基于单片机的煤气浓度检测及报警系统设计

　摘要

目前中国经济快速发展，人们的生活水平得到了很大提高，煤气也普遍进入了人们的日常生活中，但是在我们的日常生活中发生煤气泄漏的事件频频发生，给人们的生活和财产安全造成重大隐患。

本次设计的主要内容是针对煤气检测方面做出一些研究，同时通过煤气（CO）传感器检测出煤气浓度。在主控制器模块的控制下。煤气传感器输出0至5伏电压。通过模拟到数字转换模块。将0至5伏电压转移到数字信号的单片机上。通过单片机处理接收信号，检测信号是否和设定值相同。

本文以煤气检测仪为例，介绍了煤气传感器显示、数字模式转换、单片机等的应用，并通过软件仿真的方法，对电路和软件子程序进行了分析，并对子程序流程图进行了分析。

　关键词：单片机；显示；煤气浓度测量

　第一章绪论

　　1.1课题研究的背景及意义

随着现代科技的发展进步以及国民生活水平的提高，越来越大的能源需求使气体燃料作为一种高新能源逐渐走入千家万户，得到了人们的普遍认可和广泛使用，如天然气，煤气，液化石油气等已经逐渐成为了城市生活燃料的主体，虽然给我们带来了方便，但事物的发展总是有利有弊的。可燃气体给我们带来便利的同时，也隐藏着许多的隐患。在危险气体的运输以及存储的过程中，因为管道老化或者是使用设备密封性不好等一些情况都会导致燃气的泄露风险,而由于可燃气体的易泄露，易爆以及易扩散等特点，一旦环境中可燃气体浓度过高，在外部通风条件及内部浓度梯度的影响下，极容易造成有毒有害或可燃易爆区域的形成，一旦遇明火更会严重威胁人们的生命财产安全。

煤气操作不当检测不当造成的危害可见一斑。由此，为了预防可煤气的泄露造成的危害，研制一款精确可靠、稳定安全的可燃性有毒有害气体的检测报警系统是安全生产生活过程中的必要环节。高浓度的可燃气体对人体有窒息和麻醉作用，危险气不完全燃烧所产生Co，由空气Co含量略微超标时，会使人有秃顶、昏迷甚至于死亡，在家庭中使用燃气的场所安装可燃性有毒气体报警。头晕、恶心的症状，严重的时候会导致中毒器，远程监控危险气体的变化，可以有效地预防中毒以及爆炸时间的发生。本文旨在研究一个基于单片机的能够通过监测煤气浓度变化，从而实现声光报警的基本功能，又能实现远程监控的适合家庭办公等封闭，空间环境的可燃性有毒气体检测系统，以此来预防危险气体泄露却不能及时知晓并处理而带来的危险。

　1.2国内外研究现状

随着科学技术发展，气体浓度检测器不断的更新。由检测目的不同，可为三类：可燃气体监测仪、有毒气体探测器及氧气探测器。其他的分类据仪器结构的方法，便携式和袖珍式以及固定式。

随着我国天然气的变革及西气东输工程的进行，天然气已成为多数家庭的燃料，每年，由于使用不当和设备老化导致的天然气泄露进而造成的天然气中毒事故时有发生，更有甚者，因室内天然气浓度过高，引起天然气爆炸的事故也不少见。

天然气泄露所带来的危害已经让人们认识到问题的严重性。二十世纪的八九十年代，人们就已经从又脏又累的烧煤模式发展成为使用天然气模式，这标志着人类的进步，证明人类越来越重视自己的生活质量。但是随着生活水平的提高，危险也随之而来，如果天然气使用不当或者管道出现问题，都会造成天然气泄露。

与国外相比，中国监测技术起步晚。在20世纪80年代初，我国向欧洲学习，引进先进安全监控的系统。因此我国煤矿监控系统取得其进展。为跟上时代步伐，仅介绍不够。可通过分析并结合于实际情况，我国也取得系列的成就。“九五”开始，我国气体传感器产量已超过400万只。至1998年，气体传感器总产量所超过了600万只。气体传感方法为耐化学性传感器、气相色谱、液相色谱、电化学传感器、光学传感器和声学传感器。其中，气相色谱和高效液相色谱等传感器尺寸大、响应慢、功率要求高、耗时大、需要昂贵的设备。

