本科毕业论文---危险气体自动报警系统设计.doc

危险气体自动报警系统设计摘 要随着城市煤气、天然气事业及化学工业的迅速发展，易燃、易爆的气体种类和应用范围在不断增加，这些易燃易爆气体在生产和使用过程中，一旦发生泄漏将会引起中毒、火灾、爆炸等重大事故，所以研制一种新型、性能稳定、准确监测针对这些危险气体自动报警系统势在必行。本次设计采用以STC12C5A60S2芯片为核心，用半导体陶瓷式气体传感器MQ-5来检测外部气体浓度，采集的数据通过LCD1602显示，当浓度超过一定的量时，通过蜂鸣器和LED来进行声光报警。关键字：单片机 MQ-5 LCD1602Dangerous gas automatic alarm systemABSTRACTWith the rapid development of city gas, natural gas utilities and the chemical industry, flammable, explosive gas type and range of applications are increasing, these explosive gases in the production and use of the process, once the leak will cause poisoning, major accidents fires, explosions, etc., so the development of a new, stable, accurate monitoring is imperative for these dangerous gases alarm system. . The design uses to STC12C5A60S2 chip as the core, with the semiconductor ceramic gas sensor MQ-5 to detect the external gas concentration data collected by LCD1602 display, when the concentration exceeds a certain amount, by the sound of the buzzer and the LED to light Call the police.Key words: single chip MQ-5 LCD16021 绪论我们日常生活中经常使用的液化石油气和煤气等，这些气体主要含有烷类以及一氧化碳、氢等成分。随着化工产业的发展，这些气体的应用范围都有所增加。在生产、输送、贮存和使用这些气体的过程中，很容易发生泄漏甚至于爆炸因为设备密封质量不好或者操作不当等等其它原因。易燃易爆的气体与空气混合后生成一种爆炸性混合物，它们遇到火就会发生剧烈的化合反应，从而产生大量的热量，进而会燃起大火，给人民的生命和财产造成危险。所以只有采用先进、可靠的安全监测仪表，在生活中时时检测有毒气体，才可以保障人民的生命和财产安全。国家法律明确规定:“散发可燃气体的场所，应设置可燃性气体浓度检测装置”。但根据目前国内的情况，许多检测仪使用时间过长，性能也不稳定，而且老化严重和技术指标达不到标准。2003年12月，国家执行新的可燃性气体探测器标准(GB 15322-2003)可燃气体检测仪。一部分不合规定的可燃性气体检测仪将停止使用。因此，现如今研制一种性能稳定、准确监测的危险气体检测仪非常重要。随着今年来电子技术的突飞猛进，研制一种性能稳定、准确监测，并且合乎国家相关规定的检测仪的难度已经大大降低，目前也有许多企业已经有产品面向市场，越来越多更先进的测量仪也在研发之中。作为测量仪器的处理器，单片机由运算器，控制器和存储器等构成。它是近年来发展成熟和应用广泛的一种芯片，许许多多简单的控制都可以用到它，它不但使用简单，而且成本也低，市面上的单片机型号更是繁多，可以让设计人员根据自己的需求去选择。单片机和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。由于单片机的需求大，现在已经有8位、16位、32位的单片机，其中作为8位单片机的51单片机最为成功，因为其简单可靠而性能不错获得了很大的好评。 近年来传感器技术突飞猛进，为我们的生活带来了生活的便捷。传感器技术也应用在各个行业，例如汽车上的雷达报警，以及手机的重力传感器。可燃性气体传感器是各种类型仪表的核心之一。2 设计要求与方案论证2.1 设计要求 （1）报警装置的总体设计方案；（2）完成控制电路、感知电路设计；（3）电路优化设计。