基于單片機煤氣檢測儀--畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著社會的發(fā)展，信息時代已經到來，而作為收集各種基礎信息的電子元器件傳感器也得到了快速的發(fā)展和使用?，F(xiàn)在傳感器的應用越來越廣泛，隨之對其要求也越來越高，尤其是現(xiàn)在大家受到推崇且快速發(fā)展的智能家居。所以，對于生活在這個時代的我們，了解掌握各種傳感器的基本機構和工作原理是非常有必要的。MQ-5 半導體可燃氣體敏感元件傳感器是以二氧化

2、錫（Sn O2）的材料制作的氣體傳感器，用來檢測可燃氣體。本設計用單片機和MQ-5傳感器結合來設計這個煤氣泄漏檢測系統(tǒng)。其中MQ-5傳感器具有：靈敏度高、穩(wěn)定性好、使用簡單、壽命長等優(yōu)點，單片機集成度高、體積小、可靠性 高且控制能力強又易擴展。現(xiàn)在，煤氣氣已經成為我們生活中不可缺少的一種燃氣，特別是城市里。而城市里基本上又是高樓大廈，一旦有煤氣泄漏發(fā)生就會造成很多難于挽回的災難。所以怎么防范煤氣泄漏和煤氣泄漏帶來的災難已經成為

3、社會迫切需要解決的問題。雖然現(xiàn)在市場上的煤氣泄漏檢測報警裝置種類很多，但是價格功能各有不足。要不是價格便宜功能簡單起不到作用，就是價格昂貴功能復雜繁瑣普通家庭用不起。本設計是基于單片機設計的簡單實用的一個煤氣泄漏檢測系統(tǒng)，它集齊煤氣泄漏檢測</p><p>　　關鍵詞：傳感器；單片機；報警；控制；通訊</p><p><b>　　Abstract</b></p&

4、gt;<p>　　With the development of society, the information age has arrived, as the sensor collects basic information of electroni

5、c components have also been quick development and use. Now widely used sensors, with its rising. Sensor technology, has become

6、0;an important symbol of a country's level of development of science and technology. So for us living in this day and age,

7、0;understanding the basic institutions and principles is necessary. Combustible gas sensor MQ-5 semiconductor sensor based on Tin oxide</

8、p><p>　　Keywords: sensor single chip machine alarm control, communications</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要1</b></p>

9、<p>　　Abstract1</p><p><b>　　目錄2</b></p><p><b>　　1緒論3</b></p><p>　　1.1研究背景和意義3</p><p>　　1.2國內外研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.3本課題的主要研究內

10、容4</p><p><b>　　2系統(tǒng)設計4</b></p><p><b>　　2.1設計要求4</b></p><p>　　2.2系統(tǒng)構成方案5</p><p><b>　　2.3方案分析5</b></p><p>　　2.4各個模塊方案

11、5</p><p>　　2.4.1控制模塊方案5</p><p>　　2.4.2顯示電路方案5</p><p>　　2.4.3人機交流方案6</p><p>　　2.4.4聲光報警模塊6</p><p>　　2.5 AT89S51單片機簡介6</p><p>　　2.6傳感器選擇6

12、</p><p>　　2.7A/D轉換器選擇7</p><p>　　3單元電路的設計與分析8</p><p>　　3.1單片機最小工作系統(tǒng)電路8</p><p>　　3.2數(shù)據(jù)采集電路9</p><p>　　3.2.1MQ-5簡介9</p><p>　　3.2.2 CO電壓-濃度曲線擬

13、合過程介紹11</p><p>　　3.2.3數(shù)據(jù)采集模塊電路12</p><p>　　3.2.4傳感器自檢電路13</p><p>　　3.3A/D轉換電路14</p><p>　　3.4人機交互模塊電路14</p><p>　　3.5顯示模塊電路15</p><p>　　3.6聲

14、光報警模塊電路15</p><p>　　3.7控制模塊電路16</p><p>　　4網絡通信模塊17</p><p>　　4.1網絡通信模塊原理17</p><p>　　4.2網絡通信模塊作用17</p><p>　　4.3MAX232芯片簡介17</p><p>　　5總體電路原

15、理圖及仿真18</p><p>　　5.1總體電路原理圖18</p><p>　　5.3 PCB板圖19</p><p>　　5.3程序編寫20</p><p>　　5.4仿真模擬21</p><p>　　5.4.1程序流程圖21</p><p>　　5.4.2仿真運行23<

16、/p><p>　　5.4.3 Proteus軟件及4Keil C51開發(fā)系統(tǒng)簡介23</p><p><b>　　6總結23</b></p><p><b>　　7致謝24</b></p><p><b>　　1緒論</b></p><h3>　　1.

17、1研究背景和意義</h2><p>　　隨著社會的發(fā)展，科學的進步，我們的生活燃料都已逐漸被煤氣、天然氣和液化石油氣代替。如今，煤氣已在小區(qū)，賓館，公寓廣泛使用。在我們方便的使用煤氣生活的同時，由于使用不當或者設備的老化也給我們帶來了各種安全隱患，嚴重的威脅著我們的生命和財產安全。如何預防煤氣泄漏和煤氣泄漏造成的災難將會是煤氣安全使用的一個重點方向。</p><p>　　城市使用的管道煤氣

18、主要成分是一氧化碳，它無色無味劇毒，是一種可燃氣體，化學式：CO。當濃度達到一定值時遇明火或電火花將會發(fā)生火災甚至爆炸。人體暴露在含有一氧化碳萬分之幾的空氣中，會有中毒的危險。中毒后頭痛、眩暈、無力、呼吸困難等，嚴重時將陷入深度昏迷，各種反射消失，甚至死亡。由于一氧化碳是無色無味氣體，所以人體靠視覺和嗅覺是感受不到一氧化碳的。但是城市管道煤氣里添加了能刺激鼻粘膜的硫醇氣體，這樣我們就能及時發(fā)現(xiàn)煤氣的泄漏。但如果我們不在家或者晚上不注意時

