基于單片機(jī)的氣體報(bào)警器設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙第頁共30頁摘要隨著天然氣和煤氣的大量使用，每一座居民大樓都被天然氣所“籠罩”。天然氣的普及給公共生活帶來了方便，減少了城市的污染，提高了生活質(zhì)量和效率，但同時(shí)天然氣也是潛在的“危險(xiǎn)品”一旦發(fā)生大面積泄漏，處理不及時(shí)就可能引發(fā)大爆炸，給居民的生命財(cái)產(chǎn)的安全帶來巨大的威脅。我們需要一個(gè)解決的辦法，使用天然氣報(bào)警器是對付天燃?xì)膺@一無形殺手的重要手段之一。本文以氣敏傳感器和單片機(jī)技術(shù)為核心設(shè)計(jì)的氣體報(bào)警器，可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警功能，是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便價(jià)格低廉、智能化的氣體報(bào)警器，具有一定的使用價(jià)值。其中選用MQ-7傳感器實(shí)現(xiàn)對氣體的檢測，具有靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)，而且價(jià)格低廉使用壽命長。其與LM358連接，將氣體信號轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識別的數(shù)字信號，經(jīng)AT89C51單片機(jī)處理，并對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，是否大于或等于某個(gè)設(shè)定值（也就是報(bào)警線），如果大于則會自動啟動報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警聲音，反之則為正常狀態(tài)。同時(shí)，該報(bào)警器還有溫度檢測功能。關(guān)鍵詞：傳感器報(bào)警器單片機(jī)ABSTRACTWiththewideuseofnaturalgasandcoal,eacharesidentialtowersweregas“enveloped”.Thepopularityofnaturalgasbroughtconvenienttopubliclife,reducethecity’spollutionandimprovethelifequalityandefficiency.Butatthesametime,naturalgasisalsopotential“dangerous”,onceproducelargeleak,disposalnottimelycouldtrigger,itwillbeabigbangtopeople’slifeandpropertysafety.Facingallkindsofaccidentscausedbythegasleak,weneedasolution.Useofnaturalgasalarmisoneofimportantmeansdealwithgasinvisiblekiller.Thispapersusingthegassensorsandsinglechipmicrocomputerasthecore.Designcanrealizethegasalarmsound-lightfunction,Itisakindofsimplestructure,stableperformance,easytouse,inexpensiveandintelligentgasalarnanditalsohascertainpracticalvalue.Amongthem,theMQ-7ofgasdetectionsensorhasahighsensitivity,fastresponse,stronganti-jammingcapabilityetc,andthepriceislow,servicelifelong.LM358connectedwiththegassignal,conventthegassingnaltothedigitalsignalthatmicrocontrollercanidentifyandprocessing.BeprocessedandanalysisbyAT89C51,comparetheresultvaluewhetheriseaqultoorgreaterthanthedefautvalue(thatis,thealarmlimit),ifitisgreaterthanthedefaultvalue,itwillautomaticallystartalarmcircuitwarmingvoice,conversetyfornormalstate.Atthesametime,thealarmhastemperaturetestingfunction.Keywords:sensoralarmSCM目錄第一章緒論 41.1課題的背景意義及研究現(xiàn)狀 41.2課題研究的主要內(nèi)容 4第二章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 52.