北华大学毕业设计（论文）
2天然气泄露检测报警系统的方案设计
2.1天然气泄漏检测报警系统简介
天然气泄漏检测报警系统不仅能够检测环境中的天然气浓度，同时具有报警功能。仪器的最基本组成部分应包括：气体信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。
气体信号采集电路一般由气敏传感器和模拟放大电路组成，将气体信号转化为模拟的电信号。模数转换电路将从燃气检测电路送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。单片机对该数字信号进行处理，并对处理后的数据进行分析，看是否大于或等于某个预设值(报警限)，当检测气体浓度低于设定报警阈值的时候，数码管显示器仅仅显示测得的可燃气体浓度；当检测气体浓度超出设定报警阈值时给出声光报警。同时报警装置会通过语音模块向户主发送语音提醒以便让户主及时做出判断处理。为使报警装置更加完善，可以在声音报警基础上，加入闪光报警，变化的光信号可以引起用户注意，弥补嘈杂环境中声音报警的局限。以上是根据检测报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。
气敏传感器及单片机是燃气泄漏报警器的两大核心，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的气敏传感器及单片机芯片是至关重要的。传感器的选型将在后面介绍。单片机作为硬件电路的核心，它的概况将在第三章详述。
2.2气体传感器的选型
气体传感器属于气敏传感器。气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。它将气体种类及其浓度等有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息。所以气体传感器是仪表的核心组成部分之一。由此可见，气体传感器的选型是非常重要的。
该设计的天然气泄漏报警器主要应用在厨房中，根据报警器检测气体种类的要求，一般选用接触燃烧式气敏传感器或半导体气敏传感器。接触燃烧式气敏传感器的探头会出现阻缓及中毒的问题。阻缓是当在气体与空气含硫物质混合的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有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，灵敏度降低。虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致该传感器最终丧失检测烟雾的能力。中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。当怀疑检测环境中存在这些物质时，需要经常对探头进行标定。经常对传
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感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护需要专业人员和相应设备，特此排除接触式气体传感器，剩下只能选用半导体气敏传感器。半导体气敏传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器以及用单晶半导体器件制作的气体传感器，它具有灵敏度高，响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。半导体气敏传感器的性能主要看其灵敏度、选择性(抗干扰性)和稳定性(使用寿命)。
经过对比上述两种气敏传感器的应用特性，发现半导体气敏传感器的优点更加突出：灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。因此，本设计采用半导体气敏传感器作为报警器气体信息采集部分的核心。而在众多半导体气敏传感器中，本设计选用MQ-4型气敏传感器，这种型号的传感器对天然气有很高的灵敏度对乙醇的灵敏度很低，具有快速反应快速恢复、使用寿命长、稳定可靠等优点。
2.3 天然气泄露报警系统的整体设计方案
2.3.1天然气泄漏报警器工作原理
本论文中的天然气泄漏报警器以STC89C52单片机为控制核心，通过MQ-4型电阻式半导体传感器采集空气中天然气浓度。气体传感器MQ-4输出的是模拟量，其作用是把探测到空气中的天然气的浓度转换成对应的电压信号，电压信号送入模数转换芯片ADC0832转换成数字信号，转换成的数字信号送入STC89C52单片机，单片机对数据进行线性化处理，将数字化电压信号转化成为对应的浓度值显示到数码管上，同时判断气体浓度值是否超出报警限，当检测气体浓度低于设定报警阈值的时候，数码管显示器仅仅显示测得的可燃气体浓度；当检测气体浓度超出设定报警阈值时给出声光报警。 2.3.2天然气泄漏报警器的结构
随着信息技术的发展，家用电器趋向于智能化、网络化、信息化。为了满足家庭对可燃性易爆气体安全性要求，同时为了符合时代发展的潮流，在传统的天然气泄漏检测报警器的基础上对其的硬件结构上特进行如下设计：
天然气泄露检测报警系统结构框图如图2.1所示，该系统以STC89C52单片机为核心，天然气检测报警系统要完成天然气信号采集处理、显示和控制报警3大功能。可分为电源模块、天然气信号采集模块、A/D转换模块、声光报警模块、数码管显示模块和单片机控制模块。STC89C52单片机是51系列单片机的一个成员，是8051单片机的升级版，和51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。气体检测模块依靠MQ-4传感器和ADC0832转换芯片、显示模块依靠数码管完成显示功能。
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信 号 调 AD 试转电MQ-4传感 路换 电源 52单 片机 按键输入 数码管显示模块 声光报警
图2.1天然气泄露检测报警系统结构框图图
2.3.3报警器各模块的功能
（1）电源模块：提供电源、保护电路、电压变换、稳压； （2）天然气信号采集模块：实时采集气体浓度；
（3）A/D转换模块：把采集的模拟信号转变成数字信号传送给单片机； （4）声光报警模块：当检测到气体泄漏值超过报警限时，发生报警； （5）显示模块：显示气体浓度和报警限； （6）键盘模块：通过按动上下键调节报警限； （7）语音模块：向户主提供语音提醒；
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3天然气泄露报警的硬件部分设计
3.1主控电路设计
3.1.1STC89C52单片机简介
本设计采用STC89C52单片机作为系统的处理器, STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。 具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32 位I/O 口线，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。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。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。
它有几个主要组成部分：中央处理器、存储器、并行I/O口、定时器/计数器。STC89C52构成的单片机系统是具有简单的结构、低廉的价格、高效的微控系统，具有较高的性价比。STC89C52的主要性能：首先它是8051单片机的升级版，具有6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择的特点，其指令代码完全兼容传统的8051。在IO口方面，通用I/O口（32个），复位后：P1/P2/P3是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不必加上拉电阻，当作为I/O口用时，要加上拉电阻。具有EEPROM功能和看门狗功能，3个16位定时器/计数器（即定时器T0、T1、T2），4路外部中断，下降沿中断或低电平触发电路。 3.1.2 STC89C52单片机的基本结构
STC89C52单片机的基本结构如图3.1所示。
时钟电路 ROM
图3.1基本结构图
并行接口 串行接口 中断系统 RAM 定时计数器 CPU 7
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由图可见，STC89C52单片机主要由以下部分组成：
（1）CPU系统：8位CPU和闪烁存储器；时钟电路；总线控制逻辑。 （2）存储器系统：8KB的程序存储器（ROM/EPROM/Flash）；512字节数据存储器（RAM）。
（3）I/O口和其他动能单元：4个并行I/O口；3个16位定时/计数器；2个全双工串行通信口；中断系统（5个中断源） 3.1.3 STC89C52RC单片机的引脚
图3.2 STC89C52管脚示意图
1.引脚的分类
（1）主电源及时钟引脚：VCC、GND等。
（2）P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）。P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。此时，P0口内部上拉电阻有效。在Flash ROM编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求接10K的上拉电阻。
（3）P1端口（P1.0～P1.7，1～8引脚）：P1口是一个内部自带上拉的8位双向I/O口。P1的输出缓冲器可以直接驱动4个TTL的输入。给端口写“1”时，利用内部上拉电阻可以把端口拉高。当把P1口用作输入口来使用时，因为有内部上拉
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