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的设计目 录前言 .21. 设计背景和要求 .31.1 研究概况及发展趋势 .31.2 本文主要研究内容 .32. 总体方案论证与设计 .42.1 主控模块的选型和论证 .42.2 显示模块的选型和论证 .42.3 时钟芯片的选型和论证 .42.4 温度检测模块的选型和论证 .52.5 AD数据采集模块的选型和论证 .52.6 系统整体设计概述 .53. 系统硬件电路设计 .73.1 主
2、控模块 .73.2 LCD液晶显示器简介 .103.3 键盘模块设计 .133.4 语音报警模块设计 .133.5 时钟模块的设计 .163.6 温度检测模块设计 .213.7 甲烷传感器介绍 .233.8 AD采集模块设计 .254. 系统硬件电路设计 .274.1 系统软件总体设计 .274.2 程序设计原理 .285. 系统硬件电路设计 .295.1 硬件调试 .295.2 软件调试 .295.3 调试结果与分析 .29结论 .33参考文献 .33致谢 .34附录 .35附录 1：实物照片说明 .35附录 2：部分源程序 .36苏州大学本科生毕业设计（论文）- 1 -基于单片机的甲烷气体
3、检测【摘要】：随着“ 信息时代 ”的到来，作为获取信息的手段 传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。本文以电阻式甲烷传感器和单片机技术为核心并与其他电子技术相结合， 设计出一种技术水平较好的甲烷气体检测。其中选用 MQ-2 型半导体可燃气体敏感元件甲烷传感器实现甲烷的检测，具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长。选用的 STC89C52 单片机，其整合了 A/D 转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器等
4、资源，具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是目前同类技术中性价比较高的产品。以 STC89C52 单片机和 MQ-2 型半导体电阻式甲烷传感器为核心设计的甲烷气体检测可实现声光报警、浓度显示、报警限设置等功能。是一种结构简单、性能 稳定、使用方便、价格低廉、智能化的甲烷气体检测。具有一定的实用价值。【关键词】:甲烷气体检测；STC89C52；传感器；AD 转换器Abstract: In this paper, resistance type smoke sensor and single-chip microcomputer as the core technology and other e
5、lectronic technologies, design a good technical level of methane gas detection. Choose which detect the smoke of MQ-2 type semiconductor gas sensitive element smoke sensor, has the advantages of high sensitivity, fast response, strong anti-interference ability,and the price is low, the service life
6、is long. The selection of STC89C52 microcontroller, which integrates A/D conversion, hardware multiplier,hardware resources such as pulse width modulator, high speed, low power,strong anti-jamming and other advantages, is similar in cost-effective high technology products.Key words: Methane gas dete
7、ction, STC89C52, sensor, AD converter 苏州大学本科生毕业设计（论文）- 2 -前言随着科技的发展，越来越多的巨大的隐患由于工业生产和人们的日常生活而产生。为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。保卫社会主义现代化建设，防止火灾引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至危及生命安全。国外的监控系统技术理论上讲高于国内发展水平，但应用于国内煤矿尚有一定的局限性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过高不适于国内煤矿现有条件，除在传感器技术方面可供借鉴外，其它仅具一定的参考价值。气体检测监控系统是工矿企业、社会公用事业、环境保护等领域必
