基于51單片機可燃氣報警器設(shè)計與制作

PAGEPAGE10基于51單片機的可燃氣報警器設(shè)計與制作目錄摘要 4Abstract 5一、緒論 6（一）研究背景與意義 6（二）國內(nèi)外現(xiàn)狀研究 61.國內(nèi)研究現(xiàn)狀 62.國外研究現(xiàn)狀 63.研究內(nèi)容 6二、可燃氣報警裝置的單片機控制 8（一）系統(tǒng)方案設(shè)計 8（二）器件選型 81.傳感器選型 82.處理器的選擇 9三、可燃氣報警控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 10（一）單片機最小系統(tǒng)設(shè)計 10（二）可燃氣體檢測模塊設(shè)計 15（三）顯示模塊 171.OLED介紹 172.顯示電路連接 17（四）電源模塊 18四、軟件系統(tǒng)設(shè)計 19（一）編程環(huán)境 19（二）主程序設(shè)計 19（三）電源管理 211.電源控制 212.低功耗模式 21（四）顯示模塊顯示設(shè)計 21第五章系統(tǒng)測試 22（一）硬件調(diào)試 22（二）軟件調(diào)試 22（三）測試數(shù)據(jù)記錄 23結(jié)論 25參考文獻 26致謝 27

摘要隨著國內(nèi)經(jīng)濟不斷的飛速發(fā)展，人們的生命財產(chǎn)安全的意識越來越強，消防工作也得到了更多的關(guān)注，各種各樣關(guān)于消防事件爭相報導(dǎo)，我們經(jīng)常在大型場所看到火災(zāi)報警器，但是應(yīng)用于廚房的比較少見。因此我們有必要開發(fā)一款簡單、經(jīng)濟、適用于廚房的易燃氣體報警系統(tǒng)來滿足市場需求。本論文設(shè)計了一款基于51單片機的監(jiān)測系統(tǒng)，并詳細的闡述了工作的基本原理、電路的構(gòu)成等。本設(shè)計主要由MCU:STC89C52RC單片機、為了應(yīng)對廚房的環(huán)境，集成了可燃氣傳感器，用于一氧化碳、火光、乙醇氣體等易燃氣體的檢測，一旦檢測到的氣體濃度超標，就會通過蜂鳴器進行報警，該設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)實時的對廚房環(huán)境監(jiān)測，有效防止了因為可燃氣體濃度過高，導(dǎo)致火災(zāi)或者窒息事故的發(fā)生。本設(shè)計的防火報警系統(tǒng)具有性能高、構(gòu)造簡單、使用方便等優(yōu)點，實現(xiàn)了自動報警功能，具有很廣泛的市場前景。關(guān)鍵詞：51單片機，廚房報警系統(tǒng)，可燃氣

一、緒論二十一世紀以來，中國經(jīng)濟飛速發(fā)展，隨著互聯(lián)網(wǎng)上安全知識的不斷傳播，群眾的安全意識不斷提高。各種大型場所都隨處可見安全標語，但如今應(yīng)用于廚房內(nèi)部的安全報警器仍比較少，相關(guān)技術(shù)仍不夠成熟。廚房可燃氣濃度達到一定比例。會引起電路安全甚至爆炸等一系列實物，這時候如果可以有一個報警器，即使報警，給居民時間采取解決測試，可以極大的降低事故的發(fā)生，保障居民的安全，使人們能夠享受烹飪。二十世紀六十年代，日本率先進行了有關(guān)氣體泄漏報警的相關(guān)研究，經(jīng)過長達一年半的努力，日本新宇宙電氣公司制作出一種不僅能檢測可燃氣還能檢測其他氣體的報警器，如一氧化碳，酒精濃度等。近幾年，我國網(wǎng)絡(luò)上常有廚房安全事故的相關(guān)新聞，例如：天然氣泄漏，火災(zāi)等，此前，人們對該項目的投資較少，項目相對落后，事故頻發(fā)后，人們開始重視起廚房安全。雖然我國在相關(guān)產(chǎn)業(yè)上起步較晚，但這些年各大品牌奮起直追，不斷加大進行相關(guān)產(chǎn)業(yè)的研究。與此同時，我國的各大研究機構(gòu)也在進行各項數(shù)據(jù)分析，加快研發(fā)速度，在廚房可燃氣報警領(lǐng)域有了很大的進步。

