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1、菏泽学院Heze University本科生课程设计(论文)题目 可燃气检测报警 姓名 隋晓阳 学号 200917137 系 别 蒋震机电工程学院 专业 自动化 指导教师 田秀梅 职称 2013 年 1 月 22 日菏泽学院教务处制目 录摘要2关键词2Abstract2 Key words2第1章 绪论31.1课题研究的目的和意义及来源3 1.1.1课题研究的目的和意义3 1.1.2课题的来源31.2 可燃性气体报警控制器国内外现状41.3本课题主要完成的任务5第2章 可燃性气体报警控制器的方案设计5 2.1 气体传感器的选型5 2.2 MQ-5传感器简介7 2.2.1 MQ5传感器概述7 2
2、.2.2 MQ5传感器详细说明7第3章 可燃性气体报警控制器的硬件设计7 3.1 可燃性气体检测报警器的设计7 3.1.1 可燃性气体报警控制器系统结构8 3.2 STC89C52单片机8 3.3 可燃性气体报警控制器的电路设计10 3.3.1 A/D转换电路10 3.3.2 STC89C52单片机接口电路12 3.3.3 声音报警电路13 3.3.4 显示电路13第4章 可燃性气体报警器的软件设计14 4.1 STC89C52单片机调试及开发工具14 4.2 可燃性气体报警控制器软件流程及设计15 4.3软件设计所用工具16第5章 系统调试17 5.1 硬件的调试17 5.1.1 排除逻辑故
3、障17 5.1.2 排除元器件故障17 5.1.3 排除电源故障18 5.2软件调试18 5.3软、硬件整体调试186. 结论187.总结与体会198.谢辞209.参考文献20附录A:外文文献及译文20附录B: 单片机程序代码24附录C: 硬件电路图30可燃气检测报警自动化专业学生 隋晓阳指导教师 田秀梅摘要:随着电子科学技术的发展,电子技术成为安全方面的有力手段,许许多多安全方面的电子产品,是人们的生活的得力助手。本设计利用单片机技术结合A/D转换芯片构建了一个可燃气体检测报警器。当环境中可燃或有毒气体泄露时,当气体报警器检测到可燃气体浓度达到报警器设置的临界点时,可燃气体报警器就会发出报警
4、信号,以提醒工作人员采取安全措施。本文首先简要介绍了设计可燃气体检测报警器的主要方式以及单片机系统的优势;然后详细介绍了可燃气体检测报警器的设计流程,以及硬件系统和软件系统的设计,并给出了硬件电路的设计细节,包括各部分电路的走向、芯片的选择以及方案的可行性分析等。本次设计采用MQ-5气体传感器作为可燃气体的信号采集工具,采集到的模拟电压量经过TLC549转换为数字信号。单片机采集到TLC549的数字信号后经过计算,如果可燃气体浓度达到报警器设置的临界点时单片机将驱动1602和蜂鸣器发出报警信号。关键词:MQ-5传感器;STC89C52单片机;TLC549芯片;1602显示 Combustibl
5、e gas detection alarm SuiXiaoYang students majoring automation Teachers TianXiuMeiAbstract: with the development of electronic science and technology, electronic technology as safety aspects of the powerful means, many security electronic products, is the life of peoples right-hand man. This design
6、using the single chip microcomputer technology with the A/D conversion chip constructed A combustible gas detection alarm. When the environment flammable or toxic gas leak, when gas alarm detect combustible gas concentration to alarm set point, combustible gas alarm will send alarm signal, in order
7、to remind staff to take security measures. This paper firstly introduces the design combustible gas detection alarm main method and the advantages of single-chip microcomputer system; Then detailed introduces the combustible gas detection alarm design process, as well as the hardware system and soft
