可燃氣體自動通斷裝置畢業(yè)設計論文

1、<p>　　本 科 生 畢 業(yè) 設 計 (論 文)</p><p>　　題目:可燃氣體自動通斷裝置</p><p>　　教學單位 ______電信學院_______</p><p>　　姓 名 ________________</p><p>　　學 號 _ ____</p><p>　　年

2、 級 ______________</p><p>　　專 業(yè) ______自動化________</p><p>　　指導教師 ___ </p><p>　　職 稱 ___ </p><p><b>　　年 月日</b></p><p><

3、;b>　　摘要</b></p><p>　　隨著國家的西氣東輸工程的實施，現(xiàn)在越來越多家庭和工廠使用天然氣作為能源；包括城市公交出租也采用天然氣來代替汽油來降低運營成本。但是天然氣一旦泄露在一定的濃度下，非常容易造成火災或者爆炸事故。威脅用戶人身安全，造成經濟損失。從安全方面考慮，設計一個低成本和安全可靠的天然氣自動通斷報警裝置是很必要的。</p><p>　　本設計就是

4、針對利用單片機和傳感器作為系統(tǒng)主要部分，來進行天然氣（烷類氣體）的檢測，一旦發(fā)生氣體濃度，可以進行警報和即時處理。</p><p>　　本設計主要采用MQ2可燃氣體傳感器進行現(xiàn)場檢測，將傳感器采集信號送到單片機進行信號采集、處理、顯示、警報、關閉供氣閥門、排風等工作。采用的單片機為STC89C52，可靠性和性價比都很高，一旦現(xiàn)場氣體超過設計的警戒閥值，系統(tǒng)就會按照設定，自動進行安全性處理，也能提供警報，供用戶和操

5、作人員進行及時有效的處理。該系統(tǒng)具有實時、準確、成本低廉的特點，因此具有很廣泛的應用前景。</p><p>　　關鍵詞: 可燃氣體 氣體傳感器 單片機 報警器</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the nation's west-east gas transmission proje

6、ct implementation, and now more and morehomes and factories use natural gas as an energy source; including the taxi and bus of city using natural gas instead of gasoline to reduce operating costs. However,once the natura

7、l gas leak at a certain concentration, very likely to cause fire orexplosion. Threaten the personal safety of users, resulting in economic losses. From safety into consideration, design a low cost and reliable natural ga

8、s to be au</p><p>　　This design is using single-chip microcomputer and sensor for the main part of a system, to natural gas (Silane kind of gas) testing, once produce gas concentration, alarm and real-time p

9、rocessing..</p><p>　　This design mainly USES the MQ2 flammable gas sensor for the field detection, will send a signal to sensors to collect MCU signal acquisition, processing, display and alarm, close the ga

10、s supply and exhaust valves, etc. The single-chip for STC89C52, reliability and performance to price ratio are very high, once the scene gas more than the threat valve design value, the system will according to set, auto

11、matic security processing, also can provide alert, for the user and operating personnel timely</p><p>　　Keywords: combustible gas；gas sensor；single chip microcomputer；divulging alarm</p><p><

12、b>　　目錄</b></p><p><b>　?。壕w論</b></p><p>　　1.1設計目的和來源.....................................................................................................</p><p>　

13、　1.2設計計劃.....................................................................................................</p><p>　　第二章 方案的選擇和確定</p><p>　　2.1 渦輪流量傳感器方案........................................

14、....................................</p><p>　　2.1.1 方案簡述............................................................................</p><p>　　2.1.2 渦輪傳感器方案元件及成本..................................

15、..........................................</p><p>　　2.2.2 可燃氣體傳感器方案元件及成本.............................................................</p><p>　　2.3 方案的確定..........................................

16、..................................</p><p>　　2.4 制定詳細方案............................................................................</p><p>　　2.5設計主要完成的任務..........................................

17、..................................</p><p><b>　　第三章 硬件電路</b></p><p>　　3.1 STC89C52最小系統(tǒng)............................................................................</p><p>

18、　　3.2 氣體傳感器電路............................................................................</p><p>　　3.3 1602LCD電路............................................................................</p><p&g

19、t;　　3.4 聲光報警電路............................................................................</p><p>　　3.6 模數(shù)轉換電路ADC0809............................................................................</p>&l

20、t;p>　　3.7 獨立按鍵控制電路............................................................................</p><p>　　第四章 天然氣自動通斷裝置程序設計</p><p>　　4.1 程序編寫和調試工具...............................................

21、.............................</p><p>　　4.2 系統(tǒng)程序框圖............................................................................</p><p>　　設計結論.......................................................

22、.....................</p><p>　　致謝............................................................................</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　參考文獻...........................

