基于单片机的天然气检测系统

论文题目：基于单片机的天然气检测系统密期限）摘要当今社会，随着经济和科学技术的快速发展，以及各类天然气、煤气、液化气的开采、生产、应用越来越广泛。本文在系统设计过程中选取MQ-4传感器作为天然气含量的数据采集和捕获的终端设备，借助于系统程序构建电压信号与天然气含量两者之间的数据关系，进而对两者进行任意的转换，最终实现浓度的实时显示和声光告警系统的及时告警。设计中采用ADC0832处理器作为信号处理的设备，而MCU则是借助于STC89C52，通过这些器件实现可燃气体含量的全时段监测和数据的传输、处理和显示等功能。设计包括6个环节，其中有传感器、声光告警器、数码管显示器、控制电路、A/D转换和电源模块。在编程的时候上采用C语言编程。本系统能够检测天然气的浓度。并且，当被检测天然气浓度低于初始设定的警告阈值时，数码管屏幕仅显示当前天然气的浓度;当空气中天然气浓度达到指定的报警阈值超过时，检测器就会发出声光报警。关键词：MQ-4传感器；ADC0832；STC89C52；数码管；声光报警

目录TOC\o"1-3"\h\u绪论 11基于单片机的天然气检测系统概述 31.1天然气泄漏检测报警器的概述 31.2家用天然气泄漏检测报警器现状 31.3家庭燃气泄漏报警的发展趋势 41.4天然气泄漏检测报警设计意义 42天然气泄露检测报警系统的方案设计 52.1天然气泄漏检测报警系统简介 52.2气体传感器的选型 52.3天然气泄露报警系统的整体设计方案 62.3.1天然气泄漏报警器工作原理 62.3.2天然气泄漏报警器的结构 62.3.3报警器各模块的功能 73天然气泄露报警的硬件部分设计 83.1主控电路设计 83.1.1STC89C52单片机简介 83.1.2STC89C52单片机的基本结构 83.1.3STC89C52RC单片机的引脚 93.2电源电路设计 113.3可燃气体信号采集部分 123.4MQ-4气体传感器 123.5A/D转换部分 133.5.1A/D转换电路 133.5.2A/D转换芯片ADC0832 143.6气体结果测量计算 163.7声光报警部分 163.8计数器译码显示电路 173.8.1LED的综述 173.8.2LED的结构 173.8.3LED数码管的显示方法 183.9复位电路 193.10最小系统及按键 194燃气泄漏检测报警系统的软件部分 214.1程序设计流程与编程 214.2系统调试 22 23后记 24参考文献 25绪论随着当代人民群众生活水平的提高和环境保护意识的提高，各个国家对于环保型能源的需求越来越大，全球的政府结构都在致力于借助法律手段来展现这一趋势。而在这些环保型能源中最为环保的一种就属天然气了，1990年，发生在中东的石油危机让欧美等一些对于石油依赖程度很大的国家开始着手新兴能源的推广，所以在新的可再生能源出现之前，天然气这种环保型能源的消耗量将大幅度增加。天然气是一种轻烷烃的混合物，它当中甲烷的含量是最高的，而且在燃烧过程中产生的物质只有水和二氧化碳，这也造成了它环保的一种特质；当然它还在储存和输送方面有着明显的优势，所以这也是为什么在人们日常生活和工业加热中欢迎度很高的一个主因。而天然气管道的建设已经成为了现代城镇基础设施当中的一个重要部分，但是这其中也存在一定的问题和隐患，这主要体现在很多输送管道老化破损和房屋装修时损坏管道，以及被其他生物侵蚀破坏管道等方面，这些问题就会导致天然气的泄露，进而发生火灾。这种气体没有颜色、也没有味道，其中也不含有害物质，虽然不会导致民众中毒，但是泄露引发的燃烧或者爆炸问题将给会人民的健康和财产安全构成严重威胁。天然气的潜在隐患，某种意义上给人民的生活带来一定的心理压力，被定性为一种新的社会危害。所以对于自然环境中有害气体的检测和消除已经成为了当前较为热门的一个研究方向。以往最为常用的方法是色谱检测法为主要方法的多种借助于化学手段而完成计量的方法，其最为明显的优势是检测精度很高，但是也存在检测流程繁琐，时间跨度时间长等问题，这就导致其对于有毒气体的监测无法做到实时和连续，但是气体传感器却具有这样的优越特性，因此它在现代气体监测方面发挥着至关重要的作用，成为了火灾预防和降低可燃气体爆炸等危险事故发生的有力保证。在欧美等先进国家，可燃气体监测告警装置普及率非常高，甚至会被强制性加装，比如在美国的纽约、法国的巴黎和日本的东京等发达城市，已经有超过80%的民众在家中加装了具有气体监测和告警功能的测漏设备。而我国诸如北京、天津、武汉和西安等一二线城市，时常会由于燃气中毒或者是爆炸的事故发生，为此他们都采取了很多科学有效的举措。