編號：本科畢業設計基于單片機的室內天然氣濃度檢測系統設計院系：信息工程學院姓名：***學號：0935140102專業：通信工程年級：2023級指導教師：***職稱：副教授完成日期：2023年5月摘要隨著經濟和科學技術的快速開展，人們對生活質量的提高和生活環境的改善越來越重視。天然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，但同時也帶來了潛在的危險，天然氣在使用過程中，假設管道和閥門密封不好，一旦泄漏出去極易爆炸，危及人們的生命財產平安。鑒于這些原因，對于天然氣的檢測與控制就變得異常重要了，研究天然氣濃度的檢測報警與控制也隨之成為一個重要課題。本設計以半導體氣敏傳感器和單片機技術為核心設計的天然氣泄漏報警系統可實現聲光報警功能，是一種結構簡單、性能穩定、使用方便、價格低廉、智能化的氣體報警系統，具有一定的實用價值。本設計主要實現家庭天然氣泄漏的檢測與報警，系統主要以半導體氣體傳感器為研究對象，以單片機為核心構成一個具備數據采集、對象控制、結果顯示等功能的完整系統。該系統分別控制報警燈、蜂鳴器及開啟排風扇和切斷電磁閥，實現對天然氣泄漏的實時監測及控制，程序實時監測系統狀態。關鍵詞：氣體傳感器；單片機；數據采集AbstractWiththerapiddevelopmentofeconomyandthesciencetechnology,peoplepaymoreandmoreattentiontothequalityoflifeandtheimprovementoflivingenvironment.Naturalgasarewidelyusedinourdailylifeandbringsconvenienceforpeople’slivesasacleanerfuel,butalsobringspeoplewiththepotentialdangers.Ifnotsealedpipesandvalves,theyleaked,easilycausedbyfire，endangeringpeople'slivesandproperty.Forthereason，soitisveryimportantforustoinspectandcontrolthesenaturalgaswell.Anditisobviouslyveryimportanttostudyontheinspectionmethodsandsensorsofallkindsofgases.Thispaperstothesemiconductorgassensorsandsinglechipmicrocomputerasthecoredesigncanrealizethegasalarmsound-lightalarmfunctions,isakindofsimplestructure,stableperformance,easytouse,inexpensiveandintelligentgasalarm,hascertainpracticalvalue.Inthispaper,themaingasleakmeasurementandalarmsystemstothesemiconductorgassensorforthestudyinordertoconstituteasingle-chipmicrocomputerasthecorewithdataacquisition,objectcontrol,resultsshowedthatfeaturessuchasdatacommunicationsystemofintegrity.Thesystemcontrolthealarmlight，buzzerandcutofftheelectromagneticvalve,therealizationofthenaturalgasleakonthereal-timemonitoringandcontrol;proceduresreal-timemonitoringofsystemstate.Keywords:gassensor;singlechipmicrocontroller;dataacquisition目錄TOC\o"1-3"\h\u56581緒論 198671.1研究背景、目的和意義 165851.1.1研究的目的和意義 164911.1.2國內外情況及其開展趨勢 1314621.2天然氣檢測報警系統的簡介 