可燃气体检测报警器的设计_毕业论文(编辑修改稿)

可燃气体检测报警器的设计_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

写 1000 次的 Flash 只读程序存储器 ,器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造 ,兼容标准 MCS51 指令系统及 STC90C54AD 引脚结构 ,芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单 元 ,功能强大的微型计算机的 STC89C52 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 STC90C54AD 有 40 个引脚 ， 8k Bytes Flash 片内程序存储器， 256 bytes 的随机存取数据存储器（ RAM）， 32 个外部双向输入 /输出（ I/O）口， 5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断， 2 个 16 位可编程定时计数器 ,2 个全双工串行通信口，看门狗（ WDT）电路，片内时钟振荡器。 此外 , STC90C54AD 设计和配置了振荡频率可为 0Hz 并可通过软件设置省电模式。 空闲模式下， CPU 暂停工作，而 RAM 定时计数器 ，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存 RAM 的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。 同时该芯片还具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 等三种封装形式，以适应不同产品要求。 在这一块芯片上集成了一台微型计算机的各个主要部分。 其中主要有 CPU，存储器，可编程 I/O 口，定时 /计数器，串行口等，各部分通过内部总线连接。 STC90C54AD 是一种带 16K 字节闪烁可编程可檫除只读存储器（ FPEROMFlash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低电压，高性能 COMOS8 的微处理 沈阳理工大学学士学位论文 7 器。 该器件采用 ATMEL 搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS51指令集和输出管脚相兼容。 STC90C54AD 单片机内部 A/D 模块 STC9C54AD 单片机自带 A/D 转换器介绍： STC9C54AD 在 P1 口，有 10 位精度的高速 A/D 转换器 , 共 8 路电压输入型，可做按键扫描，电池电压检测，频谱检测等。 89 个时钟可完成一次转换。 另外还有几个关于 A/D 转换器 的特殊功能寄存器。 P1_ADC_EN 特殊功能寄存器， 作为 A/D 转换输入通道来用允许特殊功能寄存器相应位为“ 1”时，对应的 口作为 A/D 转换使用，内部上拉电阻自动断开。 ADC_CONTR 特殊功能寄存器， A/D 转换控制特殊功能寄存器 ，第一位缺省，从第二位开始到底第五位分别为 ADC_SPEED ADC_SPEED0、 ADC_ FLAG、 ADC_START。 后三位 CHS2 、 CHS1 、 CHS0：模拟输入通道选择， 用来选择模数转换通道 ，如表 所示。 表 模拟输入通道选择 CHS2 CHS1 CHS0 模拟输入通道选择 0 0 0 选择 作为 A/D 输入来用 0 0 1 选择 作为 A/D 输入来用 0 1 0 选择 作为 A/D 输入来用 0 1 1 选择 作为 A/D 输入来用 1 0 0 选择 作为 A/D 输入来用 1 0 1 选择 P 作为 A/D 输入来用 1 1 0 选择 作为 A/D 输入来用 1 1 1 选择 作为 A/D 输入来用 ADC_SPEED1 / ADC_SPEED0： ADC 转换速度控制位。 当组合起来后会有以下几种 情况： [ADC_SPEED1： ADC_SPEED0] = [0,0] 完成 1 次 A/D 转换需要 89 个时钟 (如果要取 10 位转换结果，建议不要选择最快转换速度 )； 沈阳理工大学学士学位论文 8 [ADC_SPEED1:ADC_SPEED0]= [0,1] 完成 1 次 A/D 转换需要 178 个时钟； [ADC_SPEED1:ADC_SPEED0] = [1,0] 完成 1 次 A/D 转换需要 356 个时钟；[ADC_SPEED1:ADC_SPEED0] = [1,1] 完成 1 次 A/D 转换需要 534 个时钟。 