1、1本科毕业论文（20 届）基于单片机的甲烷气体检测仪的设计所在学院专业班级 电子信息科学与技术学生姓名指导教师完成日期2目 录摘 要 . .1Abstract. .2前 言. .3第一章 绪 论 .41.1 课题背景 .41.2 关于国内外同类系统的分析 .5第二章 系统总体方案设计 .72.1 系统基本要求 .72.2 硬件系统设计方案 .72.3 软件系统设计方案 .7第三章 系统硬件设计 .93.1 单片机系统的设计 .93.2 传感器模块 .123.3 A/D 转换电路 .153.4 显示模块电路 .183.5 总电路分析说明 .19第四章 系统软件设计 .204.1 主程序设计 .2
2、04.2 ADC0809 程序 .214.3 显示子程序的设计 .22第五章 系统调试与分析 .245.1 硬件调试 .245.2 环境模拟及系统调试 .245.3 调试故障及原因分析 .255.4 测试结果及分析 .26参考文献致谢3摘 要在近代工业的发展的发展史上，人们对能源的需求越来越迫切，要求也越来越高。煤矿开采时的瓦斯（甲烷）浓度对整个开采过程能否安全进行有着决定性的影响。因此，瓦斯（甲烷）浓度的检测显得尤为重要。本次设计的目的是实现甲烷气体浓度的实时监测和报警，要求是使用单片机技术和气体传感器。本设计采用单片机作为数据处理单元，单片机控制 MQ-9 气体传感器，甲烷浓度信号通过单总
3、线从 MQ-9 传感器传到单片机上。单片机处理数据之后，将当前甲烷浓度信号发送到数码管上显示，同时发出控制信号改变报警模块执行状态。本系统可以实现甲烷气体浓度的实时检测和报警，接通电源后即可通过甲烷浓度数据的运算处理，发出控制信号达到蜂鸣器报警的目的。关键词：甲烷，浓度，单片机，MQ-9 传感器，报警4AbstractIn the history of the development of modern industrial development, people increasingly urgent demand for energy, requiring higher and highe
4、r. When coal mining gas (methane) concentrations for the entire mining process can safely conduct has a decisive influence. Therefore, gas (methane) concentration detection is very important.The purpose of the design is to achieve real-time monitoring of methane gas concentration and alarm, require
5、the use of chip technology and carbon monoxide sensors. The design uses a single chip as a data processing unit, microprocessor control carbon monoxide sensors, methane concentration signal transmitted through a single bus from carbon monoxide sensor microcontroller. Microcontroller processing data,
6、 the signal will be sent to the current concentration of methane digital display, and control signals to change the alarm module execution status. This system can achieve real-time detection of methane gas concentration and alarm, power can be by arithmetic processing methane concentration data, and
