可燃氣體檢測儀設計-畢業(yè)(完整版)資料

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可燃氣體檢測儀設計--畢業(yè)（完整版）資料(可以直接使用，可編輯優(yōu)秀版資料，歡迎下載）學院本科畢業(yè)設計（論文）題目可燃氣體檢測儀設計學生姓名專業(yè)班級電子信息學號院（系）計算機與通信工程學院指導教師（職稱）完成時間

學院畢業(yè)設計（論文）任務書題目可燃氣體檢測儀設計專業(yè)電子信息科學與技術學號姓名主要內容、基本要求、主要參考資料等：主要內容：1.了解可燃氣體檢測儀設計的基本原理。2.運用KEIL、PCB、等軟件完成系統(tǒng)的軟件設計3.使用以單片機為核心，MQ-X系列傳感器為氣體采集器，LCD12864液晶顯示屏來顯示實時的濃度值，等硬件設施來完成實時檢測可燃氣體的濃度，并完成報警。基本要求：通過軟硬件結合的方式，實現(xiàn)可燃氣體檢測儀測量氣體濃度并完成報警。主要參考資料：[1]D'AzzoJJ,HoupisCH,AzzoD.LinearControlSystemAnalysisandDesign[M].清華大學出版社,2000.[2]劉愛華，傳感器原理與應用技術.人民郵電出版社，2021.[3]電阻式半導體氣體傳感器[4]基于STM32的便攜式礦用多氣體檢測儀的設計完成期限：指導教師簽名：專業(yè)負責人簽名：目錄中文摘要 I英文摘要 II1引言 11.1可燃氣體探測的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 11.2研究目標 22硬件設計總結構框圖 33可燃氣體檢測儀傳感器 43.1可燃氣體傳感器的種類 43.2可燃氣體傳感器的選用 43.3傳感器模塊設計 43.4MQ-X系列傳感器特性 53.5傳感器基本測試回路 63.6MQ-X系列傳感器在操作中的注意事項 64硬件電路設計 84.1可燃氣體檢測儀的硬件設計 84.2STM32單片機 8 84.3報警電路設計 94.4傳感器模塊電路設計 104.5液晶顯示模塊電路設計 10 11 114.6按鍵電路設計 12 124.7串口模塊設計 12 12 134.8ADC電路設計 144.9電源管理電路設計 145系統(tǒng)軟件程序設計 155.1系統(tǒng)整體程序流程圖 155.2編程軟件的應用 155.3按鍵模塊軟件設計 165.4液晶顯示模塊軟件設計 165.5上位機模塊軟件設計 175.6數(shù)字濾波設計 186系統(tǒng)調試與分析 206.1系統(tǒng)硬件調試 206.2系統(tǒng)軟件調試 206.3測試結果 206.4出現(xiàn)問題及解決方法 21結束語 22致謝 23參考文獻 24可燃氣體檢測儀設計摘要可燃氣體檢測儀對可燃氣體泄漏檢測以及報警有著重大的作用，應用在生活安全領域。其檢測的敏感性程度及檢測電路的性能是影響檢測儀穩(wěn)定性的重要因素。STM32單片機為主控芯片，MQ-X系列可燃氣體傳感器，具有對檢測氣體靈敏度高，長壽命、低成本的特點。在使用前需對其加熱十分鐘，預熱完之后將這些傳感器放置于待測的環(huán)境中，MQ-X系列傳感器將對對應氣體測試濃度，將測試濃度轉為電壓，然后再將轉換得的電壓經(jīng)過單片機的A/D模塊進行模數(shù)轉換處理。為了能夠使用戶對可燃氣體濃度進行實時了解，在單片機外圍鏈接了液晶顯示屏，把經(jīng)過單片機處理過的濃度值顯示在液晶屏上；并且在單片機外圍鏈接了按鍵模塊，可以更簡易的設置可燃氣體的報警濃度，當所測得的氣體濃度超過設置的濃度時，單片機將控制發(fā)光二極管和蜂鳴器發(fā)光發(fā)聲實現(xiàn)報警；通過串口通信把實時采集到的濃度信息傳給上位機，并且能夠在上位機上顯現(xiàn)出來，完成對危險氣體濃度實時監(jiān)控。關鍵詞氣體傳感器；STM32單片機；上位機；模數(shù)轉換；報警

