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基于微机设计的天然气检测系统

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2020年4月19日
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一设计要求及方案论证
1.1 设计要求
选择适当的微控制器作为控制核心，选择性价比高的气体传感器，设计信号调理电路，经过微控制器处理天燃气浓度值并由LCD实时显示出来，LCD同时显示实时时钟信息；
检测器能够经过键盘设定浓度报警阈值，当高于一定值时，语音报警，并可控制相应的继电器动作，以便控制天燃气管道阀门或房间排风风扇。
检测器设计有射频接口电路，以无线的方式实现浓度值远传，送给气体浓度无线采集器；无线采集器经过以太网或RS485总线送给监控中心，实现远程监控。
1.2 系统原理及基本框图
根据毕业设计的要求本次设计采用STC89C51单片机机芯片配合AD522AD模/数转换芯片构成一个简易的可燃气体检测报警系统，显示部分由数码管进行显示可燃气体的浓度级别。该电路经过MQ-2传感器检测可燃气体并发出0-5V的电压信号并输入到AD522AD芯片采样模拟量电压，经过模/数转换后，产生相应的数字量经过其输出通道P1.0传送给STC89C51单片机的P1口。STC89C51单片机负责把接收到的数字量经过数据处理，在LCD显示屏显示，显示可燃气体浓度级别。
本系统有单片机最小系统及电源、LCD、按键、可燃气体检测、报警电路组成，无线采集，继电器控制电路。基本原理如图1-1所示：

89c52
AD522AD
按键
时钟
无线采集器
LCD
报警电路
继电器控制电路
上电复位
气体传感器

二 主要模块介绍
2.1 STC89C51单片机
2.1.1 概述
STC89C51单片机是STC公司生产的八位单片机。
在这一块芯片上集成了一台微型计算机的各个主要部分。其中主要有CPU，存储器，可编程I/O口，定时/计数器，串行口等，各部分经过内部总线连接。
STC89C51是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低电压，高性能COMOS8的微处理器。该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
2.1.2 引脚介绍和最小系统
STC89C51芯片为40引脚双列直插式封装，其引脚排列如图2-1-1所示。在40条引脚中，有2条用于电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制引脚，其它为I/O引脚。

图AT89S51的引脚图
1、 电源引脚Vss和Vcc
Vss（20）：接地；Vcc（40）：正常操作时接+5V电源。
2、 外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
当外接晶体振荡器时，XTAL1和XTAL2分别接在外接晶体两端。当采用外部时钟方式时，XTAL1接地，XTAL2接外来振荡信号。
3、 控制引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN、EA/Vpp
RST/VPD:当晶体振荡器正常运行时，在此引脚上出现二个机器周期以上的高电平使单片机复位。
Vcc掉电期间，此引脚可接备用电源，以保持内部RAM的数据。当Vcc下降到低于规定的电压，而VPD在规定的电压范围内，VPD接向内部RAM提供备用电源。
ALE/PROG(30):当访问外部存储器时，由P2口送出地址的高8位，P0口送出地址的低8位，数据也是经过P0口传送。作为P0口某时送出的信息到底是低8位地址还是传送的数据，需要有一信号同步的进行分别。当ALE信号（允许地址锁存）为高电平（有效），P0口送出低8位地址，经过ALE信号锁存低8位地址。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6，因此能够做对外输出的时钟。
对于有程序存储器的单片机在对内部程序存储器编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
PESN(29)：程序存储器读选通信号，低电平有效。
51单片机能够外接程序存储器及数据存储器，它们的地址能够是重合的。51 单片机时经过相应的控制信号来区别到底是P2口和P0口送出的是程序存储器还是数据存储器地址。从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效，此时地址总线上送出地址程序存储器地址；如果访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号将不出现。外部数据存储器是靠RD及WR信号控制的，PSEN同样能够驱动8个LSTTL输入。
EA/Vpp（31）：当EA保持高电平时，访问内部程序存储器（4KB），但当PC（程序计数器）值超过0FFFH时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器（从0000H开始），不论单片机内部是否有程序存储器。
对于内部有程序存储器的单片机在对内部程序新学期编程期间，此引脚用于施加21V的编程电源（Vpp）。
4、 输入输出引脚
P0.0-P0.7：P0口时一个漏极开路型标准双向I/O口。在访问外部存储器时，它是分时切换的地址（低8位）和数据总线，在访问外部设备期间使用内部的上拉电阻。在对内部程序存储器编程时，它接收指令字节，而在验证内部程序时，则输出指令字节。验证内部程序时，要求外接上拉电阻。
P1.0-P1.7：P1口是带内部上拉电阻的8位双向I/O接口。在内部程序存储器编程和验证时，它接收8位地址。
P2.0-P2.7：P2口时一个带内部上拉电阻的8位双向I/O接口。在访问外部存储器时，它送出高8位地址。在对内部程序存储器编程和验证期间，它接收高8位地址。
P3.0-P3.7：P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O接口。在51单片机中，这8个引脚还兼有第二功能，这些功能见图

