滨江学院毕业论文（设计）题目基于单片机的家用煤气报警器院系电子工程系专业电子科学与技术学生姓名**指导教师2011年05月20日目录TOC\o"1-3"\h\z\u1引言41.1课题研究的背景41.2国内外研究现状及发展动态41.3研究意义52方案选择与论证52.1系统方案选择52.1.2系统设计基本内容62.1.3系统总体框架63系统硬件设计63.1主机单元电路73.1.单片机83.1.2复位电路103.1.3时钟电路103.2功能模块部分113.2.的数据采集单元113.2.2液晶显示模块133.2.3人机交换模块143.2.4声光报警模块153.2.5气体传感器信号采集模块153.2.5.1MQ-2的管脚连接153.2.5.2MQ-2管脚介绍163.2.5.3传感器灵敏度特性174软件系统设计184.1单片机流程图194.2主程序清单204.31602头文件275小结30参考文献30附录131欢迎画面31进行报警32浓度正常33附录234实物照片：34基于单片机的家用煤气报警器李洲南京信息工程大学滨江学院电子科学与技术，南京摘要：本论文设计的煤气报警器采用了单片机为报警器的核心部件，对煤气报警器进行控制。

通过MQ-2半导体气体传感器对煤气进行检测，将所得的浓度值以百分比的形式表现出来，并与设定浓度值的百分比相比较得到偏差。通过对偏差信号的处理获得控制信号，发生报警信号，煤气浓度对应的模拟量利用A/D转换为数字量，并加入了键盘输入控制报警上限，从而实现对家用煤气漏气的监控。整个系统的硬件电路设计合理，性能安全可靠。关键词：51单片机;气体传感器;煤气浓度1引言1.1课题研究的背景随着我国燃气的变革及西气东输工程的进行，煤气或天燃气已成为多数家庭的燃料。每年，因煤气泄露造成的煤气中毒事故中，因使用热水器不当或产品本身的质量问题，造成的煤气中毒事故，全国均有不少事例。有甚者，因室内煤气浓度过高，引起煤气爆炸的事故也不少见[1]。家用煤气有时会因各种原因发生泄漏，煤气的主要成分是甲烷，甲烷是一种可燃性气体，遇到明火会发生燃烧甚至爆炸，所以如果在煤气泄漏时打电话，使用家用电器的话，煤气遇到电火花可能会发生爆炸事故。人呆在煤气泄漏的空间内，甲烷的不完全燃烧可能会生成一氧化碳，人体吸入有毒气体一氧化碳后，一氧化碳将会迅速与血液中的红细胞结合导致人体中毒昏迷，如果长时间吸入泄露的煤气甚至会发生中毒死亡。

一氧化碳中毒属内科急症，如不及时发现及治疗，将会危及生命。近年来，我国部分地区非职业性一氧化碳中毒事件时有发生。特别是冬春季高发，据不完全统计，我国2006年因非职业性一氧化碳中毒，造成至少3850人中毒，142人死亡。2007年3-5月份，南汇区发生了2起非职业性一氧化碳中毒事件。1.2国内外研究现状及发展动态民用可燃气体报警器为居民家庭用的燃气报警器，一般安装在厨房，遇燃气泄漏时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。有的报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外；有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。在应用方面，目前最广泛的是可燃性气体气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，从工厂企业到居民家庭，应用十分广泛。仅以用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，日本早在1980年1月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器法规，1986年5月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。美国目前已有6个州立法，规定家庭、公寓等都要安装CO报警器。报警器种类也相当繁多，有用于一般家庭、集体住宅、饮食餐店、医院、学校、工厂的各种气体报警器和系统，有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、遮断连动系统、防止中毒报警防护系统等。

结构型式有袖珍型便携式、手推式、固定式报警等；工业用固定式报警又有壁挂式、台放式、单台监控式、多路巡检式等。气体检测技术与计算机技术相结合，实现了智能化、多功能化。美国工业科学公司（ISC）一台携带式气体监控仪可实现4种气体监测，采用了统一的软件，只需要换气体传感器，即可实现对特定气体监测。美国国际传感器技术（IST）公司应用一种“"传感器和微程序控制单元，可检测100种以上毒性气体和可燃性气体，通过其“气体检索”功能扫描，能很快确定是哪一种气体。而我国在这方面的普及相对西方发达国家来说很薄弱，近年来我国也有意识的在气体泄漏检测和监控方面下功夫，国内相继出现多款类似的产品。总的看来，我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大的差距，主要是产品制造技术、产业化及应用等方面的差距，与日本比较仍要落后10年。1.3研究意义在小区内保安室或是矿区主控室（以下简称总台）安装好一个控制主机和报警模块，在小区的每一个住户安装或是矿区的每一个矿点安装一个到多个探测头和报警模块。这样就可以同时在发生意外的时候及时的在总台和发生意外的所在点产生声光报警，及时的疏散意外所在点的人群并告之总台的控制端。

