具有数据存储功能的甲烷泄漏报警系统设计
摘 要本文结合了大学所学的专业知识，设计了一款以MQ-4甲烷传感器作为核心元件的甲烷泄漏报警系统，实现了毕业设计预期所设定的甲烷泄漏量检测、报警以及数据存储等功能，完成了大学学习生涯里的最后一门作业。本系统的主要特点是采用了模拟电路与数字电路相互配合的控制模式，通过模拟电路的高速特性以及数字电路的准确特性，将检测过程快速性以及输出结果高精度性等优点表现地淋漓尽致，另外本系统在成本、功耗以及使用稳定度上皆有很高的表现，不但如此，电路中的芯片全部采用了直插引脚封装，当出现损坏等情况时，能够快速地实现维修和更换等操作。经过了多次的实验验证以及电路改进，本系统表现出了很高的准确性和实用特点，适合推向未来的甲烷检测产品市场，能够大幅度降低目前相关系统的生产成本并且降低性价比大幅度提高。
目录
一、 引言
（一） 甲烷检测系统发展背景介绍
（二） 甲烷泄漏检测技术的国内外发展现状
（三） 本文主要研究内容
二、 方案选择及元器件介绍
（一） 主控单片机的对比与选择
（二） STC89C51单片机介绍
（三） MQ4甲烷传感器
（四） ADC0832型模数转换器
（五） LCD1602型液晶屏介绍
（六） 蜂鸣器简介
三、 硬件系统设计
（一） 甲烷泄漏检测系统的硬件框图设计
（二） 51单片机最小系统设计
（三） 晶振电路设计
（四） 复位电路设计
（五） MQ4甲烷感电路以及AD转换电路设计
（六） 液晶屏电路设计
（七） 报警电路设计
（八） EEPROM芯片电路设计
四、 软件系统设计
（一） 甲烷泄漏检测系统软件流程设计
（二） MQ4传感器与ADC0832模数转换流程设计
（三） 液晶屏显示流程设计
1. 写指令流程
2. 写数据流程
（四） 报警电路工作流程设计
（五） 单片机读写EERPOM工作流程设计 <
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br /> 1. 单片机发送起始信号
2. 单片机发送终止信号
3. AT24C02芯片回复应答信号
五、 仿真系统设计
总 结
参考文献
致 谢
附录一 原理图
附录二 PCB图
附录三 元件列表
附录四 程序
引言
甲烷检测系统发展背景介绍
本课题将要介绍一款采用单片机作为主控核心的甲烷泄漏检测控制系统，这类系统目前多是由微处理器核心模块、甲烷检测传感器、高分辨率模数转换模块、人机交互键盘、高清晰度液晶屏以及报警器等模块构成，一些高性能的检测系统甚至还配备了无线数据收发部分或者以太网交互模块，将检测到的浓度数据上传到主机进行统一管理和监护。甲烷泄漏检测系统最初出现在工业场合，由于当时这种检测系统还不是由控制器进行智能控制，仅仅依靠繁琐的化学方法通过各种反应进行间接测量，没有电气的参与，因此还不能称为一款完整意义上的控制系统。这种化学检测法如今我们称之为传统检测法，它能够实现甲烷检测的最基本功能，测试人员能够通过化学反应后的生成物并结合相关的化学反应方程式将待测甲烷的浓度进行计算，由于测试人员的水平高低不齐并且测试过程中常常容易掺入影响测试结果的不利因素，因此甲烷的测试结果经常不准确并且精确度也不能满足一些要求较高的应用场合。而随着半导体技术发展对传感器技术的支撑，很快用于检测甲烷浓度的传感器得到了广泛的研究并迅速投向使用，市场上出现了能够满足不同用户和应用场合的甲烷浓度检测传感器，这些种类不同的甲烷浓度检测传感器主要体现在检测精度以及检测量程的差异，在结构方面几乎大同小异，其内部核心模块是一片性能能够随甲烷浓度快速变化的二氧化矽活着其他类型矽化物，结合必要的电阻电容等基本部件就能够实现一个能够检测甲烷浓度的传感器。直到现如今，全球范围内最为先进的甲烷浓度检测控制系统也是采用这种传感器作为核心模块，另外结合微处理器作为控制器，配合具有其他功能的模块，就能够实现一款具有高用户体验度的甲烷浓度检测系统，这种控制系统相比于传统的检测方法，不但实现了甲烷浓度检测的全程自动化，而且检测结果可以清晰的显示给用户并且测试数据可以进行长期保存，这是传统检测方法所无法实现的，另外由于检测过程完全依靠传感器以及微处理器的控制，因此检测精度和准确度得到了保证，其检测结果可以满足各种场合的需求，在这种甲烷浓度检测控制系统推向市场后，快速地将传统方法进行了淘汰，只有在学生实验室才能够看到传统检测方法的影子。
甲烷泄漏检测技术的国内外发展现状
