陜西理工學院畢業論文（設計）I可燃氣體泄露無線報警裝置設計任 超（陜西理工學院 物理與電信工程學院 通信工程專業 1203，陜西 漢中 723003）指導教師：李翠華 摘要 本設計是利用單片機對于可燃氣體濃度進行檢測并且可以及時報警的無線報警裝置。該系統由 MQ-2傳感器采集可燃氣體濃度信號，系統建立濃度與電壓關系并且進行濃度電壓之間的相互轉換，通過 LCD1602 液晶顯示屏將檢測到的濃度及設定值顯示出來，當系統檢測到可燃氣體濃度超過設定值時，就能發出聲光報警信號且開啟換氣裝置，同時實現發送短信的無線報警，能及時避免由于可燃氣體泄漏所引起的安全事故。關鍵詞 可燃氣體 單片機 顯示 無線報警 陜西理工學院畢業論文（設計）IIThe design of combustible gas alarm systemRenchao(Grade2012,Class3,Major of Communication Engineering，School of Physics and Telecommunication Engineering , Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003,Shaanxi)Tutor: LiCuihuaAbstract: This design is the use of single-chip microcomputer for the detection of combustible gas concentration and timely alarm of the wireless alarm device. The system combustibles gas concentration signal, the setting-up of the system concentration and voltage relationship and mutual conversion between concentration and voltage by the sensor mq-2 acquisition and displays the detected concentration and setting values through the LCD1602.When the system detects that the combustible gas concentration exceeds the set value,it will send out sound and light alarm signal,open the ventilation device and send text messages to the wireless alarm in time in order to avoid the security incidents caused by the gas leakage. Keywords：combustible gas microcontroller display wireless alarm陜西理工畢業論文（設計）III目 錄1.緒論 .11.1 研究的目的及其意義 .11.2 國內外情況及其發展趨勢 .11.3 論文結構 .12.系統的硬件設計 .22.1 方案論證及選擇 .22.1.1 方案論證 .22.1.2 方案選擇 .22.2 傳感器部分的設計 .22.2.1 可燃氣體傳感器的概述 .22.2.2 MQ-2 傳感器及其主要特點 .32.3 單片機最小系統的設計 .42.4 顯示電路設計 .62.5 報警電路設計 .82.5.1 繼電器 .82.5.2 聲光報警 .92.5.3 無線報警 .103.軟件系統的設計 .144.裝配與調試 .174.1 硬件與軟件調試 .174.2 測試結果 .175.總結 .19致謝 .20參考文獻 .21附錄 A .22附錄 B .30附錄 C .31附錄 D .32陜西理工學院畢業論文（設計）第 0 頁 共 40 頁1.緒論1.1 研究的目的及其意義隨著工業的快速發展，液化石油氣、天然氣等含有甲烷類、烴類、烯類、醇類及一氧化碳等成分是易燃易爆的氣體。其中天然氣作為一種新型清潔型高效型能源得到廣泛普及并且已經成為人們生活中不可缺少的一部分。有的可燃氣體是無色無味或者在濃很小的情況下很難被人們發現。