.
端口线
第二功能
P3.0
RXD 串行输入
P3.1
TXD 串行输出
P3.2
INT0 外部中断0输入
P3.3
INT1 外部中断1输入
P3.4
T0 定时器0外部输入
P3.5
T1 定时器1外部输入
P3.6
WR 外部数据存储器写信号
P3.7
ED 外部数据存储器读信号
图P3口的第二功能
第二功能在单片机与外部设备接口方面具有非常重要的作用。
单片机的最小系统由AT89S51、6M晶振、两个20p电容、10K电阻、复位开关组成。如图2-1-3所示：

图AT89S51的最小系统
图中电容器C1和C2其稳定振荡频率、快速起振的作用，起电容值一般在15-30pF本次设计采用22pF电容。晶振频率的典型值位12MHz,采用6MHz的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实际电路中使用比较多，本次设计采用12M晶体振荡器。
上电复位时利用RC充电来实现的。按键复位又分为：按键电平复位，相当于RST端经过电阻接高电平；按键脉冲复位，利用RC微分电路产生正脉冲。
2.1.3 定时器描述
AT89S51单片机内有两个16位定时器/计数器：定时器1（T0）、定时器2（T1）、和定时器3（T2）它们都有定时或对外部事件计数的功能，可用于定时控制、延时、对外部事件检测和计数等场合。
定时器T0和T1两个16位定时器实际上都是16位加1计数器。T0实际是由两个8位专用寄存器TH0（8CH）和TL0（8AH）组成，T1是由TH1（8DH）和TL1（8BH）组成。每个定时器都可由软件设置为定时工作方式或计数工作方式及其它灵活多样的可控功能方式。这些都是由专用寄存器TMOD设置和TCON控制。
在89S51单片机中，增加了一个16位`定时/计数器T2。T2和T0和T1有类似的功能即能够做定时器或计数器使用，同时还增加了捕捉等新的功能。它的功能比其它两个定时器更强，使用也较复杂。在特殊功能寄存器组中有6个与T2有关的积存器，它们分别是：控制寄存器T2COM、方式控制寄存器T2MOD、捕捉寄存器RCAP2L和RCAP2H、定时/计数器TL2、TH2。它们在片内存储器中的地址依次从C8H至CDH。
设置为定时方式时，定时器记数片内震荡器输出经12分频后的脉冲（机器周期信号）。即每个机器周期使定时器（T0或T1）的数值增加1直至计满溢出。当采用12MHZ晶体时，一个机器周期为1US，计数频率为1MHZ。
设置为计数方式时，经过引脚T0（P3。4）和T1（P3。5）对外部脉冲信号计数。当输入脉冲信号产生由1至0的下降沿时，定时器的值增加1。在每个机器周期的S5P2期间采样T0和T1脚的输入电平，若前一个机器周期采样值为1，下一个机器周期采样值为0，则计数器加1。此后的机器周期53P1期间，新的数值装入计数器。因此，检测一个1至0的跳变需要二个机器周期，故最高计数频率为震荡频率的1/24。虽然对输入信号的占空比无特殊要求，但为了确保某个电平在变化之前至少被采样一次。要求电平保持时间至少是一个完整的机器周期。

2.2、MQ-5液化气传感器

2.2.1简要说明：
一、 尺寸：32mm X22mm X27mm 长X宽X高
二、 主要芯片：LM393、ZYMQ-5气体传感器
三、 工作电压：直流5伏
四、 特点：
1、具有信号输出指示。
2、双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）
3、TTL输出有效信号为低电平。（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机）
4、模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压越高。
5、对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度。
6、具有长期的使用寿命和可靠的稳定性
7、快速的响应恢复特性
五、应用：
适用于家庭或工业上对液化气，天然气，煤气的监测装置。优良的抗乙醇，烟雾干扰能力。