23、.................................................</p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　1.1設計目的和來源</p><p>　　隨著我國燃氣的變革及西氣東輸工程的進行，煤氣或天然氣已成為多數(shù)家庭的燃料。這些氣體燃料，比如液化石油氣、天然氣、煤氣等這些氣體主要含有烷類、烴

24、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?？扇細怏w的特點是易流動、易燃燒，在常溫下是氣體，但是在生產、輸送、貯存和使用這些氣體的過程中，我們常常采用的是一種高壓的方式，使這些氣體液化，達到縮小體積的目的，但是如在使用這樣的高壓設備時違反操作規(guī)程或設備密封質量不好，都有可能發(fā)生可燃氣體泄漏的現(xiàn)象。更危險的是，當可燃氣體和空氣混合到一定比例的時候，會因為很少的火花就產生劇烈的化合反應，導致火災甚至爆炸，對人

25、生和財產安全，造成很大的威脅。所以在這些可燃氣體達到危險濃度之前，我們需要一個有效的手段，提早發(fā)現(xiàn)問題并能自動排除問題，達到保護人身財產安全的目的。</p><p>　　首先是家用，現(xiàn)代社會，生活節(jié)奏很快，白天常常家里沒有任何人，如果在房主不在的情況下，發(fā)生了燃氣泄漏或者火災情況下，將是十分危險的，而天然氣自動通斷裝置，不光能檢測出天然氣及各種燃氣的泄漏，更能自動通過關閉總閥，自動通風，并給出警報。排除危險。保護

26、用戶的財產安全。而近些年的因為燃氣泄漏造成的事故，越來越多，僅百度搜索“燃氣 爆炸”關鍵詞的結果就有430萬條，所以，一個低成本安全有效的燃氣自動通斷裝置正是時下之需，方便我們更安全的使用天然氣。</p><p>　　在安全生產方面，我們都知道，中國的煤礦事故頻發(fā)，很多安全事故就是因為瓦斯?jié)舛群芨?，造成的爆炸，?jù)權威數(shù)據(jù)，2011年的煤礦死亡人數(shù)就有2000人，造成的經濟損失，更是無法直接統(tǒng)計，例如2005年9月

27、5日，山西省大同礦業(yè)集團公司永定莊煤礦發(fā)生特大瓦斯爆炸事故，死亡31人。同年的9月27日，貴州省水城礦務局木沖溝煤礦發(fā)生特大惡性瓦斯爆炸事故，162人死亡。這些都是血一樣的教訓。而有效的檢測手段，可能就能讓這樣的惡性事故減少。在很多工廠里，現(xiàn)在也用天然氣取代了傳統(tǒng)的能源，作為生產用主要能源，以降低生產成本，所以，這些工廠的用氣安全形勢也很嚴峻。</p><p>　　由此可見天然氣自動通斷裝置無論是在人們的日常生活

28、中，還是在工廠生產過程中，能實時準確測量周圍環(huán)境中的天然氣體，有毒有害氣體泄露，對保護人民的身體健康和財產安全有重要意義。在家庭，工廠，氣站等地方，一款性價比高，安全穩(wěn)定的檢測通斷裝置，就變得十分必要了。</p><p>　　單片機以其穩(wěn)定，小巧的特點，應用在現(xiàn)代生活的方方面面，因為單片機可以在簡單報警的功能下，提供各種更加智能化的功能，所以，采用單片機的設計，對裝置的功能多樣性，智能化，提供了有力的保障。<

29、;/p><p><b>　　1.2設計計劃</b></p><p>　　畢業(yè)設計時間和工作的協(xié)調很重點，所以設計計劃非常重要，所以我們根據(jù)設計要求，指定了分組和設計計劃，分工我主要負責硬件電路部分，計劃按照時間如下表：</p><p>　　第二章 方案的選擇和確定</p><p>　　2.1 渦輪流量傳感器方案</p&

30、gt;<p>　　2.1.1 方案簡述</p><p>　　天然氣自動通斷裝置的傳感器方案，是利用渦輪傳感器和雙金屬片構成的傳感器系統(tǒng)，采用51系列單片機作為主控芯片，因為渦輪流量傳感器的加入，可以測取天然氣的實時流量，在天然氣使用的實時，可以測出用氣量，所以，在功能擴展上，可以有更多的選擇。渦輪傳感器得到實時的流量信息，如果渦輪傳感器有流量，而雙金屬片因為有受熱變形（開關，常閉或者常開）認為燃氣泄

31、漏，電磁閥自動閉合，閉合后仍然有流量信息，給出警報。</p><p>　　由于渦輪流量傳感器的加入，我們得到的信息有用氣量，所以在軟件的功能設計上，引入用氣量的檢測，得到天然氣的用氣量，甚至通過單片機設置警戒值，來提醒每月用氣額度，提醒節(jié)約的意識。更加入了網(wǎng)卡芯片，將數(shù)據(jù)通過協(xié)議上傳，實時監(jiān)測，遠程報警，遠程抄表。三位一體。</p><p>　　圖2.11流量傳感器設計的系統(tǒng)框圖</

32、p><p>　　2.1.2 渦輪傳感器方案元件及成本</p><p>　　方案采用氣體渦輪流量傳感器作為主傳感器，主要元件有MCU 89C52 渦輪傳感器、雙金屬片、EN28J60網(wǎng)卡模塊、1602液晶顯示模塊、電磁氣閥，排風扇等</p><p>　　成本方面主要集中在網(wǎng)卡和渦輪氣流傳感器，渦輪流量傳感器主要針對氣體的，所以一般這樣的傳感器專業(yè)性強，成品度很高，價位最低

33、的精度不高的，都要在人民幣200以上。在網(wǎng)卡模塊，因為51系列能穩(wěn)定驅動的網(wǎng)卡芯片，比較少，也不是很主流，采用的都是貼片設計，所以在網(wǎng)卡方面，選取的余地比較小，采用的EN28J60模塊算是比較低廉的，大約在30元上下。電磁氣閥和排風扇方面，電磁氣閥其實大多數(shù)采用的就是繼電器結構，排風扇開關可以用串聯(lián)繼電器的方式實現(xiàn)單片機對排風扇的控制，所以在設計的過程中，去用5V驅動的繼電器加指示燈替代。1602和單片機是必須采用的，所以不納入成本的考

