基于单片机的室内天然气煤气液化气浓度检测系统设.doc

基于单片机的室内天然气煤气液化气浓度检测系统设42资料内容仅供参考，如有不当或者侵权，请联系本人改正或者删除。编号: 本科毕业设计基于单片机的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: 级指导教师: *职 称: 副教授完成日期: 5月摘 要 随着经济和科学技术的快速发展, 人们对生活质量的提高和生活环境的改进越来越重视。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的生活带来了方便, 但同时也带来了潜在的危险, 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, 危及人们的生命财产安全。鉴于这些原因, 对于天然气的检测与控制就变得异常重要了, 研究天然气浓度的检测报警与控制也随之成为一个重要课题。本设计以半导体气敏传感器和单片机技术为核心设计的天然气泄漏报警系统可实现声光报警功能, 是一种结构简单、 性能稳定、 使用方便、 价格低廉、 智能化的气体报警系统, 具有一定的实用价值。本设计主要实现家庭天然气泄漏的检测与报警, 系统主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个具备数据采集、 对象控制、 结果显示等功能的完整系统。该系统分别控制报警灯、 蜂鸣器及开启排风扇和切断电磁阀, 实现对天然气泄漏的实时监测及控制, 程序实时监测系统状态。关键词: 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、 目的和意义1 1.1.1 研究的目的和意义1 1.1.2 国内外情况及其发展趋势1 1.2 天然气检测报警系统的简介2 1.3 本设计主要任务22 天然气浓度检测系统的总体设计4 2.1 设计要求4 2.1.1 方案的选择4 2.1.2 天然气泄漏报警系统的功能4 2.1.3 系统总体方案设计4 2.2 气体传感器的选型5 2.2.1 气体传感器介绍5 2.2.2 气体传感器的选定73 天然气检测报警系统的硬件设计8 3.1 总体硬件设计8 3.2 单片机模块的设计8 3.2.1 AT89S51介绍9 3.2.2 单片机最小系统设计11 3.2.3 AT89S51单片机的复位电路11 3.3 气体传感器MQ-4电路介绍12 3.4 险情处理与LED显示15 3.4.1 险情处理单元15 3.4.2 LED显示154 天然气检测报警系统的软件设计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 操作步骤236 结论26参考文献27致谢28附录291 绪论1.1 研究背景、 目的和意义 1.1.1 研究的目的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的首选燃料, 可是当它给人民带来方便的同时也带来了安全隐患。每一栋居民楼也被天然气”笼罩”, 伴之而来的是天然气泄漏引发的的爆炸、 火灾等事故也时有发生。这在某种程度上增加了人民生命财产的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发的爆炸及火灾事故, 各天然气使用单位特别是居民用户选择一种适当的天然气检测报警器十分重要,因此本设计对室内天然气检测报警系统进行了研究。为了预防天然气的泄漏切实保障人民安全, 人们采取了各种措施。家用智能天然气检测报警系统是预防天然气泄漏一种家用的自动检测报警控制系统, 也是一种高灵敏度的气体探测器, 一般都是应用高灵敏度的气敏元件作气电转换元件, 并配以电路和声光报警部分组成。当泄漏的气体达到危险极限值时报警器就会发生鸣响和声光报警。 本设计主要针对传统天然气检测报警系统进行技术改进以满足要求, 具有如下特点: 用单片机实现检测并控制, 电路设计简单、 价格适中、 稳定、 增加了超出安全阈时自动开启排风扇( 采用无触点开关保障安全) 和关闭管道电磁阀功能, 而且采用气敏传感器及防爆型电磁阀, 安全可靠, 因此本系统也可作为智能家居系统的一个子系统。1.1.2 国内外情况及其发展趋势当前应用最广泛的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、 工厂的必须按要求安装报警器。国外可燃性气体泄漏报警器发展很快, 是由于人们安全意识很强, 对环境安全性和生活舒适性要求较高; 另一方面是由于燃气泄漏报警器市场的增长受到政府安全法规的推动。因此, 国外燃气报警器技术得到了较快发展, 据有关统计, 美国在1996年 就天然气报警器的年均增长率为2730。在这些方面, 国内的安全意识有待增强。天然气泄漏报警器的发展趋势集中表现为, 一是提高检测灵敏度和工作性能, 降低功耗和成本, 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一直追求的目标; 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, 发展现场适用的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处理器, 使燃气泄漏报警器具有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的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的泄漏报警系统和能够指示所检测到的天然气浓度并具有报警功能的检测报警系统; 从使用场所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一般是独立的在住宅中使用的天然气检测报警系统, 功能较简单; 商用天然气检测报警系统主要使用天然气的运输、 储存场所、 使用天然气和可能有天然气泄漏的的工厂和公共场所。城市天然气规范中规定地下室、 半地下室、 地上密闭空间的用气房间、 建筑的管道井、 封闭计量表房等都要安装天然气检测报警系统。建筑和天然气的相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组成, 控制器可放置于值班室内, 主要对各监测点进行控制, 探测器安装于天然气最易泄漏的地点, 其核心部件为内置的气体传感器, 传感器检测空气中气体的浓度。