基于51单片机可燃气报警器设计与制作

PAGEPAGE10基于51单片机的可燃气报警器设计与制作目录摘要 4Abstract 5一、绪论 6（一）研究背景与意义 6（二）国内外现状研究 61.国内研究现状 62.国外研究现状 63.研究内容 6二、可燃气报警装置的单片机控制 8（一）系统方案设计 8（二）器件选型 81.传感器选型 82.处理器的选择 9三、可燃气报警控制系统硬件设计 10（一）单片机最小系统设计 10（二）可燃气体检测模块设计 15（三）显示模块 171.OLED介绍 172.显示电路连接 17（四）电源模块 18四、软件系统设计 19（一）编程环境 19（二）主程序设计 19（三）电源管理 211.电源控制 212.低功耗模式 21（四）显示模块显示设计 21第五章系统测试 22（一）硬件调试 22（二）软件调试 22（三）测试数据记录 23结论 25参考文献 26致谢 27

摘要随着国内经济不断的飞速发展，人们的生命财产安全的意识越来越强，消防工作也得到了更多的关注，各种各样关于消防事件争相报导，我们经常在大型场所看到火灾报警器，但是应用于厨房的比较少见。因此我们有必要开发一款简单、经济、适用于厨房的易燃气体报警系统来满足市场需求。本论文设计了一款基于51单片机的监测系统，并详细的阐述了工作的基本原理、电路的构成等。本设计主要由MCU:STC89C52RC单片机、为了应对厨房的环境，集成了可燃气传感器，用于一氧化碳、火光、乙醇气体等易燃气体的检测，一旦检测到的气体浓度超标，就会通过蜂鸣器进行报警，该设计能够实现实时的对厨房环境监测，有效防止了因为可燃气体浓度过高，导致火灾或者窒息事故的发生。本设计的防火报警系统具有性能高、构造简单、使用方便等优点，实现了自动报警功能，具有很广泛的市场前景。关键词：51单片机，厨房报警系统，可燃气

一、绪论二十一世纪以来，中国经济飞速发展，随着互联网上安全知识的不断传播，群众的安全意识不断提高。各种大型场所都随处可见安全标语，但如今应用于厨房内部的安全报警器仍比较少，相关技术仍不够成熟。厨房可燃气浓度达到一定比例。会引起电路安全甚至爆炸等一系列实物，这时候如果可以有一个报警器，即使报警，给居民时间采取解决测试，可以极大的降低事故的发生，保障居民的安全，使人们能够享受烹饪。二十世纪六十年代，日本率先进行了有关气体泄漏报警的相关研究，经过长达一年半的努力，日本新宇宙电气公司制作出一种不仅能检测可燃气还能检测其他气体的报警器，如一氧化碳，酒精浓度等。近几年，我国网络上常有厨房安全事故的相关新闻，例如：天然气泄漏，火灾等，此前，人们对该项目的投资较少，项目相对落后，事故频发后，人们开始重视起厨房安全。虽然我国在相关产业上起步较晚，但这些年各大品牌奋起直追，不断加大进行相关产业的研究。与此同时，我国的各大研究机构也在进行各项数据分析，加快研发速度，在厨房可燃气报警领域有了很大的进步。

二、可燃气报警装置的单片机控制（一）系统方案设计本设计采用STC89C52RC作为主控芯片，由电源稳压模块，可燃气数据检测模块及OLED液晶显示模块组成。STC89C52RC是一种嵌入式微控制器的集成电路(IC)，芯体规格是8位，速度是11.0592MHz，程序存储器容量是8KB，程序存储器类型是FLASH，RAM容量是48K。图2.1系统设计框图（二）器件选型1.传感器选型此系统对于厨房内气体的浓度的采集需要借用传感器来实现，选择气体传感器来实现对厨房内各种可燃气体的采集工作。此次设计的传感器选择很重要，对市面上的相关传感器做了大致的统计和分析：可燃气体检测传感器。可燃气体检测传感器可以实现对所有不同种类的可燃气体的探测，可以及时发出安全警报，这种传感器目前在工业生产上运用广泛，可以安装在会有可燃气体产生的车间中，以便于随时检查车间的气体状况，以免发生爆炸。氢气和一氧化碳气敏传感器。这种传感器内安装有氢敏元件，可以很好的实现对氢气浓度的感应和采集，且成本低廉，反应速度快，元件灵敏度高。因为家庭厨房的煤气管道中的氢气含量一般较高，当氢气在空气中达到一定浓度时就很容易发生爆炸，所以可以使用这类传感器实现报警。有害气体传感器。家庭装修后，一般空气中还会残留大量危害人体的气体，如甲醛、苯类等，所以为了保证身体健康，可以借用有害气体传感器对这些有害气体进行检测，确保在安全情况下入住。传感器根据内部材料组成也可以进行分类，根据实验发现，经过多次实验以及这些实验数据的比对工作，半导体型传感器与燃料电池型的传感器相比，其中燃料电池型的传感器对于外界的干扰不容易产生变化和误差，且误差范围可以接受，但是半导体型传感器会对多种气体产生敏感，容易被外界环境所影响，而导致测量的数据产生误差，半导体型传感器的抗干扰能力较差，会容易对实际情况产生错误判断。另外相比于半导体型传感器，燃料电池型的传感器耗能也较低也更加环保。根据对以上三种气体传感器综合性能的对比，本次设计选用MQ-3型可燃气体传感器。2.处理器的选择单片机采用低功耗高速工业级芯片STC89C52RC。51系列搭载内核为Cortex内核。内部集成优异的带唤醒功能的低功耗模式，以及复位电路等，可完全足够本次的设计需求。电源电路采用USB供电，电压为5V，为设配各模块电压，其自带稳压模块防止电路故障，输出3.3V电流。其自带看门狗与系统时钟，相比其他单片机，可以更高效的完成系统设计。