正是由于這一原因，所以煤氣中毒和礦井中的瓦斯爆炸時常發生，給人的生活帶來了生命和財產安全的危害。現在國內許多已經安裝的可燃氣體的檢測器由于使用年度過久，器件老化，原有的技術指標不達標以及技術落后未淘汰而一直在使用的產品，所以研究新型、性能穩定并且能準確檢測可燃氣體的簡易裝置勢在必行。家用智能天然氣檢測報警系統是預防天然氣泄漏的一種家用的自動檢測報警控制系統，一般都是應用高靈敏度的氣敏元件作為氣電轉換元件并配以聲光報警，當泄漏的氣體達到設定值時報警器就會發生鳴響和聲光報警。 本設計主要針對可燃氣體檢測報警系統進行技術改進，使用單片機系統進行系統控制，LCD1602 顯示屏顯示測量值和設定值，GSM 實現無線通信。并且還增加了超出安全值時自動開啟排風扇裝置，這樣使得人們的財產安全和生命安全得到進一步的保障。而且本系統成本低，安全性能好，能夠監控可燃氣體的濃度，顯示測量結果，并對當前的環境狀態做出判斷，發出報警信息。1.2 國內外情況及其發展趨勢隨著社會的發展，綠色環保的觀念越來越成為人們生活中不可缺少的一部分。沼氣是一種清潔、高效的可再生能源，可以替代天然氣。但是無論沼氣還是天然氣，在人們的使用過程中若不注意，就會出現安全隱患，造成財產安全和人身事故。因此，對于可燃氣體的檢測是安全生產生活中的一個非常重要的環節。而我國經濟處于高速發展，國家對于安全及環保也越來越重視，相關政策和法規陸續出臺，極大地刺激了可燃氣體檢測儀器儀表行業市場的迅速擴大。然而，現在大多數可燃氣體泄漏檢測儀器儀表絕大多數都是常規有線儀表，只有少數采用無線。有線儀器在安裝時要考慮信號電纜的鋪設，這就限制了可燃氣體檢測儀器儀表的適用范圍，在一些場合就不能安裝固定的可燃氣體監測裝置。所以可以通過在不同地方放置便攜式進行時時檢測與報警。目前，世界各國已經開始將沼氣用作燃料和用于照明。用沼氣代替汽油、柴油，發動機器的效果也很好。將它作為農村的能源，具有許多優點。例如，修建一個平均每人 1.2 平方米左右的發酵池，就可以基本解決一年四季的燃柴和照明問題；人、畜的糞便以及各種作物秸稈、雜草等，通過發酵后，既產生了沼氣，還可作為肥料，而且由于腐熟程度高使肥效更高，糞便等沼氣原料經過發酵后，絕大部分寄生蟲卵被殺死，可以改善農村衛生條件，減少疾病的傳染。現在，沼氣的應用正在各國廣大農村推廣，沼氣能源的開發利用的普及等方面，已經取得了較好的成績。1.3 論文結構論文主要從技術概述、系統硬件電路設計、系統軟件設計流程圖以及制作與調試等幾大方面來介紹可燃氣體報警系統的設計和制作過程。其中方案論證及選擇是從兩種可以實現可燃氣體濃度超標報警功能的方案中選出一個能及時報警、易操作、系統性能較高的方案。系統硬件電路設計主要設計包括：單片機最小系統電路、LCD1602 顯示電路、GSM 模塊電路、天然氣檢測電路、繼電器控制電路、聲光報警電路等。系統軟件設計主要是設計單片機進行控制以及處理數據所需的相關 C語言程序。最后對是系統整體的調試，將硬件電路與軟件程序相結合，調整相關參數，使得系統的各個模塊都能實現所要的功能并且達到最優。陜西理工學院畢業論文（設計）第 1 頁 共 40 頁2.系統的硬件設計2.1 方案論證及選擇2.1.1 方案論證方案一：基于藍牙的可燃氣體無線報警系統藍牙技術是一種無線網絡技術，其以低成本、短距離無線連接為基礎，可用于替代數字設備和計算機外設間的電纜連線以實現數字設備間的無線組網。首先由單片機通過藍牙模塊接收數據，然后將該數據導入 LCD 屏進行顯示，同時單片機對收集的可燃氣體濃度數據進行分析處理，并將其與設定值進行比較。當其濃度高于設定值時，系統立刻發出報警，開啟排氣設備。方案二：基于 SIM900A 的天然氣報警系統。基于 SIM900A 的火災報警系統，傳感器采集數據傳給單片機，單片機將數據進行處理并與設定值進行比較， 當測量值大于設定值時，SIM900A 進行無線報警。SIM900A 屬于雙頻 GSM/GPRS 模塊，采用 SMT 封裝形式，其性能穩定，性價比高，可以滿足打電話，發短息的基本功能。SIM900A采用工業標準接口，工作頻率為 GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實現語音、SMS、數據和傳真信息的傳輸。2.1.2 方案選擇方案一：藍牙的通訊速率不是很高，并且受距離的遠近影響較大，而且應用成本很高，普及難度大，并且只適用于進程通訊，不能達到遠程的目的。