1、编号： 毕业设计说明书 题 目： 便携式可燃气体检测仪 院 （系）： 电子工程与自动化学院 专 业： 智能科学与技术 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2013 年 5 月 20 日 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 摘 要 本设计利用三个 MQ-X 系列可燃气体传感器，分别为检测一氧化碳的 MQ-7，检测甲烷的 MQ-9,和检测乙炔的 2M004，再使用这些传感器之前先预热十分钟左右，预热完之后将这些传感器放置于待测的环境中，这些传感器可以根据可燃气体的浓度分别转换为电压，然后再将转换得的电压经过 TLC54
2、9 进行模数转换最后 送入 AT89S52 单片机处理。为了方便用户对可燃气体浓度的实时了解，在 AT89S52 单片机外围链接了用于显示的LCD1602 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，以防止事故的发生；为了更好的设置可燃气体的报警浓度，还在单片机周围链接了按键以便于设置报警浓度，当所测得的浓度超过设置的浓度时，单片机控制发光二极管和蜂鸣器发光发声；通过串口把实时采集到的浓度传给上位机，并在上位机上显示出来，从而实现在上位机上的监测。 本次设计便携式可燃气体检测仪所用的 AT89S52 单片机价格便宜，性能稳定。 以 MQ-X系列的可燃气体传感器和以 AT89S52 单
3、片机为核心设计的可燃气体检测仪，设计方法简单易行，使用效果良好。下面给出了便携式可燃气体监测仪的总体设计原理，硬件电路和所有的软件设计。 关键词： 气体传感器， AT89S52 单片机，上位机，模数转换 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 Abstract This design USES three MQ - X series of combustible gas sensor, respectively for the detection of carbon monoxide MQ - 7, mq-9 to detect methane, and detection of acety
4、lene 2 m004, then use these sensors to preheat before ten minutes or so, preheating after placing the sensors in the test environment, these sensors can be according to the concentration of combustible gas is converted to a voltage respectively, and then will be converted to voltage after eight bits
5、, modulus conversion finally into the single chip microcomputer AT89S52. For the convenience of users of real-time understanding of the combustible gas concentration, the AT89S52 microcontroller peripheral link is used to display LCD1602 LCD display screen, the treated by single chip microcomputer w
6、as displayed in the LCD screen, in order to prevent the happening of the accident; In order to set the concentration of combustible gas alarm, also around the microcontroller link the button to set the alarm concentration, when measured by the concentration of more than one set of concentration, sin
7、gle-chip microcomputer control light-emitting light-emitting diodes (leds) and a buzzer sound; Via a serial port to the PC, the concentration of real-time collected and displayed in the upper unit, so as to realize the upper machine monitoring. The design of a portable combustible gas detector using
8、 AT89S52 microcontroller is cheap, stable performance. MQ - X series of combustible gas sensors and AT89S52 microcontroller as the core design of combustible gas detector and the design method is simple, the use effect is good. Here are the general design principle of a portable combustible gas moni
9、tor, all hardware circuit and software design. Key words: Gas sensor, AT89S52 single-chip computer and PC, modulus conversion 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目 录 目录 引言 . 1 1 研究课题 . 2 1.1 研究目标 . 2 1.2 研究方案 . 3 1.3 国内外报警行业的发展 . 3 2 主要元件简介 . 4 2.1 AT89S52 单片机 . 4 2.1.1 AT89S52 单片机简介 . 4 2.1.2 AT89S52 主要功能 . 5 2.1
10、.3AT89S52 单片机芯片引脚描述及应用 . 5 2.2 MQ-X 系列可燃气体传感器 . 8 2.2.1 传感器的定义与组成 . 8 2.2.2MQ-X 系列可燃气体传感器工作原理 . 8 2.2.3MQ-X 系列可燃气体传感器操作注意事项 . 9 2.2.3 基本测试回路 . 9 2.3TLC549 芯片 . 10 2.3.1TLC549 简介 . 10 2.3.2TLC549 引脚及各引脚功能 . 10 2.3.3TLC549 工作原理 .11 2.4 MAX232 芯片 . 12 2.4.1MAX232 芯片简介 . 12 2.4.2MAX232 芯片主要特点 . 13 2.4.3
11、MAX232 芯片标准应用电路 . 13 2.5 液晶显示 LCD1602 . 13 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 2.5.1 LCD1602 液晶显示屏简介 . 13 2.5.2 LCD1602 液晶显示屏的基本参数及引脚功能 . 14 2.5.3 LCD1602 工作时序 . 15 3 硬件设计思路 . 16 3.1 系统基本原理 . 16 3.2 系统硬件设计 . 16 3.2.1 单片机最小系统 . 16 3.2.2 报警电路的设计 . 19 3.2.3 可燃气体传感器模块设计与制作 . 19 3.2.4 按键模块设计 . 19 3.2.5 液晶显示模块设计 . 20 3.
