毕业设计（论文）-可燃性气体泄漏报警控制器的设计.doc

可燃性气体泄漏报警控制器的设计 摘要本毕业设计论文介绍了基于stc89c52单片机的可燃性气体泄漏报警控制器的设计，该控制器由stc89c52单片机，电源电路，ad数据转换adc0804转换电路、lcd显示器1602显示电路及声光报警电路五大部分组成。它采用半导体陶瓷式气敏传感器mq-5用于检测空气中以烷类气体为主的多种可燃性气体的浓度，结合外部硬件电路实现对可燃性气体进行报警控制。软件部分采用了c语言编程。该控制器具有操作简单，实用性强，价格便宜，智能化、安全性高等特点，适合家庭、储气仓库等场所使用。 关键词：stc89c52单片机；可燃性气体；泄漏；报警；控制器 abstract this graduation paper introduces the design of a alarm controller about the leakage of flammable gas based on stc89c52 chip microcomputer .the controller consists of five major components：stc89c52 chip microcomputer，power circuit , the ad data conversion circuit（the adc0804 conversion circuit）, lcd displayer（1602 display circuit ），light and sound alarm circuit. it uses semiconductor ceramic type gas sensor mq-5 to detect a variety of concentrations of flammable gases in the air, especially alkane gases, combined with external hardware circuit implementation of combustible gas alarm control on the device. the software part used the c language to program.the device has simple operation,practical,cheap,intelligent and safety higher characteristic,so it is very suitable for family, using in a gas storage warehouse and other places.it has a high practical value.keywords：stc89c52 chip microcomputer;combustible gas;leakage;alarm;controller目录1 绪论1 1.1 引言1 1.2 可燃气体泄漏报警器研究目的和意义1 1.3 可燃气体漏报警器的现状及发展趋势1 1.4 设计任务22 系统的组成及其原理3 2.1 系统组成3 2.2 系统工作原理33 硬件系统设计5 3.1主机单元电路5 3.1.1 stc89c52单片机5 3.1.2 晶振电路及复位电路7 3.1.3 电源电路7 3.2 功能实现模块部分8 3.2.1 adc0804信号采集及数据转换单元8 3.2.2 lcd1602液晶显示模块10 3.2.3 声光报警模块11 3.3 传感器的选用12 3.3.1 mq-5半导体气体传感器13 3.3.2 mq-5气体传感器规格154 软件设计16 4.1 可燃性气体报警控制器软件流程及设计16 4.2 主程序流程图及设计16 4.2.1 t0中断子程序17 4.2.2 显示子程序设计195 系统调试20 5.1 硬件的调试20 5.1.1 排除逻辑故障20 5.1.2 排除元器件故障20 5.1.3 排除电源故障20 5.2 软件调试20 5.3 软、硬件整体调试21 5.4 小结21参考文献22附录23 1 程序清单23 2 系统电路图29 3 实物图30 4 元件清单31致谢321 绪论1.1 引言燃气泄漏报警器是非常重要的燃气安全设备，由单片机、气敏感测器、气体浓度显示器、报警器组成。