基于单片机的室内天然气煤气液化气浓度检测系统设样本.doc

编号：本科毕业设计基于单片机室内天然气浓度检测系统设计院 系：信息工程学院姓 名：*学 号：专 业：通信工程年 级：级指引教师：*职 称：副专家完毕日期：5月摘 要 随着经济和科学技术迅速发展，人们对生活质量提高和生活环境改进越来越注重。天然气作为一种清洁型能源进入家庭得到广泛使用为人们生活带来了以便，但同步也带来了潜在危险，天然气在使用过程中，若管道和阀门密封不好，一旦泄漏出去极易爆炸，危及人们生命财产安全。鉴于这些因素，对于天然气检测与控制就变得异常重要了，研究天然气浓度检测报警与控制也随之成为一种重要课题。本设计以半导体气敏传感器和单片机技术为核心设计天然气泄漏报警系统可实现声光报警功能，是一种构造简朴、性能稳定、使用以便、价格低廉、智能化气体报警系统，具备一定实用价值。本设计重要实现家庭天然气泄漏检测与报警，系统重要以半导体气体传感器为研究对象，以单片机为核心构成一种具备数据采集、对象控制、成果显示等功能完整系统。该系统分别控制报警灯、蜂鸣器及启动排电扇和切断电磁阀，实现对天然气泄漏实时监测及控制，程序实时监测系统状态。核心词：气体传感器；单片机；数据采集AbstractWith the rapid development of economy and the science technology，people pay more and more attention to the quality of life and the improvement of living environment . Natural gas are widely used in our daily life and brings convenience for peoples lives as a cleaner fuel，but also brings people with the potential dangers. If not sealed pipes and valves，they leaked,easily caused by fire，endangering peoples lives and property . For the reason，so it is very important for us to inspect and control these natural gas well. And it is obviously very important to study on the inspection methods and sensors of all kinds of gases.This papers to the semiconductor gas sensors and single chip microcomputer as the core design can realize the gas alarm sound-light alarm functions，is a kind of simple structure，stable performance，easy to use，inexpensive and intelligent gas alarm，has certain practical value. In this paper，the main gas leak measurement and alarm systems to the semiconductor gas sensor for the study in order to constitute a single-chip microcomputer as the core with data acquisition，object control，results showed that features such as data communication system of integrity. The system control the alarm light，buzzer and cut off the electromagnetic valve ，the realization of the natural gas leak on the real-time monitoring and control；procedures real-time monitoring of system state.Key words :gas sensor ；single chip microcontroller ;data acquisition目 录1 绪论1 1.1 研究背景、目和意义1 1.1.1 研究目和意义1 1.1.2 国内外状况及其发展趋势1 1.2 天然气检测报警系统简介2 1.3 本设计重要任务22 天然气浓度检测系统总体设计4 2.1 设计规定4 2.1.1 方案选取4 2.1.2 天然气泄漏报警系统功能4 2.1.3 