【文章內(nèi)容簡介】 泄漏的時候，報警器會發(fā)出聲光報警，有的同時還會有有關(guān)濃度的數(shù)字顯示，同時驅(qū)動外部設(shè)備，可以提醒用戶燃氣泄漏。有些報警器可以自動地開啟排風裝置，將燃氣排出到室外；有些報警器在報警的同時時可以自動關(guān)閉燃氣閥門，避免燃氣繼續(xù)泄漏。 (2)工業(yè)用可燃性氣體報警器及有毒有害氣體報警器只是檢測探頭有差異，在原理和應(yīng)用中都差不多。工業(yè)用燃氣報警器及有毒氣體報警器根據(jù)監(jiān)測環(huán)境的不同，也可分為檢漏儀、控制器和探測器。 檢漏儀的體積比較小，方便，所以可以隨身攜帶或者手持，主要應(yīng)用在檢查燃氣的密封性以及定期的檢查。若有燃氣泄漏， 檢漏儀就發(fā)出聲光警告，同時顯示當前氣體的濃度，以便于及時采取相關(guān)措施，避免爆炸等惡劣性事件的發(fā)生。 控制器與探測器相結(jié)合使用，可以長期監(jiān)控防爆現(xiàn)場的有毒氣體的濃度。探測器則安放于防爆現(xiàn)場，控制器則安裝在有人值班的值班室等地方，兩者可以采用電纜線將它們連接。當探測器檢測到現(xiàn)場的燃氣濃度超過標準值是，屏蔽電纜線會將此信號傳送給控制器，此時控制器會發(fā)出聲光警告，同時啟用排風裝置或者關(guān)閉燃氣閥門從而切斷氣源，確保人員等安全。這種類型的儀器廣泛應(yīng)用在液化氣站、汽車加油站、鍋爐房等地方。 本 論文 的主要任務(wù) 由于條件的限制，本文主要做的是基于 AT89C51 單片機的煤氣檢測報警系統(tǒng)，它是屬于小型的，便于攜帶的檢測裝置。在這個設(shè)計中，它包含傳感器模塊， AD 轉(zhuǎn)換模塊，單片機處理數(shù)據(jù)模塊， LCD 液晶顯示模塊，蜂鳴器報警模塊等 5 大模塊。 前期查閱大量資料、相關(guān)書籍，對各個模塊進行研究學(xué)習，并且熟悉各個模塊的工作原理及其內(nèi)部電路圖；中期制定各模塊件的連接布局，焊電路板以及調(diào)試電路板，保證電路板的可使用性和可靠性。后期進行單片機程序的設(shè)計及修改，燒寫調(diào)試以致達到預(yù)期的效果。在達到預(yù)期功能的基礎(chǔ)優(yōu)化升級。 本文按照畢業(yè)設(shè)計的完 成步驟書寫，第二章介紹相關(guān)的基本軟硬件知識，第三章介紹系統(tǒng)總體設(shè)計和部分硬件模塊的設(shè)計，第四章介紹各模塊的單片機程序的編寫，第五章介紹系統(tǒng)完成后的測試階段，第六章是總結(jié)與展望部分。第二章 相關(guān)軟件和芯片介紹 4 第二章 相關(guān)軟件和芯片介紹 對軟件工具的熟悉和運用是完成硬件電路設(shè)計和程序設(shè)計的基礎(chǔ)。同時，各類芯片的學(xué)習應(yīng)用的能力也極其重要。下面逐一介紹一些軟件和主要芯片 軟件部分 Protel 軟件 Protel 是 一 個龐大的 EDA(ElectronicDesignAutomation)軟件 ， 也 是完整的板級全方位電子設(shè)計系統(tǒng)，它 可以繪制電路的原理圖，進行模數(shù)電 混合信號 的 仿真、 設(shè)計多層印制電路板 （ 其中 包 括 印制電路板 的 自動布線 等 ）、 設(shè)計 可編程邏輯器件 等， 還 具有客戶 /服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，同時兼容其他設(shè)計軟件的 文 檔格式 ， 比 如 ORCAD， EXCEL 等 等 ， 它的 多層印制線路板的自動布線可實現(xiàn)高密度 PCB 的 100%布通率。 本論文采用 Protel 99 se 版本。 Protel 99 se 采用數(shù)據(jù)庫管理方式 ，同時 Protel 99 se 也有獨特的設(shè)計管理和 團隊合作 技術(shù) ，它是 全方位的印制板設(shè)計系統(tǒng)。 幾乎是每個電子專業(yè)人士必 用的軟件， 所有 的 Protel99 設(shè)計檔都被存儲在唯一的綜合設(shè)計數(shù)據(jù)庫中， 并且 顯示在唯一的綜合設(shè)計編輯窗口。 Protel 99 SE 和之前的老版本一樣，初學(xué)者方便易學(xué)。內(nèi)部的界面與 98 版本差不多，但是作為新版本，它增加了一些新功能模塊。同時， Protel 公司引進先進的技術(shù)，幫助設(shè)計者在設(shè)計過程中運用信號完整性分析功能，是設(shè)計獲得一次性成功。另外， 99 版本新特性就是可以按下界面的的小問號選擇所要的信息。 Keil 軟件 Keil C51 是 51 系列 的、 兼容 單片機 C 語言 程序的 軟件開發(fā)系統(tǒng) 。和匯編語言比較，keil 有明顯的優(yōu)勢，比如功能性、結(jié)構(gòu)性、可讀性等都比匯編要好。 