1、便携式可燃气体检测仪毕业设计论文编号： 毕业设计说明书题 目： 便携式可燃气体检测仪 院 （系）： 电子工程与自动化学院 专 业： 智能科学与技术 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发摘 要 本设计利用三个MQ-X系列可燃气体传感器，分别为检测一氧化碳的MQ-7，检测甲烷的MQ-9,和检测乙炔的2M004，再使用这些传感器之前先预热十分钟左右，预热完之后将这些传感器放置于待测的环境中，这些传感器可以根据可燃气体的浓度分别转换为电压，然后再将转换得的电压经过TLC549进行模数转换最后送入AT89S52单片机处理。为了方便用户对可燃气体浓度的实时了解，在AT89S52
2、单片机外围链接了用于显示的LCD1602液晶显示屏，把经过单片机处理过的浓度值显示在液晶屏上，以防止事故的发生；为了更好的设置可燃气体的报警浓度，还在单片机周围链接了按键以便于设置报警浓度，当所测得的浓度超过设置的浓度时，单片机控制发光二极管和蜂鸣器发光发声；通过串口把实时采集到的浓度传给上位机，并在上位机上显示出来，从而实现在上位机上的监测。 本次设计便携式可燃气体检测仪所用的AT89S52单片机价格便宜，性能稳定。以MQ-X系列的可燃气体传感器和以AT89S52单片机为核心设计的可燃气体检测仪，设计方法简单易行，使用效果良好。下面给出了便携式可燃气体监测仪的总体设计原理，硬件电路和所有的软
3、件设计。 关键词： 气体传感器，AT89S52单片机，上位机，模数转换AbstractThis design USES three MQ - X series of combustible gas sensor, respectively for the detection of carbon monoxide MQ - 7, mq-9 to detect methane, and detection of acetylene 2 m004, then use these sensors to preheat before ten minutes or so, preheating after
4、 placing the sensors in the test environment, these sensors can be according to the concentration of combustible gas is converted to a voltage respectively, and then will be converted to voltage after eight bits, modulus conversion finally into the single chip microcomputer AT89S52. For the convenie
5、nce of users of real-time understanding of the combustible gas concentration, the AT89S52 microcontroller peripheral link is used to display LCD1602 LCD display screen, the treated by single chip microcomputer was displayed in the LCD screen, in order to prevent the happening of the accident; In ord
6、er to set the concentration of combustible gas alarm, also around the microcontroller link the button to set the alarm concentration, when measured by the concentration of more than one set of concentration, single-chip microcomputer control light-emitting light-emitting diodes (leds) and a buzzer s
7、ound; Via a serial port to the PC, the concentration of real-time collected and displayed in the upper unit, so as to realize the upper machine monitoring.The design of a portable combustible gas detector using AT89S52 microcontroller is cheap, stable performance. MQ - X series of combustible gas se
8、nsors and AT89S52 microcontroller as the core design of combustible gas detector and the design method is simple, the use effect is good. Here are the general design principle of a portable combustible gas monitor, all hardware circuit and software design.Key words: Gas sensor, AT89S52 single-chip c
