毕业论文-基于单片机的天然气监测报警系统设计与实现

大连东软信息学院本科毕业设计（论文）基于单片机的天然气监测报警系统设计与实现基于单片机的天然气监测报警系统设计与实现系所：电子工程系专业：电子信息工程（嵌入式系统工程方向）学生姓名：学生学号：指导教师：导师职称：讲师完成日期：2014年5月2日大连东软信息学院DalianNeusoftUniversityofInformation大连东软信息学院毕业设计（论文）摘要V 基于单片机的天然气监测报警系统设计与实现摘要随着煤气在家庭中的使用和储存方面的隐患日益加剧，越来越多的人选择安装天然气来取代煤气。天然气与煤气不同，不需要通过像“炸弹”一样的煤气罐来存储，而是通过统一的管道来入户。但是这并不意味着天然气就绝对安全，由于天然气需要阀门控制进气，当阀门使用过度有所损坏时，就可能会发生泄漏。因此为了避免危险，就需要监测报警系统来随时监控家中天然气浓度并作出警示。近年来大规模集成电路发展迅速，同时也带动了单片机的迅猛发展，“个头小，价格低，功能强大”是单片机的重要特征，与微型计算机的功能相似。利用单片机技术来实现环境监测，不仅能降低成本，还能减小其体积和质量，提高监测的自动化水平，对家庭燃气的监测更加准确和便利。本系统以89C51单片机为控制核心，利用气敏传感器对环境中可燃气体的浓度进行检测，通过A/D转换将测得的气体浓度值转换为单片机可识别的数字信号。当可燃气体浓度超过预设值时单片机就会进行报警。本文主要介绍了基于单片机提供的一个监测报警的平台，通过监测室内的天然气浓度借由家中无限网来向户主进行实时的反馈和报警，保护家人的安全。关键词：单片机，气敏传感器，A/D转换，报警系统大连东软信息学院毕业设计（论文）AbstractDesignandImplementationoftheGasMonitoringandAlarmSystemBasedonMCUAbstractWiththeuseandstorageofgasinthehomerisksincreasing,moreandmorepeoplechoosetoinstallnaturalgastoreplacecoa.Naturalgasdoesn’tneedtostorebyabomb-likegastankbutthroughaunifiedpipelinetohome,whichisdifferentfromcoal.Butthisdoesn’tmeanthatnaturalgasisabsolutelysafe,becauseputtingtheintakevalveundercontrolisneededbythenaturalgas,whenthevalveisoveruseddamaged,itmayleak.Therefore,inordertoavoiddanger,MonitoringandAlarmSystemisneededtomonitortheconcentrationofnaturalgasinhomeandmakewarning.LSI(LargeScaleIntegratedcircuit)hasdevelopedrapidlyinrecentyears,andalsohasledtotherapiddevelopmentofsingle-chip,"smallhead,lowpriceandpowerful"isanimportantfeatureofthemicrocontroller,whichissimilartothefunctionofamicrocomputer.Byusingsingle-chiptechnologytorealizeenvironmentalmonitoringcannotonlyreducecosts,butreduceitsvolumeandqualityandincreasethelevelofautomationofmonitoring,makingitmoreaccurateandconvenienttomonitorofdomesticgas.Thissystem,whichusesmicrocontroller89C51asitscontrolcore,detectstheconcentrationofEnvironmentalcombustiblegasesbyutensilssensor,convertsthemeasuredconcentrationvalueofcombustiblegastorecognizabledigitalsignalbyA/Dconversion.Whentheconcentrationexceedsthepresetvaluemicrocontrollerwillalarm.Thispaperdescribesamicrocontroller-basedplatformwhichprovidesmonitoringalarm,bymonitoringtheconcentrationofindoorgasanduploadingthedatatothehomewirelessnetworkforreal-timefeedbackandalerttotheheadofthehousehold,thissystemguaranteesthesecurityofyourfamily.Keywords:SoC,A/Dconversion,GasSensors,AlarmSystem大连东软信息学院毕业设计（论文）目录目录TOC\o"1-3"\u摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1课题研究背景与意义 