34、慮范圍。</p><p>　　設計的優(yōu)點是功能全面，可以實現(xiàn)的功能更多，智能化程度更高，但是硬件成本比較高昂，單片機資源也有限，需要擴展，難度也比較高，配套的系統(tǒng)也開發(fā)成本也很高。</p><p>　　2.2 可燃氣體傳感器方案</p><p><b>　　2.2.1方案簡述</b></p><p>　　方案采用燃氣濃度

35、傳感器作為傳感器用來檢測天然氣是否泄漏，主控制器仍然一旦泄漏且泄漏濃度超預定閥值，電磁閥閉合，關閉天然氣總閥，排風扇自動打開工作，此時單片機仍然監(jiān)測天然氣泄漏濃度，如果濃度依然超過閥值，單片機控制聲光電路，發(fā)出聲音和燈光警報，或者同時通過網(wǎng)卡發(fā)出警示（可選）提示人工干預泄漏。按鍵控制，在平時的使用中，設計有4個按鍵，分別控制氣閥的開關和通風扇的開關。</p><p>　　圖2.21 燃氣傳感器方案系統(tǒng)框圖<

36、/p><p>　　2.2.2 可燃氣體傳感器方案元件及成本</p><p>　　采用可燃氣體傳感器的方案，主要的元件構成，主控制器，STC89C52、可燃氣體傳感器、1602液晶顯示模塊、聲光報警模塊主要由發(fā)光設備和蜂鳴器構成。電磁氣閥和排風扇方面，電磁氣閥其實大多數(shù)采用的就是繼電器結構，排風扇開關可以用串聯(lián)繼電器的方式實現(xiàn)單片機對排風扇的控制，所以設計仍然采用的是5V繼電器和指示燈來替代電磁

37、閥和排風扇。可選EN28J60網(wǎng)絡模塊，提供濃度信息和危險狀態(tài)的遠程傳輸。</p><p>　　成本非常低廉，可燃氣體傳感器選型豐富，價格便宜，模電轉換芯片選型也很豐富，價格也比較低。優(yōu)點簡單穩(wěn)定，但在功能性上，相比方案一，簡單很多。</p><p><b>　　2.3 方案的確定</b></p><p>　　綜合成本和研發(fā)的時間精力綜合考慮，

38、最后選擇粗略的方案是方案二，采用的是可燃氣體傳感器作為判斷的主傳感器。方案一中，用89C52作為主控，系統(tǒng)資源很吃緊，網(wǎng)絡模塊的協(xié)議精簡后（僅采用UDP協(xié)議）2K的內存就需要擴展，RAM空間也比較小，雖然沒完全放棄，但不作為主要的部分。第二就是成本，渦輪氣體傳感器成本很高昂，大多是設計的商業(yè)型傳感器一般用于工業(yè)控制領域，通過改裝用戶原有燃氣表，雖然在設計上可行現(xiàn)實又不可行（用戶或者第三方無法私自改動計費系統(tǒng)），設計本來要滿足的是家用，一

39、旦加入渦輪傳感器之后，成本是方案二的數(shù)倍，一般的家庭不會承擔這樣的費用，而作為安全性為主要目的的設計，如果因為成本問題，使推廣上打折扣的話，是非常不明智的。而采用方案二的設計，大體功能性上，基本功能都能實現(xiàn)。也由于第一種方案要實現(xiàn)的功能很多，比如流量總計數(shù)，在開發(fā)時間和能力上，相對難度較大。所以綜合考慮之后，放棄方案一，采用方案二---用燃氣傳感器作為主傳感器。</p><p>　　2.4 制定詳細方案</

40、p><p>　　首先是燃氣傳感器的選型，燃氣傳感器的種類很多，針對不同氣體的，不同場合各種精度的型號和生產廠商，更是數(shù)不勝數(shù)。氣體從原理上可以分為三大類：</p><p>　　(1) 利用物理化學性質的氣體傳感器:如半導體、催化燃燒等。</p><p>　　(2) 利用物理性質的氣體傳感器:如熱導、光干涉、紅外吸收等。</p><p>　　(3)

41、 利用電化學性質的氣體傳感器:如電流型、電勢型等。</p><p>　　一般工業(yè)氣體傳感器分類：【1】</p><p><b>　　1.半導體傳感器</b></p><p>　　這種類型的傳感器在氣體傳感器中約占60%，根據(jù)其機理分為電導型和非電導型，電導型中又分為表面型和容積控制型，表1示出各種半導體傳感器。</p><p

42、>　　(1)SnO2半導體是典型的表面型氣敏元件，其傳感原理是SnO2為n型半導體材料。當施加電壓時，半導體材科溫度升高，被吸附的氧接受了半導體中的電子形成了O2-或O2-原性氣體H2、CO、CH4存在時，使半導體表面電阻下降，電導上升，電導變化與氣體濃度成比倒。NiO為P型半導體，氧化性氣體使電導下降，對O2敏感。ZnO半導體傳感器也屬于此種類型。</p><p><b>　　半導體氣體傳感器&