12、2.6 模数 转换模块设计 . 20 3.2.7 串口下载模块设计 . 21 4 系统软件设计 . 22 4.1 编程软件 KEIL 的介绍 . 22 4.2 系统主程序设计 . 23 4.2.1 系统主程序流程图 . 23 4.2.2 系统主程序设计要点 . 24 4.3 模数转换子程序 . 24 4.4 上位机界面程序 . 24 4.5 按键程序设计 . 29 5 系统调试 . 32 5.1 硬件调试 . 32 5.1.1 排除逻辑故障 . 32 5.1.2 排除元器件失效 . 32 5.2 软件调试 . 33 5.3 问题及解决方法 . 33 5.4 测试情况 . 34 5.4.1 可燃
13、气体传感器数据采集测试 . 34 5.4.2 串口模块测试 . 34 5.4.3 按键模块测试 . 34 5.4.4 液晶显示模块测试 . 34 6 结论 . 35 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 谢 辞 . 35 参考文献 . 36 附 录 . 37 附录一系统仿真图 . 37 附录三 单片机程序 . 39 附录四 实物图 . 51 桂林电子科技大学毕业设计（论 文）报告用纸 第 1 页 共 67 页 1 引言 随着我国工农业的快速发展，现在的很多人已经过上了小康的生活，现在的家庭中都普遍用煤气或者天然气替代以前的柴火作为家庭的燃料已越来越受到工厂和城市居民的欢迎，这些燃料给我们的
14、生活带来了很多的方便，煤气用户的增多，输送可燃性气体的各项设备也大量的增加，由于管理和使用不当，会造成气体的泄露，带来了不小的麻烦和危害，将空气污染，轻者令人头昏或呕吐，重者会引起中毒、爆炸、火灾等。这些危害当中最为突出的问题就是煤气、天 然气中毒或者爆炸事件。几乎每一天都会发生这样的惨剧，报纸、网页的头版头条几乎都是这类悲痛的事件。每年因煤气泄漏造成的煤气中毒事故中，因使用热水器不当或产品本身的质量问题造成的一氧化碳中毒事故全国均有不少事例，更有甚者，因室内煤气浓度过高引起煤气爆炸的事故也不少见。所以为了防止这类悲痛的事故再是发生，保护人民的生命财产安全，必须要找到一个解决的办法。而便携式可
15、燃气体检测仪就是为了防止这类的事故再是发生的设计出来的。 当今社会，出现许多种可燃气体报警器，而这些产品大都是针对煤气的泄漏作相应的报警，即为家庭式。但是 随着社会的发展，煤气报警器也在由单一的家庭式发展为小区监控。对某个区域的燃气泄漏进行监控，这是今后的发展趋势。随着人民物质生活水平的提高，燃气使用率不断增加，对于燃气泄漏的检测越来越引起大家的重视，我国许多城市已制定了一些新建住宅必须安装燃气泄漏报警器的相关规定，该型可燃气体报警器针对以上问题开发的一种安全装置，该报警器能根据可燃气体检测浓度进行声光报警，并控制相应设备进行工作，实现安全保护，是城市燃气工程中所必需的产品，所以市场前景良好，
16、同时这也为城市居民使用燃气解除了后顾之忧。 现在的城市居民居住基本上高 楼大厦，每栋大厦基本上都有管理员管理，而本次设计的便携式可燃气体检测仪就更能发挥其作用了，只要家庭安装了这种装置，并且与管理员的上位机进行连接，就能让管理员实时监测。便携式可燃气体检测仪因为便捷实用，方便居民生活，所以它是当下家庭的所需。 便携式可燃气体不仅能在家庭当中使用，还可以在工业当中使用，例如它安装在煤矿井中检测甲烷气体的浓度，防止瓦斯爆炸，保护矿井地下工人的人生安全 ,也可以安装在容易泄露可燃气体的工厂车间中。 根据网上数据显示 5 月 11 日 14 时 20 分，四川省泸州市泸县富集镇桃子沟 煤矿发生 瓦斯爆