11.1.1家庭自动化 11.1.2自动化的需求 21.2课题研究内容与方法 21.3课题研究现状 2第2章关键技术介绍 42.1烟雾传感器的选型 42.1.1烟雾传感器介绍 42.1.2烟雾传感器的选定 42.2气敏元件MQ-2 5第3章系统需求分析 73.1系统设计目标 73.2系统功能需求 73.3系统非功能需求 73.4系统开发环境 83.5系统可行性分析 83.5.1技术可行性 83.5.2经济可行性 9第4章系统设计 104.1系统设计指导原则 104.2体系结构设计 104.3硬件设计 114.3.1单片机与外围电路连接设计 114.3.2LCD1602液晶显示屏电路设计 114.3.3MQ-2气体传感器电路设计 124.3.4ADC0809电路设计 124.3.5按键电路设计 134.3.6蜂鸣器报警电路设计 134.3.7风扇电路设计 144.3.8LED指示灯电路设计 144.3.9电源及开关电路设计 154.3.10串口电路设计 154.4软件设计 164.4.1UI界面设计 164.4.2功能模块设计 17第5章系统实现 185.1环境配置 185.2功能模块实现 195.3系统集成与调试 27第6章系统测试 286.1测试概述 286.2测试用例 286.2.1数据传递 286.2.2LCD显示 28第7章结论 30参考文献 31致谢 32附录A 33大连东软信息学院毕业设计（论文）-第1章绪论1.1课题研究背景与意义随着人类社会的进步，天然气正逐步取代煤气成为人们日常生活中不可或缺的能源。但随之产生的就是安全隐患问题。尽管天然气无需像煤气一样存储于罐中，是通过统一管道进行传输，但一旦管道阀门损坏发生故障，其后果仍然很严重。为此，对天然气的监测和报警就成了一项非常必要的工作。由于天然气需要阀门控制进气，当阀门使用过度有所损坏时，就可能会发生泄漏，而如果家中有人熟睡或者其他情况难以察觉到泄漏时，其后果就非常危险。因此为了避免危险，就需要监测报警系统来随时监控家中天然气浓度并作出警示。近年来大规模集成电路发展迅速，同时也带动了单片机的迅猛发展，“个头小，价格低，功能强大”是单片机的重要特征，与微型计算机的功能相似。利用单片机技术来实现环境监测，不仅能降低成本，还能减小其体积和质量，提高监测的自动化水平，对家庭燃气的监测更加准确和便利。通过天然气监测报警系统的设计与实现，我们将为家庭自动化添上浓墨重彩的一笔。本系统将会解决人们对于家用天然气泄漏问题的担忧，为家人的生命安全提供保障。1.1.1家庭自动化家庭/办公自动化是指在家里或办公室来自动控制一部分甚至是所有的电子设备，无论我们在与不在。家庭/办公自动化是这几十年来在家庭住宅上最让人激动的科技发明之一。现在有上百种可用的产品能帮助我们通过遥控甚至是声控来自动化控制设备。家庭自动化是与居住有关的，建筑自动化的延伸。它是住宅，家务事，或者是日常活动的自动化。家庭自动化包括灯光的集中控制，供暖、通风设备和空调，家电和其他系统，来提高生活的便捷，舒适，能源利用率和安全。残疾人可以帮助那些更加需要看护人或者机构护理的人们提供更好的生活质量。一个家庭自动化系统整合了房子里面电气之间的联系。应用在家庭自动化上的技术包括了楼房自动化和家庭活动控制自动化，比如家庭娱乐系统、室内植物和庭院浇水，宠物饲养、为不同的场合改变家庭场景（比如晚宴或者排队）、以及使用家用机器人。这些设备可以通过电脑网络连接，从而被远程接口或网络接口控制。通常，一个新家在建造的时候便被装备上了家庭自动化系统，根据墙壁、下水口、储藏室的可接近位置以及设计能力的不同，我们可以进行特定的改变来容纳特定的技术。无线网系统一般都在房子装备前被安装，因为这样可以减少线的改变。这些已知的能源用线、无线电、红外线信号能够通过中央控制器进行信息交流。1.1.2自动化的需求早些时候，我们展望未来的自动化设备的时候，这些设备可以在控制器的操纵下做任何事情。但是现在这种展望已经成真。一个自动的设备可以取代大量的人类劳动。而人越多，在紧张环境下产生的错误和产生错误的趋势就越强。然而，自动设备可以在劳动密集而多样化的环境中不产生任何错误，可以代替人类操作那些包括了大量体力劳动或者单调劳动的任务以及代替人类在危险的环境中工作（比如火、太空、火山、核装备、水下等等）。能够以超越人类对于大小、重量、速度、容忍度等范畴的能力完成任务。自动化可以让企业、社会甚至大部分人类更加经济的完成任务。比如，一家企业投资自动化可以恢复他的投资实力，或者一个州或者国家通 过自动化可以提高收入，如20世纪的德国和日本一样。