总台可以通过显示模块得知哪个点发生意外，并及时的进行处理和疏导人群[2]。2方案选择与论证2.1系统方案选择方案一，通过传感器感受到可燃性气体，降低自身的阻值，来增大电流，并且驱动蜂鸣器报警。电路简单、可靠但是灵活性和实用性差；方案二，可以通过传感器感知信号多级放大电路，并用电位器调节得到固定的电压值，当得到可燃性气体信号时，电阻值立刻变小，放大器的放大倍数增加，电压也就随着增加，驱动三极管导通报警电路。该方案有一定的灵活性和可执性，但是电路比较复杂，智能性差；方案三，通过51系列单片机作为主控单元，并且能够通过传感器把模拟信号通过A/D信号转换为数字信号，并且读取和显示出来。键盘可以通过不同的应用场合和针对不同气体做出不同的浓度设定，并且储存报警的上限，方便查询和日后的工作调查[3]。综合考虑，由于使用单片机设计灵活性更强、用途更宽广，所以本设计采用方案三。2.1.2系统设计基本内容本论文在硬件设计方面主要研究组成家用煤气泄漏报警控制系统的单片机芯片、气体传感器的使用方法，同时研究电路设计思路、电路组成，包括控制芯片、气体传感器、单片机、显示电路等的选用和设计，最后给出结构框图、电路原理图。

软件设计部分主要是报警系统控制程序和LCD显示程序。至此本系统具有如下特点，用单片机实现定时控制，电路简单、价格便宜、可靠性好[13]。2.1.3 系统总体框架单片机控制系统由于系统对实时性、精确性和可靠性要求非常高，系统采用单片机作为现场控制器，完成对煤气浓度信号采集、运算、控制LCD显示浓度数据。硬件电路组成框图如图2-1所示。图2-1 单片机控制系统组成3 系统硬件设计硬件系统的电路包括主机单元的电路和功能实现系统模块电路。主机单元主要由89s51单片机与复位电路和时钟电路组成。功能实现系统模块，由A/D转换电路、信号处理电路、液晶显示模块、声光报警电路和传感器组成。系统整体原理图如图3-1。图3-1 系统整体原理图3.1 主机单元电路主机模块是由主控芯片、复位电路和时钟电路构成。它是仪表的核心部分。复位电路防止系统死机，保证程序正常运行；时钟电路产生时钟周期驱动芯片[5]。主机模块总体连接如图3-2。图3-2主机模块总连接图3.1.1 单片机本设计中的主芯片采用美国ATMEL公司的 (​http:​\/​​\/​.atmel​\/​dyn​\/​​\/​​\/​.pdf" \t "​)。

引脚图如图3-3。图3-3 89S51各个引脚控制器部分采用了美国ATMEL公司的 (​http:​\/​​\/​.atmel​\/​dyn​\/​​\/​​\/​.pdf" \t "​)单片机， 是美国ATMEL 公司生产的低功耗，高性能CMOS 8 位单片机，片内含4K 的可编程的Flash 只读程序存储器，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash 程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8 位微处理器于单片机芯片中，ATMEL 公司的功能强大，低价位 单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。 采用40 引脚双列直插封装(DIP) 形式， 内部由CPU，4kB 的ROM，256 B 的RAM，2 个16b 的定时／计数器TO 和T1，4 个8b 的I/O端[15]。主要功能表特性见表3-1。兼容MCS-51指令系统4k可反复擦写(>1000次）ISP Flash ROM32个双向I/O口4.5-5.5V工作电压2个16位可编程定时/计数器时钟频率0-33MHz全双工UART串行中断口线内部RAM6个外部中断源低功耗空闲和省电模式中断唤醒省电模式三级程序加密锁看门狗（WDT）电路软件设置空闲和省电功能灵活的ISP字节和分页编程双数据寄存器指针表3-1 主要功能表特性在本设计中，P0接上拉电阻，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。

