1、苏州大学本科生毕业设计（论文）i本科毕业论文（20 届）基于单片机的甲烷气体检测仪设计所在学院专业班级 电子信息工程学生姓名指导教师完成日期苏州大学本科生毕业设计（论文）ii基于单片机的甲烷气体检测仪设计目 录前言 .2第 1 章 系统设计及方案 .5第 1.1 节 系统设计 .5第 1.2 节 选择方案 .5第 2 章 硬件设计 .7第 2.1 节 主控电路 .7第 2.2 节 STC90C54AD 单片机内部 A/D 模块介绍 .9第 2.3 节 MQ-4 传感器 .10第 2.4 节 数码管 .10第 2.5 节 可燃气体信号采集部分 .11第 2.6 节 报警显示部分 .12第 2.7
2、 节 按键说明 .12第 2.8 节 整电体路 .13第 3 章 软件设计 .14第 3.1 节 主程序流程图及代码 .14第 3.2 节 子程序流程图及代码 .16第 4 章 系统调试与测试 .18结论 .21参考文献 .22致谢 .23附录 .24附录 1：实物照片说明 .24附录 2：源程序 .24苏州大学本科生毕业设计（论文）第 1 页基于单片机的甲烷气体检测仪设计【摘要】：随着电子科学技术的发展，电子技术成为安全方面的有力手段，许许多多安全方面的电子产品，是人们的生活的得力助手。本设计利用单片机技术结合单片机内部自带的 A/D 转换器构建了一个可燃气体检测报警器。当环境中可燃气体泄露
3、时，当气体报警器检测到可燃气体浓度达到报警器设置的临界点时，可燃气体报警器就会发出报警信号，以提醒工作人员采取安全措施。本文首先简要介绍了设计可燃气体检测报警器的主要方式以及单片机系统的优势；然后详细介绍了可燃气体检测报警器的设计流程，以及硬件系统和软件系统的设计，并给出了硬件电路的设计细节。本次设计采用 MQ-4 气体传感器作为可燃气体的信号采集工具，采集到的模拟电压量经过 STC90C54AD 单片机内部自带的 A/D 转换器为数字信号。在无可燃气体的情况下，发生未知的危险，报警器可以人为的控制按键发出报警信号提醒人们。【关键词】：MQ-4 传感器；STC90C54AD 单片机；数码管显示
4、Abstract: With the development of electronic technology, electronic technology to become effective means of the safety aspects of, manyelectronic products, many aspects of safety, is the life of peoples right-hand man. The design of SCM technology to construct a flammable gas detectionalarm with MCU
5、 internal A/D converter. When the combustible gas leak when the environment, when the gas alarm detect combustible gas concentrationreaches the critical point of alarm settings, flammable gas alarm will be issued a warning signal, to remind staff to take safety measures. This paper briefly introduce
6、s the main design of combustible gas detection alarm and the advantage of single-chip microcomputer system; and then introduced theflammable gas detection alarm design process, and the hardware and software design of the system, and gives the hardware circuit design details.This design uses MQ-4 gas
7、 sensor as signal acquisition tool of combustible gas, the collected simulation voltage quantity after STC90C54AD MCU internalA/D converter for digital signal. In the absence of combustible gas case, the risk is unknown, an alarm can human control key and sends out the alarm signal to remind the peo
8、plekeyword: MQ-4 sensor; STC90C54AD microcontroller; digital tube display苏州大学本科生毕业设计（论文）第 2 页前言1课题研究背景及意义 随着石油化学工业的发展，易燃、易爆、有毒气体的种类和应用范围都得到了增加。这些气体在生产、运输、使用过程中一旦发生泄漏，将会引发中毒、火灾甚至爆炸事故，严重危害人民的生命和财产安全。由于气体本身存在的扩散性，发生泄漏之后，在外部风力和内部浓度梯度的作用下，气体会沿地表面扩散，在事故现场形成燃烧爆炸或毒害危险区，扩大危害区域。例如，1995 年 7 月，四川省成都市化工总厂液氯车间发生氯
9、气泄漏，当场造成 3 人死亡，6 人受伤，仅约一小时左右，市区范围数十平方公里范围内都能闻到刺激性的氯气味。因此，这类事故具有突发性强、扩散迅速、救援难度大、危害范围广等特点。一旦发生气体泄漏事故，必须尽快采取相应措施进行处置，才能将事故损失降低到最低水平。及时可靠地探测空气中某些气体的含量，及时采取有效措施进行补救，采取正确的处置方法，减少泄漏引发的事故，是避免造成重大财产和人员伤亡的必要条件。这就对气体的检测和监测设备提出了较高的要求。作为一种重要的气体探测器，气体传感器近年来得到了很大的发展。气体传感器的发展。危险化学品要加强安全管理，完善安全措施、控制事故隐患。但是，不可能达到绝对安全
10、，仍然会出现万有一失的情况。因此，事故隐患的检测报警，在危险化学品场所有害气体或液体(蒸汽)检测报警，是非常必要的。对避免和控制事故具有重要意义。有害气体检测报警仪是专用的安全卫生检测仪，用来检测化学品作业场所或设备内部空气中的可燃或有毒气体的含量并超限报警。危险化学品场所有害气体检测，主要有以下几种情况：(1)泄漏检测：设备管道有害气体或液体(蒸汽)现场所泄漏检测报警，设备管道运行检漏。(2)检修检测：设备检修置换后检测残留有害气体或液体(蒸汽)，特别是动火前检测更为重要。(3)应急检测：生产现场出现异常情况或者处理事故时，为了安全和卫生要对有害气体或液体(蒸汽)进行检测。(4)进入检测：工
11、作人员进入有害物质隔离操作间，进入危险场所的下水沟、电缆沟或设备内操作时，要检测有害气体或液体蒸汽。(5)巡回检测：安全卫生检查时，要检测有害气体或液体蒸汽。随着人类社会的进步、生产的发展，人们的生活水平不断提高，随之带来了环境空气污染问题。工厂排放的废气、烟道氧、汽车排放废气、内燃机等排放气体对空气环境造成的污染日益严重。一氧化碳虽然不会使酸雨现象严重，但是对人们的身体健康有影响。一氧化碳是一种无色、无味的气体，它与血液中的血红素结合的能力是氧的 240 倍，它与血红素形成稳定的络合物，使血红蛋白丧失了输送氧气的能力，从而导致组织低氧症，甚至死亡。一氧化碳浓度的高低是评价空气质量好坏的重要指
12、标苏州大学本科生毕业设计（论文）第 3 页之一，也是工厂、煤矿井下是否发生自燃火灾的重要标志之一。为了保证人们身体健康和环境洁净，世界各国都纷纷致力于防止空气污染的产生。国家工业卫生标准规定，生产现场一氧化碳浓度不允许超过 50ppm 。我国环境保护大气污染监测和工厂矿井中都要求有连续、自动化的现场检测仪。 2国内外研究现状 在应用方面，目前最广泛的是可燃性气体气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，从工厂企业到居民家庭，应用十分广泛。气体检测技术与计算机技术相结合，实现了智能化、多功能化。美国工业科学公司(ISC) 一台携带式气体监控仪可实现 4种气体监测，采用了统一的软件，只需要换