19、發(fā)生了煤氣泄漏就無能無力了，所以煤氣泄漏檢測儀對于安全使用煤氣來說是很重要的。</p><p>　　總結以上所述，為了能安全的使用燃氣，需要設計一種能從根本上有效的解決煤氣泄漏安全問題的煤氣泄漏檢測控制系統(tǒng)。該煤氣泄漏檢測系統(tǒng)中包括：數(shù)據(jù)采集模塊；A/D轉換模塊；人機交流模塊；顯示模塊；MCU模塊；控制模塊；網絡通信模塊。</p><h3>　　1.2國內外研究現(xiàn)狀</h2>

20、<p>　　在國外，煤氣泄漏檢測控制儀已經是一種非常成熟的產品。最早發(fā)明使用的國家是日本，無論是在傳感器技術上還是煤氣泄漏檢測控制儀研究上，日本都走在了國際的前端。由于日本國內大力推廣煤氣泄漏報警控制器的使用，日本國內發(fā)生的煤氣泄漏事故遠低于其他國家。在家庭安全使用煤氣方面，日本和美國政府都出臺了家庭和公寓要安裝煤氣泄漏報警器的使用法規(guī)。</p><p>　　我國在70年代初就對各類傳感器開始了研究，

21、并取得了很大的成就，對煤氣泄漏檢測儀及其相關的研究也已經開始。目前國內的煤氣泄漏檢測報警器的型號眾多、品種也較齊全。但是這些主要都是從國外引進的技術上發(fā)展而來，沒有自己的特色。</p><p>　　煤氣泄漏檢測儀主要分固定式的和便攜式兩種，便攜式一般是工業(yè)使用，主要用在煤氣管道巡檢查漏。家用的一般是小型的固定式，主要安裝在廚房里，用于煤氣泄漏檢測。煤氣泄漏檢測儀的發(fā)展和電子技術的發(fā)展息息相關，電子技術越發(fā)達，煤氣

22、泄漏檢測儀功能也更完善，可靠性也更高也具備了一定的智能?，F(xiàn)在市場上的煤氣泄漏檢測儀主要都是以單片機為核心設計的，但很多產品都缺少傳感器的自檢裝置。不能再傳感器損壞時及時發(fā)現(xiàn)，造成誤報以及失效。嚴重時會造成用戶判定錯誤，造成難以挽回的災難。</p><h3>　　1.3本課題的主要研究內容</h2><p>　　燃氣泄漏報警控制器是非常重要的，能提高燃氣使用安全，由氣敏傳感器、單片機、控制器

23、和報警器組成。當空氣中有煤氣泄漏時，儀器能及時檢測發(fā)現(xiàn)且發(fā)出聲光報警，并控制繼電器和電磁閥來打開排氣風扇和關閉煤氣閥，同時通過網絡向用戶發(fā)出通知。這樣，就可以從根本上解決燃氣的使用安全隱患。</p><p>　　本設計設計一款全新的家庭煤氣泄漏檢測儀，具有自動控制煤氣開關閥、排氣風扇開關，通訊報警功能。主要分為以下幾個方面：</p><p>　　1、分析用于家庭煤氣泄漏檢測儀所需要的功能及

24、市場上產品的不足，由此設計一款家用煤氣泄漏檢測系統(tǒng)。</p><p>　　2、煤氣泄漏檢測儀的功能和硬件電路各個模塊</p><p>　　3、主要使用電子元器件的選擇</p><p>　　4、網絡通信模塊的設計</p><p>　　5、電路原理圖和PCB板的制作和設計</p><p><b>　　6、程序編輯

25、，仿真</b></p><p>　　因此，本文的組織如下：</p><p>　　，簡單介紹本課題研究背景和意義，分析國內外現(xiàn)狀。</p><p>　　，分析課題提出系統(tǒng)設計要求設計出系統(tǒng)框圖，得出各個模塊的設計方案和各種元器件的選擇。</p><p>　　，詳細分析各個單元模塊的作用、電路組成。</p><p&

26、gt;　　，分析網絡通信模塊的作用，找出相應的設計方案。</p><p>　　，整機電路原理圖的制作，PCB板的制作，程序編輯，仿真。</p><p><b>　　，總結</b></p><p><b>　　2系統(tǒng)設計</b></p><p><b>　　2.1設計要求</b>

27、</p><p>　　課題要求設計一款煤氣泄漏檢測儀，要有煤氣泄漏檢測、聲光報警、單片機控制、網絡通信等功能模塊。當空氣中有煤氣泄漏時，儀器能及時檢測發(fā)現(xiàn)且發(fā)出聲光報警，并控制繼電器和電磁閥來打開排氣風扇和關閉煤氣閥，同時通過網絡向用戶發(fā)出通知。選擇合適的傳感器，能有效、靈敏、穩(wěn)定的工作。設計方案要能在根本上解決煤氣泄漏的安全問題。</p><p><b>　　2.2系統(tǒng)構成方案

28、</b></p><p>　　以單片機為核心，由MCU模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、A/D轉換模塊、顯示模塊、人機交互模塊、控制模塊、聲光報警模塊和網絡通信模塊組成。核心元器件單片機采用AT89S51單片機，重要元器件煤氣傳感器采用MQ-5半導體氣敏傳感器。設計中各種復雜的功能可以由軟件實現(xiàn)，這樣控制靈活易于擴展，使用的硬件資源也較簡潔，價格便宜。</p><p><b>　　