9、omputer and PC, modulus conversion引言 随着我国工农业的快速发展，现在的很多人已经过上了小康的生活，现在的家庭中都普遍用煤气或者天然气替代以前的柴火作为家庭的燃料已越来越受到工厂和城市居民的欢迎，这些燃料给我们的生活带来了很多的方便，煤气用户的增多，输送可燃性气体的各项设备也大量的增加，由于管理和使用不当，会造成气体的泄露，带来了不小的麻烦和危害，将空气污染，轻者令人头昏或呕吐，重者会引起中毒、爆炸、火灾等。这些危害当中最为突出的问题就是煤气、天然气中毒或者爆炸事件。几乎每一天都会发生这样的惨剧，报纸、网页的头版头条几乎都是这类悲痛的事件。每年因煤气泄漏造成的
10、煤气中毒事故中，因使用热水器不当或产品本身的质量问题造成的一氧化碳中毒事故全国均有不少事例，更有甚者，因室内煤气浓度过高引起煤气爆炸的事故也不少见。所以为了防止这类悲痛的事故再是发生，保护人民的生命财产安全，必须要找到一个解决的办法。而便携式可燃气体检测仪就是为了防止这类的事故再是发生的设计出来的。当今社会，出现许多种可燃气体报警器，而这些产品大都是针对煤气的泄漏作相应的报警，即为家庭式。但是随着社会的发展，煤气报警器也在由单一的家庭式发展为小区监控。对某个区域的燃气泄漏进行监控，这是今后的发展趋势。随着人民物质生活水平的提高，燃气使用率不断增加，对于燃气泄漏的检测越来越引起大家的重视，我国许
11、多城市已制定了一些新建住宅必须安装燃气泄漏报警器的相关规定，该型可燃气体报警器针对以上问题开发的一种安全装置，该报警器能根据可燃气体检测浓度进行声光报警，并控制相应设备进行工作，实现安全保护，是城市燃气工程中所必需的产品，所以市场前景良好，同时这也为城市居民使用燃气解除了后顾之忧。现在的城市居民居住基本上高楼大厦，每栋大厦基本上都有管理员管理，而本次设计的便携式可燃气体检测仪就更能发挥其作用了，只要家庭安装了这种装置，并且与管理员的上位机进行连接，就能让管理员实时监测。便携式可燃气体检测仪因为便捷实用，方便居民生活，所以它是当下家庭的所需。 便携式可燃气体不仅能在家庭当中使用，还可以在工业当中
12、使用，例如它安装在煤矿井中检测甲烷气体的浓度，防止瓦斯爆炸，保护矿井地下工人的人生安全,也可以安装在容易泄露可燃气体的工厂车间中。根据网上数据显示5月11日14时20分，四川省泸州市泸县富集镇桃子沟煤矿发生瓦斯爆炸事故，截至目前，事故导致28人遇难，8人重伤，10人轻伤。此次事故是一起重大责任事故，事故原因初步分析为，桃子沟煤矿涉嫌非法组织生产，在未批区域违规设置多个作业点，在通风性差的条件下作业，导致瓦斯浓度增大，遇火爆炸。贵州省安顺市平坝县大山煤矿5月10日晚发生瓦斯爆炸事故，已造成12人死亡、2人受伤。 由此可见便携式可燃气体检测仪不仅在人们的日常生活中扮演重要角色，而且在煤矿等工业中也
13、发挥着至关重要的作用，所以实时准确测量周围环境中的可燃性气体，有毒有害气体泄露，对保护人民的身体健康和财产安全有重要意义。如何开发出稳定可靠、高性能价格比的装置，成为急需解决的课题。1 研究课题概述 可燃气体检测仪是一种检测泄露气体浓度的仪器仪表工具，主要是指便携式/手持式气体检测器。本课题研究的是便携式可燃气体检测仪，它的主要工作原理是利用不同的可燃气体气体传感器来检测周围环境中存在的可燃气体种类以及各种气体的成份和含量。一般认为，气体传感器的定义是以检测目标为分类基础的，也就是说，凡是用于检测气体成份和浓度的传感器都称作气体传感器（气体检测仪），不管它是用物理方法，还是用化学方法。比如，检
14、测气体流量的传感器不被看作气体传感器，但是热导式气体分析仪却属于重要的气体传感器，尽管它们有时使用大体一致的检测原理。1.1 研究目标 本文所设计的可燃气体数字报警器是利用AT89S52单片机为控制核心。以MQ-X系列可燃气体传感器为采集器件，将气体传感器放置于检测的环境中，气体传感器根据可燃气体浓度的变化输出电压的值，然后通过TLC549进行模数转换，模数转换完成后送入主控芯片AT89S52进行处理，把处理得到的浓度值通过串口与上位机通信，把浓度值在上位机界面显示出来和在液晶显示屏LCD1602显示出来，以便与进行实时监测。通过外围的按键电路可以实现对报警浓度的上限值设置，当所检测到的浓度高
15、于设置的浓度值时，主控芯片控制外围的报警电路，使发光二极管发光和蜂鸣器发出声音从而达到报警的目的。 系统以AT89S52为核心，以可燃气体传感器为采集器件，TLC549作为模数转换器件， LCD1602液晶显示屏来显示实时的浓度值，MAX232串口模块为通信桥梁设计的。实现：1.能够准确的测量周围环境中的可燃气体的泄露；2.实现把采集到的模拟信号转换成数字信号；3.实现液晶屏和上位机的浓度显示；4.实现主控芯片AT89S52与上位机的通信；5实现主控芯片对各个模块的控制；6.基本实现对报警电路的控制；1.2 研究方案设计是利用单片机控制技术，制作了一氧化碳、乙炔、甲烷三种气体与一体的报警器。该