ADC_START： 模拟 /数字转换 (ADC)启动控制位，设置为“ 1”时，开始转换；ADC_FLAG： 模拟 /数字转换结束标志位 ,当 A/D 转换完成后， ADC_FLAG = 1。 ADC_DATA ： 特殊功能寄存器： A/D 转换结果特殊功能寄存器，用于处理转换得到的数字信号。 模拟 / 数字转换结果计算公式 ： 如果要取 8 位 A/D 转换结果 ：ADC_DATA[7:0] = 256 x Vin/Vcc，如果要取 10 位 A/D 转换结果 :(ADC_DATA[7:0] , ADC_LOW2[1:0] = 1024 x Vin/Vcc。 Vin 为模拟输入通道输入电压， Vcc 为单片机实际工作电压，用单片机工作电压作为模拟参考电压。 A/D 转换的性能参数 ： 衡量一个 A/D 转换器的性能的主要参数有：分辨率 ， 指A/D 转换器能够转换的二进制数的位数，位数多分辨率也就越高； 转换时间 ， 指数字量输入到完成转换，输出达到最终值并稳定为止所需的时间。 电流型 A/D 转换较快，一般在几 ns 到几百 ns 之间。 电压型 A/D 转换较慢，取决于运算放大器的响应时间；精度 ， 指 A/D 转换器实际输出电压与理论值之间的误差，一般采用数字量的最低有效位作为 衡量单位； 线性度 ， 当数字 量变化时， A/D 转换器输出的模拟量按比例关系变化的程度。 理想的 A/D 转换器是线性的， 但是实际上是有误差的，模拟输出偏离理想输出的最大值称为线性误差。 A/D 转换器的功能是把模拟量变换成数字量。 由于实现这种转换的工作原理和采用工艺技术不同，因此生产出种类繁多的 A/D 转换芯片。 A/D转换器按分辨率分为 4 位、 6 位、 8 位、 10 位、 14 位、 16 位和 BCD 码的 31/2 位、 51/2位等。 按照转换速度可分为超高速 (转换时间≤ 330ns)，次超高速 (330~)，高速 (转换时间 ~333μs)，低速 (转换时间 330μs)等。 A/D 转换器按照转换原理可分为直接A/D 转换器和间接 A/D 转换器。 所谓直接 A/D 转换器，是把模拟信号直接转换成数字信号，如逐次逼近型，并联比较型等。 其中逐次逼近型 A/D 转换器，易于用集成工艺实现，且能达到较高的分辨率和速度，故目前集成化 A/D 芯片采用逐次逼近型者多。 间接 A/D 转换器是先把模拟量转换成中间量，然后再转换成数字量，如电压 /时间转换型 (积分型 )，电压 /频率转换型，电压 /脉宽转换型等。 其中积分型 A/D 转换器电路简单，抗干扰能力强，切能作到高分辨率，但转换速度较慢。 有些转换器还将多路开关、 基准电压源、时钟电路、译码器和转换电路集成在一个芯片内，已超出了单纯 A/D 转换功能，使用十分方便。 沈阳理工大学学士学位论文 9 瓦斯检测设备工作原理分析 MQ4 传感器简介 传感器是能把被测物理量或化学量转化为与之有确定关系的电信号输出装置 [4]。 传感器主要由敏感元件、传感元件组成，有时也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。 敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成关系的其他量的元件。 传感元件：又称 转换器，一般情况下，不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转化为电量输出的元件。 瓦斯烟雾可燃气 体传感器 可分为接触燃烧式、半导体式、热传导式热阻体式三种传感器。 MQ4 气体传感器 属于 接触燃烧式。 MQ4 利用瓦斯在催化元件上的氧化生热引起其电阻的变化来测定瓦斯浓度。 其优点是元件和仪器的生产成本低，输出信号大，对于 1%气样，电桥输出可达 15mv 以上，处理和显示都比较方便，所以仪器的结构简单，受背景 气体和温度变化的影响小，容易实现自动检测。 使用 简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。 这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。 MQ4 气敏元件由微型 Al2O3 陶瓷 管、 SnO2 敏感层 ,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔 体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。 封装好的气敏元件有 6 只针状管脚，其中 4 个用于信号取出， 4 个用于提供加热电流 ，其实物图如图 所示。 