2.2 方案论证 2.2.1 控制部分的方案选择方案一：采用传统的8位单片机，例如STC12C5A60S2作为控制核心。该单片机是目前最流行以及开发平台最低的一种嵌入式控制芯片，目前已经广泛运用于市场上，高校的教学也有讲这方面的知识。 方案二：采用FTC10F04单片机，还带有非易失性Flash程序存储器。它是一种高性能、低功耗的8位CMOS微处理芯片，市场应用最多。方案一成本比较低，适合做设计，方案二运算速度高，性能好，所以两种方案都有可取之处。但是方案一做设计容易上手，方案比较通用，而且货源充足，有利于生产。综合比较选用方案一2.2.2 显示模块的选择方案和论证方案一：LED数码管动态扫描。相对于液晶显示比较经济实惠，但液晶显示比数码管显示美观，LED数码管在操作上比较繁琐。方案二：点阵显示。用点阵显示美观，但是分辨率不高，而且需要的功率比较大，单个LED出现问题后会对整个点阵的显示产生影响。方案三：LCD1602液晶是一种具有8位并行接口方式的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为16x2。1602液晶操作简单，容易上手和使用，而且可构成简单的人机交互图形界面。经过综合比较最终选择方案三，即选择LCD1602液晶显示屏。2.2.3 危险气体检测传感器的选择方案和论证近年来传感器技术突飞猛进，为我们的生活带来了生活的便捷。传感器技术也应用在各个行业，例如汽车上的雷达报警，以及手机的重力传感器。可燃性气体传感器是各种类型仪表的核心之一。危险气体检测传感器是一个气-电变换器，作用是把可燃性气体在空气中的含量(即浓度)变成电信号，然后把电信号传输给单片机处理，单片机处理这些数据，然后报警或者显示。传感器的选型是非常重要的。下面将对传感器的类型进行介绍。(1) 半导体气体传感器半导体气体传感器主要使用半导体气敏材料。半导体气体传感器的工作原理是利用气敏元件的电阻、电流或电压随气体浓度变化。半导体气体传感器具有诸多优点，比如使用简单、产品种类多、以及稳定性比较强。正是由于这些优点，半导体气体传感器得到了广泛的应用。(2) 固体电解质气体传感器固体电解质气体传感器也是一种常见的传感器。固体电解质气体传感器的工作原理是使用固体电解质材料作为气敏元件，气敏材料在通过气体时产生离子，形成电动势，电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器灵敏度和选择性好，使用简单以及电导率高，因而得到了广泛的应用。如测量H2S YST-Au-WO3， NH3的NH4CaCO3等。固体电解质传感器制造虽然成本高，检测的气体数量也不是很多，但是它在检测环境污染领域中有优势，所以还是一种应用广泛的气体传感器，在市面上也比较常见。 (3) 高分子气体传感器高分子气体传感器是近年来发展迅速的一种气体传感器，虽然它的价格昂贵，但是也有一定的市场。高分子气体传感器的工作原理是高分子气敏材料在遇到特定气体时，其电阻和材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。高分子气体传感器对特定气体分子灵敏度高且结构简单，能在常温下使用，所以它的优点也是十分得明显。(4) 电化学传感器电化学传感器也是一种常见的气体检测传感器。电化学传感器反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但它的缺点是寿命较短，容易引起误差。如今主要适用于毒性气体的检测。通过对各种传感器的对比，本次设计最终采用半导体气体传感器，该传感器型号为MQ-5,下面将介绍它的特性及使用方法。(1) MQ-5 传感器概述MQ-5适用于家庭或工业上对液化气，天然气，煤气的监测装置。其具有对液化气、天然气、城市煤气有较好的灵敏度；对乙醇，烟雾几乎不响应，具有优良的抗干扰能力；有快速的响应恢复特性；有长期的使用寿命和可靠的稳定性；测试电路比较简单等优点。(2) MQ-5 特性介绍MQ-5气敏元件的外形和典型的应用电路如图1所示,气敏元件有6只针状管脚，分别用于信号取出和提供加热电流。MQ-5气敏元件适用于对液化气，天然气，煤气的监测装置，而且它技术成熟，在市面上很常见，而且价格便宜，具有优良的抗干扰能力，有快速的响应恢复特性，有长期的使用寿命和可靠的稳定性，测试电路比较简单等诸多好处。参数： A. 标准工作条件 符号 参数名称 技术条件 备注 Vc 回路电压 15V AC or DC VH 加热电压 5.0V0.2V AC or DC RL 负载电阻 可调 RH 加热电阻 313 室温 PH 加热功耗 900mW B. 