16、仪器对这三种气体进行实时监控，当这些气体的浓度超过上限值时，单片机发送所接收到的气体浓度给上位机进行实时的监测，并且单片机控制电路进行发声发光报警，时刻提醒人们，以防事故发生。基于AT89S52性价比高的优势，主要运用了AT89S52单片机进行控制。而对与报警器而言至关重要的部分是传感器，由于MQ-X系列气敏元件采用半导体敏感材料，其灵敏度、选择性、稳定性、抗干扰性、响应时间及寿命等主要性能，均达到国内先进水平.用该系列元件组装成易燃易爆气体泄漏报警器及检测装置，可广泛运用于矿山、油田、化工、国防、医药及家庭，所以在设计中采用的是MQ-X系列传感器。在模数转换这块，利用TLC549实现模数转换
17、，TLC549是8位逐次渐进型的A/D转换器，它采用COMS工艺8个引脚双列直插式封装，与微机相连时不需要附加接口电路。为了方便用户了解浓度信息，好提前准备，还采用了显示环节。显示环节又分为液晶显示和上位机显示。显示器显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小。可以提供单独锁存的I/O接口电路很多。上位机显示就是通过串口连接上位机机，把要显示在上位机上的数据通过串口发
18、送到上位机上面。总的来说，本次设计主要利用了以上的检测模块，A/D转换模块，显示模块，控制模块四大模块，组成了可燃气体探测报警器。而最核心的控制器又是由AT89S52单片机控制其余的外围电路的。所以叫基于AT89S52单片机的便携式可燃气体检测仪。1.3 国内外报警行业的发展随着我国的改革开放，我国的经济科技得到了飞跃的发展，我国电子信息业在上世纪八十年代第一次腾飞后，国民经济信息化进程的加快，之后又进入持续快速发展的新时期。这个时期电子信息产业的主要特征表现为：一是正在从单一的制造业转变为物质生产与知识生产，装备制造与系统集成，硬件制造与软件制造，工业生产与信息服务相结合的现代信息产业；二是
19、产业结构，产品结构，企业结构，运行机制，管理模式等方面发生了深刻变化；三是我国信息产业成为国民经济的支柱产业和先导产业，是新世纪的战略产业，为国民经济和社会信息化建设提供主要技术和物质支撑。 报警器技术及其产业的特点是：基础、应用两头依附；技术、投资两个密集；产品、产业两大分散。基础、应用两头依附，是指报警器技术的发展依附于敏感机理、敏感材料、工艺设备和计测技术这四块基石。敏感机理千差万别，敏感材料多种多样，工艺设备各不相同，计测技术大相径庭，没有上述四块基石的支撑，报警器技术难以为继。 仪器仪表行业在中国经过一个阶段的发展，已经趋近成熟。而气体报警器作为工业仪器仪表的一个重要项目，它不仅代表
20、了仪器仪表的发展状况，也反映了工业化的发展程度。用于气体报警器的传感器也在经历着飞速的变化，经过了多次的技术创新和更新换代，传感器行业，可燃气体报警器行业又迎来了新的发展和突破。在传感器行业，一直在进行着反复试验，希望通过工程创新方法来改善传感器的灵敏度，但遗憾的是业界并没有一个新的框架来总括所有的经验法则，以作为新一代传感器的设计方法。而来自美国普度大学的工程师补足了这个遗憾，为设计可燃气体报警器传感器提供了新的途径。为了测试他们的可燃气体报警器传感器设计法则系统，他们着手研究使用哪一种纳米级传感器设计，是透过目标分子进行感测最适合的材料。研究人员过去就已经发现，当感测单个分子时(例如气体烟
21、雾探测器或生物、化学探测器)，感测组件越小越好，但其原因一直没有一个理论来解释和证实，是否与目标分子的扩散情况会限制传感器运作速度有关系。而艾姆和尼尔宣称已经证实了以上理论。首先，他们比较了传统的平面传感器组件与圆柱形的单纳米管传感器组件，结果显示较小的圆柱形传感器的灵敏度至少高出传统的平面传感器100倍，这足以证明感测器组建越小越好的理论是正确的。2 主要元件简介2.1 AT89S52单片机2.1.1 AT89S52单片机简介AT89S52为ATMEL所生产的一种低功耗，高性能的8位微控制器，具有8K的可编程Flash存储器。是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的
22、可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。 AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低
23、开发成本。2.1.2 AT89S52主要功能1、拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash2、晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至 12MHz）3、内部程序存储器（ROM）为 8KB4、内部数据存储器（RAM）为 256字节5、32 个可编程I/O 口线6、8 个中断向量源7、三个 16 位定时器/计数器8、三级加密程序存储器9、全双工UART串行通道2.1.3AT89S52单片机芯片引脚描述及应用 AT89S52单片机如图2.1.3(a)所示：VCC：AT89S52电源正端输入，接+5V。VSS：电源地端。 图2.1.3（a）XTAL1：单芯片系统时钟的反相放大器输入端。XTAL2：