1.2课题研究内容与方法随着人们安全意识的增强，对生活环境的舒适度和安全性就有了更高的要求，厨房便成了重中之重。烟雾报警器是一种通过检测环境中可燃气体的浓度来实现报警功能的装置，通过将测得的燃气浓度值转换成单片机可识别的模拟信号来控制报警装置的开启。本系统以89C51单片机为控制核心，利用气敏传感器对环境中可燃气体的浓度进行检测，通过A/D转换将测得的气体浓度值转换为单片机可识别的数字信号。当可燃气体浓度超过预设值时单片机就会进行报警。1.3课题研究现状国外从上世纪30年代开始研制开发烟雾传感器，并且发展迅速，而我国从70年代初期开始研制烟雾传感器，主要是通过引进国外先进技术和生产工艺。近年来，我国在传感器选择性，产品的稳定性，对低浓度烟雾的识别等方面也有了很大的改善。现如今烟雾传感器研究方向主要致力于提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸等。燃气报警器就是气体泄露检测报警仪器。当环境中有可燃气体或有毒气体泄露时，若气体报警器检测到的气体浓度达到预设的爆炸或者中毒值的临界点时，燃气报警器就会发出报警信号，以提醒工作人员采取安全措施，燃气报警器相当于自动灭火器，可驱动排风、切断、喷淋系统，防止发生爆炸、火灾、中毒事故，从而保障安全生产。燃气报警器可以测出各种气体浓度，经常用在化工厂，石油，燃气站等有气体泄漏的地方。1.4论文结构本文主要介绍燃气监测报警系统的设计与实现。内容概要如下：第一章绪论。主要介绍了课题的研究现状及意义。第二章关键技术介绍。主要介绍了气体传感器的关键技术。第三章系统需求分析。对系统进行需求和可行性的分析。第四章系统设计。对系统的软硬件部分进行划分、设计。第五章系统实现。对软硬件进行集成调试。第六章系统测试。给出系统的测试方案和结果。第七章结论。对整个课题工作进行归纳与总结。大连东软信息学院毕业设计（论文）第2章关键技术介绍2.1烟雾传感器的选型烟雾传感器是气敏传感器的一种，属于气-电变换器，它能空气中可燃气体的含量（即浓度），通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，然后由单片机完成数据的处理及报警控制等工作。传感器作为烟雾检测报警器的信号采集部分，是系统的核心组成部分。因此，传感器的选型是非常重要的。2.1.1烟雾传感器介绍（1）烟雾传感器的分类烟雾传感器的种类很多，从检测原理上可以分为以下三大类：①根据物理化学性质的烟雾传感器：如半导体烟雾传感器、接触燃烧式烟雾传感器等；②根据物理性质的烟雾传感器：如热传导烟雾传感器、光干涉烟雾传感器、红外传感器等；③根据电化学性质的烟雾传感器：如电流型烟雾传感器、电势型气体传感器等。（2）常见烟雾传感器可检测烟雾种类由于烟雾的种类繁多，一种类型的烟雾传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的烟雾。例如氧化物半导体烟雾传感器主要检测各种还原性烟雾，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固体电解质烟雾传感器主要用于检测无机烟雾，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。2.1.2烟雾传感器的选定烟雾检测报警器主要应用在化工、石油、油库、冶金、液化气站、喷漆作业等易发生可燃烟雾泄漏的场所，根据对监测环境气体的要求，一般选用接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器。使用接触燃烧式传感器，其探头的阻缓及中毒，是不可避免的问题。阻缓是当在烟雾与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致传感器最终丧失检测烟雾的能力。中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。当怀疑检测环境中存在这些物质时，经常对探头进行标定，是必须且有效的办法。半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器，它具有灵敏度高，响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。半导体烟雾传感器的性能主要看其灵敏度、选择性（抗干扰性）和稳定性（使用寿命）。经过对比上述两种烟雾传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出：灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。因此，本设计采用半导体烟雾传感器作为报警器烟雾信息采集部分的核心。而在众多半导体气体传感器中，本设计选用MQ-2型烟雾传感器，这种型号的传感器具备一般半导体烟雾传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。