1、摘要近年來，由于科技的發展新興材料不斷出現，建筑內火災荷載不斷增多，以及溫室效應全球變暖等因素，火災形勢日益嚴峻。我國是發展中國家，消防管理的不盡完善以及消防技術的落后，使得我國的火災形勢更加嚴峻。本文研究了一種用于家庭或者是工廠具有檢測及超限報警功能的可燃氣體濃度檢測儀設計。設計方案基于16F877A單片機和MQ6煙霧濃度傳感器，系統先將傳感器輸出的信號通過A/D轉換電路處理后，再經單片機進行數據處理，最后由LCD顯示可燃氣體濃度值，若超過上限值則報警并自動打開排氣扇，將有害氣體排出室外。 經過大量實驗，基于單片的可燃氣體濃度檢測儀比傳統的機械檢測儀或酒精計靈敏，擴展簡單，準確方便

2、，可靠性好，檢測精度高，控制功能強大，對超出閥值進行聲光報警，直觀準確，并且打開防御措施所以基于單片機的可燃氣體濃度監測儀的研究對社會公共安全的提高具有很大促進作用。 關鍵詞：煙霧濃度傳感器， 單片機， 數模轉換， 硬件設計， 報警，預防。1 / 32目 錄1 引 言 * 11.1 可燃氣體濃度檢測儀的背景 * 1 1.2 可燃氣體濃度檢測儀現狀及發展趨勢 * 11.3 本課題實現目標 * 12  設計方案和元器件選擇 * 22.1 &

3、#160;設計方案 *  22.2  單片機的選擇 * 2 2.3  傳感器 * 42.4 編碼器* 42.5  數模轉換器 * 52.6  LCD顯示模塊 * 63  系統硬件設計 * 83.1  硬件設計原理 * 83.2  硬件設計外圍電路 * 93.2.1  晶振電路、復位電路設計 *

4、60;93.2.2  報警電路設計 * 113.2.3  電源電路設計 * 114  系統軟件設計 * 154.1  主程序流程圖 * 155  本設計總結與展望 * 18參考文獻 * 20致 謝 * 211.1可燃性氣特濃度檢測儀的背景 對氣體中可燃氣體含量進行檢測的設備有五種基本類型，即：燃料電池型(電化學)、半導體型、氣體色譜分析型

5、、紅外線型、比色型。但由于價格和使用方便的原因，常用的只有燃料電池型和半導體型兩種。  燃料電池作為一種發電裝置，它的原理是將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能。當前各國家都在廣泛研究環保型能源，因為它直接可以把可燃氣體轉變成電能，并且不產生污染，煙霧傳感器只是燃料電池的一方面應用。與半導體型的相比，燃料電池型呼氣酒精檢測儀有很多優勢，即穩定性好，精度高，抗干擾性好。但是燃料電池煙霧傳感器的結構要求非常精密，制造難度相當大，并且材料成本高，價格昂貴。1.2  可燃性氣體濃度檢測儀現狀及發展趨勢 如今的酒精濃度檢測儀都是用于各個專業領域，

6、而利用傳感器和單片機核心技術的家庭可燃氣體濃度檢測儀在市面上是一個空缺，我們彌補了這一塊的空缺，同時社會公共安全系數也大大的提高。  但是現在大部分各個專業領域的可燃氣體檢測儀的售價比較昂貴，并且大多只是對結果進行預警、低報、高報三限報警點設置。并不適用于家庭，在LCD 顯示可燃氣體濃度數值上應實現普及。同時可檢測到多種危險氣體。1.3  本課題實現目標 本課題進行硬件部分和軟件部分設計，硬件部分是利用煙霧敏傳感器檢測 空氣中的可燃氣體濃度并轉為電壓信號，經A/D 轉換器程序轉換成數字信號傳給單片機系統，并經單片機及其外圍電

7、路信號處理，顯示可燃氣體濃度值以及超閾值聲光報警，打開保護系統。硬件設計部分主要包括：MCU、A/D、LCD、外圍擴展數據 RAM 等芯片的選擇。2 設計方案和元器件選擇2.1  設計方案 因為設計時考慮酒精濃度是由傳感器把非電量轉換為電量，傳感器輸出的是0-5伏電壓值且電壓值穩定，外部干擾小等，所以可以把傳感器輸出電壓值經過A/D轉換得到數據交給單片機進行處理。因此要求系統配備完善的模擬量和數字量輸入輸出通道和完善的中斷系統和處理功能。單片機采集煙霧傳感器的響應信號，并且進行轉換。進行氣體檢測的基本步驟是信號采集處理、聲光報警電路以