二、可燃氣報警裝置的單片機控制（一）系統(tǒng)方案設(shè)計本設(shè)計采用STC89C52RC作為主控芯片，由電源穩(wěn)壓模塊，可燃氣數(shù)據(jù)檢測模塊及OLED液晶顯示模塊組成。STC89C52RC是一種嵌入式微控制器的集成電路(IC)，芯體規(guī)格是8位，速度是11.0592MHz，程序存儲器容量是8KB，程序存儲器類型是FLASH，RAM容量是48K。圖2.1系統(tǒng)設(shè)計框圖（二）器件選型1.傳感器選型此系統(tǒng)對于廚房內(nèi)氣體的濃度的采集需要借用傳感器來實現(xiàn)，選擇氣體傳感器來實現(xiàn)對廚房內(nèi)各種可燃氣體的采集工作。此次設(shè)計的傳感器選擇很重要，對市面上的相關(guān)傳感器做了大致的統(tǒng)計和分析：可燃氣體檢測傳感器?？扇細怏w檢測傳感器可以實現(xiàn)對所有不同種類的可燃氣體的探測，可以及時發(fā)出安全警報，這種傳感器目前在工業(yè)生產(chǎn)上運用廣泛，可以安裝在會有可燃氣體產(chǎn)生的車間中，以便于隨時檢查車間的氣體狀況，以免發(fā)生爆炸。氫氣和一氧化碳氣敏傳感器。這種傳感器內(nèi)安裝有氫敏元件，可以很好的實現(xiàn)對氫氣濃度的感應(yīng)和采集，且成本低廉，反應(yīng)速度快，元件靈敏度高。因為家庭廚房的煤氣管道中的氫氣含量一般較高，當氫氣在空氣中達到一定濃度時就很容易發(fā)生爆炸，所以可以使用這類傳感器實現(xiàn)報警。有害氣體傳感器。家庭裝修后，一般空氣中還會殘留大量危害人體的氣體，如甲醛、苯類等，所以為了保證身體健康，可以借用有害氣體傳感器對這些有害氣體進行檢測，確保在安全情況下入住。傳感器根據(jù)內(nèi)部材料組成也可以進行分類，根據(jù)實驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過多次實驗以及這些實驗數(shù)據(jù)的比對工作，半導(dǎo)體型傳感器與燃料電池型的傳感器相比，其中燃料電池型的傳感器對于外界的干擾不容易產(chǎn)生變化和誤差，且誤差范圍可以接受，但是半導(dǎo)體型傳感器會對多種氣體產(chǎn)生敏感，容易被外界環(huán)境所影響，而導(dǎo)致測量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差，半導(dǎo)體型傳感器的抗干擾能力較差，會容易對實際情況產(chǎn)生錯誤判斷。另外相比于半導(dǎo)體型傳感器，燃料電池型的傳感器耗能也較低也更加環(huán)保。根據(jù)對以上三種氣體傳感器綜合性能的對比，本次設(shè)計選用MQ-3型可燃氣體傳感器。2.處理器的選擇單片機采用低功耗高速工業(yè)級芯片STC89C52RC。51系列搭載內(nèi)核為Cortex內(nèi)核。內(nèi)部集成優(yōu)異的帶喚醒功能的低功耗模式，以及復(fù)位電路等，可完全足夠本次的設(shè)計需求。電源電路采用USB供電，電壓為5V，為設(shè)配各模塊電壓，其自帶穩(wěn)壓模塊防止電路故障，輸出3.3V電流。其自帶看門狗與系統(tǒng)時鐘，相比其他單片機，可以更高效的完成系統(tǒng)設(shè)計。