2.2气敏元件MQ-2（1）特点①探测范围广泛②高灵敏度，快速响应恢复③稳定性高，寿命长④驱动电路简单（2）应用可广泛用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于甲烷、丙烷、丁烷、液化气、酒精、氢气、烟雾等的探测。（3）灵敏度特性探测浓度范围：100ppm-10000ppm液化气和丙烷300ppm-5000ppm丁烷5000ppm-20000ppm甲烷300ppm-5000ppm氢气100ppm-2000ppm酒精标准工作条件MQ-2气体传感器的工作条件如表2.1所示。表2.1MQ-2标准工作条件符号参数名称技术条件备注Vc回路电压≤15VACorDCVH加热电压5.0V±0.2VACorDCRL负载电阻可调RH加热电阻31Ω±3Ω室温PH加热功耗≤900mW环境条件MQ-2工作时环境条件要求如表2.2所示。表2.2MQ-2工作环境条件符号参数名称技术条件备注Tao使用温度-10℃-50℃Tas储存温度-20℃-70℃RH相对湿度小于95%RHO2氧气浓度21%(标准条件)氧气浓度会影响灵敏度特性最大值小于2%在本设计中，设计思想是检测家庭环境中可燃气体，即天然气的浓度，由于天然气的主要成分为丁烷，在系统的检测过程中不易测量，而打火机的主要成分是丁烷，易于检测，所以在实际系统检测中使用打火机来进行测量。第3章系统需求分析3.1系统设计目标本系统意在以89C51单片机为控制核心，利用气敏传感器对环境中可燃气体的浓度进行检测，通过A/D转换将测得的气体浓度值转换为单片机可识别的数字信号。当可燃气体浓度在正常范围时绿灯常亮，当浓度超过一定范围时红灯会亮，蜂鸣器报警，同时风扇工作。利用上位机动态显示浓度变化，同时也可直接进行调节，方便使用。3.2系统功能需求根据需求调研结果确定本系统主要包括以下功能模块：气体浓度采集模块，气体浓度数据显示模块，LED指示灯显示模块，蜂鸣器报警模块，按键控制模块，风扇模块。对模块功能的描述如表3.1所示。表3.1功能模块描述功能编号功能名称功能描述1气体浓度采集通过气体传感器对环境中的可燃气体进行采集，通过AD转换器将测得的数字量转换为单片机可识别的模拟量，以供后续的模块使用，是系统的核心模块2气体浓度显示单片机对接收到的浓度数据进行处理并传递到LCD1602上进行显示3LED指示灯显示通过预先设置的LED指示灯显示范围，对测得的气体浓度进行分析，处于某一范围时相应的LED亮起。可通过按键对其范围进行调节4蜂鸣器报警当测得的气体浓度达到一定值时，单片机给蜂鸣器一电信号，蜂鸣器鸣叫报警。同样，蜂鸣器的报警值也会在LCD上显示，可通过按键对其范围进行调节5按键控制共有三个按键，为模式调节和上下调节。模式调节即为对LCD上显示的三个LED灯和蜂鸣器报警值进行调节，每按一次键就跳到下一个，然后通过上下键对显示值进行调节6.风扇模块风扇的启动值与蜂鸣器的报警值相同，当浓度值达到预设值时，蜂鸣器鸣叫，同时单片机会给继电器电信号，驱动风扇转动，模拟换气扇工作3.3系统非功能需求（1）性能①灵敏度要求：100ppm-10000ppm液化气和丙烷300ppm-5000ppm丁烷5000ppm-20000ppm甲烷300ppm-5000ppm氢气100ppm-2000ppm酒精②响应时间≤10s③工作电压：DC，+5v（2）成本9*15万用板3元；STC89C51单片机5元；ADC08095.5元；1602液晶15元；7*7风扇10元；MQ-2烟雾传感器3.5元；5v继电器1元；电阻、电容、焊锡、按键等元器件为已有，直接使用。3.4系统开发环境硬件环境：硬盘：15GB内存：4096MB操作系统：Windows7开发工具：Keil、Uv4、STC-ISP、Qt环境配置：Qt软件环境：8051核ISP操作系统：MCS-51处理器：STC89C5180MHz显示屏类型：LCD16023.5系统可行性分析3.5.1技术可行性本系统CPU使用STC89C51，是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C51使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。传感器使用MQ-2气敏式烟雾传感器，是目前工业上常用的一种气体传感器。MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、丁烷、氢气的灵敏度高，对天然气（主要成分为甲烷）等其他可燃气体的检测也很理想。这中传感器可检测多种可燃气体，驱动电路简单，是一款多用途的低成本传感器。3.5.2经济可行性本系统的电路均由基本的电路模块组成，驱动电路简单，除面包板、1602、MQ-2传感器等其他基本元器件（包括电容、电阻、焊锡等）均为以前购买过未使用的器件，经济实惠。 第4章系统设计4.1系统设计指导原则（1）先进性本系统使用STC89C51单片机作为控制核心，STC89C51RC是采用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8KBytes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指令系统及80C51引脚结构，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。