毕业设计（论文）-家居环境可燃气体监测系统设计

摘要：本设计提出了一个基于MQ-2传感器和STC12C5604通信模块和上位机模块。本系统的MCU采用自带ADC功能的增强型51单片MCU的ADC采集电压，将电压值通过换算转换成对应的浓度值用于LCD显关键词：可燃气体监测系统，MQ-2,STC12C5604AD,上位机Abstract:ThisdesignputsforwardaschemeofcombustiblegasmonitorbasedonsensorofMQ-2andSTC12C5604ADmicrocontroller.Thisdesignmainlyincludessevenparts:powersupplymodule,sensormodule,MCUcontrolmodule,LCDmodule,alarmcircuitmodule,serialportcommunicationmoduleandaPCmodule.ThesystemUSEStheMCUofSTC12C5604ADwhichincludeADCfunction.SensorMQ-2willconvertflammablegasconcentrationinformationintovoltagesignal,UsingtheADCtocollectthevoltage,TheMCUconvertthevoltagevalueintothecorrespondingconcentrationvaluesforLCDdisplay,AndsenttheconcentrationvaluestoPCthroughtheserialport.ThePCrealizecombustiblegasconcentrationcurvedynamicdisplayfunction,alarmvaluesettingandthealarmKeywords:Combustiblegasmonitoringsystem,MQ-2,STC12C5604AD,PC1前言 12总体方案设计 22.1设计方案比较 22.2方案论证 32.3方案选择 33单元模块设计 43.1特殊器件介绍 43.2电路参数的计算及元器件的选择 73.3各单元模块功能介绍及电路设计 83.4各单元模块的联接 4软件设计 4.1软件设计原理及设计所用工具 4.2系统软件设计结构图及其功能 4.3主要软件设计流程框图及说明 5系统调试 5.1硬件调试 5.2软件调试 5.3总体功能调试 206系统功能、指标参数 226.1系统实现的功能 226.2系统指标参数测试 236.3系统功能及指标参数分析 23 248总结与体会 8.1设计小结 258.2设计收获体会 259致谢 10参考文献 27附录1系统原理图 28 附录3相关设计软件 附录4外文资料翻译 错误!未定义书签。351前言家居环境可燃气体监测系统是一种安全的检测仪器，它只是检测空气中可燃气体(如：煤气、甲烷等)的含量，如果可燃气体含量超出正常指标，威胁到人身安全，系MCUMCU2总体方案设计本设计的整体思路是：将可燃气体的浓度信号转换成电压信号，通过对电压的处理，实现报警的功能。2.1设计方案比较方案一：(采用纯模拟电路)电路输入级为气敏元件，和二极管、三级管构成的电子开关。再用两个三极管构成互补多谐振荡器，他与继电器和发光二级管组成闪光报警器。电位器为报警灵敏度调节，瓦斯气体浓度一定，三极管导通，继电器通断工作，二极管闪烁报警。框图如图2.1所示。继电器A报警电路乙开关电路继电器B风扇排气图2.1方案一框图方案二：本方案采用可燃气体传感器MQ-2采集可燃气体浓度信息，将浓度信息转换成电压值，并通过ADC将模拟信号转换成数字信号，MCU对数字信号进行处理，将电压转换成对应的浓度，通过LCD显示当前浓度，并将数据通过串口传送到PC机，在上位机上对浓度信息进行实时动态显示。上位机可设置浓度的报警阀值，并能控制报警电路。本方案使用带ADC的增强型51单片机STC12C5604AD,可以降低成本，并简化设计。其系统框图如图2.2。PCPC机信号采集报警电路图2.2方案二框图方案三：(采用纯模拟电路)电路输入级采用可燃气体传感器MQ-2将浓度信号转换成电压信号，再电压信号输入比较器，与固定的门限电压进行比较，当传感器输出电压比较器比较器于门限电压时，输出低电平，不触发报警。框图如图2.3所示。图2.3方案三框图方案二以单片机为核心，对采集的数字信号进行处理和判3单元模块设计3.1特殊器件介绍设计中用到的特殊器件主要有MQ-2气敏传感器、STC12C5604AD单片机、MQ-2可燃气体传感器所采用的气敏材料为二氧化锡(SnO2),该材料在洁净空气中A图3.1MQ-2传感器结构和外形检测气体：液化气、丁烷、甲烷、煤气、氢气、烟雾等报警浓度：>2000ppm响应时间；<10s加热电压：5.0V±0.2V相对湿度：<95%RH灵敏度特性：如图3.2所示图3.2传感器典型的灵敏度特性曲线MQ-2是一款高灵敏度的可燃气体传感器，传感器典型的灵敏度特性曲线如图3.2所示。