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 52.2任務(wù)分析 52.3系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 5第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 73.1主控模塊設(shè)計(jì) 73.2氣體檢測模塊 93.3聲光報(bào)警模塊 123.4溫度檢測模塊 133.5溫度顯示模塊 16第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 184.1匯編語言程序流程圖 184.2顯示子程序 19第五章系統(tǒng)仿真調(diào)試 205.1氣體檢測模塊仿真 205.2聲光報(bào)警模塊調(diào)試 205.3溫度部分仿真 215.4溫度顯示部分調(diào)試 215.5系統(tǒng)整體仿真 22第六章結(jié)論與展望 23參考文獻(xiàn) 24附錄A 25附錄B 26附錄C 27致謝 33第一章緒論1.1課題的背景意義及研究現(xiàn)狀人們在經(jīng)歷了“煤煙型污染”和“光化學(xué)污染”后，正進(jìn)入以“室內(nèi)空氣污染”為標(biāo)志的第三污染時(shí)期。而室內(nèi)存在的有害氣體的一大來源為燃?xì)獾男孤?，主要可分為煤氣泄漏和天然氣泄漏兩類。煤氣的主要成分為一氧化碳與氫氣，一氧化碳中毒亦稱為煤氣中毒。一氧化碳是無色、無味的氣體，故易于忽略而致中毒。一氧化碳中毒的原因是因?yàn)橐谎趸歼M(jìn)入人體之后，和人體血液中的血紅蛋白結(jié)合，從而出現(xiàn)缺氧，這就是一氧化碳中毒。常見于家庭居室內(nèi)通風(fēng)差的情況下，煤爐產(chǎn)生的煤氣或液化氣管道漏氣中的一氧化碳吸入會導(dǎo)致人的中毒。同時(shí)，煤氣中的氫氣也屬于易燃易爆氣體，大量存在于空氣中，也同樣具有危害。天然氣主要成分是烷烴，其中甲烷含量在95%以上。人所賴以存貨的空氣中有大約20%的氧氣，如果人的活動空間是封閉空間，氧氣稀薄，人會因氧氣不足導(dǎo)致窒息、昏迷，有心腦血管疾病的人將會危及生命。在室內(nèi)天然氣泄漏，會使室內(nèi)空氣中氧氣相對稀薄，由于天然氣是無色無味的，人很難察覺到，尤其當(dāng)人處于睡眠狀態(tài)時(shí)，天然氣的泄漏就會更加危險(xiǎn)，甚至?xí)谷酥舷⒍?。天然氣的另一個(gè)危害是燃燒產(chǎn)生爆炸。通?？諝庵泻幸欢ê康奶烊粴鈺r(shí)，遇到明火會立即爆炸，危及建筑物和人的生命安全。室內(nèi)煤氣、天然氣的泄漏嚴(yán)重危害人的生命健康，基于此現(xiàn)實(shí)本設(shè)計(jì)旨在為家庭用戶設(shè)計(jì)一種能夠同時(shí)檢測煤氣和天然氣泄漏的裝置，從而減少因煤氣、天然氣的泄漏造成的事故的發(fā)生概率，進(jìn)而保證人民的生命健康安全，減少不必要的損失。本裝置能夠同時(shí)監(jiān)測煤氣和天然氣兩種氣體在室內(nèi)空氣中的含量，當(dāng)這兩種氣體達(dá)到一定濃度時(shí)，該裝置能夠發(fā)出聲光報(bào)警信號，提醒用戶煤氣泄漏，采取相應(yīng)的應(yīng)對措施。除此之外，該裝置還具有檢測并顯示室內(nèi)溫度的功能?，F(xiàn)在家用燃?xì)鈭?bào)警器應(yīng)用十分廣泛，市場上成熟的家用燃?xì)鈭?bào)警器產(chǎn)品，種類凡多，功能各異。功能上已可實(shí)現(xiàn)：傳感器集成化，實(shí)現(xiàn)多種氣體類型傳感器互換、傳感器失效檢測報(bào)警、電池欠壓提示、開機(jī)自檢等功能。如何選用一款能滿足自身需求、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、安全可靠，性價(jià)比高的燃?xì)鈭?bào)警器來保障家人的生命已成為千萬家庭需要考慮的問題。1.2課題研究的主要內(nèi)容本設(shè)計(jì)旨在制作一款對煤氣、天然氣等氣體的泄漏具有高靈敏感知能力，當(dāng)泄漏氣體濃度達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)能迅即發(fā)出聲光報(bào)警，并在一定誤差內(nèi)具備溫度實(shí)時(shí)顯示功能，且具備對聲光報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)手動檢測功能的高可靠、低誤報(bào)，高性價(jià)比的家用煤氣、天然氣泄漏報(bào)警器。第二章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求當(dāng)所檢測的氣體達(dá)到預(yù)設(shè)報(bào)警點(diǎn)時(shí)，報(bào)警器開始報(bào)警，報(bào)警燈閃亮，蜂鳴器發(fā)出“B、B、B…”的報(bào)警聲，當(dāng)檢測的氣體的濃度下降到報(bào)警點(diǎn)以下時(shí)，報(bào)警器則停止報(bào)警。指示燈閃爍周期和蜂鳴器報(bào)警周期在2秒左右。當(dāng)周圍環(huán)境可燃?xì)怏w濃度降到響應(yīng)閾值以下時(shí)，處于報(bào)警狀態(tài)的探測器將自動恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。在4位LED數(shù)碼管上對溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，分別為百位、十位、個(gè)位和小數(shù)點(diǎn)后一位可實(shí)現(xiàn)對聲光報(bào)警電路的手動檢測傳感器靈敏度可調(diào)測量精度誤差在0.5℃以內(nèi)（本設(shè)計(jì)最大誤差為0.0875℃）2.2任務(wù)分析為實(shí)現(xiàn)儀器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低，智能化等要求，可采用微處理器AT89C51單片機(jī)作為核心芯片，充分利用了其高速數(shù)據(jù)處理能力的片內(nèi)外設(shè)，滿足上述要求，同時(shí)具備了高可靠、低誤報(bào)的特點(diǎn)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求、使用環(huán)境、成本等因素，可選用MQ-7型傳感器。