29、2.3方案分析</b></p><p>　　我們在做一個項目或者某個系統(tǒng)設計時,首先要考慮到的是對設計方案的可行性進行分析評估。此外我們還需要考慮到其他多方面的因素,主要有技術性能參數(shù)、經濟低廉性和操作可控性能這三個方面。</p><p><b>　　1、技術的可運行性</b></p><p>　　本系統(tǒng)采取了當前的熱門的單片機技術

30、,系統(tǒng)的核心控制處理器是單片機,在系統(tǒng)中所運用的技術手段是單片機最小系統(tǒng)設計，已經是相對比較成熟的技術。數(shù)據(jù)采集采用的是半導體氣敏傳感器，現(xiàn)在國內半導體氣體傳感器技術已經比較成熟，產品也比較多，價格便宜。</p><p><b>　　2、經濟的可行性</b></p><p>　　本系統(tǒng)設計的是一個家庭煤氣泄漏檢測控制儀,能夠在不對家庭電源、管道線路進行調整的情況下直接

31、使用,儀器硬件的設計成本也相對較低。采用單片機系統(tǒng)，復雜的功能由軟件實現(xiàn)，降低成本。</p><p><b>　　3、操作的可行性</b></p><p>　　設計本的目的是為了讓家庭使用煤氣更加的安全,消除煤氣泄漏帶來的隱患,因此在本系統(tǒng)的設計時必須具備可操作性。第一,該系儀器在室內安裝簡便,同時儀器的操作不能很復雜。使用此儀器以后,用戶能夠及時的發(fā)現(xiàn)家里煤氣泄漏的

32、情況,用戶可以隨時隨地用自己的智能手機等移動設備,通過互聯(lián)網連接就可以隨時隨地收到儀器發(fā)出的煤氣泄漏報警信息。</p><p><b>　　2.4各個模塊方案</b></p><h4>　　2.4.1控制模塊方案</h2><p>　　控制就采用單片機直接控制，不需要采用更多的硬件，節(jié)約資源控制成本。雖然51單片機的運行速度較慢，但是在這個較簡

33、單的系統(tǒng)中已經足夠使用了。由于單片機I/O資源較充足，所以控制由單片機直接控制繼電器和電磁閥來打開排氣風扇和關閉煤氣閥，能及時降低煤氣濃度，從根本上解決煤氣泄漏帶來的安全問題。</p><h4>　　2.4.2顯示電路方案</h2><p>　　如果采用簡單的數(shù)碼管動態(tài)掃描來顯示。由于要靠單片機不停地掃描才能顯示，這會占用大量的單片機內部資源和I/O接口資源。雖然這樣做電路簡單只需增加一點

34、點成本，但是會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定、顯示不穩(wěn)定。所以我們選擇液晶顯示模塊，顯示的內容更加豐富，更符合人機交互的要求。顯示時也不要靠單片機不停地掃描，只需要把數(shù)據(jù)輸入就可以，不需要占用單片機內部資源。這樣顯示內容豐富又清楚，系統(tǒng)運行又流暢穩(wěn)定。</p><h4>　　2.4.3人機交流方案</h2><p>　　此系統(tǒng)人機交流的內容較簡單，因此只需要4個按鍵即可。而單片機的I/O接口資源也夠用，所

35、以每個按鍵對應一個I/O接口解決就可以。用戶可以用這個模塊來輸入自己所需要的報警值，當儀器在報警狀態(tài)時也可以通過按鈕來停止報警。此外，該系統(tǒng)還有一個單獨的復位按鍵，用于單片機系統(tǒng)復位及重新啟動使用。當長時間沒有用戶操作時，系統(tǒng)將自動退回到正常工作狀態(tài)，顯示屏實時顯示煤氣濃度。</p><h4>　　2.4.4聲光報警模塊</h2><p>　　本模塊由一個蜂鳴器和三個不同顏色的發(fā)光二極管組

36、成，整個模塊結構簡單實用。綠色表示正常工作狀態(tài)，黃色表示臨界報警狀態(tài)，紅色表示報警狀態(tài)。正常工作狀態(tài)時只亮綠燈，臨界報警狀態(tài)時綠燈和黃燈同時亮起，報警時只亮紅燈。蜂鳴器在報警狀態(tài)時向起。由于電路構成簡單，此模塊可以直接靠單片機驅動運行。</p><h3>　　2.5 AT89S51單片機簡介</h2><p>　　單片機作煤氣泄漏檢測儀的核心部分，要同時完成不同的信號處理和相應控制。在系統(tǒng)

37、正常運行時，單片機需要不停地對數(shù)據(jù)采集模塊采集到的信號進行處理，同時需要控制其他各個模塊做出不同反應，如控制顯示模塊實時顯示煤氣濃度。要同時完成這些任務這，就要求單片機要有較快的運算速度。在選擇單片機時我們還要考慮制作成本，能在滿足性能要求的條件下選擇可靠性高、價格低的產品。</p><p>　　AT89S51單片機是一個低功耗，高性能的CMOS8位單片機，兼容標準MCS-51指令及80C51的引腳結構。AT89

38、S51是在AT89C51基礎上經過改進而來，增加了許多新功能，采用0.35新工藝，大幅提升性能而成本更低。AT89S51單片機具有以下特點：</p><p>　　4k Bytes Flash片內程序存儲器；</p><p>　　全靜態(tài)工作：0Hz-33KHz；</p><p>　　三級程序存儲器保密鎖定；</p><p>　　128*8位內部

39、RAM；</p><p>　　32條可編程I/O線；</p><p>　　兩個16位定時器/計數(shù)器；</p><p><b>　　2個中斷優(yōu)先級；</b></p><p><b>　　2層中斷嵌套中斷；</b></p><p>　　2個全雙工串行通信口；</p>

