本科生課程設計（論文）PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANV遼寧工業大學單片機原理及接口技術課程設計（論文）題目：家用煤氣泄漏檢測器設計學院：專業班級：學號：學生姓名：指導教師：教師職稱：起止時間：課程設計（論文）任務及評語院（系）：電氣工程學院教研室：電氣工程及其自動化學號學生姓名專業班級課程設計（論文）題目家用煤氣泄漏檢測器設計課程設計（論文）任務該檢測器實時監測空氣中煤氣濃度，當煤氣濃度超過0.1%報警，傳感器可采用數字式或模擬式。當超過閾值時要發出聲光報警信號，并設有消音鍵可以消除聲報警，并附加時間、濃度顯示功能。設計任務：1.CPU最小系統設計（包括CPU選擇，晶振電路，復位電路）2.傳感器選擇以及接口電路設計3.鍵盤顯示電路設計4.程序流程圖設計及程序清單編寫技術參數：1．檢測器的工作電源為AC220V2．顯示器采用4位LED數碼管設計要求：1、分析系統功能，盡可能降低成本，選擇合適的單片機、AD轉換器、輸出電路等；2、應用專業繪圖軟件繪制硬件電路圖和軟件流程圖；3、按規定格式，撰寫、打印設計說明書一份，其中程序開發要有詳細的軟件設計說明，詳細闡述系統的工作過程，字數應在4000字以上。進度計劃第1天 查閱收集資料第2天 總體設計方案的確定第3-4天 CPU最小系統設計第5天傳感器選擇及接口電路設計第6天 開關量輸出接口及報警電路設計第7天 程序流程圖設計第8天 軟件編寫與調試第9天設計說明書完成第10天 答辯指導教師評語及成績平時：論文質量：答辯：總成績：指導教師簽字：年月日注：成績：平時20%論文質量60%答辯20%以百分制計算

摘要煤氣作為一種清潔型能源進入家庭得到廣泛使用，為人們的生活帶來了方便，減少了城市的污染，提高了生活質量和效率，但是同時，也受到了由于設備使用不當或者設備老化而導致的煤氣泄漏的巨大威脅，甚至威脅到了人們的生命財產安全。針對這種情況本文設計了一種煤氣泄漏監控系統，該系統可以很好的在家用煤氣發生泄漏的時候發出警報，使危急情況得到處理。本系統以AT89C51單片機為核心，由MQ-4傳感器、單片機AT89C51、模數轉換芯片ADC0809完成氣體濃度信號的采集顯示內容的傳輸、顯示等功能。本文設計的檢測器由傳感器、數碼管顯示器、聲光報警器、A/D轉換等模塊組成。軟件上采用C語言編程，結構簡單運行穩定。該檢測系統能夠檢測煤氣濃度，當檢測煤氣濃度低于設定報警閾值的時候，數碼管顯示器僅僅顯示測得的煤氣氣體濃度；當檢測煤氣濃度超出設定報警閾值時給出聲光報警。關鍵詞：MQ-4傳感器；AT89C51單片機；報警TOC\o目錄第1章緒論 Arabic11.1家用煤氣泄漏檢測器概況 Arabic11.2本文研究內容 Arabic1第2章CPU最小系統設計 22.1家用煤氣泄漏檢測器總體設計方案 Arabic22.2CPU的選擇 32.3數據存儲器擴展 42.4復位電路設計 42.5時鐘電路設計 52.6CPU最小系統圖 6第3章家用煤氣泄漏檢測器輸入輸出接口電路設計 73.1家用煤氣泄漏檢測器傳感器的選擇 73.2家用煤氣泄漏檢測器檢測接口電路設計 73.2.1A/D轉換器選擇 73.2.2模擬量檢測接口電路圖 73.3家用煤氣泄漏檢測器輸出接口電路設計 83.4人機對話接口電路設計 9第4章家用煤氣泄漏檢測器軟件設計 114.1軟件實現功能綜述 114.2流程圖設計 114.2.1主程序流程圖設計 114.2.2模擬量檢測流程圖設計 124.2.3家用煤氣泄漏檢測器流程圖設計 124.3程序清單 14第5章系統設計與分析 215.1系統原理圖 215.2系統原理綜述 21第6章課程設計總結 22參考文獻 23本科生課程設計（論文）PAGE\*ArabicPAGE\*Arabic24第1章緒論1.1家用煤氣泄漏檢測器概況煤氣是一種高效、經濟、穩定的生活能源。極大地方便我們的生產生活，但同時也帶來了不少的安全隱患。