使用Qt绘制上位机，能动态显示当前环境中可燃气体浓度，并允许用户调整报警值，方便使用。（2）可靠性及安全性在本系统中气体传感器使用MQ-2气敏式烟雾传感器，是目前工业上常用的一种气体传感器。MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、丁烷、氢气的灵敏度高，对天然气（主要成分为甲烷）等其他可燃气体的检测也很理想。这中传感器可检测多种可燃气体，是一款多用途的低成本传感器。4.2体系结构设计系统结构共分为四个模块，分为数据采集、数据处理、显示及报警和电源模块。单片机从ADC0809读入数据，进行处理后，通过对数据的判断，来驱动显示及报警模块的工作，如图4.1所示。图4.1系统体系结构4.3硬件设计4.3.1单片机与外围电路连接设计单片机与外围电路连接设计如图4.2所示。其中，P0口及P2.3、P2.4口接1602液晶屏，P1口及3.2~P3.4、P3.6、CLK时钟接ADC0809，P2.0~P2.2口接LED指示灯，复位电路采用上电按键复位。图4.2单片机与外围电路连接设计4.3.2LCD1602液晶显示屏电路设计液晶1脚接GND，2脚接VCC，三脚是液晶的灰度调整，一般3脚与地之间的阻值为200~1.5KΩ，与电源之间的阻值为10K左右。4~14引脚接单片机的I/O口，15脚为背光的电源端，16脚为背光的地端，如图4.3所示。图4.3LCD液晶屏电路设计4.3.3MQ-2气体传感器电路设计在传感器电路中，传感器采集到的信号传给ADC0809，加入滤波电路过滤掉高频谐波，如图4.4所示。图4.4传感器电路设计4.3.4ADC0809电路设计在本系统中，数据输入端只有从MQ-2传感器传来的信号，接IN0口。由于数据输入端为IN0，所以3位地址线全部接0。数据输出端D0~D7接单片机P1口，如图4.5所示。图4.5ADC0809电路4.3.5按键电路设计本设计中共有四个按键，为单片机上电按键复位电路中的按键和调节显示屏显示的浓度值的三个按键，这三个按键中1个用于选择调节模式（绿灯G，黄灯Y，红灯R和蜂鸣器B）。按键电路设计如图4.6所示。图4.6按键电路设计4.3.6蜂鸣器报警电路设计本系统中使用的蜂鸣器为有源蜂鸣器，内置振荡器，只需要给电即可鸣叫，程序控制简单，电路简洁，如图4.7所示。图4.7蜂鸣器电路设计4.3.7风扇电路设计风扇电路设计如图4.8所示。在电路中，继电器室通过PNP型三极管驱动，传感器测得的气体浓度超过阀值时，单片机会由高电平跳变成低电平，三极管导通继电器吸合，继电器起开关作用，可以驱动负载带动风扇转动。图4.8风扇电路设计4.3.8LED指示灯电路设计在本设计中共有三个LED指示灯，分为绿、黄、红，根据传感器测得的值的范围不同会单独亮起不同颜色的等，如图4.9所示。图4.9LED指示灯设计4.3.9电源及开关电路设计在本系统中供电方式为电脑USB供电，自锁开关电路中起到电源的开关作用，常开的其中一脚接DC电源插口电源脚，常开的另一脚接电路的VCC，如图4.10所示。图4.10电源及开关电路设计4.3.10串口电路设计由于电脑串口输出电压高达12V，直接与单片机连接会烧坏芯片，所以需要用MAX232来进行电平转换。MAX232芯片采用+5V电源供电，仅需几个外接电容即可完成从TTL到RS232点评的转换，共两路，为TTL和CMOS，在本系统中仅使用TTL一路，13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为数据通道。TTL数据从T1IN输入转换成RS-232数据从T1OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN输入转换成TTL数据后从R1OUT输出。单片机中的UART和电脑串口RS232的区别仅在于电平的不同，电脑串口采用232电平，而单片机UART则采用TTL电平，如果不进行电平转换，单片机跟电脑串口就不能进行直接通信，RS232是UART的一种就意味着通信协议的格式是一样的，只要电平统一了，两者之间就可以直接通信，于是乎应用了MAX232这一芯片，MAX232对两者之间通信的数据没有任何作用，仅仅是中介而已，而其只是负责将两者之间的电平进行统一，使两者之间没有通信障碍。电路连接如图4.11所示。图4.11串口电路设计4.4软件设计4.4.1UI界面设计图4.12UI界面设计如图4.12所示，为系统的上位机界面设计，软件使用Qt绘制。单片机通过串口与PC连接后，即可以在单片机上进行调节，也可以在上位机进行调节，并且会动态显示浓度值变化。4.4.2功能模块设计图4.13功能模块设计如图4.13所示，LED指示灯的调节共有三种，分为绿灯、黄灯、红灯。浓度显示分为即时显示和动态图显示。大连东软信息学院毕业设计（论文）第5章系统实现5.1环境配置（1）KeiluVision4安装配置①安装Keil