它的靈敏度適中，具有響應(yīng)與恢復(fù)特性好，長期工作穩(wěn)定，不易受環(huán)境影響及抗溫度影響等特點(diǎn)。在傳感器后續(xù)處理電路中可利用大電容充放電特性來產(chǎn)生一定的延時(shí)，使得傳感器有足夠的時(shí)間預(yù)熱，以免產(chǎn)生誤報(bào)警。為實(shí)現(xiàn)傳感器的高靈敏度及其靈敏度可調(diào)性，滑動變阻器器與電壓比較器LM138來實(shí)現(xiàn)?？稍黾邮謩訖z測功能，當(dāng)按動按鍵時(shí)，若報(bào)警電路正常，則報(bào)警燈閃亮，蜂鳴器發(fā)出“B、B、B…”的報(bào)警聲。溫度顯示精度誤差要求可通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)。2.3系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)該方案使用了AT89C51單片機(jī)作為控制核心，以氣體傳感器MQ-7作為氣體檢測元件，檢測室內(nèi)煤氣、天然氣的基本狀態(tài)，并將氣體濃度信號轉(zhuǎn)換為電信號。通過信號處理電路將有無氣體泄漏兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換成高低電平，并將此電平通過單片機(jī)I/O接口傳入單片機(jī)，通過單片機(jī)編程控制由發(fā)光二極管、蜂鳴器等組成的聲光報(bào)警電路的工作狀態(tài)。室溫顯示部分通過DS18B20溫度傳感器，將室內(nèi)溫度值轉(zhuǎn)換為16位二進(jìn)制，通過單片機(jī)I/O接口傳入單片機(jī)，并通過編程在七段數(shù)碼管上顯示出當(dāng)前溫度值。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖2-1。單片機(jī)單片機(jī)AT89C51主控模塊氣體檢測聲光報(bào)警溫度檢測4位七段數(shù)碼管溫度顯示模塊圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(1)氣體檢測模塊：主要有氣體傳感器以及LM358組成，其作用是將煤氣、天然氣的泄漏與否轉(zhuǎn)換為利于單片機(jī)識別的高低電平，并將此信號傳到單片機(jī)；(2)聲光報(bào)警模塊：由蜂鳴器和LED構(gòu)成,其作用是當(dāng)檢測到有煤氣、天然氣泄漏時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警信號，提醒用戶有煤氣、天然氣泄漏，采取相應(yīng)措施；(3)溫度檢測模塊：由DS18B20溫度傳感器構(gòu)成，DS18B20將檢測到的溫度值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)，并傳到單片機(jī)進(jìn)行處理；(4)溫度顯示模塊：主要由74LS245和4位七段數(shù)碼管組成，其作用是顯示當(dāng)前溫度值；(5)主控模塊：即單片機(jī)AT89C51，其作用是根據(jù)氣體檢測模塊輸出的高低電平，控制聲光報(bào)警模塊的工作狀態(tài)，并完成溫度的采集及顯示功能；(6)軟件部分：軟件部分主要通過軟件編程控制主控模塊，根據(jù)氣體檢測模塊檢測到煤氣、天然氣的狀態(tài)，控制聲光報(bào)警模塊是否發(fā)出聲光報(bào)警信號，從而完成煤氣、天然氣檢測報(bào)警功能。同時(shí)通過編程控制主控模塊對溫度采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過溫度顯示模塊顯示當(dāng)前溫度值。將系統(tǒng)拆分成以上的這些基本功能模塊后，再根據(jù)各個(gè)模塊所要完成的功能分別去設(shè)計(jì)，也就是按照“逐步求精”的思想去設(shè)計(jì)本系統(tǒng)。

第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)硬件可以分為以下幾個(gè)基本功能模塊：a.主控模塊b.氣體檢測模塊c.聲光報(bào)警模塊d.溫度檢測模塊e.溫度顯示模塊系統(tǒng)總電路圖如附錄A所示，當(dāng)沒有煤氣、天然氣泄漏時(shí)OUT1端為高電平，此時(shí)單片機(jī)控制OUT3端無輸出信號，繼續(xù)檢測OUT1端的狀態(tài)；當(dāng)煤氣、天然氣泄漏時(shí)，OUT1端由高電平變成低電平，此時(shí)單片機(jī)控制端OUT3端輸出方波信號，驅(qū)動報(bào)警電路發(fā)出聲光報(bào)警信號。通過單片機(jī)編程對DS18B20檢測的溫度進(jìn)行采集，此溫度值由16位二進(jìn)制數(shù)表示，通過編程對此16位二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行處理，并通過4位七段數(shù)碼管加以顯示。3.1主控模塊設(shè)計(jì)3.1.1單片機(jī)的選擇本設(shè)計(jì)中選用的單片機(jī)為AT89C51。AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)具有4Kbytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器和128bytes的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲器，器件使用ATMEL公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和FLASH存儲單元，功能強(qiáng)大的AT89C51單片機(jī)可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。圖3-1AT89C51的引腳排列主要性能指標(biāo)參數(shù)：·與MCS-51兼容·4K字節(jié)可編程FLASH存儲器·壽命：1000寫/擦循環(huán)·數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年·全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz·三級程序存儲器鎖定·128×8位內(nèi)部RAM·32可編程I/O線·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器·5個(gè)中斷源·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路AT89C51的引腳排列如上圖圖3-1所示3.1.2.單片機(jī)控制電路單片機(jī)模塊即主控模塊，完成功能是與各個(gè)功能模塊連接，并通過軟件編程控制各個(gè)模塊功能，完成煤氣、天然氣檢測報(bào)警及溫度顯示功能。如圖3-2所示，利用P1.0作為溫度傳感器輸入位，利用P1.3控制報(bào)警燈點(diǎn)亮和蜂鳴器報(bào)警，P2.0～P2.7控制七段數(shù)碼管，P3.1～P3.4控制4位數(shù)碼管顯示。圖3-2主控模塊原理圖3.1.3氣體檢測模塊傳感器是能把被測物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)化為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的電信號的輸出裝置。傳感器主要由敏感元件、傳感元件組成，有時(shí)也將信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路、輔助電源作為傳感器的組成部分如圖3-3被測量電量被測量電量敏感元件傳感元件信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換輔助電源敏感元件：直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的其他量的元件。傳感元件：又稱轉(zhuǎn)換器，一般情況下，不直接感受被測量，而是將敏感元件的輸出量轉(zhuǎn)化為電量輸出的元件。傳感器按工作原理可分為：電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、光電式傳感器、壓電式傳感器等。1.氣體傳感器的選擇在這個(gè)設(shè)計(jì)中選擇煤氣、天然氣氣體傳感器屬于電阻式傳感器，傳感器型號為MQ-7。MQ-7能夠同時(shí)檢測煤氣、天然氣兩種氣體，與分別用兩種氣體傳感器檢測相比，明顯減少設(shè)計(jì)成本。MQ-7型氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形及其引腳結(jié)構(gòu)電路連接如圖所示。在圖所示中（結(jié)構(gòu)A或B），由微型Al203陶瓷管、SnO2敏感層、測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。填充活性炭的過濾腔體，進(jìn)一步減弱了氮氧化物、烷類等氣體的干擾。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個(gè)用于信號取出，兩個(gè)用于提供加熱電流。對一氧化碳具有很高的靈敏度和良好的選擇性，具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性，應(yīng)用于家庭、環(huán)境的一氧化碳探測裝置。適宜于一氧化碳、煤氣等的探測。一氧化碳傳感器的MQ-7的標(biāo)準(zhǔn)工作條件、環(huán)境條件、靈敏度特性表見附錄B所示3-4MQ-7結(jié)構(gòu)外形及引腳表3-1結(jié)構(gòu)及引腳說明表部件材料1氣體敏感層二氧化碳2電極金（Au）3測量電極引線鉑（Pt）4加熱器鎳鉻合金（Ni-Cr）5陶瓷管三氧化二鋁6過濾層活性炭顆粒7卡環(huán)鍍鎳銅材（Ni-Cr）8基座塑料或尼龍9針狀管腳鍍鎳銅材（Ni-Cu）圖3-5MQ-7引腳電路連接MQ-7工作原理：傳感器的表面電阻為RS,對被測信號（一氧化碳）濃度的測量是通過RS與其串聯(lián)的負(fù)載電阻RL上的有效電壓信號VRL而獲得的。兩者之間的關(guān)系為：RS/RL=(VC-VRL)/VRL。MQ-7型氣敏元件的敏感是用非常穩(wěn)定的二氧化錫制成的，因此，它具有優(yōu)秀的長期穩(wěn)定性，在正常使用條件下，其使用壽命可達(dá)5年。一氧化碳傳感器MQ-7靈敏度調(diào)整MQ-7型氣敏元件對不同種類、不同濃度的氣體有不同的電阻值。因此，在使用此類型氣敏器件時(shí)，靈敏度的調(diào)整是很重要的。