煤氣泄漏造成的事故給我們帶來了不少的警示，而市場上的煤氣檢測報警器并不能為我們提供完善的安全保障，為此設計功能更加完善，探測更加精確的家用煤氣泄漏檢測器，是對付煤氣無形殺手的重要手段之一。現在每家每戶只要安裝煤氣管道的幾乎都安裝有煤氣泄漏檢測器。對于目前市場上天然氣報警存在以下問題：對天然氣的檢測不敏感或者檢測到天然氣泄漏并不能及時報警作出相應處理；對于天然氣檢測過于敏感，正常做飯燒水時難免會有少數天然氣溢出，此時報警系統就不停關閥報警嚴重影響生活效率；存在謊報誤報的現象，當空氣中存油煙時也會關閥報警所以很多家庭對檢測器束之高閣當成擺設，買了并不安裝。所以市面上的天然氣泄漏檢測報警器亟待于改進，從而才能更好地保障我們的生命財產安全，提高我們的生活質量。1.2本文研究內容本論文中的煤氣泄漏檢測器以單片機為控制核心，硬件電路大體可分為單片機小系統電路、A/D轉換電路、聲光報警電路、LED顯示電路，按鍵電路等。通過MQ-4型電阻式半導體傳感器采集空氣中煤氣濃度，把探測到空氣中的煤氣的濃度轉換成對應的電壓信號，電壓信號送入A/D轉換器轉換成數字信號，轉換成的數字信號送入單片機，單片機對數據進行線性化處理，將數字化電壓信號轉化成為對應的濃度值顯示到數碼管上，同時判斷氣體濃度值是否超出報警上限，當檢測氣體濃度低于設定報警閾值的時候，數碼管顯示器僅僅顯示測得的可燃氣體濃度；當檢測氣體濃度超出設定報警閾值時給出聲光報警。

第2章CPU最小系統設計2.1家用煤氣泄漏檢測器總體設計方案考慮煤氣濃度是由傳感器把非電量轉換為電量，傳感器輸出的是0-5V的電壓值且電壓值穩定，外部干擾小等。因此，可以直接把傳感器輸出電壓值經過A/D轉換器轉換得到數據送入單片機進行處理。此外，還需接入LED顯示，鍵盤，報警電路等。系統總體設計框圖如下：聲光報聲光報警電路LED顯示單片機LED顯示單片機按鍵輸入按鍵輸入被測環境氣敏傳感器A被測環境氣敏傳感器A/D轉換器圖2.1煤氣檢測儀總體框圖由A/D轉換器送來的轉換信號輸入單片機，單片機對數據進行線性化處理，將數字化電壓信號轉化成為對應的濃度值顯示到數碼管上，同時判斷氣體濃度值是否超出報警限，當檢測氣體濃度低于設定報警閾值的時候，數碼管顯示器僅僅顯示測得的可燃氣體濃度；當檢測氣體濃度超出設定報警閾值時給出聲光報警。各模塊功能如下：（1）氣敏傳感器模塊：實時采集氣體濃度；（2）A/D轉換模塊：把采集的模擬信號轉變成數字信號傳送給單片機；（3）聲光報警模塊：當檢測到氣體泄漏值超過報警限時，發生報警；（4）顯示模塊：顯示氣體濃度和報警上限；（5）鍵盤模塊：通過按動按鍵實現各類功能。2.2CPU的選擇根據任務書中的設計及計算要求要求，選擇89C51單片機。AT89C51單片機是高性能、低電壓CMOS8位CPU，它的FLASH存儲器是4K。AT89C51具有2K字節閃存的ROM，其能夠編寫程序還能夠擦除,可以反復擦除1000次。ATMEL高密度不容易丟失的存儲器的制作技藝被運用在AT89C51上,同時可以兼容MCS-51輸出管腳和指令集。AT89C51中一起加入8位CPU和閃爍存儲器,讓其效率更高。AT89C51單片機以它的高敏捷性,價格低廉化為嵌入式控制系統的最佳選擇。主要特性如下：(1)4K字節FLASH,可編程；(2)與MCS-51兼容；(3)在0Hz-24MHz下全靜態工作；(4)1000次重復寫/擦；(5)保留數據長達10年；(6)內部RAM為128×8位；(7)可以鎖定三級程序存儲器；(8)32個可編程I/O口；(9)中斷源5個；(10)16位定時/計數器兩個；(11)擁有時鐘電路與片內振蕩器；(12)閑置和掉電模式為低功耗；(13)1個可編程串行通道口。其引腳結構圖如圖1.2所示：圖2.289C51引腳結構圖2.3數據存儲器擴展由于89C51單片機片內只有128B的RAM存儲器，在實際運用中僅靠這128B的數據存儲器是遠遠不夠的，所以需要拓展外部存儲器。