C51

V9.00版本，即uV4

②打开uVision4，点击FileLicense

Management...，打开License

Management窗口，复制右上角的CID

③打开KEIL_Lic.exe注册机，

在CID窗口里填上刚刚复制的CID，其它设置不变

④点击Generate生成许可号，复制许可号

⑤将许可号复制到License

Management窗口下部的New

License

ID

Code，点击右侧的Add

LIC

⑥若上方的Product显示的是PK51

Prof.

Developers

Kit即注册成功，Support

Period为有效期，一般可以到30年左右，若有效期较短，可多次生成许可号重新注册。Qt4.8.4安装配置①安装qt-creator-win-opensource-2.2.1.exe；②解压缩MinGW-gcc440_1到Qt根目录下；③安装qt-win-opensource-4.8.4-mingw，期间选择MinGW的目录为Qt\mingw；④工具->选项->QT，“QT版本”中选择“手动设置”，然后添加第3步安装的Qt\4.8.4\bin\qmake.exe；⑤切换到“工具链”，选择“手动设置”，然后添加第1步安装的Qt\mingw\bin\mingw32-g++.exe；⑥右击“我的电脑”->“属性”->"高级"->“环境变量”在“用户变量”中添加：path=C:\Qt\4.8.4\bin;QTDIR=C:\Qt\4.8.4;QTMAKESPEC=mingw32-g++AltiumDesigner安装配置①下载安装AltiumDesigner09；②运行AD9KeyGen，点击“打开模板”，加载ad9.ini；③点击“生成协议”，保存生成的alf文件到安装目录下；④运行ads09crack，对安装目录下的dxp.exe文件补丁，注意运行破解时软件没有运行；⑤启动DXP，运行菜单DXP->MyAccount，点击AddStandaloneLicensefile，加载前面生成的license文件；⑥打开DXP菜单的第二个选项（Preferences），从选项菜单（Preferences）点击“System菜单”下的“Genera菜单”，勾选“Localization选项”中的“UsedLocalizedResources选项”即可完成汉化。5.2功能模块实现气体浓度采集模块实现如图5.1所示，将传感器与ADC0809的IN0口相连，当传感器检测到可燃气体后，传感器内阻发生变化，传递给ADC0809，进行转换后输出单片可识别的信号。图5.1气体浓度采集模块#defineData_ADC0809P1ucharADC0809(){ uchartemp_=0x00; OE=0; ST=0; ST=1; ST=0; while(EOC==0) OE=1; temp_=Data_ADC0809; OE=0; returntemp_;}气体浓度数据显示模块实现如图5.2所示，ADC0809输出测得的气体浓度后，传递给单片机，单片机再将数据传递给LCD1602进行显示。图5.2气体浓度数据显示模块voidInit1602(){uchari=0;write_com(0x38);//屏幕初始化write_com(0x0c);//打开显示无光标无光标闪烁write_com(0x06);//当读或写一个字符是指针后一一位write_com(0x01);//清屏write_com(0x80);//设置位置for(i=0;i<16;i++){ write_data(Init1[i]);}write_com(0x80+40);//设置位置for(i=0;i<12;i++){ write_data(Init2[i]);}}voidDisplay_1602(ucharG,ucharY,ucharR,ucharB,ucharSmog){ //绿色值显示 write_com(0x80+2); write_data('0'+G/100); write_data('0'+G/10%10); write_data('0'+G%10); //黄色值显示 