探测器将传感器检测到的气体浓度转换成电信号, 经过线缆传输到控制器, 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置的报警点时, 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 本设计主要任务本设计主要研究并设计一个基于单片机的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, 而且还能实现自动开启和关闭排气装置和天然气管道阀门。经过实现对A/D转换后数据的采集和声光的报警控制, 进而实现家庭天然气的检测与报警。控制系统主要由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、 紧急处理电路等部分组成。单片机经过A/D转换8路传感器来所得到的信号, 进行比较处理, 而且能够存储各个通道的报警上限和报警时的数据储存, 而且在安全值内, 显示当前所测量值和设定值, 超出安全值阈时产生声光报警并立即启动排风扇和关闭电磁阀, 从而实现检测及报警作用。2 天然气浓度检测系统的总体设计2.1 设计要求2.1.1 方案的选择方案一:经过传感器感受到天然气, 降低自身的阻值, 来增大电流, 而且驱动蜂鸣器报警。电路简单、 可靠, 可是灵活性和实用性较差。方案二:能够经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的电压值, 当得到天然气信号时, 电阻值马上变小, 放大器的放大倍数增加, 电压也就随着增加, 驱动三极管导通报警电路。该方案有一定的灵活性和可执性, 可是电路比较复杂, 智能性较差。方案三:经过51系列单片机作为主控单元, 而且能够经过传感器把模拟信号经过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处理后, 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, 并打开排风扇、 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、 用途更宽广, 因此本设计采用方案三。2.1.2 天然气泄漏报警系统的功能系统的主要功能如下: ( 1) 实现对天然气浓度的实时监测; ( 2) 检测到天然气泄漏时具有声光报警功能; ( 3) 根据天然气泄漏状况自动关闭天然气管道电磁阀并开启排气装置。在本设计中, 天然气检测报警系统的主要功能就是快速准确的检测到室内天然气含量( 主要是甲烷气体) , 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, 系统还应该具备根据具体环境和安全要求不同能够人工调节不同的安全阈阈值。为了实现以上功能: 系统应该具备气体传感器、 数据采集、 A/D转换电路、 单片机、 数码显示、 声光报警单元、 排风扇和切断阀。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成信号采集、 运算放大、 A/D转换、 CPU进行数据分析、 并具有声光报警等功能。该系统采用高性能的单片机, 要求工作稳定、 测量精度高、 通用性强、 功耗低, 保证报警器的精确性及可靠性, 而且最好体积小, 成本低, 有利于减少报警器的体积, 降低报警器的成本。气体传感器A/D转换器5 1 单 片 机 参数设置 声光报警 险情处理图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, 经过运放气放大后进入A/D转换, 将测得的模拟信号转换为数字信号并及时送给51单片机进行数据处理, 得到室内天然气浓度值, 经过数码管显示出来, 同时根据相关安全标准判断天然气浓度是否超出安全阈, 如果超出安全阈立即启用声光报警电路, 并启动排风扇和电磁阀关闭管道。2.2 气体传感器的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的传感器, 也 俗称”电子鼻”。这是一个独特的电阻, 当”闻”到天然气时, 传感器电阻随天然气浓度而变化, 并将气体的成份、 浓度等信息的变化转换成能够被人员、 仪器仪表、 计算机等利用的信息的装置。在本设计中天然气达到一定浓度, 电阻达到一定水平时, 传感器就能够发出声光报警。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的含量(即浓度)转化成电压或者电流信号, 经过A/D转换电路, 将模拟量转换成数字量后送到单片机, 进而由单片机完成数据处理、 浓度处理及报警控制等工作。气体传感器作为天然气检测报警器的信号采集部分, 是仪表的核心组成部分之一。由此可见, 气体传感器的选型是非常重要的。2.2.1 气体传感器介绍气体传感器的分类 ( 1) 半导气体传感器: 这种类型的传感器在气体传感器中约占60%, 根据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经过气体时产生离子, 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, 灵敏度和选择性好, 得到了广泛的应用, 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H2S的YST-Au-WO3、 测量NH3的NH+4CaCO3等。 开发新的气体传感器, 特别是开发和完善智能气体传感系统, 使之能够在气体泄漏事故中起到报警、 检测、 识别、 智能决策等方面的作用。大大提高气体泄漏事故处理的工作效率和安全性, 对于控制事故损失具有重要的作用。( 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, 产生的热量使电热丝升温, 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等制成的传感器, 具有广谱特性, 即能够检测各种可燃气体。接触燃烧式气体传感器在环境温度下非常稳定, 并能对爆炸下限的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、 厨房等处的可燃性气体的监测和报警。( 4) 高分子气体传感器 :国外在高分子气敏材料的研究和开发上有了很大的进展, 高分子气敏材料由于具有易操作性、 工艺简单、 常温选择性好、 价格低廉、 易与微结构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的检测具有重要作用。