单片机的矿井安全监测报警器设计
目 录
一、引言 1
（一） 矿井安全智能监控系统的起源与发展 1
（二）项目主要研究内容 1
二、总体方案设计 2
（一）主控芯片的选择 2
（二）AT89C51单片机介绍 2
（三）LCD1602液晶显示器模块 3
（四）DS18B20温度传感器模块 4
（五） MQ-4甲烷传感器 5
三、 系统硬件设计 6
（一）原理图设计 6
（二）51单片机最小系统 6
（三）LCD1602液晶显示器模块设计 8
（四） 按键模块设计 8
（五）DS18B20温度传感器模块设计 9
四、 系统软件设计 10
（一）主程序流程图设计 10
（二）LCD1602液晶屏显示子程序流程 11
（三）温度采集子程序流程图 12
（四） 甲烷浓度采集子程序流程图 13
（五）蜂鸣器报警子程序流程图 14
总结 15
参考文献 16
致谢 17
附录 原理图 18
附录 PCB图 18
附录 元器件清单 20
附录 程序 21
一、引言
（一）矿井安全智能监控系统的起源与发展
随着中国经济的快速发展，对能源的需求越来越高，而煤炭仍然是主要的电力来源，所以全国各地的大、小煤矿各种规格的研制。与此同时，煤矿安全问题也在引起各行各业的普遍关注，过去几年，煤矿安全事故不断发生，比如坍塌、爆炸以及旷工甲烷中毒等。本文所关注的问题是煤矿中的甲烷浓度参数，由于煤矿中含有大量的有毒 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
气体，矿工长时间工作在这种环境中必然会出现中毒现象。甲烷是一种无色无味的气体，它在明火状态下弥散在煤矿中极易发生爆炸，然而甲烷是一种对人体无毒的气体，但当空气中甲烷浓度达到一定比例时，会使人发生窒息现象，如果没有专门的甲烷浓度测量装置，这是非常危险的。因此本文结合大学期间所学的专业知识，采用51单片机作为主控核心，配合了MQ-4甲烷浓度传感器来设计了一款甲烷浓度报警器。
（二）项目主要研究内容
一个单片机AT89C51设计作为煤矿安全监测报警系统控制芯片，它集气体浓度和温度采集，温度显示，在一个超标准气体报警等功能。它的监控思想是通过温度传感器和瓦斯浓度传感器采集到的温度及瓦斯浓度信息，实现非电量和电量的相互转化，使得单片机能够处理这些信号，从而实现对矿井安全的监控。本设计主要实现以下指标
1、技术指标
（1）能够实现对瓦斯浓度的快速并且准确地测量。
（2）能够对矿井内的温度进行快速测量，测量范围为0~80℃，精度为0.5℃。
（3）通过LCD1602液晶显示温度值显示，并可显示气体浓度
（4）当温度过高或者瓦斯浓度过高时，通过蜂鸣器报警模块进行报警。
二、总体方案设计
（一）主控芯片的选择
方案一：采用DSP芯片作为控制核心，DSP处理器顾名思义就是处理数字信号的处理器，它主要是将信号从模拟域变换到数字域后，通过一系列的算法将信号进行处理，处理之后在进过DA模块将数字信号变换回模拟信号，这就是DSP处理器工作的基本流程。TI公司生产的TMS320F28335芯片性能优良，片内集成了大量的常用模块，如16路AD采样通道以及高精准的PWM输出，是工控领域的新型宠儿，然而其成本较高，对于此次的设计来说，无疑增加额外的负担，并且TMS320F28335的优秀性能用在本次设计中时大材小用。
方案二：使用FPGA或CPLD芯片为控制核心，现场可编程门阵列FPGA是英文名字，它是一个超大规模集成电路技术发展的产物，内部集成了上百万门逻辑器件，通常用VHDL或者Verilog语言对他进行描述，它是一种硬件电路。FPGA的显著特点是速度远高于单片机，其主频动辄上百M的速度，是数字信号处理的首选，然而本次设计的矿井安全监测系统对于处理速度没有过高的要求，并且考虑到过高的数字信号会给整体系统带来不稳定性，使最终的设计可靠性得不到保障。
方案三： 51单片机为控制核心的，配合片外由晶振电路和复位电路组成的51单片机最小系统的设计、电阻与LCD1602液晶显示器组成的显示模块电路、MQ-4型甲烷浓度传感器模块电路、以及采用串行总线控制的DS18B20温度传感器模块电路等部分而构成本矿井安全监测系统，由于51单片机再业界内已经具备了相当成熟的开发技术并且开发资料丰富，对于完成本次毕业设计是绝对有利的，另外该方案成本低廉，模块分明并且稳定性强。