它通过气敏元件气敏感测器探测周围环境中低浓度可燃气体，通过采样电路，将探测信号用数字量或模拟量传递给控制器，当气体浓度超过控制器中的预设值时，控制器通过执行器发出报警信号或执行关闭燃气阀门等动作。燃气报警器的探测气敏感测器主要有半导体型、电化学气敏感测器、接触燃烧室以及少量的其他类型。这些传感器都是通过对周围环境的可燃气体的吸附，在传感器表面发生化学反应或电化学反应，造成传感器的物理特性改变，并显示出其实时浓度值，经单片机处理后报警并联动外部设备防止事故的发生，可燃气体泄漏报警器在电信、石化、环保、医疗、安全检测、暖通空调等行业都有广泛应用。1.2 可燃气体泄漏报警器研究目的和意义单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，有利于为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施。目前，国内使用的报警控制器，许多都使用时间过长，老化严重，技术指标不达标，报警器的性能也不稳定。有些是保养不当，如蓄电池损坏，有些是因使用不当而造成故障，因此不能进行准确，安全的报警和控制。为了防止各类燃性气体泄漏事故再次发生，我们提出利用单片机系统进行有效的预防对策，研制一种新型，性能稳定、准确检测可燃性气体，并且符合国家相关规定的报警控制器势在必行。根据有关专家介绍，使用燃气报警器是对付燃气泄漏的重要手段之一。近年来，有关部门经长期测试得出结论，燃气报警器防止一氧化碳中毒事故发生的有效率达95%以上。因燃气泄漏和废气排放而大量产生的一氧化碳导致了燃气中毒、瓦斯爆炸事件频频发生，若采用可燃气体泄漏报警器就能得到及时的警示并采取相关的处理抢救措施，保证了安全生产和居民的财产安全。燃气报警器已然成为各行业安全系统的必备设备。1.3 可燃气体漏报警器的现状及发展趋势可燃气体检测报警产品是一个系列产品，包括气体探测设备、信息传输设备、报警分析控制器，是物理传感技术、自动控制技术、计算机技术、数据传输及管理技术、智能楼宇等技术的集成，属高新技术。在国内，这一行业也得到发展，具备了与国外知名企业的抗衡能力。许多的冠名以高新技术的行业中，中国企业大多做的是下游的制造和服务，像安防报警产品那样既拥有自我知识产权，又拥有大量市场的行业其实是很少的。国内外产品在安防报警产品的技术含量上差别不是很大，但类似国外安防报警产品的大批量规模化的生产才刚起步，有待于积累经验和技术，产品质量还是有些差异的。燃气报警控制器在国外已经发展成相当成熟的一种产品: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；另一方面是由于煤气报警器市场增长受到政府安全法规的推动。日本是最早发明燃气报警器的国家，已有五十多年的历史，其技术处国际领先水平。目前，煤气报警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，这也是煤气报警器一直追求的目标。如日本费加罗公司推出了检测（0.110）106硫化氢低功耗煤气报警器，美国ist提供了寿命达10年以上的煤气报警器，美国firstalert公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗co煤气报警器等。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煤气报警器。如美国generalmonitors公司在煤气报警器中嵌入微处理器，使煤气报警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”煤气报警器实现了智能化、多功能化。1.4 设计任务本文设计了一种性能稳定、灵敏度高、使用方便、智能化的气体检测报警系统，具有一定的使用价值。本次设计主要完成以下几个任务：1、选定可燃性气体报警系统的方案及总体框图，对单片机报警系统进行整体的规划和结构的设计；2、系统的硬件电路设计。以stc89c52芯片为中央处理器，对硬件电路进行设计和改进，完善其功能，系统的硬件电路主要为a/d转换电路、stc89c52单片机界面电路、声光报警控制电路、晶振电路、复位电路、lcd显示电路等；3、软件编制。在编程的过程中，分别对主程序和各部分子程序进行了流程图的绘制，同时加入了详细的文字注释，以便于后期的改进与维护。4、制作实物，实现可燃性气体报警功能。在设计完系统后，对该系统进行调试。并根据电路图做出实物，实现设计功能。