故排除方案一。方案二：目前手機以及全面普及，GSM 網絡信號覆蓋面積廣、網絡接入靈活、無需布線，打破了距離的限制，從而可以實現全國乃至全球漫游監控 。短消息(SMS)利用信令信道傳輸，直接把要發的信息加上目的地址發送到短消息服務中心，由服務中心再發給終端。短消息容量有限（每條短信內容最多 140 個字節），適于傳輸小流量的數據；由于建立時間較長，傳送過程要受短消息服務中心服務器繁忙程度的影響，因而適于非連續性和實時性要求不太高的傳輸場合。短消息傳輸具有實現簡單，通信成本低的優點。設計此系統的是基于短消息方式，簡單、方便使用、價格低廉的實用性系統，因此我們選擇 SIM900A。2.2 傳感器部分的設計2.2.1 可燃氣體傳感器的概述可燃氣體傳感器是氣-電轉換元件，它能將可燃氣體濃度信息轉化為模擬信號，然后通過 A/D轉換單元將模擬信號轉化為數字信號送微處理器執行相應的操作。所以可燃氣體傳感器是系統的一個很關鍵的部分，它將直接影響到系統的性能，所以選擇經濟、穩定、精確的可燃氣體傳感器是設計系統的首要任務。可燃氣體檢測報警設備的核心部件是能對可燃氣進行檢測的可燃氣體檢測。可燃氣體的傳感器主要有半導體傳感器，固體電解質氣體傳感器，接觸燃燒氣體傳感器，高分子氣體傳感器，電化學式氣體傳感器等，由于可燃氣體的種類很多，一種類型的氣體傳感器往往不能檢測所有的可燃氣體。接觸燃燒式氣體傳感器可分為直接接觸燃燒式傳感器和催化接觸燃燒式傳感器。其工作原理是氣敏材料在通電狀態下可燃性氣體氧化燃燒或者在催化劑作用下氧化燃燒，燃燒使電熱絲升溫,從而使其電阻值發生變化。半導體氣體傳感器是以恒定的直流電源對半導體器件加熱，當無可燃氣體存在時，半導體兩極間呈現高阻狀態，傳感器無信號輸出。當空氣中有可燃氣體存在并吸附在氧化物燒結體上，引起半導體電導率或熱導率的變化，使其阻值變小，從而將被測氣體的濃度信息轉變為電信號。陜西理工學院畢業論文（設計）第 2 頁 共 40 頁由于接觸燃燒式氣體傳感器是利用可燃性氣體氧化燃燒使電熱絲升溫來達到檢測可燃氣體的目的，因此這種類型傳感器對不燃燒氣體不敏感，不會造成其他氣體的交叉感染。而且傳感器受環境溫度濕度的影響比較小，性能穩定。催化燃燒式氣體傳感器采用電橋原理構成檢測電路，其線性度及靈敏度比較好。而半導體氣體傳感器則是裸露在環境中進行高溫檢測，故對氣體造成的干擾很難克服，易出現誤檢誤報的情況，同時易受溫度濕度的影響，離散性比較大。氣敏式傳感器從檢測方式上分，該傳感器可分為表面電阻控型。表面電阻控制型有氧化錫、氧化鋅等金屬氧化物，其原理是當氣敏半導體加熱到 200時，其表面可以吸附可燃氣體從而改變電阻值來檢測可燃氣體濃度。其優點是對微量的可燃氣體較為敏感，結構簡單成本低。但是當濃度較大時，其選擇性和線性較差，所以氣敏式傳感器多用于可燃氣體的檢測報警，基本不會用于井下瓦斯爆炸。MQ-2 氣體傳感器的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫。當傳感器檢測到可燃氣體時，傳感器的導電率會隨著空氣中可燃氣體的濃度的增大而增大。在通過模數轉化將電導率的變化轉變為與該氣體濃度相對應的輸出信號。并且 MQ-2 氣體傳感器對液化氣體、丙烷、氫氣的林敏度較高，對于天然氣和其他可燃氣體的檢測也很理想，在交寬的濃度范圍內對可燃氣體有良好的靈敏度，有簡單的驅動電路，低成本，壽命長。所以可以被用于家庭用氣氣體泄漏報警器、工業可燃氣體報警器以及便攜式氣體檢測器MQ-2 氣體傳感器是利用氣體在半導體表面的氧化和還原反應導致敏感元件阻值變化。若氣濃度發生變化，其阻值也將隨之變化。根據這一變化，可以從阻值的變化得出吸附氣體的種類和濃度。2.2.2 MQ-2 傳感器及其主要特點MQ-2 的 主 要 特 點 ：(1)具有電源指示和 TTL 信號輸出指示；(2)具有 D0 開關信號（TTL）輸出和 AO 模擬信號輸出；(3)TTL 輸出有效信號為低電平。（當輸出為低電平時信號燈亮，可直接單片機或繼電器模塊）；(4)模擬量輸出電壓隨濃度的越高電壓越高；(5)快速的響應恢復特性；(6)具有長期的使用壽命和可靠的穩定性；(7)對液化氣，天然氣，城市煤氣，煙霧有較好的靈敏度；(8)輸入電壓為 DC5V，功耗電流為 150mA；(9)DO 輸出 TTL 數字量 0 和 1（0.1 和 5V）；(10)AO 輸出 0.1-0.3V（相對無污染），最高濃度電壓是 4V 左右；當傳感器通電后需要預熱 20S 左右，測量的數據相對穩定。