8、ware system design, and gives the hardware circuit design details, including the parts of the circuit to, chip selection and feasibility analysis, etc.This design USES MQ - 5 gas sensor as a flammable gas signal acquisition tool, the collected analog voltage quantity after TLC549 is converted to a d
9、igital signal. SCM acquisition to TLC549 digital signal after calculation, if combustible gas concentration to alarm set point will drive the single chip microcomputer 1602 and buzzer issued a warning signal.Keywords: MQ - 5 sensor; STC89C52 microcontroller; TLC549 chip; 1602 display第1章 绪论1.1课题研究的目的
10、和意义及来源1.1.1课题研究的目的和意义随着石油化学工业的发展,易燃、易爆、有毒气体的种类和应用范围都有所增加。液化石油气、天然气、煤气等这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、苯类以及一氧化碳、氢等成分,是易燃、易爆、有毒、有害的气体。它们易流动、易燃烧,在生产、输送、贮存和使用这些气体的过程中,如违反操作规程或设备密封质量不好,都有可能发生可燃气体泄漏的现象。当与空气混合后的混合物达到一定的浓度时,就是一种爆炸性混合物,遇火就会发生剧烈的化合反应,产生大量的热,会燃起大火,进而酿成火灾或爆炸事故,给国家和人民的生命财产造成损失。国内外均有不少这方面的报道,其教训是非常深刻的。为了防患于未
11、然,只有采用先进、可靠的安全监测仪表,严密监测环境中的可燃性气体的浓度,及早发现事故隐患,采取有效措施,将事故消灭在酿成事故之前,才能确保安全生产,居民的人身财产安全才能有保证。可燃性气体报警控制器属于中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录中第46项,它归类于物理化学计量器具。建筑设计防火规范(GBJ16-87)第10.3.2条明确规定:“散发可燃气体、可燃蒸汽的甲类场所,应设置可燃性气体浓度检测报警装置”。但现在国内使用的报警控制器,许多产品使用时间过长,产品老化严重,技术指标达不到标准,报警器的性能也不稳定。有些是保养不当,如电池流水腐蚀仪器,或蓄电池损坏使报警器不能工作;有些是因使用不
12、当而造成故障,因此不能进行准确,安全的报警和控制。2003年12月,国家执行新的可燃性气体探测器标准(GB 15322-2003)可燃气体探测器。在2004年10月国家颁布可燃气体检测报警器规程JJG693-2004 。一部分不合规定的可燃性气体报警控制器将停止使用10。因此,研制一种新型,性能稳定、准确监测可燃性气体,并且合乎国家相关规定的报警控制器势在必行。1.1.2课题的来源随着城市煤气、天然气事业及化学工业的迅速发展,易燃、易爆的气体种类和应用范围在不断增加,这些易燃易爆气体在生产和使用过程中,一旦发生泄漏将会引起中毒、火灾、爆炸等重大事故,人们在对安全生产的重视程度日益增加的同时,对
13、生产技术手段也进行不断的提高, 研制一种新型、性能稳定、准确监测可燃性气体报警控制器势在必行。而传统的模拟型可燃性气体报警控制器,对于气体传感器的特性补偿、修正,采用匹配补偿传感器的硬件调整方式;这种调整方式虽然具有现场调整方便的优点,但补偿拟合的范围窄,匹配传感器的部件选择困难,而难以获得较好的补偿、修正效果。因此,本次设计采用了“探测器+单片机控制电路”设计思路。本次设计采用以STC89C52芯片为核心,用半导体陶瓷式气体传感器MQ-2来检测外部气体浓度,结合外部硬件电路实现对可燃性气体进行报警控制装置。STC89C52芯片具有功能强大,性价比高等一系列优点,适合产品大规模生产。同时,设计