43、lt;/b></p><p>　　a.電導型的傳感器元件分為表面敏感型和容積控制型，表面敏感型傳感材料為SnO2+Pd、ZnO十Pt、AgO、V205、金屬酞青、P—SnO2。</p><p>　　表面敏感型氣體傳感器可檢測氣體為各種可燃性氣體C0、NO2氟利昂。。傳感材料Pt—SnO2的氣體傳感器可檢測氣體為可燃性氣體CO、H2、CH4。</p><p>　

44、　b.容積控制型傳感材料為Fe2O8、la1-SSrxCOO8和TiO2、CoO-MgO—SnO2體傳感器可檢測氣體為各種可燃性氣體C0、NO2氟利昂。。傳感材料Pt—SnO2容積控制型半導體氣體傳感器可檢測氣體為液化石油氣、酒精、空燃比控制、燃燒爐氣尾氣。</p><p>　?。?)容積控制型的是晶格缺陷變化導致電孕率變化，電導變化與氣體濃度成比例關系。Fe2O8、TiO2屬于此種，對可燃性氣體敏感。</

45、p><p>　?。?)熱線性傳感器，是利用熱導率變化的半導體傳感器，又稱熱線性半導體傳感器，是在Pt絲線圈上涂敷SnO2層，Pt絲除起加熱作用外，還有檢測溫度變化的功能。施加電壓半導體變熱，表面吸氧，使自由電子濃度下降，可燃性氣體存在時，由于燃燒耗掉氧自由電子濃度增大，導熱率隨自由電子濃度增加而增大，散熱率相應增高，使Pt絲溫度下降，阻值減小，Pt絲阻值變化與氣體濃度為線性關系。這種傳感器體積小、穩(wěn)定、抗毒，可檢測低

46、濃度氣體，在可燃氣體檢測中有重要作用。</p><p>　　(4)非電導型的FET場效應晶體管氣體傳感器，Pd—FET．場效應晶體管傳感器，利用Pd吸收Hz并擴散達到半導體si和Pd的界面，減少Pd的功函，這種對H2、CO敏感。非電導型FET場效應晶體管氣體傳感器體積小，便于集成化，多功能，是具有發(fā)展前途的氣體傳感器。</p><p>　　2.固體電解質氣體傳感器</p>&

47、lt;p>　　這種傳感器元件為離子對固體電解質隔膜傳導，稱為電化學池，分為陽離子傳導和陰離子傳導，是選擇性強的傳感器，研究較多達到實用化的是氧化鋯固體電解質傳感器，其機理是利用隔膜兩側兩個電池之間的電位差等于濃差電池的電勢。穩(wěn)定的氧化鉻固體電解質傳感器已成功地應用于鋼水中氧的測定和發(fā)動機空燃比成分測量等。</p><p>　　為彌補固體電解質導電的不足，近幾年來在固態(tài)電解質上燕鍍一層氣體敏膜，把圍周環(huán)境中存

48、在的氣體分子數(shù)量和介質中可移動的粒子數(shù)量聯(lián)系起來。</p><p>　　3.接觸燃燒式傳感器</p><p>　　接觸燃燒式傳感器適用于可燃性氣H2、CO、CH4的檢測。可燃氣體接觸表面催化劑Pt、Pd時燃燒、破熱，燃燒熱與氣體濃富有關。這類傳感器的應用面廣、體積小、結構簡單、穩(wěn)定性好，缺點是選擇性差。</p><p><b>　　4．電化學傳感器<

49、/b></p><p>　　電化學方式的氣體傳感器常用的有兩種</p><p>　　(1)恒電位電解式傳感器</p><p>　　是將被測氣體在特定電場下電離，由流經的電解電流測出氣體濃度，這種傳感器靈敏度高，改變電位可選擇的檢洌氣體，對毒性氣體檢測有重要作用。</p><p>　　(2)原電池式氣體傳感器</p><

50、;p>　　在KOH電解質溶液中，Pt—Pb或Ag—Pb電極構成電池，已成功用于檢測O2，其靈敏度高，缺點是透水逸散吸潮，電極易中毒。</p><p><b>　　5．光學氣體傳感囂</b></p><p>　?。?)直接吸收式氣體傳感器</p><p>　　紅外線氣體傳感器是典型的吸收式光學氣體傳感器，是根據(jù)氣體分別具有各自固有的光譜吸收

51、譜檢測氣體成分，非分散紅外吸收光譜對SO2、CO、CO2、NO等氣體具有較高的靈敏度。</p><p>　　另外紫外吸收、非分散紫外線吸收、相關分光、二次導數(shù)、自調制光吸收法對NO、NO2SO2、CH(CH4)等氣體具有較高的靈敏度。</p><p>　　(2)光反應氣體傳感器</p><p>　　是利用氣體反應產生色變引起光強度吸收等光學特性改變，傳感元件是理想的

52、，但是氣體光感變化受到限制，傳感器的自由度小。</p><p>　　(3)氣體光學特性的新傳感器</p><p>　　光導纖維溫度傳感器為這種類型，在光纖頂端涂敷觸媒與氣體反應、發(fā)熱。溫度改變，導致光纖溫度改變。利用光纖測溫已達到實用化程度，檢測氣體也是成功的。</p><p>　　此外，利用其它物理量變化測量氣體成分的傳感器在不斷開發(fā)，如聲表面波傳感器檢測SO2、