图中纵坐标为传感器电阻比(Rs/Ro),横坐标为气体的浓度值。Rs表示传感器在不同气体，不同浓度中的电阻值，Ro表示传感器在洁净空气中的电阻值。图中所有测试项都是在标准的试验条件下完成的，其中温度为20℃,相对湿度为65%,氧气浓度为21%,负载电阻RL=5K。3.1.2STC12C5604AD增强型51单片机STC12C5604AD单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度却比传统51单片机快8-12倍，内部集成专用复位电路MAX810,并带有4路PWM,8路高速10bitA/D转换器，是专门针对电机控制，强干扰等场合。工作电压：5.5V-3.5V(5V单片机)/3.6V-2.2V(3V单片机)片上RAM:768字节定时器：共6个16位定时器，两个专用16为定时器TO和T1,PCA模块可再实现四个外部中断：9路外部中断A/D转换：8路10位精度ADC工作温度范围：0℃-75℃/-40℃-+85℃3.1.3SMC1602A液晶即32(2行16列)个字符。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示数原理是完全相同的，因此所写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的1602字符型液晶。字符型液晶通常分为16脚(有背光)或14脚(无背光)的LCD,多出来的两只脚是背光正极BLA(15脚)和背光负极BLK(16脚),16脚字符液晶的控制原理与141602液晶模块的内部字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符ASCⅡ码，所以在单片机编程时可以用ASCⅡ码直接赋值，也可用字符型常量或变量赋显示容量：16X2个字符工作电流：2.0mA(5.0V)最佳工作电压：5.0V字符尺寸：2.95X4.35(WXH)mmSMC1602A液晶的结构及外形：如图3.3:无背光底部LED臂光无背光底部LED臂光3.2电路参数的计算及元器件的选择一个设计的性能与性价比的高低与电路参数的计算以及元器件的选择有很大关系，设计电路前，认真地计算电路参数，谨慎地选择元器件，可以让设计在功能、性能以及成本上获得良好的效果。3.2.1电源参数确定与电源芯片的选择本设计中，各个芯片(包括MAX232、STC12C5604AD)以及液晶SMC160A的供电电压都是5.0V,传感器的加热电压和测试电压都可以共用5.0V电源，所以电源芯片的输出电压选择为5.0V。液晶(带背光)与芯片正常工作时总电流为20mA左右，传感器MQ-2在环境中无可燃气体或可燃气体浓度较低时，正常工作电流为180mA左右，当环境中可燃气体浓度较高时，传感器正常工作时工作电流为190mA-200mA,所以要求电源芯片输出5.0V时输出电流的能力要大于210mA。根据以上指标，设计选用的电源芯片为输出为5.0V的AMS1117,AMS1117的最大输出电流为1.5A,满足设计工作时最大电流的要求。3.2.2传感器参数确定及传感器选择本设计传感器作用是检测可燃气体的浓度，将环境中可燃气体的浓度信息转换成电压信号输出。而可燃气体种类繁多，要选择一款传感器将它们全部检测出来基本上是不可能实现的。在家居环境中，最常见的可燃气体为煤气和天然气，而煤气的主要成分为一氧化碳(CO),天然气的主要成分为甲烷(CH4),所以只要选择一款能够检测一氧化3.2.3ADC参数确定及MCU选择使用自带ADC的单片机。本设计中传感器的输出电压范围为0V-5V,所以要求ADC转换范围要在5V以上，否则过大的输入电压会损坏ADC。根据以上要求，本设计采用的MCU为增强型51单片机STC12C5604AD,其自带8路10bitADC,且参考电压可以为电源电压(5.0V),所以满足传感器的输出电压要求。ADC的参考电压为5.0V,分辨率为10bit,所以ADC的分辨力为5.0/1024=0.0049V,3.3各单元模块功能介绍及电路设计件。其中单片机采用增强型51单片机STC12C5604AD,STC12C5604AD是由宏晶科技多机系统等领域，是工业检测、控制领域中最理想的8位单片机。其包含一个8位的CPU、768个字节的RAM、4K程序存储器、6个定时器、8路10位ADC、27个I/O口、STC12C5604AD,最高频率高达35MHZ,且速度是传统51单片机的8-12倍。芯片上的EEPROM允许在线(+5v)点擦除、电写入或采取通用的非易失存储编码器对程序存储电或者其他要求低功耗的场合。且软件与传统51单片机完全兼容，但速度更快。实现波特率为9600的串口数据传输。