目前国内外都已充分掌握了对于甲烷泄漏检测的方法和技术，实现高精度和高准确度的检测已经不再是关键问题，而主要的矛盾点正聚焦于实现的甲烷泄漏检测的网络化以及综合管理化—以太网技术的飞速发展使得对于甲烷泄漏的检测可以实现复杂化，检测探头的多点布控、灵活启闭以及对检测点作出快速响应和措施是研究人员的主要研究核心，前不久英国肯特大学的一个研究小组在学术报上刊登了他们的最新研究成果—24点式甲烷泄漏检测与管理系统，这款系统不但实现了检测的多点化，更实现了对各点的浓度管理与报警，将其应用于智能楼宇、作业矿井以及车间等现代化建筑将是一个很不错的选择。
本文主要研究内容
本课题在经过对当前市面上相关产品的大量调研后，结合自身的专业知识掌握程度，最终确立了如下的设计研究内容：
1、采用C51单片机作为主控器件，并通过C语言进行程序开发，能实现51单片机最小系统的设计，实现对MQ甲烷传感器、液晶屏、报警器以及按键等模块的驱动；；
2、使用价格低并且显示效果良好的LCD1602液晶屏作为显示模块，通过驱动LCD1602液晶屏实现对甲烷浓度以及报警阀值的显示；；
3、采用+5V直流电压进行系统供电。
4、通过MQ4传感器实现对泄露甲烷的浓度检测，并通过ADC0832模数转换器对传感器输出电压的采集，并将采集结果发送给51单片机；
5、具有系统掉电参数保存功能，当给系统断电后，关机前设置过的报警阀值参数可保存，以便下次使用。
方案选择及元器件介绍
主控单片机的对比与选择
在进行系统的硬件和软件系统设计之前，首先要对系统所使用的主控单片机进行选取，在选取时主要应该对单片机的内部资源丰富度、成本高低、开发语言、使用熟练程度以及能够胜任本系统的功能指标等方面进行考核，经过三年的大学学习，我主要从以下两款单片机中进行对比和最终选取，第一是宏晶公司生产的STC89C51单片机，第二个是德州仪器公司生产的MSP430系列单片机。
第一个方案是STC89C51单片机，该单片机是宏晶公司在上世纪九十年代左右推出的一款数据宽度为8的高性能单片机，无论在成本还是内部资源上，都能够在如今低端单片机市场中独占鳌头，这主要归功于其4Kb大小的内部FLASH搭配着128字节的RAM，虽然ROM和RAM的存储容量不是很大，但是足够应用于一些中小型单片机系统中，此外STC89C51能够通过琦20根地址线对外部扩展的存储器进行寻址，这使得它也经常出现在一些大型系统中。在成本方面，目前市面上STC89C51单片机的平均成本位3元/PCS，这非常适合我们的学生实验，不会给系统带来高昂的成本负担。
目录
一、 引言
（一） 甲烷检测系统发展背景介绍
（二） 甲烷泄漏检测技术的国内外发展现状
（三） 本文主要研究内容
二、 方案选择及元器件介绍
（一） 主控单片机的对比与选择
（二） STC89C51单片机介绍
（三） MQ4甲烷传感器
（四） ADC0832型模数转换器
（五） LCD1602型液晶屏介绍
（六） 蜂鸣器简介
三、 硬件系统设计
（一） 甲烷泄漏检测系统的硬件框图设计
（二） 51单片机最小系统设计
（三） 晶振电路设计
（四） 复位电路设计
（五） MQ4甲烷感电路以及AD转换电路设计
（六） 液晶屏电路设计
（七） 报警电路设计
（八） EEPROM芯片电路设计
四、 软件系统设计
（一） 甲烷泄漏检测系统软件流程设计
（二） MQ4传感器与ADC0832模数转换流程设计
（三） 液晶屏显示流程设计
1. 写指令流程
2. 写数据流程
（四） 报警电路工作流程设计
（五） 单片机读写EERPOM工作流程设计 <
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
br /> 1. 单片机发送起始信号
2. 单片机发送终止信号
3. AT24C02芯片回复应答信号
五、 仿真系统设计
总 结
参考文献
致 谢
附录一 原理图
附录二 PCB图
附录三 元件列表
附录四 程序
引言
甲烷检测系统发展背景介绍