53、NO2、H2S、NH3、H2等氣體也有較高的靈敏度。</p><p>　　在我們方案才用到的是利用物理化學性質進行檢測的MQ-2可燃氣體傳感器，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，驅動電路簡單，較大的電信號輸出。應用于家庭和生產環(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。我們用來檢測天然氣，工作很穩(wěn)定。</p><

54、;p>　　在天然氣自動通斷裝置的設計中，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、準確的檢測，進行相應的處理。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品做準備。根據(jù)多方面的比較，

55、本設計選用生產的STC89C52系列單片機作為報警器的核心控制器。</p><p>　　首先，可燃性氣體濃度信號通過MQ-2氣體傳感器將可燃性氣體濃度信號轉換成電壓信號，經過前置放大電路后，經過A/D轉換，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，將電壓信號運算成對應的數(shù)值，通過LCD1602顯示。當檢測到的可燃性氣體濃度超出上限報警設定值時，系統(tǒng)首先進行自動處理，排除險情

56、，具體是控制電磁閥，關閉電磁閥，即天然氣總閥，然后開啟排風扇，監(jiān)測濃度，如果濃度在自動控制作用下，有效下降到安全范圍內，單片機不做報警處理，僅作顯示提示。當單片機自動處理過后，天然氣濃度仍然無法有效控制，單片機即做報警處理，提醒人工干預。直到手動關閉警報。</p><p>　　在日常使用過程中，單片機的按鍵可以手動控制電磁閥的通斷和排氣扇的開關，應用在正常用氣和排氣通風的場合。</p><p&

57、gt;　　2.5設計主要完成的任務</p><p>　　本設計是以單片機為主控制器的天然氣及其他烷類氣體檢測控制處理報警的裝置，設計主要完成以下任務：</p><p>　　對單片機系統(tǒng)進行方案的認證，系統(tǒng)的整體規(guī)劃和結構設計。</p><p>　?。ǘ┮許TC89C52作為主控制器，進行硬件電路的設計和改進，完善功能，主要電路分為，傳感器電路、A/D轉換電路、單片

58、機接口電路、聲光報警電路、1602顯示電路、EN28J60網(wǎng)絡模塊、氣閥通風扇控制電路七個部分。</p><p>　?。ㄈ┏绦虻木帉懀帜K的編寫程序，繪制主程序和子程序的流程圖，加入詳細的文字注釋，便于調試和后期功能的刪增。</p><p>　?。ㄋ模┌凑赵O計要求，完成硬件電路，燒錄程序，實現(xiàn)設計功能。</p><p><b>　　第三章 硬件電路&l

59、t;/b></p><p>　　3.1 STC89C52最小系統(tǒng)</p><p>　　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制造，與工業(yè)80C51 產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

60、得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案【1】。STC89C52具有以下標準功能: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級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。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

61、護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。其引腳電路如圖3.11所示，STC89C52主要性能有以下幾點：</p><p>　　與MCS-51單片機產品兼容，方便移植程序</p><p>　　ROM是MCS-51系列2倍，8K可編程系統(tǒng)空間</p><p><b>　　1000次擦寫周期</b>

62、</p><p>　　全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz</p><p>　　三級加密程序存儲器，有效保證程序的安全</p><p>　　4組，8位共32個可編程I/O口線</p><p>　　三個16位定時器/計數(shù)器</p><p>　　八個中斷源全雙工UART串行通道</p><p>　　低功耗空

63、閑和掉電模式，掉電后中斷可喚醒</p><p><b>　　看門狗定時器</b></p><p><b>　　雙數(shù)據(jù)指針</b></p><p>　　89C52單片機接口說明：</p><p><b>　　VCC：供電電壓。</b></p><p>&l

64、t;b>　　GND：接地。</b></p><p>　　P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。</p><p>　　P1口

65、：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 </p><p>　　P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高

66、，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。</p><p>　　P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙

67、向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。</p><p>　　P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：</p><p>　　P3.0 RXD（串行輸入口）</p><p>　　P3.1 TXD（串行輸出口）<

68、/p><p>　　P3.2 /INT0（外部中斷0）</p><p>　　P3.3 /INT1（外部中斷1）</p><p>　　P3.4 T0（記時器0外部輸入）</p><p>　　P3.5 T1（記時器1外部輸入）</p><p>　　P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）</p><p>

69、　　P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）</p><p>　　P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。</p><p>　　RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。</p><p>　　ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在

70、平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。</p><p>　　PSEN：外部程序存儲器的選

71、通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不出現(xiàn)。</p><p>　　EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，EA將內部鎖定為RESET；當EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。&

72、lt;/p><p>　　XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。</p><p>　　XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。</p><p>　　圖3.11STC89C52接口圖</p><p>　　單片機工作，和我們的設計方案，單片機是主控制器，所以，第一步就是搭建單片機為核心的最小系統(tǒng)模塊，其電路原理圖如圖3.12</p&

73、gt;<p>　　圖3.12 89C52最小系統(tǒng)</p><p>　　其中單片機的18和19接腳接出的為晶振電路，晶振選用11.29M，電容選用33p的瓷片電容。RESET接出單片機復位電路，選用10uf的電解電容。正是由上述的最小系統(tǒng)構成整個設計的主控制器，設計的其他部分，也是在主控制器的基礎上，進行的擴展。</p><p>　　3.2 氣體傳感器電路</p>

