stc89c51单片机的矿井安全监控系统设计
【摘要】本课题在当前矿井安全监控系统的研究基础上，提出了一款可以通过STC89C51单片机作为主控芯片来实现的新型矿井安全监控系统。使用新型模数转换器、一氧化碳气体传感器等作为核心部分，构建了其硬件框架结构，实现了对矿井中一氧化碳气体浓度快速检测、液晶显示以及超标报警等功能。通过系统仿真以及专业仪器测量发现本系统的实现大大降低了目前相关产品的总体功耗，在硬件上由于使用的是新型并且价格低廉的芯片模块，大大压缩了总体系统的生产成本。本系统经过了多方面的测试和不断改进完善，最终呈现出了很高的实用性，推向市场后将淘汰大量现有相关产品。
目 录
一、 引言 1
（一） 有害气体检测技术的发展背景 1
（二） 有害气体检测的国内外发展现状 1
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 系统主控芯片的选取 3
（二） STC89C51单片机 4
（三） MQ7一氧化碳浓度传感介绍 4
（四） ADC0832模数转换器芯片简介 5
（五） LCD1602型显示器概述 6
（六） 蜂鸣器简介 6
三、 系统硬件设计 8
（一） 系统结构框图设计 8
（二） 最小系统设计 8
（三） 一氧化碳传感电路以及AD转换电路设计 9
（四） 显示器外围电路设计 10
（五） 报警电路设计 11
四、 系统软件设计 12
（一） 系统软件工作流程设计 12
（二） 传感器与ADC模数转换流程设计 12
（三） 显示器工作流程设计 13
1. 判忙函数?? 13
2. 写数据流程?? 14
3. 写指令流程?? 14
（四） 一氧化碳超标报警工作流程设计 14
总 结 16
致 谢 17
参考文献 18
附录一 原理图 19
附录二 元件列表 20
附录三 PCB 21
附录四 程序 22
引言
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
有害气体检测技术的发展背景
本课题所指处的有害气体是生产生活中的一些常见的场合如矿井、家庭燃气等的泄露气体或者待测气体，这些气体通常可分为三个种类：可燃性气体、毒性气体以及复合式气体三大类，这些气体通常表现为无色无味，但一旦进入有人经过的场合时非常不易被察觉，更为严重的是在其浓度积累到一定程度时极其容易带来爆炸等事故，这就是所谓的矿井爆炸、煤气中毒等事故的根本原因，在过去对于这些有害气体的检测方式一般都采用复位阀门式报警器，其工作原理是当待测空气中有害气体浓度积累到相当大程度时才可能实现报警，并不能够起到预先报警的作用，这也在使用方式上也存在很大缺陷，从其名称就可以看出它必须要通过定时复位才能使得报警器正常工作。
另外一个对有害气体进行集中管理的大型设备造价十分昂贵，并且需要专门的技术人员时时刻刻进行看管和维护，对空气中的成分进行分析和辨别，普通群众并不能轻易的使用和接触到它，所以不能在中小型企业或家庭当中进行推广。
上述这些现象在单片机技术以及嵌入式理念推广之后得到了根本性的解决，嵌入式手持一氧化碳气体检测仪就是其中一种非常有效的利器，其内部安装的一片乃至多片微处理器起到提前预防的作用，通过手持机内部检测探头、报警器以及显示屏等模块的驱动，集成了对一氧化碳气体的自动检测、浓度显示、超标报警以及阀值设置等功能集于一身，其在外形上只有一个手机大小，不但使用方便，而且任何人只需要经过简单操作即可上手，因此嵌入式手持一氧化碳检测仪器得到了非常快速的发展和功能升级，受到嵌入式无线通信及嵌入式以太网技术的飞速发展，由于对单片机内存消耗极小，因此非常容易将这些功能融合到嵌入式一氧化碳检测仪器当中，不仅如此，以太网的组网功能使其可以轻松实现一氧化碳检测的多点布置，通过一台主机实现对多地点的集中监控，一氧化碳手持检测机将检测数据通过以太网接口发送到主控机上，可以以非常低的成本实现复杂的检测网络结构，本课题将在此技术上通过STC89C51单片机为主控，设计了一款能对矿井环境空气中一氧化碳浓度进行快速检测的嵌入式系统，实现了当浓度超标等危险情况时的报警。
有害气体检测的国内外发展现状
随着我国西气东输工程以及燃气管道布置在城市中的每个角落和每家每户中，对于空气中的有害气体的检测仪器的需求量和性能要求都在不断上升，因为监测点已经呈星罗棋布之势，因此对于气体检测仪器的成本提出了更高的要求，不仅要用最低的成本价格实现检测系统，还要使其工作性能和功能都要变得较为完善，目前国内外大多数的气体检测器中大多数采用的是性价比最高的STM32系列处理器作为主控，尤其是其F103系列模块高集成度的特性，更是许多气体检测器生产厂商的首选，搭配上高精度检测探头（如近些年来的MQ系列），实现一款较高性价比的气体检测仪器还是相对而言比较简单的。此外对于那些有害气体的检测器已经不单是工厂的独特需求了，轿车、智能商务、智能家居系统对于其高性能、小体积有害气体检测器的需求也在不断增长。
