1、 郑州轻工业学院 本科毕业设计（论文） 题 目 可燃气体检测仪设计 学生姓名 专业班级 电子信息 2013级 学 号 5413070201 院 （系） 计算机与通信工程学院 指导教师（职称） 杨学冬 (实验师 ) 完成时间 2017 年 6 月 1 日 郑州轻工业学院 毕业设计（论文）任务书 题目 可燃气体检测仪设计 专业 电子信息科学与技术 学号 姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等： 主要内容： 1.了解可燃气体检测仪设计的基本原理。 2.运用 KEIL、 PCB、等软件完成 系统的软件设计 3. 使用以单片机为核心， MQ-X 系列传感器为气体采集器， LCD12864 液晶显示屏来
2、显示实时的浓度值，等硬件设施来完成实时检测可燃气体的浓度，并 完成 报警。 基本要求： 通过软硬件结合的方式， 实现可燃气体检测仪测量 气体浓度并完成报警。 主要参考资料： 1 DAzzo J J, Houpis C H, Azzo D . Linear Control System Analysis and DesignM. 清华大学出版社 , 2000. 2 刘爱华，传感器原理与应用技术 .人民邮电出版社， 2009. 3 电阻式半导体气体传感器 J.张强 ,管自生 .仪表技术与传感器 .2006(07). 4 基于 STM32 的便携式矿用多气体检测仪的设计 J. 徐大诏 ,李正明 ,刘
3、军 .仪表技术与传感器 .2014(03). 完 成 期 限： 2017年 6月 1日 指导教师签名： 专业负责人签名： 2017 年 1 月 3 日 可燃气体检测仪设计 目 录 中文 摘要 . I 英文摘要 .II 1 引言 . 1 1.1 可燃气体探测的现状和发展趋势 . 1 1.2 研究目标 . 2 2 硬件设计总结构框图 . 3 3 可燃气体检测仪传感器 . 4 3.1 可燃气体传感器的种类 . 4 3.2 可燃气体传感器的选用 . 4 3.3 传感器模块设计 . 4 3.4 MQ-X 系列传感器特性 . 5 3.5 传感器基本测试回路 . 6 3.6 MQ-X 系列传感器在操作中的注
4、意事项 . 6 4 硬件电路设计 . 8 4.1 可燃气体检测仪的硬件设计 . 8 4.2 STM32 单片机 . 8 4.2.1 单片机最小系统 . 8 4.3 报警电路设计 . 9 4.4 传感器模块电路设计 . 10 4.5 液晶显示模块电路设计 . 10 4.5.1 LCD12864 液晶显示屏简介 . 11 可燃气体检测仪设计 4.5.2 液 晶显示电路设计 . 11 4.6 按键电路设计 . 12 4.6.1 按键消抖电路 . 12 4.7 串口模块设计 . 12 4.7.1 MAX232 芯片简介 . 12 4.7.2 串口模块电路 . 13 4.8 ADC 电路设计 . 14
5、4.9 电源管理电路设计 . 14 5 系统软件程序设计 . 15 5.1 系统整体程序流程图 . 15 5.2 编程软件的应用 . 15 5.3 按键模块软件设计 . 16 5.4 液晶显示模块软件设计 . 16 5.5 上位机模块软件设计 . 17 5.6 数字滤波设计 . 18 6 系统调试与分析 . 20 6.1 系统硬件调试 . 20 6.2 系统软件调试 . 20 6.3 测试结果 . 20 6.4 出现问题及解决方法 . 21 结束语 . 22 致 谢 . 23 参考文献 . 24 可燃气体检测仪设计 I 可燃气体检测仪设计 摘 要 可燃气体检测 仪对可燃气体泄漏检测 以及报警
6、有着重大的作用，应用在 生活安全领域。 其检测的敏感性程度 及检测电路的性能 是 影响 检测仪 稳定性 的重要因素。 STM32 单片机为主控芯片， MQ-X 系列可燃气体传感器， 具有对 检测气体灵敏度高 ， 长寿命、低成本 的特点 。 在使用前需对其加热十分钟， 预热完之后将这些传感器放置于待测的环境中， MQ-X 系列传感器将对对应气体测试浓度 ， 将测试浓度转为电压， 然后再将转换得的电压经过 单片机的 A/D 模块 进行模数转换 处理 。为了 能够使 用户对可燃气体浓度 进行 实时了解，在单片机外围链接了 液晶显示屏，把经过单片机处理过的浓度值显示在液晶屏上 ； 并且在单片机外围链接
7、了按键模块，可以更简易 的设置可燃气体的报警浓度， 当所测得的 气体 浓度超过设置的浓度时，单片机 将 控制发光二极管和蜂鸣器发光发声 实现报警 ； 通过串口 通信 把实时采集到的浓度 信息 传给上位机 ，并且能够在上位机上显现出来，完成对 危险 气体浓度实时监控。 关键词 气体传感器； STM32 单片机；上位机； 模数转换 ； 报警 可燃气体检测仪设计 II DESIGN OF COMBUSTIBLE GAS DETECTOR ABSTRACT The combustible gas detector plays an important role in the leakage detec