三、可燃气报警控制系统硬件设计（一）单片机最小系统设计如图3.1为STC89C52实物图，STC89C52单片机共有40个引脚，如图3.2为STC89C52单片机封装图,单片机的最小系统包括电源、晶振、复位电路，如图3.3为STC89C52单片机最小系统电路图。图3.1STC89C52的实物图图3.2STC89C52单片机引脚图图3.3STC89C52单片机的最小系统电路图STC89C52主要功能如表3.1。表3.1STC89C52主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可反复擦写FlashROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHZ2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能单片机系统的介绍时钟电路STC89C52单片机内部带有8位的随机存储存储器，可以实现对所需要数据信息的大量存储功能，其内部带有反相放大器，TXD引脚作为输出端实现对数据的发送，RXD则作为接收端实现对数据的接收。反相放大器作为单片机内部电路的增益器件，可以对信号放大并且反相输出。为了使得单片机输出稳定的信号，还需要接入晶体振荡器，该种晶振的频率选用12MHz的石英晶体，另外还需要大小合适的电容，一般取30pF左右的电容。整个振荡电路的频率会受到接入的晶振的频率和电容大小的影响，这也是影响单片机的运行速度的关键因素。除此方式以外，单片机的引脚也可以进行外部接入电路的方式，还可以将TXD接到外部的振荡器，RXD则接地。TXD所接的外部振荡器的频率一般低于12MHz，该种外接振荡电路的时钟电路如图3.5所示图3.5外部方式时钟电路复位及复位电路1.复位操作复位是单片机的初始化操作，它的主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机0000H单元开始执行程序。复位操作除了起始的初始化，还可以在程序出错单片机死机时使用复位。除了PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表3.2。表3.2寄存器的复位状态2.复位信号及其产生该系统的复位电路应该接在单片机的RST引脚上。当引脚为高电平时，系统会进行复位，可以保持24个振荡周期。但是如果使用的是6MHz频率的晶体振荡器，复位时间就必须等待4us。单片机的整个复位电路需要内部电路和外部电路相互配合运作，外部的电路会产生复位信号然后发送给施密特触发器，芯片的外部电路进行发射信号，而内部电路则负责接受信号，内部电路对施密特触发器的输出进行采集，最终得到信号。复位操作有上电复位和按键复位两种方式。上电复位和按键复位的原理有所不同，图3.7所示是上电复位的电路图。外部的复位电路的电容在电源通上后，在很快的时间内充上电，就可以实现复位功能，上电复位的操作就是接通电源。按键复位也有两种方式，一种是电平复位，将复位端的电阻连接在电源处，这样就可以根据电平的高低进行电平复位。另一种则是脉冲方式的手动复位。图3.7上电复位电路图（二）可燃气体检测模块设计根据上文对于市面上的各类传感器的对比工作，综合各个传感器的性能特点，本次设计选用MQ-3型可燃气体检测传感器,这种传感器对于气体的浓度检测速度很快，不会影响到后期的反应工作，而且耗能较低，非常适用于家庭中，目前市场上运用广泛。而且抗干扰能力强，可以做出很好的判断和预警工作。MQ-3型可燃气体传感器的工作原理是根据二氧化硫和二氧化锡的电传输能力在不同的环境中会产生变化而影响其对电流的传输能力。空气中的可燃气体浓度对于二氧化硫和二氧化锡的电流传输能力是成反比的，可燃气体浓度越大，电流传输能力越小，并且在整个电流传输过程中二氧化锡不会产生实质变化，可以进行反复利用。MQ-3的灵敏度特性曲线如图3.3所示。图3.3MQ-3灵敏度特性曲线当检测开始，可燃气体气体的浓度每增加20ppm，放大输出电路升高0.1V的电压，系统可以将血液中的可燃气体浓度探测出来，通过一定的转换关系将可燃气体浓度转化为电压值输出，这种转换的公式为:a(mV)x0.2=b(mg/L),其中公式中的b代表人体血液中的可燃气体的浓度，字母a代表的是系统显示出的电压值。传感器电路图如图3.4所示。图3.4MQ-3检测电路MQ-3传感器内部有A、B两个电极，在通电之前，两极间电阻较大，在系统上电以后，H-H电极开始加热，电极电流降低，A、B两电极之间的电阻值由最初的2*104Ω逐渐降低到一定值后，最终上升到1.2*104Ω时稳定。经过加热后的电极间的电阻可以根据外界可燃气体的浓度发生相应的变化，这时使用MQ-3传感器对外界的可燃气体进行检测，然后对应的可燃气体的浓度就会被显示在显示屏上。当整个测试循环结束后，两极间的电阻值会迅速下降回默认情况下，以便快速进入下一次测试。MQ-3传感器对于空气中可燃气体的浓度变化反应很快，该传感器灵敏度较高，可以很好的完成实验目的。（三）显示模块1.OLED介绍有机电致发光器件与二极管的特性相似，和发光二极管一样有正负极，接电路时需要注意连接方向，正向和反向都会导致不同的效果，该器件为低电压高电流的发光器件。当外界的电压为正向时，通过阴极和阳极的电子和空穴会流入到有机材料，电子和空穴会形成暂态激子共同移动到发光层，其中一部分的暂态激子会被消耗掉，另外一部分会进行相互融合，电子和空穴结合并发出能量，发光材料外层本身不带电的原子吸收这些被释放出来的能量后转为激发态，最后这些原子会转换为光子，这就是电能转化为光能原理。2.显示电路连接OLED显示模块管脚图如下所示：图3.5OLED管脚图（四）电源模块整个智能厨房系统中，要想使系统正常运行，电源模块必不可少，它可以为整个智能厨房安全检测系统提供稳定有效的工作电压。电源插口使用的是DC电源，运用USB进行数据连接供电。图3.7电源模块