當(dāng)精確測量時(shí):報(bào)警點(diǎn)的設(shè)定應(yīng)考慮溫、濕度的影響。靈敏度的調(diào)整程序：(1）將傳感器連接在應(yīng)用回路中；(2）接通電源，通電老化48h以上；(3）調(diào)整負(fù)載電阻RL至獲得對應(yīng)于某一個(gè)一氧化碳濃度時(shí)所需要的信號值。2.氣體傳感器輸出處理電路設(shè)計(jì)如圖3-6所示RV1用來模擬傳感器的阻值變化，RV2用來調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度，大電容C4用來產(chǎn)生一定的延時(shí)，使得傳感器有足夠的時(shí)間預(yù)熱，以免產(chǎn)生誤報(bào)警。LM358及其外圍電路完成比較器的功能，當(dāng)CO濃度上升后，其阻值變小，導(dǎo)致晶體管基極電壓上升，晶體管導(dǎo)通后LM358的反相輸入端電壓大于同相輸入端電壓，此時(shí)，LM358輸出為0，該信號輸入到單片機(jī)作為報(bào)警觸發(fā)信號。圖3-6氣體檢測模塊原理圖3.3聲光報(bào)警模塊1.聲光報(bào)警模塊電路如圖3-7所示，OUT3與單片機(jī)P1.3引腳相接，當(dāng)檢測到煤氣、天然氣泄漏時(shí)通過單片機(jī)編程控制P1.3輸出方波信號，此時(shí)LEDD4閃爍，并且蜂鳴器以相同的頻率發(fā)出聲音，產(chǎn)生聲光報(bào)警信號，提醒用戶煤氣天然氣泄漏，采取相應(yīng)的措施。圖3-7聲光報(bào)警原理圖3.4溫度檢測模塊溫度傳感器DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲在第1、2字節(jié)。單片機(jī)可以通過單線接口讀到該數(shù)據(jù),讀取時(shí)低位在前,高位在后,數(shù)據(jù)格式以0.0625℃/LSB形式表示。溫度寄存器格式如下圖3-8所示。bit7bit0232221202-12-22-32-4LSByte bit15bit8SSSSS262524MSByte圖3-8溫度寄存器格式這是16位轉(zhuǎn)換后得到的16位數(shù)據(jù)，存儲在18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前五位是符號位，如果測得的溫度值大于0，這五位為0，只要將測到的數(shù)據(jù)乘以0.0625即可得到實(shí)際的溫度；如果溫度小于0，這五位為1，測到的溫度值需取反加1再乘以0.0625即可得到實(shí)際溫度。下表是部分溫度值對應(yīng)的二進(jìn)制溫度表示數(shù)據(jù)。表3-2部分溫度值表實(shí)際溫度二進(jìn)制表示（補(bǔ)碼）十六進(jìn)制表示+125000001111101000007D0H+25.062500000001100100010191H+0.500000000000010000008H000000000000000000000H-0.51111111111111000FFF8H-25.06251111111001101111FE6FH-551111110010010000FC90H

1.DS18B20典型工作時(shí)序DS18B20在編程時(shí)有嚴(yán)格的時(shí)序要求，因此在編程過程中要多加注意，以下為DS18B20典型工作時(shí)序簡介。(1）復(fù)位時(shí)序。使用DS18B20時(shí)，首先需將其復(fù)位，然后才能執(zhí)行其他命令。復(fù)位時(shí)，主機(jī)將數(shù)據(jù)線激發(fā)為低電平并保持480-960μs，然后釋放數(shù)據(jù)線，再由上拉電阻將數(shù)據(jù)線拉升15-60μs，然后再由DS18B20發(fā)出響應(yīng)信號，以將數(shù)據(jù)線激發(fā)成低電平60-240μs，這樣，就完成了復(fù)位操作。圖3-9DS18B20復(fù)位時(shí)序圖(2）寫時(shí)序。在主機(jī)對DS18B20寫數(shù)據(jù)（主機(jī)對DS18B20發(fā)送各種命令）時(shí)，現(xiàn)將數(shù)據(jù)線激發(fā)為低電平，該低電平應(yīng)大于1μs。然后根據(jù)寫“0或?qū)憽?”來使數(shù)據(jù)線變高或繼續(xù)為低。DS18B20將在數(shù)據(jù)線變成低電平后15-60μs對數(shù)據(jù)線進(jìn)行采樣。要求寫入DS18B20的數(shù)據(jù)持續(xù)時(shí)間應(yīng)大于60μs而小于120μs，兩次寫數(shù)據(jù)之間的時(shí)間間隔應(yīng)大于1μs。圖3-10寫時(shí)序圖(3）讀時(shí)序。當(dāng)主機(jī)從DS18B20讀數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)先向數(shù)據(jù)線激發(fā)出低電平，然后釋放，以使數(shù)據(jù)線再升為高電平。DS18B20在數(shù)據(jù)線從高電平變?yōu)榈碗娖降?5μs內(nèi)將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)線上。主機(jī)可在15μs后讀取數(shù)據(jù)線以獲得數(shù)據(jù)。圖3-11讀時(shí)序圖選用DS18B20溫度傳感器。DS18B20可以把溫度直接轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號，使用中不需要附加電路，但與主機(jī)通信有嚴(yán)格的時(shí)序要求。