系统总体方案设计4 2.2 气体传感器选型5 2.2.1 气体传感器简介5 2.2.2 气体传感器选定73 天然气检测报警系统硬件设计8 3.1 总体硬件设计8 3.2 单片机模块设计8 3.2.1 AT89S51简介9 3.2.2 单片机最小系统设计11 3.2.3 AT89S51单片机复位电路11 3.3 气体传感器MQ-4电路简介12 3.4 险情处置与LED显示15 3.4.1 险情处置单元15 3.4.2 LED显示154 天然气检测报警系统软件设计17 4.1 主程序设计流程图17 4.2 Keil程序调试17 4.3 Proteus仿真205 软件与硬件联机调试23 5.1 硬件总体连接23 5.2 操作环节236 结论26参照文献27道谢28附录291 绪论1.1 研究背景、目和意义 1.1.1 研究目和意义天然气作为一种新型清洁型高效型能源近年来得到广泛普及成为人民首选燃料，但是当它给人民带来以便同步也带来了安全隐患。每一栋居民楼也被天然气“笼罩”，伴之而来是天然气泄漏引起爆炸、火灾等事故也时有发生。这在某种限度上增长了人民生命财产不安全和不稳定因素。为了使天然气更好地服务群众服务社会，减少各种因天然气泄漏而引起爆炸及火灾事故，各天然气使用单位特别是居民顾客选取一种恰当天然气检测报警器十分重要,因而本设计对室内天然气检测报警系统进行了研究。为了防止天然气泄漏切实保障人民安全，人们采用了各种办法。家用智能天然气检测报警系统是防止天然气泄漏一种家用自动检测报警控制系统，也是一种高敏捷度气体探测器，普通都是应用高敏捷度气敏元件作气电转换元件，并配以电路和声光报警某些构成。当泄漏气体达到危险极限值时报警器就会发生鸣响和声光报警。 本设计重要针对老式天然气检测报警系统进行技术改进以满足规定，具备如下特点：用单片机实现检测并控制，电路设计简朴、价格适中、稳定、增长了超过安全阈时自动启动排电扇（采用无触点开关保障安全）和关闭管道电磁阀功能，并且采用气敏传感器及防爆型电磁阀，安全可靠，因而本系统也可作为智能家居系统一种子系统。1.1.2 国内外状况及其发展趋势当前应用最广泛可燃性气体泄漏报警器与气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，仅用于安全保护家用天然气泄漏报警器为例，不少西方发达国家在法律上已经明确规定家庭、公寓、餐厅、医院、学校、工厂必要按规定安装报警器。国外可燃性气体泄漏报警器发展不久，是由于人们安全意识很强，对环境安全性和生活舒服性规定较高；另一方面是由于燃气泄漏报警器市场增长受到政府安全法规推动。因而，国外燃气报警器技术得到了较快发展，据关于记录，美国在1996年就天然气报警器年均增长率为2730。在这些方面，国内安全意识有待增强。天然气泄漏报警器发展趋势集中体现为，一是提高检测敏捷度和工作性能，减少功耗和成本，减小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是燃气泄漏报警器始终追求目的；二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发呈现场合用变送器和智能型天然气检测气报警器。如美国在天然气泄漏报警器中嵌入微解决器，使燃气泄漏报警器具备控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化、涉多功能化。1.2 天然气检测报警系统简介天然气检测报警系统从功能上可分为仅有泄漏报警功能泄漏报警系统和可以批示所检测到天然气浓度并具备报警功能检测报警系统；从使用场合上可分为民用天然气检测报警系统和商用天然气检测报警系统。民用天然气检测报警系统普通是独立在住宅中使用天然气检测报警系统，功能较简朴；商用天然气检测报警系统重要使用天然气运送、储存场合、使用天然气和也许有天然气泄漏工厂和公共场合。都市天然气规范中规定地下室、半地下室、地上密闭空间用气房间、建筑管道井、封闭计量表房等都要安装天然气检测报警系统。建筑和天然气有关规范和法规也推荐使用民用天然气检测报警系统。工业用固定式天然检测报警系统由报警控制器和探测器构成，控制器可放置于值班室内，重要对各监测点进行控制，探测器安装于天然气最易泄漏地点，其核心部件为内置气体传感器，传感器检测空气中气体浓度。探测器将传感器检测到气体浓度转换成电信号，通过线缆传播到控制器，气体浓度越高，电信号越强，当气体浓度达到或超过报警控制器设立报警点时，报警器发出报警信号，并可启动电磁阀、排气扇等外联设备，自动排除隐患。1.3 本设计重要任务本设计重要研究并设计一种基于单片机家用天然气检测报警系统，可对天然气浓度进行实时检测和监控，从而使天然气浓度超限时及时报警，并且还能实现自动启动和关闭排气装置和天然气管道阀门。通过实现对A/D转换后数据采集和声光报警控制，进而实现家庭天然气检测与报警。控制系统重要由AT89C51系列单片机、A/D转换数据采集电路、传感器电路、显示电路、声光报警电路、紧急解决电路等某些构成。