2125761.3本設計主要任務 2187662天然氣濃度檢測系統的總體設計 4117442.1設計要求 481312.1.1方案的選擇 4139522.1.2天然氣泄漏報警系統的功能 429552.1.3系統總體方案設計 4259412.2氣體傳感器的選型 579732.2.1氣體傳感器介紹 5262052.2.2氣體傳感器的選定 751603天然氣檢測報警系統的硬件設計 871983.1總體硬件設計 8156583.2單片機模塊的設計 8103513.2.1AT89S51介紹 9204333.2.2單片機最小系統設計 11247763.2.3AT89S51單片機的復位電路 1142213.3氣體傳感器MQ-4電路介紹 12127403.4險情處置與LED顯示 1529738險情處置單元 1521497LED顯示 15129224天然氣檢測報警系統的軟件設計 1711124.1主程序設計流程圖 17207514.2Keil程序調試 17175754.3Proteus仿真 20149955軟件與硬件聯機調試 2333015.1硬件總體連接 23182085.2操作步驟 23236896結論262290參考文獻 2721244致謝 281917附錄 291緒論1.1研究背景、目的和意義1.1.1研究的目的和意義天然氣作為一種新型清潔型高效型能源近年來得到廣泛普及成為人民的首選燃料，但是當它給人民帶來方便的同時也帶來了平安隱患。每一棟居民樓也被天然氣“籠罩〞，伴之而來的是天然氣泄漏引發的的爆炸、火災等事故也時有發生。這在某種程度上增加了人民生命財產的不平安和不穩定因素。為了使天然氣更好地效勞群眾效勞社會，減少各種因天然氣泄漏而引發的爆炸及火災事故，各天然氣使用單位尤其是居民用戶選擇一種適當的天然氣檢測報警器十分重要,因此本設計對室內天然氣檢測報警系統進行了研究。為了預防天然氣的泄漏切實保障人民平安，人們采取了各種措施。家用智能天然氣檢測報警系統是預防天然氣泄漏一種家用的自動檢測報警控制系統，也是一種高靈敏度的氣體探測器，一般都是應用高靈敏度的氣敏元件作氣電轉換元件，并配以電路和聲光報警局部組成。當泄漏的氣體到達危險極限值時報警器就會發生鳴響和聲光報警。本設計主要針對傳統天然氣檢測報警系統進行技術改良以滿足要求，具有如下特點：用單片機實現檢測并控制，電路設計簡單、價格適中、穩定、增加了超出平安閾時自動開啟排風扇〔采用無觸點開關保障平安〕和關閉管道電磁閥功能，而且采用氣敏傳感器及防爆型電磁閥，平安可靠，因此本系統也可作為智能家居系統的一個子系統。1.1.2國內外情況及其開展趨勢當前應用最廣泛的可燃性氣體泄漏報警器與氣敏元件傳感器，已普及應用于氣體泄漏檢測和監控，僅用于平安保護家用天然氣泄漏報警器為例，不少西方興旺國家在法律上已經明確規定家庭、公寓、餐廳、醫院、學校、工廠的必須按要求安裝報警器。國外可燃性氣體泄漏報警器開展很快，是由于人們平安意識很強，對環境平安性和生活舒適性要求較高；另一方面是由于燃氣泄漏報警器市場的增長受到政府平安法規的推動。因此，國外燃氣報警器技術得到了較快開展，據有關統計，美國在1996年—2002年就天然氣報警器的年均增長率為27％～30％。在這些方面，國內的平安意識有待增強。天然氣泄漏報警器的開展趨勢集中表現為，一是提高檢測靈敏度和工作性能，降低功耗和本錢，減小尺寸，簡化電路，與應用整機相結合，這也是燃氣泄漏報警器一直追求的目標；二是增強可靠性，實現元件和應用電路集成化，多功能化，開展MEMS技術，開展現場適用的變送器和智能型天然氣檢測氣報警器。如美國在天然氣泄漏報警器中嵌入微處理器，使燃氣泄漏報警器具有控制校準和監視故障狀況功能，實現了智能化、涉多功能化。1.2天然氣檢測報警系統的簡介天然氣檢測報警系統從功能上可分為僅有泄漏報警功能的泄漏報警系統和可以指示所檢測到的天然氣濃度并具有報警功能的檢測報警系統；從使用場所上可分為民用天然氣檢測報警系統和商用天然氣檢測報警系統。民用天然氣檢測報警系統通常是獨立的在住宅中使用的天然氣檢測報警系統，功能較簡單；商用天然氣檢測報警系統主要使用天然氣的運輸、儲存場所、使用天然氣和可能有天然氣泄漏的的工廠和公共場所。城市天然氣標準中規定地下室、半地下室、地上密閉空間的用氣房間、建筑的管道井、封閉計量表房等都要安裝天然氣檢測報警系統。建筑和天然氣的相關標準和法規也推薦使用民用天然氣檢測報警系統。工業用固定式天然檢測報警系統由報警控制器和探測器組成，控制器可放置于值班室內，主要對各監測點進行控制，探測器安裝于天然氣最易泄漏的地點，其核心部件為內置的氣體傳感器，傳感器檢測空氣中氣體的濃度。