基于單片機(jī)的瓦斯?jié)舛葓?bào)警器檢測(cè)器設(shè)計(jì)

河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)緒論1.1本課題的研究背景及意義我國(guó)是煤炭生產(chǎn)大國(guó)，隨著煤礦機(jī)械化程度的提高，礦井生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率普遍加大，煤炭年產(chǎn)量居世界首位，2013年全國(guó)煤炭產(chǎn)量完成37億噸左右，產(chǎn)煤量占世界總產(chǎn)煤量的20%。煤炭生產(chǎn)作為我國(guó)能源工業(yè)的支柱，其地位將是長(zhǎng)期的，穩(wěn)定的。但是，目前煤炭工業(yè)的安全生產(chǎn)狀況卻很差，其中之一便是有害氣體的危害性，包括CH4，瓦斯，SO2等。近年來(lái)，瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)和數(shù)百萬(wàn)名煤礦工的生命安全，2013年我國(guó)煤礦發(fā)生瓦斯事故59起，造成348人死亡。瓦斯災(zāi)害已成為制約我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)和煤炭工業(yè)發(fā)展的重要因素，可以說(shuō)瓦斯爆炸已經(jīng)成為礦難的第一大禍?zhǔn)?。?guó)有地方煤礦中，高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井占15%左右。在許多發(fā)達(dá)國(guó)家中為了減少事故的發(fā)生，一般不會(huì)開(kāi)采高瓦斯災(zāi)害隱患嚴(yán)重的礦井。但中國(guó)是一個(gè)能源饑渴大國(guó)，煤炭是我國(guó)的主要能源，占一次性能源構(gòu)成的75%,所以不論是低瓦斯還是高瓦斯，都在積極創(chuàng)造條件，照采不誤。多年來(lái)的實(shí)踐證明，瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測(cè)監(jiān)控器在監(jiān)測(cè)煤礦井下安全狀況，防范安全隱患方面起著重要作用，充分發(fā)揮其作用，是我國(guó)煤礦安全形勢(shì)實(shí)現(xiàn)好轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。近年來(lái)，國(guó)有重點(diǎn)煤礦瓦斯爆炸事故較少的原因之一，就是絕大多數(shù)煤礦的高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井安裝了瓦斯報(bào)警器。瓦斯(CH4)是煤礦井下危害最大的氣體，它是在成煤過(guò)程中形成并大量貯存于煤層之中的氣體，無(wú)色、無(wú)味，有易燃、易爆等特點(diǎn)。瓦斯的危害主要表現(xiàn)為三個(gè)方面：（1）瓦斯?jié)舛冗^(guò)高，對(duì)工人身體健康造成傷害，表現(xiàn)為缺氧，呼吸困難，窒息等；（2）瓦斯煤塵爆炸，瓦斯爆炸所產(chǎn)生的巨大沖擊波和高溫火焰，往往導(dǎo)致群死群傷，而且揚(yáng)起的煤塵又會(huì)參與爆炸，摧毀巷道，毀壞設(shè)備，甚至毀滅整個(gè)礦井，給國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。（3）大量的瓦斯排入大氣，污染大氣環(huán)境。目前我國(guó)已經(jīng)使用的瓦斯報(bào)警礦燈具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，但存在的問(wèn)題時(shí)傳感器漂移大，要定期維護(hù)，并且需要維護(hù)的周期很短；維護(hù)方法復(fù)雜，成本較高，抗機(jī)械干擾能力較差。為了解決這些問(wèn)題，本課題在分析模擬式瓦斯報(bào)警器特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，充分利用52單片機(jī)的強(qiáng)大功能，對(duì)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)處理，對(duì)提高瓦斯檢測(cè)的可靠性和系統(tǒng)的性價(jià)比具有十分重要的意義。1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況和研究方向最早監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛鹊难b置是安全燈，安全燈的構(gòu)造簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，一百多年來(lái)一直被沿用下來(lái)，至今仍在許多國(guó)家使用。從1675年英國(guó)北威爾士欣煤礦發(fā)生的第一次瓦斯爆炸礦難起，世界各國(guó)開(kāi)始更進(jìn)一步關(guān)注對(duì)瓦斯檢測(cè)報(bào)警的相關(guān)安全研究。一直以來(lái)，光干涉瓦斯監(jiān)測(cè)器在我國(guó)以及日本使用比較廣泛，自20世紀(jì)30年代以來(lái)，已經(jīng)連續(xù)使用了數(shù)十年，至今仍在多數(shù)些礦井的瓦斯檢測(cè)中使用。目前，在瓦斯檢測(cè)儀中占主導(dǎo)地位的是催化瓦斯檢測(cè)儀，據(jù)最早文獻(xiàn)記載，1943年以前美國(guó)已制成VCC瓦斯測(cè)量?jī)x，日本在鉑絲元件上加上涂有催化劑的載體小珠，制成最早的載體催化元件，并利用這種原件制成了北辰型瓦斯指示器。1958年法國(guó)Cherchar研究所已研制成功利用AI2O3為載體，鈀Pd、釷Th為催化劑的載體催化元件，獲得了較好的催化性能。1961年英國(guó)礦山安全研究所采用新的工藝，改進(jìn)了載體催化元件的性能。從此，催化瓦斯傳感器進(jìn)入了其發(fā)展過(guò)程中的全盛時(shí)期。1961年以后，英、美、法、日、德、前蘇聯(lián)等國(guó)家又對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)研究，并把它作為瓦斯檢測(cè)的主要工作方向。我國(guó)對(duì)于催化型瓦斯傳感器的研究工作起步稍晚。催化瓦斯傳感器系統(tǒng)由兩臺(tái)DRS—4型計(jì)算機(jī)控制，共有128個(gè)測(cè)頭。當(dāng)前國(guó)際催化瓦斯傳感器的主要是向小型化、高穩(wěn)定、長(zhǎng)壽命方向發(fā)展。在這些要求中，努力提高元件的穩(wěn)定性、延長(zhǎng)元件使用壽命是中心課題。由于通過(guò)采用篩選催化劑配方和改進(jìn)工藝的方法來(lái)提髙元件穩(wěn)定性和延長(zhǎng)元件使用壽命已經(jīng)收獲不大，所以必須在研究工作中進(jìn)一步探索元件催化劑及載體的變化規(guī)律，找出提高元件的穩(wěn)定性和延長(zhǎng)元件的使用壽命的方法。為此需要深入研究催化劑的價(jià)態(tài)、顆粒大小、表面狀態(tài)以及載體的晶型變化的規(guī)律，而這種深入的研究采用以前的檢驗(yàn)手段已經(jīng)不行了，必須采用更先進(jìn)的技術(shù)，進(jìn)入催化劑的微觀世界，探索其變化規(guī)律。目前與此有關(guān)的現(xiàn)代分析技術(shù)主要有光電子能譜、掃描電子顯微鏡、X射線衍射、電子順磁共振等。雖然世界各國(guó)在此方面的研究都有了些許初步的成果，但是關(guān)于催化劑和載體變化規(guī)律的研究報(bào)告或文章很少見(jiàn)發(fā)表。由于傳感器是獲取信息的工具，是信息技術(shù)（包括傳感與控制技術(shù)、通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)）三大支柱之一，位于信息系統(tǒng)的最前端，其特性的好壞、輸出信息的可靠性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)雖至關(guān)重要。因此目前世界各國(guó)一直把發(fā)展智能化傳感器作為研究課題，投入大量人力物力進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究。智能傳感系統(tǒng)與傳統(tǒng)傳感器相比，具有高精度、高可靠性、高性能價(jià)格比、多功能化等優(yōu)點(diǎn)，它代表了傳感器的發(fā)展方向，是傳感器克服自身落后向前發(fā)展的必然趨勢(shì)。國(guó)外的監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)水平理論上講高于國(guó)內(nèi)發(fā)展水平，但應(yīng)用于國(guó)內(nèi)煤礦尚有一定的局限性，如煤礦管理模式生產(chǎn)方式的不同，價(jià)格過(guò)高不適于國(guó)內(nèi)煤礦現(xiàn)有條件，除在傳感器技術(shù)方面可供借鑒外，其它僅具一定參考價(jià)值。80年代初，世界各產(chǎn)煤國(guó)檢測(cè)裝置的缺點(diǎn)是：1）測(cè)量范圍小2）易受高濃度瓦斯和硫化物的影響，存在零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移問(wèn)題，存在檢測(cè)不準(zhǔn)確及井下校準(zhǔn)困難等弊端。