14、出的可燃性气体报警控制器具有操作简单,实用性强,价格便宜,安全性高等特点,所以非常适合贮气仓库,以及家庭等场所使用,具有很高的实用价值。正是由于可燃性气体报警控制器对于安全生产的重要性,国内外有众多厂家研制、生产这一产品。从运用所学知识和实际意义出发,研制一种固定式可燃性气体报警控制器,它主要对以烷类气体为主的多种可燃性气体进行检测控制。1.2 可燃性气体报警控制器国内外现状可燃性气体报警控制器在国外己经发展成为一种相当成熟的产品。日本是最早发明燃气报警器的国家,己有50多年的历史。无论在气体探测器的研制上,还是在报警器的性能上,均处于国际领先水平。日本政府和生产企业大力推广报警器的使用,使燃
15、气泄漏和爆炸等事故的事故率远远低于欧美等发达国家。其中FIGARO、理研都是专门研制、生产可燃性气体报警控制器的厂家,他们生产的产品以采用最先进的气敏传感器、响应速度快、性能可靠、寿命长而著称。我国在70年代初期开始研制可燃性气体报警控制器,生产型号多样、品种较齐全,应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器,产品数量也在不断增加。但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上,又进行研究与开发,形成自己的特色。近年来,在气体选择性和产品稳定性上也有很大进步7。工业可燃性气体报警控制器一般分为可燃性气体检漏仪(简称“检漏仪”)、可燃性气体报警控制器(简称“控
16、制器”)、可燃性气体探测器(简称“探测器”)三大系列产品。“检漏仪”的体积较小,可随身携带或手持,采用碱性电池或可充电电池供电,一般可以连续工作近12小时。该仪器主要应用于燃气管道的查漏与巡线。若有燃气泄漏,检漏仪便会发出声光报警,同时显示气体浓度,以便及时采取安全措施,防止爆炸等恶性事故的发生。“探测器+控制器”,这是在工业装置上和生产过程中使用最多的检测仪器,可在防爆现场长期监测气体的浓度。这种仪器大都装设在油库、乙炔站、液化气站和煤气站等易燃易爆的危险场所。探测器安装在防爆现场,控制器放在值班室等有人值守的地方,二者采用屏蔽电缆线连接。当在现场的探测器探测到燃气泄漏之后,通过屏蔽电缆线将
17、信号传到控制器,控制器发出声光报警,同时启动排风装置或关闭电磁阀切断气源,以确保安全。1.3本课题主要完成的任务 本课题是基于单片机的家用可燃性气体检测报警器控制器的研制,主要完成以下任务:(1) 对单片机报警器系统进行整体的规划和结构的设计。(2) 以STC89C52单片机为中央处理器,对硬件电路进行设计和改进,使其功能更加完善。系统硬件电路主要分为A/D转换电路、STC89C52单片机接口电路、声音报警控制电路、显示电路四个部分。(3) 系统的软件编制。在程序的编写过程中,分别对主程序和各部分子程序进行了流程图的绘制,同时加入了详细的文字注释,以便于后期的改进与维护。第2章 可燃性气体报警
18、控制器的方案设计2.1 气体传感器的选型可燃性气体传感器是一个气-电变换器,它的作用是把可燃性气体在空气中的含量(即浓度)变成电信号,进而由单片机采集信号、数据处理、浓度显示以便报警控制。传感器作为对可燃性气体的敏感元件,是各种类型(袖珍式、便携式、固定式)仪表的核心之一。因此,传感器的选型是非常重要的3。2.1.1 气体传感器的种类国外从30年代开始研究开发气体传感器。过去气体传感器主要用于煤气、液化石油气、天然气以及矿井中的瓦斯气体的检测与报警,目前需要检测的气体种类由原来的还原性气体(H2, C4H10, CH4等)扩展到毒性气体(CO,NO2, H2S, NO, NH3, PH3等)。
19、气体传感器种类繁多,从原理上可以分为三大类:(1) 利用物理化学性质的气体传感器:如半导体、催化燃烧等。(2) 利用物理性质的气体传感器:如热导、光干涉、红外吸收等。(3) 利用电化学性质的气体传感器:如电流型、电势型等。下面对工业上常用的几种气体传感器作以简单介绍。(1) 半导体气体传感器这类传感器主要使用半导体气敏材料,利用气敏元件的电阻、电流或电压随气体浓度变化的原理工作的。由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点,这类传感器得到了广泛的应用。目前,世界上许多国家开展了对半导体气敏材料的研究,其中日本、美国处十领先地位,我国也投入大量资金和人力进行研究
20、,并取得一定成果。该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的气体传感器之一。(2) 固体电解质气体传感器这是一种产量仅次于半导体气体传感器的一类传感器。它使用固体电解质材料作为气敏元件。其原理是气敏材料在通过气体时产生离子,形成电动势,钡U量电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高,灵敏度和选择性好,因而得到了广泛的应用,几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域。如测量H2S YST-Au-WO3, NH3的NH4CaCO3等。但这种传感器制造成本高,检测气体范围有限,在检测环境污染领域中有优势。(3) 接触燃烧式气体传感器这类传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式气体传感器。其工作原理是