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%Rh O2 氧气浓度 21%(标准条件) C. 灵敏度特性 符号 参数名称 技术参数 备注 Rs 敏感体电阻 10K- 60K (1000ppm 甲烷 ) 探测范围： 300-5000ppm 液化气，天然气，煤气。 (1000ppm/5000ppm CH4) 浓度斜率 0.6 标准工作条件 温度： 202 ，Vc:5.0V0.1V； 相对湿度： 65%5% Vh: 5.0V0.1V 预热时间 不少于24小时 图1 MQ-5 结构及电路图2.3 设计方案确定 本设计采用STC12C5A60S2作为控制芯片，显示模块采用LCD1602，传感器采用MQ-5，报警信号采用蜂鸣器和LED灯。3 系统硬件电路设计3.1 各单元模块功能分析及模块电路设计3.1.1 单片机控制模块本系统以STC12C5A60S2单片机为控制核心。STC12C5A60S2 系列 1T 单片机特点如下：1. 增强型 8051 CPU,1T,单时钟 / 机器周期2 . 工作电压:有5.5V - 3 . 3 V和 3.6V - 2 . 2 V两种电压的单片机可以选择，可以最大的适应你所需要的设计需求3. 工作频率范围:0 - 35MHz4. 用户应用程序空间选择多5. 片上集成 1280 字节 RAM6. 通用 I/O 口(36/40/44 个) 7. 不用下载器和仿真器可通过串口直接下载用户程序,数秒即可完成一片单片机的程序载入8. 有 EEPROM 功能9. 看门狗10. 内部集成 MAX810 专用复位电路11. 外部掉电检测电路12. 时钟源:外部高精度晶体或者内部 R/C 振荡器13. 共 4 个 16 位定时器,16 位定时器 T0 和 T1,没有定时器 2,但有独立波特率发生器等等引脚信号介绍：P0.0P0.7 ：P0口8位双向口线 P1.0P1.7 ：P1口8位双向口线 P2.0P2.7 ：P2口8位双向口线 P3.0P3.7 ：P3口8位双向口线 P1口的第二功能如表3-1：表3.1 P1口第二功能表引脚号第二功能P1.0T2（定时器计数器T2的外部记数输入），时钟输出P1.1T2EX(定时器)P1.5MOSI(在系统编程用)P1.6MISO(在系统编程用)P1.7MCK(在系统编程用)P3口的第二功能如表3-2: 表3.2 P3口第二功能表引脚号第二功能P3.0RXD（串行输入）P3.1TXD（串行输出）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT0外部中断0）P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器写选通）单片机电路如图2所示图2 单片机电路3.1.2 MQ-5传感器模块MQ-5传感器的电路如图3所示图3 MQ-5 传感器电路3.1.3 声光报警模块声光报警采用蜂鸣器和LED灯来作为提示信息，电路如图4所示图4 声光报警电路3.1.4 显示模块1602在单片机系统中很常见，优点就不再叙述，它的特点如下：显示质量高，数字式接口，体积小、重量轻，功耗低，而且它可以构建简单的人机交互界面，技术成熟，而且在网上的资料很多，所以容易使用和开发。1602LCD主要技术参数：显示容量:162个字符工作电压:4.55.5V工作电流:2.0mA(5.0V)各引脚接口说明如下表所示:编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极第1脚：接地第2脚：接5V。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端第4脚：RS为寄存器选择第5脚：R/W为读写信号线第6脚：E端为使能端第714脚：D0D7数据线。第15脚：背光源的正极。第16脚：背光源的负极。1602LCD的指令说明及时序如表10-14所示：序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器的地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器的地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数据到CGRAM或DDRAM）10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容与HD44780相兼容的芯片时序表如下：读状态输入RS=L，R/W=H，E=H输出D0D7=状态字写指令输入RS=L，R/W=L，D0D7=指令码，E=高脉冲输出无读数据输入RS=H，R/W=H，E=H输出D0D7=数据写数据输入RS=H，R/W=L，D0D7=数据，E=高脉冲输出无该模块在本次设计中的电路图如图5所示：图5 LCD1602电路3.2 系统硬件组成 电源模块为系统提供电源，传感器模块的数据传输给单片机，1602显示单片机处理过的数据，即检测到的气体含量。