【正文】 ………………………………1 2 顯示電路 …………………………………… ………………………………… 12 中斷電路 ……………………………………………………………………… 13 第 4 章 可燃性氣體報(bào)警器的軟件設(shè)計(jì) ……………………………………………1 5 AT89S52 單片機(jī)調(diào)試及開發(fā)工具 ………………………………………………1 5 可燃性氣體報(bào)警控制器軟件流程及設(shè)計(jì) ……………………………………… 15 主程序流程圖及設(shè)計(jì) ………………………………………………………… 15 T0 中斷子程序 ………………………………………………………………… 16 線性化處理子程序設(shè)計(jì) ……………………………………………………… 17 十六進(jìn)制轉(zhuǎn)化十進(jìn)制子程序設(shè)計(jì) …………………………………………… 19 顯示子程序設(shè)計(jì) ……………………………………………………………… 20 鍵掃描子程序設(shè)計(jì) …………………………………………………………… 22 結(jié)論與展望 …………………………………………………………………………2 3 致 謝 ………………………………………………………………… …… 24 參 考文獻(xiàn) ………………………………………………………… ………………… 25 附錄 A：硬件電路總圖 … ……………………… … ……………………………… 26 附錄 B：外文文獻(xiàn)及譯文 … ……………………………………………………… 27 附錄 C：主要參考文獻(xiàn)及摘要 …………………………………………………… 31 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 附錄 D：程序清單 ………………………………………………………………… 33 第 1 章 緒論 課題研究的目的和意義及來源 課題研究的目的和意義 隨著石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，易燃、易爆、有毒氣體的種類和應(yīng)用范圍都有所增加。 而傳統(tǒng)的模擬型可燃性氣體報(bào)警控制器，對(duì)于氣體傳感器的特性補(bǔ)償、修正，采用齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 3 匹配補(bǔ)償傳感器的硬件調(diào)整方式；這種調(diào)整方式雖然具有現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整方便的優(yōu)點(diǎn)，但補(bǔ)償擬合的范圍窄，匹配傳感器的部件選擇困難，而難以獲得較好的補(bǔ)償、修正效果。 “ 檢漏儀 ” 的體積較小，可隨身攜帶或手持，采用堿 性電池或可充電電池供電，一般可以連續(xù)工作近 12 小時(shí)。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(cè)與報(bào)警，目前需要檢測(cè)的氣體種類由原來的還原性氣體 (H2， C4H10， CH4 等 )擴(kuò)展到毒性氣體 (CO， NO2， H2S， NO， NH3， PH3等 )。 (3) 接觸燃燒式氣體傳感器 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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。應(yīng)用于家庭和生產(chǎn)環(huán)境下的一氧化碳探測(cè)裝置，適宜于一氧化碳、煤氣，液化石油氣等的探測(cè)。 通過預(yù)設(shè)氣體濃度， MQ2 傳感器進(jìn)行檢測(cè)氣體濃度，假如 超過預(yù)設(shè)氣體濃度時(shí)，將發(fā)出聲音報(bào)警，并自動(dòng)啟動(dòng)排氣裝置。其地址狀態(tài)與通道對(duì)應(yīng)關(guān)系見表 91。 STC89C52 單片機(jī)接口電路如圖33 所示。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 17 圖 39 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 要使數(shù)碼管顯示 0— 9這 10個(gè)數(shù)字，只要控制其相應(yīng)的管腳所接發(fā)光二極管點(diǎn)亮便可完成。 在調(diào)試過程中，根據(jù)需要可以進(jìn)行軟件模擬仿真和硬件仿真。分段點(diǎn)的電壓值和濃度值分別存儲(chǔ)在兩個(gè)表格中，線性化處理子程序如圖 43 所示?？梢娪布恼{(diào)試是基礎(chǔ)，如果硬件調(diào)試不通過，軟件設(shè)計(jì)則是無從做起。 52系列單片機(jī)的信號(hào)線大體分為讀、寫信號(hào)線、片選信號(hào)線、時(shí)鐘信號(hào)線、外部程序存貯器讀選通信號(hào)（ PSEN）、地址鎖存信號(hào)（ ALE）、復(fù)位信號(hào)等幾大類。 軟、硬件 整體調(diào)試 軟、硬件聯(lián)調(diào) 是將已經(jīng)調(diào)試通過的軟件和硬件結(jié)合起來一起進(jìn)行調(diào)試。此電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，線性度好，溫漂小等優(yōu)點(diǎn)?？臻e模式下， CPU停止工作，允 許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或用 16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行 MOVX DPTR）時(shí)， P2 口送出高八位地址。然而，特別強(qiáng)調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE脈沖將會(huì)跳過。 DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。此外， /計(jì)數(shù)器 2的外部計(jì)數(shù)輸入（ ）和時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2的觸發(fā)輸入（ ），在 flash編程和校驗(yàn)時(shí)， P1口接收低 8位地址字節(jié)。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。