单片机通过A/D转换8路传感器来所得到信号，进行比较解决，并且可以存储各个通道报警上限和报警时数据储存，并且在安全值内，显示当前所测量值和设定值，超过安全值阈时产生声光报警并及时启动排电扇和关闭电磁阀，从而实现检测及报警作用。2 天然气浓度检测系统总体设计2.1 设计规定2.1.1 方案选取方案一:通过传感器感受到天然气，减少自身阻值，来增大电流，并且驱动蜂鸣器报警。电路简朴、可靠，但是灵活性和实用性较差。方案二:可以通过传感器感知信号多级放大电路，并用电位器调节得到固定电压值，当得到天然气信号时，电阻值立即变小，放大器放大倍数增长，电压也就随着增长，驱动三极管导通报警电路。该方案有一定灵活性和可执性，但是电路比较复杂，智能性较差。方案三:通过51系列单片机作为主控单元，并且可以通过传感器把模仿信号通过A/D信号转换为数字信号，送入单片机中，单片机对此信号进行解决后，送入显示电路，实时显示室内天然气浓度。当室内天然气浓度超限（即达到危险浓度）时，实现声光报警，并打开排电扇、关闭天然气管道电磁阀。综合考虑以上三种方案，由于使用单片机设计灵活性更强、用途更辽阔，因此本设计采用方案三。2.1.2 天然气泄漏报警系统功能系统重要功能如下：（1）实现对天然气浓度实时监测；（2）检测到天然气泄漏时具备声光报警功能；（3）依照天然气泄漏状况自动关闭天然气管道电磁阀并启动排气装置。在本设计中，天然气检测报警系统重要功能就是迅速精确检测到室内天然气含量（重要是甲烷气体），并将甲烷气体浓度显示出来，当气体浓度达到一定门限值时发出声光报警，为了提高实用性，系统还应当具备依照详细环境和安全规定不同可以人工调节不同安全阈阈值。为了实现以上功能：系统应当具备气体传感器、数据采集、A/D转换电路、单片机、数码显示、声光报警单元、排电扇和切断阀。2.1.3 系统总体方案设计 天然气检测报警系统如图2-1所示，该系统以51单片机为核心，配合外围电路共同完毕信号采集、运算放大、A/D转换、CPU进行数据分析、并具备声光报警等功能。该系统采用高性能单片机，规定工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，保证报警器精准性及可靠性，并且最佳体积小，成本低，有助于减少报警器体积，减少报警器成本。气体传感器A/D转换器5 1 单 片 机 参数设立 声光报警 险情处置图2-1天然气检测系统框图系统工作流程为:气体传感器检测室内天然气浓度，通过运放气放大后进入A/D转换，将测得模仿信号转换为数字信号并及时送给51单片机进行数据解决，得到室内天然气浓度值，通过数码管显示出来，同步依照有关安全原则判断天然气浓度与否超过安全阈，如果超过安全阈及时启用声光报警电路，并启动排电扇和电磁阀关闭管道。2.2 气体传感器选型气体传感器是指能感受气体（组分、分压）并转换成可用输出信号传感器，也 俗称“电子鼻”。这是一种独特电阻，当“闻”到天然气时，传感器电阻随天然气浓度而变化，并将气体成分、浓度等信息变化转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等运用信息装置。在本设计中天然气达到一定浓度，电阻达到一定水平时，传感器就可以发出声光报警。气体传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气体在空气中含量(即浓度)转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路，将模仿量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完毕数据解决、浓度解决及报警控制等工作。气体传感器作为天然气检测报警器信号采集某些，是仪表核心构成某些之一。由此可见，气体传感器选型是非常重要。2.2.1 气体传感器简介气体传感器分类 （1）半导气体传感器：这种类型传感器在气体传感器中约占60%，依照其机理分为电导型和非电导型，电导型中又分为表面型和容积控制型。（2）固体电解质气体传感器:固体电解质气体传感器固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料做气敏元件。其原理是气敏材料在通过气体时产生离子，从而形成电动势，测量电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高，敏捷度和选取性好，得到了广泛应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，仅次于金属氧化物半导体气体传感器。如测量H2SYST-Au-WO3、测量NH3NH+4CaCO3等。 开发新气体传感器，特别是开发和完善智能气体传感系统，使之可以在气体泄漏事故中起到报警、检测、辨认、智能决策等方面作用。大大提高气体泄漏事故处置工作效率和安全性，对于控制事故损失具备重要作用。（3）接触烧式气体传感器:接触燃烧式气体传感器 可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式两种。