基于单片机的有毒气体检测系统的设计.docx
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基于单片机的有毒气体检测系统的设计
本科毕业设计（论文）
基于单片机的有毒气体检测
系统的设计
摘要
煤矿中含有CO（一氧化碳）等有毒气体，是煤矿下重要的危害源之一，是导致重大事故的因素；家庭中，煤气泄漏将在短时间内产生大量一氧化碳，危及人生安全。
对一氧化碳气体检测仪表的研究和开发也一直是人们关注的问题。
本系统利用51单片机做核心控制模块，利用MQ-7一氧化碳传感器探测一氧化碳。
实时监控多处一氧化碳浓度变化，如果某处一氧化碳浓度过高，系统将发出声音报警，并显示报警传感器号码，提醒人们及时抢险。
本系统可用于家庭环境，也适用于工业环境。
由于单片机成本低廉，自动控制功能比较强大，运行稳定，环境适应性好，所以本系统采用单片机做控制的核心元件。
MQ-7一氧化碳传感器对一氧化碳的灵敏度高；长寿命，低成本；简单的驱动电路即可。
因此，很适用于家庭的一氧化碳检测。
数码管能清晰的显示报警的房间号码，即使在光线较暗时，所以选用数码管做显示模块。
本文主要叙述了基于单片机的有毒气体检测系统设计的全过程，包括硬件电路设计、软件设计、电脑仿真和实物制作。
关键词 一氧化碳；单片机；检测；报警
Abstract
ContainingCO（carbonmonoxide）andothertoxicgasesincoalmines,isoneofthesourceofthehazardsinthecoal,leadingtoamajoraccidentfactors;family,agasleakinashorttimetoproducelargeamountsofcarbonmonoxide,endangeringthelifesafety.Researchanddevelopmentofthecarbonmonoxidegasdetectioninstrumentshavebeenanissueofconcern.
Thesystemuses51microcontrollertodothecorecontrolmodule,theuseoftheMQ-7COsensortodetectcarbonmonoxide.Real-timemonitoringofmultiplecarbonmonoxideconcentrationchanges,ifsomewhereinthecarbonmonoxideconcentrationistoohigh,thesystemwillsoundanalarm,andalarmsensornumbertoremindpeopletorescueinatimelymanner.Thissystemcanbeusedtothefamilyenvironment,andalsoappliestotheindustrialenvironment.
Single-chiplow-cost,automaticcontrolfunctionismorepowerful,stableoperation,environmentaladaptability,sothissystemisacorecomponentofthemicrocontrollerasacontrol.
MQ-7COsensorhashighsensitivitycarbonmonoxide;longlife,lowcost;cansimpledrivecircuit.Therefore,itissuitableforindustrialandhouseholdcarbonmonoxidedetector.
Digitaltubetoclearthealarmnumberisdisplayed,eveninlowlight,sousethedigitalcontroltodothedisplaymodule.
Thispaperdescribesamicrocontroller-basedtoxicgasdetectionsystemdesignprocess,includinghardwaredesign,softwaredesign,computersimulationandphysicalproduction.
Keywords carbonmonoxide;MCU;test;alarm
第1章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
随着石油化学工业的发展，易燃、易爆、有毒气体的种类和应用范围都得到了增加。
这些气体在生产、运输、使用过程中一旦发生泄漏，将会引发中毒、火灾甚至爆炸事故，严重危害人民的生命和财产安全。
由于气体本身存在的扩散性，发生泄漏之后，在外部风力和内部浓度梯度的作用下，气体会沿地表面扩散，在事故现场形成燃烧爆炸或毒害危险区，扩大危害区域。
例如，1995年7月，四川省成都市化工总厂液氯车间发生氯气泄漏，当场造成3人死亡，6人受伤，仅约一小时左右，市区范围数十平方公里范围内都能闻到刺激性的氯气味。
因此，这类事故具有突发性强、扩散迅速、救援难度大、危害范围广等特点。
一旦发生气体泄漏事故，必须尽快采取相应措施进行处置，才能将事故损失降低到最低水平。
及时可靠地探测空气中某些气体的含量，及时采取有效措施进行补救，采取正确的处置方法，减少泄漏引发的事故，是避免造成重大财产和人员伤亡的必要条件。
这就对气体的检测和监测设备提出了较高的要求。
作为一种重要的气体探测器，气体传感器近年来得到了很大的发展。
气体传感器的发展。
危险化学品要加强安全管理，完善安全措施、控制事故隐患。
但是，不可能达到绝对安全，仍然会出现万有一失的情况。
因此，事故隐患的检测报警，在危险化学品场所有害气体或液体（蒸汽）检测报警，是非常必要的。
对避免和控制事故具有重要意义。