；P2.7作为片选端口用来使能报警器， RESET接复位电路，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。主机完成对煤气浓度信号采集、运算、控制LCD显示浓度数据[4]。其最简单的连接图如图3-4。图3-4 89S51最小系统3.1.2 复位电路系统复位是任何微机系统执行的第一步，它将使整个控制芯片回到默认的硬件状态下，也就是单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行。单片机的复位是由外部的复位电路来实现的，其复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连。该触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2,输出的电平由复位电路采样一次，然后得到内部复位操作所需要的信号。复位电路工作原理如图3-5所示，VCC上电时，C5充电，在电阻R2上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒后，C5充满，电阻R2上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态 (​http:​\/​​\/​baike.baidu​\/​view​\/​.htm" \t "​)。工作期间，按下S6，C5放电;松开按键S6，C5又充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位。

几个毫秒后，单片机进入工作状态。图3-5 复位电路3.1.3 时钟电路时钟是单片机的心脏，单片机中各功能部件的运行都是以时钟频率为基准。本次设计用的是内部时钟方式：单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，输入端为芯片引脚XTAL0，输出端为引脚XTAL1；这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。电路图3-6所示。图3-6 时钟电路图3.2 功能模块部分该部分中主要由数据采集模块、液晶显示模块、信号处理模块和声光报警模块。可以实现89S51单片机的对传感器信号进行采集计算比较，并产生相应的报警措施。人机对话方面，可以通过键盘来调节设置值，并且查看现场测试值[10]。3.2.1 的数据采集单元本设计A/D转换器选择了，该芯片是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATA OUT三条口线进行串行接口。具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17μs， 为40 000次/s。总失调误差最大为±0.5LSB，典型功耗值为6mW。采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，VREF-接地，VREF+－VREF-≥1V，可用于较小信号的采样[6]。

引脚介绍如图3-7所示。图3-7 的引脚图片型小，采样速度快，功耗低，价格便宜，控制简单.适用于低功耗的袖珍仪器上的单路A/D或多路并联采样。图3-8工作时序图有片内系统时钟，该时钟与I/O CLOCK是独立工作的，无须特殊的速度或相位匹配。其工作时序如图3-8所示。当CS为高时，数据输出(DATA OUT)端处于高阻状态，此时I/O CLOCK不起作用。这种CS控制作用允许在同时使用多片时，共用I/O CLOCK，以减少多路(片)A/D并用时的I/O控制端口[14]。一组通常的控制时序为：(1)将CS置低。内部电路在测得CS下降沿后，再等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后，然后确认这一变化，最后自动将前一次转换结果的最高位(D7)位输出到DATA OUT端上。(2) 前四个I/O CLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5个位(D6、D5、D4、D3)，片上采样保持电路在第4个I/O CLOCK下降沿开始采样模拟输入。(3)接下来的3个I/O CLOCK周期的下降沿移出第6、7、8(D2、D1、D0)个转换位，(4)最后，片上采样保持电路在第8个I/O CLOCK周期的下降沿将移出第6、7、8(D2、D1、D0)个转换位。

保持功能将持续4个内部时钟周期，然后开始进行32个内部时钟周期的A/D转换。第8个I/O CLOCK后，CS必须为高，或I/O CLOCK保持低电平，这种状态需要维持36个内部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。如果CS为低时I/O CLOCK上出现一个有效干扰脉冲，则微处理器/控制器将与器件的I/O时序失去同步；若CS为高时出现一次有效低电平，则将使引脚重新初始化，从而脱离原转换过程。在36个内部系统时钟周期结束之前，实施步骤(1)－(4)，可重新启动一次新的A/D转换，与此同时，正在进行的转换终止，此时的输出是前一次的转换结果而不是正在进行的转换结果。若要在特定的时刻采样模拟信号，应使第8个I/O CLOCK时钟的下降沿与该时刻对应，因为芯片虽在第4个I/O CLOCK时钟下降沿开始采样，却在第8个I/O CLOCK的下降沿开始保存。使用时一定要注意电路板的布线，电路板的布线要确保数字信号和模拟信号隔开，模拟线和数字线特别是时钟信号线不能互相平行[11]。总体设计如图3-9。图3-9 的总体设计3.2.2液晶显示模块该模块是由液晶显示器件组成,其各个管脚功能为：第1脚：GND 为地电源；第2脚：VDD 接5V 正电源；第3脚：V0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度 过高时会产生“鬼影”，使用时可以通一个10K 的电位器调整对比度；第4脚：RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器；第5脚：RW 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和RW 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据；第6脚：EN 端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令； 第7～14脚：D0～D7 为8位双向数据线；第15～16脚：背光电源脚。基本操作时序如表3-2。基本时序操作输入输出读状态RS=L,R/W=H,E=HDO～D7=状态读数据RS=H,R/W=H,E=H无写指令RS=L,R/W=L,E=高脉冲,DO～D7=指令码DO～D7=数据读指令RS=H,R/W=L,E=高脉冲,DO～D7=数据无表3-2 基本操作时序与单片机的应用连接电路图如图3-10所示。图3-10 液晶显示模块接口电路3.2.3 人机交换模块通过按键的设置可以将报警的浓度上限进行修改。当按KEY1时，P2.3为低电平，单片机会自行判断程序的设置值并且在屏幕上显示出来；KEY2同理。本次程序设计是按百分比来显示浓度的，设计程序默认设置KEY1为+0.1%，KEY2为-1%。设置按键与单片机的pin脚接口图如图3-11。