21、:气敏材料在通电状态下,可燃性气体氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧,产生的热量使电热丝升温,从而使其电阻值发生变化,测量阻值变化从而测量气体浓度。接触燃烧式气体传感器在环境温度下非常稳定,并能对爆炸F限的绝大多数可燃性气体进行检测,普遍应用于石化工厂、造船厂、矿井隧道、浴室、厨房等处可燃性气体的监测和报警。这类传感器只能测量可燃性气体,对不可燃性气体不敏感。在燃气爆炸下限内输出为线性、只与燃气浓度成正比、温度和湿度的变化对其工作状态影响很小、选择性好、反映准确、精度高、再现性好。其不足的是催化剂寿命有限,当在可燃性气体与空气的混合物中有硫化氢等含硫物质的情况下,则有可能在无焰催化燃烧的同时,有
22、些固态物质附着在催化元件表面,阻塞载体的微孔,从而引起响应缓慢,反应滞缓或中毒,使灵敏度降低。(4) 高分子气体传感器利用高分子气敏材料制作的气体传感器近年来得到很大的发展。高分子气敏材料在遇到特定气体时,其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化D21高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合,在毒性气体和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。高分子气体传感器具有对特定气体分子灵敏度高,选择性好,且结构简单,能在常温下使用,可以弥补其它气体传感器的不足。(5) 电化学传感器这类传感器由膜电极和电解液灌封而
23、成。气体浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子,通过电极将信号传出。它的优点是:反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测,但寿命较短(大于等于两年)。它主要适用于毒性气体的检测。目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。2.2 MQ-5传感器简介2.2.1 MQ5传感器概述气敏传感器MQ-5适用于家庭或工业上对液化气,天然气,煤气的监测装置。其具有对液化气、天然气、城市煤气有较好的灵敏度;对乙醇,烟雾几乎不响应,具有优良的抗干扰能力;有快速的响应恢复特性;有长期的使用寿命和可靠的稳定性;测试电路比较简单等优点。2.2.2 MQ5传感器详细说明MQ-5气敏元件的结构和外形如图2-1所示(结构A或B
24、),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,2个用于提供加热电流。图2-1 MQ-的结构和外形第3章 可燃性气体报警控制器的硬件设计3.1 可燃性气体检测报警器的设计在可燃性气体报警控制器的设计中,单片机是仪表的核心部件。它一方面接收传感器检测到的可燃性气体浓度所对应的模拟电压信号,另一方面要对这一信号进行处理,控制报警,与此同时判断是否收到外部中断请求。在单片机所实现的这些功能中,特别是信号处理部分,需要单片机有较快的运行速度,才能对现场气
25、体浓度做出快速、准确的检测,进行相应的处理。同时考虑选择低价实用的机型,并为制同一系列的低功耗产品做准备。根据多方面的比较,本设计选用生产的STC89C52系列单片机作为报警器的核心控制器。首先,可燃性气体浓度信号通过MQ-5气体传感器将可燃性气体浓度信号转换成电压信号,经过A/D转换,输出一个适合单片机接收的电压信号,然后,送入STC89C52中,线性化数据处理后,将电压信号转化成对应的十六进制浓度值。最后,将浓度值送入LCD显示。当检测到的可燃性气体浓度超出上限报警设定值时,报警器发出声音报警。3.1.1 可燃性气体报警控制器系统结构可燃性气体报警控制器系统结构如图3-1所示,系统以STC
26、89C52单片机为核心,配合外围电路共同完成信号采集、浓度显示、声音报警。通过预设气体浓度,MQ2传感器进行检测气体浓度,假如超过预设气体浓度时,将发出声音报警。图3-1 可燃性气体检测报警器的结构3.2 STC89C52单片机STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器,具有8K字节的系统可编程Flash存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU 和在线系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