本設計中所需要的外部數據存儲器不大，因此可以選擇型號為6116靜態RAM。6116是2K×8位靜態隨機存儲器，采用CMOS工藝制造，單一+5V電源供電，額定功耗為160mW，典型存取時間為200ns，為24線雙列直插式封裝。6116與AT89C51的硬件連接如圖1.4所示。圖2.36116與AT89C51的硬件連接圖2.4復位電路設計AT89C51初始化動作是復位。AT89C51上電后,首先就是復位,其效果就是讓CPU與系統的其他元件還原為一個明確的初始形態,在此基礎上就行下一步動作。因此,復位是一個很重要的操作。但是 AT89C51自身是不可以來復位的,需要結合外部復位電路才可以完成。本設計采用按鍵式復位電路，如圖2.4所示：圖2.4按鍵式復位電路原理圖2.5時鐘電路設計AT89C51的時鐘電路出現脈沖之后掌控指令準確的發生動作。CPU掌控信號掌控指令發生動作的時間順序為AT89C51的時序。AT89C51內部電路要按時序進行運行須在時鐘信號下才可以,可以保證各個部件同步運行。外部時鐘與內部時鐘為AT89C51時鐘的兩類形式。運用外面的振蕩脈沖連接到XTAL1或者XTAL2是外部時鐘的形式。HMOS與CHMOS單片機的外面的時鐘信息接進去的形式是相異的。RXD接地,TXD接入外部振蕩器。外部振蕩信號選擇頻率低于12MHz的信號因為它沒有特別的條件,僅僅保證脈沖寬度。片內發生器出現兩相時鐘P1與P2,提供給AT89C51應用。這里選用內部方式的時鐘電路。其中C1、C2值為30pF,晶振頻率為12MHz。時鐘電路如圖2.5。圖2.5內部時鐘振蕩電路2.6CPU最小系統圖AT89C51單片機的最小系統由起振電路、復位電路、AT89C51芯片組成。單片機接+5V電源；晶體振蕩器頻率為12MHz（11.0592MHz），晶振的兩個引腳分別連接在單片機的XTAL1和XTAL2端，晶振的兩端再分別連接一個30pF電容后接地；復位電路經電源正極（+5V）接10uF電容后接10k歐姆電阻接地，單片機復位端RST接在電容和電阻之間。由上述四節中的圖，可以畫出CPU最小系統總圖，如圖1.5所示。圖2.6CPU最小系統圖第3章家用煤氣泄漏檢測器輸入輸出接口電路設計3.1家用煤氣泄漏檢測器傳感器的選擇本系統直接測量的室內的煤氣濃度，故采用氣敏傳感器。考慮到周圍空氣中的氣體成分可能影響傳感器測量的準確性，所以傳感器只能對煤氣敏感，對其他氣體不敏感，而在對液化氣、丙烷、天然氣、氫氣以及其它可燃蒸汽檢測中MQ-4氣敏傳感器的靈敏度較高。SnO2是MQ-4氣體傳感器所應用的原料，其在干凈空氣中的導電率是十分低的。隨著煤氣濃度的增加，傳感器的電導率也隨之增加。電導率的變化通過分壓電路的轉換輸出的電壓信號和煤氣濃度相濃度照應。傳感器的標準回路有兩部分組成。其一為加熱回路，其二為信號輸出回路，它可以準確反映傳感器表面電阻值的變化。傳感器的表面電阻RS的變化，是通過與其串聯的負載電阻RL上的有效電壓信號VRL輸出面獲得的。負載電阻RL可調為0.5-200K。加熱電壓Uh為5v。3.2家用煤氣泄漏檢測器檢測接口電路設計3.2.1A/D轉換器選擇本設計是將煤氣的變化量轉化為電壓信號，在單片機應用系統中，被測量對象的有關變化量，如溫度、壓力、流量、速度等非電物理量，須經傳感器轉換成連續變化的模擬電信號（電壓或電流），這些模擬電信號必須轉換成數字量后才能在單片機中用軟件進行處理。實現模擬量轉換成數字量的器件稱為A/D轉換器（ADC）。本設計中，選用ADC0809轉換器，ADC0809是一種逐次比較式8路模擬輸入、8位數字量輸出的A/D轉換器，工作電源+5V，轉換時間為100μs。3.2.2模擬量檢測接口電路圖由MQ-4氣體傳感器收集的電信號連接模數轉換芯片ADC0809的IN0端口；VREF(+)接5V電壓；CLOCK接單片機ALE端口；OUT0-OUT7分別連接單片機的P0.7-P0.0端口；用作用是收集轉化為的數字信號；詳細的電路銜接方法如圖3.1所示。