基于单片机的燃气泄露检测装备的设计与实现毕业设计.docx

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基于单片机的燃气泄露检测装备的设计与实现毕业设计

课题名称《基于单片机的燃气泄露检测装置的设计与实现》

专业（系）铁道供电与电气学院

班级

摘要

随着经济和科学技术的快速发展,人们对生活质量的提高和生活环境的改善越来越重视,燃气进入家庭的使用为人们带来了方便,也改善了城市的环境,但同时给人们带来了潜在的危险,其中一氧化碳是最主要的危险源。

一氧化碳是一种无色无味同时这些气体燃料在使用中，若管道和阀门密封不好，它们泄露出去，轻者引起中毒，重者造成火灾，危及人们的生命财产。

由于这些原因，对于气体的检测与控制就变得很重要了，研究各种气体的检测方法与气体传感器也随之成为一个重要课题。

本论文主要实现燃气泄露的测量与报警，系统主要以半导体气体传感器为研究对象，报警器的总体工作流程是：

A/D转换芯片将传感器送来的模拟量转化成数字量送给单片机，然后进行数字滤波，数据处理，将电压信号转化成为对应的浓度值。

最后，将实际可燃气体浓度送液晶LCD1602显示，当有可燃气体浓度超出设定的限定值时，则通过单片机I/O接口输出;输出信号驱动相应的驱动电路,单片机将驱动蜂鸣器实现报警功能。

对应的软件设计包括：

主程序设计，数字滤波设计，数据处理设计，气体浓度显示设计，报警设计等几个部分。

关键词:

单片机气体传感器蜂鸣器

Abstract

Withtherapiddevelopmentofeconomyandscienceandtechnology,theimprovementofpeople'slifequalityandtheimprovementofthelivingenvironmentmoreandmoreattentiontotheuseofthegasenteringthefamilybringsconvenienceforpeople,alsoimprovestheenvironmentofthecity,butatthesametimebringpeople

Tothepotentialdangers,includingcarbonmonoxideisoneofthemainhazards.Carbonmonoxideisacolorless,odorlessandatthesametimethegasfuelinuse,ifthepipeandvalvesealisbad,theyleaked,lightpersoncausepoisoning,thepersonthatweigh,fireendangerpeople'slifeandproperty.Forthesereasons,forthedetectionandcontrolofthegasbecomesveryimportanttostudymethodofdetectionofvariousgasesandgassensorhasbecomeanimportantsubject.Thisthesismainlyrealizesthepipelinegasleakmeasurementandalarm,thesystemismainlytothesemiconductorgassensorastheresearchobject,thealarmoftheoverallworkprocessis:

A/Dtransformationchiptoconverttheanalogsensorsentintodigitalquantitytomicrocontroller,anddigitalfiltering,dataprocessing,thevoltagesignalisconvertedtothecorrespondingdensity.Finally,theactualconcentrationofcombustiblegastosendLCD602display,whenthereisaconcentrationofcombustiblegasbeyondthelimitset,outputbyMCUI/Ointerface;Theoutputsignaltodrivethecorrespondingdrivingcircuitofsinglechipmicrocomputerwilldrivebuzzeralarmfunction.Thecorrespondingsoftwaredesignincludesthedesignofthemainprogram,thedigitalfilterdesign,thedesignofdataprocessing,gasconcentrationdisplaydesign,alarmdesignandsoonseveralparts.

Keywords：

MCUbuzzergassensors

第1章绪论

1.1本课题概述

随着生活水平的提高，燃气已普遍使用。

例如天然气的主要成分是CH4，是易燃易爆气体，易泄漏易发生爆炸，对国家和人民的生命和财产造成巨大的损失，因此研制检测这种气体的系统显得尤为重要。

本课题采用单片机的控制实现半导体气敏传感器MQ采集燃气浓度再经A/D转换芯片将传感器送来的模拟量转化成数字量送给单片机AT89S52进行数据处理，将电压信号转化成为对应的浓度值。

最后，将实际可燃气体浓度送液晶显示，当有可燃气体浓度超出设定的限定值时，监测到的信息传输到单片机，经单片机处理后发出指令，立即发出声光报警。

该系统可有效降低事故发生率，结构灵活，扩展性强，具有较高的性价比，性能优良。

通过此课题的设计，掌握单片机控制的一般方法和处理问题的思路，特别是一些常用的技术手段，在实践教学环节中，积累设计经验，开阔思维空间，全面提高个人的综合能力和团队合作能力。