1998年，国家技术监督局颁发了天然气管理国家标准GB16914-1997，其中提到了加装燃具的位置处要有燃气泄漏检测报警和自主断气功能的设备。本设计的主要任务就是着力于开发一款价格低廉、安装流程简单和调试过程简化的智能化的燃气泄漏告警系统。其运用领域非常广泛，包括自来水管道监测、锅炉设备连接管道、石油输送管道和化工厂内部连接线路，以及汽车发动机气路连接等不同方面。泄漏检测这项新兴的技术在管道密封性监测方面的运用已经非常成熟了，其运用要具备以下这三个优势：一是能够在很短的时间内对发生泄露的位置做出精准的判断。二是能够实现对泄露严重程度的精准判断，即使是量很小也能发现。三是工作机制简单易懂，具有很强的操作性和维护性。天然气是一种轻烷烃的混合物，它当中甲烷的含量是最高的，而且在燃烧过程中产生的物质只有水和二氧化碳，这也造成了它环保的一种特质；当然它还在储存和输送方面有着明显的优势，所以这也是为什么在人们日常生活和工业加热中欢迎度很高的一个主因。而天然气管道的建设已经成为了现代城镇基础设施当中的一个重要部分，但是这其中也存在一定的问题和隐患，这主要体现在很多输送管道老化破损和房屋装修时损坏管道，以及被其他生物侵蚀破坏管道等方面，这些问题就会导致天然气的泄露，进而发生火灾。这种气体没有颜色、也没有味道，其中也不含有害物质，虽然不会导致民众中毒，但是泄露引发的燃烧或者爆炸问题将给会人民的健康和财产安全构成严重威胁。天然气的潜在隐患，某种意义上给人民的生活带来一定的心理压力，被定性为一种新的社会危害。所以对于自然环境中有害气体的检测和消除已经成为了当前较为热门的一个研究方向。以往最为常用的方法是色谱检测法为主要方法的多种借助于化学手段而完成计量的方法，其最为明显的优势是检测精度很高，但是也存在检测流程繁琐，时间跨度时间长等问题，这就导致其对于有毒气体的监测无法做到实时和连续，但是气体传感器却具有这样的优越特性，因此它在现代气体监测方面发挥着至关重要的作用，成为了火灾预防和降低可燃气体爆炸等危险事故发生的有力保证。基于单片机的天然气检测系统概述天然气泄漏检测报警器的概述在燃气安全设备中，天然气泄漏检测报警器是极其重要的一部分，主要由气敏传感器、单片机和报警器组成。在使用燃气的时候，它也是最可靠的保护设备。天然气检测报警器通过一个气敏传感器来计测运输管道和家庭厨房中的天然气浓度，再通过采样电路，将气敏传感器捕捉到的模拟信号转换为数字信号，然后传递给控制器或控制电路。如果检测到空气中燃气的含量数值没有超出系统预先设定的告警数值，那么外接的数据显示装置就只是完成数据实时显示的功能，但是如果检测到的燃气含量数值大于系统预先设定的告警数值，那么就会发出借助于声光手段实现的告警提示。光敏传感器是一款专门用来检测空气中可燃气体的设备，根据其个工作机理的不同可以分为半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等多种样式，它们发生作用的共性就是能够借助于对外部环境中的可燃性较高的气体的吸收，并在内部发生能够合成某种新兴物质的化学反应，进而实现对于传感器内部元器件的性能的改变和影响，再经过单片机的数据处理之后将其转化成为检测气体的响应浓度。其中用的最多的是半导体气敏传感器。天然气泄漏检测报警是燃气安全设备中非常重要的一部分。它由气体传感器，数据指令控制系统和告警装置三部分组成，它在现代城镇燃气使用过程中的安全问题发挥着至关重要的作用。天然气泄漏监测告警装置借助于气体传感器的数据采集功能实现天然气含量的数据采集，并借助于采样电路实现信号的模数转换，并将转换得到的信号传输到系统中的指令控制装置中，进而实现后续的数据处理和告警功能。如果监测到的气体含量的数值小于预先设定的数值时，如果检测到空气中燃气的含量数值没有超出系统预先设定的告警数值，那么外接的数据显示装置就只是完成数据实时显示的功能，但是如果检测到的燃气含量数值大于系统预先设定的告警数值，那么就会发出借助于声光手段实现的告警提示。气体传感器是检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气体传感器，接触燃烧气体传感器和电化学气体传感器。这些传感器通过吸收周围环境中的可燃气体在传感器表面上产生化学或电化学反应。在由单片微计算机处理之后，电特性和物理特性的变化被转换成检测到的气体的响应浓度。其中，半导体气体传感器是最常用的。家用天然气泄漏检测报警器现状现在每个家庭当中都引入了天然气，所以只要有管道进入的地方就必须要加装燃气含量监测告警装置。