( 5) 电化学传感器:电化学传感器经过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。典型的电化学传感器由传感电极( 或工作电极) 和反电极组成, 并由一个薄电解层隔开。经过电极间连接的电阻器, 与被测气浓度成正比的电流会在正极与负极间流动。测量该电流即可确定气体浓度。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有类似的结构形式, 可是测量原理不同。它的测量原理是: 将加热后的铂电阻线圈置于目标烟雾中, 由于向目标气体传送热量造成温度降低, 引起电阻值变化, 传感器即测量电阻值的变化情况。温度的变化情况是目标气体热传导率的函数, 而对于一种给定的气体, 热传导率是它固有的物理特性。 ( 7) 红外传感器:利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光, 它具有反射、 折射、 散射、 干涉、 吸收等性质。任何物质, 只要它本身具有一定的温度( 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, 而且有灵敏度高, 响应快等优点。 2.2.2 气体传感器的选定气体传感器是本系统设计的起点也是系统的重点, 选择合适的传感器成为决定系统设计成功的关键。天然气检测报警器主要应用在厨房、 工厂等易发生天然气体泄漏的场所, 根据报警器检测气体的要求, 一般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的阻缓及中毒是不可避免的问题。阻缓是当在气体与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下, 则有可能在无焰燃烧的同时, 有些固态物质附着在催化元件表面, 阻塞载体的微孔, 从而引起响应缓慢反应滞缓, 灵敏度降低。虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能, 可是如果长期暴露在这样的环境中, 其灵敏度会不断下降, 导致该传感器最终丧失检测天然气的能力。中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时, 则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒, 以致灵敏度很快就丧失。当怀疑检测环境中存在这些物质时, 经常对探头进行标定, 是必须且有效的办法。 因此, 经常对传感器进行标定, 是保证其准确性的必要的途径。一般连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的维护, 无形中加大了工作人员的工作量, 同时增加了报警器的维护成本。半导体气敏传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器以及用单晶半导体器件制作的气体传感器, 它具有灵敏度高, 响应快、 体积小、 结构简单, 使用方便、 价格便宜等优点, 因而得到广泛应用。半导体气敏传感器的性能主要看其灵敏度、 选择性(抗干扰性)和稳定性(使用寿命)。 经过对比上述两种气敏传感器的应用特性, 发现半导体气敏传感器的优点更加突出: 灵敏度高、 响应快、 抗干扰性好、 使用方便、 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。因此, 本设计采用半导体气敏传感器作为报警器气体信息采集部分的核心。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, 这种型号的传感器具备一般半导体气敏传感器灵敏度高、 响应快、 抗干扰能力强、 寿命长等优点。3 天然气检测报警系统的硬件设计本设计的硬件电路的具体操作设计是: 首先能够预先设置安全阈阈值, 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模数转换模块把模拟信号转化成数字信号再交单片机进行处理。单片机把数据和事先设置好的安全阈值对比, 若超出安全阈则启动声光报警电路并开启排风扇和关闭天然气管道电磁阀。3.1 总体硬件设计本设计的硬件组成部分主要有主控电路和外围接口电路( AT89C51与安全阈设置电路, AT89C51与声光报警电路, AT89C51与险情处理电路 )连接起来, 就得到了基于基于单片机的天然气浓度检测报警器的总体电路如图3-1所示。图3-1 系统整体电路图3.2 单片机模块的设计3.2.1 AT89C51介绍AT89C51是一个低功耗, 高性能CMOS8位单片机, 片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可重复擦写1000次的Flash只读程序存储器, 器件采用ATMEL公司的高密度、 非易失性存储技术制造, 兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构, 芯片内集成了8为中央处理器和ISP Flash存储单元, 在众多控制系统中得到广泛应用。AT89C51为40 脚双列直插封装的8 位通用微处理器, 采用工业标准的C51内核, 其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、 数据RAM及外部接口等功能部件的初始化, 红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。引脚图如图3-2所示。图3-2 AT89C51引脚图ATC89C51引脚功能功能介绍: VCC: 供电电压。GND: 接地。P0口: P0口为一个8位漏级开路双向I/O口, 每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时, 被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器, 它能够被定义为数据/地址的第八位。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外部必须被拉高。在本系统中使用P0口来接通数码管。