瓦斯報(bào)警對(duì)現(xiàn)在采礦業(yè)的安全起著非常重要的作用。現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)設(shè)備，都是采用數(shù)字顯示或燈光顯示的方式來(lái)提供測(cè)試數(shù)據(jù)的，這在環(huán)境狹窄、能見(jiàn)度差的井下工作面很不方便。采用直接的語(yǔ)音播報(bào)方式，可以主動(dòng)向現(xiàn)場(chǎng)人員提供各種信息，遇到危險(xiǎn)情況還能作為緊急廣播使用。這對(duì)于提高安全意識(shí)、避免重大傷亡事故具有重要意義。由于我的水平有限，所以本設(shè)計(jì)仍然選擇聲光報(bào)警方式。本設(shè)計(jì)能夠監(jiān)控礦井的瓦斯氣體的濃度，顯示測(cè)量結(jié)果，并對(duì)當(dāng)前的環(huán)境狀態(tài)做出判斷，發(fā)出報(bào)警信息。1.3課題主要研究?jī)?nèi)容與要求這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容與要求是：設(shè)計(jì)一個(gè)煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝置，在氣體濃度一定的范圍內(nèi)進(jìn)行安全檢測(cè)，并能在礦內(nèi)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到報(bào)警上限時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，通知礦內(nèi)工作人員及時(shí)撤離減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。這個(gè)基于單片機(jī)的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)以下的功能：瓦斯?jié)舛葴y(cè)試，超過(guò)設(shè)定的門限值后自動(dòng)聲光報(bào)警。

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)隨著超大規(guī)模數(shù)字集成電路、單片機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用單片機(jī)及其它外圍芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯的監(jiān)測(cè)成為一種可能，并且成為一種發(fā)展趨勢(shì)。它具有體積小、操作簡(jiǎn)單、攜帶方便、功能較齊全等優(yōu)點(diǎn)，而且性能價(jià)格比也很高，應(yīng)用前景非常廣泛。因此此次設(shè)計(jì)整體上是基于STC89C52單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)報(bào)警。在這里我們運(yùn)用到的氣敏傳感器是MQ-5，它是用來(lái)檢測(cè)外部瓦斯的濃度（其檢測(cè)到的濃度值為模擬量），并將檢測(cè)到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出出來(lái)。然后再將電壓信號(hào)輸入到ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換變換成數(shù)字信號(hào)，并在52單片機(jī)的控制下將其輸入，然后在內(nèi)部軟件編程下進(jìn)行數(shù)值變換處理。在單片機(jī)進(jìn)行完數(shù)據(jù)處理后就將其結(jié)果輸出顯示，從而顯示出瓦斯氣體的濃度，其中顯示部分本設(shè)計(jì)采用LCD1602A液晶顯示屏，用于顯示瓦斯?jié)舛戎怠Ｈ魧?shí)際瓦斯?jié)舛瘸迍t在單片機(jī)的控制下進(jìn)行聲光報(bào)警。提醒生產(chǎn)人員離開(kāi)，避免生產(chǎn)事故。2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊如圖2-1，系統(tǒng)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)，信號(hào)采集電路，A/D轉(zhuǎn)換模塊，顯示模塊，聲光報(bào)警電路五部分組成。其中單片機(jī)最小系統(tǒng)是核心部分，負(fù)責(zé)信號(hào)的處理運(yùn)算，控制顯示模塊已經(jīng)聲光報(bào)警部分。信號(hào)采集部分主要采集濃度信號(hào)，將濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后由A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量送給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行分析后控制顯示模塊進(jìn)行濃度顯示。如果濃度過(guò)高，單片機(jī)控制報(bào)警電路進(jìn)行聲光報(bào)警。 圖2-1系統(tǒng)總體框圖2.2系統(tǒng)功能描述便攜式電子瓦斯檢定器是一種可隨身攜帶、能連續(xù)自動(dòng)測(cè)定（或點(diǎn)測(cè)）環(huán)境中瓦斯?jié)舛鹊娜娮觾x器，具有操作方便、讀數(shù)直觀、工作可靠、體積小、重量輕、維修方便等特點(diǎn)。一個(gè)易燃易爆氣體監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)易燃易爆氣體并報(bào)警，肯定能提高人民的生活水平和加快我們的現(xiàn)代化建設(shè)，有利于安全生產(chǎn)，有利于整個(gè)社會(huì)穩(wěn)定，減少不必要的人員跟財(cái)產(chǎn)損失。本文研究設(shè)計(jì)了煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能較為準(zhǔn)確科學(xué)的檢測(cè)并顯示礦內(nèi)瓦斯?jié)舛龋⑶耶?dāng)氣體濃度超出某一設(shè)定范圍后會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，從而達(dá)到實(shí)時(shí)安全監(jiān)控作用。實(shí)現(xiàn)的功能：井下瓦斯?jié)舛日r(shí)顯示瓦斯?jié)舛?，聲光?bào)警器不報(bào)警；濃度超標(biāo)時(shí)正常顯示瓦斯?jié)舛嚷暪鈭?bào)警器報(bào)警提醒作業(yè)人員撤離，防止事故發(fā)生。

3硬件設(shè)計(jì)3.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)儀器由瓦斯傳感器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、顯示電路、聲光報(bào)警電路等部分組成。儀器的供電電壓為5V，瓦斯傳感器由在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）氣體敏感材料制成。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)傳感器隨著氣體中可燃?xì)怏w濃度的增大而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的的輸出信號(hào)。采集到的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后，由顯示模塊顯示可燃?xì)怏w濃度值。聲光報(bào)警電路由蜂鳴器、發(fā)光二極管構(gòu)成。當(dāng)可燃?xì)怏w濃度超過(guò)設(shè)定的報(bào)警點(diǎn)時(shí)，由軟件控制報(bào)警，提醒工作人員撤離。3.2信號(hào)采集電路本設(shè)計(jì)采用瓦斯傳感器將瓦斯?jié)舛刃盘?hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，信號(hào)采集電路主要是傳感器的運(yùn)用。3.2.1瓦斯傳感器的種類瓦斯煙霧可燃?xì)怏w傳感器的使用可分為瓦斯泄漏的檢出及濃度的測(cè)定，瓦斯取樣分析。一般瓦斯傳感器可分為接觸燃燒式、半導(dǎo)體式、熱阻體式三種傳感器。其特性如下：1）接觸燃燒式可燃?xì)怏w(H2、CO、CH4等)與空氣中的氧接觸，發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生反應(yīng)熱(無(wú)焰接觸燃燒熱)，使得作為敏感材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應(yīng)增大。一般情況下，空氣中可燃性氣體的濃度都不太高(低于10％)，可燃性氣體可以完全燃燒，其發(fā)熱量與可燃性氣體的濃度有關(guān)。空氣中可燃性氣體濃度愈大，氧化反應(yīng)(燃燒)產(chǎn)生的反應(yīng)熱量(燃燒熱)愈多，鉑絲的溫度變化(增高)愈大，其電阻值增加的就越多。