8、及顯示、保護電路測試。模數轉換就是用于快速、高精度的對輸入信號采樣編碼，然后轉化成數字量儲存在數據儲存器中，然后單片機通過特定的算法進行氣體濃度的識別，同時和所設值進行對比，超出則報警同時顯示濃度數值，沒超出只顯示濃度數并且將結果輸出到LCD顯示屏幕上。2.2  單片機的選擇 我們選擇單片機16F877A為控制核心，主要基于考慮16F877A具有低價高速，高可靠強抗靜電，強抗干擾的特點。 16F877A 有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出(I/O)端口，并且有2個外中斷口， 2個全雙工串行通信口，32個讀寫口線，片內振蕩器及時鐘電

9、路，3個16位可編程定時計數器。16F877A 能夠按照常規方法進行編程，也能夠在線編程。同時16F877A可降至0Hz的靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數器，串行通信口及中斷系統繼續工作。掉電方式保存RAM中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個硬件復位，其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發本。PIC 單片機有 PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三種封裝形式，以適應不同產品的需求。  16F87

10、7A 單片機單片機引腳功能，引腳如圖 2-2所示：2.3  傳感器 本系統直接測量的是空氣中的可燃氣體濃度。在選擇傳感器的時候，一定要考慮到穩定性、靈敏度、選擇性和抗腐蝕性。本系統選擇MQ6可燃性氣體傳感器，MQ6可燃氣體傳感器是氣敏傳感器，其具有很高的靈敏度、可檢測多種可燃性氣體、良好的選擇性、長久的使用時間和可靠的穩定性的特點。  傳感器的標準回路有加熱回路和信號輸出回路兩部分。其中信號輸出回路能比較精準的檢測出傳感器表面電阻值的變化。傳感器表面電阻 RS 的變化，是通過與其串聯的負載電阻RL

11、0;上的有效電壓信號VRL輸出面獲得的。 二者之間的關系表述為：RS/RL=(VC-VRL)/VRL，其中VC為回路電壓，10V負載電阻 RL可調為 0.5200K，加熱電壓 Uh為5V。上述這些參數使得傳感器輸出電壓為 0 5V，MQ6 可燃性氣體傳感器的結構和外形如下圖2-3所示，標準回路如下圖2-4所示。為了使測量的精確度達到最高，誤差最小，需要找到適宜的溫度，一般在測量之前將傳感器預熱5分鐘。實物圖 2.4 編碼器 用于修改報警數值的器件有很多，出于方便，實用，簡潔的考慮，我選著了編碼器作為修改報警數值的器件。旋轉編

12、碼器可通過旋轉可以計數正方向和反方向轉動過程中輸出脈沖的次數，旋轉計數不像電位計，這種轉動計數是沒有限制的。配合旋轉編碼器上的按鍵，可以復位到初始狀態，即從0開始計數。工作原理：增量編碼器是一種將旋轉位移轉換為一連串數字脈沖信號的旋轉式傳感器。這些脈沖用來控制角位移。在Eltra編碼器中角位移的轉換采用了光電掃描原理。讀數系統以由交替的透光窗口和不透光窗口構成的徑向分度盤（碼盤）的旋轉為依據，同時被一個紅外光源垂直照射，光把碼盤的圖像投射到接收器表面上。接收器覆蓋著一層衍射光柵，它具有和碼盤相同的窗口寬度。接收器的工作是感受光盤轉動所產生的變化，然后將光變化轉換成相應的電變化。再使低電平信號上

13、升到較高電平，并產生沒有任何干擾的方形脈沖，這就必須用電子電路來處理。讀數系統通常采用差分方式，即將兩個波形一樣但相位差為180°的不同信號進行比較，以便提高輸出信號的質量和穩定性。讀數是再兩個信號的差別基礎上形成的，從而消除了干擾。2.5  數模轉換器 實現 A/D 轉換的基本方法很多，有計數法、逐次逼近法、雙斜積分法和并行轉換法。由于逐次逼近式A/D轉換具有速度，分辨率高等優點，而且采用這種方法的ADC芯片成本低，所以我們采用逐次逼近式A/D 轉換器。逐次逼近型 ADC 包括1個比較器、一個模數轉換器

14、、1個逐次逼近寄存器(SAR)和1個邏輯控制單元。逐次逼近型是將采樣信號和已知電壓不斷進行比較，一個時鐘周期完成1位轉換，依次類推，轉換完成后，輸出二進制數。這類型ADC的分辨率和采樣速率是相互牽制的，優點是分辨率低于12位時，價格較低，采樣速率也很好。  16F877A 模數轉換器具有8位分辨率、雙通道 A/D 轉換、輸入輸出電平與 TTL/CMOS 相兼容、5V 電源供電時輸入電壓在 05V 之間、工作頻率為250KHZ、轉換時間為32微秒、一般功耗僅為15MW 等優點，適合本系統