40、<p><b>　　5個中斷源；</b></p><p>　　看門狗（WDT）電路；</p><p>　　與MCS-51兼容；</p><p><b>　　可編程串行通道；</b></p><p>　　低功耗的閑置和掉電模式；</p><p>　　片內振蕩器和時鐘

41、電路。</p><p><b>　　2.6傳感器選擇 </b></p><p>　　本設計使用半導體氣敏傳感器MQ-5，它具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應快、使用簡單等優(yōu)點。是氣敏材料為Sn O2電阻型金屬氧化物的半導體氣敏傳感器的典型代表，這類傳感器的使用溫度較高，在200～500℃之間。當傳感器所在空氣中存在一氧化碳氣體的時候，傳感器的電阻隨著空氣中一氧化碳氣體濃度的

42、增加而減小。簡單的設計電路就可以將傳感器的電阻的變化轉換成和一氧化碳氣體濃度相對應的電壓信號，使用簡單。為了進一步提高它們的靈敏度，降低它們的工作溫度，一般會在氣敏材料中摻雜一些貴金屬材料（如Ag、Au、Pb）。</p><h3>　　2.7A/D轉換器選擇</h2><p>　　為了滿足各種使用任務的要求，大量性能結構不同的A/D轉換器被設計生產出來。A/D轉換器按位數(shù)來分有8位、10位

43、、12位、16位等，位數(shù)越高價格越高。本設計采用ADC0809A/D轉換器，此轉換器是8位的逐次比較式A/D轉換器，價格便宜。在A/D轉換器內部：有一個高阻抗斬波穩(wěn)定比較器、一個逐次逼近型寄存器、一個電阻分壓器。選用個A/D轉換器優(yōu)點是速度快、功耗低、價格便宜，而且足夠此系統(tǒng)使用。ADC0809轉換器主要特性：</p><p><b>　　（1）8路輸入通道</b></p>&

44、lt;p>　　（2）8位A/D轉換器，即分辨率為8位。</p><p>　?。?）具有轉換起?？刂贫?。</p><p>　?。?）轉換時間為100μs(時鐘為640KHz時)，130μs（時鐘為500KHz時）。</p><p>　　（5）單個+5V電源供電。</p><p>　　（6）輸入電壓大小：0～+5V，不需要零點和滿刻度校準。

45、</p><p>　?。?）工作溫度范圍為-40～+85攝氏度。</p><p>　?。?）低功耗，約15mW。</p><p>　　系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。煤氣傳感器檢測到煤氣信號經信號處理后傳給單片機，單片機在將信號經過分析處理后作出各種控制。</p><p>　　圖2.1 系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　本設計

46、以單片機為核心，由單片機模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、A/D轉換模塊、顯示模塊、人機交互模塊、控制模塊、聲光報警模塊和網絡通信模塊組成。采用AT89S51單片機，傳感器采用MQ-5氣敏傳感器。各種復雜的功能可以由軟件實現(xiàn)，控制靈活易于擴展。使用的硬件資源也較簡潔，價格便宜。傳感器檢測到煤氣濃度改變電阻值，數(shù)據(jù)采集電路把電阻值信號轉成模擬電壓信號。模擬信號經過A/D轉換器轉換后變成數(shù)字信號，單片機對輸入的數(shù)字信號進行相應處理。單片機將經信號處理后輸

47、出到顯示器顯示出來，并根據(jù)數(shù)值的大小做出不同的控制。當煤氣濃度超過設定的數(shù)值時，單片機驅動聲光報警電路，同時控制繼電器打開排氣風扇和電磁閥關閉煤氣，再通過網絡通信向用戶發(fā)送信息。</p><h2>　　3單元電路的設計與分析</h2><p>　　本設計煤氣泄漏檢測儀的硬件電路分為MCU模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、A/D轉換模塊、顯示模塊、人機交互模塊、控制模塊、聲光報警模塊和網絡通信模塊組成，下

48、面將分別介紹各個單元電路模塊的具體設計。</p><h3>　　3.1單片機最小工作系統(tǒng)電路</h2><p>　　單片機是這個設計的核心部分，原理圖如圖3.1所示。數(shù)據(jù)采集電路采集到的電壓信號經過A/D轉換器轉換變成數(shù)字信號，單片機對輸入的數(shù)字信號進行處理。單片機將經信號處理后輸出到顯示器顯示出來，并根據(jù)數(shù)值的大小做出不同的控制。當煤氣濃度超過設定的數(shù)值時，單片機驅動聲光報警電路報警，同

49、時驅動繼電器打開排氣風扇和電磁閥關閉煤氣，通過網絡通信向電腦發(fā)送信息。</p><p>　　對于51單片機來說單片機最小系統(tǒng)包括單片機、電源、晶振電路、復位電路等。復位電路復位操作完成單片機的內部初始化，根據(jù)本設計的要求采用按鍵脈沖復位較合理。因為這個系統(tǒng)只有一個單片機運行，所以晶振電路就采用單片機內部時鐘方式產生時鐘信號。下面將分別詳細介紹晶振電路和復位電路。</p><p><b

50、>　　晶振電路設計</b></p><p><b>　　1時鐘原理</b></p><p>　　時鐘電路的原理圖如圖3.2所示，采用12MHz大小的晶振。</p><p><b>　　圖3.2時鐘電路</b></p><p><b>　　2晶振電路的作用</b>

51、;</p><p>　　51單片機本身就是一個復雜的同步時序工作電路，為了保證51單片機正常穩(wěn)定的運行，51單片機必須在唯一的一個時鐘信號控制下運行，嚴格的按時序執(zhí)行各個指令。51系列單片機的時鐘信號產生一般有兩種方式，內部時鐘方式和外部時鐘方式。內部時鐘方式由單片機內部電路結合外部晶振、電容產生，外部時鐘方式是把外部已有的時鐘信號引入單片機。</p><p><b>　　3晶振