溫度檢測模塊原理圖如下圖2-11所示，DS18B20選用默認(rèn)的12位精確的分辨率，此時(shí)輸出端DQ輸出的溫度值為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼的表達(dá)形式，DS18B20輸出端DQ與單片機(jī)引腳P1.0相接，將數(shù)據(jù)傳入單片機(jī)進(jìn)行處理。圖3-12溫度檢測模塊原理圖3.5溫度顯示模塊3.5.1LED驅(qū)動芯片選擇驅(qū)動模塊選擇，實(shí)驗(yàn)中測得74LS245輸出高電平為3.8V,而74HC245輸出高電平為5V。由于74HC245與74LS245相比價(jià)格較貴，而74LS245輸出3.8V高電平足以驅(qū)動七段數(shù)碼管，因此設(shè)計(jì)中選用74LS245。限流電阻阻值計(jì)算，由于七段數(shù)碼管工作電壓為2V,而74LS245輸出高電平3.8V，因此限流電阻兩端電壓為1.8v。而七段數(shù)碼管每位正常工作的電流為2mA,而4位七段數(shù)碼管的每一個(gè)相同段位又是并聯(lián)的形式連接的，為了保證每位亮度相同，因此每位段位電流應(yīng)該為2Ma*4=8mA，即流過限流電阻的電流為8mA。因此限流電阻的阻值=1.8V/8mA=225Ω，實(shí)際設(shè)計(jì)中采用220Ω的電阻作為限流電阻。如圖3-14所示，電路采用4位七段共陰LED數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)溫度值，采用74LS245增加I/O口的驅(qū)動能力。74LS245用來驅(qū)動LED或者其他的設(shè)備，它是8路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器，可雙向傳輸數(shù)據(jù)，74LS245引腳圖如3-13所示。（1）74LS245還具有雙向三態(tài)功能，即可以輸出，也可以輸入數(shù)據(jù)。（2）當(dāng)8951單片機(jī)的P0口總線負(fù)載達(dá)到或超過PO最大負(fù)載能力時(shí)必須接入74LS245等總線驅(qū)動器。（3）當(dāng)片選端/CE低電平有效時(shí)，DIR=“0”，信號由B向A傳輸（接收）；（4）DIR=“1”，信號由A向B傳輸（發(fā)送）；當(dāng)片選端/CE為高電平時(shí)A、B均為高阻狀態(tài)。圖3-1374LS245引腳圖（5)由于P2口始終輸出地址的高8位，接口時(shí)74LS245的三態(tài)控制端/1G和/2G接地，P2口與驅(qū)動器輸入線對應(yīng)相連。P0口與74LS245輸入端相連，/E端接地，保證數(shù)據(jù)線暢通。8051的/BD和/PSEN有效時(shí)，74LS245輸入（Di至P0.i）其他時(shí)間處于輸出（P0.i至Di）。圖3-14LED顯示電路3.5.2溫度顯示模塊電路設(shè)計(jì)如圖3-14所示，74LS245的使能端和方向控制端同時(shí)接地，此時(shí)74LS245的工作狀態(tài)為數(shù)據(jù)由B向A傳送。七段數(shù)碼管段選位通過限流電阻接到74LS245的A總線，74LS245的B總線接單片機(jī)的P2口。由于室內(nèi)溫度不會超過100℃，因此顯示時(shí)百位不加以顯示。而北方有些地區(qū)冬天是較冷，室內(nèi)溫度有可能達(dá)到0℃以下，因此顯示符號位。因此用4位七段數(shù)碼管顯示溫度，4位分別顯示符號位、十位、個(gè)位、一位小數(shù)位。數(shù)碼管的4位位選位接晶體管集電極，4個(gè)晶體管的基集B1-B4分別接單片機(jī)的P3.1-P3.4口。圖3-15溫度顯示模塊原理圖

第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1主程序設(shè)計(jì):程序開始時(shí)，DS18B20初始化，發(fā)溫度轉(zhuǎn)換器命令，讀溫度值并存儲然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，顯示，如果檢測到P1.0為0則對P1.3定時(shí)取反產(chǎn)生方波,否則重新開始循環(huán)。匯編語言程序源代碼（見附錄C）。 開始 DS18B20初始化 發(fā)溫度轉(zhuǎn)換命令 讀溫度值并存儲 數(shù)據(jù)處理 顯示 檢測P1.0 N是否為0 Y 對P1.3定時(shí)取反產(chǎn)生方波 結(jié)束圖4-1主程序設(shè)計(jì)4.2顯示子程序取溫度，如果溫度為負(fù)值顯示負(fù)號延時(shí)，否則顯示百位延時(shí)，顯示十位延時(shí)，顯示個(gè)位延時(shí)，顯示小數(shù)位延時(shí)然后返回。匯編語言子程序源代碼（見附錄C）取溫度取溫度溫度為負(fù)溫度為負(fù) YN顯示百位，延時(shí)顯示負(fù)號，延時(shí)顯示百位，延時(shí)顯示十位，延時(shí)顯示個(gè)位，延時(shí)顯示小數(shù)位，延時(shí)返回圖4-2顯示子程序