本文主要研究内容
本文经从多个方面对矿井的安全监控系统进行了详细的描述和展示，首先将这种系统的起源和发展背景及目前国内外企业、高校的研究成果的现状进行了深入的探讨和阐述，并且分析了目前这种控制系统投入市场后所存在的缺点；论文第二章紧接着对控制系统的总体的结构和框架进行了设计，选取相应的元器件以及模块，方便下文对软硬件系统的设计；第三和第四两章着重对此次设计的控制系统的硬件及软件系统进行设计，并对设计过程及设计原理进行了详细的描述，在其功能设计上主要完成以下几项：
1）能实现STC89C51单片机最小系统的设计；
2）能实现STC89C51单片机对液晶屏的驱动；
3）能够实现矿井内空气中一氧化碳气体浓度的自动检测；
4）能够具有一氧化碳有害气体浓度超标报警功能；
5）报警浓度阀值能够通过按键来调节。
方案选择及元器件介绍
系统主控芯片的选取
为实现本文所有的设计指标，必须对控制系统的主控器芯片进行一次全方位的立体的考核，这不仅涉及到它的性能和功能等方面，还要对它外形封装以及管脚数量等情况进行仔细对比。通过对目前微处理器市场上多款常用的器件查阅和学习，最终从中选择出了430单片机以及51单片机两种器件进行全面对比，从而选择出其中一个来进行控制系统的设计。
所谓430单片机指的是TI公司在二十世纪初推出的一种以低功耗为主要特点的控制器芯片，在当时它的低功耗性能达到了单片机市场上的最高水平，该公司的测试人员通过一个新鲜柠檬产生的酸性电压来对430单片机进行供电，使其进入了正常的工作状态，并且柠檬的酸性汁液发出的电量足以使其维持工作达到一小时以上。该低功耗特性使得MSP430单片机迅速赢得了许许多多手持设备设计者的青睐，由于手持设备多是通过电池供电，并且许多外形轻巧的手持设备或者玩具都是通过干电池供电，而干电池的电压最多达到3V左右，许多以5V电压供电的单片机就不适用于这种设备中，而以3.3V供电的430单片机则能轻松工作，这就是430单片机的优势，经过了十几年的发展和优化，430单片机已经形成了多个种类以适用于不同用户，其中F2系列以集成功能模块多、价格低廉赢得了最多的使用者，尤其是学生用户，不但有利于他们学习低功耗的概念，更能使得他们通过配置F2为数不多的寄存器来更快地熟悉430单片机，因此本文若采用F2系列430单片机，那么不但能够使得系统具有低功耗的特点，更能够通过430单片机丰富的配置来使得最终系统取得非常小的外形体积。
目 录
一、 引言 1
（一） 有害气体检测技术的发展背景 1
（二） 有害气体检测的国内外发展现状 1
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 系统主控芯片的选取 3
（二） STC89C51单片机 4
（三） MQ7一氧化碳浓度传感介绍 4
（四） ADC0832模数转换器芯片简介 5
（五） LCD1602型显示器概述 6
（六） 蜂鸣器简介 6
三、 系统硬件设计 8
（一） 系统结构框图设计 8
（二） 最小系统设计 8
（三） 一氧化碳传感电路以及AD转换电路设计 9
（四） 显示器外围电路设计 10
（五） 报警电路设计 11
四、 系统软件设计 12
（一） 系统软件工作流程设计 12
（二） 传感器与ADC模数转换流程设计 12
（三） 显示器工作流程设计 13
1. 判忙函数?? 13
2. 写数据流程?? 14
3. 写指令流程?? 14
（四） 一氧化碳超标报警工作流程设计 14
总 结 16
致 谢 17
参考文献 18
附录一 原理图 19
附录二 元件列表 20
附录三 PCB 21
附录四 程序 22
引言
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
有害气体检测技术的发展背景
本课题所指处的有害气体是生产生活中的一些常见的场合如矿井、家庭燃气等的泄露气体或者待测气体，这些气体通常可分为三个种类：可燃性气体、毒性气体以及复合式气体三大类，这些气体通常表现为无色无味，但一旦进入有人经过的场合时非常不易被察觉，更为严重的是在其浓度积累到一定程度时极其容易带来爆炸等事故，这就是所谓的矿井爆炸、煤气中毒等事故的根本原因，在过去对于这些有害气体的检测方式一般都采用复位阀门式报警器，其工作原理是当待测空气中有害气体浓度积累到相当大程度时才可能实现报警，并不能够起到预先报警的作用，这也在使用方式上也存在很大缺陷，从其名称就可以看出它必须要通过定时复位才能使得报警器正常工作。