综合上述三个方案的分析，可以发现采用DSP作为主控芯片时有一种大材小用的感觉，不但其高速地处理速度得不到应用，并且其内部丰富的资源也将被浪费；而采用FPGA或者CPLD时，其上百M的主频无疑会使得保护仪的稳定性下降；而51单片机不但性能稳定，其成本也是本次设计所能接受的，因此本次设计采用方案三作为矿井安全监测系统的最终设计方案。
（二）AT89C51单片机介绍
Atmel公司的AT89C51出品公司是一种4K字节的Flash存储器的单片机，它是一个8位的处理器可以在型CMOS低电压高性能工作。它内部集成的只读存储器具有高达1000多次的可擦除性，这样好的性能使得它非常适合学生做实验。除了这种类型的单片机已广泛应用于高密度非易失储存器的制造技术，通用IO AT89C51单片机引脚可以被广泛的应用于工业与MCS-51指令集的类型可以完美兼容。ATMEL公司研发的这种高效率的微控制器将FLASH和性能强大的8位CPU集成在一个芯片里使得它在嵌入式领域有着广泛的应用。常用的AT89C2051型单片机是AT89C51单片机的精简版本。基于上述的特点，在很多嵌入式场合，AT89C51单片机正在发挥着越来越多的作用。下图为DIP-40封装类型AT89C51单片机的芯片引脚图：
图2-1 AT89C51单片机引脚图
2、振荡器特性
XTAL1和XTAL2端口分别AT89C51内部反向放大器的输入和输出管脚。可以将这个反向放大器配置为片内震荡器。石英晶振和陶瓷晶振都可应用在此。在用外部的时钟源做作为震荡信号时，XTAL2不用接。由于进入内部的时钟信号要经二分频电路处理，所以对时钟信号的脉宽没有严格要求。
（三）LCD1602液晶显示器模块
1. LCD1602液晶显示器模块介绍
LCD1602液晶显示器的一个特征是，主要用来显示数字，字母，符号，目前市场上常用的液晶40×2，20×2，16×2和16×1大小，LCD1602属于16*2大小的。它有稳定的、高质量的显示特性，液晶显示器，每个像素的驱动信号是恒定的，和显示颜色的亮度不会改变，和阴极射线管（CRT）显示器的不同，后者需要不断地刷新。另外由于LCD1602是数字式的，跟单片机匹配性好，并且重量轻、体积小，跟传统上体积很大的模拟显示器相比，具有更大地应用前景。它的另一大两点是功耗相对较低，对于系统的电源质量要求较低。
图4-1 主程序流程图
一、引言 1
（一） 矿井安全智能监控系统的起源与发展 1
（二）项目主要研究内容 1
二、总体方案设计 2
（一）主控芯片的选择 2
（二）AT89C51单片机介绍 2
（三）LCD1602液晶显示器模块 3
（四）DS18B20温度传感器模块 4
（五） MQ-4甲烷传感器 5
三、 系统硬件设计 6
（一）原理图设计 6
（二）51单片机最小系统 6
（三）LCD1602液晶显示器模块设计 8
（四） 按键模块设计 8
（五）DS18B20温度传感器模块设计 9
四、 系统软件设计 10
（一）主程序流程图设计 10
（二）LCD1602液晶屏显示子程序流程 11
（三）温度采集子程序流程图 12
（四） 甲烷浓度采集子程序流程图 13
（五）蜂鸣器报警子程序流程图 14
总结 15
参考文献 16
致谢 17
附录 原理图 18
附录 PCB图 18
附录 元器件清单 20
附录 程序 21
一、引言
（一）矿井安全智能监控系统的起源与发展
随着中国经济的快速发展，对能源的需求越来越高，而煤炭仍然是主要的电力来源，所以全国各地的大、小煤矿各种规格的研制。与此同时，煤矿安全问题也在引起各行各业的普遍关注，过去几年，煤矿安全事故不断发生，比如坍塌、爆炸以及旷工甲烷中毒等。本文所关注的问题是煤矿中的甲烷浓度参数，由于煤矿中含有大量的有毒 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
气体，矿工长时间工作在这种环境中必然会出现中毒现象。甲烷是一种无色无味的气体，它在明火状态下弥散在煤矿中极易发生爆炸，然而甲烷是一种对人体无毒的气体，但当空气中甲烷浓度达到一定比例时，会使人发生窒息现象，如果没有专门的甲烷浓度测量装置，这是非常危险的。因此本文结合大学期间所学的专业知识，采用51单片机作为主控核心，配合了MQ-4甲烷浓度传感器来设计了一款甲烷浓度报警器。
（二）项目主要研究内容
一个单片机AT89C51设计作为煤矿安全监测报警系统控制芯片，它集气体浓度和温度采集，温度显示，在一个超标准气体报警等功能。它的监控思想是通过温度传感器和瓦斯浓度传感器采集到的温度及瓦斯浓度信息，实现非电量和电量的相互转化，使得单片机能够处理这些信号，从而实现对矿井安全的监控。本设计主要实现以下指标