P1口: P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口, P1口缓冲器能接收输出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, 这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时, P1口作为第八位地址接收。本系统中P1.1引脚控制超声波模块的发射, P1.0引脚控制超声波模块的接收。P2口: P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口, P2口缓冲器可接收, 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。并因此作为输入时, P2口的管脚被外部拉低, 将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。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口输出地址的高八位。在给出地址”1”时, 它利用内部上拉优势, 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的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。因此, 本设计采用P2口的P2.0至P2.3四个引脚分别控制四个数码管的选通。P3口: P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口, 可接收输出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) 这是由于上拉的缘故。RST: 复位输入。当振荡器复位器件时, 要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG: 当访问外部存储器时, 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间, 此引脚用于输入编程脉冲。在平时, ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号, 此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是: 每当用作外部数据存储器时, 将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时, ALE只有在执行MOVX、 MOVC指令时ALE才起作用。另外, 该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止, 置位无效。PSEN: 外部程序存储器的选通信号。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, 这两次有效的信号将不出现。 XTAL1: 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2: 来自反向振荡器的输出。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的最小应用系统, 是指用最少的原件组成的单片机能够工作的系统。在本设计中, 单片机选用的是AT89C51, 由电容、 晶振、 电阻、 电源等组成最小系统, 如图3-3所示。 图3-3 单片机最小系统硬件图3.2.3 AT89C51单片机的复位电路在整个天然气检测报警系统中, 要进行实验, 必须对整个系统先复位。复位是单片机的初始化操作。单片机系统在上电启动运行时, 都需要先复位。其作用是使CPU和系统中其它部件都处于一个确定的初始状态, 并从这个状态开始工作, 因而, 复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的, 必须配合相应的外部复位电路才能实现。单片机的外部复位电路有上电复位和上电和按键均有效的复位两种。我们在设计单片机复位时, 选用上电复位。上电要求接通电源后, 单片机实现自动复位操作。上电瞬间RST引脚获得高电平, 随着电容的充电, RST引脚的高电平将逐渐下降。RST引脚的高电平只要能保持足够的时间( 2个机器周期) , 单片机就能够进行复位操作。该电路典型的电容参数为: 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电路介绍MQ-4气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡( Sn02) 。当传感器所处环境中存在可燃气体时, 传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-4气体传感器对甲烷的灵敏度高, 对丙烷、 丁烷也有较好的灵敏度。这种传感器可检测多种可燃性气体, 特别是天然气, 是一款适合多种应用的低成本传感器。外形结构如图3-5所示。图3-5 半导体气体传感器外形结构传感器的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的工作温度。VC 则是用于测定与传感器串联的负载电阻( RL) 上的电压( VRL) 。这种传感器具有轻微的极性, VC需用直流电源。在满足传感器电性能要求的前提下, VC和VH能够共用同一个电源电路。为更好利用传感器的性能, 需要选择恰当的RL值。如图3-6所示。图3-6 基本测试电路MQ-4的技术指标如表3-1所示, 因为在proteus的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利用proteus元件库中的滑动变阻器来代替MQ-4气体传感器, 利用滑动变阻器的滑动变化进而来改变滑动变阻器两端的实时电压值等效的来替代室内的实时天然气浓度的变化, 从而在proteus的仿真设计中能够来解决这个问题。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) 标准电路条件回路电压VC24V DC加热电压VH5.0V 0.2V AC or DC负载电阻RL可调标准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灵敏度SRs (在空气中) / Rs (5000 ppm甲烷) 5标准测试条件温度、 湿度20 o C-2 o C; 65% RH标准测试电路VC: 5.0V 0.1V VH: 5.0V 0.1V预热时间不少于48小时根据气体传感器MQ-4的相关参数所设计的具体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 险情处理与LED显示3.4.1险情处理单元作为天然气报警装置, 声光报警部分不可缺少, 当检测到天然气在环境中所占的比例超标时, 就应该经过声光方式发出警报, 防止由于天然气浓度过高而发生的意外事故。