单片机的可燃气体浓度检测系统设计
摘 要本课题主要以基于单片机的可燃气体浓度检测系统作为研究对象，选用了AT89C51单片机来作为控制器芯片，设计了一款可以实现可燃气体浓度快速检测、液晶显示以及超标报警等功能的可燃气体浓度检测控制系统。在软件上用了C语言进行程序代码编写，经过了大量的仿真测试得出本系统有很高的稳定性，具有很好的实用价值，如果投向市场，能够快速赢得消费用户的青睐。
目录
一、 引言 1
（一） 可燃气体检测技术的发展背景 1
（二） 可燃气体检测的国内外发展现状 1
（三） 本文主要研究内容 1
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 常用单片机的比较与选择 3
（二） AT89C51单片机介绍 4
（三） LCD1602型显示器概述 4
（四） MQ5传感器探头介绍 5
（五） ADC0832模数转换器芯片简介 5
三、 硬件系统设计 7
（一） 可燃气体浓度检测系统的硬件结构框图设计 7
（二） 最小系统设计 7
1. 时钟电路设计 8
2. 复位电路设计 8
（三） 显示器外围电路设计 9
（四） MQ5可燃气体浓度检测电路设计 9
（五） 模拟电压信号采集电路设计 10
（六） 超标报警电路设计 11
四、 软件系统设计 12
（一） 可燃气体浓度检测系统的主程序流程图设计 12
（二） 显示器工作流程设计 13
1. 判忙函数 13
2. 写数据流程 13
3. 写指令流程 13
（三） 直流电压采集流程设计 14
（四） 硬件调试 15
（五） 调试总结 15
总 结 16
参考文献 17
附录一 原理图 19
附录二 PCB 20
附录三 元件列表 21
引言
可燃气体检测技术的发展背景
本课题所指的可燃气体不容易被察觉，并且极易带来爆炸事故，过去对于这些可燃
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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。另一种用于对有可燃气体进行集中管理的大型设备造价贵，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，嵌入式手持可燃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，集成对可燃气体自动检测、浓度显示、超标报警以及阀值设置等功能于一身，不但使用方便，任何人只需要经过简单的操作就可上手，因此嵌入式手持可燃气体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可燃气体检测仪器中，不但如此，以太网的组网功能轻松地实现可燃气体检测的多点布放，通过一台主机实现对多个地点的集中监控，可燃气体手持检测机将检测数据通过以太网接口发送到主控机上，并且成本低。
可燃气体检测的国内外发展现状
随着我国燃气的不断发展，对于空气中可燃气体的检测仪器需求量和性能要求都在上升，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。
本文主要研究内容
在对可燃气体（天然气、液化气等）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，下面对本文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。首先对可燃气体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；其次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，再者对硬件系统进行设计，通过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，最后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，在功能设计上主要完成了以下几项：
1）能实现AT89C51单片机最小系统的设计；
2）能实现AT89C51单片机对液晶屏的驱动；
3）能够实现可燃气体浓度的自动检测；
4）具有浓度超标报警功能；
5）报警浓度阀值能够通过按键调节。
方案选择及元器件介绍
常用单片机的比较与选择
本文结合了自身当前的知识掌握情况以及对于单片机的学习经历，最终制订了两个单片机的待选方案。
第一个方案是选用ATMEL公司的AT89C51单片机，C51单片机的数据处理宽度为八位，如果采用该单片机作为本次毕业设计的主控单片机，那么将能够带来极高的性价比，目前AT89C51单片机的平均价格为2RMB左右，作为系统的主控核心，成本能够控制在如此之低的水平，那么能够大大地提高控制系统的性价比。另外大学三年中对于AT89C51单片机的学习过程中，对其内部21个寄存器的配置以及使用已经有了很充分的经验和操作经历，因此如果使用AT89C51单片机，那么将能够给本次的毕业设计的成功带来足够的保障性。在电路构建方面以及PCB布局方面，由于AT89C51单片机体积较大，40个管脚全部采用直插形式，没有任何贴片引脚，因此对于PCB的布局以及焊接工作，能够大大降低设计难度，并且也能够在一定程度上增强系统的稳定性。
第二个方案时选用ATMEL公司的AVR单片机，所谓的AVR单片机指的是一种经过技术改进的并且采用RISC指令结构的单片机，其名称AVR的由来——该单片机是由ATMEL公司的A和V两位员工（A和V是他们名字的首字母）共同设计出来的，在51单片机的基础上，去除51单片机的复杂指令结构，而采用RISC指令结构，因此去RISC的首字母R，将A、V和R三个字母相连，这就是AVR单片机名称的由来。AVR单片机在一定意义上来讲，是51单片机的一种改进品，因为随着单片机技术的飞速发展，一开始设计人员威乐增强51单片机的稳定性，因此将外部输入的时钟频率经过多次分频，使得51单片机的主频变得非常小，通过牺牲主频的方式来保证单片机的稳定性。而AVR单片机经过了内部结构的改进，使得单片机不用经过大幅度分频，就可在较高速的主频频率下就能够稳定的工作，因此AVR单片机的运行速度相对来说比51单片机要高。AVR单片机的管脚封装形式与51单片机相同，同样能够大大有利于系统电路以及PCB布局的设计。
