单片机的氢气浓度检测与报警系统设计
摘 要本设计主要围绕“氢气浓度检测控制系统”进行了全方位的介绍，不仅对这种系统的起源发展背景以及国内外的研究现状做了综合分析，更在此基础上制定了本文的设计目标。笔者选用了目前单片机市场上最畅销的AT89C51单片机作为主要控制器芯片，并结合了其他必要的功能芯片，设计出了一款能够实现氢气浓度快速检测以及超标报警等功能的氢气浓度检测控制系统，该系统不仅在硬件上突破了目前相关产品的成本消耗，更将硬件系统结构简化到最精，大幅度地降低了电能消耗、提高了待机时长，另外由于采用了普及程度较为广泛的C语言进行了程序代码的设计和开发，因此大大减少了软件系统的设计周期。
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） 控制芯片的选取 3
（二） AT89C51处理器简介 4
（三） MQ8氢气浓度传感介绍 5
（四） AD采样芯片简介 6
（五） LCD1602型液晶简介 7
（六） 蜂鸣器介绍 7
三、 硬件系统设计 9
（一） 氢气浓度检测系统的硬件框图设计 9
（二） 51单片机最小系统 9
1. 时钟电路 10
2. 复位电路 10
（三） MQ8氢气感电路以及AD转换电路设计 10
（四） 液晶电路设计 11
（五） 蜂鸣器电路设计 12
四、 软件系统设计 13
（一） 氢气浓度检测系统软件流程设计 13
（二） MQ8传感器与ADC0832模数转换流程设计 14
（三） 液晶显示流程设计 14
（四） 报警电路工作流程设计 15
总 结 17
致 谢 18
参考文献 19
附录一 原理图 20
附录二 PCB图 21
附录三 元件列表 22
附录四 程序 23
引言
有害气体检
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
测技术的发展背景
本设计所指的有害气体是指生产生活中一些常见场合如工厂管道、家庭燃气的泄露气体或者待测气体，这些气体通常可以分为三个种类：可燃气体、毒性气体以及复合式气体三类，这些气体通常表现为无色无味，一旦进入有人员经过的场合非常不容易被察觉，更为严重的是当其浓度积累到一定程度后极易带来爆炸事故，这也是矿井爆炸、家庭煤气中毒事故的根本原因，过去对于这些有害气体的检测方式采用复位阀门式报警器，其工作原理为当待测空气中的有害气体浓度积累到相当大的程度时才能实现报警，并不能够起到预先报警，在使用方式上也存在很大缺陷，从其名称就可以看出它需要通过定时的复位才能够使得报警器正常工作。另外一种用于对有害气体进行集中管理的大型设备造价昂贵，它需要专门的技术人员进行看管维护，对空气成分进行分析辨别，普通群众并不能够轻易的使用它，所以不能够在中小型企业和家庭中进行推广。上述这些现象在单片机技术以及嵌入式理念推广后得到根本性的解决，嵌入式手持氢气气体检测仪器就是其中一种行之有效利器，其内部安置的一片甚至多片微处理器起到“运筹帷幄”的作用，通过对手持机内部检测探头、报警器以及显示屏等模块的驱动，集成对氢气气体自动检测、浓度显示、超标报警以及阀值设置等功能于一身，在外形上只有一个手机大小，不但使用方便，任何人只需要经过简单的操作就可上手，因此嵌入式手持氢气检测仪器得到了快速的发展和功能升级，受嵌入式无线通信以及嵌入式以太网技术的快速发展，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氢气检测仪器中，不但如此，以太网的组网功能使得可以轻松地实现氢气检测的多点布放，通过一台主机实现对多个地点的集中监控，氢气手持检测机将检测数据通过以太网接口发送到主控机上，即可以非常低的成本实现复杂的检测网络结构。
有害气体检测的国内外发展现状
随着我国西气东输以及燃气管道安置在城市中的每个角落和千家万户中，对于空气中有害气体的检测仪器需求量和性能要求都在不断上升，由于监测点已成星罗棋布之势，因此对于气体检测仪器的成本提出了更高的要求，不但要以最低的成本实现检测系统，还要使得其工作性能和功能都较为完善，目前国内外大多数气体检测器大多采用性价比最高的STM32系列处理器来作为主控，尤其是其F103系列的模块高集成度特性，更是许多气体检测器生产厂家的首选，搭配上高精度的检测探头（如近些年来的MQ系列），实现一款高性价比的气体检测仪器还是较为简单的。另外对于有害气体检测器已经不单单是工厂的独特需求了，高级轿车、智能家居系统对于高性能、小体积的有害气体检测器需求也在不断增长。
本设计主要研究内容
在对氢气浓度检测控制系统的发展背景以及国内外的研究现状进行了简要的介绍后，下面对本课题的结构安排进行阐述，以便于更加清晰的对本系统的设计过程进行展现。论文的开头是引言章节，该章节主要对氢气浓度检测控制系统的发展背景等进行了介绍，并通过对设计现状的对比确立了本系统的设计目标；在接下来的第二章，将对系统的总体设计方案进行设计，包括对几种常用控制器的对比，并对所要使用的元器件进行了简要介绍；在对主控器件以及外围元器件进行确立后，文章第三章将对硬件系统进行设计，通过Altium designer绘制了相关模块的电路原理图从而进行设计思路的讲解；硬件系统设计完毕后，第四章开始对系统的软件部分进行设计，并通过Visio软件绘制了相应的软件流程图；