DESIGNOFCOMBUSTIBLEGASDETECTORABSTRACTThecombustiblegasdetectorplaysanimportantroleintheleakagedetectionandalarmofflammablegas,andisappliedinthefieldoflifesafety.Thesensitivityofthedetectionandtheperformanceofthedetectioncircuitareimportantfactorsaffectingthestabilityofthedetector.STM32microcontrollerasthemaincontrolchip,MQ-Xseriesofflammablegassensors,withhighsensitivitytodetectgas,longlife,lowcostfeatures.Beforeusingtheheatfortenminutes,afterpreheatingthesesensorsplacedonthemeasuredenvironment,MQ-Xseriessensorscorrespondingtotestgasconcentration,theconcentrationoftesttovoltage,andthenconvertthevoltagethroughtheA/Dmodulemicrocontrollerforanalogdigitalconversionprocessing.Inordertoenableuserstoconductreal-timeunderstandingofthecombustiblegasconcentration,inperipherallinkoftheLCDscreen,theconcentrationofSCMprocessedvaluedisplayedontheLCDscreen;andintheperipherallinkkeymodule,alarmsettingsofcombustiblegasconcentrationcanbemoresimple,whentheconcentrationofthegasmeasuredbymorethansetwhenthemicrocontrollerwillcontrolthelight-emittingdiodeandthebuzzersoundlightalarm;throughtheserialcommunicationtocollecttheconcentrationinformationtothehostcomputer,andcanappearonthehostcomputertocompletethereal-timemonitoringofgasconcentration.KEYWORDSgassensor;STM32microcontroller;hostcomputer;analogtodigitalconversion;alarm1引言經(jīng)濟發(fā)展迅速，城市天然氣、煤氣的使用已經(jīng)普遍到各家各戶，雖然這些燃料給我們的生活帶來了很多的便捷，但由于設備管理使用不當，可能會造成氣體的泄漏引起氣體中毒，造成生命危險。煤氣、天然氣中毒或者爆炸事件是各種危害事件中最常見的。幾乎每天都會有因煤氣泄漏而導致的家庭悲劇，為了防止此類悲痛的事件再次發(fā)生，必須找到一個安全便捷實用有效的解決方法。如果能正確、科學地認識可燃氣體的爆炸,了解爆炸前的情況,采取適當?shù)念A防措施,就能做到保護人身財產(chǎn)安全，避免此類悲劇發(fā)生[1]。因此,研究性能穩(wěn)定可靠的監(jiān)測可燃氣體濃度的報警裝置具有重要意義。可燃氣體檢測儀就是為了防止這樣的事故再次發(fā)生，能夠提前達到預警的效果。1.1可燃氣體探測的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢可燃氣體的探測一直是人們所關注的重點，工人下井勘測井內的的可燃有毒的氣體，從而保證工人們施工的安全。