其工作原理是：气敏材料在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧，产生热量使电热丝升温，从而使其电阻值发生变化，测量电阻变化从而测量气体浓度。这种传感器只能测量可燃气体，对不燃性气体不敏感。例如，在Pt丝上涂敷活性催化剂Rh和Pd等制成传感器，具备广谱特性，即可以检测各种可燃气体。接触燃烧式气体传感器在环境温度下非常稳定，并能对爆炸下限绝大多数可燃性气体进行检测，普遍应用于石油化工厂、造船厂、矿井隧道、浴室、厨房等处可燃性气体监测和报警。（4）高分子气体传感器 :国外在高分子气敏材料研究和开发上有了很大进展，高分子气敏材料由于具备易操作性、工艺简朴、常温选取性好、价格低廉、易与微构造传感器和声表面波器件相结合等特点，在毒性气体和食品鲜度等方面检测具备重要作用。（5）电化学传感器:电化学传感器通过与被测气体发生反映并产生与气体浓度成正比电信号来工作。典型电化学传感器由传感电极（或工作电极）和反电极构成，并由一种薄电解层隔开。通过电极间连接电阻器，与被测气浓度成正比电流会在正极与负极间流动。测量该电流即可拟定气体浓度。由于该过程中会产生电流，电化学传感器又常被称为电流气体传感器或微型燃料电池。（6）热传导传感器:热传导传感器与接触燃烧式传感器具备类似构造形式，但是测量原理不同。它测量原理是：将加热后铂电阻线圈置于目的烟雾中，由于向目的气体传送热量导致温度减少，引起电阻值变化，传感器即测量电阻值变化状况。温度变化状况是目的气体热传导率函数，而对于一种给定气体，热传导率是它固有物理特性。 （7）红外传感器:运用红外线物理性质来进行测量传感器。红外线又称红外光，它具备反射、折射、散射、干涉、吸取等性质。任何物质，只要它自身具备一定温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有敏捷度高，响应快等长处。 2.2.2 气体传感器选定气体传感器是本系统设计起点也是系统重点，选取适当传感器成为决定系统设计成功核心。天然气检测报警器重要应用在厨房、工厂等易发生天然气体泄漏场合，依照报警器检测气体规定，普通选用接触燃烧式气敏传感器和半导体气敏传感器。接触燃烧式气敏传感器其探头阻缓及中毒是不可避免问题。阻缓是当在气体与空气混合物中具有硫化氢等含硫物质状况下，则有也许在无焰燃烧同步，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体微孔，从而引起响应缓慢反映滞缓，敏捷度减少。虽然将阻缓传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种限度恢复也许，但是如果长期暴露在这样环境中，其敏捷度会不断下降，导致该传感器最后丧失检测天然气能力。中毒是如果环境空气中具有硅烷之类物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转中毒，以致敏捷度不久就丧失。当怀疑检测环境中存在这些物质时，经常对探头进行标定，是必要且有效办法。 因而，经常对传感器进行标定，是保证其精确性必要途径。普通持续使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器维护，无形中加大了工作人员工作量，同步增长了报警器维护成本。半导体气敏传感器涉及用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作气体传感器以及用单晶半导体器件制作气体传感器，它具备敏捷度高，响应快、体积小、构造简朴，使用以便、价格便宜等长处，因而得到广泛应用。半导体气敏传感器性能重要看其敏捷度、选取性(抗干扰性)和稳定性(使用寿命)。 通过对比上述两种气敏传感器应用特性，发现半导体气敏传感器长处更加突出：敏捷度高、响应快、抗干扰性好、使用以便、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。因而，本设计采用半导体气敏传感器作为报警器气体信息采集某些核心。而在众多半导体气敏传感器中，本设计选用MQ-4型气敏传感器，这种型号传感器具备普通半导体气敏传感器敏捷度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等长处。3 天然气检测报警系统硬件设计本设计硬件电路详细操作设计是：一方面可以预先设立安全阈阈值，然后MQ-4传感器采集天然气浓度信号，并把信号及时传递给A/D模数转换模块把模仿信号转化成数字信号再交单片机进行解决。单片机把数据和事先设立好安全阈值对比，若超过安全阈则启动声光报警电路并启动排电扇和关闭天然气管道电磁阀。3.1 总体硬件设计本设计硬件构成某些重要有主控电路和外围接口电路( AT89C51与安全阈设立电路，AT89C51与声光报警电路，AT89C51与险情解决电路 )连接起来，就得到了基于基于单片机天然气浓度检测报警器总体电路如图3-1所示。