但是当前国内市场中售卖的告警器有以下问题：1、对天然气的检测不敏感或者检测到天然气泄漏并不能及时报警作出相应处理；2、监测过程对于燃气的反应太过灵敏，在日常的烹饪或是加热时势必会有少量的燃气从灶头处漏出，这时告警器就会频繁发出告警声音，对人们的日常生活带来了极大的干扰；3、有时会有错误告警或者虚假报警的情况发生，如果室内油烟的含量过高时，也会引发告警器不断告警，所以很多家庭对探测报警器束之高阁当成摆设，买了并不安装；4、功能简单，当天然气发生泄漏时只会关阀报警，倘若家中无人阀门不紧，不能及时处理险情通知户主。所以市面上的天然气泄漏检测报警器亟待于改进，从而才能更好地保障我们的生命财产安全，提高我们的生活质量。家庭燃气泄漏报警的发展趋势20年前，国内的安防告警产品才开始进入到市场，不管是产品的性能状况、技术指标和使用便捷性，还是民众的认知程度都是非常低的。我国市场中的大部分产品都是外国的一些知名品牌，值得庆幸的是国内的一些生产厂商抓住了这样的发展机遇，致力于告警装置的研发和生产，在技术手段和产品质量都相对落后的情况下，一些科研机构和该领域的公司都开始投入时间精力和人力物力，以及财力来实现产品的优化、更新换代和升级，经过多年的研发，我国的现有的告警装置已经具有了国际先进水平，并主导了整个国内市场，这充分反映出国人自主研发生产的决心和毅力。尽管我国自主生产的产品已经占有了国内市场的主体地位，但是对外销售还是处于初步阶段，但是这些公司及其产品已经做了占据国外市场的准备。天然气泄漏检测报警设计意义从近几年发生的燃气泄漏爆炸事故就能看出，现行市场上的燃气告警装置仍然存在一定的弊端，无法为我们的安全提供有效的保证。所以我们要继续在精准高效系统的研发和设计上下功夫，以此来削弱燃气爆炸给我们的生活带来的威胁。很多学者提出，燃气泄漏或者工业废气中含有的有毒气体是造成人员中毒的主要因素，但如果能够使用一些精准度和控制效率更高的燃气泄漏装置就可以得到及时的警示。有关部门经长期测试得出结论，天燃气报警器防止天然气泄漏事故发生的有效率达95%以上。计算机的普及和信息技术的迅猛发展，人们己不满足于传统的居住环境，对家庭及住宅小区提出了更高的要求，智能化被引入家庭，并迅速在世界各地发展起来。人们对居住环境要求的日见增高，体现在希望住宅不仅更便利、舒适而且更安全。

随着现代电子产品的不断升级，其对于单片机的依赖也愈加突出，而燃气泄漏监测和处置更成为了当下人们日常生活和工业生产中需要关注的一个问题。单片机作为现代控制的一个微小处理控制系统，在人们的日常生活、工作和科学研究中需要的基础设施的研发和生产提供极大的便利。为了防止中毒事件再次发生，提出利用单片机系统进行有效的预防对策。所以如何有效防范燃气爆炸或者中毒成为了现阶段人们和相关部门较为关注的一个方向。天然气泄露检测报警系统的方案设计天然气泄漏检测报警系统简介该系统可以实现对燃气含量的精准监测和告警，它主要由具有数据采集功能、数据的模数转换功能，以及指令控制功能这三种电路组成。数据采集电路当中包含了模拟放大电路、气敏传感器，主要实现将采集到的气体信号转换成模拟性质的电子信号。模数转化电路主要是完成对于模拟电信号的数字转换，并将转换后的数字信号发送到单片机当中，进而这些数据进行分析评判，将其与系统预先设定的数值进行比对，如果传感器采集到的气体含量数据小于系统的预先设定数值，那么外接的显示装置只发挥燃气含量数据显示的功能；当检测气体浓度超出设定报警阈值时给出声光报警。同时报警装置会通过语音模块向户主发送语音提醒以便让户主及时做出判断处理。为了实现告警装置的更优化配置，需要将声音告警和光亮提示告警两种手段有机结合起来，这样就能保证用户及时发现告警信号，不至于出现周边环境嘈杂而没有听到告警的问题。这就是监测本文在设计监测告警系统时主要的思路和构想。气敏传感器和单片机是整个燃气监测告警装置中的两个关键环节，根据系统设计需要，选取这两种器件时要充分考虑其性能的优劣、状态的稳定与否、以及价格的低廉与否。单片机是整个电路硬件构建中的核心部分，在第3章中将会有叙述，而传感器在后文中做了描述。气体传感器的选型燃气触感器从某种层面上属于气敏传感器，主要用来完成对于燃气种类、含量和组成的监测，并能够将这些检测到的信号转换成为对应的电信号，进而借助于这些电信号的大小来判别环境当中燃气的含量。所以该传感器是这类仪表汇总最为关键的环节，由此说明了选取型号的重要程度。本文设计的燃气泄漏告警装置主要是用于家庭厨房之中，根据燃气的类别选用了接触燃烧类型的传感器，它的监测探头能够有效预防燃气中毒甚至是爆炸的风险。