74、<p>　　氣體傳感器部分次用MQ-2作為傳感器。MQ-2/MQ-2S氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導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率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。如圖3.21是MQ-2傳感器內部電路。</p><p>　　圖3.21 MQ-2傳感器內部電路</p&g

75、t;<p>　　MQ-2氣體傳感器對液化氣、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，是一款適合多種應用的低成本傳感器。</p><p>　　圖3.22是傳感器典型的靈敏度特性曲線。</p><p>　　圖中縱坐標為傳感器的電阻比（Rs/Ro），橫坐標為氣體濃度。</p><p>　　Rs 表示傳感器在

76、不同濃度氣體中的電阻值</p><p>　　Ro 表示傳感器在1000ppm 氫氣中的電阻值</p><p>　　圖3.22 MQ-2在不同氣體濃度下電阻值曲線</p><p>　　可見在比較穩(wěn)定的環(huán)境下，MQ-2的電阻曲線基本是線性的，這樣對濃度計算非常方便。</p><p>　　敏感體功耗（Ps）值可用下式計算：

77、 傳感器電阻（Rs），可用下式計算：</p><p>　　Ps=Vc2×Rs/(Rs+RL)2 Rs=(Vc/VRL-1)×RL</p><p>　　氣敏元件發(fā)生短路時，氣敏元件檢測點直接連到+5V，為高電平。氣敏元件發(fā)生斷路時，氣敏元件輸出接近0V，為低電平，而正常工作及可燃氣體濃度超過濃度設定值的氣敏

78、元件輸出范圍為0.3~4.0.根據(jù)這一設計要求，選擇雙運放TL062作為短路和斷路的電壓比較器。斷路比較器基準電壓為0.5V，短路比較器基準電壓為4.9V。</p><p>　　因為設計的時候，考慮是否加入AD0809所以在設計的時候，采用了模擬和數(shù)字雙輸出的設計，方便日后系統(tǒng)的精簡或者功能的增加，系統(tǒng)原理圖如圖3.21，這樣的設計有如下優(yōu)點：</p><p>　　1、具有信號輸出指示。&

79、lt;/p><p>　　2、雙路信號輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）</p><p>　　3、TTL輸出有效信號為低電平。（當輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機） </p><p>　　4、模擬量輸出0~5V電壓，濃度越高電壓越高。</p><p>　　5、對液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度。</p

80、><p>　　6、具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性</p><p>　　7、快速的響應恢復特性</p><p><b>　　圖3.21</b></p><p>　　其中R1是限流電阻，5.1Ω，Rp是103電位器，R2是1K的電阻，R3是4700Ω的電阻，采用LM393作為電壓比較器，在濃度范圍內，輸出高電平，LED不亮起，

81、超過設計的濃度閥值，LM393輸出低電平，LED發(fā)光，單片機也能接收到低電平。</p><p>　　而在AOUT輸出的是模擬信號，方便接出到模數(shù)轉換芯片，得到具體的濃度值。</p><p>　　3.3 1602LCD電路</p><p>　　1602字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式 LCD，1602是一個16x2行顯示的液晶模塊。它由16

82、個接腳完成功能，具體的功能接腳如表格3.31【2】</p><p><b>　　表格3.3</b></p><p>　　1602液晶模塊在使用顯示的時候，內部的字符發(fā)生存儲器（CGROM）已經存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是 010000

83、01B（41H），顯示時模塊把地址 41H 中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。 我們在使用的過程中，主要取其英文字母和數(shù)字的顯示，完成功能。</p><p>　　電路部分，采用單片機的P0口整組作為1602的數(shù)據(jù)I/O口，RS、VL、E這三個分別接在單片機的P2.5、P2.6、P2.7三個接口完成對數(shù)據(jù)選擇，讀寫，使能的控制。電路原理圖如圖3.32</p><p>　　其中

84、VEE端采用的是103電位器，方便對液晶的亮度進行調節(jié)，可變電位器的好處是，可以在電路負載可變的前提下，得到1602清晰的顯示。</p><p>　　3.4 聲光報警電路</p><p>　　根據(jù)研究表明，人眼對于持續(xù)的一種狀態(tài)并不敏感，所以，在聲光報警電路的設計上，我們采用了雙燈雙色的設計。聲光報警電路由2部分構成，一部分是由2個發(fā)光二極管組成的燈光報警電路.</p>&l

85、t;p>　　蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產生磁場，振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發(fā)聲。另一部分是由蜂鳴器組成的聲音報警電路，如圖3.42。</p><p>　　燈光報警如圖3.41</p><

86、p><b>　　圖3.41</b></p><p>　　聲音報警如圖3.42</p><p><b>　　圖3.42</b></p><p>　　聲光報警電路在系統(tǒng)發(fā)生危險，且系統(tǒng)嘗試解決若干次，排風，關閉電磁閥仍然燃氣濃度很高的情況下，才發(fā)生警報，燈光電路持續(xù)閃爍，聲音報警電路響起。蜂鳴器的三極管，因為單片機直接驅

87、動，電流過小，所以采用9012三極管做成開關電路，單片機置低電平時，蜂鳴器持續(xù)工作。</p><p>　　3.5 排氣及氣閥電路</p><p>　　由于現(xiàn)在的氣閥結構摒棄了原來的電機式，繼電器結構的氣閥很多，排氣扇也可以通過串聯(lián)繼電器作為控制開關，所以設計上采用兩個繼電器和4個指示燈作為替代的設計。</p><p>　　首先是繼電器，單片機的輸出電流很小，同樣也不