傳感器內部有電熱絲，發熱屬于正常現象，但是燙手就不正常；MQ-2 模塊的 VCC 接 5V 電源正極，GND 接電源負極，AO 為模擬信號輸出，DO 為 TTL 信號輸出；MQ-2 天然氣傳感器實物圖如圖 2.1 所示。圖 2.1 MQ-2 煙霧傳感器實物圖陜西理工學院畢業論文（設計）第 3 頁 共 40 頁MQ-2 傳感器原理圖如圖 2.2 所示。圖 2.2 MQ-2 傳感器原理圖其引腳表如表 2.1 所示表 2.1 MQ-2 天然氣傳感器引腳功能引腳 功能VCC 5V 工作電壓GND 外接 GNDD0 小板數字開關輸出接口（0 和 1）A0 小板模擬量輸出接口一般情況下，傳感器的電導率是隨空氣中可燃氣體濃度的增大而增大，再通過外圍電路就將電導率的變化轉變成與氣體濃度變化相對應的電信號。由于傳感器輸出的信號會比較弱并且還有不可避免的干擾，所以要對輸出信號放大并要求很好的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗的放大電路。將傳感器的輸出信號依次經過放大、濾波、整流后輸入到單片機。天然氣傳感器是氣-電變換器，它屬于氣敏傳感器，它將空氣中天然氣和甲烷氣體的含量(即濃度)轉化成對應的電壓或者電流信號，傳感器作為天然氣和甲烷報警器的信號采集部分，是整個系統的核心組成部分之一。2.3 單片機最小系統的設計單片機最小系統是指單片機能正常工作所必須的基本電路，主要由單片機、復位電路、晶振電路組成。具體電路圖如圖 2.3 所示。電路主要包括：單片機、時鐘電路、復位電路。陜西理工學院畢業論文（設計）第 4 頁 共 40 頁122 22 12 01 91 81 71 61 51 41 31 21 11 098765432 33 43 33 23 13 02 92 82 72 62 52 44 03 93 83 73 63 5P 1 . 0P 1 . 7P 1 . 6P 1 . 5P 1 . 4P 1 . 3P 1 . 2P 1 . 1P 0 . 0E A / V P PA L E / P R O GP 2 . 0X T A L 1P 3 . 0 / R X DR S T / V P DP 3 . 6 / W RP 3 . 5 / T 1P 3 . 4 / T 0P 3 . 3 / I N T 1P 3 . 2 / I N T 0P 3 . 1 / T X DG N DX T A L 2P 3 . 7 / R DP 2 . 5P 2 . 4P 2 . 3P 2 . 2P 2 . 1P 2 . 7P 2 . 6V C CP 0 . 7P S E NP 0 . 6P 0 . 5P 0 . 4P 0 . 3P 0 . 2P 0 . 13 0 p F11.0592MHZ+R1 0 KC10uFV C CV C CS T C 1 2 C 5 A 6 0 S 2123456789C O MR 1R 2R 3R 4R 5R 6R 7R 8V C C3 0 p F圖 2.3 單片機最小系統電路圖(1)單片機芯片STC12C5A60S2 單片機與工業標準 MCS-51 指令和輸出管腳相兼容的芯片，是一個低功耗，高性能的 CMOS 8 位單片機 STC15 系列增強型 8051 單片機集成了上電復位電路與高精準 R/C 振蕩器。主要有特性包括用戶可直接啟動的應用程序有 8K 字節、6 時鐘/機器周期和 12 時鐘/機器周期課任意選擇，指令代碼完全兼容傳統的 80C51 單片機，工作電壓寬度達 3.3V-5.5V，工作頻率范圍為 0-40MHz，但實際工作頻率可以達到 48MHz，芯片上有 512 字節大小的 RAM，通用 I/O 口有 32 個，P0口是漏極開路輸出，在作總線擴展時，不用加上拉電阻，作 I/O 口時要加上拉電阻。STC12C5A60S2單片機還集成了大容量的程序存儲器、數據存儲器以及 EEPRM、集成 MAX810 專用復位電路,2 路PWM，8 路高速 10 位 A/D、集成了 PWM、SPI 等高功能接口部件，并且簡化最小系統的外圍電路，讓設計單片機應用系統更加簡捷，使系統性能更加高效、可靠。 STC12C5A60S2 系列單片機內部自帶 A/D 轉換口在 P1 口，有 8 路 10 位高速 A/D 轉換器，速度可達 250KHz。8 路電壓輸入型 A/D，可做溫度檢測，電池電壓檢測，按鍵掃描等。