2 系统的组成及其原理2.1 系统组成本可燃气体泄漏报警器系统原理方框图如图1所示，其对应的系统电路图如图2所示。本设计由stc89c52单片机，电源电路，a/d转换电路、lcd显示器及声光报警电路五大部分组成。系统总体构成包括可燃性气体探测器（主要是空气中以烷类气体为主的传感器）、adc0804转换电路、stc89c52单片机界面电路、lcd1602显示电路、蜂鸣器和二极管的声光报警控制电路、晶振电路、复位电路和电源电路。stc89c52 单片机显示电路 声光报警电路单片机最小系统ad转换电路气敏感测器 电源电路图1 系统原理方框图2.2 系统工作原理本设计可以检测空气中的烷类气体、一氧化碳等多种可燃性气体的浓度，采用mq-5气敏感测器对可燃性气体信号进行采集，通过adc0804将采集到的模拟浓度信号进行转换，并且将转换出来的数字信号送入stc89c52单片机，单片机将实时浓度通过lcd1602显示出来；当可燃性气体浓度大于或等于设定值（本设计的报警限为400ppm）时，单片机的报警电路的引脚变低电平，相应的声光报警电路就会导通，蜂鸣器响并且二极管发光，通知操作人员采取措施。当我们按下复位键，给单片机一个脉冲，单片机里的数据会清空，重新采集数据，此时显示值为000ppm。总体硬件的连接图如图2所示。该报警器采用了“mq-5探测器+单片机控制电路”设计思路，具有检测误差小，灵敏度高等优点，它可以检测空气中以烷类气体为主的多种可燃性气体的浓度，实时显示浓度值。当达到预先设定的上限报警设定值时，发出声音报警和控制信号，以提示操作人员采取安全对策或自动控制相关安全装置。图2 系统电路图3 硬件系统设计 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stc89c52单片机、晶振电路、复位电路和7805电源电路组成。功能实现系统模块，由a/d转换电路、信号处理电路、lcd显示电路、气敏感测器和声光报警电路组成。3.1 主机单元电路主机模块是由主控芯片stc89c52、复位电路、晶振电路、电源电路构成。它是仪表的核心部分。7805稳压芯片构成的电源电路提供+5v的稳定电源；当输入的模拟量可燃气体浓度超过预设值时，经单片机处理后，向继电器电路发出指令，继电器电路会断开，起到自动调节、转换电路、安全保护的作用。内部的eeprom有掉电数据存储功能，用于保存各采集通道的报警上限。总体连接如图3。图3 主机模块连接图3.1.1 stc89c52单片机stc89c52是一种低功耗，高性能、高可靠、无法解密的cmos 8位单片机，片内含8k bytes isp(in-system programmable)的可反复擦写的flash只读程序存储器，兼容了标准的mcs-51指令系统及89c51rc引脚结构，芯片内集成了灵巧的8位中央处理器和isp flash存储单元。功能强大且低价的微型计算机stc89c52可为许多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。其各个引脚如图4所示。总体来讲，stc89c52具有如下特点：40个引脚,8k bytes flash片内程序存储器,512 bytes的随机存取数据存储器（ram）,32个外部双向输入/输出（i/o）口,一个6矢量2级中断结构,3个16位可编程定时器/计数器,1个全双工串行通信口,内置4kb eeprom存储空间，max810复位电路，看门狗（wdt）电路,片内时钟振荡器，最高运行频率为35mhz，6t/12t可选。主要功能表特性见表1。此外,stc89c52设计和配置了振荡频率可为0hz的静态逻辑操作，并可通过软件设置省电模式（支持2种软件节电模式）。空闲模式下,cpu暂停工作,而ram定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作。掉电模式下能冻结振荡器而保存ram的数据,停止芯片其他功能直至下一个外中断启动或硬件复位。同时该芯片还具有pdip、tqfp和plcc等封装形式,用于适应不同产品的需求。表1 主要功能特性表：兼容mcs-51指令系统8k可反复擦写(1000次)isp flash rom32位i/o口线3.3-5.5v工作电压3个16位可编程定时/计数器时钟频率0-35mhz2个外部中断源512x8bit内部ram全双工uart串行中断口线内置4kb eeprom存储空间中断唤醒省电模式低功耗空闲和省电模式看门狗（wdt）电路软件设置空闲和省电功能max810复位电路1个6矢量2级中断结构灵活的isp字节和分页编程双数据寄存器指针 图4 stc89c52各个引脚主机stc89c52完成对监控系统的数据采集过程、采集方式、显示过程和报警过程的控制。