17、炸事故，截至目前，事故导致 28 人遇难， 8人重伤， 10 人轻伤。此次事故是一起重大责任事故，事故原因初步分析为，桃子沟煤矿涉嫌非法组织生产，在未批区域违规设置多个作业点，在通风性差的条件下作业，导致瓦斯浓度增大，遇火爆炸。 贵州省安顺市平坝县大山煤矿 5 月 10 日晚发生瓦斯爆炸事故，已造成 12 人死亡、 2 人受伤。 由此可见便携式可燃气体检测仪不仅在人们的日常 生活中扮演重要角色，而且在煤矿等工业中也发挥着至关重要的作用，所以实时准确测量周围环境中的可燃性气体，有毒有害气体泄露，对保护人民的身体健康和财产安全有重要意义。如何开发出稳桂林电子科技大学毕业设计（论 文）报告用纸 第
18、2 页 共 67 页 2 定可靠、高性能价格比的装置，成为急需解决的课题。 1 研究课题 概述 可燃气体检测仪是一种检测泄露气体浓度的仪器仪表工具，主要是指便携式 /手持式气体检测器。本课题研究的是便携式可燃气体检测仪，它的主要工作原理是利用不同的可燃气体气体传感器来检测周围环境中存在的可燃气体种类以及各种气体的成份和含量。一般认为，气体传感器的定 义是以检测目标为分类基础的，也就是说，凡是用于检测气体成份和浓度的传感器都称作气体传感器（气体检测仪），不管它是用物理方法，还是用化学方法。比如，检测气体流量的传感器不被看作气体传感器，但是热导式气体分析仪却属于重要的气体传感器，尽管它们有时使用大
19、体一致的检测原理。 1.1 研究目标 本文所设计的可燃气体数字报警器是利用 AT89S52 单片机为控制核心。以 MQ-X 系列可燃气体传感器为采集器件，将气体传感器放置于检测的环境中，气体传感器根据可燃气体浓度的变化输出电压的值，然后通过 TLC549 进行模数转换， 模数转换完成后送入主控芯片 AT89S52 进行处理，把处理得到的浓度值通过串口与上位机通信，把浓度值在上位机界面显示出来和在液晶显示屏 LCD1602 显示出来，以便与进行实时监测。通过外围的按键电路可以实现对报警浓度的上限值设置，当所检测到的浓度高于设置的浓度值时，主控芯片控制外围的报警电路，使发光二极管发光和蜂鸣器发出声
20、音从而达到报警的目的。 系统以 AT89S52 为核心，以可燃气体传感器为采集器件， TLC549 作为模数转换器件， LCD1602 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。实现： 1.能够准确的测量周围环境中的可燃气体的泄露； 2.实现把采集到的模拟信号转换成数字信号； 3.实现液晶屏和上位机的浓度显示； 4.实现主控芯片 AT89S52 与上位机的通信； 5 实现主控芯片对各个模块的控制； 6.基本实现对报警电路的控制； 桂林电子科技大学毕业设计（论 文）报告用纸 第 3 页 共 67 页 3 1.2 研究方案 设计是利用单片机控制技术，制作了一氧化碳、
21、乙炔、甲烷三种气体与一体的报警器。该仪器对这三种气体进行实时监控， 当 这些气体 的浓度超过 上限值 时， 单片机发送所接收到的气体浓度给上位机进行实时的监测，并且 单片机控制电路进行 发声发光 报警， 时刻提醒人 们 ，以防事故发生。基于 AT89S52 性价比高的优势，主要运用了 AT89S52单片机进行控制。而对与报警器而言至关重要的部分是传感器，由于 MQ-X 系列气敏元件采用半导体敏感材料，其灵敏度、选择性、稳定性、抗干扰性、响应时间及寿命等主要性能，均达到国内先进水平 .用该系列元件组装成易燃易爆气体泄漏报警器及检测装置，可广泛运用于矿山、油田、化工、国防、医药及家庭，所以在设计中
22、采用的是 MQ-X系列传感器。在模数转换这块，利用 TLC549 实现模数转换， TLC549 是 8 位逐次渐进型的 A/D 转换器，它采用 COMS 工艺 8 个引 脚双列直插式封装，与微机相连时不需要附加接口电路。为了方便用户了解浓度信息，好提前准备，还采用了显示环节。 显示环节又分为液晶显示和上位机显示。 显示器显示常用两种方法：静态显 示和动态扫描显示。所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的 I/O 接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中 CPU 的开