52、電路的要求</b></p><p>　　為了保證51單片機正常穩(wěn)定的運行，51單片機必須在唯一的一個時鐘信號控制下運行，嚴格的按時序執(zhí)行各個指令。在設計電路板時，晶振電路中的晶體振蕩器和微調電容應該盡量與單片機靠近，減小寄生電容的產生，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠的運行。</p><p><b>　　復位電路介紹</b></p><p>&l

53、t;b>　　1復位電路原理圖</b></p><p>　　復位電路原理圖如圖3.3所示，這個設計是采用按鈕復位，按下按鈕就可以使單片機進入復位狀態(tài)。</p><p>　　圖3.3復位電路原理圖</p><p><b>　　2復位電路的作用</b></p><p>　　復位操作可以使單片機內部電路初始化，

54、使單片機重新開始運行程序。除了系統(tǒng)上電復位外，當單片機運行時出現(xiàn)卡死、出錯時也需要復位操作來使單片機重新啟動。</p><p><b>　　3電路復位方式</b></p><p>　　51單片機一般有兩種復位方式，上電復位和按鍵復位兩種，如圖3.4所示。上電復位利用電容充放電來實現(xiàn)，電路上電后由于電容充電，會使RST持續(xù)高電平一段時間，單片機完成復位操作。按鍵復位電路

55、直接將RST端通過電阻和電源連接接，按鈕按下時單片機進入復位狀態(tài)。一般電容選擇10-30UF，電阻100-1000Ω。</p><p><b>　　3.2數(shù)據(jù)采集電路</b></p><p>　　數(shù)據(jù)采集模塊是此煤氣泄漏檢測儀的一個重要組成部分，數(shù)據(jù)采集是整個系統(tǒng)有效運行的前提，選用MQ-5氣體傳感器來采集數(shù)據(jù)。當傳感器感應到泄漏的煤氣時，傳感器的電阻值會隨著煤氣濃度

56、的變化而改變，這就產生了一個變化的電壓信號。簡單的電路設計就可以把電壓信號提取出來。</p><h4>　　3.2.1MQ-5簡介</h2><p>　　MQ-5氣體傳感器使用的材料是二氧化錫（SnO2），此材料在干凈的空氣中電導率較低。當傳感器在有煤氣的空氣中時，傳感器的電導率隨空氣中煤氣的濃度增加而變大。使用簡單的電路設計，就可以把傳感器變化的電導率轉化為與煤氣濃度相對應的電壓信號。M

57、Q-5氣體傳感器對液化氣、天然氣、煤氣的靈敏度較高，是一款適合多種氣體檢測的低成本傳感器。它具有使用壽命長、功耗低、驅動電路簡單的優(yōu)點，還有優(yōu)良的靈敏度和快速的響應恢復特性，具有可靠的穩(wěn)定性。</p><p><b>　　MQ-5的規(guī)格簡介</b></p><p>　?、贅藴使ぷ鳁l件如表3.1所示：</p><p>　　表3.1標準工作條件&l

58、t;/p><p>　?、诃h(huán)境條件如表4.2所示：</p><p><b>　　表3.2環(huán)境條件</b></p><p>　?、?靈敏度特性表3.3所示：</p><p>　　表3.3MQ-5規(guī)格 </p><p>　　MQ-5基本測試電路</p>

59、<p>　　MQ-5基本測試電路如圖3.5所示，從基本測試電路中可以得到Rs/RL=(Vcc-Vout)/Vout。傳感器需要先加熱到一定溫度后再使用，有個加熱電壓和測試電壓。RL采用20kΩ的滑動變阻器，用來調節(jié)傳感器的測試電壓，必須使用直流電源。</p><p>　　圖3.5基本測試電路</p><p>　　（3）MQ-5靈敏度特性曲線</p><p>

60、;　　圖3.6 MQ-5型靈敏度特性</p><p>　　MQ-5型靈敏度特性曲線如圖3.6所示?？v坐標（Rs/R0）為傳感器的電阻比，橫坐標為氣體濃度。RO是MQ-5在干凈空氣中的阻值，RS表示MQ-5在不同濃度氣體中的阻值。根據(jù)靈敏度特性曲線關系和基本測試電路，可以得到采集到的電壓和空氣中煤氣濃度的關系。</p><h4>　　3.2.2 CO電壓-濃度曲線擬合過程介紹</h2&

61、gt;<p>　　CO的電壓—濃度計算過程如表5.1所示。 </p><p>　　表5.1 CO的電壓-濃度計算過程</p><p>　　通過excel擬合 CO的電壓-濃度曲線,為了減小誤差，將濃度縮小100倍之后再進行曲線擬合。CO的電壓-濃度曲線如圖5.5所示。</p><p>　　圖5.5 CO的電壓-濃度曲線</p><

62、p>　　再將得到的公式擴大100倍，即可以得出電壓和濃度的關系：</p><h4>　　3.2.3數(shù)據(jù)采集模塊電路</h2><p>　　數(shù)據(jù)采集模塊如圖3.7。在電路中MQ-5傳感器檢測到煤氣信息，并把它轉化為電阻值信號，不同煤氣濃度對應的電阻值也不同。RO電阻和傳感器分壓，當傳感器電阻不同時兩端的電壓也不同，RO采用20KΩ滑動變阻器。因為輸出電壓在不斷變動，所以加一個運放LM3

63、58起緩沖和隔離作用。由于該設計是用來檢測煤氣，所以把輸出電壓代入一氧化碳濃度和電壓的關系式就可以算出煤氣濃度了。</p><p>　　圖3.7數(shù)據(jù)采集模塊電路</p><h4>　　3.2.4傳感器自檢電路</h2><p>　　煤氣泄漏檢測控制儀在長時間使用過程中時，傳感器難免會因為使用不當或者使用時間過長失效，加熱電阻絲燒斷，造成儀器失效。但是這種儀器用戶又不