1.2课题背景和意义

随着我国改革开放的不断深入，工业化的发展，人类的生活水平在不断地提高。

然而工作环境的污染却不断地在增加。

我们的生活环境中存在着各种各样的有毒有害，易燃易爆气体，从家用液化石油气、城市煤气以及天然气到工业生产过程中产生的气体、交通工具中排放的各种气体都在不断地污染环境，影响人类的生存。

这些气体气体在带给人们能源、生产生活提供方便的同时，但是它们本身是有毒、易燃的化学物品，也给燃气燃具用户深深埋下了火灾、中毒、爆炸的隐患。

由于人们感官缺乏对各种可燃气体的感知，特别是对可燃气体浓度的判断能力是有限的，因而研制出能够感知并判别气体的种类和测量气体浓度的仪器就变得尤为必要。

因此本论文拟设计一种可燃气体监测报警器，用于监测空气中可燃气体的浓度，并且能将气体的浓度显示在液晶上，当空气中的可燃气体的浓度达到一定的警界值时，发出报警声音，从而能够保障人们自身和生产与生活的安全。

1.2.1国内外研究现状

在很多矿井的工作过程中，以及家用沼气、液化气灶的使用过程中，都会出现可燃气体泄露的情况，而这种情况一旦发生，就会引起爆炸或中毒，会产生极大的危害。

目前已有的可燃气监测报警系统大概有以下几类：

（1）采用气敏传感器,电源，信号转换电路，单片机，液晶显示，报警器，发光二极管构成的系统。

采用气敏探头为半导体式气敏传感器，工作原理是随着探头附近可燃气体浓度上升，通电预热后的半导体构件对敏感气体的吸附作用，内部化学反应加快，气敏探头感应体电阻值呈指数率上升，这种电阻的变化被信号转换电路将其转变成可以测量的电信号。

将传感器电阻值的变化纳入方波产生器的时间常数，影响方波的宽度，而方波宽度的变化直接和燃气浓度相关，反映出是否有燃气泄露现象。

设计在监测电路后级的单片机利用其内部定时器可精确测定方法宽度，通过公式计算即可计算出所探测到的燃气浓度参数。

并通过液晶显示出来，当监测浓度值超过预先设置的危险门限时，立刻驱动报警器工作。

该系统的优点所实现的可燃气监测系统监测全面,性价比高,运行可靠,计算精确。

（2）由监测元件，放大电路，报警系统，显示系统组成。

可燃气体监测报警系统的监测原理主要有催化燃烧原理，热导原理，半导体原理和红外吸收原理等结合而成。

对于大多数可燃气体监测报警器均是采用催化燃烧原理制造。

采用催化燃烧原理制造的可燃气体报警器工作原理是依据平衡电桥，这一平衡电桥其中一个桥臂为热敏元件，热敏元件的表面涂有催化剂，当桥臂流过的空气含有易燃易爆物气体时，有不平衡电信号输出，根据信号大小可得到空气中易燃易爆物的含量。

当气体浓度达到预先设置的报警值时，仪器发出声光报警。

该系统的优点所实现的可燃气监测系统操作，控制策略简单,成本低。

但易受环境因素影响测量值。

由于本课题的目标是设计一种性价比高，运行可靠，低成本的可燃气体监测报警器，因此，综合分析后决定采用以下方案。

此方案设计的可燃气体监测报警器由液晶，单片机，传感器，A/D转换器，二极管，蜂鸣器,继电器构成。

第2章燃气泄露自动检测总体设计

2.1系统总功能

本设计部分主要由传感器，A/D转换器，单片机，液晶和蜂鸣器等组成。

首先，传感器送来的可燃气体浓度对应的电压信号送入A/D转换芯片ADC0832中，将模拟量转化成数字量后输入到微控制器内，进行数字滤波、数据处理、将电压信号转化成为对应的浓度值;最后，将实际可燃气体浓度送液晶显示，当有可燃气体浓度超出设定的限定值时，则单片机将驱动蜂鸣器实现报警功能。