四、软件系统设计（一）编程环境Keil是一款程序开发软件，它可以为C语言提供开发环境，也能够很好的兼容51系列的单片机，利用该开发环境可以实现多种程序编辑功能，是一款多功能为一体的开发软件。Keil有以下特点：源代码编译器丰富且功能较齐全。兼容STC89C52RC及其元件。完善的基于ARM的C语言编辑环境。可实时操作其源代码。适配上位机的USB传输。GPI接口功能完善，可用于目标所有软硬件调试和仿真器连接。其编译环境如图4-1所示：图4.1KeiluVision5编译环境其开发时目标代码效率较高，容易理解，所以采用KeiluVision5来编译。（二）主程序设计系统采用STC89C52RC作为总控芯片，其功能包括通用I/O口控制，逻辑判断，外部中断及应用，外部模块的驱动，通讯‌传输，报警控制，看门狗等。本系统主要包括总体程序设计、检测信号、显示控制、无线传输等。图4.2系统主程序设计（三）电源管理1.电源控制因为本次设计采用的复位方式是上电复位，所以当电源接通时，如果电压低于2V，整个系统就会保持上电复位的状态，否则就会保持工作状态。复位状态可以用可编程电压检测器进行检测。电源控制寄存器中的PVDO来表明Vdd是否高于PVD的电压阈值。该控制连接在内部控制的16线，若该中断是使能的，就会产生中断。2.低功耗模式STC89C52RC单片机具有很多优点，在经济效益方面，该芯片不仅价格低廉，且耗能很少，可以实现睡眠、停止和待机三种低耗能模式。可以根据工作的需要对单片机的运行模式进行自主调整，以达到最大化减少功耗的效果。（四）显示模块显示设计显示模块可以和STC89C52RC直接连接，但需要定义管脚。定义RS对应管脚PB8，定义RW接地，定义EN对应管脚PB9，设置D0-D7为输出口。其程序流程图如图所示：图液晶显示流程图以下为初始化液晶代码（五）ADC读取程序设计首先主控芯片会向单片机发送一个启动信号，以向ADC0832芯片读取我们需要监测的传感器的数值。然后由于0832芯片是有两个读取通道的，所以需要进行通道的选择，之后就可以进行程序的第一次读取，当第一次读取完后还需要对程序进行二次读取以排除误差在确定没有误差之后就可以将读取到的数值返还给单片机。图单片机读取ADC0832的流程图