64、是經常查看檢測，難以發(fā)現(xiàn)這種問題，有可能導致嚴重的后果。為了讓用戶在第一時間發(fā)現(xiàn)儀內的煤氣傳感器損壞情況，我們需要增加一個傳感器自檢電路，提高儀器的安全系數(shù)。傳感器自檢電路的存在，會讓設計的儀器更加的安全可靠。</p><p>　　傳感器自檢電路如圖3.8所示。</p><p><b>　　圖3.8自檢電路</b></p><h3>　　3.3

65、A/D轉換電路</h2><p>　　在這個設計中，因為只需要使用一個通道，所以A/D轉換器上選用IN0輸入其它輸入引腳接地。INO口輸入采集到的數(shù)據(jù)，經過內部轉換后向單片機輸出。如圖3.9所示</p><p>　　圖3.9A/D轉換模塊</p><h3>　　3.4人機交互模塊電路</h2><p>　　因為本設計簡單實用，所以人機交互只需

66、要4個按鍵就可以。而單片機的I/O接口資源也充足，所以一個按鍵接一個I/O接口解決。按下S3按鍵時，進入報警值設置界面，按一下S5數(shù)值增加100，按S4減少100，再按下S3確認報警值。按下S2按鍵系統(tǒng)退出報警狀態(tài)。用戶長時間不操作時，系統(tǒng)將自動退回顯示濃度界面。為了保證電路的穩(wěn)定性，設計上加了上拉電阻。電路圖如圖3.10所示。</p><p>　　圖3.10人機交互模塊</p><p>

67、<b>　　3.5顯示模塊電路</b></p><p>　　液晶顯示器因為有功耗低、體積小、顯示內容豐富等多種優(yōu)點，在各種系統(tǒng)中使用越來越常見了。本設計采用1602液晶顯示模塊。是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型顯示器。本設計采用5x7點陣的LCM1602液晶模塊，可以顯示2行16個字。</p><p>　　1602內部的CGROM已經存儲了160個不同的字

68、符圖形，這些字符包括：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號等。每一個字符都有唯一代碼，比如字母“A”的代碼是B。顯示時把地址41H中的字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。由于儲存的字符代碼與我們現(xiàn)在PC中的字符代碼基本是一致的，所以在寫S51字符代碼程序時可以直接用P1=‘A’這樣的方法來賦值。PC在編譯時就把'A'先轉換為41H代碼了。</p><p><b>　　圖3.11

69、顯示電路</b></p><h3>　　3.6聲光報警模塊電路</h2><p>　　聲光報警電路因為電子元件較少，所以比較簡單。如圖3.12所示，共有三個不同顏色的發(fā)光二級管和一個蜂鳴器及若干個電阻組成?？諝猸h(huán)境正常時，綠色二極管亮起；空氣中煤氣濃度接近設置的報警值時，黃色二極管閃爍；當空氣中煤氣濃度超過設置的報警值時，紅色二極管閃爍，同時蜂鳴器響起。</p>

70、<p><b>　　3.7控制模塊電路</b></p><p>　　控制電路中繼電器和電磁閥直接由單片機控制，繼電器用來控制排氣風扇，電磁閥選用燃氣電磁閥用來控制煤氣的通斷。當系統(tǒng)處在報警狀態(tài)時，單片機控制繼電器開關打開風扇同時控制電磁閥關閉煤氣。</p><p>　　風扇的控制電路如圖3.13所示。繼電器控制風扇的開關，而單片機控制繼電器，從而控制風扇的開

71、關。風扇啟動帶動空氣流動，使房屋內煤氣濃度下降。</p><p>　　圖3.13風扇驅動模塊</p><p>　　電磁閥的控制電路如圖3.14所示。電磁閥不通電時是關閉狀態(tài)的。由于煤氣泄漏時遇到點燃源會發(fā)生爆炸，而電磁閥是電動的工作時可能會產生電火花，所以選用燃氣電磁閥。當系統(tǒng)處在報警狀態(tài)時，單片機給三極管一個低電平的信號。三極管截止，燃氣電磁閥就關閉了，基于安全考慮系統(tǒng)需要手動復位。正常

72、狀態(tài)下，單片機給三極管高電平信號，燃氣電磁閥是導通狀態(tài)的。</p><p>　　圖3.14電磁閥控制模塊</p><p><b>　　4網絡通信模塊</b></p><h3>　　4.1網絡通信模塊原理</h2><p>　　51系列單片機內部有個全雙工串行異步通信接口，可以方便的和PC機通信。單片機實現(xiàn)串口通信非常重要

73、，不但可以實現(xiàn)電腦對單片機的控制和下載程序，而且可以實現(xiàn)單片機向電腦傳輸數(shù)據(jù)。PC機的串口是RS232電平的，所以單片機和電腦通信之間要有個電平轉換電路。我們可以選用MAX232芯片來進行轉換，這種芯片是專用芯片，比起用電路模擬轉換更簡單可靠。用來和電腦連接的串口，我們接三根線就夠了，這也是最簡單的連接方法，也足夠使用。第2、3、5針腳分別接RXD、TXD、GND。電路原理圖如圖4.1。</p><p>　　圖4

74、.1 網絡通信模塊</p><h3>　　4.2網絡通信模塊作用</h2><p>　　如今信息時代已經到來，個人PC已經非常的普遍，互聯(lián)網也在快速的發(fā)展，基本每個家庭都有電腦。作為新一代的年輕人，已經離不開互聯(lián)網了。我們可以電腦把煤氣泄漏檢測儀發(fā)出來的信息向在外的用戶及時發(fā)送。雖然以上設計可以讓單片機和電腦通信，但是用戶要在電腦上查看單片機傳輸過來的信息并加以運用，那么用戶還得再電腦上裝