圖3.1檢測接口電路圖3.3聲光報警電路設計采集到的數字信號經過單片機計算后，如果天然氣濃度達到報警器設置的臨界點時，單片機將控制蜂鳴器報警，報警電路采用聲光報警器。由揚聲器B，普通紅色發光三極管等組成。AT89C51的P3.5引腳經電阻接到發光三極管N端，當輸出為低電平時，三極管將閃爍發光。達到聲光同時報警的效果。通過復位停止報警。如圖3.3所示。圖3.2聲光報警電路3.4人機對話接口電路設計LED顯示有靜態顯示和動態顯示兩種顯示方式。本設計使用并行輸入硬件譯碼靜態顯示電路，靜態顯示電路中，各位可獨立顯示，只要在該位的段碼線上保持段碼電平，該位就能保持相應的顯示字符。電路中采用了鎖存譯碼器將P1口低4位輸出的BCD碼譯成七段字型碼，利用P1口高四位做為各鎖存譯碼器的所存信號，實現穩定顯示。LED使用的是共陰極7段數碼管。數碼管顯示電路如圖3.3。 本次設計電路中加入4個按鍵，用于人為報警和設置報警的上限值。按鍵分別接單片機P2.0、P2.1、P2.2、P2.3端。S1是數字鍵加，S2是數字鍵減，S3是確認鍵，S4是模擬報警鍵，當按下S4時蜂鳴器報警，LED亮；再次按下S4用來取消報警。具體接線見圖3.3。圖3.3LED顯示電路圖3.4按鍵電路第4章家用煤氣泄漏檢測器軟件設計4.1軟件實現功能綜述軟件設計包含A/D采樣程序、數據處理程序、數碼管顯示程序、按鍵掃描程序、系統報警程序。當傳感器將采集的煤氣信號由ADC0809轉化成電壓信號后，由軟件將信號進行分析處理，最后由LED顯示電路輸出結果。4.2流程圖設計4.2.1主程序流程圖設計開始開始初始化天然氣濃度采集AD轉換采集數據≥設定值聲光報警報警子程序結束數碼管顯示NYY圖4.1程序設計流程圖單片機對A/D轉換器傳送的氣體濃度信號進行處理，將濃度值與報警限設定值相比較，判斷是否報警。對采集的數字信號進行處理和判斷，計算出待檢測氣體成分及濃度并送到數碼管顯示器顯示出來。當檢測氣體濃度低于設定報警閥值的時候，數碼管顯示器僅僅顯示測得的可燃氣體濃度；當檢測氣體濃度超出設定報警閥值時給出聲光報警。主程序流程圖如圖4.1所示4.2.2模擬量檢測流程圖設計ADC0809初始化后，把0通道輸入的0-5V的模擬信號轉換為對應的數字量00H-FFH，然后將對應數值存儲到內存單元。程序框圖如圖4.2啟動啟動ADC0809通道，并延時100μs讀出A/D轉換結果結果存入內存單元開始返回轉換完？NNYY圖4.2模擬量檢測流程圖4.2.3聲光報警電路流程圖設計系統由軟件設定閾值，閾值的千位放入50H中，百位和十位放入5lH，個位放人52H中。報警電路分為蜂鳴器報警電路和發光報警電路組成。當輸入端P3.5為低電平時，有電流通過蜂鳴器，蜂鳴器發出聲音報警。而當輸入端為高電平時不報警。流程圖如圖4.3所示。A/D轉換數據放入40H、4lH、42H單元，并進行十進制轉換。40H和50H分別存放的是處理后的測量值與閾值的千位的壓縮BCD碼，41H和51H分別存放的是處理后的測量值與閾值的百位、十位壓縮的BCD碼，42H和52H分別存放的是處理后的測量值與閾值的個位的壓縮BCD碼。NNYN41H中存放較大的BCD碼41H中存放較大的BCD碼開始開始40H中存放較大的BCD碼與閾值相等41H中存放較大的BCD碼與閾值相等返回返回報警YNYNYYN圖4.3聲光報警電路流程圖4.3程序清單C程序：#include<reg51.h>#include<intrins.h>#include<math.h>#include<stdio.