但這種歷史卻由來已久甚至隋代時期，人們會將雞鴨禽類放置密閉空間中，觀察這些禽類的健康狀況從而判斷這個空間是否安全。而現(xiàn)如今隨著科技的發(fā)展，天然氣以及煤氣的普遍運用，使得可燃氣體的探測和監(jiān)控成為當前熱門的技術問題。要說到最早的氣體傳感器大概是上世紀20年代產(chǎn)生的。也就是在英國第一次工業(yè)革命之后產(chǎn)生的。因為工業(yè)化的進步帶來了巨大的方便，但也了導致氣體的泄漏，所以在歷史的長河中，發(fā)展都是與時俱進的，這說明可燃氣體探測儀是社會發(fā)展保護人民安全的的必要產(chǎn)物。在1980年，日本就開始實行安裝城市煤氣等報警器法規(guī)，之后美國也有7個州11個城市立法規(guī)定了家庭、公寓、辦公區(qū)域都需要安裝易燃易爆氣體報警器。就在我國也有許多城市已經(jīng)發(fā)布文件，比如青島、哈爾濱、山西等省份。在目前，隨著我國城市化擴大發(fā)展，燃氣煤氣的普遍率增高，政府也通過立法保護人民安全，并且隨著人們接受更普及的教育，使得人民安全保護意識有所提升，城市家庭公寓等場所安裝可燃氣體報警器是必將被推廣普及的。人們對可燃氣體檢測儀的需求也必將大大的提升?？扇細怏w報警器就是適應社會需求所開發(fā)的一種安全裝置，現(xiàn)如今小區(qū)及辦公樓都會有相應的管理人員進行管理，而此次設計的可燃氣體檢測儀就能發(fā)揮它的作用，通過檢測可燃氣體濃度進行聲光報警，并且與管理員的上位機進行通信連接，就能讓管理員實時進行監(jiān)控保護，所以發(fā)展前景非常良好必定具有廣闊的市場，是現(xiàn)代家庭、社會發(fā)展的必需品。1.2研究目標可燃氣體檢測儀是以STM32單片機為控制核心，以MQ-X系列傳感器為可燃氣體采集器，將其放在待測的環(huán)境中，氣體傳感器將根據(jù)可燃氣體濃度的變化輸出電壓的值，然后通過STM32單片機中ADC處理，為了方便進行實時監(jiān)測，于是將處理計算后得到的數(shù)值通過串口把濃度值在上位機界面和液晶顯示屏上顯示。并可以通過按鍵模塊來實現(xiàn)對報警濃度的上限設置，當所測得的氣體濃度超過設置的濃度時，STM32單片機將控制外圍報警電路，使發(fā)光二極管和蜂鳴器發(fā)光發(fā)聲報警。系統(tǒng)以STM32為核心，以可燃氣體傳感器為采集器件，LCD12864液晶顯示屏來顯示實時的濃度值，MAX232串口模塊為通信橋梁設計的。目標實現(xiàn)：完成對可燃氣體傳感器的選定完成裝置硬件部分的設計：采用STM32單片機為主控芯片，MQ-X系列傳感器采集氣體的濃度，A/D轉換器實現(xiàn)模數(shù)轉換，按鍵模塊來調節(jié)濃度上限設置，上位置和液晶顯示屏顯示所測氣體濃度，發(fā)光二極管和蜂鳴器完成聲控報警部分。完成裝置電路設計：STM32單片機電路設計，傳感器基本設計，A/D轉換電路設計，聲光報警電路設計，復位電路，LED顯示電路等。、完成系統(tǒng)軟件設計：整體程序流程圖設計，按鍵模塊、液晶顯示模塊電路設計。完成成品制作：可燃氣體檢測儀能夠實現(xiàn)檢測可燃氣體濃度并顯示及報警。電路完成焊接，對程序進行反復調試，最終實現(xiàn)儀器功能。

2硬件設計總結構框圖硬件結構框圖如圖2-1所示。其中A/D轉換電路是由STM32單片機控制完成,且MQ-X傳感器本身自帶信號放大系統(tǒng)。MQ-X系列傳感器采集到周圍環(huán)境可燃氣體濃度時會輸出一個小電壓信號，經(jīng)過傳感器自帶的一個可編程的放大電路進行信號的放大；被放大后的信號送人單片機中ADC模塊進行模數(shù)轉換；轉換后的結果由STM32單片機進行讀取處理；按鍵電路用來控制報警氣體濃度上限的設置，按鍵電路共由四個按鍵組成調節(jié)報警濃度上限，并可以切換不同氣體濃度模式；此外LED顯示屏和上位機都是用來顯示氣體濃度數(shù)據(jù)的，當STM32單片機處理過數(shù)據(jù)，會通過MAX232串口與上位機達成通信從而監(jiān)控氣體濃度，當氣體濃度超過限定值時，單片機會控制外圍的報警電路實現(xiàn)報警。電源電源按鍵電路MQ-X系列傳按鍵電路MQ-X系列傳感器A/DA/D模數(shù)轉換電路LCD顯示屏STM32單片機串口LCD顯示屏STM32單片機串口報警電路上位機報警電路上位機圖2-1硬件結構框圖