因此，只要測(cè)定作為敏感件的鉑絲的電阻變化值(ΔR)，就可檢測(cè)空氣中可燃性氣體的濃度。2）半導(dǎo)體式半導(dǎo)體式氣體傳感器是根據(jù)由金屬氧化物或金屬半導(dǎo)體氧化物材料制成的檢測(cè)元件，與氣體相互作用時(shí)產(chǎn)生表面吸附或反應(yīng)，引起載流子運(yùn)動(dòng)為特征的電導(dǎo)率或伏安特性或表面電位變化而進(jìn)行氣體濃度測(cè)量的。從作用機(jī)理上可分為表面控制型（采用氣體吸附于半導(dǎo)體表面而產(chǎn)生電導(dǎo)率變化的敏感元件）、表面電位型（采用半導(dǎo)體吸附氣體后產(chǎn)生表面電位或界面電位變化的氣體敏感元件）、體積控制型（基于半導(dǎo)體與氣體發(fā)生反應(yīng)時(shí)體積發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電導(dǎo)率變化的工作原理）等?？梢詸z測(cè)百分比濃度的可燃?xì)怏w，也可檢測(cè)ppm級(jí)的有毒有害氣體。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)靈敏度高、反應(yīng)速度快等諸多實(shí)用性優(yōu)點(diǎn)，但其主要不足是測(cè)量線性范圍較小，受背景氣體干擾較大，易受環(huán)境溫度影響等。3）熱阻體式利用熱阻體組件的熱傳導(dǎo)式瓦斯檢知方式為日本通產(chǎn)省工業(yè)技術(shù)院資源技術(shù)試驗(yàn)所。由傳感器廠商、機(jī)器廠商共同開(kāi)發(fā)，先當(dāng)做坑內(nèi)攜帶用沼氣檢知警報(bào)器，后來(lái)又用于都市管路瓦斯，液化天然瓦斯等檢出，是可靠度極高的瓦斯傳感器。熱阻體瓦斯察覺(jué)器當(dāng)檢知部使用而實(shí)用化時(shí)有下列困難。eq\o\ac(○,1)必須將熱阻體組件的長(zhǎng)期變化降到可忽視的程度。eq\o\ac(○,2)為克服上述1.的缺點(diǎn)，瓦斯檢知用組件和補(bǔ)償用組件的熱損失必須不影響其實(shí)用性。eq\o\ac(○,3)熱阻體式瓦斯檢知裝置在常溫常壓時(shí)，因水蒸氣的熱傳導(dǎo)率為沼氣的77%，所以易受濕度的影響，不可不重視。半導(dǎo)體式瓦斯傳感器的結(jié)構(gòu)及原理半導(dǎo)體式瓦斯傳感器是以金屬氧化物SnO2為主體材料的N型半導(dǎo)體氣敏元件，當(dāng)元件接觸還原性氣體時(shí)，其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升高。其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高，穩(wěn)定性好、信號(hào)處理容易等優(yōu)點(diǎn)。按照結(jié)構(gòu)可以分為燒結(jié)型（a）、薄膜型（b）和厚膜型（c）如圖3-1。圖圖3-1半導(dǎo)體式瓦斯傳感器結(jié)構(gòu)3.2.2MQ-5介紹工作原理：電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器氣敏元件的敏感部分是金屬氧化物微結(jié)晶粒子燒結(jié)體，當(dāng)它的表面吸附有被測(cè)氣體時(shí)，半導(dǎo)體微結(jié)晶粒子接觸介面的導(dǎo)電電子比例就會(huì)發(fā)生變化，從而使氣敏元件的電阻值隨被測(cè)氣體的濃度改變而變化。MQ-5技術(shù)指標(biāo)：本設(shè)計(jì)用的傳感器元件時(shí)MQ-5，其標(biāo)準(zhǔn)工作環(huán)境如表3-1。表3-SEQ表3-\*ARABIC1MQ-5標(biāo)準(zhǔn)工作環(huán)境符號(hào)參數(shù)名稱技術(shù)條件備注VC回路電壓≤15VACorDCVH加熱電壓5.0V±0.2VACorDCRL負(fù)載電阻可調(diào)RH加熱電阻31?±3?室溫PH加熱功耗≤900mw工作環(huán)境條件如表3-2。表3-2MQ-5標(biāo)準(zhǔn)工作環(huán)境符號(hào)參數(shù)名稱技術(shù)條件備注Tao使用溫度-10℃-50℃Tas儲(chǔ)存溫度-20℃-70℃Rh相對(duì)濕度小于95%RhO2氧氣濃度21%（標(biāo)準(zhǔn)條件）氧氣濃度影響靈敏度特性最小值大于2%MQ-5特點(diǎn)1）用于可燃性氣體的檢測(cè)（CH4、C4H10、H2等）2）靈敏度高3）響應(yīng)速度快4）輸出信號(hào)大5）壽命長(zhǎng)，工作穩(wěn)定可靠MQ-5靈敏度特性圖3-2是傳感器典型的靈敏度特性曲線。圖中縱坐標(biāo)為傳感器的電阻比（Rs/Ro），橫坐標(biāo)為氣體濃度。Rs表示傳感器在不同濃度氣體中的電阻值Ro表示傳感器在1000ppm氫氣中的電阻值。圖中所有測(cè)試都是在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下完成的。圖32傳感器典型靈敏度曲線圖3-3是傳感器典型的溫度、濕度特性曲線。圖中縱坐標(biāo)是傳感器的電阻比（Rs/Ro）。Rs表示在含1000ppm丙烷、不同溫/濕度下傳感器的電阻值。Ro表示在含1000ppm丙烷、20℃/65%RH環(huán)境條件下傳感器圖3-3傳感器典型溫度濕度特性曲線MQ-5靈敏度調(diào)整對(duì)于傳感器的調(diào)整參數(shù)計(jì)算，可按照表3-3甲烷測(cè)試計(jì)算步驟并結(jié)合該傳感器的特性表進(jìn)行調(diào)整。表3-3甲烷測(cè)試計(jì)算濃度計(jì)算值100500800100020003000500010000R50.280.2Rs(k?)12.9910.107.947.215.775.054.042.89V0=RLRL+R3.033.323.573.673.883.994.154.36顯示讀數(shù)698396101112117126136其中：RL=20k?；R0=14.43k?；C=86；RL—負(fù)載電阻；R0—敏感體電阻；C—常數(shù)，調(diào)整顯示范圍。在靈敏度調(diào)整過(guò)程中，由于MQ-5元件對(duì)于不同種類，不同濃度的氣體有不同的電阻值。因此，在使用此類氣敏元件時(shí)，靈敏度的調(diào)整是很重要的，可以用1000ppm的異丁烷或氫氣校正傳感器。MQ-5使用方法及注意事項(xiàng)1）元件開(kāi)始通電工作時(shí),沒(méi)有接觸可燃性氣體,其電導(dǎo)率也急劇增加1分鐘后達(dá)到穩(wěn)定,這時(shí)方可正常使用,這段變化在設(shè)計(jì)電路時(shí)可采用延時(shí)處理解決。2）加熱電壓的改變會(huì)直接影響元件的性能,所以在規(guī)定的電壓范圍內(nèi)使用為佳。3）元件在接觸標(biāo)定氣體1000ppmC4H10后10秒以內(nèi)負(fù)載電阻兩端的電壓可達(dá)到(Vdg-Va)差值的80%(即響應(yīng)時(shí)間);脫離標(biāo)定氣體1000ppmC4H1030秒鐘以內(nèi)負(fù)載電阻兩端的電壓下降到(Vdg-Va)差值的80%(即恢復(fù)時(shí)間)。符號(hào)說(shuō)明：1）檢測(cè)氣體中電阻-Rdg檢測(cè)氣體中電壓-Vdg2）Rdg與Vdg的關(guān)系:Rdg=RL(VC/Vdg-1)3）負(fù)載電阻可根據(jù)需要適當(dāng)改動(dòng),不影響元件靈敏度。使用條件:溫度-15~35℃;相對(duì)濕度45~75%RH;大氣壓力80~106KP環(huán)境溫濕度的變化會(huì)給元件電阻帶來(lái)小的影響,當(dāng)元件在精密儀器上使用時(shí),應(yīng)進(jìn)行溫濕度補(bǔ)償,最簡(jiǎn)便的方法是采用熱敏電阻補(bǔ)償之。避免腐蝕性氣體及油污染,長(zhǎng)期使用需防止灰塵堵塞防爆不銹鋼網(wǎng)。元件六腳位置可與電子管七角管座匹配使用。MQ-5引腳說(shuō)明MQ-5外觀如圖3-4。圖圖3-4MQ-5外觀結(jié)構(gòu)圖為圖3-5。圖圖3-5MQ-5結(jié)構(gòu)圖MQ-5引腳與內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-6。圖3-6MQ-引腳圖3-6中各個(gè)部分說(shuō)明如下表3-4表3-4MQ-5部件說(shuō)明部件材料1氣體敏感層二氧化錫2電極金3測(cè)量電極引線鉑4加熱器鎳洛合金5陶瓷管三氧化二鋁6防爆網(wǎng)100目雙層不銹鋼7卡環(huán)鍍鎳銅材8基座膠木或尼龍9針狀管腳鍍鎳銅材它由微型氧化鋁陶瓷管、氧化鋅敏感層，測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成，敏感元件固定在塑料或不繡鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有6個(gè)管腳，其中4個(gè)用于信號(hào)取出，2個(gè)用于提供加熱電流。圖3-7中①、②、③分別表示MQ-5型氣敏傳感器的引腳排布圖、引腳功能圖、使用接線圖。其中H-H表示加熱極（如5V），A-A、B-B傳感器表示敏感元件的2個(gè)極，圖③中“V”為傳感器的工作電壓，同時(shí)也是加熱電壓。圖圖3-7MQ-5型氣敏傳感器加熱電壓取交直流5V均可。當(dāng)氣敏傳感器加熱后，環(huán)境中的可燃?xì)怏w濃度加大時(shí)，傳感器的內(nèi)阻將迅速減小，利用該特性結(jié)合分壓原理，分析得知Vout的值將逐漸加大，當(dāng)超過(guò)我們?cè)O(shè)定的閾值時(shí)，可產(chǎn)生相應(yīng)的操作。MQ-5運(yùn)用中的等效電路如圖3-8。圖3-8MQ-5運(yùn)用等效電路3.3A/D轉(zhuǎn)換電路3.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的種類A/D轉(zhuǎn)換器的類型很多，根據(jù)轉(zhuǎn)換方法的不同，最常用的A/D轉(zhuǎn)換器有如下幾種類型。（1）并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器（2）雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器（3）逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器