　1.3论文结构安排

基于单片机的煤气浓度检测及报警系统设计论文（说明书）总体为四部分，首先进行相关文献资料的收集与整理，初步建立对该系统的认识，以及了解国内外的发展近况，发展方向等。

然后第二部分进行系统的整体需求确立与设计，分析出系统的实际工作逻辑，实际业务需求等。第三部分实现系统的软硬件设计与仿真工作；第四部分实现系统的功能性验证，最后做出总体性自评与展望。

　第二章系统总体设计方案

本课题实现CO浓度监测上下限。以下所介绍系统功能需求、系统技术需求及系统实施的方案。

　2.1系统设计任务及要求

选择控制器、传感器、显示器及报警方式，设计一个基于单片机的煤气浓度检测及报警系统。要求能实时检测并显示煤气浓度，超过设定值时可以声光报警，煤气浓度测量范围0~1000ppm，显示到0.1，检测值小于50ppm时低报；大于150ppm时高报。

　2.2系统的设计方案

在了解系统工作原理和功能后，基本确定系统技术要求。此系统以单片机为基础，成本低，可满足其生产和各种工程需要。为系统提高市场竞争力，满足于体积小、功耗低、数据传输性能可靠、成本低技术要求。由指标与参数为:

1、通过51/52内核单片机通过串口实现对气体浓度检测，并将数据显示在显示模块，同时蜂鸣器与警报灯根据气体浓度的大小来响应工作。

2、主控选择国产的芯片STC51，它其具有成本低，稳定性高的优势。在推动智能化的进程中，为终端设计提供了更低成本的成熟方案。

3、一氧化碳浓度传感器选用的是MQ-7电化学一氧化碳浓度传感器。他是通过串口通讯获得数据，相比于模拟量采样具有更高的稳定性和更高的精度。满足于我们的项目设计需要。

4、蜂鸣器选用无源蜂鸣器，通过PWW提供外部振荡源，从而低成本实现多音播放，模拟出音乐片段的效果。

5、OLED选择使用SSD1306 I2C通信显示屏。其具有寿命高，视图效果好的优势。

系统的组成结构如下：

　　第三章系统硬件电路设计

　　3.1单片机

单片机（Microcontrollers）作为高科技信息时代产物，其实为一块芯片，上边所刻画很多集成的电路，每个集成电路有不同功能，相互连接。一个数据处理能力中央处理器（CPU），负责处理其信号。RAM与ROM所负责存储各种的信息。各种输入/输出端口和中断系统功能为输入、输出与中断。还有计时器/计数器组件。此部分相互独立，相互的配合，共同实现单片机功能。由科技部制作集成为一个芯片中，形成一个内部器官小而完整微型计算机系统。技术广泛应用在工业控制领域。在20世纪80年代到现在，MCU更新速度快。起初，只有4位与8位MCU，功能很单一。但随着时间推移，到现在为止，32位高速单片机已出现，其功能比以前更加的完善。

由实际应用中，单片机与其他部件所结合完成工作。为保证单片机正常运行，一些元器件不可少。单片机和此关键部件组成为单片机最小系统。是由单片机、晶体振荡器电路及复位电路和电源单片机系统。其部件组成的电路称单片机最小系统。

此设计最小系统如下图3.1所表示：

　　图3.1 AT89C52引脚图

在AT89C52中有四个双向并行I/O端口P0~P3。每个端口都有八条输入输出端口线，故共有32条线，而且他们都配有端口锁存器、输入缓冲器和输出驱动器。其作用为用于CPU与外部设备之间进行信息的交换以及信息的传输。但由于每个端口的结构各不相同，所以它们在功能和用途上都有较大的差别。

AT89C52单片机内部总线采用的是单总线结构，即数据总线和地址总线是公用的。片内所有的单元电路全部都挂在总线上，它们之间的信息传递和交换都要经过内部总线，并且采用的是分时操作、分时使用的方法，所以，这种分时复用的方法不会引起信息冲突或抢占总线的问题。