3可燃氣體檢測儀傳感器3.1可燃氣體傳感器的種類現(xiàn)如今隨著科技的發(fā)展，氣體傳感器也是越來越多樣，也越來越普遍。氣體傳感器在市場的應用已經(jīng)非常普及了，其發(fā)展歷史也已經(jīng)有幾十年了，技術方面已經(jīng)成熟了，根據(jù)不同的材質不同的原理傳感器的種類大概分為以下幾類：電化學式、光學干涉式、半導體式、催化燃燒式和固體電解質氣體傳感器[2]。下面對傳感器的種類做簡單的介紹。(1)電化學傳感器是使用電極和電解液封灌制成。原理是將周圍環(huán)境中的氣體在電場下進行電離，隨后測得電流。雖然這樣的產(chǎn)品靈敏度很高，但是主要是對有毒氣體檢測，運用并不廣泛，具有一定的局限性。(2)光學干涉式氣體傳感器在使用過程中周圍環(huán)境的光線會影響傳感器的敏感度，也有一定的局限性。(3)半導體氣體傳感器顧名思義是由半導體材料制成，這樣的產(chǎn)品不僅具有結構簡單的有點，更主要的是價格低廉實惠，所以這類傳感器得到了廣泛的應用。(4)催化燃燒式氣體傳感器是在通電狀態(tài)下，利用催化劑使得可燃性氣體發(fā)生氧化反應，然后電阻率也隨之變化的原理。不過這類傳感器靈敏度不是很高。(5)固體電解質氣體傳感器是在氣體經(jīng)過傳感器時，傳感器產(chǎn)生離子，生成了電勢差，產(chǎn)生了電壓的原理。但產(chǎn)品在制作工藝上成本高，在檢測范圍上也有局限性。3.2可燃氣體傳感器的選用經(jīng)過上述對各種傳感器的性能比較，半導體氣體傳感器制造工藝成熟，便于器件集成化，且其性能穩(wěn)定價格便宜，利用特定材料還可以使傳感器對某些氣體特別敏感，所以我們選定這一類型傳感器做為此次設計的材料首選。通過網(wǎng)上價格和性能的比較，最終選擇了MQ-7，MQ-9，2M004,3個氣體傳感器作為此次設計的傳感器材料。3.3傳感器模塊設計（1）傳感器模塊組成圖如圖3-1所示。圖3-1傳感器模塊組成圖（2）MQ-X傳感器基本介紹：<1>其工作電壓都是5V。<2>都有6個引腳，其中4個引腳用來信號傳輸，2個引腳用來加電。<3>雙路信號輸出：DOUT，AOUT。（由于方便實驗選擇AOUT，模擬量輸出）。需要注意的是當測量濃度大于設定濃度時，單片機IO口輸出低電平，報警器設定的是低電平報警。（3）MQ-X系列傳感器工作原理圖如圖3-2所示：圖3-2MQ-X傳感器電路原理圖如圖所示，MQ-X系列傳感器自帶信號放大電路，在使用時，直接將傳感器的AOUT腳接到STM32的PA2腳，接收到的數(shù)據(jù)將傳輸?shù)紸DC中，然后將測得的模擬量電壓值轉換為可燃氣體的濃度值。3.4MQ-X系列傳感器特性（1）氧氣分壓影響（2）氣敏特性根據(jù)上述方程，可以看出傳感器的電阻值是在一定的氣體濃度范圍內（從幾十ppm至幾千ppm）與氣體濃度呈現(xiàn)對數(shù)線性關系，這是處于工作條件下。（3）傳感器響應特性在工作條件下傳感器先被放入還原性氣體中，其表面發(fā)生化學反應，導致電阻降低過段時間后，電阻慢慢平穩(wěn)，然后再放入空氣中，電阻會很快的恢復到最初值。（4）溫、濕度影響MQ-X系列傳感器利用的是氣體在傳感器表面發(fā)生的反應的原理。環(huán)境溫度的不同會使進行的化學物理反應的速率也不同，導致阻值也不同。（5）長期穩(wěn)定性通常情況下，MQ-X傳感器比較穩(wěn)定，可以長期使用。（6）加熱器電壓的影響加熱器電壓不同，會影響傳感器阻值變化，恒定且合適的電壓才能保證傳感器正常工作[3]。3.5傳感器基本測試回路由于MQ-X系列氣體傳感器基本測試回路相似構造接近，所以其基本測試回都路如圖3-3所示：圖3-3傳感器基本測試回路MQ-X傳感器都是具有輕微的極性，必須使用直流電源，另外與傳感器串聯(lián)的電阻需要選用恰當?shù)碾娮柚祦肀ＷC傳感器的性能最佳達到最佳。