吳獻東

摘 要：本設計主要是由一個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計

1.1 天然氣報警測試儀的整體設計方案

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)進行線性化處理，將數(shù)字化電壓信號轉(zhuǎn)化成為對應的濃度值顯示到數(shù)碼管上，同時判斷氣體濃度值是否超出報警限，當檢測氣體濃度低于設定報警閾值的時候，數(shù)碼管顯示器僅僅顯示測得的可燃氣體濃度；當檢測氣體濃度超出設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計

2.1主控電路設計

2.1.1 STC89C52單片機簡介

本設計采用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率較低的二氧化錫（SnO2）。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。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)

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

其中X軸表示外界可燃氣體的濃度，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)負載電阻值時，以空氣中甲醛值為5000ppm時作為校準，此時觀察顯示部分電路，若準確顯示的范圍為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，如果天然氣濃度達到報警器設置的臨界點時，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 復位電路

單片機在啟動時都需要復位，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就可以響應并將系統(tǒng)復位。

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，單片機復位端RST接在電容和電阻之間。本次設計電路中加入4個按鍵，用于人為報警和設置報警的上限值。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是確認鍵，S4是模擬報警鍵，當按下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)的設計。

參考文獻：

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