和暂停。图3-5按键子程序流程图3.2.5声光报警及调节电路设置三种报警状态：绿灯亮，蜂鸣器关闭，风扇关闭；黄灯亮，蜂鸣器关闭，风扇开启；红灯亮，蜂鸣器开启，风扇开启。以此设置三个梯度反应室内天然气浓度。图3-6声光报警及调节电路子程序图4仿真与调试4.1仿真软件Proteus8.11是经由英国LabCenterElectronics公司推出的一款非常专业优秀的嵌入式电路系统仿真开发工具应用，可以说目前市场上深受广大用户喜爱的仿真平台。而且软件功能强大，内置了上万种丰富的器件库、模拟和数字设备模型、多样的激励源以及数十种虚拟仪器，可支持与大多数编译器和汇编器一起使用，从而帮助用户能够轻松、有效的模拟如微控制器，微处理器，DSP等一切可编程设备的操作。Proteus软件界面如图4-1所示。图4-1Proteus软件界面仿真调试方法大致分为两种。一种是局部测试法，将复杂的电路按功能分为各个模块进行安装，由局部到整体，最后完成调试。局部调试可以及时纠正小错误，避免给整体运行造成更大的失误，虽然耗时较长，但胜在工序严谨；另一种是整体测试法，将全部电路系统安装完毕后，统一进行调试，这种方法节约时间，缩短工期，更适用于电路相对简单，系统不复杂的仿真调试。4.2系统仿真与设置系统硬件上主要是用AT89C52芯片，借此控制整个系统的运行，再利用单片机上各个引脚连接其他模块，从而分别控制各个电路，实现原先地设计目标。从DS18B20温度传感器中读入温度，在LCD1602上实时显示并判断MQ-4传感器是否可以正常工作；同时，通过MQ-4传感器实时监测室内的甲烷含量，并将其转变为模拟得信号量，通过转换电路转换后，生成便于单片机处理的数字信号量，单片机根据收到的数字信号就可以判别是否需要触发声、光报警,从而可以以此判定空间内甲烷浓度是否超标即天然气是否泄漏，并显示出甲烷的浓度。仿真电路图如图4-2所示。图4-2仿真电路图

4.2.1按键设置 图4-3按键设置电路图图4-3是按键设置电路，三个按键用以控制LED灯的亮灭及蜂鸣器、风扇的工作状态。使得“正常情况下，LED绿灯亮，风扇关闭，蜂鸣器关闭”，“警示情况下，LED黄灯亮，风扇开启，蜂鸣器关闭”，“危险情况下，LED红豆亮，风扇开启，蜂鸣器开启。”4.2.2温度调节图4-4温度调节电路图图5-4是温度调试电路，调节适宜的温度使得MQ-4传感器可以正常工作。单片机P1.3端口为低电平输出，当加热一段时间后，MQ-4传感器达到稳定工作环境，单片机P1.3端口为高电平输出，加热电路会断开，加热将会。当调节DS18B20温度高于温度下限时，加热模块就不会启动。总结与展望本设计以AT89C52单片机为核心部件，DS18B20温度传感器对MQ-4气敏电阻传感器进行温度控制；MQ-4传感器检测室内甲烷浓度，LCD1602液晶显示屏完成了对室内温度，甲烷浓度的显示；按键模块完成了温度、报警及调节模块的设定；声光报警模块完成了对甲烷浓度超出限值的警报。本次毕业设计耗时三个月完成，包括前期搜集资料、参考文献，构建设计框架、确定系统硬件结构，确定元器件选型、搭建电路、设计软件，进行调试、完善设计，以及后期完成对论文的撰写。在整个设计的过程，不仅巩固了大学期间所学的理论知识，而且还自主学习了许多课外的专业知识。并且学会了熟练使用AD、Proteus、Visio、Keil等专业相关软件，对未来走上工作岗位大有帮助。同时我也了解到理论联系实际的重要性，切忌眼高手低。就传感器来说：由于MQ-4传感器为气敏电阻传感器，因此在不同的温度下对传感器的性能有着不同程度的影响，要结合实际，选择最为合适的，以误差小为原则，用最小的误差设计出最优的系统。大学四年的学习生活随着毕业设计的完成也接近尾声了 ，回首这人生中最为璀璨的时光，将曾经的懵懂学子雕琢成朝气蓬勃、蓄势待发的青年，这四年所学习的知识和美好的回忆将化为我前进的动力，破除万难，砥砺前行。

参考文献[1]余黎煌.家用煤气管道气体泄漏报警器的设计探讨[J].科技创新与应用,2013(34):47-48.[2]尤诚程.机器学习在天然气泄漏检测中的应用展望[J].中国石油和化工标准与质量,2021,41(20):49-50.[3]成相伟,王磊,张文文.阵列式气体传感器的信号采集系统设计[J].电子测量技术,2020,43(01):120-126.DOI:10.19651/ki.emt.1903310.[4]周玉意.电阻型半导体气敏元件的实验研究与性能分析[D].中国计量大学,2019.DOI:10.27819/ki.gzgjl.2019.000470.[5]豆孝星,