其最简单的连接图如图5。 图5 stc89s52最小系统3.1.2 晶振电路及复位电路晶振电路是单片机工作的主时钟电路，单片机所有的工作都是在由晶振产生的节拍的控制下工作的，它由晶振和两个谐振电容组成。本设计中采用了12mhz的晶振和两个22uf的电容，晶振为单片机提供了1us的机器周期，两个电容起到稳定振荡频率的作用。整个电路的输入和输出端分别接在了单片机的xtal1、xtal2两引脚上。其连接电路如图6所示。 图6 晶振电路复位电路采用了外部复位电路的手动按钮复位，设置了一个按键，按下再弹起就给单片机复位引脚rst施加一个+5v的脉冲，在这个脉冲时间内单片机就完成了复位。其连接电路如图7所示。 图7 复位电路3.1.3 电源电路电源采用直流电源变压器输出12v的电压，并由桥式整流二极管、7085稳压器、电容滤波组成。先将220v交流电压经过变压器转化成直流12v，再经过二极管桥式整流器进行全波整流，电容滤波，最后由7805集成稳压器稳压成为稳定的+5v电源。电路安全稳定可靠，测试电压为+5v，并且在12v和5v电路中引线排针，以供日后使用。电源电路首先由12v/3w的变压器将220v的交流电转变成12v，桥式整流器由四只in4007二极管构成，正半周期时，d3、d5导通，d4、d6截止；负半周期时，d4、d6导通，d3、d5截止；完成全波整流，电容起到滤波限流的作用。其电源连接电路如图8所示。图8 电源连接电路3.2 功能实现模块部分该部分有数据采集电路模块、信号处理模块、lcd显示模块、声光报警模块等，它可以实现stc89c52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。本设计能实现对可燃性气体的实时检测，并显示在lcd上，若实际气体浓度值超过设定值，单片机通过控制电路执行声光报警。3.2.1 adc0804信号采集及数据转换单元整个硬件电路主机部分的起始点就是adc0804对模拟信号的转换，单片机只能处理数字信号，所以必须要有模数转换器的存在。本设计a/d转换器选择了adc0804，它是具有8位的分辨率，使用cmos集成工艺制成的逐次比较型模数的转换芯片。该芯片一次的转换时间为100s，输入电压范围为05v，增加某些外部电路后，输入模拟电压可为5v。该芯片内有输出数据锁存器，当与微处理器连接时，转换电路的输出可以直接连接在cpu数据总线上，无须附加逻辑界面电路。它以方便的ttl或cmos标准界面，可以满足差分电压输入，不需要调零和价格低廉的特点得到广泛应用。adc0804的cs引脚为片选信号输入端，低电平有效；wr为写信号输入，接受微机系统或其他数字系统控制芯片的启动输入端，低电平有效，当cs、wr同时为低电平时，启动转换；rd为读信号输入，低电平有效，当cs、rd同时为低电平时，读取转换输出数据；intr为转换结束输出信号，低电平有效。输出低电平表示本次转换已完成。该信号常作为向微机系统发出的中断请求信号；clkin为外电路提供时钟脉冲输入；clkr是内部时钟发生器外接电阻端，与clkin端配合可由芯片自身产生时钟脉冲，其频率为1/1.1rc；d0d7为a/d转换器数据输出端，该输出端具有三态特性，与微机总线相接；vin(+)/vin(-)为adc0804的两模拟信号输入端，用以接受单极性、双极性和差摸输入信号；agnd、dgnd分别为模拟接地端、数字接地端。adc0804各控制信号时序关系为：当cs与wr同时为低电平a/d转换器被启动切在wr上升沿后100模数完成转换，转换结果存入数据锁存器，同时，intr自动变为低电平，表示本次转换已结束。如cs、rd同时来低电平，则数据锁存器三态门打开，数字信号送出，而在rd高电平到来后三态门处于高阻状态。adc0804的功能特点，8 bit分辨率ad转换器；在工作温度范围内100s转换时间；2个模拟输入通道；接受具有单、双极性和差模输入信号；存取时间为135s；总误差为正负1lsb；无须附加逻辑界面电路等。adc0804引脚介绍如图9所示。 