1）并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器

工作原理圖中的8個(gè)電阻將參考電壓VREF分成8個(gè)等級(jí)，其中7個(gè)等級(jí)的電壓分別作為7個(gè)比較器C1-C7的參考電壓，其數(shù)值分別為VREF/15、3VREF/15…、13VREF/15。輸入電壓為V1，它的大小決定各比較器的輸出狀態(tài)，如當(dāng)0≤v1<VREF/15時(shí)，C1-C7的輸出狀態(tài)都為0；當(dāng)3VREF/15≤v1<5VREF/15時(shí)，比較器C6=C7=1，其余各比較器的狀態(tài)都為0.根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態(tài)的關(guān)系。比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲(chǔ)，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。優(yōu)先編碼器優(yōu)先級(jí)別最高是I7，最低的是I1。表3-53位并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的輸入、輸出關(guān)系設(shè)V1變化范圍是0-VREF，輸出3位數(shù)字量為D2D1D0，3位并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的輸入、輸出關(guān)系如表3-5所示模擬輸入量比較器輸出狀態(tài)數(shù)字輸出Co1Co2Co3Co4Co5Co6Co7D2D1D00≤v1<VREF/150000000000VREF/15≤v1<3VREF/1500000010013VREF≤v1<5VREF/1500000110105VREF≤V1<7VREF00001110117VREF/15≤V1<9VREF/150001111100續(xù)表3-59VREF/15≤V1<11VREF/15001111110111VREF/15≤V1<13VREF/15011111111013VREF≤V1<VREF11111111112）雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器工作原理雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器是一種間接A/D轉(zhuǎn)換器。它的基本原理是，對(duì)輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時(shí)間間隔，然后利用時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)器測(cè)出此時(shí)間間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。由于該轉(zhuǎn)換電路是對(duì)輸入電壓的平均值進(jìn)行交換，所以它具有很強(qiáng)的抗工頻干擾能力，在數(shù)字測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。

圖3-9是雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的原理電路，它由積分器（由集成運(yùn)放A組成），過(guò)零比較器（C）、時(shí)鐘脈沖控制門（G）和定時(shí)/計(jì)數(shù)器（

FF0-FFn

）等幾部分組成。圖3-9雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的原理電路3）逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器

工作原理逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器是目前采用最多的一種直接A/D轉(zhuǎn)換器。逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器與計(jì)數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換類似，只是數(shù)字量由“逐次逼近寄存器SAR”產(chǎn)生。SAR使用“對(duì)分搜索法”產(chǎn)生數(shù)字量，以8位數(shù)字量為例，SAR首先產(chǎn)生8位數(shù)字量的一半，即10000000B,試探模擬量Vi的大小，若V0>Vi，清除最高位，若Vo<Vi,保留最高位。在最高位確定后，SAR又以對(duì)分搜索法確定次高位，即以低7位的一半y1000000B(y為已確定位)試探模擬量Vi的大小。在bit6確定后，SAR以對(duì)分搜索法確定bit5位，即以低6位的一半yy100000B(y為已確定位)試探模擬量的大小。重復(fù)這一過(guò)程，直到最低位bit0被確定，轉(zhuǎn)換結(jié)束。n位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器框圖如圖3-10所示。它由控制邏輯電路、數(shù)據(jù)寄存器、移位寄存器、D/A轉(zhuǎn)換器及電壓比較器組成。圖圖3-10n位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換過(guò)程：(1)首先發(fā)出“啟動(dòng)信號(hào)”信號(hào)S。當(dāng)S由高變低時(shí)，“逐次逼近寄存器SAR”清0，DAC輸出Vo=0，“比較器”輸出1。當(dāng)S變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，“控制電路”使SAR開(kāi)始工作。(２)SAR首先產(chǎn)生8位數(shù)字量的一半，即10000000B,試探模擬量的Vi大小，若Vo>Vi，“控制電路”清除最高位，若Vo<Vi,保留最高位。(３)在最高位確定后，SAR又以對(duì)分搜索法確定次高位，即以低7位的一半y1000000B(y為已確定位)試探模擬量Vi的大小。在bit6確定后，SAR以對(duì)分搜索法確定bit5位，即以低6位的一半yy100000B(y為已確定位)試探模擬量Vi的大小。重復(fù)這一過(guò)程，直到最低位bit0被確定。(4)在最低位bit0確定后，轉(zhuǎn)換結(jié)束，“控制電路”發(fā)出“轉(zhuǎn)換結(jié)束”信號(hào)EOC。該信號(hào)的下降沿把SAR的輸出鎖存在“緩沖寄存器”里，從而得到數(shù)字量輸出。從轉(zhuǎn)換過(guò)程可以看出：?jiǎn)?dòng)信號(hào)為負(fù)脈沖有效。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)為低電平。這有點(diǎn)像數(shù)學(xué)中的二分法，如給一個(gè)數(shù)a，先用8'b1000000（設(shè)為b）與a相比較，如果a大于b，則保留最高位1，即原來(lái)的范圍變成了0-7'b1111111（第8位已確認(rèn)）。之后的過(guò)程都是這樣，重復(fù)執(zhí)行就可以了。根據(jù)以上理論，舉個(gè)例子，例如滿量程應(yīng)該是5V，所以，第一次DA輸出2.5V，輸入電壓與2.5V比較，輸入電壓大，故而取2.5V-5V之間，即最高位保留1。然后在新的范圍內(nèi)取中間電壓，即3.75V，依此類推。3.3.2A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)1)分辨率分辨率是指輸出數(shù)字量變化一個(gè)最小單位(最低位的變化)，對(duì)應(yīng)輸入模擬量需要變化的量。輸出位數(shù)越多，分辨率越高。通常以輸出二進(jìn)制碼的位數(shù)表示分辨率。2)相對(duì)精度相對(duì)精度是指實(shí)際轉(zhuǎn)換值偏離理想特性的誤差。