這兩個施加電壓無特殊情況是可以使用同一電源供電的[4]。3.6MQ-X系列傳感器在操作中的注意事項1、必須避免的情況：（1）暴露于有機硅蒸氣中傳感器的敏感材料不能被包裹接觸損壞，負責無法正常工作，而有機硅蒸汽則會損壞其敏感材料。（2）高腐蝕性的環(huán)境傳感器暴露在高腐蝕性的環(huán)境中，會引起傳感器器件線路腐蝕破壞，且不可恢復。（3）堿、堿金屬鹽、鹵素的污染傳感器被堿金屬鹽水，鹵素等會引起性能上的破壞（4）接觸到水傳感器接觸到水，或浸入水中都可使敏感性被抑制。（5）結冰傳感器結冰會導致其表面敏感材料遭到破壞，喪失敏感性（6）電壓加錯管腳（僅限于旁熱式系列）MQ-X傳感器都是6腳型的傳感器，其中4個腳是用來信息傳輸，另外倆個是用來加熱。若果加錯管腳會導致斷路，器件燒毀等情況。2、盡可能避免的情況（1）凝結水（2）處于高濃度氣體中（3）長期貯存（4）長期暴露在極端環(huán)境中（5）振動（6）沖擊

4硬件電路設計4.1可燃氣體檢測儀的硬件設計可燃氣體檢測儀主要有三部分構成，第一是部分是氣體傳感器：檢測甲烷，一氧化碳，乙炔三個傳感器。裝置在有可燃氣體的周圍環(huán)境內，當檢測到周圍環(huán)境中的可燃氣體時，這些傳感器將檢測到的可燃氣體的濃度轉化為模擬電信號；第二部分是STM32單片機核心控制裝置,能夠將收到的模擬電信號通過其中A/D轉換裝置轉化為數(shù)字信號并進行處理然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到外圍電路。第三部分是外圍電路：包括顯示電路，報警電路，按鍵模塊，上位機等；能夠顯示并監(jiān)控單片機所處理的數(shù)據(jù)，并調節(jié)濃度上限，實現(xiàn)即時報警[5]。4.2STM32單片機設計選用STM32單片機型號為STM32F103C8T6。內部集成有時鐘，ADC，串口，SPI，DMA，等功能。采用哈佛結構，通過不同總線控制不同的內存器。同時，可以操作不同的內存器，大大提高了數(shù)據(jù)交換的速度。在其快速工作時頻時最高工作頻率高達72MHz，本系統(tǒng)采用STM32單片機作為主控制器，其工作電壓為3.3V，STM32單片機就是以低電壓低功耗來實現(xiàn)高性能的產(chǎn)品。它的優(yōu)勢就在于能夠快速的采集數(shù)據(jù)，快速處理，且具有3個ADC。這個特性使得STM32可以同時對多個模擬量進行數(shù)據(jù)采集和處理[6]。能夠快速的處理多種可燃氣體的濃度，大大加快了實驗的進程。這正是選用STM32單片機的原因。單片機最小系統(tǒng)就是保證單片機芯片能夠正常運行正常工作的最小配置。一般由幾個部分組成：電源，晶振，時鐘電路，復位電路,等[7]。STM32單片機有多個時鐘源，其內部局部時鐘電路圖如圖4-1所示：圖4-1內部部分時鐘電路單片機STM32最小系統(tǒng)如圖4-2所示：圖4-2單片機STM32最小系統(tǒng)圖其復位電路如圖4-3所示：圖4-3復位電路圖4.3報警電路設計報警電路也是非常重要的一部分，人們可以通過儀器的報警來避免將要發(fā)生的危險。但報警電路卻是由幾個簡單的器件組成的。其中電阻是用來保護單片機和報警電路的，三極管作用是放大從單片機輸出的信號，報警電路是由STM32的PA7、PA12口控制。當?shù)竭_危險范圍值時，蜂鳴器發(fā)出聲音，發(fā)光二極管閃爍[8]。報警電路如圖4-4所示：圖4-4報警電路4.4傳感器模塊電路設計可燃氣體傳感器都是MQ-X系列的，所以其電路基本一致，在這里模塊原理圖如圖3-2所示，電路接入管腳為四個腳，分別為電源、地、AOUT和DOUT?？扇細怏w傳感器模塊模擬電壓輸出范圍為0-5V，在這里由于使用的是STM32主控芯片，其電源供電電壓為3.3V，所以不可以直接將其模塊輸出接入到AD轉換接口上，需要一轉換電路將其電壓變小[9]。在這里，其運放電路如下圖4-5所示，其公式為Vout=（R2/R1）*Vin。在這里放大倍數(shù)選擇為0.5倍，所以R1為2K，R2為1K。