三、可燃氣報警控制系統(tǒng)硬件設(shè)計（一）單片機最小系統(tǒng)設(shè)計如圖3.1為STC89C52實物圖，STC89C52單片機共有40個引腳，如圖3.2為STC89C52單片機封裝圖,單片機的最小系統(tǒng)包括電源、晶振、復(fù)位電路，如圖3.3為STC89C52單片機最小系統(tǒng)電路圖。圖3.1STC89C52的實物圖圖3.2STC89C52單片機引腳圖圖3.3STC89C52單片機的最小系統(tǒng)電路圖STC89C52主要功能如表3.1。表3.1STC89C52主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系統(tǒng)8K可反復(fù)擦寫FlashROM32個雙向I/O口256x8bit內(nèi)部RAM3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷時鐘頻率0-24MHZ2個串行中斷可編程UART串行通道2個外部中斷源共6個中斷源2個讀寫中斷口線3級加密位低功耗空閑和掉電模式軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能單片機系統(tǒng)的介紹時鐘電路STC89C52單片機內(nèi)部帶有8位的隨機存儲存儲器，可以實現(xiàn)對所需要數(shù)據(jù)信息的大量存儲功能，其內(nèi)部帶有反相放大器，TXD引腳作為輸出端實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的發(fā)送，RXD則作為接收端實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的接收。反相放大器作為單片機內(nèi)部電路的增益器件，可以對信號放大并且反相輸出。為了使得單片機輸出穩(wěn)定的信號，還需要接入晶體振蕩器，該種晶振的頻率選用12MHz的石英晶體，另外還需要大小合適的電容，一般取30pF左右的電容。整個振蕩電路的頻率會受到接入的晶振的頻率和電容大小的影響，這也是影響單片機的運行速度的關(guān)鍵因素。除此方式以外，單片機的引腳也可以進行外部接入電路的方式，還可以將TXD接到外部的振蕩器，RXD則接地。TXD所接的外部振蕩器的頻率一般低于12MHz，該種外接振蕩電路的時鐘電路如圖3.5所示圖3.5外部方式時鐘電路復(fù)位及復(fù)位電路1.復(fù)位操作復(fù)位是單片機的初始化操作，它的主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機0000H單元開始執(zhí)行程序。復(fù)位操作除了起始的初始化，還可以在程序出錯單片機死機時使用復(fù)位。除了PC之外，復(fù)位操作還對其他一些寄存器有影響，它們的復(fù)位狀態(tài)如表3.2。表3.2寄存器的復(fù)位狀態(tài)2.復(fù)位信號及其產(chǎn)生該系統(tǒng)的復(fù)位電路應(yīng)該接在單片機的RST引腳上。當引腳為高電平時，系統(tǒng)會進行復(fù)位，可以保持24個振蕩周期。但是如果使用的是6MHz頻率的晶體振蕩器，復(fù)位時間就必須等待4us。單片機的整個復(fù)位電路需要內(nèi)部電路和外部電路相互配合運作，外部的電路會產(chǎn)生復(fù)位信號然后發(fā)送給施密特觸發(fā)器，芯片的外部電路進行發(fā)射信號，而內(nèi)部電路則負責(zé)接受信號，內(nèi)部電路對施密特觸發(fā)器的輸出進行采集，最終得到信號。復(fù)位操作有上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式。上電復(fù)位和按鍵復(fù)位的原理有所不同，圖3.7所示是上電復(fù)位的電路圖。外部的復(fù)位電路的電容在電源通上后，在很快的時間內(nèi)充上電，就可以實現(xiàn)復(fù)位功能，上電復(fù)位的操作就是接通電源。按鍵復(fù)位也有兩種方式，一種是電平復(fù)位，將復(fù)位端的電阻連接在電源處，這樣就可以根據(jù)電平的高低進行電平復(fù)位。