1）确定氢气检测控制系统的设计参数和核心器件；
2）完成氢气检测控制系统的硬件电路设计；
3）完成氢气检测控制系统的软件部分设计；
4）完成设计结果的仿真与实物制作，测试设计结果。
要求尽可能实现以下功能：
1）能实现51单片机最小系统的设计；
2）通过ADC0832模数转换器的采样作用，对MQ8氢气传感器输出信号进行采集；
3）通过LCD1602液晶屏实现对氢气浓度等参数的显示；
4）当氢气浓度达到报警阀值时，发出报警信号；
5）实物制作并且撰写专业论文一篇。
方案选择及元器件介绍
控制芯片的选取
本设计主要进行系统控制芯片的选取和各器件的相关介绍，首先我从大学期间接触过的几款单片机中选取了两款进行了细致的比较和考核，最终决定从这两款单片机中选择其中一个作为本次毕业设计的主控单片机，第一款单片机是我大三学习过程中接触到的一款高性能单片机STM32，其内核架构采用了M3系列的ARM，该单片机由意法半导体公司推出，是一款典型的32位微处理器，其中我对F103Z系列有过一段短暂的学习和使用经历；第二款单片机是美国ATMEL公司推出的AT89C51单片机，对于这款芯片我已经有了近三年的学习经验。
如果采用STM32单片机作为本文的主控单片机，那么将带来三大方面的优势，首先最主要的是STM32单片机内部采用了高稳定度的PLL（锁相环）技术，这使得它能够在外部施加较低振荡频率的晶振时，就能够以80M以上的主频进行稳定工作，其中PLL能够使得外部晶振输出的频率进行倍频，并且倍数能够灵活的通过软件进行控制，如此高的主频配合了其32位数据处理宽度的特性，使得STM32在做一些中高速的数字信号处理时能够表现出非常高的灵活度和精确度，该单片机在一定程度上代表了当前单片机世界的最高水平；第二大优势是其内部丰富的资源模块，就以我熟悉的F103Z型号单片机来说，其内部具有数十路高速AD采样通道，同时内部集成了一个内置的温度采集模块，另外高性能多用途的UART、CAN以及SPI等常用接口也被集成在同一片内，如果将STM32应用于本系统，能够大大地降低系统的外形体积以及相关模块的消耗，并且对于电路的构建也能够带来相当大的便利；第三大优势要说到它的学习资料丰富性，由于STM32单片机目前代表着单片机的先进水平，因此国内外学习者众多，因此无论是图书馆还是网络上，都能够找到其各方面的开发资料，非常有利于本毕业设计的成功完成，下图1为STM32单片机的外形图。
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） 控制芯片的选取 3
（二） AT89C51处理器简介 4
（三） MQ8氢气浓度传感介绍 5
（四） AD采样芯片简介 6
（五） LCD1602型液晶简介 7
（六） 蜂鸣器介绍 7
三、 硬件系统设计 9
（一） 氢气浓度检测系统的硬件框图设计 9
（二） 51单片机最小系统 9
1. 时钟电路 10
2. 复位电路 10
（三） MQ8氢气感电路以及AD转换电路设计 10
（四） 液晶电路设计 11
（五） 蜂鸣器电路设计 12
四、 软件系统设计 13
（一） 氢气浓度检测系统软件流程设计 13
（二） MQ8传感器与ADC0832模数转换流程设计 14
（三） 液晶显示流程设计 14
（四） 报警电路工作流程设计 15
总 结 17
致 谢 18
参考文献 19
附录一 原理图 20
附录二 PCB图 21
附录三 元件列表 22
附录四 程序 23
引言
有害气体检
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
测技术的发展背景
本设计所指的有害气体是指生产生活中一些常见场合如工厂管道、家庭燃气的泄露气体或者待测气体，这些气体通常可以分为三个种类：可燃气体、毒性气体以及复合式气体三类，这些气体通常表现为无色无味，一旦进入有人员经过的场合非常不容易被察觉，更为严重的是当其浓度积累到一定程度后极易带来爆炸事故，这也是矿井爆炸、家庭煤气中毒事故的根本原因，过去对于这些有害气体的检测方式采用复位阀门式报警器，其工作原理为当待测空气中的有害气体浓度积累到相当大的程度时才能实现报警，并不能够起到预先报警，在使用方式上也存在很大缺陷，从其名称就可以看出它需要通过定时的复位才能够使得报警器正常工作。另外一种用于对有害气体进行集中管理的大型设备造价昂贵，它需要专门的技术人员进行看管维护，对空气成分进行分析辨别，普通群众并不能够轻易的使用它，所以不能够在中小型企业和家庭中进行推广。