图9 adc0804的引脚图adc0804采集数据时，首先由stc89c52执行一条传送指令，在该指令执行过程中，微处理器在控制总线的同时产生cs低电平信号，启动a/d转换器工作，adc0804经vin(+)后将输入模拟信号转换为数字信号存于输出锁存器，并intr端产生低电平表示转换结束，然后通知微处理器可来取数。当stc89c52通过总线查询到intr为低电平时会立即执行输入指令，以产生cs低电平信号到adc0804相应引脚，将数据取出并存入存储器中。整个数据采集过程中，由stc89c52有序的执行若干指令完成。根据芯片的规范和要求，本设计中adc0804的cs接在89c52的p2.1脚，作为片选使用。p2.3和p2.4分别接上wr和rd引脚，intr接在p2.2。数字输出量db0db7分别对应接在p3.0p3.7，模拟输入量vin(+)接mq-5传感器上，采集模拟信号。vref/2与dgnd接vcc+5v电源和电阻r6、r7保证芯片正常工作。clkin、clkr和vin(-)外接r5(10k)、c4(56pf)rc振荡电路产生时钟脉冲，vin(-)还接gnd，20号引脚接+5v电源。对模拟器件和数字器件，电源的地线回路必须分开，以防止数字部分的噪声电流通过模拟地回路引入，产生噪声电压，从而对模拟信号产生干扰。adc0804的总体设计如图10。图10 adc0804的总体设计3.2.2 lcd1602液晶显示模块功能实现模块中的显示模块本设计采用了lcd1602液晶显示器，它微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。它能够同时显示16x02即32个字符，内容为16x2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。1602液晶显示器也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它有若干个5x7或者5x11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以他不能显示图形。其各引脚如表2所示：表2 lcd1602引脚定义引脚号引脚名电平输入/输出作用1vss电源地2vcc电源（+5v）3vee对比调整电压4rs0/1输入0=输入指令1=输入数据5r/w0/1输入0=向lcd写入指令或数据1=从lcd读取信息6en1,1 0输入使能信号，1为读取信息1 0（下降沿）执行指令7db00/1输入/输出数据总线line08db10/1输入/输出数据总线line19db20/1输入/输出数据总线line210db30/1输入/输出数据总线line311db40/1输入/输出数据总线line412db50/1输入/输出数据总线line513db60/1数据总线line614db70/1数据总线line715a+vcclcd背光电源正极16k接地lcd背光电源负极资料来源：徐玮,51单片机综合学习系统-1602字符型液晶显示篇j.电子制作,2008，(01)它有以下特性：+5v电压；对比度可调；含复位电路；提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、游标闪烁、显示移位等多种功能；有80字节显示数据存储器ddram；建有192个5x7点阵的字型的字符发生器cgrom；8个可由用户自定义的5x7的字符发生器cgram。本设计中，lcd1602液晶显示器的gnd、vcc和vl外接一个10k的可变电阻，我们可以通过可调电阻来调节液晶显示器的亮度。片选信号rs脚接89c52的p2.5,写入信号rw脚接p2.6，使能信号en脚接p2.7，数据端d0d7分别接p2.0p2.7，bl+接+5v电源，bl-接地。其总体连接图如图11所示。图11 lcd1602总体连接图3.2.3 声光报警模块声光报警功能用声音和灯光报警实现的，本设计的声光报警模块主要由一个有源蜂鸣器、两个发光二极管来实现。声音报警电路使用了5v的蜂鸣器和一个三极管9012，三极管驱动有放大电压信号的作用，使蜂鸣器的报警声音更大，提示作用更好。而光线报警电路采用了两个当可燃性气体浓度值大于或等于设定值时，单片机控制的p1.3、p1.5脚变为低电平，此时声光报警电路也随之导通，蜂鸣器发出报警响声，并且发光二极管点亮。按下复位键，单片机回归初始状态，报警解除，蜂鸣器关闭、二极管熄灭。其电路设计如图12所示。 