75、上配套的軟件。軟件可以把煤氣泄漏檢測儀報警時向電腦發(fā)送的信息經過各種實時聊天軟件向用戶遠程發(fā)送，讓用戶在外面也能及時發(fā)現(xiàn)家里煤氣的泄漏，及時處理。</p><h3>　　4.3MAX232芯片簡介</h2><p>　　MAX232是MAXIM公司設計的芯片。專為RS-232標準串口設計的電平轉換芯片，使用+5V單電源供電。</p><p>　　1、符合RS-232

76、C技術標準。</p><p>　　2、只需要單一 +5V電源供電。</p><p>　　3、具有片載電荷泵，能夠產生+10V、-10V電壓。</p><p>　　4、功耗低，典型供電電流5mA。</p><p>　　5、內部集成2個RS-232C驅動器。</p><p>　　6、高集成度，只需4個電容即可正常運行。&l

77、t;/p><p>　　7、內部集成兩個RS-232C接收器。 </p><p>　　MAX232芯片基本參數(shù)：</p><p>　　驅動器/接收器數(shù)：2/2</p><p>　　電源電壓：4.5 V ~ 5.5 V</p><p>　　典型單電源電壓：5V</p><p>　　發(fā)送器信號類

78、型：單端</p><p><b>　　發(fā)送器數(shù)目：2</b></p><p><b>　　引腳數(shù)目：16</b></p><p>　　接口標準：EIA/TIA-232-F,V.28</p><p>　　接收器信號類型：單端</p><p><b>　　接收器數(shù)目：2

79、</b></p><p><b>　　收發(fā)器數(shù)目：2</b></p><p>　　數(shù)據(jù)傳輸布局：點對點</p><p>　　工作溫度：0°C~70°C</p><p>　　最大電源電流：10mA</p><p>　　最小單電源電壓：4.5V</p>&

80、lt;p><b>　　安裝類型：通孔</b></p><h2>　　5總體電路原理圖及仿真</h2><h3>　　5.1總體電路原理圖</h2><p>　　為了方便仿真實驗，我們畫電路原理圖使用Proteus軟件畫。畫原理圖應當注意以下方面：</p><p>　　元器件符號不能搞錯，要按照原理圖各個元器件標準要

81、求來標準。</p><p>　　各個元件標注符號不能重復。</p><p><b>　　線路不能出現(xiàn)虛接。</b></p><p>　　有方向性的元件不可以搞錯方向和正負極。</p><p>　　原理圖要按照從左到右或從上到下的順序來排列。</p><p>　　各種標注要明確、到位、清晰。<

82、/p><p>　　原理圖盡量以功能塊為單元</p><p>　　為了后續(xù)制作，各個元件要選合適的封裝。</p><p>　　電路原理圖畫好后如圖5.1</p><p><b>　　圖5.1整體電路圖</b></p><p>　　硬件是系統(tǒng)的軀體，硬件布局的好壞和選材對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有直接的影響。硬件調試

83、</p><p>　　是整個設計中一個重要的環(huán)節(jié)，調試時先各個模塊分開測試。分別編寫各個模塊的程序，再分別導入單片機檢測各個模塊可不可以正常的運行。</p><p><b>　　5.3 PCB板圖</b></p><p>　　畫PCB板一般規(guī)則如下：數(shù)字、模擬元器件及走線盡量分，開并放置在各自的區(qū)域內。高速數(shù)字信號走線盡量短。敏感模擬信號

84、走線盡量短。 合理分配電源和地。DGND、AGND、實地分開。數(shù)字電路應該放在并行總線/串行接口附近。</p><p>　　DAA電路放在電話線接口邊上。</p><p>　　PCB板圖畫好后如圖5.2</p><p><b>　　5.3程序編寫</b></p><p>　　打開Keil uVision4軟件，進入

85、主界面。如圖5.3所示。</p><p>　　源文件建立：使用菜單 “File-New”或點擊工具欄的新建按鈕，就可以打開編輯程序的窗口，編輯源程序時就在此窗口編輯。新建文件后要先保存文件，加上后綴（.c），文本名字隨意英文名。</p><p>　　建立工程文件：點擊“Project-New Project”菜單，建立新的工程，輸入工程名字保存，在新的彈出對話框里選擇所用的CPU，確定。接

86、下來需要我們向新建的工程里添加源程序，在工程窗口中點擊“Targ et1”前面“+”，選中“Souce Group”右鍵鼠標。在出現(xiàn)的下拉菜單中選擇“Add file to Group Souce Group1”，這時彈出新的窗口要求選擇源文件，選擇我們一開始新建的源文件雙擊即可，點擊”Close”返回主頁面。</p><p>　?。?）工程的詳細設置：首先點擊左邊Project窗口的Target 1,然后使用菜

87、單“Proget-Option for target ‘target 1’”就可以打開設置詳細對話框。這個對話框一共有8個頁面，設置內容比較復雜，一般使用時需自己設置的內容很少，大多數(shù)選擇默認值。設置完成后點擊確認，返回主頁面，一個新工程就建好了。 </p><p>　?。?）編譯、連接：在設置好工程后，既可以進行編譯、連接。新工程源文件編輯完成后，我們就要進行編譯。編譯中出現(xiàn)的問題將出現(xiàn)在Build頁中，雙擊

88、Build頁中出錯的項，就可以定位到出錯的源程序位置。對出錯的源文件進行修改，最終得到后綴為.hex的文件。在Proteus上仿真時，把該文件導入單片機即可進行仿真。</p><p><b>　　5.4仿真模擬</b></p><p>　　在Proteus上把整體電路原理圖繪制出來后，再經檢查一遍確認電路準確。把在Keil C51上編譯最終得到的后綴為.hex的文件導