探測器將傳感器檢測到的氣體濃度轉換成電信號，通過線纜傳輸到控制器，氣體濃度越高，電信號越強，當氣體濃度到達或超過報警控制器設置的報警點時，報警器發出報警信號，并可啟動電磁閥、排氣扇等外聯設備，自動排除隱患。1.3本設計主要任務本設計主要研究并設計一個基于單片機的家用天然氣檢測報警系統，可對天然氣濃度進行實時檢測和監控，從而使天然氣濃度超限時及時報警，而且還能實現自動開啟和關閉排氣裝置和天然氣管道閥門。通過實現對A/D轉換后數據的采集和聲光的報警控制，進而實現家庭天然氣的檢測與報警。控制系統主要由AT89C51系列單片機、A/D轉換數據采集電路、傳感器電路、顯示電路、聲光報警電路、緊急處理電路等局部組成。單片機通過A/D轉換8路傳感器來所得到的信號，進行比擬處理，并且能夠存儲各個通道的報警上限和報警時的數據儲存，并且在平安值內，顯示當前所測量值和設定值，超出平安值閾時產生聲光報警并立即啟動排風扇和關閉電磁閥，從而實現檢測及報警作用。2天然氣濃度檢測系統的總體設計2.1設計要求2.1.1方案的選擇方案一:通過傳感器感受到天然氣，降低自身的阻值，來增大電流，并且驅動蜂鳴器報警。電路簡單、可靠，但是靈活性和實用性較差。方案二:可以通過傳感器感知信號多級放大電路，并用電位器調節得到固定的電壓值，當得到天然氣信號時，電阻值立刻變小，放大器的放大倍數增加，電壓也就隨著增加，驅動三極管導通報警電路。該方案有一定的靈活性和可執性，但是電路比擬復雜，智能性較差。方案三:通過51系列單片機作為主控單元，并且能夠通過傳感器把模擬信號通過A/D信號轉換為數字信號，送入單片機中，單片機對此信號進行處理后，送入顯示電路，實時顯示室內天然氣濃度。當室內天然氣濃度超限〔即到達危險濃度〕時，實現聲光報警，并翻開排風扇、關閉天然氣管道電磁閥。綜合考慮以上三種方案，由于使用單片機設計靈活性更強、用途更寬廣，所以本設計采用方案三。2.1.2天然氣泄漏報警系統的功能系統的主要功能如下：〔1〕實現對天然氣濃度的實時監測；〔2〕檢測到天然氣泄漏時具有聲光報警功能；〔3〕根據天然氣泄漏狀況自動關閉天然氣管道電磁閥并開啟排氣裝置。在本設計中，天然氣檢測報警系統的主要功能就是快速準確的檢測到室內天然氣含量〔主要是甲烷氣體〕，并將甲烷氣體濃度顯示出來，當氣體濃度到達一定門限值時發出聲光報警，為了提高實用性，系統還應該具備根據具體環境和平安要求不同可以人工調節不同的平安閾閾值。為了實現以上功能：系統應該具備氣體傳感器、數據采集、A/D轉換電路、單片機、數碼顯示、聲光報警單元、排風扇和切斷閥。2.1.3系統總體方案設計天然氣檢測報警系統如圖2-1所示，該系統以51單片機為核心，配合外圍電路共同完成信號采集、運算放大、A/D轉換、CPU進行數據分析、并具有聲光報警等功能。該系統采用高性能的單片機，要求工作穩定、測量精度高、通用性強、功耗低，保證報警器的精確性及可靠性，而且最好體積小，本錢低，有利于減少報警器的體積，降低報警器的本錢。氣體傳感器氣體傳感器A/D轉換器51單片機參數設置聲光報警險情處置圖2-1天然氣檢測系統框圖系統工作流程為:氣體傳感器檢測室內天然氣濃度，經過運放氣放大后進入A/D轉換，將測得的模擬信號轉換為數字信號并及時送給51單片機進行數據處理，得到室內天然氣濃度值，通過數碼管顯示出來，同時根據相關平安標準判斷天然氣濃度是否超出平安閾，如果超出平安閾立即啟用聲光報警電路，并啟動排風扇和電磁閥關閉管道。2.2氣體傳感器的選型氣體傳感器是指能感受氣體〔組分、分壓〕并轉換成可用輸出信號的傳感器，也俗稱“電子鼻〞。這是一個獨特的電阻，當“聞〞到天然氣時，傳感器電阻隨天然氣濃度而變化，并將氣體的成份、濃度等信息的變化轉換成可以被人員、儀器儀表、計算機等利用的信息的裝置。在本設計中天然氣到達一定濃度，電阻到達一定水平時，傳感器就可以發出聲光報警。氣體傳感器屬于氣敏傳感器，是氣-電變換器，它將可燃性氣體在空氣中的含量(即濃度)轉化成電壓或者電流信號，通過A/D轉換電路，將模擬量轉換成數字量后送到單片機，進而由單片機完成數據處理、濃度處理及報警控制等工作。氣體傳感器作為天然氣檢測報警器的信號采集局部，是儀表的核心組成局部之一。由此可見，氣體傳感器的選型是非常重要的。2.2.1氣體傳感器介紹氣體傳感器的分類〔1〕半導氣體傳感器：這種類型的傳感器在氣體傳感器中約占60%，根據其機理分為電導型和非電導型，電導型中又分為外表型和容積控制型。