Keil 軟件包含編譯器、宏匯編和強大的仿真調(diào)試器。 Keil 界面經(jīng)歷了幾代的發(fā)展，從 uVision2 到 uVision3 再到 uVision4。 uVision4 版本是本次程序編寫的主要軟件工具。新版本讓用戶更好的利用屏幕空間，并且提供高效整潔的開發(fā)環(huán)境。 51 單片機程序燒寫軟件 本設(shè)計是將 SST 系列單片 機作為處理器，所以采用 SST 公司提供的 SSTEasyIAP 和BSL(BootStrap Loader)軟件，將程序燒寫到單片機中。這套軟件包含兩部分，一部分是 PC機的 EasyIAP 應(yīng)用程序，另一部分是 51 單片機內(nèi)部的程序 BSL。這軟件可以根據(jù)單片機南京工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 外部的晶振頻率選擇合適的波特率。單片機與計算機的連接示意圖如圖 21。 圖 211 單片機與電腦連接示意圖 Figure 211 Diagram of connection of MCU and PC Altium Designer Altium Designer 主要在 Windows XP 系統(tǒng)中運行，它是 Altium 公司推出的一體化的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)。這軟件把原理圖設(shè)計，電路圖仿真，電路板繪制，自動布線等技術(shù)融合地很完美。設(shè)計者可以更加輕松地進行電路圖設(shè)計，熟悉使用這軟件可使電路設(shè)計質(zhì)量和效率翻倍。 Altium Designer 除了包含集繼承 Protel 99 SE 等軟件的功能優(yōu)點外，增加許多的改進功能。它拓寬了板級設(shè)計的傳統(tǒng)界面，讓設(shè)計 人員能將 FPGA 和 PCB 設(shè)計集成到一起。 Proteus Proteus 是又一款 EDA 仿真軟件工具，它最大的優(yōu)勢就是能夠仿真單片機及其外圍電路，是目前最好的單片機電路仿真軟件。它可以仿真 51 系列、 ARM 等單片機，在原理圖的虛擬模型上編程，配合外部電路可以看到運行后的結(jié)果。 硬件部分 氣體傳感器 氣體傳感器是一種感知某種特定氣體或一類氣體的元件，它的探測頭可以將探測到的氣體濃度等信息轉(zhuǎn)化成被人們所熟悉的電信號（電壓或電流），一般還包括排除干擾氣體、干燥等 功能。 氣體傳感器按照不同工作原理可以分成好幾類，包括有：半導(dǎo)體氣體傳感器，電化第二章 相關(guān)軟件和芯片介紹 6 學(xué)式氣體傳感器，催化燃燒式氣體傳感器，紅外線氣體傳感器等。氣體傳感器的主要特性有：穩(wěn)定性，靈敏度，選擇性，抗腐蝕性，使用壽命等等。在選擇氣體傳感器的時候，設(shè)計者一定要綜合以上的參考要素。 液晶顯示屏 液晶顯示模塊是一種將液晶顯示器件、連接件、集成電路、 PCB 線路板、背光源、結(jié)構(gòu)件裝配在一起的組件．英文名稱叫 “ LCD Module” ，簡稱 “ LCM” ，中文一般稱為 “ 液晶顯示模塊 ” 。 液晶顯示模塊以其顯 示信息量大、微功耗、超薄輕巧的諸多優(yōu)點，在小型、便攜、數(shù)字、智能化儀表中得到了廣泛的應(yīng)用。 液晶顯示模塊的種類由： a、段顯 LCM， b、點陣字符模塊， c、點陣圖形液晶模塊， d、 TFT液晶模塊。本文采用 LCD1602 液晶顯示模塊。 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的 點陣 型液晶模塊。它由若干個 5X7 或者 5X11 等 點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用 。 1602LCD 是指顯示的內(nèi)容為 16X2,即可以顯示兩行，每行 16 個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字） 。 本章 小結(jié) 本章介紹了系統(tǒng)設(shè)計過程中涉及基本的軟件 :硬件電路圖的繪制工具 protel 99 se 和Altium Designer,單片機程序編寫軟件 Keil uVision4 以及程序燒寫軟件 SSTEasyIAP 和BootStrap Loader(BSL)。此外，還介紹了氣體傳感器現(xiàn)狀和發(fā)展，以及本設(shè)計的液晶顯示屏的選擇 。對這些基本知識的了解和掌握，有助于系統(tǒng)設(shè)計的順利完成。 南京工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 第三章 硬件設(shè)計 本系統(tǒng)包括氣體傳感器模塊， AD 轉(zhuǎn)換模塊，單片機處理模塊，液晶顯示模塊，聲音報警模塊等五大模塊。