write_com(0x80+7); write_data('0'+Y/100); write_data('0'+Y/10%10); write_data('0'+Y%10); //黄色值显示 write_com(0x80+12); write_data('0'+R/100); write_data('0'+R/10%10); write_data('0'+R%10); //蜂鸣值显示 write_com(0x80+0x42); write_data('0'+B/100); write_data('0'+B/10%10); write_data('0'+B%10); //当前值显示 write_com(0x80+0x42+10); write_data('0'+Smog/100); write_data('0'+Smog/10%10); write_data('0'+Smog%10); }LED指示灯显示模块实现如图5.3所示，在本系统中，共有三种颜色LED，分为绿、黄、红，由于工作原理相同，图5.3只为绿灯工作原理。当单片机接收到ADC0809传递过来的浓度值时，会进行判断，即当前工作模式是否为模式0（正常模式，共有五种调节模式，为正常模式0，调节绿灯模式1，调节黄灯模式2，调节红灯模式3，调节蜂鸣器模式4），为正常模式后再判断浓度值处于哪个指示灯设置范围，再决定哪个LED灯亮。图5.3LED指示灯显示模块蜂鸣器报警模块实现在系统中，蜂鸣器的报警值预设为60，即当AD转换器传过来的传感器值大于等于60时开始报警，蜂鸣器IO口低电平有效。如图5.4所示。图5.4蜂鸣器报警模块风扇模块实现风扇的启动设置值与蜂鸣器相同，当单片机给蜂鸣器传递低电平信号后，风扇同时启动。如同5.5所示。图5.5风扇模块按键控制模块实现图5.6按键控制模块按键模块主要分为两个部分，为模式调节（图5.6左侧）和数值调节（图5.6右侧）。由于在调节数值时4种数值的两种调节方式（加与减）原理相同，所以在流程图中只给出了当Mode=1，即调节绿灯显示值的“加”功能。if(Key2==0&&Mode!=0) { while(Key2==0); //|0正常|1G|2Y|3R|4F| Feng=0; switch(Mode) { case1: { if(GL<YL-1) { GL++; write_com(0x80+2); write_data('0'+GL/100); write_data('0'+GL/10%10); write_data('0'+GL%10); write_com(0x80+4);//位置 } Feng=1; break; } case2: { if(YL<RL-1) { YL++; write_com(0x80+7); write_data('0'+YL/100); write_data('0'+YL/10%10); write_data('0'+YL%10); write_com(0x80+9);//位置 } Feng=1; break; } case3: { if(RL<255-1) { RL++; write_com(0x80+12); write_data('0'+RL/100); write_data('0'+RL/10%10); write_data('0'+RL%10); write_com(0x80+14);//位置 } Feng=1; break; } case4: { if(FF<255-1) { FF++; write_com(0x80+0x42); write_data('0'+FF/100); write_data('0'+FF/10%10); write_data('0'+FF%10); write_com(0x80+0x40+4);//位置 } Feng=1; break; } } }5.3系统集成与调试在检测系统的硬件电路设计原理是否正确、是否能够达到预期的效果以及方法实现是否简便后，开始焊接电路。焊接完成后，对电路进行检测与调试，发现的主要问题有：焊接之前未认真阅读STC89C51数据手册，导致引脚焊反，最后重新焊接；在通电之后，LCD1602上显示的烟雾值一直很高，在仔细确认传感器与液晶屏的焊接与代码是否错误之后，又通过查阅资料发现，新的烟雾传感器在刚使用前需要通电几个小时才能正常使用，而且在刚通电时需要加入延时电路让传感器预热才可以。