　3.2复位电路设计

MCU复位电路功显而易见的，功能从名称看出来。单片机作为一种微型计算机，卡或程序操作中难免出错。发生此情况时，使用复位电路功能。按复位键，单片机能回至初始状态，重新的开始工作。

复位电路原理：单片机rst引脚接收2us以上电平信号。电路电容不为固定值，是电平信号时间大于2us，需要改变。

可按下系统的复位开关，电容器由短路所释放电能。RST接收液位信号时，系统为复位。

图3.2复位电路

　　3.3煤气检测电路设计

由气体传感器采集信号模拟信号，单片机AT89C52处理，所采用数模转换器将模拟信号转换是数字信号，采集电路输出模拟电压在0至5V变化。此设计是ADC0809适合A/D转换。

Adc0890为常用逐次逼近8位A／D转换芯片。由一个8路模拟电子开关，是+5V电压供电，锁存为内部，完成每次采样与转换大约用100微秒，能直接与其单片机P0口相连接。

在本设计当中，MCU的ale信号ADC0809的CLK输入时钟的信号，是MCU的ale所输出信号其时钟频率与ADC0809的CLK所需频率相匹配。因为ADC0809支持8路通道的AD转换，但是各个通道之间的转换不能同时进行，用户在使用时必须通过地址选择端告知该芯片某一路的模拟电压数值需要转换。在该设计中地址选择端的3个端口分别于P0.0，P0.1，P0.2，用P2.6引脚与单片机的读，写选通信号线进行逻辑组合（这里采用地址分配线选法）作ADC0809的ST,ALE及OE的选通输入信号，P2.6为低电平时，最低3位地址码A2、A1、A0（即A、B、C所连的三个引脚D2、D1、D0）作INx的选通地址码，单片机采样一次，就选通INx一次，某一路转化为完成，OE呈高电平有效，单片机即可执行一条输入指令，从该AD转换芯片中读取转换后的数字量，这样就完成了一次转换，其中ADC0809芯片的数字量输出口与单片机的P0口相连接，ADC0809与单片机的连接电路如图3.3所示。

图3.3 A/D转换电路

　　3.4显示电路设计

本设计使用显示模块LCD 1602a LCD。1602显示两行，所显示16个字符；制造商编号。实际应用里，LCD 1602a是以模块形式出现，所使用过程无需增加上拉电阻。因此单片机中，是端口P0没有自己上拉电阻，为端口P0只可连接lcd1602a。

图中使用漏极电阻器为respack-8，用作上拉电阻器，可显示器正常工作。

此显示屏为初始化后使用，是在编写程序时需要进行初始化和设置，不可直接的使用。

图3.4显示电路

　　3.5按键电路设计

单片机键盘可为独立键盘和矩阵键盘。独立键盘为输入/输出端口连接一个键，键另一端不同其设计接地或通电。本接线方案系统运行为简单、稳定的优点；矩阵键盘程序的复杂，占用其I/O端口较少。相比下，设计为接地独立键更合适。

本设计只有三个小按钮，一个开始检测按钮，一个停止检测的按钮，一是关闭系统。本设计关键电路接地。单片机读取信号对其信号进行处理，完成按键输入功能。三个键分别是与P1 5、P1相连。6、P1。7、关键电路图如下图3.5所示：

图3.5控制电路

　　3.6A/D电路设计

设备广泛应为A／D转换器、工艺仪表与设备检测及控制设备。由大规模集成电路技术发展，出现于各种高精度、低功耗、易编程、低成本A／D转换器，微机控制系统电路很可靠。

信号由ADC0832传感器模拟信号转换为数字信号，是单片机处理，ADC0832具有8个管脚，分别为：

CS：片选信号，当置为低电平时转换器工作，高电平时不可以工作。

CH0：模拟是由输入通道0，为电压输入IN+或IN-使用。

CH1：模拟通道所输入1，由电压所输入IN+或IN-所使用。

GND：接地

DI：数据信号的输入，选择其通道。

DO：为数据信号可输出，输出转换其结果。

本设计电路连接图如下图3.6所示：

图3.6 A/D转换电路

　　3.7蜂鸣器电路设计

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，它使用直流稳压电源供电，根据设计的不同，可以发出不同的声音，在现代的工业设计广泛应用电脑与复印机、报警器和电子玩具、电话、计时器。