〔2〕固體電解質氣體傳感器:固體電解質氣體傳感器固體電解質氣體傳感器使用固體電解質氣敏材料做氣敏元件。其原理是氣敏材料在通過氣體時產生離子，從而形成電動勢，測量電動勢從而測量氣體濃度。由于這種傳感器電導率高，靈敏度和選擇性好，得到了廣泛的應用，幾乎打入了石化、環保、礦業等各個領域，僅次于金屬氧化物半導體氣體傳感器。如測量H2S的YST-Au-WO3、測量NH3的NH+4CaCO3等。開發新的氣體傳感器，特別是開發和完善智能氣體傳感系統，使之可以在氣體泄漏事故中起到報警、檢測、識別、智能決策等方面的作用。大大提高氣體泄漏事故處置的工作效率和平安性，對于控制事故損失具有重要的作用。〔3〕接觸燒式氣體傳感器:接觸燃燒式氣體傳感器可分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式兩種。其工作原理是：氣敏材料在通電狀態下，可燃性氣體氧化燃燒或在催化劑作用下氧化燃燒，產生的熱量使電熱絲升溫，從而使其電阻值發生變化，測量電阻變化從而測量氣體濃度。這種傳感器只能測量可燃氣體，對不燃性氣體不敏感。例如，在Pt絲上涂敷活性催化劑Rh和Pd等制成的傳感器，具有廣譜特性，即可以檢測各種可燃氣體。接觸燃燒式氣體傳感器在環境溫度下非常穩定，并能對爆炸下限的絕大多數可燃性氣體進行檢測，普遍應用于石油化工廠、造船廠、礦井隧道、浴室、廚房等處的可燃性氣體的監測和報警。〔4〕高分子氣體傳感器:國外在高分子氣敏材料的研究和開發上有了很大的進展，高分子氣敏材料由于具有易操作性、工藝簡單、常溫選擇性好、價格低廉、易與微結構傳感器和聲外表波器件相結合等特點，在毒性氣體和食品鮮度等方面的檢測具有重要作用。〔5〕電化學傳感器:電化學傳感器通過與被測氣體發生反響并產生與氣體濃度成正比的電信號來工作。典型的電化學傳感器由傳感電極〔或工作電極〕和反電極組成，并由一個薄電解層隔開。通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會在正極與負極間流動。測量該電流即可確定氣體濃度。由于該過程中會產生電流，電化學傳感器又常被稱為電流氣體傳感器或微型燃料電池。〔6〕熱傳導傳感器:熱傳導傳感器與接觸燃燒式傳感器具有類似的結構形式，但是測量原理不同。它的測量原理是：將加熱后的鉑電阻線圈置于目標煙霧中，由于向目標氣體傳送熱量造成溫度降低，引起電阻值變化，傳感器即測量電阻值的變化情況。溫度的變化情況是目標氣體熱傳導率的函數，而對于一種給定的氣體，熱傳導率是它固有的物理特性。〔7〕紅外傳感器:利用紅外線的物理性質來進行測量的傳感器。紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射、散射、干預、吸收等性質。任何物質，只要它本身具有一定的溫度〔高于絕對零度〕，都能輻射紅外線。紅外線傳感器測量時不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應快等優點。2.2.2氣體傳感器的選定氣體傳感器是本系統設計的起點也是系統的重點，選擇適宜的傳感器成為決定系統設計成功的關鍵。天然氣檢測報警器主要應用在廚房、工廠等易發生天然氣體泄漏的場所，根據報警器檢測氣體的要求，一般選用接觸燃燒式氣敏傳感器和半導體氣敏傳感器。接觸燃燒式氣敏傳感器其探頭的阻緩及中毒是不可防止的問題。阻緩是當在氣體與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質的情況下，那么有可能在無焰燃燒的同時，有些固態物質附著在催化元件外表，阻塞載體的微孔，從而引起響應緩慢反響滯緩，靈敏度降低。雖然將阻緩的傳感器再放回新鮮空氣環境中有得到某種程度的恢復的可能，但是如果長期暴露在這樣的環境中，其靈敏度會不斷下降，導致該傳感器最終喪失檢測天然氣的能力。中毒是如果環境空氣中含有硅烷之類的物質時，那么傳感器將使催化元件產生不可逆轉的中毒，以致靈敏度很快就喪失。當疑心檢測環境中存在這些物質時，經常對探頭進行標定，是必須且有效的方法。因此，經常對傳感器進行標定，是保證其準確性的必要的途徑。一般連續使用兩個月后應對傳感器進行量程校準，這種經常性對傳感器的維護，無形中加大了工作人員的工作量，同時增加了報警器的維護本錢。半導體氣敏傳感器包括用氧化物半導體陶瓷材料作為敏感體制作的氣體傳感器以及用單晶半導體器件制作的氣體傳感器，它具有靈敏度高，響應快、體積小、結構簡單，使用方便、價格廉價等優點，因而得到廣泛應用。