第五章系统测试（一）硬件调试第一步是观察电路，对电路进行检查。因为本次设计的所有硬件电路部分都是进行手动焊接，所以必须要排除所有的焊点是否有漏焊的情况，另外也要注意是否有焊点为焊牢固。还要将实际连接电路与设计的电路图纸进行对照，排除有电路接线的错误。第二步要借助万用表进行电路元器件的排查，对每个元器件进行排查，看是否有本身已经损坏的元器件，和接线是否有短路的情况。完成以上两步后，最后一步就要对整个电路进行通电，查看各个元器件的两端的电压是否正常稳定，确保各个元器件可以正常的工作。在调试硬件电路的时候，我也遇到一些问题和麻烦。在所有组件首次焊接完毕后，都准备好进行调试。发现正极和负极的引脚太靠近，电源较难连接。其次是继电器外接小风扇后发现风扇未工作，检查后发现风扇所需功率过大，又重新找了一个功率较小的风扇。这些错误的发生都是由于不细心造成的。因此，有必要通过"三思而后行"做任何事情，不能有一点草率，否则就会浪费时间和精力。最终经过一段实践的调试，板子的功能基本实现，其上电效果图如图5.1所示图5.1系统上电实物图如图所示，在液晶屏幕上会显示系统当前的监测数据，此时我们用打火机将可燃气送到传感器处进行检测，可以看见数值在不断上升，超过我们的预设值之后继电器就会进行动作同时小灯打开，继电器供电风扇开始转动，蜂鸣器也会进行报警。如图5.2所示。图5.2系统报警示意图（二）软件调试本次设计对于软件部分选用的编程语言是C语言，硬件部分和软件部分全部安装和设计好后接下来就是调试部分，对于软件的调试使用Keil软件先对程序进行下载，对整个程序进行运行观察程序是否存在逻辑和语句错误，要及时对这些错误进行修改，同时整个程序应该尽量简单，不能过于复杂，应尽量在保证功能实现的基础上实现程序的简化。（三）测试数据记录经过多次测试测试实验，不断改变烟雾上限和烟雾下限，做出了数据测试表如下：测试次数测得的烟雾值烟雾下限烟雾上限继电器是否工作蜂鸣器是否报警1513050是是2583055是是3643060是是4703065是是5393050否是6463060否是7573065否是8243050否否结论现在科技的飞速发展，很多的工厂都实现了智能化，智能化的家居也在慢慢融入人们的生活中，在家庭安全方面，厨房一直是造成家庭危险的一大隐患，很多火灾和爆炸都是由厨房安全措施没有做到位而引发的，所以对于厨房的安全智能检测对于整个家庭乃至社会来说都尤为重要。厨房中容易引发危险的地方有很多，包括煤气等可燃气体的泄露以及厨房电器等电线的老化，一旦空气中的易燃物浓度达到一定时就很容易发生爆炸。本次设计就对厨房安全智能检测方面做了重点研究，在单片机的基础上，结合了传感器技术以及无线报警技术，制定了一整套厨房可燃气报警器系统，该系统可以自动对空气中的可燃气浓度进行检测然后实现自动报警功能。对于本次设计中的硬件电路部分，选取了STC89C52RC单片机作为核心控制芯片，也是对于市场上的各类芯片进行了综合分析后选取的，该单片机芯片可靠性较高，而且成本低功耗低，非常符合此次设计的要求，而且制成的仪器非常简易，运行速度快，体积也很小。现在人们的生活水平因为科技的进步得到了大幅度的提高，智能化的厨房系统将会越来越受到人们的推崇，本次设计虽然实现了对于厨房的可燃气体进行报警功能，但是厨房内的隐患还有很多，可以对于整个厨房的安全工作进行全面的分析，加入更多的功能，对整个厨房安全系统进行完善和提高。针对以上观点提出下面几种猜想：（1）可以在原有的基础上增加一些更好地功能，比如可以增加一个控制摇臂系统，在厨房发生燃气泄漏的情况下，可以自动启动，然后摇臂动作，切断燃气的供应并且打开排风扇和窗口进行通风，防止煤气中毒。（2）还可以在设置一个总电源控制系统，在发现厨房内电源有漏电现象的时候，可以自动切除电源，发出警报等等一系列的功能。（3）可以将厨房安全检测系统并入无线网络中，当家中发生安全隐患的时候，碰巧家中无人时或者自动