第五章系統(tǒng)仿真調(diào)試5.1氣體檢測模塊仿真由于Proteus軟件元件庫中沒有MQ-7氣體傳感器，由于MQ-7氣體傳感器兩信號輸出端為電阻信號，由附錄A中MQ-7靈敏度特性可得RS阻值范圍為2～20KΩ，所以仿真時(shí)MQ-7氣體傳感器由20KΩ的滑動變阻器代替。（1）當(dāng)沒有煤氣、天然氣泄漏時(shí)，Rs阻值應(yīng)該在20KΩ左右，此時(shí)該檢測模塊的輸出端為高電平，此時(shí)LED發(fā)光。（仿真效果見圖5-1）（2）當(dāng)有煤氣、天然氣泄漏時(shí)，Rs阻值應(yīng)該在2KΩ左右，此時(shí)該檢測模塊的輸出端為低電平，此時(shí)LED熄滅。圖5-1氣體檢測仿真效果5.2聲光報(bào)警模塊調(diào)試將編輯好的程序通過單片機(jī)下載器下載到單片機(jī)中，將單片機(jī)插入面包板，20腳、40腳分別接地和5V電源。蜂鳴器與LED串聯(lián)，負(fù)端接至P1.3口，正端接5V電源。當(dāng)P1.1口接5V電源時(shí)，LED熄滅，蜂鳴器不報(bào)警；當(dāng)P1.1口接地時(shí)，LED閃爍，同時(shí)蜂鳴器以相同頻率發(fā)聲報(bào)警。此時(shí)用示波器測得P1.3口波形為周期為2.1s的方波信號與理論值之間存在一定的誤差，產(chǎn)生誤差的原因有：（1)單片機(jī)使用的晶振為11.059MHz，而不是12MHz，從而使單片機(jī)機(jī)器周期大于1μs而理論計(jì)算時(shí)按1μs計(jì)算，從而產(chǎn)生誤差。（2)單片機(jī)定時(shí)程序指令執(zhí)行時(shí)，有一定的執(zhí)行時(shí)間，而此時(shí)間與1s相比較小，編程時(shí)將其忽略，從而導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。（3)同時(shí)，測量信號也受實(shí)驗(yàn)器材、環(huán)境等諸多因素的影響。設(shè)計(jì)中對方波信號的要求不是很高，因?yàn)榉讲ㄐ盘柕闹芷谥挥绊憟?bào)警的頻率，并不影響報(bào)警功能，因此不需要對其進(jìn)行修改。5.3溫度部分仿真當(dāng)溫度為正值時(shí)，此時(shí)DS18B20設(shè)定溫度為25.4℃，經(jīng)4位七段數(shù)碼管顯示為25.4℃，顯示結(jié)果正確。當(dāng)溫度為負(fù)值時(shí)，此時(shí)DS18B20設(shè)定溫度為-12.0℃，經(jīng)4位七段數(shù)碼管顯示為-12.0℃，顯示結(jié)果正確。圖5-2溫度部分仿真效果5.4溫度顯示部分調(diào)試由于DS18B20輸出為16位二進(jìn)制數(shù)，實(shí)驗(yàn)中無法測得此信號，因此僅對溫度顯示部分進(jìn)行調(diào)試。按照電路圖連接溫度顯示部分電路圖，編寫程序使其顯示-76.5，并下載該程序。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證顯示結(jié)果正確，并且顯示亮度比較亮，符合設(shè)計(jì)要求，溫度顯示部分正常。圖5-3溫度顯示部分調(diào)試5.5系統(tǒng)整體仿真系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)如圖所示，此時(shí)沒有煤氣、天然氣泄漏、聲光報(bào)警電路不工作。此時(shí)DS18B20設(shè)定溫度為24.5℃，經(jīng)4位七段數(shù)碼管顯示為24.5℃，溫度顯示結(jié)果同樣正確。系統(tǒng)報(bào)警運(yùn)行狀態(tài)如圖所示，此時(shí)有煤氣、天然氣泄漏、聲光報(bào)警電路工作，LED1閃爍。圖5-4系統(tǒng)整體仿真

第六章結(jié)論與展望本文在對氣體傳感器和防爆技術(shù)進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，合理的確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并對儀器的整體設(shè)計(jì)和各個(gè)組成部分進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求、使用環(huán)境、成本等因素，選用MQ-7型傳感器。該傳感器是對烷類氣體為主的多種氣體有良好敏感特性的廣譜型半導(dǎo)體敏感器件。它的靈敏度適中，具有響應(yīng)與恢復(fù)特性好，工作長期穩(wěn)定，不易受環(huán)境影響及抗溫度影響等特點(diǎn)。在系統(tǒng)單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)里面，采用了AT89C51單片機(jī)作為核心芯片，充分利用了其高速數(shù)據(jù)處理能力的片內(nèi)外設(shè)，實(shí)現(xiàn)了儀器的小型化和智能化。使儀器具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、體積小、成本低等特點(diǎn)。氣體報(bào)警器能實(shí)時(shí)范圍檢測工作，當(dāng)煙霧的濃度達(dá)到設(shè)定的濃度的時(shí)候，發(fā)出聲光報(bào)警。報(bào)警器還可以與上位機(jī)（PC）進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)傳輸煙霧濃度檢測數(shù)據(jù)，由上位機(jī)記錄保存，也可以利用上位機(jī)完成實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測與控制功能。在本文的報(bào)警器基礎(chǔ)上，可以再做適當(dāng)?shù)墓δ軘U(kuò)展，例如：1.若增加了聯(lián)排氣扇功能，當(dāng)報(bào)警器報(bào)警時(shí)，已聯(lián)接的排氣扇開始啟動，自動排除有害氣體。2.若增加了聯(lián)機(jī)械手或電磁閥氣源聯(lián)動裝置等功能，當(dāng)報(bào)警器報(bào)警時(shí)，已聯(lián)接的機(jī)械手或電磁閥會自動關(guān)閉煤氣閥，從而切斷有害氣源。3.若增加了聯(lián)網(wǎng)功能的，當(dāng)報(bào)警器報(bào)警時(shí)，管理中心或控制中心同時(shí)收到常開常閉（NO、NC）信號。（對于增加了無線功能的，則報(bào)警主機(jī)將收到2-3秒的無線信號）。這樣使得室內(nèi)煤氣和天然氣泄漏報(bào)警器的功能更加完善，有效避免火災(zāi)、爆炸、窒息、死亡等惡性事故的發(fā)生，安全性更高，使用更加方便。