半導體氣敏傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性(抗干擾性)和穩定性(使用壽命)。經過比照上述兩種氣敏傳感器的應用特性，發現半導體氣敏傳感器的優點更加突出：靈敏度高、響應快、抗干擾性好、使用方便、價格廉價，且不會發生探頭阻緩及中毒現象，維護本錢較低等。因此，本設計采用半導體氣敏傳感器作為報警器氣體信息采集局部的核心。而在眾多半導體氣敏傳感器中，本設計選用MQ-4型氣敏傳感器，這種型號的傳感器具備一般半導體氣敏傳感器靈敏度高、響應快、抗干擾能力強、壽命長等優點。3天然氣檢測報警系統的硬件設計本設計的硬件電路的具體操作設計是：首先可以預先設置平安閾閾值，然后MQ-4傳感器采集天然氣濃度信號，并把信號及時傳遞給A/D模數轉換模塊把模擬信號轉化成數字信號再交單片機進行處理。單片機把數據和事先設置好的平安閾值比照，假設超出平安閾那么啟動聲光報警電路并開啟排風扇和關閉天然氣管道電磁閥。3.1總體硬件設計本設計的硬件組成局部主要有主控電路和外圍接口電路(AT89C51與平安閾設置電路，AT89C51與聲光報警電路，AT89C51與險情處理電路)連接起來，就得到了基于基于單片機的天然氣濃度檢測報警器的總體電路如圖3-1所示。圖3-1系統整體電路圖3.2單片機模塊的設計AT89C51介紹AT89C51是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構，芯片內集成了8為中央處理器和ISPFlash存儲單元，在眾多控制系統中得到廣泛應用。AT89C51為40腳雙列直插封裝的8位通用微處理器，采用工業標準的C51內核，其主要用于會聚調整時的功能控制。功能包括對會聚主IC內部存放器、數據RAM及外部接口等功能部件的初始化，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。引腳圖如圖3-2所示。圖3-2AT89C51引腳圖ATC89C51引腳功能功能介紹：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P0口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。在本系統中使用P0口來接通數碼管。P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。本系統中P1.1引腳控制超聲波模塊的發射，P1.0引腳控制超聲波模塊的接收。P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1〞時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1〞時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能存放器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。因此，本設計采用P2口的P2.0至P2.3四個引腳分別控制四個數碼管的選通。P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1〞后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流〔ILL〕這是由于上拉的緣故。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執行MOVX、MOVC指令時ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ALE禁止，置位無效。PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的信號將不出現。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3.2.2單片機最小系統設計單片機最小系統又稱為單片機的最小應用系統，是指用最少的原件組成的單片機可以工作的系統。在本設計中，單片機選用的是AT89C51，由電容、晶振、電阻、電源等組成最小系統，如圖3-3所示。圖3-3單片機最小系統硬件圖3.2.3AT89C51單片機的復位電路在整個天然氣檢測報警系統中，要進行實驗，必須對整個系統先復位。復位是單片機的初始化操作。