图3-1 系统整体电路图3.2 单片机模块设计3.2.1 AT89C51简介AT89C51是一种低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)可重复擦写1000次Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存储技术制造，兼容原则MCS-51指令系统及80C51引脚构造，芯片内集成了8为中央解决器和ISP Flash存储单元，在众多控制系统中得到广泛应用。AT89C51为40 脚双列直插封装8 位通用微解决器，采用工业原则C51内核，其重要用于会聚调节时功能控制。功能涉及对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件初始化，红外遥控信号IR接受解码及与主板CPU通信等。引脚图如图3-2所示。图3-2 AT89C51引脚图ATC89C51引脚功能功能简介：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一种8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸取8TTL门电流。当P0口管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0可以用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必要被拉高。在本系统中使用P0口来接通数码管。P1口：P1口是一种内部提供上拉电阻8位双向I/O口，P1口缓冲器能接受输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接受。本系统中P1.1引脚控制超声波模块发射，P1.0引脚控制超声波模块接受。P2口：P2口为一种内部上拉电阻8位双向I/O口，P2口缓冲器可接受，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因而作为输入时，P2口管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址高八位。在给出地址“1”时，它运用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器内容。P2口在FLASH编程和校验时接受高八位地址信号和控制信号。因而，本设计采用P2口P2.0至P2.3四个引脚分别控制四个数码管选通。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻双向I/O口，可接受输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉缘故。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存容许输出电平用于锁存地址低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率1/6。因而它可用作对外部输出脉冲或用于定期目。然而要注意是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一种ALE脉冲。如想禁止ALE输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX、MOVC指令时ALE才起作用。此外，该引脚被略微拉高。如果微解决器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效信号将不浮现。 XTAL1：反向振荡放大器输入及内部时钟工作电路输入。XTAL2：来自反向振荡器输出。3.2.2 单片机最小系统设计单片机最小系统又称为单片机最小应用系统，是指用至少原件构成单片机可以工作系统。在本设计中，单片机选用是AT89C51，由电容、晶振、电阻、电源等构成最小系统，如图3-3所示。 图3-3 单片机最小系统硬件图3.2.3 AT89C51单片机复位电路在整个天然气检测报警系统中，要进行实验，必要对整个系统先复位。复位是单片机初始化操作。单片机系统在上电启动运营时，都需要先复位。其作用是使CPU和系统中其她部件都处在一种拟定初始状态，并从这个状态开始工作，因而，复位是一种很重要操作方式。但单片机自身是不能自动进行复位，必要配合相应外部复位电路才干实现。单片机外部复位电路有上电复位和上电和按键均有效复位两种。咱们在设计单片机复位时，选用上电复位。上电规定接通电源后，单片机实现自动复位操作。上电瞬间RST引脚获得高电平，随着电容充电，RST引脚高电平将逐渐下降。RST引脚高电平只要能保持足够时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。该电路典型电容参数为：晶振为12MHZ，电容值为1uF。