图3-11 按键接口图3.2.4 声光报警模块当发生报警事件时，除了显示浓度数值外，还要有声光报警功能。用声音或是灯光报警时，连续的声响或常亮的灯光往往不易被人们的警觉，只有断续的声音或山所的灯光才能取得最佳的报警效果。就利用时钟翻转P2.5、 P2.6和P2.7来转换电平，产生短促的报警声音或闪烁灯光。当浓度正常时，管脚P2.5和P2.7为低电平，P2.6为高电平，此时D17灯灭D18灯亮，蜂鸣器不工作；当浓度达到报警浓度上限时，管脚P2.5呈现高电平，管脚P2.6为低电平，从而使D17灯亮，D18灯灭，同时管脚P2.7为高电平，使三极管的集电极与发射极导通，蜂鸣器发出报警声音[12]。电路的连接图3-12如下。图3-12 声光报警电路3.2.5 气体传感器信号采集模块3.2.5.1 MQ-2的管脚连接MQ-2的1脚和3脚、4脚和6脚是信号传输脚；2脚和5脚是用于提供加热电流的；传感器检测到气体，电阻随燃气浓度而变化，它的负载也随之发生改变，电压改变的模拟信号被传到的ANLG IN管脚，然后A\D转换器将模拟信号转换成数字信号，再传给51单片机进行处理并显示[7]。MQ-2与的管脚连接如图3-13所示。

图3-13 MQ-2与的管脚连接图3.2.5.2 MQ-2管脚介绍MQ-2 气敏元件的结构和外形如图3-14 所示(结构AorB),由微型AL2O3 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[8]。测量电路如图3-15所示。图3-14 MQ-2管脚图图3-15 测量电路3.2.5.3 传感器灵敏度特性如图3-16 给出了MQ-2型气敏元件的灵敏度特性。其中：温度：20℃、相对湿度：65%、氧气浓度：21%、RL=5kΩ、Rs：元件在不同气体，不同浓度下的电阻值。R0: 元件在洁净空气中的电阻值。图3-16 MQ-2 型气敏元件的灵敏度特性如图3-17给出了MQ-2型气敏元件的温湿度特性。Ro: 20℃，33%RH条件下，氢气中元件电阻。Rs: 不同温度，湿度下， 氢气中元件电阻。图3-17 MQ-2气敏元件的温湿度特性MQ-2型气敏元件对不同种类、不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。

当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。4 软件系统设计4.1单片机流程图主程序的功能是完成系统的初始化、信号采集及处理、时钟和信息显示、浓度超限报警。根据系统工作特点，程序采用结构化的软件设计方法[9]。主程序流程图如图4-1所示。图4-1 主程序流程图4.2主程序清单# # #".h"#"delay.h"# ulong long# uint int# uchar []=""; //1602数组//uchar date[];uint =0;uint dat1=600;sbit =P3^3;//时钟控制线sbit =P3^4;//数据线sbit =P3^5;//片选控制线sbit key1=P2^3;sbit key2=P2^2;sbit speak=P2^7;sbit led1=P2^5;sbit led2=P2^6;void (void);void (void){if(0==key1){(2);if(0==key1){while(!key1);}dat1++;}if(0==key2){(2);if(0==key2){while(!key2);}dat1--;}if(dat1>999) dat1=999; if(){led2=1;speak=1;led1=0;}else{led1=1;speak=0;led2=0;}}int main(void)