图 黑白原件的工作原理图 沈阳理工大学学士学位论文 10 敏感元件工作原理 MQ4 气体传感器 的敏感元件 对液化气、甲烷、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。 当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。 使用简单的电路即 可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。 而 MQ4 的敏感元件是 感受浓度值，并输出与浓度值 成 比例关系的电量 元件 ，其中包括黑元件和白元件。 黑元件载体催化燃烧式元件，当甲烷气体在元件表面与氧气产生无焰燃烧时，电桥失去平衡，输出一个电压信号。 白元件是补偿元件，基本结构和技术参数与黑元件相同，但表面不涂镀催化剂，不参加低温燃烧。 但由于白元件处于与黑元件相同的工作环境中，所以，对非甲烷浓度变化引起的催化元件阻值变化起补偿作用，以提高仪器零点稳定性和抗干扰能力。 黑白元件的工作原理：使用时一般将黑白元件串联， 作为电桥的一臂，用普通电阻构成电桥的另一臂，电桥的两端加上稳定的工作电压 U。 当含有甲烷的空气在高温和催化剂的作用下，发生无焰燃烧，而在白元件上则不致使甲烷燃烧，从而使黑元件的温度比白元件的温度高，黑元件中的铂丝既是加热元件，又是感应温度的热敏元件，根据铂丝的正温度系数的特性，温度升高时电阻增大，黑元件上的电压降即增大，电桥失去平衡，输出一个电压信号△ U，该电压值的大小反映了甲烷浓度的高低，检测此电压便可测量出甲烷浓度 ， 黑白元件基本工作原理图如图 所示。 图 黑白原件的工作原 理图 沈阳理工大学学士学位论文 11 4 硬件 系统 电路设计 可燃气体信号采集及 A/D 转换模块 在本设计中，采用 MQ4 传感器作为信号采集器件，器件的 4 脚连接电源的正极（ +5V）， 6 脚连接地。 采集到的信号通过 1k 欧姆电阻后送到 单片机 ， R14用来调节输出信号的大小。 具体电路连接 [5]如 右 图 所示： 图 信号采集及 A/D转换模块 数码管显示模块 显示部分是主要的人机操作之一。 系统内部处理的数据结果和运行状态都是通过显示界面显示出来的。 显示部分主要是数据信息、报警提示、修改参数等的 显示，显示为系统的一个独立模块，对于外部而言有输入参数，输出参数的作用。 用 C 实现的程序，顺序完成，可以在假设时间域并行工作和运行 .LED 工作原理是由 4 个发光二极管组成，因此也称之为 4 段 LED 显示，另外 ,显示器中有一个圆点型发光二极管，用于显示小数点。 通过 4 个发光二极管亮暗的不同组合 ,可以显示多种数字、字母以及其它符号。 单片机输出驱动分为高电平驱动和低电平驱动两种方式 [68]，所谓高电平驱动，就是端口输出高电平时的驱动能力，所谓低电平驱动，就是端口输出低电平时的驱动能力，当单片机输出高电平时，其驱动能力实 际上是靠端口的上拉电阻来驱动的，实际测试表明， 51 单片机的上拉电阻的阻值在 330K 左右，也就是说如果靠高电平驱动，本质上就是靠 330K 的上拉电阻来提供电流的，当然该电流是非常小的，小的甚至连发光二极管也难以点亮，如果要保证 LED 正常发光，必须要外接一个 1K 左右的上拉电阻，如果是一个 led 还好，要是 10 个、 20 个 LED 的话，就要接 10 个、 20 个 1K 的上拉电阻，接电阻的本身是可以的，问题是接了上拉电阻以后，每当端口变为低电平0 的时候，那么就有 10 个、 20 个上拉电阻被无用的导通，假设每个电阻的电流为 5mA计算， 20 个电阻就是 100mA，这将造成电源效率的严重下降，导致发热，纹波增大， 沈阳理工大学学士学位论文 12 以至于造成单片机工作不稳，因此很少有采用高电平直接驱动 LED 的，高电平驱动LED 实际上就是共阴。 低电平驱动就不同了，端口为低电平 0 时，端口内部的开关管导通，可以驱动高达 30 多毫安的驱动电流，可以直接驱动 LED 等负载，当端口为低电平 0 时，尽管内部的上拉电阻也是消耗电流的，但是由于内部的上拉电阻很大，有330K，因此消耗电流极小，基本上不会影响电源效率，不会造成无用功的大量消耗，因此 51 单片机是不能用高电平直接驱动 LED 的，只能用地电平 直接驱动 LED，即只能用共阳数码管，而不能直接用共阴数码管。 本设计通过观察 LED 数码显示器显示瓦斯浓度值，判断瓦斯浓度值是否超过上限值，如果超过，自动报警。 显示模块采用共阳极数码管显示。 单片机 P2 口控制 LED数码管显示。 位选用 P0 口来控制。 具体电路连接方式如图 所示。 图 数码管 显示模块 声光报警模块 声音的产生是一种音频振动的效果。 振动。