27、STC89C52具有以下标准功能:8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。另外,STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器 8K字节在系统可编程 Flash。STC89C52单片机如下图所示: 图3-2 STC89C52芯片图I/O口功能及特别引脚介绍:P
28、0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。此外,P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和时器/计数器2 的触发输入(P1.1/T2EX),在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时,P2
29、口送出高八位地址。在使用8位地址访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P3口输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。P3口亦作为STC89C52特殊功能使用(P3.0 RXD、P3.1 TXD、P3.2 INTO、P3.3 INT1、P3.4 TO、P3.5 T1、P3.6 WR、P3.7 RD),在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。RST复位输入:当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。ALE/PROG:当访问外部程序存储器
30、或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是:每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。 PSEN:当STC89C52由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲,在此期间,当访问外部数据存储器,将跳过两次PSEN信号。EA/VP:外部访问允许,欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H-FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。3.3 可燃性气体报
31、警控制器的电路设计3.3.1 A/D转换电路TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片,可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATA OUT三条口线进行串行接口。具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路,转换时间最长17s, TLC549为40 000次/s。总失调误差最大为0.5LSB,典型功耗值为6mW。采用差分参考电压高阻输入,抗干扰,可按比例量程校准转换范围,VREF-接地,VREF+VREF-1V,可用于较小信号的采样。(1)TLC549的内部框图和管脚名称TLC549的内部框图和引脚名称如图3-3所示。图3-3 TLC549的内部框图和引脚名称(2) 极限
32、参数TLC549的极限参数如下: 电源电压:6.5V;输入电压范围:0.3VVCC0.3V;输出电压范围:0.3VVCC0.3V;峰值输入电流(任一输入端):10mA;总峰值输入电流(所有输入端):30mA;工作温度: TLC549C:070TLC549I:4085TLC549M:55125(3)工作原理TLC549均有片内系统时钟,该时钟与I/O CLOCK是独立工作的,无须特殊的速度或相位匹配。其工作时序如图2所示。当CS为高时,数据输出(DATA OUT)端处于高阻状态,此时I/O CLOCK不起作用。这种CS控制作用允许在同时使用多片TLC549时,共用I/O CLOCK,以减少多路(
33、片)A/D并用时的I/O控制端口。一组通常的控制时序为: (1)将CS置低。内部电路在测得CS下降沿后,再等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后,然后确认这一变化,最后自动将前一次转换结果的最高位(D7)位输出到DATA OUT端上。(2) 前四个I/O CLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5个位(D6、D5、D4、D3),片上采样保持电路在第4个I/O CLOCK下降沿开始采样模拟输入。 (3)接下来的3个I/O CLOCK周期的下降沿移出第6、7、8(D2、D1、D0)个转换位,(4)最后,片上采样保持电路在第8个I/O CLOCK周期的下降沿将移出第6、7、8(D2、D1、D0)