單片機系統在上電啟動運行時，都需要先復位。其作用是使CPU和系統中其他部件都處于一個確定的初始狀態，并從這個狀態開始工作，因而，復位是一個很重要的操作方式。但單片機本身是不能自動進行復位的，必須配合相應的外部復位電路才能實現。單片機的外部復位電路有上電復位和上電和按鍵均有效的復位兩種。我們在設計單片機復位時，選用上電復位。上電要求接通電源后，單片機實現自動復位操作。上電瞬間RST引腳獲得高電平，隨著電容的充電，RST引腳的高電平將逐漸下降。RST引腳的高電平只要能保持足夠的時間〔2個機器周期〕，單片機就可以進行復位操作。該電路典型的電容參數為：晶振為12MHZ，電容值為1uF。51單片機復位電路如下列圖3-4所示。圖3-4單片機復位電路圖3.3氣體傳感器MQ-4電路介紹MQ-4氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫〔Sn02〕。當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ-4氣體傳感器對甲烷的靈敏度高，對丙烷、丁烷也有較好的靈敏度。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，特別是天然氣，是一款適合多種應用的低本錢傳感器。外形結構如圖3-5所示。圖3-5半導體氣體傳感器外形結構傳感器的根本測試電路是需要施加2個電壓：加熱器電壓〔VH〕和測試電壓〔VC〕。其中VH用于為傳感器提供特定的工作溫度。VC那么是用于測定與傳感器串聯的負載電阻〔RL〕上的電壓〔VRL〕。這種傳感器具有輕微的極性，VC需用直流電源。在滿足傳感器電性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一個電源電路。為更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當的RL值。如圖3-6所示。圖3-6根本測試電路MQ-4的技術指標如表3-1所示，因為在proteus的元器件庫中無法找到MQ-4氣體傳感器，所以在仿真時本設計中利用proteus元件庫中的滑動變阻器來代替MQ-4氣體傳感器，利用滑動變阻器的滑動變化進而來改變滑動變阻器兩端的實時電壓值等效的來替代室內的實時天然氣濃度的變化，從而在proteus的仿真設計中可以來解決這個問題。表3-1MQ-4技術指標產品型號MQ4檢測氣體天然氣、甲烷檢測濃度300-10000ppm〔甲烷、天然氣〕標準電路條件回路電壓VC≤24VDC加熱電壓VH5.0V±0.2VACorDC負載電阻RL可調標準條件下元件特性加熱電阻RH313〔室溫〕敏感體外表電阻RS2k-20k在5000ppmCH4靈敏度SRs(在空氣中)/Rs(5000ppm甲烷)≥5標準測試條件溫度、濕度20oC-2oC；65%RH標準測試電路VC：5.0V±0.1VVH：5.0V±0.1V預熱時間不少于48小時根據氣體傳感器MQ-4的相關參數所設計的具體室內天然氣濃度采集電路如下列圖3-7所示。圖3-7MQ-4檢測電路3.4險情處置與LED顯示險情處置單元作為天然氣報警裝置，聲光報警局部不可缺少，當檢測到天然氣在環境中所占的比例超標時，就應該通過聲光方式發出警報，防止由于天然氣濃度過高而發生的意外事故。本設計中的聲光報警局部包括蜂鳴器以及LED報警指示燈，由于排風扇天然氣通道電磁閥無法在proteus中仿真，所以用LED代替排風扇和電磁閥。其報警表現形式如下：〔1〕天然氣濃度在平安閾時：LED數碼管顯示當前天然氣濃度說明設備正常工作，此時排氣扇〔采用無觸點開關開啟〕和紅色LED〔代表電磁閥〕和蜂鳴器不工作。〔2〕天然氣濃度超出平安閾時：蜂鳴器報警，紅色LED〔電磁閥〕工作，排氣扇不工作。單片機本身I/O的驅動能力不是很高，所以對蜂鳴器的驅動需要參加一個PNP三極管，這樣能夠使蜂鳴器的聲音更加響亮，起到更好的報警作用。三極管基極電路保證了只有在單片機輸出低電平時，蜂鳴器才會發聲，防止了誤報警的發生。聲光報警單元與單片機的連接圖如圖3-8所示。圖3-8聲光報警電路3.4.2LED顯示LED數碼顯示器是一種由LED發光二極管組合顯示字符的顯示器件。它使用了8個LED發光二極管，其中7個用于顯示字符，1個用于顯示小數點，故稱之為7段發光二極管數碼顯示器。驅動LED的時候，應該分二種情況比方用共陽接法和共陰接法，共陽的時候LED正端接正電源，負端通過一個限流電阻接P口，這時不用接上拉電阻，只要這個限流電阻取適宜就可以了。