图12 声光报警电路3.3 传感器的选用可燃性泄漏报警器的实现，气敏感测器的选择也是相当的重要，它是系统重要的组成部分之一，其性能对于系统的精确度和实现范围有这相当大的影响，也是体现可燃性气体监控发展现状的标志。可燃气体的危险性主要视其爆炸极限，爆炸下限数值越小、爆炸下限与上限之间的范围越大，越危险。另外，有许多可燃气体同时具有毒性。表3 典型可燃气体的主要特性气体名称化学式爆炸界限/vol%容许浓度/ppm比重（空气=1）碳化氢及其派生物甲烷ch45.0-15.00.6丙烷c3h82.1-9.510001.6丁烷c4h81.8-8.42.0汽油气1.3-7.65003.4乙炔c2h22.5-81.00.9甲醇ch3oh5.5-37.02001.1醇乙醇c2h5oh3.3-19.010001.6醚乙醚c2h5o1.7-48.02.6无机气体一氧化碳co12.5-74.0501.0氢h24.0-75.00.07其中co的气体毒性是对人体有非常大的伤害，见表4。表4 co对人体的有害程度空气中一氧化碳的浓度吸入时间和中毒症状200ppm2-3h前头部轻度头痛400ppm1-2h前头痛恶心，2.5-3h后头痛800ppm45min头晕眼花2h精神失常1600ppm20min头晕、头痛眼花2h死亡3200ppm5-10min头晕、头痛、眼花30min死亡6400ppm1-2min头晕、头痛、眼花10-15min死亡12800ppm1-3min死亡该设计采用了mq-5气敏探测器，它比较适中而且价格比较便宜。气敏探测器是能感知环境中某种气体及其浓度的一种敏感器件，它将气体成分、浓度等有关信息转换成电信号，从而方便检测。3.3.1 mq-5半导体气体传感器mq-5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增大。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。它具有良好的长期稳定性，在正常使用条件下，其使用寿命可达45年。mq-5传感器对丁烷、丙烷、甲烷的灵敏度高，对甲烷和丙烷可较好的兼顾。这种传感器可检测多种可燃气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。mq-5有以下特点：1.在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度；2.对丁烷、丙烷、甲烷的灵敏度较高；3.长寿命、低成本;应用：家庭用气体泄漏报警器、工业用可燃气体报警器、便携式气体检测器。图13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。图中所有测试都是在标准试验条件下完成的。 图13 灵敏度特性图14是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）。该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可以共享同一个电源电路。为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的rl值。mq-5的管脚连接如图14所示，a or b接传感器，h接加热器。图14 基本测试电路 mq-5传感器的工作原理是它的表面电阻rs，是通过与其串联的负载电阻rl上的有效电压信vrl输出而获得的。二者之间的关系为：rs/r l=(vc-v rl)/vrl。灵敏度调整：mq-5型气敏器件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使用此类型气敏器件时，灵敏度的调整是很重要的。灵敏度的调整程序：a.将传感器连接在应用回路中；b.接通电源，通电老化48小时以上；c.调节负载电阻直到90秒末时获得对应于某一个一氧化碳浓度时所需要的信号值；d.调节另外一个负载电阻直到60秒末获得对应于某个甲烷或lpg浓度时所需要的信号值。3.3.2 mq-5气体传感器规格a.标准工作条件 表5符号参数名称技术条件备注vc回路电压24vdcvh加热电压5.0v0.2vdc or acrl负载电阻可调rh加热电阻313温室ph加热功耗900mwb.灵敏度特性 表6符号参数名称技术条件备注rs敏感体表面电阻2k-20k(2000ppm c3 h8)烷，氢气适用范围：300-10000ppm甲烷，丙烷，丁烷，氢气(r1000ppm/r500ppm h2)浓度斜率0.6标准工作条件预热时间温度：202vc:5.0v0.1v相对湿度：65%5%vh:5.0v0.1v不少于48小时c.