通常情况下，阻缓通常是在气体和其他硫物质相互混合在一起，可能引发气体的燃烧，长时间之后，有些物质就会吸附到传感器的表面，进而对其工作的敏感性和效率产生一定的影响。而中毒是指空气中硅烷类的气体使得传感器中起到催化作用的部件发生中毒，并致使其敏感程度受到严重影响。如果在检测的环境当中存在这些物质，那么就需要在工作之前对其探头进行物质含量的标定，这项工作更是保证传感器精准度和灵敏度的一个有效手段。通常情况下，传感器在使用2个月之后就要对其精准度进行校准，而这种规律性的检查维护要专业人员和相应设备，因此就放弃使用这种传感器。基于这种考虑，文中选择半导体气敏传感器，它根据制造材料的不同分为两种类型，其一是采用经过氧化处理的陶瓷材料制成的，其二是采用单晶的半导体制成的。它最大的特点就是在气体监测方面的灵敏度很高，系统反应时间短，质量轻便，构成简单，操作使用便捷和价格低廉等。因此其在气体监测领域的使用非常多，其性能在很大程度上取决于可靠性、抗干扰性和敏感程度等方面。经过对于两种气敏传感器的性能比对发现，后者的优势更加明显，而且不会因为空气中含有硫物质或者是硅烷类物质而导致设备出现探头阻缓或者中毒的问题。所以本文采用半导体气敏传感器作为告警装置数据采集环节的关键部件，选用对燃气敏感度更高的MQ-4型传感器，具有快速反应快速恢复、使用寿命长、稳定可靠等优点。天然气泄露报警系统的整体设计方案天然气泄漏报警器工作原理本论文中的天然气泄漏报警器以STC89C52单片机为控制核心，通过MQ-4型电阻式半导体传感器采集空气中天然气浓度。气体传感器MQ-4输出的是模拟量，其作用是把探测到空气中的天然气的浓度转换成对应的电压信号，电压信号送入模数转换芯片ADC0832转换成数字信号，转换成的数字信号送入STC89C52单片机，单片机对数据进行线性化处理，将数字化电压信号转化成为对应的浓度值显示到数码管上，同时判断气体浓度值是否超出报警限，当检测气体浓度低于设定报警阈值的时候，数码管显示器仅仅显示测得的可燃气体浓度；如果监测到的燃气含量数值超过了系统预先设定的告警数值，那么系统就会启动声光同步告警装置，起到提示用户的作用。天然气泄漏报警器的结构随着信息技术的发展，家用电器趋向于智能化、网络化、信息化。为了满足家庭对可燃性易爆气体安全性要求，同时为了符合时代发展的潮流，在传统的天然气泄漏检测报警器的基础上对其的硬件结构上特进行如下设计：燃气泄漏检测告警装置的内部结构见图2.1，该系统的数据处理和指令控制部件采用的是STC89C52单片机，其能够完成燃气数据采集、外部显示和控制告警等功能，这些功能的实现主要是依赖于多种模块的协同工作，包括电源供电模块、数据模数转换模块、声光告警提示模块、外部数据显示模块和指令传输控制模块等。STC89C52单片机属于51系列当中的一个，同时也属于8051系列的更高级产品，同时能够保证其与51系列的指令传输引脚都是相互兼容的。气体检测模块依靠MQ-4传感器和ADC0832转换芯片、外部数据的显示需要借助于数码管才能完成。电源电源MQ-4传感器信号调试电路AD转换52单片机声光报警数码管显示模块按键输入图2.1天然气泄露检测报警系统结构框图图报警器各模块的功能（1）电源模版：提供电源、保护电路、电压变换、稳压；（2）天然气信号采集模块：实时采集气体浓度；（3）模数转换模块：把采集的模似信号转变成数字信号传送给单片机；（4）声光报警装置：当检测到气体泄漏值超过报警受限时，发生报警；（5）显示模块：显示气体浓度和报警限值；（6）键盘模块：通过按动上下键调节报警限值；（7）语音模块：向用户提供语音提示；天然气泄露报警的硬件部分设计主控电路设计STC89C52单片机简介本文使用STC89C52单片机构建整个系统的数据处理和指令控制器件，STC89C52是STC公司研发的一款性能卓越、功耗很低的CMOS8位微型控制器，配备有8K可实现内部编程的Flash数据储存器。该单片机在性能指标上主要包含以下部分：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，MAXA810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，1个7向量4级中断结构，全双工串行口。在闲置状态下，CPU终止工作，但此时系统内部的RAM、串行端口和定时器/计数器继续运行。在突然断电的情况下，RAM当中存储的模数转换模块中断。其最高运作频率可以在35MHz和6T/12T两者之间选择。