并可通过继电器工作控制电机的运转实现紧急驱散可燃气体，降低其浓度值。

（1）可燃气体浓度值显示

通过液晶显示可燃气体的浓度值，以便于用户或检测人员随时观测气体浓度及更改报警限。

（2）可燃气体报警

当检测到的可燃性气体浓度超过报警设定值时，报警器发出鸣叫声。

发光二极管进行亮灭进行光报警。

（3）系统框图

图1系统框图

2.3方案设计与论证

根据要求，确定如下方案：

先在网上查找、下载关于燃气泄露检测装置的资料，弄清楚检测装置各模块的工作原理，确定检测装置各模块的电路图。

再通过淘宝网上购买一套装置所需的元件。

最后焊接各模块电路并进行调试，再根据检测装置需要实现的功能进行C语言的编程，由单片机根据所编写的程序实现对检测的燃气进行浓度的显示，以及当所测浓度超过所设定的标准进行声光报警。

这种方案能实现对局部环境燃气浓度进行监测，并具有声光报警功能，开启和关闭阀门功能。

可满足课题的各项要求。

2.3.1主控系统

根据设计要求，我认为此设计属于双输入量的复杂程序控制问题。

据此，拟定了

以下方案并进行了综合的论证，具体如下：

采用单片机作为整个系统的核心，用其控制液晶显示浓度的数值，声光报警电路与继电器的开启与关闭。

充分分析我们的系统，其关键在于实现浓度的显示，而在这一点上，单片机就显示出来它的优势——控制简单、方便、快捷。

这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。

因此，这种方案是一种较为理想的方案。

针对本设计的特点——一个程序控制数据的采集、显示、报警与阀门的自动开启与关闭。

根据这些分析，我选定了AT89S52单片机作为本设计的主控装置，52单片机具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多，对于本设计也绰绰有余，更可贵的是52单片机价格非常低廉。

在综合考虑了传感器、显示模块、报警模块等诸多因素后，我们决定采用AT89S52单片机的资源。

2.3.2MQ-2传感器模块的介绍

MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。

当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而降低。

使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

MQ-2/MQ-2S气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃气的检测也很理想。

这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。

图2是传感器典型的灵敏度特性曲线。

图中纵坐标为传感器的电阻比（Rs/Ro），横坐标为气体浓度。

Rs表示传感器在不同浓度气体中的电阻值

Ro表示传感器在1000ppm氢气中的电阻值

图2中所有测试都是在标准试验条件下完成的。

图2传感器典型的温度、湿度特性曲线。

图3中纵坐标是传感器的电阻比（Rs/Ro）。

Rs表示在含1000ppm丙烷、不同温/湿度下传感器的电阻值

Ro表示在含1000ppm丙烷、20℃/65%RH环境条件下传感器的电阻值

温/湿度的影响：

图3传感器的基本测试电路

该传感器需要施加2个电压：

加热器电压（VH）和测试电压（VC）。

其中VH用于为传感器提供特定的工作温度。

VC则是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的电压（VRL）。

这种传感器具有轻微的极性，VC需用直流电源。

在满足传感器电性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一个电源电路。

为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的RL值。

如图4为基本测试回路

图4基本测试回路

MQ-2/MQ-2S气敏元件的结构

和外形如图5所示（结构A或B）,由微型陶瓷管、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。

图5MQ-2结构，外形

2.3.3方案的确立

最后我们采用MQ-2传感器，该传感器对天然气、甲烷、丙烷、丁烷的灵敏度高，对液化气的监测也很理想。

这种传感器可检知多种可燃气体，具有使用寿命长，成本低，以简单的电路即可使用。

1、采用优质双面板设计，具有电源指示和TTL信号输出指示；

2、具有DO开关信号（TTL）输出和AO模拟信号输出；

3、TTL输出有效信号为低电平。

（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机或继电器模块）

4、模拟量输出电压随浓度越高电压越高。

5、对液化气，天然气，甲烷、丙烷、丁烷有较好的灵敏度。

6、有四个螺丝孔便于定位；

7、具有长期的使用寿命和可靠的稳定性

8、快速的响应恢复特性

（1）电气性能：

输入电压：

DC5V  功耗（电流）：

150mA

DO输出：

TTL数字量0和1（0.1和5V）

AO输出：

0.1-0.3V（相对无污染），最高浓度电压4V左右

特别提醒：

传感器通电后，需要预热20S左右，测量的数据才稳定，传感器发热属于正常现象，因为内部有电热丝，如果烫手就不正常了。

（2）接线方式：

1、VCC:

接电源正极（5V）

2、GND:

接电源负极

3、DO:

TTL开关信号输出

4、AO:

模拟信号输出

2.3.4传感器非线性信号处理

人们使用传感器时总希望传感器的输出量和它所测量的输入量呈线性关系,但由于传感器内部因素和测量误差等原因,传感器的输入—输出特性在整个测量范围内往往不是严格的直线关系。