發光管亮的時候電流就是從電源正——LED——限流電阻——P口，P口為低電位。發光管滅的時候沒有電流流過，P口為高電位或高阻狀態。共陰的時候，LED負端接地，正端直接P口，這時候要接上拉電阻，這個上拉電阻是提供LED發光用的，發光管亮的時候電流是從電源正——上拉電阻——LED——地，這時上拉電阻也是限流用的，P口為高電位或高阻狀態。發光管暗的時候，電流是從電源正——上拉電阻——P口，這時LED無電流流過，P口為低電位，限流電阻上流過電流全部從P口流入。本設計采用共陽極接法，如圖3-9所示。圖3-9共陽極七段顯示器的結構本設計通過觀察LED數碼顯示器顯示天然氣濃度值，判斷天然氣濃度值是否超過平安閾，如果超過，啟動聲光報警，同時翻開排氣扇并及時關閉電磁閥，使天然氣濃度降低。4天然氣檢測報警系統的軟件設計4.1主程序設計流程圖程序流程圖如下圖。首先要給傳感器預熱三分鐘，因為MQ-4型半導體電阻式氣體傳感器在不通電存放一段時間后，它再次通電時傳感器不能立即正常采集天然氣信息，需要一段時間預熱。程序初始化結束后，系統進入監控狀態。本論文的主程序設計先對傳感器預熱三分鐘，預熱同時，對傳感器加熱絲故障檢測，采用軟件方式檢測傳感器加熱絲或電纜線是否斷線或者接觸不良。然后通過對傳感器檢測的氣體濃度信號進行A/D轉換后傳遞給單片機進行數據處理，將濃度值與報警限設定值相比擬，如果環境內天然氣濃度值超出平安閾就進行報警和開啟排氣裝置否那么繼續檢測。主程序還包括可以人工設置平安閾的功能，使系統功能更加完善，給用戶帶來便利。主設計流程如圖4-1所示。NY系統初始化NY系統初始化程序開始采集傳感器電壓處理傳感器電壓判斷天然氣濃度是否超標？報警并啟動排風扇圖4-1主程序流程圖4.2Keil程序調試雖然本系統的核心是單片機，但是單片機本身并不具備自開發能力，我們必須借助相關軟件進行相關功能的開發、診斷和調試。在本次設計中我們選擇了美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統KeilC51。Keil提供了包括c編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，通過一個集成開發環境〔uVision〕將這些局部組合在一起。具體步驟如下：(1)翻開keil軟件，新建工程翻開keil軟件，選擇project——newproject創立新工程，如4-2所示。圖STYLEREF1\s4-2keil新建工程(2)選擇單片機輸入功能工程名之后，選擇AT89C51單片機作為模擬單片機，如REF_Ref324583465\h圖4-3所示。圖STYLEREF1\s4-3選擇單片機(3)新建文件并導入工程通過菜單File—New創立一個新的文字編輯窗口，我們可以將寫好的程序直接復制上面，也可以直接在上面編寫。編寫完畢以后選擇“保存〞。保存完畢后，會出現類似第2步的對話框，我們把第一個程序命名為a.c，保存在工程所在的目錄中，這時您會發現程序單詞有了不同的顏色，說明KEIL的C語法檢查生效了。此時鼠標在屏幕左邊的SourceGroup1文件夾圖標上右擊彈出菜單，在這里可以做在工程中增加減少文件等操作。我們選“AddFilestoGroup‘SourceGroup1’〞彈出文件窗口，選擇剛剛保存的文件，按ADD按鈕，關閉文件窗，程序文件已加到工程中了，如REF_Ref324583479\h圖4-4所示。圖STYLEREF1\s4-4Keil添加文件(4)設置生成hex文件HEX文件是一行行符合IntelHex文件格式的文本所構成的ASCII文本文件。這些記錄由對應機器語言碼或常量數據的十六進制編碼數字組成。由于keil默認不生成hex文件，因此我們要設置生成。如REF_Ref324583490\h圖4-5所示，右鍵單擊Target1選項，然后選擇第一個選項，進而在出現的output選項卡中勾選CreatHEXFile選項，即可以在選中的文件夾中編譯后生成HEX文件，如下列圖4-5所示。生成的HEX文件是可以在51系列單片機中添加調試使用的文件，在proteus中選擇調試無誤后生成的HEX文件進而可以使得編譯的軟件單片機聯合運行。通過運行的結果檢驗是否到達到軟件可操作性驗證的目的。圖STYLEREF1\s4-5設置生成HEX文件(5)編譯工程選擇Project—Buildtarget，那么開始編譯源程序。最終產生hex文件，參加Proteus中就可以對單片機就行仿真了，如REF_Ref324583499\h圖4-6所示。