可燃气体检测仪设计本科毕业设计.docx
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可燃气体检测仪设计本科毕业设计
郑州轻工业学院
本科毕业设计（论文）
题目可燃气体检测仪设计
学生姓名
专业班级
学号
院（系）计算机与通信工程学院
指导教师（职称）
完成时间2017年6月1日
郑州轻工业学院
毕业设计（论文）任务书
题目可燃气体检测仪设计
专业电子信息科学与技术学号姓名
主要内容、基本要求、主要参考资料等：
主要内容：
1.了解可燃气体检测仪设计的基本原理。
2.运用KEIL、PCB、等软件完成系统的软件设计
3.使用以单片机为核心，MQ-X系列传感器为气体采集器，LCD12864液晶显示屏来显示实时的浓度值，等硬件设施来完成实时检测可燃气体的浓度，并完成报警。
基本要求：
通过软硬件结合的方式，实现可燃气体检测仪测量气体浓度并完成报警。
主要参考资料：
[1]D'AzzoJJ,HoupisCH,AzzoD.LinearControlSystemAnalysisandDesign[M].清华大学出版社,2000.
[2]刘爱华，传感器原理与应用技术.人民邮电出版社，2009.
[3]电阻式半导体气体传感器[J].张强,管自生.仪表技术与传感器.2006（07）.
[4]基于STM32的便携式矿用多气体检测仪的设计[J].徐大诏,李正明,刘军.仪表技术与传感器.2014（03）.
完成期限：
2017年6月1日
指导教师签名：
专业负责人签名：
2017年1月3日
目录
中文摘要I
英文摘要II
1引言1
1.1可燃气体探测的现状和发展趋势1
1.2研究目标2
2硬件设计总结构框图3
3可燃气体检测仪传感器4
3.1可燃气体传感器的种类4
3.2可燃气体传感器的选用4
3.3传感器模块设计4
3.4MQ-X系列传感器特性5
3.5传感器基本测试回路6
3.6MQ-X系列传感器在操作中的注意事项6
4硬件电路设计8
4.1可燃气体检测仪的硬件设计8
4.2STM32单片机8
4.2.1单片机最小系统8
4.3报警电路设计9
4.4传感器模块电路设计10
4.5液晶显示模块电路设计10
4.5.1LCD12864液晶显示屏简介11
4.5.2液晶显示电路设计11
4.6按键电路设计12
4.6.1按键消抖电路12
4.7串口模块设计12
4.7.1MAX232芯片简介12
4.7.2串口模块电路13
4.8ADC电路设计14
4.9电源管理电路设计14
5系统软件程序设计15
5.1系统整体程序流程图15
5.2编程软件的应用15
5.3按键模块软件设计16
5.4液晶显示模块软件设计16
5.5上位机模块软件设计17
5.6数字滤波设计18
6系统调试与分析20
6.1系统硬件调试20
6.2系统软件调试20
6.3测试结果20
6.4出现问题及解决方法21
结束语22
致谢23
参考文献24
可燃气体检测仪设计
摘要
可燃气体检测仪对可燃气体泄漏检测以及报警有着重大的作用，应用在生活安全领域。
其检测的敏感性程度及检测电路的性能是影响检测仪稳定性的重要因素。
STM32单片机为主控芯片，MQ-X系列可燃气体传感器，具有对检测气体灵敏度高，长寿命、低成本的特点。
在使用前需对其加热十分钟，预热完之后将这些传感器放置于待测的环境中，MQ-X系列传感器将对对应气体测试浓度，将测试浓度转为电压，然后再将转换得的电压经过单片机的A/D模块进行模数转换处理。
为了能够使用户对可燃气体浓度进行实时了解，在单片机外围链接了液晶显示屏，把经过单片机处理过的浓度值显示在液晶屏上；并且在单片机外围链接了按键模块，可以更简易的设置可燃气体的报警浓度，当所测得的气体浓度超过设置的浓度时，单片机将控制发光二极管和蜂鸣器发光发声实现报警；通过串口通信把实时采集到的浓度信息传给上位机，并且能够在上位机上显现出来，完成对危险气体浓度实时监控。
关键词气体传感器；STM32单片机；上位机；模数转换；报警
DESIGNOFCOMBUSTIBLEGASDETECTOR
ABSTRACT
Thecombustiblegasdetectorplaysanimportantroleintheleakagedetectionandalarmofflammablegas,andisappliedinthefieldoflifesafety.Thesensitivityofthedetectionandtheperformanceofthedetectioncircuitareimportantfactorsaffectingthestabilityofthedetector.