目录
一、 引言 1
（一） 可燃气体检测技术的发展背景 1
（二） 可燃气体检测的国内外发展现状 1
（三） 本文主要研究内容 1
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 常用单片机的比较与选择 3
（二） AT89C51单片机介绍 4
（三） LCD1602型显示器概述 4
（四） MQ5传感器探头介绍 5
（五） ADC0832模数转换器芯片简介 5
三、 硬件系统设计 7
（一） 可燃气体浓度检测系统的硬件结构框图设计 7
（二） 最小系统设计 7
1. 时钟电路设计 8
2. 复位电路设计 8
（三） 显示器外围电路设计 9
（四） MQ5可燃气体浓度检测电路设计 9
（五） 模拟电压信号采集电路设计 10
（六） 超标报警电路设计 11
四、 软件系统设计 12
（一） 可燃气体浓度检测系统的主程序流程图设计 12
（二） 显示器工作流程设计 13
1. 判忙函数 13
2. 写数据流程 13
3. 写指令流程 13
（三） 直流电压采集流程设计 14
（四） 硬件调试 15
（五） 调试总结 15
总 结 16
参考文献 17
附录一 原理图 19
附录二 PCB 20
附录三 元件列表 21
引言
可燃气体检测技术的发展背景
本课题所指的可燃气体不容易被察觉，并且极易带来爆炸事故，过去对于这些可燃
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
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。另一种用于对有可燃气体进行集中管理的大型设备造价贵，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，嵌入式手持可燃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，集成对可燃气体自动检测、浓度显示、超标报警以及阀值设置等功能于一身，不但使用方便，任何人只需要经过简单的操作就可上手，因此嵌入式手持可燃气体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可燃气体检测仪器中，不但如此，以太网的组网功能轻松地实现可燃气体检测的多点布放，通过一台主机实现对多个地点的集中监控，可燃气体手持检测机将检测数据通过以太网接口发送到主控机上，并且成本低。
可燃气体检测的国内外发展现状
随着我国燃气的不断发展，对于空气中可燃气体的检测仪器需求量和性能要求都在上升，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。
本文主要研究内容
在对可燃气体（天然气、液化气等）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，下面对本文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。首先对可燃气体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；其次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，再者对硬件系统进行设计，通过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，最后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，在功能设计上主要完成了以下几项：
1）能实现AT89C51单片机最小系统的设计；
2）能实现AT89C51单片机对液晶屏的驱动；
3）能够实现可燃气体浓度的自动检测；
4）具有浓度超标报警功能；
5）报警浓度阀值能够通过按键调节。
方案选择及元器件介绍
常用单片机的比较与选择
本文结合了自身当前的知识掌握情况以及对于单片机的学习经历，最终制订了两个单片机的待选方案。
第一个方案是选用ATMEL公司的AT89C51单片机，C51单片机的数据处理宽度为八位，如果采用该单片机作为本次毕业设计的主控单片机，那么将能够带来极高的性价比，目前AT89C51单片机的平均价格为2RMB左右，作为系统的主控核心，成本能够控制在如此之低的水平，那么能够大大地提高控制系统的性价比。另外大学三年中对于AT89C51单片机的学习过程中，对其内部21个寄存器的配置以及使用已经有了很充分的经验和操作经历，因此如果使用AT89C51单片机，那么将能够给本次的毕业设计的成功带来足够的保障性。在电路构建方面以及PCB布局方面，由于AT89C51单片机体积较大，40个管脚全部采用直插形式，没有任何贴片引脚，因此对于PCB的布局以及焊接工作，能够大大降低设计难度，并且也能够在一定程度上增强系统的稳定性。
第二个方案时选用ATMEL公司的AVR单片机，所谓的AVR单片机指的是一种经过技术改进的并且采用RISC指令结构的单片机，其名称AVR的由来——该单片机是由ATMEL公司的A和V两位员工（A和V是他们名字的首字母）共同设计出来的，在51单片机的基础上，去除51单片机的复杂指令结构，而采用RISC指令结构，因此去RISC的首字母R，将A、V和R三个字母相连，这就是AVR单片机名称的由来。AVR单片机在一定意义上来讲，是51单片机的一种改进品，因为随着单片机技术的飞速发展，一开始设计人员威乐增强51单片机的稳定性，因此将外部输入的时钟频率经过多次分频，使得51单片机的主频变得非常小，通过牺牲主频的方式来保证单片机的稳定性。而AVR单片机经过了内部结构的改进，使得单片机不用经过大幅度分频，就可在较高速的主频频率下就能够稳定的工作，因此AVR单片机的运行速度相对来说比51单片机要高。AVR单片机的管脚封装形式与51单片机相同，同样能够大大有利于系统电路以及PCB布局的设计。
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