34、个转换位。保持功能将持续4个内部时钟周期,然后开始进行32个内部时钟周期的A/D转换。第8个I/O CLOCK后,CS必须为高,或I/O CLOCK保持低电平,这种状态需要维持36个内部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。如果CS为低时I/O CLOCK上出现一个有效干扰脉冲,则微处理器/控制器将与器件的I/O时序失去同步;若CS为高时出现一次有效低电平,则将使引脚重新初始化,从而脱离原转换过程。在36个内部系统时钟周期结束之前,实施步骤(1)(4),可重新启动一次新的A/D转换,与此同时,正在进行的转换终止,此时的输出是前一次的转换结果而不是正在进行的转换结果。若要在特定的时刻采样模拟信
35、号,应使第8个I/O CLOCK时钟的下降沿与该时刻对应,因为芯片虽在第4个I/O CLOCK时钟下降沿开始采样,却在第8个I/O CLOCK的下降沿开始保存。 TLC549片型小,采样速度快,功耗低,价格便宜,控制简单.适用于低功耗的袖珍仪器上的单路A/D或多路并联采样。3.3.2 STC89C52单片机接口电路STC89C52采用PQFP贴片式的封装形式,有40个管脚。根据单片机制作的原理以及报警器实现的功能,其接口电路主要分为五个部分。STC89C52单片机接口电路如图3-4所示。图3-4 STC89C52单片机接口电路(1) 复位模块复位操作可以使单片机初始化,也可以使死机状态下的单片
36、机重新启动,因此非常重要。为可靠起见,电源上电稳定后还要经一定的延时,才能撤销复位信号,以防电源开关或电源插头分一合过程中引起的抖动而影响复位。在本设计中,采用的是阻容RC上电复位电路,通过电容加到RST端上一个高电平复位信号,高电平持续时间取决于RC电路参数。为了保证系统能可靠地复位,RST端上高电平信号必须有足够长的时间。(2) 系统时钟模块时钟电路产生单片机的工作时序脉冲,是单片机正常工作的关键。本次设计中采用外部独立时钟震荡器所产生的时钟信号。在STC89C52的18脚(XTAL1)和19脚(XTAL2)外接12M的晶体,同时并连2个22pF的电容,产生系统时钟。(3) 显示模块由ST
37、C89C52的3239脚以及2628脚构成浓度显示输出信号。本次设计中采用的是LCD1602显示的方法进行浓度显示。(4) 声音报警模块由STC89C5242的25脚实现声音报警控制。当可燃性气体浓度超过限定值时,扬声器发出鸣叫报警。3.3.3 声音报警电路 当可燃性气体浓度超过限定值时,扬声器发出鸣叫报警。图3-5 声音报警控制电路3.3.4 显示电路 采用1602液晶分两行显示,第一行显示设置值,第二行显示实际测量值。图3-6 显示电路第4章 可燃性气体报警器的软件设计4.1 STC89C52单片机调试及开发工具 嵌入式系统的开发往往借助于开发系统工具,而各种开发系统一般都比待开发调试的嵌
38、入式系统要复杂得多。STC89C52系列单片机的调试、开发工具由硬件和软件两部分组成,硬件只需一台PC机、目标板和一个称为FET(FlashEmulation Tool)的JTAG控制器。 STC89C52FET仿真工具的功能主要是将由PC机打印机接口来的8位并行数据与来自JTAG接口的串行数据进行相互转换,以实现PC机与STC89C52芯片中的JTAG接口的通讯。具体包括:(1) 程序下载当用户将源程序(C语言)经keil软件语法检查无误并生成代码时,就可以将程序代码在如图的环境中下载到Flash芯片中,而用户的系统可以是在线状态。(2) 设置断点用户可以通过调试环境软件的人机对话界面。在程
39、序中设置断点。在STC89C52中,可以同时设置4个硬件断点,它是经过JTAG接口的传输,由芯片中的几组断点条件寄存器实现的。(3) 现场观察与修改用户可以通过调试环境软件的人机对话界面,检查或修改Flash芯片内的各种存储器、寄存器的数据。在调试过程中,根据需要可以进行软件模拟仿真和硬件仿真。4.2 可燃性气体报警控制器软件流程及设计本设计中,软件要解决的主要问题是检测传感器送来的可燃性气体浓度信号,进行A/D转换处理,用LCD显示浓度,若浓度值超出限定值,报警器发出声音报警,LED熄灭,因此分为主程序、T0中断子程序、声光报警处理子程序、A/D转化十进制子程序,浓度显示子程序、键扫描子程序