STM32microcontrollerasthemaincontrolchip,MQ-Xseriesofflammablegassensors,withhighsensitivitytodetectgas,longlife,lowcostfeatures.Beforeusingtheheatfortenminutes,afterpreheatingthesesensorsplacedonthemeasuredenvironment,MQ-Xseriessensorscorrespondingtotestgasconcentration,theconcentrationoftesttovoltage,andthenconvertthevoltagethroughtheA/Dmodulemicrocontrollerforanalogdigitalconversionprocessing.Inordertoenableuserstoconductreal-timeunderstandingofthecombustiblegasconcentration,inperipherallinkoftheLCDscreen,theconcentrationofSCMprocessedvaluedisplayedontheLCDscreen;andintheperipherallinkkeymodule,alarmsettingsofcombustiblegasconcentrationcanbemoresimple,whentheconcentrationofthegasmeasuredbymorethansetwhenthemicrocontrollerwillcontrolthelight-emittingdiodeandthebuzzersoundlightalarm;throughtheserialcommunicationtocollecttheconcentrationinformationtothehostcomputer,andcanappearonthehostcomputertocompletethereal-timemonitoringofgasconcentration.
KEYWORDSgassensor;STM32microcontroller;hostcomputer;analogtodigitalconversion;alarm
1引言
经济发展迅速，城市天然气、煤气的使用已经普遍到各家各户，虽然这些燃料给我们的生活带来了很多的便捷，但由于设备管理使用不当，可能会造成气体的泄漏引起气体中毒，造成生命危险。
煤气、天然气中毒或者爆炸事件是各种危害事件中最常见的。
几乎每天都会有因煤气泄漏而导致的家庭悲剧，为了防止此类悲痛的事件再次发生，必须找到一个安全便捷实用有效的解决方法。
如果能正确、科学地认识可燃气体的爆炸,了解爆炸前的情况,采取适当的预防措施,就能做到保护人身财产安全，避免此类悲剧发生[1]。
因此,研究性能稳定可靠的监测可燃气体浓度的报警装置具有重要意义。
可燃气体检测仪就是为了防止这样的事故再次发生，能够提前达到预警的效果。
1.1可燃气体探测的现状和发展趋势
可燃气体的探测一直是人们所关注的重点，工人下井勘测井内的的可燃有毒的气体，从而保证工人们施工的安全。
但这种历史却由来已久甚至隋代时期，人们会将鸡鸭禽类放置密闭空间中，观察这些禽类的健康状况从而判断这个空间是否安全。
而现如今随着科技的发展，天然气以及煤气的普遍运用，使得可燃气体的探测和监控成为当前热门的技术问题。
要说到最早的气体传感器大概是上世纪20年代产生的。
也就是在英国第一次工业革命之后产生的。
因为工业化的进步带来了巨大的方便，但也了导致气体的泄漏，所以在历史的长河中，发展都是与时俱进的，这说明可燃气体探测仪是社会发展保护人民安全的的必要产物。
在1980年，日本就开始实行安装城市煤气等报警器法规，之后美国也有7个州11个城市立法规定了家庭、公寓、办公区域都需要安装易燃易爆气体报警器。
就在我国也有许多城市已经发布文件，比如青岛、哈尔滨、山西等省份。
在目前，随着我国城市化扩大发展，燃气煤气的普遍率增高，政府也通过立法保护人民安全，并且随着人们接受更普及的教育，使得人民安全保护意识有所提升，城市家庭公寓等场所安装可燃气体报警器是必将被推广普及的。