13、气体传感器，即可实现对特定气体监测。美国国际传感器技术(IST) 公司应用一种“MegaCas“传感器和微程序控制单元，可检测 100种以上毒性气体和可燃性气体，通过其“气体检索”功能扫描，能很快确定是哪一种气体。气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展 国外气体传感器发展很快，一方面是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。因此，国外气体传感器技术得到了较快发展,。 目前，气体传感器的发展趋势集中表现为：一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标。如日本费
14、加罗公司推出了检测硫化氢低功耗气体传感器，美国 IST 提供了寿命达 10 年以上的气体传感器，美国 FirstAlert 公司推出了生物模拟型(光化反应型)低功耗 CO 气体传感器等。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传感器。如美国 GeneralMonitors 公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化；还有前已涉及的美国 IST 公司的具有微处理器的传感器实现了智能化、多功能化。气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，国内已有一定的基础。其现状是：烧
15、结型气敏元件仍是生产的主流，占总量 90以上；接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力；电化学气体传感器有了试制产品；在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构；新研究开发的气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料；低功耗气敏元件(如一氧化碳，甲烷等气敏元件)已从产品研究进入中试；国内气敏元件传感器产量已超过“九五”初期的 400 万支。产量超过 20 万支的主要厂家有 5 家，黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司(合资)、北京电
16、子管厂(特种电器厂)，其中前四家都超过 100 万支，据行业协会统计，1998 年全国气敏元件总产量已超过 600 万支。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 4 页总的看来，我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大的差距，主要是产品制造技术、产业化及应用等方面的差距，与日本比较仍要落后 10年。 苏州大学本科生毕业设计（论文）第 5 页第 1 章 系统设计及方案第 1.1 节 系统设计根据毕业设计的要求本次设计采用 STC89C54AD 单片机机内部自带模/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。该电路通过 MQ-4
17、传感器检测可燃气体并发出 0-5V 的电压信号并输入到单片机内部自带的 A/D 转换器采样模拟量电压，经过模/数转换后，产生相应的数字量经过单片机处理后进行显示。STC89C54AD 单片机负责采样传感器的模拟信号和把接收到的数字量经过数据处理，产生正确的 7 段数码管的显示，显示可燃气体浓度值。本系统有传感器、温度补偿电路、运算放大器、A/D 转换、单片机组成。基本原理如图 1-1 所示：甲烷气体传感器器温度补偿电路运算放大电路显示电路 单片机A/D 转换器图 1-1 基本原理图第 1.2 节 选择方案按系统功能实现要求，决定控制系统采用 STC90C54AD 单片机而且内部自带 A/D转换
18、功能，A/D 转换速度完全可以达到本次设计的要求，显示部分由 LED 数码管进行显示，价格便宜，显示醒目。本设计使用 MQ-4 气体传感器，因为它在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，对甲烷的灵敏度较高，长寿命、低成本，不需要复杂的的驱动电路。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(SnO2)。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苏州大学本科生毕业设计（论文）第 6 页号。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
19、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。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 7 页第 2 章 硬件设计第 2.1 节 主控电路2.1.1. 概述STC90C54AD 单片机是 STC 公司生产的八位单片机。完全兼容 STC89C51 单片机的多有功能，STC90C54AD 比 STC89C51 多了一个内部集成的 A/D 模拟信号采集功能。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，各部分通过内部总线连接。STC90C54AD 是一种带 16K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPERO
20、M-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 指令集和输出管脚相兼容。2.1.2. 引脚介绍STC90C54AD 芯片为 40 引脚双列直插式封装，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。(1)电源引脚 Vss 和 VccVss：接地；Vcc：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 XT
21、AL2 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/VppRST/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: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，数据也是通过 P0 口传送。作为 P0 口某时送出的信息到底是低
22、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，通过 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，因此可以做对外苏州大学本科生毕业设计（论文）第 8 页输出的时钟。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：程序存储器读选通信号，低电平有效。54 单片机可以外接程序存储器及数据存储器，它们的地址可以是重合的。单片机通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
23、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 同样可以驱动 8 个 LSTTL 输入。EA/Vpp：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），不管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
24、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 54 单片机中，这 8个引脚还兼有第二功能，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。引脚图见图 2-1：