第4章 软件调试部分在单片机设计中，可以使用C语言和汇编语言。由于C语言通俗易懂，移植性好，所以本次设计使用C语言来设计程序。4.1 程序流程图系统软件流程图如图6所示：图6 系统程序流程图4.1.2 传感器信息读取程序流程本次设计传感器的数据都是模拟信号，通过STC12C5A60S2的AD功能把传感器的数据转换为数字信号。程序流程如图7所示：设置寄存器地址设置寄存器功能处理数据读取AD口数据图 7 传感器程序流程图4.1.3 1602LCD程序流程 1602LCD显示模块的各个程序模块比较常用，其流程图如图8所示：测试LCD忙碌状态写入指令数据到LCDLCD初始化设定写入字符显示数据到LCD图8 LCD1602 程序流程图4.2 KEIL软件使用本设计的软件设计是在Keil3中完成的，下面就来介绍一下他的使用步骤。打开Keil软件，在菜单栏中选择“Project”“New Project”，选择目标路径，在“文件名”栏中输入项目名后，如图9所示。图9 “CreateNewProject”对话窗口点击“保存(S)”按钮，弹出“Select Device for Target”。在此对话窗口的“Database”栏中，在其子类中选择“AT89C51，确定CPU类型，如图10所示。图10 选择CPU在Keil Vision3的菜单栏中选择“File”一“New”命令，新建文档，在“文件名(N)”一栏中，为此文本命名，注意要填写扩展名“.c”，如图11所示。图11 保存文件程序编写完后，再次保存。在Keil中“Project Workspace”子窗口中，单击“Targetl”前的“+”号，展开此目录。在“Source Group1”文件夹上单击鼠标右键，在右键菜单中选择“Add File to GroupGroupSourcel”，“Project Workspace”子窗口如图12所示。图12 “Project Workspace”子窗口在“Project Workspace”窗口中的“Target 1文件夹上单击鼠标右键，在弹出的右键菜单中选择“Option for Target”选项，这时会弹出“Options for Target”对话窗口，在本设计中，根据实际需要，需要将时钟频率变为12.0MHz并生成HEX文件。在此对话窗口中选择“Output”选项卡，选中“Create HEX File”选项，如图13所示。图13 “Options for Target”对话窗口在Keil的菜单栏中选择“Project”一“Build Target”命令，编译源文件。如果编凋成功，则在Keil的“Output Window”子窗口中会显示如图14所示的信息；如果编译不成功，双击“Output Window”窗口中的错误信息，则会在编辑窗口中指示错误的语句。图14 编译源文件5 调试与测试经过初步的分析和设计完成后，在做硬件设计和软件设计的过程过，调试时穿插进行的，应该系统的调戏中，软件和硬件的分不开的。在后面的调试中，我们会发现，许多的硬件故障时在调试软件的时候才慢慢的发现的，如果我们先排除掉系统中一些较为明确的硬件故障，然后再对其进行然间测试，这样就可以调高测试的效率，减少测试的时间，使测试的可靠性更加好。在我们进行系统调试的时候，我们要先对各个模块进行调试，避免系统调试的时候，因为模块故障而无法继续调试下去。学会排除，是设计成功的一大因素。5.1 硬件的调试 本次设计的调试不问分为下面几个部分：（1）逻辑错误调试 成品模块的逻辑错误是由于在设计过程中，模块的排布安装等问题造成的，这类错误包含：连接错线、短路、开路，信号不同几种，其中这个短路时最常见的错误。（2）器件调试元器件在使用的过程中也可能会失效，其中原因可能是本身元器件坏掉了或者是由于组装元器件的时候元器件失效了。例如某些电容、二极管的极限错误等等。（3）可靠性调试对于这样的一种系统，引起系统不可靠的因素会有很多，很多时候，接触不良，内部干扰，外部干扰，电源过大，器件的负载太大等等，另外，走线和布局不合理有时候也导致出现在各种问题。