人们对可燃气体检测仪的需求也必将大大的提升。
可燃气体报警器就是适应社会需求所开发的一种安全装置，现如今小区及办公楼都会有相应的管理人员进行管理，而此次设计的可燃气体检测仪就能发挥它的作用，通过检测可燃气体浓度进行声光报警，并且与管理员的上位机进行通信连接，就能让管理员实时进行监控保护，所以发展前景非常良好必定具有广阔的市场，是现代家庭、社会发展的必需品。
1.2研究目标
可燃气体检测仪是以STM32单片机为控制核心，以MQ-X系列传感器为可燃气体采集器，将其放在待测的环境中，气体传感器将根据可燃气体浓度的变化输出电压的值，然后通过STM32单片机中ADC处理，为了方便进行实时监测，于是将处理计算后得到的数值通过串口把浓度值在上位机界面和液晶显示屏上显示。
并可以通过按键模块来实现对报警浓度的上限设置，当所测得的气体浓度超过设置的浓度时，STM32单片机将控制外围报警电路，使发光二极管和蜂鸣器发光发声报警。
系统以STM32为核心，以可燃气体传感器为采集器件，LCD12864液晶显示屏来显示实时的浓度值，MAX232串口模块为通信桥梁设计的。
目标实现：
（1）完成对可燃气体传感器的选定
（2）完成装置硬件部分的设计：
采用STM32单片机为主控芯片，MQ-X系列传感器采集气体的浓度，A/D转换器实现模数转换，按键模块来调节浓度上限设置，上位置和液晶显示屏显示所测气体浓度，发光二极管和蜂鸣器完成声控报警部分。
（3）完成装置电路设计：
STM32单片机电路设计，传感器基本设计，A/D转换电路设计，声光报警电路设计，复位电路，LED显示电路等。
、
（4）完成系统软件设计：
整体程序流程图设计，按键模块、液晶显示模块电路设计。
（5）完成成品制作：
可燃气体检测仪能够实现检测可燃气体浓度并显示及报警。
电路完成焊接，对程序进行反复调试，最终实现仪器功能。
2硬件设计总结构框图
硬件结构框图如图2-1所示。
其中A/D转换电路是由STM32单片机控制完成,且MQ-X传感器本身自带信号放大系统。
MQ-X系列传感器采集到周围环境可燃气体浓度时会输出一个小电压信号，经过传感器自带的一个可编程的放大电路进行信号的放大；被放大后的信号送人单片机中ADC模块进行模数转换；转换后的结果由STM32单片机进行读取处理；按键电路用来控制报警气体浓度上限的设置，按键电路共由四个按键组成调节报警浓度上限，并可以切换不同气体浓度模式；此外LED显示屏和上位机都是用来显示气体浓度数据的，当STM32单片机处理过数据，会通过MAX232串口与上位机达成通信从而监控气体浓度，当气体浓度超过限定值时，单片机会控制外围的报警电路实现报警。
图2-1硬件结构框图
3可燃气体检测仪传感器
3.1可燃气体传感器的种类
现如今随着科技的发展，气体传感器也是越来越多样，也越来越普遍。
气体传感器在市场的应用已经非常普及了，其发展历史也已经有几十年了，技术方面已经成熟了，根据不同的材质不同的原理传感器的种类大概分为以下几类：
电化学式、光学干涉式、半导体式、催化燃烧式和固体电解质气体传感器[2]。
下面对传感器的种类做简单的介绍。
（1）电化学传感器是使用电极和电解液封灌制成。
原理是将周围环境中的气体在电场下进行电离，随后测得电流。
虽然这样的产品灵敏度很高，但是主要是对有毒气体检测，运用并不广泛，具有一定的局限性。
（2）光学干涉式气体传感器在使用过程中周围环境的光线会影响传感器的敏感度，也有一定的局限性。
（3）半导体气体传感器顾名思义是由半导体材料制成，这样的产品不仅具有结构简单的有点，更主要的是价格低廉实惠，所以这类传感器得到了广泛的应用。
（4）催化燃烧式气体传感器是在通电状态下，利用催化剂使得可燃性气体发生氧化反应，然后电阻率也随之变化的原理。
不过这类传感器灵敏度不是很高。
（5）固体电解质气体传感器是在气体经过传感器时，传感器产生离子，生成了电势差，产生了电压的原理。
但产品在制作工艺上成本高，在检测范围上也有局限性。
3.2可燃气体传感器的选用
经过上述对各种传感器的性能比较，半导体气体传感器制造工艺成熟，便于器件集成化，且其性能稳定价格便宜，利用特定材料还可以使传感器对某些气体特别敏感，所以我们选定这一类型传感器做为此次设计的材料首选。
通过网上价格和性能的比较，最终选择了MQ-7，MQ-9，2M004,3个气体传感器作为此次设计的传感器材料。
3.3传感器模块设计
（1）传感器模块组成图如图3-1所示。
