【正文】 器 ” ，這是在工業(yè)裝置上和生產(chǎn)過程中使用最多的檢測儀器，可在防爆現(xiàn)場長期監(jiān)測氣體的濃度。這種儀器大都裝設(shè)在油庫、乙炔站、液化氣站和煤氣站齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 等易燃易爆的危險場所。探測器安裝在防爆現(xiàn)場，控制器放在值班室等有人值守的地方，二者采用屏蔽電纜線連接。當(dāng)在現(xiàn)場的探測器探測到燃?xì)庑孤┲螅ㄟ^屏蔽電纜線將信號傳到控制器 ，控制器發(fā)出聲光報警，同時啟動排風(fēng)裝置或關(guān)閉電磁閥切斷氣源，以確保安全。 本課題主要完成的任務(wù) 本課題是基于單片機的家用可燃性氣體檢測報警器控制器的研制，主要完成以下任務(wù)： (1) 對單片機報警器系統(tǒng)進行整體的規(guī)劃和結(jié)構(gòu)的設(shè)計。 (2) 以 STC89C52單片機為中央處理器，對硬件電路進行設(shè)計和改進，使其功能更加完善。系統(tǒng)硬件電路主要分為 A/D轉(zhuǎn)換電路、 STC89C52單片機接口電路、聲音報警控制電路、顯示電路四個部分。 (3) 系統(tǒng)的軟件編制。在程序的編寫過程中，分別對主程序和各部分子程序進行了流程圖的繪制，同時加入了 詳細(xì)的文字注釋，以便于后期的改進與維護 。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 5 第 2 章 可燃性氣體報警控制器的方案設(shè)計 氣體傳感器的選型 可燃性氣體傳感器是一個氣 電變換器，它的作用是把可燃性氣體在空氣中的含量(即濃度 )變成電信號，進而由單片機采集信號、數(shù)據(jù)處理、濃度顯示以 便 報警控制。傳感器作為對可燃性氣體的敏感元件，是各種類型 (袖珍式、便攜式、固定式 )儀表的核心之一。因此，傳感器的選型是非常重要的 [3]。 氣體傳感器的種類 國外從 30年代開始研究開發(fā)氣體傳感器。過去氣體傳感器主要用于煤氣、液化石油氣、 天然氣以及礦井中的瓦斯氣體的檢測與報警，目前需要檢測的氣體種類由原來的還原性氣體 (H2， C4H10， CH4 等 )擴展到毒性氣體 (CO， NO2， H2S， NO， NH3， PH3等 )。氣體傳感器種類繁多，從原理上可以分為 三 大類 ： (1) 利用物理化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器 :如半導(dǎo)體、催化燃燒等。 (2) 利用物理性質(zhì)的氣體傳感器 :如熱導(dǎo)、光干涉、紅外吸收等。 (3) 利用電化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器 :如電流型、電勢型等。 下面對工業(yè)上常用的幾種氣體傳感器作以簡單介紹。 (1) 半導(dǎo)體氣體傳感器 這類傳感器主要使用半導(dǎo) 體氣敏材料，利用氣敏元件的電阻、電流或電壓隨氣體濃度變化的原理工作的。由于具有靈敏度高、響應(yīng)快、輸出信號強、耐久性強、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜等諸多優(yōu)點，這類傳感器得到了廣泛的應(yīng)用 。 目前，世界上許多國家開展了對半導(dǎo)體氣敏材料的研究，其中日本、美國處十領(lǐng)先地位，我國也投入大量資金和人力進行研究，并取得一定成果。該傳感器己成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的氣體傳感器之一。 (2) 固體電解質(zhì)氣體傳感器 這是一種產(chǎn)量僅次于半導(dǎo)體氣體傳感器的一類傳感器。它使用固體電解質(zhì)材料作為氣敏元件。其原理是氣敏材料在通過氣體時產(chǎn)生離子， 形成電動勢，鋇 U 量電動勢從而測量氣體濃度。由于這種傳感器電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，因而得到了廣泛的應(yīng)用，幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個領(lǐng)域。如測量 H2S YSTAuWO3， NH3 的 NH39。4CaCO3等。但這種傳感器制造成本高，檢測氣體范圍有限，在檢測環(huán)境污染領(lǐng)域中有優(yōu)勢。 (3) 接觸燃燒式氣體傳感器 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 這類傳感器可分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式氣體傳感器。其工作原理是 ：氣敏材料在通電狀態(tài)下，可燃性氣體 氧化燃燒或在催化劑作用下氧化燃燒，產(chǎn)生的熱量使電熱絲升溫，從而使其電阻值發(fā)生變化，測量阻值變化 從而測量氣體濃度。接觸燃燒式氣體傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對爆炸 F限的絕大多數(shù)可燃性氣體進行檢測，普遍應(yīng)用于石化工廠、造船廠、礦井隧道、浴室、廚房等處可燃性氣體的監(jiān)測和報警。這類傳感器只能測量可燃性氣體，對不可燃性氣體不敏感。在燃?xì)獗ㄏ孪迌?nèi)輸出為線性、只與燃?xì)鉂舛瘸烧?、溫度和濕度的變化對其工作狀態(tài)影響很小、選擇性好、反映準(zhǔn)確、精度高、再現(xiàn)性好。