复位电路部分我们使用按键复位，当按键KEY4以后系统的扩展，单片机最小系统原理图如图3.4所示。图3.4单片机最小系统地)、VDD(电源正)、VL(液晶显示偏压信号)、RS(数据/命令选择端)、R/W(读/E极)。电路中3脚VL接可调电阻接地，调节液晶的偏压显示；5脚接地(低电平),表15、16脚为液晶的背光电源，其中15脚上的R4是用于限流，避免电流过大烧坏液晶。节约I/O口，液晶模块电路的R/W脚(5脚)被直接接地，也就是说只能对液晶执行写操作，不能执行读操作。LCD1602的电路如图3.5所示。第10页本设计中电源模块使用的是稳压芯片AMS1117。A电压有1.5V、1.8V、2.5V等多个版本，具有1%的精度。本次设计中用的是5.0V固定输出的版本。电路中S5是一个按键开关，是整个系统的电源开关。IC2为稳压器流电阻，当接插件J2接电源，且按键开关S5按下时，稳压器2脚输出5V电源，发光二极管发光，起到电源指示灯的作用。电源模块的电路如图3.6所示。脚(A)上的电压为测试电压，用于测量与传感器串联的负载电阻(RL1)上的电压Vout2脚(H)上的电压为加热电压，用于加热传感器，提供特定的工作温度。MQ-2传感器第11页前提下，测试电压和加热电压可以共用同一个电源电路。MQ-2传感器对不同种类、不图3.8报警电路信而增加的模块，其主要功能是实现232电平与TTL电平间的转换。STC12C5604AD第12页MCUMCU(STC12C5604AD)作；高精度波特率发生器，且波特率可变；支持8和9位数据位，1位或2位停止位3.4各单元模块的联接PCPC机报警电路LCD1602图3.10各单元模块连接框图各单元模块连接详见附录1所示。4软件设计4.1软件设计原理及设计所用工具原理图的绘制及电路仿真；一种是KeilC51编译系统，主要用于调试、编译单片机MicrosoftVisualBasic6.0,主要用于上位机程序编写与调试。度显示、过报警等功能。上位机的程序由VB编写。浓度信息经单片机简单处理后，通4.1.2KeilC及VB软件介绍KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系而受到广泛的使用。当用过汇编语言后再使用C语言来开发，会有更深刻的体会。Keil都是世界上使用人数最多的语言之一。它源自于BASIC编程语言，拥有图形用户界面(GUI)和快速应用程序开发(RAD)系统，可以轻松的使用第14页浓度报警门限设置发送当前可燃气体浓度发送设置的浓度报警门限设置发送当前可燃气体浓度发送设置的门限浓度值串口初始化设置的门限浓度值ADC初始化OD初始化依发送门限设置发送门限设置数据发送报警数据浓度数据保存浓度曲线扫描设置报警门限界面初始化串口初始化4.3主要软件设计流程框图及说明控制；上位机由VB编写，实现对上传数据的处理，以及对下位机的控制。所以软件设流程、串口中断流程、主程序流程；上位机的流程主要包括串口中断事件流程、报警模式切换流程、历史数据保存设置流程等。4.3.1下位机软件设计流程框图在本设计中，下位机以单片机STC12C5604AD为核心，实现了可燃气体浓度采集、数据处理、浓度显示、报警门限设置、报警、串口数据通信等功能。下位机程序主要包括串口收发模块、ADC数据采集模块、键盘扫描和LCD显示模块等。下位机主程序主要实现系统初始化、LCD显示扫描、串口数据发送、键盘扫描等功能，主程序软件流程图如图4.3。上电上电N设置门限值Y键盘扫描有键按下Y,NLCD显示数据换算可燃气图4.3下位机主程序软件流程图数模转换结束后，会触发ADC中断，在ADC中断中，会进行ADC转换值读取、均值滤波、再次启动ADC等操作，ADC中断流程图如图4.4所示。ADCADC中断均值滤波转化返回图4.4ADC中断软件流程图串口负载与上位机进行通信，在串口接收中断程序中，主要有数据格式判断、报警执行、门限值设定等功能，串口接收中断流程图如图4.5所示。串口接收中断串口接收中断是否正确Y?Y报警是否为报警门限Y返回图4.5串口接收中断软件流程图4.3.2上位机软件设计流程框图上位机主要负责接收下位机上传的数据，并处理数据，实现浓度显示、浓度曲线绘制、浓度数据保存并设置报警浓度门限，实现报警等功能。上位机串口接收事件负责对接收数据的判断和处理，串口接收事件软件流程图如图4.6所示。初始化串Y根据数保存数据图4.6上位机串口接收事件软件流程图上位机除了实现对数据的显示和保持功能外，还能控制下位机，如设置报警门限，控制下位机报警设备等。上位机其余部分控件单击事件的软件流程图如图4.7所示。点击报警按键点击报警按键发送报警命令返回停止报警按键按下发送停止报警命令切换按键切换到手动模式N切换到自动模式图4.7控件单击事件软件流程图5系统调试有波形输出。经过分析，认为可能是由于起振电容过大，将电容换成22pF后，晶振电的13脚和14脚的接线反了，将13脚14脚的接线改过正后，单片机即可正常下载程序了。