通常以數(shù)字量最低位所代表模擬輸入值來(lái)衡量，如相對(duì)精度不超過(guò)±1/2LSB3)轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間是指A/D轉(zhuǎn)換器從接到轉(zhuǎn)換命令起到輸出穩(wěn)定的數(shù)字量為止所需要的時(shí)間。它反映A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。此外，還有輸入電壓范圍、功率損耗等。本設(shè)計(jì)所用的A/D轉(zhuǎn)換模塊是ADC0809，它是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開(kāi)關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。3.3.3ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)該芯片內(nèi)部由8位模擬開(kāi)關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、電阻網(wǎng)絡(luò)、樹(shù)狀電子開(kāi)關(guān)、逐次逼近寄存器、控制與時(shí)序電路、三態(tài)輸出鎖存器等組成如圖3-11。圖圖3-SEQ圖3-\*ARABIC11ADC0809內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)虛線框中為芯片核心部分。各部分功能大致如下。地址鎖存與譯碼器控制8位模擬開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)8路模擬信號(hào)的選擇。8個(gè)模擬輸入端能接收8路模擬信號(hào)，但相對(duì)某一時(shí)刻只能選擇其中的一路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。樹(shù)狀開(kāi)關(guān)與256R電阻網(wǎng)絡(luò)一起構(gòu)成D/A轉(zhuǎn)換電路，產(chǎn)生與逐次逼近寄存器中二進(jìn)制數(shù)字量對(duì)應(yīng)的反饋模擬電壓，送至比較器，與輸入模擬電壓進(jìn)行比較。比較器的輸出結(jié)果和控制與時(shí)序電路的輸出一起控制逐次逼近寄存器中的數(shù)據(jù)從高位至低位變化，依次確定各位的值，直至最低位被確定為止。在轉(zhuǎn)換完成后，轉(zhuǎn)換結(jié)果送到三態(tài)輸出緩沖器。當(dāng)輸出允許信號(hào)OE有效時(shí)，選通輸出緩沖器，輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。3.3.4ADC0809引腳結(jié)構(gòu)如圖3-12ADC0809引腳圖D7-D0：8位數(shù)字量輸出引腳。IN0-IN7：8位模擬量輸入引腳。VCC：+5V工作電壓。GND：地。REF（+）：參考電壓正端。REF（-）：參考電壓負(fù)端。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端。ALE：地址鎖存允許信號(hào)輸入端。（以上兩種信號(hào)用于啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換）.EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出引腳，開(kāi)始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平。OE：輸出允許控制端，用以打開(kāi)三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。CLK：時(shí)鐘信號(hào)輸入端（一般為500KHz）。A、B、C：地址輸入線。圖圖3-SEQ圖3-\*ARABIC12ADC0809引腳圖ADC0809對(duì)輸入模擬量要求：信號(hào)單極性，電壓范圍是0－5V，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。地址輸入和控制線：4條ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)入轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0－IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇如表3-6所示。表3-6ADC0809通道選擇CBA選擇的通道000IN0001IN1010IN2續(xù)表3-6011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7數(shù)字量輸出及控制線：11條ST為轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng)ST上跳沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)EOC為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號(hào)，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7－D0為數(shù)字量輸出線。CLK為時(shí)鐘輸入信號(hào)線。因ADC0809的內(nèi)部沒(méi)有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ。在教材中ADC0809的時(shí)鐘信號(hào)是有ALE提供，但是ALE輸出的是1MHz的時(shí)鐘信號(hào)，所以要加一個(gè)分頻器，進(jìn)行2分頻。這樣做固然可以提供時(shí)鐘信號(hào)，但是要多加一個(gè)元件，并且我們完全可以使用單片機(jī)控制產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)供給ADC0809使用，這只需在軟件中體現(xiàn)就可以了。具體做法是使用T0定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)10KHz的脈沖信號(hào)。這是ADC0809時(shí)鐘脈沖允許的最小值。并且本設(shè)計(jì)要求的轉(zhuǎn)換速度不用那么快，所以10KHz也夠用。VREF（＋），VREF（—）為參考電壓輸入。本設(shè)計(jì)所用參考電壓為VREF(+)5V，VREF(—)0V。3.3.5ADC0809應(yīng)用說(shuō)明（1）ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與STC89C52單片機(jī)直接相連。（2）初始化時(shí)，使ST和OE信號(hào)全為低電平。（3）送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。（4）在ST端給出一個(gè)至少有100ns寬的正脈沖信號(hào)。（5）是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號(hào)來(lái)判斷。（6）當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，這時(shí)給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)了。Protues仿真中A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3-13圖圖3-13ADC0809仿真圖3.4顯示電路本設(shè)計(jì)所用顯示模塊是LCD1602A液晶顯示屏，1602是指顯示的內(nèi)容為16*2，可以顯示兩行，每行顯示16個(gè)字符；A為廠家編號(hào)3.4.11602A引腳說(shuō)明1602通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來(lái)的2條線是背光電源線——VCC(15腳)和地線GND(16腳)，其控制原理與14腳的LCD完全一樣。其他引腳介紹如表3-7。表3-71602引腳說(shuō)明引腳號(hào)引腳名電平輸入/輸出作用1Vss電源地2Vcc電源（+5V）3Vee對(duì)比調(diào)整電壓4RS0/1輸入0=輸入指令1=輸出指令5R/W0/1輸入0=向LCD寫入指令或數(shù)據(jù)1=從LCD讀取信息6E1,1→0輸入使能信號(hào)，1時(shí)讀取信息，1→0（下降沿）執(zhí)行指令7DB00/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line08DB10/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line19DB20/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line210DB30/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line311DB40/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line412DB50/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line513DB60/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line614DB70/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line715A+VccLCD背光電源正極16K接地LCD背光電源負(fù)極3.4.21602A自定義字符說(shuō)明DDRAM說(shuō)明DDRAM就是顯示數(shù)據(jù)RAM，用來(lái)寄存待顯示的字符代碼。