它的靈敏度適中，響應(yīng)與恢復(fù)特性好， 長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性、重現(xiàn)性、抗環(huán)境氣氛影響及抗溫濕度影響等性能均優(yōu)。若調(diào)試通 過后，就可以編制應(yīng)用程序了。若有高 壓，聯(lián)機(jī)仿真器調(diào)試時(shí)，將會(huì)損壞仿真器等，有時(shí)會(huì)使應(yīng)用系統(tǒng)中的集成塊發(fā)熱損壞。 調(diào)試部分是單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的部分。但是標(biāo)定時(shí)輸出曲線往往不是一條理想的直線，所以要對(duì)標(biāo)定曲線進(jìn)行線性化處理，用一條擬合直線近似代替輸出曲線，線性化是智能儀表的典型功能之一。 (2) 設(shè)置斷點(diǎn) 用戶可以通過調(diào)試環(huán)境軟件的人機(jī)對(duì)話界面。 聲音報(bào)警電路 當(dāng)可燃性 氣體濃度超過限定值時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)出鳴叫報(bào)警 。 Vref—— 參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。 START—— 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。 首先，可燃性氣體濃度信號(hào)通過 MQ2 氣體傳感器將可燃性氣體濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過前置放大電路后，經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換 ， 輸出一個(gè)適合單片機(jī)接收的電壓信號(hào)，然后，送入 STC89C52 中，線性化數(shù)據(jù)處理后，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制濃度值。它主要適用于毒性氣體的檢測(cè)。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(gè)領(lǐng)域。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 5 第 2 章 可燃性氣體報(bào)警控制器的方案設(shè)計(jì) 氣體傳感器的選型 可燃性氣體傳感器是一個(gè)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(hào)，進(jìn)而由單片機(jī)采集信號(hào)、數(shù)據(jù)處理、濃度顯示以 便 報(bào)警控制。 我國(guó)在 70年代初期開始研制可燃性氣體報(bào)警控制器，生產(chǎn)型號(hào)多樣、品種較齊全，應(yīng)用范圍也由單一的煉油系統(tǒng)擴(kuò)展到幾乎所有危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境的各種類型報(bào)警器，產(chǎn)品數(shù)量也在不斷增加。在 2021 年 10月國(guó)家頒布《可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警器規(guī)程 JJG6932021 》 。該報(bào)警 器 可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確檢測(cè)可燃性氣體，并且可以長(zhǎng)時(shí)間可靠無誤的報(bào)警，具有很廣泛的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。液化石油氣、天然氣、煤氣等這些氣體主要含有烷類、烴類 、烯類、醇類、苯類以及一氧化碳、氫等成分，是易燃、易爆、有毒、有害的氣體。 因此，本次設(shè)計(jì) 采用了 “ 探測(cè)器 +單片機(jī)控制電路 ” 設(shè)計(jì)思路。該儀器主要應(yīng)用于燃?xì)夤艿赖牟槁┡c巡線。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。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(cè)量阻值變化 從而測(cè)量氣體濃度。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (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。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 圖 31 可燃性氣體報(bào)警控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu) STC89C52 系列單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 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(chǔ)器。 CLK—— 時(shí)鐘信號(hào)。 圖 36 STC89C52 單片機(jī)接口電路 (1) 復(fù)位模塊 復(fù)位操作可以使單片機(jī)初始化，也可以使死機(jī)狀態(tài)下的單片機(jī)重新啟動(dòng)， 因此非常重要。若要使數(shù)碼管顯示一個(gè)“ 3”字，只需控制其“ a、 b、 c、 d、 g”這幾個(gè)發(fā)光管點(diǎn)亮即可。 可燃性氣體報(bào)警控制器軟件流程及設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中，軟件要解決的主要問題是檢測(cè)傳感器送來的可燃性氣體濃度信號(hào)，進(jìn)行線性化處理，用 LED 顯示濃度，若濃度值超出限定值，報(bào)警器發(fā)出聲音報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)排氣裝置， 因此分為主程序、 T0 中斷子程序、線性化處理子程序、十六進(jìn)制轉(zhuǎn)化十進(jìn)制子程序，濃度顯示子程序、鍵掃描子程序六個(gè)部分。 Y YY = Y + X XX X ?