51单片机复位电路如下图3-4所示。图3-4 单片机复位电路图3.3 气体传感器MQ-4电路简介MQ-4气体传感器所使用气敏材料是在清洁空气中电导率较低二氧化锡（Sn02）。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器电导率随空气中可燃气体浓度增长而增大。使用简朴电路即可将电导率变化转换为与该气体浓度相相应输出信号。MQ-4气体传感器对甲烷敏捷度高，对丙烷、丁烷也有较好敏捷度。这种传感器可检测各种可燃性气体，特别是天然气，是一款适合各种应用低成本传感器。外形构造如图3-5所示。图3-5 半导体气体传感器外形构造传感器基本测试电路是需要施加2个电压：加热器电压（VH）和测试电压（VC）。其中VH用于为传感器提供特定工作温度。VC 则是用于测定与传感器串联负载电阻（RL）上电压（VRL）。这种传感器具备轻微极性，VC需用直流电源。在满足传感器电性能规定前提下，VC和VH可以共用同一种电源电路。为更好运用传感器性能，需要选取恰当RL值。如图3-6所示。图3-6 基本测试电路MQ-4技术指标如表3-1所示，由于在proteus元器件库中无法找到MQ-4气体传感器，因此在仿真时本设计中运用proteus元件库中滑动变阻器来代替MQ-4气体传感器，运用滑动变阻器滑动变化进而来变化滑动变阻器两端实时电压值等效来代替室内实时天然气浓度变化，从而在proteus仿真设计中可以来解决这个问题。表3-1 MQ-4技术指标产品型号MQ4检测气体天然气、甲烷检测浓度300-10000ppm （甲烷、天然气）原则电路条件回路电压VC24V DC加热电压VH5.0V 0.2V AC or DC负载电阻RL可调原则条件下元件特性加热电阻RH313（室温）敏感体表面电阻RS2k-20 k在5000ppmCH4敏捷度SRs (在空气中) / Rs (5000 ppm甲烷) 5原则测试条件温度、湿度20 o C-2 o C；65% RH原则测试电路VC：5.0V 0.1V VH：5.0V 0.1V预热时间不少于48小时依照气体传感器MQ-4有关参数所设计详细室内天然气浓度采集电路如下图3-7所示。图3-7 MQ-4检测电路3.4 险情处置与LED显示3.4.1险情处置单元作为天然气报警装置，声光报警某些不可缺少，当检测到天然气在环境中所占比例超标时，就应当通过声光方式发出警报，防止由于天然气浓度过高而发生意外事故。本设计中声光报警某些涉及蜂鸣器以及LED报警批示灯，由于排电扇天然气通道电磁阀无法在proteus中仿真，因此用LED代替排电扇和电磁阀。其报警体现形式如下：（1）天然气浓度在安全阈时：LED数码管显示当前天然气浓度表白设备正常工作，此时排气扇（采用无触点开关启动）和红色LED（代表电磁阀）和蜂鸣器不工作。（2）天然气浓度超过安全阈时：蜂鸣器报警，红色LED（电磁阀）工作 ，排气扇不工作。单片机自身I/O驱动能力不是很高，因此对蜂鸣器驱动需要加入一种PNP三极管，这样可以使蜂鸣器声音更加响亮，起到更好报警作用。三极管基极电路保证了只有在单片机输出低电平时，蜂鸣器才会发声，避免了误报警发生。声光报警单元与单片机连接图如图3-8所示。 图3-8 声光报警电路3.4.2 LED显示LED数码显示屏是一种由LED发光二极管组合显示字符显示屏件。它使用了8个LED发光二极管，其中7个用于显示字符，1个用于显示小数点，故称之为7段发光二极管数码显示屏。驱动LED时候，应当分二种状况例如用共阳接法和共阴接法，共阳时候LED正端接正电源，负端通过一种限流电阻接P口，这时不用接上拉电阻，只要这个限流电阻取适当就可以了。发光管亮时候电流就是从电源正LED限流电阻P口，P口为低电位。发光管灭时候没有电流流过，P口为高电位或高阻状态。共阴时候，LED负端接地，正端直接P口，这时候要接上拉电阻，这个上拉电阻是提供LED发光用，发光管亮时候电流是从电源正上拉电阻LED 地，这时上拉电阻也是限流用，P口为高电位或高阻状态。发光管暗时候，电流是从电源正上拉电阻P口，这时LED无电流流过，P口为低电位，限流电阻上流过电流所有从P口流入。本设计采用共阳极接法，如图3-9所示。图3-9 共阳极七段显示屏构造本设计通过观测LED数码显示屏显示天然气浓度值，判断天然气浓度值与否超过安全阈，如果超过，启动声光报警，同步打开排气扇并及时关闭电磁阀，使天然气浓度减少。4 天然气检测报警系统软件设计4.1 主程序设计流程图程序流程图如图所示。一方面要给传感器预热三分钟，由于MQ-4型半导体电阻式气体传感器在不通电存储一段时间后，它再次通电时传感器不能及时正常采集天然气信息，需要一段时间预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。本论文主程序设计先对传感器预热三分钟，预热同步，对传感器加热丝故障检测，采用软件方式检测传感器加热丝或电缆线与否断线或者接触不良。然后通过对传感器检测气体浓度信号进行A/D转换后传递给单片机进行数据解决，将浓度值与报警限设定值相比较，如果环境内天然气浓度值超过安全阈就进行报警和启动排气装置否则继续检测。