另外一个对有害气体进行集中管理的大型设备造价十分昂贵，并且需要专门的技术人员时时刻刻进行看管和维护，对空气中的成分进行分析和辨别，普通群众并不能轻易的使用和接触到它，所以不能在中小型企业或家庭当中进行推广。
上述这些现象在单片机技术以及嵌入式理念推广之后得到了根本性的解决，嵌入式手持一氧化碳气体检测仪就是其中一种非常有效的利器，其内部安装的一片乃至多片微处理器起到提前预防的作用，通过手持机内部检测探头、报警器以及显示屏等模块的驱动，集成了对一氧化碳气体的自动检测、浓度显示、超标报警以及阀值设置等功能集于一身，其在外形上只有一个手机大小，不但使用方便，而且任何人只需要经过简单操作即可上手，因此嵌入式手持一氧化碳检测仪器得到了非常快速的发展和功能升级，受到嵌入式无线通信及嵌入式以太网技术的飞速发展，由于对单片机内存消耗极小，因此非常容易将这些功能融合到嵌入式一氧化碳检测仪器当中，不仅如此，以太网的组网功能使其可以轻松实现一氧化碳检测的多点布置，通过一台主机实现对多地点的集中监控，一氧化碳手持检测机将检测数据通过以太网接口发送到主控机上，可以以非常低的成本实现复杂的检测网络结构，本课题将在此技术上通过STC89C51单片机为主控，设计了一款能对矿井环境空气中一氧化碳浓度进行快速检测的嵌入式系统，实现了当浓度超标等危险情况时的报警。
有害气体检测的国内外发展现状
随着我国西气东输工程以及燃气管道布置在城市中的每个角落和每家每户中，对于空气中的有害气体的检测仪器的需求量和性能要求都在不断上升，因为监测点已经呈星罗棋布之势，因此对于气体检测仪器的成本提出了更高的要求，不仅要用最低的成本价格实现检测系统，还要使其工作性能和功能都要变得较为完善，目前国内外大多数的气体检测器中大多数采用的是性价比最高的STM32系列处理器作为主控，尤其是其F103系列模块高集成度的特性，更是许多气体检测器生产厂商的首选，搭配上高精度检测探头（如近些年来的MQ系列），实现一款较高性价比的气体检测仪器还是相对而言比较简单的。此外对于那些有害气体的检测器已经不单是工厂的独特需求了，轿车、智能商务、智能家居系统对于其高性能、小体积有害气体检测器的需求也在不断增长。
本文主要研究内容
本文经从多个方面对矿井的安全监控系统进行了详细的描述和展示，首先将这种系统的起源和发展背景及目前国内外企业、高校的研究成果的现状进行了深入的探讨和阐述，并且分析了目前这种控制系统投入市场后所存在的缺点；论文第二章紧接着对控制系统的总体的结构和框架进行了设计，选取相应的元器件以及模块，方便下文对软硬件系统的设计；第三和第四两章着重对此次设计的控制系统的硬件及软件系统进行设计，并对设计过程及设计原理进行了详细的描述，在其功能设计上主要完成以下几项：
1）能实现STC89C51单片机最小系统的设计；
2）能实现STC89C51单片机对液晶屏的驱动；
3）能够实现矿井内空气中一氧化碳气体浓度的自动检测；
4）能够具有一氧化碳有害气体浓度超标报警功能；
5）报警浓度阀值能够通过按键来调节。
方案选择及元器件介绍
系统主控芯片的选取
为实现本文所有的设计指标，必须对控制系统的主控器芯片进行一次全方位的立体的考核，这不仅涉及到它的性能和功能等方面，还要对它外形封装以及管脚数量等情况进行仔细对比。通过对目前微处理器市场上多款常用的器件查阅和学习，最终从中选择出了430单片机以及51单片机两种器件进行全面对比，从而选择出其中一个来进行控制系统的设计。
所谓430单片机指的是TI公司在二十世纪初推出的一种以低功耗为主要特点的控制器芯片，在当时它的低功耗性能达到了单片机市场上的最高水平，该公司的测试人员通过一个新鲜柠檬产生的酸性电压来对430单片机进行供电，使其进入了正常的工作状态，并且柠檬的酸性汁液发出的电量足以使其维持工作达到一小时以上。该低功耗特性使得MSP430单片机迅速赢得了许许多多手持设备设计者的青睐，由于手持设备多是通过电池供电，并且许多外形轻巧的手持设备或者玩具都是通过干电池供电，而干电池的电压最多达到3V左右，许多以5V电压供电的单片机就不适用于这种设备中，而以3.3V供电的430单片机则能轻松工作，这就是430单片机的优势，经过了十几年的发展和优化，430单片机已经形成了多个种类以适用于不同用户，其中F2系列以集成功能模块多、价格低廉赢得了最多的使用者，尤其是学生用户，不但有利于他们学习低功耗的概念，更能使得他们通过配置F2为数不多的寄存器来更快地熟悉430单片机，因此本文若采用F2系列430单片机，那么不但能够使得系统具有低功耗的特点，更能够通过430单片机丰富的配置来使得最终系统取得非常小的外形体积。
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