结构，外形 mq-5气敏元件的结构和外形如图所示，封装好的气敏感测器元件有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15 mq-5结构外形资料来源：何道清、张禾主编，传感器与传感器技术m,科学出版社2008年。4 软件设计关于单片机mcs-51的编程目前比较多用的是汇编和c语言。c语言是combined language（汇编语言）的中英混合简称，是一种计算机程序设计语言。它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序，其灵活性特备的强。与汇编语言相比，c语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，所以我采用c语言编写程序。本设计采用kel c51软件进行编程，kel c51软件是众多单片机应用开发的优秀软件之一，它集编辑，编译，仿真于一体，支持汇编，plm语言和c语言的程序设计。本设计采用了kel公司最新发布的keiluvision4来编程、调试及仿真，它引入灵活的串口管理系统，提供了一个简洁高效的环境来开发应用程序，给我在设计中带来很大的方便。4.1 可燃性气体报警控制器软件流程及设计本设计中，软件设计要解决的主要问题是检测气体传感器送来的可燃性气体浓度信号，进行模数转换处理，用lcd显示浓度，若浓度值超出限定值400ppm时，报警器发出声音报警，同时发光二极管发光。在程序的编写过程中，加入了文字注释，以便于后期的改进与维护。4.2 主程序流程图及设计主程序流程图如图16所示，程序设计采用模块化设计，主程序仅完成初始化，然后进入休眠状态。由于mq-5型气体传感器在不通电状态下存放一段时间后，再通电时，器件并不能立即投入正常工作，需要一定的时间预热，所以采用延时程序对传感器预热。本设计对传感器预热一段时间，预热的同时，设定所要检测可燃性气体浓度的上限值。主程序还包括模数转换程序、显示子程序，t0中断子程序等，以完善报警器的功能，给检测人员带来方便。 开始初始化定时器初始化ad转换器初始化传感器初始化传感器初始化传感器初始化传感器初始化传感器ad采集数据初始化传感器初始化传感器按键扫描初始化传感器初始化传感器lcd显示初始化传感器初始化传感器按键处理初始化传感器初始化传感器数据处理初始化传感器初始化传感器 图16 主程序流程图4.2.1 t0中断子程序程序初始化后，系统进入采样状态，采样周期大概为每一秒采样一次并且对采集的气体每次都进行处理。经a/d转换、滤波、线性化处理、进制转化后，由led显示其浓度值。同时将浓度值与上限报警设定值相比较，以判断是否需要报警控制处理。流程图如图17所示。 开始重装t0初值计数单元+11秒? y采样子程序 n采样计数+1滤波中断返回线性化处理送入显示超过上限值？十六进制转化为十进制 n y声光报警图17 t0中断子程序流程图4.2.2 显示子程序设计显示模块采用了lcd1602，其显示子程序如图18所示。 开始 调用写命令子函数写入初始地址依次写入数据液晶初始化基本指令操作显示开，关游标清除lcd内容游标自动右移，整体画面不动 图18 显示子程序5 系统调试5.1 硬件的调试在单片机开发过程中，从硬件设计到软件设计都需要做到准确无误。可见调试的工作量比较大。调试部分是单片机系统设计中至关重要的部分。调试的成功与否直接关系到整个系统运行的可行性。单片机系统的硬件调试和软件调试是不能分开的，许多硬件错误是在软件调试中被发现和纠正的。通常是先排除明显的硬件故障以后，再和软件结合起来调试以进一步排除故障。可见硬件的调试是基础，如果硬件调试不通过，软件设计则是无从做起。当硬件设计从布线到焊接安装完成之后，就开始进入硬件调试阶段，调试大体可以分为以下几步。5.1.1 排除逻辑故障这类故障往往由于设计和加工制板过程中工艺性错误所造成的。主要包括错线、开路、短路。排除的方法是首先将加工的印制板认真对照原理图，看两者是否一致。应特别注意电源系统检查，以防止电源短路和极性错误，并重点检查系统总线（地址总线、数据总线和控制总线）是否存在相互之间短路或与其它信号线路短路。必要时利用数字万用表的短路测试功能，可以缩短排错时间。