基于本次设计的特点我们为源压电蜂鸣器：源蜂鸣器工作时，理想输入信号是直流信号，所识别VCC和VDD。蜂鸣器为内部电路振荡，是由恒定直流信号直接送人到蜂鸣器中。除此之外由于有源蜂鸣器可以连续不断地发出声音，更适合于本设计要求。

能让用户在所使用本系统时更直的监测室内空气品质，本系统采用了一个蜂鸣报警模块来实现超限值报警，蜂鸣报警电路选择的也是比较常规的接法，连接电路如图3.10所示。该蜂鸣报警电路由一个蜂鸣器，一个10K电阻，一个三极管等相组合而成，在现场和远端都可以及时提醒工作人员，在主单片机部分采用无源的蜂鸣器，用单片机程序驱动让其产生警报声响。在选择蜂鸣器时，我们有很多的选择，但是选择时也有一定的标准：

(1)所选的蜂鸣器是有源蜂鸣器的还是无源蜂鸣器，这决定了你是否需要再设计外部驱动电路；

(2)所选的蜂鸣器是贴片的还是直插的，这决定了你该设计什么样的封装形式；

(3)所选蜂鸣器所要的工作电压和工作电流，这取决于该部分电路的供电电压和能耗情况；

(4)所选蜂鸣器的工作温度，这决定了你设计的产品所需要的工作环境

(5）所选蜂鸣器的声强级和声音频率，它确定了蜂鸣器所发出的声音和声音的响亮程度。

第四章系统软件设计

在完成了系统硬件设计后，要保证设计系统能够正常的工作，达到设计的最终要求，我们必须要有完善的软件设计，驱动硬件电路所实现。可完善硬件设计与软件设计能使系统工作为最佳状态。经过第二章的方案论证我们知道C语言是目前最流行的一种计算机高级语言，利用C语言编写的程序，易于实现模块化，可读性强，移植性好。软件设计可以简化硬件电路，而且可以减少成本。

　4.1主程序的设计

主程序实现初始化以及子程序调用的功能。本设计中，我们将各元器件初始化，使其能够正常工作。是否按键由自己决定。要是没有按键，继续所查询进行判断，直到按键为止。可按键，我们继续执行程序，此时由于气敏传感器的工作特点，需要预热十分钟，我们采取的是软件延时的方式。延延时结束后，启动CD4051，调用CD4051子程序，采集到传感器感受到得电压信息，启动A/D装置，调用A/D子程序，将模拟的电压信号转换成数字信号供给单片机进行处理。处理结束后，一方面我们需要调用显示子程序，将所得到得数据送到数码管将其加以显示出来。另一方面，要将数据与给定的数据初始值相比较，如果处理后的数据大于预订的数据的初始值，此时我们需要调用报警电路的子程序，报警以警告工作人员浓度已经超标，应该采取相应的措施。

下图即为本次设计的主程序流程图：

图4.1主程序流程图

　　4.2各子程序的设计

　　4.2.1数据采集模块

根据设计要求我要检测两个煤气罐，共16个点，所以要有16个气敏传感器，每个气敏传感器接到模拟信号后，将送到采集系统CD4051中。将采集到的模拟量传送到A/D转换器MAX187中去，其相应位制位，启动MAX187，调用采集与A/D转换的子程序，根据输入参数对模拟信号进行采样，将相应信号的数值返到主程序。图为采样以及A/D处理软件流程图。

图4.2采样以及A/D处理的软件流程图

　　4.2.2显示模块

设计中用到数码管进行显示，第一个数码管显示的内容是当前时间所要显示的煤气罐序号（显示值为1或2），第二个数码管显示的内容为煤气罐所测点的序号（显示值为1-8），后五个显示的内容为当前所要测的点的煤气浓度。下图为显示部分软件设计的软件流程图：