23、销小。可以提供单独锁存的 I/O 接口电路很多。 上位机显示就是通过串口连接上位机机，把要显示在上位机 上的数据通过串口发送到上位机上面。 总的来说， 本次 设计主要利用了以上的检测模块， A/D 转换模块，显示模块，控制模块 四 大模块，组成了可燃气体探测报警器 。而最核心的控制器又是由 AT89S52 单片机控制其余的外围电路的。所以叫基于 AT89S52 单片机的便携式可燃气体检测仪 。 1.3 国内外报警行业的发展 随着我国的改革开放，我国的经济科技得到了飞跃的发展，我国电子信息业在上世纪八十年代第一次腾飞后，国民经济信息化进程的加快，之后又进入持续快速发展的新时期。这个时期电子信息产
24、业的主要特征表现为：一是正在从单一的 制造业转变为物质生产与知识生产，装备制造与系统集成，硬件制造与软件制造，工业生产与信息服务相结合的现代信息产业；二是产业结构，产品结构，企业结构，运行机制，管理模式等方面发生了深刻变化；三是我国信息产业成为国民经济的支柱产业和先导产业，是新世纪的战略产业，为国民经济和社会信息化建设提供主要技术和物质支撑。 报警器技术及其产业的特点是：基础、应用两头依附；技术、投资两个密集；产品、产业两大分散。基础、应用两头依附，是指报警器技术的发展依附于敏感机理、敏感材桂林电子科技大学毕业设计（论 文）报告用纸 第 4 页 共 67 页 4 料、工艺设备和计测技术这四块基
25、石。敏感机理千差万别， 敏感材料多种多样，工艺设备各不相同，计测技术大相径庭，没有上述四块基石的支撑，报警器技术难以为继。 仪器仪表行业在中国经过一个阶段的发展，已经趋近成熟。而气体报警器作为工业仪器仪表的一个重要项目，它不仅代表了仪器仪表的发展状况，也反映了工业化的发展程度。用于气体报警器的传感器也在经历着飞速的变化，经过了多次的技术创新和更新换代，传感器行业，可燃气体报警器行业又迎来了新的发展和突破。在传感器行业，一直在进行着反复试验，希望通过工程创新方法来改善传感器的灵敏度，但遗憾的是业界并没有一个新的框架来总括所有的经验法则，以 作为 新一代传感器的设计方法。而来自美国普度大学的工程师
26、补足了这个遗憾，为设计可燃气体报警器传感器提供了新的途径。为了测试他们的可燃气体报警器传感器设计法则系统，他们着手研究使用哪一种纳米级传感器设计，是透过目标分子进行感测最适合的材料。研究人员过去就已经发现，当感测单个分子时 (例如气体烟雾探测器或生物、化学探测器 )，感测组件越小越好，但其原因一直没有一个理论来解释和证实，是否与目标分子的扩散情况会限制传感器运作速度有关系。而艾姆和尼尔宣称已经证实了以上理论。首先，他们比较了传统的平面传感器组 件与圆柱形的单纳米管传感器组件，结果显示较小的圆柱形传感器的灵敏度至少高出传统的平面传感器 100 倍，这足以证明感测器组建越小越好的理论是正确的。 2
27、 主要元件简介 2.1 AT89S52 单片机 2.1.1 AT89S52 单片机简介 AT89S52 为 ATMEL 所生产的一种低功耗，高性能的 8 位微控制器，具有 8K 的可编程Flash 存储器。 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k bytes 的可反复擦写的 Flash只读程序存储器和 128 bytes 的随机存取数据存储器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，内置功能强大的微型计算机的 AT89C51 提供了高性价比的解决方案。 AT89C51 是一个低功耗高性能单片机， 40 个引脚， 32 个外部双向输入 /输出（ I/O）端口，同时内含 2 个外中断口， 2 个 16 位可编程定时计数器 ,2 个全双工串行通信口， AT89C51 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写