它有几个主要组成部分：中央处理器、数据存储器、并行模式下的I/O端口、定时器/计数器。STC89C52构成的单片机系统是具有简单的结构、低廉的价格、高效的微控系统，具有较高的性价比。STC89C52的主要性能：它属于8051系列的更高级版本，同时配备有6时钟和12时钟两种工作模式，用户可根据实际需要任意选取，同时其内部指令的传输和控制与8051具有很强的兼容性。对于数据传输I/O端口而言，配备有34组通用的I/O端口。当接收到复位指令后，P1/P2/P3借助于准双向数据传输的方式保证系统处于高电平，P0口是漏极开路输出，作为系统总线实现扩展功能时的一个端口，不需要施加上拉电阻，但是如果用作I/O端口，就需要施加拉上电阻。配备有EEPROM功能和看门狗功能，3个16位定时器/计数器（也就是定时器T0、T1、T2），4个外部中断，脉冲下降部分实现信号中断或者是借助于低电平来完成电路的触发。STC89C52单片机的基本结构STC89C52单片机的基本结构如图3.1所示。时钟电路时钟电路CPUROMRAM定时计数器中断系统串行接口并行接口图3.1基本结构图由图可知，STC89C52单片机的构成如下：（1）CPU系统：8位CPU和闪烁储存器；时钟电路；总线控制逻辑。（2）存储器系统：8KB的程序存储器(ROM/EPROMFlash)；512Bit数据存储器（RAM）。（3）I/O端口和其他动能单元：4个并行模式下的I/O端口；3个16位定时器/计数器；2个全双工串行通信口；中断系统(5个中断源)STC89C52RC单片机的引脚图3.2STC89C52管脚示意图1.引脚的分类（1）主电源及时钟引脚：VCC、GND等。（2）P0端口（P0.0~P0.7，39~32引脚）。P0端口属于一个漏极开路的8位双向I/O端口。作为数据输出的端口，每个引脚可以实现8个TTl负载的驱动，P0端口写入“1”时，能够实现高阻抗的输入。在访问外部程序和数据存储器时，P0端口能够实现复合总线的功能，其主要完成低8位地址与8位数据的全时段传输。此时，P0端口可以保证其内部的上拉电阻能够发挥相应的作用。在实现FlashROM编程过程中，P0端口接收指令控制数据:而在效验程序过程中,则输出指令控制数据。验证时，需要接通10K的上拉电阻。（3）P1端口（P1.0~P1.7，1~8引脚）：P1端口属于1个自带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P1端口的输出数据缓冲器能够实现4个TTL的数据输入。P1端口读写“1”时，借助于内部自带的上拉电阻保证其处于高电平。当P1端口起数据输入作用过程中，由于其内部自带的上拉电阻，其中处于低电平的端口就能够完成电流的输出功能。表3.1P1.0和P1.1引脚复用功能引脚号功能特性P1.0T2（定时器/计数器2外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器2捕获/重装触发和方向控制）（4）P2端口（P2.0~P2.7，21~28引脚）：P2端口属于1个内部自带上拉电阻的8位双向I/O端口。P2端口的输出数据缓冲器能够实现4个TTL的数据输入。当给P2端口写入1时，借助于内部自带的上拉电阻保证其处于高电平，此时P2端口就会实现数据输入的作用。P2端口起数据输入口的作用时，由于其内部自带的上拉电阻，其中处于低电平的端口就能够完成电流的输出功能。P2端口也能够实现对于外部数据存储芯片的实时访问，如果访问的是16位数据的存储芯片，那么P2端口输出的数据就是高8位的地址数据。如果访问的是8位地址数据的存储芯片，P2端口引脚输出的数据信息在整个数据访问过程中都不会发生改变。(5）P3端口（P3.0~P3.7，10~17引脚）：P3端口属于1个内部自带上拉电阻的8位双向I/O端口。P3端口的输出数据缓冲器能够实现4个TTL的数据输入。如果P3端口读写1时，借助于内部自带的上拉电阻保证其处于高电平，此时P3端口就会实现数据输入的作用。当P3端口起数据输入口的作用时，由于其内部自带的上拉电阻，其中处于低电平的端口就能够完成电流的输出功能。在对FlashROM编程或程序效验时，P3端口还可以实现部分数据控制信号的接收，P1端口完成低8位地址数据的接收。RST（9引脚）：复位信号的输入。只有在满足持续输入的数据在2个时钟以上的条件时，才能保证其高电平的数据起到应有的作用，进而实现单片机的复位功能。看门狗完成计时功能之后，RST引脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位具有取消这种功能的权限。