有害气体检测报警仪是专用的安全卫生检测仪，用来检测化学品作业场所或设备内部空气中的可燃或有毒气体的含量并超限报警。
危险化学品场所有害气体检测，主要有以下几种情况：
（1）泄漏检测：
设备管道有害气体或液体（蒸汽）现场所泄漏检测报警，设备管道运行检漏。
（2）检修检测：
设备检修置换后检测残留有害气体或液体（蒸汽），特别是动火前检测更为重要。
（3）应急检测：
生产现场出现异常情况或者处理事故时，为了安全和卫生要对有害气体或液体（蒸汽）进行检测。
（4）进入检测：
工作人员进入有害物质隔离操作间，进入危险场所的下水沟、电缆沟或设备内操作时，要检测有害气体或液体蒸汽。
（5）巡回检测：
安全卫生检查时，要检测有害气体或液体蒸汽。
随着人类社会的进步、生产的发展，人们的生活水平不断提高，随之带来了环境空气污染问题。
工厂排放的废气、烟道氧、汽车排放废气、内燃机等排放气体对空气环境造成的污染日益严重。
一氧化碳虽然不会使酸雨现象严重，但是对人们的身体健康有影响。
一氧化碳是一种无色、无味的气体，它与血液中的血红素结合的能力是氧的240倍，它与血红素形成稳定的络合物，使血红蛋白丧失了输送氧气的能力，从而导致组织低氧症，甚至死亡。
一氧化碳浓度的高低是评价空气质量好坏的重要指标之一，也是工厂、煤矿井下是否发生自燃火灾的重要标志之一。
为了保证人们身体健康和环境洁净，世界各国都纷纷致力于防止空气污染的产生。
国家工业卫生标准规定，生产现场一氧化碳浓度不允许超过50ppm。
我国环境保护大气污染监测和工厂矿井中都要求有连续、自动化的现场检测仪。
1.2 国内外研究现状
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。
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“MegaCas"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。
（1）气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展
国外气体传感器发展很快，一方面是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。
因此，国外气体传感器技术得到了较快发展，据有关统计预测，美国1996年—2002年气体传感器年均增长率为（27～30）％。
目前，气体传感器的发展趋势集中表现为：
一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标。
如日本费加罗公司推出了检测（0.1～10）×10－6硫化氢低功耗气体传感器，美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器，美国FirstAlert公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗CO气体传感器等。
二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。
如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化；还有前已涉及的美国IST公司的具有微处理器的“MegaGas”传感器实现了智能化、多功能化。
（2）国内现状与差距
气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，国内已有一定的基础。
其现状是：
烧结型气敏元件仍是生产的主流，占总量90％以上；接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力；电化学气体传感器有了试制产品；在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构；新研究开发的32OAl气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料；低功耗气敏元件（如一氧化碳，甲烷等气敏元件）已从产品研究进入中试；国内气敏元件传感器产量已超过“九五”初期的400万支。
产量超过20万支的主要厂家有5家，黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司（合资）、北京电子管厂（特种电器厂），其中前四家都超过100万支，据行业协会统计，1998年全国气敏元件总产量已超过600万支。
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 本文主要内容及章节安排
本文主要讲述基于单片机的毒气检测系统的设计全过程，包括硬件电路设计、软件设计、电脑仿真和实物制作。
论文具体章节安排如下：
第1章介绍了本次课题的课题背景、国内外研究现状、课题的研究意义。
第2章主要讲述了系统的硬件设计，包括最小系统、AD转换模块、显示模块、声音报警模块和传感器模块。
第3章主要介绍了此次设计的软件部分，包括主程序、AD转换程序、时钟产生程序；
第4章主要介绍了本次设计的实施过程，包括绘图、编程、仿真和焊接实物。
第2章 硬件系统设计
2.1 硬件总体设计
单片机应用系统的结构分三个层次：
（1）单片机：
通常指应用系统主处理机，即所选择的单片机器件。
（2）单片机系统：
指按照单片机的技术要求和嵌入对象的资源要求而构成的基本系统，如时钟电路、复位电路和扩展存储器等与单片机构成了单片机系统。
（3）单片机应用系统：
能满足嵌入对象要求的全部电路系统。
在单片机系统的基础上加上面向对象的接口电路，如前向通道、后向通道、人机交互通道（键盘、显示器、打印机等）和串行通行口（RS232）以及应用程序等。
单片机应用系统三个层次的关系如图2-1：
图2-1单片机应用系统三个层次的关系
以此理解，一氧化碳报警器同样具有单片机应用系统的三个层次。