7、 control signals to achieve the purpose of the alarm buzzer. Keywords: Methane, Density, MQ-9 sensors, Alarm5前 言室内空气品质(Indoor Air Quality, IAQ)是上世纪 80 年代末在环境科学、卫生学、暖通空调(HVAC ) 等学科基础上发展起来的一个科学分支，在 90 年代以来得到了广泛的重视与研究。在室内空气品质讨论会上，丹麦哥本哈根大学教授 P. O. Fang 提出:品质反映人们要求的程度，人们如果对空气质量满意，就是高品质。如果不满意，那就是低品质。英国学者认
8、为:若室内能察觉到任何气味的人少于 50%，感觉到任何不适的人少于 20%，感觉到有刺激性的人少于 10%，并且在不足 2%的时间内感到烦躁的人少于 5%，那么就可以认为此时的室内空气质量是可以被接受的。这两种完全不同的定义是有共同点的，就是让室内的空气质量彻底成为人们的主观感受。在 ASHRAE 标准 G2-1989R 中，首次提出了能被接受的室内空气质量(acceptable indoor air quality)和可感受到的能被接受的室内空气质量(acceptable perceived indoor air quality )等概念。其中，能被接受的室内空气质量定义如下：密闭房间内绝大
9、部分人对室的内空气表示满意，并且在空气中已知的污染物没有达到可能会对人体健康造成危害的浓度；可感受到的能被接受的室内空气质量定义如下：密闭房间内绝大部分人没有感觉到有气味或者说感觉到黏膜刺激。它是能被接受的室内空气质量的非充分必要条件。由于有些气体，如 CO，人们很难察觉到，不仅没有气味没有颜色，而且对人体也没有刺激作用，不会被人感受到，但却对人危害很大，因而仅用可感受到的能被接受的室内空气质量是不够的，必须同时引入能被接受的室内空气质量。因此，空气的质量评价实际上也是人为感受到的与客观有害气体浓度指标的综合评价。由次可以看出，研发设计检测人体不能感觉到的却对人体会产生危害的气体检测仪器是很有
10、必要的。6第一章 绪 论1.1 课题背景伴随着我们的生活水平日渐提高还有对环境、健康等问题的日益关注，室内的空气质量情况也越来越多地受到关注。由于现在的生活节奏在变快，我们在家里、办公室内等室内环境的停留时间也越来越多了。在西方的发达国家，如果把工作、休闲、居住的时间全部都加起来，那么可以得到人们在室内停留的时间要占到全天的 91%左右。而在我们国家，这个数据竟也超过了全天的 85%，室内空气的质量直接影响着我们的身体健康状况。恶劣的室内空气环境是大多数不良建筑物综合症的罪魁祸首。美国环境保护局(EPA)与世界卫生组织 (WHO)进行的联合调查表明，美国大约有 20%的建筑存在严重的室内空气污
11、染情况，40%有一定程度的室内空气污染状况，另外的 40%则有轻微或没有室内空气污染的情况。美国环境健康总署的调查则显示，室内主内空气污染常常是室外空气污染浓度的 2 到 3 倍之多，在冬季缺乏通风、使用燃料取暖炉等情况下尤甚，这一数值甚至能高达 90 倍。一般的家庭室内可以检测到的污染物多达 300 种，而有 57%的人的疾病与室内空气污染有关。美国职业安全及健康局的报告认为，在美国，企业因室内空气恶劣造成的工时损失平均每人每日约 14-15 分钟。仅以人类自身来说，其日常生活和工作都与周围的大气环境密切相关，大气的变化对人类健康有极大的影响。空气中还有有毒气体，会给人类带来直接的人身伤害。
12、可燃气体的泄露会引起爆炸和火灾使人类的生命和财产遭受威胁。随着工业规模逐渐扩大，产品种类的不断增多，气体原料和生产过程中产生的气体种类和数量也不断增多，尤其是石油化工煤炭以及汽车等重工业的发展，导致环境污染日益严重。臭氧层破坏、酸雨以及温室效应成为当代最为严峻的环境污染问题。环境的严重污染开始威胁到了人们的生存。所以，对人们生活以及工作环境中的各类气体进行有效的检测、分析是很有必要的。由之前的研究可以发现，室内空气污染的问题越来越突出，直接威胁着人体的健康。人在有污染的室内环境中长时间停留和活动，人体很容易就会出现各种不适感，主要症状有头痛流鼻涕眩晕记忆力衰退以及行动迟缓等。世界卫生组织将这种