下上下 下濾 濾下上（ ） （ ）（ ） (41) 式中 Y上 區(qū)間上限濃度值 Y下 區(qū)間下限濃度值 Y濾 實(shí)際氣體測(cè)試濃度值 X上 區(qū)間上限濃度對(duì)應(yīng)電壓值 X下 區(qū)間下限濃度對(duì)應(yīng)電壓值 X濾 實(shí)際氣體測(cè)試濃度對(duì)應(yīng)電壓值 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 23 開 始根 據(jù) 濾 波 后 的 電 壓 ,通 過 查 表 比 較 的 方 法確 定 所 在 的 分 段 區(qū) 間濾 波 后 電 壓 值 與 該 區(qū) 間電 壓 下 限 相 減X 2=X 濾 X 下區(qū) 間 上 下 限 濃 度 值 相減 Y 1=Y 上 Y 下完 成 16 16位 定 點(diǎn) 乘法 求 出 Z=X 2 Y 1區(qū) 間 上 下 限 電 壓值 相 減 X 1=X 上 X 下完 成 32247。 當(dāng)硬件設(shè)計(jì)從布線到焊接安裝完成之后，就開始進(jìn)入硬件調(diào)試階段，調(diào)試大體 可以 分為以下幾步。這些信號(hào)大多屬于脈沖信號(hào)，對(duì)于脈沖信號(hào)借助示波器（這里指通用示波器）用常規(guī)方法 很難觀測(cè)到，必須采取一定措施才能觀測(cè)到。這部分是單片機(jī)制作過程中最重要的調(diào)試部分。 本次設(shè)計(jì)也存在著一些需要完善的地方，譬如讓檢測(cè)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)行多點(diǎn)同時(shí)檢測(cè)、如何更加智能化的進(jìn)行報(bào)警工作，如何能更好的減少檢測(cè)誤差等問題值得去進(jìn)一步的研究和探討。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止 。在這種應(yīng)用中， P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送 1。如果需要，通過將地址為 8EH的 SFR的第 0位置 “1”， ALE操作將無效。特殊寄存器 AUXR(地址 8EH)上的齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 39 DISRTO位可以使此功能無效。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。使用高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。該傳感器是對(duì)以烷類氣體為主的多種可燃性氣體有良好敏感特性的廣譜型半導(dǎo)體敏感器件。 第二， 將 LED結(jié)合起來，借助開發(fā)機(jī)，通過編制程序（最好采用 “8” 字循環(huán)程序）進(jìn)行調(diào)試。加電后檢查各插件上引腳的電位，一般先檢查 VCC與 GND 之間電位，若在 5V～ 之間屬正常。 可見調(diào)試的工作量比較大。 初始化定時(shí)器 開始 初始化 AD 轉(zhuǎn)換器 AD 采集數(shù)據(jù) 按鍵掃描 初始化傳感器 數(shù)碼管顯示 按鍵處理 數(shù)據(jù)處理 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 21 開 始1 秒 ？采 樣 子 程 序3 次濾 波線 性 化 處 理超 過 上 限 值 ?十 六 進(jìn) 制 轉(zhuǎn) 化十 進(jìn) 制聲 音 報(bào) 警 , 啟 動(dòng)排 氣 裝 置采 樣 計(jì) 數(shù) + 1送 入 顯 示中 斷 返 回重 裝 T 0 初 值計(jì) 數(shù) 單 元 + 1YYYNNN 圖 42 T0 中斷子程序流程圖 線性化處理子程序設(shè)計(jì) 在單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，使用之前必須進(jìn) 行靜態(tài)標(biāo)定 (校準(zhǔn) )，以得到輸出信號(hào)與被測(cè)齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 信號(hào)的關(guān)系 輸出曲線，用來作為使用過程中的計(jì)量依據(jù)。具體包括： (1) 程序下載 當(dāng)用戶將源程序（ C語言）經(jīng) keil軟件語法檢查無誤并生成代碼時(shí)，就可以將程序代碼在如圖的環(huán)境中下載到 ]Flash芯片中，而用戶的系統(tǒng)可以是在線狀態(tài)。當(dāng)可燃性 氣體濃度超過限定值時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)出鳴叫報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng) 54 繼電器。 Vcc—— +5V 電源。對(duì)應(yīng) ALE 上跳沿， A、 B、 C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。根據(jù)多方面的比較， 本 設(shè)計(jì)選用生產(chǎn)的 STC89C52系列單片機(jī)作為報(bào)警器的核心控制器。它的優(yōu)點(diǎn)是 :反映速度快、準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測(cè)，但壽命較短 (大于等于兩年 )。其原理是氣敏材料在通過氣體時(shí)產(chǎn)生離子， 形成電動(dòng)勢(shì)，鋇 U 量電動(dòng)勢(shì)從而測(cè)量氣體濃度。在程序的編寫過程中，分別對(duì)主程序和各部分子程序進(jìn)行了流程圖的繪制，同時(shí)加入了 詳細(xì)的文字注釋，以便于后期的改進(jìn)與維護(hù) 。其中 FIGARO、 理研都是專門研制、生產(chǎn)可燃性氣體報(bào)警控制器的廠家，他們生產(chǎn)的產(chǎn)品以采用最先進(jìn)的氣敏傳感器、響應(yīng)速度快、性能可靠、壽命長(zhǎng)而著稱。 2021 年 12 月，國(guó)家執(zhí)行新的可燃性氣體探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn) (GB 153222021)《可燃?xì)怏w探測(cè)器》。 本設(shè)計(jì) 的可燃性氣體報(bào)警、控制器可以檢測(cè)空氣中以烷類氣體為主的多種可燃性氣體的濃度，實(shí)時(shí)顯示濃度值，當(dāng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的上限報(bào)警設(shè)定值時(shí)，發(fā)出聲音報(bào)警和控制信號(hào)，以提示操作人