MQ-2在采集信号时，由于由于传下位机调试主要分为了LCD1602显示、ADC采集、串口数据传输三个在LCD1602调试的时候，我用的是以前传统51的模块程序，该程序模块在STC89C51系列单片机上能够正常工作，但是当我将其移植到增强型51单片机能是由于增强型51单片机的速度太快，而我的硬件中液晶的RW是直接接地的，不支有正确的写入单片机，所以造成液晶不能正常显示。我通过加长延时的时间，最终使ADC调试也是软件调试的重要部分，由于“reg52.h”头文件中没有定义ADC功能的特殊寄存器，所以当程序中出现“ADCCONTER”等特殊功能寄存器时，软件不能编译通过，后来通过对照器件手册，定义增强51中新增加的特殊功能寄存器，才解决结构如图5.1所示。帧头数据1数据2数据3数据4帧尾上位机由VB编写，串口数据接收通过控件MSComm的MSComml_OnComm事件题。在硬件调试和软件调试都完成后，对设计进行总体功能的调试，验证系统是否能够接，使用烧写软件“STC_ISP_V478”将程序下载到单片机。关闭烧写软件，然后运行报警器正常工作后，通过按键，在下位机将报警门限设置为2000ppm,报警器下位机的效果图如图5.3所示。图5.3下位机效果图第21页在下位机设置报警门限后，下位机会将门限值通过串口传送到上位机，更新上位机上的门限值设置，下位机设置门限值后上位机的效果图如图5.4所示。回百区回百区案异山共的文村单面王应华业设计任拉机W课出图5.4上位机效果图6系统功能、指标参数本节主要介绍本系统实现的功能及其指标参数的测试以及系统功能实现的不足之处6.1系统实现的功能本次设计实现了对可燃气体浓度的检测、浓度显示、报警，设计分为两部分，上位机与下位机。下位机实现对可燃气体浓度的采集、显示、键盘扫描以及串口通信。报警器正常工作后，当检测到可燃气体时，下位机的效果图如图6.1所示。本设计中，上位机实现对浓度信息的保存、动态曲线的扫描和门限浓度的设置等功能。报警器正常工作后，当检测到可燃气体时，报警器上位机的效果图如图6.2所示。副盖面读保存路径共的文药通面主成年业设计任面积探式切换是西保精历史酸据中是仁善森提曲超图6.2上位机效果图表6.1气体浓度测量变化值气体源与传感器距离(cm)LCD显示气体浓度(ppm)上位机显示气体浓度(ppm)09404.033006.3系统功能及指标参数分析时，家居环境可燃气体监测系统检测到的气体浓度在10000ppm左右。当可燃气源与传感器间距离超过10cm后，传感器检测到的气体浓度基本为0ppm,由此证明本设计能灵第24页7结论家居环境可燃气体监测系统是基于增强型51单片机STC12C5604AD的可燃气体监增加相关硬件同时，软件部分只需改动很少的部分就可实现其它功能(如多通道可燃气体检测等),使系统功能更加完善。8.1设计小结(1)掌握了STC12C5604AD单片机的基本原理及其应用，对其内部外设有了更加深入的认识和理解，尤其是对内部ADC和串口有了更深的了解。(2)巩固了C语言编程，掌握了用C语言编程控制51单片机的方法以及它的具(4)在这次设计中，充分认识到与人的潜力是无限的，通过努力，能够克服很多第26页9致谢深深感谢我的父母及亲人，他们对我的默默支持和无私奉献是我前进的动力!第27页[3]张毅刚等编.MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨[4]康华光编.电子技术基础数字部分(第五版)[M].北京：高等教[5]康华光编.电子技术基础模拟部分(第五版)[M].北京：高等教[6]谢自美编.电子线路设计、实验、测试(第三版)[M].武汉：华中科技大学出版社，2007[7]常健生编.检测与转换技术(第三版)[M].北京：机械工业出版社，2002第28页附录2系统PCB电路图第29页西华大学毕业设计说明书附录3相关设计软件/********************************************************输入参数：无注释：初始化，循环扫描液晶、键盘，判断报警等*水水水LcdReset();//LCD初始化AD_initial(7);//ADC初始化welcom();{timei=0;nongdu=display(dattemp);//显示并返回浓度displ_dat(9,0,set_nongdu);{西华大学毕业设计说明书{//++set_nongdu=set_vual(set_nongdu,set_wei,1);//++TXsetlimit(set_nongdu):break;case2://menu{{setwei=0:break;if(set_wei>=0&&set_wei<=4){set_nongdu=set_vual(set_nongdu,set_wei,O);break;{N_Flash_cursor(12-set_wei,0);{if(nongdu>=set_nongdu)//报警