2.2.2 结构和功能

图 MQ-5的结构和外形

MQ-5气敏元件的结构和外形如图3-1所示(结构A或B),由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有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。
设计中MQ-5的接线如图3-2所示，在实际的测量中，能够按照其等效电路来计算相应的校正数值，其中Ro表示的是测量气体在腔体内的等效电阻，RL是外接负载电阻，用来调整输出的模拟量电压范围，具体数值应根据A/D转换器的输入范围来确定，在TLC1543的输入范围是0～5V，这样RL可调整至该范围，保证测量的量程足够用。

2.2.3 设计中电路
+5V电源供电MQ—5气敏传感器和AD522AD，MQ—5输出的信号经过放大电路和芯片本身自带的AD转换得到引脚7输出的数字信号，并将此送到单片机的P1.0引脚上。

2.3 最小系统及按键
单片机接+5V电源；晶体振荡器频率为12MHz，晶振的两个引脚分别连接在单片机的XTAL1和XTAL2端，晶振的两端再分别连接一个22pF电容后接地；复位电路经电源正极（+5V）接10uF电容后接1k欧姆电阻接地，单片机复位端RST接在电容和电阻之间。
本次设计电路中加入两个按键，用于人为报警。单片机P3.6和P3.7端分别连接一个按键后接地。当按下S1时蜂鸣器报警，LED闪烁；S2用来取消报警。具体电路连接方式如图3-5-1所示：

2.4 时钟显示模块

单片机三个输出端口P1.1、P1.2、P1.3分别和时钟电路的SCLK、I/O、RST相连，来驱动时钟电路工作。
2.4.1 DS1302芯片简介
功能特色：
1、时钟计数功能，能够对秒、分钟、小时、星期、月、年的计数。
2、有31*8位的额外数据暂存计数器
3、最少I/O引脚传输，经过三引脚控制
4、工作电压：2.0 –5.5V
5、工作电流小于320纳安
6、读写时钟寄存器或内部RAM能够采用单字节模式和突发模式
7、兼容 TTL（5.0V）
8、可选的工业级别，工作温度-40—85摄氏度
功能简述：
DS1302包括时钟/日历寄存器和31字节的数据暂存寄存器，数据通信仅经过一条串行输入输出口。实时时钟/日历提供包括秒、分、时、日期、月份和年份信息。闰年可自行调整，可选择12小时制和24小时制，能够设置AM、PM。
___
只经过三根线进行数据的控制和传递：RST(RESET)、I/O(DATA LINE)、SCLK(Serial clock)。经过备用电源能够让芯片在小于1MW的功率下运作。

2.4.2 芯片引脚
复位以及时钟控制：所有的数据传输在 RST 置一时进行，RST 输入信号有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器：其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段，当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST被置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。

数据输入：经过八个时钟周期的控制字节的输入，一个字节的输入将在下八个时钟周期的上升沿完成，数据传输从字节最低位开始。

数据输出：经过八个时钟周期的控制读指令的输入，控制指令串行输入后，一个字节的数据将在下个八个时钟周期的下降沿被输出。

晶体振荡器的选择：一个32.768KHZ的晶振能够直接接在DS1302的2、3管脚之间，能够设定规定载荷电容位6PF。

电源控制：VCC1可提供单电源控制也可采用来作为备用电源，VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由VCC1或VCC2两者中较大者供电。

2.5 电源电路设计

市电经变压器变压后，经整流桥整流，再经电容滤波后，用LM7812稳压，输出+12V电压，再经LM7805稳压得+5V电压给系统供电。滤波的目的是滤掉交流成分，即减少纹波，而保留直流成分，得到较平滑的直流输出。

2.6 无线发射
2.6.1 NRF2401芯片简介
NRF2401芯片工作于2.4—2.5GHZ ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可经过程序进行配置。芯片能耗非常低，工作电流只有10.5MA，接收时工作电流只有18MA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。