其中以AT89C51单片机为核心构成单片机系统。
在此系统中，检测信号进入单片机进行运算处理。
为了更好的理清设计思路，将整个系统细分为三部分加以设计说明。
整个报警器由三个部分组成，分为三大模块：
浓度检测模块、主控模块和报警模块。
在本次设计中，使用的核心器件是单片机和一氧化碳传感器。
为了保重整个系统可靠的运行，设计中必须明确三大部分的实际联系：
以单片机为中心，其他各大模块一一展开。
其中，浓度检测及显示模块所实现的功能是将房间中的一氧化碳浓度值转换成为单片机能够处理的数字信号，并且浓度值显示出来：
主控模块以单片机为主，对其他模块的运行进行控制；报警模块是此系统的外部电路，它的功能是实现报警。
系统框图如图2-2所示。
图2-2系统框图
下面就对各个模块的功能和实现形式做简单介绍
（1）气体浓度检测模块
一氧化碳报警器主要采用高稳定一氧化碳气体传感器MQ-7检测房间气体浓度，检测结果送入模/数转换芯片ADC0809中进行转换后，将得到的数字信号送入单片机进行分析处理。
（2）主控模块
主控模块即单片机最小系统。
用的是MCS-51单片机，MCS-51单片机是美国Intel公司1980年推出的一种高性能8为单片微型计算机。
内带4K字节的内存和程序保护系统，使用于程序的调试修改和保密。
它的主要功能既是将经过ADC0809处理后的检测结果进行数据分析。
根据数据分析结果决定是否报警，若报警，则驱动报警系统工作。
（3）报警模块
此模块主要有蜂鸣器、LED数码管组成，在气体浓度过大，超过安全值时，蜂鸣器工作，提供声音报警服务；同时，数码管显示报警的传感器号。
至此，本系统的三大模块功能和设计思路已经确立，下文将介绍整个硬件系统的详细设计过程。
并且给出设计电路。
2.2 单片机的最小系统
单片机最小系统原理图如下：
图2-3单片机最小系统原理图
单片机的最小系统是由组成单片机系统必需的一些元件构成的，除了单片机之外，还需要包括电源供电电路、时钟电路、复位电路。
单片机最小系统电路（单片机电源和地没有标出）如图2-2所示。
2.2.1 单片机简介
本课题所用单片机采用8051核的ISP（InSystemProgramming）在系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，片内含4KBytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件兼容标准MCS-51指令系统，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。
STC89C52RC系列单片机是单时钟/机器周期（1T）的兼容8051内核单片机，是高速/低功耗的新一代8051单片机，全新的流水线/精简指令集结构,内部集成MAX810专用复位电路。
主要特性有：
（1）增强型1T流水线/精简指令集结构8051CPU
（2）工作电压：
3.4V-5.5V（5V单片机）/2.0V-3.8V（3V单片机
（3）工作频率范围：
0-35MHz，相当于普通8051的0～420MHz.实际工作频率可达48MHz.
（4）用户应用程序空间12K/10K/8K/6K/4K/2K字节
（5）片上集成512字节RAM
（6）通用I/O口（27/23个），复位后为：
准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：
准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过55mA
（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片
（8）EEPROM功能
（9）看门狗
（10）内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体20M以下时，可省外部复位电路）
（11）时钟源：
外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器。
用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟。
常温下内部R/C振荡器频率为：
5.2MHz～6.8MHz。
精度要求不高时，可选择使用内部时钟，因为有温漂，请选4MHz～8MHz
（12）有2个16位定时器/计数器
（13）外部中断2路,下降沿中断或低电平触发中断,PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒
（14）PWM（4路）/PCA（可编程计数器阵列），也可用来再实现4个定时器或4个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可支持）
（15）STC89Cc516AD具有ADC功能。
10位精度ADC，共8路
（16）通用异步串行口（UART）
（17）SPI同步通信口，主模式/从模式
（18）工作温度范围：
0-75℃/-40-+85℃
（19）封装：
PDIP-28，SOP-28，PDIP-20，SOP-20，PLCC-32,TSSOP-20（超小封状，定货）
振荡器特性:
：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
[1]
2.2.2 时钟电路和复位电路
时钟电路和复位电路的原理如下：
1）时钟电路
图2-4时钟电路原理图
单片机工作时，从取指令到译码再进行微操作，必须在时钟信号控制下才能有序地进行，时钟电路就是为单片机工作提供基本时钟的。
单片机的时钟信号通常有两种产生方式：
内部时钟方式和外部时钟方式。
本课题采用内部时钟方式。
在单片机XTAL1和XTAL2引脚上跨接上一个晶振和两个稳频电容，可以与单片机片内的电路构成一个稳定的自激振荡器。