5.1.2 排除元器件故障造成这类错误的原因有两个：一个是元器件买来时就已坏了；另一个是由于安装错误，造成器件烧坏。可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致。在保证安装无误后，用替换方法排除错误。5.1.3 排除电源故障在通电前，一定要检查电源电压的幅值和极性，否则很容易造成集成块损坏。加电后检查各插件上引脚的电位，一般先检查vcc与gnd之间电位，若在5v4.8v之间属正常。若有高压，联机仿真器调试时，将会损坏仿真器等，有时会使应用系统中的集成块发热损坏。5.2 软件调试软件调试主要采用keil软件调试编译单片机程序。由于stc89c52可以擦写上千次，所以在这个调试过程中，并没有用仿真器来实践，而是直接将程序烧写进单片机来操作。将通过keil软件编译通过的单片机程序生成的“.hex”档用烧录软件通过下载线烧写进单片机中。5.3 软、硬件整体调试软、硬件联调是将已经调试通过的软件和硬件结合起来一起进行调试。这部分是单片机制作过程中最重要的调试部分。单一的软件或是硬件的调试通过了并不能验证总的方案的可行性。只有将整个系统的软件硬件相结合连接起来进行调试，也就是综合调试。如果调试成功了才能说明此系统的功能实现，系统设计已经成功。采用keil软件和硬件电路板进行软硬件联合仿真，首先编译单片机程序，然后运行编译的程序，程序检查成功后，再把程序烧入硬件之中。对调试过程中出现的错误要仔细分析，然后不断更正错误，直至达到理想效果为止。在软硬件联调时，根据在程序中设定的阈值，将打火机打火放到气体传感器周围，这样气体传感器就可以采集到相应可燃气体浓度，当浓度超过预设阈值400ppm时，蜂鸣器就会立即报警，同时二极管也发光。5.4 小结硬件部分的实物焊接是自己diy的成果展示，虽然线路简单，但我还是每一步都细心地焊接，每焊完小一部分，都用万用表检查电路的通短情况。在焊接、测试的过程中，也遇到了不少问题，例如，走锡、飞线的干扰、元器件的排版等，这些都是经历过并解决的问题。这过程中我向一些有经验的同学请教，帮助解决了问题。软件方面，通过对单片机的学习、查找设计中需要用到的芯片资料，我顺利用keil c51编译软件写好程序,并调试成功。通过这次设计，我对传感器、液晶显示有了更多的了解，更熟练地掌握了单片机的应用。系统调试是本设计成功与否的关键，软件与硬件的结合是本设计的最终目标。经过这一次调试，我对硬件电路理解的更加透彻，对软件的纠错能力也有了进一步的提高，并且熟悉了keil c51的操作，使自己对单片机煤气警报系统认识更加深刻。参考文献1王俊峰等主编，理工科学生怎样搞毕业设计，北京：电子工业出版社20042史久贵主编，基于altium designer的原理图与pcb设计北京：机械工业出版社2009.113胡汉才主编，单片机原理及其界面技术，（第2版）北京：清华大学出版社20044清华大学电子教研组编，童诗白主编模拟电子技术基础，修订4版，北京：高等教育出版社2006.55清华大学电子教研组编，阎石主编数字电子技术基础，修订3版，北京：高等教育出版社2006.56baroncini m,a simple interface circuit for micromachined gas sensor.7a.venema,e.nieuwkoop,m.j.vellekoop,et a.design aspects of saw gas sensor.sensors and actuators.8何道清、张禾主编，传感器与传感器技术m,科学出版社2008年。9蔡可芬，庄牧林.燃气报警器质量分析评估j.传感器技术.1999,18(4):2-210徐玮,51单片机综合学习系统-1602字符型液晶显示篇j.电子制作,2008，(01).11赵亮、候国锐主编，单片机c语言编程与实例m，北京人民邮电出版社2003年。12谭浩强主编，c程序设计（第3版），北京：清华大学出版社，2005。13李凤霞：c语言程序设计教程m,北京理工大学出版社2001年。附录1 程序清单#include #include #define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define lcd_data p0 /数据口#define delaynop(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_()