氣體傳感器模塊負責感知空氣中有毒氣體，采集數(shù)據(jù)； AD 轉(zhuǎn)換模塊負責將傳感器采集的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號；單片機處理模塊負責處理數(shù)據(jù)，驅(qū)動液晶顯示以及報警器工作。 系 統(tǒng)方案設(shè)計 本課題要解決的是熟悉工廠空氣中煤氣成分，并檢測其含量，做及時的預(yù)測與報警，保證工廠生產(chǎn)的安全。根據(jù)課題的要求，結(jié)合自身情況，整體設(shè)計采用如圖 311 的設(shè)計方案。 圖 311 系統(tǒng)設(shè)計方案 Figure 311 The overall design scheme 根據(jù)設(shè)計方案，確定各部分采用的芯片或模塊，繪制系統(tǒng)硬件框圖，它將有助于理清設(shè)計的思路，形成設(shè)計的有序步驟，讓畢業(yè)設(shè)計更加循序漸進地完成，階段性的目標更加明確。系統(tǒng)設(shè)計整體框圖如圖 312。 圖 312 系統(tǒng)整體框圖 Figure 312 Frame of the system 單片機 AT89C51 液晶顯示 氣體 傳感器 A/D 轉(zhuǎn)換 蜂鳴器報警 單片機 最小系統(tǒng) 氣體 氣體傳感器 單片機系統(tǒng) 報警系統(tǒng) 顯示系統(tǒng) 第三章 硬件設(shè)計 8 氣體傳感器模塊 氣體傳感器是用于感知檢測環(huán)境中的有毒氣體（實驗測試用打火機演示，即感知丁烷）的濃度，并將數(shù)據(jù)傳送給 AD 轉(zhuǎn)換芯片。它是整個煤氣檢測系統(tǒng)的探測器，所以氣體傳感器的性能好壞及靈敏度等將會影響檢測結(jié)果的準確度。所以在選擇氣體傳感器的時候，這些重要的因數(shù)必須考慮，確保后續(xù)設(shè) 計的順利進行。 （ 1）氣體傳感器的選擇 根據(jù)傳感器的靈敏度、使用壽命、穩(wěn)定性等因素，并結(jié)合電子商城氣體傳感器的存貨狀況，本文選擇了 MQ2 煙霧傳感器。它適用于家庭或工廠的氣體泄漏檢測裝置，能夠檢測液化氣、一氧化碳、氫氣、甲烷、丙烷、丁烷、酒精、煙霧等。煤氣中含有的主要氣體成分是 CO，所以 MQ2 煙霧傳感網(wǎng)符合設(shè)計的要求。 MQ2 煙霧傳感器的參數(shù)說明如表 31： 產(chǎn)品型號 MQ2 產(chǎn)品類型 半導(dǎo)體氣敏元件 標準封裝 膠木（黑膠木） 檢測氣體 可燃氣體、煙霧 檢測濃度 30010000ppm（可燃氣體 ） 標準 電路 條件 回路電壓 Vc ≤ 24V DC 加熱電壓 VH 177。 負載電阻 RL 可調(diào) 標準測試條件下氣敏元件特性 加熱電阻 RH 31Ω177。 3Ω (室溫 ) 加熱功耗 PH ≤ 900mW 敏感體表面電阻 RS 3KΩ 30KΩ 2021ppm(丙烷 ) 靈敏度 S RS（ in air） /RS(1000ppm異丁烷 )≥ 5 濃度斜率 ɑ ≤ （ R （ 3000ppm ）/R(1000ppm)丙烷） 標準 測試 溫度、濕度 20℃ 177。 2℃； 65%177。 5%RH 標準測試電路 Vc:177。 南京工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 條件 VH:177。 預(yù)熱時間 不少于 48 小時 表 31 傳感器參數(shù)說明 Chart 31 The sensor parameters （ 2） MQ2 煙霧傳感器模塊的原理圖 如圖所示，管腳 4 分別接電源的正負極，管腳 3 與 TLC1549 的引腳 2 相連即將AD 轉(zhuǎn)換芯片讀取 傳感器的數(shù)據(jù)。其中， UIA 是運算放大器，實現(xiàn)放大信號的功能； C1 是 的電容，起到濾波的作用； Rp 是滑動變阻器，可以調(diào)節(jié)氣體傳感器的靈敏度； LED是上電指示燈。 圖 321 傳感器模塊原理圖 Figure 321 Schematic diagram of the gas sensor 這里的運算放大器采用 LM393 芯片，它有兩個獨立的、高精度電壓比較器組成。，可以由單電源供電，能夠減少溫漂引起的失調(diào)電壓 。 （ 3） MQ2 傳感器模塊的特點 ① 有信號輸出指示燈 ② 雙路信號輸出（模擬量輸出和 TTL 電平輸出） ③ 低電平是 TTL 的輸出有效電平 ④ 模擬量的輸出電壓范圍在 05V，濃度越高電壓值越高。 ⑤ 對液化氣、天然氣、城市煤氣的 靈敏度好。 ⑥ 使用壽命長以及穩(wěn)定性可靠 ⑦ 響應(yīng)恢復(fù)特性快 第三章 硬件設(shè)計 10 （ 4） MQ2 傳感器模塊實物 本文根