【文章內(nèi)容簡介】 天然氣泄露檢測報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖 報警器各模塊的功能 （ 1） 電源模塊：提供電源、保護電路、電壓變換、穩(wěn)壓； （ 2） 天然氣 信號采集模塊：實時采集氣體濃度 ； （ 3） A/D 轉(zhuǎn)換模塊：把采集的模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號傳送給單片機； （ 4）聲光報警模塊 ： 當(dāng)檢測到氣體泄漏值超過報警限時， 發(fā)生報警； （ 5）顯示模塊：顯示氣體濃度和報警限； （ 6） 鍵盤模塊：通過按動上下鍵調(diào)節(jié)報警限； （ 7）語音模塊：向戶主提供語音提醒； 電源 MQ4 傳感器 信號調(diào)試電路 AD轉(zhuǎn)換 52 單 片機 聲光報警 數(shù)碼管顯示 模塊 按鍵輸入 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 3 天然氣泄露報警的硬件部分設(shè)計 單片機簡介 本設(shè)計采用 STC89C52 單片機作為系統(tǒng)的處理器 , STC89C52 是 STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 512 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線， MAX810 復(fù)位電路， 3 個 16 位 定時器 /計數(shù)器， 4 個外部中斷，一個 7 向量 4 級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng) 51 的 5 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工 串行口 ?？臻e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。最高運作頻率 35MHz， 6T/12T 可選。 它有幾個主要組成部分：中央處理器、存儲器、并行 I/O 口、定時器 /計數(shù)器。STC89C52 構(gòu)成的單片機系統(tǒng)是具有簡單的結(jié)構(gòu)、低廉的價格、高效的微控系統(tǒng)，具有較高的性價比。 STC89C52 的主要性能：首先它是 8051 單片機的升級版，具有6 時鐘 /機器周期和 12 時鐘 /機器周期可以任意選擇的特點，其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的 8051。在 IO 口方面，通用 I/O 口（ 32 個），復(fù)位后： P1/P2/P3 是準(zhǔn)雙向口 /弱上拉， P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時， 不必加上拉電阻，當(dāng)作為 I/O 口用時，要加上拉電阻。具有 EEPROM 功能和看門狗功能， 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器（即定時器 T0、 T T2）， 4 路外部中斷，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路 。 STC89C52 單片機的基本結(jié)構(gòu) STC89C52 單片機的基本結(jié)構(gòu)如圖 所示 。 圖 基本結(jié)構(gòu)圖 時鐘電路 CPU ROM RAM 定時計數(shù)器 中斷系統(tǒng) 串行接口 并行接口 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 由圖可見， STC89C52 單片機主要由以下部分組成： （ 1） CPU 系統(tǒng) ： 8 位 CPU 和閃爍存儲器；時鐘電路；總線控制邏輯。 （ 2）存儲器系統(tǒng) ： 8KB 的程序存儲器（ ROM/EPROM/Flash）； 512 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）。 （ 3） I/O 口和其他動能單元 ： 4 個并行 I/O 口； 3 個 16 位定時 /計數(shù)器； 2 個全雙工串行通信口；中斷系統(tǒng)（ 5 個中斷源） STC89C52RC 單片機的引腳 圖 STC89C52 管腳示意圖 （ 1）主電源及時鐘引腳： VCC、 GND 等。 （ 2） P0 端口（ ～ ， 39～ 32 引腳） 。 P0 口是一個漏極開路的 8 位雙向I/O 口。作為輸出端口，每個引腳能驅(qū)動 8 個 TTL 負載，對端口 P0 寫入 “ 1” 時，可以作為高阻抗輸入 。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時， P0 口也可以提供低 8 位地址和 8 位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線。