圖4-5可燃氣體傳感器模塊輸出轉換電路圖4.5液晶顯示模塊電路設計LCD12864這一型液晶顯示屏在價格上低于同類顯示屏，且低電壓低功耗。與單片機工作電壓不同，其正常工作電壓為5V。LCD12864液晶顯示模塊引腳表如表4-1所示：表4-1LCD12864液晶顯示模塊引腳表通過上表可以看出，DB0-DB7是數(shù)據(jù)傳輸端連接單片機的PB端。A，K分別為背光源正極，背光源負極。17引腳為復位引腳[10]。選用的LCD12864液晶顯示屏其控制器為S6B0108，該類型并不帶中文字庫。顯示數(shù)據(jù)RAM，最多只能控制4行每行16個字。如圖4-6，液晶顯示屏是由單片機的PB端控制。圖4-6LCD液晶屏接線圖4.6按鍵電路設計按鍵電路是用來設置報警濃度界限，和在不同氣體濃度界面進行轉換的。有五個功能鍵，分為設置，加，減，模式，進式，對應S1，S2，S3，S4，S5。當S1摁下，LCD顯示屏顯示設置報警濃度界面；再按S4是在甲烷、一氧化碳、乙炔報警界面轉換。S2,S3控制報警濃度加減。按鍵電路是由STM32的PA11、PA12、PA13、PA14、PA15引腳控制。按鍵電路圖如下圖4-7所示：圖4-7按鍵電路一般的按鍵都是機械彈性開關，當按鍵摁下時并不會直接接通，而是在閉合和斷開之間來回抖動，在斷開時也會有這樣的情況。這種情況就是按鍵抖動[11]。為了消除這一現(xiàn)象設計了按鍵消抖電路。用四個按鍵進行設置操作，采用中斷方式，因此需要消抖電路進行消抖以防抖動干擾進入中斷服務程序導致程序處理異常。用RC消抖電路消除信號抖動，電路簡單，效果較好，如圖4-8所示：圖4-8按鍵消抖電路4.7串口模塊設計MAX232串口芯片功耗低，且用電池供電最為合適。穩(wěn)定性強，接收發(fā)送信號穩(wěn)定。這也是選擇MAX232芯片的原因。芯片所擁有的一些特性如下：符合所有的RS-232C技術標準2、只需要單一+5V電源供電

3、片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉能力，能夠產(chǎn)生+10V和-10V電壓V+、V-

4、功耗低，典型供電電流5mA

5、內部集成2個RS-232C驅動器

6、高集成度，片外最低只需4個電容即可工作[12]。串口模塊是由MAX232芯片和外圍的電容組成的。MAX232芯片的工作電壓為5V，功耗非常低，其作用就是連接單片機與上位機并讓它們實現(xiàn)通信，實現(xiàn)上位機即時監(jiān)控。外圍的電容大小則是根據(jù)MAX232芯片的型號決定的。MAX232芯片的引腳T2I起接收來自單片機信號的作用、R2O起發(fā)送信號的作用，而T2O、R2I則起著往上位機發(fā)送和接收上位機發(fā)來的數(shù)據(jù)的作用。單片機的PA9,PA10引腳控制芯片。串口模塊如圖4-9所示：圖4-9串口模塊電路4.8ADC電路設計A/D轉換就是輸入的模擬信號轉化成數(shù)字信號。STM32單片機是逐次逼近型的轉換器。轉換速率最高可達1000KHz。AD的采樣頻率為1KHz，采樣精度為12位。STM32F103C8T6具有三個ADC，這意味著STM32可以同時對多個模擬量進行快速地采集，能夠快速處理需要的氣體濃度的數(shù)據(jù)，DMA在這里就起到了很大的作用，讓ADC快速采集多個數(shù)據(jù)，然后填充到RAM中，讓單片機進行處理數(shù)據(jù)。提高了數(shù)據(jù)處理的效率。也為下面軟件濾波的數(shù)據(jù)處理做了數(shù)據(jù)鋪墊。4.9電源管理電路設計由于單片機其工作電壓為3.3V，而液晶顯示屏及氣體傳感器的工作電壓都為5V，所以此系統(tǒng)電源電路需要穩(wěn)壓。電源采用兩節(jié)鋰電池串聯(lián)提供7.4V電源電壓，使用兩個LM1117芯片，為不同器件提供不同穩(wěn)定的電壓。前級穩(wěn)壓芯片為主控芯片提供穩(wěn)定的3.3V電壓，后級穩(wěn)壓芯片為液晶屏和傳感器提供穩(wěn)定的5V電壓[13]。電源電路圖如圖4-10所示：圖4-10電源管理電路

