基于单片机的家用煤气泄漏监控系统的设计与实现.docx

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基于单片机的家用煤气泄漏监控系统的设计与实现

摘要

随着生活水平的提高，罐装煤气和煤气管道已经进入千家万户。

在人们享受它带来的方便的同时，也受到了由于设备利用不妥或设备老化而致使的煤气泄漏的庞大要挟。

煤气泄漏能够令人煤气中毒，煤气在和空气混合到必然比例形成的混合物还会发生爆炸，严峻要挟到了人们的生命财产平安。

针对这种情形设计了一种煤气泄漏监控系统，该系统能够专门好的在家用煤气发生泄漏的时候发出警报，使危急情形得处处置。

本系统以AT89C51单片机为核心，由MQ-2传感器、单片机AT89C5一、模数转换芯片ADC080九、LCD1602液晶显示屏、DS18B20组成,它的用途是测量空气中煤气的浓度及温度，在煤气浓度或温度大于或等于预设值定将发作声、光报警。

该系统有硬件与软件设计两部份。

硬件部份的设计包括煤气浓度搜集电路的设计、温度搜集电路的设计、模/数转换电路的设计、单片机最小系统电路和按键电路的设计、显示电路的设计、报警电路的设计。

软件部份由KEILC51编程PROTEUS仿真。

该设计要紧完成了系统原理图的绘制，软件仿真，并利用单片机开发板实现了具体的功能，体会证该系统工作稳固靠得住。

关键词：

MQ-2传感器；报警；监控；AT89C51单片机

ABSTRACT

Withtheimprovementoflivingstandards,cannedgasandgashasenteredinnumberablefamilies.Whilepeopleenjoyitbringconvenience,hasbeenduetoimproperuseorequipmentagingofhugethreattogasleakage.Leakinggascanmakethepersonthegaspoisoning,thegasandairmixturetoacertainproportiontoformthemixturewillbeanexplosion,aseriousthreattopeople'slifeandpropertysafety.Forthissituationistodesignakindofgasleakmonitoringsystem,thesystemcanbeverygoodatthetimeofhouseholdgasleakalarm,foremergencytreatment.

ThissystemUSESAT89C51microcontrollerasthecore,byMQ-2sensor,singlechipmicrocomputerAT89C51,modulusconversionchipADC0809,LCD1602LCDscreenandDS18B20,itspurposeistomeasuretheconcentrationofthegasintheairandthetemperature,thegasconcentrationortemperatureisequaltoorgreaterthanthepresetvaluewillsendoutsoundandlightalarm.Thesystemhardwareandsoftwaredesignoftwoparts.Thedesignofthehardwarepartincludesthegasconcentrationofacquisitioncircuitdesign,thedesignofthetemperatureacquisitioncircuit,d/aconversioncircuitdesign,singlechipmicrocomputerminimumsystemcircuitandthedesignofkeycircuit,displaycircuitdesign,thedesignofthealarmcircuit.PartofthesoftwareisKEILC51programmingPROTEUSsimulation.Thisdesignismainlycompletedthesystemschematicdrawing,softwaresimulation,andtheuseofmicrocontrollerdevelopmentboardtoachieveaspecificfunction,verifiedthesystemworkstableandreliable.

Keywords:

MQ-2sensors;alarm;monitoring;AT89C51

第1章绪论

课题来源及研究意义

随着经济和科技水平的提高，人们生活水平也在慢慢改善，罐装煤气和管道煤气已经进入到一般百姓的家庭。

设备不正确的利用方式或老化是产生煤气泄漏的关键起因，煤气泄漏对人民的生命危害极大且要挟着人民的财产平安。

一氧化碳是煤气的要紧成份，一氧化碳大体上不与水相溶，它的特点是没有刺激性、没有气味、没有颜色、鼻子闻不到，在与空气混杂比达％～80％时，现在的混合物拥有爆破性。

由人类呼吸进入血液循环,造成血液缺氧症,造成结构缺氧，遏制结构呼吸[1]。

煤气中对人体损害最大的物质仍是它。

因此，设计出有作用的，能够利用在家中的煤气监控系统是拥有庞大含义的，而且市场运用上也是前途光明的。

以下是健康的成年人或许产生一氧化碳中毒的现象：

50ppm健康的成年人能够经受最多8个小时；

200ppm2到3小时后人会感到疲劳，略微头疼；

400ppm1到2小时后前额痛，3小时后将危及性命；

800ppm45分钟一般人会痉挛、目眩、呕吐；2小时将会失去意识；2到3小时内可能会死亡；

1600ppm20分钟会目眩、呕吐、头晕；会在一小时内死去；

3200ppm5到10分钟内呕吐、头晕、目眩；25到30分钟死亡；

12800ppm1到3分钟死亡。

由此可见，煤气泄漏时对人们造成的危害是专门大的，发生煤气泄漏时会让人中毒，致使生命危险，而且还有随时发生爆炸的可能。

煤气一旦泄漏，若是不及时采取方法就会造成的一系列的事故，因此，找到一个解决方式是咱们需要做的。

应用煤气泄漏监控系统确实是招架煤气泄漏的要紧方法。

有关内行说明，煤气泄漏出来的巨量一氧化碳是发生煤气中毒的起因，假设是应用煤气泄漏监控系统，在煤气泄漏时就会产生报警信号，人们能够及早关掉煤气阀门，将危险去除。

相关组织经太长时刻查验得出结果，煤气泄漏监控系统预防煤气泄漏事件发生的有效率大于95%。

煤气泄漏监控系统的研究现状

此刻，一般的煤气报警装置性能一样，稳固性不行，何况较大的监控系统要紧面对工矿及公开场合的检测，而且售价较高，还需要被专职人员看管，不适宜在家庭应用。

家用煤气泄漏的监控系统关于煤气的正常利用是十分要紧的。

周围环境中煤气的浓度通过煤气泄漏监控系统的气体传感器被探测到，操纵电路接收到被探测到的信号的模拟量，当环境中煤气浓度超越了预设定的值的时候，灯光报警信号会被装置报警灯发出，声音报警被报警器发出。

热线型气体传感器、氧化物半导体、催化燃烧型是煤气报警装置的探测煤气的传感器的重要类别，固然剩下的是极少的。

周围的煤气附着这些传感器上，电化学反映或化学反映在它的表层发生，使其电物理性质发生转变。

煤气泄漏监控系统在企业、货仓、学校、社区、城市安防、工厂等很多地址被普遍利用。

系统设计内容

本文基于单片机设计家用煤气泄漏监控系统。

设计分为两个要紧部份：

系统硬件部份设计与操纵编程。

（1）硬件部份

浓度、温度检测和显示模块、报警模块、要紧操纵模块是基于单片机的家用煤气泄漏监控系统硬件的要紧3个部份。

浓度检测要紧由MQ-2气体传感器组成；温度测量被温度传感器组成，显示部份用LCD1602显示器来展现；要紧操纵模块要紧有单片机和关联的软件部份组成；报警模块要紧由键盘和报警器组成，键盘用于煤气报警浓度及温度的设置，报警器用于达到报警浓度及温度的报警处置。

（2）软件部份

主程序与中断处置是它软件部份两大重要模块：

中断输进去的设置和I/O口，按时器初始化是通过主程序实现，等待按时器的中断和传感器来到平稳的运行形态通过延时实现；中断处置程序依据详细的状况要有对应子程序。

程序要实行多遍调试，分开编程。

对每一个子程序块所处置的题目要超级清楚。

第2章煤气泄漏监控系统的方案设计

设计思想

煤气泄漏监控系统具有能够考试监控空气中的煤气的浓度和报警的功用。

单片机操纵电路、气体信号搜集电路、A/D转换电路其最大体的组成模块。

气体传感器组成了气体信号搜集电路，模拟的电信号是由气体信号转化成的。

模拟的电信号被模数转换芯片转换成数字信号以后送到单片机。

这些数字信号通过单片机来分析处置，而且被分析处置的数据经单片机来判定，和设定值相较是不是相等或被超越，假设是被超越就会主动报警，产生报警声，假设是没有就为正常形态。