88、足以驅動繼電器，所以，我們需要一個三極管作為開關。三極管采用8050并加入二極管消除感應電動勢的影響，單個繼電器電路原理圖如圖3.51</p><p>　　圖3.51 繼電器指示模塊</p><p>　　繼電器模塊共2個，原理圖都一樣，其中常開為紅色，對于氣閥來說，紅色指示為關閉狀態(tài)，綠色為氣閥開啟。而通風扇不需要常開觸點，所以，綠色為工作。分別接入單片機2個I/O口。</p>

89、<p>　　3.6 模數(shù)轉換電路ADC0809</p><p>　　A/D轉換器（ADC）的作用就是把模擬量轉換成數(shù)字量，以便于計算機進行處理。隨著超大規(guī)模集成電路技術的飛速發(fā)展，A/D轉換器的新設計思想和制造技術層出不窮。為了滿足各種不同的檢測及控制任務的需要，大量結構不同、性能各異的A/D轉換器芯片應運而生。</p><p>　　本設計采用ADC0809是采樣分辨率為8位

90、的、以逐次逼近原理進行?！獢?shù)轉換的器件。其內部有一個8通道多路開關，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉換。 </p><p>　　(1）8路輸入通道，8位A／D轉換器，即分辨率為8位。 </p><p>　　(2）具有轉換起?？刂贫?。 </p><p>　　(3）轉換時間為100μs </p><p>

91、;　　(4）單個＋5V電源供電 </p><p>　　(5）模擬輸入電壓范圍0～＋5V，不需零點和滿刻度校準。 </p><p>　　(6）工作溫度范圍為-40～＋85攝氏度 </p><p>　　(7）低功耗，約15mW。 </p><p>　　ADC0809芯片為28引腳為雙列直插式封裝，其引腳排列見圖3.61</p>&l

92、t;p>　　圖3.61 ADC0809引腳排列</p><p>　　對ADC0809主要信號引腳的功能說明如下表：【3】</p><p>　　ADC0809如圖3.62，IN0接傳感器，采集傳感器輸出的信號電壓信號，經過測試，當采集的電壓超過1.9V時，即表示濃度超過約40%時，（設計提前，留有時間給電磁閥和排風扇的工作時間）作為系統(tǒng)的閥值，一旦超過此閥值，系統(tǒng)將開啟排風扇和關閉電磁

93、閥，以處理險情，如在一定處理時間過后，系統(tǒng)仍檢測到濃度大于40%，系統(tǒng)將發(fā)出警報信息。提醒人工干預。 </p><p>　　圖3.62 ADC0809 原理電路</p><p>　　由于我們采用的模擬信號輸入是固定的IN0輸入，所以，在ADD-A、ADD-B、ADD-C三個接口全部接地，低電平，即選擇IN0工作，這樣可以省去單片機的I/O口也能在程序上省去置低電平的代碼。</p>

94、;<p>　　3.7 獨立按鍵控制電路</p><p>　　獨立按鍵控制電路的加入，主要是針對氣閥和排風扇工作設計的。因為氣閥是電磁閥，在系統(tǒng)中控制天然氣管道的開關，電磁閥可以替代傳統(tǒng)的總閥。實現(xiàn)用單片機控制電磁閥來控制開關，需要使用天然氣時打開氣閥，排風扇也是一樣。可以用于平時的廚房或者密閉空間的換氣通風。所以獨立按鍵的控制是非常必要的。</p><p>　　獨立按鍵一共4

95、個，分2組，分別控制電磁閥的開/關;排氣扇的開/關，沒有采用矩陣結構，所以共占單片機的P3.5~P3.7共4個接口。按鍵一端接地，另一端到單片機，程序延時去除抖動之后，低電平為按鍵按下。進行相應的處理。</p><p><b>　　電路如圖3.71</b></p><p>　　圖3.71 按鍵電路與單片機接口</p><p>　　第四章 天然氣

96、自動通斷裝置程序設計</p><p>　　4.1 程序編寫和調試工具</p><p>　　在天然氣自動通斷裝置設計中，軟件要解決的主要問題是檢測傳感器送來的可燃性氣體濃度信號，進行線性化處理，然后用LCD1602進行顯示，若濃度值超出限定值，首先啟動排氣裝置和關閉總閥，如果排風和關閉無法使?jié)舛冉档?，系統(tǒng)就給出警報信息，提醒人工干預。程序主要分為分為主程序、中斷子程序、線性化處理子程序、十六

97、進制轉化十進制子程序，液晶顯示、鍵掃描子程序、報警和控制繼電器七個部分。在程序的編寫過程中，加入了詳細的文字注釋，以便于后期的改進與維護。</p><p>　　而在STC89C51的開發(fā)往往借助于開發(fā)系統(tǒng)工具，STC89C52系列單片機的調試、開發(fā)工具由硬件和軟件兩部分組成，硬件只需一臺PC機、目標板和keil開發(fā)工具。</p><p><b>　　(1) 程序編寫</b&