DISRTO位的默认状态是复位高电平有效。ALE（30引脚）：地址锁存控制信号的作用是能够实现外部存储器的访问时，锁存低8位地址数据的脉冲。在Flash编程时，在此引脚（PEOG）也用做编程输入脉冲在一般情况下，ALE会以晶振频率的1/6的频率出脉冲，可以用来作为外部器件的定时器或时钟来使用（本设计就用到单片机的ALE管脚通过四分频后为ADC0809提供时钟）。PSEN（29引脚）：外部程序存储器的选通管脚。当STC89C52执行外部程序存储器的程序代码时，PSEN需要在每个时钟内需要被激活2次，而访问外部的数据存储器时，PSEN就不需要被激活。EA/VPP（31引脚）：访问外部程序存储器的控制管脚。为了使从外部程序存储器的0000H到FFFFH读取指令数据，EA必须与大地相接。注意加密方式为1时，EA将内部锁定位RESET。若是执行内部的程序指令，EA需要与VCC接通。XTAL1（19引脚）：振荡器反相放大器和时钟发生电路的输入管脚。XTAL2（18引脚）：振荡器反相放大器的输出端。振荡器的固有特性：XTAL1和XTAL2分别是反相放大器的输入输出端。这种反相放大器可以被配置为片内振荡器，而其主要是借助于石晶和陶瓷两种物质实现振荡的作用。如果采用的是外部时钟源驱动器件，XTAL2则不需要连通。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频的触发器，所以说对外部时钟源的脉冲宽度没有任何要求，但一定要保证脉冲的高低电平满足规定的脉冲宽度。P3端口除作为一般I/O端口外，还可以实现其他的复用功能，具体见表3.2：表3.2P3口管脚管脚配置功能P3.0RXD（串行输入端口）P3.1TXD（串行输出端口）P3.2INT0（外部中断0端口）P3.3INT1（外部中断1端口）P3.4T0（定时器0的外部输入）P3.5T1（定时器1的外部输入）P3.6WR（外部数据存储区间的写入端口）P3.7RD（外部数据存储区间的读取端口）电源电路设计如图3.3，由USB接口提供电源，VCC接5V电压，GND接地构成电源模块。图3.3电源模块可燃气体信号采集部分如图3.4，天然气信号采集部分是由气敏传感器MQ-4、AD转换器组成。图3.4信号采集部分MQ-4气体传感器MQ-4气体传感器采用的反应材料是二氧化锡（SnO2），这种物质具有在纯洁空气中导电效率比较低的特性。如果监测环境的空气中含有可燃气体，那么传感器自身的导电效率就会随着气体含量的增多而逐渐变大，文中就是借助于系统电路在导电效率和气体含量之前建立了一种对应的输出关系。MQ-4气体传感器在监测气体方面具有很高的灵敏度，尤其对于烷烃类气体更是如此，同时对于天然气和其他可燃性较高的其他也能精准监测，它是一种价格低廉、用途广泛的燃气测量装置。表3.3MQ-4材料组成部件材料1气体敏感层二氧化锡2电极金（Au）3测量电极引线铂（Pt）4加热器镍铬合金（Ni-Cr）5陶瓷管三氧化二铝6防爆网100目双层不锈钢（SUB316）7卡环镀镍铜材（Ni-Cu）8基座胶木或尼龙图3.5MQ-4基本电路MQ-4基本电路中有如公式3.5：（3.1）浓度与电压的关系函数如公式3.2：浓度=(0.7-(10-10*ADdata)/1.4*14.43*ADdata)10^4（ppm）（3.2）A/D转换部分A/D转换电路MQ-4传感器采集到的电压信号接单片机P1.1。图3.6A/D转换部分A/D转换芯片ADC0832ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。学习并使用ADC0832可是使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。ADC0832具有以下特点：8位分辨率；逐次逼近式A/D转换器；双通道A/D转换；输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；5V电源供电时输入电压在0～5V之间；工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；一般功耗仅为15mW；8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装；商用级芯片温宽为0°Cto+70°C，工业级芯片温宽为−40°Cto+85°C。如图3.7，ADC0832芯片顶视图：图3.7ADC0832顶视图芯片接口说明：CS_片选使能，低电平信号使能。CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。GND芯片参考0电位(地)。DI数据信号输入，选择通道控制。DO数据信号输出，转换数据输出。CLK芯片时钟输入。Vcc/REF电源输入及参考电压输入(复用)。气体结果测量计算图3.8MQ-4气敏的灵敏度特性其中X轴表示外界可燃气体的浓度，Y轴表示变化内阻与固定电阻的值（Rs/Ro）。Rs：元件在不同气体，不同浓度下的电阻值。Ro:元件在洁净空气中的电阻值。(Ro=14.43K)声光报警部分采集到的数字信号经过单片机计算后，如果天然气浓度达到报警器设置的临界点时，单片机将控制蜂鸣器报警，同时LED亮。LED的正极与PNP三极管的集电极c相连，负极接2K电阻后接地。蜂鸣器采用PNP三极管来驱动，三极管发射极e接电源正极（+5V），基极接1K电阻后接单片机P3.4端，集电极接蜂鸣器，通过蜂鸣器后接地。图3.9声光报警电路计数器译码显示电路LED的综述凡是在设计和生产中用到了单片机的系统，为了方便用户能够实时掌握系统运行状态和工作情况，通常都会使用外接的显示设备来实时反映状态的运行状态和具体的控制信息，所以外接的显示设备的重要性也就不言而喻了。LED显示屏自从上个世纪八九十年代就在全世界范围内开始被广泛运用到各个领域，为各种不同类型的媒体手段和智能控制提供了硬件支持，它通常都是用成千上万的半导体二极管按照一定的排列顺序排布的点阵类型的显示设备。通常情况下，使用不同的材料制造成的LED在颜色显示上可以实现不同的效果。当前黄绿红三种颜色是运用最多的，其中蓝绿色的LED技术已经非常成熟了。LED显示屏在显示过程中不仅能够实现数字、字符和文字的显示，也能实现对于图片和照片的显示，能够用到室内外不同的环境当中，相比电视屏幕和投影仪等显示终端其优势非常明显。在过去的10年之内，LED显示屏幕凭借着其照明效果出色、耗费功率低、使用寿命长和工作性能状态稳定等优势在各领域得到了广泛的运用，现在已经成为了一种主流的显示设备。LED在显示领域的发展潜力十足，它的发展方向就是保证其环保性能出色、发光强度较强、稳定性和可靠性突出，以及安全系数较高等。LED的应用涉及到了很多的领域，包括：a.飞机场的航班数据信息动态显示。b.体育场馆相关信息显示。c.指挥控制中心数据显示。d.广告宣传和媒体报道。e.交通信息的实时显示。f.商场、旅游景点等服务行业的商品及其服务宣传。g.车站和港口游客数据显示等。LED的结构LED数码管的显示设备通常包括能够实现发光的二极管，其用来显示的字段使用频度最高的就是7段LED数码管，它包括共阳极和共阴极2个数据显示发射极。其中7段LED数码管的显示设备内部设置有8组发光二极管，一般都是从a~g管脚输入需要显示数据的程序代码，当然包括各种数字和不同类型的字符，Dp用来显示数字当中的小数点。共阴极LED数码管显示器的数据输入输出公共端占用的是内部发光二极管的阴极，一般情况下都要和大地相接，如果发光二极管的阳极处于高电平，那么发光二极管开始工作，发出光亮。共阳极的LED数码管显示设备的数据输入输出公共端占用的是内部发光二极管的阳极，一般情况下都是和+5V电源相接通的，如果发光二极管的阴极处于低电平，那么发光二极管开始工作，发出光亮。本文在设计数据显示样式事选择了LED数码管实时扫描的方式来实现。1个3位的共阳极LED数码管组成3位实现对于前一次监测到的数据的动态显示。单片机的P0端口实现显示的字体和大小的控制，P2端口实现显示的位置和区域的控制。内部电路见图3.10。图3.10显示电路LED数码管的显示方法静态显示方式是指如果显示设备需要实现某一个具体字符的显示，那么就要保证发光二极管的位选始终处于被选中的状态。此时每一个LED数码管显示设备都需要一个8位的数据输出端口来实现显示的实时控制。因为单片机在提供I/O端口数量方面存在一定的局限性，在实际运用过程中，一般都会采取拓展I/O端口数量的方式来实现数量有限的问题。静态显示最突出的优势是在显示性能上非常稳定，发光二极管在接受到电流一定的前提下，外接显示设备的亮度相对较强，同时在系统正常运行过程中，如果需要对显示内容进行更新，CPU发出更换显示内容的指令，进而启动相应的子程序，实现了CPU的时间节约和效率提升。它的缺点就是资源的占有率较大，通常情况下每个LED数码管都要单独占用8根数据输出线。如果外接显示设备的数量增加，那么就会导致I/O端口数量也会明显增多。