为了报警装置专门完美，在煤气浓度检测的同时加上温度检测，在温度太高的情形下发出报警，还在声音报警根基上，加上灯光报警，改变的光信号能够吸引人们的注视，补偿喧闹中声音报警的限制。

提出的整体设计思路的是依据报警装置该拥有的功用。

煤气泄漏检测报警装置的两大核心部件：

气体传感器、单片机，依据报警装置功用，选取精准、适宜、性价比高的单片机和气体传感器是十分重要的。

煤气泄漏检测监控系统的整体设计

系统大体方框图如图1所示。

图1系统大体方框图

本系统运用AT89C51单片机，组合ADC0809转换芯片组成了煤气检测监控系统。

系统整个设计有气体传感器、AT89C51单片机、显示部份组成。

LCD1602能够显示室内煤气浓度和温度。

系统用传感器MQ-2进行煤气测量，然后传出0-5V的电压信号，再然后把模拟量传送到ADC0809，通过A/D转换，形成对应数字量通过它的输出通道DB0~DB7递送到单片机的P1口，用温度传感器来检测温度，通过DS18B20把信息传送给单片机，单片机把收取的数字量实行数据分析处置，LCD1602显示煤气浓度及室内温度，当环境中有煤气泄漏或温度升高，而且达到预定浓度或温度，单片机遇让LED闪烁和蜂鸣器发声，发作声音和灯光的报警，并发动开关打开通风换气装置，实现煤气的平安利用。

气体传感器的选型

气体传感器属于气敏传感器，它能够检测环境中的煤气浓度，将气体信号转换为电信号，通过模/数转换芯片，单片机接收到被模拟信号转化成的数字信号，让单片机实现数据分析处置，浓度分析及报警处置等工作。