主程序还涉及可以人工设立安全阈功能，使系统功能更加完善，给顾客带来便利。主设计流程如图4-1所示。NY系统初始化程序开始采集传感器电压解决传感器电压 判断天然气浓度与否超标？报警并启动排电扇图4-1 主程序流程图4.2 Keil程序调试 虽然本系统核心是单片机，但是单片机自身并不具备自开发能力，咱们必要借助有关软件进行有关功能开发、诊断和调试。在本次设计中咱们选取了美国Keil Software公司出品51系列兼容单片机C语言软件开发系统Keil C51。Keil提供了涉及c编译器、宏汇编、连接器、库管理和一种功能强大仿真调试器等在内完整开发方案，通过一种集成开发环境（uVision）将这些某些组合在一起。详细环节如下：(1) 打开keil软件，新建工程打开keil软件，选取projectnew project创立新工程，如4-2所示。图0-2 keil新建工程(2) 选取单片机输入功能项目名之后，选取AT89C51单片机作为模仿单片机，如Error! Reference source not found.所示。图0-3 选取单片机(3) 新建文献并导入工程通过菜单FileNew创立一种新文字编辑窗口，咱们可以将写好程序直接复制上面，也可以直接在上面编写。编写完毕后来选取“保存”。保存完毕后，会浮现类似第2步对话框，咱们把第一种程序命名为a.c，保存在项目所在目录中，这时您会发现程序单词有了不同颜色，阐明KEILC语法检查生效了。此时鼠标在屏幕左边Source Group1文献夹图标上右击弹出菜单，在这里可以做在项目中增长减少文献等操作。咱们选“Add Files to GroupSource Group 1”弹出文献窗口，选取刚刚保存文献，按ADD按钮，关闭文献窗，程序文献已加到项目中了，如Error! Reference source not found.所示。图0-4 Keil添加文献(4) 设立生成hex文献HEX文献是一行行符合Intel Hex文献格式文本所构成ASCII文本文献。这些记录由相应机器语言码或常量数据十六进制编码数字构成。由于keil默认不生成hex文献，因而咱们要设立生成。如Error! Reference source not found.所示，右键单击Target1选项，然后选取第一种选项，进而在浮现output选项卡中勾选Creat HEX File选项，即可以在选中文献夹中编译后生成HEX文献，如下图4-5所示。生成HEX文献是可以在51系列单片机中添加调试使用文献，在proteus中选取调试无误后生成HEX文献进而可以使得编译软件单片机联合运营。通过运营成果检查与否达到到软件可操作性验证目。图0-5 设立生成HEX文献(5) 编译工程选取ProjectBuild target，则开始编译源程序。最后产生hex文献，加入Proteus中就可以对单片机就行仿真了，如Error! Reference source not found.所示。图0-6 编译源程序4.3 Proteus仿真系统软件某些通过keil编译后来还必要和硬件电路一起调试。对于硬件电路本次设计选用Proteus。该软件是英国Labcenter electronics公司出版EDA工具软件。它不但具备其他EDA工具软件仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。其仿真详细环节如下：(1)画出仿真电路图如图4-7所示，在proteus中画出了电路图，在正常状况下绿灯亮，此时天然气浓度未超过安全阈，然后通过调节滑动变阻器阻值变化来模仿反映出MQ-4传感器接受到外界天然气浓度变化状况。当天然气浓度超过安全阈时红色LED亮且蜂鸣器报警并且黄色LED亮（代表启动排电扇和电磁阀），仿真成果如图4-7、4-8、4-9所示。图4-7 仿真电路原理图图4-8 天然气浓度正常时仿真图图4-9 天然气浓度泄漏时仿真图5 软件与硬件联机调试5.1 硬件总体连接前面第三、四章分别简介了基于单片机室内天然气浓度检测硬件设计设计和软件设计，本章将进行软件与硬件联机调试。按照第三章硬件设计所设计焊接电路并使用有关软件将程序烧录进单片机中。得到室内天然气浓度检测报警设计实物焊接图如下图5-1所示。图5-1硬件总体连接图5.2 操作环节 第一步：一方面如图5-1所示连接好各模块，接通电源先预热3分钟以保障传感器能正常工作。预热后来气体传感器会依照检测到室内天然气浓度状况传递反映到电路并通过A/D转换将室内实时状况迅速传递给单片机，并有单片机显示电路及时显示室内天然气浓度以便人们直观理解所处室内环境天然气浓度，如图5-2所示。图5-2实时监测天然气浓度第二步：为了以便居民使用增长系统应用性，本设计可以依照有关安全规定和居民所处实际状况人为调节或设立天然气检测报警阈值。按S1键开始设立，S-2键增1、S-3键减1如图5-3所示。图5-3设立安全阈第三步：当系统检测到室内天然气浓度超过咱们事先所设立安全