8、tion and alarm of flammable gas, and is applied in the field of life safety. The sensitivity of the detection and the performance of the detection circuit are important factors affecting the stability of the detector. STM32 microcontroller as the main control chip, MQ-X series of flammable gas senso
9、rs, with high sensitivity to detect gas, long life, low cost features. Before using the heat for ten minutes, after preheating these sensors placed on the measured environment, MQ-X series sensors corresponding to test gas concentration, the concentration of test to voltage, and then convert the vol
10、tage through the A/D module microcontroller for analog digital conversion processing. In order to enable users to conduct real-time understanding of the combustible gas concentration, in peripheral link of the LCD screen, the concentration of SCM processed value displayed on the LCD screen; and in t
11、he peripheral link key module, alarm settings of combustible gas concentration can be more simple, when the concentration of the gas measured by more than set when the microcontroller will control the light-emitting diode and the buzzer sound light alarm; through the serial communication to collect
12、the concentration information to the host computer, and can appear on the host computer to complete the real-time monitoring of gas concentration. KEY WORDS gas sensor; STM32 microcontroller; host computer; analog to digital conversion; alarm可燃气体检测仪设计 1 1 引言 经济发展迅速 ，城市天然气 、煤气 的使用已经普遍到各家各户 ， 虽然 这些燃料给
13、我们的生活带来了很多的 便捷 ， 但 由于 设备 管理 使用不当， 可能会造成气体的泄漏引起气体中毒，造成生命危险。 煤气、天然气中毒或者爆炸事件 是各种危害事件中最 常见的 。 几乎每天都会有因煤气泄漏而导致的家庭悲剧， 为了防止此类悲痛的事件再次发生 ，必须找到一个安全便捷实用有效的解决 方法 。 如果能正确、科学地认识可燃气体的爆炸 ,了解爆炸前的情况 ,采取适当的预防措施 ,就能做到保护人身财产安全，避免此类悲剧发生 1。 因此 ,研究性能稳定 可靠 的监测可燃气体浓度的 报警装置具有重要意义 。 可燃气体检测仪就是为了防止这样的事故再次发生 ，能够提前达到预警的效果。 1.1 可燃气
14、体探测的现状和发展趋势 可燃气体的探测一直是人们所关注的重点，工人下井勘测井内的的可燃有毒的气体，从而保证工人们施工的安全。但这种历史却由来已久甚至隋代时期，人们会将鸡鸭禽类放置密闭空间中，观察这些禽类的健康状况从而判断这个空间是否安全。而现如今随着科技的发展，天然气以及煤气的普遍运用，使得可燃气体的探测和监控成为当前热门的技术问题。要说到最早的气体传感器 大概 是上世纪 20 年代产生的。也就是在英国第一 次工业革命之后产生的。因为工业化 的进步带来了巨大的方便，但也了导致 气体 的 泄漏，所以在历史的长河中，发展都是与时俱进的，这说明可燃气体探测仪是社会发展保护人民安全的的必要产物。 在