晶振频率取12MHz。
外接电容的作用是对振荡器进行频率微调，使振荡信号频率与晶振频率一致，同时起到稳定频率的作用，本课题选用33pF的电容。
易知：
本单片机最小系统的振荡周期=1/（12MHz）=1/12us，时钟周期=1/6us，机器周期=1us。
2）复位电路
图2-5复位电路原理图
无论是在单片机刚开始接上电源时，还是运行过程中发生故障都需要复位。
复位电路用于将单片机内部各电路的状态恢复到一个确定的初始值，并从这个状态开始工作。
单片机的复位条件：
必须使其RST引脚上持续出现两个（或以上）机器周期的高电平。
单片机的复位形式：
上电复位、按键复位。
本课题采用按键复位。
在单片机启动0.1S后，电容C两端的电压持续充电为5V，这是时候10K电阻两端的电压接近于0V，RST处于低电平所以系统正常工作。
当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。
随着时间的推移，电容的电压在0.1S内，从5V释放到变为了1.5V，甚至更小。
根据串联电路电压为各处之和，这个时候10K电阻两端的电压为3.5V，甚至更大，所以RST引脚又接收到高电平。
单片机系统自动复位。
2.3 A/D转换电路
A/D转换电路原理图如下：
图2-6AD转换模块原理图
本A/D转换电路以ADC0809芯片为核心，该芯片在单片机的控制下把模拟信号转化为数字信号。
（由于Proteus软件不能仿真ADC0809，所以用ADC0808代替。
）
传感器的模拟电压信号通过IN0~IM3通道进入ADC0809,，ADC0809的数据输出接单片机的P0口，从低位到高位一次对应P0.0~P0.7。
各个控制端口接到单片机的P2口。
根据ADC0809的工作过程，通过软件控制ADC0809工作。
2.3.1 ADC0809主要特性
（1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。
（2）具有转换起停控制端。
（3）转换时间为100μs（时钟为640kHz时），130μs（时钟为500kHz时）。
（4）单个+5V电源供电。
（5）模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准。
（6）工作温度范围为-40～+85摄氏度。
（7）低功耗，约15mW。
2.3.2 ADC0809引脚功能说明
IN0～IN7：
8路模拟量输入端。
D0~D7：
8位数字量输出端。
A、B、C：
3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。
ALE：
地址锁存允许信号，输入，高电平有效，对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。
START：
A／D转换启动信号，输入高电平有效，START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。
本信号有时简写为ST.。
EOC：
A／D转换结束信号，输出，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。
OE：
数据输出允许信号，输入，高电平有效。
当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量，用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。
CLK：
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHZ，EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。
使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。
REF（+）、REF（-）：
基准电压，本课题中分别为+5V、0V。
Vcc：
电源，单一＋5V。
GND：
地。
2.3.3 ADC0809工作过程
电路连接：
ADC0809输出接单片机的P0口，各个控制引脚及单片机的P2口，参考电压REF（+）、REF（-）分别接+5V电源和地，引脚START和ALE相连。
具体工作过程如下：
首先，在程序的控制下，利用单片机的定时器T0以及中断服务程序在P2.7输出一个方波信号，作为ADC0809工作的时钟信号。
并对其他控制引脚进行初始化。
然后，单片机向ADC0809的A、B引脚循环输出地址编号，C引脚接地（因为本课题仅用四个模拟通道）；每输入一个地址编号后，START和ALE变高电平，复位ADC0809并将地址锁存，经过适当的延时后，START和ALE变低电平，开始模数转换；P2.6接EOC引脚，当收到高电平时，说明模数转换完成，此时向OE引脚输出高电平，打开输出三态门，输出数字量到P0口，然后OE引脚变低电平，完成一次模数转换。
2.4 一氧化碳传感器介绍
选择一氧化碳传感器主要考虑以下的性能指标：
（1）输入和输出之间成比例，直线性好、灵敏度高、分辨力强、测量范围宽。
（2）滞后、漂移误差小
（3）动态特性好
（4）功耗小
（5）时间老化特性优良
（6）与被测体匹配良好，既不因接入传感器而使得被测对象受到影响，受被测量之外的影响小。
（7）体积小、重量轻、价格低廉。
（8）故障率低，易于校准和维护。
（9）由于传感元件的输出信号一边比较小，为了便于能够驱动控制电路，在传感器电路中还应该包括放大器。
[2]
鉴于以上选择要点，本文中用到的传感器必须具备良好的测量效果、功耗小、动态特性良好和体积小、重量轻、价格低廉等几个主要特性。
为此我们选择了MQ-7系列传感器。
半导体一氧化碳传感器MQ-7所使用的气敏
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