8、备的安全设备。经过 20多年的努力，气体检测仪表的敏感元件性能、质量有了根本性的改善。在可测气体种类、测量范围、精度、稳定性和寿命等主要技术指标方面均有明显的提高，尤其精度、稳定性与寿命指标，提高了几倍。目前有代表性的是法国 OLDHAM公司的 MX21，德国Drager公司的 Multiwarn，日本理研株式会社的 GX86、GX111、GX91、GX82 系列，美国GasTech公司的 GT、SAFETMTE 等仪表。我们通过这几种仪表的介绍和分析，概要说明气体检测监控系统的现状。（1）气体敏感元件的性能便携式气体监测仪表使用的气体敏感元件性能即代表了仪表整体的性能。（2）气体仪表的功能气
9、体检测仪表的功能主要是指所测气体浓度值、报警点的设置，声光报警，开机指示，电池欠压指示等。（3）气体仪表的智能化仪表的智能化是当今电子产品的发展方向。目前技术水平较高的“智能化” ，即程序化功能是指：自动校正和可燃气的对比参数。为了减少这类事故的发生，就必须对甲烷进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测仪表，严密监测环境中甲烷的浓度， 及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和 家庭生活安全。因此，研究甲烷的检测方法与研制甲烷气体检测器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。苏州大学本科生毕业设计（论文）- 3 -1. 设计背景和要求1.1 研究概况及发展趋势探测器朝新探
10、测技术的发展进一步拓展了甲烷探测的应用领域，为一些传统探测器无法胜任的环境提供了有效的手段。相关技术的发展，如傅立叶近红外光谱技术弱信号处理技术、低功耗 MCU 技术进一步促进了传统探测技术的改进，使得传统探测器在技术和性能上有了显著的提高。火灾着极早期探测、多传感器复合探测和探测器小型化、智能化的方向发展迈出了更快的步伐。近几年来，单片机已逐步深入应用到工农业生产各部门及人们生活的各个方面。各种类型的单片机也根据社会的需求而开发出来。单片机是器件级计算机系统，实际上它是一个微控制器或微处理器。由于它功能齐全，体积小，成本低，因此它可以应用到任何电子系统中去，同样，它也可以广泛应用于报警技术领
11、域，使各类报警装置的功能更加完善，可靠性大大提高，以满足社会发展的需要。我国甲烷气体检测系统起步较发达国家晚几十年，从上世纪 70 年代我国才开始研制生产甲烷气体检测系统产品。进入 80 年代后，国内主要厂家也多是模仿国外产品，或是引进国外技术进行生产，没有真正意义上的核心技术，并且市场也刚刚开始发育。甲烷气体检测产品真正发展是在 90 年代以后，随着政府逐渐开放国门，国外企业开始大量进入中国消防市场，带来先进技术的同时也促进了市场的成熟。这时期，我国生产甲烷气体检测产品的企业也得到了快速发展，部分企业进行了合资生产、技术合作，取得了不菲的成绩，也造就了现今市场上许多有实力的商家，部分技术已接
12、近或赶上了国际水平。1.2 本文主要研究内容本系统设计制作一个基于单片机的甲烷报气体检测仪。包括有以下几种功能：（1）单片机通过读取 DS1302 上的数据获取年月日时分秒等信息并在 LCD1602 上进行显示。（2）单片机通过读取 AD 的数据再进行数值换算出具体的甲烷浓度，并在 LCD1602上实时显示浓度。（3）通过温度传感器实时监测环境温度并在液晶显示屏上显示。（4）设有按键模块，用户可以通过按键调节实时时间以及设置甲烷上限浓度的值和温度的上限值。当单片机检测到实时的浓度大于设置的上限的浓度或温度超过上限时，单片机会进行声光报警，语音报警的内容可由用户自行录制。苏州大学本科生毕业设计（
13、论文）- 4 -2. 总体方案论证与设计根据所要实现的功能划分，系统一共需要以下几个模块：主控模块、显示模块、时钟模块、温度检测模块和 AD 采样模块和语音报警模块，以下就针对这几个模块的选型和论证进行讨论。2.1 主控模块的选型和论证方案一：采用 MSP430 系列单片机，该单片机是 TI 公司 1996 年开始推向市场的一种 16 位超低功耗的混合信号处理器。其内部集成了很多模拟电路、数字电路和微处理器，提供强大的功能。不过该芯片昂贵不适合一般的设计开发。方案二：采用 51 系列的单片机，该单片机是一个高可靠性，超低价，无法解密，高性能的 8位单片机，32 个 IO 口，且 STC 系列的