98、gt;</p><p>　　當用戶將根據(jù)硬件和功能，用keil編寫C語言程序源程序。經keil軟件語法檢查無誤并生成HEX文件。</p><p><b>　　(2) 程序燒寫</b></p><p>　　程序的燒寫是通過單片機燒寫程序，將keil生成的HEX代碼通過串口燒寫進STC89C52的ROM中。</p><p>

99、<b>　　現(xiàn)場觀察與修改</b></p><p>　　根據(jù)程序在單片機中的工作狀況，現(xiàn)場進行程序的修改，重新編譯生產目標代碼，重新燒寫。</p><p>　　4.2 系統(tǒng)程序框圖</p><p>　　系統(tǒng)工作總框圖，如圖4.21 MQ-2燃氣傳感器配合ADC0809工作，MQ-2需要預熱，先延時預熱，ADC0809需要初始化，先對系統(tǒng)的所有部

100、分進行初始化，初始化后，檢測鍵盤，鍵盤按下，中斷響應鍵盤，檢測后，單片機對數(shù)據(jù)進行處理，處理后，送入LCD1602顯示，超過閥值，自動處理，處理過后如果仍然在閥值之外，警報系統(tǒng)工作，提醒人工干預。主程序還包括顯示子程序，T0中斷子程序等，子程序的結構更加易于調試。完善報警器的功能，給檢測人員帶來方便。</p><p>　　圖4.21 系統(tǒng)總框圖</p><p><b>　　系統(tǒng)調

101、試</b></p><p>　　程序輸入完后就進入調試階段。調試時采用逐個調試的方法，即先調試其中每個子程序，確保無誤后再對整個程序進行整體調試，直到程序順利運行，達到設計目的。</p><p><b>　　5.1電源部分</b></p><p>　　我們的設計采用的是分模塊的萬能板，在接線用的杜邦線偏多，所以在設計的時候，一旦設計

102、負載比較大，表現(xiàn)為單片機有比較大的壓降，所以電源部分，除了指示燈以外，采用的多路供電和大電流電源，保證單片機的供電和工作。</p><p>　　5.2按鈕誤動作調試</p><p>　　程序運行中，有時會發(fā)生按鈕誤動作現(xiàn)象。因為按鍵是電平判定，對于系統(tǒng)來說，一個周期的時間非常短，所以，在程序中加入延時，去除按鍵抖動，能有效的防止按鍵的誤操作。</p><p>　　5

103、.3MQ-2元件報警調試</p><p>　　氣敏元件在故障報警解除后發(fā)生濃度超限報警。解決方法如下：由于單片機為順序檢測，氣敏元件在短路故障報警解除后，此電壓依然高于濃度超限設定值，必然會引起濃度報警，解決辦法是，在人工干預后，在通風后，復位系統(tǒng)即可。</p><p><b>　　設計結論</b></p><p>　　天然氣自動通斷裝置我負責

104、的硬件部分，至此已經全部完成和模塊測試完成了設計要求且正常工作。剩下的軟件和調試部分，也將由我的組員們一起去完成。</p><p>　　通過這次畢業(yè)設計，使我對理論和實踐之間的相互關系有了更清楚的認識，理論是實踐的基礎，扎實的理論知識是做好工作的前提條件。</p><p>　　完成這個軟硬結合的綜合性設計，不僅使我鞏固了四年來所學的專業(yè)知識，而且還學到了不少新的知識，特別是強化了自己去利用

105、網(wǎng)絡和圖書資源，獨立思考問題、解決問題的能力。</p><p>　　我是做硬件部分的，硬件的設計過程中，規(guī)劃是非常重要的，設計的原理圖早已完成，在制作PCB板的過程中，各種問題還是非常多，因為用的萬能板，對規(guī)劃的提出了很高的要求，怎樣在有限的萬能板上，放置元件，布線能夠清晰，明了，沒有事先的規(guī)劃直接動手非常容易造成失敗。失敗就只能重頭再來。我深深地體會到做技術是一件非常嚴謹?shù)氖虑椤２还庖兄R，也要有方法和步驟，

106、這才是我們四年工科學習，得到最多的。遇到問題，怎么去入手，怎么樣去規(guī)劃，然后一點點到全面去完成和解決。從中我得到了不少寶貴的經驗和教訓，我相信這些會讓我在今后的工作中取得更好的成績打下堅實的基礎。</p><p>　　通過準備這次設計，基本用到了protel和模電數(shù)電的知識，在工作前夕更加深入了解一個團隊的設計工作是怎樣去實現(xiàn)的，為我以后的工作帶來極大的方便。同時通過這次設計我充分認識到自己知識的貧乏，需要學習的

107、東西還很多，充分激發(fā)自己的求知欲望。這是一次寶貴的經驗，必將使我終生難忘。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　設計過程中，老師認真負責，每周都要求我們規(guī)范操作，寫工作總結，這樣專業(yè)的方式，讓我在論文寫作過程中，非常輕松。在導師的這樣嚴謹?shù)脑O計態(tài)度的指導下，完成的設計的硬件部分和論文的寫作。就是這樣的設計方法，我相信，以后在工作中，也能讓我在

108、條理分明的完成各種任務。感謝老師！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　【1】王幸之等.AT89系列單片機原理與接口[M]．北京：北京航空航天大學，2004:104-106.</p><p>　　【2】長沙太陽人電子有限公司.SMC1602A 使用說明書 長沙：長沙太陽人電子有限公司</p><