15、的應用，所以我們采用ADC0832為模數轉換器。2.6  LCD顯示模塊 液晶顯示模塊與計算機的接口電路有兩種方式，它與單片機的接口方法分為直接訪問方式和間接控制方式。直接訪問方式是把液晶模塊當作存儲器或 I/O 設備直接接在單片機的總線上，單片機以訪問存儲器或I/O設備的方式操作液晶顯示模塊的工作。間接控制方式只是利用它的 I/O口來實現與顯示模塊的聯系，而不使用單片機的數據系統。這種訪問方式既不占用存儲器空間，接口電路又與時序無關，其時序徹底地靠軟件編程實現。實物圖表2-1 LCD1602接口功能表LCD1602

16、0;字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數字、符號等點陣式 LCD，目前常用16×1，16×2，20×2和40×2行等的液晶顯示模塊，模塊組件內部主要由LCD顯示屏、控制器、列驅動器和偏壓產生電路構成。  1602 液晶顯示屏采用標準的16腳接口，其中各接口的功能如上表2-1所示：3  系統硬件設計基于單片機酒精濃度檢測儀的硬件設計部分，首先，我們必須了解它的硬件設計原理其次，需要弄清楚它的總體構成及具體的外圍電路最后，根據其原理框圖和具體的外圍電路得到完整的硬件總電路圖。 3.

17、1  硬件設計原理 由可燃性氣體傳感器對待測氣體(液體)進行檢測，轉換成輸出電壓信號，以單片機為核心的控制、聲光報警電路以及顯示、排氣電路。測試儀進行氣體檢測的基本步驟是單片機先采集酒精傳感器的響應信號，然后進行轉換，儲存在數據儲存器中，最后單片機通過特定的算法進行氣體濃度的識別，同時將分析的值與設定值進行對比，對超出設定值進行報警，并且將結果輸出到LED顯示屏幕上。 本系統由酒精傳感器，單片機，聲音報警，排氣扇以及LCD顯示等部分組成，在這次的整體設計中詳細涉及下面幾個方面，其原理框圖如圖 3-1所示： 圖3-1系統總體流程圖3.2

18、  硬件設計外圍電路 3.2.1  晶振電路、復位電路設計 單片機工作的過程中各指令的微操作在時間上有嚴格的次序，這種微操作的時間次序稱作時序。單片機的時鐘信號用來為單片機芯片內部各種微操作提供時間基準。16F877A 的時鐘產生方式有兩種，一種是內部時鐘方式，一種是外部時鐘方式。內部時鐘方式即在單片機的外部接一個晶振電路與單片機里面的振蕩器組合作用產生時鐘脈沖信號。外部時鐘方式是把外部已有的時鐘信號引入到單片機內，此方式常用于多片16F877A 單片機同時工作，以便于各單片機的同步，一般要求外部信號高電平的持續時

19、間大于20ns，且為頻率低于12MHz 的方波。對于CHMOS工藝的單片機，外部時鐘要由XTAL1端引入，而XTAL2端應懸空。本系統中為了盡量降低功耗的原則，采用了內部時鐘方式。 本設計中復位電路采用的是開關復位電路，開關S9未按下是上電復位電路，上電復位電路在上電的瞬間，由于電容上的電壓不能突變，電容處于充電(導通)狀態，故RST腳的電壓與VCC相同。隨著電容的充電，RST 腳上的電壓才慢慢下降。選擇合理的充電常數，就能保證在開關按下時是 RST 端有兩個機器周期以上的高電平從而使STC89C51內部復位。開關按下時是按鍵手動復位電路，RST端通過電

20、阻與VCC電源接通，通過電阻的分壓就可以實現單片機的復位。如圖3-3所示：3.2.2  報警設計在單片機應用系統中，一般的工作狀態可以通過指示燈或數碼顯示來指示，供操作人員借鑒。但針對某些特定狀態，例如系統檢測到的錯誤狀態等，為了使操作人員不小心忽視，及時采取措施，必須還需要有某種更能引人注意，提起警覺的報警信號。這種報警信號一般有閃光報警、鳴音報警和語音報警三種類型。其中，前兩種報警裝置因硬件結構簡單，軟件編程方便，往往在單片機應用系統中使用。但語音報警雖然警報信息較直接，并且硬件成本高，結構相對復雜，軟件量也增加。閃光報警實現單頻音報警的接口電路比較簡單，只要當值高于警

21、報值的時候給一個低電頻就能驅動二極管發光，簡單易懂。3.2.3  電源電路設計 在本次設計中，需要一個比較大的電壓源和一個5V的單片機供電源，為了實現便攜式，設用一個9V的電壓源，一般6節電池和一個9V的電池都可以提供，因而需要一個電壓轉換把9V轉換成5V。工作原理如圖 3-5 低壓層直流穩壓電源電路原理圖。該電路是由電流放大、電壓放大和基準電壓等3個環節組成。其中，基準電壓產生，按圖中電路連接，當通過 R0 的電流在 0.510 mA 時可獲得穩定的 2.5 V 