5系統(tǒng)軟件程序設計在對于單片機的研究開發(fā)中逐漸引入了高級語言，C語言就是其中非常重要的一門語言，C語言相較于匯編語言來說更容易理解，也符合人們的思維邏輯方式，做起來會更加的順暢，上手比較容易，而很多的處理器都是用C語言來編程的，這樣就能夠在基于C語言的情況下來編輯和維護處理器模塊。本系統(tǒng)就是采用C語言來編寫，整體的思路就是編寫各個子程序模塊，來完成整體的程序設計，C語言編寫是在KEIL軟件中進行的，所以下面也將簡單介紹一下KEIL軟件以及各個部分的程序流程還有程序用到的算法。5.1系統(tǒng)整體程序流程圖首先將各子程序都初始化，接口電路程序初始化，然后將可燃氣體傳感器上電預熱三分鐘，之后才能良好的工作，之后可燃氣體被傳感器檢測到，經(jīng)過A/D模數(shù)轉換，單片機處理數(shù)據(jù)然后傳輸?shù)斤@示屏和上位機上顯示。單片機同時檢測所測得的濃度是否超過報警濃度界限值，從而控制報警電路進行報警。而報警濃度界限值則由鍵盤按鍵電路設置。系統(tǒng)程序流程圖如上圖5-1所示。圖5-1系統(tǒng)程序流程圖5.2編程軟件的應用KeilC51是一款C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，C語言一直是受廣大群眾接受、喜愛，其運用的范圍也極廣，相較于匯編等語言，C語言靈活性更強，不具有約束性，能讓人們利用它來實現(xiàn)更多的想法。Keil軟件具有豐富的庫函數(shù)，調用起來也是極其方便，此外keil軟件能夠實現(xiàn)完整的程序編譯流程。在開發(fā)軟件時能夠極大的體現(xiàn)它的優(yōu)勢。AltiumDesigner軟件就是實現(xiàn)了電路設計自動化，可以通過這個軟件，設計出所需電路的原理圖，PCB繪制，還能進行電路仿真，使用起來讓電路設計及模塊運行都更加的容易。提高了設計的完成效率和質量[14]。5.3按鍵模塊軟件設計在單片機中為了能夠設置報警濃度限值按鍵模塊是必不可少的，但按鍵抖動的情況總會出現(xiàn)，不消除這種問題就會引起閉合鍵的多次識別，所以需要按鍵消抖來解決這個問題。當按鍵釋放后設置的值將會傳輸?shù)絃CD液晶顯示屏上顯示，來進行觀測。整個程序設計流程圖如圖5-3所示。圖5-3按鍵模塊軟件流程圖5.4液晶顯示模塊軟件設計LCD顯示模塊主要是顯示所測得的氣體濃度值和顯示調節(jié)報警濃度值的作用。不過需要注意的是要檢測忙信號。液晶顯示程序設計流程圖如圖5-4所示：圖5-4LCD液晶顯示程序流程圖5.5上位機模塊軟件設計數(shù)據(jù)經(jīng)單片機處理后通過串口通信傳送至上位機，當上位機接收到的氣體濃度數(shù)據(jù)未超過限定值時，則正常顯示，若超過限定值時，則及時提醒，發(fā)出報警[15]。上位機程序流程圖如圖5-5所示：圖5-5上位機流程圖通信波特率設定9600bps，它的格式如下：表4-1通信數(shù)據(jù)格式Byte1Byte2Byte3Byte4Byte5Byte6同步字命令字1命令字2數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2校驗碼5.6數(shù)字濾波設計在進行數(shù)據(jù)采集時，ADC采集一次的數(shù)據(jù)是沒有用的，因為總會有各種各樣的因素會導致誤差，總會有離譜的數(shù)據(jù)。而采集多次數(shù)據(jù)然后進行處理，通過各種方法減少誤差，這個過程簡單來說就是軟件數(shù)字濾波。采用中位值平均濾波法，能盡量減少實驗中的誤差數(shù)據(jù)的干擾。其原理就是連續(xù)采樣N個數(shù)據(jù)，去掉最大值和最小值，然后計算N-2的算術平均值。屬于中位值濾波法和算術平均濾波法的結合。為了使實驗數(shù)據(jù)更加準確，N值應該取偏大[16]。本次實驗取N為10來處理數(shù)據(jù)。圖5-6為中位值平均濾波法程序流程圖。圖5-6中位值平均濾波法程序流程圖