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineulongunsignedlong#defineK_MG_MV120/66unsignedcharcodedispcode0[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};//顯示段碼值0~9,不包含DP點ucharcodetable1[]={0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10};//顯示段碼值0~9,包含DP點ucharcodetable3[]={0x89,0xC7};sbitLED0=P1^4;//定義第0個數碼管sbitLED1=P1^5;//定義第1個數碼管sbitLED2=P1^6;//定義第2個數碼管sbitLED3=P1^7;//定義第3個數碼管sbitalarm=P3^5;//蜂鳴器接口sbitkey_up=P2^0;//數字鍵加+sbitkey_down=P2^1;//數字鍵減-sbitkey_ok=P2^2;//確認鍵sbitkey_manual=P2^3//模擬手動報警和解除報警按鍵bitSetUpFlag=0;bitset_manual=0;ucharkey_manual_num=0;ulonggas_uplimit=150;/********定義變量*********/unsignedchardata1;unsignedcharcount;unsignedcharcycle;unsignedlongdata2;long Value,num=0;uchar temp,getdata;ucharjian,bai,shi,ge;uchartime_ms1;//微秒顯示函數voidDelayus(uchari){while(--i);}//毫秒顯示函數voiddelay1ms(uintz){ uintx,y; for(x=z;x>0;x--) for(y=110;y>0;y--);}voidad(void)//ad采樣函數{uchartemp_=0x00;//轉化初始化ST=0;//開始轉換ST=1;ST=0;while(EOC==0)//外部中斷等待AD轉換結束OE=1;//讀取轉換的AD值 temp_=Data_ADC0809; OE=0; returntemp_;} voidcal()//計算把采樣到的值轉換成實際電壓值{ Value=data1*1.0/256*500; Value=Value*K_MG_MV; Value=Value-5; if(Value<0)Value=0;}voiddisplay_temp(intValue){temp=(uchar)(Value/1000);//分離千分位 jian=temp; temp=(uchar)((Value%1000)/100); //分離百分位 bai=temp; temp=(uchar)((Value%100)/10);//分離十位 shi=temp; temp=(uchar)(Value%10);//分離個位 ge=temp;LED0=1;//先顯示個位 LED1=0; LED2=0; LED3=0;P2=dispcode0[ge];delay1ms(5);LED0=0;//接著顯示十位 LED1=1; LED2=0; LED3=0;P2=dispcode0[shi];delay1ms(5); LED0=0;//再接著顯示百位 LED1=0; LED2=1; LED3=0;P2=dispcode0[bai];delay1ms(5); if(key_up==0) { delay1ms(10); if(key_up==0) { SetUpFlag=1; gas_uplimit++; if(gas_uplimit==999)gas_uplimit=0; while(!key_up);//等待按鍵釋放 } } if(key_down==0) { delay1ms(10); if(key_down==0) { SetUpFlag=1; gas_uplimit--; if(gas_uplimit==0)gas_uplimit=999; while(!key_down);//等待按鍵釋放 } } if(key_ok==0) { delay1ms(10); if(key_ok==0) { SetUpFlag=0; while(!key_ok);//等待按鍵釋放 } }}voidmanual_simulate(){ if(key_manual==0) { delay1ms(10); if(key_manual==0) {TR1=0;key_manual_num++; set_manual=1; alarm=0; if(key_manual_num==2) { alarm=1; TR1=1;set_manual=0; key_manual_num=0; } while(!key_manual);//等待按鍵釋放 } }}voidAlarm_Limit(){if(Value>=gas_uplimit)//判斷可燃氣體的濃度是否超出設定范圍，如超出LED亮并報警。 { alarm=0; } else { alarm=1; }}voidSysInit_two(void)//初始化定時器T0{TMOD=0x01; //定時器工作在方式1 ET0=1; EA=1; TH0=(65536-50000)/256;//對TH0TL0賦值 TL0=(65536-50000)%256;//使定時器0.05秒中斷一次 TR0=1;//開始計時}/*主函數*/voidmain(){SysInit_two();//初始化定時器T0while(1){ Key_set_scan(); manual_simulate();if(SetUpFlag==1) { display_set(gas_uplimit); } else { display_temp(Value);//調用顯示函數 if(set_manual==0)Alarm_Limit(); }}}voidTimer0(void)interrupt1//定時器T0中斷函數{ TH0=(65536-50000)/256;//對TH0TL0賦值 TL0=(65536-50000)%256;//重裝計數初值 time_ms1++;//每50ms加1 if(time_ms1>=10) {time_ms1=0; ad(); cal(); }第5章系統設計與分析5.1系統原理圖硬件電路分為單片機小系統電路、A/D轉換電路、聲光報警電路、LED顯示電路，按鍵電路。總電路圖見圖5.1。圖5.1總體電路圖5.2系統原理綜述本設計為利用MQ4氣敏傳感器測量空氣中煤氣濃度并轉換為電壓信號，經A/D轉換器轉換成數字信號后傳給AT89C51單片機系統，由單片機及其相應外圍電路進行信號的處理，顯示煤氣濃度值以及超閾值聲光報警。程序采用模塊化設計思想，各個子程序的功能相對獨立，便于調試和修改。而硬件電路又大體可分為單片機小系統電路、A/D轉換電路、聲光報警電路、LED顯示電路，按鍵電路。當泄漏的煤氣的濃度超過0.1%時，檢測儀就會發生警報，防止事故的發生。第6章課程設計總結本文設計的家用煤氣泄露檢測器可快速檢測工作環境中可燃氣體濃度。采用嵌入式微控制技術，可靠性高，具有清晰的LED顯示屏，聲光報警提示，保證在非常不利的工作環境下也可以檢測危險氣體并及時提醒預防。本文中家用煤氣泄露檢測裝置特點如下：1.傳感器校正精度高，提高了報警準確性。2.顯示值放大倍數可以設置，重啟恢復正常。3.整機體積小,重量輕，寬量程，維護方便。此次設計運用了單片機技術、傳感器技術、信號分析與處理技術，使煤氣泄漏檢測裝置系統數字化，智能化，微型化。煤氣泄漏檢測是一項十分重要且有意義的工作，盡管本文實現了檢測器基本要求，但在檢測精度，檢測系統等方面仍可進一步改進，也仍然存在一些不足需要進一步改進，如：關于零點漂移的抑制問題應進一步研究；關于報警器報警閉值確定問題還需研究以提高檢測的可靠性。

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