系统成品图如图5.7所示。图5.7成品展示大连东软信息学院毕业设计（论文）第6章系统测试天然气监测报警系统的设计目的是为监测住宅厨房中使用的天然气的泄露情况，是居民安全的重要保障。因此，气体传感器MQ-2的功能是否能够实现就成了本系统成功与否的关键所在。在本测试环节中，将着重对MQ-2和LCD1602的工作情况进行测试。6.1测试概述在系统中，传感器与ADC0809相连，传递给单片机进行数据处理后将数据传给LCD1602显示。MQ-2气体传感器对烷类气体的测量范围比较广泛，可检测的天然气（主要成分为甲烷）浓度范围为5000ppm-20000ppm，但是在系统的实现与检测过程中，不便于使用天然气作为检测工具，所以采用了打火机（主要成分为丁烷）作为检测工具。6.2测试用例6.2.1数据传递MQ-2传感器对丁烷的检测范围为300ppm-5000ppm，所以在传感器预热稳定后，若将打火机喷头对准喷气，则在LCD上显示的数值应大于30（考虑到LCD的大小情况，所有LCD上显示的数值均为对十取余后的结果）。6.2.2LCD显示在通电稳定后，LCD显示如图6.1所示。显示的数值为20，即当前环境中可燃气体及烟雾浓度为200ppm。考虑到测试环境的空气质量，可判定传感器工作正常。图6.1LCD显示1使用打火机对喷头上方进行喷气，如图6.2所示，测得的浓度值为1100ppm，LED红灯亮起，同时蜂鸣器和风扇开始工作。由于传感器对丁烷的检测范围为300ppm-5000ppm，当前测得的数值处于可测范围内，传感器工作正常。图6.2LCD显示2第7章结论近年来大规模集成电路发展迅速，同时也带动了单片机的迅猛发展，“个头小，价格低，功能强大”是单片机的重要特征，与微型计算机的功能相似。利用单片机技术来实现环境监测，不仅能降低成本，还能减小其体积和质量，提高监测的自动化水平，对家庭燃气的监测更加准确和便利。本系统是在对气敏式烟雾传感器技术进行深入研究基础上，通过学习国内外同类产品的技术特点，合理地设计出系统的实现方案，并对系统的整体和组成进行了详尽的设计和分析。本系统设计的燃气报警是由气体烟雾采集电路和单片机控制电路两大部分组成的。根据设计需求，结合使用环境与成本等因素，最终选用了MQ-2半导体电阻式烟雾传感器。该类型传感器可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、甲烷、丙烷、丁烷、氢气、酒精、烟雾等的探测，具有灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等优点。在单片机控制电路设计上，使用了STC89C51作为控制核心，STC89C51是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。烟雾监测报警系统可以检测多种烷类气体，即可监测厨房天然气是否泄漏，同时在测试时可以用打火机进行检测，方便维护。同时，可将测得的浓度值显示于LCD上，并且LED也可以显示出当前浓度范围。当浓度达到预设的浓度值时，蜂鸣器鸣叫，同时带动风扇转动，模拟空气流通。系统同时还可以与上位机进行通信，实时传递气体烟雾浓度值，在上位机显示的同时，也可以完成远程监测控制等功能。在本系统设计研究的基础上，还可以增加扩展功能，使报警系统功能更加完善，实用性更高。例如，可通过增加GPRS模块，在单片机报警的同时，通过GPRS将警报发送到用户手机中，提高安全性。也可以增加电阀门，在报警的同时，自动关闭燃气管道，防止泄露加剧。由于技术原因，这些功能尚未实现，希望在今后的学习后，能够完善烟雾监测报警系统的功能。参考文献[1]黄再银．带看门狗和电源监控功能的复位芯MAX813L[J]，电子世界，2003，（3）：39-40[2]谢望．烟雾传感器技术的现状和发展趋势[J]，仪器仪表用户，2006，13（5）：1-2[3]戴佳．戴卫恒

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