13、现象或者说症状称为“致病建筑物综合症”。根据资料的显示，在刚装修好的室内环境中常见的有害物质有 300 多种，而其中会对人的健康造成危害的、甚至是致癌的物质有 20 多种，这其中主要有苯甲苯二甲苯乙苯等易挥发的有机气体。其次，易燃易爆气体也是不容忽视的有害气体。如果此方面未能够得到有效控制与管理的话，为其所引发的后果付出的代价是极为巨大的。7由以上内容可以看到，易燃易爆有毒气体等问题已经严重危害人们的生命和财产安全，并且影响社会的安全和发展。解决这些问题的关键，是迅速、准确、有效地检测到这些有害气体，这便是气敏传感器发展的客观依据。气体的种类繁多，有些有毒有害，有些易燃易爆。人类的生存和活动环
14、境全离不开气体。为了保证家庭氛围气体的质量和安全，离不开准确，有效的气体探测报警的意思是：许多工作过程（如钢铁，矿山和汽车行业）要求严格监控相关的气体或者快速的调整，否则就有可能会发生重大的事故和损失。由于天然气和人类的生存和活动的关系非常的紧密，人类很早就开始研究气体的极早期检测和控制方法。目前，烟、救、茶等食品的质量主要是靠人的感官来进行判断，感官评定主要依赖人的生理和心理条件，经验也是不可或缺的一部分，这本身也是一门精巧的技术。这些工作往往需要训练有素，经验丰富的人才可以进行，并且标识仅会带来大量的人为主观因素。在某种意义上说，由于经验，情绪等主观因素的影响，感官评价方法评价结果将具有由
15、于不同的识别人员的相当大的个体差异，即使在不同的情况相同的识别者会产生不同的结果。因此，人的感觉器官的主观性，重复性较差（即，其结果与试验时间，健康状况，之前的分析，疲劳，以及其它因素的波动），花费人力巨大和费时等缺点。此外，人的感觉器官，不能用于检测有毒气味，连续操作条件和遥控操作的情况。此外，科学家有时利用比较廉价、简便的化学或生化传感器，有时又利用昂贵复杂的化学分析仪器，如气相色谱仪(GC)和质谱仪(MS) ，对有毒和无毒气味进行分析。两种方法的共同缺点是测试结果不是直接与识别的气味相关的。分析化学家们用气相色谱仪和质谱仪(GC/MS)的检测结果同样如此。此外，气相色谱仪和质谱仪还有系统
16、结构复杂、操作繁琐、造价昂贵、测试周期长、不能进行连续检测、需要人力来进行干预才能进行分析等缺点。1.2 关于国内外同类系统的分析我国是世界煤炭生产和消费大国，煤炭在今后很长时间内仍是主要能源。近年来，重大瓦斯事故在煤炭生产事故中所占比例越来越高。为避免瓦斯爆炸事故，做好瓦斯的检测工作是一个重要举措，提前掌握煤矿瓦斯浓度的变化，一旦出现异常，及时采取相应措施，以保障煤矿的生产安全。瓦斯是煤矿开采的伴生物，瓦斯是对煤矿井下各类有害气体的总称，瓦斯主要成分是甲烷（CH4）、二氧化碳（ CO2）、一氧化碳（CO ）等。在这些有毒有害气体中，甲烷的含量占到了 80%以上，所以习惯将甲烷称为瓦斯。发生瓦
17、斯事故的原因有很多方面，出来加强监管，对矿井里的瓦斯进行长期、可靠的实时监测可以期待很好的预防作用。所以，研究开发相应迅速、长期稳定可靠的煤炭瓦斯（甲烷）气体传感器，对于确保煤矿工业生产有非常重要的意义。9到目前为止，已经有许多技术来实现甲烷检测。检测方法主要有催化燃烧法、半导体气敏法、红外光谱法、气相色谱法和光纤传感法等。10第二章 系统总体方案设计2.1 系统基本要求使用气体传感器，结合单片机技术，实现甲烷气体含量的实时监测和报警。2.2 硬件系统设计方案本设计采用 MQ-9 气体传感器，通过传感器能把气体中的甲烷检测出来，并将其转化为电信号，然后采用 ADC0809 转换器将传感器输出的
18、模拟信号转换为数字信号，运用STC89C52 单片机进行数据处理和计算，并通过数码管显示浓度信息，这样就实现了对甲烷气体的检测和报警。气体信息单片机A / D 转换传感器数码管显示报警图 2.1 硬件系统设计框图2.3 软件系统设计方案如图 2.2 所示的系统流程图，是用来描述整个系统的工作过程。首先，初始化中包括I/O 口初始化与外部中断初始化。本设计 I/O 口初始化包括使按键，蜂鸣器，数码管等调整为初始化状态。系统定义I/O 口初始化接高电平，按键启动接低电平，且数码管界面定义 8888 为初始化状态。外部中断初始化是以中断方式判断按键是否检测到目标气体的。若检测到目标气体，则低电平被触发，且时刻采集数据。若为 Y，会进行下一步操作，进入中断来读取传感器值，显示气体浓度值。执行完毕后，回到主函数，继续等待检测气体。若为 N，会返回等待检测到气体。11初始化检测到气体读取传感器值显示数值NY图 2.2 系统流程图