其不足的是催化劑壽命有限，當(dāng)在可燃性氣體與空氣的混合物中有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下，則有可能在無焰催化燃燒的同時，有些固態(tài)物質(zhì)附著在催化元件表面，阻塞載體的 微孔，從而引起響應(yīng)緩慢，反應(yīng)滯緩或中毒，使靈敏度降低。 (4) 高分子氣體傳感器 利用高分子氣敏材料制作的氣體傳感器近年來得到很大的發(fā)展。高分子氣敏材料在遇到特定氣體時，其電阻、介電常數(shù)、材料表面聲波傳播速度和頻率、材料重量等物理性能發(fā)生變化 D21 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(jié)構(gòu)傳感器和聲表面波器件相結(jié)合，在毒性氣體和食品鮮度等方面的檢測中具有重要作用。高分子氣體傳感器具有對特定氣體分子靈敏度高，選擇性好，且結(jié)構(gòu)簡單，能在常溫下使用，可以彌補其它氣體傳感器的不足。 (5) 電化學(xué)傳感器 這類傳感器由膜電極和電解液灌封而成。氣體濃度信號將電解液分解成陰陽帶電離子，通過電極將信號傳出。它的優(yōu)點是 :反映速度快、準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測，但壽命較短 (大于等于兩年 )。它主要適用于毒性氣體的檢測。目前國際上絕大部分毒氣檢測采用該類型傳感器。 MQ2 傳感器簡介 MQ2 傳感器概述 MQ2 是鄭州煒盛電子科技有限公司生產(chǎn)的可燃?xì)怏w傳感器，對一氧化碳、甲烷，液化石油氣具有很高的靈敏度和良好的選擇性。具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性，驅(qū)動電路簡單，較大的電信 號輸出 。應(yīng)用于家庭和生產(chǎn)環(huán)境下的一氧化碳探測裝置，適宜于一氧化碳、煤氣，液化石油氣等的探測。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 7 MQ2 傳感器詳細(xì)說明 MQ2型氣敏元件的敏感層是用非常穩(wěn)定的二氧化錫制成的。因此，它具有優(yōu)秀的長期穩(wěn)定性，在正常使用條件下，其使用壽命可達(dá) 5 年。 圖 21給出了 MQ2元件對不同氣體的靈敏度特性。溫度為 20 攝氏度，濕度為 65%，氧氣濃度為 21%， RL=l0k， Ro 為 1000ppmLPG（液化石油氣）中氣敏元件電阻， Rs 為不同氣體不同濃度下氣敏元件電阻。 圖 21 MQ2靈敏度特性曲線 MQ2工作原理： 傳感器的表面電阻 Rs是通過與其串聯(lián)的負(fù)載電 阻 RL上的有效電壓信號 VRL輸出而獲得的。二者之間的關(guān)系為： 公式（ 31） 圖 22 為負(fù)載測試曲線圖，是利用測試回路測得在傳感器由潔凈空氣轉(zhuǎn)移至一氧化碳或甲烷氣氛中時， RL 上的信號輸出變化情況，輸出信號的測定是在一個完整的加熱周期或在兩個完整的加熱周期內(nèi)測得 。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 圖 22 負(fù)載測試曲線圖 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 第 3 章 可燃性氣體報 警控制器的硬件設(shè)計 可燃性氣體檢測報警器的設(shè)計 在可燃性氣體報警控制器的設(shè)計中，單片機是儀表的核心部件。它一方面接收 傳感器檢測到的可 燃性氣體濃度 所 對應(yīng)的模擬電壓信號，另一方面要對這一信號進行處理，控制 報警、控制電 路進行相應(yīng)操作，與此同時判斷是否收到外部中斷請求。在單片機所實現(xiàn)的這些 功 能中，特別是信號處理部分，需要單片機有較快的運行速度，才能對現(xiàn)場氣體濃 度 做出快速、準(zhǔn)確的檢測，進行相應(yīng)的處理。同時考慮選擇低價實用的機型，并為制同一系列的低功耗產(chǎn)品做準(zhǔn)備。根據(jù)多方面的比較， 本 設(shè)計選用生產(chǎn)的 STC89C52系列單片機作為報警器的核心控制器。 首先，可燃性氣體濃度信號通過 MQ2 氣體傳感器將可燃性氣體濃度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過前置放大電路后，經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換 ， 輸出一個適合單片機接收的電壓信號，然后，送入 STC89C52 中，線性化數(shù)據(jù)處理后，將電壓信號轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的十六進制濃度值。最后，將濃度值送入 LED 數(shù)碼管顯示。當(dāng)檢測到的可燃性氣體濃度超出上限報警設(shè)定值時，報警器發(fā)出聲音報警，同時繼電器啟動驅(qū)動排氣裝置，實現(xiàn)排氣系統(tǒng)的自動控制。 可燃性氣體檢測報警器的結(jié)構(gòu) 可燃性氣體報警控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 31 所示，系統(tǒng)以 STC89C52 單片機為核心，配合外圍電路共同完成信號采集、濃度顯示、聲音報警、 自動控制 等功能。 