2.6.2 芯片结构、引脚说明

2.6.3 直接发送模式

接口引脚为CE、DATA
A. 当微控制器有数据要发送时，把CE置高
B. NRF2401射频前端被激活
C. 所有的射频协议必须在微控制器程序中进行处理（包括字头、地址和CRC校验码）。

2.6.4 直接接收模式

接口引脚为CE、CLK1和DATA
A. 一旦NRF2401被配置为直接接收模式，DATA引脚将根据天线接收到的信号开始高低变化（由于噪声的存在）；
B. CLK1引脚也开始工作；
C. 一旦接受到有效地字头，CLK1引脚和DATA引脚将协调工作，把射频数据包以其被发射时的数据从DATA引脚送给微控制器。
D. 这头必须是8位；
E. DR引脚没用上，所有的地址和CRC校验必须在微控制器内部进行。

2.7 LCD显示
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，当前常见16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。下面以长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法。一般1602字符型液晶显示器实物如图10-53：

图1602字符型液晶显示器实物图
2.7.1 1602LCD的基本参数及引脚功能
1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图10-54所示：

图1602LCD尺寸图
1602LCD主要技术参数：
显示容量:16×2个字符
芯片工作电压:4.5—5.5V
工作电流:2.0mA(5.0V)
模块最佳工作电压:5.0V
字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm
引脚功能说明
1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表10-13所示:
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
表10-13：引脚接口说明表
第1脚：VSS为地电源。
第2脚：VDD接5V正电源。
第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时能够经过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时能够写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时能够读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时能够写入数据。
第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：背光源正极。
第16脚：背光源负极。
2.7.2 电路图

2.8 报警显示部分
采集到的数字信号经过单片机计算后如果可燃气体浓度达到报警器设置的临界点时，单片机将控制蜂鸣器报警，同时LED闪烁。LED的正极接电源正极（+5V），负极接1K欧姆电阻后接单片机P2.0端。蜂鸣器采用NPN3041三极管来驱动，三极管集电极接电源正极（+5V），基极接5.1k欧姆电阻后接P2.1端，发射极接蜂鸣器，经过蜂鸣器后接地。具体电路连接方式如图3-4-1所示：

2.9 继电器控制电路设计

继电器控制电路如图5-1所示，该电路由继电器K1和K2、排气扇、电磁阀等组成。当泄露气体质量浓度达到一定值时，经过软件程序将P4（P0.4）和P5(P0.5)置为1，此时三极管VT3和VT4导通，继电器K1和K2工作，其常开触点闭合，排气扇工作，进行换气；电磁阀电路接通，将气体管道关闭；当气体质量浓度下降到某一值时，经过软件将P4和P5消零，此时三极管VT3和VT4均截止，继电器K1和K2停止工作，其常开触点断开，关闭排气扇和电磁阀电路，排气扇停止工作，停止报警。

3 总体流程图

Ｙ
Ｎ
Ｙ
Ｎ
开机初始化及自检
读内部E2PROM中零点值、斜率值及设定的报警值
A/D采样及软滤波
减零点值<0
调用乘法和除法
程序计算气体浓度
超过报警值？
调用二进制码转BCD码子程序，调用液晶显示子程序
键盘扫描程序，依据不同的按键进行校零、标定、报警值设定等操作
依据不同的报警值进行报警级别设定，
同时报警
负值处理

4 总电路图

心得体会
两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不但检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。
这学期就开始学习计算机控制，这是一门对所学过的学科进行综合应用，如今坐于计算机前开始对2周课程设计的努力进行总结和整理。对于一个大四的学生而言而言，面对复杂的程序控制，让我不得不觉得头疼。一次又一次的失败，一次又一次的低头，可是一次又一次的感到惊喜，感觉到希望和成功就在自己手中，成功和自己只是一步之遥
有时候我们应该给自己一个高度，也必须给自己一个高度。选择最低为你的起点，虽然你不会落后得太多，可是你必须明白，你的动力相比之下也不会太强。
作为一名工科类学生，实践便是学习的全部，只有能够应用于实践的学习和研究才是真正的学有所用，没有实践就好比没有基础的楼房，只是空谈，或者说是纸上谈兵。从实践中寻找生活和生产中的规律并不断的自我完善自我更新，才能立于不败之地。学会动手，会动手，敢于动手，是一名工科类学生所应有的实际能力。

我们需要警醒，我们也需要落后所激发的潜力。

参考文献
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