图3-1传感器模块组成图
（2）MQ-X传感器基本介绍：
<1>其工作电压都是5V。
<2>都有6个引脚，其中4个引脚用来信号传输，2个引脚用来加电。
<3>双路信号输出：
DOUT，AOUT。
（由于方便实验选择AOUT，模拟量输出）。
需要注意的是当测量浓度大于设定浓度时，单片机IO口输出低电平，报警器设定的是低电平报警。
（3）MQ-X系列传感器工作原理图如图3-2所示：
图3-2MQ-X传感器电路原理图
如图所示，MQ-X系列传感器自带信号放大电路，在使用时，直接将传感器的AOUT脚接到STM32的PA2脚，接收到的数据将传输到ADC中，然后将测得的模拟量电压值转换为可燃气体的浓度值。
3.4MQ-X系列传感器特性
（1）氧气分压影响
（2）气敏特性
根据上述方程，可以看出传感器的电阻值是在一定的气体浓度范围内（从几十ppm至几千ppm）与气体浓度呈现对数线性关系，这是处于工作条件下。
（3）传感器响应特性
在工作条件下传感器先被放入还原性气体中，其表面发生化学反应，导致电阻降低过段时间后，电阻慢慢平稳，然后再放入空气中，电阻会很快的恢复到最初值。
（4）温、湿度影响
MQ-X系列传感器利用的是气体在传感器表面发生的反应的原理。
环境温度的不同会使进行的化学物理反应的速率也不同，导致阻值也不同。
（5）长期稳定性
通常情况下，MQ-X传感器比较稳定，可以长期使用。
（6）加热器电压的影响
加热器电压不同，会影响传感器阻值变化，恒定且合适的电压才能保证传感器正常工作[3]。
3.5传感器基本测试回路
由于MQ-X系列气体传感器基本测试回路相似构造接近，所以其基本测试回都路如图3-3所示：
图3-3传感器基本测试回路
MQ-X传感器都是具有轻微的极性，必须使用直流电源，另外与传感器串联的电阻需要选用恰当的电阻值来保证传感器的性能最佳达到最佳。
这两个施加电压无特殊情况是可以使用同一电源供电的[4]。
3.6MQ-X系列传感器在操作中的注意事项
1、必须避免的情况：
（1）暴露于有机硅蒸气中
传感器的敏感材料不能被包裹接触损坏，负责无法正常工作，而有机硅蒸汽则会损坏其敏感材料。
（2）高腐蚀性的环境
传感器暴露在高腐蚀性的环境中，会引起传感器器件线路腐蚀破坏，且不可恢复。
（3）碱、碱金属盐、卤素的污染
传感器被碱金属盐水，卤素等会引起性能上的破坏
（4）接触到水
传感器接触到水，或浸入水中都可使敏感性被抑制。
（5）结冰
传感器结冰会导致其表面敏感材料遭到破坏，丧失敏感性
（6）电压加错管脚（仅限于旁热式系列）
MQ-X传感器都是6脚型的传感器，其中4个脚是用来信息传输，另外俩个是用来加热。
若果加错管脚会导致断路，器件烧毁等情况。
2、尽可能避免的情况
（1）凝结水
（2）处于高浓度气体中
（3）长期贮存
（4）长期暴露在极端环境中
（5）振动
（6）冲击
4硬件电路设计
4.1可燃气体检测仪的硬件设计
可燃气体检测仪主要有三部分构成，第一是部分是气体传感器：
检测甲烷，一氧化碳，乙炔三个传感器。
装置在有可燃气体的周围环境内，当检测到周围环境中的可燃气体时，这些传感器将检测到的可燃气体的浓度转化为模拟电信号；第二部分是STM32单片机核心控制装置,能够将收到的模拟电信号通过其中A/D转换装置转化为数字信号并进行处理然后将数据发送到外围电路。
第三部分是外围电路：
包括显示电路，报警电路，按键模块，上位机等；能够显示并监控单片机所处理的数据，并调节浓度上限，实现即时报警[5]。
4.2STM32单片机
设计选用STM32单片机型号为STM32F103C8T6。
内部集成有时钟，ADC，串口，SPI，DMA，等功能。
采用哈佛结构，通过不同总线控制不同的内存器。
同时，可以操作不同的内存器，大大提高了数据交换的速度。
在其快速工作时频时最高工作频率高达72MHz，本系统采用STM32单片机作为主控制器，其工作电压为3.3V，STM32单片机就是以低电压低功耗来实现高性能的产品。
它的优势就在于能够快速的采集数据，快速处理，且具有3个ADC。
这个特性使得STM32可以同时对多个模拟量进行数据采集和处理[6]。
能够快速的处理多种可燃气体的浓度，大大加快了实验的进程。
这正是选用STM32单片机的原因。
4.2.1单片机最小系统
单片机最小系统就是保证单片机芯片能够正常运行正常工作的最小配置。
一般由几个部分组成：
电源，晶振，时钟电路，复位电路,等[7]。