动态显示方式是指采取轮流显示的手段来实现显示数据的实时显示，在数据显示过程中，每个数码管会按照一定的规律被选取，多个数码管一般都会共用一段选取地址。对每一个数据显示设备而言，在符合一定时间间隔的基础上实现显示灯的点亮，其光亮程度和输入的电流大小有关系，同时也和时间长度及间隔有关联。一般都会借助于调节和控制输入电流和时间间隔等参数来实现亮度的变化和显示的效果。如果显示的设备使用的位数小于等于8位，那么其共用端口就需要1个8位的I/O端口来实现动态扫描，一个字形的控制就需要1个8位的I/O端口。从两种方式的比对中就不难发现，LED静态显示的优势更加明显，因此本文选用这种显示方式。复位电路单片机在真正启动之前都需要进行复位操作，这样就能最大限度的保证及附属各个子系统和各个器件都是处于最初始的状态，而且都是以这种状态开始工作的。52系列的单片机的复位信号是从RST引脚输入到数据控制芯片当中的施密特触发器中的。如果系统运行相对稳定，同时振荡器的状态也相对稳定CPU，RST引脚上有一个高电平并维持2个时钟，那么此时CPU就能快速完成响应并实现系统的复位功能。图3.11复位电路最小系统及按键STC89C52单片机当中最微小的系统一般都是由以下几个电路或者器件组成，包括STC89C52指令控制芯片、复位电路和振荡电路。单片机要和+5V的电源实现连通；晶体振荡器频率为12MHz（11.0592MHz），晶振的两个引脚分别连接在单片机的XTAL1和XTAL2端，晶振的两端再分别连接一个30pF电容后接地；复位电路经电源正极（+5V）接10uF电容后接10k欧姆电阻接地，单片机复位端RST接在电容和电阻之间。本次设计电路中加入4个按键，用于人为报警和设置报警的上限值。按键分别与单片机的P1.4，P1.5，P1.6，P1.7四个端口相连通。S1是具有相加功能的数字键盘，S2是具有相减功能的数值间盘，S3是功能确认间盘，S4是模拟告警提示键盘。如果按下S4，那么蜂鸣告警器就会发出声音提示，同时LED灯发亮；如果再次按下S4键，那么就实现了告警取消的功能。图3.12最小系统及按键电路

燃气泄漏检测报警系统的软件部分程序设计流程与编程程序流程图见图4.1，软件设计包含AD程序采样、数据处理程序、数码管显示程序、按键扫描程序、系统报警程序。开始开始初始化天然气浓度采集AD转换采集数据≥设定值声光报警报警子程序结束数码管显示N图4.1程序设计流程图STC89C52单片机对ADC0832传感器采集到的环境中的燃气含量数据信号进行处理，同时将含量数据与系统预先设定的标准值进行比对，判别是否需要发出告警。对采集到的数据信号进行实时处理和精准比对，使用合适的程序算法计算出需要监测的燃气的含量和种类等数据，并实时在外接的显示设备中显示出来。如果监测到的气体含量的数值小于预先设定的数值时，如果检测到空气中燃气的含量数值没有超出系统预先设定的告警数值，那么外接的数据显示装置就只是完成数据实时显示的功能，但是如果检测到的燃气含量数值大于系统预先设定的告警数值，那么就会发出借助于声光手段实现的告警提示。本文在程序编码设计上使用的是C语言。这是一种编译效率极高的程序设计语言，其兼具了很多机器语言的优势，而且汇编语言的功能也是非常强大的。它拥有非常全面的函数数据库，而且运算处理效率非常高，编译过程用时非常短，同时其兼容性非常强，适用于很多硬件和软件当中。C语言是一种面向过程的结构化的机器语言，通常情况下在编程时都是采用自上而下的结构。与此同时，C语言还能实现模块化的程序结构，这为系统构建功能分割性好、排除故障效率高的模块化编程设计提供了保证。所以在现代程序研发设计过程中，C语言已经成为了有一种主流的程序言语，它给编程带来了诸多便利，也能够缩短研发人员工作的周期，同时也使得程序的可用性和兼容性大大提升，这样就能保证软件的更新换代和升级更加高效，进而为构建庞大的数据系统奠定了基础。因而想要开发出一个全面而功能强大，且运行稳定的软件，就需要扎实掌握C语言编程。编写C语言要使用到C语言编译软件，以便把写好的C语言程序编译为机器码，这样单片机才能执行编写好的程序。系统调试在系统调试阶段我是分模块分阶段进行的。我先调试的是气体浓度检测部分，该部分就是把模拟量变成数字量，其原理和数字电压表的设计是一样的。所以该部分的系统调试在设计数字电压表的原理基础上进行调试的。然后调试数码管显示器，首先通过按键对报警阈值进行设置，最后把气体浓度与按键值统筹在一起就组成了报警阈值调节部分。然后添加进语音报警、声光报警。经过不断的实验测试，形成了系统整体程序。在设计好硬件的基础上，下载程序。系统通上电，报警限显示为18ppm，按动上下