图4.3显示部分的软件流程图

　　4.2.3报警模块

为了方便显示和比较，我们将初值设定为1000ppm，当浓度超过这一数值时，蜂鸣器发出报警的声音，以提醒工作人员采取措施。下图为报警部分设计的软件流程图：

图4.4报警部分软件流程图

　　第五章系统仿真

　　5.1仿真软件

本设计为仿真软件proteus。以下是Proteus简介：

Proteus世界上广泛使用EDA工具（仿真软件）。该软件所完成原理图布局、代码调试和外围电路仿真是世界唯一集成电路仿真、PCB设计与虚拟模型仿真软件。设计过程所提供于便利。在2010年，我们会继续增加cortex中信号处理器与DSP系列处理器型号，提高软件性能。此编译的方面，能支持keil与MATLAB编译软件。

5.2仿真结果

本电路应用Proteus7.4软件进行仿真，如图5.1所示。

图5.1电路仿真图

　　它所具有其他软件仿真的功能，完成其对单片机及外围设备仿真。是效果很好软件。用于Proteus设计仿真模拟MCU外围的设备，首先应该预设报警值，将预设报警值为24μg/m3时，仿真软件当前空气浓度为9μg/m3电路工作正常，设置键复位键均可正常工作，报警电路不导通，不进行报警，下面将报警值降低再进行仿真测试，观察电路是否可以进行正常的报警工作。

DS18B20的读写顺序和测量原理都不同于DS1820,只是得到的温度值的位数因物理分辨率不同而差异,且在温差变化时的延迟时间也从2s减至了750ms。

DS1820虽具备测量装置简易、测量精确、接线简单、占用口线小的优势,但在具体使用时还需注意以下几个方面的问题:

(1)相比较小的硬件费用往往必须通过较为繁杂的软件系统加以补贴,因为DS1820和微处理器之间通过串行传输,所以,在对DS1820进行读取编程时,往往必须更加严密的确定读取时间,不然将无法读出测温结果显示。当采用PL/M、C等高级编程语句从事复杂系统程序设计时,对DS1820操作系统部分尽量使用汇编语言完成。

(2)在DS1820的相关资料中,均未涉及单总线上所挂的DS1820多少问题,易让人误认为只能挂上任意几个DS1820,但在真实使用中却是这样。当单总线上所挂DS1820达到八位时,就必须解答微处理器的总线驱动现象,这特点在采用多点测温控制系统的方案设计中要予以重视。

(3)连接DS1820的总线光缆是有总长度限定的。在实践中,如果采用普通信号电缆传送总长度大于50m时,所读出的测温信息就会出现失真。当将线路光缆换成双股线带遮蔽线缆后,常规通讯间距可以达到150m,而通过每米绞合数量更多的双股线带遮蔽线缆时,则常规通讯间距继续增加。而这些现象大多是由于线路散布容量的通讯波形产生畸变而引起的。所以,在应用DS1820进行远程测温系统的设置中,要特别充分考虑线路散布容量的和电压相匹配情况。

(4)在DS1820测温程序设计中,向DS1820发送温度传递指令之后,程式就始终要等待DS1820的温度反馈信息,如果与某个DS1820的接触条件不良或断开了,当程式读该DS1820时,就不会回复讯息,程式将进入死恶性循环。这一些,在开展DS1820硬件接口和设计工作时也要予以相当的关注。

仿真过程是先将程序添加到单片机中,我们可以在MQ-7气敏传感器中输入一个数值来表示气敏传感器采集到的一氧化碳浓度,假设我们把这个值设为008ppm,这时我们点击运行按钮,便会看到程序运行,如果仿真无误,在LED数码管上会显示低报,与DS18B20显示一致,反之,则仿真失败。通过仿真软件,能验证程序是否正确,还可以测试是否能正常测一氧化碳浓度,十分方便快捷。

　第六章结论

　　6.1结论

在本次毕业设计中，我深切的体会到了把一件事情做好是需要很大的毅力和耐心的。不管是大事小事，从开始毕业设计时的选题到成功开题，任务书的选定，以及开题报告的完成，这一系列说大不大说小不小说难不难说不难而又费事的过程可谓是让人辛苦了很久，但是辛苦中实实在在是对自己大学所学知识的小总结，也是对大学生活的一个收尾了。艰辛的同时让人又收获颇丰。单说本次设计，从开始的对设计的确定到器件的选型，不停地查阅资料，很大程度上拓宽了我的动手能力和对专业知识的扩展。