上述这些现象在单片机技术以及嵌入式理念推广后得到根本性的解决，嵌入式手持氢气气体检测仪器就是其中一种行之有效利器，其内部安置的一片甚至多片微处理器起到“运筹帷幄”的作用，通过对手持机内部检测探头、报警器以及显示屏等模块的驱动，集成对氢气气体自动检测、浓度显示、超标报警以及阀值设置等功能于一身，在外形上只有一个手机大小，不但使用方便，任何人只需要经过简单的操作就可上手，因此嵌入式手持氢气检测仪器得到了快速的发展和功能升级，受嵌入式无线通信以及嵌入式以太网技术的快速发展，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氢气检测仪器中，不但如此，以太网的组网功能使得可以轻松地实现氢气检测的多点布放，通过一台主机实现对多个地点的集中监控，氢气手持检测机将检测数据通过以太网接口发送到主控机上，即可以非常低的成本实现复杂的检测网络结构。
有害气体检测的国内外发展现状
随着我国西气东输以及燃气管道安置在城市中的每个角落和千家万户中，对于空气中有害气体的检测仪器需求量和性能要求都在不断上升，由于监测点已成星罗棋布之势，因此对于气体检测仪器的成本提出了更高的要求，不但要以最低的成本实现检测系统，还要使得其工作性能和功能都较为完善，目前国内外大多数气体检测器大多采用性价比最高的STM32系列处理器来作为主控，尤其是其F103系列的模块高集成度特性，更是许多气体检测器生产厂家的首选，搭配上高精度的检测探头（如近些年来的MQ系列），实现一款高性价比的气体检测仪器还是较为简单的。另外对于有害气体检测器已经不单单是工厂的独特需求了，高级轿车、智能家居系统对于高性能、小体积的有害气体检测器需求也在不断增长。
本设计主要研究内容
在对氢气浓度检测控制系统的发展背景以及国内外的研究现状进行了简要的介绍后，下面对本课题的结构安排进行阐述，以便于更加清晰的对本系统的设计过程进行展现。论文的开头是引言章节，该章节主要对氢气浓度检测控制系统的发展背景等进行了介绍，并通过对设计现状的对比确立了本系统的设计目标；在接下来的第二章，将对系统的总体设计方案进行设计，包括对几种常用控制器的对比，并对所要使用的元器件进行了简要介绍；在对主控器件以及外围元器件进行确立后，文章第三章将对硬件系统进行设计，通过Altium designer绘制了相关模块的电路原理图从而进行设计思路的讲解；硬件系统设计完毕后，第四章开始对系统的软件部分进行设计，并通过Visio软件绘制了相应的软件流程图；
1）确定氢气检测控制系统的设计参数和核心器件；
2）完成氢气检测控制系统的硬件电路设计；
3）完成氢气检测控制系统的软件部分设计；
4）完成设计结果的仿真与实物制作，测试设计结果。
要求尽可能实现以下功能：
1）能实现51单片机最小系统的设计；
2）通过ADC0832模数转换器的采样作用，对MQ8氢气传感器输出信号进行采集；
3）通过LCD1602液晶屏实现对氢气浓度等参数的显示；
4）当氢气浓度达到报警阀值时，发出报警信号；
5）实物制作并且撰写专业论文一篇。
方案选择及元器件介绍
控制芯片的选取
本设计主要进行系统控制芯片的选取和各器件的相关介绍，首先我从大学期间接触过的几款单片机中选取了两款进行了细致的比较和考核，最终决定从这两款单片机中选择其中一个作为本次毕业设计的主控单片机，第一款单片机是我大三学习过程中接触到的一款高性能单片机STM32，其内核架构采用了M3系列的ARM，该单片机由意法半导体公司推出，是一款典型的32位微处理器，其中我对F103Z系列有过一段短暂的学习和使用经历；第二款单片机是美国ATMEL公司推出的AT89C51单片机，对于这款芯片我已经有了近三年的学习经验。
如果采用STM32单片机作为本文的主控单片机，那么将带来三大方面的优势，首先最主要的是STM32单片机内部采用了高稳定度的PLL（锁相环）技术，这使得它能够在外部施加较低振荡频率的晶振时，就能够以80M以上的主频进行稳定工作，其中PLL能够使得外部晶振输出的频率进行倍频，并且倍数能够灵活的通过软件进行控制，如此高的主频配合了其32位数据处理宽度的特性，使得STM32在做一些中高速的数字信号处理时能够表现出非常高的灵活度和精确度，该单片机在一定程度上代表了当前单片机世界的最高水平；第二大优势是其内部丰富的资源模块，就以我熟悉的F103Z型号单片机来说，其内部具有数十路高速AD采样通道，同时内部集成了一个内置的温度采集模块，另外高性能多用途的UART、CAN以及SPI等常用接口也被集成在同一片内，如果将STM32应用于本系统，能够大大地降低系统的外形体积以及相关模块的消耗，并且对于电路的构建也能够带来相当大的便利；第三大优势要说到它的学习资料丰富性，由于STM32单片机目前代表着单片机的先进水平，因此国内外学习者众多，因此无论是图书馆还是网络上，都能够找到其各方面的开发资料，非常有利于本毕业设计的成功完成，下图1为STM32单片机的外形图。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/dzxx/dzkxyjs/1637.html