89、入單片機進行仿真。仿真中，傳感器的模擬信號采用信號端子模擬，可以手動調整采集信號的大小。待系統(tǒng)正常運轉后，進行各個煤氣濃度的模擬，確認系統(tǒng)可以按照預期的設想做出反應。在模擬過程中，可以根據(jù)實際情況來不停地調整程序及硬件，更加完善系統(tǒng)。軟件設計采用模塊化設計，結構清晰、簡潔，流程合理，且模塊化設計便于調試、連接、移植和修改。</p><p>　　本設計中，程序編輯采用C語言。C語言是一種結構式高級語言，可以跨平臺使

90、用，由于標準的存在，讓基本一樣的C代碼可以在多種系統(tǒng)上運行。C語言簡潔緊湊、靈活方便。有32個關鍵字，9個控制語句。數(shù)據(jù)類型豐富，有：整型、實型、字符型、數(shù)組類型、指針類型、結構體類型、共用體類型等。表達方式靈活實用，提供多種運算符和表達式值的方法。允許直接訪問物理地址，對硬件進行操作。生成目標代碼質量高，程序執(zhí)行效率高。C比匯編語言更方便閱讀，易于調試、修改和移植?？梢浦残院茫磉_能力強。</p><h4>　

91、　5.4.1程序流程圖</h2><p>　　主程序流程圖如圖5.4所示</p><p><b>　　圖5.4程序流程圖</b></p><p><b>　　5.4.2仿真運行</b></p><p>　　在制作好的電路圖上，左鍵雙擊單片機AT89S51，在Program File中選擇在Keil中

92、編輯生產的HEX文件，確認后點擊左下方的運行按鈕，軟件開始進行仿真。仿真結果如圖5.3所示。</p><p>　　仿真啟動時，電源指示燈亮起，液晶顯示器顯示煤氣傳感器檢測到的煤氣濃度值。當煤氣超過設定值時，紅燈點亮并且?guī)в新曇艟瘓?，同時單片機控制電磁閥和繼電器關閉煤氣閥打開風扇。用戶可根據(jù)聲音及燈光信號判斷出是否有燃氣泄漏，并作出相應處理。</p><h4>　　5.4.3 Proteus

93、軟件及4Keil C51開發(fā)系統(tǒng)簡介</h2><p>　　Proteus是英國Lab Center Electronics公司發(fā)行的一款EDA工具軟件，是一款比較好的單片機實驗仿真軟件，在國內受到廣大單片機愛好者的青睞。Proteus軟件有從原理圖制作到PCB板設計及軟件調試所有有的功能，可以真正實現(xiàn)從概念到完整的產品設計。其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC

94、33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器。它也支持除Keil外等多種編譯器。Proteus軟件功能特點有：</p><p><b>　　1．原理布圖</b></p><p>　　2．PCB自動或人工布線</p><p>　　3．SPICE電路仿真</p><p>&

95、lt;b>　　4．互動的電路仿真</b></p><p>　　Keil C51是Keil Software公司開發(fā)的用于51系列單片機C語言編輯軟件，可以使用C語言來編輯單片機源程序。該軟件提供了C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理等功能，用一個開發(fā)環(huán)境（μVision）將這些組合在一起。我們可以用C語言通過Keil軟件來編寫出自己需要的運行程序，再通過Proteus軟件加載到單片機后運行仿真。如果

96、使用C語言來來編程，那使用Keil軟件再合適不過了。</p><p><b>　　6總結</b></p><p>　　本設計是利用單片機結合傳感器技術而設計的煤氣泄漏檢測控制器,設計煤氣泄漏檢測與報警系統(tǒng)?？梢约皶r的發(fā)現(xiàn)解決煤氣泄漏帶來的安全隱患，有效保護著人們的生命財產安全。設計中用了單片機系統(tǒng)、傳感器應用、C語言編程知識，此設計已經通過仿真證明了原理上的可行性。在

97、單片機方面，選用ATMEL公司的AT89S51單片機作為核心，資源合理應用，體現(xiàn)了單片機系統(tǒng)的的靈活性。而且用戶還可以通過網絡知道家里的煤氣泄漏情況。采用氣敏傳感器MQ-5作為煤氣泄漏數(shù)據(jù)采集，使用壽命長、功耗低、驅動電路簡單、使用方便、費用低。在硬件設計上，采用已有的經典電路設計，并做了適當?shù)男薷?；軟件設計上，采用模塊化編程；為了使儀器功耗更低，盡量在性能夠用的基礎上采用低功耗的元器件。</p><p>　　設

98、計以單片機為核心，由MCU模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、A/D轉換模塊、顯示模塊、人機交互模塊、控制模塊、聲光報警模塊和網絡通信模塊組成。單片機采用AT89S51單片機，氣敏傳感器采用MQ-5傳感器。設計中各種復雜的功能由軟件實現(xiàn)，控制靈活易于擴展，使用的外圍硬件資源也較簡潔，價格便宜，可以大規(guī)模投入實際應用。</p><p><b>　　7致謝</b></p><p>　　時

99、光如流水，四年的時間已經一去不反。我在這四年的大學生活中，受到各位尊敬的老師的教育和培養(yǎng)，思想和學習上都受益匪淺。在這次畢業(yè)論文設計中，非常感謝我的指導老師給我的幫助，同時我還要感謝在四年的大學生活中給我?guī)椭陌嘀魅渭案魑焕蠋熀屯瑢W。還有感謝我爸媽對我的養(yǎng)育之恩，在以后的生活中我將積極向上，努力學習。這次畢業(yè)論文，算是人生中最后一次做學校的作業(yè)了。設計中用到了在課堂上學到的各種知識，再一次溫習了以前的知識。畢業(yè)論文的完成，意味著我大學生