共80個(gè)字節(jié)，其地址和屏幕的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3-8。表3-8DDRAM地址和屏幕對(duì)應(yīng)關(guān)系顯示位置1234567……..40DDRAM地址第一行00H01H02H03H04H05H06H……..27H第二行40H41H42H43H44H45H46H……..67HCGRAM自定義字符產(chǎn)生器在對(duì)模塊初始化的過(guò)程里面,定義顯示方式、光標(biāo)、字符移位方式、自定義字符和開(kāi)顯示等操作。在需要顯示自定義字符時(shí),與顯示內(nèi)置字符的方法是相同的,只是CGRAM的地址有所區(qū)別。在寫入CRRAM或DDRAM地址以后,寫入對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)列。下面給出自定義字符點(diǎn)陣時(shí)定義和調(diào)用時(shí)的步驟。1)在顯示初始化時(shí)寫入控制命令字,以設(shè)置CGRAM地址。CGRAM中只能自定義8個(gè)5×7點(diǎn)陣字符(后面會(huì)看到限制8個(gè)自定義字符的原因),對(duì)應(yīng)的CGRAM地址范圍是000000–000111。定義這8個(gè)5×7點(diǎn)陣字符對(duì)應(yīng)的控制命令字分別為:40H,48H,50H,58H,60H,68H,70H,78H2)向CGRAM寫入字型編碼數(shù)據(jù)(CGRAM數(shù)據(jù))。對(duì)于5×7點(diǎn)陣字符,連續(xù)寫入7行點(diǎn)陣數(shù)據(jù)。每行分別對(duì)應(yīng)CGRAM數(shù)據(jù)0-4位(第4位在左側(cè)),需要顯示的對(duì)應(yīng)點(diǎn)置1,反之則置0。例如,自定義字符為字母“R”,則連續(xù)寫入的字型數(shù)據(jù)為:1EH,11H,11H,1EH,14H,12H,11H3)向模塊寫入字符碼值,調(diào)用自定義字符。在調(diào)用自定義字符時(shí),要注意CGRAM地址以3位一組排列,字符碼值0-2位對(duì)應(yīng)CGRAM地址位3-5。字符碼值4-7位全0,而第3位無(wú)效,可以是0或1。這就是自定義CGRAM空間為16個(gè)字節(jié),卻只能定義8個(gè)字符的原因。所以上面例子CGRAM中第一個(gè)自定義的字符“R”可以用碼值00H或08H選中。據(jù)此,顯示8個(gè)自定義字符的字符碼值分別為:00H、01H、02H、03H、04H、05H、06H和07H,或者08H、09H、0AH、0BH、0CH、0DH、0EH和0FH。protues仿真中顯示電路如圖3-14。圖圖3-SEQ圖3-\*ARABIC14顯示電路在實(shí)際應(yīng)用中LCD1602a都是以模塊的形式出現(xiàn)的，這個(gè)模塊中有上拉電阻，所以在利用的過(guò)程中不用自己加入上拉電阻。但是在單片機(jī)中，只有P0口沒(méi)有自帶的上拉電阻，所以只能用P0口連接LCD1602a。3.5聲光報(bào)警電路聲光報(bào)警電路如圖3-15圖圖3-SEQ圖3-\*ARABIC15聲光報(bào)警電路聲光報(bào)警電路由蜂鳴器，發(fā)光二級(jí)管（紅、綠），470?上拉電阻組成，共用一個(gè)地，且直接與單片機(jī)I/O口相連。當(dāng)濃度超過(guò)設(shè)定值時(shí)蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警，紅色發(fā)光二極管發(fā)光，綠色發(fā)光二極管滅。在氣體濃度水平未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，綠色發(fā)光二極管發(fā)光，紅色滅，蜂鳴器不發(fā)聲。3.6單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3-16，是單片機(jī)最小系統(tǒng)，由四個(gè)部分組成：圖圖3-SEQ圖3-\*ARABIC16單片機(jī)最小系統(tǒng)3.6.1時(shí)鐘電路XTAL1：芯片內(nèi)部震蕩電路輸入端XTAL2：芯片內(nèi)部震蕩電路輸出端XTAL1和XTAL2是獨(dú)立的輸入和輸出反相反放大器，它可以被分配為使用石英晶振的片內(nèi)震蕩器，或者器件由外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。3.6.2復(fù)位電路在單片機(jī)中復(fù)位電路非常重要，當(dāng)程序跑飛（運(yùn)行不正常）或者死機(jī)（停止運(yùn)行）時(shí)，就需要進(jìn)行復(fù)位。MCS-51系列單片機(jī)的復(fù)位引腳RST出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就進(jìn)行復(fù)位操作。如果RST為持續(xù)高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。3.7單片機(jī)概述本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)。STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。3.7.1STC89C52特性1）8K字節(jié)程序存儲(chǔ)空間；2）512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；3）內(nèi)帶2K字節(jié)EEPROM存儲(chǔ)空間;4）可直接使用串口下載；3.7.2STC89C52參數(shù)1）增強(qiáng)型8051單片機(jī)，6時(shí)鐘/機(jī)器周期和12時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051.2）工作電壓：5.5V～3.3V（5V單片機(jī)）/3.8V～2.0V（3V單片機(jī)）3）工作頻率范圍：0～40MHz，相當(dāng)于普通8051的0～80MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHz4）用戶應(yīng)用程序空間為8K字節(jié)5）片上集成512字節(jié)RAM6）通用I/O口（32個(gè)），復(fù)位后為：P0/P1/P2/P3是準(zhǔn)雙向口/弱上拉，P0口是漏極開(kāi)路輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為I/O口用時(shí)，需加上拉電阻。7）ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無(wú)需專用編程器，無(wú)需專用仿真器，可通過(guò)串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片8）具有EEPROM功能9）共3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。即定時(shí)器T0、T1、T210）外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，PowerDown模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒11）通用異步串行口（UART），還可用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè)UART12）工作溫度范圍：-40～+85℃（工業(yè)級(jí)）/0～75℃（商業(yè)級(jí)）13）PDIP封裝3.7.3STC89C52工作模式1）掉電模式：典型功耗<0.1μA,可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原程序2）空閑模式：典型功耗2mA3）正常工作模式：典型功耗4Ma～7mA3.7.4STC89C52I/O口復(fù)用功能說(shuō)明STC89C52P1.0、P1.1和P3口都有復(fù)用功能，具體功能參照表3-9。表3-9STC89C52P1.0、P1.1和P3口復(fù)用功能引腳號(hào)功能特性P1.0T2(定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2外部輸入)，時(shí)鐘輸出P1.1T2EX（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2捕獲重裝觸發(fā)和方向控制）P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2eq\x\to(INT0)(外部中斷0)tq\x\to(INT0)P3.3eq\x\to(INT1)(外部中斷1)P3.4T0（定時(shí)器0的外部輸入）P3.5T1（定時(shí)器1的外部輸入）續(xù)表3-9P3.6eq\x\to(WR)(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通)P3.7eq\x\to(RD)(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)

