基于單片機的天然氣報警測試儀設(shè)計

吳獻(xiàn)東

摘 要：本設(shè)計主要是由一個MQ-4傳感器采集氣體濃度信號，系統(tǒng)建立濃度與電壓關(guān)系，進(jìn)行濃度電壓轉(zhuǎn)換，濃度顯示，聲光報警構(gòu)成的報警裝置。本系統(tǒng)由ADC0832處理數(shù)據(jù)，MCU采用STC89C52，完成氣體濃度信號的采集顯示內(nèi)容的傳輸、顯示等功能，結(jié)構(gòu)簡單運行穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：STC89C52單片機； MQ-4傳感器； 聲光報警；

第一章 天然氣報警測試儀的方案設(shè)計

1.1 天然氣報警測試儀的整體設(shè)計方案

1.1.1天然氣報警測試儀工作原理

本論文中的天然氣泄漏報警器以STC89C52單片機為控制核心，通過MQ-4型電阻式半導(dǎo)體傳感器采集空氣中天然氣濃度。氣體傳感器MQ-4輸出的是模擬量，其作用是把探測到空氣中的天然氣的濃度轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓信號，電壓信號送入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0832轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號送入STC89C52單片機，單片機對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理，將數(shù)字化電壓信號轉(zhuǎn)化成為對應(yīng)的濃度值顯示到數(shù)碼管上，同時判斷氣體濃度值是否超出報警限，當(dāng)檢測氣體濃度低于設(shè)定報警閾值的時候，數(shù)碼管顯示器僅僅顯示測得的可燃?xì)怏w濃度；當(dāng)檢測氣體濃度超出設(shè)定報警閾值時給出聲光報警。

1.1.2天然氣報警測試儀原理圖

2.2天然氣報警測試儀的原理圖

第二章 天然氣報警測試儀的硬件部分設(shè)計

2.1主控電路設(shè)計

2.1.1 STC89C52單片機簡介

本設(shè)計采用STC89C52單片機作為系統(tǒng)的處理器， STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。

2.1.2 STC89C52單片機的基本結(jié)構(gòu)

STC89C52單片機主要由以下部分組成：

（1）CPU系統(tǒng)：8位CPU和閃爍存儲器；時鐘電路；總線控制邏輯。

（2）存儲器系統(tǒng)：8KB的程序存儲器（ROM/EPROM/Flash）；512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器（RAM）。

（3）I/O口和其他動能單元：4個并行I/O口；3個16位定時/計數(shù)器；2個全雙工串行通信口；中斷系統(tǒng)（5個中斷源）

2.2 MQ-4氣體傳感器

MQ-4氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。MQ-4氣體傳感器對液化氣、甲烷、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。

2.3 氣敏元器件的靈敏度測試調(diào)節(jié)

氣敏元器件在標(biāo)準(zhǔn)工作條件（溫度：20℃±2℃，濕度：65%±5%）下的特性：

其中X軸表示外界可燃?xì)怏w的濃度，Y軸表示變化內(nèi)阻與固定電阻的值（Rs/Ro），Rs：氣敏元器件的表面電阻，Ro： 元件在潔凈空氣中的電阻值。（Ro=14.43 KΩ）

在調(diào)節(jié)MQ-4的可調(diào)負(fù)載電阻值時，以空氣中甲醛值為5000ppm時作為校準(zhǔn)，此時觀察顯示部分電路，若準(zhǔn)確顯示的范圍為5000ppm（1±5%），則靈敏度與實際符合。

2.4 聲光報警部分

采集到的數(shù)字信號經(jīng)過單片機計算后，如果天然氣濃度達(dá)到報警器設(shè)置的臨界點時，單片機將控制蜂鳴器報警，同時LED亮。LED的正極與PNP三極管的集電極c相連，負(fù)極接2K電阻后接地。蜂鳴器采用PNP三極管來驅(qū)動，三極管發(fā)射極e接電源正極（+5V），基極接1K電阻后接單片機P3.4端，集電極接蜂鳴器，通過蜂鳴器后接地。

2.5 LED的顯示方法

靜態(tài)顯示方式是指當(dāng)顯示器顯示某一字符時，發(fā)光二極管的位選始終被選中。在這種顯示方式下，每一個LED數(shù)碼管顯示器都需要一個8位的輸出口進(jìn)行控制。由于單片機本身提供的I/O口有限，實際使用中，通常通過擴展I/O口的形式解決輸出口數(shù)量不足的問題。

2.6 復(fù)位電路

單片機在啟動時都需要復(fù)位，以使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。52系列單片機的復(fù)位信號是從RST引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)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(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。

2.7 最小系統(tǒng)及按鍵

STC89C52單片機的最小系統(tǒng)由起振電路、復(fù)位電路、STC89C52芯片組成。單片機接+5V電源；晶體振蕩器頻率為12MHz（11.0592MHz），晶振的兩個引腳分別連接在單片機的XTAL1和XTAL2端，晶振的兩端再分別連接一個30pF電容后接地；復(fù)位電路經(jīng)電源正極（+5V）接10uF電容后接10k歐姆電阻接地，單片機復(fù)位端RST接在電容和電阻之間。本次設(shè)計電路中加入4個按鍵，用于人為報警和設(shè)置報警的上限值。按鍵分別接單片機P1.4、P1.5、P1.6、P1.7端。S1是數(shù)字鍵加，S2是數(shù)字鍵減，S3是確認(rèn)鍵，S4是模擬報警鍵，當(dāng)按下S4時蜂鳴器報警，LED亮；再次按下S4用來取消報警。

結(jié)論

氣體檢測報警器可保障生產(chǎn)與生活的安全，避免火災(zāi)和爆炸事故以及煤氣中毒的發(fā)生，它是防火、防爆和安全生產(chǎn)所必備的儀器，具有廣闊的市場空間與發(fā)展前景。本文設(shè)計的天然氣泄漏檢測報警系統(tǒng)采用性價比很高的STC89C52單片機作為主控芯片，利用其強大的處理能力和較豐富的外圍接口，合理選用I/O端口，較好地完成了天然氣泄漏檢測報警系統(tǒng)的設(shè)計。

參考文獻(xiàn)：

[1]李學(xué)禮.基于Proteus的8051單片機實例教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.