在本系统中测量得到的是经传感器和采集电路变换的电压信号,为了真实地反映被测量的燃气浓度值,需要将根据系统特性在测量范围内将环境浓度与采集电压之间的关系作一个误差尽可能小的标定,依据此标定关系,将测量得到的电压信号真实地转化成被测环境的燃气浓度值。

本系统采用的是分段插值法来对系统测量值和目标值进行标定的。

图6中是传感器温度升高所输出的电压特性。

图7是加温度补偿的输出特性曲线图。

图6传感器输出特性曲线图

图7传感器加温度补偿所需的加热电压曲线

本论文使用的MQ-2传感器的电阻是随着可燃气体浓度的升高而升高的，因此输入单片机的电压也是随之升高的。

传感器配用不同的负载电阻RL（5KΩ，2.5KΩ，1KΩ）在电路中使用时，气体浓度与输出电压（VRL）的关系如图8所示。

可以看出，电压值与气体浓度之间是非线性的关系，为了实时显示气体浓度.需要对其进行线性化处理。

在误差许可范围内，根据标定曲线形状，以及单片机处理能力把曲线分段。

对每个小段分别线性化。

图8输出电压与气体浓度百分比的对应曲线

以RL=2.5K欧姆为例。

把该曲线线性化分成多部分，局部的四部分对应的关系如下表1所示。

表1浓度值与输出电压对应表

浓度值

输出电压

【400，1400】

【1.5，2.5】

【1400，2400】

（2.5,2.8】

（2400,3400】

（2.8,3.3】

（3400,4400】

（3.3,3.5】

可以在每个区间内，取两对输出电压与气体浓度的对应值，然后求出它们的区间线性化对应直线的关系式分别为（X代表气体浓度值，Y代表输出电压值）：

1．Y=0.001X+1.1

2.Y=0.0003X+2.08

3.Y=0.0005X+1.3

4.Y=0.0002X+2.62

依次类推，可得出多组对应关系。

因此，当给定某一电压值时，可以得出相应的气体浓度值。

当区间划分越多时，得出的结果越精确。

第3章硬件部分设计

3.1模数转换器

3.1.1模数转换器的介绍

ADC0832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，兼容性强，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。

3.1.2引脚及功能。

图9ADC0832引脚图

CS：

片选使能，低电平有效

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：

电源输入

3.1.3ADC0832的主要特性

1.　ADC0832具有以下特点：

●8位分辨率；

●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℃to+85℃

3.2单片机模块

3.2.1单片机的简介

随着计算机技术的发展，单片机因具有集成度高、体积小、速度快、价格低等特点而在许多领域如过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及嘲络技术等方面得到广泛应用。

从而使这些领域的技术水平、自动化程度大大提高。

正因如此国内外多家电子生产厂商把目光投向了单片机的生产，其中最为著名的当数INTEL公司生产的MCS-51系列单片机。

单片机型号的选择是根据控制系统的目标、功能、可靠性、性价比、精度和速度等来决定的。

根据本课题的实际情况，单片机型号的选择主要从以下两点考虑：

一是要有较的抗T．扰能力。

由于燃气体监测传感器有的要处在恶劣的环境下工作，这些都对单片机的干扰较大，所以采用抗干扰性能较好的单片机机型；二是要有较高的性价比。

典型产品AT89S520’单片机具有较高的性能价格比。

本文采用ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为监测系统的核心部件，AT89S52单片机是AT89S系列单片机中的一种，它是在现己广泛应用于工业控制等各领域的AT89C52系列单片机的换代产品。

它具有89C52的全部功能，是80C51的增强型并且指令完全兼容。

3.2.2AT89S52简介及主要功能特性

AT89S52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机。

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MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。

功能强大的AT89S52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。

AT89S52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89S52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

3.2.3AT89S52管脚说明

如图10为AT89S52的引脚图

图10AT89S52的引脚图

VCC：

供电电压,接+5V电源正端。

VSS：

接地,接+5V电源地端。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

P3口除了做一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能

表2为P3口第二功能

表2P3口第二功能

引脚

备选功能

P3.0

P3.1

P3.2

P3.3

P3.4

P3.5

P3.6

P3.7

RXD（串行输入口）

TXD（串行输出口）

/INT0（外部中断0）

/INT1（外部中断1）

T0（定时/计数器0外部输入）

T1（定时/计数器1外部输入）

/WR（外部数据存储器写选通）

/RD（外部数据存储器读选通）

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要