另一種則是脈沖方式的手動復(fù)位。圖3.7上電復(fù)位電路圖（二）可燃氣體檢測模塊設(shè)計根據(jù)上文對于市面上的各類傳感器的對比工作，綜合各個傳感器的性能特點，本次設(shè)計選用MQ-3型可燃氣體檢測傳感器,這種傳感器對于氣體的濃度檢測速度很快，不會影響到后期的反應(yīng)工作，而且耗能較低，非常適用于家庭中，目前市場上運用廣泛。而且抗干擾能力強，可以做出很好的判斷和預(yù)警工作。MQ-3型可燃氣體傳感器的工作原理是根據(jù)二氧化硫和二氧化錫的電傳輸能力在不同的環(huán)境中會產(chǎn)生變化而影響其對電流的傳輸能力?？諝庵械目扇細怏w濃度對于二氧化硫和二氧化錫的電流傳輸能力是成反比的，可燃氣體濃度越大，電流傳輸能力越小，并且在整個電流傳輸過程中二氧化錫不會產(chǎn)生實質(zhì)變化，可以進行反復(fù)利用。MQ-3的靈敏度特性曲線如圖3.3所示。圖3.3MQ-3靈敏度特性曲線當檢測開始，可燃氣體氣體的濃度每增加20ppm，放大輸出電路升高0.1V的電壓，系統(tǒng)可以將血液中的可燃氣體濃度探測出來，通過一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系將可燃氣體濃度轉(zhuǎn)化為電壓值輸出，這種轉(zhuǎn)換的公式為:a(mV)x0.2=b(mg/L),其中公式中的b代表人體血液中的可燃氣體的濃度，字母a代表的是系統(tǒng)顯示出的電壓值。傳感器電路圖如圖3.4所示。圖3.4MQ-3檢測電路MQ-3傳感器內(nèi)部有A、B兩個電極，在通電之前，兩極間電阻較大，在系統(tǒng)上電以后，H-H電極開始加熱，電極電流降低，A、B兩電極之間的電阻值由最初的2*104Ω逐漸降低到一定值后，最終上升到1.2*104Ω時穩(wěn)定。經(jīng)過加熱后的電極間的電阻可以根據(jù)外界可燃氣體的濃度發(fā)生相應(yīng)的變化，這時使用MQ-3傳感器對外界的可燃氣體進行檢測，然后對應(yīng)的可燃氣體的濃度就會被顯示在顯示屏上。當整個測試循環(huán)結(jié)束后，兩極間的電阻值會迅速下降回默認情況下，以便快速進入下一次測試。MQ-3傳感器對于空氣中可燃氣體的濃度變化反應(yīng)很快，該傳感器靈敏度較高，可以很好的完成實驗?zāi)康?。（三）顯示模塊1.OLED介紹有機電致發(fā)光器件與二極管的特性相似，和發(fā)光二極管一樣有正負極，接電路時需要注意連接方向，正向和反向都會導(dǎo)致不同的效果，該器件為低電壓高電流的發(fā)光器件。當外界的電壓為正向時，通過陰極和陽極的電子和空穴會流入到有機材料，電子和空穴會形成暫態(tài)激子共同移動到發(fā)光層，其中一部分的暫態(tài)激子會被消耗掉，另外一部分會進行相互融合，電子和空穴結(jié)合并發(fā)出能量，發(fā)光材料外層本身不帶電的原子吸收這些被釋放出來的能量后轉(zhuǎn)為激發(fā)態(tài)，最后這些原子會轉(zhuǎn)換為光子，這就是電能轉(zhuǎn)化為光能原理。2.顯示電路連接OLED顯示模塊管腳圖如下所示：圖3.5OLED管腳圖（四）電源模塊整個智能廚房系統(tǒng)中，要想使系統(tǒng)正常運行，電源模塊必不可少，它可以為整個智能廚房安全檢測系統(tǒng)提供穩(wěn)定有效的工作電壓。電源插口使用的是DC電源，運用USB進行數(shù)據(jù)連接供電。圖3.7電源模塊