24、P0口是一个8位宽的开路汲极（Open Drain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0A7）及数据总线（D0D7）。设计者必须外加一锁存器将端口0送出的地址栓锁住成为A0A7，再配合端口2所送出的A8A15合成一完整的16位地址总线，而定址到64K的外部存储器空间。PORT2（P2.0P2.7）：P2口是具有内部提升电路的双向I/O端
25、口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。P2除了当做一般I/O端口使用外，若是在AT89S52扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8A15，这个时候P2便不能当做I/O来使用了。PORT1（P1.0P1.7）：P1口也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LS TTL负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当做定时器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发脚位。PORT3（P3.0P3
26、.7）：P3口也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。其引脚分配如下：P3.0：RXD，串行通信输入。P3.1：TXD，串行通信输出。本次设计使主控芯片能够与上位机通信的就是通过串行通信输出口来实现的。串行口发送数据时，从片内总线向发送SBUF写入数据(MOV SBUF,A)，启动发送过程，由硬件电路自动在字符的始、末加上起始位（低电平）、停止位（高电平），A中的数据送入SBUF，在发送控制器控制下，按设定的波特率，每来一个移位脉冲，数据移出移位
27、，先发送一位起始位（低电平），再由地位到高位一位一位通过TXD（P3.1）把数据发送到外部电缆上，数据发送完毕，最后发一位停止位（高电平），一帧数据发送结束。发送控制寄存器通过或门向CPU发出中断请求（TI=1）,CPU可以通过查询TI或者相应中断的方式，将下帧一数据送入SBUF，开始发送下帧一数据。P3.2：INT0，外部中断0输入。P3.3：INT1，外部中断1输入。P3.4：T0，计时计数器0输入。P3.5：T1，计时计数器1输入。P3.6：WR：外部数据存储器的写入信号。P3.7：RD，外部数据存储器的读取信号。RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单
28、片机复位。ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。PSEN程序储存允许（PSEN）输出是
29、外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器的指令。FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。AT89S52发送与接收时序图如图2.1.3(b)所示：、
30、 图2.1.3（b）AT89s52发送与接收时序图2.2 MQ-X系列可燃气体传感器2.2.1传感器的定义与组成 传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。在有些国家和有些科学领域，也将传感器称为变换器、检测器或探测器等。一般来讲，传感器由敏感元件和转换元件组成。但是，由于传感器输出的信号一般都很微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的形式。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。因此，信号调节与转换电路以及所需电源都应作为传感器组成的一部分。常
31、见的信号调节与转换电路有放大器、电桥、振荡器、变阻器等等。图2.2.1为传感器组成方块图 图2.2.1传感器组成方块图2.2.2MQ-X系列可燃气体传感器工作原理 MQ系列气体传感器的敏感材料是活性很高的金属氧化物半导体,最常用的如SnO2。金属氧化物半导体在空气中被加热到一定温度时，氧原子被吸附在带负电荷的半导体表面，半导体表面的电子会被转移到吸附氧上，氧原子就变成了氧负离子，同时在半导体表面形成一个正的空间电荷层，导致表面势垒升高，从而阻碍电子流动（见图1）。在敏感材料内部，自由电子必须穿过金属氧化物半导体微晶粒的结合部位（晶界）才能形成电流。由氧吸附产生的势垒同样存在于晶界而阻碍电子的自
32、由流动，传感器的电阻即缘于这种势垒。在工作条件下当传感器遇到还原性气体时，氧负离子因与还原性气体发生氧化还原反应而导致其表面浓度降低，势垒随之降低（图2和图3）。导致传感器的阻值减小。 在给定的工作条件下和适当的气体浓度范围内，传感器的电阻值和还原性气体浓度之间的关系可近似由下面方程表示：其中：Rs：传感器电阻A：常数C:气体浓度:Rs曲线的斜率MQ-X系列传感器属于催化燃烧行传感器。催化型可燃性气体检测仪是利用难熔金属铂丝加热后的电阻变化来测定可燃气体浓度 。当可燃气体进入探测器时，在铂丝表面引起氧化反应（无焰燃烧），其产生的热量使铂丝的温度升高，而铂丝的电阻率便发生变化，所以当遇到高温等因素时铂丝的温度发生变化，而铂丝的电阻率便发生变化,探测的数据也会发生变化。2.2.3MQ-X系列可燃气体传感器操作注意事项1必须避免的情况 1.1暴露于有