1、技术指标
（1）能够实现对瓦斯浓度的快速并且准确地测量。
（2）能够对矿井内的温度进行快速测量，测量范围为0~80℃，精度为0.5℃。
（3）通过LCD1602液晶显示温度值显示，并可显示气体浓度
（4）当温度过高或者瓦斯浓度过高时，通过蜂鸣器报警模块进行报警。
二、总体方案设计
（一）主控芯片的选择
方案一：采用DSP芯片作为控制核心，DSP处理器顾名思义就是处理数字信号的处理器，它主要是将信号从模拟域变换到数字域后，通过一系列的算法将信号进行处理，处理之后在进过DA模块将数字信号变换回模拟信号，这就是DSP处理器工作的基本流程。TI公司生产的TMS320F28335芯片性能优良，片内集成了大量的常用模块，如16路AD采样通道以及高精准的PWM输出，是工控领域的新型宠儿，然而其成本较高，对于此次的设计来说，无疑增加额外的负担，并且TMS320F28335的优秀性能用在本次设计中时大材小用。
方案二：使用FPGA或CPLD芯片为控制核心，现场可编程门阵列FPGA是英文名字，它是一个超大规模集成电路技术发展的产物，内部集成了上百万门逻辑器件，通常用VHDL或者Verilog语言对他进行描述，它是一种硬件电路。FPGA的显著特点是速度远高于单片机，其主频动辄上百M的速度，是数字信号处理的首选，然而本次设计的矿井安全监测系统对于处理速度没有过高的要求，并且考虑到过高的数字信号会给整体系统带来不稳定性，使最终的设计可靠性得不到保障。
方案三： 51单片机为控制核心的，配合片外由晶振电路和复位电路组成的51单片机最小系统的设计、电阻与LCD1602液晶显示器组成的显示模块电路、MQ-4型甲烷浓度传感器模块电路、以及采用串行总线控制的DS18B20温度传感器模块电路等部分而构成本矿井安全监测系统，由于51单片机再业界内已经具备了相当成熟的开发技术并且开发资料丰富，对于完成本次毕业设计是绝对有利的，另外该方案成本低廉，模块分明并且稳定性强。
综合上述三个方案的分析，可以发现采用DSP作为主控芯片时有一种大材小用的感觉，不但其高速地处理速度得不到应用，并且其内部丰富的资源也将被浪费；而采用FPGA或者CPLD时，其上百M的主频无疑会使得保护仪的稳定性下降；而51单片机不但性能稳定，其成本也是本次设计所能接受的，因此本次设计采用方案三作为矿井安全监测系统的最终设计方案。
（二）AT89C51单片机介绍
Atmel公司的AT89C51出品公司是一种4K字节的Flash存储器的单片机，它是一个8位的处理器可以在型CMOS低电压高性能工作。它内部集成的只读存储器具有高达1000多次的可擦除性，这样好的性能使得它非常适合学生做实验。除了这种类型的单片机已广泛应用于高密度非易失储存器的制造技术，通用IO AT89C51单片机引脚可以被广泛的应用于工业与MCS-51指令集的类型可以完美兼容。ATMEL公司研发的这种高效率的微控制器将FLASH和性能强大的8位CPU集成在一个芯片里使得它在嵌入式领域有着广泛的应用。常用的AT89C2051型单片机是AT89C51单片机的精简版本。基于上述的特点，在很多嵌入式场合，AT89C51单片机正在发挥着越来越多的作用。下图为DIP-40封装类型AT89C51单片机的芯片引脚图：
图2-1 AT89C51单片机引脚图
2、振荡器特性
XTAL1和XTAL2端口分别AT89C51内部反向放大器的输入和输出管脚。可以将这个反向放大器配置为片内震荡器。石英晶振和陶瓷晶振都可应用在此。在用外部的时钟源做作为震荡信号时，XTAL2不用接。由于进入内部的时钟信号要经二分频电路处理，所以对时钟信号的脉宽没有严格要求。
（三）LCD1602液晶显示器模块
1. LCD1602液晶显示器模块介绍
LCD1602液晶显示器的一个特征是，主要用来显示数字，字母，符号，目前市场上常用的液晶40×2，20×2，16×2和16×1大小，LCD1602属于16*2大小的。它有稳定的、高质量的显示特性，液晶显示器，每个像素的驱动信号是恒定的，和显示颜色的亮度不会改变，和阴极射线管（CRT）显示器的不同，后者需要不断地刷新。另外由于LCD1602是数字式的，跟单片机匹配性好，并且重量轻、体积小，跟传统上体积很大的模拟显示器相比，具有更大地应用前景。它的另一大两点是功耗相对较低，对于系统的电源质量要求较低。
图4-1 主程序流程图
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