四、軟件系統(tǒng)設(shè)計（一）編程環(huán)境Keil是一款程序開發(fā)軟件，它可以為C語言提供開發(fā)環(huán)境，也能夠很好的兼容51系列的單片機，利用該開發(fā)環(huán)境可以實現(xiàn)多種程序編輯功能，是一款多功能為一體的開發(fā)軟件。Keil有以下特點：源代碼編譯器豐富且功能較齊全。兼容STC89C52RC及其元件。完善的基于ARM的C語言編輯環(huán)境。可實時操作其源代碼。適配上位機的USB傳輸。GPI接口功能完善，可用于目標所有軟硬件調(diào)試和仿真器連接。其編譯環(huán)境如圖4-1所示：圖4.1KeiluVision5編譯環(huán)境其開發(fā)時目標代碼效率較高，容易理解，所以采用KeiluVision5來編譯。（二）主程序設(shè)計系統(tǒng)采用STC89C52RC作為總控芯片，其功能包括通用I/O口控制，邏輯判斷，外部中斷及應(yīng)用，外部模塊的驅(qū)動，通訊?傳輸，報警控制，看門狗等。本系統(tǒng)主要包括總體程序設(shè)計、檢測信號、顯示控制、無線傳輸?shù)取D4.2系統(tǒng)主程序設(shè)計（三）電源管理1.電源控制因為本次設(shè)計采用的復(fù)位方式是上電復(fù)位，所以當電源接通時，如果電壓低于2V，整個系統(tǒng)就會保持上電復(fù)位的狀態(tài)，否則就會保持工作狀態(tài)。復(fù)位狀態(tài)可以用可編程電壓檢測器進行檢測。電源控制寄存器中的PVDO來表明Vdd是否高于PVD的電壓閾值。該控制連接在內(nèi)部控制的16線，若該中斷是使能的，就會產(chǎn)生中斷。2.低功耗模式STC89C52RC單片機具有很多優(yōu)點，在經(jīng)濟效益方面，該芯片不僅價格低廉，且耗能很少，可以實現(xiàn)睡眠、停止和待機三種低耗能模式?？梢愿鶕?jù)工作的需要對單片機的運行模式進行自主調(diào)整，以達到最大化減少功耗的效果。（四）顯示模塊顯示設(shè)計顯示模塊可以和STC89C52RC直接連接，但需要定義管腳。定義RS對應(yīng)管腳PB8，定義RW接地，定義EN對應(yīng)管腳PB9，設(shè)置D0-D7為輸出口。其程序流程圖如圖所示：圖液晶顯示流程圖以下為初始化液晶代碼（五）ADC讀取程序設(shè)計首先主控芯片會向單片機發(fā)送一個啟動信號，以向ADC0832芯片讀取我們需要監(jiān)測的傳感器的數(shù)值。然后由于0832芯片是有兩個讀取通道的，所以需要進行通道的選擇，之后就可以進行程序的第一次讀取，當?shù)谝淮巫x取完后還需要對程序進行二次讀取以排除誤差在確定沒有誤差之后就可以將讀取到的數(shù)值返還給單片機。圖單片機讀取ADC0832的流程圖

第五章系統(tǒng)測試（一）硬件調(diào)試第一步是觀察電路，對電路進行檢查。因為本次設(shè)計的所有硬件電路部分都是進行手動焊接，所以必須要排除所有的焊點是否有漏焊的情況，另外也要注意是否有焊點為焊牢固。還要將實際連接電路與設(shè)計的電路圖紙進行對照，排除有電路接線的錯誤。第二步要借助萬用表進行電路元器件的排查，對每個元器件進行排查，看是否有本身已經(jīng)損壞的元器件，和接線是否有短路的情況。完成以上兩步后，最后一步就要對整個電路進行通電，查看各個元器件的兩端的電壓是否正常穩(wěn)定，確保各個元器件可以正常的工作。在調(diào)試硬件電路的時候，我也遇到一些問題和麻煩。在所有組件首次焊接完畢后，都準備好進行調(diào)試。發(fā)現(xiàn)正極和負極的引腳太靠近，電源較難連接。其次是繼電器外接小風(fēng)扇后發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇未工作，檢查后發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇所需功率過大，又重新找了一個功率較小的風(fēng)扇。這些錯誤的發(fā)生都是由于不細心造成的。因此，有必要通過"三思而后行"做任何事情，不能有一點草率，否則就會浪費時間和精力。