本课题将要介绍一款采用单片机作为主控核心的甲烷泄漏检测控制系统，这类系统目前多是由微处理器核心模块、甲烷检测传感器、高分辨率模数转换模块、人机交互键盘、高清晰度液晶屏以及报警器等模块构成，一些高性能的检测系统甚至还配备了无线数据收发部分或者以太网交互模块，将检测到的浓度数据上传到主机进行统一管理和监护。甲烷泄漏检测系统最初出现在工业场合，由于当时这种检测系统还不是由控制器进行智能控制，仅仅依靠繁琐的化学方法通过各种反应进行间接测量，没有电气的参与，因此还不能称为一款完整意义上的控制系统。这种化学检测法如今我们称之为传统检测法，它能够实现甲烷检测的最基本功能，测试人员能够通过化学反应后的生成物并结合相关的化学反应方程式将待测甲烷的浓度进行计算，由于测试人员的水平高低不齐并且测试过程中常常容易掺入影响测试结果的不利因素，因此甲烷的测试结果经常不准确并且精确度也不能满足一些要求较高的应用场合。而随着半导体技术发展对传感器技术的支撑，很快用于检测甲烷浓度的传感器得到了广泛的研究并迅速投向使用，市场上出现了能够满足不同用户和应用场合的甲烷浓度检测传感器，这些种类不同的甲烷浓度检测传感器主要体现在检测精度以及检测量程的差异，在结构方面几乎大同小异，其内部核心模块是一片性能能够随甲烷浓度快速变化的二氧化矽活着其他类型矽化物，结合必要的电阻电容等基本部件就能够实现一个能够检测甲烷浓度的传感器。直到现如今，全球范围内最为先进的甲烷浓度检测控制系统也是采用这种传感器作为核心模块，另外结合微处理器作为控制器，配合具有其他功能的模块，就能够实现一款具有高用户体验度的甲烷浓度检测系统，这种控制系统相比于传统的检测方法，不但实现了甲烷浓度检测的全程自动化，而且检测结果可以清晰的显示给用户并且测试数据可以进行长期保存，这是传统检测方法所无法实现的，另外由于检测过程完全依靠传感器以及微处理器的控制，因此检测精度和准确度得到了保证，其检测结果可以满足各种场合的需求，在这种甲烷浓度检测控制系统推向市场后，快速地将传统方法进行了淘汰，只有在学生实验室才能够看到传统检测方法的影子。
甲烷泄漏检测技术的国内外发展现状
目前国内外都已充分掌握了对于甲烷泄漏检测的方法和技术，实现高精度和高准确度的检测已经不再是关键问题，而主要的矛盾点正聚焦于实现的甲烷泄漏检测的网络化以及综合管理化—以太网技术的飞速发展使得对于甲烷泄漏的检测可以实现复杂化，检测探头的多点布控、灵活启闭以及对检测点作出快速响应和措施是研究人员的主要研究核心，前不久英国肯特大学的一个研究小组在学术报上刊登了他们的最新研究成果—24点式甲烷泄漏检测与管理系统，这款系统不但实现了检测的多点化，更实现了对各点的浓度管理与报警，将其应用于智能楼宇、作业矿井以及车间等现代化建筑将是一个很不错的选择。
本文主要研究内容
本课题在经过对当前市面上相关产品的大量调研后，结合自身的专业知识掌握程度，最终确立了如下的设计研究内容：
1、采用C51单片机作为主控器件，并通过C语言进行程序开发，能实现51单片机最小系统的设计，实现对MQ甲烷传感器、液晶屏、报警器以及按键等模块的驱动；；
2、使用价格低并且显示效果良好的LCD1602液晶屏作为显示模块，通过驱动LCD1602液晶屏实现对甲烷浓度以及报警阀值的显示；；
3、采用+5V直流电压进行系统供电。
4、通过MQ4传感器实现对泄露甲烷的浓度检测，并通过ADC0832模数转换器对传感器输出电压的采集，并将采集结果发送给51单片机；
5、具有系统掉电参数保存功能，当给系统断电后，关机前设置过的报警阀值参数可保存，以便下次使用。
方案选择及元器件介绍
主控单片机的对比与选择
在进行系统的硬件和软件系统设计之前，首先要对系统所使用的主控单片机进行选取，在选取时主要应该对单片机的内部资源丰富度、成本高低、开发语言、使用熟练程度以及能够胜任本系统的功能指标等方面进行考核，经过三年的大学学习，我主要从以下两款单片机中进行对比和最终选取，第一是宏晶公司生产的STC89C51单片机，第二个是德州仪器公司生产的MSP430系列单片机。
第一个方案是STC89C51单片机，该单片机是宏晶公司在上世纪九十年代左右推出的一款数据宽度为8的高性能单片机，无论在成本还是内部资源上，都能够在如今低端单片机市场中独占鳌头，这主要归功于其4Kb大小的内部FLASH搭配着128字节的RAM，虽然ROM和RAM的存储容量不是很大，但是足够应用于一些中小型单片机系统中，此外STC89C51能够通过琦20根地址线对外部扩展的存储器进行寻址，这使得它也经常出现在一些大型系统中。在成本方面，目前市面上STC89C51单片机的平均成本位3元/PCS，这非常适合我们的学生实验，不会给系统带来高昂的成本负担。
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