14、单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试。因此选用方案二中的 51 系列单片机作为主控芯片。2.2 显示模块的选型和论证方案一：采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较合适，如采用在显示数字显得太浪费，且价格也相对较高，所以不用此种作为显示。方案二：采用 LED 数码管动态扫描，LED 数码管价格虽适中，对于显示数字也最合适，而且采用动态扫描法与单片机连接时，占用单片机口线少。但是由于数码管动态扫描需要借助 74LS164 移位寄存器进行移位，该芯片在电路调试时往往有很多障碍，所以不采用LED 数码管作为显示。方案三：采用 LCD 液晶
15、显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量文字，图形，显示多样，清晰可见，对于本设计而言一个 LCD1602 的液晶屏即可，价格也还能接受，需要的借口线较多，但会给调试带来诸多方便。所以本设计中方案三中的 LCD1602 液显示屏作为显示模块。2.3 时钟芯片的选型和论证方案一：直接采用单片机定时计数器提供秒信号，使用程序实现时间计数。采用此种方案虽苏州大学本科生毕业设计（论文）- 5 -然可以减少时钟芯片的使用，节约成本，但是，实现的时间误差较大。方案二：采用 DS1302 时钟芯片实现时钟，DS1302 是美国 DALLAS 公司推出的一种高性能、低功耗、带 RAM 的实时时钟电路，它可
16、以对年、月、日、周、时、分、秒计时，具有闰年补偿功能，工作电压为 2.5V5.5V。采用三线接口与单片机进行通信，并可采用突发一次传送多个字节的时钟信号或 RAM 数据。DS1302 内部有一个 31*8 的用于临时存放数据的 RAM 存储器。DS1302 是 DS1202 的升级产品，与 DS1202 兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓流充电的能力。主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通 32.768KHZ 晶振作为标准时钟。因此本设计中采用方案二中的 DS1302 作为时钟模块。2.4 温度检测模块
17、的选型和论证方案一：AD590 是美国 ANALOG DEVICES 公司的单片集成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例。在 4 V 至 30 V 电源电压范围内，该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为 1 A/K。片内薄膜电阻经过激光调整，可用于校准器件，使该器件在298.2K (25C)时输出 298.2 A 电流。由于该芯片输出为模拟量还同时需要 AD 转换器对其进行采集。因此不适用于本设计方案二：DS18B20 数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有 LTM8877，LTM8874 等等。主要根据应用
18、场合的不同而改变其外观。封装后的 DS18B20 可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。因此本设计采用方案二中的 DS18B20 芯片进行温度采集。2.5 AD数据采集模块的选型和论证由于本设计需要把甲烷传感器的模拟信号转换成数字信号给单片机进行读取，这里我们选用了 10 位的 AD 转换器进行采集。采集到的信号最终通过数学运算转换成甲烷浓度进行显示。2.6 系统整体设计概述本系统以单片机为控制核心，对系统进行初始化，主要完成对键盘的响应
19、、液晶显示、时间读取、测温等功能的控制，起到总控和协调各模块之间工作的作用。苏州大学本科生毕业设计（论文）- 6 -主控模块单片机时钟模块D S 1 3 0 2A D 采集模块T L C 5 4 9烟雾传感器M Q - 2语音模块I S D 1 8 2 0液晶模块L C D 1 6 0 2扬声器温度检测模块D S 1 8 B 2 0按键模块图 2-1 系 统 结 构 框 图系统由 STC89C52，LCD1602，甲烷传感器，TLC549，DS18B20，电机，蜂鸣器等组成，系统由两部分组成分别是电子时钟和甲烷浓度采集，系统带有 4 个按键，用户可以通过按键设置时间，还有可以设置甲烷浓度的上限