6系統(tǒng)調試與分析在系統(tǒng)設計完成的過程中肯定會有不少這樣那樣的問題，當發(fā)現(xiàn)問題時，應該想著如何及時的解決修復它，而不是置之不管。即使整個系統(tǒng)完成了，但依然需要檢查是否存在沒有發(fā)現(xiàn)的問題，所以為了使得整個系統(tǒng)不出差錯，除了差錯完成修復，這些檢查調試是必要的。一般分為兩個方面：硬件調試和軟件調試[17]。6.1系統(tǒng)硬件調試在開發(fā)整個系統(tǒng)的過程中很難做到一次成功，主要是焊接故障和器件問題，有的器件失靈，有的是由于操作失誤而導致的燒毀，焊接時容易漏焊焊錯電路，造成短路等問題，所以在進行焊接時應仔細查看電路圖，排除按焊接問題、短路斷路問題，及時排查器件失靈的情況。這這些都沒有問題的情況下，電源問題是不能疏忽的，通電前一定注意電源的幅值和正負極以免通電造成電源燒毀，檢查各個電路電壓幅值。首先用萬能表測得各路電壓看是否處于幅值電壓內，然后在進行測試電路，是系統(tǒng)能夠正常運行。6.2系統(tǒng)軟件調試可燃氣體檢測儀最重要的就是系統(tǒng)能夠正常運行，能夠不出差錯的測得可燃氣體的濃度，這是核心所在，所以系統(tǒng)軟件調試更是至關重要。仔細運行各模塊子程序沒有出現(xiàn)問題在可以進行封裝，安裝硬件。6.3測試結果傳感器檢測到的濃度信號轉為電壓后再由A/D轉換處理。最終傳輸?shù)揭壕э@示屏上，所以輸出的電壓即對應可燃氣體的濃度。顯示電壓與可燃氣體濃度的關系如圖6-2所示。一般國家標準如GB15322.2和GB15322,5分別要求的是天燃氣、液化石油氣1-25%LEL和氫氣（125ppM～750ppM）、一氧化碳50～300ppM報警設定范圍。根據(jù)國家標準可以設定報警濃度。圖6-1測試電壓與濃度關系對應表6.4出現(xiàn)問題及解決方法在開發(fā)的過程中遇到了許許多多的小問題，比如：電路焊接導致了斷路，設計出來的電路圖PCB板不科學，有問題導致不能用，在編寫各模塊的軟件程序時，總是出錯導致不能運行，調試多次也會運行結果出現(xiàn)問題，不能夠準確的測量可燃氣體的濃度。像硬件出現(xiàn)的斷路短路問題可以用萬用表仔細檢測就可以解決，但軟件方面的只有通過繼續(xù)學習C語言才能彌補這些錯誤。學習就是成長嘛，在各個過程中不斷學習，才能進步，才能完成這樣令人有成就的設計。

結束語可燃氣體檢測儀的制作基本完成其檢測濃度和報警濃度都達到要求，最初調試的電路板由手工焊接，數(shù)據(jù)不太穩(wěn)定,波動大。后來謹慎調試重新完成的電路板輸出信號穩(wěn)定，滿足了系統(tǒng)的要求。這次畢業(yè)設計主要利用了STM32自帶的定時器的定時功能，來管理各個函數(shù)的運行，使各個函數(shù)協(xié)調有序運行。這次畢業(yè)設計的制作學到了很多東西，明白了理論是實踐的基礎，但沒有實踐卻無法完成整個儀器，懂得了理論與實踐結合的重要性?？扇細怏w檢測儀并不像最初想象中的那么簡單，需要扎深的軟件功底，也需要完成硬件部分的耐心與仔細。期間曾感覺到困惑、迷茫，但真的下定功夫認真鉆研發(fā)現(xiàn)研究并完成這些設計是多么自豪，滿滿的成就感。通過這個軟硬結合的設計學到了不少新知識，對單片機的理解更深了一步，對上位機的管控也明白了許多，強化了綜合學習能力，也提高了自身獨立思考，解決問題的能力。在完成這次設計的過程中全面的復習了C語言和匯編語言，以及STM32單片機，閱讀了許多關于模擬電路、程序設計以及報警電路有關的書籍，更加熟練地掌握了KEIL，pcb等軟件。這些不僅能擴展知識層面，更鞏固了基礎，也為我今后的工作道路做下了大量的鋪墊。通過這次設計體會了知識的實用性，學到新知識的快樂，還體會到了技術真的是件非常嚴謹?shù)模蝗蓠R虎的事情，一點點小問題就可能導致整個系統(tǒng)無法運行，這讓我想到了祖國的航天事業(yè)，在神舟號不斷升空為我國外空探索帶了了巨大成就，那些默默付出的技術人員是最值得敬重的，正是他們的謹慎細心與專業(yè)才完成了這