4軟件設(shè)計(jì)4.1概述根據(jù)軟件功能要求，將系統(tǒng)軟件分成若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分。各功能程序?qū)嵭心K化、子程序化。既便于調(diào)試、鏈接，又便于移植、修改。在編寫應(yīng)用軟件之前，應(yīng)繪制出程序流程圖。這不僅是程序設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，而且是決定成敗的關(guān)鍵部分。本設(shè)計(jì)中程序共有六個(gè)子函數(shù)組成，這樣做的目的是使各個(gè)模塊在調(diào)試的過(guò)程中不受其他模塊的影響，從而使得設(shè)計(jì)工作能夠簡(jiǎn)單有效的進(jìn)行。最終協(xié)調(diào)整個(gè)程序的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能。4.2系統(tǒng)流程圖系統(tǒng)流程框圖如圖4-1所示。圖圖4-SEQ圖4-\*ARABIC1系統(tǒng)流程圖本課題設(shè)計(jì)思路；利用軟硬件進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后用瓦斯傳感器采集瓦斯?jié)舛?，采集到的信?hào)時(shí)0-5v電壓，利用軟件把瓦斯?jié)舛群碗妷宏P(guān)系制成數(shù)據(jù)表格放進(jìn)CPU的程序存儲(chǔ)器中。ADC0809根據(jù)數(shù)據(jù)表格把電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)的瓦斯?jié)舛绒D(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，然后通過(guò)軟件編程把瓦斯?jié)舛蕊@示在液晶顯示屏上。再把實(shí)時(shí)采集到的瓦斯?jié)舛扰c設(shè)置的報(bào)警上限值進(jìn)行比較，如果大于設(shè)置的上限值，用軟件控制聲光報(bào)警，如果不大于，只顯示當(dāng)前瓦斯?jié)舛?，不?bào)警。該設(shè)計(jì)采用濃度單位為ppm，是百萬(wàn)單位氣體所含被測(cè)氣體數(shù)量。4.2.1各子函數(shù)的設(shè)計(jì)初始化本設(shè)計(jì)初始化程序有兩個(gè)，分別是系統(tǒng)初始化和1602a初始化。系統(tǒng)初始化主要進(jìn)行選擇中斷方式，開(kāi)中斷，開(kāi)定時(shí)器的工作。各個(gè)單片機(jī)程序都有此項(xiàng)內(nèi)容，在此不再贅述。1602a的初始化過(guò)程主要進(jìn)行顯示設(shè)置和屏幕清零，一般運(yùn)用1602a都會(huì)進(jìn)行三次清零，本設(shè)計(jì)只進(jìn)行一次。1602a初始化的過(guò)程中主要進(jìn)行的是顯示“Theppmis”。這個(gè)過(guò)程和數(shù)碼管顯示是一樣的，要求將光標(biāo)放在第一行，并且光標(biāo)進(jìn)行逐個(gè)字符的移動(dòng)，從而顯示數(shù)組中的各個(gè)字符。1602a顯示更加接近于面向?qū)ο?，只要將要顯示的字符置于要顯示的位置，不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。單獨(dú)也為函數(shù)以后要放在while循環(huán)外邊，這樣可以防止閃爍。信號(hào)采集信號(hào)采集運(yùn)用MQ-5。由于MQ-5氣敏元件可以直接把氣體濃度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。有圖3-9可知，MQ-5的輸出電壓在0-5V之間，而ADC0809可以轉(zhuǎn)化的電壓信號(hào)在0-15V之間，所以MQ-5與ADC0809是可以配合使用的。使用時(shí)只需將MQ-5模塊輸出直接與ADC0809輸入口相連就可以了。在實(shí)際應(yīng)用中，MQ-5傳感器的靈敏度需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換用ADC0809,它是8位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片也就是說(shuō)精度是1/256，8位輸出變化位00000000~11111111當(dāng)為全零時(shí)表示輸入為0V當(dāng)為全1時(shí)表示輸出為參考電壓最大值也就是說(shuō)輸出數(shù)碼每變化1電壓變化參考電壓的1/256。本設(shè)計(jì)所用的參考電壓是5V。A/D轉(zhuǎn)換要有時(shí)鐘信號(hào)輸入CLK使轉(zhuǎn)換可以順利進(jìn)行。在本設(shè)計(jì)中時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)軟件定時(shí)器產(chǎn)生，這樣可以少用一個(gè)元件。數(shù)據(jù)處理由于本設(shè)計(jì)所用的電壓比較小，而使用的單位為ppm，直接顯示的話所顯示的數(shù)據(jù)與實(shí)際相差太大，所以在顯示時(shí)要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在實(shí)際運(yùn)用中得到的數(shù)據(jù)乘以256在除以51，這是為了防止溢出。之所以乘以256，是因?yàn)橹苯语@示的并非是電壓值，其具體顯示數(shù)值參照表3-2。在數(shù)據(jù)處理中還要進(jìn)行數(shù)值的判斷，當(dāng)濃度達(dá)到報(bào)警上限時(shí)要報(bào)警。顯示函數(shù)本設(shè)計(jì)采用的是1602a液晶顯示模塊。1602a液晶顯示要對(duì)光標(biāo)進(jìn)行定位，所以需要有寫指令函數(shù)，其主要功能就是對(duì)光標(biāo)進(jìn)行定位。其次需要有寫數(shù)據(jù)函數(shù)，主要功能是顯示字符。在程序中這兩個(gè)函數(shù)被反復(fù)調(diào)用，每顯示一個(gè)字符就要調(diào)用一次。為了程序調(diào)試方便運(yùn)行流暢，將寫指令函數(shù)與寫數(shù)據(jù)函數(shù)都放在一個(gè)顯示函數(shù)中。這樣做的目的是在調(diào)試過(guò)程中可以分塊調(diào)試，保證調(diào)試效率。報(bào)警函數(shù)報(bào)警采用聲光報(bào)警，在程序中體現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中。在此過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，達(dá)到報(bào)警時(shí)直接報(bào)警。此函數(shù)代碼較小，所以不必單獨(dú)寫為一個(gè)函數(shù)，并且在數(shù)據(jù)處理中進(jìn)行此過(guò)程可以使用同一變量，反而簡(jiǎn)單。4.2.2編程語(yǔ)言的選擇隨著單片機(jī)不斷發(fā)展，編程語(yǔ)言也不斷發(fā)展。目前比較流行的是匯編語(yǔ)言編程和C語(yǔ)言編程。而C51是在標(biāo)準(zhǔn)C的基礎(chǔ)上，根據(jù)單片機(jī)存儲(chǔ)器硬件結(jié)構(gòu)及內(nèi)部資源，擴(kuò)展了相應(yīng)的數(shù)據(jù)類型和變量。C51在語(yǔ)法規(guī)定、程序結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方法上，都與標(biāo)準(zhǔn)C相同。C語(yǔ)言是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ANSI）制定的編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)，1987年ANSI公布87ANSIC，即標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言。KeilC51語(yǔ)言是在ANSIC的基礎(chǔ)上針對(duì)51單片機(jī)的硬件特點(diǎn)進(jìn)行的擴(kuò)展，并向51單片機(jī)上移植，經(jīng)過(guò)多年努力，C51語(yǔ)言已經(jīng)成為公認(rèn)的高效、簡(jiǎn)潔而又貼近51單片機(jī)硬件的實(shí)用高級(jí)編程語(yǔ)言。