本设计中的声光报警部分包括蜂鸣器以及LED报警指示灯, 由于排风扇天然气通道电磁阀无法在proteus中仿真, 因此用LED代替排风扇和电磁阀。其报警表现形式如下: ( 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明设备正常工作, 此时排气扇( 采用无触点开关开启) 和红色LED( 代表电磁阀) 和蜂鸣器不工作。( 2) 天然气浓度超出安全阈时: 蜂鸣器报警, 红色LED( 电磁阀) 工作 , 排气扇不工作。单片机本身I/O的驱动能力不是很高, 因此对蜂鸣器的驱动需要加入一个PNP三极管, 这样能够使蜂鸣器的声音更加响亮, 起到更好的报警作用。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, 避免了误报警的发生。声光报警单元与单片机的连接图如图3-8所示。 图3-8 声光报警电路3.4.2 LED显示LED数码显示器是一种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。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器。驱动LED的时候, 应该分二种情况比如用共阳接法和共阴接法, 共阳的时候LED正端接正电源, 负端经过一个限流电阻接P口, 这时不用接上拉电阻, 只要这个限流电阻取合适就能够了。发光管亮的时候电流就是从电源正LED限流电阻P口, P口为低电位。发光管灭的时候没有电流流过, P口为高电位或高阻状态。共阴的时候, 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发光用的, 发光管亮的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的, P口为高电位或高阻状态。发光管暗的时候, 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全部从P口流入。本设计采用共阳极接法, 如图3-9所示。图3-9 共阳极七段显示器的结构本设计经过观察LED数码显示器显示天然气浓度值, 判断天然气浓度值是否超过安全阈, 如果超过, 启动声光报警, 同时打开排气扇并及时关闭电磁阀, 使天然气浓度降低。4 天然气检测报警系统的软件设计4.1 主程序设计流程图程序流程图如图所示。首先要给传感器预热三分钟, 因为MQ-4型半导体电阻式气体传感器在不通电存放一段时间后, 它再次通电时传感器不能立即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。本论文的主程序设计先对传感器预热三分钟, 预热同时, 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是否断线或者接触不良。然后经过对传感器检测的气体浓度信号进行A/D转换后传递给单片机进行数据处理, 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出安全阈就进行报警和开启排气装置否则继续检测。主程序还包括能够人工设置安全阈的功能, 使系统功能更加完善, 给用户带来便利。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处理传感器电压 判断天然气浓度是否超标? 报警并启动排风扇图4-1 主程序流程图4.2 Keil程序调试 虽然本系统的核心是单片机, 可是单片机本身并不具备自开发能力, 我们必须借助相关软件进行相关功能的开发、 诊断和调试。在本次设计中我们选择了美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统Keil C51。Keil提供了包括c编译器、 宏汇编、 连接器、 库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案, 经过一个集成开发环境( uVision) 将这些部分组合在一起。具体步骤如下: (1) 打开keil软件, 新建工程打开keil软件, 选择projectnew project创立新工程, 如4-2所示。图0-2 keil新建工程(2) 选择单片机输入功能项目名之后, 选择AT89C51单片机作为模拟单片机, 如Error! Reference source not found.所示。图0-3 选择单片机(3) 新建文件并导入工程经过菜单FileNew创立一个新的文字编辑窗口, 我们能够将写好的程序直接复制上面, 也能够直接在上面编写。编写完毕以后选择”保存”。保存完毕后, 会出现类似第2步的对话框, 我们把第一个程序命名为a.c, 保存在项目所在的目录中, 这时您会发现程序单词有了不同的颜色, 说明KEIL的C语法检查生效了。此时鼠标在屏幕左边的Source Group1文件夹图标上右击弹出菜单, 在这里能够做在项目中增加减少文件等操作。我们选”Add Files to GroupSource Group 1”弹出文件窗口, 选择刚刚保存的文件, 按ADD按钮, 关闭文件窗, 程序文件已加到项目中了, 如Error! Reference source not found.所示。图0-4 Keil添加文件(4) 设置生成hex文件HEX文件是一行行符合Intel Hex文件格式的文本所构成的ASCII文本文件。这些记录由对应机器语言码或常量数据的十六进制编码数字组成。由于keil默认不生成hex文件, 因此我们要设置生成。如Error! Reference source not found.所示, 右键单击Target1选项, 然后选择第一个选项, 进而在出现的output选项卡中勾选Creat HEX File选项, 即能够在选中的文件夹中编译后生成HEX文件, 如下图4-5所示。生成的HEX文件是能够在51系列单片机中添加调试使用的文件, 在proteus中选择调试无误后生成的HEX文件进而能够使得编译的软件单片机联合运行。经过运行的结果检验是否达到到软件可操作性验证的目的。图0-5 设置生成HE