通過預(yù)設(shè)氣體濃度， MQ2 傳感器進行檢測氣體濃度，假如 超過預(yù)設(shè)氣體濃度時，將發(fā)出聲音報警，并自動啟動排氣裝置。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 圖 31 可燃性氣體報警控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu) STC89C52 系列單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點 STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案 [2]。 STC89C52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能 :8k字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器 ， 2個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個 6向量 2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外， STC89C52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電 模式。空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。 其引腳電路如圖 32所示， STC89C52 主要性能有以下幾點： (1) 與 MCS51單片機產(chǎn)品兼容 (2) 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash存儲器 (3) 1000次擦寫周期 (4) 全靜態(tài)操作： 0Hz～ 33Hz (5) 三級加密程序存儲器 (6) 32個可編程 I/O口線 (7) 三個 16位 定時器 /計數(shù)器 (8) 八個中斷源全雙工 UART串行通道 (9) 低功耗空閑和掉電模式 (10) 掉電后中斷可喚醒 單 片 機 濃度采樣電路 濃度比較 聲、光報警 輸出控制 5V 電源 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 11 (11) 看門狗定時器 (12) 雙數(shù)據(jù)指針 (13) 掉電標(biāo)識符 圖 32 STC89C52引腳圖 可 燃性氣體報警控制器的電路設(shè)計 A/D 轉(zhuǎn)換電路 ADC0809 芯片為 28 引腳為雙列直插式封裝，其引腳排列見圖 。 對 ADC0809 主要信號引腳的功能說明如下： IN7～ IN0—— 模擬量輸入通道 ALE—— 地址鎖存允許信號。對應(yīng) ALE 上跳沿， A、 B、 C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。 START—— 轉(zhuǎn)換啟動信號。 START 上升沿時，復(fù)位 ADC0809； START 下降沿時啟動芯片，開始進行 A/D 轉(zhuǎn)換；在 A/D 轉(zhuǎn)換期間， START 應(yīng)保持 低電平。本信號有時簡寫為ST. A、 B、 C—— 地址線。 通道端口選擇線， A 為低地址， C為高地址，引腳圖中為 ADDA，ADDB 和 ADDC。其地址狀態(tài)與通道對應(yīng)關(guān)系見表 91。 CLK—— 時鐘信號。 ADC0809 的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 此有時鐘信號引腳。通常使用頻率為 500KHz 的時鐘信號 EOC—— 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。 EOC=0,正在進行轉(zhuǎn)換； EOC=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可作為 中斷請求信號使用。 D7～ D0—— 數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機的數(shù)據(jù)線直接相連。D0 為最低位， D7 為最高 OE—— 輸出允許信號。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻； OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。 Vcc—— +5V 電源。 Vref—— 參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。其典型值為 +5V(Vref(+)=+5V, Vref()=5V). 圖 35 A/D轉(zhuǎn)換電路 VIN1 采集傳感器輸出的信號電壓信號 ，當(dāng)采集的電壓超過 時，即表示濃度超過約 45%時，系統(tǒng)將發(fā)生報警。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 13 STC89C52 單片機接口電路 STC89C52 采用 PQFP 貼片式的封裝形式，有 40 個管腳。根據(jù)單片機制作的原理以及報警器實現(xiàn)的功能，其接口電路主要分為 五 個部分。 STC89C52 單片機接口電路如圖33 所示。 圖 36 STC89C52 單片機接口電路