40、六个部分。在程序的编写过程中,加入了详细的文字注释,以便于后期的改进与维护。主程序流程图及设计主程序流程图如图4-1所示,由于MQ-5型气体传感器在不通电状态下存放一段时间后,再通电时,器件并不能立即投入正常工作,需要一定的时间预热,所以采用延时程序对传感器预热。本设计对传感器预热一段时间,预热的同时,设定所要检测可燃性气体浓度的上限值。主程序还包括显示子程序,T0中断子程序等,以完善报警器的功能,给检测人员带来方便。程序初始化是否按下模式切换开始传感器预热并故障检查键盘扫描及键值处理进入报警限设置模式A/D转换线性化处理浓度显示设置指示灯状态是否超过报警限进入报警处理程序Y 图4-1 软件设
41、计结构图 4.3软件设计所用工具 Protel99se:Protel99se是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶,能实现从电学概念设计到输出物理生产数据,以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。因而今天的Protel最新产品已不是单纯的PCB(印制电路板)设计工具,而是一个系统工具,覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。 最新版本的Protel软件可以毫无障碍地读Orcad、Pads、Accel(PCAD)等知名EDA公司设计文件,以便用户顺利过渡到新的EDA平台。ISIS:电路设计仿真软件。 Keil uVision3:C语言设计软件。 第5章 系统调试5.1
42、硬件的调试在单片机开发过程中,从硬件设计到软件设计都需要做到准确无误。可见调试的工作量比较大。调试部分是单片机系统设计中至关重要的部分。调试的成功与否直接关系到整个系统运行的可行性。单片机系统的硬件调试和软件调试是不能分开的,许多硬件错误是在软件调试中被发现和纠正的。但通常是先排除明显的硬件故障以后,再和软件结合起来调试以进一步排除故障。可见硬件的调试是基础,如果硬件调试不通过,软件设计则是无从做起。当硬件设计从布线到焊接安装完成之后,就开始进入硬件调试阶段,调试大体可以分为以下几步。5.1.1 排除逻辑故障这类故障往往由于设计和加工制板过程中工艺性错误所造成的。主要包括错线、开路、短路。排除
43、的方法是首先将加工的印制板认真对照原理图,看两者是否一致。应特别注意电源系统检查,以防止电源短路和极性错误,并重点检查系统总线(地址总线、数据总线和控制总线)是否存在相互之间短路或与其它信号线路短路。必要时利用数字万用表的短路测试功能,可以缩短排错时间。5.1.2 排除元器件故障造成这类错误的原因有两个:一个是元器件买来时就已坏了;另一个是由于安装错误,造成器件烧坏。可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致。在保证安装无误后,用替换方法排除错误。5.1.3 排除电源故障在通电前,一定要检查电源电压的幅值和极性,否则很容易造成集成块损坏。加电后检查各插件上引脚的电位,一般先检查VC
44、C与GND之间电位,若在5V4.8V之间属正常。若有高压,联机仿真器调试时,将会损坏仿真器等,有时会使应用系统中的集成块发热损坏。5.2软件调试软件调试主要采用keil软件调试编译单片机程序。由于由于STC89C52可以擦写上千次,所以在这个调试过程中,并没有用仿真器来实践,而是直接将程序烧写进单片机来操作。将通过KEIL软件编译通过的单片机程序生成的“.hex”文件用烧录软件通过下载线烧写进单片机中。5.3软、硬件整体调试软、硬件联调是将已经调试通过的软件和硬件结合起来一起进行调试。这部分是单片机制作过程中最重要的调试部分。单一的软件或是硬件的调试通过了并不能验证总的方案的可行性。只有将整个
45、系统的软件硬件相结合连接起来进行调试,也就是综合调试。如果调试成功了才能说明此系统的功能实现,系统设计已经成功。采用Keil软件和硬件电路板进行软硬件联合仿真,首先编译单片机程序,然后运行编译的程序,程序检查成功后,再把程序烧入硬件之中。对调试过程中出现的错误要仔细分析,然后不断更正错误,直至达到理想效果为止。在软硬件联调时,根据在程序中设定的阈值,将打火机打火放到气体传感器周围,这样气体传感器就可以采集到相应可燃气体浓度,当浓度超过预设阈值,蜂鸣器就会立即报警,同时LED熄灭。6. 结论本次设计对可燃性气体报警控制器进行了深入的研究,在参考国内外一些资料的基础上,比较合理地选择了系统的设计方案,采用了“探测器+单片机控制电路”设计思路,由于具有操作简单,实用性强,价格便宜,安全性高等特点,所以非常适合贮气仓库,以及家庭等场所使用,具有很高的实用价值。本次设计的可燃性气体报警器由探测器与单片机控制电路两大部分构成。根据设计要求、使用环境、成本等因素,选用MQ-5气体传感器。该传感器是对以烷类气体为主的多种可燃性气体有良好敏感特性的广谱型半导体敏感器件。它的灵敏度适中,响应与恢复特性好,长
限制150内