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附錄A附錄B表2-1標(biāo)準(zhǔn)工作條件符號參數(shù)名稱技術(shù)條件備注Vc同路電壓10vACorDCVH（h）加熱電壓(高)5.0±0.2VACorDCVH（L）加熱電壓(低)1.0±0.1VACorDCRL負(fù)載電阻可調(diào)RH負(fù)載電阻31Ω+3Ω室溫TH（H）加熱時(shí)間（高）60±1secondTH（L）加熱時(shí)間（低）90±1secondPH加熱功耗約35mW表2-2環(huán)境條件 符號參數(shù)名稱技術(shù)條件備注Tao使用溫度-10～+50℃Tas存儲溫度-20～+70℃建議使用范圍RH相對溫度小于95%RHO氧氣濃度21%標(biāo)準(zhǔn)條件氧氣濃度會影響靈敏度特性最小值大于2%表2-3靈敏度特性表符號參數(shù)名稱技術(shù)條件備注RS敏感體電阻2～20K在100ppmCO中a[(300/100)x10-6)]濃度斜率小于0.6RS(300ppm)/Rs(100ppm)標(biāo)準(zhǔn)工作條件溫度：-20℃±2℃相對濕度:65%±5%VC:5.0±0.1VVH(低)：1.5v±0.1v預(yù)熱時(shí)間不短于48h探測范圍附錄C****************************************************************變量定義****************************************************************SIGNBIT01H;符號位TEMPHEQU30H;轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)高位字節(jié)TEMPLEQU31H;轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)低位字節(jié)INTEGEQU32H;轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)整數(shù)部分DECIMEQU33H;轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)小數(shù)部分SEG_FEQU34H;符號位段碼SEG_BEQU35H;百位存儲SEG_SEQU36H;十位數(shù)段碼SEG_GEQU37H;個(gè)位數(shù)段碼SEG_XEQU38H;1位小數(shù)段碼COUNTEQU3AH****************************************************************主程序*****************************************************************ORG0000HMOVinteg,#0ahMOVdecim,#5MOVsign,#0AJMPmainmain:LCALLSEG_GEN;生成顯示碼LCALLDISPLAY;數(shù)碼顯示SJMPMAI**************************************************************生成顯示碼子程序符號位段碼存放在SEG-F中，整數(shù)段碼存放在SEG-B到SEG-G中1位小數(shù)部分段碼存放在SEG-X中****************************************************************SEG_GEN:MOVDPTR,#TABLEJBSIGN,S_NEGMOVSEG_F,#40HSJMPS_INTS_NEG:MOVSEG_F,#00HS_INT:MOVA,INTEGMOVB,#100DIVABMOVCA,@A+DPTRMOVSEG_B,A;百位數(shù)段碼MOVA,BMOVB,#10DIVABMOVCA,@A+DPTRMOVSEG_S,A;十位數(shù)段碼MOVA,BMOVCA,@A+DPTRMOVSEG_G,A;個(gè)位數(shù)段碼MOVA,DECIMMOVB,#10MULABMOVB,#16DIVABMOVCA,@A+DPTR;小數(shù)段碼MOVSEG_X,ARETURN:RET*************************************************************顯示子程序，首位為符號位，2位整數(shù)，1位小數(shù)**************************************************************DISPLAY:MOVP3,#00HSETBP3.1;顯示小數(shù)MOVP2,SEG_XLCALLDELAYCLRP3.1SETBP3.2;顯示個(gè)位MOVA,SEG_GOR1