（4）电源故障 如果这系统中出现电源故障，那么可能是通电后，造成了器件的损坏。电源的故障包括下面几个方面，有时候因为电压值不符合设定的要求，有时候是电源的插座和引线借口不对，电源的功率不足，负载能力很差。在本次调试系统的时候，我们要用运用万用表和反正模拟器，根据硬件电路图我已经设计好的装配图检查好各个线路的正确性，并确定好各个元器件的型号，参数，规格是否正确。还要注意在焊接电路板的时候，布局布线等方面，避免电路出现极性错误或者短路，还要重点的检查扩张的系统是否存在相互之间的短路，或者有其他的信号之间短路。由于本次的整个电路板都是手工焊制，可能我出现虚焊短接等可能，需要特别注意这一方面。5.2 软件调试在本系统中，硬件电路采用了集成芯片设计。每一个集成芯片都有相应的控制方法，即工作时序。在应用每一个芯片的时候，都要认真阅读它的数据手册，再了解它的参数和性能。该系统除含有传感器模块外，还含有液晶显示模块，模块比较多，可以分别用子函数来实现各模块的初始化和工作。（1）按键部分软件调试 以前学习过读取微控制器引脚状态的基本语句。观察按键按下之后显示界面是否按照理论设计变化，发现只在按下一次按键之后，液晶上的字符会移动很多位，这说明硬件有抖动。本设计在最后按键部分软件设计过程中，采用软件消抖和按键释放判断，很好的解决了这个问题。（2） 调试子程序 在调试主程序前，必然要调用子程序，所以也要确保子程序没有错误，才不会对主程序有影响。（3） 调试主程序 主程序运行后，观察液晶显示屏是否工作，它显示的数据是否会变化。若运行结果不正确，首先分析可引起相关故障的原因，再通过调试排除。例如：若定时/计数器的初始化出错，则时钟将不能工作；若显示程序出错，则将不能正确显示时钟单元内容；若定时/计数器中断服务子程序出错，则其显示数据的变化规律将不正常。（4）调试总结刚开始调试程序的时候，由于单片机的定时器功能涉及到寄存器的设置，由于比较少接触到这方面的知识，所以一开始的时候也是调试了很多次，也没有什么头绪。但后来经过同学的指导，认真查看了STC12C5A60S2的芯片资料说明书之后，根据里面的详细的介绍，再三调试，终于能够正常使用定时器功能。在调试超声波模块程序时，由于没有认真查看时序电路图，总是显示错误，进过反复调试还是找不到问题的所在，最后我的网上查找资料，对比了一些人写过的程序之后，进过修改，其功能还是调试好了。5.3 数据检测把设计好的系统放置于房间里，测量到的数据如图15所示图15 系统测量数据5.4 设计总结经过三个月的毕业论文设计，收获颇丰，感触良多。首先毕业论文的设计要求我们认真研究该课题，了解该课题研究的国内外相关背景，发展前沿及趋势，通过上网和图书馆查找相关资料，不但给我们的方案选择指明了方向，而且拓宽了视野，增长了见识。在提出一系列初步方案之后，要求我们根据客观实际情况作出最优化的选择，通过各环节各方案的仔细比较，我们不但对各元器件的功能性能增加了了解，而且更加熟悉和深刻了该方案的目的和作用要求，整体方案 是由各小方案组成的，这又要求我们根据误差要求及前后环节的实际情况进行优化组合。本次毕业设计涉及了模拟电子技术，数字电子技术和单片机等多方面的知识，比如小信号部分用的主要是模拟电子技术方面的知识，而计数部分又用到数字电子技术知识，最后处理使用的是单片机编程，环环相扣，需要我们对每个环节的设计考虑周全。而在仿真方面，这是一个考验人耐性的阶段，在我们用Protel 99SE绘制出SCH原理图并设置参数进行仿真时，总是出现错误，经过将近10天的检查，原本以为准确无误的原理图被我们找出了将近十几个错误，修改之后，终于柳暗花明，拨云见日，预期的波形跃入了眼帘。而经过这个阶段，我们对Protel软件的使用比以前大有长进。在仿真波形及各项参数得出之后，要求我们对其进行分析运算，看看是否达到了预期要求。误差分析要求我们对各环节可能产生的误差进行分析，并有针对性的提出改进方案。在论文书写方面，论文书写格式，字体等的要求相当严格，经过这个阶段后，基本掌握了论文的规范书写，而在专业英语翻译部分，为我们以后对外文资料的阅读打下了基础。等等这些都为以后在工作岗位上更好的工作有很大的帮助。总之，本次毕业设计巩固了我们的专业理论知识，拓宽了视野，其中遇到的种种困难，提高了我们解决实际问题的能力。同时我和班上的同学互相帮助，学习，互相体谅，增强了我们的团队合作精神。参考文献 1 高卫东 辛友顺 韩彦征. 51单片机原理与实践，M北京：北京航空航天大学出版社，2008年. 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