此時， P0 口內(nèi)部上拉電阻有效。在 Flash ROM 編程時，P0 端口接收指令字節(jié)；而在校驗程序時，則輸出指令字節(jié)。驗證時，要求接 10K的上拉電阻。 （ 3） P1 端口（ ～ ， 1～ 8 引腳）： P1 口是一個內(nèi)部自帶上拉的 8 位雙向I/O 口。 P1 的輸出緩沖器可以直接驅(qū)動 4 個 TTL 的輸入。給端口寫 “ 1” 時，利用內(nèi)部上拉電阻可以把端口拉高。當(dāng)把 P1 口用作輸入口來使用時，因為有內(nèi)部上拉 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 電阻，那些被外部拉低的端口就會輸出電流。 表 和 引腳復(fù)用功能 引腳號 功能特性 T2（定時器 /計數(shù)器 2外部計數(shù)輸入），時鐘輸出 T2EX（定時器 /計數(shù)器 2捕獲 /重裝觸發(fā)和方向控制） （ 4） P2 端口（ ～ ， 21～ 28 引腳）： P2 口是一個內(nèi)部帶上拉的 8 位雙向I/O 端口。 P2 的輸出緩沖器也可以驅(qū)動 4 個 TTL 的輸入。當(dāng)給端口寫入 1 時，利用內(nèi)部的上拉電阻可以把端口拉到高，此時 P2 口可以被用作輸入口。 P2 作為輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，那些被外部器件拉低的引腳就會輸出電流。 P2 口也可以訪問外部存 儲芯片，訪問 16 位的存儲器時， P2 送出的是高 8 位的地址。在訪問 8 位地址的外部芯片存儲器時， P2 口引腳上的內(nèi)容（就是專用寄存器的 SFR區(qū)中的， P2 口寄存器的內(nèi)容），在訪問的整個期間都不改變。 (5） P3 端口（ ～ ， 10～ 17 引腳）： P3 是一個內(nèi)部帶上拉的 8 位雙向 I/O端口。 P3 口的輸出緩沖器可直接驅(qū)動 4 個 TTL 輸入。給端口寫 1 時，利用內(nèi)部的上拉電阻把端口拉高，這時 P3 口就可以作為輸入口。當(dāng) P3 用做輸入口使用時，因為內(nèi)部有上拉電阻，那些被外部器件拉低的引腳就會輸入一個電流。 在對 Flash ROM 編程或程序校驗時， P3 還接收一些控制信號 ， P1 接收低 8 位地址。 RST（ 9 引腳）：復(fù)位輸入。當(dāng)連續(xù)輸入兩個機器周期以上的高電平時才能有效，用來完成單片機的復(fù)位初始化操作?？撮T狗計時完成后， RST 引腳輸出 96 個晶振周期的高電平。特殊寄存器 AUXR（地址 8EH）上的 DISRTO 位可以取消此功能。DISRTO 位的默認狀態(tài)是復(fù)位高電平有效。 ALE（ 30 引腳）：地址鎖存控制信號的作用在訪問外部的存儲器時，鎖存低 8位地址的脈沖。在 Flash 編程時，在此引腳（ PROG）也用做編程輸入脈沖在一般情況下， ALE 會以晶振頻率 的 1/6 的頻率出脈沖，可以用來作為外部器件的定時器或 時鐘來使用（本設(shè)計就用到單片機的 ALE 管腳通過四分頻后為 ADC0809 提供時鐘）。 PSEN（ 29 引腳）：外部程序存儲器的選通管腳。當(dāng) STC89C52 執(zhí)行外部程序存儲器的程序代碼時 ， PSEN 需要在每個機器周期內(nèi)需要被激活兩次，而訪問外部的數(shù)據(jù)存儲器時， 錯誤 !未找到引用源。 PSEN 就不需要被激活。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 EA/VPP（ 31 引腳）：訪問外部程序存儲器的控制管腳。為了使從外部程序存儲器的 0000H 到 FFFFH 讀取指令， EA 必須接地。注意加密方式 1 時， EA 將內(nèi)部鎖定位 RESET。若是執(zhí)行內(nèi)部的程序指令， EA 需要接 VCC。 XTAL1（ 19 引腳）：振蕩器反相放大器和時鐘發(fā)生電路的輸入管腳。 XTAL2（ 18 引腳）：振蕩器反相放大器的輸 出 端。 振蕩器特性 : XTAL1 和 XTAL2 分別是反向放大器的輸入輸出端。該反向放大器可以被配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩都可以被采用。若采用的是外部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2 則不能接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻的觸發(fā)器，所以說對外部時鐘信號的脈寬沒有任何要求，但必須要保證脈沖 的高低電平所要求的寬度。 P3 口除作為一般 I/O 口外，還有其他一些復(fù)用功能，如表 所示： 表 P3 口管腳 管腳 配置功能 RXD（串行輸入端口） TXD（串行輸出端口） INT0（外部中斷 0 端口） INT1（外部中斷 1 端口） T0（定時器 0 的外部輸入） T1（定時器 1 的外部輸入） WR（外部數(shù)據(jù)存儲區(qū)間的寫入端口） RD（外部數(shù)據(jù)存儲區(qū)間的讀取端口） 設(shè)計 如圖 ，由 USB 接口提供電源， VCC 接 5V電壓， GND 接地構(gòu)成電源模塊。