圖STYLEREF1\s4-6編譯源程序4.3Proteus仿真系統的軟件局部經過keil編譯以后還必須和硬件電路一起調試。對于硬件電路本次設計選用Proteus。該軟件是英國Labcenterelectronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。其仿真具體步驟如下：(1)畫出仿真電路圖如圖4-7所示，在proteus中畫出了電路圖，在正常情況下綠燈亮，此時天然氣濃度未超過平安閾，然后通過調節滑動變阻器的阻值變化來模擬反映出MQ-4傳感器接收到的外界天然氣濃度的變化情況。當天然氣濃度超出平安閾時紅色LED亮且蜂鳴器報警并且黃色LED亮〔代表啟動排風扇和電磁閥〕，仿真結果如圖4-7、4-8、4-9所示。圖4-7仿真電路原理圖圖4-8天然氣濃度正常時仿真圖圖4-9天然氣濃度泄漏時仿真圖5軟件與硬件聯機調試5.1硬件總體連接前面的第三、四章分別介紹了基于單片機的室內天然氣濃度檢測的硬件設計設計和軟件設計，本章將進行軟件與硬件的聯機調試。按照第三章硬件設計所設計焊接電路并使用相關軟件將程序燒錄進單片機中。得到室內天然氣濃度檢測報警設計實物焊接圖如下列圖5-1所示。圖5-1硬件總體連接圖5.2操作步驟第一步：首先如圖5-1所示連接好各模塊，接通電源先預熱3分鐘以保障傳感器能正常工作。預熱以后氣體傳感器會根據檢測到的室內天然氣濃度情況傳遞反映到電路并通過A/D轉換將室內的實時情況快速傳遞給單片機，并有單片機的顯示電路及時顯示室內天然氣濃度方便人們直觀的了解所處的室內環境天然氣濃度，如圖5-2所示。圖5-2實時監測天然氣濃度第二步：為了方便居民使用增加系統的應用性，本設計可以根據相關平安規定和居民所處實際情況人為的調整或設置天然氣檢測報警閾值。按S1鍵開始設置，S-2鍵增1、S-3鍵減1如圖5-3所示。圖5-3設置平安閾第三步：當系統檢測到室內的天然氣濃度超出我們事先所設置的平安閾的閾值時系統會立即聲光報警報警電路，同時為了居民的生命財產平安系統還會自動啟動排風扇和關閉電磁閥〔在實物中用紅色LED代替〕如圖5-4所示。圖5-4聲光報警、啟動排風扇關閉電磁閥6結論由于能源的日益緊張，同時人們對于環保要求越來越高，由這使得清潔能源天然氣成為人們的首選燃料，與此同時人們在使用天然氣時的平安問題也為大家所關注。天然氣檢測報警器可保障生產與生活的平安，防止火災和爆炸事故以及燃氣中毒的發生，它是防火、防爆和平安生產所必備的儀器，具有廣闊的市場空間與開展前景。本設計在對氣體傳感器和報警技術進行深入研究的根底上，全面比擬國內外同類產品的技術特點，合理地確定系統的設計方案。并對儀器的整體設計和各個組成局部進行了詳細的分析和設計。根據設計要求、使用環境、本錢等因素，選用MQ-4型半導體電阻式氣體傳感器。該傳感器是對以烷類氣體為主的多種氣體有良好敏感特性的廣譜型半導體敏感器件。它的靈敏度適中，具有響應與恢復特性好，長期工作穩定性、重現性、不易受環境影響及抗溫濕度影響等優點。在系統單片機控制電路的設計上，采用了AT89C51單片機作為核心芯片，充分利用了其高速數據處理能力和豐富的片內外設，實現了儀器的小型化和智能化。使儀器具有結構簡單、性能穩定、體積小、本錢低等優點。由于氣體傳感器需要在加熱狀態下工作，溫度越高，反響越快，響應時間和恢復時間就越快。為提高響應時間，保證傳感器準確地、穩定地工作，需要向氣體傳感器持續供應5V的加熱電壓。在本設計研制的報警器的根底上，可以再做適當的功能擴展，使天然氣濃度檢測報警器的功能更加完善，平安性更高，使用更加方便等。參考文獻[1]李建忠.單片機原理及應用〔第二版〕[M].西安電子科技大學出版社,2023.[2]周立功.單片機實驗與實踐教程〔三〕[M].北京:北京航空航天大學出版社,2023.[3]江世明.基于Proteus的單片機應用技術[M].北京:電子工業出版社,2023.[4]何立民.單片機高級教程〔應用與設計〕[M].北京:北京航空航天大學出版社,2023.[5]周明德.單片機原理與技術[M].北京:人民郵電出版社,2023.[6]張友德.單片微型計算機原理應用與實驗[M].上海:復旦大學出版社,2023.[7]鄒久朋.80C51單片機實用技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2023.[8]張靖武.單片機系統的Proteus設計與仿真[M].北京:電