用C51進(jìn)行單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)，有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）可讀性好。C51語(yǔ)言程序比匯編語(yǔ)言程序的可讀性好，因而編程效率高，程序便于修改。（2）模塊化開(kāi)發(fā)與資源共享。用C51開(kāi)發(fā)出來(lái)的程序模塊可以不經(jīng)修改，直接被其他項(xiàng)目所用，這使得開(kāi)發(fā)者能夠很好地利用已有的大量的標(biāo)準(zhǔn)C程序資源與豐富的庫(kù)函數(shù)，減少重復(fù)勞動(dòng)。（3）可移植性好。為某種型號(hào)單片機(jī)開(kāi)發(fā)的C語(yǔ)言程序，只需將與硬件相關(guān)之處和編譯連接的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修改，就可以方便地移植到其他型號(hào)的單片機(jī)上。例如，為51單片機(jī)編寫的程序通過(guò)改寫頭文件以及少量的程序行，就可以方便地移植到PIC單片機(jī)上。（4）代碼效率高。當(dāng)前較好的C51語(yǔ)言編譯系統(tǒng)編譯出來(lái)的代碼效率只比直接使用匯編語(yǔ)言低20%左右，如果使用優(yōu)化編譯選項(xiàng)，效果會(huì)更好。因?yàn)镵eilC51具有很大的優(yōu)點(diǎn)，我們最終選擇KeilC51進(jìn)行進(jìn)行編程。

5protues仿真在protues中沒(méi)有蜂鳴器的仿真模型，但是蜂鳴器給一個(gè)5V電壓就可以發(fā)聲，所以仿真中不加入蜂鳴器，同時(shí)MQ-5用電源加滑動(dòng)變阻器的方式進(jìn)行仿真。其中仿真中采用添加網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)的方式，這樣可以使整個(gè)仿真圖顯的整潔簡(jiǎn)單易懂。氣體濃度單位采用ppm，為沒(méi)百萬(wàn)單位清潔空氣中被測(cè)氣體所含單位量。我國(guó)煤礦在瓦斯?jié)舛瘸^(guò)1%時(shí)就采取措施，所以當(dāng)氣體濃度為10000ppm時(shí)就報(bào)警。圖5-1，總體仿真電路。圖圖5-1總體設(shè)計(jì)圖未達(dá)到報(bào)警時(shí)綠燈亮，紅燈滅，如圖5-2。圖圖5-2未達(dá)到報(bào)警時(shí)效果達(dá)到報(bào)警濃度時(shí)，紅燈亮，綠燈滅，如圖4-4。圖圖5-3達(dá)到報(bào)警時(shí)效果程序見(jiàn)附錄

總結(jié)與展望總結(jié)本次設(shè)計(jì)是以STC89C52單片CPU為核心，采用高精度敏感元件MQ-5，A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC0809，液晶顯示屏LCD1602A，是一種電路設(shè)計(jì)新穎，參數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確，操作方便的瓦斯?jié)舛葓?bào)警監(jiān)控儀。設(shè)計(jì)能方便地觀測(cè)瓦斯含量。它是一種新型的煤礦安全監(jiān)控報(bào)警設(shè)備。本文所做的工作有：(1)完成了瓦斯?jié)舛葯z測(cè)報(bào)警設(shè)備的整體構(gòu)思和設(shè)計(jì)。(2)各部分元器件的選擇。使用單片機(jī)STC89C52作為控制芯片，利用瓦斯氣體傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、顯示電路、報(bào)警電路構(gòu)成系統(tǒng)，在各部分的元器件的選擇中本著高性能、低成本的原則，按照設(shè)計(jì)要求做出選擇。(3)各個(gè)子系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)的子系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)處理單元、報(bào)警單元、顯示單元等。各子系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)來(lái)作為控制部件，協(xié)調(diào)各部分完成規(guī)定的任務(wù)，按照各部分的要求設(shè)計(jì)好電路圖，最后將各部分連在一起形成一個(gè)整體。(4)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行論證。一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，論證過(guò)程的必不可少的部分。首先對(duì)各系統(tǒng)的電路圖連接方式和元器件的選擇進(jìn)行論證，看能否實(shí)現(xiàn)其相對(duì)應(yīng)的功能，有不妥當(dāng)?shù)牡胤郊右孕薷?，以完善該設(shè)計(jì)。其次是軟件部分的程序流程圖的論證，看是否正確，是否可行，不正確要予以更正。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)了如何運(yùn)用已學(xué)的知識(shí)來(lái)完完整整地設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，使我對(duì)單片機(jī)的原理及應(yīng)用有了更深的理解。到此我的畢業(yè)設(shè)計(jì)也接近尾聲了，順利完成這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，對(duì)我個(gè)人來(lái)說(shuō)也是一次挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)完之后感覺(jué)自己的思維方式更加完善，考慮問(wèn)題的方法也在不知不覺(jué)中有了很大的提高。展望本設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中還存在一下幾個(gè)缺點(diǎn)。（1）信號(hào)采集電路只有一路輸入，在實(shí)際應(yīng)用中這種設(shè)計(jì)存在較大的誤差。（2）本設(shè)計(jì)在瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí)只有報(bào)警設(shè)計(jì)，沒(méi)有通風(fēng)設(shè)計(jì)。（3）本設(shè)計(jì)只有濃度顯示與報(bào)警，實(shí)際中溫度也是一個(gè)安全隱患，但是本設(shè)計(jì)沒(méi)有溫度檢測(cè)。（4）當(dāng)瓦斯監(jiān)測(cè)用于井下時(shí)，要有防爆裝置，本設(shè)計(jì)缺少防爆裝置。針對(duì)以上問(wèn)題可以提出如下改進(jìn)方式。（1）設(shè)計(jì)3-4路信號(hào)輸入，這樣既保證了測(cè)得的濃度準(zhǔn)確，又可以擴(kuò)大檢測(cè)范圍。（2）在瓦斯?jié)舛冗_(dá)到報(bào)警值時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟通風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)。（3）加入溫度檢測(cè)裝置，檢測(cè)溫度。當(dāng)溫度達(dá)到危險(xiǎn)時(shí)進(jìn)行報(bào)警和降溫處理。（4）為設(shè)計(jì)加入防爆裝置。（5）加入遠(yuǎn)程報(bào)警裝置。接下來(lái)的目標(biāo)就是使設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)如上所述的功能，使設(shè)計(jì)功能更加完善。

致謝在做此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我得到了上****老師的精心指導(dǎo)，正是在**老師指導(dǎo)下明確了自己的研究方向和研究方法，使得最終的設(shè)計(jì)能夠順利的完成。**老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)風(fēng)范、敏銳的開(kāi)拓思維和勇于創(chuàng)新的精神將使我終身受益。從指導(dǎo)老師身上我不僅學(xué)到了扎實(shí)、寬廣的專業(yè)知識(shí)，也學(xué)到了做人的道理。在此我要向我的指導(dǎo)老師**老師致以衷心的感謝和崇高的敬意！在此再次感謝**老師和同學(xué)們的幫助，感謝培養(yǎng)我四年的學(xué)校。

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附錄#include"reg51.h"#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintuintgetdata=0;sbitST=P2^3; //A/D啟動(dòng)信號(hào)sbitEOC=P2^4; //A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)sbitOE=P2^5; //數(shù)據(jù)輸出允許