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 圖 電源模塊 如圖 ，天然氣信號采集部分是由氣敏傳感器 MQ AD 轉(zhuǎn)換器組成。 圖 信號采集部分 MQ4氣體傳感器 MQ4 氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導(dǎo)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(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。 MQ4 氣 體傳感器對液化氣、甲烷、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 表 MQ4 材料組成 圖 MQ4 基本電路 MQ4 基本電路中有 如 公式 ： 部件 材料 1 氣體敏感層 二氧化錫 2 電極 金（ Au） 3 測量電極引線 鉑（ Pt） 4 加熱器 鎳鉻合金（ NiCr） 5 陶瓷管 三氧化二鋁 6 防爆網(wǎng) 100 目雙層不銹鋼（ SUB316） 7 卡環(huán) 鍍鎳銅材（ NiCu） 8 基座 膠木或尼龍 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 ?? KRL 20 （ ） 濃度與電壓的關(guān)系函數(shù) 如公式 ： 濃度 =((1010*ADdata)/**ADdata)10^4 （ ppm） （ ） A/D轉(zhuǎn)換部分 A/D 轉(zhuǎn)換電路 MQ4 傳感器采集到的電壓信號接單 片機 。 圖 A/D 轉(zhuǎn)換部分 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 ADC0832 ADC0832 是 美國國家半導(dǎo)體公司 生產(chǎn)的一種 8 位分辨率 、 雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容 性，性價比高而深受單片機愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。學(xué)習(xí)并使用 ADC0832 可是使我們了解 A/D 轉(zhuǎn)換器 的原理，有助于我們單片機技術(shù)水平的提高。 ADC0832 具有以下特點： 8位分辨率； 逐次逼近式 A/D轉(zhuǎn)換器； 雙通道 A/D轉(zhuǎn)換； 輸入輸出電平與 TTL/CMOS相兼容； 5V電源供電時輸入電壓在 0～ 5V之間； 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 工作頻率為 250KHZ，轉(zhuǎn)換時間為 32μS； 一般功耗僅為 15mW； 8P、 14P— DIP（雙列直插）、 PICC 多種封裝； 商用級芯片溫寬為 0176。C to +70176。C，工業(yè)級芯片溫寬為 ?40176。C to +85176。C。 如 圖 ， ADC0832 芯片頂視圖 ： 圖 ADC0832 頂視圖 芯片接口說明： CS_片選 使能，低電平芯片使能。 CH0 模擬輸入通道 0，或作為 IN+/使用。 CH1 模擬輸入通道 1，或作為 IN+/使用。 GND 芯片參考 0 電位（ 地）。 DI 數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制。 DO 數(shù)據(jù)信號輸出，轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)輸出 。 CLK 芯片時鐘輸入。 Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 氣體結(jié)果測量計算 圖 MQ4 氣敏的靈敏度特性 其中 X 軸表示外界可燃氣體的濃度， Y 軸表示變化內(nèi)阻與固定電阻的值（ Rs/Ro）。 Rs：元件在不同氣體，不同濃度下的電阻值。 Ro:元件在潔凈空氣中的電阻值。 (Ro= K? ) 聲光報警部分 采集到的數(shù)字信號經(jīng)過單片機計算后，如果 天然氣 濃度達到報警器設(shè)置的臨界點時，單片機將控制蜂鳴器報警，同時 LED 亮。 LED 的正極與 PNP 三極管的集電極 c 相連，負極接 2K 電阻后接地。蜂鳴器采用 PNP 三極管來驅(qū)動，三極管發(fā)射極e 接電源正極（ +5V），基極接 1K 電阻后接單片機 端，集電極接蜂鳴器，通過蜂鳴器后接地。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 圖 聲光報警電路 計數(shù)器譯碼顯示電路 LED 的綜述