最終經(jīng)過一段實踐的調(diào)試，板子的功能基本實現(xiàn)，其上電效果圖如圖5.1所示圖5.1系統(tǒng)上電實物圖如圖所示，在液晶屏幕上會顯示系統(tǒng)當前的監(jiān)測數(shù)據(jù)，此時我們用打火機將可燃氣送到傳感器處進行檢測，可以看見數(shù)值在不斷上升，超過我們的預(yù)設(shè)值之后繼電器就會進行動作同時小燈打開，繼電器供電風(fēng)扇開始轉(zhuǎn)動，蜂鳴器也會進行報警。如圖5.2所示。圖5.2系統(tǒng)報警示意圖（二）軟件調(diào)試本次設(shè)計對于軟件部分選用的編程語言是C語言，硬件部分和軟件部分全部安裝和設(shè)計好后接下來就是調(diào)試部分，對于軟件的調(diào)試使用Keil軟件先對程序進行下載，對整個程序進行運行觀察程序是否存在邏輯和語句錯誤，要及時對這些錯誤進行修改，同時整個程序應(yīng)該盡量簡單，不能過于復(fù)雜，應(yīng)盡量在保證功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)程序的簡化。（三）測試數(shù)據(jù)記錄經(jīng)過多次測試測試實驗，不斷改變煙霧上限和煙霧下限，做出了數(shù)據(jù)測試表如下：測試次數(shù)測得的煙霧值煙霧下限煙霧上限繼電器是否工作蜂鳴器是否報警1513050是是2583055是是3643060是是4703065是是5393050否是6463060否是7573065否是8243050否否結(jié)論現(xiàn)在科技的飛速發(fā)展，很多的工廠都實現(xiàn)了智能化，智能化的家居也在慢慢融入人們的生活中，在家庭安全方面，廚房一直是造成家庭危險的一大隱患，很多火災(zāi)和爆炸都是由廚房安全措施沒有做到位而引發(fā)的，所以對于廚房的安全智能檢測對于整個家庭乃至社會來說都尤為重要。廚房中容易引發(fā)危險的地方有很多，包括煤氣等可燃氣體的泄露以及廚房電器等電線的老化，一旦空氣中的易燃物濃度達到一定時就很容易發(fā)生爆炸。本次設(shè)計就對廚房安全智能檢測方面做了重點研究，在單片機的基礎(chǔ)上，結(jié)合了傳感器技術(shù)以及無線報警技術(shù)，制定了一整套廚房可燃氣報警器系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自動對空氣中的可燃氣濃度進行檢測然后實現(xiàn)自動報警功能。對于本次設(shè)計中的硬件電路部分，選取了STC89C52RC單片機作為核心控制芯片，也是對于市場上的各類芯片進行了綜合分析后選取的，該單片機芯片可靠性較高，而且成本低功耗低，非常符合此次設(shè)計的要求，而且制成的儀器非常簡易，運行速度快，體積也很小?，F(xiàn)在人們的生活水平因為科技的進步得到了大幅度的提高，智能化的廚房系統(tǒng)將會越來越受到人們的推崇，本次設(shè)計雖然實現(xiàn)了對于廚房的可燃氣體進行報警功能，但是廚房內(nèi)的隱患還有很多，可以對于整個廚房的安全工作進行全面的分析，加入更多的功能，對整個廚房安全系統(tǒng)進行完善和提高。針對以上觀點提出下面幾種猜想：（1）可以在原有的基礎(chǔ)上增加一些更好地功能，比如可以增加一個控制搖臂系統(tǒng)，在廚房發(fā)生燃氣泄漏的情況下，可以自動啟動，然后搖臂動作，切斷燃氣的供應(yīng)并且打開排風(fēng)扇和窗口進行通風(fēng)，防止煤氣中毒。（2）還可以在設(shè)置一個總電源控制系統(tǒng)，在發(fā)現(xiàn)廚房內(nèi)電源有漏電現(xiàn)象的時候，可以自動切除電源，發(fā)出警報等等一系列的功能。（3）可以將廚房安全檢測系統(tǒng)并入無線網(wǎng)絡(luò)中，當家中發(fā)生安全隱患的時候，碰巧家中無人時或者自動