STM32单片机有多个时钟源，其内部局部时钟电路图如图4-1所示：
图4-1内部部分时钟电路
单片机STM32最小系统如图4-2所示：
图4-2单片机STM32最小系统图
其复位电路如图4-3所示：
图4-3复位电路图
4.3报警电路设计
报警电路也是非常重要的一部分，人们可以通过仪器的报警来避免将要发生的危险。
但报警电路却是由几个简单的器件组成的。
其中电阻是用来保护单片机和报警电路的，三极管作用是放大从单片机输出的信号，报警电路是由STM32的PA7、PA12口控制。
当到达危险范围值时，蜂鸣器发出声音，发光二极管闪烁[8]。
报警电路如图4-4所示：
图4-4报警电路
4.4传感器模块电路设计
可燃气体传感器都是MQ-X系列的，所以其电路基本一致，在这里模块原理图
如图3-2所示，电路接入管脚为四个脚，分别为电源、地、AOUT和DOUT。
可燃气体传感器模块模拟电压输出范围为0-5V，在这里由于使用的是STM32主控芯片，其电源供电电压为3.3V，所以不可以直接将其模块输出接入到AD转换接口上，需要一转换电路将其电压变小[9]。
在这里，其运放电路如下图4-5所示，其公式为Vout=（R2/R1）*Vin。
在这里放大倍数选择为0.5倍，所以R1为2K，R2为1K。
图4-5可燃气体传感器模块输出转换电路图
4.5液晶显示模块电路设计
4.5.1LCD12864液晶显示屏简介
LCD12864这一型液晶显示屏在价格上低于同类显示屏，且低电压低功耗。
与单片机工作电压不同，其正常工作电压为5V。
LCD12864液晶显示模块引脚表如表4-1所示：
表4-1LCD12864液晶显示模块引脚表
通过上表可以看出，DB0-DB7是数据传输端连接单片机的PB端。
A，K分别为背光源正极，背光源负极。
17引脚为复位引脚[10]。
4.5.2液晶显示电路设计
选用的LCD12864液晶显示屏其控制器为S6B0108，该类型并不带中文字库。
显示数据RAM，最多只能控制4行每行16个字。
如图4-6，液晶显示屏是由单片机的PB端控制。
图4-6LCD液晶屏接线图
4.6按键电路设计
按键电路是用来设置报警浓度界限，和在不同气体浓度界面进行转换的。
有五个功能键，分为设置，加，减，模式，进式，对应S1，S2，S3，S4，S5。
当S1摁下，LCD显示屏显示设置报警浓度界面；再按S4是在甲烷、一氧化碳、乙炔报警界面转换。
S2,S3控制报警浓度加减。
按键电路是由STM32的PA11、PA12、PA13、PA14、PA15引脚控制。
按键电路图如下图4-7所示：
图4-7按键电路
4.6.1按键消抖电路
一般的按键都是机械弹性开关，当按键摁下时并不会直接接通，而是在闭合和断开之间来回抖动，在断开时也会有这样的情况。
这种情况就是按键抖动[11]。
为了消除这一现象设计了按键消抖电路。
用四个按键进行设置操作，采用中断方式，因此需要消抖电路进行消抖以防抖动干扰进入中断服务程序导致程序处理异常。
用RC消抖电路消除信号抖动，电路简单，效果较好，如图4-8所示：
图4-8按键消抖电路
4.7串口模块设计
4.7.1MAX232芯片简介
MAX232串口芯片功耗低，且用电池供电最为合适。
稳定性强，接收发送信号稳定。
这也是选择MAX232芯片的原因。
芯片所拥有的一些特性如下：
1、符合所有的RS-232C技术标准
2、只需要单一+5V电源供电
3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-
4、功耗低，典型供电电流5mA
5、内部集成2个RS-232C驱动器
6、高集成度，片外最低只需4个电容即可工作[12]。
4.7.2串口模块电路
串口模块是由MAX232芯片和外围的电容组成的。
MAX232芯片的工作电压为5V，功耗非常低，其作用就是连接单片机与上位机并让它们实现通信，实现上位机即时监控。
外围的电容大小则是根据MAX232芯片的型号决定的。
MAX232芯片的引脚T2I起接收来自单片机信号的作用、R2O起发送信号的作用，而T2O、R2I则起着往上位机发送和接收上位机发来的数据的作用。
单片机的PA9,PA10引脚控制芯片。
串口模块如图4-9所示：
图4-9串口模块电路
4.8ADC电路
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