煤气泄漏监控系统的中心部件之一确实是气体传感器，因此选型很重要[2]。

气体传感器的介绍

依据检测的道理能够划分成下面几种：

（1）行使物理化学本质的：

比如半导体气体传感器、接触燃烧气体传感器等。

（2）行使物理本质的：

比如热导气体传感器、红别传感器等。

（3）行使电化学本质的：

比如电势型气体传感器、电流型气体传感器等。

气体传感器既能是一个功用的，也能为多种功用的；有些为独自的个体，有的是被许多功用相异的传感器的组合阵列[3]。

只是，只若是完好的气体传感器都拥有以下要求：

（1）能够考试某一种气体，与环境中的另外的气体那么没有反映；

（2）能够准确的考试被检测的气体浓度，而且比较敏捷；

（3）能够专门快的对检测气体做出反映，循环性好；

（4）长期工作稳固性好；

（5）利用寿命长；

（6）廉价，便于应用于养护。

常见气体传感器：

（1）半导体气体传感器

（2）固体电解质气体传感器

（3）接触燃烧式气体传感器

（4）高分子气体传感器

（5）电化学传感器

（6）热传导传感器

气体传感器的选定

监控系统要紧考试的气体为煤气，因此依照监控系统考试气体类型的条件，选择接触燃烧式气敏传感器或半导体气敏传感器。

频繁的给传感器标定，为确保它的精准性的必经的道路。

平常持续应用两个月，就要给传感器的量程进行校对。

通过比较这两类气敏传感器的利用特点，半导体气敏传感器的优势更为卓越：

准确性高、反映速度快、稳固性优越、便利、经济，同时没有探头阻缓和中毒情景，养护费用低等。

因此，本次设计监控系统气体信息搜集方面的中心应用半导体气敏传感器。

而本此设计选择了MQ-2型气敏传感器，MQ-2气体传感器拥有一般半导体气敏传感器准确性高、反映速度快、稳固性优越、利历时刻长等特点[4]。

第3章煤气泄漏监控系统的硬件部份设计

单片机系统的设计

AT89C51单片机概述

AT89C51单片机是高性能、低电压CMOS8位CPU，它的FLASH存储器是4k。

AT89C51具有2K字节闪存的ROM，其能够编写程序还能够擦除,能够反复擦除1000次。

ATMEL高密度不容易丢失的存储器的制作技艺被运用在AT89C51上,同时能够兼容MCS-51输出管脚和指令集。

AT89C51中一路加入8位CPU和闪烁存储器,让其效率更高。

AT89C51单片机以它的高敏捷性,价钱低廉化为嵌入式操纵系统的最正确选择。

要紧特性如下：

（1）4K字节FLASH,可编程；

（2）与MCS-51兼容；（3）在0Hz-24MHz下全静态工作；（4）1000次重复写/擦；（5）保留数据长达10年；（6）内部RAM为128×8位；（7）能够锁定三级程序存储器；（8）32个可编程I/O口；（9）中断源5个；（10）16位按时/计数器两个；（11）拥有时钟电路与片内振荡器；（12）闲置和掉电模式为低功耗；（13）1个可编程串行通道口[5]。

引脚和最小系统

40条引脚双列直插式是AT89C51的封装结构,如图2是它的引脚图。

那个地址面,2条是电源引脚,2条外接晶体,4条是操纵引脚,剩下的是I/O引脚。

图2AT89C51引脚图

要紧引脚介绍：

VCC:

电源。

GND:

接地。

P0口:

P0口的双向I/O引脚是8个,8TTL是引脚接收的门电流。

高阻输入确实是在给P0口第一次送“1”，那个时候的连上拉电阻。

P1口:

P1口的双向I/O引脚也是8个,在它的里面带有上拉电阻。

4TTL为它里面的缓冲器吸取/发出的门电流大小。

P2口:

P2口的双向I/O引脚也是8个,在它的里面带有上拉电阻。

4TTL为它里面的缓冲器吸取/发出的门电流大小。

它的管脚被拉高，在为P2口送“1”的时候,用作输入口。

P3口:

P3口的双向I/O引脚也是8个,在它的里面带有上拉电阻。

4TTL为它里面的缓冲器吸取/发出的门电流大小。

RST:

复位输入引脚。

ALE/PROG:

在外面的存储器来读写的时候,那个引脚锁存地址是低位字节。

在FLASH编写程序的时候,那个引脚给编写程序输进去脉冲。

周期平稳的正脉冲由ALE输出,那个周期比振荡器周期大5倍。

因此它能为外部输出脉冲,也可用来按时。

只是当做外部数据存储器时,就会跨越一个ALE脉冲。

/PSEN:

Externalprogrammemory（外部程序存储器）选通信号。

在由Externalprogrammemory取指时,一个机械周期中/PSEN有效两次。

只是访问Externalprogrammemory时,就不显示这两次有效的信号。

/EA/VPP:

不管有无内部程序存储器，全作为外部程序存储器在/EA为低电平常。

XTAL1:

给振荡器反相放大器或内部时钟运行电路供给输入。

XTAL2:

振荡器输出引脚。

上电复位是用RC充电来实现的。

图3中电容C1和C2的成效为飞快起振与巩固振荡频率,15到33pF位通常起电容值,33pF的电容被本系统所运用。

6MHz的晶振频率被运用。

时钟信号较安静的为内部振荡形式所取得,通经常使用在现实电路,12M的晶体振荡器被本系统所运用。

图3AT89C51的最小系统

时钟电路

AT89C51的时钟电路显现脉冲以后掌控指令准确的发生动作。

CPU掌控信号掌控指令发生动作的时刻顺序为AT89C51的时序。

AT89C51内部电路要按时序进行运行须在时钟信号下才能够,能够保证各个部件同步运行。

外部时钟与内部时钟为AT89C51时钟的两类形式。

内外部形式之时钟电路如图4（a）和4（b）。

运用外面的振荡脉冲连接到XTAL1或XTAL2是外部时钟的形式。

HMOS与CHMOS单片机的外面的时钟信息接进去的形式是相异的。

RXD接地,TXD接入外部振荡器。

外部振荡信号选择频率低于12MHz的信号因为它没有专门的条件,仅仅保证脉冲宽度。

片内发生器显现两相时钟P1与P2,提供给AT89C51应用。

那个地址选用内部方式的时钟电路。

（a）内部方式时钟电路

（b）外部方式时钟电路

图4时钟电路

复位电路

AT89C51初始化动作是复位。

AT89C51上电后,第一确实是复位,其成效确实是让CPU与系统的其他元件还原为一个明确的初始形态,在此基础上就行下一步动作。

因此,复位是一个很重要的操作。

可是AT89C51自身是不能够来复位的,需要结合外部复位电路才能够完成。

手动复位和上电复位是外部复位的两类形式。

上电复位是利用充电实现的。

如图5（a）,复位电路的参数被给出。

按键手动复位有按键电平和按键脉冲复位两种形式。

如图5（b）为按键电平复位,图5（c）为按键脉冲复位。

在复位按键按下后,通过小电阻复位端和电源连通,马上放电,RST转变成高电平,在复位按键释放后,通过电源给电容的再次充电,RST引脚产生复位正脉冲,RC电路时刻常数决定了延续的时刻长短。

那个地址选用按键电平复位。

（a）上电复位（b）按键电平复位（c）按键脉冲复位

图5复位电路

按键电路设计

按键接低的方式被本设计运用，用来读取按键，AT89C51初始时，因为是高电平，在按键按下的时候，会给AT89C51一个低电平，信号被AT89C51进行处置。

口的电平高低被单片机I/O口获取作为判定是不是有按键按下是独立式键盘的实现方式。

连接地的端口是常开按键，单片机的一个I/O口与另一端口连接，把那个I/O口置为高电平在程序开始时，那个高电平被I/O口捍卫在通常没有键按下的时候。

在有键按下的时候，I/O口转变成低电平由于I/O口与地的短路。

按键松开后，I/O口依旧维持在高电平因为AT89C51内部的上拉电阻使然。

若是咱们想明白有无按键动作的发生，只要在程序中查找那个I/O口的电平状态就好了。

本设计有三个按键，用于设置温度与浓度上限，上键K1是设置键，用于设置温度和煤气浓度上限，一端接单片机端口，一端接地，中间键K2是加值键，用于增高温度或煤气浓度的报警值，一端接单片机端口，一端接地，下键K3是减值键，用于减低温度或煤气浓度的报警值，一个端口连接单片机端口，另一端口接地。

按键电路如图6。

图6按键电路

信号搜集电路设计

气体信号搜集电路的设计

（1）MQ-2传感器

SnO2是MQ-2气体传感器所应用的原料，其在干净的空气的导电率是十分低的。

随着煤气浓度的增加，传感器的电导率也随之增加。

电导率的转变通过度压电路的转换输出的电压信号和煤气浓度相浓度照顾。

MQ-2实物图如图7。

图7MQ-2气敏传感器实物

在对液化气、丙烷、天然气、氢气和其它可燃蒸汽检测中MQ-2气敏传感器的灵敏度较高。

图8中纵坐标是传感器的电阻比（Rs/Ro）,横坐标是气体浓度。

Rs代表传感器在不同浓度气体中的电阻值。

Ro代表传感器在1000ppm氢气中的电阻值[6]。

灵敏度特性:

图8传感器典型的灵敏度特性曲线

图9是传感器典型的温度、湿度特性曲线。

图中纵坐标是传感器的电阻比（Rs/Ro）。

Rs代表在有1000ppm丙烷，不同温/湿度下传感器的电阻值。

Ro代表在有1000ppm丙烷，20℃/65%RH要求下传感器的电阻值[7]。

图9温度、湿度特性曲线

图10传感器大体测试电路

图10是传感器的大体测试电路。

该传感器需要施加2个电压:

给传感器供给特殊的运行温度的加热器电压（VH）,测试电压（VC）,来检测电阻（RL）两头的电压（VRL）。

图11MQ-2原理图

（2）气体信号搜集电路

本次设计中,用作信号搜集器件的是MQ-2气体传感器,器件的一、3、4脚被接到+5V电源的正极,二、五、6脚被接到地。

被搜集到的信号经1k

电阻R1以后传递给ADC0809的模拟输入端,R2作用是调整输出信号。

具体电路连接如图12所示。

图12信号搜集电路

温度信号搜集电路的设计

（1）温度传感器DS18B20

外加不锈钢爱惜管封装的DS18B20可组网数字温度传感器芯片，其优势有体积小，耐性好，便利，封装方式多等，要紧用于各类较小环境装置数字测温与操纵方面。

单线接口的形式是其独特的，仅需一条口线就可以完成微处置器和DS18B20的双向通信；－55℃～＋125℃是其温度测量范围，℃是其的固定的测温分辨率；还支持多点组网的功能；独一的三线上能够并联多个DS18B20，完成多处温度的测量；工作电源为3～5V/DC；在利用中不需要任何外围元件[8]。

DS18B20的性能特点如下：

1）选择DALLAS公司单线接口的形式是独有的，只需一条口线就能够够完成微处置器和DS18B20的双向通信；

2）在利用中不需要任何外围元件；

3）+～+是供电电压领域，可用数据线为其供电；

4）测温范围：

-55～+125℃。

固有测温分辨率是℃；

5）用户可自设定报警的上下限值；

图13为DS18B20引脚图。

图13DS18B20引脚图

各引脚功能为：

I/O是数据输入/输出端（即单线总线），是漏极开路输出，外接上拉电阻，平常是高电平。

UDD是能够选择的外部电源端，不用的时候接地，GND是地，NC为空脚[9]。

（2）温度信号搜集电路

图14温度信号搜集电路

A/D转换部份电路设计

模数转换芯片ADC0809

ADC0809模数转换芯片有28条引脚，双列直插式方式被其运用，如图15所示。

其各引脚功能如下：

图15ADC0809引脚图

IN0～IN7：

8路模拟量的输入端。

2-1～2-8：

8位数字量的输出端。

ADDA、ADDB、ADDC：

3位地址的输入线，被用于选通8路模拟输入其中的一路。

ALE：

地址锁存的许诺信号，输入高电平管用。

START：

输入端，用于A/D转换开启脉冲，要让它开动（0809复位由于脉冲上升沿，启动A/D转换由于下降沿）得输进去正脉冲（最少100ns宽）。

EOC：

完成信号，输出端，当转换完成的时候，那个端口会输出来一个高电平（工作时是低电平）。

OE：

来的许诺信号，输入高电平管用。

想要打开输出的三态门，出来数字量就要在A/D转换完成时，那个端口输进去一个高电平。

CLK：

时钟脉冲的输入端。

不高于640KHZ是的要求。

REF（+）、REF（-）：

基准电压。

Vcc：

电源，单一+5V。

GND：

地[10]。

如何确定A/D转换的实现是的关键问题，要来传递，只有明确实现后才能够。

可采纳下面三种方式。

（1）按时传送方式

就A/D来讲，转换时刻是固定与已知的技术指标。

因此策划延时的，移用那个子程序在模/数转换开始之后，转换一定已经实现，只要延迟时刻到了，接下来可以来递送。

（2）查询方式

转换完成的形态信息在模/数转换芯片上也有说明。

想要明白转换是