22、基準輸出。輸出電壓的具體數值由運算放大器U確定，采用同相放大器的優勢在于其輸入阻抗極大，更能很好地將TL431輸出的2.5 V電壓與后級電路隔離，使其免受負載變化的影響；運放與電阻R3和R2組成比例放大環節，可對基準電壓按要求進行比例放大輸出，但輸出電壓最大不能超過運放的電源電壓。4  系統軟件設計4.1  主程序流程圖 主程序實現的功能：與硬件相結合實現便攜式酒精濃度檢測儀的各個功能主要是檢測與顯示，數據存儲功能子函數的調用。流程圖圖 4-1所示：  首先開啟啟動按鈕，啟動單片機和顯示器，同時對單片機內

23、部進行初始化，緊接著初始化顯示屏，初始化完畢后顯示開機畫面顯示主菜單。5  本設計總結與展望 此檢測儀會向更穩定，更可靠，更快捷等要求發展。工廠，企業到居民家庭，可燃性氣體泄露的檢測，對居民的人身和財產安全都十分重要且必不可少的。在產品未來的發展規劃上，我希望可燃性氣體檢測儀不僅能實現聲光報警，并且能通過短信告知在外工作的人，或工廠的管理者，將安全隱患扼殺在萌芽狀態。現如今，由于人們安全意識增強，對環境安全性和生活適性要求提高。單片機具有受集成限制，片內儲存量較小，可靠性好，擴展簡單，控制功能強等特點，所以，基于單片機的可燃性氣體檢測儀的研究和開發生產具有十分廣泛

24、的現實市場和潛在的市場需求。針對目前的現狀，該系統設計遵循體積小，質量輕，性價比高的原則。 軟件是C語言編寫的，具有很好的可控性、模塊化和移植性。本系統的主要模塊為傳感檢測、A/D轉換、液晶顯示。通過本次電子信息技術比賽，我加深了很多在大學課本上學到的知識，并且用于實踐，相信在以后的工作中，這次設計是我寶貴的財富。附錄：1. 硬件電路：2. PCB原理圖：3. PCB圖：4.使用元器件名單：5.程序：#include<pic.h>#define CLK RC1 /#define CLK RC1#define DT RD6 /#define DT RD6#define SW

25、 RC3 /#define SW RC3#define DB PORTB /#define DB PORTB#define RS RC6 /#define RS RC6#define RW RC5 /#define RW RC5#define E RC4 /#define E RC4#define uchar unsigned charvoid delay();void init();void lcd_init();void lcd_com(uchar i);void lcd_data(uchar i);void display1();void ad();void ad_init();void

26、 zhuanhuan();void delay1();void display2();void tiao1();void tiao2();void tiao3();void tiao4();void bmq();uchar flag;unsigned long num;uchar xianshi='C','O',':',0,'.',0,0,0,'M','g','/','L'uchar xs='S','E','T'sign

27、ed char xs1='U','P',':',0,'.',0;signed char xs2='D','O','W','N',':',1,'.',5;void main()init();ad_init();lcd_init();while(1) while(SW=1) ad(); zhuanhuan(); display1(); if(xianshi3>=(xs13+48)&&(xianshi5>=(xs1

28、5+48) RD0=1; RD1=1; if(xianshi3<=(xs25+48)&&(xianshi5<=(xs27+48) RD0=0; RD1=0; lcd_com(0x01); delay(); delay1(); tiao1(); tiao3(); tiao2(); tiao4(); lcd_com(0x01); delay(); void init() /單片機初始化TRISA=0xff;TRISB=0x00;TRISC=0x0f;TRISD=0x40;PORTA=0x00;PORTB=0x00;PORTD=0x00;PORTC=0x00;void a

29、d_init() /AD初始化 ADFM=1; PCFG3=1; PCFG2=1; PCFG1=1; PCFG0=0; ADCS2=0; ADCS1=0; ADCS0=1; CHS2=0; CHS1=0; CHS0=0; ADON=1;void ad() /打開ADGO=1;while(!GO);num=ADRESH*256+ADRESL;void lcd_init() /1602初始化lcd_com(0x38);lcd_com(0x38);lcd_com(0x38);lcd_com(0x01);lcd_com(0x06);lcd_com(0x0c);lcd_com(0x10);lcd_com(0x38);void lcd_com(uchar i) /寫命令RS=0;RW=0;E=1;DB=i;E=0;delay();void lcd_data(uchar i) /寫數據RS=1;RW=0;E=1;DB=i;E=0;delay();void display1() /第一屏uchar i,j;lcd_com(0x00|0x80);for(i=0;i<12;i+) lcd_data(xianshii); lcd_com(0x4d|0x80);for(j=0;j<3;j+) lcd_data(xsj); void zhuanhuan() /轉換 num=nu