15、1980 年，日本就开始实行安装 城市煤气等报警器法规，之后美国也有 7 个州11 个城市立法规定了家庭、公寓、办公区域都需要安装易燃易爆气体报警器。就在我国也有许多城市已经发布文件，比如青岛、哈尔滨、山西等省份。 在目前，随着我国城市化扩大发展，燃气煤气的普遍率增高，政府也通过立法保护人民安全，并且随着人们接受更普及的教育，使得人民安全保护 意识有所提升，城市家庭公寓等场所安装可燃气体报警器是必将被推广普及的。人们对可燃气体检测仪的需 求 也必将大大的提升。 可燃气体报警器就是适应社会需求所开发的一种安全装置，现如今小区及办公楼都会有相应的管理人员进行管理，而此次设计的可燃气体检测仪就能发挥
16、它的作用，通过检测可燃气体浓度进行声光报警，并且与管理员的上位机进行通信连接，就能让可燃气体检测仪设计 2 管理员实时进行监控保护，所以发展前景非常良好必定具有广阔的市场，是现代家庭、社会发展的必需品。 1.2 研究目标 可燃气体检测仪是以 STM32 单片机为 控制核心 ， 以 MQ-X 系列传感 器为可燃气体采集器 ，将其放在待测的环境中，气体传感器将根据可燃气体浓度的变化输出电压的值，然后通过 STM32 单片机中 ADC 处理， 为了方便进行实时监测，于是将处理计算后得到的数值通过串口把浓度值在上位机界面和液晶显示屏上显示。并可以通过按键模块来实现对报警浓度的上限设置，当 所测得的气体
17、浓度超过设置的浓度时，STM32 单片机将控制外围报警电路，使发光二极管和蜂鸣器发光发声报警。 系统以 STM32 为核心，以可燃气体传感器为采集器件， LCD12864 液晶显示屏来显示实时的浓度值， MAX232 串口模块为通信桥 梁设计的。 目标实现： （ 1） 完成对可燃气体传感器的选定 （ 2） 完成装置硬件部分的设计： 采用 STM32 单片机为 主控芯片， MQ-X 系列传感器采集气体的浓度， A/D 转换器实现模数转换，按键模块来调节浓度上限设置，上位置和液晶显示屏显示所测气体浓度，发光二极管和蜂鸣器完成声控报警部分。 （ 3） 完成装置电路设计： STM32 单片机电路设计，
18、传感器基本设计， A/D 转换电路设计，声光报警电路设计，复位电路， LED 显示电路等。、 （ 4） 完成系统软件设计： 整体程序流程图设计，按键模块、液晶显示模块电路设计。 （ 5） 完成成品制作：可燃气体检测仪能够实现检测 可燃气体浓度 并显示及报警。电路完成焊接，对程序进行反复调试，最终实现仪器功能。 可燃气体检测仪设计 3 2 硬件设计总结构框图 硬件结构框图如图 2-1 所示 。 其中 A/D 转换电路是由 STM32 单片机控制完成 ,且MQ-X 传感器本身自带信号放大系统。 MQ-X 系列传感器采集到周围环境可燃气体浓度时会输出一个小电压信号，经过传感器自带的一个可编程的放大电
19、路进行信号的放大；被放大后的信号送人单片机中ADC 模块进行模数转换；转换后的结果由 STM32 单片机进行读取处理；按键电路用来控制报警气体浓度上限的设置， 按键电路共由四个按键组成调节报警浓度 上限，并可以切换不同气体浓度模式；此外 LED 显示屏和上位机都是用来显示气体浓度数据的，当 STM32 单片机处理过数据，会通过 MAX232 串口与上位机达成通信从而监控气体浓 度，当气体浓度超过限定值时，单片机会控制外围的报警电路实现报警 。 图 2-1 硬件结构框 图 MQ-X 系 列 传 感 器 A/D 模数转换电路 STM32 单片机 电源 LCD 显示屏 按键电路 串口 上位机 报警电
20、路 可燃气体检测仪设计 4 3 可燃气体检测仪传感器 3.1 可燃气体传感器的种类 现如今随着科技的发展，气体传感器也是越来越多样，也越来越普遍。 气体传感器在市场的应用已经非常普及了，其 发展历史 也 已经有几十年了 ，技术方面已经成熟了， 根据不同的材质不同的原理传感器的种类大概分为以下几类 ： 电化学式、光学 干涉 式、 半导体式、催化 燃烧式和固体电解质气体传感器 2。 下面对传感器的种类做简单的介绍。 (1)电化学传感器是使用电极和电解液 封灌制成。原理是将周围环境中的气体在电场下进行电离，随后测得电流。虽然 这样的 产品 灵敏度很高， 但是 主要是对有毒气体检测，运用并不广泛，具有
21、一定的局限性。 (2)光学干涉式 气体传感器 在使用过程中 周围环境的光线会影响传感器的敏感度，也 有一定的局限性。 (3)半导体气体传感器顾名思义是由半导体材料制 成，这样的产品不仅具有结构简单的有点，更主要的是价格低廉实惠，所以这类传感器得到了广泛的应用。 (4)催化 燃烧式气体传感器是在通电状态下， 利用催化剂使得可燃性气体发生氧化反应，然后电阻率也随之变化的原理。不过 这类传感器灵敏度不是很高。 (5)固体电解质气体传感器是 在 气体经过传感器时 ，传感器产生离子，生成了电势差， 产生了电压的原理。 但 产品在制作工艺上成本高，在检测范围上也有局限性。 3.2 可燃气体传感器的选用 经过上述对各种传感器的性能比较， 半导体气体传感器制造工艺成熟，便于器件集成化，且其性能稳定价格便宜 ，利用特定材料还可以使传感器对某些气体特别敏感 ，所以我们选定这一类型传感器做为 此次设计的材料首选。 通过网上价格和性能的比较，最终选择了 MQ-7， MQ-9， 2M004,3 个气体传感器作为此次设计的传感器材料。 3.3 传感器模块设计 （ 1） 传感器模块组成图如图 3-1 所示。