上電后 P1 口為弱上拉型 IO 口，用戶可以自己設置 8 路中的任何一路為 A/D 轉化，不作 A/D 接口用的可以繼續作IO 口用。單片機 ADC 由多路開關、比較器、逐次比較寄存器、10 位 DAC、轉換結果寄存器以及ADC_CONTER 構成。該單片機是逐次比較型的 ADC,由一個比較器和 D/A 轉換器構成，通過逐次比較邏輯，從最高位開始，順序的對每一輸入電壓與內置 D/A 轉換器進行比較，經過多次比較，使轉換所得數字量逐次逼近輸入模擬量對應值，逐次比較型 A/D 轉換器具有度高速，低功耗等優點。需要作為 AD 使用的端口要先將 P1ASF 特殊功能寄存器中的相應位置為1，將相應端口設為模擬功能。（2）復位電路單片機系統的復位方式有手動按鈕復位和上電復位兩種復位方式。51 系列單片機復位信號都陜西理工學院畢業論文（設計）第 5 頁 共 40 頁是從 RST 引腳輸入到芯片內的施密特觸發器中的。當振蕩器運行時，在 RST 引腳上出現兩個機器周期的高電平使單片機復位。如果需要單片機上電源就可以復位，則需在單片機外圍加一個復位電路，其功能是在系統上電時為單片機提供復位信號，直到系統電源穩定后，再撤銷復位信號。為了防止電源開關閉合引起的抖動對復位的影響，在電源穩定后要經過一定的延時再撤銷復位信號。單片機在啟動時要進行復位，以使 CPU 及系統各部件處于確定的初始狀態，并從初態開始工作。當系統處于正常工作狀態時，且振蕩器穩定后，如果 RST 引腳上有一個高電平并維持 2 個機器周期(24 個振蕩周期)以上，則 CPU 就可以響應并將系統復位。(3) 時鐘電路STC12C5A60S2 單片機的工作頻率在 0-48M，芯片內部是一個反相放大器的輸入和輸出端，通常用于連接晶體振蕩器，其外接晶體的引腳為 XTAL1 和 XTAL2。外接的晶體與電容組成并聯諧振回路，構成一個自激振蕩器向內部時鐘電路提供振蕩時鐘。振蕩器的頻率可以在 4MHz-48MHz 之間選擇，振蕩器的頻率取決于晶體的振蕩頻率，晶體選擇 11.0592MHz；電容對時鐘頻率有微調作用，常在 5-100pF 之間選擇，通常取 47pF 左右的瓷片電容。2.4 顯示電路設計 在單片機系統中應用液晶顯示屏作為輸出器件，顯示質量高，體積小，質量輕，功耗低的特點。液晶顯示屏每一個點在收到信號后就一直保持其顏色和亮度，恒定發光，不像陰極射線管顯示器要不斷刷新亮點，所以，液晶顯示屏的畫質高。液晶顯示器都是數字式的，和單片機系統的連接更加方便、可靠，更易操作。液晶顯示屏的功耗主要消耗在其內部電極和驅動 IC 上，所以其耗電量比較小。液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對顯示區域進行控制，通電就會有相應的顯示。而且液晶顯示屏具有厚度薄、適用大規模集成電路直接驅動，易實現全色彩顯示的特點。一個字符由 6*8 或 8*8 點陣組成，所以用 LCD 顯示一個字符比較困難。但是 LCD602 內部自帶字符發生器，所以字符顯示就相對來說比較簡單。LCD602 是專門用于顯示字母、數字、符號等點陣式 LCD。LCD602 的基本參數及引腳功能，其基本參數如圖 2.4。圖 2.4 LCD1602 外形尺寸LCD1602 顯示屏的主要技術參數：(1)顯示容量為 16*2 個字符（不能顯示漢字）；(2)芯片工作電壓為女 4.5V-5.5V；(3)工作電流為 2mA（5V）；(4)模塊最佳工作電壓為 5V；(5)字符尺寸為 2.95*4.35(W*H)mm；LCD1602 采用標準的 14 腳或 16 腳接口，各個引腳接口說明如表 2.2。陜西理工學院畢業論文（設計）第 6 頁 共 40 頁表 2.2 LCD1602 各引腳功能編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明1 VSS 電源地 9 D2 數據2 VDD 電源正極 10 D3 數據3 V0 液晶顯示偏壓 11 D4 數據4 RS 數據/命令選擇 12 D5 數據5 R/W 讀寫選擇 13 D6 數據6 E 使能信號 14 D7 數據7 D0 數據 15 BLA 背光源正極8 D1 數據 16 BLK 本光源負極在 16 個引腳中，V0 為液晶顯示屏對比度調整端，接電源正極時對比度最弱，接電源地時對比度最高，對比度告示會產生陰影方格，使用時可以通過