CO气体报警器设计8位单片机STC89C51主芯片。ADC0809输入的电压5 V时，所输出数字值FFH，最大的分辨率0.0196v。可显示其部分是BCD代码转换程序，十六进制数所转换十进制数。设计表明，校正后参考电压0809或软件编程修改测量值所解决的偏差。设计为单片机STC89C51、ADC0809与数码管所组成简单检测系统。设计由电路简单和成本低、精度高、速度快及性能稳定特点。

　　6.2展望

本次设计的基于单片机的煤气浓度检测及报警系统，成功的完成了既定目标的要求，实现了自己当初选题开题时构想的功能，这种从构想到实现的过程让人真的十分回味。通过本次对设备的设计和制作，也让我对调试有了一定的体验，通过完成论文时对流程步骤的再次梳理也让我对本次设计有了更充分的体验。也让我明白了工科真的是和细节打交道的专业，选材结束后对原理图的绘制就充分体现了这一点，每一个小部分小线路都要做到没有任何小错误才能实现功能和设计，这就要求对每个硬件模块的每个参数电压驱动方式等等有要有正确的了解，网络上很多查询到的信息都是不一定可靠的，还得通过自己的验证才能确定最终结果。软件设计部分时的报错更是让人无比揪心，每当看到红色的报错提示自己的心都是一悬，但是在不断地修改验证下我觉得我的心性也随之得到了提升，起初大大咧咧的整体设计不断报错也让我学习到了做一个东西一定要分模块把他都做到时再去汇总检查调试才是最不容易出错的，在日常生活中这些通过本次毕业设计得到的经验也都是特别有用的，遇到困难要稳住心态各个击破，这样才能达到自己预期的目的。同时在设计完成之初更是不能放松警惕的时候，可能任何一个小问题都要导致重新验证编程修改，不断地调试验证才能确保自己所做设计的稳定性和可靠性，生活中这个道理也是能帮到人很多的，把一件事情做好的时候更要戒骄戒躁，精益求精。

四年的生活一闪而过，不知不觉写完论文马上就要毕业了，大一大二上理论课的场景还是历历在目，自己也得到了进步。实践是理论的印证，但是没有四年来所学的理论支撑，手艺再好也还是睁眼瞎。通过本次设计，也让我对以后的工作模式有了自己的认知和想法，人生在世学海无涯，不管在什么环作，都要坚持学习理论知识，这样的话等到上手实践的时候也不会出现一脸懵的情况，就拿本次设计的单片机来说，以前对单片机的认识只是书本上的，各种接口和功能等等都也只是在课本的图里见过，等到我手拿到自己要制作的单片机的时候，我还是一脸抓瞎，不得已又对之前的理论进行了回顾，没有谁是天生就是天赋异禀的，时间长谁都会忘记，在以后的学习工作中，更要“温故”，只有经常对自己所学的东西回顾反省，才不会在用到知识的时候什么都忘记只知道概念。在动手过程中也遇到了很多问题，焊接过程中一个小失误就会导致自己一下午的功夫白费需要重新焊接，传感器原件也是很难处理的，我在本次设计中红外模块由于操作不当出现故障后重新更换，让我对本专业的精细度有了自己的概念，以前觉得大概不出什么问题随心所欲就好，经过这次设计我才知道了工科的精细程度，所有的细节都一定要按部就班有一定的考量才能圆满的完成设计。在以后的工作中我也一定会把这种精细精益求精的态度一直保持下去。

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　致谢

本论文从开题、写作、反复修改到最终定稿都是在老师的悉心指导下完成的。在这一过程中，我不仅仅为老师超高的学术造诣、严谨的治学态度所折服，更加被老师虚怀若谷、朴实无华的人格魅力所深深影响。老师不仅仅在学习上给予我极大的帮助，也在生活中给予我莫大的关怀。在老师身上学到的做人和做事之道，更是让我受益终身。能够在大学得到老师的指导和教诲，是我人生中最幸运的事，我要向老师表达真挚的谢意！

基于单片机的煤气浓度检测及报警系统设计

价格 ¥9.90 发布时间 2024年4月5日

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