20、浓度，温度值的上限，当超过浓度后，或者温度超过后，单片机会进行语音报警，并且亮起指示灯。苏州大学本科生毕业设计（论文）- 7 -3. 系统硬件电路设计3.1 主控模块主控模块模块在整个系统中起着统筹的作用，需要检测键盘，时间检测、语音报时等功能，同时驱动液晶显示相关参数，在这里我们选用了 51 系列单片机中的 STC89C52单片机作为系统的主控芯片。51 系列单片机最初是由 Intel 公司开发设计的，但后来 Intel 公司把 51 核的设计方案卖给了几家大的电子设计生产商，譬如 SST、Philip、Atmel 等大公司。因此市面上出现了各式各样的均以 51 为内核的单片机。这些各大电子
21、生产商推出的单片机都兼容 51 指令、并在 51 的基础上扩展一些功能而内部结构是与 51 一致的。STC89C52 有 40 个引脚，4 个 8 位并行 I/O 口，1 个全双工异步串行口，同时内含 5个中断源，2 个优先级，2 个 16 位定时/计数器。STC89C52 的存储器系统由 4K 的程序存储器( 掩膜 ROM)，和 128B 的数据存储器(RAM)组成。STC89C52 单片机的基本组成框图见图 3-1。时钟电路R O M / E P R O M / F l a s h 4 K BR A M 1 2 8 BS F R 2 1 个定时个 / 计数器 2C P U总线控制中断系统5
22、 个中断源2 个优先级串行口全双工 1 个4 个并行口X T A L 2 X T A L 1R S TE AA L EP S E NP 0 P 1 P 2P 3V s sV c c图 3-1 STC89C52 单 片 机 结 构 图3.1.1 STC89C52单片机主要特性1. 一个 8 位的微处理器(CPU)。2. 片内数据存储器 RAM(128B)，用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等，SST89 系列单片机最多提供 1K 的 RAM。3. 片内程序存储器 ROM(4KB)，用以存放程序、一些原始数据和表格。但也有一些单片机内部不带 ROM/EPROM，如
23、8031，8032，80C31 等。目前单片机的发展趋势是将RAM 和 ROM 都集成在单片机里面，这样既方便了用户进行设计又提高了系统的抗干扰性。SST 公司推出的 89 系列单片机分别集成了 16K、32K、64K Flash 存储器，可供用户根据需要选用。4. 四个 8 位并行 IO 接口 P0P3，每个口既可以用作输入，也可以用作输出。5. 两个定时器计数器，每个定时器计数器都可以设置成计数方式，用以对外部苏州大学本科生毕业设计（论文）- 8 -事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。为方便设计串行通信，目前的 52 系列单片机都会提供 3 个 1
24、6 位定时器/计数器。6. 五个中断源的中断控制系统。现在新推出的单片机都不只 5 个中断源，例如SST89E58RD 就有 9 个中断源。7. 一个全双工 UART(通用异步接收发送器)的串行 IO 口，用于实现单片机之间或单机与微机之间的串行通信。8. 片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率为 12MHz。 SST89V58RD 最高允许振荡频率达 40MHz，因而大大的提高了指令的执行速度。 P1.024MS67CKRETXALVNU传图 3-2 STC89C52 单 片 机 管 脚 图部分引脚说明：1.时钟电路引脚 XTAL1 和 XTAL2：XTAL
25、2(18 脚)：接外部晶体和微调电容的一端；片内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。要检查振荡电路是否正常工作，可用示波器查看 XTAL2 端是否有脉冲信号输出。XTAL1(19 脚)：接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚必须接地。2.控制信号引脚 RST,ALE,PSEN 和 EA：RST/VPD(9 脚) ：RST 是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持备用电源的输入端。当主电源 Vcc 发生故障，降低到低电平规定值时，将5V 电源自动两个机器周期(24 个时钟振荡周期)的高电平时，就可以完成复位操作。RST 引脚的第二功能是VPD,即接入 RST 端，为 RAM 提供备用电源，以保证存储在 RAM 中的信息不丢失，从而合复位后能继续正常运行。
